МОЩНЫЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР Российский патент 2017 года по МПК H01L29/73 

Изобретение относится к электронной полупроводниковой технике, в частности к конструкции мощных СВЧ-транзисторов, и может быть использовано для создания на их основе радиоэлектронной аппаратуры нового поколения.

СВЧ-транзисторы всех типов несут в себе источники внутренней обратной связи, которые существенным образом влияют на эксплуатационные характеристики приборов.

Для мощных СВЧ-транзисторов паразитные параметры системы соединительных проводников внутри корпуса транзистора могут формировать дополнительные источники обратных связей. Очевидный источник подобных обратных связей - паразитная индуктивность общего электрода транзистора в настоящее время исключена практически во всех конструкциях современных транзисторов [ТУ «Мощный СВЧ биполярный транзистор типа 2Т946» (АаО 339083 ТУ)], [Патент «СВЧ-транзистор» (US 6181200 В1)]. Однако для относительно мощных и достаточно высокочастотных как биполярных, так и полевых транзисторов остается неустраненный источник обратной связи, связанный с взаимной индуктивностью соединительных проводников, принадлежащих входной и выходной цепям транзистора.

Аналогами предлагаемого устройства в области биполярных транзисторов являются [ТУ «Мощный СВЧ биполярный транзистор типа 2Т946» (АаО 339083 ТУ)] и [Патент «СВЧ-транзистор» (US 6181200 В1)], где индуктивности общего электрода (базы) исключена за счет двусторонней сборки базовых соединительных проводников на фланец корпуса, который является общим электродом транзистора.

В области полевых транзисторов аналогами можно считать [Статья: Peter H. Aaen, Jaime А. Рl'а and Constantine A. Balanis, «Modeling Techniques Suitable for CAD Based Design of Internal Matching Networks of High-Power RF/Microwave Transistors», IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques», vol. 54, no. 7, pp. 3052-3058, july 2006.] и [ТУ «Транзисторы 2П9109» (АЕЯР.432150.622 ТУ - ЛУ)], где общим электродом является исток, непосредственно присоединенный к фланцу корпуса, что исключает прямую реализацию индуктивности общего электрода.

Исходная конструкция соединительных цепей для типичного мощного LDMOS-транзистора, способного отдавать импульсную мощность 70 Вт на частоте 3 ГГц, показана на фиг. 1. Совокупность взаимных индуктивностей между внутренними цепями в корпусе транзистора обозначается буквой «М». По результатам электромагнитных модельных исследований получены численные значения всех составляющих взаимных индуктивностей. При этом модельные исследования эксплуатационных параметров усилительного каскада в существенно нелинейном режиме показали искажение полосных характеристик усилительного каскада, а при неблагоприятных рассогласованиях входной и выходной цепей - к потере устойчивости усилительного каскада.

Цель настоящего изобретения - устройство мощных СВЧ-транзисторов с рабочими частотами более 2 ГГц с расширенной полосой рабочих частот и повышенной эксплуатационной устойчивостью.

Конструкция согласующих цепей в корпусе мощного СВЧ-транзистора любого типа включает ряды соединительных проволочных проводников между кристаллом транзистора 1 (фиг. 1) или несколькими такими параллельно включенными кристаллами, конденсаторами внутренних входных 2 и выходных 3 согласующих цепей (если они имеются) и полосковыми входными 4 и выходными 5 выводами транзистора, размещенными на бортиках (стенках) керамической структуры, установленной на фланце корпуса, образующем общий электрод транзистора.

Технический результат достигается тем, что между каждым из пары в ряду основных соединительных проводников размещены экранирующие проводники 6 (фиг. 2), которые с одного и другого конца электрически соединены с фланцем корпуса, при этом внутри прямоугольной керамической структуры корпуса размещена металлическая рамка с вертикальными стенками 7, снизу соединенная с фланцем корпуса, а сверху имеющая уровень несколько ниже уровня выводов транзистора для присоединения упомянутых экранирующих, промежуточных по отношению к основным, проводников 6.

Такая формулировка по факту экранирования является достаточной, однако конструктивная реализация возможна лишь при условии близости контактных площадок 8 для присоединения основных соединительных проводников (используемых для соединения кристалла транзистора с согласующими входными 2 и выходными 3 конденсаторами и входными 4 и выходными 5 выводами транзистора) и соответствующих экранирующих проводников 6. Принципиальным оказывается создание подобных вспомогательных контактных площадок вблизи площадок кристалла транзистора 8. Для решения этой задачи предлагается разместить внутри корпуса транзистора металлические бруски 9 между кристаллом 1 и входным 2 и выходным 3 согласующими конденсаторами, по высоте примерно равными высоте кристалла транзистора 1 (фиг. 2). Присоединение экранирующих проводников 6 производится с экранирующей рамки 7 либо на вспомогательные металлические бруски 9 рядом с кристаллом транзистора 1, либо непосредственно на фланец вблизи кристалла транзистора 1 (если брусок 9 отсутствует). Вместо бруска 9 допускается использовать соединенную с фланцем площадку (шину) рядом размещенного согласующего конденсатора 2 или 3 (если она имеется). Также вместо экранирующей рамки 7 возможно размещение металлических вставок с длиной, приблизительно равной длине кристалла транзистора 1, высотой, равной высоте экранирующей рамки 7, располагающихся между бортиками керамической структуры и согласующими конденсаторами 2 или 3.

Расположение экранирующей рамки 7, а также брусков 9 требует наличия свободного места в корпусе транзистора, которое не всегда имеется в конструкции современных мощных СВЧ-транзисторов. В целях экономии места, а также упрощения конструкции можно использовать альтернативный вариант, в котором вместо буквального экранирования каждого ряда соединительных проводников предусматривается размещение только двух рядов экранирующих проводников 6 при трех рядах основных проводников, как это показано на фиг. 3. Основанием для упрощенного варианта размещения экранирующих проводников 6 является то обстоятельство, что взаимная индуктивность рядов проводников, идущих с входного вывода транзистора 4 на входной согласующий конденсатор 2, не нуждается в подавлении, поскольку она напрямую не влияет на уровень обратной связи в транзисторе. В таком варианте также допускается размещение металлических брусков 9 между входным 2 и выходным 3 согласующими конденсаторами и кристаллом 1, на которые будут развариваться экранирующие проволоки 6.

Возможно соединение нижних концов экранирующих проводников 6 на промежуточные контактные площадки на самом кристалле транзистора 10 (фиг. 4). Для этих целей требуется изготовление кристалла транзистора с размещением на его верхней стороне изолированных металлических площадок 10, находящихся в непосредственной близости к контактным площадкам основных соединительных проводников 8 кристалла транзистора. При этом экранирующие проволоки 6 должны развариваться с экранирующей рамки 7 на данные изолированные площадки 10, а те в свою очередь должны быть соединены короткими проволочными проводниками 11 с фланцем транзистора.

Все эти варианты имеют свои технологические достоинства и недостатки, однако они практически равноценны с точки зрения реализации основной идеи экранирования взаимной индуктивности между входными и выходными соединительными проводниками. Предложенные варианты конструкции с использованием экранирующих проводников 6 и экранирующих рамок 7 могут быть использованы аналогичным образом, как это описано для однокристального транзистора, и в других корпусах мощных СВЧ-транзисторов как полевых, так и биполярных

Представленные конструкции с двумя рядами экранирующих проводников 6 по данным модельного исследования позволяют снизить эффект электромагнитного взаимодействия входных и выходных соединительных проводников, в зависимости от конфигурации экранирующих проволок 6, вплоть до полного подавления неустойчивости усилительного каскада и существенного снижения искажений амплитудно-частотной характеристики. При этом важно, чтобы геометрия экранирующих проводников 6 по возможности максимально повторяла геометрию основных проводников, соединяющих кристалл транзистора с согласующими входными 2 и выходными 3 конденсаторами и входными 4 и выходными 5 выводами транзистора. Вариант присоединения экранирующих проводников к соответствующим площадкам на кристалле транзистора (фиг. 4) дает наибольший эффект.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства состоит в возможности создания мощных СВЧ-транзисторов с расширенной полосой рабочих частот и повышенной устойчивостью по сравнению с использованием обычной конструкции мощных СВЧ-транзисторов, не использующих экранирующие проволоки.

Использование: для создания мощного СВЧ-транзистора. Сущность изобретения заключается в том, что мощный СВЧ-транзистор включает керамический корпус с металлическим фланцем и двумя полосковыми выводами на бортиках керамической структуры, один или несколько параллельно включенных транзисторных кристаллов, кристаллы конденсаторов внутренних согласующих цепей, несколько рядов соединительных проволочных проводников, соединяющих контактные площадки на кристаллах транзистора и кристаллах конденсаторов между собой и с входными и выходными выводами транзистора, при том, что фланец выполняет функцию общего электрода транзистора, а между каждым из пары в ряду основных соединительных проводников размещены экранирующие проводники, при этом внутри керамической структуры корпуса размещена металлическая рамка с вертикальными стенками, снизу соединенная с фланцем корпуса, а сверху имеющая уровень несколько ниже уровня выводов транзистора для присоединения верхних концов упомянутых экранирующих проводников, нижние концы экранирующих проводников присоединены непосредственно к фланцу корпуса вблизи кристалла транзистора. Технический результат: обеспечение возможности расширения полосы рабочих частот и повышения эксплуатационной устойчивости. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Мощный СВЧ-транзистор, включающий керамический корпус с металлическим фланцем и двумя полосковыми выводами на бортиках керамической структуры, один или несколько параллельно включенных транзисторных кристаллов, кристаллы конденсаторов внутренних согласующих цепей, несколько рядов соединительных проволочных проводников, соединяющих контактные площадки на кристаллах транзистора и кристаллах конденсаторов между собой и с входными и выходными выводами транзистора, при том, что фланец выполняет функцию общего электрода транзистора, отличающийся тем, что между каждым из пары в ряду основных соединительных проводников размещены экранирующие проводники, при этом внутри керамической структуры корпуса размещена металлическая рамка с вертикальными стенками, снизу соединенная с фланцем корпуса, а сверху имеющая уровень несколько ниже уровня выводов транзистора для присоединения верхних концов упомянутых экранирующих проводников, нижние концы экранирующих проводников присоединены непосредственно к фланцу корпуса вблизи кристалла транзистора.

2. Мощный СВЧ-транзистор по п. 1, отличающийся тем, что нижние концы экранирующих проводников присоединены к вспомогательным металлическим брускам рядом с кристаллом транзистора.

3. Мощный СВЧ-транзистор по п. 1, отличающийся тем, что нижние концы экранирующих проводников присоединены к соединенной с фланцем площадке, представляющей собой шину, рядом с согласующим конденсатором.

4. Мощный СВЧ-транзистор по п. 1, отличающийся тем, что на верхней поверхности кристалла транзистора должны быть размещены изолированные металлические площадки, находящиеся в непосредственной близости к затворным и стоковым контактам кристалла полевого транзистора, либо с эмиттерными и коллекторными контактами на кристалле биполярного транзистора, при этом экранирующие проводники своими нижними концами присоединены к данным изолированным площадкам, а те в свою очередь соединены короткими проволочными проводниками с фланцем транзистора.

5. Мощный биполярный СВЧ-транзистор по п. 4, отличающийся тем, что экранирующие проводники выполнены разваренными с металлической экранирующей рамки на металлизированные площадки общие с базовыми контактными площадками.