Мощный СВЧ полевой транзистор Российский патент 2025 года по МПК H10D30/60 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве активных элементов СВЧ устройств.

Известен мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шоттки, выполненный в виде чередующейся структуры, так называемой гребенки электродов истока, затвора, стока, при этом единичные электроды затвора расположены в канавках каналов, выполненных между электродами истока и стока [См. Полевые транзисторы на арсениде галлия. Принципы работы и технология изготовления. Под ред. Д.В. Ди Лоренцо, Д.Д. Канделуола, Перевод с английского под ред. Г.В. Петрова, М., «Радио и связь», 1988 г., стр.118].

Такая конструкция позволяет снизить паразитное сопротивление общего электрода затвора, что приводит к увеличению коэффициента усиления СВЧ полевого транзистора с барьером Шоттки по мощности. Кроме того, она позволяет сделать СВЧ полевой транзистор с барьером Шоттки компактным.

Недостаток такого СВЧ полевого транзистора с барьером Шоттки заключается в увеличении количества цепей суммирования, которые располагаются вдоль наиболее широкой части транзистора. Большое количество цепей суммирования приводит к увеличению занимаемой ими площади и к уменьшению активной площади, занимаемой активной частью транзистора, что уменьшает количество транзисторов на транзисторной пластине фиксированной площади, а следовательно, и полезную мощность, которая может быть получена с транзисторной пластины фиксированной площади.

Известен мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки, содержащий полуизолирующую подложку арсенида галлия с активным слоем, гребенку из чередующейся, по меньшей мере, более одной последовательности единичных электродов истока, затвора, стока, при этом между парами единичных электродов исток-сток расположены области полуизолирующего арсенида галлия, а в парах единичных электродов исток-сток расположены каналы с канавками, в последних расположены единичные электроды затвора, при этом единичные электроды затвора расположены асимметрично в сторону единичных электродов истока, одноименные единичные электроды истока, затвора, стока соединены электрически [патент РФ №2307424 «Мощный СВЧ полевой транзистор с барьером Шотки» приоритет 02.12.2005, авторы В.Г. Лапин, К.И. Петров, А.М. Темнов, опубл. 27.09.2007, бюл. №27].

Это техническое решение обладает следующими недостатками. Области полуизолирующего арсенида галлия, расположенные между парами единичных электродов исток-сток никак не используются, но увеличивают занимаемую транзистором площадь. К тому же эти области увеличивают общую ширину транзистора и, следовательно, площадь, занимаемую цепями суммирования, что уменьшает количество транзисторов на транзисторной пластине фиксированной площади, следовательно, и полезную мощность, которая может быть получена с транзисторной пластины фиксированной площади.

Предлагаемое техническое решение позволяет устранить некоторые недостатки аналога и прототипа.

Техническим результатом изобретения является уменьшение габаритных размеров мощного полевого транзистора, улучшение электрических характеристик, повышение полезной мощности с единицы площади транзисторной пластины.

Технический результат достигается тем, что в мощном полевом транзисторе СВЧ, выполненном на полуизолирующей подложке с активным слоем повышенной проводимости в виде периодического набора ячеек, причем внутри каждой ячейки последовательно расположены параллельные электроды истока, затвора и стока, между ячейками расположены области полуизолирующего материала, а внутри ячейки электрод затвора расположен между электродами исток-сток, одноименные электроды истока и стока от различных ячеек соединены электрически, образуя цепи суммирования сигнала транзистора, при этом на полуизолирующей области между ячейками выполнен дополнительный электрод, соединенный одним концом с затворными цепями суммирования, электрод затвора ячейки выполнен из нескольких отдельных параллельных электродам истока и стока субзатворов, которые расположены вдоль линии, параллельной истоку, разделены между собой полуизолирующими областями и соединены перемычками с указанным дополнительным электродом, а электрод истока, электрод стока и дополнительный электрод затвора выполнены удлиненными.

Сущность технического решения заключается в следующем.

Для увеличения мощности полевого транзистора необходимо увеличивать ток, текущий между электродами истока и стока, например, путем их удлинения. Однако при увеличении длины электродов уровень управляющего высокочастотного сигнала уменьшается из-за большого сопротивления электрода затвора, имеющего меньшее относительно электродов истока и стока сечение, поскольку мощный полевой транзистор работает в высокочастотном диапазоне, что приводит к рассогласованной работе различных частей транзистора. С этим явлением при традиционном подходе борются путем параллельного соединения множества транзисторных ячеек с короткими электродами, вместе с этим увеличивается и площадь, занимаемая цепями суммирования. Поэтому при традиционном построении цепи суммирования (входные и выходные) занимают значительную площадь, не участвующую в генерации высокочастотного сигнала и часто значительно превышающую площадь, занимаемую активными элементами (фиг. 1 а, выделенная область).

Простое увеличение длины электродов в ячейке транзистора с целью изменения геометрии для уменьшения площади, занимаемой цепями суммирования, приводит к искажению сигналов, проходящих от цепей суммирования по электродам ячейки.

Для решения задачи уменьшения габаритных размеров предлагается удлинить электроды стока, истока и затвора. Это меняет геометрию ячейки транзистора таким образом, что уменьшается площадь, занимаемая цепями суммирования (фиг. 1 б, выделенная область), и изменение геометрии ячейки транзистора ведет к тому, что на фиксированной площади транзисторной пластины удается разместить большее количество транзисторов, содержащих транзисторные ячейки предлагаемой конструкции, при их массовом производстве (увеличить полезную мощность с единицы площади транзисторной пластины).

Расположение дополнительного электрода на полуизолирующей области между ячейками и соединенного одним концом с затворными цепями суммирования, а также выполнение электрода затвора ячейки из нескольких отдельных параллельных электродам истока и стока субзатворов, соединенных перемычками с дополнительным электродом, позволяет выровнять уровень сигнала между отдельными, расположенными вдоль одной линии субзатворами транзисторной ячейки.

Таким образом, предложенное техническое решение позволяет уменьшить габаритные размеры транзистора или существенно увеличить мощность без изменения габаритных размеров. При изменении габаритов количество транзисторов на транзисторной пластине возрастает и можно говорить об увеличении полезной мощности с единицы площади транзисторной пластины.

Изобретение поясняется чертежами. На фиг. 1 представлен внешний вид традиционного транзистора (а) и транзистора по предложенному техническому решению (б).

На фиг. 2 представлен внешний вид ячейки (а) и разрез (б) транзистора по предложенному техническому решению, где:

1 - электрод истока;

2 - электрод субзатвора;

3 - электрод стока;

4 - дополнительный электрод затвора;

5 - перемычка, соединяющая субзатвор с дополнительным электродом затвора;

6 - полуизолирующая область, разделяющая субзатворы;

7 - полуизолирующая подложка.

Мощный полевой транзистор работает следующим образом. Входной сигнал подается на удлиненные электроды истока (1) и дополнительный удлиненный электрод затвора (4). Далее сигнал проходит через перемычки (5), образующие воздушный мост, на субзатворы (2). Субзатворы (2) разделены полуизолирующей областью (6), при этом их длина меньше, чем длина электродов стока (3), истока (1) и дополнительного электрода затвора (4), что не дает сигналу заметно уменьшиться. Таким образом, все части транзистора работают согласованно. Выходной сигнал снимается с электродов истока (1) и стока (3).

Проведено сравнительное математическое моделирование транзистора по предложенному техническому решению и прототипа с помощью нелинейных эквивалентных схем этих приборов. Поскольку создание нового транзистора не требует применения новых технологий, эквивалентная схема нового транзистора строилась на основе метода масштабирования модели прототипа.

Пример 1. Моделирование транзисторов одинаковой мощности

С помощью моделей спроектировано два транзистора с выходной высокочастотной мощностью 8 Вт. Один, аналогичный транзистору прототипа, спроектирован обычным способом путем увеличения количества параллельно соединенных традиционных ячеек, другой - с помощью предложенного технического решения.

Результаты моделирования представлены в таблице 1.

Таблица 1

P₀ (Вт) Число ячеек Длина транзистора (мм) Ширина транзистора (мм) Число транзисторов с пластины Прототип 8 150 0.45 5.45 3202 Транзистор по предложенному техническому решению 8 20 0.89 0.9 9805

Пример 2. Моделирование транзисторов одинаковой площади

С помощью моделей спроектировано два транзистора с одинаковой площадью 2.45 мм². Один - по традиционному подходу (прототип), другой - с помощью предложенного технического решения.

Результаты моделирования представлены в таблице 2.

Таблица 2

S₀ (мм²) Число ячеек Длина транзистора (мм) Ширина транзистора (мм) P₀ (Вт) Число транзисторов с пластины Прототип 2.45 150 0.45 5.45 8 3202 Транзистор по предложенному техническому решению 2.45 61 0.89 2.755 24.4 3202

Таким образом, результаты моделирования доказали достижение заявленного технического результата.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в качестве активных элементов СВЧ устройств. Мощный полевой транзистор СВЧ выполнен на полуизолирующей подложке с активным слоем повышенной проводимости в виде периодического набора ячеек, причем внутри каждой ячейки последовательно расположены параллельные электроды истока, затвора и стока, между ячейками расположены области полуизолирующего материала, а внутри ячейки электрод затвора расположен между электродами исток-сток, одноименные электроды истока и стока от различных ячеек соединены электрически, образуя цепи суммирования сигнала транзистора, при этом на полуизолирующей области между ячейками выполнен дополнительный электрод, соединенный одним концом с затворными цепями суммирования, электрод затвора ячейки выполнен из нескольких отдельных параллельных электродам истока и стока субзатворов, которые расположены вдоль линии, параллельной истоку, разделены между собой полуизолирующими областями и соединены перемычками с указанным дополнительным электродом, а электроды истока, стока и дополнительный электрод затвора выполнены удлиненными. Изобретение обеспечивает уменьшение габаритных размеров мощного полевого транзистора, улучшение электрических характеристик, повышение полезной мощности с единицы площади транзисторной пластины. 2 ил., 2 табл.

Мощный СВЧ полевой транзистор, выполненный на полуизолирующей подложке с активным слоем повышенной проводимости, в виде периодического набора ячеек, причем внутри каждой ячейки последовательно расположены параллельные электроды истока, затвора и стока, между ячейками расположены области полуизолирующего материала, а внутри ячейки электрод затвора расположен между электродами исток-сток, одноименные электроды истока и стока от различных ячеек соединены электрически, образуя цепи суммирования сигнала транзистора, отличающийся тем, что на полуизолирующей области между ячейками выполнен дополнительный электрод затвора, соединенный одним концом с затворными цепями суммирования, электрод затвора ячейки выполнен из нескольких отдельных параллельных электродам истока и стока субзатворов, при этом субзатворы расположены вдоль одной линии, параллельной истоку, разделены между собой полуизолирующими областями и соединены перемычками с дополнительным электродом затвора, а электрод истока, дополнительный электрод затвора и электрод стока выполнены удлиненными.