МОЩНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОРНЫЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР Советский патент 1994 года по МПК H01L29/70 

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к биполярным мощным генераторным СВЧ-транзисторам.

Известен СВЧ генераторный транзистор, в котором два мощных транзистора расположены внутри одного корпуса, но полностью изолированы друг от друга [1] . Это так называемый двойной (или балансный) транзистор. Он позволяет удвоить мощность по отношению к мощности каждой его половины путем сложения мощности в пушпульной схеме. Однако в каждой его половине мощность достигается параллельным сложением мощности отдельных транзисторных структур, как и в первом аналоге, т. е, сохраняются прежние проблемы при повышении мощности. К тому же для реализации пушпульной схемы необходимы специальные схемы для сдвига фазы сигнала, подаваемого на одну половину транзистора, на 180^o по отношению к сигналу, подаваемому на другую его половину, что усложняет достижение высокой выходной мощности.

Наиболее близким техническим решением к предложенному является мощный биполярный генераторный СВЧ-транзистор, содержащий параллельно-включенные транзисторные структуры в корпусе с внутренним и внешним коллекторными электродами, выходную индуктивно-емкостную цепь согласования, включающую МОП-конденсаторы, индуктивные элементы, входную индуктивно-емкостную цепь согласования, общий электрод корпуса [2] .

Транзистор такой конструкции, если он содержит ограниченное число транзисторных структур, имеет определенное преимущество перед транзистором без внутреннего согласования выхода. Однако для него существует "критическая" мощность на каждой частоте, т. е. он обладает тем же недостатком, что и транзистор без внутреннего согласования выхода. К тому же при подобном согласовании в транзисторе с большим числом транзисторных структур невозможно одинаково согласовать транзисторные структуры, расположенные в центре и на краях длинного ряда транзисторных структур. Это связано с различием величин индуктивностей, каждая из которых компенсирует емкость отдельной транзисторной структуры из-за большой протяженности, т. е. заметной индуктивности внутреннего коллекторного электрода транзистора.

Целью изобретения является увеличение выходных мощностей и КПД.

Поставленная цель достигается тем, что в мощном биполярном генераторном СВЧ-транзисторе, содержащем параллельно включенные транзисторные структуры в корпусе с внутренним и внешним коллекторными электродами, выходную индуктивно-емкостную цепь согласования, включающую МОП-конденсаторы, индуктивные элементы, входную индуктивно-емкостную цепь согласования, общий электрод корпуса, участки внутреннего коллекторного электрода транзистора длиною не более , где f - рабочая частота.

L₁ - погонная индуктивность внутреннего коллекторного электрода транзистора.

С₁ - средняя погонная некомпенсированная емкость коллектора, отделены друг от друга и между ними включены активные сопротивления R, удовлетворяющие условию R ≈ 2 πfL_o, где L_o - индуктивность электрической цепи.

Кроме того, выходная индуктивно-емкостная цепь согласования выполнена в виде двух звеньев, МОП-конденсаторы которых расположены параллельно ряду транзисторных структур, один из электродов которых выполнен в виде равных участков, расположенных против каждой транзисторной структуры, смежные участки электродов соединены отрезками проводника, длина которых, по крайней мере, меньше длины индуктивных элементов соответствующего звена равной длины, распределенных периодично по отношению к транзисторным структурам, при этом вторые электроды каждого второго МОП-конденсатора первого звена присоединены соответственно к каждой области внутреннего коллекторного электрода, а второго звена - к общему электроду корпуса транзистора, а индуктивные элементы первого звена с общим электродом корпуса транзистора, а второго - аналогичные электроды МОП-конденсаторов второго звена с внутренним коллекторным электродом корпуса.

Разделение внутреннего коллекторного электрода транзистора на отдельные области и всех транзисторных структур на группы структур, расположенные в каждой области, позволяет удовлетворить условие
L < внутри каждой области, что исключает возможность возникновения вынужденных паразитных колебаний и рассогласование транзистора в пределах каждой области отдельно. При параллельном соединении транзисторных структур цепи согласования выхода являются одновременно и цепями, объединяющими выходы транзисторных структур, расположенных в отдельных областях внутреннего коллекторного электрода. Активные сопротивления, включаемые между этими областями в цепи, объединяющие эти области, подавляют паразитные колебания, которые могли бы возникнуть между транзисторными структурами, расположенными на различных областях внутреннего коллекторного электрода. Величина активного сопротивления, вносящего максимальные потери на данной частоте, может быть рассчитана, если известна конфигурация цепи согласования по выходу, а конкретно-индуктивность L_o электрической цепи, шунтирующей цепь объединения, содержащую активное сопротивление. Тогда наибольшие потери в активном сопротивлении будут при выполнении условии R = 2π fL_o, где f - рабочая частота; чтобы отклонение от этого условия было минимальным в полосе частот, достаточно рассчитать величину R для центральной частоты в этой полосе частот. Порядок величины сопротивления можно оценить, если учесть, что индуктивность L_o для достаточно мощного транзистора может быть ≈ 1 нГ. Для центральной частоты равной, например, 1 ГГц оптимальная величина сопротивления составит 6 Ом. При достижении эффективного сложения мощности в широкой полосе частот осуществление двухзвенной цепи внутреннего согласования выхода транзистора существенно, так как это позволяет достигнуть малого значения С₁ в широкой полосе частот. Если же, например, второе звено согласования поместить вне корпуса транзистора, оставив внутри него только первое звено согласования, то однородность компенсации емкости коллектора уменьшится (возрастет С₁), так как в этом случае второе звено подключено к всему транзистору в целом и не может влиять на выравнивание токов, текущих в выходных цепях отдельных транзисторных структур. Как видно из критерия эффективности сложения мощности
l < , уменьшение С₁ позволяет увеличить предельное значение l, т. е. увеличить количество, а значит, и суммарную выходную мощность транзисторных структур, мощность которых складывается эффективно.

Расположение МОП-конденсаторов первого звена согласования на внутреннем коллекторном электроде и, соответственно, периодичное распределение индуктивных элементов первого звена равной длины обеспечивает достаточно одинаковую индуктивность, компенсирующую емкость каждой транзисторной структуры у нижнего края полосы частот, причем степень неоднородности компенсации емкости, т. е. и величина С₁, не увеличивается при увеличении числа транзисторных структур. Выполнение второго звена согласования в виде равномерно распределенных по отношению к транзисторным структурам емкостных элементов и периодично распределенных по отношению к транзисторным структурам, т. е. и по отношению к емкостным элементам, индуктивных элементов равной длины также позволяет равномерно компенсировать емкость коллектора у верхнего края полосы частот. В этом случае также С₁ не увеличивается при увеличении числа транзисторных структур. Следовательно и во всей полосе частот Δf величина С₁ не изменяется при увеличении числа транзисторных структур, что существенно для получения большой мощности при параллельном сложении мощности отдельных транзисторных структур. Объединение МОП-конденсаторов первого и второго звеньев согласования необходимо для того, чтобы отвести возможно большую часть паразитного тока из шунтирующей цепи с малыми потерями, проходящей через внешний коллекторный электрод, в цепи объединения, содержащие активное сопротивление потерь, в состав которых входят вторые электроды МОП-конденсаторов. При этом на длине вторых электродов МОП-конденсаторов набираются достаточно большие СВЧ-потери за счет токов, возбуждаемых в кремнии под диэлектриком, содействующие подавлению паразитных колебаний.

На фиг. 1 дана схема мощного биполярного СВЧ генераторного транзистора согласно п. 1 формулы изобретения; на фиг. 2 - схема мощного биполярного СВЧ генераторного транзистора согласно п. 2 формулы изобретения.

Был изготовлен кремниевый биполярный n-p-n эпитаксиально-планарный мощный генераторный СВЧ-транзистор с внутренними входными и выходными индуктивно-емкостными цепями согласования, осуществлявшими частичное согласование входа и выхода транзистора. Транзисторы были изготовлены на nn⁺-эпитаксиальных пленках с удельным сопротивлением п-области равным 1 Ом. см, толщина пленки 6 мкм.

Транзисторные кристаллы 1, содержащие транзисторные структуры 2, расположены в отдельных областях внутреннего коллекторного электрода 3. Конденсатор 4 выходной индуктивно-емкостной цепи согласования расположен на общем электроде 5. Индуктивные элементы 6 выходной индуктивно-емкостной цепи согласования соединяют отдельные области внутреннего коллекторного электрода с соответствующими областями 7 электрода конденсатора выходной индуктивно-емкостной цепи согласования. Указанные области 7 выполнены в виде тонких пленок металла с низким удельным сопротивлением и объединены тонкопленочным резистором 8. Выходные индуктивные элементы 9 соединяют тонкопленочные области электрода конденсатора выходной индуктивно-емкостной цепи согласования с внешним коллекторным электродом 10. Индуктивные элементы 11 являются индуктивными элементами общего электрода. Входная индуктивно-емкостная цепь согласования состоит из конденсатора 12, расположенного на общем электроде, и индуктивных элементов 13, соединяющих транзисторный кристалл с конденсатором 12. Входные индуктивные элементы 14 соединяют конденсаторы 12 с внешним входным электродом транзистора 15. Таким образом, электрические цепи, объединяющие отдельные области внутреннего коллекторного электрода, содержат цепь, состоящую из элементов 6, областей 7 и резисторов 8. В этой цепи тонкопленочный резистор 8 обеспечивает активное сопротивление потерь, подавляющее вынужденные паразитные колебания, возникающие между областями внутреннего коллекторного электрода. Транзисторные структуры, расположенные в пределах отдельной области внутреннего коллекторного электрода, были расположены в ряд длиной l = 3 мм и обладали емкостью 23 пФ. Индуктивность коллекторной области вдоль этого ряда структур составляла примерно 1,4 нГ при ширине области 2 мм и толщине диэлектрика ВеО-0,8 мм. Таким образом, погонная индуктивность L₁ составляла примерно 0,47 нГ/мм. Без компенсации емкости коллектора выходной цепью согласования средняя погонная емкость С₁ составляла бы примерно 7,7 пФ/мм. Транзистор рассчитывался на максимальную рабочую частоту 1,4 ГГц. Рассчитанное для этой частоты критическое значение l cоставляет 2,7 мм, т. е. без некоторой компенсации емкости коллектора даже транзисторные структуры, расположенные в одной области внутреннего коллекторного электрода, находились бы на грани эффективного сложения мощности, не говоря о параллельной работе всего транзистора, состоявшего из двух областей. Применение выходной индуктивно-емкостной цепи согласования в виде Г-звена, как показано на фиг. 1, позволило за счет уменьшения средней погонной некомпенсированной емкости С₁ обеспечить повышение критического значения l и эффективную работу транзистора на частотах, близких к верхней резонансной частоте, которая в данном случае была равна 1,5 ГГц. Измерения энергетических параметров транзисторов показали, что при напряжении питания 28 В в непрерывном режиме на частоте 1,4 ГГц была получена выходная мощность 75 Вт при усилении 7 дБ и КПД, равном 54% . На частоте 1,2 ГГц выходная мощность составила 80 Вт при усилении 7 дБ и КПД, равном 55% . При дальнейшем снижении рабочей частоты эффективность сложения мощности уменьшалась. Уже на частоте 1,1 ГГц снижался КПД и начинались скачки режима при настройке. Это можно связать с уменьшением степени компенсации емкости коллектора при удалении от резонансной частоты. Таким образом, эффективное сложение мощности на таком высоком уровне для параллельного сложения мощности сохранялось в полосе частот 200 МГц - от 1,2 до 1,4 ГГц.

Был изготовлен кремниевый биполярный n-p-n эпитаксиально-планетарный мощный генераторный СВЧ-транзистор (см. фиг. 2) с приложением тех же транзисторных кристаллов, и на областях внутреннего коллекторного электрода по геометрическим размерам, тождественным использованным в первом примере, содержащий МОП-конденсаторы 16 первого звена выходной индуктивно-емкостной цепи согласования, расположенные на областях внутреннего коллекторного электрода. Индуктивные элементы 17 первого звена выходной индуктивно-емкостной цепи согласования соединяют электроды 18 МОП-конденсаторов первого звена выходной индуктивно-емкостной цепи согласования с общим электродом транзистора 5. Электроды МОП-конденсаторов первого звена выходной индуктивно-емкостной цепи согласования объединены индуктивными элементами объединения 19. МОП-конденсаторы 20 второго звена выходной индуктивно-емкостной цепи согласования расположены на общем электроде транзистора. Индуктивные элементы 21 второго звена выходной индуктивно-емкостной цепи согласования соединяют отдельные области внутреннего коллекторного электрода с соответствующими электродами 22 МОП-конденсаторов второго звена выходной индуктивно-емкостной цепи согласования. Электроды МОП-конденсаторов второго звена выходной индуктивно-емкостной цепи согласования объединены индуктивными элементами объединения 23. Выходные индуктивные элементы 24 соединяют электроды МОП-конденсаторов второго звена выходной индуктивно-емкостной цепи согласования с внешним коллекторным электродом 15. Индуктивные элементы 25 являются индуктивными элементами общего электрода. Входная индуктивно-емкостная цепь согласования состоит из МОП-конденсатора 12, расположенного на общем электроде 5 транзистора, и индуктивных элементов 13, соединяющих транзисторный кристалл с конденсатором 12. Входные индуктивные элементы 26 соединяют МОП-конденсаторы 12 с внешним входным электродом транзистора 27. Таким образом, электрические цепи, объединяющие отдельные области внутреннего коллекторного электрода, содержат цепи, состоящие из электродов 18 и элементов объединения 19, а также из элементов 21, электрода 22, элемента объединения 23. В этих цепях активное сопротивление потерь для вынужденных паразитных колебаний составляют потери, возникающие в кремнии при протекании СВЧ-тока по электродам МОП-конденсаторов. Облегчение подавления этих колебаний в широкой полосе частот обеспечивалось еще и тем, что в этой полосе частот емкость коллектора в значительной мере компенсирована. Практически полная компенсация емкости коллектора на верхней границе полосы частот была обеспечена тем, что один резонанс в выходной цепи согласования был достигнут на частоте около 1,5 ГГц - преимущественно вторым звеном согласования.

Аналогично близкая к полной компенсация емкости коллектора была достигнута на нижней границе полосы частот тем, что второй резонанс в выходной цепи согласования был достигнут на частоте около 0,7 ГГц преимущественно первым звеном согласования. Между этими частотами емкость коллектора хотя и не полностью, но в значительной степени была компенсирована совместным влиянием элементов первого и второго звеньев.

Результаты измерений энергетических параметров транзисторов, выполненных в соответствии со вторым примером, показали, что в непрерывном режиме при напряжении питания 28 В была получена на частоте 1,4 ГГц выходная мощность 75-80 Вт при усилении 7 дБ и КПД, равном 54% . На частоте 1,2 ГГц была получена мощность 85-90 Вт при усилении несколько большем чем 7 дБ и КПД равном 60% . На частоте 1 ГГц была получена мощность 100 Вт при усилении около 8 дБ и КПД, равном 65% . На частоте 0,7 ГГц была получена мощность 110 Вт при усилении 10 дБ и КПД, равном 65% .

Таким образом, предложение по п. 2 позволяет получить эффективное сложение мощности при высоком уровне мощности и в широкой полосе частот.

Техническим преимуществом данного технического решения является возможность получения параллельным сложением мощности отдельных транзисторных структур СВЧ генераторных транзисторов большей мощности.

Кроме того, транзистор оказывается более равномерно согласованным по выходу в результате практического исключения причин рассогласования отдельных участков транзистора.

Это обеспечивает более высокое значение КПД коллекторной цепи, чем в условиях неравномерного согласования по выходу, возникающего при превышении "критической" выходной мощности для прототипа. Следовательно, повышается надежность работы транзистора.

Данное техническое решение позволяет также увеличить диапазон частот, в котором мощность отдельных транзисторных структур складывается эффективно. Это не только позволяет уменьшить количество типономиналов транзисторов по частоте, но позволяет также при правильном проектировании внешних согласующих звеньев получать более широкополосные транзисторы. (56) 1. Yohnson Yoseph Y. Wisherd David Solid State Power for L-Band Radar "Microwave Iournal Auqust, 1980, р. 51-54.

2. Belohoubek Ervin F. Presser Adolf U. Veloric Harold S. Improved Circuit-Device lnterface for Microwave Bipolar Power Transistors EEE Iqolid State Circuits. 1976, 11, N 2, р. 256-263 - прототип.

1. МОЩНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ГЕНЕРАТОРНЫЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР, содержащий параллельно включенные транзисторные структуры в корпусе с внутренним и внешним коллекторными электродами, выходную индуктивно-емкостную цепь согласования, включающую МОП-конденсаторы, индуктивные элементы, входную индуктивно-емкостную цепь согласования, общий электрод корпуса, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходных мощности и КПД, участки внутреннего коллекторного электрода транзистора длиною не более

где f - рабочая частота,
L₁ - погонная индуктивность внутреннего коллекторного электрода транзистора,
C₁ - средняя погонная некомпенсированная емкость коллектора, отделены друг от друга и между ними включены активные сопротивления R, удовлетворяющие условию
R ≈ 2πfL_o
где L₀ - индуктивность электрической цепи. 2. Мощный биполярный генераторный СВЧ-транзистор по п. 1, отличающийся тем, что, выходная индуктивно-емкостная цепь согласования выполнена в виде двух звеньев, МОП-конденсаторы которых расположены параллельно ряду транзисторных структур, один из электродов которых выполнен в виде равных участков, расположенных против каждой транзисторной структуры, смежные участки электродов соединены отрезками проводника, длина которых, по крайней мере, меньше длины индуктивных элементов соответствующего звена равной длины, распределенных периодично по отношению к транзисторным структурам, при этом вторые электроды каждого второго МОП-конденсатора первого звена присоединены, соответственно, к каждой области внутреннего коллекторного электрода, а второго звена - к общему электроду корпуса транзистора, а индуктивные элементы первого звена соединяют первые электроды МОП-конденсаторов первого звена с общим электродом корпуса транзистора, а второго - аналогичные электроды МОП-конденсаторов второго звена с внутренним коллекторным электродом корпуса.