МОЩНЫЙ ВЧ- И СВЧ-ТРАНЗИСТОР Советский патент 1996 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике, в частности к конструкции мощных ВЧ- и СВЧ-полупроводниковых приборов.

Известен мощный ВЧ- и СВЧ-транзистор, содержащий диэлектрическое основание с расположенными на нем металлическими выводами, на которое напаян полупроводниковый кристалл со сформированными на нем транзисторными ячейками, снабженными балластными резисторами.

Балластные резисторы включены в цепь эмиттера и расположены в разрыве эмиттерной металлизации. Они необходимы для обеспечения эффективного рассеяния тепла транзисторной структурой, так как включенные каждый последовательно с входным сопротивлением элементарной транзисторной ячейки позволяет застабилизировать общее входное сопротивление каждого элементарного транзистора и исключить перераспредельние мощности в системе (вызванное в каждом конкретном случае конструктивными особенностями прибора) Это позволяет в сравнении с приборами, не содержащими балластных резисторов, реализовать большие значения выходной мощности Р_вых коэффициента усиления по мощности К_ур. и КПД, делать транзисторы более устойчивыми к рассогласованию с внешней нагрузкой. Стабилизирующее влияние резисторов тем сильнее, чем выше их номинал. Однако превышение номиналом балластного резистора некоторого оптимального значения приводит к уменьшению К_ур и КПД из-за становящихся ощутимыми потерь входной мощности на резисторе. Следовательно для достижения предельных значений К_ур, Р_вых и КПД необходим компромиссный подход в выборе номиналов балластных резисторов. Таким образом, описанная конструкция лишь частично решает задачу равномерного распределения мощности по транзисторной структуре, обеспечивающего достижение предельных энергетических параметров. Поскольку транзисторную ячейку в смысле рассеиваемой мощности можно считать состоящей из множества точечных тепловых источников, при одинаковой мощности, приходящейся на каждый источник, центр транзисторной ячейки разогревается сильнее периферийных областей.

Наиболее близким техническим решением является мощный ВЧи СВЧ-транзистор, содержащий диэлектрическое основание с расположенными на нем металлическими выводами, полупроводниковый кристалл со сформированными на нем транзисторными ячейками, напаянный нижним основанием на коллекторную площадку, соединенную одним из своих краев с металлическим выводом, причем между каждой транзисторной ячейкой и соответствующей его эмиттерной металлизацией расположен балластный резистор, сужающийся от центpа транзисторного кристалла к периферии.

В такой транзисторной структуре обеспечивается более равномерное распределение выделяемой мощности. К центральной части транзисторной ячейки оказывается подключен резистор большего номинала, чем к периферийным областям.

Однако экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что в данной конструкции задача равномерного распределения мощности по транзисторной структуре решена неполностью, так как в каждой отдельной ячейке работающего транзистора распределение температуры (следовательно, выделяемой мощности) оказывается несимметричным относительно оси, проходящей через центр ячейки параллельно тому краю транзисторного кристалла, который расположен ближе к коллекторному выводу транзистора, максимум температуры смещен от центра транзисторной ячейки к тому ее краю, который находится ближе к коллекторному выводу, а сам этот край имеет температуру на 5 10% (в зависимости от конкретной геометрии ячейки) больше, чем противоположный ему, т.е. более удаленный от коллекторного вывода край транзисторной ячейки. Это можно объяснить тем, что плотность коллекторного тока линейно возрастает от одного края транзисторной ячейки к другому в направлении коллекторного вывода. Следовательно, тот край транзисторной ячейки, который расположен ближе к коллекторному выводу, подогревается этим током в большей степени, чем другой, противоположный ему край транзисторной ячейки. Для достижения предельных энергетических параметров СВЧ-транзисторов необходимо, чтобы все участки их активных областей во время работы были разогреты как можно более равномерно.

Цель изобретения увеличение выходной мощности, коэффициента усиления по мощности и КПД за счет повышения равномерности распределения тепла, выделяемого при протекании тока через транзистор.

Поставленная цель достигается тем, что в мощном ВЧ- и СВЧ-транзисторе, содержащей диэлектрическое основание с расположенными на нем металлическими выводами, полупроводниковый кристалл со сформированными на нем транзисторными ячейками, напаянный нижним основанием на коллекторную площадку, соединенную одним из своих краев с металлическим выводом, причем между каждой транзисторной ячейкой и соответствующей ей эмиттерной металлизацией расположен балластный резистор, сужающийся от центра транзисторного кристалла к периферии, каждая транзисторная ячейка имеет трапециевидную форму, причем малое основание трапеции обращено к краю коллекторной площадки, соединенному с металлическим выводом, а длины этих оснований и высота трапеции связаны соотношением
a>b≥a(1 0,35 w h),
где а и b длины большего и малого оснований трапеции соответственно;
h высота трапеции, мм;
w вспомогательный коэффициент 1/мм.

На чертеже схематически изображена конструкция транзистора.

Устройство имеет диэлектрическое основание 1 металлические выводы 2 4 транзистора, полупроводниковый кристалл 5, транзисторные ячейки 6, балластные резисторы 7, коллекторную площадку 8, соединительные проводники 9, металлизацию 10. Значение коэффициента К 0,35 в выражении (1) предложено из следующих соображений. Для достижения положительного эффекта должно выполняться условие а > b, отсюда К > О. При К > 0,35 перераспределение температуры в пределах транзисторной ячейки, вызванное ее трапециевидной формой, таково, что край ячейки, удаленной от коллекторного вывода, становится более разогретым по сравнению с противоположным краем, т.е. компенсация эффекта, на устранение которого направлено изобретение, остановится избыточной. При 0 < К < 0,35 компенсация наблюдается для всех типов приборов соответствующих ограничительной части формулы, значение К 0,35 является универсальным для рассматриваемых конструкций. Мощные ВЧ- и СВЧ-транзисторы работают в электронных схемах при больших значениях удельной мощности рассеиваемой в коллекторе (100 300 Вт на 1 мм² площади коллекторного р-n-перехода). Температурное поле отдельной транзисторной ячейки имеет ярко выраженный максимум, расположенный примерно в геометрическом центре ячейки. Поскольку полупроводниковые материалы, из которых изготовлены транзисторы, имеют в диапазоне рабочих температур отрицательный температурный коэффициент сопротивления, температурная неоднородность вызывает увеличение тока через более разогретые области структуры, что приводит к их дальнейшему разогреву и т.д. В конечном счете это может привести к образованию шнура тока в центре транзисторной ячейки и тепловому пробою. Наилучшим конструктивным решением проблемы является создание стабилизирующих резисторов, включенных последовательно с каждым эмиттером. Стабилизирующее действие резисторов тем сильнее, чем выше их номинал, однако в связи с требованиями к достижению максимума К_ур, Р_вых и КПД транзисторов, для каждого типа транзисторов существует некоторое оптимальное значение сопротивления резисторов, так что паразитное падение напряжения на нем не приводит к существенному ухудшению названных параметров. Наличие балластных резисторов само по себе не устраняет неравномерность температурного поля каждой транзисторной ячейки, поскольку температура центра ячейки по-прежнему превышает температуру периферии. Поскольку максимум Р_вых лимитируется максимумом температуры в пределах каждой транзисторной ячейки (т.е. уменьшения Т_макс Т_мин). Для этого необходимо, чтобы в центре вделялось меньше тепловой мощности, чем на краях. Эта задача решена в устройствах, где резистор имеет форму клина, обращенного суженной частью к периферии транзисторной ячейки. К центральной части ячейки таким образом подключается резистор большего номинала, чем к периферийным областям. Изменяя соотношение между широкой и узкой частями клина, можно перераспределить электрическую и тепловую мощности в пределах транзисторной ячейки так, что
Т_макс Т_мин--> 0
В этом случае начинает проявляться более тонкий эффект, вызванный нарастанием тока в коллекторной области транзистора в направлении коллекторного вывода и связанный с наличием горизонтальной составляющей этого тока в направлении коллекторного вывода. Это вызывает дополнительные активные потери, а выделяющееся при этом тепло приводит к повышению температуры края транзисторной ячейки, обращенного к коллекторному выводу (под которым плотность горизонтальной составляющей тока в теле коллектора и выделяющаяся дополнительная тепловая мощность максимальны) Этот эффект наиболее ярко выражен для транзисторных ячеек, имеющих большую (≥ 700 мкм) протяженность в направлении коллекторного вывода. Для компенсации этого дополнительного фактора, увеличивающего Т_макс Т_мин предлагается транзисторные ячейки делать трапециевидной формы так, чтобы малое основание трапеции располагалось у ближнего к коллекторному выводу края транзисторного кристалла. Таким образом, число элементарных тепловых источников в пределах транзисторной ячейки монотонно убывает в направлении коллекторного вывода, а значит убывает выделяющаяся в коллекторном р-n-переходе тепловая мощность, что позволяет скомпенсировать неоднородный дополнительный разогрев за счет наличия горизонтальной составляющей тока в теле коллектора. Варьируя величины а и b в рамках выражения (1), можно добиться минимума Т_макс Т_мин, а это позволяет на несколько процентов (≅10) повысить P_вых, а также К_ур и КПД мощных ВЧ- и СВЧ-транзисторов.

П р и м е р. Мощный СВЧ-транзистор содержит полупроводниковый кристалл, площадью 5,3 х 1,2 мм², напаянный на металлизацию коллекторного вывода. На этом кристалле сформировано десять одинаковых транзисторов ячеек трапециевидной формы с продольной осью симметрии.

У каждой трапеции длина основания, обращенного к коллекторному выводу, 90 мкм, другого основания 120 мкм, высота h 750 мкм. Каждая транзисторная ячейка снабжена балластным резистором с номиналом 0,65 ± 0,05 Ом, ширина которого у середины ячейки равна 16 мкм, а у краев ячейки составляет 6 мкм. В схеме ОБ в непрерывном режиме на частоте 800 МГц такой транзистор имеет Р_вых 60 Вт, K_ур 7 и КПД 56% при напряжении питания E_к 28 В и максимальной температуре на р-n-переходе T_p-n 180^oС.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике. Цель изобретения - увеличение выходной мощности коэффициента усиления по мощности и КПД за счет повышения равномерности распределения тепла. Транзистор содержит диэлектрическое основание, полупроводниковый кристалл с транзисторными ячейками, балластными резисторами и коллекторными площадками. Длина балластного резистора монотонно убывает от оси симметрии к периферии, причем длины краев резистора связаны с его шириной соотношением: а > b ≥ a (l - 0,3h), где а и b - длина краев резистора; h - ширина резистора. Изобретение позволяет обеспечить эффективное рассеивание выделяемой мощности и реализовать высокие энергетические параметры мощных ВЧи-СВЧ-транзисторов. 1 ил.

Мощный ВЧ- и СВЧ-транзистор, содержащий диэлектрическое основание с расположенными на нем металлическими выводами, полупроводниковый кристалл со сформированными на нем транзисторными ячейками, напаянный нижним основанием на коллекторную площадку, соединенную одним из своих краев с металлическими выводом, причем между каждой транзисторной ячейкой и соответствующей ей эмиттерной металлизацией расположен балластный резистор, сужающийся от центра транзисторного кристалла к периферии, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходной мощности, коэффициента усиления по мощности и КПД за счет повышения равномерности распределения тепла, выделяемого при протекании тока через транзистор, каждая транзисторная ячейка имеет трапециевидную форму, причем малое основание трапеции обращено к краю коллекторной площадки, соединенному с металлическим выводом, а длины оснований и высота трапеции связаны соотношением
а > b ≥ а • (1 0,35•w•h),
где а и b длины большого и малого оснований трапеции соответственно;
h высота трапеции, мм;
w коэффициент, равный 1,1/мм.