МОЩНЫЙ КРЕМНИЕВЫЙ СВЧ-ТРАНЗИСТОР L-ДИАПАЗОНА ЧАСТОТ

Полезная модель относится к области производства полупроводниковых приборов, в частности транзисторов, применяемых в передающих устройствах СВЧ диапазона, и может быть использована для улучшения параметров таких транзисторов и упрощения их изготовления.
Аналогом предлагаемого транзистора является транзистор L-диапазона фирмы «Philips» RX 1214В350 Y (1). Его данные: полоса частот 1,2-1,4 ГГц, τи=130 мкс; Q=18, Рвых≥280 Вт при Кур≥7,5 дБ, ηк≥40% при работе в классе С. Это транзистор с однорядной структурой, о чем свидетельствует относительно низкое значение ηк.
Прототипом предложенной полезной модели является транзистор фирмы «Advanced Power Technology RF» (2). Этот двухрядный транзистор с длиной эмиттера в каждом ряду по 120 мкм при шаге структуры равном 6 мкм с параметрами в полосе частот 1,21-1,4 ГГц в радиоимпульсном режиме с τи=330 мкс; Q=10 отдает в нагрузку Рвых≥370-375 Вт. Тепловое сопротивление Rт для него составляет ≈0,26-0,27°С/Вт при напайке встык транзисторных кристаллов на длине коллекторного электрода равной 12 мм.
В предлагаемой конструкции транзистора был выбран путь увеличения количества рядов транзисторных структур при длине п+- и р+-областей в каждом ряду равной 80 мкм.
Анализ величины Rт двухрядных структур показал, что при используемой обычно толщине транзисторного кристалла ≈100 мкм превышение взаимного расстояния над величиной 165-170 мкм практически не влияет на величину теплового сопротивления транзисторов, то есть на транзисторном кристалле можно разместить большее количество транзисторных рядов.
Технический результат полезной модели - создание конструкции более мощного транзистора, работающего в режиме работы прототипа, а также позволяющего работать в режиме с большей длительностью радиоимпульса и/или с меньшей скважностью.
Технический результат достигается за счет того, что, сужая ширину ряда за счет сокращения длины эмиттеров до 80 мкм, можно сформировать четырехрядную структуру транзисторного кристалла с тем же периметром эмиттера, что у аналога, получив выигрыш в величине теплового сопротивления прежде всего за счет рассредоточения источников выделения тепла, которое происходит под п+-областями эмиттера, а также за счет более равномерного распределения рассеиваемого тепла под более короткой п+-областью. Расчет величины Rт для четырехрядной структуры с той же длиной транзисторного ряда, что у аналога (12 мм) дает выигрыш в тепловом сопротивлении в 1,62 раза против двухрядной структуры аналога, т.е. Rт≈0,16°C/Вт. Однако при этом емкость транзисторных рядов на длине коллектора равной 12 мм будет в 1,33 раза выше, чем у аналога. Это может быть чревато проявлением так называемого поперечного резонанса, частота которого обратно пропорциональна √LкCк. На полной длине коллекторного ряда кристаллов, собранных встык, при одинаковой индуктивности коллекторной области вдоль ряда транзисторных кристаллов резонансную частоту примерно в 1,33 раза ниже, чем у аналога, у которого не наблюдается поперечный резонанс.
Расчет показывает, что, если сократить длину ряда транзисторных кристаллов с четырехрядной структурой в √1,33 раз, т.е. с 12 мм до 10,4 мм, то резонансные частоты для обоих вариантов будут равны, т.е. в таком четырехрядном варианте не должно быть поперечного резонанса. При этом расчет величины Rт дает для такого 4-х рядного транзистора Rт≈0,185°С/Вт вместо 0,26°С/Вт для прототипа. Соответственно величина выходной мощности, фактически ограничиваемая разогревом транзисторной структуры, вырастет в 1,4 раза и составит 520 Вт.
При осуществлении трехуровневой металлизации Ti-Pt-Au и двухуровневой изоляции, позволяющей осуществить малоиндуктивное объединение 4-х транзисторных рядов по эмиттеру на первом уровне изоляции, а по базе на втором уровне изоляции, индуктивности объединения настолько малы по сравнению с величинами Lэ, Lб вх и Lб вых, что действующие значения этих индуктивностей практически не отличаются от того на какой контактный ряд они собираются. Это позволяет собирать проволочные элементы Lэ и Lб вх на 1-ый контактный ряд, a Lб вых на 2-ой контактный ряд.
Кроме того, использование фотополимера гарантирует отсутствие растрескивания диэлектрических изолирующих слоев.
Малое переходное сопротивление на границах 1-го и 2-го уровней металлизации и 2-го и 3-го уровней металлизации обеспечивается прослойками Pt между поверхностью Au каждого нижнего уровня металлизации и слоем Ti соответствующего верхнего слоя металлизации.
Новизна полезной модели подтверждена тем, что снижение теплового сопротивления в предлагаемой модели транзистора СВЧ диапазона обеспечивается не только путем раздвигания тепловыделяющих частей транзистора, но и за счет малоиндуктивного объединения рядов транзисторных структур, когда их более двух. Подобное конструктивное решение не было реализовано в известных конструкциях мощных СВЧ транзисторов из-за трудности обеспечения однородной работы транзисторов, возникающих при этом.
Достоверность предлагаемой конструкции транзистора подтверждается следующими выводами:
- возможность использования высокотемпературного фотополимера проверкой на предварительной разработке транзистора с Рвых≥200 Вт [1] в указанной полосе частот при Uип=40 В и с использованием двухрядной структуры с длиной эмиттеров равной 80 мкм вместо 120 мкм. Результаты оказались соответствующими в пересчете на результаты прототипа, в котором раскачка по напряжению была в 1,25 раз больше, а по току в 1,5 раза больше.
- температурная устойчивость отечественного фотополимера оказалась достаточной для реализации технологии, а его устойчивость при хранении в нормальных условиях, то есть без охлаждения выше, чем для зарубежного прототипа.
Достоверность расчета Rт была проверена сравнением расчетных данных для аналога с приведенными для него данными.
Важнейшей проблемой создания транзистора с четырехрядной структурой является проблема обеспечения одинаковой работы всех четырех рядов транзисторной структуры, что требует такого малоиндуктивного объединения четырех транзисторных рядов, которое обеспечило бы их одинаковую работу, поскольку при двух контактных рядах элементы согласования по входу Lэ и Lб вх оказались близкими к 1-ому контактному ряду, но удаленными от 2-го контактного ряда, a Lб вых наоборот близок ко 2-ому контактному ряду, но удален от 1-го контактного ряда. Единственный выход - создание настолько малоиндуктивного объединения, чтобы можно было этим различием пренебречь.
1
1
1
В расчете на один объединяющий полосок, т.е. и на один проволочный элемент согласования, принято индуктивность Lэ=1,8 нГн; Lбвх≈Lбвых≈0,45 нГн.
Длина объединения эмиттерными полосками lэ≈200 мкм при ширине полосков αэ=60 мкм.
а
б
Длина объединения базовыми полосками l≈330 мкм при ширине полосков а=215 мкм.
Расчет индуктивности полоска Lп проведен по формуле:
где w - расстояние полосков от поверхности п+-коллектора, равное 12,5 мкм (толщина высокоомной части коллектора - 8 мкм, суммарная толщина фотополимера - 4,5 мкм).
По расчету индуктивностей эммитерного и базового полосков в соответствии с [1]
1
Lпэ=0,037 нГн
1
Lпб=0,017 нГн
1
1
1
1
то есть Lпэ/Lэ≈2%; Lпб/Lб≈3,8%.
1
1
Эти величины малы и находятся в пределах возможных колебаний величины Lэ и Lб, т.е. несущественны.
На рис 1 приведено относительное расположение транзисторных структур в четырех транзисторных рядах, где на первом уровне металлизации:
а - область эмиттерной шины;
b - область стабилизирующих резисторов;
с - область расположения п+-эмиттерных и р+-базовых контактов;
d - область базовой шины.
На рис 2 приведена геометрия изоляции 2-го уровня металлизации от 1-го уровня.
Объединение первой и второй пар транзисторных рядов по эмиттеру проводится на втором уровне металлизации между контактными областями «α» 2-го и 3-го транзисторных рядов через сплошные щели в изолирующем слое металлизированными полосками шириной 60 мкм соосными с эмиттерными контактными площадками.
Объединение тех же рядов по базе проводится на 3-м уровне металлизации, расположенном на 2-ом уровне изоляции полосками шириной 215 мкм. При этом окна в этом изолирующем слое не должны выходить за пределы базовой металлизации 2-го уровня так, чтобы их взаимное расстояние для двух контактных рядов было по возможности минимальным.
Эффективность предлагаемой полезной модели заключена в том, что требования к конструкции таких транзисторов менее жесткие, чем для создания американских аналогов и прототипа как в части планаризации транзисторной структуры, так и в части создания металлизации для транзисторных структур с большой длиной п+-эмиттерных и р+-базовых областей, требующей значительного повышения сечения электродов при одновременном снижении зазоров между ними.
Кроме того, эта полезная модель позволяет создавать четырехрядную транзисторную структуру, в которой величина теплового сопротивления уже снижена в 1,4 раза по сравнению с тепловым сопротивлением прототипа при получении величины выходной мощности также превышающей в 1,4 раза этот параметр в прототипе.
Литература
1. Техническая информация фирмы «Philips» RX 1214B350Y NPN microwave power transistor, 8 февраля 1997 года
2. Техническая информация фирмы «Advanced Power Technology RF» 1214-370M, апрель 2005 года