Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура
POWERFUL HF AND MICROWAVE TRANSISTOR STRUCTURE

Заявляемое изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных ВЧ- и СВЧ-полупроводниковых приборов.
Известна мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, в которой на полупроводниковой подложке размещены коллекторная, базовая и эмиттерная области, соединенные с соответствующими им электродами корпуса, причем эмиттерная область фрагментирована с целью компенсации эффекта оттеснения тока к периферии эмиттера [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 98].
1макс
Недостатком такой транзисторной структуры является сильная локальная и общая положительная токотермическая обратная связь [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 287; Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 98], вызванные отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) полупроводника в рабочем диапазоне температур и приводящие соответственно к неравномерному распределению мощности по активным областям транзисторной структуры [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 285] и термической неустойчивости, в свою очередь обуславливающим снижение максимальной выходной мощности P, определяемой периметром эмиттера [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105], и отказоустойчивости транзисторной структуры.
вх1
1макс
В другой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре между металлизацией области эмиттера и площадкой для присоединения эмиттерного проводника сформирован балластный резистор [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 106]. Наличие балластного резистора, включенного последовательно в цепь эмиттера транзисторной структуры, позволяет уменьшить положительную токотермическую обратную связь транзисторной структуры в целом за счет увеличения ее общего входного сопротивления R, а при выполнении балластного резистора из металла - дополнительно за счет положительного ТКС резистора, частично компенсирующего отрицательный ТКС полупроводника, а также локальную положительную токотермическую обратную связь отдельных участков транзисторной структуры и тем самым, за счет предотвращения эффекта шнурования тока, повысить максимальную выходную мощность P и отказоустойчивость транзисторной структуры.
1пред
1макс
макс
Недостатком такой транзисторной структуры является ее неравномерный разогрев из-за более интенсивного отвода тепла от периферии транзисторной структуры по сравнению с ее центром [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 293; Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 107], что приводит к недостижению предельного значения P максимальной выходной мощности P, определяемого периметром эмиттера транзисторной структуры [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105; Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 83], и не исключает ее полного отказа при превышении рабочей температурой предельно допустимого значения Т, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации.
Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура, в которой балластный резистор содержит n≥2 слоев, причем материалы слоев имеют разные удельные сопротивления и температуры плавления и удовлетворяют условию:
n
n
П
БР
вх1
макс
где р и Т - удельное сопротивление и температура плавления материала слоя резистора в порядке возрастания номера слоя от верхнего к нижнему по отношению к полупроводниковой подложке, T - температура плавления полупроводника [Патент РФ №2743674, МПК H01L 29/70 (2006.01), опубл. 24.02.2021]. Данное изобретение предназначено для повышения отказоустойчивости транзисторной структуры путем предотвращения ее перегрева при отклонении параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений за счет уменьшения уровня выделяемой активными областями тепловой мощности вследствие увеличения сопротивления участков балластного резистора, контактирующих с наиболее подверженными перегреву участками транзисторной структуры, и в целом сопротивления балластного резистора r и входного сопротивления транзисторной структуры R, при превышении рабочей температурой некоторого критического значения T, предшествующего полному отказу транзисторной структуры.
макс
Недостатком такой транзисторной структуры является ее относительно низкая отказоустойчивость в переходных режимах, вызванных резким отклонением параметров режима усиления от оптимальных значений, обусловленная разницей в несколько порядков температуропроводности (коэффициентов тепловой диффузии) материалов резистора, подложки и активных областей. Например, температуропроводность висмута при 100°С равна  [Казанцев Е.И. Промышленные печи. Справочное руководство для расчетов и проектирования / Е.И. Казанцев. - 2-е изд., перераб. и доп. - Москва: Металлургия, 1975. - С. 55], а температуропроводность кремния при 127°С равна   [Теплофизические свойства горючих систем / Ю.Е. Шелудяк [и др.] под ред. д-ра техн. наук, проф. Н.А. Силина. - Москва: НПО «Информация и технико-экономические исследования», 1992. - С. 29], что почти на семь порядков больше, чем у висмута. При резком отклонении параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений происходит резкое увеличение выделяемой тепловой мощности и, как следствие, температуры активных областей транзисторной структуры. Из-за существенной разницы в значениях температуропроводности конструктивных материалов транзисторной структуры при определенных условиях температура активных областей может быстрее достигнуть критического значения Т, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации, чем температура верхнего слоя балластного резистора достигнет его температуры плавления, что вызвано конечной скоростью распространения температурной волны (фронта) в среде и разным расстоянием от источника тепловой мощности (коллекторный переход под эмиттером) до различных областей транзисторной структуры, что в свою очередь обуславливает инерционность тепловых процессов в транзисторной структуре. В результате сопротивление балластного резистора и всей транзисторной структуры в целом может не успеть увеличиться и снизить уровень выделяемой тепловой мощности, в связи с чем может произойти отказ транзисторной структуры.
БР
вх1
макс
Заявляемое изобретение предназначено для предотвращения перегрева транзисторной структуры в переходных режимах, характеризующихся стремительным повышением уровня выделяемой активными областями тепловой мощности вследствие быстрого отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений, за счет снижения инерционности процесса увеличения сопротивления участков балластного резистора, контактирующих с наиболее подверженными перегреву участками транзисторной структуры, и в целом сопротивления балластного резистора r и входного сопротивления транзисторной структуры R, при превышении рабочей температурой некоторого критического значения T, предшествующего полному отказу транзисторной структуры, и при его осуществлении может быть повышена отказоустойчивость транзисторной структуры в переходных режимах.
1
КМЭ
Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной ВЧ- СВЧ-транзисторной структуре, содержащей сформированные в полупроводниковой подложке области коллектора, эмиттера и базы, контактную металлизацию и балластный резистор, соединенный одним краем с контактной металлизацией эмиттера, а другим краем с контактной площадкой для присоединения эмиттерного вывода, балластный резистор содержит n≥2 слоев, согласно изобретению, толщина d (х)  верхнего слоя балластного резистора удовлетворяет условию:
1 max
где d - максимальная толщина верхнего слоя многослойного балластного резистора, координата х увеличивается от электрического контакта многослойного балластного резистора с контактной металлизацией эмиттера в направлении противоположного края резистора, L - расстояние между противоположными контактами многослойного балластного резистора.
БР
вх1
1
2
Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение отказоустойчивости транзисторной структуры в переходных режимах, достигается за счет того, что наличие верхнего слоя многослойного балластного резистора с отличающейся от нижних слоев формой продольного сечения и переменной толщиной приводит к снижению инерционности процесса увеличения сопротивления участков многослойного балластного резистора в переходных режимах, и в целом сопротивления балластного резистора r и входного сопротивления транзисторной структуры R по мере превышения температурой контактирующих с резистором активных областей значений Т, затем Т и т.д. и, как следствие, более раннему началу процесса увеличения сопротивления балластного резистора и снижения выделяемой активными областями транзисторной структуры тепловой мощности.
На фиг. 1 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вид сверху, на фиг.2 представлен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры с двухслойным балластным резистором, вид сбоку, где 1 - полупроводниковая подложка; 2 - область базы; 3 - область эмиттера; 4 - металлизация эмиттера; 5 - металлизация площадки для присоединения эмиттерного проводника; 6 - эмиттерный проводник; 7 - балластный резистор; 8 - металлизация области базы; 9 - металлизация площадки для присоединения базового проводника; 10 - базовый проводник; 11 - изолирующий окисел.
Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура (фиг. 1) размещена на полупроводниковой подложке 1, являющейся в данном примере областью коллектора. В пределах области базы 2 размещены фрагменты области эмиттера 3, контактирующие с металлизацией эмиттера 4. Между металлизацией 4 и металлизацией 5 площадки для присоединения эмиттерного проводника 6 расположен балластный резистор 7, противоположные стороны которого контактируют с металлизацией 4 и 5. Резистор 7 является многослойным с числом слоев n≥2, толщина его верхнего слоя увеличивается в направлении от металлизации эмиттера 4. На фиг. 1 также показана металлизация 8 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией 9 площадки для присоединения базового проводника 10.
1
1
Р
k
k
Наличие в мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре, вариант реализации которой показан на фиг. 1, функционирующей в составе транзистора в схеме каскада усиления мощности, многослойного (n≥2) балластного резистора, толщина верхнего слоя которого увеличивается в направлении от металлизации эмиттера, обеспечивает более ранее уменьшение выделяемой активными областями транзисторной структуры тепловой мощности путем более раннего увеличения сопротивления балластного резистора за счет более раннего достижения температурой части верхнего слоя балластного резистора, граничащей с металлизацией эмиттера, температуры плавления Т материала верхнего слоя. Оптимальный подбор конструктивных параметров (материал, количество и геометрические размеры слоев) и внешних управляющих напряжений обеспечивает достижение оптимального набора энергетических параметров: выходной мощности Р, коэффициента усиления по мощности K, КПД коллекторной цепи η за счет реализации некоторого оптимального распределения тепловой мощности Р по всем транзисторным структурам.
В процессе работы мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры эмиттерный ток распределяется по сечению балластного резистора неравномерно, большая его часть протекает по слою с меньшим удельным сопротивлением. При повышении температуры активных областей транзисторной структуры, вызванном увеличением выделяемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений, происходит увеличение сопротивления балластного резистора, приводящее к уменьшению выделяемой активными областями транзисторной структуры тепловой мощности и предотвращению дальнейшего роста температуры активных областей, то есть ее стабилизации. В данном процессе участвуют три механизма. Сначала происходит линейный рост сопротивления балластного резистора за счет положительного ТКС материалов слоев.
1
1
По мере приближения температуры Т области 2 транзисторной структуры и контактирующей с ней области металлизации 7 к температуре плавления первого слоя Т, происходит частичное испарение этого слоя, или, по меньшей мере, его части, непосредственно контактирующей с участком транзисторной структуры, нагретым до температуры Т≈T, что влечет вначале плавное уменьшение толщины верхнего слоя и балластного резистора в целом и, как следствие, плавное увеличение его сопротивления.
1
макс
В случае возникновения переходных режимов, вызванных резким отклонением параметров режима усиления от оптимальных значений, происходит стремительное увеличение выделяемой активными областями транзисторной структуры тепловой мощности и, как следствие, их температуры. Если скорость роста температуры активных областей превышает скорость распространения температурной волны (фронта), то из-за меньшей теплоемкости части верхнего слоя балластного резистора, граничащей с эмиттерной металлизацией, обусловленной ее геометрией, ее температура быстрее достигнет температуры плавления T материала верхнего слоя. Таким образом процесс испарения этой части начнется раньше, что приведет к уменьшению площади ее поперечного сечения и всего балластного резистора в целом в этом месте в первую очередь, приводящему к более раннему увеличению сопротивления балластного резистора и, как следствие, снижению выделяемой тепловой мощности, то есть снижение выделяемой тепловой мощности произойдет до момента достижения температурой активных областей транзисторной структуры предельно допустимого значения T, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации.
вх1
УР
вх1
1
макс
1
Увеличение сопротивления балластного резистора транзисторной структуры приводит к уменьшению поступающей на ее вход мощности Р и ее коэффициента усиления по мощности К [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 15, 18, 36,38], а при наличии нескольких транзисторных структур на общем транзисторном кристалле [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А.Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 238] - дополнительно к частичному перераспределению Р по остальным транзисторным структурам. Как следствие, уменьшается выходная мощность Р транзисторной структуры и выделяемая ее активными областями тепловая мощность, что в итоге приводит к снижению рабочей температуры Т области 2 и выполнению условия Т≤Т, тем самым - предотвращению полного отказа транзисторной структуры, т.е. повышению ее отказоустойчивости в переходных режимах. При этом в случае снижения и стабилизации температуры активных областей транзисторной структуры процесс испарения прекращается, и сопротивление балластного резистора принимает некоторое оптимальное промежуточное значение, что в сравнении с прототипом исключает избыточное снижение выходной мощности Р.
1max
1min
2
1max
2
1min
2
1
1
2
2
БР
-6
-6
Пример. На фиг. 2 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры с двухслойным балластным резистором, толщина верхнего слоя которого увеличивается в направлении от эмиттерной металлизации 4, вид сбоку. Балластный резистор шириной 500 мкм и длинной 40 мкм располагается на изолирующем окисле 11 и имеет вид однобокой трапеции в продольном сечении. Максимальная толщина верхнего слоя dравна 0,1366 мкм, а его минимальная толщина d равна 0,04553 мкм. Толщина нижнего слоя d равна 0,0910613 мкм. Таким образом толщины верхнего и нижнего слоев связаны соотношениями: d=1,5⋅d, d=0,5⋅d. Верхний слой балластного резистора изготовлен из висмута с удельным объемным сопротивлением ρ=1,068⋅10 Ом⋅м (при 20°С) и температурой плавления Т=271°С (при 760 мм. рт.ст.) [Чиркин В.С. Теплофизические свойства материалов /B.C. Чиркин. - Москва: гос. из-во физмат, литературы, 1959. - С. 187]. Нижний слой изготовлен из более тугоплавкого, чем висмут, нихрома марки Х15Н60 с удельным сопротивлением ρ=1,16⋅10 Ом⋅м (при 20°С) и температурой плавления Т=1410°С [Бабаков А.А. и др. Материалы в машиностроении. Справочник в пяти томах. Выбор и применение. Том 3. Специальные стали и сплавы. / Под ред. Ф.Ф. Химушина. - Москва: Машиностроение, 1968. - С. 307, 308]. При указанных размерах слоев и удельных объемных сопротивлениях балластный резистор имеет типовое для биполярных транзисторов значение сопротивления r=0,5 Ом.
1
БР
вх1
1
k
k
1
БР
1
БР
1
1
k
БР
1
БР
1
k
2
При превышении температурой части верхнего слоя балластного резистора, граничащей с эмиттерной металлизацией, температуры плавления Т материала слоя и ее дальнейшем повышении вследствие роста температуры активных областей транзисторной структуры происходит испарение этой части. В процессе испарения длина испарившейся части верхнего слоя балластного резистора увеличивается по мере распространения температурной волны (фронта) к противоположному концу резистора. Уже при полном испарении 1/3 длины верхнего слоя (при неизменной толщине оставшейся части) сопротивление балластного резистора повышается до значения r=0,642 Ом, т.е. на 28% от начального значения 0,5 Ом. При размере базовой области кремниевой транзисторной структуры 500×75 мкм и типовых значениях физических параметров ее конструктивных элементов входное сопротивление транзисторной структуры повысится на 10-18%, что приведет к снижению, как минимум, на такую же величину значения входной мощности Р и на 20-35% величины выходной мощности Р транзисторной структуры и выделяемой ей тепловой мощности Р. Если снижения тепловой мощности Р достаточно для уменьшения температуры верхнего слоя балластного резистора до значения, меньшего Т, сопротивление балластного резистора стабилизируется на значении r=0,642 Ом, что приводит к меньшему в сравнении с прототипом снижению выходной мощности Р. Если достижение сопротивлением балластного резистора значения r=0,642 Ом недостаточно для снижения температуры активных областей транзисторной структуры ниже Т, будет происходить дальнейшее испарение верхнего слоя балластного резистора, приводящее к увеличению сопротивления балластного резистора и снижению выходной мощности Р и тепловой мощности Р, до некоторого значения 0,642 Ом < r ≤ 1,04 Ом, при котором температура активных областей транзисторной структуры станет ниже Т. Значение r=1,04 Ом, соответствующее полному испарению верхнего слоя балластного резистора, обеспечивает снижение выходной мощности транзисторной структуры Р и выделяемой ей тепловой мощности Р на 35-50%, что обеспечивает предотвращение полного отказа транзисторной структуры.
кр
Установлено, что проводимость тонких пленок материалов для полупроводниковых приборов появляется при их толщине, превышающей некоторое критическое значение d, когда отдельные кристаллы срастаются и пленка становится сплошной, а пропорциональность отношения удельного объемного сопротивления материала пленки к ее толщине выполняется при толщинах по порядку величины больших  что вероятнее всего обусловлено повышением однородности пленки [Гимпельсон В.Д., Радионов Ю.А. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники / В.Д. Гимпельсон, Ю.А. Радионов. - Москва: Машиностроение, 1976. - С. 18]. По мере увеличения толщины пленки влияние размерных эффектов и дефектов структуры пленки становится меньше, удельное сопротивление уменьшается и приближается к значениям массивных образцов, оставаясь несколько более высоким. При толщине пленки свыше  удельное объемное сопротивление материала приобретает стабильное значение. Таким образом, при указанных толщинах слоев двухслойный резистор обладает стабильными характеристиками и их хорошей воспроизводимостью.