КС-транзистор
CS TRANSISTOR

Заявляемое изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено для создания мощных, сверхмощных и высоковольтных высокочастотных КС-транзисторов (КС-транзистор -транзистор с каскадным суммированием мощностей).
Современные мощные высокочастотные многоструктурные транзисторы состоят из N транзисторных структур (ячеек), каждая из которых содержит электрод затвора (базы), истока (эмиттера) и стока (коллектора).
Во всех известных технических решениях [1-5] структуры всегда объединяются в единый мощный многоструктурный транзистор параллельно путем подключения выводов всех баз (затворов), коллекторов (стоков) и эмиттеров (истоков) к общим электродам базы (затвора), коллектора (стока) и эмиттера (истока) соответственно (фиг. 1, 2).
В конструкции КС-транзистора (фиг. 3), имеющего выходной, управляющий и общий электроды, входят транзисторные структуры (фиг. 4), имеющие входной (исток, эмиттер) выходной (сток, коллектор) и управляющий электроды (затвор, база). Эти структуры в КС-транзисторе, в отличие от известных многоструктурных транзисторов, соединены не параллельно, а последовательно.
В основе механизма каскадного суммирования мощностей в КС-транзисторе лежит тот факт, что высокочастотный ток управляющего электрода транзисторной структуры сдвинут по фазе на 90° по отношению к току входного электрода этой структуры.
Следовательно, падение ВЧ напряжения на конденсаторе, соединяющем общий электрод КС транзистора с управляющим электродом m-ой транзисторной структуры синфазно ВЧ току входного электрода этой структуры.
Следовательно, ВЧ напряжение на входном электроде m-ой транзисторной структуры синфазно ВЧ току входного электрода этой структуры.
Следовательно, ВЧ мощность, генерируемая на выходном электроде предыдущей (m-1)-ой транзисторной структурой, поглощается на входе последующей m-ой транзисторной структуры и передается на ее выход, дополненная мощностью, генерируемой самой структурой.
Следовательно, в КС-транзистора по схеме фиг. 4 высокочастотные мощности, генерируемые всеми транзисторными структурами суммируются в общей нагрузке, подключаемой к выходному электроду КС-транзистора.
Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства является мощный СВЧ-транзистор, представленный в патенте РФ №2253924, МПК H01L 29/72, публикация 2005 г. Он содержит основание с электродами и полупроводниковой подложкой с транзисторными ячейками, каждая из которых включает в себя область коллектора, а также области эмиттера и базы, контактирующие каждая со своей расположенной на поверхности подложки металлизированной площадкой, одна из которых соединена с электродом общего вывода, и балластный резистор, контактирующий своими противоположными сторонами с областью эмиттера и металлизированной площадкой эмиттера.
Известная конструкция представляет собой по существу набор N отдельных, соединенных параллельно по входному и выходному токам транзисторных структур, установленных на общей теплоотводящей подложке (фиг. 5).
В такой конструкции транзистора удается кратно (в N раз по сравнению с отдельной структурой) увеличить выходную мощность за счет суммирования в нагрузке токов всех отдельных транзисторных структур. Кроме того, использование отдельных пространственно разнесенных транзисторных структур позволяет улучшить отвод тепла от транзисторных структур за счет значительного снижение теплового сопротивления кристалл-корпуса транзистора [1, стр. 16]. И, соответственно, увеличить допустимую рассеиваемую и выходную мощности транзистора при тех же токовых нагрузках.
Основные недостатки данного технического решения заключаются в следующем:
- в кратном увеличении (в N раз по сравнению с отдельной структурой) выходной и входной емкостей транзистора, что значительно сужает диапазон рабочих частот транзистора, затрудняет входное и выходное согласование транзистора и существенно осложняет конструкцию транзистора и его использование в аппаратуре применения;
- в снижении тепловой устойчивости транзистора вследствие вторичного теплового пробоя (эффект «шнурования тока») [1, стр. 47], следовательно, снижение надежности аппаратуры применения;
- низком коэффициенте усиления транзистора.
Целью заявленного изобретения является увеличение коэффициента усиления и выходной мощности многоструктурного высокочастотного КС-транзистора без увеличения входного и выходного токов; уменьшение входной и выходной емкостей КС-транзистора; повышение электрической прочности КС-транзистора; повышение энергетический и тепловой устойчивости КС-транзистора за счет исключения эффекта вторичного теплового пробоя.
Поставленные цели достигаются в предлагаемом КС-транзисторе путем использования в конструкции многоструктурного КС-транзистора технического решения, основанного на разработанной в [5] концепции каскадного суммирования мощностей (КС). Каскадное суммирование позволяет осуществлять широкополосное суммирование высокочастотных мощностей, генерируемых отдельными транзисторами в общей нагрузке без использования внешних систем деления/суммирования мощностей.
Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.
КС-транзистор, содержащий отдельные транзисторные структуры и имеющий выходной, управляющий и общий электроды, при этом каждая транзисторная структура включает входной, выходной и управляющий электроды, установленные на общей теплоотводящей подложке, характеризуется тем, что выходной электрод предыдущей транзисторной структуры соединен с входным электродом последующей транзисторной структуры, выходной электрод последней транзисторной структуры соединен с выходным электродом КС-транзистора, при этом между входным электродом и управляющим электродом каждой транзисторной структуры включен резистор, а управляющий электрод предыдущей транзисторной структуры соединен резистором с управляющим электродом последующей структуры.
Управляющие электроды всех транзисторных структур могут быть соединены конденсаторами с общим электродом КС-транзистора, а входной электрод первой структуры соединен с управляющим электродом КС-транзистора.
Управляющие электроды всех структур, кроме первой, могут быть соединены через конденсаторы с общим электродом КС-транзистора, управляющий электрод первой структуры соединен с управляющим электродом КС-транзистора, а входной электрод первой структуры подключен к общему электроду КС-транзистора.
Управляющий электрод каждой предыдущей структуры, кроме первой, может быть соединен с управляющим электродом последующей структуры конденсатором, управляющий электрод второй структуры соединен конденсатором с входным электродом первой структуры, который подключен к общему электроду КС-транзистора, а управляющий электрод первой структуры подключен к управляющему электроду КС-транзистора.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлена схема многоструктурного биполярного транзистора.
На фиг. 2 представлена схема многоструктурного MOSFET транзистора (MOSFET - Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor - металл-оксид-полупроводниковый транзистор с полевым эффектом).
На фиг. 3 представлена схема многоструктурного КС-транзистора. На фиг. 4 представлена схема транзисторной структуры КС-транзистора.
На фиг. 5 представлена схема прототипа по патенту РФ №2253924.
На фиг. 6 показана компоновка заявляемого КС-транзистора в соответствии с п. 1 формулы изобретения.
На фиг. 7 показана компоновка заявляемого КС-транзистора, в соответствии с п. 2 формулы изобретения.
На фиг. 8 показана компоновка заявляемого КС-транзистора, в соответствии с п. 3 формулы изобретения.
На фиг. 9 показана компоновка заявляемого КС-транзистора, в соответствии с п. 4 формулы изобретения.
На фиг. 10 показана блок-схема исследования КС-транзистора в схеме однокаскадного усилителя мощности высокой частоты с общим истоком в цифровом макете (программная среда МС9) и в натурном макете выполненном по той же схеме.
На фиг. 11а, б, в, г представлены результаты исследования цифрового макета при четырех различных частотах возбуждения в режиме транзиент-анализа.
На фиг. 12 представлена блок-схема измерения характеристик КС-транзистора.
Представленная компоновка (фиг. 6) необходима для обеспечения равномерного распределения напряжения питания всех транзисторных структур. Эта компоновка используется во всех вариантах конструкции КС-транзистора, отвечающих требованиям аппаратуры применения. Она отражена в п. 1 патентной формулы.
Для обеспечения равномерной генерации высокочастотной энергии всеми транзисторными структурами в широкой полосе частот и передачи высокочастотной энергии в общую нагрузку в схеме по фиг. 4 управляющие электроды всех транзисторных структур соединены конденсаторами с общим электродом КС-транзистора, а входной электрод первой структуры соединен с управляющим электродом КС-транзистора, как показано на фиг. 7.
Данное техническое решение КС-транзистора соответствует известному включению транзистора по схеме с общим истоком (общей базой), оно защищается п. 2 патентной формулы.
Для повышения коэффициента усиления КС-транзистора и улучшения входного согласования (уменьшения входной емкости) КС-транзистора в схеме по фиг. 6 управляющие электроды всех структур, кроме первой, соединены через конденсаторы с общим электродом КС-транзистора, управляющий электрод первой структуры соединяется с управляющим электродом КС-транзистора, а входной электрод первой структуры подключается к общему электроду КС-транзистора, как показано на фиг. 8.
Данное техническое решение КС-транзистора соответствует известному включению транзистора по схеме с общим истоком (общим эмиттером). Оно защищается п. 3 патентной формулы.
Для увеличения амплитуды высокочастотного сигнала на выходном электроде КС-транзистора без увеличения максимального напряжения на элементах конструкции КС-транзистора в схеме по рис. 6 управляющий электрод каждой предыдущей структуры, кроме первой, соединен с управляющим электродом последующей структуры конденсатором, управляющий электрод второй структуры соединен конденсатором с входным электродом первой структуры, который подключен к общему электроду КС-транзистора, а управляющий электрод первой структуры подключен к управляющему электроду КС-транзистора (рис. 9). При такой схеме включения конденсаторов напряжение на любых элементах схемы КС-транзистора не превосходит напряжения между входным и выходным электродами транзисторной структуры. Оно в N раз меньше напряжения на выходном электроде КС-транзистора. Данное техническое решение защищается п. 4 патентной формулы.
Условием эффективности работы устройства по заявке является равномерная загрузка всех транзисторных структур по току и напряжению, что обеспечивается совпадением или близостью эпюр токов и напряжений транзисторных структур.
Совпадение входных и выходных токов отдельных структур гарантируется последовательным соединением транзисторных структур в КС-транзисторе. Следовательно, необходимо показать совпадение (близость) эпюр напряжений между входным и выходным электродами отдельных структур.
Прямым доказательством равномерности энергетической загрузки отдельных структур КС-транзистора и суммирования мощностей отдельных транзисторов в общей нагрузке в режиме усиления или генерации ВЧ сигнала является численный и/или натурный эксперимент с КС-транзистором, работающим в однокаскадном усилителе в режиме усиления высокочастотного сигнала.
Эксперимент должен выявить:
- близость (в идеале совпадение) временных зависимостей (эпюр) напряжений между выходом и входом отдельных структур, что подтверждает факт равномерности загрузки отдельных транзисторных структур в КС-транзисторе;
- близость (в идеале совпадение) напряжения между выходным электродом транзистора и выходным электродом КС-транзистора сумме напряжений между выходным и входным электродами отдельных структур, составляющих КС-транзистор. Тем самым подтвердить факт суммирования высокочастотных мощностей, генерируемых отдельными транзисторными структурами в общей нагрузке КС-транзистора.
- факт того, что высокочастотная мощность, генерируемая КС- транзистором, в N раз превосходит мощность, генерируемую его отдельными структурами.
Был разработан и изготовлен MOSFET КС-транзистор. В качестве отдельных транзисторных структур использовались 5 бескорпусных MOSFET транзисторов IXZ210N50L2 с заявленной изготовителем номинальной выходной мощностью Рвых = 300 Вт [6]. Был также разработан цифровой макет КС-транзистора, в котором применялись spice-модели транзистора IXZ210N50L2, представленные изготовителем [6]. Это гарантировало необходимую точность и адекватность численного эксперимента, с использованием цифрового макета.
КС-транзистор был исследован в схеме однокаскадного усилителя мощности высокой частоты с общим истоком (фиг. 10) в цифровом макете (программная среда МС9) и в натурном макете, выполненном по той же схеме (фиг. 10).
Результаты исследования цифрового макета при четырех различных частотах возбуждения в режиме транзиент-анализа (фиг. 11а, б, в, г) подтверждают как высокую степень равномерности загрузки отдельных транзисторный структур в КС-транзисторе, так и факт каскадного суммирования высокочастотных мощностей генерируемых структурами в общей нагрузке КС-транзистора.
Прямое экспериментальное исследование КС-транзистора проводилось на макете по блок-схеме, представленной на фиг. 12, где 1- генератор высокочастотный, 2- драйвер, 3 - КС-транзистор 2ПКС5И01,4 - выходная плата, 5 - водяной охладитель, 6 - ВЧ нагрузка-аттенюатор, 7 - измеритель мощности, 8 - ПК, 9 - осциллограф, 10 - источник питания 20 В/2А, 11 - источник питания 500 В/10А, 12 - осциллограф.
Результаты экспериментальных испытаний натурного макета усилителя на КС-транзисторе при различных частотах и напряжениях питания приведены в таблицах 1 и 2.
Следует отметить, что полученная экспериментально выходная мощность, генерируемая многоструктурным КС-транзистором в нагрузке усилителя, как и ожидалось, равна или превосходит совокупную номинальную мощность, заявленную изготовителем для транзистора IXZ210N50L2 при напряжениях, соответствующих напряжениям питания (Таблица 1 и Таблица 2). Следовательно, результаты экспериментального исследования макета КС-транзистора подтверждают факт суммирования высокочастотных мощностей, генерируемых отдельными структурами КС- транзистора в общей нагрузке КС-транзистора. При этом коэффициент усиления КС-транзистора в цифровом и аналоговом макетах составляет Ку>35 дБ, что на 20 дБ больше, чем отдельной структуры.
Испытания натурного макета КС-транзистора на электрическую прочность проводились следующим образом.
В режиме табл. 2 (Рвых = 3.4 кВт) отсоединялась (обрывалась) ВЧ нагрузка аттенюатора «6» (блок-схема фиг. 1) путем отсоединения кабеля от разъема энергоблока (разрывалась связь между бл. 4 и бл. 6 схеме фиг. 6). Тем самым мгновенно создавался режим XX. При этом КС- транзистор оставался под напряжением питания и возбуждения в соответствии с таблицей 2. После чего напряжение питания и возбуждение КС-транзистора снимались. Далее опять подключались нагрузки, подавалось напряжение питания и возбуждения транзистора, и схема восстанавливалась полностью. Результаты измерений приведены в Таблице 3.
Результат: никаких изменений в характеристиках КС-транзистора при обрыве нагрузки в динамическом режиме не зафиксировано, работоспособность КС-транзистора сохранена полностью. Таким образом, в КС-транзисторе по заявке гарантирована необходимая электрическая прочность устройства. Тепловая устойчивость КС-транзистора гарантирована его конструкцией по заявке, так как при последовательном соединении транзисторов по току вторичный тепловой пробой в принципе невозможен.
Изложенные выше результаты численных и экспериментальных проверок КС-транзистора подтверждают факты достижения поставленных в заявке целей.
Изобретение позволяет повысить выходную мощность и увеличить коэффициент усиления мощного высокочастотного многоструктурного КС-транзистора, уменьшить выходную и входную емкости транзистора, повысить его электрическую прочность и устойчивость к тепловому пробою в сравнении с существующими многоструктурными мощными ВЧ транзисторами.
Библиографический список:
1. Ю.Звражнов и др. Мощные высокочастотные транзисторы. Издательство «Радио и связь», 1985.
2. Мощный СВЧ транзистор. Патент РФ 2253924, публ. 2005 г.
3. Мощный ВЧ и СВЧ транзистор. Патент РФ 2402836, публ. 2010 г.
4. Мощный ВЧ и СВЧ транзистор. Патент РФ 2403650, публ. 2010 г.
5. Мощная высокочастотная транзисторная структура.
Патент РФ 2403651, публ. 2010 г.
6. С.Г.Тихомиров. Усиление высокочастотных сигналов. Монография, Издательство LAP Lambert, 2010 г.