Мощный СВЧ транзистор
POWERFUL MICROWAVE TRANSISTOR

Изобретение относится к электронной полупроводниковой технике, в частности, к конструкции мощных сверхвысокочастотных (СВЧ) транзисторов, и может быть использовано для создания на их основе приемопередающей радиоэлектронной аппаратуры.
Известен мощный СВЧ транзистор (1 - Патент РФ №2251175 «Мощный биполярный СВЧ транзистор», H01L 29/72, опубл. 27.04.2005 г.), включающий транзисторные кристаллы с транзисторными структурами, размещенные на металлическом фланце корпуса - коллекторном выводе, входной эмиттерный и выходной базовый выводы, соединенные проводниками с соответствующими электродами транзисторных структур. Базовые электроды транзисторных структур дополнительно соединены со стороны эмиттерного вывода через отрезок полосковой линии шириной W и разделительный конденсатор с коллекторным выводом, причем максимальное удаление hmax эмиттерных проводников от отрезка полосковой линии должно удовлетворять соотношению hmax ≤ 0,2 W.
Недостатком известного устройства являются большие размеры корпуса за счет установки в один корпус нескольких отдельных кристаллов транзисторов с параллельным включением, кристаллов согласующих конденсаторов и отрезков полосковых линий. Большие размеры корпуса ограничивают применение транзистора в современной аппаратуре.
Известен мощный СВЧ транзистор (2 - Патент РФ №2308120 «Мощный биполярный СВЧ транзистор», H01L 29/72, опубл. 10.10.2007 г.), включающий транзисторные кристаллы, расположенные на коллекторном электроде, по крайней мере, один разделительный конденсатор, расположенный на коллекторном электроде, соединенный проволоками с базовым электродом транзисторных кристаллов, по крайней мере один согласующий конденсатор во входной цепи транзистора, соединенный проволоками с эмиттерным электродом транзисторных кристаллов. Разделительный конденсатор соединен через индуктивность обратной связи с эмиттерным электродом транзисторных кристаллов или через индуктивность обратной связи с согласующим конденсатором во входной цепи транзистора.
Недостатками известного устройства является:
- большие размеры корпуса за счет установки в один корпус нескольких отдельных кристаллов транзисторов с параллельным включением, кристаллов согласующих конденсаторов. Большие размеры корпуса ограничивают применение транзистора в современной аппаратуре;
- значительное снижение КПД коллекторной цепи при увеличении рабочей частоты. Так, КПД снижается с 50% на частотах 1-1,5 ГГц [2] до 45% на частотах около 3 ГГц [3 - Кулиев М.В. Обзор современных GaN транзисторов и направления развития // Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы. Выпуск 2, 2017, с. 18-28].
Известен мощный СВЧ транзистор (4 - Патент РФ №2192692 «Мощный широкополосный ВЧ и СВЧ транзистор», H01L 29/72, опубл. 10.11.2001 г.), содержащий диэлектрическую подложку с электродами, на которой размещены транзисторные ячейки и конденсатор, первая обкладка которого соединена N проводниками с первыми активными областями транзисторных ячеек и входным электродом подложки, вторая обкладка конденсатора соединена со вторыми активными областями транзисторных ячеек и электродом нулевого потенциала подложки, а коллекторные области транзисторных ячеек соединены с коллекторным электродом подложки, отличающийся тем, что первая обкладка конденсатора разделена на m изолированных участков, в пределах каждого из которых располагаются n≥1 контактов проводников, соединяющих участок с первыми активными областями транзисторных ячеек, и соответствующее им количество контактов проводников, соединяющих участок с входным электродом подложки, а площади участков удовлетворяют условию
где d и ε - соответственно толщина и относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика под участком;
ε0≈8,85⋅10-12Ф/м - электрическая постоянная в СИ;
вг
нг
f, f - соответственно верхняя и нижняя границы полосы частот транзистора;
k=1, …, m;
i
k
k
вxli
вxli
k
L - индуктивность соединения участка и i-й транзисторной ячейки из n, соединенных с данным участком; L', R' - соответственно индуктивность и сопротивление между контактами проводников, соединяющих k-й участок с транзисторными ячейками, и контактами проводников, соединяющих этот участок с входным электродом, R - активное входное сопротивление i-й транзисторной ячейки из n, соединенных с данным участком, причем отношение R/L является монотонно возрастающей функцией аргумента k.
Недостатком известного устройства являются большие размеры корпуса за счет установки в корпус транзистора рядом с диэлектрической подложкой с транзисторными ячейками согласующих конденсаторов. Большие размеры корпуса ограничивают применение транзистора в современной аппаратуре.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является мощный СВЧ транзистор (5 - Патент РФ №2615313 «Мощный СВЧ транзистор», H01L 29/73, опубл. 04.04.2017 г.), принятый в качестве прототипа, который содержит керамический корпус с металлическим фланцем, полосковые входной и выходной выводы корпуса на бортиках керамического корпуса, один или несколько параллельно включенных кристаллов транзистора, кристаллы конденсаторов внутренних согласующих цепей, несколько рядов соединительных проволочных проводников, соединяющих контактные площадки на кристаллах транзистора и кристаллах конденсаторов между собой и с входными и выходными выводами корпуса, при том, что фланец выполняет функцию общего вывода транзистора, а между каждым из пары в ряду основных соединительных проводников размещены экранирующие проводники, при этом внутри керамического корпуса размещена металлическая рамка с вертикальными стенками, снизу соединенная с фланцем корпуса, а сверху имеющая уровень несколько ниже уровня выводов корпуса для присоединения верхних концов упомянутых экранирующих проводников, нижние концы экранирующих проводников присоединены непосредственно к фланцу корпуса вблизи кристалла транзистора.
К недостаткам прототипа относятся:
2
- большие размеры корпуса за счет расположения двух рядов кристаллов согласующих конденсаторов между кристаллом транзистора и входными и выходными выводами корпуса. Так, размеры керамической части корпуса транзистора, который приводится в описании прототипа как аналог, составляют 13×9,8 мм, при этом она занимает площадь 127,4 мм (тип корпуса КТ-55). Большие размеры корпуса ограничивают применение транзистора в современной малогабаритной аппаратуре;
- низкий коэффициент полезного действия (КПД) прототипа. В описании прототипа приводится его аналог - кремниевый полевой транзистор типа 2П9109 АЕЯР.432150.622 ТУ, имеющий КПД в пределах от 40 до 45%, что ограничивает его применение в современной малогабаритной аппаратуре.
Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение размеров корпуса транзистора.
Для решения указанной технической проблемы предлагается мощный СВЧ транзистор, содержащий керамический корпус с металлическим фланцем, полосковые входной и выходной выводы, расположенные на бортиках керамического корпуса, кристалл транзистора, соединительные проволочные проводники, соединяющие контактные площадки на кристалле транзистора с входными и выходными выводами, при том, что металлический фланец выполняет функцию общего вывода транзистора.
Согласно изобретению, в качестве кристалла транзистора используют кристалл на основе гетероструктуры нитрида галлия (GaN) с высокой подвижностью электронов (НЕМТ) на подложке из карбида кремния (SiC-подложке), при этом на кристалле транзистора размещают несколько транзисторных структур, количество которых определяется требуемой выходной мощностью транзистора, контактные площадки затворов транзисторных структур соединены с помощью соединительных проволочных проводников с входным выводом, а контактные площадки стоков транзисторных структур - с выходным выводом, контактные площадки истоков транзисторных структур, расположенные с нижней стороны кристалла транзистора соединены с металлическим фланцем с помощью пайки или электропроводящего клея.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД мощного СВЧ транзистора.
Проведенный сравнительный анализ заявленного изобретения и прототипа показывает, что их отличие заключается в следующем:
2
2
- в предлагаемом изобретении использован кристалл транзистора на основе гетероструктуры GaN НЕМТ на SiC-подложке, обладающий более высокой плотностью мощности, чем кристалл кремниевого транзистора в прототипе. Это обеспечивает уменьшение размеров кристалла транзистора при той же мощности [6 - Гольцова М. Мощные GaN-транзисторы. Истинно революционная технология // Электроника НТВ. 2012, №4, с. 86-100] и позволяет уменьшить размеры керамической части корпуса в 2,17 раза до 58,7 мм, по сравнению с керамической частью корпуса прототипа. Аналог, который приводится в описании прототипа, имеет размеры корпуса 13×9,8 мм (площадь 127,4 мм);
- в предлагаемом изобретении проволочные проводники соединяют контактные площадки затворов транзисторных структур непосредственно с входным выводом корпуса, а контактные площадки стоков транзисторных структур непосредственно с выходным выводом корпуса, что обеспечивает уменьшение длины соединительных проводников не менее, чем на 30%, а также уменьшение их паразитного влияния между собой. В то время как в прототипе между кристаллом транзистора и входным и выходным выводами корпуса расположено по одному ряду кристаллов согласующих конденсаторов. При этом соединительные проволочные проводники между кристаллом транзистора и входными и выходными выводами корпуса из-за большого размера корпуса имеют избыточную длину и высокую паразитную взаимную индуктивность.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого мощного СВЧ транзистора из литературы не известно, поэтому он соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фиг. 1 приведена предложенная конструкция мощного СВЧ транзистора, вид сверху.
На фиг. 2 приведена предложенная конструкция мощного СВЧ транзистора, продольный разрез.
Конструкция мощного СВЧ транзистора, включает в себя (фиг. 1) керамический корпус 1, полосковые входной вывод 2 и выходной вывод 3, расположенные на бортиках керамического корпуса 1 и кристалл транзистора 4.
Кристалл транзистора 4 выполнен на основе гетероструктуры GaN НЕМТ на SiC-подложке, на нем размещают несколько транзисторных структур 5, количество которых определяется требуемой выходной мощностью транзистора. На фиг. 1 показан вариант кристалла транзистора 4 с шестью транзисторными структурами 5. Соединительные проволочные проводники 6 соединяют контактные площадки затворов 7 транзисторных структур 5 с входным выводом 2, а контактные площадки стоков 8 транзисторных структур 5 с выходным выводом 3.
Контактные площадки истоков транзисторных структур 5, расположенные с нижней стороны кристалла транзистора 4 (на фиг. 1 и фиг. 2 не показаны) соединены с металлическим фланцем 9 (фиг. 2) с помощью пайки или электропроводящего клея. При этом металлический фланец 9 выполняет функцию общего вывода транзистора.
Мощный СВЧ транзистор работает следующим образом. На входной вывод транзистора (затвор) и выходной вывод (сток) транзистора подаются необходимые напряжения смещения от внешних источников. При этом на вывод затвора - отрицательное, а на вывод стока - положительное относительно общего вывода (истока). На вывод затвора подается СВЧ сигнал, который усиливается транзистором и подается на его выход (между электродами стока и истока).
2
2
В предлагаемом изобретении кристалл транзистора 4 выполнен на основе гетероструктуры GaN НЕМТ на SiC-подложке, что обеспечивает получение более высокой плотности мощности кристалла, по сравнению с кристаллом кремниевого транзистора [6]. Это дает возможность уменьшения размеров кристалла транзистора при той же мощности и позволяет уменьшить размеры керамической части корпуса в 2,17 раза до 58,7 мм, по сравнению с керамической частью корпуса транзистора, который приводится в описании прототипа как его аналог с размерами корпуса 13×9,8 мм (площадь 127,4 мм). Уменьшение размеров корпуса транзистора позволяет уменьшить длину соединительных проволочных проводников не менее, чем на 30%.
В описании прототипа приводится его аналог - кремниевый полевой транзистор типа 2П9109 АЕЯР.432150.622 ТУ, имеющий КПД в пределах от 40 до 45%. В предлагаемом изобретении использование гетероструктуры GaN НЕМТ на SiC-подложке обеспечивает получение КПД не ниже 50%.
Работоспособность предлагаемого устройства была проверена на макете, испытания которого показали совпадение полученных характеристик с расчетными.