CN102339336A - 改善微波/射频功率放大器芯片热失效的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种改善微波/射频功率放大器芯片热失效的设计方法，其特点是在多个小面积晶体管进行并联排布时，将晶体管的间距按照从中间到两边依次递减的方式进行非均匀排布，使中心器件和边缘器件的热均匀分布。本发明在设计时将中间器件与邻近器件的间距按照从中间到两边的次序依次减小，将会使中间器件的热耦合减弱、边缘器件的热耦合相对中间器件有所加强，从而有效避免中间器件过热，使各器件的温度趋于相同、器件与器件之间的电流分布趋于相等，避免出现电流增益塌陷，从而大大简化微波/射频功率放大器芯片的热设计，降低热失效发生的几率，并有效缩短研发周期和节约成本。

Description

改善微波/射频功率放大器芯片热失效的设计方法

技术领域

本发明涉及一种微波/射频功率放大器芯片设计方法，特别是涉及一种改善微波/射频功率放大器芯片热失效的设计方法。

背景技术

微波/射频功率放大器芯片制造难度很大，技术附加值很高。国际上，该领域的研究已开展了数十年，而国内商用高频功率放大器的研究仍旧很落后。因此，研究商用高频功率放大器对于推动无线通信系统关键部件的国产化具有十分重要的意义。

微波/射频功率放大器芯片是由半导体衬底材料以及在其上制作的晶体管和无源器件构成。热失效是微波/射频功率放大器芯片的一种重要的失效机制，它表现当晶体管工作电流密度比较高时，在自身发热和邻近器件的散热的作用下器件温度的很快升高，温度对电流的正反馈效应导致器件性能变坏甚至失效，又称为增益塌陷效应。对于商用无线通信终端的射频功率放大器芯片，其尺寸都在1mm²以下，而最大发射功率要达到28～34dBm(在这里dBm即分贝毫瓦，

)，因此功率密度是非常大的，在这种情况下热设计是非常重要的。

对于单指小面积晶体管，由于其共射电流增益随着温度的增加而降低，降低了热电反馈和热不稳定性。同时，由于小尺寸器件由于电流分布均匀，不易出现发射极电流集聚效应，因而热分布比较均匀。因此，在常偏压下，单指小发射极面积晶体管不会发生热不稳定性。

但是对于功率放大器芯片而言，大的功率输出要求多个晶体管并联来提高输出功率，由于热源在芯片上高度集中，使器件的结温升高。局部温度较高使得基区禁带宽度变窄，变窄的结果使局部的电流加大，热电反馈产生更大的热量。同时大发射极尺寸易出现的发射极电流集聚效应会产生局部过热点，反向注入电流增大，出现电流增益塌陷。由于大面积HBT的电流塌陷问题很难解决，所以在电路中，输出电流较大时大多采用多个小发射极面积并联的方式。

多个小面积晶体管并联的情况下，当电流很小的时候，集电极电流均匀分布在各指上。当其中一指的结温略高于其他指温度时，它的BE结开启电压略微下降。由于器件之间存在热耦合，这导致中心器件温度升高。即使在恒电流源情况下，器件与器件之间的电流分布并不相等，而是与它们各自的温度有关。

由此可见，尽管大面积器件和多个小面积器件并联均存在电流坍塌现象，但产生电流坍塌现象的机理是不同的。对于大面积晶体管而言，电流坍塌现象是由于自热效应产生的，而多个小面积晶体管并联出现的电流坍塌现象与器件之间的热耦合有关。热耦合随并联单管数目增加而增强，因此并联数越多的器件发生电流增益塌陷的电流密度越低。

鉴于器件之间存在热耦合，导致中心器件温度升高。热耦合随并联单管数目增加而增强，因此在多个小面积器件并联时可以通过减小器件间的热耦合来避免中间区域过热造成的增益坍塌或者热失效。而如何减小器件之间的热耦合，此前已经有过多种方法来解决电流增益坍塌问题，但都是在均匀排布的基础上进行的。本申请人注意到目前还没有在非均匀排布的基础上解决电流增益坍塌问题的技术方案出现。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种改善微波/射频功率放大器芯片热失效的设计方法，主要是利用功率放大器芯片各晶体管指间的非均匀排布来避免中间区域过热造成的增益坍塌或者热失效，从而改善功率放大器的增益特性，降低其热失效的可能性。

本发明给出的技术解决方案是：这种改善微波/射频功率放大器芯片热失效的设计方法，其特点是在多个小面积晶体管进行并联排布时，将晶体管的间距按照从中间到两边依次递减的方式进行非均匀排布，使中心器件和边缘器件的热均匀分布，从而避免出现增益坍塌和热失效问题。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：由于热耦合随着器件间距的增加而减小、随着器件间距的减小而增加，在设计时将中间器件与邻近器件的间距按照从中间到两边的次序依次减小，将会使中间器件的热耦合减弱、边缘器件的热耦合相对中间器件有所加强，从而有效避免中间器件过热，使各器件的温度趋于相同、器件与器件之间的电流分布趋于相等，避免出现电流增益塌陷。本发明将上述非均匀排布的设计方法应用到微波/射频功率放大器的芯片设计当中，通过适当的热分析和仿真，能大大简化微波/射频功率放大器芯片的热设计，降低热失效发生的几率，并有效缩短研发周期和节约成本。

附图说明

图1为功率放大器芯片及晶体管排布示意图；

图2为均匀分布晶体管单元热分析的三维结果；

图3为均匀分布晶体管单元热分析的二维结果；

图4为非均匀分布晶体管单元热分析的三维结果；

图5为非均匀分布晶体管单元热分析的二维结果。

具体实施方式

下面以6个平行排布的晶体管单元为实例对上述分析进行验证。

如图1所示，分别在XYZ方向上定义了芯片的长度L、宽度W、衬底厚度t，同时定义晶体管单元的指长b和指宽a、晶体管单元间距d1、d2、d3。接下来分两种情况进行对比分析，即均匀分布d1＝d2＝d3和非均匀分布d1＞d2＞d3，在这两种情况下，其他参数W、L、t、a、b均保持不变。

对于均匀分布的情况，即d1＝d2＝d3。热分析结果如图2、图3所示，其中间各晶体管单元的温度要明显高于两边的晶体管单元。

对于非均匀分布的情况，在本次分析中，d1＞d2＞d3，即各晶体管单元的间距按照从两侧到中间递加的方式，其热分析结果如图4、图5所示，各单元的温度分布趋于均匀，即达到了能达到中心器件和边缘器件的热均匀分布，从而有限避免出现增益坍塌和热失效问题。

Claims (1)

1.一种改善微波/射频功率放大器芯片热失效的设计方法，其特征在于在多个小面积晶体管进行并联排布时，将晶体管的间距按照从中间到两边依次递减的方式进行非均匀排布，使中心器件和边缘器件的热均匀分布。

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