DE2044975A1

DE2044975A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2044975A1
Application number: DE19702044975
Authority: DE
Inventors: Robert Michael PaIo Alto Calif. Scarlett (V.St.A.)
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1969-09-16
Filing date: 1970-09-11
Publication date: 1972-03-23
Also published as: NL173692C; DE2044975C3; GB1271348A; US3671793A; NL7013540A; DE2044975B2; FR2061748B3; NL173692B; JPS5124228B1; FR2061748A7

Description

Deutsche ITT Industries GmbH. R.M.Scarlett -

78 Freiburg,Hans-Bunte-Str.19 . 10. September 1970

Pat.Go/Th/Wi

Pl 647

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG

FREIBURG i.B.

Halbleiterbauelement

Die Priorität der Anmeldung in den Vereinigten Staaten von Amerika Nr. 858 257 vom 16. September 1969 wird in Anspruch genommen.

Die Erfindung nimmt Bezug auf einen Hochfrequenztransistor mit verbesserten Betriebseigenschaften.

Hochfrequenzleistungstransistoren werden bei Verwendung in Verstärkerschaltungen sehr oft in Emitterschaltung betrieben. Werden Transistoren in Emitterschaltung betrieben, dann ergibt sich eine Emitterzuleitungsinduktivität L , welche sowohl dem Eingangs- als auch dem Ausgangskreis gemeinsam ist. Diese Induktivität liegt im allgemeinen in dem Draht, der den Emitterkontaktflech auf dem Transistorplättchen mit dem gemeinsamen Schaltungspunkt verbindet. Liegt der gemeinsame Schaltungspunkt außerhalb des Gehäuses, so wird L die Induktivität der Durchführungsleitung durch das Gehäuse einschließen. Für das Streifenleitungsgehäuse nach dem USA-Patent 3 387 190 erstreckt sich die für die Eingangs- und Ausgangskreise gemeinsam wirksame Zuleitungsinduktivität lediglich innerhalb des Gehäuses. In manchen Fällen bilden mit einem Kontaktfleck auf dem Plättchen verbundene und sich zu

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Gehäuseteilen erstreckende Drähte zumindest teilweise eine gemeinsame Zuleitungsinduktivität L .

ti

Verständlicherweise würde sich diese gemeinsame Zuleitungsinduktivität in Serie zum Basiskontaktfleck von Transistoren finden, die in Basisschaltung verwendet werden. Solche Transistoren werden häufig in Hochfrequenz-Eingangskreisen von Empfängern verwendet. Diese gemeinsame Zuleitungsinduktivität würde in Kollektorschaltung verwendete Transistoren für Hochfrequenzemitterfolger ebenfalls betreffen, d.h. Anwendungen als Trennverstärkertransistor. Während der Erfindungsgedanke selbstverständlich die Neutralisierung der sowohl Eingangs- als auch Ausgangskreisen gemeinsamen Zuleitungsinduktivität für den Betrieb in Emitter-, Basis- und Kollektorschaltung betrifft, wird zum Zwecke der Erläuterung der Erfindung die Beschreibung durch ein Ausführungsbeispiel auf die gemeinsam dem Eingangs- und Ausgangskreis einer Emitterschaltung gemeinsamen Emitterzuleitungsinduktivität beschränkt.

Das auf einer übermäßigen Zuleitungsinduktivität beruhende Hauptproblem besteht darin, daß die Hochfrequenzleistung des Bauelements aufgrund der starken Zunahme der Impedanz der Zuleitungsinduktivität bei hohen Frequenzen wesentlich beeinträchtigt wird.

Der nutzbare Arbeitsbereich eines Verstärkers wird allgemein unter Bedingungen einer relativ konstanten Verstärkung über eine spezifische Betriebsfrequenz beschrieben. Nach einem nützlichen anwendbaren Näherungskriterium wird die Verstärkung nicht wesentlich beeinträchtigt, solange die folgende Beziehung erfüllt ist:

2 TTfL <^ R. ,..

e ^ in (1)

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wo f die Betriebsfrequenz und R._n der Transistoreingangswiderstand bedeuten.

Eine weitere bei Transistorverstärkerschaltungen nützliche Beziehung, die in Form der Grundeigenschaften von Silicium herleitbar ist, lautet

P.G.R. . f² CÜ 20 (2) in

wo P die Verstärkerausgangsleistung in Watt, G die Leistungsverstärkung,
R. der Eingangswiderstand in Ohm und f die Betriebsfrequenz in GHz bedeuten.

Durch die Kombination von Gleichungen 1 und 2 und Auflösung

nach L findet man
e

wo L in Nanohenry,
P in Watt und
f in GHz eingesetzt wird.

Ist nach einem ersten Beispiel -nrirt P = 20 Watt, G = 4 und

f = 0,5 GHz, so muß L weniger als 0,32 nHy sein. Ist nach

einem zweiten Beispiel mtt P = 10 Watt, G = 4 und f = 2 GHz, so muß L weniger als 0,01 nHy betragen.

Die Induktivität L eines Drahtstückes bei Verwendung zum Verbinden des Emitterkontaktflecks mit einem anderen Teil

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der Schaltung oder des Gehäuses wäre durch folgende allgemein bekannte Beziehung gegeben:

L = 2

nHy (4)

wo C die Länge des Drahtes in cm und r der Drahtradius in cm bedeuten.

Für einen Draht mit einem Radius von 0,01 cm und einer Länge von 0,1 cm würde diese Induktivität L = 0,4 nHy betragen.

Wird ein Stück eines festen Bandes der Länge c und Breite w anstelle des Drahtes verwendet, so würde unter der Voraussetzung, daß w größer ist als c / dieses Band die Induktivität

,2

^L ~ -Ar— ^nHv <⁵⁾

aufweisen.

Ist c = 0,1 cm, w = 0,5 cm und L = 0,08 nHy, so können wir erkennen, daß die vom Draht und dem Band erreichten Induktivitätswerte größer als die bei dem obengenannten zweiten Ausführungsbeispiel annehmbaren sind, wonach L kleiner als 0,01 nHy sein soll.

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem in einem Grundkörper angeordneten aktiven Halbleiterelement. Durch die Erfindung soll zunächst das Hochfrequenzverhaiton eines Hochfrequenztransistorelements vorbessert werden. Forner soll durch die Erfindung die Wirkung der sowohl für den Eingangs- als auch für den Ausgangskreis gemeinsamen Zu-

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leitungsinduktivität auf das Hochfrequenzverhalten eines Halbleiterbauelements vermindert werden.

Dies wird bei einem Halbleiterbauelement mit einem in einem Grundkörper angeordneten aktiven Halbleiterelement erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Verminderung der Wirkung der Zuleitungsinduktivität einer für den Eingangsund Ausgangskreis des Halbleiterelements gemeinsamen Zuleitung ein Impedanzwandler mit der Substratoberfläche verbunden ist.

Nach einer Ausfuhrungsform der Erfindung weist das aktive Halbleiterelement einen Emitter, eine Basis und einen Kollektor auf und ist der Impedanzwandler mit der Basis und dem Emitter verbunden.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält der Impedanzwandler einen Transformator mit einer Primärwad SetaoadärwicklTing, wobei die Sekundärwicklung mit der Basis- und Emitterelektrode xmd. die Primärwicklung mit Rom— taaktf lecken als Eingangsainschlüsse des Bauelements auf dem Substrat verbunden sind«

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung enthält der Impedanzwandler eine in Form von Schichten auf dem Substrat angeordneten Induktivität und Kapazität, wobei ein Anschluß der Induktivität mit der Basiselektrode, ein Anschluß der Kapazität mit der Emitterelektrode und der andere Anschluß der Induktivität mit dem anderen Anschluß der Kapazität verbunden sind.

Bei einer weitereil Ausfithrungsform der Erfindung enthält der Impedanzwandler einen Transformator mit einer Primär

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und Sekundärwicklung, wobei die Primärwicklung zur Erzielung von Eingangsanschlüssen für das Bauelement mit Kontaktflecken auf dem Substrat gekoppelt ist, ein Anschluß der Primärwicklung mit einem Anschluß der Sekundärv/icklung verbunden ist, ein Anschluß einer auf dem Substrat angeordneten Kapazität mit der Emitterelektrode, der andere Anschluß des Kondensators mit dem einen Anschluß der Sekundärwicklung und der andere Anschluß der Sekundärwicklung mit der Basiselektrode gekoppelt sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, in der

die Fig. 1 das Ersatzschaltbild eines herkömmlichen Bauelements mit einer sowohl dem Eingangsais auch dem Ausgangs-Kreis gemeinsamen Emitterzuleitungsinduktivität ,

die Fig. 2 eine Ausführungsform nach der Erfindung mit einem mit dem Substrat des Bauelements verbundenen Dünnschichttransformators,

die Fig. 3 ein Ersatzschaltbild des Bauelements gemäß der Fig. 2,

die Fig. 4 eine Aufsicht des Impedanzwandlers gemäß der Fig. 2,

die Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

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die Fig. 6 eine Weiterbildung der Ausfuhrungsform gemäß der Fig. 2 nach der Erfindung mit einem zwischen der Sekundärwicklung und dem Emitterkontaktfleck eingefügten Sperrkondensator,

die Fig. 7 das Ersatzschaltbild des Bauelements gemäß der Fig. 6,

die Fig. 8 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einenItC-Netzwerk als Impedanzwandler,

die-Fig. 9 eine Aufsicht des Impedanzwandlers gemäß der Fig. 8,

die Fig. 10 das Ersatzschaltbild des Bauelements gemäß der Fig. 8,

die Fig. 11 das passive Ersatzschaltbild innerhalb des Kastens E der Fig. 10/

die Fig. 12 das angenäherte Ersatzschaltbild des innerhalb des Kastens F der Fig. 11 enthaltenen Netzwerks bedeuten und

die Fig. 13 die Fig. 12 mit Parallelschaltung eines Kondensators zeigt.

Die Fig. 1 zeigt das Ersatzschaltbild eines herkömmlichen Transistors 1, der eine Zuleitungsxnduktivität 2 (L_e) in Reihe mit dem Emitter und gemeinsam sowohl dem Eingangsais auch dem Ausgangskreis aufweist. Das Eingangssignal wird an die Anschlüsse A bzw. B angelegt und das Ausgangssignal über C bzw. D abgenommen.

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Die gemeinsame Zuleitungsinduktivität L kann durch Einfügung eines geeigneten Impedanzwandlers auf einem das Halbleiterelement enthaltenen Substrat gemäß der Fig. 2 vermindert werden. Beim Ausführungsbeispiel gemäß der Fig. 2 wird ein Hochfrequenztransistorelement innerhalb des Substrats 3 gebildet. Das Substrat 3 kann beispielsweise nleitend sein und als Kollektor für das Bauelement dienen. Innerhalb des Substrats 3 kann eine Basiszone 4 von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp und innerhalb der Basiszone eine Emitterzone 4 vom Leitfähigkeitstyp des Substrats hergestellt werden. Beispielsweise können die Kollektor- und Emitter-Zone vom n-Leitfähigkeitstyp und die Basiszone 4 p-leitend sein. Die Basiszone 4 bildet mit der Kollektorzone, d.h. mit dem Substrat 3, einen sich zur Oberfläche des Bauelements erstreckenden pn-übergang. Ebenso bildet die Zone 5 mit der Zone 4 einen sich ebenfalls zur Oberfläche des Bauelements erstreckenden pn-übergang. Das innerhalb des Substrats 3 hergestellte Bauelement wird unter Anwendung herkömmlicher Verfahren der Photolithographie, der Maskierung und der Diffusion hergestellt. Die Passivierungsschicht 6 kann aus thermisch gewachsenem Siliciumoxyd bestehen oder eine unter Anwendung herkömmlicher Hochfrequenz-Glimmentladungsverfahren hergestellte Siliciumnitridschicht sein. Diese Schicht 6 an der Substratoberfläche wird zur Passivierung und zum Schutz derjenigen Teile der pn-Ubergänge verwendet, die sich zur Substratoberfläche erstrecken. Diese Passivierungsschicht weist unter Freilegung von Teilen der Emitter- bzw. Basiszone hergestellte Löcher auf. Zur Herstellung der entsprechenden Emitter- und Basiselektrode können unter Anwendung herkömmlicher Verfahren der Photolithographie, des Maskierens und Aufdampfens oder Besprühens Elektroden 7 und 8 hergestellt werden.

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*<P! ψ:ψ !■" '■."■ ■■ :

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Der Impedanzwandler, der mit dem Substrat verbunden und auf diesem angeordnet ist, besteht aus einem darauf derart gestalteten Schichtentransformator, daß die Zuleitungsinduktivität L außerhalb des Emitterkontaktflecks nicht e

mehr sowohl dem Eingangs- als auch Ausgangskreis gemeinsam ist. Somit ist ihre Wirkung auf die Verstärkung des Transistors bei Verwendung als Verstärker bei hohen Frequenzen vermindert.

Die Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Bauelements gemäß der Fig. 2. Die Primärwicklung 9 dieses Bauelements wird mit Kontaktflecken auf dem Substrat, die den Anschlüssen A bzw!* G des Schicht trans formators entsprechen, verbunden. Die Primärwicklung besteht aus η Windungen in Bezug auf die Sekundärwicklung 10. Die Sekundärwicklung 10 des Transformators kann tatsächlich zum Zwecke der Dimensionierung eine einzige Windung aufweisen. Die Sekundärwindung selbst wird unmittelbar mit dem Basis- und Emitterkontaktfleck verbunden. Somit wird die Zuleitungsinduktivität 11, die sowohl dem Eingangs- als auch Ausgangskreis gemeinsam sein wird, (im Interesse der Beschreibung werden wir diese Induktivität durch L' bezeichnen) auf die zwischen dem Emitter-

kontaktfleck und der Emitterzone vorhandenen Induktivität beschränkt sein. Offensichtlich wird somit die dem Eingang als auch dem Ausgang des Bauelements gemeinsame Zuleitungsinduktivität viel kleiner als der für gutes Hochfrequenzverhalten zulässige kritische Maximalwert der Zuleitungsinduktivität sein, wie er anhand des ersten und zweiten AusfUhrungsbeispiels einleitend berechnet wurde. Ferner wird der sehr geringe Eingangswiderstand des Transistors von der Sekundärwicklung auf die Primärwicklung des Transistors übertragen und erscheint als n²R_in an den Anschlüssen A und B, wodurch die Eingangskreisverluste stark vermindert werden. Der Ausgang des Bauelements wird an

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- IG -

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C und D abgegriffen, die innerhalb oder nicht innerhalb des endgültigen Bauelementsgehäuses liegen können. Die Induktivität 2 (L )/ die außerhalb des Emitterkontaktflecks liegt, ist nicht mehr sowohl dem Eingangs- als auch dem Ausgangskreis gemeinsam.

Der auf dem Substrat gemäß der Fig. 2 angeordnete Schichtentransformator, dessen Aufsicht in Fig. 4 gezeigt wird, kann durch herkömmliche Verfahren des Aufdampfens oder Besprühens durch geeignete Masken hergestellt werden. Beim Bauelement gemäß der Fig. 2 können die unteren Windungsschleifen 12a der Primärwicklung 9 auf jenem Teil der Passivierungsschicht 6 zwischen der Emitter- und Basiselektrode aufgedampft oder gedruckt werden. Die Primärwicklung 9 besteht aus einem geeigneten Leitermaterial wie Aluminium, Platin oder Kupfer. Der untere Teil 13a des Kerns würde danach auf die unteren Primärwindungsschleifen durch Sprühen, Sintern oder irgendeine andere geeignete Technik hergestellt werden. Dieses Material müßte ein Material mit relativ hoher Permeabilität sein, wie Mangan-Zink-Ferrit der Formel MnO₂ + FeJO^ + ZnO₃. Dieses Material hat eine hohe Dielektrizitätskonstante K von etwa 10.000 und einen hohen Isolationswiderstand, so daß die an diesen Kern anliegenden Primär- und Sekundärwindungsschleifen des Transformators keine Isolation erfordern. Nachdem der untere Zweig des Kerns derartig hergestellt worden ist, werden die oberen Primärwindungsschleifen 12b auf die obere Oberfläche des unteren Kernzweiges unter Anwendung herkömmlicher Verfahren des Aufdampfens oder Drückens aufgebracht. Die oberen Primärwindungsschleifen erstrecken sich um die Kanten des unteren Kernzweiges, so daß sie an die unteren Primärwindungsschleifen anschließen, wodurch die den unteren

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Kernzweig 13a umgebende Primärwindung vervollständigt ist. Die Anschlußenden der Primärwindungsschleifen würden sich gemäß der Fig. 4 über den Kern hinaus zu Kontaktflecken 14 und 15 auf dem Substrat erstrecken. Diese Anschlußflecken würden den Eingängen A und B, wie in Fig. 3 angedeutet, entsprechen. Auf die oberen Priinärwindungsschleifen würde dann eine zweite Isolierschicht 30, welche sich hinab bis zur ersten Isolierschicht erstreckt, aufgebracht werden. Diese zweite Isolierschicht kann aus einem Oxyd oder Nitrid des Siliciums bestehen und unter Anwendung herkömmlicher Verfahren des Maskierens und der Photolithographie aufgebracht werden. Danach kann die zweite Sekundärwicklung 10, die sich zur Emitterelektrode 7 und Basiselektrode 8 erstreckt, auf die zweite Isolierschicht aufgedampft werden. Diese zweite Sekundärwicklung wird selbstverständlich aus einem Material hoher Leitfähigkeit wie Aluminium oder Kupfer bestehen und kann tatsächlich aus einer einzigen Windung oder Bahn bestehen. Der obere Zweig des Kerns 13b kann dann auf die Wicklung 10 (durch Aufsprühen, Sintern oder ein anderes geeignetes Verfahren) um die Kanten der gesamten Schichtenfolge derartig aufgebracht werden, daß er sich um die Kanten der gesamten Schichtenfolge bis an den unteren Kernzweig 13a erstreckt, wodurch sich ein geschlossener magnetischer Flußpfad für die Primär- und Sekundärwindung bildet. In der Fig. 4 ist der magnetische Kern 13 mit der Primärwicklung und der Sekundärwicklung 10 dargestellt.

Die Fig. 5 zeigt eine Alternative zur Ausfuhrungsform der Fig. 2, wobei die Sekundärwicklung 10 auf einem unteren Kernzweig 13a und die Primärwicklung 9 über einem oberen Kernzweig 13b hergestellt ist.

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Die Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform ähnlich der in Fig. 2 gezeigten mit der Ausnahme, daß ein Dünnschichtkondensator zwischen einem Anschluß der Sekundärwindung und der Emitterelektrode hergestellt wurde. Dies wird erreicht durch Aufdampfen einer geeigneten Elektrode 16, etwa aus Platin oder Aluminium, die sich über die Emitterelektrode hinaus auf einem Teil der ersten Isolierschicht 6 erstreckt. Danach könnte unter Reaktion ein dielektrisches Material 17, wie Tantaloxyd, auf einen Teil der Elektrode 16 gesprüht werden. Anstelle von Tantaloxyd kann auch ein Aluminiumoxyd-Dielektrikum, entweder unter Reaktion oder durch Hochfrequenzzerstäubung, oder Siliciumoxyd aufgedampft werden. Die Sekundärwicklung 10 könnte sich dann, statt unmittelbar die Emitterelektrode zu kontaktieren, auf der dielektrischen Schicht 17 erstrecken, wenn sie wie vorstehend beschrieben gebildet wird. Jener Teil der Sekundärwicklung, der auf der dielektrischen Schicht 17 liegt, könnte dann als andere Elektrode 18 des Dünnschichtkondensators dienen. Die wirksame Kapazität C des so hergestellten Kondensators wäre durch die Beziehung

C = KA (6)

gegeben, wo

K die Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Schicht,

A die von den Kondensatorelektroden 16 und 18 gemeinsam eingenommene Fläche und

d die Dicke der dielektrischen Schicht bedeuten.

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Es wäre zu bemerken/ daß der weitere einzige Unterschied zwischen dieser Ausführungsform gemäß der Fig. 6 und der in Fig. 2 skizzierten darin besteht, daß sich ein Ende der Primärwicklung bis an dasjenige Ende der Sekundärwicklung erstrecken kann, welches als Elektrode 18 des somit gebildeten Kondensators dient. Die Fig. 7 bedeutet ein Ersatzschaltbild des Bauelements gemäß der Fig. 6, worin der Dünnschichtkondensator als Bauelement 20 dargestellt ist. Es ist somit zu bemerken, daß diese Ausführungsform den Vorteil gegenüber der Ausführungsform gemäß den Fig. 2, 3 und 5 hat, daß eine Gleichvorspannung der Basis des Transistors 1 unmittelbar an die Eingangsklemmen A und B aufgrund der gemeinsamen Gleichstromverbindung zwischen den betreffenden Primär- und Sekundärwindungen 9 und 10 angelegt werden kann. Der Sperrkondensator 20 dient dann dazu, daß eine Gleichvorspannung der Basis unmittelbar an den Eingangskreis angelegt werden kann, während der Emitter vom Eingangskreis direkt isoliert ist.

Die Fig. 8 zeigt eine Alternativform eines mit dem Substrat verbundenen Impedanzwandlers. Anstelle eines Schichttransformators der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen macht diese Ausführungsform gerade von einem mit den Transistor gekoppelten LC-Netzwerk Gebrauch. Ein Dünnschichtkondensator mit einer ersten Elektrode 21, einer dielektrischen Schicht 22 und einer zweiten Elektrode 23 wird auf der Emitterelektrode 7 unter Anwendung der gleichen oder ähnlichen Technik, wie bei der Herstellung des Kondensators 20 der Fig. 7 auf der entsprechenden Emitterelektrode der Fig. 6 beschrieben wurde, hergestellt. Die Aufbringung der Elektrode 23 auf das Dielektrikum 22 kann jedoch in Form eines massiven Streifens oder einer Schicht erfolgen, die

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sich auf der Isolierschicht 6 soweit erstreckt, daß sie die Basiselektrode 8 deckt und berührt. Die Fig. 10, welche das Ersatzschaltbild des Bauelements gemäß der Fig. 8 ist,zeigt den wirksamen Streifenleiter 24 mit einem unmittelbar mit der Basiselektrode verbundenen Ende und dem mit einer Elektrode des Kondensators 25 verbundenen anderen Ende. Tatsächlich ist die wirksame Induktivität des Streifenleiters durch jenen Teil des Streifens 23 gegeben, der sich zwischen der Emitter- und Basiselektrode über eine Strecke L gemäß der Fig. 9 erstreckt. In den induktiven Teil 24 des Streifens 23 können unter Anwendung herkömmlicher Verfahren des Maskierens, der Photolithographie und des Ätzens Öffnungen 26 hergestellt werden. Die Herstellung dieser öffnungen dient zum Zweck der endgültigen Festlegung des Endwertes der Induktivität 24. Wie bereits erwähnt, kann der Leitungsstreifen 23 durch typische Aufdampfverfahren, wie oben beschrieben, durch Aufdampfen eines geeigneten Leitungsmaterials, wie Aluminium, Kupfer oder Platin, hergestellt werden.

Die Fig. 10 zeigt wiederum die innere Induktivität 11 (L¹) zwischen den Emitterkontaktflecken und der Emitterzone. Sie ist demnach gänzlich vernachlässigbar. Der Streifenleiter 2 außerhalb des Emitterkontaktflecken ist sowohl dem Eingangsais auch dem Ausgangskreis dieser Ausführungsform gemeinsam. Aufgrund der Impedanztransformation der Ersatzschaltung innerhalb des Blocks E der Fig. 10 gemäß der Fig. 11 kann die zulässige Induktivität L des Streifenleiters 2 aufgrund folgenden Sachverhalts wesentlich größer veranschlagt werden. Das induktive Element 26 vereinigt die Induktivitäten 24 und 11 und der Widerstand 27 ist der am Eingang des Transistors 1 wirksame Widerstand, gesehen vom Anschluß A in Fig. 10. Der Kondensator 25 ist der gleiche wie injFig. 10 gezeichnet.

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Die folgende Berechnung soll durchgeführt werden, um zu zeigen, daß die Serienkombination der Induktivität 26 und des Widerstandes 27 äquivalent einer Parallelkombination einer Induktivität 28 und eines Widerstandes 29 gemäß der Fig. 12 ist, in der die Induktivität 28 und der Widerstand 29 noch parallel zum Kondensator 25 liegen würden. Unter der Annahme des absoluten Wertes des Leitwertes |^ν _χχ·| über die Punkte xx¹, wie die Fig. 11 zeigt, haben wir folgende Beziehung:

^t7)

in der R. der durch den Widerstand 27 in Fig. 11 gezeichnete Eingangswiderstand des Transistors,

L der Induktivitätswert des Streifenleiters 26 und

W Betriebskreisfrequenz pro Sekunde bedeuten.

Die Multiplikation des Zählers und des Nenners mit R. -j4iL ergibt

Da das Q der Schaltung gleich *gj± _ist, ergibt sich

^Rin

(WL)² « R_1n ²Q²

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wo Q der Gütefaktor der Schaltung bedeutet. Daher ist

xx¹

^Rin - J

R. - j<^L

in ^J

R_1n ² (1-Q²)

2 2 2

Wir nehmen an, daß Q^l, falls Q >;1O und daß Q größer

2 2

als 10 für obige Schaltung ist. Dann ist (1-Q ) A^ -Q .

j L

Daher wird	=	R. in	j»	JL	=	R. in
		*-i„²<**	2			-R. ²Q² in

^Yxx'

jUJL

j U

Es folgt XX '

O²R. in

j U

(8)

Somit wird klar, daß der absolute Wert dos Leitwortes über xx¹ in der Schaltung gemäß der Fig. 11 tatsächlich äquivalent dem der Parallelkombination des Leitwertes des Widerständen 29,

2
der gleich Q R ist, plus dem Leitwert des Streifenleiters 28, der gleich ist dem des Streifenleiters 27 der Fig. 11, wird.

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Wird nun gemäß der Fig. 13 der Schaltkreis der Fig. 12 parallel mit dem Kondensator 25 angeordnet, so ist die Resonanzfrequenz der Parallelkombination des Streifenleiters 28 mit dem Kondensator 25 gegeben durch

° 2 TT -/lc"

wo L die Induktivität des Streifenleiters 28 und C die Kapazität des Kondensators 25 bedeuten.

Bei"dieser Resonanzfrequenz würde der Wert der Impedanz an yy¹ der Fig. 13 gleich sein dem Widerstandswert des Wider-

2
Standes 29, der gleich QR. ist, da die Impedanz des Parallel-Lc-Kreises gegen unendlich geht. Bei dieser Resonanzfrequenz f haben wir daher tatsäc
ohmschen Impedanzanstieg von etwa

frequenz f haben wir daher tatsächlich einen effektiven

/2 7Y

Die Bandbreite um f , über die der Impedanzanstieg wirksam ist/ ist gegeben durch

^B - f (ii)

Wäre ein Impedanzanstieg von wenigstens 25 erwünscht, dann ist Q&5. Für das einleitend beschriebene Beispiel 2 mit R^_n = 0,125 Ohm ergibt sich L = 0,05 nHy bei einer Frequenz von f = 2 GHz unter Verwendung von Gleichung 10.

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Für L = 0,05 nHy und einer Resonanzfrequenz von f =2 GHz ergab sich C = 130 Picofarad unter Verwendung von Gleichung

Unter Verwendung von Gleichung 11 ergibt sich eine Bandbreite von B = 400 MHz für f_Q = 2 GHz und Q = 5.

Für den schichtförmigen Streifenleiter 24 ist dieser Wert von 0,05 nHy für L leidlich erzielbar. Auch ist der Kapazitätswert von C = 130 pF des Schichtkondensators 25 leicht erreichbar. Wir können somit eine v/esentliche 25-fache Impedanztransformation über einen Frequenzbereich von 400 MHz bei einer mittleren Frequenz von 2 GHz erzielen. Das 25-fache des im Beispiel 2 berechneten kritischen Wertes oder

L = (25) (0,01) nHy = 0,25 nHy

kann daher als Wert (L ) der sowohl für den Eingangs- als auch Ausgangskreis gemeinsamen Zuleitungsinduktivität 2 bei höheren kritischen Frequenzen geduldet werden.

Ein Wert von weniger als 0,25 nHy kann leicht für Streifenleitungsgehäuse erreicht werden, was eine verbesserte Hochfrequenz-Hochleistungs-Transistoranwendung für Bauelemente mit LC-Impedanzwandlern gemäß den Fig. 8 bis 10 verbessert.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Γ 1.) Halbleiterbauelement mit einem in einem Grundkörper angeordneten aktiven Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet/ daß zur Verminderung der Wirkung der Zuleitungsinduktivität einer für den Eingangs- und Ausgangskreis des Halbleiterelements gemeinsamen Zuleitung ein Impedanzwandler mit der Substratoberfläche verbunden ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler mit Basis und Emitter eines Halbleiterelements mit Emitter, Basis und Kollektor verbunden ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler mit Basis und Emitter eines Halbleiterelements verbunden ist, dessen Basiszone von einer Substratoberflächenseite in die Kollektorzone und dessen Emitterzone in die Basiszone eingesetzt ist.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der Wirkung der Zuleitungsinduktivität einer für den Eingangs- und Ausgangskreis eines Hochfrequenz-Hochleistungs-Transistors gemeinsamen Zuleitung ein Impedanzwandler mit der Substratoberfläche verbunden ist.

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5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet·, daß auf der Substratoberflächenseite eine erste Isolierschicht, eine mit einer Basiszone verbundene Basiselektrode und eine mit einer Emitterzone verbundene Emitterelektrode gebildet ist.
6. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler einen Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung enthält, daß die Sekundärwicklung mit der Basis- und Emitterelektrode und die Primärwicklung mit Eingangsanschlüssen in Form von Kontaktflecken auf dem Substrat verbunden sind.
7. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet,

daß die Primärwicklung des Transformators einen oberen und einen auf der ersten Isolierschicht angeordneten unteren Teil aufweist, daß der Kern des Transformators aus ferromagnetischem Material mit hohem Isolierwiderstand und hoher magnetischer Permeabilität mit einem Schlitz versehen ist und einen oberen und unteren Teil aufweist, von denen der untere Kernteil auf dem unteren Primärwicklungsteil, der obere Primärwicklungsteil innerhalb des Kernschlitzes und auf dem unteren Kernteil angrenzend an den unteren Primärwicklungsteil angeordnet sind,

daß eine zweite Isolierschicht innerhalb des Kernschlitzes über den oberen Primärwicklungsteil angrenzend an die erste Isolierschicht angeordnet ist,

daß die Sekundärwicklung des Transformators innerhalb des Kernschiitzes auf dor zweiten Isolierschicht angeordnet ist,

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— "> 1 _

- 21 Fl 647 R.M.Scarlett -

und daß der oberen mit dem unteren Kernteil zur Erzielung eines geschlossenen magnetischen Flußpfades für die Primär- und Sekundärwicklung vorgesehene obere Kernteil auf der Sekundärwicklung angebracht ist.
8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär- und Sekundärwicklung des Transformators aus Leitbahnen bestehen.
9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung eine Windung und

2 die Primärwicklung η Windungen zur Erzielung einer η Impedanzübertragung von der Basis und dem Emitter einerseits zu den Eingangsanschlüssen der Primärwicklung andererseits aufweisen.
10. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolierschicht aus Siliciumoxyd besteht.
11. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Isolierschicht aus Siliciumnitrid besteht.
12. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Isolierschicht aus einem Siliciumoxyd besteht.
13. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Isolierschicht Siliciumnitrid enthält.

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- 22 -

Fl 647 R.M.Scarlett - 3

2044S75
14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern ein Mangan-Zink-Ferrit der Zusammensetzung MnO₀ + Fe 0 + ZnO enthält.
15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Impedanzwandler einen auf dem Substrat angeordneten Dünnschichtstreifenleiter und einen Kondensator mit Anschlüssen aufweist, von denen ein Anschluß des Streifenleiters mit der Basiselektrode, ein Anschluß der Kapazität mit der Emitterelektrode und der andere Anschluß des Streifenleiters mit dem anderen Anschluß des Kondensators verbunden sind.
16. Halbleiterbauelement nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kondensatorelektrode aus einer an die Emitterelektrode anschließende erste Schichtelektrode auf einem Teil der ersten Isolierschicht besteht,

daß eine dielektrische Schicht auf der ersten Kondensatorelektrode angeordnet ist, und

daß die andere Kondensatorelektrode aus einer zweiten auf der dielektrischen Schicht angeordneten Schichtelektrode besteht, die sich über die erste Isolierschicht erstreckt und die Basiselektrode kontaktiert, wobei der an der Basiselektrode angebrachte Teil der zweiten Schichtelektrode ein Streifenleiteranschluß, der Teil der zweiten auf der dielektrischen Schicht angeordnete zweite Dünnschicht der andere Streifenleiteranschluß und der übrige Teil der zweiten Schichtelektrode der Streifenleiter sind.

2098 1 3/ U56

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- 23 -Fl 647 R.M.Scarlett - 3
17. Halbleiterbauelement nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der induktive Teil der zweiten Schichtelektrode Durchbrüche zur genauen Bemessung der Induktivität aufweist.
18. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet,

daß der Kern aus ferromagnetischem Material mit hohem Isolationswiderstand und hoher magnetischer Permeabilität einen Schlitz und einen oberen und unteren Kernteil aufweist, wovon der untere Teil auf der Isolierschicht angeordnet ist,

daß die Sekundärwicklung, deren eines Ende mit der Basiselektrode und deren anderes Ende mit der Emitterelektrode verbunden ist, sich durch den Kernschlitz auf den unteren Kernteil erstreckt und

daß die Primärwindungen um den oberen Kernteil gewickelt sind.
19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß der Impedanzwandler einen Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung enthält, wovon die Primärwicklung mit Kontaktflecken auf dem Substrat als Eingangsanschlüsse für das Bauelement und ein Anschluß der Primärwicklung mit einem Anschluß der Sekundärwicklung verbunden sind und

daß ein Anschluß eines auf dem Substrat angeordneten Kondensators mit der Emitterelektrode, der andere Anschluß des Kondensators mit dem einen Anschluß der Sekundärwicklung und der andere Anschluß der Sekundärwicklung mit der Basiselektrode verbunden sind.

20981 3/U56

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- 24 Fl 647 R.M.Scarlett -
20. Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet ,

daß der Transformator eine Primärwicklung mit einem oberen und unterem Teil, wovon der untere Primärwindungsteil auf einer ersten Isolierschicht und daran angrenzend angeordnet ist, und einen Kern aus ferromagnetischem Material mit hohem Isolationswiderstand und hoher magnetischer Permeabilität enthält, der einen Schlitz sowie einen oberen und einen unteren Kernteil aufweist, wovon der untere Kernteil auf dem unteren Primarwindungsteil, der obere Primarwindungsteil innerhalb des Schlitzes und auf dem unteren Kernteil angeordnet sind, wobei der obere Primarwindungsteil an den unteren Primarwindungsteil anschließt,

daß eine zweite Isolierschicht innerhalb des Kernschlitzes auf dem oberen Teil der Primärwicklungen angrenzend an die erste Isolierschicht angeordnet ist,

daß die aus einer ersten Schichtelektrode bestehende erste Kondensatorelektrode auf der Emitterelektrode angrenzend an einen Teil der ersten Isolierschicht angeordnet ist,

daß eine dielektrische Schicht auf der ersten Kondensatorelektrode, die Sekundärwicklung innerhalb des Kernschlitzes auf der zweiten Isolierschicht angeordnet sind und

daß der obere auf der Sekundärwicklung angeordnete Kornteil zur Erzielung eines geschlossenen magnetischen Flusses für die Primär- und Sekundärwicklung mit dem unteren Kernteil verbunden ist.

20981 3/ U56

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