DE2044975A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents
HalbleiterbauelementInfo
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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.
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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Fl 647 R.M.Scarlett -
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.
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
e
wo L in Nanohenry,
P in Watt und
f in GHz eingesetzt wird.
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-
?P98 1 3/ U 56
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
Fl 647 R.M.Scarlett -
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,
209813/ U B 6 -7-
Fl 647 R.M.Scarlett -
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 (Le) 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 !■" '■."■ ■■ :
- 9 - ■
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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 n2Rin an den Anschlüssen
A und B, wodurch die Eingangskreisverluste stark vermindert werden. Der Ausgang des Bauelements wird an
209813/HB6
- 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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- 11 -
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.
209813/U56
- 12 -
- 12 Fl 647 R.M.Scarlett -
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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- 13 -
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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- 14 -
Fl 647 R.M.Scarlett - 3
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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- 15 Fl 647 R.M.Scarlett - 3
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 « R1n 2Q2
209813/UB6
- 16 -
Fl 647
R.M.Scarlett - 3
wo Q der Gütefaktor der Schaltung bedeutet. Daher ist
xx1
Rin - J
R. - j<^L
in J
R1n 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.
der gleich Q R ist, plus dem Leitwert des Streifenleiters 28, der gleich ist dem des Streifenleiters 27 der Fig. 11, wird.
2098 13/1456
- 17 -
Fl 647 R.M.Scarlett -
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
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.
209813/U56
- 18 -
Fl 647 R.M.Scarlett -
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 fQ = 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.
20981 3/1456
Claims (20)
- Fl 647 R.M.Scarlett -PATENTANSPRÜCHEΓ 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.209813/U56- 20 -- 20 Fl 647 R.M.Scarlett -
- 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,209813/1/* 56— "> 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 und2 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.209813/H56- 22 -Fl 647 R.M.Scarlett - 32044S75
- 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, unddaß 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- 23 -- 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 unddaß 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 unddaß 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- 24 -- 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 unddaß 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/ U56Lee rseite
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