DE212019000343U1

DE212019000343U1 - Hochfrequenz-Leistungsverstärker

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Publication number: DE212019000343U1
Application number: DE212019000343.5U
Authority: DE
Original assignee: Comet AG
Current assignee: Comet AG
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-02-22
Anticipated expiration: 2029-12-13
Also published as: TW202103209A; JP2022518119A; GB201821113D0; GB2580155A; US20220060160A1; EP3900012A1; JP7288509B2; CN113196445A; KR20210107001A; WO2020126852A1

Abstract

Hochfrequenz-, HF, Leistungsverstärker, der aufweist:mindestens einen Feldeffekttransistor, FET, wobei ein Source-Anschluss des mindestens einen FET mit Masse verbunden ist;mindestens eine Diode, wobei eine Kathode der mindestens einen Diode mit einem Drain-Anschluss des mindestens einen FET verbunden ist und eine Anode der mindestens einen Diode mit Masse verbunden ist;ein Ausgangsnetzwerk, das mit dem Drain-Anschluss des mindestens einen FET verbunden ist; undein Eingangsnetzwerk, das mit einem Gate-Anschluss des mindestens einen FET verbunden ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft generell einen Hochfrequenz-, HF, Leistungsverstärker, einen Generator, der den HF-Leitungsverstärker aufweist, und ein Plasmasystem, das derart ausgebildet ist, dass es mit einem Ausgang des HF-Leistungsverstärkers verbunden ist.
HINTERGRUND
HF-Leistungsverstärker sind zum Bereitstellen einer Ausgangsleistung bei einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Plasmatools, Fertigung von Halbleitern (z.B. Abscheidung, Ätzen und Modifikation von Dünnfilmen), medizinischen Vorrichtungen (z.B. elektrochirurgischen Vorrichtungen und medizinischen Bildgebungsmaschinen, wie z.B. Magnetresonanz-Bildgebungs-, MRI, Maschinen) Nahrungsmittelverpackungen, kommerziellen Oberflächenmodifikationen und -beschichtungen, sinnvoll. HF-Leistungsverstärker weisen Transistoren als Teil von Leistungsverstärkungsmodulen auf, die ausfallen können, wenn sie nicht auf geeignete Weise geschützt werden. Hierbei liegt die Hochfrequenzenergie im Bereich von 300 Hertz bis 300 Gigahertz.
Es gibt eine Anzahl von Ausfallmechanismen für einen Transistor. Da der Transistorausfall irreversibel ist und einen Kollateralschaden an dem Chip hervorruft, kann es schwierig sein, zu identifizieren, auf welche Weise der Transistor ausgefallen ist. Bei einem Feldeffekttransistor kann zum Beispiel die Isolierschicht des Gates zerstört werden, wenn die Spannung zwischen Gate und Source einen kritischen Pegel übersteigt. Dieser Ausfall kann sehr schnell erfolgen, kann jedoch durch Begrenzen der angelegten Gate-Spannung vermieden werden. Ein weiterer Ausfallmechanismus kann das Überhitzen des Transistors sein, das durch übermäßig große Leistungsabführung hervorgerufen wird, entweder wenn der Transistor offen ist und die Spannung und der Strom gleichzeitig vorhanden sind und ihr Produkt zu hoch ist oder wenn der Transistor geschlossen ist, aber aufgrund der Überspannung ein Durchgriff oder Lawinendurchbruch auftritt und das Produkt von angelegter Spannung und Lawinenstrom hoch genug ist, um den Transistor zu überhitzen. Da dieser Ausfall thermisch und relativ langsam erfolgt, kann er durch schnelles Steuerkreisüberwachen der Last eines Verstärkers und Verringern seiner Leistung schneller, als ein Überhitzen auftreten kann, vermieden werden. Ein weiterer Ausfallmechanismus ist ein „Snap-Back“, das Auslösen des parasitären Bipolartransistors in einer FET-Struktur. Die Bedingungen, die ein Snap-Back verursachen, sind komplex und umfassen Drain-Spannung, Drain-Spannungsanstiegsrate (dV/dt) und/oder Drain-Strom. Dieser Ausfallmechanismus ist extrem schnell und kann nicht durch einen Software-Steuerkreis vermieden werden.
Selbst eine momentane Fehlanpassung der Lastimpedanz (Bogenentladung im Plasma) bewirkt eine Reflexion von HF-Leistung, so dass die Spitzenspannung am Transistor, zum Beispiel am Drain eines FET, der in dem Verstärker enthalten ist, seine Durchbruchspannung erreicht oder übersteigt. Die Anstiegsrate der Spannung (dV/dt) kann viel höher sein als bei Betrieb bei angepasster Last. Eine Verstärkerschaltung kann einen oder mehrere hochrobuste Transistoren aufweisen, die derart angeordnet sind, dass sie zum Beispiel einer Überspannung standhalten, die einen Durchbruch durch Umwandeln der Energie in Wärme und Übertragen derselben zu einer Wärmesenke hervorruft. Es gibt einige Fälle, insbesondere bei Verstärkern mit niedrigerer Frequenz, bei denen einer oder mehrere der hochrobusten Transistoren in einer bekannten Verstärkerschaltung trotz dieser Robustheitscharakteristik des Transistors zerstört werden. Detaillierte experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass zum Beispiel bei einer Bogenentladung in einem Plasma, die einen Ausfall eines oder mehrerer Transistoren in einigen HF-Perioden hervorgerufen hat, die Spannung am Transistor-Drain die Durchbruchspannung übersteigt und/oder die Spannungsanstiegsrate (dV/dt) um ein Mehrfaches höher ist als bei Normalbetrieb bei angepasster Last. Eine weitere detaillierte Untersuchung von FET-basierten Verstärkern mit einer hohen Ausgangsleistung hat gezeigt, dass selbst in einem Fall, in dem Drain-Spannung und dV/dt unter ihren kritischen Werten bleiben, der Snap-Back-Mechanismus ausgelöst werden kann und der FET bei einer Hälfte eines HF-Zyklus ausfallen kann.
Ein HF-Generator für die Plasmaindustrie muss robust genug sein, um bei einer vollen Ausgangsleistung bei einer fehlangepassten Last betrieben zu werden, zumindest für die Zeit, die zum Verringern der Leistung gemäß einer Derating-Kurve zum Schützen von aktiven und passiven Komponenten vor Überhitzung benötigt wird. Eine weitere Belastung, der der Generator standhalten muss, ist die akkumulierte Energie in Anpassungsnetzwerken, die im Fall einer plötzlichen Fehlanpassung (z.B. Bogenbildung im Plasma) zu dem Generator zurückfließt, was häufig zu einer höheren reflektierten als einfallenden Leistung für einige HF-Perioden führt.
Festkörperverstärker in solchen Generatoren sind typischerweise mit Feldeffekttransistoren, wie z.B. VDMOS- (Vertically Diffused Metal-Oxide Semiconductor) oder LDMOS- (Laterally Diffused Metal-Oxide Semiconductor) FET (Feldeffekttransistor), bestückt. LDMOS-FETs haben niedrige Parasitärkapazitäten und einen niedrigen Wärmewiderstand, was zu einer höheren Leistungsdichte führt. Leistungs-LDMOS-FETs sind als XR (extrarobust) verfügbar und sind dazu vorgesehen, Überspannungen und Überströmen standzuhalten, die selbst bei einem vollständigen Fehlanpassungsbetrieb für die Zeit, die für das Derating der HF-Leistung und/oder zum Abgleichen des Anpassungsnetzwerks benötigt wird, hervorgerufen werden. Einige solcher Verstärker sind als Push-Pull-Verstärker angeordnet, die beträchtliche Vorteile gegenüber einer unsymmetrischen Verstärkerkonfiguration bieten. Zum Erreichen des gleichen Ausgangsleistungspegels hat eine Push-Pull-Konfiguration mit z.B. zwei Transistoren eine vorteilhafte Impedanz, die viermal höher ist im Vergleich zu einer unsymmetrischen Verstärkerkonfiguration, bei der die zwei Transistoren parallelgeschaltet sind. Dies ermöglicht die Implementierung von Ausgangsanpassungsnetzwerken mit weniger Verlusten und einer größeren Bandbreite. Ferner bietet die Push-Pull-Anordnung inhärent einen korrekten Abschluss für die geradzahligen harmonischen Frequenzen, und es müssen keine weiteren komplexen Schaltungen für einen geradzahligen harmonischen Abschluss implementiert werden.
Ein weiterer Nachteil von MOSFETs, insbesondere von LDMOS-FETs, ist das Vorhandensein eines parasitären Bipolartransistors, BJT, in der MOSFET-Struktur. Der parasitäre BJT ist normalerweise geschlossen. Bei Auslösung kann der MOSFET nicht mehr vom Gate gesteuert werden und fällt nach einer kurzen Zeit aus, wenn die Versorgungsspannung nicht unverzüglich abgeschaltet wird. Es ist normalerweise nicht möglich, die Versorgungsspannung abzuschalten, wenn der parasitäre BJT ausgelöst ist. Es gibt zwei veröffentlichte Mechanismen zum Auslösen des parasitären BJT. Einer ist ein starker Lawinendurchbruch, der die zulässige Lawinenenergie des Transistors (typischerweise mehr als 1 Joule im Fall von XR-LDMOS-FETs) übersteigt, oder ein sehr schnelles Einschalten (hohe dV/dt), das bewirkt, dass Strom durch eine Parasitärkapazität in die Basis des parasitären BJT fließt.
Die Erfinder haben auch Ausfälle von verbundenen LDMOS-FETs beobachtet, insbesondere solchen in Push-Pull-Verstärkeranordnungen, unter Bedingungen einer schweren Fehlanpassung nach einigen HF-Zyklen zu der Zeit, zu der weder eine zu hohe Spannung noch dV/dt an die Transistoren des HF-Leistungsverstärkers angelegt worden ist.
Entsprechend ist es wünschenswert, einen HF-Leistungsverstärker bereitzustellen, der eine Schaltungsanordnung zum Schützen seiner Transistoren vor Ausfall und Beschädigung aufweist. Der HF-Leistungsverstärker weist wünschenswerterweise eine solche Schutzschaltungsanordnung auf, ohne dass der Fußabdruck der Schaltungsanordnung und die Kosten des Leistungsverstärkers über Gebühr ansteigen. Ferner werden weitere wünschenswerte Merkmale und Charakteristiken der vorliegenden Erfindung anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung und der beiliegenden Ansprüche in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen und dem Hintergrund der Erfindung offensichtlich.
ÜBERBLICK
Bei einem Aspekt ist ein Hochfrequenz-, HF, Leistungsverstärker vorgesehen, der mindestens einen Feldeffekttransistor, FET, und mindestens eine Diode aufweist, die zwischen jedem Drain des mindestens einen FET und Masse angeordnet ist.
Bei einem weiteren Aspekt ist ein Hochfrequenz-, HF, Leistungsverstärker vorgesehen, der mindestens einen Feldeffekttransistor, FET, aufweist, wobei ein Source-Anschluss des mindestens einen FET mit Masse verbunden ist. Mindestens eine Diode ist vorgesehen, wobei eine Kathode der mindestens einen Diode mit einem Drain-Anschluss des mindestens einen FET verbunden ist und eine Anode der mindestens einen Diode mit Masse verbunden ist. Ein Ausgangsnetzwerk ist mit dem Drain-Anschluss des mindestens einen FET verbunden, und ein Eingangsnetzwerk ist mit einem Gate-Anschluss des mindestens einen FET verbunden.
Bei Ausführungsformen ist eine erste Diode zwischen einem Drain eines ersten FET und Masse geschaltet und ist eine zweite Diode zwischen einem Drain eines zweiten FET und Masse geschaltet. Bei Ausführungsformen sind der erste und der zweite FET in einer Push-Pull-Anordnung geschaltet.
Bei Ausführungsformen sind die Drains des ersten und des zweiten FET mittels eines passiven Anpassungsnetzwerks (eines Ausgangsanpassungsnetzwerks) verbunden.
Die Erfinder haben festgestellt, dass unter bestimmten Betriebsbedingungen ein Rückwärtsstrom am Drain eines FET in einem HF-Leistungsverstärker empfangen wird. Im Fall einer fehlangepassten Last kann dies durch eine induktive Drain-Last in einem unsymmetrischen oder Push-Pull-FET-HF-Leistungstransistor hervorgerufen werden. Bei einer Push-Pull-Anordnung mit zwei FETs kann ein Rückwärtsstrom am Drain des ersten FET durch den zweiten FET bei kapazitiven Lasten hervorgerufen werden. Ein solcher Rückwärtsstrom kann von einer Injektion von Ladungsträgern in die Körperregion und dem Ermöglichen einer Auslösung des parasitären BJT, selbst wenn weder eine übermäßig große Spannungen noch übermäßig große dV/dt an die FETs angelegt worden sind, begleitet werden. Die Dioden sind zwischen den Drains und Masse angeordnet und dienen zum Führen eines effektiven Teils des (oder des gesamten) Rückwärtsstroms, wodurch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass der parasitäre BJT ausgelöst wird, und somit der mindestens eine FET vor Ausfall oder Beschädigung geschützt wird.
Bei Ausführungsformen hat der HF-Leistungsverstärker einen Betriebsfrequenzbereich von 100 kHz bis 200 MHz. Bei Ausführungsformen hat der HF-Leistungsverstärker einen Betriebsfrequenzbereich von bis zu 100 MHz. Bei zusätzlichen oder alternativen Ausführungsformen hat der HF-Leistungsverstärker einen Betriebsfrequenzbereich von mindestens 400 kHz.
Bei Ausführungsformen hat der HF-Leistungsverstärker eine Ausgangsleistung von mindestens 100 W. Bei Ausführungsformen hat der HF-Leistungsverstärker eine Ausgangsleistung von mindestens 200 W. Bei Ausführungsformen hat der HF-Leistungsverstärker eine Ausgangsleistung von mindestens 250 W.
Bei einigen Ausführungsformen ist eine Vielzahl von parallelen Paaren von FETS in einer Push-Pull-Anordnung in dem HF-Leistungsverstärker vorgesehen.
Bei Ausführungsformen sind die FETs Laterally-Diffused-Metal-Oxide-Semiconductor- (LDMOS) FETs
Bei Ausführungsformen sind die Dioden Silizium-Schottky-Sperrdioden. Bei weiteren Ausführungsformen werden PN-Übergangs-Siliziumdioden oder GaAs- oder SiC- oder GaN-Schottky-Dioden verwendet.
Bei Ausführungsformen sind mindestens zwei parallele Dioden zwischen einem Drain jedes FET und Masse geschaltet.
Bei Ausführungsformen ist die Kathode der Diode oder jeder Diode mit dem Drain des FET verbunden und ist die Anode der Diode oder jeder Diode mit Masse verbunden, und zwar direkt oder über eine Positivspannungsquelle. Bei einigen Ausführungsformen sind Anoden der Schutzdioden nicht direkt mit Masse verbunden, sondern mit einer Positivspannungsquelle, wobei ein negativer Anschluss der Positivspannungsquelle mit Masse verbunden ist.
Bei Ausführungsformen werden die mindestens zwei FETs mit Gate-(Eingangs-) Signalen mit ungleicher Phase angesteuert. Bei Ausführungsformen werden die mindestens zwei FETs mit um 180° phasenverschobenen Gate- (Eingangs-) Signalen angesteuert.
Bei Ausführungsformen, die mindestens zwei verbundene FETs aufweisen, sind Source-Anschlüsse der mindestens zwei FETs mit Masse verbunden.
Bei Ausführungsformen, die mindestens zwei verbundene FETs aufweisen, ist ein Transformator mit den Drains der mindestens zwei FETs verbunden, wobei die Dioden zwischen dem Transformator und den Drains der mindestens zwei FETs mit Masse verbunden sind. Das heißt, dass ein Anschluss einer ersten der Dioden mit einem Leiter zwischen dem Drain eines der FETs und einem ersten Anschluss des Transformators verbunden ist und der andere Anschluss der ersten der Dioden mit Masse verbunden ist. Ein Anschluss einer zweiten der Dioden ist mit einem Leiter zwischen dem Drain des anderen der FETs und einem zweiten Anschluss des Transformators verbunden, und der andere Anschluss der zweiten der Dioden ist mit Masse verbunden.
Bei Ausführungsformen ist der Transformator ein Planartransformator. Bei Ausführungsformen sind eine Primärwicklung und eine Sekundärwicklung des Transformators relativ zueinander planar und mit mindestens einer dazwischen vorgesehenen Isolierschicht aufeinander gestapelt.
Bei Ausführungsformen ist mindestens ein Kondensator zwischen Drains der mindestens zwei FETs geschaltet.
Bei Ausführungsformen ist ein Kondensator jeweils zwischen jedem Drain des mindestens einen FET und Masse geschaltet. Jeder Kondensator ist mit Masse verbunden, und zwar parallel zu einer Verbindung der Diode mit Masse.
Bei Ausführungsformen sind die Diode oder die Dioden in demselben Paket integriert wie der mindestens eine FET, sind auf demselben Die integriert wie der FET oder befinden sich außerhalb des Pakets oder Dies des mindestens einen FET.
Bei Ausführungsformen weist der HF-Verstärker zwei oder mehr FETs auf, z.B. in einem Paket oder Push-Pull von zum Beispiel zwei FETs und zwei parallelen FETs (zum Beispiel in einem Paket).
Bei Ausführungsformen befinden sich die Diode oder die Dioden in dem Sinn außerhalb der mindestens einen FET-Struktur, dass sie keine Body-Dioden des mindestens einen FET sind. Die Dioden können jedoch in demselben Paket enthalten sein wie der mindestens eine FET, wie vorstehend beschrieben.
Bei einem weiteren Aspekt ist ein Generator vorgesehen, der einen Hochfrequenz-, HF, Leistungsverstärker aufweist, welcher mindestens einen Feldeffekttransistor, FET, und eine Diode, die zwischen jedem Drain des mindestens einen FET und Masse geschaltet ist, eine Steuerschaltung, die derart ausgebildet ist, dass sie Eingangssignale für den mindestens einen FET erzeugt, eine Gleichstromversorgung (z.B. einen Wechselstrom/Gleichstrom-Umwandler), die derart ausgebildet ist, dass sie den HF-Leistungsverstärker mit Gleichstrom versorgt, und einen Ausgang, der derart ausgebildet ist, dass er eine verstärkte Leistung des mindestens einen HF-Leistungsverstärkers ausgibt, aufweist.
Bei einem weiteren Aspekt ist ein Plasmasystem vorgesehen, das einen Generator aufweist, der einen Hochfrequenz-, HF, Leistungsverstärker, welcher mindestens einen Feldeffekttransistor (FET) und eine Diode, die zwischen jedem Drain des mindestens einen FET und Masse geschaltet ist, aufweist, eine Steuerschaltung, die derart ausgebildet ist, dass sie Ausgangssignale für den mindestens einen FET erzeugt, eine Gleichstromversorgung (z.B. einen Wechselstrom/Gleichstrom-Umwandler), die derart ausgebildet ist, dass sie den HF-Leistungsverstärker mit Gleichstrom versorgt, und einen Ausgang, der derart ausgebildet ist, dass er eine verstärkte Leistung des mindestens einen HF-Leistungsverstärkers ausgibt, aufweist. Das Plasmasystem weist ferner ein Plasmatool auf, das mit dem Ausgang verbunden ist und derart ausgebildet ist, dass es Plasma unter Verwendung der verstärkten Ausgangsleistung erzeugt.
Bei Ausführungsformen weist das Plasmatool eine Plasmakammer auf. Bei Ausführungsformen weist die Plasmakammer Zuführvorrichtungen zum Zuführen von chemischen Komponenten, wie z.B. Prozessgasen, zur Verwendung bei der Plasmaerzeugung auf. Solche Plasmatools sind sinnvoll bei der Fertigung von Halbleitern (z.B. Abscheidung, Ätzen und Modifikation von Dünnfilmen), für medizinische Vorrichtungen (z.B. elektrochirurgische Vorrichtungen und medizinische Bildgebungsmaschinen, wie z.B. Magnetresonanz-Bildgebungs-, MRI, Maschinen), Nahrungsmittelverpackungen, kommerzielle Oberflächenmodifikationen und -beschichtungen etc.
Die vorgenannten Ausführungsformen des HF-Leistungsverstärker-Aspekts sind bei dem Generator- und dem Plasmasystem-Aspekt anwendbar.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend in Zusammenhang mit den folgenden Zeichnungsfiguren beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.

1 ist ein Schaltbild eines HF-Leistungsverstärkers, der FETs, die in einer Push-Pull-Anordnung geschaltet sind, und Schutzdioden aufweist gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
2 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Gate-Spannung, einer Drain-Spannung und eines Drain-Stroms eines HF-Leistungsverstärkers, der dem aus 1 im Wesentlichen gleich ist, aber ohne Schutzdioden zum Zweck des Vergleichs mit 3A;
3A ist ein Diagramm zur Darstellung einer Gate-Spannung, einer Drain-Spannung und eines Drain-Stroms einer Seite einer Push-Pull-Anordnung der Schaltung von 1 gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
3B ist ein Diagramm zur Darstellung eines Dioden-Stroms in der Schaltung von 1 gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
4 ist ein Schaltbild eines weiteren HF-Leistungsverstärkers, der FETs, die in einer Push-Pull-Anordnung geschaltet sind, Schutzdioden und mit den Schutzdioden parallelgeschaltete Kondensatoren aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
5 ist ein Schaltbild eines weitere HF-Leistungsverstärkers, der einen unsymmetrischen FET aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
6 ist ein Diagramm zur Darstellung einer Gate-Spannung, einer Drain-Spannung und eines Drain-Stroms eines HF-Leistungsverstärkers, der dem aus 5 im Wesentlichen gleich ist, aber ohne Schutzdioden zum Zweck eines Vergleichs mit 7A;
7A ist ein Diagramm zur Darstellung einer Gate-Spannung, einer Drain-Spannung und eines Gate-Stroms für den Transistor der Schaltung von 5 gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
7B ist ein Diagramm zur Darstellung eines Dioden-Stroms in der Schaltung von 5 gemäß verschiedenen Ausführungsformen;
8A ist ein Schaltbild eines weiteren HF-Leistungsverstärkers, der Schutzdioden aufweist, gemäß verschiedenen Ausführungsformen; und
8B ist ein Diagramm zur Darstellung eines Diodenstroms in der Schaltung von 8A gemäß verschiedenen Ausführungsformen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich beispielhafter Natur und darf nicht als Einschränkung der Erfindung oder der Anwendung und Verwendungen der Erfindung verstanden werden. Ferner ist sie nicht durch irgendeine in dem vorstehenden Hintergrund oder in der folgenden detaillierten Beschreibung dargelegte Theorie gebunden.
1 ist eine Prinzipskizze einer Schaltung für einen HF-Leistungsverstärker 10, der einen ersten und einen zweiten FET 111, 113 aufweist, die in einer Push-Pull-Anordnung geschaltet sind. Ein Eingangsnetzwerk 106 passt eine Impedanz einer Signalquelle 102 an eine Impedanz von Gates der FETs 111, 113 an. Bei einigen Ausführungsformen stabilisiert das Eingangsnetzwerk 106 die Verstärkerschaltung und weist Widerstände auf. Eine Gate-Vorspannung wird zum Steuern der Steuervorströme der FETs 111, 113 von einer Gate-Vorspannungsquelle 104 über das Eingangsnetzwerk 106 bereitgestellt. Drains der FETs 111, 113, die in einer Push-Pull-Anordnung angeordnet sind, sind mit einem Ausgangsnetzwerk 126 verbunden, das eine Impedanz einer Last 130 (z.B. Impedanz einer Plasmakammer bei Betrieb) an eine gewünschte Impedanz auf der Drain-Referenzebene der FETs 111, 113 anpasst. Verschiedene Eingangs- und Ausgangsnetzwerke 106, 126 zum Durchführen der angegebenen Anpassfunktion sind auf dem Sachgebiet bekannt. Ein Ausgang 132 des HF-Leistungsverstärkers 10 ist mit der Last 130 verbindbar.
Die Schaltung 10 weist bei dieser Ausführungsform Stabilisierungs-Feedbackschaltungen 112, 114 auf. Die Stabilisierungs-Feedbackschaltungen 112, 114 verringern die Verstärkung der FETs 111, 113 zum Vermeiden von unerwünschten Oszillationen der FETs 111, 113. Die Stabilisierungs-Feedbackschaltungen 112, 114 weisen bei der vorliegenden Ausführungsform in Reihe geschaltete Widerstände und Kondensatoren auf und sind jeweils zwischen jedem Drain der FETs 111, 113 und den Gates geschaltet. Eine Gleichspannungsversorgung 124 führt den FETs 111, 113 über das Ausgangsnetzwerk 126 eine Gleichspannung zu. Bei Ausführungsformen, bei denen doppelte FETs in einer Packung vorgesehen sind, sind die Sources der FETs 111, 113 mit Masse verbunden. Bei Ausführungsformen sind die FETs 111, 113 VDMOS- (Vertical-Diffusion Metal-Oxide Semiconductor) FETs oder LDMOS- (Lateral-Diffusion Metal Oxide Semiconductor) FETs (manchmal auch als Lateraldiffusions-Metalloxid-Halbleiter bezeichnet).
Bei Ausführungsformen weist der HF-Leistungsverstärker 10 einen Generator 100 mit einer Steuerschaltung 140 und einer Gleichstromversorgung 124 auf. Die Steuerschaltung 140 ist derart ausgebildet, dass sie erfasste Parameter (z.B. Spannung und Strom oder auftreffende und reflektierte Leistung) der Leistung empfängt, die von dem HF-Leistungsverstärker 10 zu der Last 130 ausgegeben wird, und in Reaktion darauf Steuersignale der Signalquelle 102 und/oder die Gleichspannung der Gleichspannungsversorgung 124 einstellt, um zum Beispiel eine festgelegte Ausgangsleistung bei einer anvisierten Ausgangsfrequenz zu erreichen. Der Generator 100 weist bei einigen Ausführungsformen einen Wechselstrom/Gleichstrom-Umwandler auf, der die Gleichspannungsversorgung 124 bildet. Obwohl in 1 nicht gezeigt, können mehr als eine Schaltung, die FETs 111, 113 aufweisen, in dem Generator 100 vorgesehen sein und kann deren Leistung kombiniert werden.
Bei verschiedenen Ausführungsformen ist der HF-Leistungsverstärker 10 des Generators 100 derart ausgebildet, dass er einen Leistungsausgang in Frequenzbereichen von 0,1 MHz bis 200 MHz und in Leistungsbereichen von mindestens 100 W bereitstellt.
Bei verschiedenen Ausführungsformen umfasst der HF-Leistungsverstärker 10 Schutzdioden 160 mit einem Anschluss (Kathode), der mit jeweiligen Drains der FETs verbunden ist, und einem weiteren Anschluss (Anode), der mit Masse verbunden ist. Auf diese Weise wird ein übermäßig großer Rückwärtsstrom, der eine Snap-Back-Beschädigung an den FETs 111, 113 bewirken könnte, zu Masse abgeleitet, wenn die Schwellspannung der Dioden 160 überschritten wird. Die Dioden 160 sind derart ausgewählt, dass sie solche Eigenschaften aufweisen, dass eine ausreichende Menge an oder der gesamte Rückwärtsstrom, der in Richtung der Drains der FETs 111, 113 fließt, zu Masse geführt wird, so dass die FETs vor diesem geschützt sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein erstes Paar von Schutzdioden 160 jeweils zwischen Masse und einer Leitung geschaltet, die das Drain eines ersten der FETs 111, 113 und das Ausgangsnetzwerk 126 verbindet, und ist ein zweites Paar von Schutzdioden jeweils zwischen Masse und einer Leitung geschaltet, die das Drain des zweiten der FETs 111, 113 und das Ausgangsnetzwerk 126 verbindet. Bei weiteren Ausführungsformen können mehr als zwei Schutzdioden 160 auf jeder Seite der FETs 111, 113 vorgesehen sein, um die Impedanz der Dioden weiter zu verringern und/oder abgeleitete Leistung effektiv zu verteilen. Bei weiteren Ausführungsformen ist eine einzelne Schutzdiode an jedem der FETs 111, 113 vorgesehen.
Bei Ausführungsformen werden Leistungs-Schottky-Sperrdioden als Schutzdioden verwendet, die zu jedem FET 111, 113 (Kathode zu Drain, Anode zu Source/Masse) parallelgeschaltet sind, um einen negativen Strom um die FETs 111, 113 herum zu führen. Bei Beispielen haben die Schutzdioden 160, z.B. die Silizium-Schottky-Sperrdioden, eine niedrigere Schwellspannung als die Body-Dioden der FETs 111, 113. Andere Typen von Dioden, wie z.B. PN-Übergangs-Siliziumdioden oder GaAs- oder SiC- oder GaN-Schottky-Dioden, werden bei anderen Ausführungsformen als Schutzdioden 160 verwendet.
Bei verschiedenen Ausführungsformen sind die FETs 111, 113 in einem Paket (nicht gezeigt) enthalten und sind die Schutzdioden 160 extern damit verbunden. Bei einem Paket handelt es sich um die Schutzmerkmale und Ummantelungen, die in den elektronischen Komponenten eingebaut sind. Bei dem Paket muss der Schutz vor mechanischer Beschädigung, Kühlung, Hochfrequenz-Geräuschemission und elektrostatischer Entladung berücksichtigt werden. Beispielhafte Packungen umfassen System und Packung (SPA), System auf einem Chip (SOC), „auf einem Die“ und Chip-und-Draht-Anordnungen. Bei weiteren Ausführungsformen sind die Schutzdioden 160 in dem Paket integriert. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Schaltung des HF-Leistungsverstärkers 10 auf einer Schaltplatine vorgesehen, so dass die FETs 111, 113 und die Schutzdioden 160 auf demselben Die vorhanden sind.
2 ist ein Diagramm 200 zur Darstellung einer Gate-Spannung 202, einer Drain-Spannung 204 und eines Drain-Stroms 206 gegenüber der Zeit in einer Schaltung zur HF-Verstärkung unter einer starken Fehlanpassung, die der in 1 gezeigten im Wesentlichen gleich ist, mit der Ausnahme, dass keine Schutzdioden 160 für eine Seite der in einer Push-Pull-Anordnung angeordneten FETs 111, 113 vorhanden sind. Die Phase der fehlangepassten Last zeigt eine von den FETs erfahrene kapazitive Last an. Die andere Seite der in einer Push-Pull-Anordnung angeordneten FETs 111, 113 ist identisch, aber zeitlich um eine halbe HF-Periode (d.h. 180° phasenverschoben) verschoben. Zur Zeit eines Markers m_A wird einer der FETs 111, 113 eingeschaltet, während er noch ungefähr 90 V an seinem Drain hat (hartes Schalten), was zu einer Drain-Stromspitze führt. Es ist beobachtet worden, dass dieser Strom durch das Push-Pull-Anpassungsnetzwerk (ein passives Netzwerk, das die Drains der FETs 111, 113 verbindet) zur Zeit eines Markers m_B in den anderen der FETs 111, 113 fließen kann. Dieser negative oder Rückwärtsstrom wird durch den Kanal des anderen FET geleitet, wenn der andere FET abschaltet. Der Strom fließt weiterhin durch die Body-Diode des anderen FET, was bewirkt, dass die Körperregion von Ladungsträgern geflutet wird, bevor der FET abschaltet und die Drain-Spannung steigt (positive dV/dt, aber nicht notwendigerweise zu hoch). Unter solchen Bedingungen kann der parasitäre BJT ausgelöst werden und kann mindestens einer der FETs ausfallen.
3A zeigt ein im Wesentlichen gleiches Diagramm 210 wie 2 zur Darstellung einer Gate-Spannung 212, einer Drain-Spannung 214 und eines Drain-Stroms 216 gegenüber der Zeit in einer Schaltung zur HF-Verstärkung, die der in 1 gezeigten entspricht, für eine Seite der in einer Push-Pull-Anordnung angeordneten FETs 111, 113. Durch Schalten der Schutzdioden 160 zwischen den Drains und Masse jedes FET wird der negative Strom, der den anderen FET fluten kann, zu Masse abgeleitet. In 3B ist der Diodenstrom 222 gegenüber der Zeit dargestellt. Wie zu sehen ist, durchläuft der Rückwärtsstrom zur Zeit m_B die Schutzdioden 160, wodurch die FETs 111, 113 vor Bedingungen geschützt werden, die es einem parasitären BJT ermöglichen können, leicht auszulösen, und somit werden die FETs 111, 113 vor einem daraus resultierenden Ausfall geschützt.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform eines HF-Verstärkers 310. Der HF-Verstärker 310 weist eine Schaltplatine 302 auf, auf der ein Paket 304 angeordnet ist. Das Paket 304 weist einen ersten und einen zweiten FET 111, 113 auf, die auf gleiche Weise ausgeführt sind und jeweils mit ihren jeweiligen Source-Anschlüssen mit einem Masseverbindungspunkt 306 verbunden sind. Es sei angemerkt, dass die Schaltplatine 302 schematisch ist und zur Veranschaulichung vorgesehen ist.
Zum Stabilisieren der Hochfrequenz-Verstärkeranordnung 310 sind Stabilisierungs-Feedbackschaltungen 312, 314 von den Drain-Anschlüssen der FETs 311, 313, wie z.B. LDMOS-FETs, zu den Gate-Anschlüssen vorgesehen. Die Stabilisierungs-Feedbackschaltungen 312, 314 weisen jeweils eine Reihenschaltung mit einem Widerstand und einem Kondensator auf.
Die FETs sind jeweils mittels deren Drain-Anschlüssen mit einem Ende einer Primärwicklung 308 eines Ausgangstransformators 320 verbunden, der Teil eines Ausgangsnetzwerks (hier nicht weiter beschrieben) ist. Die Primärwicklung 308 des Ausgangstransformators 320 weist einen mittig vorgesehenen Abgriff 346 zum Zuführen von Gleichstrom aus einer Gleichspannungsversorgung 348 zu den FETs auf. Das Ausgangsnetzwerk 126 der Schaltung von 1 weist im Wesentlichen gleiche Weise einen solchen Transformator auf. Die Sekundärwicklung 322 des Ausgangstransformators 320 ist mit Masse 324 verbunden und mit ihrem anderen Anschluss mit einem HF-Ausgang 326 verbunden. HF-Leistung kann durch den HF-Ausgang 326 ausgegeben werden, z.B. direkt zu einer Last, wie z.B. einem Plasmatool, oder zu weiteren Schaltungen, wie z.B. Erfassungs- oder Filter- oder Anpassungsnetzwerke.
Die Drain-Anschlüsse der FETs sind in jedem Fall über einen Kondensator 328, 330 (die Teil eines Ausgangsanpassungsnetzwerks sind) mit Masse verbunden. Die Kondensatoren 328, 330 unterstützen das Vergrößern der Impedanz, die von den Drains bei geradzahligen harmonischen Frequenzen, insbesondere bei einer 2. harmonischen Frequenz, erfahren wird, um die Effizienz des Verstärkers zu steigern. Ferner ist ein Kondensator 332 (oder mehrere parallele Kondensatoren) zwischen den zwei Drains der zwei FETs 311, 313 (als Teil des Ausgangsanpassungsnetzwerks) geschaltet, um die gewünschte Lastimpedanz bei der Betriebsgrundfrequenz auf der Drain-Referenzebene der FETs bereitzustellen und die von den Drains der FET bei ungeradzahligen, insbesondere bei der dritten harmonischen Frequenz erfahrenen Impedanz zu verringern, um die Effizienz des Verstärkers zu steigern.
Bei Ausführungsformen weist der HF-Verstärker 310 ferner einen Eingangstransformator 334 mit einer Primärwicklung 336 auf, die mit einem HF-Signaleingangsanschluss 340 verbunden ist. Eine Ansteuerungs-HF-Leistung kann durch den HF-Eingangssignalanschluss 340 für den HF-Verstärker 310 bereitgestellt werden. Die Sekundärwicklung 338 des Eingangstransformators 334 ist über ein Widerstandselement 342, z.B. einen Widerstand, mit dem Gate-Anschluss des ersten FET 311 verbunden. Die Sekundärwicklung 338 ist auch über ein Widerstandselement 344, z.B. einen Widerstand, mit dem Gate-Anschluss des zweiten FET 313 verbunden. Die Widerstandselemente 342, 344 und der Eingangstransformator 334 sind Teil eines Eingangsnetzwerks. Das Eingangsnetzwerk 106 von 1 weist einen Eingangstransformator und Widerstandselemente auf, die den in 4 gezeigten im Wesentlichen gleich sind.
Wie anhand von 1 beschrieben worden ist, weist bei einigen Ausführungsformen ein Generator den HF-Leistungsverstärker 310 von 4 auf. Bei Ausführungsformen wird die Ausgangsleistung aus einer Vielzahl solcher Leistungsverstärker 310 kombiniert. Ein solcher Generator umfasst eine Steuerschaltung zum Einstellen der Gleichstromversorgung 348 und/oder HF-Signalquelle 340 zum Erreichen einer festgelegten Leistung bei einer gewünschten Frequenz auf der Basis von Parametern der am Ausgang 326 erfassten Leistung.
Bei verschiedenen Ausführungsformen weist der HF-Leistungsverstärker 310 von 4 eine erste und eine zweite Schutzdiode 350, 352 auf. Die erste Schutzdiode 350 ist zwischen dem Drain-Anschluss des ersten FET 311 und Masse an einem Abgriffpunkt geschaltet, der sich zwischen dem Drain-Anschluss des ersten FET 311 und einem ersten Anschluss der Primärwicklung 308 des Leistungstransformators 320 befindet. Die zweite Schutzdiode 352 ist zwischen dem Drain-Anschluss des zweiten FET 313 und Masse an einem Abgriffpunkt geschaltet, der sich zwischen dem Drain-Anschluss des zweiten FET 313 und einem zweiten Anschluss der Primärwicklung 308 des Leistungstransformators 320 befindet. Die Schutzdioden 350, 352 dienen zum Führen von Rückwärtsstrom (oder zumindest eines effektiven Teils davon) zu Masse, wodurch die FETs 311, 313 vor potenziellen Beschädigungsbedingungen geschützt werden, durch die ein parasitärer BJT selbst bei nicht übermäßig großer dV/dt oder Drain-Spitzenspannungen leicht ausgelöst wird.
5 zeigt noch eine weitere Ausführungsform eines HF-Leistungsverstärkers 10. Die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen von 1 dienen zum Bezeichnen von gleichen Komponenten. Die Ausführungsform von 5 unterscheidet sich dadurch von derjenigen von 1, dass sie einen einzelnen FET aufweist, dessen Source-Anschluss mit Masse verbunden ist. Bei der Ausführungsform von 5 ist ein Paar von Schutzdioden 160 zwischen dem Drain-Anschluss des FET 111 und Masse parallelgeschaltet. Bei anderen Ausführungsformen sind jedoch eine einzelne Schutzdiode 160 oder mehr als zwei Schutzdioden 160 vorgesehen. Eine Vielzahl solcher Leistungsverstärker 10 ist verbindbar, um eine kombinierte Ausgangsleistung bereitzustellen.
6 ist ein Diagramm 400 zur Darstellung einer Gate-Spannung 402, einer Drain-Spannung 404 und eines Drain-Stroms 406 gegenüber der Zeit in einer Schaltung zur HF-Verstärkung, die der in 5 gezeigten im Wesentlichen gleich ist, mit der Ausnahme, dass keine Schutzdiode 160 vorhanden ist. Es hat sich herausgestellt, dass der FET 111 ausfallen kann, wenn es eine induktive Last gibt, selbst in einer unsymmetrischen Transistoranordnung wie der in 5 gezeigten.
7A zeigt ein Diagramm 410, das dem in der 6 gezeigten ähnlich ist, zur Darstellung einer Gate-Spannung 412, einer Drain-Spannung 414 und eines Drain-Stroms 416 gegenüber der Zeit, in einer Schaltung für eine HF-Verstärkung gemäß der in 5 gezeigten. In diesem Fall arbeitet der Verstärker bei einer stark fehlangepassten Last mit einer Phase, die zu einer induktiven Last führt. Wie anhand des unterdrückten negativen Teils der Drain-Spannung 414 im Vergleich zu demjenigen von 6 zu sehen ist, ist die Diode 160 in der Lage, den FET 111 in anderen Verstärkeranordnungen als Push-Pull-Topologien zu schützen. Eine solche als Schutz dienende Aufnahme von Rückwärtsstrom ist in dem Diagramm 420 von 7B dargestellt, das einen Diodenstrom 422 der Schutzdiode 160 gegenüber der Zeit zeigt.
Bei einigen Ausführungsformen und mit Bezug auf 8A sind Anoden der Schutzdioden 160 nicht direkt mit Masse verbunden, sondern mit einer Positivspannungsquelle 500. Eine solche Ausführungsform ist besonders (aber nicht ausschließlich) nützlich, wenn die Schutzdioden 160 eine oder mehrere parallelgeschaltete Schutzdioden 160 (zum Beispiel SiC-Schottky-Dioden) mit einer eingebauten Spannung umfassen, die höher ist als die eingebaute Spannung des PN-Übergangs der Body-Diode. Die Spannungsquelle 500 ist in der Lage, die eingebauten Spannungen der Schutzdioden 160 zu kompensieren. Der negative Anschluss der Spannungsquelle ist mit Masse verbunden. 8B zeigt den Diodenstrom 502 in der Schaltung von 8A für eine erste der Schutzdioden 160 und den Diodenstrom 504 einer zweiten der Schutzdioden 160. 8B zeigt auch die Ausgangsspannung 506 der Positivspannungsquelle 500.
Bei verschiedenen Ausführungsformen sind die hier beschriebenen Generatoren und Leistungsverstärker für Leistungsplasmatools nützlich.
Obwohl mindestens ein beispielhafter Aspekt in der vorstehenden detaillierten Beschreibung der Erfindung dargelegt worden ist, sei angemerkt, dass es eine große Vielzahl von Variationen gibt. Es sei auch angemerkt, dass der beispielhafte Aspekt oder die beispielhaften Aspekte nur Beispiele sind und den Umfang, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration der Erfindung in keiner Weise einschränken. Vielmehr bietet die vorstehende detaillierte Beschreibung Fachleuten auf dem Sachgebiet einen geeigneten Leitfaden zum Implementieren eines beispielhaften Aspekts der Erfindung. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen an der Funktion oder Anordnung von bei einem beispielhaften Aspekt beschriebenen Elementen durchgeführt werden können, ohne dass vom Umfang der Erfindung, die in den beiliegenden Ansprüchen dargelegt ist, abgewichen wird.

Claims

Hochfrequenz-, HF, Leistungsverstärker, der aufweist: mindestens einen Feldeffekttransistor, FET, wobei ein Source-Anschluss des mindestens einen FET mit Masse verbunden ist; mindestens eine Diode, wobei eine Kathode der mindestens einen Diode mit einem Drain-Anschluss des mindestens einen FET verbunden ist und eine Anode der mindestens einen Diode mit Masse verbunden ist; ein Ausgangsnetzwerk, das mit dem Drain-Anschluss des mindestens einen FET verbunden ist; und ein Eingangsnetzwerk, das mit einem Gate-Anschluss des mindestens einen FET verbunden ist.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 1, der aufweist: mindestens zwei FETs, wobei die mindestens zwei FETs derart ausgebildet sind, dass sie mit Eingangssignalen mit ungleicher Phase angesteuert werden, wobei das Ausgangsnetzwerk mindestens einen Transformator aufweist und die mindestens eine Diode zwischen jedem Drain-Anschluss der mindestens zwei FETs und Masse geschaltet ist.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 2, bei dem die mindestens zwei FETs derart ausgebildet sind, dass sie mit um 180° phasenverschobenen Eingangssignalen angesteuert werden.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 2, bei dem der Transformator ein Planartransformator ist.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die mindestens eine Diode über eine Positivspannungsquelle mit Masse verbunden ist.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 1, der mindestens zwei parallele Dioden aufweist, die zwischen einem Drain des mindestens einen FET und Masse geschaltet sind.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 2, bei dem das Ausgangsnetzwerk mindestens einen Kondensator aufweist, der zwischen den Drain-Anschlüssen der mindestens zwei FETs geschaltet ist.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Ausgangsnetzwerk mindestens einen Kondensator aufweist, der zwischen dem Drain des mindestens einen FET und Masse geschaltet ist.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 mit einer Betriebsfrequenz innerhalb des Bereichs von 100 kHz bis 200 MHz.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder Anspruch 2 mit einer Ausgangsleistung von mindestens 100 W.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem mindestens eine Diode eine Schottky-Sperrdiode ist.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem mindestens ein FET ein Laterally-Diffused-Metal-Oxide-Semiconductor- (LDMOS) Halbleiter-FET ist.
HF-Leistungsverstärker nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem mindestens eine Diode in demselben Gehäuse des mindestens einen FET integriert ist oder auf demselben Die integriert ist wie der mindestens eine FET.
Generator, der aufweist: einen Hochfrequenz-, HF-, Leistungsverstärker, der mindestens einen FET und mindestens eine Diode aufweist, die zwischen einem Drain-Anschluss des mindestens einen FET und Masse geschaltet ist; eine Steuerschaltung, die derart ausgebildet ist, dass sie Eingangssignale für den mindestens einen FET erzeugt; eine Gleichstromversorgung, die derart ausgebildet ist, dass sie den HF-Leistungsverstärker mit Gleichstrom versorgt; und einen Ausgang, der derart ausgebildet ist, dass er eine verstärkte HF-Leistung ausgibt.
Plasmasystem, das aufweist: einen Generator, wobei der Generator aufweist: einen Hochfrequenz-, HF, Leistungsverstärker, der mindestens einen FET und mindestens eine Diode aufweist, die zwischen einem Drain-Anschluss des mindestens einen FET und Masse geschaltet ist; eine Steuerschaltung, die derart ausgebildet ist, dass sie Eingangssignale für den mindestens einen FET erzeugt; eine Gleichstromversorgung, die derart ausgebildet ist, dass sie den HF-Leistungsverstärker mit Gleichstrom versorgt; einen Ausgang, der derart ausgebildet ist, dass er eine verstärkte HF-Leistung ausgibt; und ein Plasmatool, das mit dem Ausgang verbunden ist und derart ausgebildet ist, dass es Plasma unter Verwendung der verstärkten HF-Leistung erzeugt.