DE2203892C3 - Transistoranordnung mit mehreren zur Leistungserhöhung bei hohen Frequenzen parallel geschalteten Transistorelementen - Google Patents

Transistoranordnung mit mehreren zur Leistungserhöhung bei hohen Frequenzen parallel geschalteten Transistorelementen

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Description

gegeben ist, wobei Z1n die Eingangsimpedanz des zweiten Anschlußelements (16) und Z, die Eingangsimpedanz der Transistorelemente ist.
6. Transistoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeleitende, elektrisch isolierende Halterungsbauteil (22) aus Berylliumoxid hergestellt ist.
7. Transistoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Anschlußelemente Leitungen (14, 16) von etwa gleicher Länge sind.
8. Transistoranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Absolutwert des kapazitiven Blindwiderstandes jedes Kondensatorelements (13, 70) gleich dem Absolutwert des induktiven Widerstandes der ersten und zweiten Anschlußleitung (14,16) ist.
9. Transistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zu einem Mehrzellentransistor (56) gehörigen Transistorelemente (11) eine gemeinsame Kollektorzone (34) aufweisen.
10. Transistoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste (12) und dritte (15) metallisierte Fläche von einander gegenüberliegenden Rändern des Halterungsbauteils (22) aus nach innen verlaufen und die zweite metallisierte Fläche (17) symmetrisch zu und mit Abstand von der ersten und dritten metallisierten Fläche (12, 15) angeordnet ist und daß die gemeinsame Kollektorzone (34) mit der ersten metallisierten Fläche (12) in Kontakt steht.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Transistoranordnung, mit mehreren zur Leistungserhöhung bei hohen Frequenzen parallel geschalteten Transistorelementen, ferner mit ersten, zweiten und dritten metallischen Verbindungsbauteilen, an die jeweils gleichnamige Elektroden bzw. aktive Zonen der Transistorelemente angeschaltet sind und mit LC-Anpaßnetzwerken zwischen einer Signalquelle und den Eingangselektroden der Transistorelemente.
Eine derartige Transistoranordnung ist aus der US-PS 33 27 238 bekannt.
Mit Hochfrequenz-Einzeltransistoren sind — bei vertretbarem Aufwand — bekanntlich nur relativ geringe Leistungen beherrschbar. In mit Transistoren bestückten Hochfrequenzschaltungen für hohe Ausgangsleistungen, z. B. in Transistorverstärkern, werden mehrere Transistoren parallel geschaltet, wobei jeder Transistor einen Teil der der Last zugeführten
Gesamtleistung entwickelt Wegen der unterschiedlichen Charakteristiken der Einzeltransistoren bei hohen Frequenzen, und insbesondere wegen der unterschiedlichen Einguigsimpedanzen der Einzeltransistoren ergaben sich bei bekannten Schaltungen ungleiche Leistungsverteilungen unter den verschiedenen Einzeltransistoren, die im Extremfall zur Zerstörung einzelner (überbelasteter) Transistoren führen konnten. Bei einer Transistoranordnung der eingangs angegebenen Art wird gemäß US-PS 33 27 238 das Problem der ungleichen Leistungsverteilung durch Verwendung bestimmter Anpaßnetzwerke angegangen, welche in Form externer Schaltungen zwischen der Signalquelle und den Basiselektroden der parallelgeschalteten Transistoren angeordnet sind. Externe Anpaßnetzwerke tragen wesentlich zu den Gesamtkosten und auch zum Bauvolumen der Hochfrequenzschaltung bei und vermindern wegen ihres Bedarfs an zusätzlichen Schaltungskomponenten die Zuverlässigkeit der Gesamtanordnung.
Die ungleiche Leistungsverteilung bildet jedoch nicht das einzige, HF-Hochleistungstransistorschaltungen anhaftende Problem. Bekannte Hochleistungstransistoren machen Baueinheiten relativ großer Abmessungen erforderlich. Die notwendigen Längen von internen Zuleitungen, z. B. den Basiszuleitungen, werden so groß bemessen, daß sie eine beträchtliche verteilte Induktivität einführen, wodurch der Q-'Wen der Baueinheit erhöht und die Betriebsbandbreite entsprechend verringert wird. Das Vorhandensein solcher Zuleitungsinduktivitäten hat bisher der erzielbaren Bandbreite im Hochfrequenzbereich, z. B. oberhalb von 200 MHz, Grenzen gesetzt. Nach dem Stande der Technik finden ausschließlich externe Impedanz-Anpaßnetzwerke Verwendung, um den schädlichen Effekt der Induktivitäten der Eingangszuleitungen auf die Bandbreite herabzusetzen. Derartige externe Anpaßnetzwerke sind jedoch bei Verwendung in Verbindung mit oberhalb von 15 Watt beschriebenen Transistoranordnungen ungeeignet, ein brauchbares Stehwellenverhältnis über den vorgesehenen Frequenzbereich hinaus herzustellen, sofern sie nicht auf unterschiedliche Frequenzen innerhalb des Bandes abstimmbar sind. Die mit Impedanz-Anpaßnetzwerken erzielbare Bandbreitenvergrößerung rechtfertigt jedoch in der Regel nicht den außerordentlich großen zusätzlichen Aufwand.
Es ist mit bekannten Transistoranordnungen nicht möglich, die bei zunehmender Frequenz der Eingangssignale auftretenden Verstärkungsverlusie intern zu kompensieren. Wenn der Betriebsfrequenzbereich der Transistoranordnung eine volle Oktave umspannt, d. h., wenn die oberen und unteren Grenzfrequenzen um den Faktor 2 verschieden sind, erfolgt bei bekannten Ausführungen eine Verringerung der Verstärkung um 6 db zwischen der unteren und oberen Grenzfrequenz, bei gleichbleibender Eingangsleistung. Eine konstante Verstärkung bzw. Ausgangsleistung über den gesamten Frequenzbereich ist jedoch eine bei Transistorschaltungen stets angestrebte Eigenschaft.
Aus der DE-OS 19 00 539 ist ein Leistungsverstärker für hohe Frequenzen mit mehreren kollektor- und basisseitig parallelgeschalteten Leistungstransistoren bekannt, bei dem zur Emitterstabilisierung im Emitterkreis jedes Leistungstransistors eine strombegrenzende Stabilisierungsschaltung angeordnet ist. Jede Stabilisierungsschaltung besteht aus aktiven Bauelementen, nämlich einem Transistor und einer Diode, und passiven Bauelementen, nämlich einem Widerstand und einem Kondensator. Die erhöhte Emitterstabilisierung ist jedoch in den meisten HF-Transistoranordnungen in der Praxis nicht erforderlich; sie rechtfertigt im überwiegenden Teil der praktischen Anwendungsfälle nicht den erheblichen zusätzlicnen Schaltungsaufwand und den damit verbundenen Mangel an zuverlässiger Arbeitsweise der Gesamtanordnung.
In »Electronics«, April 1970, Seiten 80 bis 89 ist die Meinung von Fachleuten mitgeteilt, daß zukünftige Entwicklungen von Leisumgsverstärkern für hohe Frequenzen in Moduln mit Transistoren und integrierten Anpaßnetzwerken liegen. Die Induktivität und Kapazität der Halterung sollen dabei durch eine eine angepaßte Übertragungsleitung bildende Anordnung kompensiert werden. Eine Realisierung derartiger Moduln mit integrierten Anpaßnetzwerken soll nach diesem Artikel aber erst zu einem späteren Zeitpunkt möglich sein und einen erheblichen Entwicklungsaufwand bedingen (Seite 84).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Transistoranordnung für hohe Frequenzen mit den LC-Anpaßnetzwerken derart auf einer Halterung anzubringen, daß im Hochfrequenzbereich größere Betriebsbandbreiten mit ausgeglicheneren Verstärkungseigenschaften erzieh werden und durch Mehrfachausnutzung einzelner Schaltungskomponenten der bauliche und schaltungsmäßig.1 Aufwand sehr niedrig gehalten wird.
Ausgehend von einer Transistoranordnung der eingangs angegebenen bekannten Art, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
In der DE-OS 20 20 925 ist der Aufbau einer sogenannten »Mikrowellen-Baugruppe« angegeben, wobei in einer Umhüllung LC-Netzwerke mit Induktivitäten oder Transistoren als sogenannte »Mikrowellenbauteile« eingebaut sind. Damit sollen vor allem Störkopplungen zwischen den Eingangs- und Ausgangskreisen vermieden werden und eine Anpassung der Impedanzen zwischen der Mikrowellen-Baugruppe und anderen Schaltungen erzielt werden. Bei dieser bekannten Mikrowellen-Baugruppe werden jedoch keine parallelgeschalteten Transistorelemente zusammen mit Kondensatoren verwendet; die Induktivitäten der inneren Zuleitungen spielen dabei keine Rolle.
Bei der Erfindung werden dagegen die verteilten Induktivitäten der internen Eingangszuleitungen, welche bei bekannten Anordnungen der gleichen Gattung gerade Anlaß zu Problemen (Bandbreitenbegrenzung, zusätzliche Impedanz-Anpaßschaltungen) gegeben haben, dazu ausgenutzt, in Kombination mit den ebenfalls in die Halterung einbezogenen Kondensatoren ein wirksames LCL-Netzwerk mit den elektrischen Eigenschaften einer Viertelwellenleitung zwischen dem Eingangsanschluß der Schaltungsanordnung und der Eingangszone jedes der zusammengefaßten Transistorelemente zu bilden. Dadurch wird sowohl der Nachteil niedriger Eingangsimpedanz ausgeräumt als auch die Notwendigkeit der Verwendung externer Impedanztransformationsschaltungen eliminiert.
Die in die Schaltung einbezogenen K.ondensatorelemente bilden zusammen mit den Induktivitäten der Zuleitungen wirksame LCL-Netzwerke, welche die elektrischen Charakteristiken, jedoch nicht den Raumbedarf, echter Viertelwellenleitungen haben und damit zu einer beträchtlichen Entkopplung der Basiszonen der parallel geschalteten Transistorelemente führen. Es
ergibt sich eine Anordnung, die wegen des herabgesetzten Q-Wertes eine vergrößerte Betriebsbandbreite, eine erhöhte verfügbare Ausgangsleistung und eine Eingangsimpedanz brauchbarer Größe hat.
Besonders günstige Eingangsimpedanzverhältnisse > ergeben sich dann, wenn gemäß Weiterbildung der Erfindung die ersten und zweiten Anschlußelemente Leitungen etwa gleicher Länge sind. Dabei ist vorzugsweise der Absolutwert des kapazitiven Blindwiderstandes jedes Kondensatorelements gleich dem Absolutwert des induktiven Widerstandes der ersten und zweiten Anschlußleitung.
Durch Abstimmung der Eingangsimpedanz am oberen Ende des Betriebsfrequenzbandes wird die charakteristische Zunahme der Verstärkung mit abneh- ι > mender Frequenz durch das zunehmende Stehwellenverhältnis, d. h. die zunehmende Reflexion eines Teils des Eingangssignals, wirksam beseitigt. Auf diese Weise gelingt es, den bei zunehmender Frequenz des Eingangssignals üblicherweise auftretenden Verstärkungsverlust eines Transistors schaltungsintern zu kompensieren und die Verstärkung über dem gesamten Betriebsfrequenzbereich im wesentlichen konstant zu halten.
Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung von r> bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt
F i g. 1 eine schematische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel der Transistoranordnung,
Fig. 2a eine im Maßstab vergrößerte Draufsicht auf jo ein in der Transistoranordnung nach F i g. 1 verwendetes Halbleiterscheibchen,
Fig.2b eine Schnittansicht durch das Halbleiterscheibchen gemäß Fig. 2a entlang der Linie 2b-2b der F i g. 2a, r.
F i g. 3a ein schematisches Schaltbild einer in der Anordnung gemäß Fig. 1 verwendeten Parallelschaltung von Transistorelementen,
F i g. 3b ein Ersatzschaltbild für eine Viertelwellen-Übertragungsleitung gemäß F i g. 3a, w
Fig.4 eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Transistoranordnung in schematischer Form,
Fig. 5a eine maßstabvergrößerte Draufsicht au! einen in der Ausführungsform nach F i g. 4 verwendeten Mehrzellentransistor,
F i g. 5b eine maßstäblich vergrößerte Schnittansicht des Mehrzellentransistors entlang der Linie 5b-5b in F i g. 5a,
F i g. 6 eine Schnittansicht eines in der Ausführungsform nach Fig.4 verwendeten Kondensatorelements,
F1 g. 7 em Diagramm, bei weichem über dsT Frequenz der Eingangsblindwiderstand und der Eingangswirkwiderstand eines erfindungsgemäß aufgebauten Ausführungsbeispiels gezeigt ist, und
F i g. 8 ein Diagramm, bei dem über der Frequenz die Verstärkung und die Rückflußdämpfung einer gemäß der Erfindung aufgebauten Ausführungsform dargestellt ist
In F i g.l ist ein Ausführungsbeispiel der Transistoren-Ordnung gezeigt, die in ihrer Gesamtheit mit 10 bezeichnet ist Die Transistoranordnung ist für hohe Frequenzen ausgelegt, wobei der Begriff »hohe Frequenzen« solche Frequenzen umfassen soll, die über 200 MHz liegen. Zusätzlich ermöglicht die Anordnung 10 höhe Ausgangssignalleistungen bei den Betriebsfrequenzen, wobei unter hoher Ausgangsleistung zu verstehen ist daß 15 W überschritten werden können.
Die beschriebene Transistoranordnung ermöglicht einen Betrieb bei Ausgangsleistungen oberhalb von 40 Watt. Die Transistoranordnung 10 umfaßt eine Vielzahl von einzelnen Transistorelementen 11, die auf einer gemeinsamen metallisierten Fläche 12 angeordnet sind. Die Anordnung 10 ist im beschriebenen Ausführungsbeispiel mit nur zwei Transistorelementen 11 dargestellt, ohne jedoch auf diese Zahl beschränkt zu sein.
Die Anzahl Transistorelemente 11 wird nur durch die geforderte elektrische Leistung bestimmt.
Die Transistorelemente 11 sind üblicherweise npn-Silizium-Transistorscheibchen, deren Körper die Kollektorzone der Elemente darstellt. Bei dieser Ausgestaltung werden die Kollektorzonen der Transistorelemente 11 unter Herstellung von elektrischem Kontakt auf der iiieiäilisierlen ersten Fläche 12 befestigt. Obgleich die Transistorelemente 11 vorzugsweise in der im vorstehenden erwähnten Weise ausgestaltet sind, können sie auch aus anderen Halbleitermaterialien als Silizium, z. B. Germanium, hergestellt werden und so dotiert sein, daß sie als pnp-Transistor vorliegen.
In den im folgenden erörterten F i g. 2a und 2b ist ein für die Verwendung in der beschriebenen Transistoranordnung 10 geeignetes, typisches Transistorelement 11 gezeigt. Das Transistorelement 11 ist in einer räumlichen oder topologischen Geometrie aufgebaut, wie sie am besten in F i g. 2a zu erkennen ist. Das Element 11 ist, wie bereits erwähnt, vorzugsweise aus einer Halbleiterscheibe hergestellt, die üblicherweise aus n-leitendem Silizium besteht. In der Halbleiterscheibe sind eine Basiszone 30 und eine Emitterzone 31 so ausgebildet, daß die in den Fig.2a und 2b gezeigten, kammartig ineinandergreifenden Basis- und Emitterzonen entstehen. Die kammartig ineinandergreifenden Basis- und Emitterzonen 30 und 31 sind mit bekannten Verfahren hergestellt, die nicht Teil der vorliegenden Erfindung bilden. Die elektrischen Anschlüsse zu den aktiven Zonen des Transistorelements 11 werden durch Aufbringen von metallischen Kontaktierungsschichten 32 und 33 auf den fingerartigen Basis- und Emitterzonen 30 bzw. 31 hergestellt. Die metallischen Kontaktierungsschichten 32 und 33 bestehen aus üblichen Kontaktmetallen, z. B. Gold. Die Aufbringung der metallischen Kontaktierungsschichten 32 und 33 auf den aktiven Zonen 30 und 31 erfolgt mit bekannten Verfahren, z. B. durch Vakuumaufdampfung. Die Kollektorzone 34 wird vom Halbleiterkörper des Transistorelements 11 gebildet und dient gleichzeitig zur Befestigung des Transistorelements 11 auf der ersten metallisierten Fläche 12 der Transistoranordnung 10.
Im folgenden wird erneut auf F i g. 1 Bezug genommen, aus der die relative Anordnung der Transistorelemente 11 und der übrigen Bauelemente hervorgeht Zur beispielsweisen Veranschaulichung sind die Transistorelemente 11 mit den verbleibenden Elementen der Anordnung 10 in einem Aufbau mit gemeinsamem Emitter 31 zusammengeschaltet; in Abwandlung ist auch ein Aufbau mit gemeinsamer Basis verwirklichbar. Die Basiszonen der Transistorelemente 11 sind jeweils über erste Anschlußleitungen 14 an eine ersten Elektrode von Kondensatoren 13 angeschlossen, wobei die erste Elektrode des Kondensators 13 über eine Anschlußleitung 16 mit einer dritten metallisierten Fläche 15 verbunden ist Die zweite Elektrode der Kondensatoren 13 ist jeweils elektrisch leitend auf einer zweiten metallisierten Fläche 17 befestigt, die in der Schaltung, in welcher die Transistoranordnung 10 verwendet werden soü, üblicherweise elektrisch an das
Erdpotential angeschlossen ist. Die Emitterzone der Transistorelemente 11 ist Über Emitter-Anschlußleitungen 18 an der zugehörigen zweiten metallisierten Fläche 17 angeschlossen, wodurch die Verbindung der Transistorelemente 11 mit den zugehörigen Anschlußelementen abgeschlossen ist. Zur Herstellung eines Anschlusses an der Transistoranordnung sind eine Basisanschlußfahne 19 an der ersten metallisierten Fläche 15, eine Kollektoranschlußfahne 20 an der metallisierten Fläche 12 und ein Paar von Emitteranschlußfahnen 21 an den zugehörigen zweiten metallisierten Flächen 17 angeschlossen. Die metallisierten Flächen 15 und 17 sind vorzugsweise ebenso wie die erste metallisierte Fläche 12 aus Gold hergestellt, obgleich sie auch durch Abscheidung anderer bekannter Kontaklmetalle hergestellt werden können. Die Kondensatoren 13 können übliche Kondensatorelemente sein, die im Rahmen der physikalischen Erfordernisse der beschriebenen Transistoranordnung verwendet werden können. So können beispielsweise MOS-Kondensatoren, keramische Kondensatoren, Dünnschicht-Kondensatoren oder aus anderen hinsichtlich der Abmessung, der Leistung, <?-Wert und der Kapazitätsanforderungen verwendbaren Materialien aufgebaute Kondensatoren Verwendung finden.
Die metallisierten Flächen 12, 15 und 17 sind auf der Oberfläche eines wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Halterungsbauteils 22 angeordnet. Der wärmeleitende Halterungsbauteil 22 ist vorzugsweise aus einem aus Berylliumoxid bestehenden Keramikmaterial hergestellt, weil dieses die notwendigen Wärmeabfuhrerfordernisse erfüllt, die infolge des vorgesehenen Hochleistungsbetriebs der beschriebenen Transistoranordnung 10 bei hohen Temperaturen auftreten. Anstelle der bevorzugten Verwendung von Berylliumoxid für den Halterungsbauteil 22 können auch andere geeignete wärmeleitende Materialien verwendet werden.
Die ersten und dritten metallisierten Flächen 12 und 15 erstrecken sich vom Rand des keramischen Halterungsbauteils 22 nach innen, wobei ihre inneren Ränder Abstand voneinander haben. Die metallisierten Flächen 17 sind symmetrisch entlang der Seitenränder der metallisierten Flächen 12 bis i5 angeordnet.
Obwohl die Abschnitte der metallisierten Flächen 17, auf denen die Kondensatoren 13 befestigt sind, voneinander isoliert sind, könnten sie auch mit einem mit Abstand zwischen den metallisierten Flächen 12 und 15 verlaufenden metallisierten Abschnitt 67 zu einer integralen Einheit verbunden sein, wobei sie dann eine einheitliche, H-förmige Fläche bilden würden.
Jeder größere Leistungstransistoraufbau muß, unabhängig von der speziellen Herstellungsform als Parallelschaltung verschiedener kleinerer Transistorele.mente angesehen werden. Jedes Transistorelement hat einen vorgegebenen Basisausbreitungswiderstand und der Basiswiderstand hat bei Betrieb des Leistungstransistors im »C«-Betrieb die Tendenz geringer zu werden, wenn die Steuerleistung erhöht wird. Wenn aus irgendeinem Grund der Basisausbreitungswiderstand eines der direkt gekoppelten Transistorelemente dem Steuersignal einen niedrigeren Widerstand als irgendeines der anderen Transistorelemente des gesamten Bauteils entgegensetzt, steigt die über den niedrigeren Basisausbreitungswiderstand zugeführte Leistung. Da der Basisausbreitungswiderstand bei steigender Steuerleistung geringer wird, erhöht sich die am speziellen Verzweigungspunkt übertragene Leistung weiter, was mindestens zu einer elektrischen Instabilität und möglicherweise zu einem thermischen Durchgehen, d h.
eine immer stärkere Erhitzung, führt.
Durch die Verfahrensweise der direkten Kopplung sämtlicher Basiszonen der Transistoreinzelelemente am Basiseingang der Transistoranordnung wird die Ein-■) gangsbandbreite der Hochfrequenz-Leistung des Transistors erheblich verringert. Aus Gleichung (I) ergeben sich die Grenzen der Bandbreite eines Leistungstransi stors mit direkter Kopplung der Basiszonen der Transistorelemente, aus denen der Hochfrequenzin Hochleistungstransistor aufgebaut ist:
BWy,
ί Ti i-lijng.iiijr
(D
worin />,' = Basisausbreitungswiderstand, L^.mi-mt — Induktivität der Basisanschltißleitur.g.
Durch Verwendung einer Impedanz-Anpassungsschaltung kann die Eingangsimpedanz des Bauteils im wesentlichen über die Bandbreite des Halbleiterbauteils niedrig gehalten werden, jedoch ist eine Bandbreitenvergrößerung über die aus Gleichung (1) gegebenen Grenzen physikalisch unmöglich. Unter Zugrundelegung der in Gleichung (1) gegebenen Zusammenhänge ist es möglich, den Basiswiderstand />' zu erhöhen, um die Bandbreite zu vergrößern, jedoch ist dies nicht praktikabel, weil für den Hochfrequenzbetrieb ein niedriger Basiswiderstand und hohe Leistung erforderlich sind. Bekanntlich muß bei Verdoppelung der Ausgangsleistung eines Transistors der Basiswiderstand Tb durch zwei geteilt werden. Dann ergibt sich, daß der abzuändernde Parameter die Eingangsinduktivität Z-Em ea„g ist, der im vorliegenden Fall von der Induktivität der Verbindungsleitung zwischen der Basiszone des Transistorelements und dem Basisanschluß zum Transistorgehäuse gebildet wird.
In Fig.3a ist ein schematisches Schaltbild der in F i g. 1 gezeigten Transistoranordnung dargestellt
Eine wesentliche Verbesserung der elektrischen Eigenschaften eines Hochfrequenz-Hochleistungstransistors kann erreicht werden, wenn die Basisanschlußleitung nicht nur eine konzentrierte (mit konzentrierten Leistungselementen aufgebaute) Induktivität [/,Eingang in Gleichung (I)J sondern eine Übertragungsleitung mit geeignetem Wellenwiderstand ist. In Fig.3a sind die Transistoren 40, 41 und 42 in einer Weise miteinander verbunden, daß ihre Basiszonen über die Übertragungsleitungen 44, 45 und 46 mit einem gemeinsamen Eingangsanschluß 43 verbunden sind Wie aus F i g. 3a hervorgeht, haben die Übertragungsleitungen 44,45 und 46 eine Länge, die einer Viertelwellenlänge entspricht.
Die Beziehung zwischen der Eingangsimpedanz einer Viertelwellenleitung, dem Wellenwiderstand und deren Abschlußimpedanz ergibt sich aus den nachstehenden Gleichungen:
z = Z, cosjS (A/4) + JZ0 sin/? (Λ/4)
Z J(AM) +yZ,sinjSa/4)
(2)
worin
β = 2 π/?, und
λ — Wellenlänge
so daß
— Z0
Z, cos (2 π/4) + JZ0 sin (2 π/4) Z0 cos (2 π/4) + jZ, sin (2 π/4)
(3)
Durch Umordnung der Ausdrücke und Auflösung
nach Z0 ist der Wellenwiderstand einer Viertelwellenleitung gegeben durch den Ausdruck in Gleichung (4).
(4)
worin
Z11 = Wellenwiderstand der Viertelwellenleitung,
Z1n = Eingangsimpedanz der Übertragungsleitung,
Z, = Abschlußimpedanz.
Durch weitere Umstellung der Ausdrücke der Gleichung (4) kann gezeigt werden, daß:
Z1,, = ZlIZ1 (5)
Wenn die Transistoren 40, 41 und 42 am Eingangsanschluß 43 über die Viertelwellenleitungen 44, 45 und 46 angeschlossen sind, wird die Eingangsimpedanz (Z,„) am Eingang jeder Übertragungsleitung 44, 45 und 46 umgekehrt proportional zur Abschlußimpedanz Z1. Wie an Hand des in Fig.3a gezeigten schematischen Schaltbildes zu erkennen ist, wird der Basisausbreitungswiderstand der Transistoren 40, 41 und 42 gleich der Abschlußimpedanz der Viertelwellenlängen-Übertragungsleitungen 44, 45 und 46, wobei jede Verminderung des Basisausbreitungswiderstandes /ΐ, eines speziellen Transistors zu einer Erhöhung der Eingangsimpedanz dieser Übertragungsleitung führt. Infolge dieses Zusammenhanges wird die Eingangsimpedanz dieser Viertelwellen-Übertragungsleitung erhöht, so daß ein selbstregelnder Mechanismus entsteht, wenn der physikalische Aufbau der Transistorelemente oder irgendein anderer Grund zu einer Verringerung des Basisausbreitungswiderstandes der Transistorelemente führt. Mit der Verwendung einer Viertelwellenleitung zum Anschluß der Basis des Transistorelements am Eingangsanschluß der beschriebenen Hochfrequenz-Hochleistungs-Transistoranordnung wird die Ursache für elektrische Instabilität und für thermisches Durchgehen im wesentlichen ausgeschaltet.
Die Verwendung von Viertelwellenleitungen als Leistungsteiler zum Zweck der Leistungszufuhr zu verschiedenen Lasten unter gleichzeitiger Isolierung der Lasten voneinander ist aus dem Stande der Technik bekannt. Der Hauptunterschied zwischen dem. bekannten Leistungsteiler und demjenigen bei der beschriebenen Hochfrequenz-Hochleistungs-Transistoranordnung liegt in der grundlegenden Tatsache, daß die Lasten bei der beschriebenen Anordnung nicht voneinander isoliert werden sollen, sondern daß lediglich eine Kompensation einer unerwünschten Verringerung des Basisausbreitungswiderstandes erfolgen soll.
Die Verwendung einer echten Viertelwellenübertragungsleitung im Halbleiterbauteil 10 (Fi g. 1) ist wegen deren relativen Größenabmessungen unmöglich. Wenn ein Hochfrequenz-Hochleistungstransistor auf einen Betrieb in einem Frequenzbereich von 200 bis 400 MHz mit einer mittleren Frequenz von 300 MHz ausgelegt werden solL würde eine Viertelwellenleitung bei der mittleren Frequenz etwa 25 cm lang sein.
In Fig.3b ist eine Ersatzschaltung für eine echte Viertelwellenleitung nach Fig.3a gezeigt, wobei die Schaltung als Ganzes mit dem Bezugszeichen 44 bezeichnet ist, da sie beispielsweise die Übertragungsleitung 44 in F i g. 3a ersetzen sol Da die Eingangsimpedanz der Viertelweflenleitung und ihre Abschhißimpe-
danz für einen speziellen Anwendungsfall als bekannte Werte angesehen werden können gibt Gleichung (5) die Beziehung, aus welcher der Wellenwiderstand der Viertelwellen-Übertragungsleitung bestimmt werden kann. Die Eingangsimpedanz der Übertragungsleitung ist von bekannter Größe, da die Eingangsimpedanz der Transistoranordnung so gewählt ist, daß ein brauchbarer Wert, z. B. 7 Ω vorliegt. Deshalb ist die Eingangsimpedanz (Zjn) jeder parallelen Übertragungsleitung bestimmt durch die dem Fachmann bekannten Prinzipien. Die Abschlußimpedanz (Z,) ist durch die physikalischen Eigenschaften der verwendeten Transistorelemente gegeben.
Wenn der Absolutwert des Blindwiderstands einer Induktivität 47, einer Induktivität 48 und einer Kapazität 49 (F i g. 3b) bei einer vorgegebenen Frequenz innerhalb der Betriebsbandbreite des Bauteils einander gleich sind, wird die Impedanz der in Fig.3b gezeigten Schaltung gleich dem Wellenwiderstand der Viertelwellenleitung. Im folgenden wird noch einmal auf Fig. 1 Bezug genommen. Die Induktivität 47 wird von der Basis-Anschlußleitung 14 gebildet, der Kondensator 13 ist der Kapazität 49 äquivalent, und die Anschlußleitung 16 bildet die Induktivität 48. Bei Ausführung der Anschlußleitungen 14 und 16 in gleicher Länge sind deren Induktivitäten gleich. Da die charakteristische Impedanz (Wellenwiderstand) der simulierten Viertelwellenleitung bekannt ist, kann die Größe des Kondensators 13 gewählt werden.
Die Eingangsbandbreite der Anordnung ist umgekehrt proportional der Eingangsinduktivität des Transistorelements. Wie in Fig. 3b gezeigt ist, ist die Eingangsinduktivität des Transistorelements 11 der erfindungsgemäßen Transistoranordnung 10 durch die Induktivität 48 gegeben, wobei deren Wert erheblich geringer ist, als der in den Anschlußleitungen bekannter Halbleiterbauteile. Durch Verringerung der Induktivität der Anschlußleitung wird eine erhebliche Vergrößerung der Eingangsbandbreite erzielt, d. h., diese wird etwa verdoppelt.
Eine weitere Ausführungsform der neuen Transistoranordnur.g ist in Fig.4 dargestellt, in welcher eine Draufsicht auf die Transistoranordnung 55 gezeigt ist Ein Mehrzellentransistor 56 ist auf einer metallisierten Fläche 12 angeordnet und befestigt. Der Mehrzellentransistor 56 hat einen in einem einzigen Körper aus Halbleitermaterial gebildeten Aufbau, wobei der massive Teil des Halbleitermaterials einen gemeinsamen Kollektor bildet, während die übrigen Elektroden jedes Transistors vorzugsweise in die obere Oberfläche des Halbleiterkörpers eindiffundiert sind, so daß einzelne Transistorelemente oder Transistorzellen 11 gebildet werden. Die Anzahl der bei der Herstellung des Mehrzellentransistors 56 verwendeten Zellen bzw. Transistorelemente 11 wird in Übereinstimmung mit der geforderten Gesamtausgangsleistung der Transistoranordnung 55 gewählt
In den Fig.5a und 5b ist der typische Aufbau eines Mehrzellentransistors 56 zu erkennen. Der Mehrzellentransistor 56 ist aus einer Halbleiterscherbe 34 hergestellt, die vorzugsweise aus η-leitendem Silizium besteht Meherere p-leitende Oberflächenzonen 30 werden in die Oberseite der Scheibe 34 eindiffundiert, wobei an den Grenzflächen zwischen den p-leitenden Gebieten 30 und dem massiven Tefl der Scheibe jeweils ein pn-übergang gebildet wird. In jede p-leitende Oberflächenzone 30 wird eine η-leitende Oberflächenzone 31 eindiffundiert, wobei die Oberflächenzone 31
inselartige Gebiete sind, die von den p-leitenden Zonen 30 vollkommen umgeben sind. Die Diffusionstiefe der Oberflächenzonen 31 ist nicht so tief wie die der Oberflächenzonen 30 (Fig.5b) wodurch die Oberflächenzonen 31 vollständig innerhalb der Oberflächenzo- ■"> nen 30 liegen. Die Grenzfläche zwischen den Zonen 30 und 31 bildet einen pn-Übergang. Jede p-Ieitende Zone 30 bildet eine Basiselektrode und jede Zone 31 eine Emitterelektrode des Transistorelements 11. Die Oberflächenzonen 30 und 31 sind vorzugsweise in die Halbleiterscheibe eindiffundiert, jedoch kann der Aufbau der Gebiete auch nach anderen bekannten Verfahren, z. B. durch epitaktisches Aufwachsen, erfolgen. Nach einem geeigneten photochemischen Verfahren werden Basisanschlüsse 32 auf den Basiszonen 30 π und Emitteranschlüsse 33 auf den Emitterzonen 31 niedergeschlagen und fest mit innen verbunden. Die Basisanschlüsse 32 und die Emitteranschlüsse 33 werden mittels bekannter Verfahren, z. B. durch Vakuumaufdampfung, auf der Halbleiteroberfläche aufgebracht, wobei übliche Kontaktmetalle, beispielsweise Gold, verwendet werden. Die Basisanschlüsse 32 und die Emitteranschlüsse 33 werden vorzugsweise in kammartig ineinandergreifender Form ausgebildet, jedoch kann auch jede andere geeignete Konfiguration verwendet 2; werden.
Aus Fig.4 geht hervor, daß die Zellen 11 des Mehrzellentransistors 56 mit dem übrigen Teil der Transistoranordnung 55 in einer Ausgestaltung emittergekoppelt sind. Es ist ersichtlich, daß eine Ausgestaltung ji 1 mit gemeinsamer Basis ebenfalls möglich ist. Erste und dritte metallisierte Flächen 12 und 15 sind auf einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Halterungsbauteil 22 fest angeordnet. Der Halterungsbauteil 22 wird zwar vorzugsweise aus einem wärmeleitenden kerami- r> sehen Material hergestellt, kann jedoch auch aus geeigneten anderen wärmeleitenden Stoffen hergestellt werden.
Die metallisierte Fläche 15 ist auf dem keramischen Halterungsbauteil 22 mit Abstand von der metallisierten w Fläche 12 angeordnet, wobei an gegenüberliegenden Seiten der metallisierten Flächen 15 und 12 in symmetrischer Anordnung eine metallisierte Fläche 17 liegt die einen gemeinsamen metallisierten Abschnitt 67 im Zwischenraum zwischen den metallisierten Flächen ·»■" 12 und 15 aufweist, also etwa H-förmig ausgebildet ist. Die metallisierte Fläche 17 ist zwar vorzugsweise einteilig ausgebildet, jedoch können die auf gegenüberliegenden Seiten der metallisierten Flächen 12 und 15 liegenden Abschnitte der metallisierten Fläche 17 durch Austrennen des metallisierten Abschnitts 67 auch elektrisch isoliert sein, da die doppelten Emitteranschiüsse üblicherweise außerhalb des Bauteils miteinander verbunden werden. Die metallisierten Flächen 12,15 und 17 sind aus bekannten Kontaktmetallen, beispiels- weise Gold, hergestellt
Der Mehrzellentransistor 56 ist auf die metallisierte Fläche 12 aufgesetzt, wobei sein Körper in elektrischem Kontakt mit der Fläche 12 steht Da der Körper des Mehrzellentransistors 56 das gemeinsame Kollektorge- biet darstellt, hat die metallisierte Fläche 12 elektrischen Kontakt mit der Kollektorzone des Mehrzellentransistors 56. Die Basisanschlüsse 32 der Transistorelemente 11 sind jeweils an eine Elektrode 69 einer Kondensatoranordnung 70 angeschlossen.
In Fi g. 6 ist eine als MOS-Kondensator ausgebildete Kondensatoranordnung 70 gezeigt, die auf einer gemeinsamen Siliziumunterlage 71 aufgebaut ist Die Siliziumunterlage 71 'st üblicherweise so hoch dotiert, daß sie η+-leitend ist und die zweite und gemeinsame Elektrode für sämtliche Kondensatoren der Kondensatoranordnung 70 bildet. Zwischen der Siliziumunterlage 71 und den Metallelektroden 69 sind Siliziumoxidschichten 72 eingefügt, wobei die Metallelektroden 69 üblicherweise aus Aluminium hergestellt sind. In der Transistoranordnung 55 werden für die Kondensatoranordnung 70 vorzugsweise MOS-Kondensatoren verwendet, jedoch können auch keramische Kondensatorscheiben, Dünnschichtkondensatoren und Kondensatoren aus anderer geeigneten Materialien verwendet werden. Auf der Siliziumunterlage 71 liegen Metallschichten 73, über die ein Anschluß an die die Emitterzonen 31 bildende gemeinsame Elektrode erfolgen kann, und die zum Anschluß der Emitter-Anschlußleitungen 18 dienen.
Aus F i g. 4 geht hervor, daß die Siliziumunterlage 71 fest auf dein metallisierten Abschnitt 67 der metallisierten Fläche 17 angeordnet ist. Wie erwähnt, sind die Basisanschlüsse 32 über die Basisanschlußleitungen 14 mit den Elektroden 69 der Kondensatoranordnung 70 verbunden. Die Elektroden 69 sind über Anschlußleitungen 16 mit der metallisierten Fläche 15 verbunden. Die Linge der Anschlußleitungen 16 ist gleich der Länge der Basis-Anschlußleitungen 14. Über Anschlußleitungen 18 sind die Emitteranschlüsse 33 mit der die gemeinsame Elektrode bildender Unterlage 71 der Kondensatoranordnung 70 und damit der metallisierten Fläche 17 verbunden. Zur Bildung eines Basisanschlusses für die beschriebene Transistoranordnung 55 ist eine Basis-Anschlußfahne 19 an die metallisierte Fläche 15 angeschlossen. An gegenüberliegenden Abschnitten der metallisierten Fläche 17 sind zur Schaffung von Emitter anschlüssen Emitter-Anschlußfahnen 21 angebracht. Mit der metallisierten Fläche 12 ist zur Bildung des Kollektoranschlusses eine Kollektor-Anschlußfahne 20 verbunden. Die symmetrisch angeordneten Emitter-Anschlußfahnen 21 werden wegen der so erhaltenen thermischen und elektrischen Stabilität zwar bevorzugt, jedoch kann auch ein einziger Emitteranschluß vorgesehen werden.
Das in F i g. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel macht ebenfalls von den in Verbindung mit den F i g. 3a und 3b beschriebenen Prinzipien Gebrauch. Durch Anschluß des Basiseingangs an den Mehrzellentransistor 56 in der in Fig.4 gezeigten Weise wird im Effekt eine Viertelwellenleitung zwischen den Basiseingang der Transistoranordnung 55 und jedes Transistorelement 11 gelegt. Die Art und Weise, in welcher der Anschluß erfolgt wird durch die Gleichung (5) definiert. Da die Eingangsimpedanz der Transistoranordnung 55 auf eine brauchbare Größe eingestellt werden muß, l. B. auf 7 Ω und da die Abschlußimpedanz jeder Übertragungsleitung die Eingangsimpedanz jedes Transistorelements 11 darstellt ist der Wellenwiderstand Z0 der Übertragungsleitungen definiert Unter Bezugnahme auf F i g. 3b ist darauf hinzuweisen, daß die Kapazität 49 so abgestimmt ist, daß sie bei einer Frequenz innerhalb der Betriebsbandbreite des Bauteils in Resonanz mit der Leitungsinduktivität 47 steht Da der Wellenwiderstand der Viertelwellenleitung bekannt ist sind der Blindwiderstand der Induktivität 47 und 48 und der Kapazität 49 gleich. Wenn die Transistoranordnung 55 bei Frequenzen von etwa 200 bis 425MHz betrieben werden soll, haben die Basis-Anschlußleitungen 14 üblicherweise eine Länge von etwa 1,78 bis 2^54 Millimeter. Bei Mikrowellenfrequenzen verringert sich
die Länge der Basisanschlußleitungen 14 auf etwa 1,02 Millimeter. Wie oben erwähnt, sind die Anschlußleitungen 16 in ihrer Länge gieich den Basis-Anschlußleitungen 14 und haben deshalb dieselbe Induktivität Die durch die Anschlußleitungen der beschriebenen Längen gegebenen Induktivitäten entsprechen dem für die Viertelwellenleitungen erforderlichen Wellenwiderstand. Die Verwendung von Anschlußleitungen 14 und 16 und einer schaltungsintemen Kondensatoranordnung 70 zur Entwicklung einer wirksamen Viertelwellenleitung führt zu erheblichen Verbesserungen der Eigenschatten der neuen Transistoranordnung 55.
Das in Fig.4 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung eliminiert eine Ursache von elektrischer und thermischer Instabilität, da es die in Gleichung (5) gegebenen Zusammenhänge erfüllt. Die Eingangsimpedanz (Z,n) jeder Übertragungsleitung ist umgekehrt proportional zum Basiswiderstand jedes Transistorelements des Mehrzellentransistors 56. Wenn der Basiswiderstand eines Transistoreiements II abfällt, steigt, ohne daß sich hieraus eine erhöhte Steuerleitung an dem defekten Transistorelement 11 ergibt, die Eingangsimpedanz (Z,n) wodurch die in dieser Zelle verbrauchte Energie geregelt wird. Durch die Schaffung einer solchen Selbstregelung wird eine Ursache einer bestimmten fehlerhaften Arbeitsweise eliminiert.
In den F i g. 7 und 8 sind für eine erfindungsgemäß aufgebaute Transistoranordnung typisch elektrische Eigenschaften gezeigt. So zeigt zunächst F i g. 7 ein Kurvenpaar, bei denen die Reihen-Eingangsreaktanz und der Reihen-Eingangswirkwiderstand in Abhängigkeit von der Frequenz verglichen sind. Zu Erläuterungszwecken sind die Charakteristiken einer Transistoranordnung gezeigt, welche für einen Betrieb in einem Frequenzband von etwa 225 bis 425 MHz bestimmt ist. Es ist zu erkennen, daß bei einer Frequenz von etwa 412MHz die Eingangsimpedanz der Anordnung rein ohmisch ist und daß alle Blindkomponenten durch die schematisch in den F i g. 3a und 3b gezeigte Viertelwellenleitung durch Resonanz unterdrückt sind.
Die Fähigkeit der beschriebenen Transistoranordnung, eine im wesentlichen konstante Ausgangsleistung über den Betriebsfrequenzbereich beizubehalten, ist am
besten aus Fig.8 ersichtlich, in welcher typische Kurven aufgetragen sind, die einen Vergleich der Abhängigkeit von Rückflußdämpfung und Frequenz und der Abhängigkeit von Leistungsverstärkung und Frequenz geben. Es ist ein bekanntes Prinzip, daß bei Verdoppelung der einem Transistor zugeführten Frequenz (einem Anstieg um eine Oktave) ein Abfall der Verstärkung von 6 db die Folge ist Die Eingangsimpedanz der Transistoranordnung ist, wie am besten aus Fig.7 hervorgeht, so abgestimmt daß sie bei der höchsten Frequenz innerhalb der Betriebsbandbreite der Anordnung ohmisch (kein Blindwiderstand) ist Bei niedrigeren Frequenzen innerhalb der Betriebsbandbreite ist die Eingangsimpedanz nicht mehr rein ohmisch, so daß Blindkomponenten auftreten, die zur Reflexion eines Teils der der Anordnung zugeführten Eingangsleistung führen. Wenn eine Reflexion eines Teils des Eingangssignals auftritt, kann nicht die gesamte zur Verfugung stehende Leistung zur Steuerung des Transistors verwendet werden. Durch geeignete Wahl des Wellenwiderstands der Viertelwellenleitung (Fig.3a und 3b), kann die Änderung der Rückflußdäinpfung über die Bandbreite des Bauteils die Änderung der I ,eistungsverstärkung über diese Bandbreite wirkb am unterdrücken. Daraus folgt, daß die zur Verfügung stehende Ausgangsleistung über den gesamten Frequenzbereich im wesentlichen konstant bleibt. Die Berechnung der angenäherten Rückflußdämpfung kann unter Anwendung der bekannten Leitungstheorie erfolgen. Das Stehwellenverhältnis der Übertragungsleitung ist so, daß die Anordnung der Leitungsdämpfung, gemessen in db, gleich und entgegengesetzt der Anordnung der Verstärkung der Transistoranordnung, gemessen in db, ist.
Die Abstimmung der Viertelwellenleitung am Ende des Frequenzbandes mit höherer Frequenz hat, wie aus F i g. 8 ersichtlich ist, eine mit steigender Frequenz fallende Rückflußdämpfung und eine mit steigender Frequenz zunehmende Leistungsverstärkung zur Folge, wodurch sich eine Transistoranordnung ergibt, welche über die volle Betriebsbandbreite im wesentlichen konstante Ausgangscharakteristik hat.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Transistoranordnung mit mehreren zur Leistungserhöhung bei hohen Frequenzen parallel geschalteten Transistorelementen, ferner mit ersten, zweiten und dritten metallischen Verbindungsbauteilen, an die jeweils gleichnamige Elektroden bzw. aktive Zonen der Transistorelemente angeschaltet sind, und mit LC-Anpaßnetzwerken zwischen einer Signalquelle und den Eingangselektroden der Transistorelemente, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven und passiven Bauelemente der Transisloranordnung auf einem wärmeleitenden, elektrisch isolierenden Halterungsbauteil (22) angeordnet sind, daß die ersten, zweiten und dritten metallischen Verbindungsbauteile mit gegenseitigem Abstand auf dem halterungsbauieil (22) angeordnete erste (12), zweite (17) und dritte (15) metallisierte Flächen sind, von denen die zweite (17) einen den Zwischenbereich zwischen den ersten und dritten metallisierten Flächen überspannenden oder in diesen eingreifenden Abschnitt (67) aufweist; daß die erste aktive Zonen bildenden Kollektorzonen (34) der Transistorelemente (11) mit direktem elektrischem Kontakt an der ersten metallisierten Fläche (12) befestigt sind, daß die LC-Anpaßnetzwerke derart ausgebildet sind, daß mehrere Kondensatorelemente (13; 70) mit jeweils einer ersten ihrer beiden Elektroden unter direktem Kontakt auf dem zwischen oder nächst dem Zwischenbereich zwischen den ersten und dritten metallisierten Flächen liegenden Abschnitt der zweiten metallisierten Fläche (17) angebracht sind, daß ferner die mit den zweiten aktiven Zonen (30) der Transistorelemente verbundenen Eingangselektroden über erste Anschlußelemente (14) mit verteilten Induktivitäten jeweils mit der zweiten Elektrode des zugehörigen Kondensatorelements verbunden sind, daß die zweiten Elektroden der Kondensatorelemente (13; 70) über zweite Anschlußelemente (16) mit verteilten Induktivitäten jeweils an die dritte metallisierte Fläche (15) angeschaltet sind, wobei die Anschlußelemente (14,17) mit den zugehörigen Kondensatorelementen (13; 70) jeweils eine Viertelwellenlängenleitung für die höchste zu übertragende Frequenz bilden, und daß dritte Anschlußelemente (18) zum Verbinden der dritten aktiven Zonen (31) mit der zweiten metallisierten Fläche (17) vorgesehen sind.
2. Transistoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten aktiven Zonen die Basiszonen (30) und die dritten aktiven Zonen die Emitterzonen (31) der Transistorelemente (11) bilden.
3. Transistoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Transistorelemente (11) Zellen eines Mehrzellentransistors (56) sind.
4. Transistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatorelemente (70) MOS-Kondensatoren mit einer auf einer Siliziumscheibe (71) ausgebildeten, gemeinsamen Elektrode sind.
5. Transistoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wärmeleitende, elektrisch isolierende Halbleiterbauteil (22) aus keramischem Material besteht und die ersten (14) und zweiten (16) Anschlußelemente einen induktiven Blindwiderstand haben, der durch
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