DE3632944C2 - Hochfrequenz-Leistungstransistor mit abgleichbarem Anpassungsnetzwerk - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Leistungstransistor gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Es sind Leistungstransistoren für hohe Frequenzen be­ kannt, die zur besseren Anpassung an die Eingangs- und eventuell auch Ausgangskreise mit Transformations­ gliedern ausgestattet sind, die unmittelbar neben dem Chip im Transistorgehäuse untergebracht sind. Die An­ passung dieser bekannten Leistungstransistoren ist verhältnismäßig aufwendig und oftmals auch nur in Ver­ bindung mit dem jeweils zugehörigen Gehäuse in der ge­ wünschten Weise wirksam.

In dem Artikel von H. Yuan et al., "A 2-Watt X-Band Silicon Power Transistor", in: IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-25, No. 6. June 1978, Seiten 731 bis 736, wird ein Hochfrequenz-Leistungstransistor offenbart. Abgleichkomponenten sind auf einem zweiten, neben dem eigentlichen Transistorchip angeordneten Chip angeordnet und durch externe Bonddrähte mit diesem verbunden. Keines dieser Elemente kann jedoch für einen nachträglichen Abgleich herangezogen werden. In dem Artikel von D. D. Tang et al., "Subnanosecond Self-Aligned I² L/MTL Circuits", in: IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-27, No. 8., August 1980, Seiten 1379 bis 1384, wird ein selbstjustierendes Herstellungsverfahren für integrierte Schaltkreise beschrieben, das jedoch nicht integrierte Abgleichskomponenten einschließt. Der EP 01 58 550 B1 ist ein Hochfrequenz-Leistungstransistor mit induktiven und kapazitiven Komponenten entnehmbar. Hierbei ist mindestens eine der Komponenten veränderbar in dem Sinne, daß das Layout der Komponente verändert wird, ein Abgleich eines einzelnen Bauelements nach der Herstellung ist nicht vorgesehen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Hochfrequenz-Leistungstransistor zu schaffen, bei dem die zur Anpassung erforderlichen Komponenten auf dem Halbleiterchip selbst monolithisch integriert sind, wodurch sich eine erheblich günstigere Fertigung er­ gibt. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Um breitbandig anzupassen, sind die Komponenten mit Verlusten zu versehen, was mittels der Quadratwider­ stände von Leiterbahnen und/oder Diffusionszonen leicht und definiert über die Geometrien im Halbleiter-Layout möglich ist.

Es ist vorgesehen, mindestens eine der Komponenten der Transformationsglieder - Induktivitäten, Kondensatoren und Leitungen mit Induktivitäts- und Kapazitätsbelag - abgleichbar bzw. auch programmierbar auszuführen, um so mindestens eine der Komponenten noch nach der Herstellung der Wafer auf mehr als einen Frequenzbereich abzustim­ men. Durch Metallbrücken, die mittels Strom- oder Laser­ impulsen zu verdampfen sind, lassen sich Induktions­ schleifen öffnen oder auch Teilkapazitäten abtrennen. Bei Kondensatoren ist ferner vorgesehen, diese mindestens teilweise mittels Sperrschichtkapazitäten zu realisieren und falls erforderlich mittels einer überlagerten vari­ ablen Gleichspannung reversibel zu verändern. Diese Gleichspannung kann aus einem geeigneten Regelkreis ge­ wonnen werden, wodurch sich ein selbstoptimierendes System darstellen läßt, welches eine Optimierung der Anpassung vornimmt.

Die kapazitiven Komponenten können mittels MOS- oder MIS-Kondensatoren dargestellt werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, diese Komponenten in Form eines Sandwiches aus mehreren übereinanderliegenden Diffusions- und/oder Leiterbahn- und/oder Isolationsebenen zu bilden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Schaltung eines Hochfrequenz-Leistungs­ transistors aus mehreren Transistorelementen, bei dem die Erfindung anwendbar ist,

Fig. 2 eine schematische Zusammenfassung der Schaltung von Fig. 1,

Fig. 3 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Leistungs­ transistors mit einem Transformationsglied,

Fig. 4 eine Ausführung eines induktiven Transforma­ tionsgliedes bzw. einer Abgleichkomponente,

Fig. 5 bis 7 Querschnitte durch abgleichbare Komponenten für erfindungsgemäße Hochfrequenz-Leistungstransistoren und

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Leistungstransistors.

Fig. 1 zeigt die Zusammenschaltung eines Hochfrequenz- Leistungstransistors aus einzelnen Transistorelementen 11, 12, 13, ... 1n, von denen jedes Element im Emitter einen Reihenwiderstand 21, 22, 23, ... 2n zur Stabi­ lisierung der Stromverteilung enthält. Weiterhin ist der Emitteranschluß 3, der Basisanschluß 4 und der Kollektoranschluß 5 dargestellt.

Fig. 2 stellt die Zusammenfassung der in Fig. 1 dar­ gestellten Schaltung zu einem Hochfrequenz-Leistungs­ transistor 1 dar. Die Reihenwiderstände im Emitter sind hier als Reihenwiderstand 2 zusammengefaßt. Weitere Details des Hochfrequenz-Ersatzschaltbildes sind hier nicht dargestellt, wobei jedoch darauf hingewiesen wird, daß die zwischen denAnschlüssen 4 und 3 bzw. 5 und 3 er­ scheinenden Widerstände (Eingangswiderstand bzw. Aus­ gangswiderstand) relativ klein, komplex und frequenz­ abhängig sind. Zur Transformation dieser Widerstände stehen die in der Nachrichtentechnik bekannten Mittel wie Induktivitäten, Kondensatoren, Widerstände, Trans­ formatoren und ihre Verknüpfungen zur Verfügung.

Bei der in Fig. 3 dargestellten Schaltungsanordnung ist zwischen dem Transistor 1 und dem Basisanschluß 4 das Transformationsglied 41 geschaltet, welches über den Anschlußfleck 31 und dem Bonddraht 310 ebenfalls an Gerätemasse 33 liegt. Ist die Verbindung 31-33 hin­ reichend niederohmig, so kann über die Verbindung 34-35 das weitere Transformationsglied 51 mit Gerätemasse 33 verbunden werden, und es kann der Anschlußfleck 32 entfallen. Ein Bonddraht 30 bildet die elektrische Ver­ bindung zwischen Emitteranschluß 3 und Gerätemasse 33.

Die Fig. 4 bis 7 zeigen die Darstellung verschiedener Komponenten von Transformationsgliedern, wovon Fig. 4 eine Induktivität 460 zeigt, die mittels einer Metall­ brücke 463 überbrückt ist. Die Metallbrücke 463 kann mittels eines Laserstrahls etwa beim Waferproben ent­ fernt werden, so daß die Induktivität 460 im Leitungs­ zug von 461 nach 462 wirksam ist. Bei vorgegebener Metallisierung wird die Güte dieser Induktivität über die Leiterbahnbreite bestimmt. Da der Hochfrequenz- Leistungstransistor auf einen an Masse liegenden Me­ tallkörper bzw. Kühlkörper auflegiert oder aufgelötet ist, ist diese Induktivität streng genommen eine Leitung, deren Gegenelektrode im Abstand von ca. 100 µm (Standard- Hochfrequenz-Transistor) bzw. 300 bis 500 µm (Hoch­ frequenz-Transistor in monolithisch integrierter Tech­ nik) verläuft. Dagegen sind elektrische Verbindungen, die im eigentlichen Sinne als Leitungen angesprochen werden können, nur dann gegeben, wenn die Gegenelektrode im Silizium bzw. Halbleiter unmittelbar unter der Oberflächenpassivierung also etwa unter einem ca. 1 µm dickem Oxid liegt.

In Fig. 5 ist ein MOS- bzw. MIS-Kondensator darge­ stellt, wie er in Fig. 8 als Kondensator 42 mit dem Reihenverlustwiderstand 43 eingesetzt ist. Der Aufbau erfolgt hier in monolithisch integrierter Technik, die größere Chipdicken erlaubt sowie hochohmiges Substrat und deshalb besonders vorteilhaft ist. Gezeigt sind das sehr schwach (p) dotierte Substrat 700, eine vergrabene Schicht (Buried-Layer) 701 - die auch als Leitschicht bezeichnet werden kann -, die auf dem Substrat abgeschiedene Epitaxieschicht 702, die Isolierungsdiffusion 703, die Kollektoran­ schlußdiffusion (sinker) 704, das Feldoxid 707, das Dielektrikum 708 des Kondensators 42, dessen Elektroden durch die Metallisierungen 710 und 711 gebildet sind. Ist das Dielektrikum 708 als dünnes Oxid ausgebildet, dann handelt es sich um einen MOS-Kondensator, ist das Dielektrikum als Nitrid oder als anderes Dielektrikum ausgebildet, dann handelt es sich um einen MIS-Konden­ sator. Der Verlustwiderstand 43 entsteht durch die parallel geschalteten Quadratwiderstände von Kollektor­ anschlußdiffusion 704 und Buried-Layer 701 etwa zwischen dem punktiert abgegrenzten Bereich. Soll die Güte des Kondensators 42 vergrößert werden, so ist bei gleicher Gesamtfläche die Länge des Widerstandsbereichs zu ver­ kürzen und dafür die Breite zu vergrößern. Ebenso könnte die Diffusion 701 entfernt werden bzw. umge­ kehrt die Emitterdiffusion 706 zusätzlich eingebracht werden.

Die Fig. 6 und 7 zeigen Sperrschichtkondensatoren, wobei Fig. 6 den unipolaren und Fig. 7 den aus zwei gegeneinander geschalteten Dioden bestehenden bipolaren Sperrschichtkondensator zeigt.

In Fig. 6 wird eine Elektrode durch die Isolierungs­ diffusion 703 (p+), die andere durch die Diffusion 704 (n+) gebildet. Mit Bezugszahlen 712 und 713 sind die entsprechenden Anschlüsse gekennzeichnet.

In Fig. 7 wird die eine Elektrode mit dem Anschluß 714 durch die Diffusion 703 (p+), die Gegenelektrode durch die Diffusionen 704, 701 und die entgegengesetzt gepolte durch die Diffusionen 704, 701 und 703 zum Anschluß 715 verbunden. Die in der Mitte liegende Elektrode (n+) ist über den Anschluß 716 herausgeführt, um über eine variable Gleichspannung mit dem Pluspol am An­ schluß 716 die Kapazität des Kondensators verändern zu können.

In Fig. 8 ist ein Anwendungsbeispiel dargestellt. Das eingangsseitige Transformationsglied 41 besteht aus dem bereits bekannten MOS-Kondensator 42 mit Ver­ lustwiderstand 43 sowie dem bipolaren veränderbaren Kondensator 44, 45, dessen Mittelelektrode 716 über den Siebwiderstand 60 mit Siebkondensator 62 über den An­ schluß 61, und Draht 610 zur Geräteklemme 611 eines Regelkreises geführt ist. Eine Induktivität 46 ist zwischen Kondensator 42 und der Basis des Transistors 1 angeordnet. Auf der Kollektorseite ist ein verlust­ armer Kondensator 52 vorhanden, der wegen des großen Stroms über den gesonderten Anschluß 32 und die Ver­ bindung 320 mit Masse 33 verbunden ist.

Claims (5)

1. Hochfrequenz-Leistungstransistor mit induktiven und/oder kapazitiven Komponenten zur Anpassung seines komplexen Eingangs- und/oder Ausgangswiderstands an die äußere Schaltung, dadurch gekennzeichnet, daß die induktiven und/oder kapazitiven Komponenten auf einem Chip mit dem Transistor integriert sind und daß mindestens eine der Komponenten nach der Herstellung der Wafer abgleichbar ist.

2. Hochfrequenz-Leistungstransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine induktive Komponente (460) durch Öffnen mindestens einer Metallbrücke (463) irreversibel abgleichbar ist.

3. Hochfrequenz-Leistungstransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine kapazitive Komponente als Sperrschichtkondensator (44, 45) ausgebildet ist, daß die Kapazität des Sperrschichtkondensators (44, 45) mittels einer variablen Vorspannung reversibel abgleichbar ist und daß die Vorspannung aus einem Regelsystem aus elektrischen Kenngrößen eines Leistungsverstärkers gewonnen wird.

4. Hochfrequenz-Leistungstransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine kapazitive Komponente durch Öffnung einer Metallbrücke irreversibel abgleichbar ist.

5. Hochfrequenz-Leistungstransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Güte der für die Anpassung erforderlichen Komponenten aufgrund der Quadratwiderstände von Leiterbahnstruktur und/oder Diffusionszonen mittels ihrer Geometrie im Layout eingestellt ist.