KR20210107001A - 무선주파수 전력 증폭기 - Google Patents

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다니엘 그루너
안드레아스 하트만
필리프 데넬러
마르쿠스 라이프
안드레 그레데
안톤 라반크
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코멧 아게
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Abstract

적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하는 무선주파수(RF) 전력 증폭기로서, 적어도 하나의 FET의 소스 단자는 접지에 연결된다. 적어도 하나의 다이오드가 포함되고, 적어도 하나의 다이오드의 캐소드는 적어도 하나의 FET의 드레인 단자에 연결되고, 적어도 하나의 다이오드의 애노드는 접지에 연결된다. 출력 네트워크가 적어도 하나의 FET의 드레인 단자에 연결된다. 입력 네트워크가 적어도 하나의 FET의 게이트 단자에 연결된다.

Description

무선주파수 전력 증폭기
본 발명은 일반적으로 무선주파수(RF) 전력 증폭기, RF 전력 증폭기를 포함하는 발전기 및 RF 전력 증폭기의 출력에 연결되도록 구성된 플라즈마 시스템에 관한 것이다.
RF 전력 증폭기는 플라즈마 툴, 반도체 제조(예컨대, 박막의 증착, 에칭 및 수정), 의료 기기(예컨대, 전기 수술 기기 및 자기 공명 영상(MRI) 기계와 같은 의료 영상 기기), 식품 포장, 상업용 표면 처리 및 코팅을 포함하는 다양한 응용례에서 출력 전력을 제공하는 데 유용하다. RF 전력 증폭기는 적절하게 보호되지 않으면 고장날 수 있는 전력 증폭 모듈의 일부로서 트랜지스터를 포함한다. 본 명세서에서, 무선주파수 에너지의 범위는 300 헤르츠 내지 300 기가헤르츠이다.
트랜지스터에 대한 다수의 고장 메커니즘이 있다. 트랜지스터의 고장은 되돌릴 수 없고 칩에 이차적인 손상을 일으키기 때문에, 트랜지스터가 어떻게 고장이 났는지를 식별하기가 어려울 수 있다. 예를 들어, 전계 효과 트랜지스터의 경우, 게이트와 소스 사이의 전압이 임계 레벨을 초과하면 게이트의 절연 층이 파괴될 수 있다. 이 고장은 매우 빠르게 발생할 수 있지만, 인가된 게이트 전압을 제한함으로써 방지될 수 있다. 다른 고장 메커니즘은 트랜지스터가 열려 있고 전압과 전류가 동시에 공존하면서 이들의 곱이 너무 높을 때, 또는 트랜지스터가 닫혀 있지만 과전압때문에 펀치 스루(punch-through) 또는 애벌런치 항복(avalanche breakdown)이 발생하고 인가된 전압과 애벌런치 전류의 곱이 트랜지스터를 과열시킬 정도로 충분히 높을 때 발생하는 과도한 전력 손실로 인한 트랜지스터의 과열일 수 있다. 이 고장은 열적이며 비교적 느리기 때문에, 증폭기 부하에 대한 빠른 제어 루프 모니터링에 의해 그리고 과열이 발생할 수 있는 것보다 더 빠르게 전력을 감소시킴으로써 방지될 수 있다. 또 다른 고장 메커니즘은 FET 구조에서 기생 바이폴라 접합 트랜지스터를 트리거하는 "스냅 백"이다. 드레인 전압, 드레인 전압 증가율(dV/dt) 및/또는 드레인 전류를 포함하는 스냅 백을 유발하는 조건은 복잡하다. 이 고장 메커니즘은 매우 빠르며 소프트웨어 제어 루프에 의해 방지될 수 없다.
부하 임피던스의 순간적인 부정합(플라즈마의 아크 방전)조차도 RF 전력의 반사를 일으켜, 증폭기에 포함된 트랜지스터에서, 예컨대, FET의 드레인에서 피크 전압이 항복 전압에 도달하거나 이를 초과할 수 있다. 전압의 증가율(dV/dt)은 정합되는 부하에서 작동하는 동안보다 훨씬 더 높을 수 있다. 증폭기 회로는 예를 들어, 에너지를 열로 변환하고 이를 히트싱크로 전달함으로써 항복을 일으키는 과전압을 견디도록 배열된 하나 이상의 고강도 트랜지스터를 포함할 수 있다. 특히 저주파 증폭기에서, 트랜지스터의 이러한 견고성 특성에도 불구하고 종래의 증폭기 회로의 고강도 트랜지스터 중 하나 이상이 파괴되는 몇몇 경우가 있다. 상세한 실험 조사는, 예를 들어, 몇몇 RF 기간 내에 하나 이상의 트랜지스터에 장애가 발생하는 플라즈마에서의 아크 방전 동안, 트랜지스터 드레인에서의 전압이 항복 전압을 초과하고/하거나 전압 증가율(dV/dt)이 정합된 부하로 정상 작동하는 동안보다 몇 배 더 높다는 것을 보여준다. 출력 전력이 높은 FET 기반 증폭기에 대한 다른 세부 조사는, 드레인 전압과 dV/dt가 임계값 아래로 유지되는 경우에도 스냅 백 메커니즘이 트리거될 수 있으며 RF 주기의 절반 동안 FET가 고장날 수 있다는 것을 보여준다.
플라즈마 산업을 위한 전력 RF 발전기는 과열로부터 능동 및 수동 구성요소를 보호하기 위해 적어도 경감(derating) 곡선에 따라 전력을 감소시키는 데 필요한 시간 동안 임의의 부정합된 부하에 대해 전체 출력 전력으로 작동할 수 있을만큼 충분히 견고해야 한다. 발전기가 견뎌야 하는 추가 스트레스는 갑작스런 부정합(예컨대, 플라즈마의 아크)이 발생하는 경우 발전기로 다시 흐르는 정합 네트워크에 축적된 에너지이며, 보통 몇 개의 RF 기간 동안 입사 전력보다 높은 반사율을 초래한다.
이러한 발전기의 고체 상태 증폭기는 전형적으로 VDMOS(Vertically Diffused Metal-Oxide Semiconductor) 또는 LDMOS(Laterally Diffused Metal-Oxide Semiconductor) FET(Field-Effect Transistor)와 같은 전계 효과 트랜지스터로 채워진다. LDMOS-FET는 높은 전력 밀도를 초래하는 낮은 기생 용량 및 열 저항을 갖는다. 전력 LDMOS FET는, RF 전력을 디레이트하고/하거나 정합 네트워크를 튜닝하는 데 필요한 시간 동안 심지어 완전히 오정합된 동작에 의해 야기되는 과전압 및 과전류를 견디도록 의도된 XR(Extra-Rugged)로서 이용가능하다. 몇몇 그러한 증폭기는 단일 종단형 증폭기 구성에 비해 상당한 이점을 제공하는 푸시 풀 증폭기로서 배열된다. 동일한 출력 전력 레벨을 달성하기 위해, 예를 들어, 2개의 트랜지스터들을 갖는 푸시 풀 구성은 2개의 트랜지스터들이 병렬로 연결되는 단일 종단형 증폭기 구성에 비해 4배 더 높은 유리한 임피던스를 갖는다. 이는 손실이 적고 대역폭이 증가한 출력 정합 네트워크의 구현을 가능하게 한다. 또한, 푸시 풀 구성은 본질적으로 우수 고조파 주파수(even harmonic frequencies)에 대한 적절한 종단을 제공하고, 우수 고조파 종단을 위해 더 복잡한 회로가 구현될 필요가 없다.
MOSFET, 특히 LDMOS FET의 중요한 결점은 MOSFET 구조 내의 기생 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 존재이다. 기생 BJT는 통상적으로 폐쇄된다. 트리거되면, MOSFET는 게이트에 의해 더 이상 제어될 수 없고, 공급 전압이 즉시 스위칭 오프되지 않으면 짧은 시간 후에 고장이 난다. 기생 BJT가 트리거될 때 공급 전압을 스위칭 오프하는 것은 일반적으로 가능하지 않다. 기생 BJT를 트리거하는 2개의 공개된 메커니즘이 있다. 하나는 트랜지스터의 허용된 애벌런치 에너지를 초과(전형적으로 XR LDMOS FET의 경우 1 줄(Joule) 초과)하는 심각한 애벌런치 항복 또는 전류가 기생 캐패시턴스를 통해 기생 BJT의 베이스로 흐르게 하는 매우 빠른 스위칭 온(높은 dV/dt)이다.
본 발명자들은 또한 너무 높은 전압도, dV/dt도 RF 전력 증폭기의 트랜지스터들에 인가되지 않은 시간에 몇 개의 RF 주기 이후 심각한 오정합 조건 하에서, 연결된 LDMOS FET, 특히 푸시 풀 증폭기 구성에서의 LDMOS FET의 고장을 관찰하였다.
따라서, 고장 및 손상으로부터 트랜지스터를 보호하는 회로를 포함하는 RF 전력 증폭기를 제공하는 것이 바람직하다. RF 전력 증폭기는 바람직하게는 전력 증폭기의 회로 풋프린트 및 비용을 과도하게 증가시키지 않으면서 이러한 보호 회로를 포함한다. 또한, 본 발명의 다른 바람직한 특징 및 특성은 첨부 도면 및 본 발명의 배경과 함께 취해진 본 발명의 후속하는 상세한 설명 및 첨부된 청구범위로부터 명백해질 것이다.
일 양상에서, 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 적어도 하나의 FET의 각각의 드레인과 접지 사이에 연결된 적어도 하나의 다이오드를 포함하는 무선주파수(RF) 전력 증폭기가 제공된다.
다른 양상에서, 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하는 무선주파수(RF) 전력 증폭기가 제공되며, 적어도 하나의 FET의 소스 단자는 접지에 연결된다. 적어도 하나의 다이오드가 포함되고, 적어도 하나의 다이오드의 캐소드는 적어도 하나의 FET의 드레인 단자에 연결되고, 적어도 하나의 다이오드의 애노드는 접지에 연결된다. 출력 네트워크는 적어도 하나의 FET의 드레인 단자에 연결되고, 입력 네트워크는 적어도 하나의 FET의 게이트 단자에 연결된다.
실시예에서, 제1 다이오드는 제1 FET의 드레인과 접지 사이에 연결되고, 제2 다이오드는 제2 FET의 드레인과 접지 사이에 연결된다. 실시예에서, 제1 및 제2 FET는 푸시 풀 구성으로 연결된다.
실시예에서, 제1 및 제2 FET의 드레인은 수동 정합 네트워크(출력 정합 네트워크)에 의해 연결된다.
본 발명자들은, 소정 동작 조건에서, RF 전력 증폭기 내의 FET의 드레인에서 역방향 전류가 수신된다는 것을 발견하였다. 오정합된 부하의 경우에, 이것은 단일 종단 또는 푸시 풀 FET RF 전력 증폭기에서의 유도성 드레인 부하에 의해 야기될 수 있다. 2개의 FET를 갖는 푸시 풀 구성에서, 제1 FET의 드레인에서의 역방향 전류는 용량성 부하에서 제2 FET에 의해 야기될 수 있다. 이러한 역방향 전류는 바디 영역에서 전하 캐리어의 주입에 의해 수반될 수 있고, 과도한 전압도 과도한 dV/dt도 FET들에 인가되지 않았을 때에도 기생 BJT의 트리거를 가능하게 한다. 다이오드는 드레인과 접지 사이에 배열되고 역방향 전류의 유효 부분 (또는 전부)를 라우팅하는 역할을 하여, 기생 BJT가 트리거될 가능성을 낮추고, 따라서 적어도 하나의 FET를 고장 또는 손상으로부터 보호한다.
실시예에서, RF 전력 증폭기는 100 kHz 내지 200 MHz의 동작 주파수 범위를 갖는다. 실시예에서, RF 전력 증폭기는 최대 100 MHz의 동작 주파수 범위를 갖는다. 추가적인 또는 대안적인 실시예에서, RF 전력 증폭기는 적어도 400 kHz의 동작 주파수 범위를 갖는다.
실시예에서, RF 전력 증폭기는 적어도 100 W의 출력 전력을 갖는다. 실시예에서, RF 전력 증폭기는 적어도 200 W의 출력 전력을 갖는다. 실시예에서, RF 전력 증폭기는 적어도 250 W의 출력 전력을 갖는다.
몇몇 실시예에서, 푸시 풀 구성의 복수의 병렬 FET 쌍들이 RF 전력 증폭기에 포함된다.
실시예에서, FET는 LDMOS(Laterally Diffused Metal-oxide Semiconductor) FET이다.
실시예에서, 다이오드는 실리콘 쇼트키 배리어 다이오드이다. 다른 실시예에서, PN 접합 실리콘 다이오드 또는 GaAs 또는 SiC 또는 GaN 쇼트키 다이오드가 사용된다.
실시예에서, 적어도 2개의 병렬 다이오드가 각각의 FET의 드레인과 접지 사이에 연결된다.
실시예에서, 다이오드 또는 각각의 다이오드의 캐소드는 FET의 드레인에 연결되고, 다이오드 또는 각각의 다이오드의 애노드는 접지에, 직접 또는 양의 전압원을 통해 연결된다. 몇몇 실시예에서, 보호 다이오드의 애노드는 접지에 직접 연결되지 않고, 양의 전압원에 연결되며, 양의 전압원의 음의 단자는 접지에 연결된다.
실시예에서, 적어도 2개의 FET는 동일하지 않은 위상의 게이트 (입력) 신호로써 구동된다. 실시예에서, 적어도 2개의 FET는 위상이 180o 벗어난 게이트 (입력) 신호로써 구동된다.
적어도 2개의 연결된 FET를 포함하는 실시예에서, 적어도 2개의 FET의 소스 단자는 접지에 연결된다.
적어도 2개의 연결된 FET를 포함하는 실시예에서, 변압기는 적어도 2개의 FET의 드레인에 연결되고, 다이오드는 변압기와 적어도 2개의 FET의 드레인 사이의 접지에 연결된다. 즉, 다이오드 중 제1 다이오드의 하나의 단자는 FET 중 하나의 FET의 드레인과 변압기의 제1 단자 사이의 전도체에 연결되고, 다이오드 중 제2 다이오드의 다른 단자는 접지에 연결된다. 다이오드 중 제2 다이오드의 하나의 단자는 FET 중 다른 FET의 드레인과 변압기의 제2 단자 사이의 전도체에 연결되고, 다이오드 중 제2 다이오드의 다른 단자는 접지에 연결된다.
실시예에서, 변압기는 평면 변압기이다. 실시예에서, 변압기의 1차 권선 및 2차 권선은 평면이고, 그들 사이에 적어도 하나의 절연층을 포함하여 서로에 대해 적층된다.
실시예에서, 적어도 하나의 캐패시터는 적어도 2개의 FET의 드레인 사이에 연결된다.
실시예에서, 캐패시터는 적어도 하나의 FET의 각각의 드레인과 접지 사이에 각각 연결된다. 각각의 캐패시터는 접지로의 다이오드의 연결에 대해 병렬로 접지에 연결된다.
실시예에서, 다이오드 또는 다이오드들은 적어도 하나의 FET와 동일한 패키지 내에 통합되거나, FET과 동일한 다이 상에 통합되거나 또는 적어도 하나의 FET의 패키지 또는 다이의 외부에 있다.
실시예에서, RF 증폭기는 예를 들어, 하나의 패키지 내의 2개 이상의 FET, 또는 (예를 들어, 하나의 패키지 내의) 예컨대, 2개의 FET 및 2개의 병렬 FET의 푸시 풀을 포함한다.
실시예에서, 다이오드 또는 다이오드들은, 이들이 적어도 하나의 FET의 바디 다이오드가 아니라는 점에서, 적어도 하나의 FET 구조의 외부에 있다. 그러나, 다이오드는 이전에 설명된 바와 같은 적어도 하나의 FET와 동일한 패키지에 포함될 수 있다.
다른 양상에서, 적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터(FET) 및 적어도 하나의 FET의 각각의 드레인과 접지 사이에 연결된 다이오드를 포함하는 무선주파수(RF) 전력 증폭기, 적어도 하나의 FET에 대한 입력 신호를 생성하도록 구성된 제어 회로, RF 전력 증폭기에 DC 전력을 공급하도록 구성된 DC 전원 장치(예를 들어, AC/DC 변환기), 및 적어도 하나의 RF 전력 증폭기의 증폭된 전력을 출력하도록 구성된 출력부를 포함하는 발전기가 제공된다.
다른 양상에서, 적어도 하나의 전계-효과 트랜지스터(FET) 및 적어도 하나의 FET의 각각의 드레인과 접지 사이에 연결된 다이오드를 포함하는 무선주파수(RF) 전력 증폭기, 적어도 하나의 FET에 대한 입력 신호를 생성하도록 구성된 제어 회로, 전력 증폭기에 DC 전력을 공급하도록 구성된 DC 전원 장치(예를 들어, AC/DC 변환기), 및 적어도 하나의 RF 전력 증폭기의 증폭된 전력을 출력하도록 구성된 출력부를 포함하는 플라즈마 시스템이 제공된다. 플라즈마 시스템은 출력부에 연결되고 출력된 증폭된 전력을 사용하여 플라즈마를 생성하도록 구성된 플라즈마 툴을 더 포함한다.
실시예에서, 플라즈마 툴은 플라즈마 챔버를 포함한다. 실시예에서, 플라즈마 챔버는 플라즈마 생성에 사용하기 위해 처리 가스와 같은 화학적 성분을 공급하기 위한 공급 디바이스를 포함한다. 이러한 플라즈마 툴은 의료 기기(예를 들어, 전기수술 기기 및 의료 영상 기계, 예컨대, 자기 공명 영상(MRI) 기계), 식품 패키징, 상업용 표면 수정 및 코팅 등을 위한 반도체의 제조(예컨대, 박막의 증착, 에칭 및 수정)에 유용하다.
RF 전력 증폭기 양태의 전술한 실시예들은 발전기 및 플라즈마 시스템 양상에 적용가능하다.
이하, 본 발명은 동일한 도면 번호가 동일한 요소를 나타내는 이하의 도면과 함께 설명될 것이다.
도 1은 다양한 실시예에 따라, 푸시 풀 구성으로 연결된 FET 및 보호 다이오드를 포함하는 RF 전력 증폭기의 회로도이다.
도 2는 도 1의 RF 전력 증폭기와 유사하지만 도 3a와 비교하기 위해 보호 다이오드가 없는 RF 전력 증폭기의 게이트 전압, 드레인 전압 및 드레인 전류를 도시하는 그래프이다.
도 3a는 다양한 실시예에 따른, 도 1의 회로의 푸시 풀 구성의 일 측의 게이트 전압, 드레인 전압 및 드레인 전류를 도시하는 그래프이다.
도 3b는 다양한 실시예에 따른, 도 1의 회로에서의 다이오드 전류를 도시하는 그래프이다.
도 4는 다양한 실시예에 따른, 푸시 풀 구성으로 연결된 FET, 보호 다이오드 및 보호 다이오드에 병렬로 연결된 캐패시터를 포함하는 다른 RF 전력 증폭기의 회로도이다.
도 5는 다양한 실시예에 따른, 단일 종단형 FET를 포함하는 또 다른 RF 전력 증폭기의 회로도이다.
도 6은 도 5의 RF 전력 증폭기와 유사하지만 도 7a와 비교하기 위해 보호 다이오드가 없는 RF 전력 증폭기의 게이트 전압, 드레인 전압 및 드레인 전류를 도시하는 그래프이다.
도 7a는 다양한 실시예에 따른, 도 5의 회로의 트랜지스터에 대한 게이트 전압, 드레인 전압 및 드레인 전류를 도시하는 그래프이다.
도 7b는 다양한 실시예에 따른, 도 5의 회로에서의 다이오드 전류를 도시하는 그래프이다.
도 8a는 다양한 실시예에 따른, 보호 다이오드를 포함하는 추가의 RF 전력 증폭기의 회로도이다.
도 8b는 다양한 실시예에 따른, 도 8a의 회로에서의 다이오드 전류를 도시하는 그래프이다.
하기 상세한 설명은 예시적인 것일 뿐이며 본 발명 또는 본 발명의 적용 및 용도를 제한하도록 의도되지 않는다. 또한, 상기 배경 또는 하기 상세한 설명에 제시된 임의의 이론에 의해 제한하고자 하는 것은 아니다.
도 1은 푸시 풀 구성으로 연결된 제1 및 제2 FET(111, 113)를 포함하는 RF 전력 증폭기(10)용 회로의 주요 스케치이다. 입력 네트워크(106)는 신호원(102)의 임피던스를 FET(111, 113)의 게이트의 임피던스와 정합시킨다. 몇몇 실시예에서, 입력 네트워크(106)는 증폭기 회로를 안정화시키고 저항기를 포함한다. 게이트 바이어스 전압은 FET(111, 113)의 바이어스 전류를 제어하기 위해 입력 네트워크(106)를 통해 게이트 바이어스 전압원(104)에 의해 제공된다. 푸시 풀 구성으로 배열된 FET(111, 113)의 드레인은 부하(130)의 임피던스(예를 들어, 동작 동안 플라즈마 챔버의 임피던스)를 FET(111, 113)의 드레인 기준 평면에서의 원하는 임피던스에 정합시키는 출력 네트워크(126)와 연결된다. 언급된 정합 기능을 수행하기 위한 다양한 입력 및 출력 네트워크(106, 126)가 당업계에 알려져 있다. RF 전력 증폭기(10)의 출력부(132)는 부하(130)에 연결가능하다.
본 실시예에서, 회로(10)는 안정화 피드백 회로(112, 114)를 포함한다. 안정화 피드백 회로(112, 114)는 FET(111, 113)의 원치 않는 진동을 방지하기 위해 FET(111, 113)의 증폭을 감소시킨다. 안정화 피드백 회로(112, 114)는 본 실시예에서 직렬로 연결된 저항기 및 캐패시터를 포함하고, FET(111, 113)의 각각의 드레인과 게이트 사이에 각각 연결된다. DC 전원 장치(124)는 출력 네트워크(126)를 통해 FET(111, 113)에 DC 전압을 공급한다. 듀얼 FET가 하나의 패키지에 제공되는 실시예에서, FET(111, 113)의 소스는 접지에 연결된다. 실시예에서, FET(111, 113)는 VDMOS(Vertical-Diffusion Metal-Oxide Semiconductor) FET 또는 LDMOS(Lateral-Diffusion Metal Oxide Semiconductor) FET(종종 Lateral-Diffusion Metal Oxide Semiconductor라고도 함)이다.
실시예에서, RF 전력 증폭기(10)는 제어 회로(140) 및 DC 전원 장치(124)를 포함하는 발전기(100)에 포함된다. 제어 회로(140)는 RF 전력 증폭기(10)에 의해 부하(130)로 출력되는 전력의 감지된 파라미터(예를 들어, 전압 및 전류 또는 입사 및 반사 전력)를 수신하고 이에 응답하여 신호원(102)의 제어 신호 및/또는 DC 전원 장치(124)의 DC 전압을 조정하여 예를 들어, 목표 출력 주파수에서 설정된 출력 전력을 달성하도록 구성된다. 몇몇 실시예에서, 발전기(100)는 DC 전원 장치(124)를 구성하는 AC-DC 변환기를 포함한다. 도 1에 도시되지 않았지만, FET(111, 113)를 포함하는 하나 이상의 회로가 발전기(100)에 포함될 수 있고, 그로부터 전력이 결합될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 발전기(100)의 RF 전력 증폭기(10)는 0.1 MHz 내지 200 MHz의 주파수 범위 및 적어도 100W의 전력 범위에서 전력 출력을 제공하도록 구성된다.
다양한 실시예에 따르면, RF 전력 증폭기(10)는 FET의 각각의 드레인에 연결된 하나의 단자(캐소드) 및 접지에 연결된 다른 단자(애노드)를 갖는 보호 다이오드(160)를 포함한다. 이러한 방식으로, FET(111, 113)에 대한 스냅 백 손상을 촉진할 수 있는 임의의 과도한 역방향 전류는 다이오드(160)의 임계 전압이 초과될 때 접지로 전환된다. 다이오드(160)는 FET(111, 113)의 드레인을 향해 흐르는 충분한 양의 또는 모든 역방향 전류가 접지로 전달되어 FET가 그로부터 보호되도록 하는 특성들을 갖도록 선택된다. 본 실시예에서, 한 쌍의 제1 보호 다이오드(160)는 접지와 FET(111, 113) 중 제1 FET의 드레인과 출력 네트워크(126)를 연결하는 라인 사이에 각각 연결되고, 한 쌍의 제2 보호 다이오드는 접지 및 FET(111, 13) 중 제2 FET의 드레인과 출력 네트워크(126)를 연결하는 라인 사이에서 각각 연결된다. 다른 실시예에서, 2개보다 많은 보호 다이오드(160)가 다이오드의 임피던스의 추가 감소를 위해 및/또는 소산된 전력을 효과적으로 분배하기 위해 FET(111, 113)의 각각의 측에 제공될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 단일 보호 다이오드가 FET(111, 113) 각각에 제공된다.
실시예에서, 전력 쇼트키-배리어 다이오드는 FET(111, 113) 주위에 음의 전류를 전도하기 위해 각각의 FET(111, 113)(캐소드 대 드레인, 애노드 대 소스/접지)에 병렬로 연결되는 보호 다이오드로서 이용된다. 예에서, 보호 다이오드들(160), 예를 들어, 실리콘 쇼트키 배리어 다이오드는 FET(111, 113)의 바디 다이오드들보다 낮은 임계 전압을 갖는다. 다른 실시예에서는 PN 접합 실리콘 다이오드 또는 GaAs 또는 SiC 또는 GaN 쇼트키 다이오드와 같은 다른 유형의 다이오드가 보호 다이오드(160)로서 사용된다.
다양한 실시예에 따르면, FET(111, 113)는 패키지(도시되지 않음)에 포함되고, 보호 다이오드(160)는 그 외부에 연결된다. 패키지는 전자 부품에 내장된 보호 특징부 및 인클로저이다. 패키지는 기계적 손상, 냉각, 무선 주파수 노이즈 방출 및 정전기 방전으로부터의 보호를 고려해야 한다. 예시적인 패키지는 시스템 및 패키지(SAP), 시스템 온 칩(SOC) "온 다이" 및 칩 및 와이어 조립체를 포함한다. 다른 실시예에서, 보호 다이오드(160)는 패키지에 통합된다. 다양한 실시예에서, RF 전력 증폭기(10)의 회로는 FET(111, 113) 및 보호 다이오드(160)가 동일한 다이 상에 포함되도록 회로 보드 상에 제공된다.
도 2는 푸시 풀 구성된 FET(111, 113)의 일 측에 대해 보호 다이오드(160)가 없는 것을 제외하고는 도 1에 도시된 것과 유사한 강한 오정합 하에서 RF 증폭을 위한 회로에서 시간에 대한 게이트 전압(202), 드레인 전압(204) 및 드레인 전류(206)를 도시하는 그래프(200)이다. 부정합 부하의 위상은 FET에 의해 보여지는 용량성 부하를 나타낸다. 푸시 풀 구성된 FET(111, 113)의 다른 측은 동일하지만, RF 기간의 절반만큼 시간상 시프트된다(즉, 위상이 180o 벗어남). 마커 m_A의 시간에, FET(111, 113) 중 하나는 드레인 상에 여전히 약 90V(하드 스위칭)를 가지면서 스위칭 온되어 드레인 전류 피크를 초래한다. 이 전류는 마커 m_B의 시간에 푸시 풀 정합 네트워크(FET(111, 113)의 드레인을 연결하는 수동 네트워크)를 통해 FET(111 및 113) 중 다른 하나로 흐를 수 있다는 것이 관찰되었다. 이러한 음의 또는 역방향 전류는 다른 FET가 스위칭 오프될 때 다른 FET의 채널에 의해 전도된다. 전류는 다른 FET의 바디 다이오드를 통해 계속 흘러서, FET가 스위치 오프되고 드레인 전압이 상승(양의 dV/dt, 그러나 반드시 너무 높지는 않음)하기 직전에 바디 영역이 전하 캐리어에 의해 플러딩되게 한다. 이러한 조건 하에서, 기생 BJT는 트리거될 수 있고, FET 중 적어도 하나는 고장날 수 있다.
도 3a는 도 2의 그래프와 유사한 그래프(210)를 도시하며, 푸시 풀 구성된 FET(111, 113)의 일 측에 대해 도 1에 도시된 것에 따른 RF 증폭을 위한 회로에서 시간에 대한 게이트 전압(212), 드레인 전압(214) 및 드레인 전류(216)를 도시한다. 각각의 FET의 드레인과 접지 사이에 보호 다이오드(160)를 연결함으로써, 다른 FET를 플러딩할 수 있는 음의 전류는 접지로 전환된다. 도 3b에서, 다이오드 전류(222)는 시간에 대해 도시된다. 알 수 있는 바와 같이, 시간 m_B에서의 역방향 전류는 보호 다이오드(160)를 통과하고, 이에 의해 기생 BJT가 쉽게 트리거되게 할 수 있는 조건으로부터 FET(111, 113)를 보호하고, 따라서 FET(111 및 113)를 결과적인 고장으로부터 보호한다.
도 4는 RF 증폭기(310)의 다른 실시예를 도시한다. RF 증폭기(310)는 패키지(304)가 배치되는 회로 보드(302)를 포함한다. 패키지(304)는 제1 및 제2 FET(311, 313)를 포함하며, 이들은 유사하게 구현되고, 그들 각각의 소스 단자에 의해 접지 연결 포인트(306)에 각각 연결된다. 회로 보드(302)는 개략적이며 예시로서 제공된다는 것을 이해해야 한다.
고주파 증폭기 구성(310)을 안정화시키기 위해, 안정화 피드백 회로(312, 314)는 LDMOS FET와 같은 FET(311, 313)의 드레인 단자로부터 게이트 단자로 제공된다. 안정화 피드백 회로(312, 314) 각각은 저항기 및 캐패시터를 갖는 직렬 회로를 포함한다.
FET는 각각 드레인 단자에 의해, 출력 네트워크의 일부인 출력 변압기(320)의 1차 권선(308)의 단부에 연결된다(본 명세서에서 더 설명되지 않음). 출력 변압기(320)의 1차 권선(308)은 DC 전원 장치(348)로부터 FET에 DC 전력을 공급하기 위한 중심 탭(346)을 포함한다. 도 1의 회로의 출력 네트워크(126)는 이와 유사하게 이러한 변압기를 포함할 것이다. 출력 변압기(320)의 2차 권선(322)은 접지(324)에 연결되고, 그것의 다른 단자는 RF 출력부(326)에 연결된다. RF 전력은 RF 출력부(326)를 통해, 예를 들어, 플라즈마 툴과 같은 부하에 직접 또는 예를 들어, 감지 또는 필터 또는 정합 네트워크와 같은 추가 회로에 출력될 수 있다.
FET의 드레인 단자는 각각의 경우에 캐패시터(328, 330)(출력 정합 네트워크의 일부를 형성함)를 통해 접지에 연결된다. 캐패시터(328, 330)는 증폭기의 효율을 증가시키기 위해 우수 고조파 주파수, 특히 제2 고조파 주파수에서 드레인에 의해 경험되는 임피던스를 증가시키는 것을 돕는다. 또한, 캐패시터(332)(또는 병렬의 더 많은 캐패시터)는 (출력 정합 네트워크의 일부로서) 2개의 FET(311, 313)의 2개의 드레인 사이에 연결되어, FET의 드레인 기준 평면에서의 기본 동작 주파수에서 원하는 부하 임피던스를 제공하고, 증폭기의 효율을 증가시키기 위해 기수(odd), 특히 제3 고조파 주파수에서 FET의 드레인에 의해 경험되는 임피던스를 감소시킨다.
실시예에서, RF 증폭기(310)는 RF 신호 입력 단자(340)에 연결되는 1차 권선(336)을 포함하는 입력 변압기(334)를 더 포함한다. 구동 RF 전력은 RF 입력 신호 단자(340)를 통해 RF 증폭기(310)에 제공될 수 있다. 입력 변압기(334)의 2차 권선(338)은 저항 소자(342), 예를 들어, 저항기에 의해 제1 FET(311)의 게이트 단자에 연결된다. 2차 권선(338)은 또한 저항 소자(344), 예를 들어 저항기에 의해 제2 FET(313)의 게이트 단자에 연결된다. 저항 소자(342, 344) 및 입력 변압기(334)는 입력 네트워크의 일부이다. 도 1의 입력 네트워크(106)는 도 4에 도시된 것과 유사한 입력 변압기 및 저항 소자를 포함한다.
도 1과 관련하여 설명된 바와 같이, 몇몇 실시예에서 발전기는 도 4의 RF 전력 증폭기(310)를 포함한다. 실시예에서, 복수의 그러한 전력 증폭기(310)로부터의 출력 전력은 결합된다. 이러한 발전기는 출력부(326) 상의 감지된 전력의 파라미터에 기초하여 원하는 주파수에서 설정 전력을 달성하기 위해 DC 전원 장치(348) 및/또는 RF 신호원(340)을 조정하기 위한 제어 회로를 포함한다.
다양한 실시예에 따르면, 도 4의 RF 전력 증폭기(310)는 제1 및 제2 보호 다이오드(350, 352)를 포함한다. 제1 보호 다이오드(350)는 제1 FET(311)의 드레인 단자와 전력 변압기(320)의 1차 권선(308)의 제1 단자 사이에 위치된 탭핑 포인트에서 접지와 제1 FET(310)의 드레인 단자 사이에 연결된다. 제2 보호 다이오드(352)는 제2 FET(313)의 드레인 단자와 전력 변압기(320)의 1차 권선(308)의 제2 단자 사이에 위치된 탭핑 포인트에서 접지와 제2 FET의 드레인 단자 사이에 연결된다. 보호 다이오드(350, 352)는 역방향 전류(또는 그것의 적어도 유효 부분)를 접지로 전달하는 역할을 하고, 이에 의해 잠재적으로 손상을 주는 조건에 대해 FET(311, 313)를 보호하며, 이에 따라 기생 BJT는 비-과잉 dV/dt 또는 드레인 피크 전압에 의해서도 쉽게 트리거된다.
도 5는 RF 전력 증폭기(10)의 또 다른 실시예를 제공한다. 도 1과 관련하여 사용된 것과 동일한 참조 번호는 동일한 구성요소를 나타내기 위해 포함된다. 도 5의 실시예는 소스 단자가 접지에 접속된 단일 FET(111)를 포함함으로써 도 1의 실시예와 상이하다. 도 5의 실시예에서, 한 쌍의 보호 다이오드(160)는 FET(111)의 드레인 단자와 접지 사이에 서로 병렬로 연결된다. 그러나, 단일 보호 다이오드(160) 또는 2개 이상의 다이오드(160)가 다른 실시예에 포함된다. 복수의 이러한 전력 증폭기(10)는 결합된 출력 전력을 제공하도록 연결가능하다.
도 6은 보호 다이오드(160)가 없는 것을 제외하고는 도 5에 도시된 것과 유사한 RF 증폭을 위한 회로에서 시간에 대한 게이트 전압(402), 드레인 전압(440) 및 드레인 전류(406)를 도시하는 그래프(400)이다. FET(111)는 도 5에 도시된 것과 같은 단일 종단형 트랜지스터 구성에서도 유도성 부하가 있으면 고장날 수 있다는 것이 발견되었다.
도 7a는 도 6의 그래프와 유사한 그래프(410)를 도시하며, 도 5에 도시된 것에 따른 RF 증폭을 위한 회로에서 시간에 대한 게이트 전압(412), 드레인 전압(114) 및 드레인 전류(416)를 도시한다. 이 경우 증폭기는 유도성 드레인 부하를 초래하는 위상과 강하게 오정합된 부하에서 동작한다. 도 6에 비해 드레인 전압(414)의 억제된 음의 부분으로부터 알 수 있는 바와 같이, 다이오드(160)는 푸시 풀 토폴로지 이외의 다른 증폭기 구성에서 FET(111)를 보호할 수 있다. 이러한 역방향 전류의 보호 테이크업은 시간에 대한 보호 다이오드(160)의 다이오드 전류(422)를 도시하는 도 7b의 그래프(420)에 도시되어 있다.
몇몇 실시예에서, 그리고 도 8a를 참조하면, 보호 다이오드(160)의 애노드는 접지에 직접 연결되지 않고 양의 전압원(500)에 연결된다. 이러한 실시예는 보호 다이오드(160)가 바디 다이오드의 PN 접합의 내장 전압보다 높은 내장 전압을 갖는 하나 이상의 병렬 연결된 보호 다이오드(예를 들어, SiC 쇼트키 다이오드)를 포함할 때 특히 유용하다(그러나 배타적인 것은 아님). 전압원(500)은 보호 다이오드(160)의 내장 전압을 보상할 수 있다. 전압원의 음의 단자는 접지에 연결된다. 도 8b는 보호 다이오드(160) 중 제1 보호 다이오드에 대한 도 8a의 회로에서의 다이오드 전류(502) 및 보호 다이오드(160) 중 제2 보호 다이오드의 다이오드 전류(504)를 도시한다. 또한, 도 8b에는 양의 전압원(500)으로부터의 출력 전압(506)이 도시되어 있다.
다양한 실시예에 따르면, 본 명세서에 설명된 발전기 및 전력 증폭기는 플라즈마 툴에 전력을 공급하는 데 유용하다.
적어도 하나의 예시적인 양상이 본 발명의 전술한 상세한 설명에서 제시되었지만, 많은 변형이 존재한다는 것을 알아야 한다. 예시적인 양상 또는 예시적인 양상들은 예일 뿐이며, 본 발명의 범위, 적용가능성, 또는 구성을 어떤 식으로든 제한하도록 의도되지 않는다는 것도 알아야 한다. 오히려, 전술한 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 양상을 구현하기 위한 편리한 로드 맵을 당업자에게 제공할 것이다. 첨부된 청구범위에 제시된 바와 같은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 예시적인 양상에서 설명된 요소의 기능 및 구성에서 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 이해된다.

Claims (15)

  1. 무선주파수(RF) 전력 증폭기로서,
    적어도 하나의 전계 효과 트랜지스터(FET) - 상기 적어도 하나의 FET의 소스 단자는 접지에 연결됨 - 와,
    적어도 하나의 다이오드 - 상기 적어도 하나의 다이오드의 캐소드는 상기 적어도 하나의 FET의 드레인 단자에 연결되고, 상기 적어도 하나의 다이오드의 애노드는 접지에 연결됨 - 와,
    상기 적어도 하나의 FET의 상기 드레인 단자에 연결된 출력 네트워크와,
    상기 적어도 하나의 FET의 게이트 단자에 연결된 입력 네트워크를 포함하는
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 무선주파수(RF) 전력 증폭기는 적어도 2개의 FET를 포함하되,
    상기 적어도 2개의 FET는 동일하지 않은 위상의 입력 신호에 의해 구동되도록 구성되고,
    상기 출력 네트워크는 적어도 하나의 변압기를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 다이오드는 상기 적어도 2개의 FET의 각각의 드레인 단자와 접지 사이에 연결되는,
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 FET는 위상이 180o 벗어난 입력 신호에 의해 구동되도록 구성되는
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 변압기는 평면 변압기인
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다이오드는 양의 전압원을 통해 접지에 연결되는
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 무선주파수(RF) 전력 증폭기는 상기 적어도 하나의 FET의 드레인과 접지 사이에 연결된 적어도 2개의 병렬 다이오드를 포함하는
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 출력 네트워크는 상기 적어도 2개의 FET의 드레인 단자 사이에 연결된 적어도 하나의 캐패시터를 포함하는
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 출력 네트워크는 상기 적어도 하나의 FET의 드레인과 접지 사이에 연결된 적어도 하나의 캐패시터를 포함하는
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 무선주파수(RF) 전력 증폭기는 100kHz 내지 200MHz의 범위 내의 동작 주파수를 갖는
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 무선주파수(RF) 전력 증폭기는 적어도 100W의 출력 전력을 갖는
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다이오드는 쇼트키 배리어 다이오드인
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 FET는 LDMOS(Laterally Diffused Metal Oxide Semiconductor) 반도체 FET인
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 다이오드는 상기 적어도 하나의 FET의 동일한 패키지에 통합되거나 상기 적어도 하나의 FET와 동일한 다이 상에 통합되는
    무선주파수(RF) 전력 증폭기.
  14. 발전기로서,
    적어도 하나의 FET 및 상기 적어도 하나의 FET의 드레인 단자와 접지 사이에 연결된 적어도 하나의 다이오드를 포함하는 무선주파수(RF) 전력 증폭기와,
    상기 적어도 하나의 FET에 대한 입력 신호를 생성하도록 구성된 제어 회로와,
    상기 RF 전력 증폭기에 DC 전력을 공급하도록 구성된 DC 전원 장치와,
    증폭된 RF 전력을 출력하도록 구성된 출력부를 포함하는
    발전기.
  15. 플라즈마 시스템으로서,
    발전기를 포함하되,
    상기 발전기는,
    적어도 하나의 FET 및 상기 적어도 하나의 FET의 드레인 단자와 접지 사이에 연결된 적어도 하나의 다이오드를 포함하는 무선주파수(RF) 전력 증폭기와,
    상기 적어도 하나의 FET에 대한 입력 신호를 생성하도록 구성된 제어 회로와,
    상기 RF 전력 증폭기에 DC 전력을 공급하도록 구성된 DC 전원 장치와,
    증폭된 RF 전력을 출력하도록 구성된 출력부와,
    상기 출력부에 연결되고 상기 증폭된 RF 전력을 사용하여 플라즈마를 생성하도록 구성된 플라즈마 툴을 포함하는
    플라즈마 시스템.
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