RU2054756C1

RU2054756C1 - High-power s h f transistor (versions)

Info

Publication number: RU2054756C1
Application number: RU92014485/25A
Authority: RU
Inventors: В.Л. Аронов; А.С. Евстигнеев; Г.В. Евстигнеева; Е.О. Русаков; В.И. Диковский
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью НПО "Вариация"
Priority date: 1992-12-25
Filing date: 1992-12-25
Publication date: 1996-02-20

Abstract

FIELD: electronics. SUBSTANCE: high-power SHF transistor includes row of semiconductor crystals with transistor structures placed on metal flange of package - common lead-out of collector or drain electrodes of transistor structures, first lead-out of transistor, second and third leads-out of transistor corresponding to second and third electrodes of transistor structures and arranged on both sides of flange of package. Second lead-out of transistor is connected by row of connecting conductors to second electrodes of transistor structures. There is strip line positioned between third lead-out of transistor and row of semiconductor crystals and in parallel to the latter divided by gaps into equal sections interconnected by resistors. Each section of strip line is linked by connecting conductors to third lead-out of transistor and to third electrodes of opposite transistor structures. It has length less than half-length of wave of electromagnetic oscillations in line on upper frequency of working range. Each resistor has resistance value equal to (0.2-5.0) • XL where XL is inductive resistance of conductors connecting line section to third lead-out of transistor on central frequency of working range. In accordance with second version high-power SHF transistor has two strip lines arranged on both sides of row of semiconductor crystals in parallel to it. EFFECT: increased output power and efficiency of transistor. 4 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой электронике. The invention relates to semiconductor electronics.

Известен СВЧ-транзистор, в котором два мощных транзистора расположены внутри одного корпуса, но полностью изолированы друг от друга [1] Он позволяет получить удвоенную мощность по отношению к мощности каждой его половины путем сложения мощности с push-pull-схеме, для реализации которой необходимы специальные для сдвига фазы сигнала, подаваемого на одну половину транзистора, на 180^о по отношению к сигналу, подаваемому на другую его половину, что требует дополнительных аппаратурных затрат для достижения высокой выходной мощности и, как следствие, дополнительно приводит к снижению надежности.A known microwave transistor in which two powerful transistors are located inside the same housing, but are completely isolated from each other [1] It allows you to get double the power in relation to the power of each half by adding power to the push-pull-circuit, for the implementation of which are necessary special for phase shift of the signal supplied to one half of the transistor by 180 ^° with respect to the signal supplied to the other half, which requires additional hardware costs to achieve high output power and, as a result e, additionally leads to a decrease in reliability.

Известен мощный СВЧ-транзистор [2] содержащий ряд транзисторных кристаллов с транзисторными структурами, размещенных на фланце корпуса, являющемся выводом коллектора (таким образом, коллектор является общим выводом транзистора), выводы эмиттера и базы, расположенные по обе стороны от фланца корпуса и соединенные радами соединительных проводников с одноименными электродами транзисторных структур. Данный транзистор принят за прототип. Known powerful microwave transistor [2] containing a series of transistor crystals with transistor structures located on the flange of the housing, which is the output of the collector (thus, the collector is the common output of the transistor), the findings of the emitter and base, located on both sides of the flange of the housing and connected connecting conductors with the same electrodes of transistor structures. This transistor is taken as a prototype.

К недостаткам прототипа следует отнести невозможность получения требуемой выходной мощности, так как экспериментально установлено, что при увеличении в ряду числа кристаллов, начиная с четырех-пяти кристаллов в ряду, в транзисторе возникают поперечные паразитные колебания на рабочей частоте, что принципиально ограничивает простое наращивание числа кристаллов в ряду. The disadvantages of the prototype include the impossibility of obtaining the required output power, since it was experimentally established that when the number of crystals increases, starting from four to five crystals in a row, transverse stray oscillations occur at the operating frequency in the transistor, which essentially limits the simple increase in the number of crystals in a row.

Техническим результатом, на достижение которого направлены оба варианта изобретения, является повышение выходной мощности и КПД транзистора. The technical result, to which both versions of the invention are directed, is to increase the output power and efficiency of the transistor.

Указанный технический результат по первому варианту достигается тем, что мощный СВЧ-транзистор, содержащий ряд полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами, размещенных на металлическом фланце корпуса общем выводе коллекторных или стоковых электродов транзисторных структур, первом выводе транзистора, второй и третий выводы транзистора, соответствующие второму и третьему электродам транзисторных структур и расположенные по обе стороны от фланца корпуса, причем второй вывод транзистора соединен рядом соединительных проводников с вторыми электродами транзисторных структур, дополнительно содержит полосковую линию, расположенную между третьим выводом транзистора и рядом полупроводниковых кристаллов параллельно последнему и разделенную зазорами на равные отрезки, соединенные между собой резисторами, при этом каждый отрезок полосковой линии соединен соединительными проводниками с третьим выводом транзистора и с третьими электродами противолежащих транзисторных структур и выполнен длиной, меньшей половины длины волны электромагнитных колебаний в линии на верхней частоте рабочего диапазона, а каждый регистр выполнен с величиной сопротивления, равной (0,2-5) · X_L, где X_L индуктивное сопротивление проводников, соединяющих отрезок линии с третьим выводом транзистора, на средней частоте рабочего диапазона.The specified technical result according to the first embodiment is achieved by the fact that a powerful microwave transistor containing a series of semiconductor crystals with transistor structures located on the metal flange of the housing of the common terminal of the collector or drain electrodes of the transistor structures, the first terminal of the transistor, the second and third terminals of the transistor, corresponding to the second and the third electrodes of transistor structures and located on both sides of the housing flange, the second transistor terminal being connected by a series of connecting wires of water conductors with second electrodes of transistor structures, additionally contains a strip line located between the third output of the transistor and a series of semiconductor crystals parallel to the last and divided by gaps into equal segments interconnected by resistors, each segment of the strip line being connected by connecting conductors to the third output of the transistor and to the third electrodes of the opposite transistor structures and is made with a length less than half the wavelength of electromagnetic waves in inii at the upper frequency operating range, and each register is adapted resistance value equal to (0,2-5) · X _L, wherein the inductive reactance X _L conductors connecting line segment to a third terminal of the transistor, on a center frequency of the working range.

Указанный технический результат, а также дополнительный технический результат, заключающийся в обеспечении усиления СВЧ-мощности с малой обратной связью транзисторами, выполненными с металлическим фланцем, являющимся общим коллекторным или стоковым выводом, достигаются также тем, что мощный СВЧ-транзистор содержит дополнительный вывод, расположенный со стороны второго вывода транзистора симметрично относительно оси симметрии транзистора и соединенный соединительными проводниками с третьими электродами транзисторных структур. The specified technical result, as well as an additional technical result, which is to provide amplification of microwave power with low feedback transistors made with a metal flange, which is a common collector or drain output, are also achieved by the fact that a powerful microwave transistor contains an additional output located with the side of the second output of the transistor is symmetrical about the axis of symmetry of the transistor and connected by connecting conductors to the third electrodes of the transistor structures.

Указанный технический результат по второму варианту достигается тем, что мощный СВЧ-транзистор, содержащий ряд полупроводниковых кристаллов с транзисторными структурами, размещенных на металлическом фланце корпуса общем выводе коллекторных или стоковых электродов транзисторных структур, первом выводе транзистора, второй и третий выводы транзистора, соответствующие электродам транзисторных структур и расположенные по обе стороны от фланца корпуса, и ряды соединительных проводников, дополнительно содержит две полосковые линии, расположенные по обе стороны от ряда полупроводниковых кристаллов параллельно ему, разделенные зазорами на равные отрезки, соединенные между собой резисторами, при этом каждый отрезок полосковой линии соединен соединительными проводниками с ближайшим к ней выводом транзистора и с соответствующими электродами противолежащих транзисторных структур одного или нескольких кристаллов и выполнен длиной, меньшей половины длины волны электромагнитных колебаний в линии на верхней частоте рабочего диапазона, а каждый резистор выполнен с величиной сопротивления, равной (0,2-5) · X_L, где X_L индуктивное сопротивление проводников, соединяющих отрезок линии с выводом транзистора, на средней частоте рабочего диапазона.The specified technical result according to the second embodiment is achieved by the fact that a powerful microwave transistor containing a series of semiconductor crystals with transistor structures located on the metal flange of the housing of the common terminal of the collector or drain electrodes of the transistor structures, the first terminal of the transistor, the second and third terminals of the transistor corresponding to the transistor electrodes structures and located on both sides of the housing flange, and the rows of connecting conductors, additionally contains two strip lines, laid on both sides of a series of semiconductor crystals parallel to it, separated by gaps into equal segments connected by resistors, each segment of the strip line being connected by connecting conductors to the transistor output nearest to it and to the corresponding electrodes of the opposite transistor structures of one or more crystals and made less than half the wavelength of electromagnetic waves in the line at the upper frequency of the operating range, and each resistor is made with values th resistance equal (0,2-5) · X _L, wherein the inductive reactance X _L conductors connecting line segment from the transistor output at an average frequency of the operating range.

На фиг. 1 представлена в плане конструкция предложенного мощного СВЧ-транзистора, выполненного согласно первому варианту; на фиг. 2 конструкция транзистора, выполненного согласно второму варианту. In FIG. 1 shows in plan the design of the proposed high-power microwave transistor made in accordance with the first embodiment; in FIG. 2 design of a transistor made in accordance with a second embodiment.

Предложенный мощный СВЧ-транзистор, выполненный по первому и второму вариантам (фиг. 1 и 2), содержит полупроводниковые кристаллы 1, а именно транзисторные кристаллы, металлический теплоотвод (фланец) 2 корпуса, являющийся выводом коллекторных или стоковых электродов транзисторных структур, первый вывод транзистора, второй 3 и третий 4 выводы транзистора, ряды 5 и 12 соединительных проводников, отрезки 6 равной длины полосковой линии 7, резисторы 8, вторые 9 и третьи 10 электроды транзисторных структур 11 транзисторных кристаллов 1, дополнительный вывод 13 (фиг. 3) транзистора. The proposed powerful microwave transistor, made according to the first and second options (Fig. 1 and 2), contains semiconductor crystals 1, namely transistor crystals, a metal heat sink (flange) 2 of the housing, which is the output of collector or drain electrodes of transistor structures, the first output of the transistor , the second 3 and third 4 transistor leads, rows 5 and 12 of the connecting conductors, segments 6 of equal length of the strip line 7, resistors 8, second 9 and third 10 electrodes of transistor structures 11 of transistor crystals 1, additional pin 13 (FIG. 3) of the transistor.

Согласно первому варианту (фиг. 1) транзисторные кристаллы 1 с транзисторными структурами 11 размещены непосредственно на металлическом теплоотводе (фланце) 2 корпуса, таким образом, коллекторы транзисторных структур 11 электрически объединены и коллектор является общим электродом. Электроды 9 (например, эмиттеры) транзисторных структур 11 с помощью ряда 5 проводников подсоединены к второму выводу 3 транзистора. Электроды 10 (в рассматриваемом примере базы) транзисторных структур 11 транзисторных кристаллов 1 (одного или нескольких) с помощью ряда 5 проводников подсоединены к противолежащему отрезку 6 полосковой линии 7, расположенной вдоль ряда транзисторных кристаллов 1, параллельно ему. Ряд 12 параллельных проводников соединяет также отрезок 6 полосковой линии 7 с третьим выводом 4 транзистора. На краях отрезков 6 полосковой линии 7 расположены резисторы 8 (например, пленочные нихромовые на кремниевой подложке). Одна контактная площадка резистора 8 соединена с его подложкой, а другая контактная площадка используется для сборки, связывающей отрезки 6 равной длины линии 7. Таким образом, сопротивление, включенное между отрезками 6 линии 7, равно удвоенному сопротивлению резистора 8. Дополнительный вывод 13 (фиг. 3) позволяет реализовать усилительный режим с малой обратной связью в схемах со взвешенным источником сигнала за счет разделения входных и выходных цепей (фиг. 4 и 5). According to the first embodiment (Fig. 1), transistor crystals 1 with transistor structures 11 are placed directly on the metal heat sink (flange) 2 of the housing, so the collectors of the transistor structures 11 are electrically combined and the collector is a common electrode. The electrodes 9 (for example, emitters) of the transistor structures 11 are connected to the second terminal 3 of the transistor using a series of 5 conductors. The electrodes 10 (in this example, the base) of the transistor structures 11 of the transistor crystals 1 (one or more) using a number of 5 conductors are connected to the opposite segment 6 of the strip line 7 located along the series of transistor crystals 1, parallel to it. A row of 12 parallel conductors also connects the segment 6 of the strip line 7 with the third terminal 4 of the transistor. At the edges of the segments 6 of the strip line 7 are resistors 8 (for example, film nichrome on a silicon substrate). One contact pad of resistor 8 is connected to its substrate, and the other contact pad is used for an assembly connecting segments 6 of equal length to line 7. Thus, the resistance included between segments 6 of line 7 is equal to twice the resistance of resistor 8. Additional output 13 (Fig. 3) allows you to implement an amplification mode with low feedback in circuits with a weighted signal source due to the separation of input and output circuits (Fig. 4 and 5).

Размер транзисторного кристалла 1 1,6 х 0,6 мм. Длина отрезка 6 полосковой линии определяется в основном емкостью коллектор-база транзисторных кристаллов 1, которая в рассматриваемом случае равна 9 пФ на один кристалл (при напряжении коллектор-база 28 В) и составляет 4,5 пФ/мм, в отличие от погонной емкости 0,16 пФ/мм, обусловленной диэлектрической проницаемостью (9,6) и геометрическими размерами полосковой линии 7. Это приводит к эффекту укорочения длины волны в линии примерно в десять раз по сравнению со свободным пространством. The size of the transistor crystal is 1.6 x 0.6 mm. The length of segment 6 of the strip line is determined mainly by the collector-base capacity of transistor crystals 1, which in the case under consideration is 9 pF per crystal (at a collector-base voltage of 28 V) and is 4.5 pF / mm, in contrast to linear capacitance 0 , 16 pF / mm, due to the dielectric constant (9.6) and the geometrical dimensions of the strip line 7. This leads to the effect of shortening the wavelength in the line by about ten times compared with free space.

Подключение к линии транзисторных кристаллов приводит к увеличению погонной емкости линии:
C

+

где ε относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика линии;
W ширина линии;
h толщина диэлектрика линии;
С_кр емкость кристаллов, подсоединенных на длине отрезка линии l.Connection to the line of transistor crystals leads to an increase in the linear capacitance of the line:
C

+

where ε is the relative dielectric constant of the line dielectric;
W line width;
h is the thickness of the dielectric line;
With _{cr the} capacitance of crystals connected on the length of the line segment l.

Оценить укорочение длины волны в линии такой конструкции можно с помощью теории микрополосковых линий, где в качестве диэлектрической проницаемости линии использовано ее эквивалентное значение для данной конструкции:
ε_экв=

ε+

•

Коэффициент укорочения длины волны в линии равен

В конкретном случае присоединения к линии со следующими параметрами ε 10, W 1,8 мм и h 0,5 мм электродов базы с емкостью порядка 9 пФ на один кристалл вдоль отрезка линии с l 4 мм размещаются два кристалла, ε_экв 10 + 138 148.The shortening of the wavelength in the lines of such a structure can be estimated using the theory of microstrip lines, where its equivalent value for the given structure was used as the dielectric constant of the line:
ε _equiv =

ε +

•

The coefficient of shortening the wavelength in the line is

In the specific case of connecting to a line with the following parameters ε 10, W 1.8 mm and h 0.5 mm base electrodes with a capacitance of the order of 9 pF per crystal, two crystals are placed along a line segment with l 4 mm, ε _equiv 10 + 138 148 .

Транзистор предназначен для работы в диапазоне частот 0,9-2,5 ГГц. На верхней границе диапазона частот отрезок линии 4 мм соответствует электрической длине линии 0,33 ·λ (λ длина волны). The transistor is designed to operate in the frequency range 0.9-2.5 GHz. At the upper boundary of the frequency range, a line segment of 4 mm corresponds to an electric line length of 0.33 · λ (λ wavelength).

При объединении в секцию трех кристаллов 1 отрезок 6 линии 7 на верхней частоте составляет половину длины волны. Общая длина полосковой линии 7 (для шести кристаллов) составляет 0,33 λ· 3 λ, и как выяснилось экспериментально, может представлять собой резонатор, способный возбуждаться на рабочей частоте в поперечном направлении (направлении, перпендикулярном движению мощности), что приводит к потере выходной мощности, а также к выходу транзистора из строя. Именно для устранения этого эффекта линия 7 была разбита на равные отрезки 6, в которые включены резисторы 8, задача которых внести активные потери в резонатор. Наибольший эффект получается, когда достигается минимальная добротность "поперечного" резонатора. Для этого величину резистора 8 выбирают по порядку величины равной 0,2-5 измеренного индуктивного сопротивления ряда 12 проводников на средней частоте рабочего диапазона, так как эти индуктивности включены параллельно резисторам 8 (для токов, текущих в "поперечном" направлении). When combining into a section of three crystals 1, segment 6 of line 7 at the upper frequency is half the wavelength. The total length of the strip line 7 (for six crystals) is 0.33 λ · 3 λ, and as it turned out experimentally, it can be a resonator that can be excited at the working frequency in the transverse direction (direction perpendicular to the power movement), which leads to a loss of output power, as well as the output of the transistor. To eliminate this effect, line 7 was divided into equal segments 6, which included resistors 8, whose task is to introduce active losses into the resonator. The greatest effect is obtained when the minimum quality factor of the "transverse" resonator is achieved. For this, the value of the resistor 8 is selected in order of magnitude equal to 0.2-5 of the measured inductance of a number of 12 conductors at the middle frequency of the operating range, since these inductors are connected in parallel with the resistors 8 (for currents flowing in the "transverse" direction).

На фиг. 2 транзисторные кристаллы 1 с транзисторными структурами 11 размещены непосредственно на металлическом теплоотводе (фланце) 2 корпуса, являющемся общим выводом коллектора транзисторных структур (первый вывод транзистора). Второй 3 и третий 4 выводы транзистора, расположенные по обе стороны от фланца 2 корпуса, соединены с помощью рядов 12 соединительных проводников с отрезками 6 каждой из полосковых линий 7 соответственно. Отрезки 6 равной длины каждой из полосковых линий 7, расположенных по обе стороны от ряда транзисторных кристаллов 1 параллельно ему, соединены также соединительными проводниками 5 с соответствующими электродами 9, 10 (одноименными с выводом транзистора) противолежащих транзисторных структур 11. In FIG. 2 transistor crystals 1 with transistor structures 11 are located directly on the metal heat sink (flange) 2 of the housing, which is the common output of the collector of transistor structures (first output of the transistor). The second 3 and third 4 terminals of the transistor, located on both sides of the flange 2 of the housing, are connected using rows 12 of connecting conductors with segments 6 of each of the strip lines 7, respectively. Segments 6 of equal length of each of the strip lines 7, located on both sides of the row of transistor crystals 1 parallel to it, are also connected by connecting conductors 5 to the corresponding electrodes 9, 10 (of the same name with the transistor lead) of the opposite transistor structures 11.

Отрезки 6 каждой из полосковых линий 7 соединены между собой резисторами 8 (аналогично первому варианту предложенного транзистора). Длина отрезков 6 выбирается такой, чтобы на отрезке свободно уместилось требуемое количество соединительных проводников, при этом длина каждого из отрезков 6 должна быть меньше половины длины волны электромагнитных колебаний в линии на верхней рабочей частоте, а величина резистора 8 выбирается из условия R (0,2-5) · X_L, где X_L измеренное индуктивное сопротивление на средней рабочей частоте соединительных проводников 12 соединяющих отрезок 6 линии 7 с соответствующим выводом 3, 4 транзистора.The segments 6 of each of the strip lines 7 are interconnected by resistors 8 (similar to the first embodiment of the proposed transistor). The length of the segments 6 is chosen so that the required number of connecting conductors fits freely on the segment, while the length of each of the segments 6 should be less than half the wavelength of electromagnetic waves in the line at the upper operating frequency, and the value of the resistor 8 is selected from the condition R (0.2 -5) · X _L , where X _{L is the} measured inductive resistance at the average working frequency of the connecting conductors 12 connecting the segment 6 of line 7 with the corresponding terminal 3, 4 of the transistor.

В предложенных технических решениях по первому и второму вариантам изобретения могут использоваться транзисторные кристаллы, выполненные как биполярными, так и униполярными. In the proposed technical solutions according to the first and second variants of the invention, transistor crystals made both bipolar and unipolar can be used.

Claims

1. Powerful microwave transistor containing a series of semiconductor crystals with transistor structures located on the metal flange of the housing — the common terminal of the collector or butt electrodes of the transistor structures, the first terminal of the transistor, the second and third terminals of the transistor, corresponding to the second and third electrodes of the transistor structures and located at both sides of the housing flange, the second output of the transistor is connected by a series of connecting conductors with the second electrodes of the transistor structures, characterized in that the transistor further comprises a strip line located between the third terminal of the transistor and a series of semiconductor crystals parallel to it and divided by gaps into equal segments connected by resistors, each segment of the strip line is connected by connecting conductors to the third terminal of the transistor and to the third electrodes of opposite transistor structures, each a strip of line is made with a length less than half the wavelength of electromagnetic waves in the line at the upper frequencies e of the working range, and each resistor is made with a resistance value (0.2 - 5.0) X _L , where X _{L is the} inductive resistance of the conductors connecting the line segment to the third output of the transistor at the average frequency of the working range.

2. The microwave transistor according to claim 1, characterized in that it contains an additional terminal located on the side of the second terminal of the transistor symmetrically with respect to the symmetry axis of the transistor and connected by connecting conductors to the third electrodes of the transistor structures.

3. Powerful microwave transistor containing a series of semiconductor crystals with transistor structures located on the metal flange of the housing — the common terminal of the collector or drain electrodes of the transistor structures, the first terminal of the transistor, the second and third terminals of the transistor, corresponding to the electrodes of the transistor structures and located on both sides of housing flange, and rows of connecting conductors, characterized in that the transistor further comprises two strip lines located on both sides of the row of half conductor crystals parallel to it, separated by gaps into equal segments connected by resistors, each segment of the strip line is connected by connecting conductors to the transistor terminal nearest to it and with the corresponding electrodes of the opposite transistor structures of one or more crystals, each segment of the strip line being made with a length shorter half the wavelength of electromagnetic waves in the line at the upper frequency of the operating range, and each resistor is made with a value of ivleniya (0,2 - 5,0) X _L, wherein X _L - inductive impedance conductors connecting the line segment with the corresponding terminal of the transistor, on a center frequency of the working range.