RU2216072C1

RU2216072C1 - Heavy-power microwave transistor

Info

Publication number: RU2216072C1
Application number: RU2002130221/28A
Authority: RU
Inventors: Б.К. Петров; О.М. Булгаков
Original assignee: Воронежский государственный университет
Priority date: 2002-11-10
Filing date: 2002-11-10
Publication date: 2003-11-10

Abstract

FIELD: semiconductor electronics. SUBSTANCE: transistor has N transistor structures each incorporating collector, base, and emitter zones with minimal distances between centers of emitter zone fragments, as well as ballast resistor contacting metallized emitter zone on one end and metallized pad for connecting emitter conductor, on opposite end. At least one ballast resistor has depressions whose width at points where ballast resistor contacts metallized emitter zone does not exceed one third of emitter zone multiplication pitch. Desired values of resistor can be attained by varying number and geometry of these depressions and requirements to lengths of resistors with structurally specified difference in resistances make it possible to reduce surface areas of transistor structures due to reducing minimal length and difference in lengths of resistors. EFFECT: reduced collector-to-emitter transfer capacitance and available collector capacitance. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных СВЧ полупроводниковых приборов. The invention relates to semiconductor electronics and can be used in the construction of high-power microwave semiconductor devices.

Известен мощный СВЧ-транзистор, содержащий полупроводниковую подложку с транзисторными структурами, коллекторные, базовые и эмиттерные области которых соединены с соответствующими им электродами корпуса, причем эмиттерные области фрагментированы с целью компенсации эффекта оттеснения тока к периферии эмиттера [1]. A powerful microwave transistor is known, which contains a semiconductor substrate with transistor structures, the collector, base and emitter regions of which are connected to the corresponding body electrodes, and the emitter regions are fragmented in order to compensate for the effect of the current being displaced to the periphery of the emitter [1].

Недостатками такого транзистора являются неравномерное распределение мощности по транзисторным структурам и его плохая термическая устойчивость вследствие положительной обратной связи по теплу, приводящие к снижению выходной мощности P₁ и надежности транзистора.The disadvantages of this transistor are the uneven distribution of power among the transistor structures and its poor thermal stability due to positive feedback on heat, leading to a decrease in the output power P ₁ and the reliability of the transistor.

В другом мощном СВЧ-транзисторе каждая транзисторная структура снабжена балластным резистором из материала с положительным температурным коэффициентом сопротивления, который одной своей стороной контактирует с металлизацией эмиттерной области транзисторной структуры, а противоположной стороной контактирует с металлизацией площадки для присоединения проводника, служащего для соединения эмиттерной области транзисторной структуры с одноименным электродом корпуса [2]. Это позволяет повысить однородность входных сопротивлений транзисторных структур и их температурную стабильность, тем самым повысив P₁ и надежность транзистора. Увеличение сопротивлений балластных резисторов, приводящее к повышению P₁, влечет за собой снижение коэффициента усиления по мощности К_р и КПД транзистора. Поэтому сопротивления балластных резисторов принимают некоторое оптимальное значение, которое не исключает неравномерности разогрева транзисторных структур вследствие их неоднородного взаиморасположения, что ограничивает P₁ транзистора в целом.In another powerful microwave transistor, each transistor structure is equipped with a ballast resistor made of a material with a positive temperature coefficient of resistance, which, on its one side, contacts the metallization of the emitter region of the transistor structure, and on the opposite side, contacts the metallization of the pad for connecting a conductor that serves to connect the emitter region of the transistor structure with the housing electrode of the same name [2]. This allows you to increase the uniformity of the input resistances of transistor structures and their temperature stability, thereby increasing P ₁ and the reliability of the transistor. An increase in the resistances of the ballast resistors, leading to an increase in P ₁ , entails a decrease in the power gain K _p and the efficiency of the transistor. Therefore, the resistances of ballast resistors take on some optimal value, which does not exclude uneven heating of transistor structures due to their heterogeneous arrangement, which limits P _{1 of the} transistor as a whole.

Увеличение проходной емкости "коллектор-эмиттер" и полной емкости коллектора за счет добавления к площади металлизации под потенциалом эмиттера над коллекторной областью площади балластного резистора, препятствуют достижению максимального значения коэффициента усиления по мощности на основной рабочей частоте транзистора. Наличие балластных резисторов и увеличение их длины пропорционально их сопротивлениям относительно некоторого минимального значения для реализации величин R(i) приводит к увеличению размеров транзисторных структур и транзистора в целом. The increase in the collector-emitter passage capacity and the total collector capacity due to the addition of a ballast resistor to the metallization area under the emitter potential above the collector region prevent the maximum gain in power at the main operating frequency of the transistor. The presence of ballast resistors and an increase in their length is proportional to their resistances relative to a certain minimum value for realizing the values of R (i) leads to an increase in the sizes of transistor structures and the transistor as a whole.

Балластный резистор конструктивно располагается на изолирующем окисле над областью коллектора, поэтому, наряду с емкостью металлизации для присоединения эмиттерного проводника, его емкость входит в состав паразитной проходной емкости "коллектор-эмиттер" С_кэ. Емкость С_кэ шунтирует активное входное сопротивление транзистора в схеме с общей базой (ОБ), что приводит к передаче части входной мощности через С_кэ без усиления непосредственно в коллекторную цепь транзистора. В схеме с общим эмиттером (ОЭ) через С_кэ часть выходной мощности попадает в общий вывод, минуя нагрузку. Независимо от схемы включения транзистора (с ОБ или ОЭ) емкость балластного резистора входит в состав полной коллекторной емкости С_к, с которой коэффициент передачи тока h₂₁ и коэффициент усиления по мощности К_р связаны обратной зависимостью [3] . Поэтому увеличение С_кэ приводит к снижению К_р=P₁/Р_вх; Р_вх - входная мощность транзистора. В конструкции прототипа сопротивление балластного резистора пропорционально его длине, или, с другой стороны, площадь балластного резистора пропорциональна величине его сопротивления. Таким образом, транзисторные структуры, у которых сопротивление балластных резисторов больше, имеют большие площади балластных резисторов и большие величины дополнительной емкости в составе С_кэ и С_к, следовательно, имеют меньшие значения К_р, что приводит к снижению К_р транзистора в целом.The ballast resistor is structurally located on the insulating oxide above the collector area, therefore, along with the metallization capacity for attaching the emitter conductor, its capacitance is part of the collector-emitter pass-through capacitance C _ke . The capacitance C _ke shunts the active input impedance of the transistor in a circuit with a common base (OB), which leads to the transfer of part of the input power through C _ke without amplification directly to the collector circuit of the transistor. In a circuit with a common emitter (OE), through C _ke, part of the output power falls into the common output, bypassing the load. Regardless of the transistor switching circuit (with OB or OE), the capacitance of the ballast resistor is part of the total collector capacitance C _k , with which the current transfer coefficient h ₂₁ and power gain K _p are inversely related [3]. Therefore, an increase in C _ke leads to a decrease in K _p = P ₁ / P _in ; R _I - the input power of the transistor. In the design of the prototype, the resistance of the ballast is proportional to its length, or, on the other hand, the area of the ballast is proportional to the value of its resistance. Thus, transistor structures, in which the resistance of the ballast resistors is greater, have large areas of ballast resistors and large values of the additional capacitance in the composition of C _ke and C _k , therefore, have lower values of K _p , which leads to a decrease in K _{p of the} transistor as a whole.

Заявляемое изобретение предназначено для уменьшения проходной емкости "коллектор-эмиттер", полной коллекторной емкости транзистора и размеров его транзисторных структур в отдельности, и при его осуществлении может быть увеличен коэффициент усиления по мощности и уменьшены размеры транзистора. The claimed invention is intended to reduce the through-collector-emitter capacitance, the total collector capacitance of the transistor and the dimensions of its transistor structures separately, and when it is implemented, the power gain can be increased and the dimensions of the transistor can be reduced.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известном мощном СВЧ-транзисторе, содержащем N транзисторных структур, каждая из которых включает в себя области коллектора, базы и эмиттера с минимальным расстоянием Δ между центрами фрагментов области эмиттера и балластный резистор с сопротивлением R(i), i=1, ..., N, одной стороной контактирующий с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, согласно изобретению, хотя бы в одном балластном резисторе имеются выемки, ширина которых в местах контактов балластного резистора с металлизацией области эмиттера не превышает Δ/3, а расстояния l(i), l(k), (i, k ∈ {1, ..., N}) между металлизацией области эмиттера и металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника хотя бы двух транзисторных структур с сопротивлениями балластных резисторов R(i)≥(R(k) удовлетворяют соотношению
l(i)/l(k)<R(i)/R(k) (1).The above problem is solved in that in a known powerful microwave transistor containing N transistor structures, each of which includes a collector, base and emitter region with a minimum distance Δ between the centers of the fragments of the emitter region and a ballast resistor with resistance R (i), i = 1, ..., N, on one side in contact with the metallization of the emitter region, and on the opposite side in contact with the metallization of the pad for connecting the emitter conductor, according to the invention, at least in one ballast resistor recesses are obtained whose width at the points of contact of the ballast resistor with metallization of the emitter region does not exceed Δ / 3, and the distances l (i), l (k), (i, k ∈ {1, ..., N}) between the metallization region emitter and metallization pad for connecting the emitter conductor of at least two transistor structures with ballast resistors R (i) ≥ (R (k) satisfy the relation
l (i) / l (k) <R (i) / R (k) (1).

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно, увеличение коэффициента усиления по мощности и уменьшение размеров транзистора, достигается за счет того, что наличие выемок в балластном резисторе позволяет уменьшить площадь верхней обкладки конденсатора, образованного резистором и областью коллектора, на величину площади выемок и тем самым уменьшить паразитные емкости С_кэ и С_к, а выполнение соотношения (1) позволяет уменьшить длину балластных резисторов с сопротивлениями, большими некоторого минимального значения в ряду их величин R(i) и тем самым уменьшить размеры соответствующих транзисторных структур.The technical result obtained by carrying out the invention, namely, increasing the power gain and reducing the size of the transistor, is achieved due to the fact that the notches in the ballast resistor reduce the area of the upper plate of the capacitor formed by the resistor and the collector region by the size of the notches and thus reduce the parasitic capacitances C, and C _to _kOe, and the execution of (1) to reduce the length of ballast resistors with resistances greater than some minimum The values in the row of values R (i) and thereby reduce the size of the respective transistor structures.

Реализация требуемых сопротивлений резисторов R(i) может быть осуществлена за счет вариации количеством и конфигурацией выемок без увеличения длины резистора пропорционально увеличению R(i) относительно некоторого минимального значения в их ряду для данного транзистора. Очевидно, наличие выемок в резисторе приводит к уменьшению ширины резистора, поэтому величина его погонного сопротивления ρ(i)= R(i)/l(i), где l(i) - длина резистора, определяемая как расстояние между контактами его противоположных сторон с металлизацией эмиттера и металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, будет в этом случае больше, чем ρ(i) сплошного резистора без промежутков. Следовательно, реализация требуемого значения R(i) при наличии в резисторе выемок будет приводить к уменьшению длины резистора и, тем самым - к уменьшению площади транзисторной структуры. Подчинение l(i) требованиям условия (1) обеспечивает достижение дополнительного положительного эффекта в плане уменьшения площади i-ой транзисторной структуры и транзистора в целом по сравнению с изменением длины резистора пропорционально его сопротивлению. При изменении R(i) в небольших пределах (например, не более, чем в два раза) l(i) может быть фиксированной величиной, и максимальное уменьшение площади транзистора будет при равенстве всех l(i) некоторому минимальному значению, соответствующему минимальному сопротивлению среди всех R(i). The required resistors R (i) can be realized by varying the number and configuration of the recesses without increasing the length of the resistor in proportion to the increase in R (i) relative to a certain minimum value in their series for this transistor. Obviously, the presence of grooves in the resistor leads to a decrease in the width of the resistor, therefore, the value of its linear resistance ρ (i) = R (i) / l (i), where l (i) is the length of the resistor, defined as the distance between the contacts of its opposite sides with In this case, the metallization of the emitter and the metallization of the pad for attaching the emitter conductor will be greater than ρ (i) of a continuous resistor without gaps. Therefore, the implementation of the required value of R (i) in the presence of recesses in the resistor will lead to a decrease in the length of the resistor and, thereby, to a decrease in the area of the transistor structure. Submission l (i) to the requirements of condition (1) provides an additional positive effect in terms of reducing the area of the i-th transistor structure and the transistor as a whole compared with a change in the length of the resistor in proportion to its resistance. When R (i) changes within small limits (for example, no more than twice), l (i) can be a fixed value, and the maximum decrease in the transistor area will be, if all l (i) are equal, to some minimum value corresponding to the minimum resistance among all R (i).

Условие непревышения шириной выемки в местах контактов балластного резистора с металлизацией области эмиттера трети величины Δ обеспечивает гальванический контакт с балластным резистором каждого фрагмента области эмиттера. The condition of not exceeding the width of the recess in the places of contacts of the ballast resistor with metallization of the emitter region of the third value Δ provides galvanic contact with the ballast resistor of each fragment of the emitter region.

На фиг.1 изображен заявляемый мощный СВЧ-транзистор, вид сверху. На фиг. 2 отдельно показана транзисторная структура. Figure 1 shows the inventive powerful microwave transistor, top view. In FIG. 2, a transistor structure is shown separately.

Мощный СВЧ-транзистор состоит из основания корпуса 1, на котором расположены электроды: входной 2, нулевого потенциала 3 и коллекторный 4. Для данного примера исполнения транзистора 2 и 3 - соответственно электроды базы и эмиттера. Полупроводниковая подложка 5 является в данном примере областью коллектора для всех транзисторных структур. Каждая транзисторная структура включает в свой состав область базы 6, в пределах которой размещены фрагменты области эмиттера 7, контактирующие с металлизацией области эмиттера 8. Между металлизацией 8 и металлизацией 9 площадки для присоединения эмиттерного проводника 10 расположен балластный резистор 11, противоположные стороны которого контактируют с областями металлизации 8 и 9. Количество выемок 12 в балластных резисторах и их геометрические параметры выбраны таким образом, чтобы реализовать сопротивления R(i) и при этом удовлетворить условию (1) и обеспечить достижение требуемого технического результата. На фиг.2 показано, что ширина выемок 12 в местах контактов балластного резистора 11 с металлизацией 8 не превышает трети расстояния Δ между центрами фрагментов 7. На фиг. 2 также показана металлизация 13 области базы, через которую осуществляется контакт области 6 с металлизацией 14 площадки для присоединения базового проводника 15. Для наглядности представления областей 2 и 3 участки металлизации 4 и 8 не показаны в пределах пунктирной линии. На фиг.1 металлизация 8 в целях упрощения изображения над областью эмиттера и металлизация 13 над областью базы 6 не показана, а металлизация 8 в месте контакта с резистором 11 показана сплошной. A powerful microwave transistor consists of the base of the housing 1, on which the electrodes are located: input 2, zero potential 3 and collector 4. For this example, the performance of the transistor 2 and 3 are the base and emitter electrodes, respectively. The semiconductor substrate 5 is in this example a collector region for all transistor structures. Each transistor structure includes a base region 6, within which fragments of the emitter region 7 are placed in contact with the metallization of the emitter region 8. A ballast resistor 11 is located between the metallization 8 and metallization 9 of the pad for connecting the emitter conductor 10, the opposite sides of which are in contact with the regions metallization 8 and 9. The number of recesses 12 in the ballast resistors and their geometric parameters are selected so as to realize the resistance R (i) and at the same time satisfy Slovenia (1) and ensure the achievement of the required technical result. Figure 2 shows that the width of the recesses 12 at the points of contact of the ballast resistor 11 with metallization 8 does not exceed a third of the distance Δ between the centers of the fragments 7. In FIG. 2 also shows the metallization 13 of the base region through which the contact of the region 6 with the metallization 14 of the site for connecting the base conductor 15. For clarity of the representation of the regions 2 and 3, the metallization sections 4 and 8 are not shown within the dashed line. 1, metallization 8 is not shown to simplify the image above the emitter region and metallization 13 above the base region 6, and metallization 8 is shown solid at the point of contact with the resistor 11.

При работе мощного СВЧ-транзистора в схеме каскада усиления мощности с ОБ уменьшение площади балластного резистора 11 под потенциалом эмиттера за счет наличия выемок 12 обеспечивает, во-первых, снижение проходной емкости "коллектор-эмиттер" С_кэ, в результате чего меньшая по сравнению с прототипом часть входной мощности будет передаваться через С_кэ в выходную цепь без усиления, а во-вторых, будет уменьшена полная емкость коллектора С_к. Оба этих фактора обеспечивают повышение коэффициента усиления по мощности К_р. В схеме с ОЭ к увеличению К_р будет приводить второй из названных факторов, а также уменьшение части выходной мощности, попадающей через С_кэ в общий вывод схемы усилительного каскада, минуя нагрузку.When a high-power microwave transistor is operating in a power amplification cascade with OB, a decrease in the area of the ballast resistor 11 under the emitter potential due to the presence of recesses 12 provides, firstly, a decrease in the collector-emitter throughput capacitance C _ke , which results in a decrease compared to a prototype part of the input power will be transmitted through C _ke to the output circuit without amplification, and secondly, the total collector capacity C _k will be reduced. Both of these factors provide an increase in power gain K _p . In the circuit with OE, the second of the above factors will lead to an increase in K _p , as well as a decrease in the part of the output power falling through C _ke into the general output of the amplifier cascade circuit, bypassing the load.

Несмотря на возможное наличие промежутков в местах контактов резистора 11 с металлизацией 8, непревышение шириной этих промежутков трети минимального расстояния Δ между центрами фрагментов 7 обеспечивает включение всех без исключения фрагментов 7 в схему каскада через металлизацию 8, балластный резистор 11, металлизацию 9, проводник 10 и электрод 3 (или электрод 2 в схеме с ОБ) даже при фрагментации металлизации 8 (фиг.2). Так как конфигурация области эмиттера должна обеспечивать максимальное отношение периметра эмиттера к площади базы [4, 5], т.е. максимальную плотность размещения фрагментов 7 в пределах области 6, расстояние Δ определяется разрешением литографического процесса - минимальным расстоянием σ между двумя ближайшими параллельными линиями структуры. В типовой конструкции мощного СВЧ-транзистора металлизации областей эмиттера и базы представляют собой две встречно направленных вложенных одна в другую гребенки [1] (фиг.2). Штыри (фрагменты) гребенок контактируют через окна в защитном окисле с областями базы и эмиттера (на фиг.2 не показаны). Величина Δ складывается из: удвоенного расстояния от центра фрагмента 7 до края контактного окна (2•σ/2=σ), удвоенного расстояния от края контактного окна до края фрагмента металлизации 8(2•σ= 2σ), удвоенного расстояния от края фрагмента металлизации 8 до края фрагмента металлизации области базы 13 (2σ) и ширины фрагмента металлизации 13, равной удвоенному расстоянию от края фрагмента до края контактного окна и ширине контактного окна, т.е. 3σ. Таким образом, Δ = 8σ, а минимальная ширина фрагмента металлизации 8 в месте контакта с балластным резистором 11, как и ширина фрагмента металлизации 13, равна 3σ. Очевидно, во избежание пропуска контакта резистора 11 с металлизацией 8, ширина выемок 12 в местах контактов резистора 11 с металлизацией 8 должна быть меньше ширины фрагмента металлизации 8, т.е. 3σ. Выразив это расстояние через Δ, как более общий конструктивный параметр по сравнению с σ, получим 3Δ/8, а с небольшим запасом для обеспечения перекрытия участков 11 с металлизацией 8-Δ/3. Despite the possible presence of gaps at the contacts of the resistor 11 with metallization 8, not exceeding the width of these gaps of a third of the minimum distance Δ between the centers of the fragments 7 ensures the inclusion of all fragments 7 without exception in the cascade circuit through metallization 8, ballast resistor 11, metallization 9, conductor 10 and electrode 3 (or electrode 2 in the circuit with OB) even with fragmentation of metallization 8 (figure 2). Since the configuration of the emitter region should provide the maximum ratio of the emitter perimeter to the base area [4, 5], i.e. the maximum density of the placement of fragments 7 within region 6, the distance Δ is determined by the resolution of the lithographic process - the minimum distance σ between the two closest parallel lines of the structure. In a typical design of a high-power microwave transistor, metallization of the emitter and base regions are two combs counter-directed nested one into another [1] (Fig. 2). The pins (fragments) of the combs are in contact through the windows in the protective oxide with the base and emitter regions (not shown in FIG. 2). The value Δ consists of: doubled the distance from the center of fragment 7 to the edge of the contact window (2 • σ / 2 = σ), doubled the distance from the edge of the contact window to the edge of the metallized fragment 8 (2 • σ = 2σ), doubled the distance from the edge of the metallized fragment 8 to the edge of the metallization fragment of the base region 13 (2σ) and the width of the metallization fragment 13 equal to twice the distance from the fragment edge to the edge of the contact window and the width of the contact window, i.e. 3σ. Thus, Δ = 8σ, and the minimum width of the metallization fragment 8 at the point of contact with the ballast resistor 11, as well as the width of the metallization fragment 13, is 3σ. Obviously, in order to avoid skipping the contact of the resistor 11 with the metallization 8, the width of the recesses 12 at the contacts of the resistor 11 with the metallization 8 should be less than the width of the fragment of metallization 8, i.e. 3σ. Expressing this distance through Δ as a more general structural parameter compared to σ, we obtain 3Δ / 8, and with a small margin to ensure overlap of sections 11 with metallization 8-Δ / 3.

Наличие в резистивном слое балластного резистора 11 выемок 12 дает возможность, за счет варьирования геометрическими параметрами выемок (фиг.2), реализовать в широких пределах различные значения сопротивлений R(i) без увеличения расстояния l(i) между смежными краями металлизации 8 и 9 или изменять l(i) в уменьшенных пределах в соответствии с условием (2), что обеспечивает уменьшение транзисторных структур и транзистора в целом без ухудшения его энергетических параметров. The presence in the resistive layer of the ballast resistor 11 of the recesses 12 makes it possible, by varying the geometrical parameters of the recesses (FIG. 2), to realize widely different resistance values R (i) without increasing the distance l (i) between adjacent metallization edges 8 and 9 or vary l (i) in reduced limits in accordance with condition (2), which ensures a decrease in transistor structures and the transistor as a whole without impairing its energy parameters.

ЛИТЕРАТУРА
1. Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я. А. Федотова. - М.: Сов. радио, 1973, 336 с.LITERATURE
1. Kolesnikov V.G. and other Silicon Planar Transistors / Ed. Ya.A. Fedotova. - M .: Owls. Radio, 1973, 336 p.

2. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В. И. Никишин, Б. К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989, с. 106. 2. Design and production technology of high-power microwave transistors / V. I. Nikishin, B. K. Petrov, V. F. Synorov et al. - M.: Radio and Communications, 1989, p. 106.

3. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В. И. Никишин, Б. К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989, с. 11-20, 30-38. 3. Design and production technology of high-power microwave transistors / V. I. Nikishin, B. K. Petrov, V. F. Synorov et al. - M.: Radio and Communications, 1989, p. 11-20, 30-38.

4. Там же, с.11-12. 4. Ibid., Pp. 11-12.

5. Там же, с.83. 5. Ibid., P. 83.

Claims

Powerful microwave transistor containing N transistor structures, each of which includes a collector, base, and emitter region with a minimum distance Δ between the centers of the fragments of the emitter region and a ballast resistor with resistance R (i), i = 1,. . . , N, on one side in contact with the metallization of the emitter region, and on the opposite side in contact with the metallization of the site for connecting the emitter conductor, characterized in that at least one ballast resistor has recesses whose width at the points of contact of the ballast resistor with metallization of the emitter region does not exceed Δ / 3, and the distances l (i), l (k), (i, k ∈ {1, 2, ..., N}) between the metallization of the emitter region and the metallization of the pad for connecting the emitter conductor of at least two transistor structures with Ballast resistors resistances R (i) ≥ R (k) satisfy the relation
l (i) / l (k) <R (i) / R (k).