RU2743674C1 - Powerful hf- and mf-transistor structure - Google Patents
Powerful hf- and mf-transistor structure Download PDFInfo
- Publication number
- RU2743674C1 RU2743674C1 RU2020121283A RU2020121283A RU2743674C1 RU 2743674 C1 RU2743674 C1 RU 2743674C1 RU 2020121283 A RU2020121283 A RU 2020121283A RU 2020121283 A RU2020121283 A RU 2020121283A RU 2743674 C1 RU2743674 C1 RU 2743674C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- transistor structure
- emitter
- resistance
- ballast resistor
- increase
- Prior art date
Links
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 claims abstract description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 24
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims abstract description 19
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 13
- 230000001174 ascending effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract description 9
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 abstract description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 9
- 238000013461 design Methods 0.000 description 9
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 7
- 239000010408 film Substances 0.000 description 6
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 6
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 5
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 4
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 3
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- 101100341024 Drosophila melanogaster ogre gene Proteins 0.000 description 1
- 101100341025 Schistocerca americana inx1 gene Proteins 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005476 size effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching, or capacitors or resistors with at least one potential-jump barrier or surface barrier, e.g. PN junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/70—Bipolar devices
Abstract
Description
Заявляемое изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных ВЧ- и СВЧ-полупроводниковых приборов.The claimed invention relates to semiconductor electronics and can be used in the design of high-power RF and microwave semiconductor devices.
Известна мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, в которой на полупроводниковой подложке размещены коллекторная, базовая и эмиттерная области, соединенные с соответствующими им электродами корпуса, причем эмиттерная область фрагментирована с целью компенсации эффекта оттеснения тока к периферии эмиттера [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 98].A powerful HF and microwave transistor structure is known, in which the collector, base and emitter regions are located on a semiconductor substrate, connected to the corresponding housing electrodes, and the emitter region is fragmented in order to compensate for the effect of current displacement to the periphery of the emitter [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 98].
Недостатком такой транзисторной структуры является сильная локальная и общая положительная токотермическая обратная связь [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 287; Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 98], вызванные отрицательным температурным коэффициентом сопротивления (ТКС) полупроводника в рабочем диапазоне температур и приводящие соответственно к неравномерному распределению мощности по активным областям транзисторной структуры [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 285] и термической неустойчивости, в свою очередь обуславливающим снижение максимальной выходной мощности Р1макс, определяемой периметром эмиттера [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105], и отказоустойчивости транзисторной структуры.The disadvantage of such a transistor structure is a strong local and general positive current-thermal feedback [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 287; Design and production technology of high-power microwave transistors. / IN AND. Nikishin, B.K. Petrov, V.F. Synorov et al. - Moscow: Radio and Communication, 1989. - P. 98], caused by the negative temperature coefficient of resistance (TCR) of a semiconductor in the operating temperature range and leading, accordingly, to an uneven power distribution over the active regions of the transistor structure [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 285] and thermal instability, in turn causing a decrease in the maximum output power P 1max , determined by the perimeter of the emitter [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 105], and the fault tolerance of the transistor structure.
Из авторского свидетельства [А. с. №1766220 СССР, МПК H01L 29/73 (1990.01). Мощная ВЧ и СВЧ транзисторная структура: №4833200/25: заявл. 30.05.1990: опубл. 15.11.1994 / Петров Б.К., Булгаков О.М., Безрядина Г.В., Кочетков А.И., Колесникова Л.И.: заявитель ВГУ. - 3 с.: ил. - Текст: непосредственный] известна мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура, содержащая полупроводниковую подложку с коллекторными и базовыми областями, в пределах каждой из базовых областей размещены расположенные в ряд эмиттерные области, сформированные в виде непрерывных или имеющих посередине разрывы полосок, включающие области контактов с металлизацией. Последовательно с эмиттерными областями в разрывах эмиттерной металлизации включены балластные резисторы. С целью увеличения выходной мощности, коэффициента усиления по мощности и КПД транзисторной структуры за счет повышения равномерности тепловыделения, области контактов с металлизацией каждой эмиттерной полоски расположены на противоположных по длине полоски краях, а поверхностное сопротивление Rs полосок удовлетворяет определенному условию.From the author's certificate [A. from. No. 1766220 USSR, IPC H01L 29/73 (1990.01). Powerful RF and microwave transistor structure: No. 4833200/25: Appl. 05/30/1990: publ. 11/15/1994 / Petrov B.K., Bulgakov O.M., Bezryadina G.V., Kochetkov A.I., Kolesnikova L.I .: applicant VSU. - 3 p .: ill. - Text: direct] known powerful RF and microwave transistor structure containing a semiconductor substrate with collector and base regions, within each of the base regions are located in a row emitter regions, formed in the form of continuous or in the middle of breaks of strips, including contact regions with metallization. Ballast resistors are connected in series with the emitter regions in the gaps of the emitter metallization. In order to increase the output power, the power gain and the efficiency of the transistor structure by increasing the uniformity of heat release, the contact areas with metallization of each emitter strip are located on the edges opposite along the strip length, and the surface resistance R s of the strips satisfies a certain condition.
Данное изобретение позволяет повысить отказоустойчивость за счет повышения равномерности тепловыделения в пределах каждой эмиттерной области, однако в пределах всей транзисторной структуры расположение эмиттерных областей характеризуется пространственной неоднородностью. Эмиттерные области, расположенные в центре ряда, обладают худшими условиями отвода тепла по сравнению с областями, расположенными на периферии, что приводит к наличию градиента температуры, растущей с увеличением выделяемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений, и не исключает частичного или полного отказа транзисторной структуры при превышении рабочей температурой наиболее разогретых областей предельно допустимого значения Тмакс, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации, т.е. снижает отказоустойчивость транзисторной структуры.This invention improves the fault tolerance by increasing the uniformity of heat generation within each emitter region, however, within the entire transistor structure, the location of the emitter regions is characterized by spatial inhomogeneity. The emitter regions located in the center of the row have worse heat removal conditions compared to the regions located at the periphery, which leads to the presence of a temperature gradient that increases with an increase in the released thermal power due to deviations in the parameters of the amplification mode (supply voltage, input power level, standing ratio waves in the load, etc.) from optimal values, and does not exclude partial or complete failure of the transistor structure when the operating temperature of the most heated regions exceeds the maximum permissible value T max , determined by the melting temperature of the substrate material or the material of contact metallization, i.e. reduces the fault tolerance of the transistor structure.
В другой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуре [Патент №2229184 Российская Федерация, МПК H01L 29/72 (2000.01). Мощная СВЧ-транзисторная структура: №2003101817/28: заявл. 22.01.2003: опубл. 20.05.2004 / Булгаков О.М., Петров Б.К.: заявитель ВГУ. - 6 с.: ил. - Текст: непосредственный], содержащей области коллектора, базы и эмиттера и балластный резистор с некоторым положительным температурным коэффициентом сопротивления α0, контактирующий одной стороной с металлизацией области эмиттера, а противоположной стороной контактирующий с металлизацией площадки для присоединения эмиттерного проводника, при этом балластный резистор включает в себя по меньшей мере один фрагмент с температурным коэффициентом сопротивления α*≠α0, такой, что для любых двух участков резистора одинаковой ширины, по меньшей мере один из которых полностью или частично включает в себя фрагмент с α*, выполняется соотношение α1(T1)>α2(T2), где α1, α2 - температурные коэффициенты сопротивления участков при соответствующих средних температурах участков T1, Т2 в диапазоне рабочих температур транзисторной структуры, причем T1>T2.In another powerful RF and microwave transistor structure [Patent No. 2229184 Russian Federation, IPC H01L 29/72 (2000.01). Powerful microwave transistor structure: No. 2003101817/28: appr. January 22, 2003: publ. 20.05.2004 / Bulgakov O.M., Petrov B.K .: applicant VSU. - 6 p .: ill. - Text: direct], containing the collector, base and emitter regions and a ballast resistor with a certain positive temperature coefficient of resistance α 0 , contacting one side with the metallization of the emitter region, and the opposite side contacting with the metallization of the area for connecting the emitter conductor, while the ballast resistor includes includes at least one fragment with a temperature coefficient of resistance α * ≠ α 0 , such that for any two sections of the resistor of the same width, at least one of which completely or partially includes a fragment with α *, the relation α 1 ( T 1 )> α 2 (T 2 ), where α 1 , α 2 are the temperature coefficients of the resistance of the sections at the corresponding average temperatures of the sections T 1 , T 2 in the operating temperature range of the transistor structure, and T 1 > T 2 .
Данное изобретение позволяет повысить отказоустойчивость транзисторной структуры за счет перераспределения выделяемой тепловой мощности при изменении теплового баланса в пределах активной области транзисторной структуры, однако отсутствие ограничений на температуру плавления материала фрагментов резистора не исключает частичного или полного отказа транзисторной структуры при превышении рабочей температурой наиболее разогретых областей температуры плавления материала фрагментов резистора, вызванного увеличением выделяемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений. При превышении рабочей температурой активных областей температуры плавления материала фрагментов может произойти их испарение, влекущее за собой увеличение сопротивления отдельных участков резистора и, как следствие, перераспределение мощности между участками транзисторной структуры. Повышение мощности отдельных участков приведет к увеличению выделяемой тепловой мощности и рабочей температуры и при ее значениях выше предельно допустимого значения Tмакс, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации, может произойти отказ транзисторной структуры.This invention makes it possible to increase the fault tolerance of the transistor structure due to the redistribution of the released thermal power when the heat balance changes within the active region of the transistor structure, however, the absence of restrictions on the melting temperature of the material of the resistor fragments does not exclude partial or complete failure of the transistor structure when the operating temperature of the most heated regions of the melting temperature exceeds the material of the resistor fragments caused by an increase in the released thermal power due to the deviation of the parameters of the amplification mode (supply voltage, input power level, standing wave ratio in the load, etc.) from the optimal values. When the operating temperature of the active regions exceeds the melting temperature of the material of the fragments, their evaporation may occur, entailing an increase in the resistance of individual sections of the resistor and, as a consequence, a redistribution of power between sections of the transistor structure. An increase in the power of individual sections will lead to an increase in the released thermal power and operating temperature, and at its values above the maximum permissible value of T max , determined by the melting temperature of the substrate material or the material of contact metallization, the transistor structure may fail.
Наиболее близкой по совокупности признаков является транзисторная структура, в которой между металлизацией области эмиттера и площадкой для присоединения эмиттерного проводника сформирован балластный резистор [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 106]. Наличие балластного резистора, включенного последовательно в цепь эмиттера транзисторной структуры, позволяет уменьшить положительную токотермическую обратную связь транзисторной структуры в целом за счет увеличения ее общего входного сопротивления Rвх1, а при выполнении балластного резистора из металла - дополнительно за счет положительного ТКС резистора, частично компенсирующего отрицательный ТКС полупроводника, а также локальную положительную токотермическую обратную связь отдельных участков транзисторной структуры и тем самым, за счет предотвращения эффекта шнурования тока, повысить максимальную выходную мощность Р1макс и отказоустойчивость транзисторной структуры.The closest in terms of the totality of features is a transistor structure, in which a ballast resistor is formed between the metallization of the emitter region and the platform for connecting the emitter conductor [Design and production technology of powerful microwave transistors. / IN AND. Nikishin, B.K. Petrov, V.F. Synorov et al. - Moscow: Radio and communication, 1989. - P. 106]. The presence of a ballast resistor connected in series to the emitter circuit of a transistor structure makes it possible to reduce the positive current-thermal feedback of the transistor structure as a whole by increasing its total input resistance R in1 , and when the ballast resistor is made of metal - additionally due to the positive TCS resistor, partially compensating for the negative TKS of a semiconductor, as well as local positive current-thermal feedback of individual sections of the transistor structure and thereby, by preventing the effect of pinching the current, increase the maximum output power P 1max and the fault tolerance of the transistor structure.
Недостатком такой транзисторной структуры является ее неравномерный разогрев из-за более интенсивного отвода тепла от периферии транзисторной структуры по сравнению с ее центром [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 293; Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 107], что приводит к недостижению предельного значения Р1пред максимальной выходной мощности P1макс, определяемого периметром эмиттера транзисторной структуры [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 105; Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 83], и не исключает ее полного отказа при превышении рабочей температурой предельно допустимого значения Тмакс, определяемого температурой плавления материала подложки или материала контактной металлизации.The disadvantage of such a transistor structure is its uneven heating due to more intense heat removal from the periphery of the transistor structure in comparison with its center [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 293; Design and production technology of high-power microwave transistors. / IN AND. Nikishin, B.K. Petrov, V.F. Synorov et al. - Moscow: Radio i svyaz, 1989. - P. 107], which leads to the failure to reach the limit value P 1 before the maximum output power P 1max , determined by the perimeter of the emitter of the transistor structure [Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973. - S. 105; Design and production technology of high-power microwave transistors. / IN AND. Nikishin, B.K. Petrov, V.F. Synorov et al. - Moscow: Radio and Svyaz, 1989. - P. 83], and does not exclude its complete failure when the operating temperature exceeds the maximum permissible value T max , determined by the melting temperature of the substrate material or the material of contact metallization.
Заявляемое изобретение предназначено для предотвращения перегрева транзисторной структуры при отклонении параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений за счет уменьшения уровня выделяемой активными областями тепловой мощности вследствие увеличения сопротивления участков балластного резистора, контактирующих с наиболее подверженными перегреву участками транзисторной структуры, и в целом сопротивления балластного резистора rБР и входного сопротивления транзисторной структуры RBX1, при превышении рабочей температурой некоторого критического значения Tмакс, предшествующего полному отказу транзисторной структуры, и при его осуществлении может быть повышена отказоустойчивость транзисторной структуры.The claimed invention is intended to prevent overheating of the transistor structure when the parameters of the amplification mode (supply voltage, input power level, standing wave ratio in the load, etc.) deviate from optimal values by reducing the level of heat power released by active regions due to an increase in the resistance of the sections of the ballast resistor contacting with the sections of the transistor structure most susceptible to overheating, and in general the resistance of the ballast resistor r BR and the input resistance of the transistor structure R BX1 , when the operating temperature exceeds a certain critical value T max , preceding the complete failure of the transistor structure, and during its implementation, the fault tolerance can be increased transistor structure.
Вышеуказанная задача решается тем, что в известной мощной ВЧ- СВЧ-транзисторной структуре, содержащей сформированные в полупроводниковой подложке области коллектора, эмиттера и базы, контактную металлизацию и балластный резистор, соединенный одним краем с контактной металлизацией эмиттера, а другим краем с контактной площадкой для присоединения эмиттерного вывода, согласно изобретению, балластный резистор содержит n≥2 слоев, причем материалы слоев имеют разные удельные сопротивления и температуры плавления и удовлетворяют условию:The above problem is solved by the fact that in the known powerful HF-microwave transistor structure containing the collector, emitter and base regions formed in the semiconductor substrate, contact metallization and a ballast resistor connected by one edge with the contact metallization of the emitter, and the other edge with a contact pad for connecting of the emitter terminal, according to the invention, the ballast resistor contains n≥2 layers, and the materials of the layers have different resistivities and melting temperatures and satisfy the condition:
где ρn и Тn - удельное сопротивление и температура плавления материала слоя резистора в порядке возрастания номера слоя от верхнего к нижнему по отношению к полупроводниковой подложке, TП - температура плавления полупроводника.where ρ n and T n are the resistivity and the melting point of the material of the resistor layer in ascending order of the layer number from the upper to the lower with respect to the semiconductor substrate, T P is the melting temperature of the semiconductor.
Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно повышение отказоустойчивости транзисторной структуры, достигается за счет того, что наличие нескольких слоев балластного резистора n≥2 из материалов с различными удельными сопротивлениями ρn и температурами плавления Тn приводит к повышению его сопротивления rБР по мере превышения температуры контактирующих с ним активных областей значений T1, затем Т2 и т.д. при изменении параметров режима усиления и, как следствие, снижению выделяемой транзисторной структурой тепловой мощности. Увеличение сопротивления участков многослойного балластного резистора по мере увеличения его температуры происходит за счет испарения контактирующих с перегретыми активными областями участков верхних по отношению к подложке слоев резистора при достижении их температурой температуры плавления материала слоя Тn.The technical result obtained in the implementation of the invention, namely, an increase in the fault tolerance of the transistor structure, is achieved due to the fact that the presence of several layers of the ballast resistor n≥2 made of materials with different specific resistance ρ n and melting temperatures T n leads to an increase in its resistance r BR as the temperature rise of the active regions in contact with it, the values of T 1 , then T 2 , etc. with a change in the parameters of the amplification mode and, as a consequence, a decrease in the thermal power released by the transistor structure. The increase in the resistance of the sections of the multilayer ballast resistor as its temperature increases occurs due to the evaporation of the sections of the upper layers of the resistor in contact with the overheated active regions with respect to the substrate when their temperature reaches the melting point of the layer material T n .
На фиг. 1 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вид сверху, на фиг. 2 представлен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры с двухслойным балластным резистором, вид сбоку, где 1 - полупроводниковая подложка; 2 - область базы; 3 - область эмиттера; 4 - металлизация эмиттера; 5 - металлизация площадки для присоединения эмиттерного проводника; 6 -эмиттерный проводник; 7 - балластный резистор; 8 - металлизация области базы; 9 - металлизация площадки для присоединения базового проводника; 10 - базовый проводник; 11 - изолирующий окисел.FIG. 1 shows an embodiment of the inventive powerful RF and microwave transistor structure, top view, in Fig. 2 shows an embodiment of the inventive powerful RF and microwave transistor structure with a two-layer ballast resistor, side view, where 1 is a semiconductor substrate; 2 - base area; 3 - emitter area; 4 - metallization of the emitter; 5 - metallization of the platform for connecting the emitter conductor; 6 - emitter conductor; 7 - ballast resistor; 8 - metallization of the base area; 9 - metallization of the platform for connecting the base conductor; 10 - base conductor; 11 - insulating oxide.
Мощная ВЧ- и СВЧ-транзисторная структура (фиг. 1) размещена на полупроводниковой подложке 1, являющейся в данном примере областью коллектора. В пределах области базы 2 размещены фрагменты области эмиттера 3, контактирующие с металлизацией эмиттера 4. Между металлизацией 4 и металлизацией 5 площадки для присоединения эмиттерного проводника 6 расположен балластный резистор 7, противоположные стороны которого контактируют с металлизацией 4 и 5. Резистор 7 является многослойным с числом слоев n≥2. На фиг. 1 также показана металлизация 8 области базы, через которую осуществляется контакт области 2 с металлизацией 9 площадки для присоединения базового проводника 10.A powerful RF and microwave transistor structure (Fig. 1) is placed on a
При работе мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры, вариант реализации которой показан на фиг. 1, в составе транзистора в схеме каскада усиления мощности наличие многослойного (n≥2) балластного резистора позволяет уменьшить выделение мощности активной областью транзисторной структуры при отклонении параметров режима усиления от оптимальных за счет увеличения сопротивления балластного резистора rБР. Оптимальный подбор конструктивных параметров (материал, количество и геометрические размеры слоев) и внешних управляющих напряжений обеспечивает достижение оптимального набора энергетических параметров: выходной мощности Р1, коэффициента усиления по мощности KР, КПД коллекторной цепи ηk за счет реализации некоторого оптимального распределения тепловой мощности Рk по всем транзисторным структурам.When operating a powerful RF and microwave transistor structure, the embodiment of which is shown in FIG. 1, the presence of a multilayer (n≥2) ballast resistor as part of a transistor in a power amplification cascade circuit makes it possible to reduce the release of power by the active region of the transistor structure when the amplification mode parameters deviate from the optimal ones by increasing the resistance of the ballast resistor r BR . Optimal selection of design parameters (material, number and geometrical dimensions of layers) and external control voltages ensures the achievement of an optimal set of energy parameters: output power P 1 , power gain K P , efficiency of the collector circuit η k due to the implementation of some optimal distribution of thermal power P k over all transistor structures.
В процессе работы мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры эмиттерный ток распределяется по сечению балластного резистора неравномерно, большая его часть протекает по слою с меньшим удельным сопротивлением. При повышении температуры активных областей транзисторной структуры, вызванном увеличением выделяемой тепловой мощности вследствие отклонения параметров режима усиления (напряжения питания, уровня входной мощности, коэффициента стоячей волны в нагрузке и т.д.) от оптимальных значений, сначала происходит линейный рост сопротивления балластного резистора за счет положительного ТКС материалов слоев. По мере достижения температурой Т области 2 транзисторной структуры и контактирующей с ней области металлизации 7 значения, превышающего температуру плавления первого слоя T1, происходит испарение этого слоя, или, по меньшей мере, его части, непосредственно контактирующей с участком транзисторной структуры, нагретого до температуры Т≥T1, уменьшение площади поперечного сечения балластного резистора и, как следствие, скачкообразное увеличение его сопротивления. Увеличение сопротивления балластного резистора транзисторной структуры приводит к уменьшению поступающей на ее вход мощности Рвх1 и ее коэффициента усиления по мощности КУР [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сынорови др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С. 15, 18, 36,38], а при наличии нескольких транзисторных структур на общем транзисторном кристалле [Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - С. 238] - дополнительно к частичному перераспределению Рвх1 по остальным транзисторным структурам. Как следствие, уменьшается выходная мощность Р1 транзисторной структуры и выделяемая ее активными областями тепловая мощность, что в итоге приводит к снижению рабочей температуры Т области 2 и выполнению условия Т≤Тмакс, тем самым - предотвращению полного отказа транзисторной структуры, т.е. повышению ее отказоустойчивости.In the process of operation of a powerful HF and microwave transistor structure, the emitter current is distributed unevenly over the cross section of the ballast resistor, most of it flows through a layer with a lower resistivity. With an increase in the temperature of the active regions of the transistor structure, caused by an increase in the released thermal power due to the deviation of the parameters of the amplification mode (supply voltage, input power level, standing wave ratio in the load, etc.) from the optimal values, first there is a linear increase in the resistance of the ballast resistor due to positive TCS of the materials of the layers. As the temperature T of the
Наличие в транзисторной структуре многослойного балластного резистора приводит к повышению термической устойчивости транзисторной структуры и ее отказоустойчивости. Поскольку увеличение сопротивления балластного резистора не связано с увеличением его площади, и, как следствие его емкости, входящей в состав паразитной проходной емкости коллектор-эмиттер [Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - С.109], повышение отказоустойчивости не приводит к заметному (>20%) снижению коэффициента усиления по мощности транзисторной структуры на основной рабочей частоте.The presence of a multilayer ballast resistor in the transistor structure leads to an increase in the thermal stability of the transistor structure and its fault tolerance. Since the increase in the resistance of the ballast resistor is not associated with an increase in its area, and, as a consequence of its capacitance, which is part of the parasitic passing capacitance of the collector-emitter [Design and production technology of powerful microwave transistors. / IN AND. Nikishin, B.K. Petrov, V.F. Synorov et al. - Moscow: Radio and Communications, 1989. - P.109], an increase in fault tolerance does not lead to a noticeable (> 20%) decrease in the power gain of the transistor structure at the fundamental operating frequency.
Пример. На фиг. 2 изображен вариант реализации заявляемой мощной ВЧ- и СВЧ-транзисторной структуры с двухслойным балластным резистором, вид сбоку. Балластный резистор шириной 500 мкм и длинной 40 мкм располагается на изолирующем окисле 11. Толщины верхнего и нижнего слоев равны 0,089 мкм. Верхний слой балластного резистора изготовлен из висмута с удельным объемным сопротивлением ρ1=1,068⋅10-6 Ом⋅м (при 20°С) и температурой плавления T1=271°С (при 760 мм.рт.ст.) [Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов / B.C. Чиркин. - Москва: гос. из-во физмат, литературы, 1959. - С. 187]. Нижний слой изготовлен из более тугоплавкого, чем висмут, нихрома марки Х15Н60 с удельным сопротивлением ρ2=1,16⋅10-6 Ом⋅м (при 20°°С) и температурой плавления Т2=1410°С [Бабаков А.А. и др. Материалы в машиностроении. Справочник в пяти томах. Выбор и применение. Том 3. Специальные стали и сплавы. / Под ред. Ф.Ф. Химушина. - Москва: Машиностроение, 1968. - С. 307, 308]. При указанных размерах слоев и удельных объемных сопротивлениях балластный резистор имеет типовое для биполярных транзисторов значение сопротивления rБР=0,5 Ом.Example. FIG. 2 shows an embodiment of the inventive powerful RF and microwave transistor structure with a two-layer ballast resistor, side view. A ballast resistor with a width of 500 µm and a length of 40 µm is located on the insulating
При превышении рабочей температурой Т активных областей транзисторной структуры температуры плавления верхнего слоя Т1 и ее дальнейшем повышении происходит испарение слоя висмута, и сопротивление балластного резистора повышается до значения rБР=1,04 Ом. При размере базовой области кремниевой транзисторной структуры 500×75 мкм2 и типовых значениях физических параметров ее конструктивных элементов входное сопротивление транзисторной структуры повысится на 30-40%, что приведет к снижению, как минимум, на такую же величину значения входной мощности Рвх1 и на 35-50% величины выходной мощности Р1 транзисторной структуры и выделяемой ей тепловой мощности и предотвращению полного отказа транзисторной структуры.When the operating temperature T of the active regions of the transistor structure exceeds the melting temperature of the upper layer T 1 and its further increase, the bismuth layer evaporates, and the resistance of the ballast resistor rises to the value r BR = 1.04 Ohm. With the size of the base region of the silicon transistor structure of 500 × 75 μm 2 and the typical values of the physical parameters of its structural elements, the input resistance of the transistor structure will increase by 30-40%, which will lead to a decrease, at least by the same value, in the value of the input power P in1 and by 35-50% of the value of the output power P 1 of the transistor structure and the thermal power allocated to it and preventing the complete failure of the transistor structure.
Установлено, что проводимость тонких пленок материалов для полупроводниковых приборов появляется при их толщине, превышающей некоторое критическое значение dкр, когда отдельные кристаллы срастаются и пленка становится сплошной, а пропорциональность отношения удельного объемного сопротивления материала пленки к ее толщине выполняется при толщинах по порядку величины больших 100 
ЛитератураLiterature
1. Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я.А. Федотова. - Москва: Сов. радио, 1973. - 336 с.1. Kolesnikov V.G. and others. Silicon planar transistors / Ed. Ya.A. Fedotov. - Moscow: Sov. radio, 1973 .-- 336 p.
2. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов. / В.И. Никишин, Б.К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - Москва: Радио и связь, 1989. - 144 с.2. Design and production technology of high-power microwave transistors. / IN AND. Nikishin, B.K. Petrov, V.F. Synorov and others - Moscow: Radio and communication, 1989 .-- 144 p.
3. А.с. №1766220 СССР, МПК H01L 29/73 (1990.01). Мощная ВЧ и СВЧ транзисторная структура: №4833200/25: заявл. 30.05.1990: опубл. 15.11.1994 / Петров Б.К., Булгаков О.М., Безрядина Г.В., Кочетков А.И., Колесникова Л.И.: заявитель ВГУ. - 3 с.: ил. - Текст: непосредственный.3.A.S. No. 1766220 USSR, IPC H01L 29/73 (1990.01). Powerful RF and microwave transistor structure: No. 4833200/25: appr. 05/30/1990: publ. 11/15/1994 / Petrov B.K., Bulgakov O.M., Bezryadina G.V., Kochetkov A.I., Kolesnikova L.I .: applicant VSU. - 3 p .: ill. - Text: direct.
4. Патент №2229184 Российская Федерация, МПК H01L 29/72 (2000.01). Мощная СВЧ-транзисторная структура: №2003101817/28: заявл. 22.01.2003: опубл. 20.05.2004 / Булгаков О.М., Петров Б.К.: заявитель ВГУ. - 6 с.: ил. - Текст: непосредственный.4. Patent No. 2229184 Russian Federation, IPC H01L 29/72 (2000.01). Powerful microwave transistor structure: No. 2003101817/28: appr. January 22, 2003: publ. 20.05.2004 / Bulgakov O.M., Petrov B.K .: applicant VSU. - 6 p .: ill. - Text: direct.
5. Чиркин B.C. Теплофизические свойства материалов / B.C. Чиркин. - Москва: гос. из-во физмат, литературы, 1959. - 356 с.5. Chirkin B.C. Thermophysical properties of materials / B.C. Chirkin. - Moscow: state. Iz-in Physics and Mathematics, Literature, 1959. - 356 p.
6. Бабаков А.А. и др. Материалы в машиностроении. Справочник в пяти томах. Выбор и применение. Том 3. Специальные стали и сплавы. / Под ред. Ф.Ф. Химушина. - Москва: Машиностроение, 1968. - 448 с.6. Babakov A.A. and other Materials in mechanical engineering. Handbook in five volumes. Selection and application.
7. Гимпельсон В.Д., Радионов Ю.А. Тонкопленочные микросхемы для приборостроения и вычислительной техники / В.Д. Гимпельсон, Ю.А. Радионов. - Москва: Машиностроение, 1976. - 328 с.7. Gimpelson V.D., Radionov Yu.A. Thin-film microcircuits for instrumentation and computer technology / V.D. Gimpelson, Yu.A. Radionov. - Moscow: Mechanical Engineering, 1976 .-- 328 p.
8. Парфенов О.Д. Технология микросхем / О.Д. Парфенов. - Москва: Высшая школа, 1977. - 256 с.8. Parfenov O.D. Microcircuit technology / O.D. Parfenov. - Moscow: Higher school, 1977 .-- 256 p.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020121283A RU2743674C1 (en) | 2020-06-22 | 2020-06-22 | Powerful hf- and mf-transistor structure |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020121283A RU2743674C1 (en) | 2020-06-22 | 2020-06-22 | Powerful hf- and mf-transistor structure |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2743674C1 true RU2743674C1 (en) | 2021-02-24 |
Family
ID=74672723
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2020121283A RU2743674C1 (en) | 2020-06-22 | 2020-06-22 | Powerful hf- and mf-transistor structure |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2743674C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2789511C1 (en) * | 2022-04-26 | 2023-02-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Powerful hf and microwave transistor structure |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030076173A1 (en) * | 2001-10-22 | 2003-04-24 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson | Multi-stage, high frequency, high power signal amplifier |
| RU2251175C1 (en) * | 2003-07-30 | 2005-04-27 | Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | High-power bipolar microwave transistor |
| US9252067B1 (en) * | 2006-01-25 | 2016-02-02 | Lockheed Martin Corporation | Hybrid microwave integrated circuit |
| RU2659752C1 (en) * | 2017-05-22 | 2018-07-03 | Андрей Александрович Григорьев | Power hybrid microwave integrated circuit |
-
2020
- 2020-06-22 RU RU2020121283A patent/RU2743674C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20030076173A1 (en) * | 2001-10-22 | 2003-04-24 | Telefonaktiebolaget Lm Ericsson | Multi-stage, high frequency, high power signal amplifier |
| RU2251175C1 (en) * | 2003-07-30 | 2005-04-27 | Государственное унитарное предприятие "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | High-power bipolar microwave transistor |
| US9252067B1 (en) * | 2006-01-25 | 2016-02-02 | Lockheed Martin Corporation | Hybrid microwave integrated circuit |
| RU2659752C1 (en) * | 2017-05-22 | 2018-07-03 | Андрей Александрович Григорьев | Power hybrid microwave integrated circuit |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2789511C1 (en) * | 2022-04-26 | 2023-02-06 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Powerful hf and microwave transistor structure |
| RU2791863C1 (en) * | 2022-04-26 | 2023-03-14 | федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Воронежский государственный университет" (ФГБОУ ВО "ВГУ") | Powerful rf and microwave transistor structure |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3283221A (en) | Field effect transistor | |
| KR0182061B1 (en) | Bipolar transistor, amplifier using this bipolar transistor and integrated circuit | |
| US3387358A (en) | Method of fabricating semiconductor device | |
| KR100324145B1 (en) | Semiconductor device which improves heat reliability | |
| RU2743674C1 (en) | Powerful hf- and mf-transistor structure | |
| KR101439259B1 (en) | Variable gate field-effect transistor(FET) and, electrical and electronic apparatus comprising the same FET | |
| JPS6042626B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
| CN110767652B (en) | Wheatstone bridge structure with self-heat dissipation function and manufacturing method thereof | |
| RU2743673C1 (en) | Powerful hf- and microwave transistor structure | |
| US3489953A (en) | Stabilized integrated circuit and process for fabricating same | |
| RU2743675C1 (en) | Powerful hf- and microwave transistor structure | |
| RU2789511C1 (en) | Powerful hf and microwave transistor structure | |
| RU2791863C1 (en) | Powerful rf and microwave transistor structure | |
| Tamai | Electrical properties of conductive elastomer as electrical contact material | |
| TW461109B (en) | Method for manufacturing a silicon bipolar power high frequency transistor and power transistor device | |
| CN107706495B (en) | Preparation method of temperature compensation attenuator | |
| Braun et al. | Precision thin-film cermet resistors for integrated circuits | |
| JP3522971B2 (en) | High frequency devices | |
| CN107946712B (en) | Temperature compensation attenuator | |
| JP3294401B2 (en) | Semiconductor device | |
| US20120038432A1 (en) | Wideband impedance matching of power amplifiers in a planar waveguide | |
| JP2021125579A (en) | Heat flow switching element | |
| US20150077214A1 (en) | Composite resistors | |
| US3769561A (en) | Current limiting integrated circuit | |
| Norling et al. | Layout optimization of small-size ferroelectric parallel-plate varactors |