TWI509989B - 可變電抗電路中使用ｂｊｔ開關之阻抗匹配網路 - Google Patents

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Description

可變電抗電路中使用BJT開關之阻抗匹配網路
本發明大致上關於電漿處理。更特別是，但並非如此限制，本發明係關於用於將自一個射頻產生器所傳送之射頻功率阻抗匹配到一個半導體處理腔室中之一個電漿負載的系統、方法和設備。
在半導體製造的領域中，製造商係生產用來利用射頻(RF)功率以產生一個電漿之電漿處理腔室。為了在射頻產生器(「產生器」)和電漿負載之間達成有效地功率轉移，一個阻抗匹配網路(「匹配網路」)係經常被用來將該負載之阻抗匹配到典型為50歐姆的一個所欲輸入阻抗。該電漿負載之阻抗係可取決於諸如產生器之頻率、功率、腔室壓力、氣體組成、和電漿發動之多個變數而變化。該匹配網路係藉由變化其內部之多個電氣元件(典型為真空可變電容器)而造成負載阻抗中的前述變化，據以維持該所欲輸入阻抗。
圖1係例示一個典型的產生器，匹配網路，和電漿負載系統。該產生器102係經由一個傳輸線路108(例如：同軸纜線)以將射頻功率傳送到匹配網路104，且接著經由一個電氣連接110而傳送到電漿負載106上。該匹配網路104係變化其內部之多個電氣元件，使得該匹配網路104之輸入阻抗接近該所欲輸入阻抗。匹配網路典型係僅含有多個 電抗元件，意指用以電場和磁場形式儲存能量之多個元件，其相對於消散電能之多個電阻元件。最常見之電抗元件係電容器，電感器和經耦接電感器，不過同樣可以使用諸如經分佈電路之其它電抗元件。匹配網路係同樣能包含無耗損元件，其係包含傳輸線路和變壓器。在一個匹配網路中僅有的電阻元件典型係與非理想之電阻性且無耗損構件及不參與阻抗轉換之構件中的耗損相關聯，諸如用於感測電壓、電流、功率或溫度之構件。
匹配網路係能包括數個可變電抗元件。為了將可能隨著某一阻抗範圍而變化之一個負載阻抗匹配到一個所欲輸入阻抗，先前技術典型係使用至少兩個可變電抗元件，或者是一個可變產生器頻率和一個單一可變電抗元件之一個組合。另或者，假如能夠容忍某一輸入阻抗的不匹配，則一個單一可變電抗元件結合具有一個固定頻率之一個產生器或者是一個固定匹配於一個可變頻率產生器係可被使用。該等可變電抗元件經常係為可變電容器、可變電感器、或者是前述兩者之一個組合。例如：開關，電容器，和電感器之集合係能被用來形成一個匹配網路。真空可變電容器係為一個可變電抗元件之一個實例。多個可變電容器係能經由與多個固定電容器的並聯聯接而被佈置在兩個終端之間，該等固定電容器係經由一個開關而選擇性地被短路至第二終端。電容因此係藉由切換一個或更多開關而被變更，藉此變化在兩個終端之間的有效電容值。
圖2係例示包括一個經切換可變電容器電路之一個匹 配網路的一個實施例。經切換可變電容器200係經由一群固定電容器而被形成，其中第一固定電容器經指示為220且最終固定電容器經指示為222。該經切換可變電容器200典型係含有一個到一百個之間的固定電容器，所有固定電容器皆被連接至一個第一終端202且選擇性地被連接至一個第二終端204。多個開關(其中第一開關經指示為230且最終開關經指示為232)係選擇性地控制那些固定電容器要被連接至該第二終端204。變化經連接至該第二終端204之固定電容器的數目係變化該經切換可變電容器200的淨有效電容。為了將該電漿負載106之阻抗匹配至一個所欲輸入阻抗，該匹配網路104係同樣含有一個固定電感器210和一個第二可變電容器212(例如可為真空可變類型)。
該等開關230和232之一個實例係PIN二極體。PIN二極體係為在p摻雜區和n摻雜區之間具有一個輕度摻雜本質半導體區的PN二極體。因為在導通狀態和截止狀態兩者中具有低耗損，且能處理在該導通狀態中的高電流，和能處理在該截止狀態中的高電壓，所以PIN二極體業已被使作為匹配網路可變電容器中之開關。PIN二極體係經由其獨特的RF頻率操作而能達成上述特徵。在該截止狀態中，本質區係大量缺乏載子，而如此伴隨其之大寬度係使本質區具有高電阻。因此，該本質區係不願通過直流電流(DC)因而具有低的直流漏電流。同樣地，由經摻雜區中之電子所定界的本質區係充當一個低電容值的電容器，因而對交流電流(AC)呈現一個高阻抗。該本質區之大寬度係同樣 允許該PIN二極體耐受在該截止狀態中的高電壓。
在該導通狀態中，一個PIN二極體係經順向偏壓，且來自p區之電洞及來自n區之電子係被注入該本質區。由於在該本質區中之長載子生命期，所以該些載子中之許多者不會重新組合，即使是將一個反向偏壓施加有一個足夠的短時間週期，且因而使該本質區對具有足夠高頻率之交流電為高度傳導。因此，當施加具有足夠高頻率之交流電時，該PIN二極體在該導通狀態中係具有極低耗損。此傳導性係隨著較高直流電之施加而增加一隨著更多載子被注入該本質區內。再者，在該本質區中之載子生命期係長於射頻循環，所以與其被從該本質區中清除，不如使載子經由射頻力場而在該本質區內來回振盪。當射頻電流在該導通狀態中流過該PIN二極體時，前述特性係使該PIN二極體看到非常少量的耗損。
然而，PIN二極體係非常昂貴且僅具有兩個終端。因此，該射頻電流及該直流控制電流係必須經由相同的中通而進入，而需要複雜，昂貴且龐大的電路系統以將該直流控制來源與該射頻來源隔離。
本揭示內容係敘述用於將自一個射頻產生器所傳送之射頻功率阻抗匹配到一個半導體處理腔室中之一個電漿負載的系統、方法和設備。該匹配網路係包括一個可變電抗電路。該可變電抗電路係能包括一個或更多電抗元件，所 有電抗元件皆經連接到一個第一終端，且各個電抗元件皆經由一個相應開關(或經由超過一個開關)而選擇性地短路到一個第二終端。各個開關係包括經由偏壓電路系統所控制之一個雙極接面電晶體(BJT)或絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)。在一個啟動狀態中，該雙極接面電晶體之基極-射極接面係經順向偏壓，且交流電流(AC)係經傳導在該集極和該基極之間。因此，交流電流主要係通過該雙極接面電晶體以從集極流到基極，而非從集極流到射極。
即使該雙極接面電晶體能處置高電壓，然而其電壓處置臨界值係未必如同一個真空可變電容器般。如此，適合使用多個真空可變電容器之基本拓樸係可經調適，以在正常運作期間使該雙極接面電晶體在該匹配網路中所體驗的電壓減弱。
本揭示內容之一個觀點係為一種具有一個雙極接面電晶體(BJT)和一個偏壓電路之開關電路。該雙極接面電晶體係能具有一個集極終端，一個基極終端，一個射極終端，一個基極-集極接面，和一個基極-射極接面。該集極終端係能被連接至該雙極接面電晶體之一個集極，且使一個集極電流過該集極終端，該集極電流之一個交流電流成分係具有一個第一振幅。該基極終端係能被連接至該雙極接面電晶體之一個基極，且使一個基極電流過該基極終端，該基極電流之一個交流電流成分係具有一個第二振幅。該射極終端係能被連接至該雙極接面電晶體之一個射極，且使一個射極電流過該射極終端，該射極電流之一個交流電流成 分係具有一個第三振幅。
該偏壓電路係能建立該雙極接面電晶體之一個導通狀態和一個截止狀態。該偏壓電路係能順向偏壓該基極-射極接面以建立該雙極接面電晶體之導通狀態，而使得該第二振幅係大於該第三振幅。該偏壓電路係能逆向偏壓該基極-射極接面和該基極-集極接面，以建立該雙極接面電晶體之截止狀態。
在本揭示內容之另一個觀點中，一種阻抗匹配設備係具有至少一個可變電抗元件和一個固定阻抗匹配區段。該阻抗匹配設備係能被配置在一個產生器和一個電漿負載之間。該至少一個可變電抗元件係能具有一個第一終端，一個第二終端，經連接至該第一終端之至少一個電抗元件，和經組態以選擇性地將該至少一個電抗元件連接至該第二終端之至少一個開關電路。當將該至少一個開關電路閉合，據以將該至少一個電抗元件連接至該第二終端時，該至少一個開關電路係變更在該第一終端和該第二終端之間的一個電抗值。
該至少一個開關電路係雙極接面電晶體。該雙極接面電晶體係能具有或經組態為操作在一個導通狀態和一個截止狀態中。在該導通狀態中，該雙極接面電晶體之一個基極-射極接面係能經順向偏壓。流過該雙極接面電晶體之一個基極終端之一個第一電流的一個交流電流成分係大於流過該雙極接面電晶體之一個射極終端之一個第二電流的一個交流電流成分。在該截止狀態中，該雙極接面電晶體之 基極-射極接面和一個基極-集極接面能經逆向偏壓。該固定阻抗匹配區段係能串接於該至少一個可變電抗元件，且係能經組態以在配置上串接於一個電漿負載。該固定阻抗匹配區段係能在一個梯形網路中包含一個或更多分流元件和一個或更多串聯元件，其中該等一個或更多分流元件和串聯元件係能經組態成一個單一連接埠或多重連接埠網路。另或者，該固定阻抗匹配區段係能包含至少兩個達靈頓(Darlington)區段。
本揭示內容之另一個觀點係一種包含下述操作之方法：順向偏壓一個雙極接面電晶體之一個基極-射極接面；將流過該雙極接面電晶體之一個第一電流傳導在該雙極接面電晶體的一個集極終端和該雙極接面電晶體的一個基極終端之間，其中該第一電流係具備帶有一個第一振幅之一個交流電流成分；以及將流過該雙極接面電晶體之一個第二電流傳導在該雙極接面電晶體的集極終端和該雙極接面電晶體的一個射極終端之間，其中該第二電流係具備帶有一個第二振幅之一個交流電流成分，且其中該第二振幅係小於該第一振幅且等於或大於零。
本揭示內容係將起始於所面對之問題，所發現之不可預期結果，以及所提出之裝置物理特性的討論，以解釋該等不可預期結果。
一個裝置係需要能夠成功履行一個PIN二極體作為一 個開關之角色，以用於在兩個終端之間使多個電容器或其它電抗電路短路，而建立一個使用在一個阻抗匹配網路中的可變電抗元件。此裝置係應該在該導通狀態和該截止狀態中具有低耗損，此裝置同樣應該處理在該截止狀態中之高電壓和在該導通狀態中之高電流。切換控制係應該經由一個終端所致能，而非由通過射頻電流之一個終端，藉此避免複雜、龐大、且昂貴的隔離電路系統。意外地，該些目的係經由先前未發現到如本文中所述之雙極接面電晶體(BJT)的操作模式而達成。
典型上，一個雙極接面電晶體在操作上係如同一個開關，處於一個導通狀態時係在集極和射極之間傳導電流，且處於一個截止狀態時係在集極和射極之間阻隔電流流動。在此已知的操作模式中，該基極電流係被使用作為一個控制電流，且為該開關處於該導通狀態時在集極和射極之間所傳導之電流的一部分。在此正常組態中，該開關係使用如同該導通狀態之切斷(看似一個開路電路)，和如同該截止狀態飽之飽和(看似一個短路電路)。然而，此揭示內容係敘述將該雙極接面電晶體操作為一個開關支一個新方式，其中在該開關之導通狀態時，電流係被傳導在集極和基極之間，而在該截止狀態時，流動在集極和基極之間的電流則被阻隔。在此操作模式中，該射極電流係被使用作為該控制電流，以接通或斷開該開關。造成此操作模式顯著不同於操作該雙極接面電晶體之任何不同方式係在於該基極電流具有一個大的交流電流(AC)成分，使得 電流係皆流進該基極且流出該基極，不過眾所周知的Ebers-Moll方程式則敘述到一個雙極接面電晶體之基本操作僅允許一個基極電流針對一個n-p-n型BJT電晶體為流入該基極終端，而針對一個p-n-p型BJT電晶體則流出該基極終端。當然在動態條件下，由於該裝置之電容經過充電或放電，電流在一個習用開關中係能流出一個n-p-n型電晶體之基極；不過在新發現的操作模式中，該基極電流係具有刻意大的一個交流電流成分，而不同於針對該雙極接面電晶體之任何已知操作模式。在操作該雙極接面電晶體的先前技術和新模式之間的區別係經由將圖3中之先前技術和圖4中之新操作模式作比較而明顯。在如圖3所例示之先前技術中，該雙極接面電晶體302所控制之電流304係主要從集極流到射極，且該基極電流308主要係由該控制電流306所組成。相比較下，如圖4所例示在該雙極接面電晶體之新操作模式中，該雙極接面電晶體402之受控制電流404係主要從集極流到基極，而該基極電流408係經控制電流404和該控制電流406的總和，且具有一般來說超過該直流電流(DC)成分之一個大型交流電流成分，使得該大型交流電流成分為該基極電流的優勢成分。
實驗上發現到：經施加在該基極和射極之間的一個小型直流電流成分係能控制在集極和基極之間的一個大型交流電流成分。在此模式中，該導通狀態之耗損係顯著地低，且相信該裝置在此模式中之操作係類似於一個PIN二極體之操作，其中該AC電流係來回掃描在該等集極和基極區中 的經注入載子，而該DC射極電流係保持對該等集極和基極區所供應的載子。假如該DC射極電流被中斷且該集極電壓甚至是使用一個非常大型的電阻器而被拉升(對於一個p-n-p型雙極接面電晶體來說為拉降)，在集極和基極之間的電流流動係能被中斷，且該射極基極接面係逆向偏壓以對從集極到基極之電流流動提供一個高阻抗，而建立一個低耗損的截止狀態。在該導通狀態中達成低耗損之一些雙極接面電晶體元件在該截止狀態中係能處理高達1600伏特。由於如果基極被拉升至大約800伏特之小型集極基極電容，該些雙極接面電晶體元件係同樣能看見低耗損的截止狀態。如此，本文中所揭示操作在該切換模式中之一個雙極接面電晶體係使一個PIN二極體在該導通狀態中達成低耗損和高載流能力，且使一個PIN二極體在該截止狀態中達成低洩漏電流和高電壓能力。然而，如此正是經由一個三終端元件，因而避免一個PIN二極體將直流電流控制訊號和射頻訊號隔開所需之複雜的隔離電路系統。
圖5係例示用於將一個射頻電源阻抗匹配到一個電漿阻抗之一個匹配網路，其中使用到本文中所述之開關技術。該匹配網路104係接收來自一個射頻功率產生器102之功率且將該功率傳達至該電漿負載106。該匹配網路104係包括一個可變阻抗匹配區段508，其係串接於一個固定阻抗匹配區段510。
該固定阻抗匹配區段510係將該電漿負載106所呈現之阻抗轉換成對該可變阻抗匹配區段508之多個構件的有 限電壓和電流處理能力更為合適的一個阻抗。該可變阻抗匹配區段係含有多個固定元件，其係能處理由該電漿負載之阻抗所強加的電壓和電流及所傳遞到的功率，且可由多個電容器，電感器和散佈電路所組成。儘管使用一個固定阻抗匹配區段510以降低多個雙極接面電晶體開關必須處理之電壓，然而諸如下述之外加預防係可視應用而有所需求：過電壓狀況之偵測，用以保護該等開關抵抗瞬間過電壓之多個電壓限制電路，和將該等雙極接面電晶體開關接通以保護持續過電壓狀況之多個演算法。，
該可變阻抗匹配區段508係具有至少一個經切換可變電抗元件512，其係能配置有任何數目個固定電抗元件516，諸如固定電感器516，固定選用電感器530，傳輸線路514和電容器518。該可變阻抗匹配區段508係能含有任何數目個固定集總及散佈元件和電路。所例示之匹配網路104係含有兩個經切換可變電抗元件512和513，然而能使用超過兩個經切換可變電抗元件。
圖6係例示一個經切換可變電抗元件600之一個實施例，諸如圖5中之經切換可變電抗元件512。該經切換可變電抗元件600係包括一個或更多電感元件或電容元件612，614和616，其各者係經由一個相應的開關602，604和606而選擇性地被連接在第一終端638和第二終端640之間。儘管例示有電容元件612，614和616，然而熟習本項技術人士將認知到：多個電感元件或多個電感元件及電容元件之一組合或確實含有多個電抗或無耗損構件之任何電路可 能加以使用。多個電抗元件係包含但不限於多個電容器，多個電感器，及多個經耦接電感器。多個無耗損構件係包含但不限於多個傳輸線路及變壓器。該等電容元件612及開關602係經串聯連接，如同該等電容元件614和616及其相應的開關604和606。電容元件612及開關602之組合係經並聯連接到電容元件614及開關604之組合，且到電容元件616及開關606之組合。在多個替代性實施例中，所有或一些電容元件612，614和616係能具有電感性、或者是包括多個電感元件及電容元件之一組合或確實含有多個電抗或無耗損構件之任何電路。該第一終端638和該第二終端640在字面意義上係可為終端，不過更一般來說，該等電抗元件及開關係可連接到該匹配網路104中之多個經散佈區域。後述案例係等效於使用多重單一開關的可變電抗元件，且因而前述說明係仍然適用。該終端640係能為諸如匹配包體之一個接地。再者，超過一個開關係能經並聯連接且使其串聯於一個單一電抗元件，以增加該開關的電流處理能力以及降低來自控制器642之功率和控制訊號的數目。
可變電抗元件600之電納(susceptance)係著更多電容元件612，614，616(例如：電容器)被連接在該第一終端638和該第二終端640之間而增加。假如該等電容元件612，614和616具有電感性，則電納係將減少。假如該等電容元件612，614和616被多個電感元件及電容元件之一組合所取代，則電納係能增加或減少。儘管例示有三個電 容元件612，614，616和三個開關602，604和606，不過熟習本項技術人士將認知到：任何數目個電容元件和開關係能被實施。為調整該可變電抗元件600之電納，該匹配網路104係能經由控制器642來提供多個功率和控制訊號。
電容元件612，614，616之數目越大，該匹配網路104越能精確地調整該射頻產生器102所看見的阻抗。例如：假定具有1200 pF到6000 pF之一個電容值範圍的一個可變電抗元件600之一個匹配網路104，假如在該可變電抗元件600中有更多的電容元件612，614，616，則增量電容調整係能更少。相同原則係適用其它電容或電感元件。
圖7係顯示該開關電路602之一個替代性實施例，其中該雙極接面電晶體622之基極未直接連接到該終端640，但是透過一個電容器660而被電容性地連接。該電容器660係可為大型(例如：對於13.56 MHz應用來說為100 nF)，用以低耗損之方式將該集極-基極電流傳導到該終端640。
在所例示實施例中，該開關602係包括經由一個偏壓電路632所控制之一個n-p-n型雙極接面電晶體(BJT)622。該雙極接面電晶體622係具有三個終端：一個集極終端650，一個基極終端651，和一個射極終端652。該集極終端650係被連接到該集極，並且是在該集極和該可變電抗元件600或700的多個其它構件之間的一個傳導性介面。該基極終端651係被連接到該基極，並且是在該基極和該可變電抗元件600或700的多個其它構件之間的一個傳導性介面。該射極終端652係被連接到該射極，並且是在該 射極和該可變電抗元件600或700的多個其它構件之間的一個傳導性介面。
該雙極接面電晶體622係具有一個基極-集極電流IBC ，一個基極-集極電壓VBC ，一個基極-射極電流IBE ，和一個基極-射極電壓VBE 。當電流從該基極流到該集極時，該基極-集極電流IBC 係為正性。當在該基極處之電位高於在該集極處之電位時，該基極-集極電壓VBC 係為正性。當電流從該基極流到該射極時，該基極-射極電流IBE 係為正性。當在該基極處之電位高於在該射極處之電位時，該基極-射極電壓VBE 係為正性。該基極-集極電壓，該基極-集極電流，該基極-射極電壓，和該基極-射極電流各者係代表所有直流電流訊號(DC)和交流電流(AC)訊號之總和。在本文中，如同往常，此術語交流電流係意謂流過一個構件之電流的交流部分、或者是等效為一旦將時間平均數值去掉的剩餘部分。類似地，此術語交流電流係意謂該時間平均數值。直流電流和交流電流因而係能指稱為電壓和電流兩者。在一個典型的匹配網路中，電壓和電流兩者之交流電流成分在靜態操作下係為正弦或近正弦，且一個電壓或電流之交流電流成分的振幅就是該電壓或電流自其時間平均數值之最大偏差的強度。直流電流成分和交流電流成分之討論係指稱一旦達到正弦靜態狀態時之數值。假如該產生器之輸出經脈衝調制，施加該射頻訊號的同時需要將時間平均採取一段足夠短的時間週期，典型上為數十個或數百個射頻循環。通過該集極終端650之一個集極電流係 通過該集極終端650之所有直流電流和交流電流的一個總和。該集極電流之交流電流成分係具有一個第一振幅。通過該基極終端651之一個基極電流係通過該基極終端651之所有直流電流和交流電流的一個總和。該基極電流之交流電流成分係具有一個第二振幅。通過該射極終端652之一個射極電流係通過該射極終端652之所有直流電流和交流電流的一個總和。該射極電流之交流電流成分係具有一個第三振幅。在一個實施例中，通過該雙極接面電晶體之集極終端650的交流電流中僅一小部分通過該射極終端652。隨著該雙極接面電晶體622被該偏壓電路632偏壓到該導通狀態，該第二振幅係遠大於該第三振幅。在一個實施例中，該第三振幅相較該第二振幅係可忽略。
該雙極接面電晶體622係經由一個偏壓電路632進行偏壓。該偏壓電路632係能施加一個或更多電壓源、或電流源、或前述兩者之一組合。換言之，該雙極接面電晶體622係能經由電壓、電流、或前述兩者之一組合來控制。該等一個或更多電壓源或電流源係經組態設定以控制該基極-集極電壓，該基極-射極電壓，該基極-集極電流，和該基極-射極電流。
該偏壓電路632係能藉由順向偏壓該基極-射極接面以建立該雙極接面電晶體622的一個導通狀態。該偏壓電路632係能藉由逆向偏壓該基極-射極接面和該基極-集極接面以建立該雙極接面電晶體622的一個截止狀態。
在一個實施例中，該偏壓電路632係包含一個基極-射 極偏壓電路(未例示)。該基極-射極偏壓電路係產生一個正性或負性基極-射極電壓。換言之，該基極-射極偏壓電路係控制該基極-射極接面是否為順向偏壓還是逆向偏壓。
在一個實施例中，該偏壓電路632係包含一個基極-集極偏壓電路(未例示)。該基極-集極偏壓電路係產生一個負性基極-集極電壓。換言之，該基極-集極偏壓電路係決定逆向偏壓該基極-集極接面的程度。
該偏壓電路632係經組態設定以控制該雙極接面電晶體622的狀態。儘管雙極接面電晶體一般來說具有包含飽和，主動線性、和斷開之多重狀態，不過在一個實施例中，該雙極接面電晶體622係僅僅操作在一個「導通狀態」以及一個「截止狀態」中。儘管該截止狀態類似於一個雙極接面電晶體之習用斷開模式，不過該導通狀態並非在先前技術中所知悉。
在一個實施例中，該偏壓電路632係包含第一偏壓裝置，第二偏壓裝置，和第三偏壓裝置(未例示)。該第一偏壓裝置和該第二偏壓裝置係經組態設定以偏壓該基極-射極接面。該第一偏壓裝置係經組態設定以將一個負性或逆向偏壓施加到該基極-射極接面，來建立該雙極接面電晶體622的截止狀態(亦即，其中該射極終端652係具有高於該基極終端651之一個電位)。該第二偏壓裝置係經組態設定以將一個正性或順向偏壓施加到該基極-射極接面，來建立該雙極接面電晶體622的導通狀態(亦即，其中該基極終端651係具有高於該射極終端652之一個電位)。該第 三偏壓裝置係經組態設定以將一個負性或逆向偏壓施加到該基極-集極接面，來建立該雙極接面電晶體622的截止狀態(亦即，其中該集極終端650係具有高於該基極終端651之一個電位)。該第一偏壓裝置和該第二偏壓裝置係能經由一個單極雙投型開關以選擇性地串聯連接在該射極終端652和該基極終端651之間。該開關係將該第一偏壓裝置之正性電位終端或該第二偏壓裝置之負性電位終端連接到該射極終端652。因此，藉由挑選該基極-射極接面是否為順向偏壓還是逆向偏壓，該開關係控制該雙極接面電晶體是否處於一個導通狀態還是一個截止狀態。
在一個實施例中，該第一偏壓裝置係相對該基極終端651以施加12伏特至該射極652，使得該基極-射極接面係經逆向偏壓。該第二偏壓裝置係相對該基極651以透過一個3.5歐姆電阻器施加與該第一偏壓裝置之極性相對的-12伏特至該射極652，使得該基極-射極接面係經順向偏壓。該第三偏壓裝置係能透過在該第三偏壓裝置和該集極之間的一個2M姆電阻器來施加700伏特，以用於逆向偏壓該基極-集極接面。隨著該些數值，藉由在0和2安培RMS之間且具有13.56 MHz之一個頻率的一個經施加集極-基極電流加上大約0.1安培之一個集極-射極電流，其後在經順向偏壓的狀態中設定有-1.2伏特、3.5歐姆和基極-射極壓降，該雙極接面電晶體係在基極和射極之間達成大約0.3歐姆的一個導通狀態電阻值。在該截止狀態中，此該雙極接面電晶體組態係在基極和射極之間達成大約110K歐姆的一個分 流電阻值。在該截止狀態中，該經逆向偏壓的基極-集極接面係能模製成一個10 pF的電容器串聯一個14歐姆的電阻器。並聯等效阻抗係一個10 pF的電容器並聯一個100K歐姆的電阻器。該110K歐姆之分流電阻值係使用一個熱量測量進行測量，以決定在該基極-集極接面被一個高壓射頻訊號所激發時的接面耗損。在此激發期間所產生之熱度係相較於在一個DC電流通過該接面時所產生之熱度。
存在有對於該集極-基極電流之一個電流臨界值，該雙極接面電晶體在該電流臨界值之上係無法被斷開且因而無法受到控制。對於上文所述組態之臨界值係大約2安培RMS。應該要理解到：該些數值係僅僅作為示範性用，且其它組合係同樣可行。例如：該第一偏壓裝置之電壓係能介於0伏特和該基極-集極崩潰電壓之間。如另一實例，該第二偏壓裝置係能被一個電流源所取代以達成對該基極-集極電流的較佳控制，或者是該第三偏壓裝置係可使用一個小型電阻器以加速在截止狀態和導通狀態之間的變遷，其代價在於該導通狀態下之電阻器中有較高散逸，其中在該電阻器上有700伏特之偏壓電壓的下降。該700伏特之偏壓電壓係能經來回調整，不過一般來說應該要經過選擇以使得該集極終端650係以大於其振幅之一個電壓進行偏壓，而該集極終端650之經選擇偏壓和振幅的總和則少於該雙極接面電晶體622之集極-基極崩潰電壓。
圖8係例示圖7之可變電抗元件的一個實施例，其中係包括處於一個截止狀態之一個雙極接面電晶體開關622 連同經過一個可變電抗元件700之電流路徑802，804，806。實線箭頭係代表DC電流。虛線箭頭係代表AC電流。
一個負性電流或電壓偏壓係被施加至該基極-射極接面，使得該基極-射極電壓以及該基極-射極電流係具有負性。換言之，該射極終端652係處在高於該基極終端651之一個電位。如此係逆向偏壓該基極-射極接面，且避免電流通過該基極-射極接面。照此，自該偏壓電路632通過該射極終端652和該基極終端651且回到該偏壓電路632之DC電流806係短暫的，且將僅在短路期間通過該基極-射極接面，該基極-射極接面在該短路期間係耗盡自由載子。一旦該基極-射極接面耗盡自由載子，同樣將存在有一個小型的射極-基極洩漏電流。
一個電流804或電壓偏壓係被施加至該基極-集極接面，使得該基極-集極電壓及該基極-集極電流係具有負性。換言之，該集極終端650係處在高於該基極終端651之一個電位。如此係逆向偏壓該基極-集極接面，且避免該電流804通過該基極-集極接面。照此，自該偏壓電路632通過該集極終端650和該基極終端651且接著回到該偏壓電路632之DC電流804係短暫的，且將僅在短路期間通過該基極-集極接面，該基極-集極接面在該短路期間係經耗盡自由載子。一旦該基極-集極接面經耗盡，自該集極終端650至該基極終端651之逆向偏壓電流804係將停止，除了有一個小型洩漏電流。由於兩個接面經過逆向偏壓，所以此截止狀態係類似於一個習用雙極接面電晶體中的斷開狀態。
隨著該雙極接面電晶體622經過偏壓而使得兩個接面經過逆向偏壓，AC電流802係無法通過該電抗元件612，除了有洩漏電流流過經逆向偏壓之基極-集極接面的電容。因此，該AC電流802係繼續到下一個電容元件616和開關606。假如開關606經過接通/斷開，則該AC電流802係通過該可變電抗元件700中的另一開關，或者是假如所有開關602和606經過接通/斷開，則該AC電流802根本無法通過該可變電抗元件700。儘管該雙極接面電晶體622之兩個接面經過逆向偏壓，然而該電容元件612係串聯於該雙極接面電晶體622之接面電容，且因而對該可變電抗元件700的總電容僅貢獻有該電容元件612之電容的一部分(典型為少於10%)。
參見圖9，假如逆向偏壓之DC電壓902具有負性(實線)，不過其一個強度少於該集極-基極電壓(虛線)之交流電流成分的振幅，則該基極-集極接面在負性交流電流週期期間係將被逆向偏壓，不過在正性交流電流週期期間係將被順向偏壓(負性電壓意謂該基極-集極接面係經逆向偏壓)。因此，隨著在該基極-集極接面上之一個小型或可忽略的逆向偏壓，該基極-集極接面將不會保持被斷開。如此係意謂該開關602將部分是無法控制的。
因此，該偏壓電路632係應該在該基極-集極接面上維持DC電位904之一個足夠高的強度，其中當該集極基極電壓處於其最小值時，該基極-集極電壓VBE 係少於0伏特。如此係經由-700伏特之直流電流偏壓904(實線)和大約以 -700伏特為中心之交流電流訊號908(虛線)來顯示。如所見，隨著此一偏壓，直流電流904和交流電流908之成分總和係無法使淨電壓為正，且因此在註定是經逆向偏壓時是無法順向偏壓該接面。由於該直流電流偏壓904大到足夠避免該基極-集極電壓變為正性，所以該基極-集極接面係保持經逆向偏壓且該雙極接面電晶體622係保持處於截止狀態。因此，一個逆向偏壓904之一個強度大致上與大於該AC電流908之強度係能確保該雙極接面電晶體622不會被困在一個導通狀態或一個部分導通狀態。
藉由確保免該基極-集極電壓之強度大致上保持大於0伏特而能達成進一步的優勢。例如：在圖9所例示曲線圖中，該直流電流偏壓904係-700伏特，且該交流電流訊號908係具有大約400伏特峰對峰之一個振幅。因此，該基極-集極電壓係從不上升超過-500伏特。在該基極-集極接面上之實質逆向偏壓係確保該接面耗盡所有或幾乎所有的自由載子(確保低DC洩漏電流)，且其空乏區係寬的(確保低的AC洩漏電流，由於寬接面充當一個低電容值的電容器)。
圖10係例示圖7之可變電抗元件的一個實施例，其中係包括處於一個導通狀態之一個雙極接面電晶體開關連同經過該可變電抗元件之多個電流路徑。實線箭頭係代表DC電流。虛線箭頭係代表AC電流。一個正性電流或電壓偏壓係被施加至該基極-射極接面，使得該基極-射極電壓及該基極-射極電流係具有正性。換言之，該基極終端651係處在高於該射極終端652之一個電位。如此係順向偏壓該基極- 射極接面，且允許DC電流1002通過該基極-射極。因此，該偏壓電路632係將該DC電流1002從該基極終端651傳達到該射極終端652。該DC基極-射極電流1002係能為從該射極終端650流到該基極終端651之AC電流1004的一小部分(例如：不超過5%)。此小型的DC電流1002係能將多個電子注入該基極，其接著係能掃描進入該基極-集極接面，以補充業已在該基極-集極接面中所重新組合的電子。依此方式，該DC基極-集極電流1002係將該基極-集極接面維持在一個低電阻狀態中，因而允許該AC電流1004從該射極終端650傳達到該基極終端651，而帶有非常少的耗損。在一個實施例中，在該導通狀態中之順向偏壓VBE 係小於該截止狀態中之逆向偏壓VBE 。
在該導通狀態中，該基極-集極電壓本質上係零值，且一個小型DC電流(未例示)係由於該偏壓電路632而可從集極流到基極，不過此電流對該雙極接面電晶體622處於此狀態之操作係不具有任何效應。按此，該基極-集極電壓或偏壓在該導通狀態係作為選用。
一旦該AC電流1004通過該電容器612，該集極終端650，該集極，該基極-集極接面和該基極，此電流係能選擇從該基極終端651出去且在途中經過該電容器660到終端640或者是持續經過該基極-射極接面且經由該射集終端652離開(假設該偏壓電路632具有到該終端640之一條電流路徑)。該電容器660對該AC電流1004所呈現之一阻抗係小於經過該基極-射極接面之路徑。因此，大部分的AC 電流1004係通過該電容器660且避開該基極-射極接面。該雙極接面電晶體622之一個經驗模型以進一步解釋該AC電流1004為何避開該基極-射極接面係被呈現在圖12中和下文相關的討論中。
在圖10之討論中，參考開關602所述之相同構件和功能性係同樣應用在一個或更多其它開關606。
圖12係例示操作在該導通狀態中之一個n-p-n型雙極接面電晶體的一個經驗導向模型。該模型1200係預測從集極終端1232流到該基極終端1234之AC電流1244將遭遇一個電阻1262(R1 )。從該集極終端1232流到該射極終端1236之AC電流則將遭遇電阻1262(R1 )和1266(R2 )。
傳統上，一個n-p-n型雙極接面電晶體在飽和(傳統的「導通狀態」)下係經操作而使得藉由允許或避免電流從該集極終端流到該射極終端，從該基極終端到該射極終端之一個電流係控制該雙極接面電晶體的導通/截止狀態。相較之下，在本揭示內容中，藉由允許或避免電流從該集極終端1232流到該基極終端1234，從該基極終端1234到該射極終端1236之一個電流係控制該雙極接面電晶體1200的導通/截止狀態。此外，與一個AC電流通過該基極終端1234和該射極終端1236之間相關聯的耗損大致上係能藉由使該AC電流通過該射極終端1232和該基極終端1234之間而被降低。對於從該集極終端1232流到該射極終端1236之AC電流來說，由於該等電阻1262(R1 )和1266(R2 )兩者之關係而存有耗損。對於從該集極終端1232流到該基 極終端1234之AC電流1244來說，僅由於該電阻1262(R1 )而存有耗損。因此，前述耗損係能藉由使該AC電流1244從該集極終端1232流到該基極終端1234而被顯著地降低。
再次參考圖7之實施例，對於該電容器660存有一個較佳電容值，據以經由使用一個低阻抗的電容器660而最小化該AC電流1244的耗損。如此在下述組態中係特別真實，其中該射極652係直接被連接到該第二終端640，且該電容器660因而係有效地將該基極終端651連接到該射極終端652。在此案例中，通常將被考量作為一個有效旁通電容是將能搭配寄生引線電感1264和1268(參見圖12)以建立一個共振電路，其係劇烈地增加耗損。為了避免前述情況且確保該電流1244優先地從該集極終端1232流到該基極終端1234，該電容器660係能為大型(例如具有大約100 nF之一個數值)而操作於13.56 MHz。
圖13係例示本揭示內容所述操作在該截止狀態中之一個n-p-n型雙極接面電晶體的一個橫截面圖。在該截止狀態中，一個基極-集極接面1330和一個基極-射極接面1332兩者係經過逆向偏壓。因此，空乏區兩者(未依比例繪製)係寬於兩個接面在無偏壓或在經過順向偏壓時(相較於圖14中之空乏區的寬度，同樣未依比例繪製)。在該截止狀態中之大型空乏區係避免DC電流1322和AC電流1320兩者通過該等接面1330和1332。該等空乏區大致上係缺乏自由載子，且因而對於DC電流1322來說不具有傳導性。該等空乏區係能經模製成為低電容值的電容器(在從該摻雜 區中之自由載子所形成的兩個導體之間的寬間隙)，且因而對該AC電流1320呈現高阻抗。
圖14係例示操作在該導通狀態中之一個n-p-n型雙極接面電晶體的一個橫截面圖。在該導通狀態中，該基極-集極接面1430大致上係未經偏壓(一個逆向偏壓係可被施加，不過相較於該AC電流1420，該逆向DC偏壓在該接面1460上係具有一個可忽略的效應)。從一個交流電流的觀點來看，先前技術係教示該接面1430應該整流該AC電流1420。然而，在該基極-射極空乏區內之載子生命期係足夠長，而使跨於該接面1430之電壓的交替極性在該接面1430經過逆向偏壓之半週期期間不會耗盡該空乏區的載子。因此，不存有整流動作，且該AC電流1420係以帶有低耗損之方式通過該集極終端1402和該基極終端1404之間。
該基極-射極接面1432在該導通狀態中係以一個DC電流1422進行順向偏壓，且具有比假如經過逆向偏壓或假如不存在偏壓時將會有的空乏區還小。
在一個實施例中，通過該集極終端1402之一個集極電流係具備帶有一個第一振幅之一個交流電流成分。集極電流係通過該集極終端1402之電流，且係交流電流成分和直流電流成分之總和。一個基極電流係通過該基極終端1404，且具備帶有一個第二振幅之一個交流電流成分。基極電流係通過該基極終端1404之電流，且係交流電流成分和直流電流成分之總和。一個射極電流係通過該射極終端1406，且具備帶有一個第三振幅之一個交流電流成分。射 極電流係通過該射極終端1406之電流，且係交流電流成分和直流電流成分之總和。該第二振幅係能遠大於該第三振幅。該第二振幅係能遠大於該基極電流之直流電流成分的強度。該第二振幅係能至少5倍大於該第三振幅。該第二振幅係能至少5倍大於該基極電流之直流電流成分的強度。
在該截止狀態之一個實施例中(圖13)，當該基極終端1304和該射極終端1306處於例如接地之一個等效電位時，在該集極終端1302和該基極終端1304之間的一個崩潰電壓係至少1000伏特。
圖15係例示偏壓電路632之一個實施例。該開關1508係藉由挑選該基極-射極接面是經過順向偏壓還是逆向偏壓來挑選該雙極接面電晶體622是處於一個導通狀態還是一個截止狀態。該開關1508係能以兩個金氧半導體場效電晶體(MOSFET)元件來實施，不過存在許多其它的可行性。該訊號線路1510係控制該開關1508之狀態。
在一個實施例中，該開關1508係被連接到一個具有12伏特之供應線路1512且到一個具有-12伏特之供應線路1514。當該開關1508被連接到該具有12伏特之供應線路1512時，該基極-射極接面係透過一個具有330 nH之電感器1504和一個具有3.5歐姆之電阻器1506而被逆向偏壓。當該開關1508被連接到該具有-12伏特之供應線路1514時，該基極-射極接面係透過該具有330 nH之電感器1504和該具有3.5歐姆之電阻器1506而被順向偏壓。該集極終端650係透過一個具有2M歐姆之電阻器1502而被連接到 一個第三具有700伏特偏壓之供應線路1516。藉著該些數值，該雙極接面電晶體622係能達成具有大約0.3歐姆之一個導通狀態電阻，且具有大約0.1安培之一個基極-射極電流。在該截止狀態中，此組態係達成具有大約110k歐姆之一個分流電阻。存在有一個電流臨界值，該雙極接面電晶體622在高於該電流臨界值時係無法被斷開，且因而無法受到控制。對於圖15中所例示實施例之此臨界值係大約3安培RMS。應該要理解到：該些數值係僅僅作為示範性用，且其它組合係同樣可行。
不同於圖7中所例示實施例，此處之基極終端係被連接至接地640。當該雙極接面電晶體622處於該導通狀態時，該AC電流係通過該集極終端650，通過該集極，到該基極，離開該基極終端651，且到接地640。因此，由於該AC電流在途中不需要通過一個電容器而到接地640，所以此實施例典型上係具有甚至低於圖7中之實施例的耗損。
與本文中所揭示一個雙極接面電晶體之新穎用途相關聯的一個挑戰係在於一個基本的匹配網路中跨於一個開關之壓降是超過一個雙極接面電晶體所能處理的量。因此，一個新穎的匹配網路拓樸係能被實施，以供降低跨於該雙極接面電晶體的壓降。
圖16係例示如本項技術中所知悉之一個匹配網路。該基本L型匹配網路1602係包括一個可變分流電抗元件1604和一個可變串聯電抗元件，該可變串聯電抗元件係包括經串聯連接的固定電抗元件1606及可變電容器1608。在該可 變分流電抗元件1604和該可變串聯電抗元件1604之間係對於該基本L型匹配網路1602的一個輸入。在該可變串聯電抗元件1604和該電漿負載106之間係該基本L型匹配網路1602的一個輸出。然而，在許多應用中，在該可變串聯電抗元件上之壓降係高於使用多個本文中所揭示雙極接面電晶體開關之一個經切換可變電抗元件所能處理的量。因此，此拓樸可能無法相容於本文中所揭示一個雙極接面電晶體之新穎用途。
圖11係例示包含一個固定阻抗匹配區段1110之一個匹配網路的一個實施利，該固定阻抗匹配區段1110係經連接在一個可變阻抗匹配區段1108和該電漿負載106之間。至少一個可變電抗元件1112係能經配置有任何數目個固定電抗元件，諸如：固定電感器1116，選用的固定電感器1130，傳輸線路108，和一個固定電容器1118。該至少一個可變電抗元件1112係同樣能經配置有任何數目個固定集總及散佈元件和電路。所例示之可變阻抗匹配區段1108係包含兩個可變電抗元件1112和1113。該固定阻抗匹配區段1110係經例示為串接於該等可變電抗元件1112和1113。該固定阻抗匹配區段1110係同樣經例示為串接於該電漿負載106。在一個實施例中，由於該匹配網路104典型上是一個分別於該電漿負載106之單獨設備，所以該固定阻抗匹配區段1110係僅能經組態以被串接於該電漿負載106。
該固定阻抗匹配區段1110係能包含處於一個階梯網路組態(或者是一個串聯分流網路)之至少兩個電抗構件。 該些兩個電抗構件中之一個電抗構件係能包含一個分流元件1120，不過此電抗構件同樣能包含超過一個的分流元件1120。該分流元件1120係經例示為一個電容器，不過可能是任何電抗元件及/或無耗損元件(例如：電感器，經耦接電感器電容器、傳輸線路、變壓器等幾個例子)。其它的電抗構件係能包含一個串聯元件1122，其係經例示為一個電感器串聯一個高壓路徑1124。在其它實施例中，超過一個的電抗元件及/或無耗損元件係能被串聯連接該高壓路徑1124以形成該串聯元件1122。該電感元件1122係能為一個離散元件，或者是僅能代表該高壓路徑1124之電感值。
儘管該分流元件1120是一個「固定」阻抗匹配區段1110之一部分，然而熟習本項技術人士將認知到：該分流元件1120係能包含帶有一個小型可變電容值(例如：1%)之電容元件或電感元件。該固定阻抗匹配區段1110之至少兩個電抗構件係能操作為一個單連接埠網路或多重接埠網路。該固定阻抗匹配區段1110係同樣能包含一個或更多選用電抗構件，諸如選用電感器1132。
相較跨於一個基本可變串聯電抗元件之峰值電壓(例如：圖16中之1606和1608的串聯組合)，該固定阻抗匹配區段1110係使跨於該可變電抗元件1112之峰值電壓降低二分之一或更多。此一電壓降低係能下述時點進行測量：當該固定阻抗匹配區段1110及該基本可變串聯電抗元件兩者看見相同範圍的負載阻抗，產生相同的輸入阻抗，且兩者皆經組態以將等效功率傳遞到該電漿負載106。一個 基本可變串聯電抗元件之一個實例係經例示在圖16中，且係包括該經串聯連接之固定電抗元件1606和可變電容器1608的一個組合。
該等可變電抗元件1112和1113在所例示實施例中係經接地參考，且如圖6、圖7或圖15中之細節所建構或者是如本文中所述。該等電感器1116和選用電感器1130係可為離散電感器，或者是具有足夠高特性阻抗之傳輸線路結構。儘管該等可變電抗元件1112和1113經例示為接地參考，不過同樣可能處於浮動。
在一個實施例中，該固定阻抗匹配區段1110係具有其中包含至少兩個固定數值電抗構件之一個結構，使得該至少兩個固定數值電抗構件係無法被降低到一個單一電抗值，以作為決定一個任意負載阻抗如何被轉換成該固定阻抗匹配區段1110的輸入阻抗之目的。換言之，該固定阻抗匹配區段1110係無法藉由包括僅一個電抗元件之一個經簡化等效電路所模製。
在一個實施例中，該等電抗元件中至少有10個電抗元件係具有相同的電容值。其它電抗元件係能具有一個或構多其它電抗數值。在一個實施例中，該等電抗元件中至少有20個電抗元件係具有相同的電抗值。在一個實施例中，該等電抗元件中至少有30個電抗元件係具有相同的電抗值。在一個實施例中，該等電抗元件中至少有50個電抗元件係具有相同的電抗值。
圖19係例示一個固定阻抗匹配區段之一個實施例。該 固定阻抗匹配區段1902係能包含兩個電抗構件1904和1906。第一電抗構件1904係能為一個串聯元件。第二電抗構件1906係能為一個分流元件。該第一電抗構件1904及該第二電抗構件1906各者係能包括一個或更多電抗元件及/或無耗損元件。在所例示實施例中，該第一電抗構件1904及該第二電抗構件1906係經組態，使得該串聯元件1904最接近該電漿負載106。藉由最接近該電漿負載106，意謂由該等產生器102，傳輸線路108，匹配網路104，電氣連接110和電漿負載106所組成之一個網路係能被組織成為一個第一子網路和一個第二子網路。該第一子網路係能包含該分流元件1906和該產生器102，而該第二子網路係能包含該串聯元件1904和該電漿負載106。在此一組態中，該串聯元件1904係最接近該電漿負載106。
在一個實施例中，該固定阻抗匹配區段1902係同樣能包含選用的額外電抗構件1908和1910。該等選用的額外電抗構件1908和1910係能包含任何數目個電抗元件及/或無耗損元件，其任何組合，以及其任何配置。
圖20係例示一個固定阻抗匹配區段之另一個實施例。該固定阻抗匹配區段2002係能包含兩個電抗構件2004和2006。第一電抗構件2004係能為一個串聯元件。第二電抗構件2006係能為一個分流元件。該第一電抗構件2004及該第二電抗構件2006各者係能包括一個或更多電抗元件及/或無耗損元件。在所例示實施例中，該第一電抗構件2004及該第二電抗構件2006係經組態，使得該分流元件2006 最接近該電漿負載106。藉由最接近該電漿負載106，意謂由該等產生器102，傳輸線路108，匹配網路104，電氣連接110和電漿負載106所組成之一個網路係能被組織成為一個第一子網路和一個第二子網路。該第一子網路係能包含該串聯元件2004和該產生器102，而該第二子網路係能包含該分流元件2006和該電漿負載106。在此一組態中，該分流元件2006係最接近該電漿負載106。
在一個實施例中，該固定阻抗匹配區段2002係同樣能包含選用的額外電抗構件2008和2010。該等選用的額外電抗構件2008和2010係能包含任何數目個電抗元件及/或無耗損元件，其任何組合，以及其任何配置。
圖21係例示一個固定阻抗匹配區段之另一個實施例。該固定阻抗匹配區段2102係包含兩個或更多不同的達靈頓區段2104，2106和2112(其特徵在S.達靈頓於1939年9月數學物理期刊pp.257到353「用以產生指定插入耗損特性之電抗四極合成」)、或者是一個達靈頓區段和一個變壓器之一個串接。該串聯元件1904或2004係對應於一個A型達靈頓區段2104，且該分流元件1906或2006係對應於一個B型達靈頓區段2106。如本項技術中眾所周知之一個C型達靈頓區段2112係如所例示配置能包含一個電容器和一對經耦接電感器。該等兩個達靈頓區段2104和2106中之一個達靈頓區段係可被一個變壓器所取代。
圖19到21之所有三個固定阻抗匹配區段1902，2002和2102係能經串接配置在該可變電抗元件1112和該電漿 負載106之間。
圖22A，22B，22C，及22D係例示該固定阻抗匹配區段之四個額外非限制性實施例。儘管該些實施例正好是一個固定阻抗匹配區段2202之眾多配置中的一些配置，然而各個固定阻抗匹配區段皆包括一個第一串聯電抗構件2204和一個第二分流電抗構件2206，該第一串聯電抗構件2204係包括一個或更多電抗元件或無耗損元件，且該第二分流電抗構件2206係包括一個或更多電抗元件或無耗損元件。該第一串聯電抗構件2204和該第二分流電抗構件2206係包括多個電抗元件及/或無耗損元件之任何組合及配置。在一些實施例中，選用的電抗構件2208和2210係同樣能被使用。該等選用的電抗構件2208和2210係能包含任何數目個電抗元件及/或無耗損元件，其任何組合，以及其任何配置。
儘管雙極接面電晶體有效地被實施如上文所述之一個新穎切換組態中，然而該些雙極接面電晶體係受限於所能處理之AC電流的振幅。假如交流電流之振幅過大，則該雙極接面電晶體可能困在一個無止境的導通狀態中，另一方面，絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)係能以類似於上文所述之一個相似新穎方式來操作，不過在困於一個導通狀態中之前係能處理較大型的AC電流。
圖17係例示使用一個絕緣閘極雙極電晶體而非一個雙極接面電晶體之一個匹配網路的一個實施例，以將一電抗元件切換進出一個可變電抗元件。所例示實施例係包含兩 個電抗元件1710和1720。該等電抗元件1710和1720係經例示為電容元件(例如：電容器)，不過能包含任何電抗元件及/或無耗損元件(例如：任何電容元件或電感元件，或者是多個電容元件和電感元件之一組合)。該等電抗元件1710和1720各者係被連接到一個第一終端1714，且選擇性地被耦接到一個第二終端1712。當被被耦接到該第二終端1712時，該等電抗元件1710和1720係加入在該第一終端1714及該第二終端1712之間的總電抗值。開關1702和1704係控制在該等電抗元件1710和1720及該第二終端1712之間的連接。
各個開關1702和1704係包含一個絕緣閘極雙極電晶體1706和一個偏壓電路1708。該絕緣閘極雙極電晶體1706係包含一個雙極接面電晶體，該雙極接面電晶體以相關於先前在本揭示內容中所述之雙極接面電晶體實施例的方式來操作。該絕緣閘極雙極電晶體1706係具有一個。該電抗元件1710係被連接到該集極。該第二終端1712係被連接到該射極。該偏壓電路1708係被連接到該等閘極，射極，和集極。當該絕緣閘極雙極電晶體1706處於一個導通狀態時，電流從一個終端1714通過該電抗元件1710和通過該絕緣閘極雙極電晶體1706之集極而到該絕緣閘極雙極電晶體1706之射極，而且接著到該第二終端1712。
該偏壓電路1708係經組態設定以在該開關1702之截止狀態下從集極施加一個正性電壓到射極。如此係能例如經由一個電壓源串聯一個電阻器而達成。該偏壓電路1708 係同樣經組態設定以在該等閘極和射極之間施加一個電壓。高於該絕緣閘極雙極電晶體1706之臨界電壓的一個正性電壓係使該絕緣閘極雙極電晶體1706處於一個導通狀態，且其後將該電抗元件1710短路到該第二終端1712。
使用一個絕緣閘極雙極電晶體而不是一個雙極接面電晶體之缺點在於可能存在有太大的耗損。AC電流係通過在一個絕緣閘極雙極電晶體中所內嵌的一個雙極接面電晶體。該交流電流在經內嵌雙極接面電晶體中係從該集極流到該射極，而不是如在先前所述的雙極接面電晶體實施例中從該集極流到該基極。照此，該交流電流係能看見來自該經內嵌雙極接面電晶體中之接面兩者的耗損，且因此，一個絕緣閘極雙極電晶體可能引發遠大於如本文中所揭示使用之一個雙極接面電晶體的耗損。
圖18係例示用以操作一個雙極接面電晶體之一個方法，其中AC電流係主要流在一個集極終端和一個基極終端之間，而不是在一個集極終端和一個射極終端之間。該方法1800係包含一個雙極接面電晶體操作1802：一個順向偏壓一個基極-射極接面。該方法1800係進一步包含一個雙極接面電晶體操作1804：在一個集極終端和一個基極終端之間傳導具備帶有一個第一振幅之一個交流電流成分的電流。該方法1800係進一步包含一個雙極接面電晶體操作1806：在一個集極終端和一個射極終端之間傳導具備帶有一個第二振幅之一個交流電流成分的電流，其中可能為零之第二振幅係小於該第一振幅。
本發明與傳統上使用一個雙極接面電晶體之區別係在於該第一振幅遠大於該第二振幅(在該基極終端中之電流的一個交流電流成分係遠大於在該射極終端中之電流的一個交流電流成分)。換言之，交流電流係主要從集極流到基極且從一個基極終端出去，而不是從集極流到基極流到射極且從一個射極終端出去。經過將該雙極接面電晶體之基極終端直接連接到該可變電抗元件中之第二終端(其中該雙極接面電晶體係使用作為一個開關)，或者是經過在該基極終端和具有一個高數值電容器的第二終端之間提供一個低阻抗，此特有操作係能藉由對從集極到基極之電流提供在該雙極接面電晶體外部之一個低阻抗路徑而部分成為可行。效能係能藉由對流過該雙極接面電晶體而從集極流到射極之交流電流提供一個高阻抗而進一步得到改善。
所引用之全部結果係以矽晶元件來取得。然而，使用砷化鎵(GaAs)，氮化鎵(GaN)，碳化矽(SiC)或任何其它已知半導體材料所製作之元件係同樣能被使用。此外，氮化鎵型高速電子移動電晶體(GaN HEMT)元件係同樣可被用來代替雙極元件，且可製作有效的射頻開關。
綜上所述，除了其它方面，本發明係同樣提供一種方法，系統，和設備，以能夠在阻抗匹配網路中使用雙極元件作為高效開關。熟習本項技術人士將認知到：多種變化例和替換例係可在本發明，其用途，及其組態中進行，以大致上達成由本文中所述實施例予以達成的相同結果。據此，不打算將本發明限制到所揭示的示範性形式。許多變 化例，修改例，以及替代性構造係將落入本揭示發明之範疇和精神內。
102‧‧‧產生器
104‧‧‧匹配網路
106‧‧‧電漿負載
108‧‧‧傳輸線路
110‧‧‧電氣連接
200‧‧‧經切換可變電容器
202‧‧‧第一終端
204‧‧‧第二終端
210‧‧‧固定電感器
212‧‧‧第二可變電容器
220、222‧‧‧固定電容器
230、232‧‧‧開關
302‧‧‧雙極接面電晶體
304‧‧‧電流
306‧‧‧該控制電流
308‧‧‧基極電流
402‧‧‧雙極接面電晶體
404‧‧‧受控制電流
406‧‧‧控制電流
408‧‧‧基極電流
508‧‧‧可變阻抗匹配區段
510‧‧‧固定阻抗匹配區段
512、513‧‧‧經切換可變電抗元件
514‧‧‧傳輸線路
516‧‧‧固定電感器
518‧‧‧電容器
530‧‧‧固定選用電感器
600‧‧‧經切換可變電抗元件
602、604、606‧‧‧開關
612、614、616‧‧‧電感元件/電容元件
622‧‧‧雙極接面電晶體
632‧‧‧偏壓電路
638‧‧‧第一終端
640‧‧‧第二終端/接地
640‧‧‧終端
642‧‧‧控制器
650‧‧‧集極終端
651‧‧‧基極終端
652‧‧‧射極終端
660‧‧‧電容器
700‧‧‧可變電抗元件
802‧‧‧電流路徑/AC電流
804‧‧‧電流路徑
806‧‧‧電流路徑/DC電流
902‧‧‧逆向偏壓之DC電壓
904‧‧‧DC電位/直流電流偏壓/直流電流
904‧‧‧逆向偏壓
908‧‧‧AC電流/AC訊號/AC
1002‧‧‧DC電流
1004‧‧‧AC電流
1108‧‧‧可變阻抗匹配區段
1110‧‧‧固定阻抗匹配區段
1112‧‧‧可變電抗元件
1113‧‧‧可變電抗元件
1116‧‧‧固定電感器
1118‧‧‧固定電感器
1120‧‧‧分流元件
1122‧‧‧串聯元件
1122‧‧‧電感元件
1124‧‧‧高壓路徑
1130‧‧‧選用的固定電感器
1132‧‧‧選用電感器
1200‧‧‧雙極接面電晶體
1232‧‧‧集極終端
1234‧‧‧基極終端
1236‧‧‧射極終端
1244‧‧‧AC電流
1262‧‧‧電阻
1264‧‧‧寄生引線電感
1266‧‧‧電阻
1268‧‧‧寄生引線電感
1302‧‧‧集極終端
1304‧‧‧基極終端
1306‧‧‧射極終端
1320‧‧‧AC電流
1322‧‧‧DC電流
1330‧‧‧基極-集極接面
1332‧‧‧基極-射極接面
1402‧‧‧集極終端
1404‧‧‧基極終端
1406‧‧‧射極終端
1420‧‧‧AC電流
1422‧‧‧DC電流
1430‧‧‧基極-集極接面
1432‧‧‧基極-射極接面
1502‧‧‧電阻器
1504‧‧‧電感器
1506‧‧‧電阻器
1508‧‧‧開關
1510‧‧‧訊號線路
1512‧‧‧具有12伏特之供應線路
1514‧‧‧具有-12伏特之供應線路
1516‧‧‧供應線路
1602‧‧‧基本L型匹配網路
1604‧‧‧可變分流電抗元件
1606‧‧‧經串聯連接的固定電抗元件
1608‧‧‧可變電容器
1702、1704‧‧‧開關
1706‧‧‧絕緣閘極雙極電晶體(IGBT)
1708‧‧‧偏壓電路
1710‧‧‧電抗元件
1712‧‧‧第二終端
1714‧‧‧第一終端
1720‧‧‧電抗元件
1800‧‧‧方法
1902‧‧‧固定阻抗匹配區段
1904‧‧‧串聯元件/電抗構件
1906‧‧‧分流元件/電抗構件
1908、1910‧‧‧選用的額外電抗構件
2002‧‧‧固定阻抗匹配區段
2004‧‧‧串聯元件/電抗構件
2006‧‧‧分流元件/電抗構件
2008、2010‧‧‧選用的額外電抗構件
2102‧‧‧固定阻抗匹配區段
2104‧‧‧A型達靈頓區段
2106‧‧‧B型達靈頓區段
2112‧‧‧C型達靈頓區段
2202‧‧‧固定阻抗匹配區段
2204‧‧‧串聯電抗構件
2206‧‧‧分流電抗構件
2208、2210‧‧‧選用的電抗構件
藉由參考上述詳細說明以及在搭配後附圖示時參考附加申請專利範圍。本發明之各種目的和優勢以及一個更完整理解係將顯明且更立即被領會：
圖1係例示一個典型產生器，匹配網路，和電漿負載系統。
圖2係例示包括一個可變電容器電路之一個匹配網路的一個實施例。
圖3係例示使用一個雙極接面電晶體作為一個開關之先前技術。
圖4係例示使用一個雙極接面電晶體作為一個有效開關之一個新雙極接面電晶體操作模式的一個實施例。
圖5係例示依據本文中所揭示系統和方法用於使用一個雙極接面電晶體開關來建立一個匹配網路之建構方塊的一個實施例。
圖6係例示使用一個雙極接面電晶體作為一個開關之一個經切換可變電抗元件的一個實施例。
圖7係例示使用一個雙極接面電晶體作為一個開關之一個經切換可變電抗元件的另一個實施例。
圖8係例示一個可變電抗元件之一個實施例，其中係包括處於一個截止狀態之一個雙極接面電晶體開關連同經 過該可變電抗元件之電流路徑。
圖9係例示跨於一個雙極接面電晶體開關(如本文所揭示截止狀態)之基極-集極接面的偏壓電壓的一個實施例。
圖10係例示一個可變電抗元件之一個實施例，其中係包括處於一個導通狀態之一個雙極接面電晶體開關連同經過該可變電抗元件之電流路徑。
圖11係例示包含一個固定阻抗匹配區段之一個匹配網路的一個實施利，該固定阻抗匹配區段係經連接在一個可變阻抗匹配區段和一個電漿負載之間。
圖12係例示操作在該導通狀態中之一個n-p-n型雙極接面電晶體的一個經驗導向模型。
圖13係例示操作在該截止狀態中之一個n-p-n型雙極接面電晶體的一個橫截面圖。
圖14係例示本揭示內容所述操作在該導通狀態中之一個n-p-n型雙極接面電晶體的一個橫截面圖。
圖15係例示在一個可變電抗元件充當一個開關之一個n-p-n型雙極接面電晶體的一個實施例。
圖16係例示如本項技術中所知悉之一個匹配網路。
圖17係例示使用一個絕緣閘極雙極電晶體而非一個雙極接面電晶體之一個匹配網路的一個實施例，以將一電抗元件切換進出一個可變電抗元件。
圖18係例示用以操作一個雙極接面電晶體之一個方法，其中AC電流係主要在集極和基極之間通過而不是在集極和射極之間通過。
圖19-20係例示一個固定阻抗匹配區段之兩個實施例。
圖21係例示一個固定阻抗匹配區段之另一個實施例。
圖22A，22B，22C，及22D係例示該固定阻抗匹配區段之四個額外非限制性實施例。
102‧‧‧產生器
104‧‧‧匹配網路
106‧‧‧電漿負載
108‧‧‧傳輸線路
110‧‧‧電氣連接
508‧‧‧可變阻抗匹配區段
510‧‧‧固定阻抗匹配區段
512、513‧‧‧經切換可變電抗元件
514‧‧‧傳輸線路
516‧‧‧固定電感器
518‧‧‧電容器
530‧‧‧固定選用電感器

Claims (21)

  1. 一種開關電路，其係包括：一個雙極接面電晶體，其係包括：一個集極終端，其係被連接至該雙極接面電晶體之一個集極，該集極終端係經組態設定以傳達具有一個交流電流成分之一個集極電流，該交流電流成分係具有一個第一振幅；一個基極終端，其係被連接至該雙極接面電晶體之一個基極，該基極終端係經組態設定以傳達具有一個交流電流成分之一個基極電流，該交流電流成分係具有一個第二振幅；一個射極終端，其係被連接至該雙極接面電晶體之一個射極，該射極終端係經組態設定以傳達具有一個交流電流成分之一個射極電流，該交流電流成分係具有一個第三振幅；一個基極-集極接面；且一個基極-射極接面；以及一個偏壓電路，其係用以：藉由使該基極-射極接面順向偏壓以建立該雙極接面電晶體之一個導通狀態，其中該第二振幅係與大於該第三振幅；且藉由使該基極-射極接面和該基極-集極接面逆向偏壓以建立該雙極接面電晶體之一個截止狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項之開關電路，其中該開關電路 係經串聯連接至一個電抗元件，該電抗元件係被連接至一個第一終端，其中該開關電路係選擇性地將該電抗元件耦接至一個第二終端，藉此變更在該第一終端及該第二終端之間的一個電抗值。
  3. 如申請專利範圍第2項之開關電路，其中該雙極接面電晶體之基極終端係被連接至該第二終端。
  4. 如申請專利範圍第2項之開關電路，其中當該雙極接面電晶體處於該導通狀態時，在該基極終端和該第二終端之間的一個電容器係傳導超過一半該集極電流之交流電流成分。
  5. 如申請專利範圍第1項之開關電路，其中該雙極接面電晶體係一個n-p-n型雙極接面電晶體。
  6. 如申請專利範圍第1項之開關電路，其中該雙極接面電晶體係一個p-n-p型雙極接面電晶體。
  7. 如申請專利範圍第1項之開關電路，其中當該基極被短路到該射極時，該雙極接面電晶體係具有遠大於1000伏特之一個射極-基極崩潰電壓。
  8. 如申請專利範圍第1項之開關電路，其中該第二振幅係遠大於該基極電流之一個直流電流成分的一個強度。
  9. 如申請專利範圍第1項之開關電路，其中該集極電流，該基極電流，和該射極電流之直流電流成分的強度係20%少於該第一振幅。
  10. 如申請專利範圍第1項之開關電路，其中該雙極接面電晶體係複數個雙極接面電晶體中之一個雙極接面電晶 體，該複數個雙極接面電晶體各者係經組態設定以透過複數個電抗元件中之一個電抗元件而將一個交流電流的一部分分流到該第二終端，其中一個第一組複數個電抗元件係具有相等的電抗值，而允許一個20%的構件容忍度。
  11. 如申請專利範圍第10項之開關電路，其中該第一組複數個電抗元件之數量係至少有30個。
  12. 如申請專利範圍第10項之開關電路，其中該第一組複數個電抗元件係為電容性。
  13. 如申請專利範圍第1項之開關電路，其中該第三振幅係10%少於該第一振幅。
  14. 如申請專利範圍第1項之開關電路，其中該雙極接面電晶體係一個絕緣閘極雙極電晶體的一部分，並且該集極電流主要係從該集極終端傳達到該射極終端。
  15. 一種阻抗匹配設備，其係包括：至少一個可變電抗元件，其係包括：一個第一終端；一個第二終端；至少一個電抗元件，其係被連接至該第一終端；至少一個開關電路，其係經組態設定以選擇性地將該至少一個電抗元件連接至該第二終端之間，藉此變更在該第一終端和該第二終端之間的一個電抗值，該至少一個開關電路係包括：一個雙極接面電晶體，其係具有：一個導通狀態，其中一個基極-射極接面 係經過順向偏壓，且經過該雙極接面電晶體之一個基極終端的一個第一電流的一個交流電流成分係遠大於經過該雙極接面電晶體之一個射極終端的一個第二電流的一個交流電流成分；一個截止狀態，其中該基極-射極接面係經過逆向偏壓，並且一個基極-集極接面係經過逆向偏壓；以及一個固定阻抗匹配區段，其係串接於該至少一個可變電抗元件，且經組態設定以串接配置於一個電漿負載，該固定阻抗匹配區段係包括一個或更多分流元件和一個或更多串聯元件，該一個或更多分流元件和該一個或更多串聯元件係處於一個階梯網路。
  16. 如申請專利範圍第15項之阻抗匹配設備，其中該一個或更多分流元件和該一個或更多串聯元件係操作成一個單一連接埠網路或多重連接埠網路。
  17. 如申請專利範圍第15項之阻抗匹配設備，其中該一個或更多分流元件和該一個或更多串聯元件各者係包括至少一個電抗元件及/或無耗損構件。
  18. 如申請專利範圍第17項之阻抗匹配設備，其中該等分流元件中之一個分流元件係一個電容器，且該等串聯元件中之一個串聯元件係一個電感器。
  19. 一種阻抗匹配設備，其係包括：至少一個可變電抗元件，其係包括： 一個第一終端；一個第二終端；至少一個電抗元件，其係被連接至該第一終端；至少一個開關電路，其係經組態設定以選擇性地將該至少一個電抗元件連接至該第二終端之間，藉此變更在該第一終端和該第二終端之間的一個電抗值，該至少一個開關電路係包括：一個雙極接面電晶體，其係具有：一個導通狀態，其中一個基極-射極接面係經過順向偏壓，且經過該雙極接面電晶體之一個基極終端的一個第一電流的一個交流電流成分係遠大於經過該雙極接面電晶體之一個射極終端的一個第二電流的一個交流電流成分；一個截止狀態，其中該基極-射極接面係經過逆向偏壓，並且一個基極-集極接面係經過逆向偏壓；以及一個固定阻抗匹配區段，其係串接於該至少一個可變電抗元件，且經組態設定以串接配置於一個電漿負載，該固定阻抗匹配區段係包括至少兩個不同的達靈頓(Darlington)區段。
  20. 一種運作一開關之方法，其係包括：順向偏壓一個雙極接面電晶體之一個基極-射極接面；將經過該雙極接面電晶體之一個第一電流傳導在該雙 極接面電晶體的一個集極終端和該雙極接面電晶體的一個基極終端之間，其中該第一電流係具有一個交流電流成分，該交流電流成分係具有一個第一振幅；以及將經過該雙極接面電晶體之一個第二電流傳導在該雙極接面電晶體的集極終端和該雙極接面電晶體的一個射極終端之間，其中該第二電流係具有一個交流電流成分，該交流電流成分係具有一個第二振幅，且其中該第二振幅係小於該第一振幅，並且該第二振幅係等於或遠大於零。
  21. 一種開關電路，其係包括：用於順向偏壓一個雙極接面電晶體之一個基極-射極接面的裝置；用於將經過該雙極接面電晶體之一個第一電流傳導在該雙極接面電晶體的一個集極終端和該雙極接面電晶體的一個基極終端之間的裝置，其中用於傳導該第一電流的裝置係包含用於傳導具有一個交流電流成分之第一電流的裝置，該交流電流成分係具有一個第一振幅；以及用於將經過該雙極接面電晶體之一個第二電流傳導在該雙極接面電晶體的集極終端和該雙極接面電晶體的一個射極終端之間的裝置，其中用於傳導該第二電流的裝置係包含用於傳導具有 一個交流電流成分之第二電流的裝置，該交流電流成分係具有一個第二振幅，且其中該第二振幅係小於該第一振幅，並且該第二振幅係等於或遠大於零。
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