книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы

ной (р 1 )-области. Такой сетчатый эмиттер охватывает большое количество отдельных базовых областей, внутри которых впослед­ ствии создают контактные окна и объединяют их общей металли­ зацией. Примером использования такой топологии транзисторной

2N3375 (0,16 мм2 вместо 0,25 мм2 ) длина периметра его эмиттера в три с лишним раза больше, чем у 2N3375(24,3 мм вместо 7,5 мм). Тем самым обеспечивается отношение периметра эмиттера к пло­ щади коллекторного перехода, равное 152 мм/мм2 . Лучшим дости­ жением в разработке СВЧ транзисторов с такой конфигурацией ак­

совершенно новой технологии, например экспонирование фоторе­ зиста с помощью запрограммированного электронного луча.

В целях повышения частотного предела СВЧ транзисторов не­ обходимо стремиться к достижению максимально возможного зна­ чения предельной часоты /V, которая определяется временем за­ держки сигнала при передаче его от эмиттера к коллектору. Сог­ ласно формуле (5.54) это время складывается из четырех составляю­ щих: времени заряда эмиттерного перехода ta, времени пролета через базовую область tnp, времени пролета через обедненный слой кол­

той или иной составляющей может значительно изменяться. Умень­ шение времени пролета через базу tnv достигается путем создания тонкой базовой области, т. е. с помощью техники мелких диффузион­ ных слоев. Если толщина базы очень мала ( I F 6 0 ^ 0 , 2 мкм), то ве­ личина fr будет ограничиваться, в основном, первой и третьей сос­

уменьшаться пробивное напряжение перехода коллектор — база. Поэтому необходимо иметь в виду, что с ростом рабочей частоты неизбежно падает уровень пробивных напряжений. Теоретический предел повышения предельной частоты определяется скоростью насыщения носителей и напряженностью электрического поля при пробое [163, 164], вследствие чего произведение напряжения на

240

шему продвижению к теоретическому пределу препятствуют такие факторы, как неоднородность распределения электрического поля в базе и трудность работы с напряжениями, близкими к пробивному.

Очевидно, что достигнутые результаты относятся к СВЧ тран­ зисторам с исключительно малыми размерами транзисторной струк­ туры. Реализация очень тонкой базовой области с целью повышения fr для мощных транзисторов окажется неэффективной из-за боль­ шой площади коллекторного перехода, а также из-за того, что в этом случае появляются дополнительные ограничения, связанные с боль­ шими плотностями токов. К ним относятся уменьшение эффектив­ ной площади эмиттера за счет концентрации тока к его краям (эф­ фект оттеснения эмиттерного тока) и расширения квазинейтральной базы в коллекторный высокоомный слой (эффект Кирка) (см. §4.2). Это приводит к резкому снижению величины /г при больших токах коллектора.

Существуют также причины чисто технологического характера, ограничивающие уменьшение толщины базы для мощных СВЧ транзисторов (прежде всего, низкий процент выхода по пробив­ ному напряжению коллектор — эмиттер).

Другой важной частотной характеристикой является предель­ ная частота усиления по мощности (максимальная частота генера­ ции), / М а к с — У I/re, как будет показано в § 9.2. В связи с этим очень важно свести к минимуму значение распределенного базового сопро­ тивления ré>. Это достигается путем разработки такой топологии транзисторной структуры, в которой ширина отдельных эмиттерных областей значительно уменьшена и расстояние от перехода эмиттер — база до базового контакта имеет минимальную вели­ чину, а также путем соответствующего диффузионного легирования базовой области с целью снижения значения поперечного сопро­ тивления базового слоя. Не последнюю роль играет вклад переход­ ного сопротивления в области омического контакта к кремнию.

Ранее уже отмечалось, что одной из самых серьезных проблем при разработке СВЧ мощных транзисторов является обеспечение равномерного распределения тока по всей транзисторной структуре и эффективный отвод выделяющегося тепла. Этой проблеме будет посвящена следующая глава настоящей книги. Здесь же следует отметить лишь то, что поскольку приборы этого класса предназна­ чены для работы при высоком уровне мощности и плотности тока (1—5) 103 А/см2 и имеют достаточно большие размеры при относи­ тельно малых эмиттерных ячейках, необходимо принимать спе­ циальные меры по улучшению токораспределения в транзисторной структуре. В противном случае неизбежными будут такие явления, как локальная концентрация мощности и вторичный пробой, при­ водящие к выходу прибора из строя. Стремление уменьшить тепло-

241

вое сопротивление привело, как уже отмечалось в работе 11651, к появлению многоструктурных транзисторов, топология которых представляет собой набор отдельных (от нескольких штук до не­ скольких десятков штук) гребенчатых или многоэмиттерных струк­ тур, соединенных параллельно для обеспечения необходимой выход­ ной мощности.

Для улучшения токораспределения служат также стабилизи­ рующие сопротивления, включенные последовательно с отдельными эмиттерными элементами (см. § 10.3) и, в значительной степени, об­ щая симметрия всей конфигурации транзисторной структуры.

В соответствии с расчетом, приведенным в § 4.2, очень важную роль при создании оптимальной структуры СВЧ транзистора играет выбор удельного сопротивления и толщины эпитаксиальной плен­ ки (т. е. тела коллектора), поскольку два этих параметра влияют на максимальный рабочий ток, при котором еще существует приемле­ мое усиление по току и мощности на высокой частоте.

Правильный выбор параметров эпитаксиальной пленки важен также для обеспечения еще целого ряда характеристик транзистора и, в частности, таких, как емкость коллекторного перехода, про­ бивное напряжение, последовательное сопротивление тела кол­ лектора и предельная частота /У- Кроме того, в сочетании с низкоомной подложкой исходные параметры эпитаксиальной структуры влияют на тепловое сопротивление транзистора в целом, а следо­ вательно, на устойчивость его по отношению ко вторичному пробою.

Необходимо отметить, что наилучшие характеристики, до­ стигнутые на кристаллах с транзисторной структурой, не смогут быть реализованы без правильно выбранного корпуса [165, 166]. Далее будет показано, что коэффициент усиления по мощности, устойчивость работы транзистора и ширина полосы частот во многом зависят от величины паразитных индуктивностей (в первую очередь, от величины индуктивности эмиттерного вывода La) и емкостей корпуса, в который помещается кристалл. Кроме того, корпус дол­ жен обеспечивать нужное значение теплового сопротивления. Среди современных корпусов для мощных СВЧ транзисторов наиболее распространенными являются корпус типа ТО-60 (либо с тремя изо­ лированными выводами, либо с заземленным эмиттерный выводом), корпус с полосковыми ленточными выводами и коаксиальный корпус, предпочтение которому отдают на частотах свыше 1 ГГц (рис. 9.3).

Следующим этапом в сборке кристаллов с СВЧ транзисторной структурой, по мнению автора работы [166], явится размещение элементов внешней электронной схемы по возможности ближе к са­ мим кристаллам, т. е. фактически создание гибридных СВЧ схем. Очевидно, этому во многом будет способствовать развитие таких современных технологических методов, как использование балоч­ ных выводов (beam-lead) и перевернутого монтажа (flip-chip) кристалла.

В заключение этого краткого обзора основных тенденций в кон­ струировании СВЧ транзисторов следует отметить, что точный

242

схемой, основывается главным образом на теории малых сигналов и, строго говоря, пригоден только для анализа работы транзистора

влинейном режиме (класс А).

Вкачестве отправного пункта при рассмотрении зависимости коэффициента усиления по мощности от параметров транзистора можно воспользоваться выражением для Кр, полученным в работе Линдмайера [167] для дрейфовых транзисторов с произвольным

обратной связи по напряжению на коэффициент усиления по току. При практическом анализе этого выражения [168] оказывается, что с учетом нейтрализации обратной связи вторым членом в зна­

менателе почти всегда можно пренебречь, и поэтому

Из соотношений (9.3) и (9.4) видно, что для обеспечения мак­ симального значения коэффициента усиления по мощности не­ обходимо стремиться к повышению коэффициента усиления по току транзистора | В\ на высокой частоте (т. е. к повышению /у), а также к уменьшению действительной части полного входного сопротивле­ ния и действительной части полной выходной проводимости. Значе­ ние fr в условиях малого сигнала определяется равенством (5.54).

Действительную часть вход­ ного импеданса можно оценить из рассмотрения упрощенной Т-образной эквивалентной схе­ мы СВЧ транзистора (рис. 9.4) при условии короткого замыка­ ния на выходе [169]. Сопро-

Рис. 9.4. Упрощенная Т-образная эк­ вивалентная схема транзистора (ко­ роткое замыкание на выходе,

£ W = 0).

244

Используя соотношения (9.6) и (9.7), можно записать равенст­ во, представляющее собой сумму падений напряжения во входной цепи:

Поскольку на частотах, представляющих интерес в случае типовых СВЧ транзисторов, (o2LaCK < 1 и а>Склэ <С 1, то соотноше­ ние (9.9) окончательно можно записать в следующем виде:

Действительная часть полной выходной проводимости [168, 170—172] в случае упрощенного анализа на малом сигнале прибли­ жается к величине

т. е. включает в себя емкость коллекторного р-п перехода, различ­ ные составляющие емкости, обусловленные металлизацией эмит­ тера и базы, а также паразитную емкость корпуса.

*> Сопротивлением диффузионного слоя эмиттера ввиду его малости можно пренебречь.

245

Поскольку импеданс базы мал по сравнению с импедансом на

для коэффициента усиления по мощности может быть переписано следующим образом:

К Р = . (9.14)

В случае, когда можно пренебречь значением индуктивности эмиттерного вывода и когда в цепи эмиттера отсутствует дополни­

Подобное упрощенное выражение для К Р , аналогичное тому» которое было получено в работах [173, 174] с помощью приближен­ ного анализа узкополосного линейного усилителя, работающего на малом сигнале по схеме с общим эмиттером при согласовании с ис­ точником и нагрузкой, приводится авторами многих работ по мощ­ ным СВЧ транзисторам (см., например, [158, 168, 175, 176]).

В монографии Е. 3. Мазеля [165] приводится более точное вы­ ражение для оценки коэффициента усиления по мощности тран­ зисторного каскада в линейном режиме с активной нагрузкой, полученное В. Л. Ароновым и Т. Н. Никитиной:

случае для расчета К~р, приведена в работе [177].

Равенство (9.16) может быть записано еще более точно с учетом возможного добавочного сопротивления в эмиттерной цепи.

246

не пригодны для точного расчета генераторов, работающих, как правило, в классах В или С в режиме большого сигнала, и поэтому представляют интерес в основном с точки зрения оценки влияния на Кр тех или иных параметров самого транзистора.

В самом деле, из соотношений (9.14)—(9.16) следует, что для обеспечения высокого значения коэффициента усиления по мощ­ ности на высокой частоте следует стремиться к увеличению зна­

чтобы введение стабилизирующих эмиттерных сопротивлений не приводило к существенному снижению Кр- Кроме того, видно, что выбор сопротивления і? н (которое, вообще говоря, подбирается с точки зрения обеспечения необходимой выходной мощности и не слишком низкого значения Кр) определяется также и некоторыми

шения толщины базы (при данной глубине залегания коллекторного перехода) ведет к нежелательному росту г'б. Более того, оказывается, что в общем-то и не стоит стремиться к достижению очень высоких

ременных СВЧ транзисторах величина f M a K 0 может быть значительно выше, чем fr, приемлемые значения коэффициента усиления по

симальная рабочая частота, на которой существует приемлемое

из соотношений (9.14) или (9.16), можно воспользоваться формулами (5.54), (5.626) для расчета /г и г'б соответственно. При этом следует иметь в виду, что значение г'б для всей транзисторной структуры (в случае гребенчатой конфигурации) будет пропорционально уменьшаться с ростом числа эмиттерных полосок N, т. е.

(см. § 5.3).

*' Выражение (9.17) для г'б не учитывает сопротивления выводов и кон­ тактных сопротивлений для областей эмиттера и базы. В случае, когда послед­ ние велики, измеренное значение г'б будет значительно больше расчетного.

247

на какую-то определенную ве­ личину (например, на 3 дБ от максимального значения [165]). Полученное таким образом значение тока коллектора на­ зывается критическим током

/ к р | у к э и является одним из наиболее важных параметров СВЧ мощных транзисторов, контролируемых при разработке и в про­ изводстве.

изменения величины г'б при высокой плотности тока затруднен по тем же причинам, которые упоминались ранее при рассмотрении зависимости j В | от тока коллектора (заметим, кстати, что анализ становится еще более сложным, если учесть повышение температуры с ростом плотности тока). Нетрудно видеть, однако, что расчет по формуле (9.17) дает, очевидно, максимально возможное значение этого параметра, поскольку не учитывает явления оттеснения тока к периферии эмиттера при большом уровне тока. Учет этого явления приводит к тому, что вклад второго члена в соотношении типа (9.17), т. е. члена, учитывающего сопротивление области базы под эмит­ тером, становится все меньше по мере роста тока коллектора имен­ но в связи с оттеснением его к краю эмиттера. Одновременно умень­ шается и вторая составляющая базового сопротивления, обуслоЕленная пассивной частью базы, из-за модуляции проводимости при вы­ соком уровне инжекции. Таким образом, с увеличением тока ве­

из-за появления диффузионной емкости после вхождения тран­ зистора в режим насыщения (см. § 5.4), то оказывается, что при достижении определенной величины рабочего тока совокупный

Как видно из этого рисунка, при данном значении UK резкий спад fr и значительное увеличениепроизведения ГбСк имеет место

249