CN102769441A - 内匹配的高频大功率晶体管 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内匹配的高频大功率晶体管，包括晶体管(14)、输入匹配网络、输出匹配网络和稳定网络；其特征在于，所述稳定网络由电阻(3)、电容(6)、第一电感(7)和第二电感(8)串联构成，其两端分别与所述晶体管(14)的栅极(9)和漏极(10)相连。本发明的优点在于提高了高频大功率晶体管的稳定性：通过串联在器件的栅极与漏极间稳定网络，提高了功率管输入输出之间的隔离度，从而改善高频大功率晶体管的稳定性；改善了高频大功率晶体管输入阻抗的Q值，为宽带匹配网络的设计提供了便利；无需额外增加封装管壳的尺寸，提高了管壳空间利用率，给宽带输入输出内匹配网络的设计提供了较大的自由度。

Description

内匹配的高频大功率晶体管

技术领域

本发明涉及功率器件领域，尤其涉及一种内匹配的高频大功率晶体管。

背景技术

大尺寸微波功率晶体管由于工作频率高、管芯的输入输出阻抗较低，寄生效应影响严重，使得阻抗匹配网络的设计越来越困难，若直接将管芯装入管壳封装，加上管壳分布参数的影响，使得它与特性阻抗为50ohm的微波***匹配更加困难，大大限制了晶体管的功率输出和工作带宽。因此对微波功率管发展了一种内匹配技术，即在封装管壳内部采用MIM电容（金属-绝缘体-金属电容）和键合线构成阻抗匹配电路，直接与晶体管管芯相连，减少寄生参量的影响。

另一方面，在大尺寸微波功率晶体管的研制中，随着功率器件尺寸的不断增大，功率器件出现增益高、相位不一致性高、寄生效应严重等问题，很可能导致各种振荡，从而直接影响到高频功率器件的正常工作，甚至导致其烧毁。

为了提高功率晶体管的稳定性，通常在晶体管栅极端口串联RC网络，该网络可以很好的改善晶体管的稳定性，但是它极大的限制了晶体管输入匹配网络的带宽，而且有时非常不便于装配；如果将RC网络加载在射频信号输入端口，装配简单易行，而且对晶体管的输入阻抗影响较小，但是这种连接方式并不能改善很多高增益微波功率晶体管的稳定性。另一种方式是在晶体管栅极并接一个小电阻与电感、电容的串联网络，该方式对晶体管输入阻抗的影响较小，但是小电阻，比如5欧姆以下的电阻，对薄膜电阻的制作工艺要求较高，不经济实用，有些工艺甚至不能提供此量级的电阻。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种内匹配的高频大功率晶体管，其装配简单易行，并具有宽工作频带的潜力。

根据本发明的一个方面，提供一种内匹配的高频大功率晶体管，包括晶体管、输入匹配网络、输出匹配网络和稳定网络；其特征在于，所述稳定网络由电阻、电容、第一电感和第二电感串联构成，其两端分别与所述晶体管的栅极和漏极相连。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：提高了高频大功率晶体管的稳定性：通过串联在器件的栅极与漏极间稳定网络，提高了功率管输入输出之间的隔离度，从而改善高频大功率晶体管的稳定性；改善了高频大功率晶体管输入阻抗的Q值，为宽带匹配网络的设计提供了便利；无需额外增加封装管壳的尺寸，提高了管壳空间利用率，给宽带输入输出内匹配网络的设计提供了较大的自由度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明的内匹配的高频大功率晶体管的俯视图；

图2为根据本发明的内匹配的高频大功率晶体管的等效电路图；

图3为根据本发明的内匹配的高频大功率晶体管的稳定系数K因子的仿真数据图。

图4为根据本发明的内匹配的高频大功率晶体管的小信号S参数仿真数据图。

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域技术人员可以意识到其他工艺的可应用性和/或其他材料的使用。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。

下面，将结合图1和图2，对内匹配的高频大功率晶体管进行具体地描述。

参考图1，本发明提供一种内匹配的高频大功率晶体管，包括晶体管14、输入匹配网络、输出匹配网络和稳定网络；其特征在于，所述稳定网络由电阻3、电容6、第一电感7和第二电感8串联构成，其两端分别与所述晶体管14的栅极9和漏极10相连。

所述电容6、电阻3及其两个电极制作在基片2上，并与所述晶体管14一起装配在封装管壳中间的载台1上。所述载台1的宽度大于所述晶体管14和基片2两者宽度的较大值。所述电阻3可以为多晶硅薄膜，所述电极的材料可以为金属，所述基片2的材料可以为氧化铝陶瓷。所述电容6的下极板与电阻3的第一电极4相连，所述第一电极4的尺寸大于电容6的下极板的尺寸。所述晶体管14除了在沿载台1的纵向上具有多个栅极焊盘外，在靠近稳定网络的位置引出了一个栅极焊盘。所述电阻3的第二电极5经第二电感8与所述晶体管14的栅极9相连，所述电容6的上极板经第一电感7与所述晶体管14的漏极10相连。所述第一电感7和第二电感8可以为键合线，其长度和数量由其电感值决定。所述输入匹配网络和输出匹配网络装配在载台1两侧，所述输入匹配网络经电感12和13与所述晶体管14的栅极9相连，所述输出匹配网络经电感11与所述晶体管14的漏极10相连，从而完成整个内匹配的高频大功率晶体管的实现。其中，所述电感11、12和13可以为键合线，所述电感12和13是所述输入匹配网络的一部分，所述电感11是所述输出匹配网络的一部分。

参考图2，以共源极GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）放大电路为例（即源极接地），与所述晶体管14的侧边栅极焊盘9和漏极10相连的电阻3的阻值为R，电容6的容值为C，第一电感7的电感值为L2，第二电感8的电感值为L1。通过优化所述四个元件构成的负反馈网络，可以补偿晶体管14增益随频率变化的滚降特性，使低频端高增益压低。同时电感L1、L2抑制高频段的反馈，以维持高频段增益少受影响。输入匹配网络与晶体管14之间连接的电感12、13的总电感值为L3，输出匹配网络与晶体管14之间连接的电感11的电感值为L4，L3和L4都是匹配电路的一部分，其电感值直接影响到晶体管14的输入输出阻抗值。

参考图3，本发明的内匹配的高频大功率晶体管的稳定因子K在很宽的频率范围内实现K>1。如其中细虚线所示，功率器件栅极与漏极之间加稳定网络前，K因子在X波段（8-12.5GHz）工作频率范围都小于1，存在极大的振荡隐患；串接稳定网络后，功率器件的K因子在3.5GHz以上都大于1，如图中粗实线所示。

另外，如图4所示，本发明的内匹配的高频大功率晶体管由于串接稳定网络对输入阻抗Q值的改善，输入匹配网络具有较宽的频带，在9.7GHz到12.8GHz范围内，S11都小于-10dB。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，应当理解在不脱离本发明的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下，可以对这些实施例进行各种变化、替换和修改。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本发明保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本发明的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本发明的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本发明描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本发明可以对它们进行应用。因此，本发明所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (11)

1.一种内匹配的高频大功率晶体管，包括晶体管(14)、输入匹配网络、输出匹配网络和稳定网络；其特征在于，所述稳定网络由电阻(3)、电容(6)、第一电感(7)和第二电感(8)串联构成，所述稳定网络两端分别与所述晶体管(14)的栅极(9)和漏极(10)相连。

2.根据权利要求1所述的晶体管，其中，所述稳定网络与所述晶体管(14)一起装配在封装管壳中间的载台(1)上。

3.根据权利要求1所述的晶体管，其中，所述电容(6)、电阻(3)及其两个电极形成在基片(2)上。

4.根据权利要求1所述的晶体管，其中，所述电容(6)的下极板与电阻(3)的第一电极(4)相连，所述第一电极(4)的尺寸大于电容(6)的下极板的尺寸。

5.根据权利要求2或3所述的晶体管，其中，所述载台(1)的宽度大于所述晶体管(14)和基片(2)两者宽度的较大值。

6.根据权利要求3所述的晶体管，其中，所述电阻(3)为多晶硅薄膜，所述电极的材料为金属，所述基片(2)的材料为氧化铝陶瓷。

7.根据权利要求1或2所述的晶体管，其中，所述晶体管(14)在沿载台(1)的纵向上具有多个栅极焊盘，并且在靠近稳定网络的位置引出一个栅极焊盘。

8.根据权利要求1所述的晶体管，其中，所述电阻(3)的第二电极(5)经第二电感(8)与所述晶体管(14)的栅极(9)相连，所述电容(6)的上极板经第一电感(7)与所述晶体管(14)的漏极(10)相连。

9.根据权利要求1或8所述的晶体管，其中，所述第一电感(7)和第二电感(8)为键合线，由其电感值决定其长度和数量。

10.根据权利要求2所述的晶体管，其中，所述输入匹配网络和输出匹配网络装配在载台(1)两侧，所述输入匹配网络经第三电感(12)和第四电感(13)与所述晶体管(14)的栅极(9)相连，所述输出匹配网络经第五电感(11)与所述晶体管(14)的漏极(10)相连。

11.根据权利要求1所述的晶体管，其中，所述第三电感(12)、第四电感(13)和第五电感(11)为键合线，所述第三电感(12)和所述第四电感(13)是所述输入匹配网络的一部分，所述第五电感(11)是所述输出匹配网络的一部分。

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