DE1900539B2

DE1900539B2 - Leistungsverstaerker fùr hochfrequente schwingungen

Info

Publication number: DE1900539B2
Application number: DE19691900539
Authority: DE
Inventors: Robert Leonard Stirling N.J. Pritchett (V.StA.)
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1968-01-10
Filing date: 1969-01-07
Publication date: 1972-11-09
Also published as: DE1900539A1; SE356861B; NL6900230A; FR1599403A; BE726558A; US3500066A; GB1257341A; NL145729B; CH497084A

Description

Die Erfindung betrifft einen Leistungsverstärker für hochfrequente Schwingungen (insbesondere nicht unterhalb von 0.1 GHz), welcher mehrere kollektor- und basisseitig paral'el geschaltete Leistungstransistoren enthält.

Die Parallelschaltung mehrerer, elektrisch im wesentlichen identischer Halbleiterelemente, beispielsweise eine Anordnung von Leistungstransistoren stellt für die Erhöhung der Leistungsverhältnisse elektronischer Schaltungen eine bekannte Technik dar. Obwohl diese Technik allgemein verwendet wird, hat sie sich doch in jüngsten Anwendungen als schwierig erwiesen, da sie mit einem Phänomen behaftet ist. welches als »thermisches Weglaufen* oder »zweiter Durchbruch« bezeichnet werden könnte. Dieses Phänomen wird im allgemeinen durch die Tatsache veitii sacht, daß uer Widerstand des Halbleitermaterials mit zunehmender Temperatur sinkt. Daher übernimmt eine gegebene Leistungstransistorenzelle, die heißer geworden ist als die übrigen, da durch sie ein unvethältnismäßig größerer Stromanteil fließt, einen weiter steigenden Stromanteil, im folgenden bezeichnet der Ausdruck »Zelle« einen Teil oder Bereich der Transistoranordnung, welcher aus Emitter-, Basis- und Kollektorzonen besteht, in dem die Temperaturverteiking genügend gleichmäßig ist. so daß im wesentlichen die gleiche Stromverteilung in diesem Teil oder in dieser »Zelle« der Transistoranordnung herrscht. Daher tendiert eine Leistungstransistoranordnung mit beispielsweise η parallelen Transistorzellen sich im besten Falle so zu verhalten, soweit ihre Strom- und Leistungskapazitäten angesprochen sind, als besäße sie ein paar Zeilen weniger als /;. Im schlechtesten Falle hat aber eine derartige Transistoranordnung wegen ihrer abnorm hohen Ströme in einer oder ein paar Zellen, die Neigung 711 Fehlfimktionen.

Bekannt sir.d Versuche zur Lösung dieses als »thermisches Weglaufen- bezeichneten Problems durch eine negative Rückkopplung. Diese wird aiit Hilfe eines Widerstands erzielt, welcher in Reihe mit dem Anschluß jeder Zolle der Leistungstransisiorenanordnung verbunden ist. welcher den hohen Strom führt, beispielsiveise mit dem Hmittcr-Anschluß eines in Basisschaltung betriebenen Transistors. Ls hat sich jedoch herausgestellt, daß diese Methode nicht sehr wirksam ist. wenn es darum geht, eine Gesamtleistung zu erzielen, die in der Nähe der «-fachen Leistung einer Zelle liegt, wenn insgesamt /; Zellen verwendet

werden. Die genau «-fache Leistung ist die theoretisch mögliche Grenze. Darüber hinaus verursachen hohe induktive Einschwingströnie, die beim Schalten der Leistung bei induktiver Belastung entstehen, ein Durchschlagen der Leistungstransistoren, wenn die Widerstände, die im wesentlichen zur Begrenzung dieser hohen Ströme vorgesehen sind, Fehler aufweisen.

Die Aufgabe der Erfindung ist es nun. einen Leistungsverstärker anzugeben, welcher die genannten bekannten Nachteile vermeidet.

Die gestellte Aufgabe wird auf Grund der im Anspruch 1 angegebenen Kombination gelöst.

Dieser Leistungsverstärker ist in vorteilhafter Weise derart weiter ausgebildet, daß die Steuereinrichtung eine Anzahl nichtlinearer Strombegrenzungsschaltungen enthält, von denen jeweils eine mit einem Leistungstransistor verbunden ist und einen Steu.ertransistor besitzt.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung dieses Leistungsverstärkers wird dadurch erreicht, daß die Steuereinrichtung Ableitkondensatoren besitzt, die jeweils parallel zu einer nichtlinearen Strombegrenzungsschaltung geschaltet sind.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Leistungsverstärkers besteht darin, daß jede Strombegrenzungsschaltung einen Widerstand besitzt, welcher in Reihe zu dem Emitter-Anschluß des Steuertransistors geschaltet ist. Eine andere günstige Weiterbildung des Leistungsverstärkers ergibt sich dadurch, daß jede Strombegrenzungsschaltung mit ihrem zugeordneten Leistungstransistor über einen mechanisch sich selbst stützenden Leiter (Stützleiter) verbunden ist.

Weitere Vorteile des Leistungsverstärkers ergeben sich daraus, daß die Steuereinrichtung eine Drosselspule enthält, die mit den Steuertransistoren in Reihe geschaltet ist.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des Leisuingsverstärkers ist dadurch gekennzeichnet, daß jede Strombegrenzungsschaltung eine Diode enthält, die zwischen dem Kollektor des zugeordneten Steuertransistors und dem Emitter des zugeordneten Leistungstransistors eingeschaltet ist. so daß ein Stromnuß nur in Richtung des Flusses der Minoritätsträger möglich ist. welche vom Emitter des jweiligen Leistungstransistors in seine Basis emittier! werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung des Leistiingsverstärkers ergibt sich daraus, daß die Leistungstransistoren eine npn~n-Struktur besitzen, bei welcher für eine Verstärkung von Signalen der Frequenz F. die Breite Xder n~-Zone, gemessen in Mikrometern, derart von der Frequenz F, gemessen in Gigahertz, abhängig gewählt ist, daß sie sich etwa

von bis erstreckt, und daß der Widerstand υ

der «-Zone, gemessen in Ohm-Zentimetern, in dem Bereicli von etwa 0,5 · Χ^ΙΛ an der unteren Grenze his zu einem fünffach höheren Wert an der oberen Grenze liegt.

Schließlich ist für den Leistungsverstärker noch eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung vorgesehen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß jeder der Leistungstransistoren innerhalb der npn n-Lcitl'ähigkeitsstruktiir eine Emitlcrz-. nc. eine Basiszone, einen Kollektor-/wischenraum und eine Koliektoransehlußzonc besitzt, daß jeder der Lcistungstransistorcn einen i.mitterkontaktstrcifcn besitzt und daß die Zonen aller Leisti.mestransistoren in einem ein/einen monokristalliiien Halbleiter enthalten sind, wobei der Abstand zwischen benachbarten Emitterkontakten benachbarter Transistoren zur thermischen Isolation mindestens um den Faktor 2 größer ist die größte Abmessung eines einzelnen Emitterkontaktstreifens. Die Leistungstransistoranordnung der Erfindung besitzt aiso den Vorteil, daß sie eine wirksamere individuelle strombegrenzende Rückkopplungssteuerung gegen das »thermische Weglaufen« aufweist, ίο Darüber hinaus ist es möglich, Zerstörungen der Halbleiter zu verhindern, die sonst als Folge von hohen induktiven Einschwingströmen in den angeschlossenen induktiven Belastungen auftreten.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand der Figuren beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Schaltungsdarstellung einer Multizellen-Transistoranordnung gemäß der Erfindung mit individuellen Vorspannungs-Steuerschaltungen.

F i g. 2 eine schematische Darstellung einer Anschluß-Schaltung für die Anoidnung nach Fig. 1.

F i g. 3 eine nicht maßstabgetreue, perspektivische Ansicht einer Multizellen-Transistorstruktur mit individueller Vorspannungssteuerung,
F i g. 4 eine nicht maßstabsgetreue perspektivische Darstellung eines Teils der in F i g. 3 dargestellten Halbleiterstruktur.

F i g. 5 eine nicht maßstabsgetreue Aufsicht auf die

Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit und die Metallisierung eines Teils der in F i g. 4 gezeigten Struktur.

F i g. 6 eine nicht maßstabsgetreue perspektivische

Schnittzeichnung eines anderen Teils der in F i g. 3 dargestellten Struktur,

F i g. 7 ein Diagramm der Breite A' der kleinen η-Zone als Funktion der Arbeitsfrequenz, für die in F i g. 6 dargestellte Struktur.

F i g. 8 ein Diagramm des optimalen Widerstandes der n"-Zone als Funktion der Arbeitsfrequenz für optimalen Betrieb der in F i g. 6 dargestellten Struktür und

F i g. 9 eine typische Darstellung der Übertragungscharakteristik der in F i ε. 6 da: gestellten Struktur.

Kurze Beschreibung

Bei der Anordnung nach der Erfindung wird jeder Anschluß (Emitter oder Kollektor) einer jeden Zelle dieser Leistungstransistorenanordnung, welcher einen hohen Strom zu übertragen hat, individuell mit Hilfe eines ihm zugeordneten separaten nichtlinearen Strombegrenzers, welcher zu einer Anzahl von Strombegrenzern gehört, gesteuert. Dabei wird in typischer Weise jeder dieser nichtlinear^n Strombegrenzei durch den bekannten r.ichtlinearen Widei stand dei Basis-Kollektor-Strecke eines individuellen, getrennl vorgespannten Transistors gebildet. Jede Leistungstransistorzelle sollte in vorteilhafter Weise thermisch von den übrigen isoliert sein und dabei eine Anzah thermisch isolierter Bereiche bilden, so daß die Tcinperaüir einer Zelle oder eines einzelnen Transistors nichi die Temperatur und damit den Strom irgendeine! anderen ZJIe beeinflußt. Diese Anordnung ist vor den bekannten Anordnungen, hei denen dei Temperaturausgleich durch thermische Kopplung erzicli wird, zu unterscheiden. Ferner sollte auch eine untere Frequenzgrenze im hochfrequenten Betriebsbereieh eingehalten werden die mindestens etwa eine Größenordnung crößer ist als der Kehrwert der thermischen

Zeitkonstante jeder der Transistorzcllcn. Darüber hinaus wird beim C-Betrieb eine einzelne Diode in Serie mit jedem der Strombegrenzer geschaltet, um einen Rückstrom zu verhindern, welcher sonst nicht von dem nichtlinearen Widersland der Basis-Kollektor-Strecke in dem Strombcgrenzer begrenzt würde. Damit aber die YVechselstromkomponentc des Stromes hierdurch nicht gedämpft wird, ist jedem Strombegrenzer, einschließlich einer eventuell vorhandenen Diode, ein Ableitkondensator parallel geschaltet.

Bei einer speziellen Anordnung dieser Erfindung werden eine Anzahl von HF-Transistorzellen in einem einzelnen Silizium-Scheibchen gebildet. Die untere Grenze der Hochfrequenz soll im folgenden stets mindestens eine Größenordnung größer sein als der Kehrwert der thermischen Zeitkonstante der Transistorzellen in dem Silizium-Scheibchen. In typischer Weise liegt die Hochfrequenz bei mindestens 100 Megahertz, wobei die thermische Zeitkonstante etwa 10-' Sekunden beträgt. Darüber hinaus überschreitet die Hochfrequenz nicht den Wert von etwa 10 Gigahertz, wobei diese Frequenz die obere Frequenzgrenze ist, bei der noch ein beträchtlicher Leistungsgewinn erzielt werden kann. Die thermische Isolation zwischen den Zellen wird durch den Abstand jeder Zelle von ihrer nächsten Nachbarzelle in dem Siliziumscheibchen bestimmt. Dieser Abstand soll mindestens zweimal größer sein als die größte Abmessung einer einzelnen Zeiie. jede Zelle ist in R.eihe mit einem einzelnen Vorspannungs-Steuerelement geschaltet, welches die Form eines einzelnen nichtlinearen Strombegrenzers besitzt.

Die einzelnen nichtlinearen Strombegrenzer werden selbst durch eine entsprechende Anzahl von Stützleiter-Steuertransistoren gebildet. Sie sind zusammen mit den einzelnen Serienwiderständen in integrierter Technik hergestellt. Die Stützleiter sind elektrische Verbindungen, die einen Teil einer Halbleitervorrichtung bilden und ferner einen mechanischen Träger abgeben. Sie werden heute bei der industriellen Herstellung in weitem Umfang benutzt. Ihre Herstellung ist in" den USA.-Patentschriften 3 287 612 und 3 335 33S beschrieben. Diese Strombegrenzer sind mit den Leistungstransistorzellen verbunden, so daß sie als jeweilige Vorspannungs-Steuerschaltung für jede Leistungstransistorzelle auf dem Siliziumscheibchen dienen. Sowohl das Siliziumscheibchen, welches die Leistungstransistoren enthält, als auch die Stützleiter-Steuerschaltungen sind auf einem keramischen Basismaterial befestigt, welches sowohl an geeigneten Stellen mit Metallschichten als auch mit Schichten von elektrisch isolierendem dielektrischen Material überzogen ist. Eine dieser Metallschichten dient als gemeinsamer Belag für alle Ableitkondensatoren für die Hochfrequenz. Die anderen Metallschichten dienen als externe Kontakte für die Stützleiter-Steuerschaltungen und das Silizium-Scheibchen. Die dielektrischen Schichten dienen bei den Ab'.eitkondensatoren als Dielektrikum. Die Vorspannungssteuerschaltungen selbst sind mit einer einstellbaren Spannungsquelle von etwa 2 Volt für die Einstellung einer geeigneten Vorspannung v;;bunden.

Darüb?" hinaus werden in jeder einzelnen Leistungstransisiorzeile in dem Scheibchen die Wertbereiche für die optimale Breite X der n~-Zone eines npn~n-Leistungstrarisistors mit Hilfe einer mathematischen Analyse der Hochfrequenzleistungsverstärkung und Her Aussanssleistung. wie noch ausführlicher erläutert werden wird, ermittelt. Es hat sich herausgestellt, daß generell der optimale Weri dieser Breite ,V. welcher der maximalen Ausgangsleistung entspricht, nicht der gleiche Wert von Λ' ist. welcher der maximalen Leistungsverstärkung entspricht. Daher gibt es ganz allgemein bei einer bestimmten Frequenz mindestens zwei optimale Werte von Λ'. die jeweils der maximalen Leistungsverstärkung und der maximalen Ausgangsleistung entsprechen, wobei der Bereich der Werte

ίο von X zwischen diesen beiden Grenzen definiert wird. Dieser wird im folgenden als der optimale Bereich für die Leistung bezeichnet.

Für die maximale Leistungsverstärkung und die maximale Ausgangsleistung steht außerdem die die

»5 Leitfähigkeit bestimmende Konzentration ven Verunreinigungen in der η-Zone in dem npn~n-Transistor zu der Breite X dieser Zone im optimalen Bereich für die Leistung in Beziehung. Sie ist daher auch von dem Wert der Frequenz des Stromes abhängig,

ao welcher zwischen dem Emitter und dem Kollektor des npn-n-Leistungstrahsistors fließt.

Ausführliche Beschreibung

F i g. 1 zeigt vier npn-HF-Leistungstransistorzellcn, die mit 10.1 bis 10.4 bezeichnet sind. Sie sollen in vorteilhafter Weise alle im wesentlichen gleich sein. Ihre K.o!!ektnranschlüsse sind elektrisch miteinander verbunden und bilden die externe Kollektoranschlußklemme, die mit C bezeichnet ist. Die elektrischen Basisanschlüsse b_x bis b_t dieser Leistungstransistoren 10.1 bis 10.4 sind ebenfalls miteinander verbunden und bilden den gemeinsamen Basiskontaktanschluß, wcleher mit B bezeichnet ist. Zwischen jedem der Emitteranschlüsse e, bis e± dieser Leistungstransistoren 10.1 bis 10.4 und dem externen Emitterkontaktanschluß, welcher mit E bezeichnet ist, sind jeweils die npn-Steuertransistoren 11.1 bis 11.4 angeschlossen. Als Alternative ist es auch möglich, als Leistungstransistoren 10.1 bis 10.4 pnp-Typen zu verwenden. In diesem Falle müssen die Steuertransistoren 11.1 bis 11.4 ebenfalls vom pnp-Leitfähigkeitstyp sein. d. h., der Leistüngstransistor und der zugeordnete Steuertransistor haben das gleiche »Vorzeichen«. Typisch ist, daß die Steuertransistoren 11.1 bis 11.4 ebenfalls im wesentlichen ghich sind. Sie dienen zur Begrenzung des Stromes durch j;den der Leistungstransistoren 10.1 bis 10.4. Jeder Emitter e_x bis e_t der Leistungstransistoren 10.1 bis 10.4 ist mit dem Kollektor des ihm zugeordneten Steuertransistors 11.1 bis 11.4 jeweils über eine bestimmte Diode 12.1 bis 12.4 verbunden. Diese Dioden sollen ebenfalls im wesentlichen gleich sein. Es ist in diesem Zusammenhange besonders wünschenswert, wenn sie den Strom durch die Leistungstransistoren 10.1 bis 10.4 sperren, wenn der C-Betrieb in Betracht gezogen wird. Die Polarität der Dioden 12.1 bis 12.4 ist so gewählt, daß diese einen Stromfiuß durch die Transistoren 10.1 bis 10.4 in Gegenrichtung zur externen Sperrvorspannung, die an den Kollektoren dieser Transistoren anliegt, verhindern. Anders ausgedrückt, gestatten die Dioden 12.1 bis 12.4 einen Stromfluß nur in der gleichen Richtung, in der auch die Minoritätenträger in der Basis der Leistungstransistoren 10.1 bis 10.4 fließen, die von den Emittern dort injiziert werden. Die Transistoren 10.1 bis 10.4 sind in vorteilhafter Weise in einem genügend großen Abstand voneinander ange-

bracht, so daß eine thermische Isolation gewährleistet Leitfähigkeitstyps muß die Polaniät der Vorspan-

ist. Das hoibt, daß der WarmetluU von den Tran- nungsquellen 22 und 23 umgekehrt werden. In jedem

sistoren vorwiegend zu den Kühlern, z. B. Kühl- Falle aber erscheinen die gewünschten verstärkten

blechen od. dgl. (nicht dargestellt) erfolgt und nicht Signale über der Belastungsimpedanz 24.

zu den anderen Transistoren. 5 Für einen typischen Betrieb bei 4 Gigahertz sind

Die Β;·, sanschlüsse der Steuertransistoren 11.1 bis die Steuertransistoren 11.1 bis 11.4 in vorteilhafter 11.4 sind zusammengeschaltet und bilden einen Weise in Stützleitertechnik ausgeführt. Ferner beeinzigen externen Kontakt E, der gleichzeitig der sitzen die Ableitkondensatorcn 13.1 bis 13.4 eine hktive Emitterkontaktanschluß der Leiitungstran- Kapazität von 40 pF, und die Widerstände 14.1 bis sistoren 10.1 bis 10.4 ist. Die Kondensatoren 13.1 ₁₀ 14.4 besitzen den Wert von 100 Ohm. Schließlich bis 13.4 sind im wesentlichen gleich und zwischen den hat die Drossel 15 einen Wert von 4 Nanohenry. Die Emitteranschlüssen C₁ bis e, der Leistungstransistoren Leistungstransistoren 10.1 bis 10.4 sind jeweils so 10.1 bis 10.4 und den BasisanscnJussen der Meuer- ausgelegt, daß sie etwa 0,1 Watt HF-Leistung bei transistoren 11.1 bis 11.4 angeschlossen. (Diese Ba3is- 4 Gigahertz verarbeiten können
anschlüsse sind mit dem externen Emitterkontakt· ,₅ F i g. 3 zeigt eine spezielle Anordnung der in anschluß E elektrisch äquivalent.) Die Kondensa- F i g. 1 gezeigten Schaltung, die jedoch nicht maßtoren 13.1 bis 13.4 dienen als Ableitkondensatoren stabsgetreu wiedergegeben ist. Ferner fehlt die Batterie für die Hochfrequenz. Die hochfrequenten Ströme, 16. Die gesamte !Schaltungsanordnung ist auf einem die von den Steuertransistoren 11.1 bis 11.4 oder den keramischen Träger 31 Gefestigt. Die Steuertran-Dioden 12.1 bis 12.4 geliefert werden, umgehen daher _ao sistoren 11.1 bis 11.4 (von denen in F ig. 3 jedoch die Steuerschaltung. nur 11.1 und 11.2 dargestellt sind) sind mit der

Die Emitter der Steuertransistoren 11.1 bis 11.4 Schaltung über Stützleiter elektrisch verbunden. Eine sind jeweils mit im wesentlichen identischen Wider- Metallschicht 32, die von den metallischen Kapazitätsständen 14.1 bis 14.4 verbunden. Die übrigen An- belägen 35.1 bis 35.4 mittels einer isolierenden Schicht Schlüsse der Widerstände 14.1 bis 14.4 sind zusammen- ₂₅ 33 getrennt ist, bildet die Ableitkondensatoren 13.1 geschaltet und gemeinsam mit einer Drosselspule 15 bis 13.4.

und einer variablen Gleichspannungsquelle 16 in Die Drossel 15 besteht aus einer zickzackförmigen Reihe tcschaltet ^un(* mit dem Emitterkontaktan- Metallschicht, die am Anschluß 17 endigt. Die Stützschluß E verbunden. Der Anschluß 17 zwischen der leiter 41,42 und 43 der Steuertransistoren 11.1 bis 11.4 Spannungsquelle 16 und der Drosselspule 15 wird bei _3O sind an dem Anschluß E, der Drossel 15 und den der Herstellung der Schaltung bei einer besonderen Kapazitätsbelägen 35.1 bis 35.4 befestigt und geben Ausführung, die noch im Zusammenhang mit der eine elektrische Verbindung dieser Steuertransistoren F i g. 3 erläutert werden wird, verwendet. Die Drossel- mit dem übrigen Teil der Schaltung,
spule 15 stellt sicher, daß im wesentlichen der ge- Die Leistungstransistoren 10.1 bis 10.4 sind in samte Hochfrequenzstrom längs eines direkten Pfades, ₃₅ einem gemeinsamen monokristallinen Siliziumscheibwelcher von E zu den Ableitkondensatoren verläuft, chen mit einer gemeinsamen leitenden Schicht 34 fließt. Damit wird vermieden, daß der hochfrequente integriert, die in einem Kollektorkontaktanschluß J Strom durch die Batterie 16, die Widerstände 14.1 endigt. Die Leiter 36.1 bis 36.4 verbinden die Emitterbis 14.4 und durch die Emitter der Steuertransistoren kontaktstreifen ^₁ bis e₄ dieser Leistungstransistor-11.1 bis 11.4 fließt. Es ist für die Schaltung typisch, ₄₀ zellen 10.1 bis 10.4 jeweils mit den Kapazitätsbelägen daß die elektromotorische Kraft V der Batterie 16 35.1 bis 35.4. Die Leistungstransistoren besitzen ebenauf 2 Volt eingestellt wird, mit einer Polarität, die falls eine gemeinsame elektrische Basisschicht 37, eine Vorspannung in Vorwärtsrichtung an die Emitter die über den Leiter 38 mit dem gemeinsamen Basisder Steuertransistoren 14.1 bis 14.4 anlegt. Der anschluß B verbunden ist.

maximal zulässige Gleichstrom durch beispielsweise ₄₅ Zur Herstellung der in F i g. 1 dargestellten Schal-

den Leistungstransistor 10.1 wird mit Hilfe der züge- tung wird vorzugsweise ein keramischer Träger 31

ordneten Steuerschaltung (das ist im vorliegenden aus Aluminiumoxyd oder Berylliumoxyd ausgewählt i

Beispiel der Widerstand 14.1, der Transistor 11.1, welche·- etwa 1,5 cm stark ist und als Substrat für die

der Kondensator 13.1 und die Diode 12.1), wie ge- gesamte Schaltung dient, wobei er dieser eine gute *

wünscht, auf einen Wert von etwa -£- begrenzt, wobei 5° mechanische Festigkeit, eine gute Wärmeableitung

Λ und eine gute elektrische Isolation verleiht Eine

R der Widerstand des Widerstandes 14.1 ist. Infolge leitende Schicht 32 aus einem guten elektrischen

bekannter Wirkungen kann der Gleichstrom in den Leiter, wie beispielsweise Aluminium, wird auf der

Leistungstransistoren 10.1 bis 10.4 dazu tendieren, keramischen Basis 31 niedergeschlagen und dient als

sobald V ansteigt, diesen Wert -^- zu überschreiten. ⁵⁵ gemeinsamer Belag für die Abkitungskondensatoren '

λ 13.1 bis 13.4, die in F ι g. 1 dargestellt sind Es ist i Dieser Anstieg ist jedoch für vernünftige Werte von V typisch für diese Schicht 32, daß sie 0 3 μ stark ist

nur recht mäßig. Sie wird auf der keramischen Basis 31 mit Hilfe

F i g. 2 zeigt beispielsweise, wie die mit E, B und C einer 0,05 μ starken Titanschicht niedergeschlagen

in F i g. 1 bezeichneten Anschlüsse in einer voll- 6o die bekanntlich zur Adhäsion dient. Zur Herstellung

ständigen Schaltung zusammengeschaltet werden der gewünschten äußeren Form dieser Schicht 32

müssen, damit sie für die Verstärkung von hoch- werden nach dem Niederschlag derselben auf der

frequenten Signalen eines Signalgenerators 21 ver- gesamten Oberfläche der keramischen Basis 31 be

wendet werden können. Die Polaritäten der Gleich- kannte photolithographische und selektive Ä.tzver-

spannungsquellen, Vorspannungsquellen, Batterien 22 65 fahren verwendet.

und 23 sind in F i g. 2 für Leistungstransistoren 10.1 Danach wird eine Isolationsschicht 33 niederee

bis 10.4 vom npn-Leitfähigkeitstyp dargestellt. Bei schlagen oder durch Oxydation einer vorher nieder"

der Verwendung von Leistungstransistoren des pnp- geschlagenen Metallschicht hergestellt, um das Di-

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^ ίο

clcktrikiim der Ableitkondensatoren 13.1 bis 13.4 Isolation zwischen den 7ellen erreicht. Das bedeutet. zu bilden. Wesentlich ist hierbei, daß die Isolations- daß die Temperatur einer Zelle nicht durch die Tempeschicht 33 dadurch hergestellt wird, daß zuerst eine ratur einer anderen Zelle beeinflußt wird. Tantalschicht von etwa 0.3/< Stärke auf die Leitschicht 32 niedergeschlagen wird. Danach wird die 5 Stiitzleiter-Stcuertransistoren Tantalschicht selektiv bis auf eine Tiefe von 0.2//

eloxiert, um die ,' ,olierenden Tantaloxsdc. die bekannt- F i g. 4 zeigte eine perspektivische, nicht maßstabslich eine rclati\ hohe Dielektrizitätskonstante bc- getreue Ansicht der Unterseite eines typischen Stützsitzen. zu bilden. Danach wird der gemeinsame leiter-Steuertransistors II.1, welcher in Fig. 3 darexterne Basiskoniaktanschluü β von etwa 2,5 mm² io gestellt ist, einschließlich der Diode 12.1. Die Stützauf einer Schicht aus elektrisch gut leitendem Material leiter, das sind frei tragende, eine Stabilität in sich wie beispielsweise aus Gold niedergeschlagen. Das selbst aufweisende Leiter 41, 42 und 43, bieten sowohl gleiche gilt für den externen Emitterkontaktanschluß E. mechanische Festigkeit, als auch elektrische Verbin-Ebenso dient eine Schicht 34 aus elektrisch hoch düngen, wohingegen der Leiter 44 nur eine elektrische leitendem Material, beispielsweise Gold, die auf dem 15 Verbindung ei möglicht.

keramischen Substrat 31, niedergeschlagen wird, als F i g. 5 zeigt eine nicht maßstabsgetreue Aufsicht gemeinsamer Anschluß für d~n Ohiruchen Kollektor- auf die Unterseite des Transistors 11.1 und die Stützanschluß C der Leistungstransistoren 10.1 bis 10.4. Ieiter41,42und43und den Leiter 44. Diegestüchelten Die Diossel 15 wird ebenfalls aus einer Schicht eines Linien 41Λ und 41B zeigen die Schnittlinie, an welcher elektrisch gut leitenden Materials, wie beispielsweise so der Stützlciter 41 durch eine isolierende passive Gold, hergestellt, indem dieses in einem Zickzack- Schicht (nicht dargestellt) hindurchtritt und einen muster auf dem keramischen Substrat 31 niederge- Kontakt mit dem Halbleitermaterial 44, hier Silizium, schlagen wird. Die Drosselspule 15 hat hierbei etwa herstellt. In ähnlicher Weise zeigen die gestrichelten drei oder vier rechtwinklige Schleifen. Die Kapazitäts- Linien 42/4, 43Λ, 44Λ und 44B einen ähnlichen beläge 35.1 bis 35.4 bestehen ebenfalls aus einer a₅ Schnitt für die entsprechenden Leiter 42, 43 und 44. Schicht aus einem elektrisch gut leitenden Material, Die unterbrochene Mittellinie 45 zeigt die äußeren beispielsweise Gold. Die Fläche, welche die Schleife Konturen des η-leitenden Silizium-Halbleiters, welcher bedeckt, beträgt etwa 0,5 mm². die Emitterzone des Transistors 11.1 bildet. Bei Die Elemente E, B, 15, 17, 34 und 35.1 bis 35.4 typischen Werten ist diese Emitter-Zone eine 0.3,« werden gleichzeitig erzeugt, indem die Schichten in 30 starke Schicht mit einem spezifischen Flächenwiderden geeigneten Positionen mit Hilfe der bekannten stand von 20 Ohm. Die Emitter-Zone hat rechtphotolithographischen Technik niedergeschlagen wer- winklige Abmessungen von etwa 10·70μ. Unter den, welcher dann Prozesse folgen, durch die das uner- einem spezifischen Flächenwiderstand von 20CIm wünschte Metall selektiv weggeätzt wird. Beispiels- soll verstanden werden, daß der Widerstand, gemittelt weise ist die gesamte Oberfläche des Keramiksub- 35 über die Stärke der Schicht und dividiert durch die strates 31, auf dem die Schichten 32 und 33 schon Stärke der Schicht bei einer Leiterlänge und einer plaziert niedergeschlagen wurden, über ihre gesamte Leiterbreite von jeweils 1 cm etwa 20 Ohm beträgt. Oberfläche mit einer 0,05 μ starken Titanschicht be- Nach einem anderen Aspekt, ist der spezifische deckt (zur Adhäsion). Darüber folgt eine 0,5 μ starke Flächenwiderstand o_s eines Diffusionsbereiches der Goldschicht. Danach werden dann die bereits er- 40 Breite W und der Länge L zwischen zwei Anschlüssen wähnten photolithographischen und selektiven Ätz- j_lirri, _A- _n · . _ W , , · „ j u r-u » durch die Beziehung n, = R-- gegeben, wobei R prozesse durchgeführt. ^& - L ^a ⁶ '

Die Herstellung der Steuertransistoren 11.1 bis 11.4 den Widerstand des Bereiches zwischen den beiden

wird im folgenden ausführlich beschrieben. Sie werden Klemmen angibt. Die gestrichelte Linie 46 zeigt in mechanisch und elektrisch mit Hilfe bekannter 45 ähnlicher Weise die äußeren Konturen der typischen

Techniken, wie beispielsweise Thermokompressions- p-leitenden Basiszone des Transistors 11.1. Diese

verbindungen, an den gewünschten Stellen sowohl Basis-Zone hat einen spezifischen Flächenwiderstand

mit den Kapazitätsbelägen als auch mit dem An- von 700 Ohm, eine Stärke von etwa 0,15 μ und recht-

schluß E und einem Anschluß der Drossel 15 ver- winklige Abmessungen von 70 ■ 80 μ. Sie umgibt den bunden. Ebenso werden die Leistungstransistoren 10.1 50 Emitter 45 rundum. Die unterbrochene Mittellinie

bis 10.4, wie im folgenden beschrieben wird, herge- repräsentiert eine p-leitende Widerstandszone mit

stellt und, wie in F i g. 1 dargestellt, auf der Schicht 34 einem spezifischen Flächenwiderstand von 50 Ohm,

befestigt. Die Emitterkontaktstreifen C₁ bis e₄ der welche den Widerstand 14.1 bildet. Die unterbrochene

Leistungstransistorzellen 10.1 bis 10.4 werden auf Linie 48 stellt die äußeren Konturen einer anderen den entsprechenden Kapazitätsbelägen 35.1 bis 35.4 55 p-leitenden Dioden-Zone dar, die einen spezifischen

jeweils mit Hilfe von Goldleitern 36.1 bis 36.4 ver- Flächenwiderstand von 50 Ohm besitzt und die Diode

bunden. Die gemeinsame elektrische Basiskontakt- 12.1 bildet, da sie Kontakt mit der Silizium-Schicht

schicht 37, die durch die Verbindung der einzelnen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps innerhalb

Basiskontakte f>, bis b_t der Leistungstransistorzellen der Dioden-Zone 48 besitzt. Die Silizium-Halbleiter-10.1 bis 10.4 gebildet wird, ist mit dem Anschluß B 60 schicht 49 besteht aus η-leitendem Silizium, welches

mittels <>ines Goldleiters 38 verbunden. in vorteilhafter Weise durch epitaxiales Aufwachsen

Es muß erwähnt werden, daß es vorteilhaft ist, mit einer Stärke von 4 μ und einem spezifischen

den Abstand zwischen benachbarten Transistorzellen Widerstand von 4 Ohm · cm hergestellt wird. Unter

10.1 bis 10.4 doppelt so groß wie die größte Ab- dieser Schicht 49 befindet sich eine bochleitende messung der Einzelzelle zu machen. Die größte Ab- 65 Schicht (nicht dargestellt) mit einem spezifischen

messung einer Einzelzelle ist durch die physikalische Widerstand von 0,005 Ohm · cm aus monokristallinem

Ausdehnune seines Emitterkontaktstreifens, bebpiels- Silizium, auf der die Schicht 49 epitaxial aufgewachsen

weise e_lt definiert. Auf diese Weise wird eine thermische wurde.

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Zur Bildung des Transistors 11.1 wird ein η-leiten- Die äußere Kontur für jede Basis-Zone der LcisHingsdcs monokristallines Silizium-Scheibchen von transistorzellen 10.1 bis 10.4 isoliert dadurch elektrisch 0.005 Ohm · cm und einer Stärke von 125// als Sub- die Basis-Zonen gegeneinander. Dies geschieht jedoch strat für das epitaxiale Aufwachsen der Silizium- nur insofern, als eine Leitung von der Basis-Zone einer schicht 49 von einer Stärke von 4μ und einem Wider- 5 Zelle zu der Basis-Zone einer anderen Zelle durch die stand von 4 Ohm · cm verwendet. Danach wird die diffundierte p-leitende Zone 63 selbst erfolgt. Alle Basis-Zone 46 durch Diffusion von Bor in die Schicht Basis-Zonen sind jedoch gegenseitig über die gemcin-49 hergestellt, wobei das Bor zur Acceptorverunreini- same Basis-Kontaktschichl 37, wie in F i g. 3 J^rgegung dient. Dann wird die Emitter-Zone 45 durch stellt, verbunden. Auf diese Weise wird die Kapazität Diffusion mit Phosphor, als Donator-Verunreinigung, io zwischen Basis und Kollektor aller Leistungstrangewonnen. Die Widerstandszonen 47 und die Dioden- sistorzellen 10.1 bis 10.4 auf einen Minimalwcrt geZone 48 werden in vorteilhafter Weise durch gleich- bracht.

zeitige Diffusion von Bor durch geeignete Masken, Die Emitterstreifen-Zonen 64 werden danach selbst

wie bekannt, hergestellt. In solchen Fällen, in denen indasSiliziumscheibchen61 mitPhosphoralsDonator-

die Dioden 12.1 nicht erforderlich sind, kann die 15 Verunreinigung bis auf eine Tiefe von 0,3 μ hinein-

Diffusion der Zone 48 während des Diffusionsvor- diffundiert. Sie erhalten dabei einen spezifischen

gangs mittels geeigneter Masken unterdrückt werden. Flächenwiderstand von 20 Ohm. Die Emitter- und

Bei allen Diffusionsvorgängen werden übliche Mas- Basis-Kontakte, beispielsweise e_x und A₁, werden

kierungste.hniken und übliche photoresistive Tech- jeweils zusammen mit der gemeinsamen Basis-Kon-

niken mit Vorteil verwendet, um die äußeren Kon- ao taktschicht 37, wie in F i g. 3 dargestellt ist, aus A!u-

turen der Zonen des gewünschten Leitfähigkeitstyps minium mit Hilfe bekannter Methoden, beispielsweise

abzubilden. Aufdampfen, gebildet. Jeder Finger in den Emitter

und Basiskontakten, beispielsweise e, und A₁, besitzt eine ungefähre Abmessung von 2 -50 μ mit einem

HF-Leistungstransistorzellen 10.1 bis 10.4 ₂₅ ungefähren Abstand von 2 μ zwischen aufeinanderfolgenden und ineinandergreifenden Emitter- und

F i g. 6 zeigt eine nicht :.iaßstabsgetieuc perspek- Basiskontaktfingern, tivische Schnittzeichnung eines Teiles eines typischen
npn~n-Leistungstransistors 10.1, der schon in F i g. 3

gezeigt wurde. Es versteht sich, daß eine nprrn-Struk- 30 Kennzeichen der η--Zone tür den SpeJalfall einer npn-Transisiorstruktur darstellt. Ein n-leitendes monokristallines Silizium-Halb- Im Arbeitsfrequenzbereich zwischen etwa 0,5 und leitersubstrat 61 mit relativ hoher Leitfähigkeit dient etwa 10 GHz zeigt die Kurve 71 in F i g. 7 den sowohl als Kollektor des Leistungstransistors als Optimalwert von X der Breite der n~-Zone der Leiauch als Substrat für die epitaxiale Schicht 62 aus 35 stungstransistorzellen 10.1 bis 10.4, aufgetragen über schwach dotiertem η-leitendem Silizium. Dieser der Frequenz F, für maximale Leistungsverstärkung. n~-leitende Bereich dient als Abstandsschicht für die während die Kurve 72 in F i g. 7 den Maximalwert Kollektoren der Leistungstransistoien. Die Zone 63 von X für das Maximalprodukt von Ausgangsleistung besteht aus p-leitendem Silizium und dient als Basis- mal äußere Lastimpedanz [P₀ ■ Zl) zeigt. Mit Lei-Zone. Die Zonen 64 bestehen aus n-Ieitendem Silizium 40 stungsverstärkung ist das Verhältnis von Ausgangsund dienen als Emitter. Eine Passivierungsschicht 65, leistung zu Eingangsleistung gemeint. Die Kurve 71

meist eine Siliziumoxydschicht, dient zum Schutz , ... , , ,■ ^, ■ . , _v 30

,τ- . -ι. ι τ' ι. r\- c kann naherunesweise durch die Gleichung X --= ...

der Transistoren gegen ihre Umgebung. Die finger- ^w r

artigen Fortsätze der Emitterkontaktstreifen e_x und angegeben werden. Die Näherung für Kurve 72 ist die fingerartigen Fortsätze der Basiskontaktan- 45 _{durcn die Gleich} _x= }S _2eeeben. _Bsi diesen Schlüsse A₁ greifen durch das Oxyd hindurch und ⁶ F ~- berühren den Halbleiter. Gleichungen ist X in μ und Fin GHz anzugeben, ,',ei Zur Bildung der Transistoren 10.1 bis 10.4 wird einer gegebenen Arbeitsfrequenz Fist der Wert von X ein Siliziumscheibchen 61 mit einem spezifischen bei der maximalen Leistungsverstärkung nicht der Widerstand von 5 · 10"³ Ohm · cm und einer Stärke 5° gleiche wie bei dem Maximalwert von P₀ · Zl- Daher von etwa 125μ als Substrat für das epitaxiale Auf- ist ein Kompromiß notwendig, welcher von der wachsen der Schicht 62 verwendet. Diese Schicht 62 relativen Bedeutung der gewünschten maximalen erhält eine Stärke von 4 μ und besitzt eine Rein- Leistungsverstärkung gegenüber der maximalen Auskonzentration einer Donator-Verunreinigung in der gangsleistung, abhängt.

Größenordnung von 10~¹⁵ je Kubikzentimeter, wie 55 In jedem Falle ist es für Arbeitsfrequenzen im

noch ausführlich erläutert werden wird. Danach wird Bereich von etwa 0,5 bis 10 GHz vorteilhaft, wenn eine

die p-Zone 63 für jede Transistorzelle 10.1 bis 10.4 definitive Vorschrift zur Ermittlung der Netto-Kon-

in die epitaxiale Schicht 62 mittels geeigneter Masken zentration der vorherrschenden Donator-Verunreini-

und mittels geeigneter Verfahren bis in eine Tiefe gung der η-Zone in der npn~n-Struktur befolgt wird,

von 0,4 μ diffundiert. Sie erhält einen spezifischen 60 Diese Vorschrift besagt, daß die Konzentration der

Flächenwiderstand von 700 Ohm (gemessen nach der Verunreinigung so gewählt werden soll, daß sie den

nachfolgenden Emitter-Diffusion). Als vorherrschende Widerstand on~ der n"-Zone, gemessen in Ohm · cm.

Acceptor-Verunreinigung für diese Diffusion der gleich oder größer als etwa Basis-Zone wird Bor verwendet. Die äußere Kontur

dieser Zone 63 ist für jede Transistorzelle 10.1 bii 10.4 65 on-g 0,5(A')¹-⁶ (1) rechteckig geformt mit einer Gesamtabiiiessung von

etwa 40 -50 μ zur vollständigen Umfassung der macht, wobei die Vergrößerung keinesfalls den

Emitterstreifen-Zonen 64, die danach gebildet werden. Faktor 5 überschreiten darf. Auch hier ist die Breite X

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ssen. Die in Gleichung (1) definierte η F i g. 8 dargestellt. Da die Breite der ien. welche die Emitter-Zone 64 und : 63 bildet, wesentlich kleiner als die --Zone ist, folgt daraus, daß X genähert

werden kann ais die Breite der gesamten ep n--Schicht 62, in welche die Basis- und Emitte diffundiert wurden. Diese Annäherung ist Berechnuns des bevorzugten Widerstandes der «remäß Gleichung (1) nützlich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Leistungsverstärker für hochfrequente Schwingungen (insbesondere nicht unterhalb von 0,1 GHz), welcher mehrere kollektor- und basisseitig parallelgeschaltete Leitungstransistoren enthält, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Maßnahmen:

a) Jedem Leistungstransistor (10.1 bis 10.4) ist ein strombegrenzender Steuertransistor (11.1 bis 11.4) zugeordnet, der in den Emitterkreis des Leistungstransistors eingeschaltet ist;

b) zwischen die Emitterelektrode jedes Leistungstransistors und die Basiselektrode des jeweils zugeordneten Steuertransistors ist je ein Kondensator (13.1 bis 13.4) eingeschaltet, der für die Hochfrequenz einen Kurzschluß darstellt;

c) in Reihe zum Emitteranschluß jedes der Steuertransistoren ist je ein Widerstand (14.1 bis 14.4) angeordnet, dereü andere Anschlüsse untereinander verbunden und an den einen Pol einei Betriebsspannungsquelle (16) angeschlossen sind;

d) die Basen der Steuertransistoren sind miteinander verbunden, an den anderen Pol der Betriebsspannungsquelte (16) und an eine Klemme (E) geführt, die oie filtive Emitterklemrne der zusammengescbalteien Leistungstransistoren darstellt.

2. Leistungsverstärker nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jede Strombegrenzungsschaltung mit ihrem zugeordneten Leistungstransistor über einen mechanisch sich selbst stützenden Leiter (43 in Fig. 3) verbunden ist.

3. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Drosselspule (15 in Fig. 1) enthält, die mit den Emittern aller Steuertransistoren (11.1 bis 11.4) in Reihe geschaltet ist.

4. Leistungsverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Strombegrenzungsschaltung eine Diode (12.1 bis 12.4 in Fig. 1) enthält, die zwischen dem Kollektor des zugeordneten Steuertransistors und dem Emitter des zugeordneten Leistungstransistors eingeschaltet ist, so daß ein Stromfluß nur in Richtung des Flusses der Minoritätsträger möglich ist, welche vom Emitter des jeweiligen Leistungstransistors in seine Basis injiziert werden.

5. Leistungsverstärker nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Leistunestransistoren (10.1 bis 10.4 in Fig. I) eine npn n-Stmktur besitzen, bei welcher für eine Verstärkung von Signalen der Frequenz /·". die Brei'.e .V der n-Zonc gemessen in μ derart von der Frequenz. /'. gemessen in (.Hz. abhängig gewählt ist. daß sie

sich etwa \on bis erstreckt und dall der

spezifische Widerstand <> der η-Zone, gemessen in Ohm · ein. in dem Bereich von etwa 0.5·.Χ¹·" an der unteren Grenze bis zu einem fünffach höheren Wert an der oberen Grenze liegt

C> Leistungsverstärker nach .Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Leistungstransistoren eine npn~n-Struktur besitzt mit einer Emitter-Zone (64 in F i g. 6), einer Basis-Zone (63), einer Kollektor-Abstandszone (62) und einer Kollektor-Anschlußzone (61), daß ferner jeder der Leistungstransistoren einen Emitterkontaktstreifen Ce₁) besitzt, und daß alle Zonen (64, 63, 62 und 61) aller Leistungstransistoren auf einem einzelnen monokristallineri Halbleiterscheibchen (61) enthalten sind, wobei der Abstand zwischen den benachbarten Emitterkontakten fo) (e,) benachbarter Transistoren mindestens um den Faktor 2 größer ist als die größte Abmessung eines einzelnen Emitterkontaktstreifens, wodurch eine thermische Isolation zwischen den Leistungstransistoren besteht.