DE1900539B2 - Leistungsverstaerker fùr hochfrequente schwingungen - Google Patents
Leistungsverstaerker fùr hochfrequente schwingungenInfo
- Publication number
- DE1900539B2 DE1900539B2 DE19691900539 DE1900539A DE1900539B2 DE 1900539 B2 DE1900539 B2 DE 1900539B2 DE 19691900539 DE19691900539 DE 19691900539 DE 1900539 A DE1900539 A DE 1900539A DE 1900539 B2 DE1900539 B2 DE 1900539B2
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- power
- transistors
- emitter
- transistor
- zone
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 24
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 12
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 12
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims description 6
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 5
- 239000000969 carrier Substances 0.000 claims description 3
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 18
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 18
- 238000000034 method Methods 0.000 description 10
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 10
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 9
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 9
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 7
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 7
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 4
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 3
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- FRWYFWZENXDZMU-UHFFFAOYSA-N 2-iodoquinoline Chemical compound C1=CC=CC2=NC(I)=CC=C21 FRWYFWZENXDZMU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000768714 Anoides Species 0.000 description 1
- 241000917703 Leia Species 0.000 description 1
- 241001676573 Minium Species 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000002238 attenuated effect Effects 0.000 description 1
- LTPBRCUWZOMYOC-UHFFFAOYSA-N beryllium oxide Inorganic materials O=[Be] LTPBRCUWZOMYOC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 235000009508 confectionery Nutrition 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000010292 electrical insulation Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 1
- 230000002787 reinforcement Effects 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
- H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/213—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only in integrated circuits
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L25/00—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof
- H01L25/16—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits
- H01L25/162—Assemblies consisting of a plurality of individual semiconductor or other solid state devices ; Multistep manufacturing processes thereof the devices being of types provided for in two or more different main groups of groups H01L27/00 - H01L33/00, or in a single subclass of H10K, H10N, e.g. forming hybrid circuits the devices being mounted on two or more different substrates
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F1/00—Details of amplifiers with only discharge tubes, only semiconductor devices or only unspecified devices as amplifying elements
- H03F1/08—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements
- H03F1/22—Modifications of amplifiers to reduce detrimental influences of internal impedances of amplifying elements by use of cascode coupling, i.e. earthed cathode or emitter stage followed by earthed grid or base stage respectively
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03F—AMPLIFIERS
- H03F3/00—Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
- H03F3/20—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers
- H03F3/21—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only
- H03F3/211—Power amplifiers, e.g. Class B amplifiers, Class C amplifiers with semiconductor devices only using a combination of several amplifiers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
- H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/30—Technical effects
- H01L2924/301—Electrical effects
- H01L2924/3011—Impedance
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Amplifiers (AREA)
- Bipolar Integrated Circuits (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
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 · ΧΙΛ 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. 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 bx bis bt 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 ex bis et 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
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.
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-
209 546/477
^ 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 os 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- jlirri, 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 bt 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 elt definiert. Auf diese Weise wird eine thermische wurde.
2 7 G 1
900 539
11 12
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 ex 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
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 ex 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
13
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 (5)
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.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US69693668A | 1968-01-10 | 1968-01-10 | |
US69693668 | 1968-01-10 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE1900539A1 DE1900539A1 (de) | 1969-07-17 |
DE1900539B2 true DE1900539B2 (de) | 1972-11-09 |
DE1900539C DE1900539C (de) | 1973-06-07 |
Family
ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE1900539A1 (de) | 1969-07-17 |
SE356861B (de) | 1973-06-04 |
NL6900230A (de) | 1969-07-14 |
FR1599403A (de) | 1970-07-15 |
BE726558A (de) | 1969-06-16 |
US3500066A (en) | 1970-03-10 |
GB1257341A (de) | 1971-12-15 |
NL145729B (nl) | 1975-04-15 |
CH497084A (de) | 1970-09-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE112016003510B4 (de) | HALBLEITERVORRlCHTUNG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER HALBLEITERVORRICHTUNG | |
DE1260029B (de) | Verfahren zum Herstellen von Halbleiterbauelementen auf einem Halbleitereinkristallgrundplaettchen | |
DE4114174A1 (de) | Leistungstransistorbauteil sowie verfahren zu seiner herstellung | |
DE69430724T2 (de) | Dielektrisch isolierte Halbleiteranordnung | |
DE3043913A1 (de) | Halbleiteranordnung und verfahren zu ihrer herstellung | |
DE2338612A1 (de) | Halbleitervorrichtung und verfahren zu ihrer herstellung | |
DE1437435C3 (de) | Hochfrequenzverstärker mit Feldeffekttransistor | |
DE2749607B2 (de) | Halbleiteranordnung und Verfahren zu deren Herstellung | |
DE1810322C3 (de) | Bipolarer Transistor für hohe Ströme und hohe Stromverstärkung | |
DE2300116A1 (de) | Hochfrequenz-feldeffekttransistor mit isolierter gate-elektrode fuer breitbandbetrieb | |
DE10306597B4 (de) | Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterstruktur mit erhöhter Durchbruchspannung durch tieferliegenden Subkollektorabschnitt | |
DE19953620A1 (de) | Niederspannungs-MOSFET und Verfahren zu seiner Herstellung | |
DE102005040624A1 (de) | Halbleiterbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung | |
DE2210599A1 (de) | HF-Leistungstransistor und Verfahren zu seiner Herstellung | |
DE2940975T1 (de) | ||
DE2953394T1 (de) | Dielectrically-isolated integrated circuit complementary transistors for high voltage use | |
EP0710988B1 (de) | Verfahren zum Herstellen von durch Feldeffekt steuerbaren Halbleiterbauelementen | |
DE3486144T2 (de) | Verfahren zur herstellung einer halbleiteranordnung. | |
DE2403816C3 (de) | Halbleiteranordnung und Verfahren zu ihrer Herstellung | |
DE2607194C2 (de) | Halbleiteranordnung | |
DE2215850A1 (de) | Schutzdiodenanordnung fuer gitterisolierte feldeffekttransistoren | |
DE2822166A1 (de) | Halbleiteranordnung | |
DE1900539B2 (de) | Leistungsverstaerker fùr hochfrequente schwingungen | |
DE69838794T2 (de) | Verfahren zur herstellung eines leistungsbipolartransistors | |
DE2263075A1 (de) | Monolithische integrierte halbleiteranordnung |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EHJ | Ceased/non-payment of the annual fee |