Кс-транзистор

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено для создания мощных, сверхмощных и высоковольтных высокочастотных КС-транзисторов (КС-транзистор - транзистор с каскадным суммированием мощностей). КС-транзистор согласно изобретению содержит отдельные транзисторные структуры и имеет выходной, управляющий и общий электроды, при этом каждая транзисторная структура включает входной, выходной и управляющий электроды, установленные на общей теплоотводящей подложке, выходной электрод предыдущей транзисторной структуры соединен с входным электродом последующей транзисторной структуры, выходной электрод последней транзисторной структуры соединен с выходным электродом КС-транзистора, между входным электродом и управляющим электродом каждой транзисторной структуры включен резистор, а управляющий электрод предыдущей транзисторной структуры соединен резистором с управляющим электродом последующей структуры. Изобретение обеспечивает увеличение коэффициента усиления и выходной мощности многоструктурного высокочастотного КС-транзистора без увеличения входного и выходного токов, уменьшение входной и выходной емкостей КС-транзистора, повышение электрической прочности КС-транзистора, повышение энергетический и тепловой устойчивости КС-транзистора за счет исключения эффекта вторичного теплового пробоя. 3 з.п. ф-лы, 3 табл., 12 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено для создания мощных, сверхмощных и высоковольтных высокочастотных КС-транзисторов (КС-транзистор -транзистор с каскадным суммированием мощностей).

Современные мощные высокочастотные многоструктурные транзисторы состоят из N транзисторных структур (ячеек), каждая из которых содержит электрод затвора (базы), истока (эмиттера) и стока (коллектора).

Во всех известных технических решениях [1-5] структуры всегда объединяются в единый мощный многоструктурный транзистор параллельно путем подключения выводов всех баз (затворов), коллекторов (стоков) и эмиттеров (истоков) к общим электродам базы (затвора), коллектора (стока) и эмиттера (истока) соответственно (фиг. 1, 2).

В конструкции КС-транзистора (фиг. 3), имеющего выходной, управляющий и общий электроды, входят транзисторные структуры (фиг. 4), имеющие входной (исток, эмиттер) выходной (сток, коллектор) и управляющий электроды (затвор, база). Эти структуры в КС-транзисторе, в отличие от известных многоструктурных транзисторов, соединены не параллельно, а последовательно.

В основе механизма каскадного суммирования мощностей в КС-транзисторе лежит тот факт, что высокочастотный ток управляющего электрода транзисторной структуры сдвинут по фазе на 90° по отношению к току входного электрода этой структуры.

Следовательно, падение ВЧ напряжения на конденсаторе, соединяющем общий электрод КС транзистора с управляющим электродом m-ой транзисторной структуры синфазно ВЧ току входного электрода этой структуры.

Следовательно, ВЧ напряжение на входном электроде m-ой транзисторной структуры синфазно ВЧ току входного электрода этой структуры.

Следовательно, ВЧ мощность, генерируемая на выходном электроде предыдущей (m-1)-ой транзисторной структурой, поглощается на входе последующей m-ой транзисторной структуры и передается на ее выход, дополненная мощностью, генерируемой самой структурой.

Следовательно, в КС-транзистора по схеме фиг. 4 высокочастотные мощности, генерируемые всеми транзисторными структурами суммируются в общей нагрузке, подключаемой к выходному электроду КС-транзистора.

Ближайшим аналогом (прототипом) заявляемого устройства является мощный СВЧ-транзистор, представленный в патенте РФ №2253924, МПК H01L 29/72, публикация 2005 г. Он содержит основание с электродами и полупроводниковой подложкой с транзисторными ячейками, каждая из которых включает в себя область коллектора, а также области эмиттера и базы, контактирующие каждая со своей расположенной на поверхности подложки металлизированной площадкой, одна из которых соединена с электродом общего вывода, и балластный резистор, контактирующий своими противоположными сторонами с областью эмиттера и металлизированной площадкой эмиттера.

Известная конструкция представляет собой по существу набор N отдельных, соединенных параллельно по входному и выходному токам транзисторных структур, установленных на общей теплоотводящей подложке (фиг. 5).

В такой конструкции транзистора удается кратно (в N раз по сравнению с отдельной структурой) увеличить выходную мощность за счет суммирования в нагрузке токов всех отдельных транзисторных структур. Кроме того, использование отдельных пространственно разнесенных транзисторных структур позволяет улучшить отвод тепла от транзисторных структур за счет значительного снижение теплового сопротивления кристалл-корпуса транзистора [1, стр. 16]. И, соответственно, увеличить допустимую рассеиваемую и выходную мощности транзистора при тех же токовых нагрузках.

Основные недостатки данного технического решения заключаются в следующем:

- в кратном увеличении (в N раз по сравнению с отдельной структурой) выходной и входной емкостей транзистора, что значительно сужает диапазон рабочих частот транзистора, затрудняет входное и выходное согласование транзистора и существенно осложняет конструкцию транзистора и его использование в аппаратуре применения;

- в снижении тепловой устойчивости транзистора вследствие вторичного теплового пробоя (эффект «шнурования тока») [1, стр. 47], следовательно, снижение надежности аппаратуры применения;

- низком коэффициенте усиления транзистора.

Целью заявленного изобретения является увеличение коэффициента усиления и выходной мощности многоструктурного высокочастотного КС-транзистора без увеличения входного и выходного токов; уменьшение входной и выходной емкостей КС-транзистора; повышение электрической прочности КС-транзистора; повышение энергетический и тепловой устойчивости КС-транзистора за счет исключения эффекта вторичного теплового пробоя.

Поставленные цели достигаются в предлагаемом КС-транзисторе путем использования в конструкции многоструктурного КС-транзистора технического решения, основанного на разработанной в [5] концепции каскадного суммирования мощностей (КС). Каскадное суммирование позволяет осуществлять широкополосное суммирование высокочастотных мощностей, генерируемых отдельными транзисторами в общей нагрузке без использования внешних систем деления/суммирования мощностей.

Сущность предложенного технического решения заключается в следующем.

КС-транзистор, содержащий отдельные транзисторные структуры и имеющий выходной, управляющий и общий электроды, при этом каждая транзисторная структура включает входной, выходной и управляющий электроды, установленные на общей теплоотводящей подложке, характеризуется тем, что выходной электрод предыдущей транзисторной структуры соединен с входным электродом последующей транзисторной структуры, выходной электрод последней транзисторной структуры соединен с выходным электродом КС-транзистора, при этом между входным электродом и управляющим электродом каждой транзисторной структуры включен резистор, а управляющий электрод предыдущей транзисторной структуры соединен резистором с управляющим электродом последующей структуры.

Управляющие электроды всех транзисторных структур могут быть соединены конденсаторами с общим электродом КС-транзистора, а входной электрод первой структуры соединен с управляющим электродом КС-транзистора.

Управляющие электроды всех структур, кроме первой, могут быть соединены через конденсаторы с общим электродом КС-транзистора, управляющий электрод первой структуры соединен с управляющим электродом КС-транзистора, а входной электрод первой структуры подключен к общему электроду КС-транзистора.

Управляющий электрод каждой предыдущей структуры, кроме первой, может быть соединен с управляющим электродом последующей структуры конденсатором, управляющий электрод второй структуры соединен конденсатором с входным электродом первой структуры, который подключен к общему электроду КС-транзистора, а управляющий электрод первой структуры подключен к управляющему электроду КС-транзистора.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена схема многоструктурного биполярного транзистора.

На фиг. 2 представлена схема многоструктурного MOSFET транзистора (MOSFET - Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor - металл-оксид-полупроводниковый транзистор с полевым эффектом).

На фиг. 3 представлена схема многоструктурного КС-транзистора. На фиг. 4 представлена схема транзисторной структуры КС-транзистора.

На фиг. 5 представлена схема прототипа по патенту РФ №2253924.

На фиг. 6 показана компоновка заявляемого КС-транзистора в соответствии с п. 1 формулы изобретения.

На фиг. 7 показана компоновка заявляемого КС-транзистора, в соответствии с п. 2 формулы изобретения.

На фиг. 8 показана компоновка заявляемого КС-транзистора, в соответствии с п. 3 формулы изобретения.

На фиг. 9 показана компоновка заявляемого КС-транзистора, в соответствии с п. 4 формулы изобретения.

На фиг. 10 показана блок-схема исследования КС-транзистора в схеме однокаскадного усилителя мощности высокой частоты с общим истоком в цифровом макете (программная среда МС9) и в натурном макете выполненном по той же схеме.

На фиг. 11а, б, в, г представлены результаты исследования цифрового макета при четырех различных частотах возбуждения в режиме транзиент-анализа.

На фиг. 12 представлена блок-схема измерения характеристик КС-транзистора.

Представленная компоновка (фиг. 6) необходима для обеспечения равномерного распределения напряжения питания всех транзисторных структур. Эта компоновка используется во всех вариантах конструкции КС-транзистора, отвечающих требованиям аппаратуры применения. Она отражена в п. 1 патентной формулы.

Для обеспечения равномерной генерации высокочастотной энергии всеми транзисторными структурами в широкой полосе частот и передачи высокочастотной энергии в общую нагрузку в схеме по фиг. 4 управляющие электроды всех транзисторных структур соединены конденсаторами с общим электродом КС-транзистора, а входной электрод первой структуры соединен с управляющим электродом КС-транзистора, как показано на фиг. 7.

Данное техническое решение КС-транзистора соответствует известному включению транзистора по схеме с общим истоком (общей базой), оно защищается п. 2 патентной формулы.

Для повышения коэффициента усиления КС-транзистора и улучшения входного согласования (уменьшения входной емкости) КС-транзистора в схеме по фиг. 6 управляющие электроды всех структур, кроме первой, соединены через конденсаторы с общим электродом КС-транзистора, управляющий электрод первой структуры соединяется с управляющим электродом КС-транзистора, а входной электрод первой структуры подключается к общему электроду КС-транзистора, как показано на фиг. 8.

Данное техническое решение КС-транзистора соответствует известному включению транзистора по схеме с общим истоком (общим эмиттером). Оно защищается п. 3 патентной формулы.

Для увеличения амплитуды высокочастотного сигнала на выходном электроде КС-транзистора без увеличения максимального напряжения на элементах конструкции КС-транзистора в схеме по рис. 6 управляющий электрод каждой предыдущей структуры, кроме первой, соединен с управляющим электродом последующей структуры конденсатором, управляющий электрод второй структуры соединен конденсатором с входным электродом первой структуры, который подключен к общему электроду КС-транзистора, а управляющий электрод первой структуры подключен к управляющему электроду КС-транзистора (рис. 9). При такой схеме включения конденсаторов напряжение на любых элементах схемы КС-транзистора не превосходит напряжения между входным и выходным электродами транзисторной структуры. Оно в N раз меньше напряжения на выходном электроде КС-транзистора. Данное техническое решение защищается п. 4 патентной формулы.

Условием эффективности работы устройства по заявке является равномерная загрузка всех транзисторных структур по току и напряжению, что обеспечивается совпадением или близостью эпюр токов и напряжений транзисторных структур.

Совпадение входных и выходных токов отдельных структур гарантируется последовательным соединением транзисторных структур в КС-транзисторе. Следовательно, необходимо показать совпадение (близость) эпюр напряжений между входным и выходным электродами отдельных структур.

Прямым доказательством равномерности энергетической загрузки отдельных структур КС-транзистора и суммирования мощностей отдельных транзисторов в общей нагрузке в режиме усиления или генерации ВЧ сигнала является численный и/или натурный эксперимент с КС-транзистором, работающим в однокаскадном усилителе в режиме усиления высокочастотного сигнала.

Эксперимент должен выявить:

- близость (в идеале совпадение) временных зависимостей (эпюр) напряжений между выходом и входом отдельных структур, что подтверждает факт равномерности загрузки отдельных транзисторных структур в КС-транзисторе;

- близость (в идеале совпадение) напряжения между выходным электродом транзистора и выходным электродом КС-транзистора сумме напряжений между выходным и входным электродами отдельных структур, составляющих КС-транзистор. Тем самым подтвердить факт суммирования высокочастотных мощностей, генерируемых отдельными транзисторными структурами в общей нагрузке КС-транзистора.

- факт того, что высокочастотная мощность, генерируемая КС- транзистором, в N раз превосходит мощность, генерируемую его отдельными структурами.

Был разработан и изготовлен MOSFET КС-транзистор. В качестве отдельных транзисторных структур использовались 5 бескорпусных MOSFET транзисторов IXZ210N50L2 с заявленной изготовителем номинальной выходной мощностью Рвых = 300 Вт [6]. Был также разработан цифровой макет КС-транзистора, в котором применялись spice-модели транзистора IXZ210N50L2, представленные изготовителем [6]. Это гарантировало необходимую точность и адекватность численного эксперимента, с использованием цифрового макета.

КС-транзистор был исследован в схеме однокаскадного усилителя мощности высокой частоты с общим истоком (фиг. 10) в цифровом макете (программная среда МС9) и в натурном макете, выполненном по той же схеме (фиг. 10).

Результаты исследования цифрового макета при четырех различных частотах возбуждения в режиме транзиент-анализа (фиг. 11а, б, в, г) подтверждают как высокую степень равномерности загрузки отдельных транзисторный структур в КС-транзисторе, так и факт каскадного суммирования высокочастотных мощностей генерируемых структурами в общей нагрузке КС-транзистора.

Прямое экспериментальное исследование КС-транзистора проводилось на макете по блок-схеме, представленной на фиг. 12, где 1- генератор высокочастотный, 2- драйвер, 3 - КС-транзистор 2ПКС5И01,4 - выходная плата, 5 - водяной охладитель, 6 - ВЧ нагрузка-аттенюатор, 7 - измеритель мощности, 8 - ПК, 9 - осциллограф, 10 - источник питания 20 В/2А, 11 - источник питания 500 В/10А, 12 - осциллограф.

Результаты экспериментальных испытаний натурного макета усилителя на КС-транзисторе при различных частотах и напряжениях питания приведены в таблицах 1 и 2.

Следует отметить, что полученная экспериментально выходная мощность, генерируемая многоструктурным КС-транзистором в нагрузке усилителя, как и ожидалось, равна или превосходит совокупную номинальную мощность, заявленную изготовителем для транзистора IXZ210N50L2 при напряжениях, соответствующих напряжениям питания (Таблица 1 и Таблица 2). Следовательно, результаты экспериментального исследования макета КС-транзистора подтверждают факт суммирования высокочастотных мощностей, генерируемых отдельными структурами КС- транзистора в общей нагрузке КС-транзистора. При этом коэффициент усиления КС-транзистора в цифровом и аналоговом макетах составляет Ку>35 дБ, что на 20 дБ больше, чем отдельной структуры.

Испытания натурного макета КС-транзистора на электрическую прочность проводились следующим образом.

В режиме табл. 2 (Рвых = 3.4 кВт) отсоединялась (обрывалась) ВЧ нагрузка аттенюатора «6» (блок-схема фиг. 1) путем отсоединения кабеля от разъема энергоблока (разрывалась связь между бл. 4 и бл. 6 схеме фиг. 6). Тем самым мгновенно создавался режим XX. При этом КС- транзистор оставался под напряжением питания и возбуждения в соответствии с таблицей 2. После чего напряжение питания и возбуждение КС-транзистора снимались. Далее опять подключались нагрузки, подавалось напряжение питания и возбуждения транзистора, и схема восстанавливалась полностью. Результаты измерений приведены в Таблице 3.

Результат: никаких изменений в характеристиках КС-транзистора при обрыве нагрузки в динамическом режиме не зафиксировано, работоспособность КС-транзистора сохранена полностью. Таким образом, в КС-транзисторе по заявке гарантирована необходимая электрическая прочность устройства. Тепловая устойчивость КС-транзистора гарантирована его конструкцией по заявке, так как при последовательном соединении транзисторов по току вторичный тепловой пробой в принципе невозможен.

Изложенные выше результаты численных и экспериментальных проверок КС-транзистора подтверждают факты достижения поставленных в заявке целей.

Изобретение позволяет повысить выходную мощность и увеличить коэффициент усиления мощного высокочастотного многоструктурного КС-транзистора, уменьшить выходную и входную емкости транзистора, повысить его электрическую прочность и устойчивость к тепловому пробою в сравнении с существующими многоструктурными мощными ВЧ транзисторами.

Библиографический список:

1. Ю.Звражнов и др. Мощные высокочастотные транзисторы. Издательство «Радио и связь», 1985.

2. Мощный СВЧ транзистор. Патент РФ 2253924, публ. 2005 г.

3. Мощный ВЧ и СВЧ транзистор. Патент РФ 2402836, публ. 2010 г.

4. Мощный ВЧ и СВЧ транзистор. Патент РФ 2403650, публ. 2010 г.

5. Мощная высокочастотная транзисторная структура.

Патент РФ 2403651, публ. 2010 г.

6. С.Г.Тихомиров. Усиление высокочастотных сигналов. Монография, Издательство LAP Lambert, 2010 г.

1. КС-транзистор, содержащий отдельные транзисторные структуры и имеющий выходной, управляющий и общий электроды, при этом каждая транзисторная структура включает входной, выходной и управляющий электроды, установленные на общей теплоотводящей подложке, характеризующийся тем, что выходной электрод предыдущей транзисторной структуры соединен с входным электродом последующей транзисторной структуры, выходной электрод последней транзисторной структуры соединен с выходным электродом КС-транзистора, при этом между входным электродом и управляющим электродом каждой транзисторной структуры включен резистор, а управляющий электрод предыдущей транзисторной структуры соединен резистором с управляющим электродом последующей структуры.

2. КС-транзистор, по п. 1, отличающийся тем, что управляющие электроды всех транзисторных структур соединены конденсаторами с общим электродом КС-транзистора, а входной электрод первой структуры соединен с управляющим электродом КС-транзистора.

3. КС-транзистор по п. 1, отличающийся тем, что управляющие электроды всех структур, кроме первой, соединены через конденсаторы с общим электродом КС-транзистора, управляющий электрод первой структуры соединен с управляющим электродом КС-транзистора, а входной электрод первой структуры подключен к общему электроду КС-транзистора.

4. КС-транзистор по п. 1, отличающийся тем, что управляющий электрод каждой предыдущей структуры, кроме первой, соединен с управляющим электродом последующей структуры конденсатором, управляющий электрод второй структуры соединен конденсатором с входным электродом первой структуры, который подключен к общему электроду КС-транзистора, а управляющий электрод первой структуры подключен к управляющему электроду КС-транзистора.