Мощный широкополосный вч и свч транзистор

Реферат

 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике. Сущность изобретения: обкладка конденсатора, соединенная с входным электродом транзистора, разделена на изолированные участки. Площадь каждого участка выбирается из условий равномерного распределения в полосе рабочих частот транзистора максимумов коэффициентов передачи мощности согласующих LC-звеньев отдельных транзисторных ячеек или групп ячеек, соединенных с данным участком обкладки конденсатора, а также выравнивания значений этих максимумов. Изобретение позволяет повысить коэффициент усиления по мощности и КПД широкополосного ВЧ- и СВЧ-транзистора за счет снижения потерь мощности во входной согласующей цепи транзистора. 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных ВЧ- и СВЧ- полупроводниковых приборов и оконечных каскадов ВЧ- и СВЧ- широкополосных усилителей мощности.

Известен мощный ВЧ- и СВЧ-транзистор, содержащий диэлектрическую подложку с электродами, на которой размещен полупроводниковый кристалл с транзисторными ячейками, активные области которых соединены с соответствующими одноименными активными областям электродами подложки: входным, нулевого потенциала и коллекторным [1].

Недостатком такого транзистора является уменьшение относительной ширины полосы рабочих частот f/f0, где f = fвг-fнг - ширина полосы рабочих частот; f0 - центральная рабочая частота; fвг - fнг - соответственно верхняя и нижняя граничные частоты полосы f, по мере увеличения f0 и выходной мощности P1. Это связано с тем, что с увеличением Р1 уменьшается активная составляющая входного импеданса транзистора [2] Re{Zвх1} = Rвх1 = |h21|2R1/KУР, где |h21| - модуль коэффициента передачи тока; R1 - эквивалентное сопротивление нагрузки; КУР1вх - коэффициент усиления транзистора по мощности; Рвх - входная мощность, а также с тем, что невозможно в данной конструкции транзистора реализовать значение первого (ближайшего к транзисторному кристаллу) LC-звена входной согласующей цепи L менее 0,9...1,1 нГн. Так как f/f0 = Re{Zвх1}/2f0L1/Q[2] (Q - добротность согласующего LC-звена), при f0300 МГц и P140Вт значения f/f0 в транзисторах [1] становятся неприемлемыми для разработчиков усилительной аппаратуры.

Наиболее близким по совокупности признаков является мощный ВЧ- и СВЧ-транзистор, содержащий диэлектрическую подложку с электродами, на которой размещены транзисторные ячейки и конденсатор, первая обкладка которого соединена проводниками с первыми активными областями транзисторных ячеек и входным электродом подложки, вторая обкладка конденсатора соединена со вторыми активными областями транзисторных ячеек и электродом нулевого потенциала подложки, а коллекторные области транзисторных ячеек соединены с коллекторным электродом подложки [3]. В схеме с общим эмиттером первыми активными областями транзисторных ячеек являются базовые области, а вторыми - эмиттерные, в схеме с общей базой - наоборот.

В таком транзисторе за счет размещения первого согласующего LC-звена непосредственно в корпусе прибора обеспечиваются величины L=0,1...0,5 нГн, что позволяет реализовать требуемые значения f/f0[2]. Взаимоиндукция рабочих токов транзистора, протекающих по проводникам, соединяющим обкладки конденсатора с активными областями транзисторных ячеек и электродами подложки, приводит к различию индуктивностей Li согласующих LC-звеньев транзисторных ячеек в отдельности [4], увеличивает неравномерность коэффициента усиления по мощности в полосе рабочих частот KУР(f) (ff), потери входной мощности Рвх в полосе f [5] и препятствует достижению максимальной мощности Р1 и коэффициента усиления по мощности транзистора в полосе его рабочих частот f. Согласно [5] КУР(f)=КР СЦ(f)(КР Т(f), где КР Т(f) - коэффициент усиления по мощности транзисторного кристалла, определяемый его топологией, схемой включения (с ОЭ или с ОБ) и параметрами режима эксплуатации (напряжение питания, уровень входной мощности, класс усиления - А, В, С, эффективность рассеяния выделяющейся тепловой мощности и др. ); КР СЦ (f) - коэффициент передачи мощности входной согласующей цепью транзистора, получаемый усреднением коэффициентов передачи мощности соединенных параллельно LC-звеньев отдельных транзисторных ячеек i= 1, . . . , N; N - количество транзисторных ячеек; RГ - сопротивление входного эквивалентного генератора; Re{Zli(f0)}, Im{Zli(f0)} - активная и реактивная составляющие импеданса входного согласующего LC-звена i-й транзисторной ячейки. Из-за различия индуктивностей Li максимумы КР СЦi (f) находятся на различных резонансных частотах f0i. Неупорядоченное расположения максимумов увеличивает неравномерность результирующей характеристики КР СЦ (f), что в итоге снижает P1 и КУР в полосе f. Заявляемое изобретение предназначено для повышения равномерности частотной зависимости коэффициента передачи мощности внутреннего входного согласующего LC-звена мощного ВЧ- и СВЧ-транзистора в полосе его рабочих частот f, за счет равномерного распределения в полосе f резонансных максимумов внутренних входных согласующих LC-звеньев отдельных N транзисторных ячеек или m<N групп транзисторных ячеек, и при его осуществлении может быть увеличен коэффициент усиления по мощности транзистора и его КПД.

Вышеуказанная задача решается тем, что в известном мощном широкополосном ВЧ- и СВЧ-транзисторе, содержащем диэлектрическую подложку с электродами, на которой размещены транзисторные ячейки и конденсатор, первая обкладка которого соединена N проводниками с первыми активными областями транзисторных ячеек и входным электродом подложки, вторая обкладка конденсатора соединена со вторыми активными областями транзисторных ячеек и электродом нулевого потенциала подложки, а коллекторные области транзисторных ячеек соединены с коллекторным электродом подложки, согласно изобретению первая обкладка конденсатора разделена на m изолированных участков, в пределах каждого из которых располагаются n1 контактов проводников, соединяющих участок с первыми активными областями транзисторных ячеек, и соответствующее им количество контактов проводников, соединяющих участок с входным электродом подложки, а площади участков удовлетворяют условию где d и - соответственно толщина и относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика под участком; 0 8,8510-12Ф/м - электрическая постоянная в СИ; fвг, fнг - соответственно верхняя и нижняя границы полосы частот транзистора; k= 1, . .., m; Li - индуктивность соединения участка и i-й транзисторной ячейки из n, соединенных с данным участком; L'k, R'k - соответственно индуктивность и сопротивление между контактами проводников, соединяющих k-й участок с транзисторными ячейками, и контактами проводников, соединяющих этот участок с входным электродом; Rвхli - активное входное сопротивление i-й транзисторной ячейки из n, соединенных с данным участком, причем отношение Rвxl/Lk является монотонно возрастающей функцией аргумента k.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение коэффициента усиления транзистора и повышение его КПД, достигается за счет того, что при выполнении условия (2) повышается равномерность характеристики КР СЦ(f) и снижаются потери входной мощности Pвx в согласующей цепи транзистора. Для достижения предельно максимального значения (1) Мах{КР СЦi(f)}=1 необходимо, чтобы Im{Zli(f)} = 0; (3а) Re{Zli(f)} = RГ, (3б) где Здесь i= 1, ..., N; Rвхli(f) - активное входное сопротивление i-й транзисторной ячейки; С - емкость конденсатора внутреннего согласующего LC-звена. Так как обкладки конденсатора - общие для LC-звеньев всех транзисторных ячеек, С не зависит от i. Ввиду различия Li и Rвхli, обусловленного взаимоиндукцией входных контуров транзистора, условие (3б) может не выполняться для всех i=1,..., N. Обобщением условий (3а), (3б) является Re{Zli(f)} = max [Re{Zli(f)}](3в) Приравняв правую часть (4) нулю, получим где fi - резонансная частота согласующего LC-звена i-й транзисторной ячейки. Аналогичным будет решение уравнения, полученного приравниванием нулю производной по С правой части (5) (условие максимума функции Re{Zli(C)}). Максимально равномерной зависимость КР СЦ (f) может быть лишь, когда максимумы КР СЦi (f) а) равномерно распределены в полосе f; б) стремятся к 1, т.е. Re{Zli(f)}-->NRГ.

Аналитической записью условия а) является (2), где а величины Rвxlk и Lk учитывают сопротивление и индуктивность соответствующих участков обкладки конденсатора L'k и R'k между контактами соединительных проводников. Для реализации (2) первая обкладка конденсатора должна быть разделена на m (по числу групп ячеек) участков. Из условия б) согласно [5] для n = 1, m = N: а для n>1: , откуда т.е. резонансные частоты fk LC-звеньев отдельных групп ячеек должны быть тем больше, чем больше отношение Rвxlk/Lk. Поскольку по условию формулы изобретения fk - монотонно возрастающая функция k, то и отношение Rвxlk/Lk должно быть монотонно возрастающей функцией k.

Таким образом, осуществление изобретения обеспечивает максимально равномерную частотную зависимость коэффициента передачи мощности входной согласующей цепью транзистора КР СЦ (f) при стремлении уровня КР СЦ (f) к единице в полосе рабочих частот. При известном N равномерность КР СЦ (f) повышается при m-->N. Поскольку зависимость КР СЦ (f) носит колебательный характер относительно некоторого значения К0, и ограничена: КР СЦ (f)1, уменьшение отклонения |KРСЦ(f)-K0| будет приближать К0 к 1, поэтому потери мощности во входной согласующей цепи транзистора [6] при осуществлении изобретения будут уменьшаться, а коэффициент усиления по мощности и полный КПД транзисторного каскада будут увеличиваться. Здесь Рк - тепловая мощность, рассеиваемая в коллекторе.

На фиг. 1 изображен заявляемый мощный ВЧ и СВЧ- транзистор, вид сверху. Здесь представлен вариант реализации для случая n=1 (m=N).

На фиг.2 представлен вариант реализации устройства для случая m<N, nkl.

Мощный широкополосный ВЧ и СВЧ-транзистор состоит из диэлектрической подложки 1, на которой расположены электроды: входной 2, нулевого потенциала 3 и коллекторный 4. Транзисторные ячейки 5 непосредственно контактируют своими коллекторными областями с коллекторным электродом. Контактные площадки металлизации первых активных областей 6 и вторых активных областей 7 соединены соответственно с изолированными друг от друга участками 8 первой обкладки и общей для всех ячеек второй обкладкой 9 конденсатора посредством проводников 10. Изолированные участки разной площади первой обкладки и вторая обкладка образуют конденсаторы входных согласующих LC-звеньев отдельных транзисторных ячеек (фиг. 1) или групп транзисторных ячеек (фиг.2). Вторая обкладка конденсатора непосредственно контактирует с электродом нулевого потенциала 3, а изолированные участки первой обкладки соединены проводниками 10 с входным электродом 2. Места присоединения проводников 11, соединяющих участки первой обкладки с входным электродом и металлизацией первых активных областей 6 транзисторных ячеек, могут быть совмещены (фиг.1) или пространственно разнесены (фиг. 2), так что между ними имеется некоторое сопротивление R1 k и индуктивность L1 k.

При включении СВЧ-транзистора в схему каскада усилителя мощности на вход согласующей цепи поступает усиливаемый сигнал. За счет различия индуктивностей Li согласующих LC-звеньев транзисторных ячеек и их активных входных сопротивлений, вызванного взаимоиндукцией контуров, образованных монтажно-соединительными элементами, в полосе рабочих частот транзистора f имеют место потери входной мощности, что приводит к уменьшению коэффициента усиления по мощности КУР и КПД транзистора. Величина P определяется неравномерностью частотной зависимости коэффициента передачи мощности внутренним входным согласующим LC-звеном транзистора КР СЦ (f). В заявляемом устройстве, за счет разделения первой обкладки конденсатора на изолированные участки 8 и выполнения условий (2) на площади участков, к отдельным транзисторным ячейкам или группам ячеек подключены согласующие емкости Сk, повышающие равномерность распределения резонансных частот k LC-звеньев в полосе f. Поскольку увеличение резонансной частоты сопровождается увеличением отношения Rвxlk/Lk, это приводит к тому, что равномерно распределенные в полосе f резонансные максимумы КР СЦ (f), располагаются примерно на одном уровне, близком к единице. За счет этого повышается равномерность КР СЦ (f), следовательно, снижается P, что обеспечивает увеличение КУР и КПД транзистора. Максимальные значения КУР и КПД реализуются в конструкции, показанной на фиг. 1, при m=N, nk=1, когда каждой транзисторной ячейке соответствует согласующее LC-звено, для которого площадь перекрытия обкладок конденсатора С определяется условиями (2).

ЛИТЕРАТУРА 1. Колесников В.Г. и др. Кремниевые планарные транзисторы / Под ред. Я. А. Федотова. - М.: Сов. радио, 1973. - 336 с.

2. Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В. И. Никишин, Б. К. Петров, В.Ф. Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - 144с.

3. Электроника, 1973, 10, С.72-75 - прототип.

4. Петров Б. К., Булгаков О.М., Гуков П.О. Расчет эквивалентных индуктивностей входных цепей мощных СВЧ-транзисторов/ Воронеж, гос. ун-т, Воронеж. 1992. 7 с. - Деп. в ВИНИТИ 28.04.92, 1420 - В92.

5. Булгаков О.М. Потери мощности во входных цепях оконечных каскадов широкополосных мощных СВЧ-транзисторных радиопередатчиков// Радиотехника. - 2000. - 9. - С. 79-82.

Формула изобретения

Мощный широкополосный ВЧ- и СВЧ-транзистор, содержащий диэлектрическую подложку с электродами, на которой размещены транзисторные ячейки и конденсатор, первая обкладка которого соединена N проводниками с первыми активными областями транзисторных ячеек и входным электродом подложки, вторая обкладка конденсатора соединена со вторыми активными областями транзисторных ячеек и электродом нулевого потенциала подложки, а коллекторные области транзисторных ячеек соединены с коллекторным электродом подложки, отличающийся тем, что первая обкладка конденсатора разделена на m изолированных участков, в пределах каждого из которых располагаются n1 контактов проводников, соединяющих участок с первыми активными областями транзисторных ячеек, и соответствующее им количество контактов проводников, соединяющих участок с входным электродом подложки, а площади участков удовлетворяют условию где d и - соответственно толщина и относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика под участком; 0 8,8510-12Ф/м - электрическая постоянная в СИ; fвг, fнг - соответственно верхняя и нижняя границы полосы частот транзистора; k= 1, . . . , m; Li - индуктивность соединения участка и i-й транзисторной ячейки из n, соединенных с данным участком; Lk', Rk' - соответственно индуктивность и сопротивление между контактами проводников, соединяющих k-й участок с транзисторными ячейками, и контактами проводников, соединяющих этот участок с входным электродом, Rвхli - активное входное сопротивление i-ой транзисторной ячейки из n, соединенных с данным участком, причем отношение Rвхlk/Lk является монотонно возрастающей функцией аргумента k.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2