МОЩНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ

       

МОЩНЫЕ ВЫСОКОЧАСТОТНЫЕ ТРАНЗИСТОРЫ


В современной электронике все большую роль иг­рает микроэлектроника, но достаточно большое зна­чение продолжает сохранять полупроводниковая техни­ка, связанная с производством и применением дискрет­ных приборов. Особое положение среди дискретных приборов занимают мощные полупроводниковые прибо­ры и, в частности, мощные транзисторы. Они широко используются в различных электронных системах в качестве элементов управления, регулирования и ста­билизации. Мощные полупроводниковые приборы — ти­ристоры и транзисторы — выступают в роли связующих элементов между электронной системой и исполнитель­ными узлами и механизмами. Управление механически­ми и электромеханическими узлами (реле, электродви­гателями и т. п.) — это только одно из возможных направлений использования мощных транзисторов. Кроме того, они находят применение в многочисленных преобразовательных и усилительных устройствах, в телевизионной технике (в устройствах развертки и источниках питания), в системах зажигания двигателей внутреннего сгорания, в импульсной аппаратуре и др.

Один из наиболее распространенных классов мощ­ных транзисторов — это мощные высокочастотные (ВЧ) приборы. По своим частотным свойствам транзисторы делятся на низкочастотные (с граничной частотой коэф­фициента передачи тока до 3 МГц), высокочастотные (с граничной частотой до 300 МГц) и сверхвысокочастот­ные (с граничной частотой свыше 300 МГц). Мощными транзисторами принято считать приборы, у которых до­пустимая мощность рассеяния превышает 1 Вт. При этом иногда транзисторы с мощностью рассеяния от 1 до 10 Вт называют транзисторами средней мощности, а с более высокой мощностью рассеяния — транзисторами большой мощности.

Основная область применения мощных ВЧ транзи­сторов — связная аппаратура. В этой аппаратуре мощные тразисторы являются основными элементами вы­ходных усилительных каскадов. Их задачей является управление последующими, более мощными каскадами или создание мощного выходного сигнала, подаваемого непосредственно в антенное устройство.


Практически все мощные ВЧ транзисторы в настоя­щее время изготавливаются из кремния. Абсолютное большинство типов серийных мощных кремниевых ВЧ транзисторов — это биполярные приборы, хотя в пос­ледние годы начали создавать и кремниевые мощные полевые ВЧ транзисторы [80]. Полевые ВЧ транзисто­ры обладают рядом существенных преимуществ по рравнению с биполярными приборами, и одно время считалось, что биполярные должны будут полностью уступить свое место полевым транзисторам. Однако по мере того, как появлялись все новые типы мощных биполярных и полевых ВЧ кремниевых транзисторов, обнаружилось, что по сравнению с биполярными ВЧ транзисторами полевые приборы обладают не только достоинствами, но и недостатками. Это дает возмож­ность считать, что в дальнейшем будут развиваться оба направления.

Биполярные транзисторы могут иметь как n-p-n, так и p-n-p структуру, однако свойства исходных полупро­водниковых материалов и особенности технологии изго­товления заставляют отдать предпочтение транзисторам с n-p-n структурой. Поэтому современные биполярные мощные ВЧ кремниевые транзисторы — это практически всегда n-p-n приборы.

В книге рассмотрены параметры, особенности тран­зисторных структур и методы изготовления биполярных кремниевых n-p-n мощных ВЧ транзисторов. Особое внимание уделено вопросам, связанным с их надежно­стью. Это вызвано двумя обстоятельствами. Во-первых, создание приборов рассматриваемого класса стало воз­можным только благодаря жесткой оптимизации тран­зисторной структуры и конструкции транзистора по ряду параметров. В связи с этим заложить в эти прибо­ры значительный запас относительно предельных режи­мов эксплуатации почти никогда не удается. Во-вторых, условия эксплуатации приборов данного класса явля­ются достаточно тяжелыми. Так, например, в реальных устройствах очень велика вероятность кратковременно­го, но весьма значительного рассогласования нагрузки, влекущего за собой превышение допустимых значений токов или напряжений или того и другого одновременно Все это делает понятным ту важную роль, которую иг­рают для мощных ВЧ транзисторов вопросы, связан­ные с их надежностью.



В связи с близостью характеристик двух классов приборов: мощных ВЧ и СВЧ транзисторов — вопросы рассматриваемые в книге, иногда относятся не только к ВЧ, но и к СВЧ приборам. Однако при разработке, конструировании и применении мощных СВЧ транзис­торов возникает ряд специфических проблем, которые в данной книге не рассматриваются.

Мы надеемся, что данная книга представит интерес как для разработчиков транзисторов, так и для специа­листов, применяющих их в РЭА. Главы 1, 2 и 4 напи­саны Е. 3. Мазелем, гл. 3 — И. И. Кагановой и А. И. Миркиным, гл. 5 — Ю. В. Завражновым. Общее редактирование книги осуществил Е. 3. Мазель. Авто­ры выражают благодарность профессору доктору техн. наук Я. А. Федотову, взявшему на себя труд по рецен­зированию книги и сделавшему ряд ценных замечаний.

Авторы будут признательны за критические замеча­ния и предложения, которые следует направлять по ад­ресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693, издательства «Радио и связь».

Авторы



ГЛАВА ПЕРВАЯ

 

ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ МОЩНЫХ ВЧ ТРАНЗИСТОРОВ

 

1.1. ПАРАМЕТРЫ

Особенности структуры мощных ВЧ транзисторов (т. е. размеры и форма различных областей этой струк­туры, а также электрофизические характеристики этих областей) определяются требованиями к их парамет­рам.

Прежде всего от мощного ВЧ транзистора требует­ся, чтобы на рабочей частоте или в диапазоне рабочих частот он мог отдавать в нагрузку достаточно большую мощность. Для этого необходимо, чтобы транзистор мог пропускать большие токи и чтобы на нагрузке обеспе­чивался большой перепад напряжений. В ВЧ усилите­лях, например, перепад напряжений на нагрузке опре­деляется напряжением источника питания. В усилите­лях класса В или АВ он примерно равен удвоенному напряжению питания. Если падение напряжения на от­крытом транзисторе велико, перепад напряжений на нагрузке заметно уменьшится. Напряжение источника питания в ВЧ усилителях, как правило, стандартизова­но: 12,5 В — для питания портативной аппаратуры, от автомобильных источников питания, 27 В — для борто­вой сети самолетов, некоторых видов стационарной ап­паратуры и 50 В — в основном для стационарной аппа­ратуры.


Эти значения определяют допустимые напря­жения коллектор — эмиттер UкэR мощных ВЧ транзисторов. Так, для транзисторов, питающихся на­пряжением 12,5 В (с учетом возможных перегрузок), допустимое напряжение uksr может быть не более 30 — 40 В, для транзисторов, работающих при напряжениях питания 27 и 50 В, UкэR соответственно должно составлять 65 — 75 В и не менее НО — 120 В.

Если важно получить максимально возможную мощ­ность, отдаваемую транзистором в нагрузку, то для этого необходимо увеличивать максимальный рабочий ток. Увеличивать напряжение питания нежелательно в связи с тем, что переход к более высоковольтным транзисторам вызовет непропорционально резкое ухуд­шение других характеристик приборов.

Для транзисторов, работающих в ВЧ аппаратуре, коэффициент полезного действия (КПД) — отношение выходной мощности транзистора к мощности, потребляе­мой от источника коллекторного питания — ограничен и составляет от 30 — 35 (в недонапряженном режиме) до 70 — 75 % (в перенапряженном режиме). Значение КПД зависит и от свойств транзистора, и от схемы включения. Для различных схем включения КПД не может превосходить некоторого определенного значения (например, для усилителей класса В в критическом ре­жиме он не превосходит 78 %).

Ограничение по КПД является причиной того, что максимальная выходная мощность транзистора может ограничиваться не только максимально допустимыми значениями рабочего тока транзистора и перепада на­пряжений на нагрузке, но и максимально допустимой мощностью рассеяния. Если nктах — максимально до­стижимое значение КПД коллектора, а Рктах — макси­мально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора, то nКmах==Рвыхmах/Рпотр==Рвых max/ (Рктах + +Рвыхmах). Здесь Рпотр — потребляемая мощность, а Рвыхтах — максимальная мощность, отдаваемая в на­грузку. Отсюда

P вых max — РК maxnK max/ (1 — nKmax).                                 (1.1)

Величина Рктах, если она не ограничивается мак­симально допустимым током и напряжением, связана с двумя тепловыми характеристиками транзистора: максимально допустимой температурой коллекторного перехода и внутренним тепловым сопротивлением меж­ду переходом и корпусом.


Максимально допустимая температура коллекторного перехода Ттах — температу­ра, при которой транзистор может работать без ухуд­шения характеристик достаточно долго, не меньше, например, гарантийного времени минимальной наработ­ки на отказ для данного конкретного типа приборов. Внутреннее тепловое сопротивление между переходом и корпусом прибора Rтп,к — это отношение разности тем­ператур между коллекторным переходом и теплоотво-дящей плоскостью корпуса транзистора (в градусах Цельсия) к мощности, рассеиваемой на транзисторе в установившемся режиме. Между мощностью Ркmах, соответствующей определенному значению температуры корпуса Тк прибора, максимально допустимой темпера­турой перехода и внутренним тепловым сопротивлением существует связь:

PКmах= (Ттах — TK)/RTп,к.                    (1.2)

Выражение (1.2) справедливо при предположении, что Rтп, к — величина постоянная. В действительности теп­ловое сопротивление зависит от режима работы и, в частности, с увеличением мощности рассеивания тепловое сопротивление растет.

Для различных типов кремниевых транзисторов Tmах = 150 — 200 °С. Так как значение Ттах не может быть сделано более высоким, для увеличения Рктах, а также для того, чтобы транзистор мог работать при до­статочно высоких температурах на корпусе, следует стремиться к уменьшению Rтп,к.

Как следует из (1.1), для увеличения отдаваемой мощности следует стремиться к увеличению максималь­но допустимой мощности рассеяния, а также к увели­чению КПД. На практике КПД всегда ниже теорети­ческого максимально достижимого значения. На зна­чение КПД влияет сопротивление насыщения Rнас. В транзисторах, у которых область насыщения выра­жена не очень резко, правильнее говорить о напряже­нии насыщения Uкэ нас или о падении напряжения на открытом транзисторе (рис. 1.1). Пусть при работе транзистора напряжение на коллекторе при увеличении тока до I1 уменьшается от значения U3 до U2, тогда можно считать, что падение напряжения на открытом транзисторе U2 совпадает с напряжением насыщения Uкэнас ==U1, если при увеличении тока базы дальнейшего уменьшения напряжения на транзисторе не проис­ходит.


Однако в общем случае эти напряжения на открытом транзисторе могут не совпадать. Из рис. 1.1 видно, что с увеличением параметра Uкэнас (или с рос­том сопротивления насыщения Rнас = UКЭнас/I1) растут бесполезные потери мощности в транзисторе и, следо­вательно, падает КПД.

Статический коэффициент передачи тока А21Э — от­ношение постоянного тока коллектора к постоянному току базы при заданных обратном напряжении коллек­тор — эмиттер и токе эмиттера в схеме ОЭ — в мощных ВЧ транзисторах не должен иметь особенно больших значений. Приборы этого класса работают на частотах,, составляющих заметную долю от граничной частоты frp. Это означает, что на верхней границе рабочего диа­пазона частот коэффициент передачи тока не будет превосходить по модулю несколько единиц. Таким об­разом, достаточно, чтобы статический коэффициент пе­редачи тока был равен 20 — 30. Практически для мощ­ных ВЧ транзисторов Н21Э может достигать значений 80 — 100, но надо стремиться к тому, чтобы не допус­кать более высоких значений, так как это может при­вести к уменьшению области безопасной работы. (При высоких значениях А21Э падает устойчивость транзисто­ров ко вторичному пробою, и в результате этого может уменьшиться область их безопасной работы.)

Мощные ВЧ транзисторы должны отдавать в на­грузку достаточно большую мощность во всем рабочем диапазоне частот. Это означает, во-первых, что прибор должен пропускать большие рабочие токи не только на низких, но и на высоких частотах, и, во-вторых, что усиление по мощности на верхней границе рабочего диапазона частот должно быть достаточно большим.



Рис. 1.1. Семейство выход­ных характеристик мощно­го ВЧ транзистора в схеме ОЭ

Первое условие связано с тем, что напряжение насыщения мощного ВЧ транзистора может на высоких частотах весьма значительно превосходить напряжение насыщения на постоянном токе. В результате может возникнуть положение, при котором транзистор будет способен пропустить большой ток на низкой частоте, а на высоких частотах его напряжение насыщения будет столь большим, что произведение этого напряжения на соответствующий ему ток превысит значение макси­мально допустимой рассеиваемой мощности коллектора.


Следовательно, и на высоких частотах напряжение на­сыщения транзисторов должно быть достаточно малым. Из второго условия следуют требования к целому ряду параметров мощных ВЧ транзисторов. Восполь­зуемся каким-либо из выражений для коэффициента усиления по мощности транзистора на высокой частоте. (Здесь не играет особой роли, какое из них мы выбе­рем, так как нас интересует лишь качественный харак­тер зависимостей.) Возьмем, например, выражение для Кур из [1]:

                               (1.3)

Здесь со — рабочая частота; wгр = 2пfгр (fгр — гранич­ная частота); RH — сопротивление нагрузки; rб — сопро­тивление базы; Ск — емкость коллекторного перехода; L3 — индуктивность эмиттерного вывода; Ск.а — емкость той части коллектора, через которую протекает ток из эмиттера. Это выражение выведено для условия малого сигнала. Поэтому оно может давать лишь качествен­ное представление о том, как надо менять входящие в него величины, чтобы увеличить Кур. Выражением (1.3) нельзя пользоваться для количественного опреде­ления Kур для больших сигналов.

Из (1.3) следует, что для повышения усиления мощ­ности нужно увеличивать граничную частоту fгр и уменьшать емкость коллекторного перехода, сопротив­ление базы и индуктивность эмиттерного вывода. Кро­ме того, для повышения Кур целесообразно увеличивать сопротивление нагрузки. Последнее означает, что для улучшения усилительных характеристик мощных ВЧ транзисторов нужно работать на более высоких напря­жениях. Однако повышение рабочего напряжения ведет к непропорционально резкому ухудшению таких па­раметров, как максимальный ток, сопротивление насыщения и КПД. Поэтому повышать рабочее напряжение для увеличения Кур можно, когда все остальные воз­можности использованы.

К ВЧ транзисторам, предназначенным для связной аппаратуры (это в основном линейные широкополос­ные усилители, работающие в режиме одной боковой полосы [25]), предъявляются дополнительные требо­вания. Так, следует максимально возможно уменьшать емкость коллектора и индуктивность эмиттерного вы­вода мощных ВЧ транзисторов.


Кроме того, транзисто­ ры должны обладать высокой линейностью. Линейность принято оценивать двухчастотным методом. В соответ­ствии с этим методом на вход транзистора подаются два сигнала одинаковой амплитуды с близкими часто­тами, w1 и w2, а на выходе определяется отношение амплитуд комбинационных составляющих третьего и пятого порядков (т. е. сигналов с частотами 2w1 — w2, 2w2 — w1, 3w1 — 2w2, Зw2 — 2w1) к амплитуде основных сигналов. Очевидно, что для идеальной линейной систе­мы комбинационные составляющие равны нулю. В мощных ВЧ транзисторах для связной аппаратуры, обладающих достаточно высокой линейностью, амплиту­да комбинационных составляющих третьего и пятого порядков, по крайней мере, в 25 — 30 раз меньше, чем амплитуда основных сигналов (ослабление этих состав­ляющих составляет не менее 27 — 30 дБ).

В мощных транзисторах, работающих в усилителях класса А, при достаточно малых значениях мощности сигнал на выходе будет обладать высокой линейностью. С ростом выходной мощности линейность будет ухуд­шаться. В усилителях класса В или АВ при условии обеспечения высоких КПД получить на выходе сигнал с высокой линейностью весьма трудно. В настоящее время не существует теории, которая позволила бы точ­но связать линейность выходного сигнала со значениями других параметров мощных ВЧ транзисторов, однако можно высказать качественные соображения о том, ка­кой характер должна иметь эта связь.

Прежде всего транзистор должен обладать высокой линейностью на низких частотах (без этого невозмож­но обеспечить линейность на высоких частотах). Для этого статический коэффициент передачи тока h21Э дол­жен мало меняться во всем диапазоне рабочих токов и напряжений. Как правило, это требование труднее всего выполнить в области малых напряжений и больших токов. Желательно в этом случае, чтобы во всем диапазоне рабочих токов транзистор входил в насыще­ние достаточно резко. Для иллюстрации этого на рис. 1.2 показаны выходные статические характеристики двух транзисторов с резким и постепенным входом в насыщение.


Вообще говоря, на меньших токах у тран­зистора с постепенным входом в насыщение вход в на­сыщение также достаточно резкий. Поэтому в ряде случаев требование о резком входе в насыщение может быть переформулировано как требование о значитель­ном увеличении запаса по рабочим токам. Далее сла­бая зависимость статического коэффициента передачи тока от режима в области высоких напряжений может быть обеспечена только тогда, когда в диапазоне рабо­чих напряжений еще достаточно близок к единице ко-эффициент умножения коллектора. А это значит, что рабочие напряжения должны быть далеки от пробив­ного напряжения коллекторного перехода и от так на­зываемого граничного напряжения.



Рис. 1.2. Выходные характеристики транзисторов с резким (а) и постепенным (б) входом в насыщение

Кроме того, в транзисторах для линейных устройств следует стремиться максимально уменьшать значения ряда величин, которые могут быть источниками возни­кновения нелинейности: на входе транзистора такую роль может играть емкость эмиттерного перехода, а на выходе — коллекторного. Источником нелинейности на входе является и сама входная характеристика эмит­терного перехода. Для устранения нелинейности по вхо­ду приходится использовать режимы со смещением по постоянному току (т. е. переходить от класса В к классу АВ), а также вводить в эмиттерную цепь резисторы, позволяющие дополнительно линеаризовать входную характеристику.

Так как речь идет об обеспечении линейности ВЧ сигнала, следует стремиться к тому, чтобы и на высоких частотах коэффициент передачи тока слабо зависел от режима работы. Для выполнения этого требования нужно стремиться обеспечить максимально возможный критический ток. Под критическим током транзистора понимают значение тока коллектора, при достижении которого значение frp(|h2l3|) падает на 3 дБ (по отно­шению к его максимальному значению при заданном напряжении коллектор — эмиттер).

Таким образом, при конструировании мощных ВЧ транзисторов следует стремиться к обеспечению макси­мально возможного значения ряда параметров (выход­ной мощности, рабочего тока, максимально допустимой мощности рассеяния, критического тока, КПД, гранич­ной частоты, коэффициента усиления по мощности) и минимально возможных значений других параметров (напряжения насыщения, теплового сопротивления, ем­костей коллекторного и эмиттерного переходов, индук­тивности эмиттерного вывода, комбинационных состав­ляющих).


Ряд параметров (например, рабочее напря­жение, максимально допустимое напряжение коллек­тор — база, статический коэффициент передачи тока) должен иметь некоторые оптимальные значения, опреде­ляемые требованиями к остальным характеристикам транзисторов. Оказывается, что требования к перечис­ленным параметрам находятся в противоречии друг с другом, и при создании мощных ВЧ транзисторов приходится проводить их оптимизацию.

1.2. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЕЙ ТРАНЗИСТОРНОЙ СТРУКТУРЫ

Для обеспечения необходимых требований к пара­метрам мощных ВЧ транзисторов приходится в первую очередь соответствующим образом выбирать электро­физические характеристики, а также размеры и форму коллекторной, базовой и эмиттерной областей транзи­сторной структуры.

Под электрофизическими характеристиками различ­ных областей полупроводникового кристалла, в котором создана биполярная транзисторная структура, понима­ют тип проводимости, удельное сопротивление, подвиж-ность и время жизни неосновных носителей заряда. Эти свойства определяются концентрацией и законом рас­пределения примесей, легирующих полупроводник, а также степенью совершенства полупроводникового кристалла (т. е. отсутствием или наличием дефектов кристаллической структуры и их характером).

Современные биполярные мощные ВЧ транзисторы — это в основном приборы с n-p-n структурой. Одна иа причин этого заключается в том, что оптимальное соот­ношение между концентрациями примесей, легирую­щих эмиттерную, базовую и коллекторную области и необходимые свойства исходного полупроводникового материала, могут быть проще заданы для исходного ма­териала с проводимостью типа п и для структур n-p-n, В структурах n-p-n легче обеспечить более высокие час­тотные свойства, так как неосновные носители в базе — -электроны — будут обладать более высокими значения­ми коэффициента диффузии и подвижностью, чем дыр­ки, являющиеся неосновными носителями в базе структур p-n-p.



Мощные ВЧ n-p-n транзисторы изготовляют мето­дом односторонней диффузии. В пластину исходного полупроводникового материала типа п, образующего впоследствии в транзисторной структуре тело коллекто­ра, через одну из поверхностей вводят с помощью вы­сокотемпературной диффузии акцепторные примеси, образующие у поверхности слой дырочного типа прово­димости. Граница между этим слоем и исходным ма­териалом представляет собой коллекторный р-п пере­ход. Затем через ту же поверхность осуществляется диффузия примесей типа п, компенсирующих в какой-то части структуры дырочную область и образующих эмиттерный слой п. Граница между этим слоем п и созданным до этого слоем р представляет собой эмит­терный р-п переход. В результате создается транзистор­ная n-p-n структура. Примеси типов пир вводятся не через всю поверхность пластины, а локально. В принци­пе для введения примесей можно использовать ионное легирование с последующим диффузионным перерас­пределением. Изменение концентрации легирующих примесей по направле­нию вглубь от поверх­ности полупроводнико­вой пластины после введения примесей ти­пов р и п имеет вид, показанный на рис. 1.3. Область типа п, расположенная у поверхности пластины, — это эмиттерная область. Лежащая под ней область типа р — базовая, а расположенная под ней область типа п, в которой в основном сохраняется исходная концентра­ция примесей, — это коллекторная область.



Рис. 1.3. Распределение примесей в транзисторной структуре, полученной ме­тодом односторонней диф­фузии

Структуры практически всех мощных ВЧ транзисто­ров — это планарные структуры, в которых границы коллекторного и эмиттерного переходов выходят на од­ну и ту же предварительно подготовленную плоскую поверхность полупроводниковой пластины. На рис. 1.4 изображено поперечное сечение планарной транзистор­ной структуры, позволяющее представить себе взаим­ное расположение ее различных областей. Защитные(маскирующие) слои 4 — 6 — это, как правило, пленки двуокиси кремния, полученные при термическом окис­лении.


Невыпрямляющие контакты 7 — 9 создаются обычно напылением какого-либо металла, металличес­ кого сплава или последовательных слоев различных ме­таллов или сплавов.



Рис. 1.4. Поперечное сечение планарной транзисторной структуры: 1 — исходная полупроводниковая пластина типа п (коллектор); 2 — область, в которую проводится диффузия примесей типа р (У — активная базовая об­ласть, 2" — пассивная, служащая для соединения с базовым невыпрямляющим контактом); 3 — область, в которую проводится диффузия примесей типа п (эмиттер); 4 — защитный слой, маскирующий часть исходной пластины от диффузии примесей типа р; 5 — защитный слой, маскирующий часть области типа р от диффузии доноров; б — защитный слой, покрывающий ту часть эмиттера, которая не граничит с невыпрямляющим эмиттерным контактом; 7 — невыпрямляющий эмиттерный контакт; 8 — невыпрямляющий базовый контакт; 9 — невыпрямляющий коллекторный контакт

 Рассмотрим требования, предъявляемые к концен­трации и характеру распределения легирующих приме­сей в полученной методом односторонней диффузии планарной структуре мощного ВЧ транзистора. Из спо­соба создания легированных областей п и р в структу­ре видно, что область типа р может быть воспроизво­димо получена, если концентрация акцепторов в ней во много раз превосходит концентрацию доноров в исход­ном материале, а область типа п должна иметь концен­трацию доноров, во много раз превосходящую концен­трацию акцепторов в области типа р (в противном случае создание этих областей путем диффузии или даже более точного метода — ионного легирования — было бы практически невозможно). Содержание приме­сей в этих областях определяет их функциональную роль. Исходная область типа n, легированная наиболее слабо, выполняет роль коллектора, так как ее высокое удельное сопротивление позволит получить требуемые сравнительно высокие значения пробивного напряжения коллектора. Более низкое удельное сопротивление об­ласти типа р обеспечит такое положение, когда при по­даче на коллекторный р-п переход запирающего напря­жения пространственный заряд будет расширяться в основном в сторону коллектора и лишь незначительно в сторону базы.


Такая ситуация даже при очень тон­ких базовых слоях, необходимых для получения высо­ких граничных частот, предохранит транзистор от яв­ления прокола, при котором пространственный заряд коллекторного р-п перехода проходит через всю базо­вую область и достигает эмиттерного перехода, после чего транзистор перестает быть работоспособным. По­степенное уменьшение суммарной концентрации леги­рующей примеси практически во всей базовой области по направлению к слаболегированной коллекторной об­ласти создает в базе дополнительное электрическое поле, ускоряющее движение неосновных носителей к этой слабо легированной области. Такое положение способствует улучшению частотных свойств приборов.

Расположенную у поверхности область типа п, по­лученную путем диффузии доноров, целесообразно вы­брать в качестве эмиттера, так как высокая концентра­ция доноров в эмиттере (по сравнению с концентрацией акцепторов в базе) необходима для получения высокого коэффициента инжекции электронов в базу. Высокий коэффициент инжекции позволит получить достаточно высокий статический коэффициент передачи тока.

Если предположить, что эмиттерная и базовая при­меси (см. рис. 1. 3) распределены в транзисторной структуре по экспоненциальному закону (на самом де­ле такое предположение неверно, но истинный закон распределения этих примесей не слишком сильно отли­чается от экспоненциального), то связь коэффициента инжекции эмиттера у с электрофизическими характе­ристиками этих областей будет иметь вид Г2]

        (1.4)

Коэффициент инжекции эмиттера представляет собой отношение тока, инжектируемого из эмиттера в базу 1п(хэ) к общему току, протекающему через эмиттерный переход [1р(х3)+1п(хэ)]. Величина Dn(x3 тах) — коэф­фициент диффузии электронов в базе в точке с макси­мальным суммарным содержанием легирующих приме­сей; тр — время жизни дырок в эмиттере у эмиттерного перехода, a La, La — характеристические длины в рас­пределении доноров и акцепторов, определяемые из условий:



Nd (хэ) =Wdoexp ( — x3/Ld) ,

Na (хэ) =ЛГа0ехр ( — x5/Lu) ,                                              ( 1 .5)

где хэ — глубина эмиттерного перехода; Ndo и Nao — концентрации доноров и акцепторов на поверхности структуры.

Если распределения эмиттерной и базовой легирую­ щих примесей экспоненциальны, то длины Ld и La по­стоянны для всей структуры. Если же эти распределе­ния можно считать экспоненциальными только вблизи от перехода эмиттера, то выражения (1.5) несколько изменяются и Ld и Ьа будут характеризовать распреде­ление примесей только вблизи перехода. Очевидно, что La>Ld и что для того, чтобы коэффициент инжекции у был как можно ближе к единице, необходимо, чтобы Ld и La были по возможности малы. Из (1.5) видно, что чем меньше величины Ld и La, тем круче распреде­ления эмиттерной и базовой примесей.

Чтобы эти распределения были более крутыми, не­обходимо уменьшать глубины эмиттерного и коллектор­ного переходов и увеличивать поверхностную концент­рацию эмиттерной и базовой легирующих примесей.

Поверхностная концентрация эмиттерной легирую­щей примеси должна быть по возможности ближе к предельно достижимой концентрации в кремнии. Для фосфора она составляет (0,5-1) *1021 ат/см2. При та­кой поверхностной концентрации вначале проникнове­ние в кремний идет с очень высоким коэффициентом диффузии, а затем он резко уменьшается (в 10 — 30 раз). В результате концентрация примеси вначале уменьшается вглубь от поверхности очень медленно, а затем спадает особенно резко.

Концентрация базовой легирующей примеси (как правило, это бор), как следует из выражений (1.4) и (1.5), должна быть по возможности более высокой. Однако на практике этот вывод не подтверждается. Выражение (1.4), по-видимому, является не совсем верным. Так, для отношения 1р(хэ)/1п(Хэ) были полу­чены выражения, в которых эта величина была пропор­циональна:

|Iр(Xэ)/In(Xэ) | ~ (ббW/(бэLрэ),                                 (1.6)

где 0б, оэ — усредненные проводимости базовой и эмит­терной области; W — толщина базовой области; LP3 — диффузионная длина дырок в эмиттере у эмиттерного перехода.


Согласно (1.6) коэффициент инжекции тем больше, чем меньше проводимость базовой области, т. е. чем меньше концентрация примесей в базе. Поэто­му если нужно получить по возможности более высокий коэффициент передачи тока (в ВЧ транзисторах потери на рекомбинацию в базе не имеют существенного значе­ния и определяющую роль для коэффициента переда­чи тока играет коэффициент инжекции эмиттера), то следует стремиться к уменьшению содержания приме­сей в базовой области, т. е. к уменьшению поверхност­ной концентрации базовой примеси. Однако для мощ­ных ВЧ транзисторов особо большие значения статиче­ского коэффициента передачи тока не являются необходимыми. По ряду причин следует стремиться не к уменьшению, а к увеличению содержания примесей в базе. Среди этих причин следует отметить необходи­мость уменьшения сопротивления активной базы умень­шения эффекта оттеснения тока к краю эмиттера и снижения вероятности прокола базы. Поэтому для мощ­ных ВЧ транзисторов поверхностная концентрация ба­зовой примеси является характеристикой которая должна быть оптимизирована. На практике для разных типов приборов данного класса поверхностная концен­трация базовой примеси (бора) составляет от 2*1018 до 1019 ат/см3.

Говоря о требованиях к концентрации легирующих примесей в области коллектора (т. е. в исходном мате­риале), надо прежде всего учитывать, что свойства коллекторной области определяют пробивное напряже­ние коллекторного перехода транзистора: чем меньше концентрация легирующих примесей в коллекторе тем выше будет пробивное напряжение. В то же время с уменьшением содержания легирующих примесей в коллекторе увеличивается его удельное сопротивление и, следовательно, увеличивается падение напряжения на открытом транзисторе. При этом надо учитывать то обстоятельство, что с увеличением удельного сопротив­ления коллектора падение напряжения на открытом приборе возрастает примерно по линейному закону, а пробивное напряжение растет значительно медленнее.


С этим в первую очередь и связано то, что в мощных ВЧ транзисторах напряжение источника питания и за­висящее от него пробивное напряжение коллекторного перехода выбираются не слишком высокими. (Для про­бивного напряжения — это напряжение от 35 — 45 до 110 — 120 В.)

Концентрация примесей в коллекторной области мощных ВЧ транзисторов вблизи от коллекторного р-п перехода должна составлять для разных типов прибо­ров от 1015 до 5*1015 доноров/см3.

Рассмотрим другие электрофизические характери­стики.

Время жизни неосновных носителей заряда в эмит­терной области в связи с высокой концентрацией леги­рующей примеси (и, следовательно, диффузионная дли­на) настолько мало, что инжекция тока из эмиттера в базу в ряде случаев определяется не всей толщей эмиттерной области, а лишь ее узким слоем, непосред­ственно примыкающим к переходу эмиттер — база. Практически нет никаких способов как-нибудь регули­ровать или менять время жизни в эмиттере.

Время жизни неосновных носителей в базе также до­вольно мало (около 10~7 с). Таким значениям времени жизни соответствуют диффузионные длины в несколько микрометров (до 10). Однако, так как базовая область в мощных ВЧ транзисторах достаточно тонкая и рас­пределение примесей в базовой области таково, что к диффузии неосновных носителей заряда через базу в значительной степени добавляется дрейф, потери на перенос заряда весьма малы и приведенное значение времени жизни оказывается вполне достаточным.

Для НЧ транзисторов время жизни неосновных но­сителей заряда в коллекторе должно иметь как можно более высокое значение. Дело в том, что на участках выходных вольт-амперных характеристик, близких к об­ласти насыщения, переход коллектор — база может на­ходиться под прямым смещением. В коллектор из базы инжектируются неосновные носители заряда, которые вызовут модуляцию, т. е. резкое увеличение проводимо­сти коллекторной области. При этом сопротивление насыщения транзистора существенно снизится, а это обстоятельство для мощных транзисторов является очень важным.



В ВЧ транзисторах даже на частоте около 1 МГц время пребывания транзистора в открытом состоянии не превышает ~0,1 мкс. За это время в коллекторной области типа п, смещенной в прямом направлении, не­основные носители заряда (дырки) пройдут расстояние l~VDt, где D — коэффициент диффузии дырок, ко­торый для кремния не превышает 12 см2/с. Таким об­разом, l в этом случае будет составлять 10 мкм. Для наиболее высоковольтных мощных ВЧ транзисторов тол­щина высокоомной коллекторной области не может быть меньше, чем 20 — 25 мкм. Поэтому даже на часто­тах около 1 МГц в этих приборах высокоомная коллек­торная область будет модулирована не более чем на 40 — 50%. На более высоких частотах (десятки и сотни мегагерц) модуляция коллектора практически проис­ходить не будет. (Это обстоятельство является, по-ви­димому, основной причиной того, что сопротивление насыщения ВЧ транзистора на высоких частотах суще­ственно выше, чем на постоянном токе.)

Время жизни в высокоомной коллекторной области ,при не слишком высокой плотности дефектов будет со­ставлять, по крайней мере, несколько микросекунд, и поэтому оно не будет ограничивать модуляцию коллек­тора.

Итак, для мощных ВЧ транзисторов нет необходи­мости целенаправленно изменять время жизни неоснов­ных носителей заряда т в различных областях тран­зисторной структуры.

Подвижность носителей заряда в различных областях транзисторной структуры определяется в первую оче­редь концентрацией легирующих примесей, и если эта -концентрация в какой-либо области задана, то и зна-яение подвижности практически также определено. Поэтому хотя, например, желательно увеличивать под­вижность носителей в базовой области транзистора, но «сделать это, не меняя в ней концентрации примесей, нельзя.

Мы рассмотрели требования к концентрациям леги­рующих примесей и к их распределению для различ­ных областей структуры мощных ВЧ транзисторов, основанные на требованиях к пробивному напряжению коллектора, статическому коэффициенту передачи тока, -напряжению прокола и сопротивлению насыщения.


Ес­ли исходить из требований к другим параметрам тран­зисторов, то в одних случаях можно получить качест­венно те же требования к электрофизическим характе­ристикам транзисторной структуры, а в других — требования могли бы оказаться противоположными. Так, вывод о том, что градиент распределения легирую­щих примесей вблизи от эмиттерного перехода должен быть максимально большим, противоречит требованию об уменьшении емкости эмиттера. Требование об умень­шении удельного сопротивления коллекторной области, необходимое для снижения сопротивления насыщения, противоречит стремлению к уменьшению емкости кол­лектора. В то же время уменьшение удельного сопро­тивления коллектора не только снижает сопротивление насыщения транзистора, но и позволяет повысить его рабочий ток. Увеличение концентрации легирующей примеси в базе не только позволяет повысить напря­жение прокола, но и уменьшает входное сопротивление прибора и способствует увеличению его рабочего тока. В то же время чрезмерно большое увеличение этой концентрации влечет за собой уменьшение статического коэффициента передачи тока до недопустимо низких значений.

Правильный выбор электрофизических характерис­тик разных областей транзисторной структуры может быть сделан только в результате оптимизации, проводи­мой на основе конкретных требований к параметрам мощных ВЧ транзисторов.

1.3. ВЫБОР РАЗМЕРОВ И ФОРМЫ РАЗЛИЧНЫХ ОБЛАСТЕЙ

ТРАНЗИСТОРНОЙ СТРУКТУРЫ.

ТИПЫ СТРУКТУР

Требования к параметрам мощных ВЧ транзис­торов определяют размеры и форму различных облас­тей их структуры.

Было установлено, что коэффициент инжекции эмит­тера и, следовательно, статический коэффициент пере­дачи тока транзисторов с ростом плотности тока сни­жаются из-за того, что плотность подвижных носителей в базовой области при увеличении плотности тока рас­тет и поэтому увеличивается ее проводимость. Увели­чение проводимости базы может быть очень большим. В результате, как это следует из (1.6), коэффициент инжекции эмиттера может снизиться до значения, на­много меньшего, чем единица [В работе [4] показано, что в пределе коэффициент инжекции может снизиться до 1/(1+мn/мр) (мn — подвижность электронов, а мр — подвижность дырок)].


При этом статический коэффициент передачи тока снизится до недопустимо малых значений. Вопросу уменьшения коэффициента инжекции у при увеличении плотности тока посвящен ряд работ, в которых получены различные выражения, уточняющие связь у с плотностью тока, но качествен­ный вывод всегда остается в силе. Вывод этот заклю­чается в том, что для увеличения предельного рабочего тока (если под предельным рабочим током понимать то его значение, при котором статический коэффициент передачи тока сохраняет определенное заданное значе­ние) следует увеличивать площадь эмиттера.

С увеличением плотности тока эмиттер перестает инжектировать носители в базу равномерно по всей площади. Так как базовый ток, проходящий под эмиттером параллельно его границе, создает определенное паде­ние напряжения в базе, открывающая эмиттерный пе­реход разность потенциалов оказывается максимальной у периферии и может сильно уменьшаться с удалением от края эмиттера. В соответствии с этим плотность тока, инжектируемого в базу, оказывается максималь­ной по периметру эмиттера и может резко уменьшаться под его центральными участками. С ростом средней плотности тока этот эффект оттеснения тока к краю эмиттера становится все более резким и может насту­пить момент, когда в эмиттере будет работать только узкая полоса, расположенная у его краев. Обратим внимание на то, что с уменьшением коэффициента пе­редачи тока растет базовый ток (при определенном токе эмиттера) и соответственно резче начинает па­дать открывающий потенциал на эмиттерном переходе при удалении от края эмиттера. Коэффициент переда­чи тока уменьшается с ростом частоты. Поэтому на вы­соких частотах эффект оттеснения тока выражен силь­нее.

В связи с большим значением этого эффекта утверж­дение о том, что для увеличения рабочего тока следу­ет увеличивать площадь эмиттера, приходится заменить выводом, согласно которому для увеличения рабочего тока следует увеличивать периметр эмиттера, не меняя его площади.


Лишь когда это увеличение само по себе перестает давать эффект или становится технологиче­ски невозможным, периметр эмиттера надо увеличивать, увеличивая одновременно и его площадь. Практически этот вывод привел к тому, что одной из основных тен­денций конструирования транзисторов стало стремле­ние получать структуры с максимально возможным отношением периметра эмиттера к площади, причем для мощных ВЧ транзисторов это стремление было выраже­но особенно сильно.

Для мощных транзисторов, рассчитанных на рабо­чие частоты до 1 — 2 МГц, наиболее часто используют­ся эмиттеры с так называемой гребенчатой структурой. Иногда [5] такое решение используется и в более вы­сокочастотных транзисторах. При увеличении тока и рабочей частоты гребенчатая структура из-за ряда при­чин (в частности, в связи со снижением устойчивости ко вторичному пробою) начинает терять свои преимущества. Поэтому для мощных ВЧ транзисторов исполь­зуют структуры других типов. Как правило, эти структуры характеризуются более высоким отношени­ем периметра эмиттера к площади. Эти транзисторы с так называемой overlay (анг. «перекрывать»)-струк­турой [6]. Эта планарная структура характерна тем, что в базовой области создается не один эмиттер со сложной формой, а большое число простых по форме (квадратных) эмиттеров, образующих прямоугольную матрицу. Расстояние между соседними эмиттерами в этой структуре меньше, чем размер отдельного эмит­тера. Поэтому если рассматривать overlay-структуру с квадратными эмиттерами как гребенчатую, зубцы которой разрезаны на квадратные области, то можно считать, что в пределе overlay-структура по сравнению с гребенчатой позволяет удвоить отношение периметра эмиттера и его площади. В транзисторах с такой струк­турой базовый контакт создается так же, как и в тран­зисторах с гребенчатой структурой. Что же касается эмиттерных контактов, то они создаются к каждому эмиттеру через отверстие в покрывающей его защит­ной диэлектрической пленке, а затем все контакты объ­единяются общей металлизацией, расположенной на диэлектрической пленке и имеющей, как и в приборах с гребенчатым эмиттером, форму гребенки.


Однако ме­ таллизированная гребенка не везде располагается над эмиттером, а в промежутках между отдельными эмит­терами она лежит над базовой областью, перекрывая ее. Этим и объясняется название «overlay-транзистор».

Существуют также «overlay»-тpaнзисторы с эмитте­рами, имеющими не квадратную, а кольцевую форму (рис. 1.5).

Были разработаны также транзисторные структуры,, представляющие собой как бы обращение overlay-структуры: в них эмиттер имел форму сетки, а базовые контакты находились в ячейках сетки и образовывали матрицу. Так как ячейки могли иметь меньшие разме­ры, чем эмиттерные области в overlay-структуре, то транзисторы с сетчатым эмиттером характеризовались еще большим отношением периметра эмиттера к пло­щади структуры (за счет увеличения числа ячеек).



Рис. 1.5. Мощный высокочастотный overlay-транзистор

Однако наибольшее распространение получили мно-гоэмиттерные структуры, в которых каждый эмиттер имел форму длинной полоски. Эти структуры напомияают структуры с гребенчатым эмиттером, но отлича­ются тем, что в них отсутствует общая эмиттерная об­ласть, соединяющая отдельные полоски — зубцы. Преи­мущество многоэмиттерной структуры с полосковыми эмиттерами по сравнению с обычной гребенчатой за­ключается в том, что, исключив общую эмиттерную об­ласть, можно было бы резко уменьшить площадь эмиттерного и коллекторного переходов и в результате улучшить высокочастотные параметры транзисторов. Надо, однако, иметь в виду, что полностью избавиться от области, объединяющей эмиттеры, нельзя. Ее роль переходит к общей части металлической гребенки, через которую подводится ток к отдельным эмиттерам. Эта общая часть располагалась вне эмиттерных и базовой областей, над областью коллектора. Необходимо учиты­вать, что между базовой и эмиттерной контактными площадками и телом коллектора имеется емкость, вклю­ченная параллельно емкости перехода коллектор — ба­за. Эта емкость может быть довольно значительной, однако ее можно уменьшить, если увеличить толщину диэлектрика между металлизированными площадками и коллекторной областью.


В результате можно добить­ ся существенного улучшения частотных свойств транзис­тора. Так, благодаря увеличению толщины диэлектрика между расположенной над коллектором эмиттерной контактной площадкой и областью коллектора удалось добиться, чтобы приборы, отдававшие на частоте 430 МГц в нагрузку 5 Вт, стали отдавать на той же частоте 20 Вт. Еще одно преимущество многоэмиттер-ной структуры с полосковыми эмиттерами по сравне­нию с гребенчатой структурой будет рассмотрено далее.

Увеличение периметра эмиттера и его отношения к площади эмиттера может быть также ограничено не­достаточным совершенством технологии (невозможно­стью создавать слишком узкие эмиттерные .области) или по каким-либо другим причинам, по которым даль­нейшее уменьшение ширины эмиттерных областей пере­станет давать эффект. Так, помимо известного эффек­та оттеснения тока эмиттера к его краю в ВЧ транзи­сторах может также играть роль затухание ВЧ сигнала при его проникновении в активную базовую область от края эмиттера по направлению к его центру. Учет этих двух эффектов приводит к установлению оптимальных значений для ширины эмиттерных полосок в многоэмит-терных полосковых структурах мощных ВЧ транзисто­ров (при обеспечении наибольшего рабочего тока для заданной площади коллекторного перехода). Однако в соответствии с результатами, полученными в [7], эти эффекты играют заметную роль только на частотах свыше 1 ГГц. На первых этапах разработки ВЧ транзис­торов увеличение отношения периметра эмиттера и его площади, безусловно, приводило к повышению рабоче­го тока. Однако со временем технологический уровень позволил получать структуры с минимальным размером элементов около 2 — 3 и даже 1 мкм, а такая ширина полосок может уже оказаться меньше оптимальной [7].



Рис. 1.6. Оптимальная ширина эмиттерных полосок в многоэмиттерном транзисторе:

1, 2 и 3 — суммарные площади эффективно работающих частей эмиттерных

Существует еще одна причина, по которой оптималь­ная ширина эмиттерных полосок может и для ВЧ тран­зисторов оказаться существенно выше минимально до­стижимой ширины.


Пусть площадь коллекторного перехода (т. е. площадь базовой области) будет иметь фиксированное значение. Область между соседними эмиттерами, в которой размещается базовый контакт и которая должна иметь минимально возможную шири­ну, также имеет фиксированные размеры, определяе­мые уровнем технологии. Если ширина отдельной эмит-терной полоски стремится к нулю, то в базовой области, имеющей заданные размеры, можно разместить опре­деленное конечное число эмиттерных полосок (не превышающее отношения ширины базовой области к мини­мально возможной ширине между соседними эмиттера­ми). В результате можно утверждать следующее. При стремлении ширины эмиттерной полоски к нулю рабо­чий ток для данной базовой области также будет стре­миться к нулю. Но если в базовой области поместить только одну эмиттерную область, ширина которой будет почти равна ширине этой базовой области, то из-за от­теснения, в соответствии с которым эффективно рабо­тать будут только узкие области у краев эмиттера, ра­бочий ток для данной базовой области также будет достаточно мал. Очевидно, что для какого-то числа зубцов, меньшего, чем отношение ширины базовой об­ласти к ширине области между соседними эмиттерами, и тем самым для какой-то определенной ширины эмит­терной полоски рабочий ток будет максимальным. Мож­но показать, что при очень резком эффекте оттеснения эта оптимальная ширина эмиттерной полоски будет меньше, чем минимальная технологически достижимая ширина. Если же эффект оттеснения не очень резкий (плотность тока в центре полоски меньше плотности у края не более чем в 2 — 3 раза), то оптимальная ши­рина эмиттера будет превышать минимальную техноло­гически достижимую ширину (рис. 1.6). На практике имеет место именно такое не слишком сильное оттесне­ние. Поэтому, как оказывается, в мощных ВЧ транзис­торах при ширине области между соседними эмиттера­ми около 10 мкм оптимальная ширина эмиттерной по­лоски будет составлять от 10 до 20 мкм.



При большом числе очень узких элементов рабочий ток мал (рис. 1.6,я). При оптимальной ширине эмит-терных полосок и оптимальном числе элементов рабо­чий ток максимален (рис. 1.6,6). На рис. 1.6,# показан один очень широкий эмиттер, рабочий ток в этом слу­чае мал. На рис. 1.6,а — в заштрихованы те части эмит­теров, которые работают достаточно эффективно. При одном очень широком эмиттере он почти весь не за­штрихован, так как практически не работает.



Рис. 1.7. Структура с кольце­выми эмиттерами и стабилизи­рующими эмиттерными рези­сторами.

1 — эмиттер; 2 — база; 3 — коллек­тор; 4 — стабилизирующий эмит-герчий резистор; 5 — металлизация эмиттера; 6 — защитный окисел; 7 — металлизация базы; 8 — метал­лизация коллектора; Р — контакт­ное эмиттерное окно; 10 — контакт­ное базовое окно

В транзисторных структурах с сильно развитым периметром эмиттера распределение тока между частя­ми эмиттера сложной (гребенчатой или сетча­той) формы, а также между отдельными эмит­терами в overlay-структуре или многоэмиттер-ной полосковой структу­ре чрезвычайно неравно­мерно. Дело в том, что в биполярных транзисто­рах существует явле­ние положительной тепловой обратной связи. Если, например, какой-либо из большого числа отдельных эмиттеров по какой-то причине начал инжектировать несколько больший ток, чем остальные, то область структуры вблизи от этого эмиттера разогреется чуть сильнее остальной части структуры. По этой причине уменьшится входное со­противление для этого эмиттера, и ток через него воз­растет еще больше. В результате через этот эмиттер может пойти достаточно большой ток (иногда значитель­ная часть всего тока, протекающего через прибор), и в транзисторе может наступить так называемый вторич­ный пробой [8, 9]. Даже если пробоя не произойдет, наличие резко неравномерного распределения тока меж­ду отдельными эмиттерами весьма отрицательно ска­жется на характеристиках транзистора.


Чтобы избе­жать этого, необходимо ввести в транзисторную струк­ туру элементы, которые обеспечивали бы отрицательную обратную связь, компенсирующую положительную теп­ловую обратную связь.

Такими элементами могут быть стабилизирующие или выравнивающие резисторы, включаемые последова­тельно с каждым из эмиттеров в многоэмиттерной тран­зисторной структуре. Если при этом ток через какой-либо эмиттер возрастает, то увеличивается падение напряжения на включенном последовательно с ним ре­зисторе и вследствие этого, уменьшается открывающее напряжение и ограничивается ток через этот эмиттер.

Для практической реализации стабилизирующих резисторов в транзисторных структурах существует много конструктивно-технологических решений. В гре­бенчатых структурах, например, можно в качестве та­ких резисторов использовать участки самих эмиттерных зубцов, примыкающих к общей части эмиттера [10]. В структурах типа overlay таким резистором может служить внутренняя часть эмиттерной области. Так,. в [11] описана структура с эмиттером в виде кольца (рис. 1.7). Во внутреннюю часть кольца осуществляет­ся диффузия тех же примесей, но на меньшую глубину и с более высоким поверхностным сопротивлением. Эта часть выполняет функции стабилизирующего резистора. Благодаря более высокому поверхностному сопротивле­нию удается увеличить сопротивление стабилизирующе­го резистора и повысить его действие, а благодаря мень­шей глубине диффузии в этой области удается добиться того, чтобы она не работала как эмиттер (т. е. не инжектировала ток в расположенную под ней базовую область).

В многоэмиттерной полосковой структуре для созда­ния эмиттерных резисторов может использоваться спе­циально суженная часть полосок эмиттерной металли­зации. Можно также использовать в качестве резисто­ров пленку из какого-либо сравнительно высокоомного сплава (например, нихрома), включаемую в специаль­но созданные разрывы эмиттерной металлизации [12] или специальные диффузионные области, создаваемые вне транзисторной структуры [13].



Безусловное преимущество полосковых структур по сравнению с гребенчатыми заключается в том, что в по­лосковых структурах стабилизирующие резисторы со­здать проще и стабилизация в этих структурах может быть осуществлена эффективнее, чем в гребенчатых структурах.

Говоря о различных формах эмиттеров в многоэмит-терных приборах, надо упомянуть о том, что, стремясь увеличить отношение периметра к площади, разработ­чики мощных ВЧ транзисторов иногда заменяют полос-ковые эмиттеры эмиттерными областями более сложной формы: эмиттерным областям придается форма поло­сок с волнистыми краями или двухсторонних гребенок с короткими зубцами.

Остановимся на форме и размерах базовых облас­тей. У рассмотренных вариантов структур с различны­ми очертаниями и размерами эмиттеров базовые облас­ти имеют прямоугольную форму со скругленными угла­ми. Причины такого скругления мы рассмотрим немно­го дальше. Размеры базовых областей в мощных ВЧ транзисторах — это одна из характеристик, которая мо­жет быть выбрана только в результате тщательной опти­мизации. С точки зрения улучшения высокочастотных усилительных свойств площадь базовой области долж­на быть минимальной, так как она определяет коллек­торную емкость прибора. Поэтому добиваются увеличе­ния отношения периметра эмиттера к его площади (так как площадь эмиттера составляет значительный про­цент площади базовой области), доводят до минимума расстояние между отдельными эмиттерами в многоэмит­терной структуре, располагают контактные площадки эмиттера и базы вне базовой области (над телом коллектора) и увеличивают толщину диэлектрического слоя под этими площадками. Перечисленные мероприятия,, позволяющие уменьшить размеры базовых областей, — одно из основных направлений конструирования мощ­ных ВЧ транзисторов. В то же время при слишком большом увеличении площади базовой области начи­нают сказываться тепловые ограничения: с уменьше­нием площади структуры уменьшается и площадь вы­деления тепла, что приводит к росту теплового сопро­тивления транзистора.


Возникает противоречие, пути решения которого рассмотрены далее.

Помимо размеров и формы, описывающих очертания эмиттерных и базовых областей в плоскости, параллель­ной поверхности полупроводникового кристалла, эти об­ласти характеризуются размерами в направлении, пер­пендикулярном поверхности, т. е. глубиной.

Основным фактором, определяющим глубину залега­ния эмиттерного и коллекторного переходов, являются требования к их частотным свойствам: граничная часто­та транзисторной структуры зависит в первую очередь от толщины активного базового слоя, т. е. от расстоя­ния между эмиттерным и коллекторным переходами. Для класса мощных ВЧ транзисторов с верхней грани­цей рабочих частот от 30 до 80 — 100 МГц это расстоя­ние составляет от 1,4 — 1,6 до 0,9 — 1,1 мкм. Получить такую толщину базовой области в принципе можно со­здавая структуры с различной глубиной залегания эмиттерного и коллекторного переходов. Однако с тех­нологической точки зрения получать тонкий базовый слой как разность сравнительно глубоко залегающих переходов неправильно, так как подобная структура будет «технологически неустойчивой» (небольшие отно­сительные колебания глубины коллектора или эмитте­ра будут приводить к резким изменениям толщины ба­зовой области). Кроме того, при таком соотношении размеров (глубокие коллектор и эмиттер и тонкая база) не очень удачным будет распределение примесей в структуре: не будет достаточно крутым градиент рас­пределения примесей у эмиттерного перехода и трудно будет добиться высокого содержания примесей в актив­ной базовой области (рис. 1.8). Поэтому у современных мощных ВЧ транзисторах глубина эмиттерного перехо­да близка к толщине активной базовой области, т. е. глубина эмиттерного перехода составляет 1,4 — 1,8 мкм, а глубина коллекторного пере­хода под эмиттером — от 2,5 до 3,5 мкм.

В то же время существуют причины, по которым глубина переходов (по крайней мере, коллекторного) должна быть как можно больше.


Так, пробивное напряжение элек­тронно- дырочного перехода зависит от его фор­мы. Для плоских переходов оно определяется кон­центрацией и распределением примесей по обе стороны от перехода, а для переходов, ограниченных искривле-ной поверхностью, оно снижается по сравнению с тем, что было бы при плоском переходе (с таким же распре­делением примесей, как и в неплоском переходе в на­правлении нормали к его поверхности). Для переходов с цилиндрической формой границы в интервале концен­траций легирующих примесей в исходном кремнии 1 — 5-1015 ат/см3 пробивное напряжение при радиусе кривизны 2,5 — 3,5 мкм может снижаться в 2 — 3 раза. Еще резче снижение пробивного напряжения для пере­ходов со сферической формой границы.



Рис. 1.8. Сравнение распределения примесей в структурах с мелко и глубоко залегающими переходами (Nd — Na — суммарная концентрация примесей; х — расстояние от поверх­ности кристалла)



Рис. 1.9. Пробивное на­пряжение в зависимости от концентрации приме­сей в исходном кремнии и от радиуса кривизны переходов:

------- — для плоского пере­хода; ------ для цилиндрического          перехода; ----------------------- для сфери­ческого перехода

На рис. 1.9 приведены данные о влиянии радиуса кривизны цилиндрических и сферических переходов на пробивное напряжение в кремнии [14]. При планарных р-п переходах их граница определяется формой диф­фузионного фронта для примесей, легирующих кремний через окно в маскирующем слое двуокиси кремния.



Рис. 1.10. Кремниевый планарный транзистор с охранным кольцом: 1 — охранное кольцо; 2 — базовый контакт; 3 — эмиттер; 4 — активная база; 5 — эмиттерный контакт; 6 — окисел; 7 — коллектор; 8 — коллекторный контакт

Если окно имеет прямоугольную форму, то вдоль сто­рон прямоугольника диффузионный фронт имеет в пер­вом приближении очертания цилиндра с радиусом, рав­ным глубине перехода, а в углах фронт приближенно совпадает со сферой того же радиуса. Так как в сфери­ческих переходах пробивное напряжение падает особен­но сильно, базовым областям в структурах мощных ВЧ транзисторов придается не прямоугольная форма, а форма со скругленными углами так, чтобы вдоль всегв периметра этих областей граница перехода приближен­но могла бы считаться цилиндрической (об этом уже упоминалось ранее).


Для эмиттерного перехода эта мера не является обязательной: из рис. 1.9 видно, что для концентраций примесей 1018 ат/см3 кривизна пере­ходов даже при радиусе 0,1 мкм слабо влияет на про­бивное напряжение.

Устранение в коллекторном переходе участков гра­ниц, имеющих форму, близкую к сферической путем скругления углов, является недостаточным. При той глубине коллекторного перехода, которая необходима для уверенного получения требуемой толщины активно­го базового слоя, т. е. при Xк = 2,5 — 3,5 мкм, снижение пробивного напряжения на краях перехода, имеющих Цилиндрическую форму, будет слишком большим. Поэтому следует увеличивать глубину залегания коллек­тора. Чтобы разрешить это противоречие, было пред­ложено несколько решений. Остановимся на двух из них.

Во-первых, было предложено создавать по периферии базовой области участок р-п перехода с более глубо­ким залеганием границы (см. рис. 1.10). Этот участок получил название охранного кольца. Если под эмиттер-ным переходом коллектор залегает на глубине около 3 мкм, а глубина кольца составляет 10 мкм, то для кремния типа п с исходной концентрацией примесей 2 1015 ат/см3 пробивное напряжение планарного пере­хода может быть увеличено от 100 до 150 В (плоский переход для этого материала будет иметь пробивное напряжение около 200 В). Такое решение не всегда целесообразно, так как иногда есть причины, препят­ствующие использованию более глубоко залегающих переходов.

Во-вторых, была предложена структура, позволяю­щая получать глубокие планарные переходы с очень высоким (до 3200 В) пробивным напряжением [15]. Важно было преодолеть основное ограничение планар-ных высоковольтных переходов — снижение пробивного напряжения вблизи от поверхности из-за локального изменения концентрации носителей, связанного с за­грязнениями (на поверхности кремния или в защитном окисле). Суть этого предложения заключалась в созда­нии вокруг основного планарного перехода на неболь­шом расстоянии от него одного или нескольких кольце­вых переходов.


При подаче напряжения на основной переход область пространственного заряда у поверх­ности расширяется до тех пор, пока она не дойдет до первого кольца. С этого момента поле на поверхности ; в зазоре между основным переходом и кольцом пере­стает расти, а начинает расширяться пространственный заряд с внешней стороны первого кольца. Расширение идет, пока пространственный заряд не достигнет второ- ; го кольца, и т. д. Если зазоры между кольцами подоб- : раны так, чтобы поле на поверхности оставалось безус- j ловно меньше критического, то при достаточном числе колец можно добиться того, что пробой начнется не на поверхности, т. е. что пробивное напряжение планарно­го перехода будет увеличено до объемного пробивного напряжения плоского перехода (рис. 1.11).

Подобные структуры могут быть использованы и для устранения эффекта снижения пробивного напря­жения в расположенных неглубоко планарных перехо­дах [16]. Таким образом, делительные кольца могут быть использованы при создании сравнительно низко­вольтных мощных ВЧ транзисторов для того, чтобы залегающие мелко планарные коллекторные переходы могли иметь напряжение пробоя, близкое к пробивному напряжению плоского перехода.



Рис. 1.11. Структура планарного перехода с делительными кольцами:

1 — диффузионная область типа р; 2 — делительные кольца (получены диффу­зией примесей типа р); 3 — область пространственного заряда; 4 — исходный материал типа я

Рассмотрим вопросы, связанные с выбором формы и размеров коллекторной области. Этот выбор прихо­дится делать так, чтобы удовлетворить целому ряду противоречивых требований. Во-первых, удельное со­противление коллектора (по крайней мере, области, прилегающей к переходу коллектор — база) выбирается так, чтобы пробивное напряжение перехода (точнее, его плоской части) было равно заданному значению. Выби« рать более высокое удельное сопротивление нельзя, по-тому что это приведет к нежелательному росту сопро­тивления насыщения прибора. (На практике некоторый запас по удельному сопротивлению исходного материа­ла должен быть, так как имеющиеся в нем дефекты могут снижать пробивное напряжение.) Если удельное сопротивление выбрано, то можно определить необхо­димую толщину коллектора.


Чтобы не уменьшилось пробивное напряжение, толщина коллектора не долж­на быть меньше, чем ширина пространственного заряда при напряжении, равном расчетному значению пробив­ного напряжения. В то же время эта толщина не долж­на быть больше указанного значения, чтобы не увели­чилось сопротивление насыщения прибора.

Даже при некотором запасе по толщине (при коле­бании ширины области пространственного заряда из-за возможной неоднородности или разброса удельного со­противления) толщина коллектора будет достаточно малой. Для удельных сопротивлений 1 — 5 Ом-см опти­мальная толщина коллектора будет составлять 10 — 20 мкм.

Пластины кремния толщиной 20 мкм не обладают механической прочностью. Кроме того, столь тонкие пластины практически нельзя подвергать термообработ­кам, которые неизбежны при изготовлении планарных транзисторов. Уверенно, не опасаясь коробления или поломки, можно обрабатывать пластины, толщина кото­рых составляет 150 мкм при диаметре 40 мм, 300 мкм при диаметре 60 мм и 450 мкм при диаметре 76 мм. Но даже при толщине 150 мкм сопротивление насыщения транзисторной структуры будет иметь недопустимо большое значение. Выходом из создавшегося положения является использование структур со встречной диффу­зией или эпитаксиальных структур.

В структуре со встречной диффузией исходную плас­тину кремния типа п толщиной в несколько сотен мик­рометров с обеих сторон легируют с помощью диффу­зии фосфора на глубину 130 — 180 мкм. Затем с одной стороны механически (путем шлифовки и последующей полировки) удаляют легированный слой и часть высо-коомного слоя так, чтобы оставшийся высокоомный слой имел заданную толщину. Затем в этом высокоом-ном слое создают планарную транзисторную структуру. Достоинство структур со встречной диффузией в том, что они позволяют увеличить толщину исходных плас­тин кремния и обеспечить требуемую механическую прочность, сохранив приемлемое значение сопротивле­ния насыщения. Недостаток их связан с тем, что естест­венный разброс при механических обработках и диф­фузионном легировании не позволяет точно обеспечить требуемую толщину высокоомного слоя.


Поэтому вместо толщины 20 мкм ее приходится делать равной, напри­мер, 30±10 мкм. В результате или сопротивление на- сыщения будет слишком большим, или пробивное на- пряжение слишком низким.

От этого недостатка свободны эпитаксиальные структуры, представляющие собой тонкие высокоомные слои кремния, выращенные с помощью специальных процессов на низкоомных монокристаллических под­ложках так, что кристаллическая структура высокоом­ного слоя является продолжением кристаллической структуры подложки. Технология выращивания эпитак­сиальных (т. е. сохраняющих структуру подложки) слоев позволяет с высокой точностью (до ±10%) зада-вать их толщину и с приемлемой точностью (±15 — 20%) обеспечивать их заданное удельное со­противление. Недостаток эпитаксиального выращивания заключается в том, что в процессе роста на границе подложка — высокоомный слой и в самом слое могут возникать структурные дефекты, ухудшающие параме­тры приборов или приводящие к полной непригодности структур. Тем не менее с этим недостатком приходится мириться и идти на определенное, иногда значительное снижение выхода годных, так как без использования эпитаксиальных структур параметры изготавливаемых транзисторов были бы намного хуже.

Ранее отмечалось, что для улучшения ВЧ характе­ристик площадь перехода коллектор — база следует уменьшать, а для обеспечения требуемых тепловых па­раметров ее следует увеличивать. Чтобы разрешить эта противоречие, были созданы кремниевые мощные мно­гоструктурные транзисторы, представляющие собой по существу набор отдельных миниатюрных соединенных параллельно планарных транзисторов, изготовленных на общем кристалле. Если представить себе, что много-эмиттерный транзистор разделен на несколько частей» в каждой из которых сохранены имевшиеся на ней эмиттерные элементы, и что все эти части раздвинуты на сравнительно большое расстояние, то мы получим транзистор с несколькими структурами, в котором сум­марная площадь коллекторных переходов и отношение периметра эмиттера к этой площади не будут сильно отличаться от исходного многоэмиттерного транзистора.


Тепловое сопротивление в многоструктурном транзисто­ ре может быть сделано намного ниже, чем в многоэмит-терном с тем же числом эмиттеров, расположенных не в нескольких, а в одной базовой области. Выигрыш в тепловом сопротивлении, получаемый при переходе от одноструктурного к многоструктурному транзистору, создается в основном за счет той части RT, которая от­носится собственно к кремниевому кристаллу.



Рис. 1.12. Тепловой поток в многоэмиттерном (а) и многоструктур­ном (б) транзисторах

Некото­рый выигрыш будет иметь место и в самом корпусе за счет того, что из кристалла в корпус придет тепловой поток большего сечения, но этот выигрыш будет состав­лять сравнительно небольшую долю от того, что можно выиграть по RT в кристалле. Расчеты показывают, что за счет создания на кристалле вместо одной структуры ряда раздвинутых мелких структур разность темпера­тур между коллекторным переходом и нижней поверх­ностью кристалла может быть уменьшена в несколько раз. На рис. 1.12 можно увидеть качественно, как умень­шается тепловое сопротивление кристалла при пере­ходе к многоструктурным транзисторам. В конструкци­ях наиболее современных мощных ВЧ транзисторов уменьшение RT, связанное с переходом к большому числу структур, не всегда оказывается достаточным. Тогда в качестве дополнительной меры приходится при­бегать к уменьшению толщины кристалла после завер­шения изготовления транзисторных структур. Действи­тельно, если транзисторы изготавливать на эпитакси-альных пластинах с толщиной высокоомного слоя около 20 мкм и толщиной подложки 400 мкм и если готовую пластину с транзисторными структурами со-шлифовать со стороны подложки на 300 мкм, то можно в несколько раз уменьшить падение температуры в кристалле кремния.

Рассмотрим некоторые требования к металлизиро­ванным токоведущим дорожкам, через которые отдель­ные эмиттеры в многоэмиттерном приборе соединяются с внутренними эмиттерными проволочными выводами.

Какую бы конфигурацию мы не рассматривали (типа overlay, с сетчатым эмиттером или полосковую), метал­лизация для каждой отдельной структуры будет иметь вид гребенок, зубцы которых подходят к контактным окнам над каждым эмиттером, а также к расположен­ным между ними базовым контактным окнам.


При этом зубцы эмиттерной металлизации будут чередоваться с зубцами базовой металлизации. Проходя от эмиттер-ного вывода прибора к эмиттерным областям, ток про­текает сначала по общей части металлизации, а затем по металлизированным дорожкам — зубцам, идущим вдоль полосковых эмиттеров и контактирующих с эмит­тером по всей длине полоски.

Ток, идущий вдоль зубца, создает на нем падение напряжения. В результате открывающее напряжение будет меняться вдоль каждого эмиттера, убывая от начала дорожки к ее концу. Плотность эмиттерного тока также будет падать от начала эмиттера к его кон­цу, причем это падение может быть весьма значитель­ным. В неправильно сконструированном с этой точки зрения приборе может оказаться, что в каждом эмит­тере практически работает только незначительная его часть, расположенная со стороны общей шины эмит­терной металлизации. Некоторая компенсация этого от­рицательного явления происходит за счет падения на­пряжения на зубцах базовой металлизации, оказываю­щего обратное действие, но, так как базовый ток гораздо меньше, чем эмиттерный, роль этого компенси­рующего эффекта сравнительно невелика.

В ряде работ приводится расчет изменения плотнос­ти тока вдоль эмиттерного зубца и даются формулы, связывающие плотность тока с расстоянием до начала зубца. Здесь мы сформулируем лишь качественные тре­бования к размерам металлизированных дорожек, на­пример, когда они лежат над полосковыми эмиттерами. Необходимо эти размеры выбирать так, чтобы плот­ность тока на конце полоски не сильно падала по сравнению с плотностью тока в начале. Для этого надо, чтобы сопротивление металлизированной полоски R=pl/s (р — удельное сопротивление материала по­лоски, l — длина, a s — площадь поперечного сечения) было минимальным. Удельное сопротивление материа­ла полоски — заданная величина. Площадь поперечного сечения полоски — также величина ограниченная (ширина металлизированной полоски определяется шириной эмиттера, а толщина — технологическими возможностя­ми, но, как правило, она не превышает в мощных ВЧ транзисторах 1 — 2 мкм).


Поэтому если допустить опре­деленный спад плотности тока к концу полоскового эмиттера, то это практически наложит ограничение на длину металлизированной полоски и, следовательно, на длину самого эмиттера. Как правило, в структурах мощ­ных ВЧ транзисторов длина эмиттерных полосок со­ставляет 100 — 200 мкм, более длинные эмиттеры рабо­тают неэффективно.

Заканчивая рассмотрение вопросов, связанных с вы­бором формы и размеров различных областей в структурах мощных ВЧ транзисторов, приведем опи­сание кристалла одного из современных мощных тран­зисторов [17]. Размеры кристалла 4,5X6,65 мм. На кристалле размещаются 24 базовые области (структу­ры) размером 1,25X0,24 мм каждая. В одной такой структуре расположено 40 эмиттеров шириной по 12 мкм и длиной 220 мкм. Расстояние между соседними эмит­терами составляет 18 мкм. Таким образом, площадь кристалла (около 30 мм2) более чем в 4 раза превосхо­дит суммарную площадь всех коллекторных переходов (7,2 мм2). Это дает возможность получить тепловое сопротивление кристалла намного меньше, чем оно бы­ло бы в одноструктурном транзисторе с той же пло­щадью коллектора. Общее число эмиттеров 960, а их суммарный периметр составляет 445 мм, т. е. почти полметра (на структурах площадью всего лишь 7,2 мм2). Впечатляют также и электрические парамет­ры транзистора, собранного из этого кристалла: прибор имеет допустимое коллекторное напряжение свыше 100 В, ток коллектора свыше 50 А и в диапазоне 1,5 — 30 МГц может отдавать в нагрузку мощность 175 — 200 Вт.

Чтобы создать мощные ВЧ транзисторы, отвечаю­щие требованиям сегодняшнего дня, недостаточно спро­ектировать правильным образом кристалл с транзис­торной структурой. Необходимо разработать соответст-вующие технологические методы и средства, позволяю­щие реализовать эту структуру, создать конструкций корпуса, а также правильным образом и с выполнением необходимых технологических требований собрать крис-талл в этот корпус.

Далее рассмотрим вопросы, связанные с особенно­стями технологии изготовления кристаллов со структу­рами мощных ВЧ транзисторов, особенности конструк­ции их корпусов и некоторые вопросы, связанные с их сборкой.




ГЛАВА ВТОРАЯ

 

ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ

И КОНСТРУКЦИИ МОЩНЫХ ВЧ

ТРАНЗИСТОРОВ

 

2.1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ

Все современные мощные ВЧ транзисторы имеют планарную структуру. Такие структуры изготавливают с помощью комплекса специальных технологических методов, получившего название планарной технологии [18, 19]. Рассмотрим особенности технологии изготов­ления кристаллов со структурами мощных ВЧ транзи­сторов.



Рис. 2.1. Основные операции планарной технологии: а -окисление; б - фотолитография базовых окон; в -диффузия бора (первая стадия); г -диффузия бора (вторая стадия) д-фо­толитография эмиттерных окон; е -диффузия фосфора (первая стадия); ж - диффузия фосфора (вторая стадия);  з - фотолито графин контактных окон; и -напыление алюминия; к - фотолито­графия контактов

Последовательность основных операций планарной технологии приведена на рис. 2.1. Изготовление тран-зисторной структуры начинается с выращивания на по­верхности исходной эпитаксиальной n-n+-структуры слоя двуокиси кремния в потоке сухого кислорода, в парах воды или с помощью какого-либо другого мето­да. Этот слой двуокиси кремния служит для маскиров­ки при последующем осуществлении диффузии. Затем с помощью фотолитографической обработки в маски­рующем слое вытравливаются окна, через которые про­водится диффузия бора для создания базовых областей. Диффузия бора осуществляется в две стадии. Во время первой в кремнии создается очень тонкий, толщиной в несколько десятых долей микрометра, слой типа р с поверхностной концентрацией, близкой к пре­дельной, с заданным поверхностным сопротивлением и тем самым с заданным количеством атомов примесей на единицу площади легируемого кремния. Толщина слоя окиси должна быть такой, чтобы во время первой стадии сквозь нее не успевали продиффундировать ато­мы бора. Диффузия осуществляется из потока газа-но­сителя, или из параллельного поверхности пластины ис­точника, или из источника, нанесенного на поверхности самой пластины.


В последнем случае перед второй ста­дией диффузии источник, содержащий атомы бора, уда­ляется с поверхности. Вторая стадия диффузии заклю­чается в термообработке, во время которой примеси, введенные во время первой стадии, проникают в крем­ний на большую глубину, формируя при этом базовую область прибора. Такой метод проведения диффузии в две стадии дает возможность независимо задавать глу­бину базовой области и количество вводимых в нее примесей. Он также позволяет более точно регулиро­вать поверхностную концентрацию бора. Обычно вто­рую стадию диффузии совмещают с повторным окисле­нием. Это позволяет уменьшить вероятность проникно­вения в базовую область нежелательных загрязнений.

После диффузии бора проводится фотолитографиче­ская обработка и в окисной пленке вытравливаются окна, в которых создаются эмиттерные области. Затем в эти окна осуществляется диффузия фосфора, которая также проводится в две стадии. За время первой ста­дии, проводимой, как правило, в потоке газа-носителя, на поверхности окисла и в эмиттерных окнах образует­ся пленка фосфорно-силикатного стекла (P2O5*SiO2). Перед проведением второй стадии диффузии эта плен­ка, как правило, не удаляется. В результате на поверх­ности эмиттера будет обеспечена концентрация фосфо­ра, близкая к предельной. Кроме того, наличие на по­верхности структуры пленки фосфорно-силикатного стекла способствует стабилизации ее параметров. Воз­можен вариант, когда перед второй стадией диффузии фосфора фосфорно-силикатное стекло удаляется частич­но — оно стравливается с поверхности окон, но остает­ся на пленке SiO2. Тогда вторая стадия диффузии фос­фора совмещается с окислением: в эмиттерных окнах выращивается пленка окисла, в которой затем созда­ются контактные эмиттерные окна.

Следующая после диффузии фосфора операция — фотолитография для создания контактных эмиттерных и базовых окон. Вслед за этим на поверхность напы­ляется металл, чаще всего алюминий, служащий для создания токоведущих дорожек, эмиттерных и базовых контактов и контактных площадок, служащих для при­соединения внутренних базовых и эмиттерных прово­лочных выводов.


Последняя операция — фотолитогра­ фия для создания требуемого рисунка металлизации. Затем структуры, изготовленные на пластине, проверя­ют, бракуют. Пластину методом скрайбирования или с помощью резки алмазной дисковой пилой разделяют на отдельные кристаллы.

Чтобы обеспечить необходимые значения электриче­ских параметров транзисторной структуры, требуется с высокой точностью получать заданные размеры и глу­бины базовых, эмиттерных и коллекторных областей, а также заданные поверхностные концентрации и коли­чества примесей в этих областях. Возможность полу­чения заданных геометрических и электрофизических параметров структуры с жесткими допусками зависит от точности используемого оборудования и применяе­мых методов. Современные печи для окисления и диф­фузии обеспечивают во время технологических процес­сов точность задания и поддержания температуры око­ло ±1 °С. Такой допуск на температуру обеспечивает разброс (коэффициента диффузии в пределах ±3%. Разброс поверхностного сопротивления вводимых при диффузии примесей зависит от разброса температуры, но в большей степени он определяется постоянством скорости потока газа-носителя, а также равномерно­стью подходящего к поверхности кремния потока леги­рующей примеси. Различные методы диффузии, приме­няемые на практике, направлены как раз на то, чтобы повысить равномерность этого потока. Уровень совре-.менных методов диффузии позволяет обеспечить раз­брос поверхностного сопротивления легированного слоя, создаваемого в процессе диффузии, от ±5 до ±10%. (Эти цифры справедливы, когда речь идет о рассмат­риваемом классе ВЧ транзисторов. Если говорить об СВЧ транзисторах, для которых надо получать более высокие поверхностные сопротивления, то этот разброс может составлять 10 — 20%.) Такой разброс для ВЧ  транзисторов вместе с указанным ранее разбросом ко­эффициента диффузии позволяет получать заданную глубину легированного слоя с точностью 5 — 10%. Это означает, что необходимая в мощных ВЧ транзисторах j толщина активной базовой области, составляющая от 1 1 до 1,5 мкм, может быть обеспечена с точностью ±(0,1 — 0,2) мкм.


Для структур с толщиной базовой области 1±0, 2 мкм граничные частоты могут иметь значения от 200 до 500 МГц, т. е. различаться в 2,5 раза. Если этот разброс можно уменьшить и полу­чить толщину 1±0,1 мкм, то диапазон граничных частот будет составлять примерно 280 — 420 МГц.

Для статического коэффициента передачи тока раз­брос получаемых значений будет еще более высоким, поскольку он сильно зависит от содержания примесей в активной базовой области. Содержание этих приме­сей при создании транзисторных структур задается как разность имеющих близкие значения концентраций до­норов и акцепторов (по крайней мере, вблизи от эмит-терного перехода). Та точность достижения глубин пе­реходов и концентраций примесей, которую позволяют получить современные технологические методы, не дает возможности обеспечить малый разброс содержания примесей в активной базовой области. В результате статический коэффициент передачи тока мощных ВЧ транзисторов может составлять в типичных случаях от 15 до 80.

Большое влияние на разброс параметров транзи­сторных структур оказывают характеристики коллек­торной высокоомной области. От разброса толщины и удельного сопротивления этой области зависят разбро­сы таких параметров, как пробивное напряжение и со­противление насыщения. Если (см. § 1.3) точность за­дания удельного сопротивления высокоомного эпитак-сиального слоя составляет ±20%, а точность задания толщины ±10%, то разброс сопротивления насыщения будет не менее ±30% (за счет разброса времени жиз­ни неосновных носителей в коллекторе диапазон полу­чаемых сопротивлений насыщения может быть еще больше). Таким образом, в лучшем случае сопротивле­ния насыщения будут различаться не менее чем в 2 ра­за. Разброс пробивных напряжений коллектора, на пер­вый взгляд, должен быть близок к разбросу значений удельного сопротивления, т. е. к ±20%. Однако из-за того, что толщина коллекторного высокоомного слоя выбирается близкой к толщине области пространствен­ного заряда при пробое, разброс значений пробивных напряжений будет более значительным и для основной массы структур будет составлять ±25%.


При этом надо учитывать, что наличие в коллекторном слое микронеоднородностей может приводить к дополнительному уменьшению нижней границы диапазона пробивных на­пряжений коллектора.

Толщина маскирующего окисного слоя, вообще го­воря, должна быть достаточно большой для того, что­бы защитить расположенный под окислом кремний от диффузии бора или фосфора. Но слишком толстый оки­сел затруднит точное выполнение фотолитографических операций (см. далее). Однако для ВЧ транзисторов с не слишком высокой рабочей частотой (до 100 МГц) не требуется особо точная фотолитография, поэтому ограничения, налагаемые на толщину окисла, можно было бы считать достаточно слабыми. Необходимо, од­нако, отметить то обстоятельство, что во время второ­го окисления, проводимого вместе со второй стадией диффузии бора, значительная часть бора, введенного в кремний во время первой стадии диффузии, может попасть в окисел и при этом поверхностное сопротив­ление базовой области сильно изменится. В связи с этим необходимо очень точно воспроизводить условия окисления кремния при второй стадии диффузии, так как уже небольшое изменение этих условий будет при­водить к очень большим изменениям поверхностного со­противления базовой области.

Итак, при весьма высокой точности проведения тех­нологических процессов разброс параметров транзи­сторных структур может быть очень велик. Разработ­чики транзисторов пытаются осуществить дальнейшее повышение точности и воспроизводимости процессов. Например, на первых стадиях легирования областей базы и эмиттера можно использовать прецизионный ме­тод ионного легирования. Однако специалисты, исполь­зующие в своей аппаратуре мощные ВЧ транзисторы, должны себе представлять, что те разбросы парамет­ров транзисторов, с которыми им приходится сталки­ваться, получаются при реализации методов и обору­дования, обладающих почти предельно достижимой в наше время точностью.

Обсудим теперь технологические вопросы, связанные с обеспечением формы и размеров областей транзистор­ной структуры в плоскости, параллельной поверхности пластин.


В основном получение заданных размеров об­ластей связано с точностью, которой обладает фотоли­тография, используемая при травлении окон в пленке двуокиси кремния и рисунков металлизации. Типовая последовательность операций при фотолитографической обработке состоит в нанесении на поверхность обраба­тываемой пластины слоя светочувствительного вещест­ва — фоторезиста, сушке этого слоя, экспонировании поверхности пластины потоком света (обычно ультра­фиолетового) через фотошаблон, представляющий со­бой стеклянную или кварцевую пластину с изображе­нием вытравливаемого рисунка. После экспонирования проводится проявление — удаление фоторезиста в тех местах, где должно проводиться травление окисла или металла. После проявления фоторезист сушат и травят те области поверхности пластины, которые не закрыты фоторезистом. После травления фоторезист удаляют со всей пластины, пластину моют, сушат и передают на дальнейшие операции.

Источниками неточностей при создании на кремнии требуемого рисунка могут быть разброс размеров изо­бражения на фотошаблоне, уход размеров при перене­сении рисунка с фотошаблона на фоторезист, уход раз­меров при травлении рисунка в окисле или на металле и ошибки при совмещении фотошаблона с рисунком, ранее созданным на поверхности кремниевой пластины. Возможности современной фотолитографии позволяют в условиях производства обеспечивать точность воспро­изведения рисунка и точность совмещения ± (0,3 — 0,5) мкм. Такая точность необходима при изготовлении СВЧ транзисторов, минимальные размеры элементов ко­торых составляют 1 мкм и менее. В мощных ВЧ крем­ниевых транзисторах минимальные размеры элементов могут составлять 3 — 4 мкм. Для создания рисунков и -совмещения последовательных слоев с такими размера­ми элементов не требуется столь высокая точность, до­стижение которой связано с серьезными затруднения­ми. Для создания и совмещения рисунков с минималь­ными размерами элементов 3 — 4 мкм достаточно иметь точность ±(1 — 1,5) мкм, что на современном уровне фотолитографии не связано с особыми трудностями, если только толщина обрабатываемых слоев не превос­ходит 1 мкм.



Говоря о требованиях к толщине маскирующих окис-ных слоев и металлических пленок на кремнии мы от­мечали, что толщину окисла надо увеличивать для улучшения качества маскировки при диффузии, а метал-

лизацию следует делать толще для уменьшения паде­ния напряжения вдоль эмиттерных токопроводящих зубцов. В то же время увеличение толщины окисла и металлизации затрудняет проведение фотолитографиче- ских операций. Например, пусть ширина эмиттерной металлизированной дорожки равна 6 мкм. Для умень- шения ее сопротивления желательно увеличивать тол-щину напыляемого металла. Однако с увеличением тол- щины металла будет расти глубина травления в боковом направлении при осуществлении фотолитографиче­ской обработки. Из рис. 2.2 видно, что после того, как толщина достигает 2 мкм, поперечное сечение практи­чески перестанет увеличиваться. Если учесть, что с ро­стом глубины травления растет еще неравномерность края, то при толщине металлического слоя свыше 2 мкм появится вероятность локального уменьшения попереч­ного сечения дорожек или даже их полного стравли­вания.



Рис. 2.2. Связь площади поперечного сечения металлизированной дорожки с ее толщиной:

а — толщина много меньше ширины; б — толщина приближается к полуширине; в — толщина больше полуширины

В последние годы получило широкое развитие на­правление работ, позволяющее и при значительной тол­щине обрабатываемых слоев сохранять их размеры. Речь идет о замене обычного жидкостного травления слоев плазмохимическим травлением. При этом прак­тически исключается подтравливание в боковом направ­лении и точность сохранения размеров может достигать ±0,1 — 0,2 мкм.

Особенностью технологии изготовления структур мощных ВЧ транзисторов является необходимость пре­дотвращения возникновения технологических дефектов. Источников возникновения дефектов очень много. Это прежде всего структурные дефекты и неоднородности в исходных эпитаксиальных пленках. Серьезными дефек­тами, возникающими в процессе окисления, являются точечные отверстия в окисле (так называемые проко­лы), посторонние твердые частицы и вырастающие вбли­зи более мелких дефектов монокристаллики кварца с острыми гранями, прокалывающие пленку резиста при проведении фотолитографии.


Наиболее опасные дефекты, возникающие в процессе диффузии, связаны с попада­ нием на пластины посторонних частиц, в особенности из фосфоросодержащих веществ (если речь идет о диф­фузии бора), с проникновением в кремний быстродиф-фундирующих примесей и с пластической деформа­цией пластин в процессе высокотемпературной (1200 °С) диффузии. Основным источником дефектов в фотолитографии являются посторонние частицы, попа­дающие на пластину или шаблон при литографии. К таким частицам следует отнести и кремниевую пыль. Вредная роль твердых частиц при фотолитографиче­ских операциях усугубляется еще тем, что, попадая между пластиной я шаблоном, они царапают слой ре­зиста, окисел, металлизацию или сам шаблон. В по­следнем случае они становятся причиной возникнове­ния дефектов и на создаваемых впоследствии структу­рах. Более подробно о всех этих дефектах сказано в-специальной технологической литературе [19, 20].

Дефекты, возникающие при создании планарных структур, являются причиной брака. Брак может быть двух видов. Он может приводить к появлению негод­ных структур в процессе их изготовления, а может про­явиться впоследствии, приводя или к катастрофическим, нли к деградационным отказам приборов. Для борьбы с браком и источниками его возникновения проводятся разнообразные мероприятия. Большинство из них но­сит общий характер, например улучшение методов и повышение качества очистки полупроводниковых пла­стин, различных используемых в производстве мате­риалов, воды, растворителей, газов, оснастки. Ряд мер носит специальный характер. Например, совмещение второй стадии диффузии бора с окислением позволяет резко снизить вредное влияние фосфоросодержащих ча­стичек, растворяющихся в растущем окисле. Для борь­бы с точечными дефектами типа проколов в процессе проведения фотолитографических операций можно про­водить фотолитографию в два этапа, нанося резист и осуществляя обработку последовательно два раза. Очень большой эффект дает переход к проекционной фотолитографии, когда не приходится приводить пластину и фотошаблон в соприкосновение.


Кроме того, при ис­ пользовании проекционной литографии гораздо меньше изнашиваются шаблоны и срок их службы продле­вается во много раз.

Вероятность возникновения очень многих типов де­фектов зависит от площади кристалла. Очевидно, что и число появляющихся бракованных структур также увеличивается с увеличением площади структуры. При этом в ряде случаев можно говорить, что какой-то тип дефектов, приводящий, скажем, к полному браку, по­является с определенной вероятностью, соответствую­щей какому-то конкретному числу дефектов на едини­цу площади. С увеличением площади структуры насту­пит момент, когда вероятность попадания дефекта на каждую структуру приближается к единице. Тогда вы­ход годных структур будет практически равен нулю. Иначе говоря, с увеличением площади транзисторной структуры процент выхода годных структур может па­дать очень резко. Относительно низкий процент выхода годных структур — это серьезнейшее препятствие на пути разработки и производства мощных ВЧ транзисто­ров, представляющих собой сложнейшие полупровод­никовые приборы, не уступающие по числу элементов (достигающему нескольких тысяч) большим интеграль­ным схемам, а по требованиям к идентичности и к свой­ствам этих элементов превосходящие их.

Итак, к технологии изготовления кристаллов со структурами мощных ВЧ транзисторов предъявляются очень высокие требования. В то же время уровень тех­нологии является во многих случаях определяющим и для достижения требуемых значений параметров изго­товляемых структур, и приемлемого выхода годных. Уровень технологии — очень существенный фактор обеспечения достаточно высокой надежности мощных ВЧ транзисторов.

2.2. ТРЕБОВАНИЯ К КОРПУСАМ И ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ

Перечислим основные требования к корпусам мощных ВЧ транзисторов. Корпуса должны:

1. Обладать малыми паразитной индуктивностью выводов и межэлектродной емкостью. Это необходимо для обеспечения высо­кой рабочей частоты, достаточно высокого коэффициента усиления ВЧ мощности, необходимой широкополосности и малого коэффициента подавления комбинационных частот (последние два требова­ния относятся к транзисторам, предназначенным для линейных ши­рокополосных усилителей).



2.  Иметь выводы, изолированные от теплоотводящего основания корпуса. Без выполнения этого требования значительно затрудняет­ся создание ВЧ усилителей.

3.  Обладать малым тепловым сопротивлением, так как от со­временных мощных ВЧ транзисторов приходится отводить десятки и даже сотни ватт выделяющейся в них мощности. Это требование особенно трудно выполнить в связи с тем, что площадь источника выделения тепла, т. е. разогретого кристалла, несмотря на принятые меры (создание на кристалле большого числа разнесенных струк­тур), намного меньше, чем у НЧ мощных транзисторов с такой же рассеиваемой мощностью, а также в связи с тем, что транзисторная структура в этих приборах электрически изолируется от монтажной части корпуса, через которую идет отвод тепла во внешнюю среду,

4.  Обеспечивать в том месте, куда монтируется кристалл, бли­зость коэффициентов теплового расширения кристалла и кремния. Без этого нельзя обеспечить механическую прочность прибора, а так­же устойчивость его к циклическим температурным и термоэлектри­ческим нагрузкам.

5.  Обеспечивать герметичность того объема, в котором размеща­ется кристалл. Это связано с тем, что прибор должен длительно вы­держивать воздействие окружающей среды во всем диапазоне ра­бочих температур, в том числе и в условиях высокой влажности.

Среди этих требований для мощных ВЧ транзисторов специ­фичны первые три. Разрешить их удалось благодаря уникальному сочетанию свойств окиси бериллия, обладающей высокой теплопро­водностью, близкой к теплопроводности металлов, и в то же время являющейся диэлектриком. Керамика, созданная на основе окиси бериллия, имеет очень малый коэффициент теплового расширения, довольно близкий к коэффициенту расширения кремния.

В последнее время появляются сведения о том, что ведутся ра­боты по использованию еще одного вещества, обладающего подоб­ными свойствами, а именно нитрида алюминия. Кроме того, есть сведения об использовании в качестве диэлектрических теплопрово-дящих подложек материалов на основе алмаза.



Рассмотрим теперь конструкции некоторых типов корпусов, используемых для сборки мощных ВЧ транзисторов. Один из пер­вых корпусов, в которые начали собирать мощные ВЧ транзисто­ры, — корпус типа КТ4. Основа корпуса — монтажное основание (диск из керамики на основе окиси бериллия), на которое должен напаиваться кристалл с транзисторной структурой. Керамическое основание напаивается высокотемпературным припоем на медный фланец с монтажным винтом. Чтобы можно было осуществить эту напайку, на керамическом диске предварительно создается металли­зация. Для этого на нижнюю сторону керамики наносится молиб-дено-марганцевая паста, которая вжигается при высокой температу­ре, а затем никелируется. На верхнюю сторону через трафарет так­же наносится рисунок из молибдено-марганцевой пасты. К различ­ным областям этого рисунка одновременно с напайкой диска на фланец припаиваются штыревые выводы эмиттера, базы и коллек­тора. Металлизированные области на керамике служат для монтажа кристалла (с этой областью связан коллекторный штыревой вывод) и для приварки внутренних проволочных выводов эмиттера и базы, идущих от кристалла (с этими областями связаны эмиттерный и базовый штыревые выводы). Фланец с керамическим основанием и собранным на нем кристаллом герметизируют баллоном, представ­ляющим собой металлический цилиндр с керамической крышкой, в сквозные отверстия которой впаяны металлические трубки, за­крытые с верхнего конца. При одевании баллона на фланец штыре­вые выводы эмиттера, базы и коллектора входят в эти трубки. После герметизации трубки обжимаются вокруг выводов для на­дежного электрического контакта между внешними и внутренними выводами.

Корпус К.Т4 показан на рис. 2.3. В него собирают приборы с мощностью рассеяния до 20 Вт. Для сборки более мощных при­боров, например с мощностью рассеяния до 100 Вт, используется корпус КТ7, имеющий ту же конструкцию, но большие габариты. В корпусах КТ4 и К.Т7 обеспечиваются изоляция всех выводов от монтажного фланца, механическая прочность места соединения кри­сталла с керамическим основанием, высокая герметичность и сравни­тельно невысокое тепловое сопротивление.


При создании этих кор­ пусов возникла проблема обеспечения прочности соединения керами­ки с монтажным фланцем. Дело в том, что монтажный фланец изготовляется из меди, коэффициент термического расширения кото­рой во много раз больше, чем коэффициент расширения керамики на основе окиси бериллия. Уже при охлаждении от точки затвер­девания припоя, которым керамика напаивается на фланец, до ком-натной температуры в керамике и меди, а также в соединяющем их припое возникают значительные механические напряжения. Проч­ность припоя и меди достаточно высоки для того, чтобы выдержать эти напряжения. Что же касается керамики, то возникающие в ней напряжения могут оказаться близкими к пределу прочности и она может разрушаться или сразу после пайки, или при последующей .резкой циклической смене температур. Чтобы предотвратить разру­шение керамики, приходится припаивать ее к фланцу не по всей площади, а делать на фланце в центре специальное возвышение, диаметр которого намного меньше диаметра керамики, но превосхо-,дит размеры монтируемого в корпусе кристалла. В результате теп­ловое сопротивление такой конструкции возрастает незначительно, а механическая прочность возрастает существенным образом, так как площадь, по которой соединены керамика и фланец, уменьшает­ся в несколько раз.

Мощные ВЧ транзисторы с корпусами К.Т4 и КТ7 используются в резонансных усилителях. В мощных же ВЧ широкополосных уси­лителях их эффективно использовать нельзя, поскольку индуктив­ность выводов в этих корпусах слишком велика. В широкополосных устройствах пришлось перейти к другим конструкциям корпусов, выводы которых обладали бы меньшей индуктивностью, а именно к конструкциям, используемым для сборки мощных СВЧ транзисто­ров. Эти конструкции, рассчитанные для работы на частотах 0,2 — 1 ГГц, характеризуются малой индуктивностью выводов и безуслов­но пригодны для создания ВЧ широкополосных устройств, работаю­щих на частотах до 100 МГц. Это корпуса типов КТ17 — КТ19, КТЗО и К.Т31.


Основа корпусов — диск из керамики на основе окиси бе­риллия, похожий на аналогичные диски в корпусах КТ4 и КТ7. Снизу к такому диску припаивается медный фланец с монтажным винтом (в корпусах КТ17 — К.Т19) или плоский медный фланец с двумя отверстиями для крепления (в корпусах КТЗО и КТ31).

Корпуса КТ17 и КТЗО предназначены для приборов, рассеивающих мощность до 40 Вт, корпуса КТ18 — до 140 Вт, корпуса КТ31 — до 200 Вт и корпуса КТ19 — до 300 Вт.

На рис. 2.4 показан наиболее мощный корпус из этой серии — КТ19 (рисунок металлизации на керамическом основании показан множеством точек). С краев к металлизированным областям при-лаяны четыре малоиндуктивных ленточных вывода, расположенных сод прямыми углами. Одна пара выводов, расположенных с проти­воположных сторон основания, — это выводы коллектора и базы, а другая пара — эмиттерные выводы. Корпус имеет два эмиттерных вывода, чтобы их индуктивность была минимальна. Герметизируют­ся все корпуса этой серии с помощью крышечки из алюмооксидной керамики, приклеиваемой к основанию. По сравнению с корпусами КТ4 и КТ7 корпуса с малоиндуктивными ленточными выводами обладают лучшими электрическими характеристиками и примерно одинаковыми тепловыми и механическими.



Рис. 2.3. Корпус КТ4



Рис. 2.4. Корпус КТ19

Конструкции с паяными и сварными соединениями более на­дежны с точки зрения герметичности, чем конструкции с герметизи­рующим клеевым швом. Для удешевления приборов и упрощения технологии ряд зарубежных фирм вместо приклейки керамических крышек использует для герметизации заливку кристаллов, собран­ных на основании из оксибериллиевой керамики, пластмассой. При­боры, герметизированные пластмассой, могут использоваться в аппа­ратуре, от которой не требуется высокая стойкость к внешним воздействиям или которая герметизируется целиком после сборки.

В корпусе КТ19 могут собираться приборы, рассеивающие мощ­ность до 300 Вт. Такую мощность они могут рассеивать, только если коллекторный переход в кристалле работает при температуре, равной 200 °С, т.


е. при предельно допустимой температуре, и если от корпуса осуществляется идеальный отвод тепла, т. е. его темпе­ратура равна 25°С. Иначе говоря, тепловое сопротивление прибо­ров в корпусе К.Т19 (между переходом и монтажной поверхностью фланца) не может быть сделано меньше, чем 01,6°С/Вт. Если же мы хотим работать не при предельной температуре перехода, а, скажем, на 25° ниже и если отвод тепла осуществляется путем прижатия корпуса к охлаждаемому теплоотводу, то мощность, рассеиваемая прибором в корпусе К.Т19, не превысит 190 Вт. (Тепловое сопротив­ление между этим корпусом и теплоотводом, к которому он при­жимается, не может быть меньше, чем 0,2 °С/Вт.)

Для более мощных приборов корпуса, подобные КТ19, нельзя считать перспективными, так как дальнейшее увеличение диаметров керамического основания и столика, на который оно припаивается, не позволит обеспечить в керамике безопасный уровень механиче­ских напряжений. Рассчитывать на эффективный отвод мощности около 300 — 400 Вт и выше при не слишком высоких температурах кремниевого кристалла можно, только если использовать для охлаж­дения жидкость, протекающую непосредственно над кристаллом (например, фреон), или если создавать корпуса, непосредственно охлаждаемые водой. Подобный корпус был описан в [21], где со­общается о разработке транзистора, предназначенного для работы в диапазоне 1,5 — 30 МГц, отдающего и рассеивающего мощность до 500 Вт. Охлаждение этого корпуса осуществляется потоком воды, проходящей под давлением 3 атм. мимо медных ребер, расположен­ных непосредственно под тонкой медной пластиной, на которую на­паяны прокладки из оксибериллиевой керамики со смонтированными на них кристаллами.

На практике не удается полностью использовать тепловые и электрические характеристики, которыми обладает полупроводнико­вый кристалл с созданной в нем транзисторной структурой. Следую­щим шагом в этом направлении может явиться создание гибридных интегральных схем линейных широкополосных ВЧ усилителей, куда непосредственно будут монтироваться на теплопроводящую подлож­ку кристаллы со структурами мощных ВЧ транзисторов (так назы­ваемые бескорпусные транзисторы).


Однако это возможно при на­дежной герметизации блока усилителя и когда можно без проверки считать, что структура обладает всеми необходимыми ВЧ парамет­рами. Современный уровень технологии не позволяет обойтись без проверки ВЧ параметров на стадии изготовления приборов. Поэтому в качестве подходящего решения следует рекомендовать создание так называемых малокорпусных транзисторов — подложек из окси­бериллиевой керамики с ленточными выводами, на которые вмонти­рованы кристаллы и которые герметизированы с помощью крышечек. Такие подложки могут прямо припаиваться к теплоотводящим пла­там, на которых смонтированы гибридные ВЧ усилители.

В отличие от бескорпусных транзисторов, малокорпусные могут быть предварительно проверены по всем основным электрическим параметрам. В то же время они герметичны и по своим габаритам существенно меньше обычных мощных ВЧ транзисторов с монтаж­ными винтами или фланцами.

 

2.3. ОСОБЕННОСТИ СБОРКИ

Итак, одно из существенных требований, предъявляемых К конструкциям корпусов ВЧ транзисторов, заключается в том, что кристалл, собранный в корпус, не должен потерять те потенциальные возможности, которые в нем заложены. Это же требование в полной мере относится и к сборке кристаллов в корпуса: сборка должна обеспечивать максимальную реализацию потенциальных возможно­стей, заложенных в транзисторной структуре.

Сборка включает в себя две операции — напайку кристаллов на основание из оксибериллиевой керамики и монтаж внутренних вы­водов. При напайке кристаллов на основание необходимо, во-пер-вых, обеспечивать, чтобы тепловое сопротивление, вносимое пере­ходными слоями, было минимальным, и, во-вторых, не допускать появления под кристаллом участков, через которые поток тепла был бы затруднен.

При сборке мощных ВЧ транзисторов практически никогда не используются мягкие припои, так как они не обладают высокой теп­лопроводностью и, помимо этого, очень трудно получать при пайке достаточно тонкий слой мягкого припоя.


Пайку осуществляют с по­мощью эвтектического сплава золото — кремний или с помощью прокладок из чистого золота. В первом случае нижнюю поверхность кристалла и тот участок металлизации керамического основания, на который напаивается кристалл, предварительно покрывают золотом (с подслоем никеля). Пайку проводят при температуре 400 — 450°С в атмосфере инертного газа (температура плавления эвтектики золо­то — кремний — около 370 °С). Во втором случае нижнюю сторону кристалла ничем не покрывают. При механическом взаимодействии кристалла кремния и золотой прокладки, нагретых до 450 °С, обра­зуется покрывающий нижнюю сторону кристалла слой эвтектики, ко­торый облуживает затем и покрытую золотом металлизацию кера­мического основания. Тепловое сопротивление эвтектического сплава золото — кремний сравнительно невелико, но для того, чтобы пере­ходное тепловое сопротивление между кристаллом и основанием было малым, необходимо иметь минимальную толщину слоя эвтек­тики. В принципе толщина этого слоя может составлять 5 — 7 мкм, но для этого необходимо, чтобы площадка для монтажа кристалла была достаточно плоской и чтобы покрывающая ее молибдено-мар-ганцевая паста не имела больших неровностей. Иначе все эти не­ровности приходится заполнять слоем эвтектики, и толщина его мо­жет заметно возрасти. В связи с этим целесообразно керамические подложки предварительно полировать и вместо нанесения молибде-но-марганцевой пасты с последующим ее вжиганием применять на­пыленный на керамику при высокой температуре подслой вольфрама или молибдена с последующим никелированием или золочением.

Второе требование, которое необходимо выполнить при напайке, заключается в отсутствии под напаянным кристаллом участков с по­вышенным тепловым сопротивлением. Такие участки могут возник­нуть и вблизи больших неровностей подложки, и вследствие обра­зования при пайке пузырей, но главная причина их появления — не­достаточно хорошее облуживание эвтектическим сплавом золото — кремний поверхности кристалла или подложки.


Такие плохо облу- женные участки могут стать местами локального перегрева транзи­сторной структуры, в результате чего может произойти вторичный пробой. Для борьбы с этим явлением необходимо, как уже говори­лось, обеспечивать высокую плоскостность и малую шероховатость подложки, а также высокое качество облуживания кристалла. Иног­да даже идут на то, чтобы предварительно облуживать кристалл эвтектикой золото — кремний и лишь затем, после контроля каче­ства облуживания, напаивать кристалл на подложку.

В качестве внутренних проволочных выводов мощных ВЧ тран-чисторов обычно используется алюминиевая проволока диаметром 30 — 80 мкм, присоединяемая к контактным площадкам на кристалле и к металлизации керамического основания корпуса с помощью уль­тразвуковой компрессии. Если для металлизации, создаваемой на кри­сталле кремния, используется не алюминий, а другой металл или система из нескольких металлических слоев, материалом для внут­ренних выводов может служить золотая проволочка. В этом случае для присоединения выводов используется не ультразвуковая ком­прессия, а метод термокомпрессни, когда на проволоку, прижатую к контактной площадке, одновременно действуют нагрев и давление (иногда в сочетании с ультразвуковыми колебаниями).

Основные требования, предъявляемые к внутренним выводам, заключаются в том, что они должны обеспечить протекание через транзистор максимально допустимого тока без существенного на­грева по сравнению с кристаллом и корпусом, а также в том, что общая индуктивность этих выводов должна быть достаточно малой. С этих точек зрения надо стремиться к тому, чтобы выводы были короткими. Короткие выводы обладают меньшей индуктивностью и меньше нагреваются (так как от них эффективнее отводится тепло к кристаллу кремния и к корпусу). Для уменьшения общей индук­тивности оказывается недостаточно уменьшать длину выводов» а приходится увеличивать и их число, хотя это увеличивает трудо­емкость сборочных операций. В очень мощных транзисторах, макси­мальные токи которых могут достигать десятков ампер, для умень­шения плотности токов и снижения суммарной индуктивности эмит-терного вывода приходится осуществлять целый комплекс мер: по­мимо введения двух внешних эмиттерных выводов создавать в кор­пусе эмиттерные токоведущие дорожки с двух сторон от кристалла и создавать две системы эмиттерных выводов, соединенных с этими двумя дорожками.Экспериментальная проверка показывает, что эти мероприятия существенным образом увеличивают коэффициент уси­ления ВЧ транзисторов.

Итак, для создания современных мощных ВЧ транзисторов не­достаточно правильно спроектировать транзисторную структуру. Не­обходимо разработать и осуществить ряд сложнейших технологиче­ских процессов по созданию этой структуры. При этом именно до­стигнутый в настоящее время технологический уровень не позволяет получить желаемые значения и достаточно малый разброс парамет­ров приборов. Очень многое зависит от корпуса транзистора и от сборки кристалла в корпусе, так как недостаточно современная кон­струкция корпуса или невыполнение всех необходимых условий при сборке приводят к тому, что большие потенциальные возможности» заложенные в кристалле, не реализуются в готовом транзисторе.

ГЛАВА ТР ЕТЬЯ


Содержание раздела