專利名稱：射頻功率晶體管的鎮(zhèn)流監(jiān)控的制作方法
背景技術(shù)：
1.發(fā)明領(lǐng)域本發(fā)明涉及功率晶體管，更具體地涉及硅雙極型射頻(RF)功率晶體管。這種晶體管通常用于無(wú)線電基站放大器的放大級(jí)，但也廣泛用于其他有關(guān)射頻的應(yīng)用中。
2.技術(shù)水平用于高頻功率放大的晶體管器件需要在特定的電源電壓和工作頻率下，對(duì)輸出功率、增益、耐久性、效率、穩(wěn)定性、帶寬等滿足許多細(xì)致的要求?，F(xiàn)代電訊電子學(xué)的工作頻率范圍從幾百兆赫率一直到微波區(qū)。輸出功率要求從幾瓦到幾百瓦，并在一個(gè)封裝中使用許多并聯(lián)的器件。功率晶體管工作在大信號(hào)狀態(tài)和高電流密度下。近來(lái)可用的計(jì)算機(jī)工具通常不足以預(yù)測(cè)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的詳細(xì)行為或性能。
最常用于功率晶體管(頻率至少在3GHz以下)的半導(dǎo)體材料是硅。另外由于電子的遷移率比空穴更高，實(shí)際上所有微波雙極型晶體管都是NPN型。在n+晶片上外延的n型用作起始材料以減小集電極串聯(lián)電阻。絕緣層形成在半導(dǎo)體表面，基極和發(fā)射極層通過(guò)擴(kuò)散和/或離子注入形成。不同的摻雜側(cè)面產(chǎn)生不同的頻率特性和擊穿電壓特性，而不同的平面幾何形狀產(chǎn)生具有不同電流容量的晶體管。
交指型、覆蓋式(overlay)和網(wǎng)狀(mesh)結(jié)構(gòu)被用來(lái)減小功率晶體管有源區(qū)的面積和減小寄生現(xiàn)象，并操作和分布晶體管中的大量電流，以及提供熱擴(kuò)散。交指結(jié)構(gòu)10如

圖1和圖2所示。參照?qǐng)D1，一對(duì)交指基極和發(fā)射極電極B和E分別淀積在蓋住集電極擴(kuò)散區(qū)11的氧化層上，如虛線所示。如圖2所示，在集電極擴(kuò)散區(qū)11中交替的基極擴(kuò)散區(qū)13和發(fā)射極擴(kuò)散區(qū)15分別位于基極和發(fā)射極電極B和E的指形之下。一個(gè)晶體管由集電極襯底(N)、一個(gè)基極擴(kuò)散區(qū)(P)和一個(gè)發(fā)射極擴(kuò)散區(qū)(N)形成。金屬發(fā)射極指16淀積在發(fā)射極擴(kuò)散區(qū)上，金屬基極指14淀積在基極擴(kuò)散區(qū)上，所有基極指和所有發(fā)射極指分別連接在一起，這樣所有單個(gè)晶體管并聯(lián)在一起。
參照?qǐng)D3和圖4，覆蓋結(jié)構(gòu)和交指結(jié)構(gòu)不同，其中擴(kuò)散區(qū)(基極和發(fā)射極)和電極指(基極和發(fā)射極)相互垂直。發(fā)射極電極指直接覆蓋在發(fā)射極擴(kuò)散區(qū)上，通過(guò)氧化層和基極擴(kuò)散區(qū)分開(kāi)。發(fā)射極擴(kuò)散區(qū)是不連續(xù)的，以使基極指在相鄰兩個(gè)發(fā)射極擴(kuò)散區(qū)之間通過(guò)，并與不同的基極擴(kuò)散區(qū)連接起來(lái)?；鶚O擴(kuò)散區(qū)是連續(xù)的。
參照?qǐng)D5和圖6，在典型的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)功率晶體管中，基極擴(kuò)散島13形成在環(huán)繞的發(fā)射極擴(kuò)散區(qū)15中。兩個(gè)基極擴(kuò)散區(qū)通過(guò)在發(fā)射極電極指16兩邊的相鄰的基極電極指14a和14b連接起來(lái)。
硅單元10′的傳統(tǒng)金屬層布線如圖7所示。因?yàn)殡p極型晶體管中的熱不穩(wěn)定性，必須采用技術(shù)來(lái)均勻分布晶體管中的電流。因此在晶體管的每一部分都加上電阻，這樣流過(guò)單個(gè)發(fā)射極的電流增大通過(guò)電阻可得到限制。這一技術(shù)被稱為發(fā)射極鎮(zhèn)流。電阻Re和每個(gè)發(fā)射極指串聯(lián)形成，可用擴(kuò)散、離子注入的方法，或用在二氧化硅上淀積合適的金屬(如鎳鉻合金，NiCr)的方法。所有的電阻通過(guò)發(fā)射極電極E連接在一起。發(fā)射極焊盤17用來(lái)把引線焊接到發(fā)射極電極E上。類似地，所有的基極指通過(guò)基極電極B連接在一起，基極焊盤19用來(lái)把引線焊接到基極電極B上。
在很多情況中，除了發(fā)射極鎮(zhèn)流外，還需要能夠監(jiān)控流經(jīng)晶體管的電流。采用閉環(huán)反饋技術(shù)，晶體管偏壓可得到控制以保持晶體管電流在所需范圍內(nèi)。在現(xiàn)有技術(shù)中，監(jiān)控流經(jīng)晶體管的電流量一般用串聯(lián)在晶體管集電極-基極電流途徑上的外部電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種外部電阻要消耗功率并降低效率。使用這種分立元件還會(huì)增加成本和增大組裝出錯(cuò)的可能性。
于是所需要的是一種器件和方法，其中流經(jīng)RF功率晶體管的電流不需采用任何外部元件而得到監(jiān)控。
發(fā)明概述總地說(shuō)來(lái)，本發(fā)明提供了一種器件和方法，由此流經(jīng)RF功率晶體管的電流不需采用任何外部元件而得到監(jiān)控。更具體地，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案，RF功率晶體管包括一硅片，一對(duì)形成在硅片上的交指電極，每個(gè)電極具有許多平行電極指和至少一個(gè)焊盤。第一類型擴(kuò)散區(qū)形成在這對(duì)交指電極中一個(gè)電極的電極指下面，第二類型擴(kuò)散區(qū)形成在這對(duì)交指電極中另一個(gè)電極的電極指下面。一個(gè)電極有多個(gè)電極指和多個(gè)電阻形成在硅片上，至少有一個(gè)電阻和每個(gè)電極指串聯(lián)連接。另一個(gè)電極形成時(shí)具有至少一個(gè)電極指并連接到另一個(gè)焊盤，而且至少有一個(gè)電阻形成在硅片上，并和這另一個(gè)電極串聯(lián)連接。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案，提供了一種方法在RF晶體管電路中監(jiān)測(cè)和控制集成RF晶體管中的電流。集成RF晶體管具有多個(gè)發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻和一個(gè)電路，包括監(jiān)控電流的焊盤。RF晶體管電路包括連接到焊盤的偏壓控制和反饋電路。流經(jīng)至少一個(gè)發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻的電流被導(dǎo)向監(jiān)控電流的電路。通過(guò)采用偏壓控制和反饋電路，流經(jīng)集成RF晶體管的電流受到影響。
附圖簡(jiǎn)述本發(fā)明結(jié)構(gòu)附圖通過(guò)以下詳述可得到進(jìn)一步理解。附圖中圖1是交指RF功率晶體管幾何形狀的平面圖；圖2是圖1的RF功率晶體管的截面圖；圖3是覆蓋式RF功率晶體管幾何形狀的平面圖；圖4是圖3的RF功率晶體管的截面圖；圖5是網(wǎng)狀RF功率晶體管幾何形狀的平面圖；圖6是圖5的RF功率晶體管的截面圖；圖7是交指型RF功率晶體管的傳統(tǒng)布線的平面圖；圖8是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的交指RF功率晶體管的平面圖；圖9是圖8RF功率晶體管的一部分的放大平面圖；以及圖10是包括圖8RF功率晶體管的RF晶體管電路的結(jié)構(gòu)示意圖。
優(yōu)選實(shí)施方案詳述參照?qǐng)D8，繪出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案的RF功率晶體管40的平面圖。和交指型RF功率晶體管的傳統(tǒng)布線相比，一個(gè)或多個(gè)發(fā)射極電極指En+1、En+2，不是象通常那樣和其余的發(fā)射極電極指E1……En一起連接到發(fā)射極電極E，而是連接到分離的焊盤R。盡管圖8中畫出了靠近晶體管列末端的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射極電極指連接到分離焊盤R，但沿著晶體管列任何一個(gè)或多個(gè)位置的一個(gè)或多個(gè)發(fā)射極電極指都可這樣連接。另外，盡管未畫出，覆蓋式和網(wǎng)狀晶體管單元可根據(jù)相同的原理來(lái)布局。
晶體管40的一部分41，包括發(fā)射極電極指En+1、En+2和焊盤R，在圖9中更詳細(xì)地畫出。
因?yàn)榘l(fā)射極電極指所屬的晶體管和晶體管列中剩下的晶體管經(jīng)受相同的熱學(xué)和工藝變化，所以如果焊盤E和R連接到相同的負(fù)載(例如，象在典型情況中那樣都接地)，那么焊盤R的電流輸出可表示焊盤E的電流輸出。更具體地，電流IR基本上是電流IE的固定的一部分。通過(guò)無(wú)干擾地監(jiān)測(cè)電流IR，就可得到流過(guò)晶體管總電流的非常精確的指示。
可無(wú)干擾地監(jiān)測(cè)電流IR的一種方法是產(chǎn)生電流IR的復(fù)制電流IR′，其產(chǎn)生方法如美國(guó)專利5,258,714所述，此引入作為參考。參照?qǐng)D10，集成RF晶體管40可認(rèn)為是包括許多并聯(lián)的晶體管Q1……Qn，即其上加有相同的集電極-發(fā)射極電壓和相同的基極-發(fā)射極電壓。晶體管Q1……Qn每個(gè)都使其發(fā)射極通過(guò)發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻re連接到地。不過(guò)，對(duì)晶體管Qn，其發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻單獨(dú)制作成可接到晶體管封閉的外部，因此稱作riso。假定發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻接地從而電流IR流經(jīng)該電阻。
電流IR用電路51復(fù)制以產(chǎn)生電流IR′，比如用前述美國(guó)專利5,258,714所述的電路。這一電流輸入到反饋和偏壓控制電路50中。反饋和偏壓控制電路50包括運(yùn)算放大器(op-amp)53。連接到運(yùn)算放大器反相輸入端的是提供電流IR′的電路51的輸出引線和接地的電容C。連接到運(yùn)算放大器同相輸入端的是包括電阻R1和R2的分壓網(wǎng)絡(luò)。分壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)參考電壓Vref進(jìn)行分壓，并把所得電壓輸入到運(yùn)算放大器的同相輸入端。運(yùn)算放大器的輸出端通過(guò)電阻Rb連接到晶體管封裝的基極引線。
在圖10RF晶體管電路的工作中，電流IR′對(duì)電容C充電到一定電壓。這一電壓在運(yùn)算放大器中和參考電壓的分壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生和其輸入電壓差成正比的輸出電壓。運(yùn)算放大器產(chǎn)生的輸出電壓使電流經(jīng)電阻Rb流入晶體管基極中，從而控制晶體管電流。
例如，假定晶體管40會(huì)變熱，以致產(chǎn)生過(guò)量的電流。于是電流IR′會(huì)增大，使運(yùn)算放大器的輸出電壓以及到晶體管的基極電流下降。因而流經(jīng)晶體管的電流會(huì)減小。RF晶體管電流用這種方式可自動(dòng)調(diào)節(jié)。另外，不需在晶體管集電極-發(fā)射極電流途徑中串聯(lián)入任何外部元件，就可產(chǎn)生這一自動(dòng)調(diào)節(jié)行為。
通過(guò)在控制方式中改變參考電壓Vref，可得到不同的晶體管工作狀態(tài)。例如，根據(jù)特定的調(diào)制方案，流經(jīng)晶體管的電流可以被調(diào)制。另外，還可得到不同的工作類別。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明可由那些本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員以其他具體形式來(lái)實(shí)施，而不脫離本發(fā)明的精神和本質(zhì)特點(diǎn)。因此現(xiàn)在公開(kāi)的實(shí)施方案在各方面都應(yīng)認(rèn)為是示意性的而不是限制性的。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求來(lái)指明，而不是由前面的詳述來(lái)指明，在其等效含義和范圍中的所有變化都應(yīng)包含在其中。
權(quán)利要求
1.一種RF功率晶體管，包括硅片；一對(duì)形成在硅片上的交指電極，每個(gè)電極具有許多平行電極指，以及每個(gè)包含至少一個(gè)焊盤；形成在交指電極對(duì)一個(gè)電極的電極指下面的第一類型擴(kuò)散區(qū)，和形成在交指電極對(duì)另一個(gè)電極的電極指下面的第二類型擴(kuò)散區(qū)；形成在硅片上的許多電阻，至少有一個(gè)電阻串聯(lián)連接到上述一個(gè)電極的每個(gè)電極指上；含有至少一個(gè)電極指并連接到另一個(gè)焊盤上的另一個(gè)電極；1)第一類型擴(kuò)散區(qū)和2)第二類型擴(kuò)散區(qū)之一的一個(gè)區(qū)，形成在所述另一個(gè)電極下面；以及形成在硅片上并串聯(lián)連接到所述另一個(gè)電極的至少另外一個(gè)電阻；其中所述第一類型擴(kuò)散區(qū)，所述第二類型擴(kuò)散區(qū)以及形成在所述另一個(gè)電極下面的擴(kuò)散區(qū)都形成在一個(gè)共同的擴(kuò)散阱中。
2.在包括集成RF晶體管的RF晶體管電路中，其中集成RF晶體管具有許多發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻，并有一個(gè)電路，包括監(jiān)控電流的焊盤，該RF晶體管電路還包括連接到上述焊盤的偏壓控制電路和反饋電路，一種監(jiān)測(cè)和控制流過(guò)集成RF晶體管的電流的方法，包括的步驟為通過(guò)至少一個(gè)發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻把電流導(dǎo)向所述監(jiān)控電流的電路中；以及用所述偏壓控制和反饋電路，影響流經(jīng)集成RF晶體管的電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的器件，還包括步驟在對(duì)其無(wú)明顯干擾的情況下復(fù)制流經(jīng)至少一個(gè)發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻的電流。
全文摘要
一般說(shuō)來(lái),本發(fā)明提供了一種器件和方法,由此流經(jīng)RF功率晶體管的電流不需采用任何外部元件而得到監(jiān)控。更具體地,根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案,RF功率晶體管包括硅片、一對(duì)形成在硅片上的交指電極,每個(gè)電極具有許多平行電極指和至少一個(gè)焊盤。第一類型擴(kuò)散區(qū)形成在這對(duì)交指電阻中一個(gè)電極的電極指下面,第二類型擴(kuò)散區(qū)形成在這對(duì)交指電極中另一個(gè)電極的電極指下面。一個(gè)電極有多個(gè)電極指和多個(gè)形成在硅片上的電阻,至少有一個(gè)電阻和每個(gè)電極指串聯(lián)連接。另一個(gè)電極形成時(shí)具有至少一個(gè)電極指并連接到另一個(gè)焊盤,而且至少有一個(gè)電阻形成在硅片上,并和這另一個(gè)電極串聯(lián)連接。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案,提供了一種方法在RF晶體管電路中監(jiān)測(cè)和控制集成RF晶體管中的電流。集成RF晶體管具有多個(gè)發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻和一個(gè)電路,包括監(jiān)控電流的焊盤。RF晶體管電路包括連接到焊盤的偏壓控制和反饋電路。流經(jīng)至少一個(gè)發(fā)射極鎮(zhèn)流電阻的電流被導(dǎo)向監(jiān)控電流的電路。通過(guò)采用偏壓控制和反饋電路,流經(jīng)集成RF晶體管的電流受到影響。
文檔編號(hào)H01L21/8222GK1171168SQ9519699
公開(kāi)日1998年1月21日 申請(qǐng)日期1995年11月1日 優(yōu)先權(quán)日1994年11月3日
發(fā)明者T·約翰森, L·萊頓 申請(qǐng)人:艾利森電話股份有限公司