[发明专利]射频功率晶体管的镇流监控

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明涉及功率晶体管，更具体地涉及硅双极型射频(RF)功率晶体管。这种晶体管通常用于无线电基站放大器的放大级，但也广泛用于其他有关射频的应用中。

2.技术水平

用于高频功率放大的晶体管器件需要在特定的电源电压和工作频率下，对输出功率、增益、耐久性、效率、稳定性、带宽等满足许多细致的要求。现代电讯电子学的工作频率范围从几百兆赫率一直到微波区。输出功率要求从几瓦到几百瓦，并在一个封装中使用许多并联的器件。功率晶体管工作在大信号状态和高电流密度下。近来可用的计算机工具通常不足以预测现实应用中的详细行为或性能。

最常用于功率晶体管(频率至少在3GHz以下)的半导体材料是硅。另外由于电子的迁移率比空穴更高，实际上所有微波双极型晶体管都是NPN型。在n⁺晶片上外延的n型用作起始材料以减小集电极串联电阻。绝缘层形成在半导体表面，基极和发射极层通过扩散和/或离子注入形成。不同的掺杂侧面产生不同的频率特性和击穿电压特性，而不同的平面几何形状产生具有不同电流容量的晶体管。

交指型、覆盖式(overlay)和网状(mesh)结构被用来减小功率晶体管有源区的面积和减小寄生现象，并操作和分布晶体管中的大量电流，以及提供热扩散。交指结构10如图1和图2所示。参照图1，一对交指基极和发射极电极B和E分别淀积在盖住集电极扩散区11的氧化层上，如虚线所示。如图2所示，在集电极扩散区11中交替的基极扩散区13和发射极扩散区15分别位于基极和发射极电极B和E的指形之下。一个晶体管由集电极衬底(N)、一个基极扩散区(P)和一个发射极扩散区(N)形成。金属发射极指16淀积在发射极扩散区上，金属基极指14淀积在基极扩散区上，所有基极指和所有发射极指分别连接在一起，这样所有单个晶体管并联在一起。

参照图3和图4，覆盖结构和交指结构不同，其中扩散区(基极和发射极)和电极指(基极和发射极)相互垂直。发射极电极指直接覆盖在发射极扩散区上，通过氧化层和基极扩散区分开。发射极扩散区是不连续的，以使基极指在相邻两个发射极扩散区之间通过，并与不同的基极扩散区连接起来。基极扩散区是连续的。

参照图5和图6，在典型的网状结构功率晶体管中，基极扩散岛13形成在环绕的发射极扩散区15中。两个基极扩散区通过在发射极电极指16两边的相邻的基极电极指14a和14b连接起来。

硅单元10′的传统金属层布线如图7所示。因为双极型晶体管中的热不稳定性，必须采用技术来均匀分布晶体管中的电流。因此在晶体管的每一部分都加上电阻，这样流过单个发射极的电流增大通过电阻可得到限制。这一技术被称为发射极镇流。电阻Re和每个发射极指串联形成，可用扩散、离子注入的方法，或用在二氧化硅上淀积合适的金属(如镍铬合金，NiCr)的方法。所有的电阻通过发射极电极E连接在一起。发射极焊盘17用来把引线焊接到发射极电极E上。类似地，所有的基极指通过基极电极B连接在一起，基极焊盘19用来把引线焊接到基极电极B上。

在很多情况中，除了发射极镇流外，还需要能够监控流经晶体管的电流。采用闭环反馈技术，晶体管偏压可得到控制以保持晶体管电流在所需范围内。在现有技术中，监控流经晶体管的电流量一般用串联在晶体管集电极-基极电流途径上的外部电阻来实现。这种外部电阻要消耗功率并降低效率。使用这种分立元件还会增加成本和增大组装出错的可能性。

于是所需要的是一种器件和方法，其中流经RF功率晶体管的电流不需采用任何外部元件而得到监控。

                          发明概述