[发明专利]改进的射频功率晶体管

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅双极射频功率晶体管，尤其涉及一种用在蜂窝基站、电视发射机等中的使用高压电源的离散晶体管。

发明背景

用作高频功率放大的双极晶体管被广泛地用于通信系统的输出部分中。高频晶体管在50年代后期首先利用锗制造，但是在60年代初期很快便被硅双极晶体管代替，并从此占领了射频功率领域[1]。对于蜂窝无线电通信，双极晶体管在基站输出放大器中正在占据统治地位，并可以得到高达2GHz，100瓦输出功率的性能，并具有好的稳定性、可靠性和价格。对于这类应用可供选择的其它技术是GaAs MESFET和横向扩散的MOS晶体管(LD-MOS)。因为快速扩展的通信市场，进一步改进现有技术以及开发新的类型的器件具有强大的驱动力。目前计算机工具不仅能够预测在实际应用中的详细的行为或性能，而且主要借助于实验方法可以实现最佳性能。

功率晶体管专门被设计用于提供高的输出功率和高的增益。为此目的，制造工艺、器件参数、布局和封装已经进行过仔细地调整。这些器件需要满足许多详细的要求，其中包括击穿电压、直流增益或跨导、电容、射频增益、耐用性、噪声系数、输入/输出阻抗、失真等。工作频率范围从几百MHz到GHz。功率晶体管在大的信号值和高的电流密度下操作。当必须考虑特殊的要求时，起始输出功率大约是1瓦，和“正常”的IC型晶体管相比，这可作为功率器件的不精确的定义。

双极晶体管通常被设计成在一个小片上只使用n型(即NPN)器件。集电极层(n^-外延)被外延地淀积在n⁺衬底上。基极和发射极通过在外延层的顶部扩散或离子植入而形成。借助于改变掺杂的分布图形，可以实现不同的频率和击穿电压特性。输出功率要求高达几百瓦，有时几千瓦，并借助于在一个小片上并联许多晶体管元件或者借助于在一个封装内并联几个小片实现高的输出功率。封装通常具有大的镀金的散热器，以便除去由芯片产生的热量。

关于直流数据，BV_CEO(当基极开路时的集电极-发射极击穿电压)是最受限制的参数，按照常规被设计为大于V_CC(对于这类器件一般的电源电压范围为24-28伏)。关于晶体管击穿电压和电流增益β或hFE的关系的熟知的实验公式如下(见参考文献[2])： BV CEO = BV CBO β n - - - ( 1 ) ]]>

其中BV_CEO已经被定义过，BV_CBO是在发射极开路时的集电极-基极击穿电压，n是和BC结击穿的性质有关的实验常数，通常在2.5到4.5之间。对于给定的外延掺杂和器件设计(常数n)，BV_CBO是常数，此时BV_CEO和β直接相关：较高的β产生较低的BV_CEO。n可以借助于不同的掺杂分布图形被改进，以便确保BV_CBO的性质尽可能接近一维结(one-dimensional)的情况。

为了获得能够输出高功率的器件，应当尽可能高的选择集电极层的掺杂，以便抑制高电流现象，例如克尔效应。高掺杂的集电极层也具有损耗区域较小的优点，这使得能够选择较薄的外延层，具有较小的寄生电阻和较好的高频性能，不受厚度限制的击穿的限制。其问题是按照公式(1)增加的集电极掺杂不可避免地导致低的BV_CBO，因而导致低的BV_CEO。