Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

ной частоте позволяет построить кривую высокочастотного насы­ щения, примерный ход которой представлен на рис. 9.11. Это может быть выполнено, например, в схеме конкретного усилителя мощ­ ности, работающего в классе В или С. Для сравнения на рис. 9.11 представлены выходные характеристики транзистора в статических условиях.

На основании работ [165, 176] рост напряжения насыщения при больших плотностях тока на высокой частоте из-за явлений, связанных с концентрацией тока, соответствует ухудшению уси­ лительных свойств транзистора в режимах, близких к режиму на­

сти. Таким образом, необходимо иметь в виду, что усилительные свойства транзистора в области слева от кривой высокочастотного насыщения значительно ухудшаются (особенно в том случае, когда транзистор работает в режиме класса В или С на частотах, приб­ лижающихся к /V). В этом заключается основной смысл кривой насыщения на высокой частоте. Положение этой кривой изменяется с частотой; в работе [194] показано, например, что значение высо­ кочастотного сопротивления насыщения в условиях большого сиг­ нала увеличивается в 2 раза в диапазоне частот от 40 до 200 МГц.

Поскольку построение кривой насыщения на высокой частоте

можно выполнить более простые измерения критического тока кол­ лектора / к р при различных напряжениях UKg. Критический ток коллектора на высокой частоте был определен ранее как ток, при котором значение | В | падает в ] / 2 раз по сравнению со своим мак­ симальным значением (т. е., вообще говоря, выбран довольно ус­

260

строить так называемую линию критического режима, ход кото­ рой аналогичен линии высокочастотного насыщения, а наклон ее в области малых напряжений соответствует некоторому"характеристйческому сопротивлению г н а с о (по терминологии автора [165]). Хотя значение г н а с о не совпадает с фактическим значением сопро­ тивления насыщения на высокой частоте, поскольку их оценка проводится при разных условиях, между ними существует оче­ видная корреляция.

Из рассмотрения соотношения (9.26) становится очевидной важная роль UKH (вч) как параметра,определяющего уровень выход­

В связи с этим нецелесообразно использовать транзисторы с боль­ шими значениями пробивного напряжения для низковольтных передающих устройств, работающих на высокой частоте, поскольку такие транзисторы изготавливаются на высокоомном кремнии и, следовательно, имеют большие значения (Ук н (вч).

Коэффициент полезного действия. Полный коэффициент по­ лезного действия усилительного транзисторного каскада опреде­ ляется как

g 1 — отношение амплитуды первой гармоники к величине постоян­ ной составляющей тока коллектора, а также коэффициент исполь­

261

9.3. Технологические особенности производства СВЧ транзисторов

Необходимость сочетания таких противоречивых требований, как высо­ кая рабочая частота и большой уровень мощности (при условии устойчивости по отношению ко вторичному пробою) при изготовлении мощных СВЧ тран­ зисторов приводит к тому, что при разработке и промышленном производстве каждого конкретного прибора данного класса приходится решать целый ряд сложных технологических задачу,

1.Создание прецизионных фотошаблонов.

2.Выращивание эпитаксиальных пленок кремния с необходимыми параметрами.

3.Разработка воспроизводимой технологии диффузионно-окислитель­

ных процессов с учетом малой глубины залегания р-п переходов.

/ * 4. Выбор материала и методики создания омических контактов, а также ^стабилизирующих эмиттерных сопротивлений.

5. Разработка технологии многократной прецизионной фотолитогра­ фии двуокиси кремния S i 0 2 и различных металлических пленок.

Что касается малосигнальных СВЧ транзисторов, то основные усилия |При разработке технологии их производства направлены на осуществление высокоточных процессов диффузионного легирования, чтобы создать исклю­ чительно мелкие р-п переходы с резкими градиентами концентраций. Не­ сомненно, остаются проблемы, связанные с фотолитографической обработкой и созданием омических контактов.

Создание фотошаблонов (фотомасок) для получения окон необходимой конфигурации в окисной пленке и заданного рисунка металлизации является конечным этапом разработки топологии транзистора.

При разработке СВЧ транзисторов к фотошаблонам предъявляются гораздо более жесткие требования, что связано с исключительно малыми раз­ мерами отдельных элементов и межэлементных расстояний. Так, в случае СВЧ транзисторов, рассчитанных для работы в диапазоне частот 400—500 МГц при уровне колебательной мощности 5—15 Вт минимальные значения меж­ элементных расстояний составляют 2,5—3 мкм (например, от границы кон­ тактного окна в эмиттере или базе до границы эмиттерного перехода).

Если же рабочие частоты лежат в диапазоне 1—3 ГГц, минимальные зазоры могут составлять 1 —1,5 мкм. Обычно для создания структуры СВЧ транзистора используется пять-шесть различных фотошаблонов, например: охранное кольцо; база; эмиттер; контактная область базы; контактная об­ ласть эмиттера; металлизация.

В зависимости от специфики того или иного типа транзистора некоторые из перечисленных выше фотошаблонов могут отсутствовать, зато возможны другие (р+-область, стабилизирующие сопротивления и т. д.).

Как и для обычных пленарных транзисторов, изготовление фотомасок осуществляется в два этапа: сначала получают исходные фотошаблоны («фо­ тооригиналы»), а затем с помощью контактной печати рабочие.

Д л я изготовления фотооригиналов используются объективы с разрешаю­ щей способностью 800—1000 линий/мм. При этом разрешающая способность фотопластин должна быть еще выше (обычно она составляет 1800—2000 ли­ ний/мм). Весьма перспективным методом представляется перенесение изобра­ жения при изготовлении фотооригиналов с помощью луча лазера.

Величина допусков при изготовлении фотооригиналов зависит от раз­ меров самых маленьких элементов топологии транзисторной структуры. Например, если эти размеры составляют 8—10 мкм, то достаточно иметь допуск ± 0 , 5 мкм. При размерах 2—3 мкм требования к допускам гораздо жестче: ± 0 , 2 мкм. Неровность края в первом случае не должна превышать 0,5 мкм, во втором — 0,1 мкм.

Существует еще целый ря д требований, предъявляемых к исходным фотошаблонам: отсутствие вуали, большая контрастность изображения (т. е. резкость границы между прозрачными и непрозрачными областями),

262

максимальная плотность темных полей, минимальный процент бракованных элементов (2—3%) и т. д.

Рабочие фотошаблоны получают на оптических стеклах, на поверхность которых производится напыление хрома толщиной 0,3—0,4 мкм, а затем перенесение рисунка с фотооригиналов методом фотолитографии. Основные требования, предъявляемые к фотооригиналам, естественно, распространя­ ются и на рабочие фотомаски. Трудности при изготовлении рабочих фотома­ сок обычно возникают или из-за недостаточного качества напыляемого хрома (пористость, плохая адгезия) или из-за технологических нарушений при кон­ тактной печати, в результате чего может нарушиться совмещение элементов по площади пластины (или даже в пределах одной структуры).

Следующим важным вопросом, который приходится решать при разраработке СВЧ транзисторов, является выбор правильного номинала удель­ ного сопротивления и толщины эпитаксиалышх пленок, а также методики получения и контроля этих пленок.

Как было показано ранее, параметры эпитаксиалышх пленок опре­ деляют целый ряд очень важных электрофизических характеристик транзис­

=RKCK, напряжение насыщения на высокой частоте и т. д., а также ус­

тойчивость по отношению ко вторичному пробою. Д л я данной топологии тран­ зистора величина критического тока коллектора (см. § 4.2) обратно пропор­ циональна величине удельного сопротивления кремния, и с этой точки зре­ ния необходимо выбирать материал с достаточно высокой исходной концент­ рацией примесей. С другой стороны, это может привести к тому, что не будет обеспечен заданный уровень пробивного напряжения или зарядная емкость коллекторного перехода окажется слишком завышенной. На рис. 9.12 приве­ дена типичная корреляция критического тока и емкости коллектора, полу­ ченная для СВЧ транзисторов типа КТ904 (3 Вт, 400 МГц) [195].

При выбранной геометрии транзистора и определенном характере диф­

263