[發明專利]改善微波/射頻功率放大器芯片熱失效的設計方法

無效

• 申請號: 201010233532.1
• 申請日: 2010-07-22
• 公開（公告）號: CN102339336A
• 公開（公告）日: 2012-02-01
• 發明（設計）人: 劉濤
• 申請（專利權）人: 沈陽中科微電子有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;H01L27/02
• 代理公司: 沈陽亞泰專利商標代理有限公司 21107
• 代理人: 韓輝

技術領域

本發明涉及一種微波/射頻功率放大器芯片設計方法，特別是涉及一種改善微波/射頻功率放大器芯片熱失效的設計方法。

背景技術

微波/射頻功率放大器芯片制造難度很大，技術附加值很高。國際上，該領域的研究已開展了數十年，而國內商用高頻功率放大器的研究仍舊很落后。因此，研究商用高頻功率放大器對于推動無線通信系統關鍵部件的國產化具有十分重要的意義。

微波/射頻功率放大器芯片是由半導體襯底材料以及在其上制作的晶體管和無源器件構成。熱失效是微波/射頻功率放大器芯片的一種重要的失效機制，它表現當晶體管工作電流密度比較高時，在自身發熱和鄰近器件的散熱的作用下器件溫度的很快升高，溫度對電流的正反饋效應導致器件性能變壞甚至失效，又稱為增益塌陷效應。對于商用無線通信終端的射頻功率放大器芯片，其尺寸都在1mm²以下，而最大發射功率要達到28～34dBm(在這里dBm即分貝毫瓦，)，因此功率密度是非常大的，在這種情況下熱設計是非常重要的。

對于單指小面積晶體管，由于其共射電流增益隨著溫度的增加而降低，降低了熱電反饋和熱不穩定性。同時，由于小尺寸器件由于電流分布均勻，不易出現發射極電流集聚效應，因而熱分布比較均勻。因此，在常偏壓下，單指小發射極面積晶體管不會發生熱不穩定性。

但是對于功率放大器芯片而言，大的功率輸出要求多個晶體管并聯來提高輸出功率，由于熱源在芯片上高度集中，使器件的結溫升高。局部溫度較高使得基區禁帶寬度變窄，變窄的結果使局部的電流加大，熱電反饋產生更大的熱量。同時大發射極尺寸易出現的發射極電流集聚效應會產生局部過熱點，反向注入電流增大，出現電流增益塌陷。由于大面積HBT的電流塌陷問題很難解決，所以在電路中，輸出電流較大時大多采用多個小發射極面積并聯的方式。

多個小面積晶體管并聯的情況下，當電流很小的時候，集電極電流均勻分布在各指上。當其中一指的結溫略高于其他指溫度時，它的BE結開啟電壓略微下降。由于器件之間存在熱耦合，這導致中心器件溫度升高。即使在恒電流源情況下，器件與器件之間的電流分布并不相等，而是與它們各自的溫度有關。

由此可見，盡管大面積器件和多個小面積器件并聯均存在電流坍塌現象，但產生電流坍塌現象的機理是不同的。對于大面積晶體管而言，電流坍塌現象是由于自熱效應產生的，而多個小面積晶體管并聯出現的電流坍塌現象與器件之間的熱耦合有關。熱耦合隨并聯單管數目增加而增強，因此并聯數越多的器件發生電流增益塌陷的電流密度越低。

鑒于器件之間存在熱耦合，導致中心器件溫度升高。熱耦合隨并聯單管數目增加而增強，因此在多個小面積器件并聯時可以通過減小器件間的熱耦合來避免中間區域過熱造成的增益坍塌或者熱失效。而如何減小器件之間的熱耦合，此前已經有過多種方法來解決電流增益坍塌問題，但都是在均勻排布的基礎上進行的。本申請人注意到目前還沒有在非均勻排布的基礎上解決電流增益坍塌問題的技術方案出現。

發明內容

本發明的目的就在于克服現有技術存在的上述不足，提供一種改善微波/射頻功率放大器芯片熱失效的設計方法，主要是利用功率放大器芯片各晶體管指間的非均勻排布來避免中間區域過熱造成的增益坍塌或者熱失效，從而改善功率放大器的增益特性，降低其熱失效的可能性。

本發明給出的技術解決方案是：這種改善微波/射頻功率放大器芯片熱失效的設計方法，其特點是在多個小面積晶體管進行并聯排布時，將晶體管的間距按照從中間到兩邊依次遞減的方式進行非均勻排布，使中心器件和邊緣器件的熱均勻分布，從而避免出現增益坍塌和熱失效問題。

本發明與現有技術相比，其有益效果是：由于熱耦合隨著器件間距的增加而減小、隨著器件間距的減小而增加，在設計時將中間器件與鄰近器件的間距按照從中間到兩邊的次序依次減小，將會使中間器件的熱耦合減弱、邊緣器件的熱耦合相對中間器件有所加強，從而有效避免中間器件過熱，使各器件的溫度趨于相同、器件與器件之間的電流分布趨于相等，避免出現電流增益塌陷。本發明將上述非均勻排布的設計方法應用到微波/射頻功率放大器的芯片設計當中，通過適當的熱分析和仿真，能大大簡化微波/射頻功率放大器芯片的熱設計，降低熱失效發生的幾率，并有效縮短研發周期和節約成本。

附圖說明

圖1為功率放大器芯片及晶體管排布示意圖；

圖2為均勻分布晶體管單元熱分析的三維結果；

圖3為均勻分布晶體管單元熱分析的二維結果；

圖4為非均勻分布晶體管單元熱分析的三維結果；

圖5為非均勻分布晶體管單元熱分析的二維結果。