YÜKSEK FREKANS GÜÇ TRANZİSTORU ÜRETİMİ

AZİZ U. ÇALIŞKAN TÜBİTAK MAE EAB Y İTAL(*)

Yüksek Frekanslarda yüke büyük güçler aktarabilen tranzistorların üretimi, iyi optimize edilmiş çizim ve proses tasarımı ile uygun bir kılıflama gerektirmektedir. Güç kuvvetlendiricilerinde kullanılan bu tranzistorların aşırı sürme ve yük dengesizliği gibi uygun olmayan çalışma koşullarına, performansında bir değişim olmadan dayanabilme yeteneği vardır. Geniş pazar olanakları olmamakla beraber stratejik açıdan değer taşıyan uygulamalarda (meselâ askeri telsizlerde) kullanılan bu elemanlar günümüzün gelişmiş teknolojileri ile üretilmek tedir. Ülkemizde bu alanda bilgi birikimi sağlamak ve gerektiğinde üretime geçmek amacıyla TÜBİTAK Marma ra Araştırma Enstitüsü (MAE) YİTAL Laboratuvarında araştırma çalışmaları sürdürülmektedir. Bu yazıda YİTAL'de üretilen ilk yüksek frekans güç tranzistoru tanıtılacaktır. Tranzistorun karakteristikleri Tablo 1'de verilmiştir. MAE Mikrodalga laboratuvarında tasarlanan iki test devresi ile bu tranzistor denenmiştir. 27 MHz'de C sınıfı çalışan ilk test devresi Şema 1'de verilmiştir. Bu devre 20 W çıkış gücündeki 13 dB kazancı, % 75 verimle sağlamaktadır. 145 MHz'de AB sınıfı çalışan ikinci test devresi Şema 2'de verilmiştir. Bu devre ise 10 W çıkış gücünde 5 dB'den büyük kazanç vermektedir.

Parametreler

Tipik Birim ölçme

Değerler

Koşullan

Beh/erme Gerilimleri

BVceo BVcbo BVebo

> 20 V

>35 V >4 V

DC Akımı

hfe

Kazancı

Ic 1A

Vce 5V

Kollektör

Cc

120 pF İ8 0

Vcb 15V f.IMHz

Goribesleme Cre

40 pF IclOOmA Vce.15V

Kesim Frekansı 'T

500 MHz VC8 10V lc 500mA

Emetör Denge leme Direnci re

Parazitik Kol lektör Direnci re

0.3 ohm

0.15 ohm

Tablo 1: YBB2 VHF Güç Tranzistoru Karakteristikleri

Şama 1. YBB2 VHF Güç Transisleri Test devresi (*) Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumu Marmara Araştırma Enstitüsü Elektronik Araştırma Bölümn • Y arıiletken Teknolojisi Araştırma Lab oratuvan,

§IW

TU»

BOY

S

S a» S mu

LS

4 B.B «n S an

4 an 6 mu

ta. ÇBPı ı o.e

Pir> < U >

0.1 0.« 0.3 0.S 0.0 1.3 e.0

3.2

Pout CM> 1.3 1.8 a. 6

4.0 S.0 7.0 S. E 13.0

Pin (Aı)

aa as

31 33 35

Pout (dBaO 31 38 34 3B 37 36. B 39,8 41

Ic C«A> 400

«•» 600 000 TBB 800 SBB ıaM

OBİn <oB> 11 0 S 0 0 7. S 0.0 0

Şama 2. YBB2 ile AB SINIFI Kuvvetlendirici

1. Çizim Tasarımı

Tranzistorun çizim tasarımı İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü'nde MMLS tezi olarak gerçeklenmiştir [1]. Şekil 1'de verilmiş çizimden anlaşılacağı gibi tranzistor iki baz difüzyon adasında gerçeklenmiştir. Bu adaların eni 336 u.m, boyu 1200 (im'dir. Her bir baz adasında uzunluğu 315 u.m, genişliği 20 \ım olan 19 adet emetör difüzyon parmağı vardır, iki emetör parmağı arasında bir baz kontağı bulunmaktadır. Bu kontakların genişliği 20 (im ve emetör parmağından olan açıklığı 15 u,m'dir. iki baz adası arasında baz bağlantı pabucu bulunmaktadır. Baz adalarının diğer kenarlarında ise emetör bağlantı pabuçları yerleştirilmiştir. Yüksek çıkış gücüne sahip tranzistorlarda emetör akımını tüm tranzistor alanına eşit dağıtabilmek için emetör dengeleme direnci kullanılır. Çizimde emetör bağlantı pabucu ile baz adası arasında görülen ada emetör dengeleme direncidir. Tranzistorun çizimine, difüzyon işlemlerinde hedeflenen katkılama lardan ne ölçüde uzaklaşıldığını saptamak amacıyla baz ve emetör difüzyonuyla oluşturulmuş dirençler ve tek parmak test tranzistoru ilave edilmiştir.

Yukarıda verilen boyutlardan hesaplanacağı gibi, tran zistorun toplam baz alanı ( A B ) 0.81 mm2 ve toplam

emetör alanı 0.24 mm2'dir. Tek bir tranzistorun bu kadar geniş alanlı olması yüksek akım gereksiniminin ve eldeki fotolitografik prosesin yetmezliğinin sonucudur. Geniş alan, jonksiyon kapasitelerini artırdığından tranzistorun frekans karakteristiğini bozar. Bu tranzistorun jonk siyonları sığlaştıkça, emetör bölgesinde taşıyıcıların gecikmeleri ve emetör baz jonksiyon kapasitesinin yan duvar bileşeni azaldığından, yüksek frekans tranzistor lan sığ jonksiyonlu tasarlanırlar. Tablo 2'de çeşitli band larda çalışan transiztorların jonksiyon derinlikleri veril miştir. Sonuç olarak yüksek frekans güç tranzistorları geniş alanlı sığ jonksiyonlara sahiptirler

HF VHF UHF

Tablo 2:

Emetör Baz Jonksiyon

Derinliği (mm)

2.0 • 1.0 0.5 0.6

Kollektör Baz Jonksiyon Derinliği (mm)

2.5 1.5 1.0

Kristal yapıda varolan veya yüksek sıcaklık işlemleri sırasında oluşan kristal kusurlarının önemli bir kısmı tranzistorun elektriksel performansını bozar. Geniş alanlarda ve/veya sığ jonksiyonlarda bozucu etkiye sahip kristal kusuruna rastlama olasılığı arttığından, yüksek frekans güç tranzistorlarının üretim işlemleri sonundaki sağlam ürün oranı düşük olur. İyi tasarlanmış temiz proseslerle bu durumun önüne geçilmeye çalışılır.

olan fosfora göre arseniğin avantajlarını şöyle sıralaya biliriz:

1. Arseniğin silisyum içinde oluşturduğu katkı profili, azınlık taşıyıcılarının baz bölgesini geçiş süresini azaltacak yapıdadır. Dolayısıyla arsenik emetörlü tranzistorlann kesim frekansı daha yüksek olur.

2. Kristal kusurlarının oluşması ve hareketleri kristal içine sokulmuş katkı atomlarının konsantrasyonuna doğrudan bağlıdır. Arseniğin atomik yarıçapı silisyumun atomik yarıçapına çok yakındır. Bu benzerlik yüksek yüzey konsantrasyonlarında arseniğin daha az kristal kusuru oluşturmasını sağlar.

3. Arseniğin silisyum içine difüzyon olabilme koşulları, yüksek yüzey konsantrasyonlu sığ jonksiyonlar oluşturulmasına uygundur.

4. Sığ jonksiyonlarda fosforun baz katkısı olan bor'u itmesi çok fazladır. Bu durum baz genişliğinin kontrolünü zorlaştırır.

011D

Şekil 1: VHF Güç tranzistoru çizimi.

2. Üretim Zincirinin Tanıtımı Tranzistorun üretim zinciri aşağıdaki adımlardan oluşur:

1. Kalınoksit büyütülmesi 2. Baz bölgelerinin şekillendirilmesi

3. Baz difüzyonu

4. Emetör bölgelerinin şekillendirilmesi

5. Emetör difüzyonu 6. Kontak pencerelerinin açılması 7. Metalizasyon (Alüminyum buharlaştırma) 8. Metal yolların şekillendirilmesi

9. Pasivasyon oksidinin büyütülmesi 10. Pasivasyon oksidinin şekillendirilmesi

Üretim zincirinden de görüleceği gibi tranzistor beş maske ile üretilmiştir. Baz d'rf üzyon işlemi, 920'C da BN diskleri ile öndepoiama ve 900"C da nemli ortamda derinleştirme adımlarından oluşmaktadır. Emetör katkılaması için arsenosilika film solüsyonu kullanılmıştır. Emetör difüzyonu 1100'C gerçeklenmiştir. Bu difüzyon işlemleri sonunda silisyum içinde oluşturulan katkı profili Şekil 2'de verilmiştir. Bu profil SUPPREM II benzetim programının çıkışıdır [2].

Yüksek frekans uygulamalarında emetör katkısı için arsenik kullanılır. Emetör katkısında bir diğer seçenek

Şekil 2: Yüksek frekans güç transistoru katkı profili SUPREM II çıkışı.

3. Tranzistorun Çizim Büyüklüklerinin irdelenmesi Tranzistorun çıkış gücünü belirleyen çizim büyüklüğü emetör difüzyon çevresidir (PE), Tranzistorun akıtabileceği akım, emetör difüzyon çevresinin lineer bir fonksiyonudur. Bir tranzistordan beklenen çıkış gücüne karşı gelen emetör akımından, o tranzistorun sahip olması gereken emetör difüzyon çevresi hesaplanır. Birim emetör çevresinin akıtabildiği optimum akım değeri akım taşıma kapasitesi olarak tanımlanır. 12V beslemeli yüksek frekans güç tranzistorları için bu değer 0.5 A/cm'dir [3].

C sınıfı çalıştırılan bir devrenin verdiği güç kazancının tranzistorun fiziksel parametreleri cinsinden ifadesi

ELEKTRİK MÜBENDÎSIJĞ1 366/367

şeklindedir. 8*f Doğru birtakım ihmaller sonucunda

esi o

w

•bb-

Güç tranzistorlarının sağlaması gereken bir önemli özellik dayanıklılıktır. Çizimde, ısıl tasarım kuralları da gözönünde bulundurulmalıdır. Tranzistorun ısıl direncini küçük tutabilmek için, baz bölgesi dar ve birbirinden ye terince uzak adacıklar halinde tasarlanmalıdır. Küçülen ısıl direnç sürekli çalışmada tranzistorun jonksiyon sıcaklığının düşük kalmasını sağlayacaktır. Bu tranzisto run ömrünü ve güvenilirliğini artırır. •

yazılabilir. Buradan:

fTXd

bulunur.

Bu ifadeden görüldüğü gibi, tranzistorun güç kazancına etkili çizim büyüklüğü emetör çevresinin baz alanına oranıdır, Yüksek (PE/AB) oranı, yüksek güç kazancının nedeni olacaktır. (PE/AQ) oranı fotolitografik prosesin sınırlarına ve seçilen çizim tipine bağlıdır. Yüksek frekans güç tranzistorların tasarımında parmaklı yapı (interdigitated), overlay ve ağ yapı (mesh) diye anılan üç temel çizim tipi kullanılmaktadır. Herbir çizim tranzistor performansını optimize etmeye çalışır. 1 Performans optimizasyonu belli bir baz alanı içine sığdırılan emetör çevresini maksimize ederken, o baz alanı içindeki emetör alanını minimize etmeyi hedefler. Bunlardan ilki güç kazancını ve akımı taşıma kapasitesini maksimize ederken, ikincisi emetör baz kapasitesini minimize etmeye karşılık gelmektedir. Çizim tasarımında diğer faktörlerde önemlidir, fakat yukarıda bahsi geçen iki oranın yanında ikincil derecededir.

Şekil 1 'de gösterildiği gibi gerçeklenen tranzistor için parmaklı yapı tercih edilmiştir. Bu yapıda emetör parmağı ile baz kontağı arasındaki mesafe mümkün olduğu kadar küçük tutularak, düşük dirençli baz akım yolu oluşturulmaya gayret edilir. Belli bir baz alanı içinde daha uzun emetör çevresi gerçeklenebilmesi içirt emetör parmağının genişliğini ince tutmak gereklidir. Dolayısıyla parmakların üzerindeki metal yollarda incelecektir. Metalde akım yoğunluğunun artması, metal erozyonunu artırır, tranzistorun güvenilirliği azalır. Bu durum parmaklı yapının sakıncasını ortaya koymaktadır. Overlay çizim tipi, parmaklı yapıdaki ince metal yolların dezavantajını ortadan kaldırmak için ortaya atılmıştır. Diğer karakteristikleri bakımından fazlaca bir yenilik getirmemiştir.

Şekil 3'de ağ yapı gösterilmiştir. Şekilde içi noktalı ta ranmış bölge baz adasını, eğik taranmış bölge emetör adasını, yatay taranmış adacıklar p+ difüzyonunu, boş bırakılmış bölgeler ise kontak pencerelerini göstermek tedir. p+ difüzyonu baz direncini düşük tutabilmek için yapılmıştır. Bu yapı (PE/Ag) oranını maksimize eder. Bu nunla beraber kontak dirençlerinin yükselmesi ve üretim aşamalarının zorlaşması bu geometrinin sakıncalarını oluşturur.

Kısaltmalar KQ : Güç kazancı fT : Kesim frekansı bb1 Baz kontağı ile aktif baz bölgesi arasında kalan direnç Kollektör baz jonksiyon kapasitesi

Kollektör baz jonksiyonu fakirleşmiş bölge

genişliği

.

Emetör altında kalan baz bölgesi tabaka direnci

W : Emetör difüzyon parmağı genişliği PE : Toplam emetör difüzyon çevre uzunluğu Ag : Toplam baz difüzyon alanı

Şekil 3: Ağ (Mesh) yapı.

KAY NAKLAR [1] Atilla Kalaycı, VHF Güç Tranzistoru Tasarımı,

Yüksek Lisans Tezi, İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, 1986. [2] Models for Computer Simulation of Complete IC Fabrication Process Dimitri A. Antoniadis and Robert W. Dutton, IEEE Journal of SolkJstate Circuits, Vol. SC 14, No.2April1979. [3] Adolph Blicher, Field Effect and Bipolar Power Transistor Physics Academic Press 1981, s. 180!