射频功率晶体管的镇流监控 【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地大量电流，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
总地说来，本发明提供了一种器件和方法，由此流经RF功率晶体管的电流不需采用任何外部元件而得到监控。更具体地，根据本发明的一个实施方案，RF功率晶体管包括一硅片，一对形成在硅片上的交指电极，每个电极具有许多平行电极指和至少一个焊盘。第一类型扩散区形成在这对交指电极中一个电极的电极指下面，第二类型扩散区形成在这对交指电极中另一个电极的电极指下面。一个电极有多个电极指和多个电阻形成在硅片上，至少有一个电阻和每个电极指串联连接。另一个电极形成时具有至少一个电极指并连接到另一个焊盘，而且至少有一个电阻形成在硅片上，并和这另一个电极串联连接。根据本发明的另一个实施方案，提供了一种方法在RF晶体管电路中监测和控制集成RF晶体管中的电流。集成RF晶体管具有多个发射极镇流电阻和一个电路，包括监控电流的焊盘。RF晶体管电路包括连接到焊盘的偏压控制和反馈电路。流经至少一个发射极镇流电阻的电流被导向监控电流的电路。通过采用偏压控制和反馈电路，流经集成RF晶体管的电流受到影响。
附图简述
本发明结构附图通过以下详述可得到进一步理解。附图中：
图1是交指RF功率晶体管几何形状的平面图；
图2是图1的RF功率晶体管的截面图；
图3是覆盖式RF功率晶体管几何形状的平面图；
图4是图3的RF功率晶体管的截面图；
图5是网状RF功率晶体管几何形状的平面图；
图6是图5的RF功率晶体管的截面图；
图7是交指型RF功率晶体管的传统布线的平面图；
图8是根据本发明一个实施方案的交指RF功率晶体管的平面图；
图9是图8RF功率晶体管的一部分的放大平面图；以及
图10是包括图8RF功率晶体管的RF晶体管电路的结构示意图。
优选实施方案详述
参照图8，绘出了根据本发明一个实施方案的RF功率晶体管40的平面图。和交指型RF功率晶体管的传统布线相比，一个或多个发射极电极指En+1、En+2，不是象通常那样和其余的发射极电极指E1……En一起连接到发射极电极E，而是连接到分离的焊盘R。尽管图8中画出了靠近晶体管列末端的一个或多个发射极电极指连接到分离焊盘R，但沿着晶体管列任何一个或多个位置的一个或多个发射极电极指都可这样连接。另外，尽管未画出，覆盖式和网状晶体管单元可根据相同的原理来布局。
晶体管40的一部分41，包括发射极电极指En+1、En+2和焊盘R，在图9中更详细地画出。
因为发射极电极指所属的晶体管和晶体管列中剩下的晶体管经受相同的热学和工艺变化，所以如果焊盘E和R连接到相同的负载(例如，象在典型情况中那样都接地)，那么焊盘R的电流输出可表示焊盘E的电流输出。更具体地，电流IR基本上是电流IE的固定的一部分。通过无干扰地监测电流IR，就可得到流过晶体管总电流的非常精确的指示。
可无干扰地监测电流IR的一种方法是产生电流IR的复制电流IR′，其产生方法如美国专利5,258,714所述，此引入作为参考。参照图10，集成RF晶体管40可认为是包括许多并联的晶体管Q1……Qn，即其上加有相同的集电极-发射极电压和相同的基极-发射极电压。晶体管Q1……Qn每个都使其发射极通过发射极镇流电阻re连接到地。不过，对晶体管Qn，其发射极镇流电阻单独制作成可接到晶体管封闭的外部，因此称作riso。假定发射极镇流电阻接地从而电流IR流经该电阻。
电流IR用电路51复制以产生电流IR′，比如用前述美国专利5,258,714所述的电路。这一电流输入到反馈和偏压控制电路50中。反馈和偏压控制电路50包括运算放大器(op-amp)53。连接到运算放大器反相输入端的是提供电流IR′的电路51的输出引线和接地的电容C。连接到运算放大器同相输入端的是包括电阻R1和R2的分压网络。分压网络对参考电压Vref进行分压，并把所得电压输入到运算放大器的同相输入端。运算放大器的输出端通过电阻Rb连接到晶体管封装的基极引线。
在图10RF晶体管电路的工作中，电流IR′对电容C充电到一定电压。这一电压在运算放大器中和参考电压的分压进行比较，产生和其输入电压差成正比的输出电压。运算放大器产生的输出电压使电流经电阻Rb流入晶体管基极中，从而控制晶体管电流。
例如，假定晶体管40会变热，以致产生过量的电流。于是电流IR′会增大，使运算放大器的输出电压以及到晶体管的基极电流下降。因而流经晶体管的电流会减小。RF晶体管电流用这种方式可自动调节。另外，不需在晶体管集电极-发射极电流途径中串联入任何外部元件，就可产生这一自动调节行为。
通过在控制方式中改变参考电压Vref，可得到不同的晶体管工作状态。例如，根据特定的调制方案，流经晶体管的电流可以被调制。另外，还可得到不同的工作类别。
应当理解，本发明可由那些本领域的普通技术人员以其他具体形式来实施，而不脱离本发明的精神和本质特点。因此现在公开的实施方案在各方面都应认为是示意性的而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求来指明，而不是由前面的详述来指明，在其等效含义和范围中的所有变化都应包含在其中。