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微波系统内高功率晶体管失效性探究 曹锐张立军王卓 (华东电子工程研究所，合肥230031) 摘要：本文主要对当前微波系统内功率管的失效性进行分析，不仅对微波功率管的内部机 理的失效性进行分析，同时还对系统内部的微波功率管的失效性进行仔细的分析，以此对 RF电路设计工程师提供一定的帮助。 关键字：微波功率管，麦款性)均衡电路 厂 ／ 1．引言： 微波功率晶体管在许多系统中起关键作用，为了使其在应用中更加可靠，开展对功率 管失效性的研究是很有必要的。从微波高功率晶体管的发展趋势来说，提高工作频率、增 大输出功率、降低噪声等特性。从设计的角度来看，而这些特性之间又存在许多矛盾，相 互制约。高功率微波晶体管的设计是需要将以上诸因素综合在一起，使其能在一个晶体管 中特陛得到体现。 与此同时微波高功率晶体管的可靠性经常被讨论或引用，不过它多数不能通过实验证 据得到很好的证实。但其可靠性对我们的微波系统来说又是非常的重要，其重要性不仅仅 涉及单个微波晶体管，它对于整个系统的可靠性来说都起关键的作用。随着现代军事通信 技术的发展，其应用的范围越来越广泛，因此讨论高功率微波晶体管的失效性有非常重要 的意义。如何分步骤、有条理的探讨微波功率管的失效，关系到整个系统设计的成败。这 样，可靠性不仅能在量上得到一定的提高，在质上也有一定的提高。鉴与以上原因，在最 近的试验过程中对系统内失效的功率管进行了分析。本文分析的对象是硅双极功率晶体管。 2．微波功率管失效的原因分析： 2．1微波功率管分析 微波功率晶体管实际上是一种电流控制器件，通过基极电流或发射极电流去控制，所 谓放大作用实际上是一种控制作用。功率放大器的任务是在信号不失真的情况下，提供输 出功率。但其输出功率和晶体管的效率以及非线性失真之间的矛盾是解决微波功率晶体管 使用的首要前提因素。其中它的散热问题为严重损害功率管的因素。因为在功率放大器中， 有相当大的功率耗散消耗在管子的集电极上，使得结温和管壳温度升高。功率管的内部等 效电路如下(见图1) 图1：功率管的内部等效电路 微波晶体管内部芯片和晶体管封装的联合设计的共同作用结果造成功率等级的改变。 在这些结果中，芯片设计是影响功率输出性能的主要因素。现在的微波功率晶体管的内部 分格式芯片设计，具有足够发射极镇流和热扩散，允许晶体管内相对…致的射频电流和热 分配。射频电流的统一分配允许晶体管设计在管壳内平行放置许多有效面积。没有足够的 电流分配和正确的热分配，多余的有效面积会引起晶体管内部的不平衡。这样使管予内部 有效面积上升不了多高的水准，减少了热循环的收益。 微波晶体管可靠带宽的改变是由于管壳内阻抗的不匹配元件形成，当今的功率管设计 实际上是有效晶片与无源内部输入输出阻抗匹配网络的混合装置。这些装置设计成预先与 晶片阻抗匹配的状态，这些阻抗对高功率晶体管来说很低，在管壳寄生性不再限制放大器 频带的宽度的水平。效果上，匹配网络设计成转化晶片阻抗匹配到系统水平，然后网络的 部分被放在管壳内。这些匹配延伸进管壳，到晶片的水平，运用管壳寄生性(管壳导线电 抗)作为总网络的一部分。 早期的微波晶体管的可靠性比今天要低。可靠性提高的外在因素包括晶体管金属化和 金属互连系统。最早的晶体管用铝芯片金属化和铝线互连系统。高电流密度和峰值结温， 引起金属沿金属条迁移。这引起金属互连无效，最终晶体管发生故障，一些引用上，晶体 管几周内失效。另一故障原因，尤其在脉冲雷达系统，是铝导线互连系统的疲劳。疲劳由 在射频脉冲是由于导线直流电损耗发热引起捆绑导线不断重复热胀冷缩引起的。金属迁移 与导线疲劳同题都是主要由转换为金芯片金属化和金金连接系统丽消除。 2．2微波功率晶体管失效内部机理原因分析 通常晶体管失效有两种击穿，第一类击穿，此时集电级电流密度存在一非均匀分布， 这将造成局域温度增加，转而降低了部分集电级区域的电阻，建立起这一通道。后果是通 过这通道的电流密度进一步增加，直到这种正反馈破坏晶体结构为止，最终破坏晶体管本 身。第二类击穿，这种击穿机理能独立于第一类机理而产生，主要影响BJT。内部过热会 导致在恒定VCE下集电级电流的突然增长。当温度升高到使本征浓度等于集电级的掺杂浓 度时，通常在基极一集电级结上发生这种击穿机理。这