具有保护反馈电路的高功率放大器电路的制作方法

本发明涉及一种包括保护反馈电路的放大器电路，该保护反馈电路被布置为保护场效应晶体管(fet)、例如金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)以防止破坏性击穿。本发明还涉及一种包括这种放大器电路的射频放大器装置、包括该射频放大器装置的电射频发生器、和包括该电射频发生器的等离子体处理系统。本发明最后涉及一种保护场效应晶体管的方法。

背景技术：

fet尤其是mosfet有许多失效机制。如果栅极和源极之间的电压太高，则可能损坏栅极的隔离层。另一种失效机制可能是fet过热，这可能是由例如负载的阻抗失配引起的。此外，如果漏极和源极之间的电压变得太高，则可能发生漏源击穿。漏源击穿可以表征为穿通、雪崩击穿、或骤回(snapback)。每个都描述不同的漏源击穿机制，其中特别是在高功率和高频应用中难以识别哪个机制损坏了fet。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种更稳健的放大器电路。本发明由独立权利要求限定。从属权利要求限定了有利的实施例。

根据第一方面，提供了一种放大器电路，其用于提供至少100w、优选至少200w、最优选至少250w的输出。放大器电路包括场效应晶体管(fet)。fet的漏极与保护反馈电路连接。保护反馈电路被布置为：如果fet的栅极和漏极之间的电压超过反馈阈值电压，则减小fet的漏极处的过电压能量。

用于高频应用(标称工作频率在1mhz和100mhz之间，特别是在5mhz和85mhz之间)的放大器或放大器装置，在例如等离子体处理应用(例如使用等离子体腔)中，必须承受负载阻抗的变化。即使负载阻抗的短暂失配(等离子体中的电弧放电)也可能引起功率的反射，使得放大器所包括的fet的漏极处的峰值电压可能是几倍的电源电压。放大器电路可以包括高强度的fet，其被布置为通过将过电压能量的一部分转换为热来承受例如这种过电压。尽管fet具有这种特性，但也存在传统放大器电路中的一个或多个高强度的fet会被损坏的极少数情况。详细的实验研究表明，例如，在等离子体中的电弧放电期间，存储在匹配网络中的能量被反射回放大器电路(或更确切地说是包括放大器电路的高频发生器)。如果反射和入射电压波的相位相长叠加(漏极处的过电压)，则漏极处的能量变得太高并且一个或多个fet在几个高频周期内被损坏。一个简单的解决方案是通过具有更高漏极电压额定值(如果可用)的fet来替换所述fet，或通过组合更多具有更低输出功率的放大器。该解决方案成本高并且位置消耗大。

保护反馈电路与漏极电连接，并且能够在非常短的时间周期内耗散过电压能量的至少一部分。保护反馈电路优选地被布置为在少于三个或甚至两个高频周期内降低所述过电压能量。

保护反馈电路可以优选地将fet的漏极与fet的栅极电连接。漏极和源极之间的过电压很关键，可能会导致fet损坏。在漏极和源极之间存在过电压的情况下，源极和栅极之间的电压为0伏特左右。因此，栅极和漏极之间的电压基本上与漏极和栅极之间的电压相同。因此，漏极和栅极之间的电压可用于控制保护反馈电路。在fet的漏极和栅极之间借助于保护反馈电路的电连接使得能够使用fet的可控传导性来降低漏极处的过电压能量。

例如，保护反馈电路可以被布置为在fet中建立传导路径，使得漏极处的过电压能量的至少一部分借助于该传导路径耗散。在这种情况下，漏极处的过电压用于在fet正常闭合时部分地断开fet。fet的断开提供受控的传导路径以降低漏极处的过电压能量。在这种布置中，过电压能量的一部分在fet中耗散而不损坏fet。其余的(有限量的)的能量可以以体二极管的雪崩击穿的形式耗散，而不会引起骤回和损坏高强度的fet。

保护反馈电路可以被布置为：在栅极和漏极之间的电压超过反馈阈值电压之后，将场效应晶体管的栅极电压增加到栅极阈值电压之上。保护反馈电路基本上不干扰放大器电路的正常运行。通过将栅极电压增加到栅极阈值电压之上来断开fet的漏源路径应该基本上限于fet可能被损坏的过电压情况。

保护反馈电路可以被布置为降低fet的雪崩击穿的能量。高强度的fet(尤其是功率mosfet)被构造或被布置为承受雪崩击穿，只要在雪崩击穿期间在fet中耗散的热能不会损坏fet、并且雪崩能量不足以断开寄生bjt(骤回)。避免一个或多个fet的雪崩击穿的努力可能很高。因此，可能优选的是允许放大器电路的fet的雪崩击穿，但借助于保护反馈电路来限制雪崩击穿的能量。因此可能存在低于反馈阈值电压的电压范围，在其中在保护电路不降低漏极处的过电压能量的情况下发生雪崩击穿。如果漏极和栅极(或漏极和源极，见上文)之间的电压超过反馈阈值电压，保护电路会在雪崩击穿发生后降低能量。

保护反馈电路可以包括电压参考。电压参考被布置为：如果场效应晶体管的漏极和源极之间的电压超过反馈阈值电压，则断开电流路径。电压参考确定反馈阈值电压，在该反馈阈值电压处，漏极处的过电压能量通过保护反馈电路而被减小。例如，电压参考可以确定fet的栅极处的电压何时增加，以便断开fet的用于耗散过电压能量的至少一部分的传导路径。

电压参考可以例如包括布置在场效应晶体管的漏极和栅极之间的至少一个雪崩二极管。所述至少一个雪崩二极管被布置为断开电流路径。雪崩二极管很便宜。因此，保护反馈电路可以以简单且特别经济有效的方式实现。保护反馈电路可以包括例如以串联布置的两个、三个、四个或更多个雪崩二极管。替代的电压参考可以是任何类型的合适晶体管(例如双极晶体管或fet)，或可选地与诸如电阻器的其他无源电路元件组合的集成电路，以便确定或限定反馈阈值电压。

保护反馈电路可以包括布置在场效应晶体管的漏极和栅极之间的电容。一个或多个雪崩二极管或其他电压参考与该电容并联布置。电容可以被布置为提供用于减小漏极处的过电压能量的主电流路径。电容可以特别是被布置为增加栅极处的电压，以便断开用于耗散过电压能量的至少一部分的传导路径。

保护反馈电路可以包括布置在电容和漏极之间的开关二极管。电容值应被调整为在电压参考(例如雪崩二极管)周围提供rf短路。开关二极管被布置为将电容充电到漏极和栅极之间的峰值电压。例如，开关二极管可以是快速肖特基二极管。一旦漏极和栅极之间的电压超过电容处的电压和开关二极管的阈值电压之和，开关二极管就断开。开关二极管的阈值电压可以很小，因此可以忽略不计。在电容充电期间，开关二极管在短时间周期内断开跨该电容的电流路径。由于通过所述电容提供的反馈，fet可以在这些短时间周期内短暂地断开。fet的断开是不希望的，但由于时间周期的短暂而不会有害。fet在漏极电压的稳定状态下再次闭合。正常运行期间漏极和栅极之间的电压等于或低于电容器上的电压。因此，开关二极管在正常运行期间闭合。一旦漏极和栅极之间的电压超过反馈阈值电压，就断开导电桥(例如，通过一个或多个雪崩二极管或其他类型的电压参考)，从而避免电容上的电压进一步升高。当漏极和栅极之间的电压上升到反馈阈值电压之上并且断开fet时，开关二极管断开通过电容至栅极的电流路径。fet提供用于耗散漏极处的过电压能量的至少一部分的传导路径。

保护反馈电路可以包括布置在电压参考(例如，至少一个雪崩二极管)和场效应晶体管的栅极之间的一个或多个电阻器(阻尼电阻器)。电阻器被布置为使保护反馈电路稳定。在没有阻尼的情况下，放大器电路的场效应晶体管可能由于(空闲的)保护反馈的寄生电容而以高频振荡，或者由于在保护反馈开启时非常强的反馈而以低频振荡。如上所述，在正常运行期间，放大器电路不应受到保护反馈电路的干扰。因此，在某些实施例中(取决于fet和其他部件)，一个或多个电阻器可以被布置为调整反馈阻抗以避免晶体管振荡。

放大器电路可以包括以推挽式布置方式来布置的两个场效应晶体管。如上所述，每个场效应晶体管由相应的保护反馈电路保护。放大器电路可以替代地包括三个、四个或更多个晶体管，这些晶体管通过保护反馈电路来保护。

根据第二方面，提供了一种射频放大器装置。该放大器装置包括如上所述的放大器电路。该放大器装置的特征在于标称工作频率在1mhz和100mhz之间，更优选地在5mhz和85mhz之间。射频放大器装置可以包括输入网络，其用于将信号源的阻抗与一个或多个fet的栅极的阻抗相匹配。射频放大器还可以包括输出匹配网络，该输出匹配网络被布置为使负载的阻抗与放大器电路的一个或多个fet匹配。

射频放大装置可以优选地包括呈推挽式布置的放大器电路。

根据第三方面，提供了一种用于向负载(尤其是等离子体)提供电射频(rf)功率的电射频发生器。电rf发生器包括如上所述的射频放大器装置。

电rf发生器还可以包括控制电路。控制电路包括至少一个处理装置、至少一个存储装置、至少一个功率测量装置和至少一个频率发生器。控制电路可以适于以脉冲模式或连续模式来驱动射频放大器装置。

根据本发明的第四方面，提供了一种等离子体处理系统。等离子体处理系统包括电射频发生器和等离子体腔，所述电射频发生器包括如上所述的输出匹配网络。等离子体在等离子体腔中产生，该等离子体腔包括用于提供化学组分(例如处理气体)的供应装置，其中等离子体腔使得能够提供或被布置为提供用以实现稳定的等离子体处理的物理边界条件。

根据第五方面，提供了一种保护放大器电路中的场效应晶体管的方法，所述放大器电路用于提供至少100w、优选至少200w以及最优选至少250w的输出。该方法包括以下步骤：

-提供反馈阈值电压，

-如果场效应晶体管的栅极和漏极之间的电压超过反馈阈值电压，则减小场效应晶体管的漏极处的能量。

应当理解，权利要求15的方法和权利要求1的放大器电路具有类似和/或相同的实施例，特别是如从属权利要求中所限定的。

应当理解，本发明的优选实施例也可以是从属权利要求与相应独立权利要求的任何组合。

其他有利实施例如下来限定。

附图说明

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明显并得以阐明。

现在将参考附图基于实施例通过示例描述本发明。

在图中：

图1示出了包括传统推挽式射频放大器的电路的主要草图

图2示出了具有寄生元件的横向扩散金属氧化物半导体(ldmos)场效应晶体管的主要草图

图3示出了在场效应晶体管的致命击穿期间测量的漏源电压

图4示出了在场效应晶体管的致命击穿期间测量的栅源电压

图5示出了包括保护反馈电路的放大器电路的第一实施例

图6示出了保护反馈电路的保护作用

图7示出了包括保护反馈电路的放大器电路的第二实施例

图8示出了电压参考的替代实施例

图9示出了电压参考的另一替代实施例

在附图中，相同的数字始终表示相同的对象。附图中的对象不一定按比例绘制。在图中，除非另有明确说明，否则频率以mhz表示，阻抗的大小以ohm表示，阻抗的相位以角度表示。

具体实施方式

现在将借助于附图描述本发明的各种实施例。

图1示出了包括传统推挽式射频放大器的电路的主要草图。无源输入网络106将信号源102的阻抗与场效应晶体管(fet)111、113的栅极的阻抗相匹配。输入网络106使放大器电路稳定并且通常包括电阻器。因此输入网络106可能是有损的。借助于栅极偏置电压源104经由输入网络106提供栅极偏置电压，以便控制fet111、113的偏置电流。以推挽式布置方式布置的fet111、113的漏极与通常为无源的输出网络126相连接，所述输出网络126将负载130的阻抗(例如，等离子体腔在运行期间的阻抗)与fet111、113的输出阻抗相匹配。每个fet111、113在该实施例中包括可选的稳定反馈电路112、114。可选的稳定反馈电路112、114减小fet111、113的放大，以避免fet111、113的不希望的振荡。稳定反馈电路112、114通常包括电阻器和电容器，如图1所示。

图2示出了横向扩散金属氧化物半导体(ldmos)场效应晶体管200的截面的简化示意图。ldmos200包括位于底部的源极接触部202和布置在源极接触部202上方的p⁺衬底214。p⁺吸收区(sinker)212设置在p⁺衬底214上方的左侧。p外延层216设置在p⁺衬底214上方的右侧。n漂移区218布置在p外延层216上方的右侧。n漂移区218在截面中包围漏极接触部206下方的n⁺区。p基区222布置在p外延层216、n漂移区218和p⁺吸收区212之间。p基区222和p⁺吸收区212包围n⁺区220。p基区222、和n漂移区218的一部分布置在设置于ldmos200的半导体层和栅极接触部204之间的隔离层下方。

在闭合的fet的情况下，如果漏极接触部206和源极接触部202之间的电压超过允许值，则存在三种不同的击穿机制。随着漏极接触部206和源极接触部202之间的电压增加，在穿通的情况下，漏极处的耗尽面积增加。一旦漏极处的耗尽面积达到源极的耗尽面积，电流ids就在漏极接触部206和源极接触部202之间流动。即使栅极和源极之间的电压vgs低于阈值电压vth，也可能发生这种情况。只要fet不因热过载而损坏，则这种穿通击穿是可逆的。

第二种情况是fet的寄生体二极管237的雪崩击穿。雪崩击穿发生在电场最高的地方(n漂移区218弯曲的地方)。只要fet不因热过载而损坏或者不产生足以断开寄生bjt的电荷载流子(骤回)，则雪崩击穿是可逆的。

在骤回或闩锁效应的情况下，寄生双极晶体管235被接通。在正常运行期间，寄生双极晶体管235是关断的。图2示出了对应的寄生电容233和寄生电阻231，它们与寄生双极晶体管235的基极连接。如果漏极处的电压快速上升(dv/dt)，或者由于寄生体二极管237的雪崩击穿而产生的电荷载流子，寄生双极晶体管235可以由于寄生电容233(寄生漏极-栅极电容)而接通。在寄生双极晶体管235接通之后，不可能通过栅极接触部204控制fet。如果没有外部元件限制漏极电流，fet(或其结构的一部分)会被极快地损坏。射频功率放大器通常不包括这样的外部组件。

实验研究表明，这种致命的骤回可能发生在射频应用中，例如在电弧放电的情况下、随着等离子体腔的运行。骤回在很短的时间周期内损坏放大器电路。关于图3和图4讨论了实验研究的结果。

图3示出了在用于驱动等离子体腔的放大器电路中的fet的致命击穿期间测量的漏源电压304。横坐标表示时间301，纵坐标表示漏源电压303。时间周期由等离子体腔的驱动频率确定，所述驱动频率在这种情况下为13.56mhz。在一些rf周期之后，漏极和源极之间的电压304超过击穿电压302，从而发生雪崩击穿。高雪崩能量导致寄生双极晶体管(图2中的附图标记235)的骤回，并且在几个rf周期之后fet被损坏。后者是通过测量栅极和源极之间的电压306来确认的，如在图4中所示。横坐标再次表示时间301，纵坐标表示栅极和源极之间的电压305。在图3中的漏源电压304崩溃的同时，栅源电压306突然升高。栅源电压306的rf幅度的这种突然升高和减小很可能是由发生了骤回的fet而引起的，该fet被损坏使得在栅极和漏极之间存在低阻抗。反射功率的并行测量(未示出)表明漏极电压超过击穿电压的时间周期与负载阻抗和放大器电路之间的阻抗失配发生的时刻(高反射功率)一致。阻抗失配很可能是由等离子体腔内的电弧放电引起的(负载阻抗的突然变化)。反射功率引起漏极和源极之间的过电压，并最终损坏放大器电路的至少一个fet。fet的损坏发生在几个rf周期内，因此非常快。

图5示出了包括保护反馈电路400的放大器电路的第一实施例。放大器电路包括一个fet111。与保护反馈电路400并联地设置如关于图1所讨论的稳定反馈电路112。保护反馈电路400包括开关二极管407、电容403、布置为雪崩二极管的电压参考405、和电阻器401。开关二极管407是肖特基二极管，其与电容403(在该实施例中为10nf的电容)和电阻器401(在该实施例中为68ohm的电阻)串联布置。雪崩二极管与电容403并联地、相对于fet111的漏极反向偏置地布置。肖特基二极管相对于该漏极正向偏置，并且将电容403充电到fet111的漏极和栅极之间的峰值电压。一旦漏极和栅极之间的电压超过电容403处的电压和肖特基二极管的阈值电压之和，肖特基二极管就断开。肖特基二极管的阈值电压很小，因此可以忽略不计。在电容403充电期间，肖特基二极管短时间周期地断开跨电容403的电流路径。由于通过电容403提供的反馈，fet111在这些短时间周期期间短暂地断开。fet111的断开是不希望的，但是因为时间周期的短暂而无害。fet111在漏极电压的稳定状态下再次闭合。正常运行期间在漏极和栅极之间的电压等于或低于所述电容上的电压。因此，在正常运行期间，肖特基二极管闭合，并且在这些时间周期没有fet111的传导路径是断开的。所述电压受反馈阈值电压的限制，该反馈阈值电压由雪崩二极管的击穿电压确定。一旦fet111的漏极和栅极之间(或漏极和源极之间，因为源极和栅极之间的电位差可忽略不计)的电压超过反馈阈值电压，就会通过雪崩二极管断开导电桥，从而避免电容403处的电压进一步上升。在这种情况下，肖特基二极管断开跨电容403的主电流路径，使得栅极处的电压上升并且fet111断开。fet提供用于耗散在漏极处的过电压能量的至少一部分的传导路径。由保护反馈电路所包含的电路元件的类型(电阻，电容和二极管的特性等)取决于放大器电路，尤其取决于fet。须通过实验来微调电路元件的特性。

图6示出了关于图5讨论的保护反馈电路的保护效果。图6分隔在九个rf周期中。第一、第二和第三时间周期示出放大器电路的正常运行。只要fet应该是闭合的，栅极和源极之间的电压305就低于栅极阈值电压322。漏源电压303在这三个周期期间低于或等于反馈阈值电压355。反馈阈值电压355略高于漏源峰值电压360。漏源电压303在第四rf周期中超过反馈阈值电压355。保护反馈电路同时提供栅源电压305，使得栅极被拉至栅极阈值电压325之上。此时fet被断开，并且漏极处的过电压能量经由其传导路径而耗散，所述传导路径通过栅源电压305而断开，所述栅源电压305在栅极或更确切地说fet通常闭合的时间周期期间被拉到栅极阈值电压325之上。漏极处的过电压能量的耗散避免了fet的损坏，直到漏极和源极之间的电压303低于反馈阈值电压355为止。fet再次闭合并且放大器电路在正常运行模式下运行，如在rf周期7、8以及特别是rf周期9中所示。

图7示出了包括保护反馈电路400的放大器电路的第二实施例。放大器电路包括如参考图1所描述的呈推挽式布置的两个fet111、113。每个fet111、113受到如关于图5所讨论的、单独的保护反馈电路400的保护。

图8示出了电压参考405的替代实施例。替代的电压参考可以包括电压参考场效应晶体管425，其与第一参考电阻器421和第二参考电阻器422组合，第一参考电阻器421和第二参考电阻器422相对于电压参考场效应晶体管425的栅极被布置为分压器。第一参考电阻器421和第二参考电阻器422的电阻被布置为确定反馈阈值电压。在该实施例中，反馈阈值电压由保护场效应晶体管425的阈值电压乘以第一和第二参考电阻器421、422的电阻之和除以第二参考电阻器422的电阻得到。

图9示出了电压参考的另一替代实施例。替代的电压参考可以包括电压参考双极晶体管435，其与第三参考电阻器431和第四参考电阻器432组合，第三参考电阻器431和第四参考电阻器432相对于电压参考双极晶体管435的基极被布置为分压器。第三参考电阻器431和第四参考电阻器432的电阻被布置为确定反馈阈值电压。在该实施例中，反馈阈值电压由保护双极晶体管435的正向电压乘以第三和第四参考电阻器431、432的电阻之和除以第四参考电阻器432的电阻得到。

虽然已经在附图和前面的描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应被认为是说明性或示例性的，而非限制性的。

通过阅读本公开，其他修改对于本领域技术人员而言将是明显的。这些修改可以涉及本领域中已知的其他特征，以及可以代替本文已经描述的特征而使用的其他特征、或者除了本文已经描述的特征之外使用的其他特征。

通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员可以理解和实现对所公开实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除另外的元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个元件或步骤。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的仅有事实并不表示这些措施的组合不能用于获益。

在权利要求中的任何附图标记不应当解释为限制其范围。

附图标记列表

102信号源

104栅极偏置电压源

106输入网络

111、113场效应晶体管

112、114稳定反馈电路

124直流电源

126输出网络

130负载

200ldmos(横向扩散金属氧化物半导体)场效应晶体管的简化截面图

202源极接触部

204栅极接触部

206漏极接触部

212p⁺吸收区

214p⁺衬底

216p外延

218n漂移区

220n⁺区

222p基区

231寄生电阻

233寄生电容

235寄生双极结型晶体管

237寄生体二极管

301时间

302漏源击穿电压

303漏源电压

304在致命击穿期间的漏源电压

305栅源电压

306在致命击穿期间的栅源电压

322栅极阈值电压

325拉至栅极阈值电压之上的栅极

355反馈阈值电压

356漏极电压超过反馈阈值电压360漏源峰值电压(正常运行)

400保护反馈电路

401电阻器

403电容

405电压参考

407开关二极管

425电压参考场效应晶体管

421第一参考电阻器

422第二参考电阻器

435电压参考双极晶体管

431第三参考电阻器

432第四参考电阻器