JP2004289640A - 半導体回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】複数のヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）が並列に接続してなる半導体回路では、比較的容易な回路構成で熱暴走の発生を効率的に抑止できないという課題があった。
【解決手段】ＲＦ信号を増幅するために並列に接続された第１トランジスタ（ＨＢＴ）１１〜１４の近傍であって熱的環境が略同一である位置に温度モニタ素子２１〜２４として第２トランジスタ２１〜２４が配置される。第２トランジスタ２１〜２４はコレクタ電極とベース電極は直接接続され、温度が上昇すると共に流れる電流が増大するダイオードを構成する。第２トランジスタ２１〜２４のコレクタ電極は第１の抵抗Ｒ１１〜１４を介してＤＣ電源に接続され、エミッタは第２の抵抗Ｒ２１〜２４を介して接地される。また、ベース電極は第１インダクタ素子Ｌ１１〜１４を介して第１トランジスタ１１〜１４のベース電極に接続される。
【選択図】 図１
【解決手段】ＲＦ信号を増幅するために並列に接続された第１トランジスタ（ＨＢＴ）１１〜１４の近傍であって熱的環境が略同一である位置に温度モニタ素子２１〜２４として第２トランジスタ２１〜２４が配置される。第２トランジスタ２１〜２４はコレクタ電極とベース電極は直接接続され、温度が上昇すると共に流れる電流が増大するダイオードを構成する。第２トランジスタ２１〜２４のコレクタ電極は第１の抵抗Ｒ１１〜１４を介してＤＣ電源に接続され、エミッタは第２の抵抗Ｒ２１〜２４を介して接地される。また、ベース電極は第１インダクタ素子Ｌ１１〜１４を介して第１トランジスタ１１〜１４のベース電極に接続される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数のバイポーラトランジスタが並列接続された半導体回路に関し、特にヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いた増幅機能を有する半導体回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ： ＨＢＴ）は、コレクタ電流と温度に正の相関を示すため、熱暴走を起こしやすい。特に多数のＨＢＴを並列に接続したパワーＨＢＴ増幅器では、一部のＨＢＴに電流と熱が集中する不安定動作やそれに起因するトランジスタの破壊が問題となる。
【０００３】
図７は従来の増幅回路を示す構成図であり、図において、１１〜１４はヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、１０１は電力増幅回路ユニット、１０２は整合回路、１０３はアンテナ、Ｃ１〜Ｃ４はそれぞれ第１〜第４容量、ＩＮ１は高周波（ＲＦ）入力端子、ＩＮ２はＤＣ電源入力端子、ＯＵＴは出力端子、Ｌｃはコイル、Ｒｂ１〜Ｒｂ４はベースバラスト抵抗、Ｖｃｃは電源電圧、Ｗｂはバイアス線である。
【０００４】
なお、整合回路１０２は、負荷側のアンテナ１０３と増幅回路を含む出力側の送信回路を最適なインピーダンス条件で結合させるためのものである。また、Ｒ１０はＤＣ電源入力端子ＩＮ２と接続する抵抗、２０はコレクタ電極とベース電極を短絡接続したヘテロ接合型バイポーラトランジスタである。さらに、バイアス線Ｗｂとは入力端子ＩＮ２からベースバラスト抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂ４を介してＨＢＴ１１〜１４のベース電極までを言うものとする。
【０００５】
上述の増幅回路の熱的暴走による不安定動作を抑えるため、電力増幅回路ユニット１０１では、第１トランジスタとしてのＨＢＴ１１のベース端子に直列にベースバラスト抵抗Ｒｂ１を接続し、ＨＢＴ１１における電流の増大、即ち、電流集中に対してネガティブフィートバックがかかるように工夫している。すなわち、ＨＢＴ１１のコレクタのコレクタ電流の増加に伴いベース電流が増加することから、ベースバラスト抵抗Ｒｂ１での電圧降下分が大きくなる一方、ベースバラスト抵抗Ｒｂ１の他端は定電圧源に接続されていることからＨＢＴ１１のベース電圧が降下するように働きＨＢＴ１１の熱暴走が抑えられる（以下の特許文献１を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許５，５２９，６４８号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の増幅回路を形成する半導体回路は以上のように構成されているので、ベースバラスト抵抗を有効に機能させるためには、各ベースバラスト抵抗が接続される第１トランジスタごとに、そのエミッタ電極サイズやバイアス点などの設計に応じて最適な抵抗値を選定する煩雑さがあるという課題があった。
【０００８】
また、無線通信システムでは小型化、モバイル化に伴いバッテリー動作が求められており、低電圧電源動作化が要求されている。しかし、ベースバラスト抵抗を用いる場合、低電圧電源動作化が困難になる。上記ベースバラスト抵抗で熱暴走を抑える場合には、その抵抗値はＨＢＴの温度特性を十分補償するように設定する必要がある。また、当該ベースバラスト抵抗はＤＣ電源からみてＨＢＴに対し直列抵抗として作用するため、ＤＣ電源電圧にはＨＢＴが安定動作するのに必要なベースとエミッタ間の電圧とベースバラスト抵抗で生じる電圧降下分を加えた電圧が必要になる。すなわち、ＨＢＴの温度特性補償に十分な効果を得るためにベースバラスト抵抗を大きく設定した場合、ＤＣ電源電圧を高く設定せざるを得なくなる。このことは、システムのモバイル化に伴う低電圧電源化において問題になる。
【０００９】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、多数のバイポーラトランジスタ、特にＨＢＴを並列に接続してなる半導体回路において、比較的簡易な回路構成で熱暴走の発生を効率的に抑制し低電源電圧動作化を図ることができる半導体回路を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、検討の結果、以下に示す発明の半導体回路に至った。すなわち、ＲＦ信号を増幅するための並列接続された複数の第１のトランジスタと、第１のトランジスタの夫々の近傍であって、略同一の温度環境に配置され、温度上昇に応じて流れる電流が増大する複数のダイオードとを備え、ダイオードのアノードは第１の抵抗を介してＤＣ電源に接続され、一方、ダイオードのカソードは第２の抵抗を介してグランドに接続され、且つアノードは第１のトランジスタのベース電極に接続されることにより、第１のトランジスタのコレクタ電流を制御する半導体回路を構成する。
【００１１】
また、ダイオードはコレクタ端子とベース端子とを直接接続した第２のトランジスタで構成した半導体回路を構成する。
【００１２】
また、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタはヘテロ接合型バイポーラトランジスタである半導体回路を構成する。
【００１３】
また、第１のトランジスタのベース電極とダイオードのアノードは、ＲＦ信号周波数において高インピーダンスの素子を介して接続されている半導体回路を構成する。
【００１４】
また、第１のトランジスタのベース電極と第２のトランジスタのベース電極は、ＲＦ信号周波数において高インピーダンスの素子を介して接続されている半導体回路を構成する。
【００１５】
さらに、高インピーダンスの素子はインダクタ素子と、抵抗素子と、直列接続したインダクタ素子と抵抗素子のいずれか一つである半導体回路を構成する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による増幅回路の構成図であり、複数のトランジスタが並列接続されている増幅回路の形態である。図１において、１１〜１４は第１トランジスタを構成するヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、２１〜２４は温度モニタ素子を構成するＨＢＴの第２のトランジスタ、１０１ａは電力増幅回路ユニット、１０２は整合回路、１０３はアンテナ、Ｃ１〜Ｃ４はそれぞれ第１〜第４容量、ＩＮ１は高周波（ＲＦ）入力端子、ＩＮ２は定電圧であるＤＣ電源入力端子、ＯＵＴは出力端子、Ｌ１１〜Ｌ１４は高インピーダンス素子を構成する第１インダクタ素子、Ｌｃはコイル、Ｒ１１〜Ｒ１４は抵抗（第１の抵抗）、Ｒ２１〜Ｒ２４は同様に抵抗（第２の抵抗）、Ｖｃｃは電源電圧、Ｗｂはバイアス線である。ここで、バイアス線Ｗｂとは、入力端子ＩＮ２から抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４、第１トランジスタ１１〜１４、第１インダクタ素子Ｌ１１〜Ｌ１４を介してＨＢＴ１１〜１４のベース電極に至るまでをいう。なお、整合回路１０２の機能は、従来技術にて述べたとおりである。
【００１７】
この増幅器は４個のヘテロ接合型バイポーラトランジスタが並列接続されて成る半導体回路により構成されているが、任意のｎ個のＨＢＴ（ｎは正の整数）を並列に接続して構成することができる。そして、ＨＢＴ１１〜１４の各々の近傍には、例えば、電力増幅回路ユニット１０１ａ中のＨＢＴ１１の場合、ベース端子から第１インダクタ素子Ｌ１１を介して接続される温度モニタ素子２１を構成する第２トランジスタ２１（以下、温度モニタ素子に対応する第２トランジスタには同一の符号を付す）が配置されている。このＨＢＴ１１のコレクタ電極は整合回路１０２を介して出力端子ＯＵＴに接続され、抵抗Ｒ２１を介してエミッタ電極は接地している。また、ＲＦ入力端子ＩＮ１は、第１容量Ｃ１を介してＨＢＴ１１のベース端子と第１インダクタ素子Ｌ１１との接続点（ノード）に接続される。
【００１８】
この実施の形態１では、電力増幅回路ユニット１０１ａにおいて、第２トランジスタ２１は、ＨＢＴのベース電極とコレクタ電極を短絡してなるダイオードとして構成され、抵抗Ｒ１１との組み合わせにより、結果として温度上昇時に、第２トランジスタ２１のベース電圧を降下する作用が現れる。すなわち、第２トランジスタはＨＢＴの構造を有するので、温度上昇とともにベース電流は増加する。しかしながら、コレクタ電極は、抵抗Ｒ１１を介してＤＣ入力電源ＩＮ２なる定電圧源に接続されているので、電流増加に対応した電圧降下の増加が抵抗Ｒ１１で起こり、結果としてコレクタ電極の電位が降下することになる。ここで、第２トランジスタ２１のエミッタ端子と接地間には抵抗Ｒ２１が設けられている。なお、各ＨＢＴには、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ等のＨＢＴが用いられる。
【００１９】
図１に示すように、温度モニタ素子２１を構成する第２トランジスタ２１は、ベース電極がその近傍に存在するＨＢＴ１１に第１インダクタ素子Ｌ１１を介して接続され、第１トランジスタを構成するＨＢＴ１１と熱的に結合するように配置される。また、第１インダクタ素子Ｌ１１の値は第１トランジスタの入力インピーダンスに対して第２トランジスタ２１側をハイインピーダンスにして高周波成分の漏れを防ぐことができる値に設定される。
【００２０】
また、図２は、図１のレイアウト構成（第１インダクタＬ１を除く）において、例えば、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓによるＨＢＴのデバイスを適用した場合に模式的に示した平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ線に沿った断面の模式図である。図において、Ｃ１は第１容量、Ｍ１は第１メタル、Ｗ０〜Ｗ３はそれぞれ配線０〜配線３であり、配線Ｗ３は第１メタルから成るが、配線Ｗ２は第２メタルから成る。３１〜３４はビアホール、５１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、５２はｎ＋−ＧａＡｓサブコレクタ層、５３はｎ−ＧａＡｓコレクタ層、５４はｐ＋−ＧａＡｓベース層、５５はｎ−ＩｎＧａＰエミッタ層、５６はイオン注入素子分離領域、５７は絶縁膜で第１容量Ｃ１下では容量絶縁膜となり、６１はコレクタ電極、６２はエミッタ電極、６３はベース電極である。
【００２１】
デバイス製造において、素子部として、基板５１側から、コレクタ層５３、ベース層５４、エミッタ層５５の順でエピタキシャル層を積層する。また、電極の接触抵抗を下げるため、高ドープした低抵抗層を、エミッタ層５５の上とコレクタ層５３の下に設ける。素子間の分離、すなわち素子分離領域５６の形成は、プロトンなどのイオン注入による高抵抗層を用いるのが通常である。
【００２２】
また、第１メタルＭ１は、一方では、サブコレクタ層５２上の絶縁膜５７に開口した第１ビアホール３１を介してコレクタ電極と電気接続し、他方では、第１容量Ｃ１上と電気接続する。さらに、配線Ｗ３はベース層５４上の絶縁膜５７に開口した第２ビアホール３２を介してベース電極と電気接続するとともに、配線Ｗ０上の絶縁膜５７に開口した第３ビアホール３３を介して配線Ｗ０と電気接続する。なお、第１メタルＭ１や同素材の配線Ｗ３、第２メタルと電気接続する配線Ｗ２は、第１および第２の層間絶縁膜（図示せず）を介して形成される。
【００２３】
次に動作について説明する。
並列接続された複数のＨＢＴ１１〜１４のうちの１つのＨＢＴ１１（第１トランジスタ）が何らかの要因でコレクタ電流が増大し電流集中が起こると局所的に正のフィードバックがかかり発熱して熱暴走するおそれがある。その防止策として、コレクタ〜ベース電極を短絡してダイオードとして機能する第２トランジスタである温度モニタ素子２１と、定電圧源であるＤＣ電源入力端子ＩＮ２との間に介在する抵抗Ｒ１１が上記のコレクタ電流増加に対応して電圧降下をもたらすので、結果として温度モニタ素子（第２トランジスタ）２１のベース電位を降下することになり、この降下電圧がＨＢＴ１１のベース電極に接続するのでＨＢＴ１１のコレクタ電流の増加が抑止され、これにより増幅回路における熱暴走の発生を効率的に抑止することができる。
ここで、第１インダクタ素子Ｌ１１〜Ｌ１４の高インピーダンス素子は、ＨＢＴ１１〜１４の第１トランジスタに対して温度モニタ素子２１〜２４を構成する第２トランジスタ２１〜２４側をハイインピーダンスにして高周波成分の漏れを防ぐものである。
【００２４】
次に、図４は、第１トランジスタ１１〜１４に流れるコレクタ電流Ｉｃｃの温度特性を示すもので、上記の温度モニタ素子２１〜２４を配していない従来の増幅回路（図７）において、ベースバラスト抵抗を６０Ωとした場合の結果（ａ）と、この実施の形態１による第１インダクタ素子Ｌ１１〜Ｌ１４をそれぞれ配した温度モニタ素子２１〜２４の第２トランジスタ２１〜２４を第１トランジスタ１１〜１４に近接させた回路（図１）のシミュレーション結果（ｂ）を比較したものである。なお、本シミュレーションでは、ＨＢＴ１１〜１４を構成する４個の第１トランジスタのうち１つが温度上昇したものと仮定し、これと隣接する第２トランジスタの温度を同一温度と仮定した。
図４より、温度上昇に伴うコレクタ電流Ｉｃｃの増加が抑止され、温度特性補償効果が優れていることが分かる。
【００２５】
この場合、第１インダクタ素子Ｌ１１〜Ｌ１４の値は、インピーダンスが第１トランジスタの高周波成分に対する入力インピーダンスに比べ充分大きくなるよう設定されればよく、例えば、５ＧＨｚで入力インピーダンスが３Ω程度の場合、第１インダクタ素子Ｌ１１〜Ｌ１４の値は１ｎＨ程度、すなわちリアクタンス成分ＸとしてＸ＝ｊ３０以上の値が望ましい。
【００２６】
以上のように、この実施の形態１によれば、４個のＨＢＴ１１〜１４により構成される第１トランジスタの近傍には、ベース端子とコレクタ端子が短絡され、温度モニタ素子のダイオードとして機能する第２トランジスタ２１〜２４と、第２トランジスタ２１〜２４のコレクタ端子とＤＣ電源入力端子ＩＮ２間に第１抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４が配されるように構成したので、例えば、４個のうちの１つのＨＢＴ１１にてコレクタ電流の増加による温度上昇が生じても、第１抵抗Ｒ１１では温度モニタ素子２１を構成する第２トランジスタ２１のコレクタ電流増加に対応して電圧降下をもたらすので、結果として第２トランジスタ２１のベース電極の電位を降下することになり、この降下電圧がＨＢＴ１１のベース電極に接続してＨＢＴ１１のコレクタ電流の増加を抑止することができる。したがって、比較的簡易な回路構成で熱暴走の発生を効率的に抑止できる効果が得られる。
また、従来の増幅回路（図７）のベースバラスト抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂ４に相当する抵抗素子は用いないため、従来技術に比較して低電圧電源化を図ることができる。
【００２７】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による増幅回路の構成図であり、図において、１０１ｂは電力増幅回路ユニット、Ｒ３１〜Ｒ３４は抵抗素子としての第３の抵抗であり、その他の実施の形態１と同一の符号は同一の構成要素または相当部分を示すのでその説明は省略する。この実施の形態２の回路構成は、上記の実施の形態１とほぼ同様であり、概ね各ＨＢＴのベース電極と第２トランジスタのベース電極間にインダクタ素子と抵抗（第３の抵抗）を直列接続して高インピーダンス素子とする点で相違する。
【００２８】
この実施の形態２の特徴について以下に述べる。例えば、電力増幅回路ユニット１０１ｂ内の第３の抵抗Ｒ３１の値は、Ｌ１１とともに高周波成分に対する第１トランジスタ１１の入力インピーダンスに比べ大きくなるように設定される。この場合も抵抗Ｒ３１の値は、従来技術のベースバラスト抵抗Ｒｂ１に比較して小さな値に選ぶことができるので、電源回路での電圧降下分は小さく、低電源電圧動作の点で有利になる。
【００２９】
次に、図６は、図４と同様に第１トランジスタに流れるコレクタ電流Ｉｃｃの温度特性を示すもので、温度モニタ素子を配していない、ベースバラスト抵抗を６０Ωとした場合の結果（ａ）と、この実施の形態２による第１インダクタ素子Ｌ１１〜１４と第３の抵抗Ｒ３１〜Ｒ３４をそれぞれ配した温度モニタ素子２１〜２４である第２トランジスタ２１〜２４を第１トランジスタ１１〜１４に近接させた回路（図１）のシミュレーション結果（ｂ）を比較したものである。なお、本シミュレーションでは、温度補償効果の差異を見るために従来技術のベースバラスト抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂ４と同じく第３の抵抗Ｒ３１〜Ｒ３４の各値を６０Ωとした。
【００３０】
図６に示される結果より、この場合も第１トランジスタに第２トランジスタを近接させたこの実施の形態２の回路では、コレクタ電流Ｉｃｃの増加を抑止する働きが従来の増幅回路（図７）より大きいことが分かる。これにより、複数個あるうちの１カ所のＨＢＴにコレクタ電流Ｉｃｃが集中することを防ぐことができるので熱暴走が抑止され、回路全体の動作の安定化が図られることになる。
【００３１】
以上のように、この実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様に、第１トランジスタの近傍に配され熱的に結合する温度モニタ素子２１〜２４の第２トランジスタは、第１トランジスタにてコレクタ電流の増加による温度上昇が生じても、第１抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４により第２トランジスタのベース電圧を降下する性質を有するため、この降下した電圧がベース電極に接続して第１トランジスタのコレクタ電流の増加を抑止することができるので、比較的簡易な回路構成で熱暴走の発生を効率的に抑止できる効果が得られる。
【００３２】
なお、上記において、温度モニタ素子２１〜２４として機能する第２トランジスタは、ＨＢＴ等のバイポーラトランジスタのコレクタ電極とベース電極が短絡接続されたダイオードとして構成したがこれに限られず、単にダイオードを適用してもよい。
【００３３】
また、上記実施の形態１および２には、電力増幅回路ユニット１０１ａ、１０１ｂの高インピーダンス素子として、第１インダクタ素子Ｌ１１のみと、第１インダクタ素子Ｌ１１と第３の抵抗Ｒ３１を直列接続した構成をそれぞれ述べたが、抵抗素子のみで構成することも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、温度上昇に応じて流れる電流が増大する複数のダイオードを、ＲＦ信号を増幅するための並列接続された複数のバイポーラトランジスタの夫々の近傍であって、略同一の温度環境に配置し、ダイオードのアノードは第１の抵抗を介してＤＣ電源に接続され、一方、カソードは第２の抵抗を介してグランドに接続され、且つアノードはバイポーラトランジスタのベース電極に、ＲＦ信号において高インピーダンスである素子によって接続された半導体回路を構成したので、複数のバイポーラトランジスタのうちの１つにコレクタ電流の増加による温度上昇が生じても、その温度上昇によって増大するダイオードの電流により第１の抵抗の電圧降下が増大し、従ってアノードの電圧は低下するので、このアノードと接続されているバイポーラトランジスタのベース電圧も低下することになり、従ってそのバイポーラトランジスタの熱暴走を抑止することが可能となる。
【００３５】
また、従来の増幅回路（図７）のベースバラスト抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂ４に相当する抵抗素子は用いないため、従来技術に比較して低電圧電源化を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による増幅回路の構成図である。
【図２】図１のレイアウト構成を模式的に示した平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った断面の模式図である。
【図４】第１トランジスタに流れるコレクタ電流Ｉｃｃの温度特性のシミュレーション結果を従来の増幅回路（ａ）と実施の形態１の増幅回路（ｂ）で比較したグラフである。
【図５】この発明の実施の形態２による増幅回路の構成図である。
【図６】第１トランジスタに流れるコレクタ電流Ｉｃｃの温度特性のシミュレーション結果を従来の増幅回路（ａ）と実施の形態２の増幅回路（ｂ）で比較したグラフである。
【図７】従来の増幅回路の構成図である。
【符号の説明】
１１〜１４，２０ ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）（第１トランジスタ）
２１〜２４ 温度モニタ素子（第２トランジスタ）
３１〜３４ ビアホール
５１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
５２ ｎ＋−ＧａＡｓサブコレクタ層
５３ ｎ−ＧａＡｓコレクタ層
５４ ｐ＋−ＧａＡｓベース層
５５ ｎ−ＩｎＧａＰエミッタ層、
５６ イオン注入素子分離領域
５７ 絶縁膜
６１ コレクタ電極
６２ エミッタ電極
６３ ベース電極
１０１，１０１ａ，１０１ｂ 電力増幅回路ユニット
１０２ 整合回路
１０３ アンテナ
Ｃ１〜Ｃ４ 第１〜第４容量
ＩＮ１ 高周波入力端子
ＩＮ２ ＤＣ電源入力端子
Ｌ１１〜Ｌ１４ 第１インダクタ素子
Ｌｃ コイル
Ｍ１ 第１メタル
ＯＵＴ 出力端子
Ｒ１０ 抵抗
Ｒ１１〜Ｒ１４ 抵抗（第１の抵抗）
Ｒ２１〜Ｒ２４ 抵抗（第２の抵抗）
Ｒ３１〜Ｒ３４ 抵抗（第３の抵抗）
Ｒｂ１〜Ｒｂ４ ベースバラスト抵抗
Ｖｃｃ 電源電圧
Ｗｂ バイアス線
Ｗ０〜Ｗ３ 配線０〜配線３
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数のバイポーラトランジスタが並列接続された半導体回路に関し、特にヘテロ接合バイポーラトランジスタを用いた増幅機能を有する半導体回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にヘテロ接合バイポーラトランジスタ（Ｈｅｔｅｒｏｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ： ＨＢＴ）は、コレクタ電流と温度に正の相関を示すため、熱暴走を起こしやすい。特に多数のＨＢＴを並列に接続したパワーＨＢＴ増幅器では、一部のＨＢＴに電流と熱が集中する不安定動作やそれに起因するトランジスタの破壊が問題となる。
【０００３】
図７は従来の増幅回路を示す構成図であり、図において、１１〜１４はヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、１０１は電力増幅回路ユニット、１０２は整合回路、１０３はアンテナ、Ｃ１〜Ｃ４はそれぞれ第１〜第４容量、ＩＮ１は高周波（ＲＦ）入力端子、ＩＮ２はＤＣ電源入力端子、ＯＵＴは出力端子、Ｌｃはコイル、Ｒｂ１〜Ｒｂ４はベースバラスト抵抗、Ｖｃｃは電源電圧、Ｗｂはバイアス線である。
【０００４】
なお、整合回路１０２は、負荷側のアンテナ１０３と増幅回路を含む出力側の送信回路を最適なインピーダンス条件で結合させるためのものである。また、Ｒ１０はＤＣ電源入力端子ＩＮ２と接続する抵抗、２０はコレクタ電極とベース電極を短絡接続したヘテロ接合型バイポーラトランジスタである。さらに、バイアス線Ｗｂとは入力端子ＩＮ２からベースバラスト抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂ４を介してＨＢＴ１１〜１４のベース電極までを言うものとする。
【０００５】
上述の増幅回路の熱的暴走による不安定動作を抑えるため、電力増幅回路ユニット１０１では、第１トランジスタとしてのＨＢＴ１１のベース端子に直列にベースバラスト抵抗Ｒｂ１を接続し、ＨＢＴ１１における電流の増大、即ち、電流集中に対してネガティブフィートバックがかかるように工夫している。すなわち、ＨＢＴ１１のコレクタのコレクタ電流の増加に伴いベース電流が増加することから、ベースバラスト抵抗Ｒｂ１での電圧降下分が大きくなる一方、ベースバラスト抵抗Ｒｂ１の他端は定電圧源に接続されていることからＨＢＴ１１のベース電圧が降下するように働きＨＢＴ１１の熱暴走が抑えられる（以下の特許文献１を参照）。
【０００６】
【特許文献１】
米国特許５，５２９，６４８号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の増幅回路を形成する半導体回路は以上のように構成されているので、ベースバラスト抵抗を有効に機能させるためには、各ベースバラスト抵抗が接続される第１トランジスタごとに、そのエミッタ電極サイズやバイアス点などの設計に応じて最適な抵抗値を選定する煩雑さがあるという課題があった。
【０００８】
また、無線通信システムでは小型化、モバイル化に伴いバッテリー動作が求められており、低電圧電源動作化が要求されている。しかし、ベースバラスト抵抗を用いる場合、低電圧電源動作化が困難になる。上記ベースバラスト抵抗で熱暴走を抑える場合には、その抵抗値はＨＢＴの温度特性を十分補償するように設定する必要がある。また、当該ベースバラスト抵抗はＤＣ電源からみてＨＢＴに対し直列抵抗として作用するため、ＤＣ電源電圧にはＨＢＴが安定動作するのに必要なベースとエミッタ間の電圧とベースバラスト抵抗で生じる電圧降下分を加えた電圧が必要になる。すなわち、ＨＢＴの温度特性補償に十分な効果を得るためにベースバラスト抵抗を大きく設定した場合、ＤＣ電源電圧を高く設定せざるを得なくなる。このことは、システムのモバイル化に伴う低電圧電源化において問題になる。
【０００９】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、多数のバイポーラトランジスタ、特にＨＢＴを並列に接続してなる半導体回路において、比較的簡易な回路構成で熱暴走の発生を効率的に抑制し低電源電圧動作化を図ることができる半導体回路を得ることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、検討の結果、以下に示す発明の半導体回路に至った。すなわち、ＲＦ信号を増幅するための並列接続された複数の第１のトランジスタと、第１のトランジスタの夫々の近傍であって、略同一の温度環境に配置され、温度上昇に応じて流れる電流が増大する複数のダイオードとを備え、ダイオードのアノードは第１の抵抗を介してＤＣ電源に接続され、一方、ダイオードのカソードは第２の抵抗を介してグランドに接続され、且つアノードは第１のトランジスタのベース電極に接続されることにより、第１のトランジスタのコレクタ電流を制御する半導体回路を構成する。
【００１１】
また、ダイオードはコレクタ端子とベース端子とを直接接続した第２のトランジスタで構成した半導体回路を構成する。
【００１２】
また、第１のトランジスタおよび第２のトランジスタはヘテロ接合型バイポーラトランジスタである半導体回路を構成する。
【００１３】
また、第１のトランジスタのベース電極とダイオードのアノードは、ＲＦ信号周波数において高インピーダンスの素子を介して接続されている半導体回路を構成する。
【００１４】
また、第１のトランジスタのベース電極と第２のトランジスタのベース電極は、ＲＦ信号周波数において高インピーダンスの素子を介して接続されている半導体回路を構成する。
【００１５】
さらに、高インピーダンスの素子はインダクタ素子と、抵抗素子と、直列接続したインダクタ素子と抵抗素子のいずれか一つである半導体回路を構成する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した好適な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による増幅回路の構成図であり、複数のトランジスタが並列接続されている増幅回路の形態である。図１において、１１〜１４は第１トランジスタを構成するヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）、２１〜２４は温度モニタ素子を構成するＨＢＴの第２のトランジスタ、１０１ａは電力増幅回路ユニット、１０２は整合回路、１０３はアンテナ、Ｃ１〜Ｃ４はそれぞれ第１〜第４容量、ＩＮ１は高周波（ＲＦ）入力端子、ＩＮ２は定電圧であるＤＣ電源入力端子、ＯＵＴは出力端子、Ｌ１１〜Ｌ１４は高インピーダンス素子を構成する第１インダクタ素子、Ｌｃはコイル、Ｒ１１〜Ｒ１４は抵抗（第１の抵抗）、Ｒ２１〜Ｒ２４は同様に抵抗（第２の抵抗）、Ｖｃｃは電源電圧、Ｗｂはバイアス線である。ここで、バイアス線Ｗｂとは、入力端子ＩＮ２から抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４、第１トランジスタ１１〜１４、第１インダクタ素子Ｌ１１〜Ｌ１４を介してＨＢＴ１１〜１４のベース電極に至るまでをいう。なお、整合回路１０２の機能は、従来技術にて述べたとおりである。
【００１７】
この増幅器は４個のヘテロ接合型バイポーラトランジスタが並列接続されて成る半導体回路により構成されているが、任意のｎ個のＨＢＴ（ｎは正の整数）を並列に接続して構成することができる。そして、ＨＢＴ１１〜１４の各々の近傍には、例えば、電力増幅回路ユニット１０１ａ中のＨＢＴ１１の場合、ベース端子から第１インダクタ素子Ｌ１１を介して接続される温度モニタ素子２１を構成する第２トランジスタ２１（以下、温度モニタ素子に対応する第２トランジスタには同一の符号を付す）が配置されている。このＨＢＴ１１のコレクタ電極は整合回路１０２を介して出力端子ＯＵＴに接続され、抵抗Ｒ２１を介してエミッタ電極は接地している。また、ＲＦ入力端子ＩＮ１は、第１容量Ｃ１を介してＨＢＴ１１のベース端子と第１インダクタ素子Ｌ１１との接続点（ノード）に接続される。
【００１８】
この実施の形態１では、電力増幅回路ユニット１０１ａにおいて、第２トランジスタ２１は、ＨＢＴのベース電極とコレクタ電極を短絡してなるダイオードとして構成され、抵抗Ｒ１１との組み合わせにより、結果として温度上昇時に、第２トランジスタ２１のベース電圧を降下する作用が現れる。すなわち、第２トランジスタはＨＢＴの構造を有するので、温度上昇とともにベース電流は増加する。しかしながら、コレクタ電極は、抵抗Ｒ１１を介してＤＣ入力電源ＩＮ２なる定電圧源に接続されているので、電流増加に対応した電圧降下の増加が抵抗Ｒ１１で起こり、結果としてコレクタ電極の電位が降下することになる。ここで、第２トランジスタ２１のエミッタ端子と接地間には抵抗Ｒ２１が設けられている。なお、各ＨＢＴには、ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ，ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓ等のＨＢＴが用いられる。
【００１９】
図１に示すように、温度モニタ素子２１を構成する第２トランジスタ２１は、ベース電極がその近傍に存在するＨＢＴ１１に第１インダクタ素子Ｌ１１を介して接続され、第１トランジスタを構成するＨＢＴ１１と熱的に結合するように配置される。また、第１インダクタ素子Ｌ１１の値は第１トランジスタの入力インピーダンスに対して第２トランジスタ２１側をハイインピーダンスにして高周波成分の漏れを防ぐことができる値に設定される。
【００２０】
また、図２は、図１のレイアウト構成（第１インダクタＬ１を除く）において、例えば、ＩｎＧａＰ／ＧａＡｓによるＨＢＴのデバイスを適用した場合に模式的に示した平面図であり、図３は図２のＡ−Ａ線に沿った断面の模式図である。図において、Ｃ１は第１容量、Ｍ１は第１メタル、Ｗ０〜Ｗ３はそれぞれ配線０〜配線３であり、配線Ｗ３は第１メタルから成るが、配線Ｗ２は第２メタルから成る。３１〜３４はビアホール、５１は半絶縁性ＧａＡｓ基板、５２はｎ＋−ＧａＡｓサブコレクタ層、５３はｎ−ＧａＡｓコレクタ層、５４はｐ＋−ＧａＡｓベース層、５５はｎ−ＩｎＧａＰエミッタ層、５６はイオン注入素子分離領域、５７は絶縁膜で第１容量Ｃ１下では容量絶縁膜となり、６１はコレクタ電極、６２はエミッタ電極、６３はベース電極である。
【００２１】
デバイス製造において、素子部として、基板５１側から、コレクタ層５３、ベース層５４、エミッタ層５５の順でエピタキシャル層を積層する。また、電極の接触抵抗を下げるため、高ドープした低抵抗層を、エミッタ層５５の上とコレクタ層５３の下に設ける。素子間の分離、すなわち素子分離領域５６の形成は、プロトンなどのイオン注入による高抵抗層を用いるのが通常である。
【００２２】
また、第１メタルＭ１は、一方では、サブコレクタ層５２上の絶縁膜５７に開口した第１ビアホール３１を介してコレクタ電極と電気接続し、他方では、第１容量Ｃ１上と電気接続する。さらに、配線Ｗ３はベース層５４上の絶縁膜５７に開口した第２ビアホール３２を介してベース電極と電気接続するとともに、配線Ｗ０上の絶縁膜５７に開口した第３ビアホール３３を介して配線Ｗ０と電気接続する。なお、第１メタルＭ１や同素材の配線Ｗ３、第２メタルと電気接続する配線Ｗ２は、第１および第２の層間絶縁膜（図示せず）を介して形成される。
【００２３】
次に動作について説明する。
並列接続された複数のＨＢＴ１１〜１４のうちの１つのＨＢＴ１１（第１トランジスタ）が何らかの要因でコレクタ電流が増大し電流集中が起こると局所的に正のフィードバックがかかり発熱して熱暴走するおそれがある。その防止策として、コレクタ〜ベース電極を短絡してダイオードとして機能する第２トランジスタである温度モニタ素子２１と、定電圧源であるＤＣ電源入力端子ＩＮ２との間に介在する抵抗Ｒ１１が上記のコレクタ電流増加に対応して電圧降下をもたらすので、結果として温度モニタ素子（第２トランジスタ）２１のベース電位を降下することになり、この降下電圧がＨＢＴ１１のベース電極に接続するのでＨＢＴ１１のコレクタ電流の増加が抑止され、これにより増幅回路における熱暴走の発生を効率的に抑止することができる。
ここで、第１インダクタ素子Ｌ１１〜Ｌ１４の高インピーダンス素子は、ＨＢＴ１１〜１４の第１トランジスタに対して温度モニタ素子２１〜２４を構成する第２トランジスタ２１〜２４側をハイインピーダンスにして高周波成分の漏れを防ぐものである。
【００２４】
次に、図４は、第１トランジスタ１１〜１４に流れるコレクタ電流Ｉｃｃの温度特性を示すもので、上記の温度モニタ素子２１〜２４を配していない従来の増幅回路（図７）において、ベースバラスト抵抗を６０Ωとした場合の結果（ａ）と、この実施の形態１による第１インダクタ素子Ｌ１１〜Ｌ１４をそれぞれ配した温度モニタ素子２１〜２４の第２トランジスタ２１〜２４を第１トランジスタ１１〜１４に近接させた回路（図１）のシミュレーション結果（ｂ）を比較したものである。なお、本シミュレーションでは、ＨＢＴ１１〜１４を構成する４個の第１トランジスタのうち１つが温度上昇したものと仮定し、これと隣接する第２トランジスタの温度を同一温度と仮定した。
図４より、温度上昇に伴うコレクタ電流Ｉｃｃの増加が抑止され、温度特性補償効果が優れていることが分かる。
【００２５】
この場合、第１インダクタ素子Ｌ１１〜Ｌ１４の値は、インピーダンスが第１トランジスタの高周波成分に対する入力インピーダンスに比べ充分大きくなるよう設定されればよく、例えば、５ＧＨｚで入力インピーダンスが３Ω程度の場合、第１インダクタ素子Ｌ１１〜Ｌ１４の値は１ｎＨ程度、すなわちリアクタンス成分ＸとしてＸ＝ｊ３０以上の値が望ましい。
【００２６】
以上のように、この実施の形態１によれば、４個のＨＢＴ１１〜１４により構成される第１トランジスタの近傍には、ベース端子とコレクタ端子が短絡され、温度モニタ素子のダイオードとして機能する第２トランジスタ２１〜２４と、第２トランジスタ２１〜２４のコレクタ端子とＤＣ電源入力端子ＩＮ２間に第１抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４が配されるように構成したので、例えば、４個のうちの１つのＨＢＴ１１にてコレクタ電流の増加による温度上昇が生じても、第１抵抗Ｒ１１では温度モニタ素子２１を構成する第２トランジスタ２１のコレクタ電流増加に対応して電圧降下をもたらすので、結果として第２トランジスタ２１のベース電極の電位を降下することになり、この降下電圧がＨＢＴ１１のベース電極に接続してＨＢＴ１１のコレクタ電流の増加を抑止することができる。したがって、比較的簡易な回路構成で熱暴走の発生を効率的に抑止できる効果が得られる。
また、従来の増幅回路（図７）のベースバラスト抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂ４に相当する抵抗素子は用いないため、従来技術に比較して低電圧電源化を図ることができる。
【００２７】
実施の形態２．
図５は、この発明の実施の形態２による増幅回路の構成図であり、図において、１０１ｂは電力増幅回路ユニット、Ｒ３１〜Ｒ３４は抵抗素子としての第３の抵抗であり、その他の実施の形態１と同一の符号は同一の構成要素または相当部分を示すのでその説明は省略する。この実施の形態２の回路構成は、上記の実施の形態１とほぼ同様であり、概ね各ＨＢＴのベース電極と第２トランジスタのベース電極間にインダクタ素子と抵抗（第３の抵抗）を直列接続して高インピーダンス素子とする点で相違する。
【００２８】
この実施の形態２の特徴について以下に述べる。例えば、電力増幅回路ユニット１０１ｂ内の第３の抵抗Ｒ３１の値は、Ｌ１１とともに高周波成分に対する第１トランジスタ１１の入力インピーダンスに比べ大きくなるように設定される。この場合も抵抗Ｒ３１の値は、従来技術のベースバラスト抵抗Ｒｂ１に比較して小さな値に選ぶことができるので、電源回路での電圧降下分は小さく、低電源電圧動作の点で有利になる。
【００２９】
次に、図６は、図４と同様に第１トランジスタに流れるコレクタ電流Ｉｃｃの温度特性を示すもので、温度モニタ素子を配していない、ベースバラスト抵抗を６０Ωとした場合の結果（ａ）と、この実施の形態２による第１インダクタ素子Ｌ１１〜１４と第３の抵抗Ｒ３１〜Ｒ３４をそれぞれ配した温度モニタ素子２１〜２４である第２トランジスタ２１〜２４を第１トランジスタ１１〜１４に近接させた回路（図１）のシミュレーション結果（ｂ）を比較したものである。なお、本シミュレーションでは、温度補償効果の差異を見るために従来技術のベースバラスト抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂ４と同じく第３の抵抗Ｒ３１〜Ｒ３４の各値を６０Ωとした。
【００３０】
図６に示される結果より、この場合も第１トランジスタに第２トランジスタを近接させたこの実施の形態２の回路では、コレクタ電流Ｉｃｃの増加を抑止する働きが従来の増幅回路（図７）より大きいことが分かる。これにより、複数個あるうちの１カ所のＨＢＴにコレクタ電流Ｉｃｃが集中することを防ぐことができるので熱暴走が抑止され、回路全体の動作の安定化が図られることになる。
【００３１】
以上のように、この実施の形態２によれば、上記実施の形態１と同様に、第１トランジスタの近傍に配され熱的に結合する温度モニタ素子２１〜２４の第２トランジスタは、第１トランジスタにてコレクタ電流の増加による温度上昇が生じても、第１抵抗Ｒ１１〜Ｒ１４により第２トランジスタのベース電圧を降下する性質を有するため、この降下した電圧がベース電極に接続して第１トランジスタのコレクタ電流の増加を抑止することができるので、比較的簡易な回路構成で熱暴走の発生を効率的に抑止できる効果が得られる。
【００３２】
なお、上記において、温度モニタ素子２１〜２４として機能する第２トランジスタは、ＨＢＴ等のバイポーラトランジスタのコレクタ電極とベース電極が短絡接続されたダイオードとして構成したがこれに限られず、単にダイオードを適用してもよい。
【００３３】
また、上記実施の形態１および２には、電力増幅回路ユニット１０１ａ、１０１ｂの高インピーダンス素子として、第１インダクタ素子Ｌ１１のみと、第１インダクタ素子Ｌ１１と第３の抵抗Ｒ３１を直列接続した構成をそれぞれ述べたが、抵抗素子のみで構成することも可能である。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、温度上昇に応じて流れる電流が増大する複数のダイオードを、ＲＦ信号を増幅するための並列接続された複数のバイポーラトランジスタの夫々の近傍であって、略同一の温度環境に配置し、ダイオードのアノードは第１の抵抗を介してＤＣ電源に接続され、一方、カソードは第２の抵抗を介してグランドに接続され、且つアノードはバイポーラトランジスタのベース電極に、ＲＦ信号において高インピーダンスである素子によって接続された半導体回路を構成したので、複数のバイポーラトランジスタのうちの１つにコレクタ電流の増加による温度上昇が生じても、その温度上昇によって増大するダイオードの電流により第１の抵抗の電圧降下が増大し、従ってアノードの電圧は低下するので、このアノードと接続されているバイポーラトランジスタのベース電圧も低下することになり、従ってそのバイポーラトランジスタの熱暴走を抑止することが可能となる。
【００３５】
また、従来の増幅回路（図７）のベースバラスト抵抗Ｒｂ１〜Ｒｂ４に相当する抵抗素子は用いないため、従来技術に比較して低電圧電源化を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１による増幅回路の構成図である。
【図２】図１のレイアウト構成を模式的に示した平面図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿った断面の模式図である。
【図４】第１トランジスタに流れるコレクタ電流Ｉｃｃの温度特性のシミュレーション結果を従来の増幅回路（ａ）と実施の形態１の増幅回路（ｂ）で比較したグラフである。
【図５】この発明の実施の形態２による増幅回路の構成図である。
【図６】第１トランジスタに流れるコレクタ電流Ｉｃｃの温度特性のシミュレーション結果を従来の増幅回路（ａ）と実施の形態２の増幅回路（ｂ）で比較したグラフである。
【図７】従来の増幅回路の構成図である。
【符号の説明】
１１〜１４，２０ ヘテロ接合型バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）（第１トランジスタ）
２１〜２４ 温度モニタ素子（第２トランジスタ）
３１〜３４ ビアホール
５１ 半絶縁性ＧａＡｓ基板
５２ ｎ＋−ＧａＡｓサブコレクタ層
５３ ｎ−ＧａＡｓコレクタ層
５４ ｐ＋−ＧａＡｓベース層
５５ ｎ−ＩｎＧａＰエミッタ層、
５６ イオン注入素子分離領域
５７ 絶縁膜
６１ コレクタ電極
６２ エミッタ電極
６３ ベース電極
１０１，１０１ａ，１０１ｂ 電力増幅回路ユニット
１０２ 整合回路
１０３ アンテナ
Ｃ１〜Ｃ４ 第１〜第４容量
ＩＮ１ 高周波入力端子
ＩＮ２ ＤＣ電源入力端子
Ｌ１１〜Ｌ１４ 第１インダクタ素子
Ｌｃ コイル
Ｍ１ 第１メタル
ＯＵＴ 出力端子
Ｒ１０ 抵抗
Ｒ１１〜Ｒ１４ 抵抗（第１の抵抗）
Ｒ２１〜Ｒ２４ 抵抗（第２の抵抗）
Ｒ３１〜Ｒ３４ 抵抗（第３の抵抗）
Ｒｂ１〜Ｒｂ４ ベースバラスト抵抗
Ｖｃｃ 電源電圧
Ｗｂ バイアス線
Ｗ０〜Ｗ３ 配線０〜配線３
Claims (6)
- ＲＦ信号を増幅するための並列接続された複数の第１のトランジスタと、
上記第１のトランジスタの夫々の近傍であって、略同一の温度環境に配置され、温度上昇に応じて流れる電流が増大する複数のダイオードとを備え、
上記ダイオードのアノードは第１の抵抗を介してＤＣ電源に接続され、一方、上記ダイオードのカソードは第２の抵抗を介してグランドに接続され、且つ上記アノードは上記第１のトランジスタのベース電極に接続されることにより、第１のトランジスタのコレクタ電流を制御することを特徴とする半導体回路。 - 上記ダイオードはコレクタ端子とベース端子とを直接接続した第２のトランジスタで構成することを特徴とする請求項１記載の半導体回路。
- 上記第１のトランジスタおよび上記第２のトランジスタはヘテロ接合型バイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１および請求項２記載の半導体回路。
- 上記第１のトランジスタのベース電極と上記ダイオードのアノードは、前記ＲＦ信号周波数において高インピーダンスの素子を介して接続されていることを特徴とする請求項１記載の半導体回路。
- 上記第１のトランジスタのベース電極と上記第２のトランジスタのベース電極は、前記ＲＦ信号周波数において高インピーダンスの素子を介して接続されていることを特徴とする請求項２記載の半導体回路。
- 上記高インピーダンスの素子はインダクタ素子と、抵抗素子と、直列接続したインダクタ素子と抵抗素子のいずれか一つであることを特徴とする請求項４および請求項５記載の半導体回路。
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|---|---|---|---|---|
| JP2014053365A (ja) * | 2012-09-05 | 2014-03-20 | Renesas Electronics Corp | 半導体装置 |
| JP2017022506A (ja) * | 2015-07-09 | 2017-01-26 | ローム株式会社 | 出力回路および半導体装置 |
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| WO2004086612A1 (ja) | 2004-10-07 |
| US20060158257A1 (en) | 2006-07-20 |
| TW200511557A (en) | 2005-03-16 |
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| A02 | Decision of refusal |
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