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JP3851073B2 - Wireless communication device and semiconductor device - Google Patents
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JP3851073B2 - Wireless communication device and semiconductor device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は携帯電話機等の無線通信装置及びその無線通信装置に組み込まれる半導体装置に係わり、特に、トランジスタを複数並列に接続した高出力増幅器を、一個用いる単段構成または高出力増幅器を複数順次従属に接続した多段構成の高周波電力増幅モジュールを送信側出力段に有し、前記高周波電力増幅モジュールに接続されるアンテナを有する無線通信装置に関し、熱暴走防止・効率向上・発振防止技術に適用して有効な技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
自動車電話,携帯電話機等の移動体通信機(無線通信装置)においては、その送信側出力段に高周波電力増幅モジュール(高周波電力増幅回路)が組み込まれている。この高周波電力増幅モジュールの出力(送信パワー)はバイアス制御回路(APC:Automatic Power Control 回路)によって自動制御される構成になっている。
【0003】
一般に、携帯電話機では使用環境に合わせて基地局から送信されるパワーレベル指示信号によって周囲環境に適用するように出力を変えて通話を行い、他の携帯電話機との間で混信を生じさせないシステムが構築されている。携帯電話機では、前記パワーレベル指示信号を受けてバイアス制御回路から所定の信号(コントロール信号)を高周波電力増幅モジュールの増幅器に出力し、これによって無線通信装置の出力調整が行われる。
【0004】
高周波電力増幅モジュールは半導体増幅素子(トランジスタ)を、一個用いる単段構成またはトランジスタを複数順次従属に接続した多段構成となっている。トランジスタとしては、バイポーラトランジスタ,MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistor),GaAs−MES(Metal-Semiconductor)FET,HEMT(High Electron Mobility Transistor),HBT(Heterojunction Bipolar transistor)等が用いられている。
【0005】
米国特許第5,629,648号公報には、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ高出力増幅回路について開示されている。この文献には、並列に接続された複数のトランジスタにおいて、各トランジスタ毎にベースに直流バイアスを供給する抵抗と交流信号を供給する容量を設け、直流を供給する抵抗の電圧降下によって熱暴走を抑制することを特徴とする高出力バイポーラトランジスタ回路が記載されている。
【0006】
一方、特開平7-7014号公報(米国特許第5,321,279号公報)には、装置が信頼性をもって動作させるため、エミッタ・フィンガー(エミッタ端子),ベース・フィンガー(ベース端子),コレクタ・フィンガー(コレクタ端子)を有するマルチフィンガー構造のSiバイポーラ・トランジスタにおいて、ベース・フィンガーにバラスト・インピーダンスを接続して熱的暴走(電流ホッピング:ホットスポット)を抑止する電力用HBTが開示されている。すなわち、各ベース・フィンガーにバラスト・インピーダンス(抵抗器)を設けることによって、電流集中起因のホットスポットの抑制を図っている。
【0007】
また、この文献には、トランジスタの最小利得損失を確実にするために、前記バラスト・インピーダンス(抵抗器)に並列に容量(バイパス・コンデンサ)が接続されている。また、前記電力用HBTは、大電力用増幅器とすることができ、セルラ方式電話に用いることができる旨記載されている。
【0008】
他方、特開平7-94975号公報には、MOSFETを初段,中段,終段と従属接続させた3段構成の高周波HICモジュール(高周波電力増幅モジュール)が開示されている。この高周波HICモジュールは、「第1のバイアス回路は、複数段のMOSFETのうちの所定のMOSFETのゲートを出力コントロール電圧に基づいてバイアスする構成にし、前記所定のMOSFET以外の残りのMOSFETのゲートを固定電源に基づいてバイアスする第2のバイアス回路と、前記固定電源と前記第2のバイアス回路との経路を前記出力コントロール電圧に応じてスイッチングするスイッチ手段とを設けたもの」である。これにより、出力の制御性を高め、かつ効率の向上を図っている。また、各バイアス回路はいずれも3個の抵抗と一つのキャパシタで構成されている。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
HBTは高速化,低消費電力化等優れた特性を有することから、携帯電話機等の無線通信装置に組み込まれる高周波電力増幅モジュールの半導体増幅素子として使用されつつある。
【0010】
本発明者はHBTを用いた携帯電話機用パワーアンプモジュール(高周波電力増幅モジュール)の開発中、HBT素子の熱暴走と発振現象の双方を抑制しつつ効率を向上させる手段を検討した。従来知られている回路を採用する無線通信装置では以下の問題が発生することを確認した。
【0011】
図18はマルチフィンガー構造のHBTを一つ用いた単段増幅器(高周波電力増幅モジュール)を組み込んだ無線通信装置の一部の模式的回路図であり、前記米国特許第5,629,648号公報の回路構成(従来例1)を採用した回路である。なお、ここで、以下の説明の便宜上、それぞれ一つのエミッタ端子(エミッタ・フィンガー),ベース端子(ベース・フィンガー),コレクタ端子(コレクタ・フィンガー)で構成される部分をトランジスタ(単位セル)と呼称し、これら複数のトランジスタを並列に接続したトランジスタ群をマルチフィンガー構造トランジスタ、またはマルチフィンガートランジスタと呼称する。したがって、前記HBTは一つのマルチフィンガートランジスタとなる。
【0012】
高周波電力増幅モジュール1は、外部端子として、入力端子(RFin),出力端子(RFout),コレクタ端子ともなる第一電圧端子(Vcc),エミッタ端子ともなる第二電圧端子(グランド:GND),ベース端子ともなるバイアス端子(コントロール端子:Vapc)を有している。出力端子(RFout)には図示しないフィルター等を介してアンテナ2が接続される。
【0013】
HBTはマルチフィンガートランジスタとなり、N個のトランジスタを並列に接続した構造となっている。トランジスタQ1A〜Q1Nは、それぞれエミッタ端子5,ベース端子6,コレクタ端子7によって構成されている。
【0014】
この回路は入力端子とコントロール端子を分離した構造になっていて、各トランジスタQ1A〜Q1Nのベース端子6と入力端子との間に接合容量C2A〜C2Nを挿入接続し、各トランジスタQ1A〜Q1Nのベース端子6とコントロール端子との間にはバラスト抵抗R2A〜R2Nを挿入接続した構造になっている。
【0015】
また、第一電圧端子(Vcc)と各コレクタ端子7は単一のインダクタLc に接続され、各エミッタ端子5はグランド(GND)に接続されている。高周波電力増幅モジュール1にはアンテナ2とのインピーダンス整合をとるために整合回路9が出力側に設けられている。
【0016】
この無線通信装置では、交流信号が容量のみを介して供給される構成になっていることから、無線通信装置の効率を60%程度(高周波電力増幅モジュールの効率では70%程度に相当)と高める場合、信号経路に損失分がないため、素子の安定性が悪くなるとともに、発振現象が起きやすくなり、安定した通信ができなくなるおそれがある。すなわち、高周波において外部回路を見込むインピーダンスは小さく、安定化係数Kは著しく小さくなり、トランジスタは不安定になる。
【0017】
図6は安定化係数Kとコレクタ電流との相関を示すグラフである。同グラフにおいて従来例1が安定化係数値を示す曲線であり、安定化係数Kはコレクタ電流が0.01Aで約0.15程度であり、コレクタ電流値が増大することによりさらに安定化係数Kは小さくなる。
【0018】
図7は入力パワー(dBm)と電力付加効率(%)の関係を示したグラフである。同グラフでは従来例1が付加効率を示す曲線であり、その最大値は、入力パワーの大なる点、即ち約25dBmで最大値68.5%程度に達する。
【0019】
図19および図20はマルチフィンガー構造のHBTを一つ用いた単段増幅器(高周波電力増幅モジュール)を組み込んだ無線通信装置の一部の模式的回路図であり、前記特開平7-7014号公報に記載された回路構成をそれぞれ採用した回路である。図19の回路構成では、単純に各トランジスタQ1A〜Q1Nのベース端子6とコントロール端子(Vapc)との間にバラスト抵抗R1A〜R1Nを挿入した構造であるが、バラスト抵抗として熱暴走防止に充分な値を用いると高周波信号が減衰し、増幅特性が著しく損なわれるおそれがある。
【0020】
図20の回路は、高周波信号の減衰を防ぐために、抵抗R1A〜R1Nと並列にバイパス容量C1A〜C1Nを挿入した回路(従来例2)であるが、性能の劣化を小さくするためにはバイパス容量の値を大きくする(たとえば、50pF程度)必要があり、HBTを組み込む半導体チップの面積が大きくなる嫌いがあるとともに、一枚の半導体基板(ウエハ)からの半導体チップ取得数の低下により半導体チップ(半導体素子、即ち、半導体装置)の製造コストが増大する。また、高周波において外部回路を見込むインピーダンスが小さくなるため、安定化係数Kが減少し、回路が発振し易くなることが判明した。安定化係数Kは図6のグラフに示すように、従来例1の場合よりは良好であるが、発振が起き難い安定化係数1に程遠く、コレクタ電流が0.01〜1Aの間では安定化係数Kは0.5程度から0.75程度である。
上記抵抗R1A〜R1Nに並列接続される容量C1A〜C1Nは、高周波利得を大きくするためのものであるが、その利得増大効果を狙って容量値を大きくすると発振しやすくなる。また、逆に、容量値を小さくすると高周波利得の効果が低下し、最適設計が困難になる。
【0021】
本発明の目的は、無線通信装置の高効率域においても発振現象が起き難い無線通信装置及びその無線通信装置に組み込まれる半導体装置(半導体素子)を提供することにある。
【0022】
本発明の他の目的は、熱暴走が抑止でき効率が高くかつ発振現象が起き難い無線通信装置及びその無線通信装置に組み込まれる半導体装置(半導体素子)を提供することにある。
【0023】
本発明の前記ならびにそのほかの目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【0024】
【発明が解決しようとする課題】
本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0025】
(1)マルチフィンガー構造のヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)を一個用いる単段増幅器またはHBTを複数順次従属接続した多段増幅器を内蔵した高周波電力増幅モジュールを、送信側出力段に有し、前記高周波電力増幅モジュールに接続されるアンテナを有する無線通信装置において、
前記高周波電力増幅モジュールの入力端子とHBTの各制御端子との間に直列に挿入配置される第1容量および第1抵抗と、
高周波電力増幅モジュールのコントロール端子とHBTの各制御端子との間にそれぞれ挿入配置され、前記第1抵抗と前記第1容量間のノードに接続される第2抵抗とを有する。
無線通信装置に組み込まれる半導体装置(半導体素子)は、入力端子と、出力端子と、バイアス端子と、第1端子および第2端子ならびに前記第1端子と第2端子間を流れる電流を制御するための制御端子とからなるトランジスタを複数並列に接続して構成される高出力増幅器と、前記入力端子と前記各トランジスタの制御端子との間にそれぞれ配置され、前記入力端子に接続される第1容量C2A〜C2Nおよびこの第1容量C2A〜C2Nに直列に接続され前記制御端子に接続される第1抵抗R1A〜R1Nと、前記バイアス端子と前記各トランジスタの制御端子との間にそれぞれ配置され、前記第1抵抗R1A〜R1Nと前記第1容量C2A〜C2N間のノードに接続される第2抵抗R2A〜R2Nとを有し、前記出力端子は前記トランジスタの各第1端子に接続される構成になっている。
【0026】
(2)前記手段(1)の構成において、前記第1抵抗に並列に接続される第2容量を有する。このような無線通信装置に組み込まれる半導体装置は、前記(1)の構成において、前記第1抵抗R1A〜R1Nに並列に接続される第2容量C1A〜C1Nを有する構成になっている。
【0027】
(3)前記手段(1)または(2)において、ベース端子および/またはエミッタ端子にインダクタを挿入接続する。
【0028】
(4)マルチフィンガー構造のヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)を一個用いる単段増幅器またはHBTを複数順次従属接続した多段増幅器を内蔵した高周波電力増幅モジュールを、送信側出力段に有し、前記高周波電力増幅モジュールに接続されるアンテナを有する無線通信装置において、
前記増幅器の1段を構成するHBTの複数の端子(フィンガー)間の熱抵抗の差が、そのフィンガーの平均的な熱抵抗と比較して十分小さくなるように熱設計されており、
前記高周波電力増幅モジュールの入力端子とHBTの各制御端子との間に直列に挿入配置される第1抵抗と、
前記高周波電力増幅モジュールの入力端子と複数の前記第1抵抗を接続したノードとの間に接続される第1容量と、
高周波電力増幅モジュールのコントロール端子と前記第1抵抗と前記第1容量間のノードにそれぞれ接続される第2抵抗とを有する。
【0029】
前記(1)の手段によれば、(a)第2抵抗はHBTチップの温度上昇によるベース電流増加に伴ってベース電圧降下を引き起こすことから、各トランジスタの電流増加が抑制され熱暴走が抑制される。したがって、半導体装置(半導体素子)においても同様の効果を奏することになる。
【0030】
(b)また、第1抵抗は高周波的な損失となって利得の過度な増大を防ぐことで各トランジスタを安定化し、発振を防止する。したがって、半導体装置においても同様の効果を奏することになる。
【0031】
(c)第1抵抗,第2抵抗および第1容量の挿入接続により、高効率な無線通信装置を提供することができる。たとえば、高周波電力増幅モジュールにおいて、HBTを用い、トランジスタの数を100個程度とし、エミッタ寸法を2μm×20μm程度とすると出力4W程度を得ることができる。このとき、電流増幅率を80程度とすると第1容量は0.15pF程度、第1抵抗は100オーム程度、第2抵抗は1キロオーム程度で効率70%程度を達成できる(図7および図8参照)。この高効率動作時において、第1抵抗に流れる直流電流は約0.2乃至0.5mAであり、第1抵抗における電圧降下は20乃至50mVと充分小さく損失は小さい。図9より、第1抵抗の値を2.5倍、すなわち250Ω(100本並列のときに2.5Ω)程度までは効率の変化は少なく、このときの第1抵抗での電圧降下は50乃至25mVと充分小さい。これは、無線通信装置の効率では60%程度となり、高効率の無線通信装置を達成できることになる。
【0032】
(d)温度変動,電源変動による増幅器の暴走や発振が起き難くなり、無線信号の送信が妨げられることもなく安定した通信が行えるようになる。
【0033】
(e)第1抵抗に容量を並列接続することによって高周波利得を大きくすることができるが、容量値を大きくすると発振が起きる。本発明では、第1抵抗に容量を接続しない構造であることから、ベースバラスト抵抗の発振を抑止することができる。したがって、半導体装置においても同様の効果を奏することになる。
【0034】
前記(2)の手段によれば、(a)第1抵抗と第2抵抗を直列に接続してベース端子に接続し、前記第1抵抗に並列に第2容量を接続する構成にすることにより、第1抵抗の抵抗値を低くできる。この結果、この第1抵抗に並列に接続されるバイパス容量(第2容量)も低くできる。従来、たとえば容量が50pF程度であったものが、その1/10程度の5pF程度にすることができ、容量によるチップ面積の低減を図ることができる。したがって、半導体増幅素子(半導体素子:半導体チップ)のコスト低減が達成できる。
【0035】
(b)第1抵抗,第2抵抗,第1容量,第2容量を組み合わせた回路構成によるため、半導体チップにおける回路設計の自由度が大きくなる。一方、第1抵抗、第2抵抗、第1容量、第2容量を配置する必要があるためチップ上の素子配置は制限される。
【0036】
また、第1抵抗による高周波信号の減衰を第2容量を介してバイパスすることで低減し、増幅器の効率を上昇させる。たとえば、図7において従来例1と同程度の効率を得ることができる。
【0037】
前記(2)の手段による場合でも、増幅器の利得に飽和が生じる条件、すなわち図7に示すように入力パワーの大なる点、この場合たとえば25dBmで第2容量を設けない場合と比較して効率には殆ど差がない。これは、第1抵抗における高周波信号の損失を第2容量がバイパスするために生じる利得の上昇とそれに伴う効率の向上が、増幅器の利得飽和の効果により打ち消されるためである。
【0038】
したがって、使用時に増幅器の利得に飽和が生じる場合には、素子配置の複雑化によるチップ設計の困難さと素子数の増大に伴うチップ面積の増大を考慮して、(2)の手段によらない、すなわち図1に示す構成が望ましく、増幅器の利得に飽和が生じない場合に(2)の手段により高い効率を得ることができる。
【0039】
前記(3)の手段によれば、インダクタの挿入接続により、負帰還をかけることができ回路が安定化する。
【0040】
前記(4)の手段によれば、(a)第2抵抗はマルチフィンガーHBT全体の温度上昇によるベース電流増加に伴ってベース電圧降下を引き起こすことから、マルチフィンガーHBT全体の電流増加が抑制され熱暴走が抑制される。
【0041】
(b)また、第1抵抗は高周波的な損失となって利得の過度な増大を防ぐことで各トランジスタを安定化し、発振を防止する。
【0042】
(c)また、第1抵抗は各HBTフィンガー(単位トランジスタ)の温度上昇差によるベース電流増加の差に伴って、フィンガーごとに異なるベース電圧降下を引き起こすことから、コレクタ電流の差を減少させ、1フィンガーに電流が集中することを抑制し、各フィンガーを均一に動作させる。
【0043】
(d)第1抵抗,第2抵抗および第1容量の挿入接続により、高効率、且つ小形な無線通信装置を提供することができる。たとえば、高周波電力増幅モジュールにおいて、HBTを用い、トランジスタの数を100個程度とし、エミッタ寸法を2μm×20μm程度とすると出力4W程度を得ることができる。このとき、電流増幅率を80程度とすると第1容量は0.15pF程度、第1抵抗は100オーム程度、第2抵抗は1キロオーム程度で効率70%程度を達成できる(図7および図8参照)。この高効率動作時において、第1抵抗に流れる直流電流は約0.2乃至0.5mAであり、第1抵抗における電圧降下は20乃至50mVと充分小さく損失は小さい。図9より、第1抵抗の値を2.5倍、すなわち250Ω(100本並列のときに2.5Ω)程度までは効率の変化は少なく、このときの第1抵抗での電圧降下は50乃至25mVと充分小さい。これは、無線通信装置の効率では60%程度となり、高効率の無線通信装置を達成できることになる。
【0044】
(e)素子の配置において各HBTごとに配置する必要があるのは第1抵抗だけであり、第2抵抗、第1容量は互いに熱抵抗の差が小さくなるように配置された複数のHBTからなるブロック毎に設ければよいことから、素子配置の自由度が増大する。また、抵抗・容量素子の総数が減ることにより素子間の分離領域の面積が低減される。このことより面積を縮小した低コストなチップ(半導体装置)を設計することが容易になる。
【0045】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、発明の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0046】
(実施形態1)
図1乃至図9は本発明の一実施形態(実施形態1)である無線通信装置及び半導体装置(半導体素子)に係わる図である。本実施形態1ではヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)を半導体増幅素子として用いる半導体素子(半導体チップ)例について説明する。
【0047】
図1はHBTを一つ組み込んだ単段増幅器(高周波電力増幅モジュール1)を送信側出力段に有し、前記高周波電力増幅モジュール1に図示しないフィルター等を介してアンテナ2を接続した無線通信装置の一部の模式的回路図である。また、図2は携帯電話機等の無線通信装置の配線基板10にパッケージされた高周波電力増幅モジュール1が実装された状態を示す模式図である。高周波電力増幅モジュール1の下面にはそれぞれ外部端子(電極)が設けられ、これらの電極は配線基板10に設けられた所定の配線11に接合材を介して機械的電気的に接続されている。そして、高周波電力増幅モジュール1の出力端子に電気的に繋がる配線11には導線12を介してアンテナ2が接続されている。
【0048】
高周波電力増幅モジュール1は、外部端子として、入力端子(RFin),出力端子(RFout ),第一電圧端子(Vcc:コレクタ端子),第二電圧端子(GND:エミッタ端子),バイアス端子としてのコントロール端子(Vapc:ベース端子)を有している。出力端子には図示しないがフィルター等を介してアンテナ2が接続される。
【0049】
高周波電力増幅モジュール1の増幅器は、半導体チップ(半導体素子)に組み込まれたヘテロ接合バイポーラトランジスタ(HBT)で構成されている。このHBTはマルチフィンガートランジスタとなり、N個のトランジスタを並列に接続した構造となり、高出力増幅器を構成している。トランジスタQ1A〜Q1Nは、それぞれエミッタ端子5,ベース端子6,コレクタ端子7によって構成されている。各端子(フィンガー)は一本に束ねられ、それぞれベース端子,エミッタ端子,コレクタ端子となる。コレクタ端子は整合回路9を介して出力端子(RFout)に接続される。また、コレクタ電極はインダクタLcを介して第一電圧端子(Vcc:コレクタ端子)に接続されている。インダクタLbによって高周波(RF)信号の漏れが抑止され、電源電位が安定する。
【0050】
本実施形態1の回路は入力端子とバイアス端子(コントロール端子)を分離した構造になっていて、各トランジスタQ1A〜Q1Nのベース端子6と入力端子との間に接合容量として第1容量C2A〜C2Nと、バラスト抵抗として第1抵抗R1A〜R1Nが直列に挿入接続される構造になっている。また、前記第1抵抗R1A〜R1Nと第1容量C2A〜C2Nとの間のノードとバイアス端子(コントロール端子)との間には電圧降下を起こさせる第2抵抗R2A〜R2Nが挿入接続されている。
【0051】
第2抵抗R2A〜R2Nは第1抵抗R1A〜R1Nよりも抵抗値が大きくなっている。これは、半導体チップの温度が上昇してHBTに流れる電流が増大した場合、電圧降下を起こさせることによってHBTの熱暴走を抑制するためである。この熱暴走を抑止させるため、たとえば、第2抵抗R2A〜R2Nは第1抵抗R1A〜R1Nよりも抵抗値が10倍程度大きくなる。第2抵抗R2A〜R2Nを挿入接続することによって第1抵抗R1A〜R1Nは小さくすることができる。
【0052】
マルチフィンガー構造のHBTは、たとえば、InGaPをエミッタとし、GaAsをベースおよびコレクタとするHBTとなっている。
【0053】
図3はHBTを含む増幅器を構成する半導体素子(半導体チップ)の一部を示す模式的平面図であり、図1の回路に相当する。また、図4は図3のA−A′線に沿う断面図であり、図5は図3のB−B′線に沿う断面図である。
【0054】
図3に示すように、図の中央には横に並んで複数の第1容量C2A〜C2N(単に容量C2とも称す)が配置されている。第1容量C2A〜C2Nの一方の電極(容量体下層配線金属16)は入力端子(RFin)に接続されている。他方の容量電極(配線金属15)はトランジスタの第1抵抗R1A〜R1N(単に抵抗体R1とも称す)の一端に接続されている。容量体下層配線金属16と配線金属15との交差領域に容量絶縁膜14が介在配置されて容量C2(図5参照)が形成されている。抵抗体R1の他端は他の独立した配線金属15に接続されるとともに、この配線金属15はトランジスタQ1A〜Q1Nのベース端子6(図5では41で示す部分)に接続されている。
【0055】
トランジスタQ1A〜Q1Nの各コレクタ端子7(図5では40で示す部分)は他の独立した配線金属15に接続されている。この配線金属15は出力端子(RFout)に接続されている。また、エミッタ端子5(図5では42で示す部分)は他の独立した配線金属15(接地線)接続されている。この接地線は、ビアホールに充填された導体19と、その下に設けられる導体からなるエッチングストッパ21を介して半導体チップ(半導体素子:半導体増幅素子)の裏面(下面)に設けられる裏面電極22(GND)に電気的に接続されている(図4参照)。
【0056】
一方、前記容量C2の他方の電極(配線金属15)は第2抵抗R2A〜R2N(単に抵抗体R2とも称す)の一端に接続されている。抵抗体R2の他端には他の独立した配線金属15が接続されている。この配線金属15はバイアス端子(コントロール端子:ベース端子)に接続されている。このような構造によって図1の増幅回路が構成されることになる。
【0057】
つぎに、図4および図5を参照しながら、HBT,容量C2,抵抗体R1および抵抗体R2との断面構造関係について説明する。これら容量C2,抵抗体R1および抵抗体R2を組み込んだ半導体増幅素子は、半絶縁性GaAs基板30上にモノリシックに形成されている。なお、各部の寸法等については本発明において特に必要でないものについては省略する。
【0058】
半絶縁性GaAs基板30上には、n+型GaAsサブコレクタ層31が設けられているとともに、このn+型GaAsサブコレクタ層31上にn型GaAsコレクタ層32が設けられている。また、前記n型GaAsコレクタ層32は選択的に途中深さまでエッチング除去され一部に突出したメサ部を有している。前記メサ部から外れた薄いn型GaAsコレクタ層32が形成されている領域において、部分的にn型GaAsコレクタ層32がエッチング除去され、この除去部分にはコレクタ電極40が設けられている。
【0059】
前記メサ部上にはp+型GaAsベース層33,n型InGaPエミッタ層34,n+型GaAsキャップ層35が順次重なるように設けられている。p+型GaAsベース層33とn型InGaPエミッタ層34は略同じ大きさで一致して重なっているが、n+型GaAsキャップ層35はメサ部分の中央に細長矩形状に形成されている。
【0060】
前記n+型GaAsキャップ層35から外れたメサ領域において、選択的にn型InGaPエミッタ層34およびn+型GaAsキャップ層35がエッチング除去されてコンタクト穴が設けられ、このコンタクト穴部分にはベース電極41が設けられている。
【0061】
また、前記半絶縁性GaAs基板30の上面は表面を保護する絶縁膜45で覆われるが、この絶縁膜45の中層部分には、図5に示すように、抵抗体R1,抵抗体R2,容量C2が形成されている。容量絶縁膜14としてSiO2とSiNの積層膜を用いると漏れ電流の少ない容量を形成できる。また、その他の材料としてチタン酸ストロンチウム(STO),チタン酸バリウムストロンチウム(BST)等の高誘電体、あるいは酸化タンタル(Ta25)等を用いることで容量C2の面積を縮小でき、チップ面積を縮小できる。抵抗体材料としてWN,WSiN,TiN,TaN等の高融点金属の窒化物を用いると、信頼性に優れた抵抗が形成できる。また、NiCr合金等も抵抗体に適用できる。
【0062】
また、前記絶縁膜45は部分的にエッチング除去されてコンタクト穴が設けられ、HBTの各電極,抵抗体R1・R2の電極および容量C2の電極にパターニングされて形成される配線金属15が電気的に接触する。前記最上層の絶縁膜が形成される前、前記n+型GaAsキャップ層35上にはエミッタ電極42(図では2層になっている)が形成される。そして、コンタクト穴形成後の配線金属15の形成によって、各配線金属15はエミッタ電極42,ベース電極41,コレクタ電極40に接続されるとともに、各容量や抵抗体の各電極に接続され、図1に示す回路が構成されるようになる。
【0063】
本実施形態1のHBTはトランジスタQ1A〜Q1Nの数は、たとえば100個(N=100)になっている。そして、たとえば、エミッタ寸法は2μm×20μm程度となり、電流増幅率は80程度となり、第1容量C2A〜C2Nは0.15pF程度、第1抵抗R1A〜R1Nは100オーム程度、第2抵抗R2A〜R2Nは1キロオーム程度となっている。この構成では、高周波電力増幅モジュール1の出力は4W程度になる。この場合、高周波電力増幅モジュール1の効率は70%程度になり、結果として無線通信装置の効率は60%程度と高効率のものになる。
【0064】
すなわち、図6は本実施形態1(本発明)と従来例1および従来例2の回路によるコレクタ電流に対する安定化係数の推移を示すグラフであり、図7は本発明と従来例1の回路による入力パワーおよびコレクタ電流に対する付加効率(PAE:Power Added Efficiency)との相関を示すグラフであり、図8は従来例1および従来例2の回路による入力パワー(Pin)およびコレクタ電流と付加効率との相関を示すグラフであり、図9は本実施形態1の回路による、第1抵抗および第2抵抗の総和抵抗(Rtotal)の違いにおける、第1抵抗R1および安定化係数Kと付加効率との相関を示すグラフである。これらのデータは高周波電力増幅モジュールの効率が70%程度と高く、無線通信装置では60%程度となる回路での比較である。
【0065】
図6のグラフに示すように従来例1の安定化係数Kは0.5にも満たず低く発振現象が発生し易くなる。また、抵抗R1A〜R1Nに容量C1A〜C1Nを並列に接続する従来例2でもコレクタ電流が0.01A〜0.04A程度では安定化係数Kは0.5程度であり、コレクタ電流が1.5A程度でもせいぜい安定化係数Kが0.9にも満たない状態であり、発振のおそれがある。
【0066】
また、従来例2の回路構成では、抵抗R1A〜R1Nに並列に接続する容量C1A〜C1Nは50pF程度と大きくなり、容量C1A〜C1Nを形成する面積が大きくなるため、HBT,抵抗や容量をも組み込んだ半導体チップ(半導体装置)が大きくなる。
【0067】
図8のグラフは従来例1の回路の場合と、従来例2において容量C1A〜C1Nを25pFとした回路の場合と、50pFとした場合との付加効率の比較である。容量C1A〜C1Nを25pFとした場合には、付加効率は低くなり、使用に耐えなくなることが分かる。
【0068】
図7は本実施形態1(本発明)の回路の場合と、従来例1の回路の場合における付加効率を示す曲線である。入力パワーが23dBm以下の状態では本発明の回路に比較して従来例1の回路の場合が付加効率(PAE)が幾分よいが、入力パワーが25dBm程度の状態では、本発明の回路の場合でも従来例1の回路の場合と同様に70%程度と付加効率が高く遜色がないことが分かる。入力パワーを25dBmとすれば出力パワーを35dBmにすることができる。
【0069】
図9は本実施形態1の回路において、第1抵抗を100個並列接続した抵抗値をR1とし、第1抵抗と第2抵抗の直列を100個接続した抵抗値をRtotalとしたとき、そして、前記Rtotalを7Ω,10Ω,13Ω,16Ω,20Ωとした場合における、抵抗体R1を0.5Ω〜3Ωに変化させた場合の付加効率(PAE)を示すグラフである。
【0070】
発振現象を起こさせないためには安定化係数Kを1以上にする必要がある。安定化係数Kを1とする場合では、Rtotalが7Ω,10Ω,13Ω,16Ω,20Ωとなる状態でも付加効率を64%程度と高くすることができる。安定化係数Kが2の状態でも、Rtotalを16Ωより小さくする場合では、付加効率を63%程度と高く保つことができる。
【0071】
本実施形態1の無線通信装置は本実施形態1による半導体装置(半導体素子)の組み込みによって以下の効果を有する。
【0072】
(1)第2抵抗はHBTチップ(半導体装置)の温度上昇によるベース電流増加に伴ってベース電圧降下を引き起こすことから、各トランジスタの電流増加が抑制され熱暴走が抑制される。
【0073】
(2)また、第1抵抗は高周波的な損失となって利得の過度な増大を防ぐことで各トランジスタを安定化し、発振を防止することができる。
【0074】
(3)第1抵抗,第2抵抗および第1容量の挿入接続により、高効率な無線通信装置を提供することができる。たとえば、高周波電力増幅モジュールにおいて、HBTを用い、トランジスタの数を100個程度とし、エミッタ寸法を2μm×20μm程度とすると出力4W程度を得ることができる。このとき、電流増幅率を80程度とすると第1容量は0.15pF程度、第1抵抗は100オーム程度、第2抵抗は1キロオーム程度で効率70%程度を達成できる。これは、無線通信装置の効率では60%程度となり、高効率の無線通信装置を達成できることになる。
【0075】
(4)温度変動,電源変動による増幅器の暴走や発振が起き難くなり、無線信号の送信が妨げられることもなく安定した通信が行えるようになる。
【0076】
(実施形態2)
図10及び図11は本発明の他の実施形態(実施形態2)である無線通信装置に係わる図であり、図10は多段構成の高周波電力増幅モジュール等を示すブロック図、図11は高周波電力増幅モジュールの各電子部品のレイアウトを示す模式的平面図である。
【0077】
本実施形態2では、HBT,抵抗,容量を含む増幅器(半導体増幅素子)ampを順次従属接続した3段増幅器(多段増幅器)に本発明を適用した例について説明する。この多段増幅器は無線通信装置の送信側出力段に組み込まれる。
【0078】
無線通信装置は、図10に示すように、入力端子(RFin)と出力端子(RFout)間にインピーダンス整合回路MN1,amp1(初段増幅器),インピーダンス整合回路MN2,amp2(中段増幅器),インピーダンス整合回路MN3,amp3(終段増幅器),インピーダンス整合回路MN4を直列に挿入接続する構成になっている。各高出力増幅器(amp1〜amp3)のコントロール端子(ベース端子:bias1,bias2,bias3)には、ベースバイアス回路50の出力信号であるバイアス端子(コントロール電圧:Vapc1,Vapc2,Vapc3)が入力されて増幅率が制御されることになる。各高出力増幅器(amp1〜amp3)は実施形態1による回路構成となっている。
【0079】
図11は高周波電力増幅モジュール1における各電子部品のレイアウトである。半導体チップ(半導体素子)としてはベースバイアス回路50を構成するbias circuit,amp1,amp2,amp3がある。半導体チップの各電極と所定の配線は導電性のワイヤ51で接続されている。チップ容量およびチップインダクタの電極は所定の配線に図示しない半田等によって電気的に接続されている。
【0080】
なお、amp1,amp2,amp3においては、トランジスタとこのトランジスタに接続される第1抵抗,第2抵抗,第1容量を模式的に図示してある。
【0081】
本実施形態1ではベースバイアス回路50は特に明示しないが、たとえば各段の高出力増幅器を一定のコントロール電圧(Vapc)で制御するものとする。ベースバイアス回路50によっては、各段の高出力増幅器をそれぞれ所定のコントロール電圧で制御することも可能であり、その例としては後述する。
【0082】
本実施形態2の多段増幅器構成の高周波電力増幅モジュール1を組み込んだ無線通信装置は、前記実施形態1の場合と同様の効果を有するが、3段増幅構成にすることによって、利得の増大、バイアス制御回路による出力制御性の増大、出力の線形化等が図れ、通信性能の高い無線通信装置を提供することができる。
【0083】
(実施形態3)
図12は本発明の他の実施形態(実施形態3)である無線通信装置の一部を示す回路図である。本実施形態3は実施形態1の増幅器の回路構成において、ベース端子と第2抵抗群との間にインダクタLbを、また、エミッタとGND間にインダクタLeを挿入接続した構造になっている。インダクタLbを挿入接続することによって、ベース電源回路を見込むインピーダンスが増加し、ベース電源回路への高周波(RF)信号の漏れを抑止でき、漏れによる損失を減らすことができるため高効率化が達成できる。また、インダクタLeを挿入接続することによって、負帰還が掛かり回路が安定化する。インダクタLbとインダクタLeの効果は各々独立であるため、インダクタLbのみ、あるいはインダクタLeのみを設けた場合にも各々上記のような効果が生じるのは言うまでもない。
【0084】
(実施形態4)
図13は本発明の他の実施形態(実施形態4)である無線通信装置の一部を示す回路図である。本実施形態4は実施形態1の回路構成において、バラスト抵抗である第1抵抗R1A〜R1Nに並列に高周波成分信号を通すバイパス用の容量、すなわち第2容量C1A〜C1Nを接続した構造になっている。本実施形態4では、第2抵抗R2A〜R2Nをベース端子とベース端子6との間に設けることによって、第1抵抗R1A〜R1Nを小さくできるため、バイパス容量である第2容量C1A〜C1Nの容量値も小さくできる。たとえば、第1抵抗R1A〜R1Nは100Ω程度とすることができるため、第2容量C1A〜C1Nの容量値を5pF程度と小さくできる。従来、たとえば容量が50pF程度であったものが、その1/10程度の5pF程度にすることができ、容量によるチップ面積の低減を図ることができる。この結果、容量を形成する面積が小さくなり、半導体チップの寸法が小さくなるとともに、一枚の半導体基板(ウエハ)から取得する半導体チップの取得数も多くなり半導体増幅素子の製造コストの低減が達成できる。
【0085】
また、第1抵抗,第2抵抗,第1容量,第2容量を組み合わせた回路構成によるため、半導体増幅素子や高周波電力増幅モジュールの設計の自由度が大きくなる。
【0086】
また、インダクタLbは、ベース電源回路を見込むインピーダンスを増加させ、ベース電源回路への高周波(RF)信号の漏れを抑止し、漏れによる損失を減らすため高効率化が達成できる。インダクタLeは負帰還を掛け回路を安定化させる。したがってこの回路では高効率化と安定化が達成できることになる。
【0087】
インダクタLbとインダクタLeの効果は各々独立であるため、インダクタLbのみ、あるいはインダクタLeのみを設けた場合にも各々上記のような効果が生じるのは言うまでもない。また、これらインダクタンスの代わりに基板上に伝送線路等を形成して各端子から見込んだインピーダンスが適当な値になるように設計すれば必ずしもインダクタンス素子を用いずとも良いのは勿論のことである。
【0088】
(実施形態5)
図14乃至図16は本発明の他の実施形態(実施形態5)である無線通信装置に係わる図であり、図14は単段増幅構成の無線通信装置の一部を示す回路図、図15は高周波電力増幅モジュールに組み込まれるバイアス制御回路図、図16は高周波電力増幅モジュールの各電子部品のレイアウトを示す模式的平面図である。
【0089】
本実施形態5は、図14に示すように、増幅器本体トランジスタ55が形成される同一の半絶縁性半導体基板にカレントミラー用ダイオード(センサーダイオード)56をモノリシックに集積化した構成になっている。本体トランジスタ55は、前記実施形態1と同様の回路構成であり、入力端子(RFin)とベース端子6との間に第1容量C2A〜C2Nと第1抵抗R1A〜R1Nを直列に接続するとともに、第1容量C2A〜C2Nと第1抵抗R1A〜R1Nとの間のノードとコントロール端子(Vapc)との間に第2抵抗R2A〜R2Nを挿入接続する構造になっている。
【0090】
センサーダイオード56は、ダイオード接続のトランジスタQsからなっている。このトランジスタQsはHBTからなっている。ダイオード接続とするためにトランジスタQsのベースとコレクタとの間に抵抗Rs1と抵抗Rs2を直列に挿入接続してある。トランジスタQsのコレクタ端子がVdになり、エミッタ端子がGNDになる。
【0091】
カレントミラー用ダイオード56を同一の半絶縁性半導体基板に有することにより、半絶縁性半導体基板が温度上昇をし、本体トランジスタ55の電流量が増大すると、これに対応してカレントミラー用ダイオード56の電流量も増大することから、カレントミラー用ダイオード56に流れる電流を一定に制御することにより、温度が変動しても本体トランジスタ55に流れる電流を一定に制御できるためバイアス制御性が向上する。すなわち、センサーダイオードは増幅トランジスタと同一チップ上にあり、増幅トランジスタと同様の温度変動を受ける。トランジスタのベース・エミッタ間、及び、ダイオードの電流電圧特性は強い温度依存性を有するが、温度が同じであれば同様の電流電圧特性を示す。したがって、センサーダイオードにある一定の電流Idを流し、そこに生じた電圧と同じ電圧でトランジスタのベースを駆動することにより、温度変化にかかわらずトランジスタに流れる電流を一定の値(Idのセンサーダイオードと本体トランジスタのベース・エミッタの接合面積比倍)に制御することができる。なお、センサーダイオードに代えてセンサートランジスタとしても前記同様な効果を得ることができる。
【0092】
図10において、ベースバイアス回路50を図15に示すように実施形態2の場合とは異なり、初段のamp1はコントロールイン(control in)を抵抗Rc1・Rc2の分圧によって生成するバイアス(Vapc1)でコントロールし、中段および終段のamp2・3はコントロールインをトランジスタQb1・Qb2によるエミッタフォロワを介して生成するバイアス(Vapc2,Vapc3)でコントロールする。トランジスタQb1に接続されるトランジスタQs2はamp2の本体トランジスタ55とモノリシックに形成されるカレントミラー用ダイオード56であり、トランジスタQb2に接続されるトランジスタQs3はamp3の本体トランジスタ55とモノリシックに形成されるカレントミラー用ダイオード56である。これらトランジスタQs2・Qs3はコントロールインをトランジスタQb1・Qb2によるエミッタフォロワを介して生成する際、参照電圧として用いられる。
【0093】
なお、インダクタLb1〜Lb3は各コントロール端子(Vapc1,Vapc2,Vapc3)からの高周波信号成分の洩れを抑止するために設けられている。
【0094】
このベースバイアス回路50では、コントロール端子Vapc1には抵抗の分圧によるコントロール電圧が入力され、コントロール端子Vapc2にはトランジスタQb1の増幅率によって増幅されたコントロール電流が入力され、コントロール端子Vapc3にはトランジスタQb2の増幅率によって増幅されたコントロール電流が入力されるようになっている。
【0095】
図16は本実施形態5による高周波電力増幅モジュール1における各電子部品のレイアウトである。半導体チップとしてはベースバイアス回路50を構成するbias circuit,amp1,amp2,amp3がある。半導体チップの各電極と所定の配線は導電性のワイヤ51で接続されている。チップ容量およびチップインダクタの電極は所定の配線に図示しない半田等によって電気的に接続されている。
【0096】
なお、amp1,amp2,amp3においては、トランジスタとこのトランジスタに接続される第1抵抗,第2抵抗,第1容量を模式的に図示してある。また、amp2,amp3においては、符号は付けないがカレントミラー用ダイオードを明示してある。図16のカレントミラー用ダイオード56には抵抗Rs1・Rs2は省略してある。
【0097】
(実施形態6)
図17は本発明の他の実施形態(実施形態6)である無線通信装置の一部を示す回路図である。本実施形態6は実施形態1の回路構成において、互いに熱抵抗の差が小さくなるように配置されたいくつか(図17の場合にはすべて)のトランジスタのバラスト抵抗兼回路安定化抵抗である第1抵抗R1A〜R1Nを、ベース端子6に接続される側の反対側で1つのノードに接続し、そのノードとバイアス供給端子の間に単一の抵抗として第2抵抗R2を挿入接続し、前記ノードと入力端子との間に単一の接合容量として第1容量C2が挿入接続される構造になっている。
【0098】
本実施形態6では、(a)R2はマルチフィンガーHBT全体の温度上昇によるベース電流増加に伴ってベース電圧降下を引き起こすことから、マルチフィンガーHBT全体の電流増加が抑制され熱暴走が抑制される。
【0099】
(b)また、第1抵抗R1A〜R1Nは高周波的な損失となって利得の過度な増大を防ぐことで各トランジスタを安定化し、発振を防止する。
【0100】
(c)また、第1抵抗R1A〜R1Nは各HBTフィンガーの温度上昇差によるベース電流増加の差に伴って、フィンガーごとに異なるベース電圧降下を引き起こすことから、コレクタ電流の差を減少させ、1フィンガーに電流が集中することを抑制し、各フィンガーを均一に動作させる。
【0101】
(d)素子の配置において各HBTごとに配置する必要があるのは第1抵抗R1A〜R1Nだけであり、R2,C2は互いに熱抵抗の差が小さくなるように配置された複数のHBTからなるブロック毎に設ければよいことから、素子配置の自由度が増大し、また、抵抗・容量素子の総数が減ることにより素子間の分離領域の面積が低減される。また、R2,C2は複数のHBTからなるブロック毎に設ければよいことから、面積を小さくできるばかりでなく、容量を外付けにできる自由度がある。
【0102】
本実施形態において「互いの熱抵抗差が小さくなるように配置された」とは、素子間の熱抵抗がおおむね素子全体の熱抵抗の1/5程度以下であることを目安とし、その場合R1をN本並列接続した場合の抵抗とR2との比は、素子間の熱抵抗差と上記素子全体の熱抵抗との比の約2倍程度であれば熱的安定性が得られることが実験的に示された。たとえば素子全体の熱抵抗が20℃/Wであり、素子間の熱抵抗差が2℃/Wであれば第1抵抗R1A〜R1Nの並列抵抗〜2オーム、R2=8オーム程度で熱的安定性が得られた。トランジスタ数を100としたとき、R1A=R1N=200Ωであり、R2=8Ωを1個だけ配置した場合と、実施形態1のごとくR2A=R2N=800Ωを100個配置した場合と比較すると前者は後者の60%まで素子面積を削減できた。
【0103】
本実施例においては、第1抵抗R1A〜R1Nが入力端子との間で一つのノードに接続されるため、R2及びC2をトランジスタと集積化する必要はなく、トランジスタチップの外部の基板上にR2及びC1素子をおくことが可能である。この場合、トランジスタチップ面積の大幅な縮小が可能となり、実施形態1の場合の40%までチップ面積を削減できた。
【0104】
以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。たとえば、実施形態では増幅器に用いる半導体増幅素子はHBTとしたが、シリコンによるバイポーラトランジスタでも同様に適用でき同様の効果を奏することができる。本発明は少なくとも高周波の増幅技術には適用できる。
【0105】
【発明の効果】
本願において開示される発明のうち代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下記のとおりである。
【0106】
(1)熱暴走が抑止でき効率が高くかつ発振現象が起き難い無線通信装置を提供することができる。
【0107】
(2)使用する容量の容量値を小さくできることから、半導体チップ(半導体装置)の小型化や製造コストの低減を図ることができる。
【0108】
(3)ベース端子やエミッタ端子部分にインダクタを挿入接続することによって無線通信装置の安定性や効率向上を図ることができる。
【0109】
(4)カレントミラー構成の採用により、バイアス制御性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態(実施形態1)である無線通信装置の一部を示す回路図である。
【図2】本実施形態1の無線通信装置の一部を示す模式的斜視図である。
【図3】本実施形態1の無線通信装置に組み込まれるマルチフィンガー構造のHBTや第1容量,第1抵抗,第2抵抗等を含む増幅器が形成された半導体チップ(半導体装置)の一部を示す模式的平面図である。
【図4】図3のA−A′線に沿う断面図である。
【図5】図3のB−B′線に沿う断面図である。
【図6】コレクタ電流と安定化係数Kとの相関を示すグラフである。
【図7】入力パワー及びコレクタ電流と付加効率との相関を示すグラフである。
【図8】入力パワー(Pin)およびコレクタ電流と負荷効率(PAE)との相関を示すグラフである。
【図9】第1抵抗および第2抵抗の総和抵抗(Rtotal)の違いにおける、第1抵抗R1および安定化係数Kと負荷効率(PAE)との相関を示すグラフである。
【図10】本発明の他の実施形態(実施形態2)である無線通信装置における多段構成の高周波電力増幅モジュール等を示すブロック図である。
【図11】本実施形態2による高周波電力増幅モジュールの各電子部品のレイアウトを示す模式的平面図である。
【図12】本発明の他の実施形態(実施形態3)である無線通信装置の一部を示す回路図である。
【図13】本発明の他の実施形態(実施形態4)である無線通信装置の一部を示す回路図である。
【図14】本発明の他の実施形態(実施形態5)である無線通信装置の一部を示す回路図である。
【図15】本実施形態5の無線通信装置に組み込まれ高周波電力増幅モジュールのバイアス制御回路図である。
【図16】本実施形態5の高周波電力増幅モジュールの各電子部品のレイアウトを示す模式的平面図である。
【図17】本発明の他の実施形態(実施形態6)である無線通信装置の一部を示す回路図である。
【図18】従来の回路を採用した無線通信装置の一部を示す回路図である。
【図19】従来の回路を採用した無線通信装置の一部を示す回路図である。
【図20】従来の回路を採用した無線通信装置の一部を示す回路図である。
【符号の説明】
1…高周波電力増幅モジュール、2…アンテナ、5…エミッタ端子、6…ベース端子、7…コレクタ端子、9…整合回路、10…配線基板、11…配線、12…導線、14…容量絶縁膜、15…配線金属、16…容量体下層配線金属、19…導体、20…配線、21…エッチングストッパ、22…裏面電極、30…半絶縁性GaAs基板、31…n+型GaAsサブコレクタ層、32…n型GaAsコレクタ層、33…p+型GaAsベース層、34…n型InGaPエミッタ層、35…n+型GaAsキャップ層、40…コレクタ電極、41…ベース電極、42…エミッタ電極、45…絶縁膜、50…ベースバイアス回路、51…ワイヤ、55…本体トランジスタ、56…カレントミラー用ダイオード(センサーダイオード)、57…カレントミラー用トランジスタ(センサートランジス)、C2A〜C2N…第1容量、C1A〜C1N…第2容量、GND…第二電圧端子(エミッタ端子)、R1A〜R1N…第1抵抗、R2A〜R2N…第2抵抗、RFin…入力端子、RFout…出力端子、Vapc…コントロール端子(ベース端子)、Vcc…第一電圧端子(コレクタ端子)。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wireless communication device such as a mobile phone and a semiconductor device incorporated in the wireless communication device, and more particularly, a single-stage configuration using a single high-power amplifier in which a plurality of transistors are connected in parallel, or a plurality of high-power amplifiers sequentially dependent. The present invention relates to a wireless communication apparatus having a multi-stage high frequency power amplification module connected to a transmitter output stage and an antenna connected to the high frequency power amplification module, and is applied to thermal runaway prevention, efficiency improvement, and oscillation prevention techniques. It relates to effective technology.
[0002]
[Prior art]
In mobile communication devices (wireless communication devices) such as automobile phones and mobile phones, a high-frequency power amplification module (high-frequency power amplification circuit) is incorporated in the output side of the transmission side. The output (transmission power) of the high-frequency power amplification module is automatically controlled by a bias control circuit (APC: Automatic Power Control circuit).
[0003]
In general, in a mobile phone, a system that does not cause interference with other mobile phones by changing the output so as to be applied to the surrounding environment by a power level instruction signal transmitted from a base station according to the usage environment. Has been built. The cellular phone receives the power level instruction signal and outputs a predetermined signal (control signal) from the bias control circuit to the amplifier of the high frequency power amplification module, thereby adjusting the output of the wireless communication device.
[0004]
The high-frequency power amplification module has a single-stage configuration using one semiconductor amplification element (transistor) or a multi-stage configuration in which a plurality of transistors are connected in series. As the transistors, bipolar transistors, MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect-Transistors), GaAs-MES (Metal-Semiconductor) FETs, HEMTs (High Electron Mobility Transistors), HBTs (Heterojunction Bipolar transistors), and the like are used.
[0005]
US Pat. No. 5,629,648 discloses a heterojunction bipolar transistor high-power amplifier circuit. In this document, in a plurality of transistors connected in parallel, a resistor for supplying a DC bias to each base and a capacitor for supplying an AC signal are provided for each transistor, and thermal runaway is suppressed by a voltage drop of the resistor supplying DC. A high power bipolar transistor circuit is described which is characterized by:
[0006]
On the other hand, Japanese Patent Laid-Open No. 7-7014 (US Pat. No. 5,321,279) discloses an emitter finger (emitter terminal), a base finger (base terminal), a collector finger (collector) in order to operate the apparatus with reliability. In an Si bipolar transistor having a multi-finger structure having a terminal, a power HBT is disclosed in which a ballast impedance is connected to a base finger to suppress thermal runaway (current hopping: hot spot). That is, by providing a ballast impedance (resistor) on each base finger, hot spots due to current concentration are suppressed.
[0007]
In this document, a capacitor (bypass capacitor) is connected in parallel with the ballast impedance (resistor) in order to ensure the minimum gain loss of the transistor. Further, it is described that the power HBT can be a high power amplifier and can be used for a cellular telephone.
[0008]
On the other hand, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-94975 discloses a high-frequency HIC module (high-frequency power amplification module) having a three-stage configuration in which MOSFETs are cascade-connected to a first stage, a middle stage, and a final stage. This high-frequency HIC module is configured such that the first bias circuit is configured to bias the gate of a predetermined MOSFET of a plurality of stages of MOSFETs based on an output control voltage, and the gates of the remaining MOSFETs other than the predetermined MOSFET A second bias circuit for biasing based on a fixed power supply, and switch means for switching a path between the fixed power supply and the second bias circuit according to the output control voltage. Thereby, the controllability of the output is improved and the efficiency is improved. Each bias circuit is composed of three resistors and one capacitor.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Since the HBT has excellent characteristics such as high speed and low power consumption, it is being used as a semiconductor amplification element of a high frequency power amplification module incorporated in a wireless communication device such as a mobile phone.
[0010]
During the development of a mobile phone power amplifier module (high frequency power amplifier module) using an HBT, the present inventor studied means for improving efficiency while suppressing both thermal runaway and oscillation phenomenon of the HBT element. It has been confirmed that the following problems occur in a wireless communication apparatus employing a conventionally known circuit.
[0011]
FIG. 18 is a schematic circuit diagram of a part of a wireless communication apparatus incorporating a single-stage amplifier (high frequency power amplification module) using one multi-fingered HBT. The circuit configuration of the above-mentioned US Pat. No. 5,629,648 ( This is a circuit employing Conventional Example 1). Here, for the convenience of the following description, a portion composed of one emitter terminal (emitter finger), base terminal (base finger), and collector terminal (collector finger) is referred to as a transistor (unit cell). A transistor group in which the plurality of transistors are connected in parallel is referred to as a multi-finger transistor or a multi-finger transistor. Therefore, the HBT becomes one multi-finger transistor.
[0012]
The high frequency power amplifying module 1 includes, as external terminals, an input terminal (RFin), an output terminal (RFout), a first voltage terminal (Vcc) also serving as a collector terminal, a second voltage terminal (ground: GND) serving also as an emitter terminal, a base It has a bias terminal (control terminal: Vapc) that also serves as a terminal. The antenna 2 is connected to the output terminal (RFout) through a filter (not shown).
[0013]
The HBT is a multi-finger transistor and has a structure in which N transistors are connected in parallel. The transistors Q1A to Q1N are composed of an emitter terminal 5, a base terminal 6, and a collector terminal 7, respectively.
[0014]
This circuit has a structure in which an input terminal and a control terminal are separated. Junction capacitors C2A to C2N are inserted and connected between the base terminals 6 and the input terminals of the transistors Q1A to Q1N, and the bases of the transistors Q1A to Q1N are connected. Ballast resistors R2A to R2N are inserted and connected between the terminal 6 and the control terminal.
[0015]
The first voltage terminal (Vcc) and each collector terminal 7 are connected to a single inductor Lc, and each emitter terminal 5 is connected to the ground (GND). The high frequency power amplification module 1 is provided with a matching circuit 9 on the output side in order to achieve impedance matching with the antenna 2.
[0016]
In this wireless communication apparatus, since the AC signal is supplied only through the capacity, the efficiency of the wireless communication apparatus is increased to about 60% (equivalent to about 70% in the efficiency of the high-frequency power amplification module). In this case, since there is no loss in the signal path, the stability of the element is deteriorated and an oscillation phenomenon is likely to occur, and there is a possibility that stable communication cannot be performed. In other words, the impedance for expecting an external circuit at a high frequency is small, the stabilization coefficient K is remarkably small, and the transistor becomes unstable.
[0017]
FIG. 6 is a graph showing the correlation between the stabilization coefficient K and the collector current. In the graph, Conventional Example 1 is a curve showing a stabilization coefficient value. The stabilization coefficient K is about 0.15 when the collector current is 0.01 A, and further increases as the collector current value increases. Becomes smaller.
[0018]
FIG. 7 is a graph showing the relationship between input power (dBm) and power added efficiency (%). In the graph, Conventional Example 1 is a curve showing added efficiency, and the maximum value reaches a maximum value of about 68.5% at a point where the input power is large, that is, about 25 dBm.
[0019]
19 and 20 are schematic circuit diagrams of a part of a wireless communication apparatus incorporating a single-stage amplifier (high-frequency power amplification module) using one multi-fingered HBT. Each of the circuits adopting the circuit configuration described in the above. In the circuit configuration of FIG. 19, the ballast resistors R1A to R1N are simply inserted between the base terminal 6 and the control terminal (Vapc) of each of the transistors Q1A to Q1N. However, the ballast resistor is sufficient to prevent thermal runaway. When the value is used, the high frequency signal is attenuated, and the amplification characteristic may be significantly impaired.
[0020]
The circuit of FIG. 20 is a circuit (conventional example 2) in which bypass capacitors C1A to C1N are inserted in parallel with resistors R1A to R1N in order to prevent attenuation of high-frequency signals. It is necessary to increase the value of the semiconductor chip (for example, about 50 pF), and there is a dislike of increasing the area of the semiconductor chip into which the HBT is incorporated, and the number of semiconductor chips acquired from one semiconductor substrate (wafer) decreases. The manufacturing cost of a semiconductor element (ie, a semiconductor device) increases. Further, it has been found that since the impedance for expecting an external circuit at a high frequency becomes small, the stabilization coefficient K decreases and the circuit easily oscillates. As shown in the graph of FIG. 6, the stabilization coefficient K is better than that of the conventional example 1, but is far from the stabilization coefficient 1 at which oscillation does not easily occur, and is stabilized when the collector current is between 0.01 and 1A. The coefficient K is about 0.5 to about 0.75.
The capacitors C1A to C1N connected in parallel to the resistors R1A to R1N are for increasing the high-frequency gain. However, if the capacitance value is increased in order to increase the gain, oscillation tends to occur. On the other hand, if the capacitance value is reduced, the effect of high frequency gain is reduced, and optimal design becomes difficult.
[0021]
An object of the present invention is to provide a wireless communication device in which an oscillation phenomenon hardly occurs even in a high efficiency region of the wireless communication device, and a semiconductor device (semiconductor element) incorporated in the wireless communication device.
[0022]
Another object of the present invention is to provide a wireless communication device that suppresses thermal runaway, has high efficiency, and does not easily cause an oscillation phenomenon, and a semiconductor device (semiconductor element) incorporated in the wireless communication device.
[0023]
The above and other objects and novel features of the present invention will be apparent from the description of this specification and the accompanying drawings.
[0024]
[Problems to be solved by the invention]
The following is a brief description of an outline of typical inventions disclosed in the present application.
[0025]
(1) A single-stage amplifier using a single multi-finger heterojunction bipolar transistor (HBT) or a high-frequency power amplifying module including a multi-stage amplifier in which a plurality of HBTs are sequentially connected in cascade is provided in the transmission-side output stage, In a wireless communication device having an antenna connected to an amplification module,
A first capacitor and a first resistor inserted and arranged in series between the input terminal of the high-frequency power amplification module and each control terminal of the HBT;
And a second resistor connected to a node between the first resistor and the first capacitor. The second resistor is inserted between the control terminal of the high-frequency power amplifier module and each control terminal of the HBT.
A semiconductor device (semiconductor element) incorporated in a radio communication device controls an input terminal, an output terminal, a bias terminal, a first terminal and a second terminal, and a current flowing between the first terminal and the second terminal. And a first capacitor connected between the input terminal and the control terminal of each of the transistors, and a first capacitor connected to the input terminal. C2A to C2N and first resistors R1A to R1N connected in series to the first capacitors C2A to C2N and connected to the control terminal, and arranged between the bias terminal and the control terminal of each of the transistors, First resistors R1A to R1N and second resistors R2A to R2N connected to a node between the first capacitors C2A to C2N are provided, and the output terminal is connected to each first terminal of the transistor. It has become adult.
[0026]
(2) The configuration of the means (1) includes a second capacitor connected in parallel to the first resistor. The semiconductor device incorporated in such a wireless communication device has a configuration having the second capacitors C1A to C1N connected in parallel to the first resistors R1A to R1N in the configuration of (1).
[0027]
(3) In the means (1) or (2), an inductor is inserted and connected to the base terminal and / or the emitter terminal.
[0028]
(4) A high-frequency power amplification module including a single-stage amplifier using a single heterojunction bipolar transistor (HBT) having a multi-finger structure or a multi-stage amplifier in which a plurality of HBTs are sequentially connected in cascade is provided in the transmission-side output stage, and the high-frequency power In a wireless communication device having an antenna connected to an amplification module,
The thermal design is such that the difference in thermal resistance between the plurality of terminals (fingers) of the HBT constituting one stage of the amplifier is sufficiently small compared to the average thermal resistance of the fingers,
A first resistor inserted and arranged in series between the input terminal of the high-frequency power amplification module and each control terminal of the HBT;
A first capacitor connected between an input terminal of the high-frequency power amplifier module and a node connecting the plurality of first resistors;
A control terminal of the high-frequency power amplifier module; and a second resistor connected to a node between the first resistor and the first capacitor.
[0029]
According to the means of (1), (a) the second resistor causes a base voltage drop with an increase in base current due to a temperature rise of the HBT chip, so that an increase in current of each transistor is suppressed and thermal runaway is suppressed. The Accordingly, the same effect can be obtained in the semiconductor device (semiconductor element).
[0030]
(B) Further, the first resistor becomes a high frequency loss to prevent excessive increase in gain, thereby stabilizing each transistor and preventing oscillation. Therefore, the same effect is also achieved in the semiconductor device.
[0031]
(C) By inserting and connecting the first resistor, the second resistor, and the first capacitor, a highly efficient wireless communication device can be provided. For example, in a high-frequency power amplification module, if an HBT is used, the number of transistors is about 100, and the emitter size is about 2 μm × 20 μm, an output of about 4 W can be obtained. At this time, assuming that the current amplification factor is about 80, the first capacitance is about 0.15 pF, the first resistance is about 100 ohms, and the second resistance is about 1 kiloohm, and an efficiency of about 70% can be achieved (see FIGS. 7 and 8). ). During this high efficiency operation, the direct current flowing through the first resistor is about 0.2 to 0.5 mA, the voltage drop across the first resistor is 20 to 50 mV, and the loss is small. From FIG. 9, the change in efficiency is small up to 2.5 times the value of the first resistor, that is, about 250Ω (2.5Ω when 100 lines are paralleled), and the voltage drop at the first resistor at this time is 50 to 50 It is sufficiently small as 25 mV. This is about 60% in the efficiency of the wireless communication device, and a highly efficient wireless communication device can be achieved.
[0032]
(D) It becomes difficult for the amplifier to run away or oscillate due to temperature fluctuations or power fluctuations, and stable communication can be performed without hindering transmission of radio signals.
[0033]
(E) The high frequency gain can be increased by connecting a capacitor in parallel with the first resistor, but oscillation occurs when the capacitance value is increased. In the present invention, since the capacitor is not connected to the first resistor, the oscillation of the base ballast resistor can be suppressed. Therefore, the same effect is also achieved in the semiconductor device.
[0034]
According to the means (2), (a) a first resistor and a second resistor are connected in series and connected to a base terminal, and a second capacitor is connected in parallel to the first resistor. The resistance value of the first resistor can be lowered. As a result, the bypass capacitance (second capacitance) connected in parallel to the first resistor can also be reduced. Conventionally, for example, the capacity of about 50 pF can be reduced to about 1/10 of about 5 pF, and the chip area can be reduced by the capacity. Therefore, the cost reduction of the semiconductor amplifying element (semiconductor element: semiconductor chip) can be achieved.
[0035]
(B) Since the circuit configuration is a combination of the first resistor, the second resistor, the first capacitor, and the second capacitor, the degree of freedom in circuit design in the semiconductor chip is increased. On the other hand, since it is necessary to arrange the first resistor, the second resistor, the first capacitor, and the second capacitor, the element arrangement on the chip is limited.
[0036]
Further, the attenuation of the high-frequency signal by the first resistor is reduced by bypassing through the second capacitor, thereby increasing the efficiency of the amplifier. For example, in FIG. 7, the same efficiency as that of Conventional Example 1 can be obtained.
[0037]
Even in the case of the means (2), the efficiency in comparison with the condition where the gain of the amplifier is saturated, that is, the point where the input power is large as shown in FIG. 7, for example, 25 dBm, is not provided. There is almost no difference. This is because the gain increase caused by the second capacitor bypassing the loss of the high frequency signal in the first resistor and the accompanying increase in efficiency are canceled out by the gain saturation effect of the amplifier.
[0038]
Therefore, when saturation occurs in the gain of the amplifier during use, it is not based on the means of (2) in consideration of the difficulty in chip design due to the complicated element arrangement and the increase in chip area due to the increase in the number of elements. That is, the configuration shown in FIG. 1 is desirable, and when the gain of the amplifier does not saturate, high efficiency can be obtained by means (2).
[0039]
According to the means (3), the negative feedback can be applied by the insertion connection of the inductor, and the circuit is stabilized.
[0040]
According to the means of (4), (a) the second resistor causes a base voltage drop accompanying an increase in the base current due to a temperature rise in the entire multi-finger HBT. Runaway is suppressed.
[0041]
(B) Further, the first resistor becomes a high frequency loss to prevent excessive increase in gain, thereby stabilizing each transistor and preventing oscillation.
[0042]
(C) Also, since the first resistor causes a different base voltage drop for each finger due to a difference in base current increase due to a temperature rise difference of each HBT finger (unit transistor), the difference in collector current is reduced, It suppresses that current concentrates on one finger and operates each finger uniformly.
[0043]
(D) A highly efficient and small wireless communication device can be provided by inserting and connecting the first resistor, the second resistor, and the first capacitor. For example, in a high-frequency power amplification module, if an HBT is used, the number of transistors is about 100, and the emitter size is about 2 μm × 20 μm, an output of about 4 W can be obtained. At this time, assuming that the current amplification factor is about 80, the first capacitance is about 0.15 pF, the first resistance is about 100 ohms, and the second resistance is about 1 kiloohm, and an efficiency of about 70% can be achieved (see FIGS. 7 and 8). ). During this high efficiency operation, the direct current flowing through the first resistor is about 0.2 to 0.5 mA, the voltage drop across the first resistor is 20 to 50 mV, and the loss is small. From FIG. 9, the change in efficiency is small up to 2.5 times the value of the first resistor, that is, about 250Ω (2.5Ω when 100 lines are paralleled), and the voltage drop at the first resistor at this time is 50 to 50 It is sufficiently small as 25 mV. This is about 60% in the efficiency of the wireless communication device, and a highly efficient wireless communication device can be achieved.
[0044]
(E) In the arrangement of elements, only the first resistor needs to be arranged for each HBT, and the second resistor and the first capacitor are formed from a plurality of HBTs arranged so that the difference in thermal resistance is small. Since it is sufficient to provide for each block, the degree of freedom of element arrangement increases. Moreover, the area of the isolation region between elements is reduced by reducing the total number of resistance / capacitance elements. This makes it easy to design a low-cost chip (semiconductor device) with a reduced area.
[0045]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that components having the same function are denoted by the same reference symbols throughout the drawings for describing the embodiment of the invention, and the repetitive description thereof is omitted.
[0046]
(Embodiment 1)
1 to 9 show a wireless communication apparatus according to an embodiment (Embodiment 1) of the present invention. as well as It is a figure concerning a semiconductor device (semiconductor element). In the first embodiment, an example of a semiconductor element (semiconductor chip) using a heterojunction bipolar transistor (HBT) as a semiconductor amplifying element will be described.
[0047]
FIG. 1 shows a radio communication apparatus having a single-stage amplifier (high-frequency power amplification module 1) incorporating one HBT in a transmission-side output stage, and an antenna 2 connected to the high-frequency power amplification module 1 via a filter or the like (not shown). FIG. 3 is a schematic circuit diagram of a part of FIG. FIG. 2 is a schematic diagram showing a state in which the high-frequency power amplification module 1 packaged on the wiring board 10 of the wireless communication device such as a cellular phone is mounted. External terminals (electrodes) are respectively provided on the lower surface of the high-frequency power amplification module 1, and these electrodes are mechanically and electrically connected to predetermined wirings 11 provided on the wiring board 10 via a bonding material. The antenna 2 is connected to the wiring 11 that is electrically connected to the output terminal of the high-frequency power amplification module 1 through the conductor 12.
[0048]
The high-frequency power amplification module 1 has an external terminal as an input terminal (RFin), an output terminal (RFout), a first voltage terminal (Vcc: collector terminal), a second voltage terminal (GND: emitter terminal), and a control as a bias terminal. It has a terminal (Vapc: base terminal). Although not shown, the antenna 2 is connected to the output terminal via a filter or the like.
[0049]
The amplifier of the high-frequency power amplification module 1 is composed of a heterojunction bipolar transistor (HBT) incorporated in a semiconductor chip (semiconductor element). This HBT is a multi-finger transistor, which has a structure in which N transistors are connected in parallel, and constitutes a high-power amplifier. The transistors Q1A to Q1N are composed of an emitter terminal 5, a base terminal 6, and a collector terminal 7, respectively. Each terminal (finger) is bundled into one and becomes a base terminal, an emitter terminal, and a collector terminal, respectively. The collector terminal is connected to the output terminal (RFout) via the matching circuit 9. The collector electrode is connected to a first voltage terminal (Vcc: collector terminal) via an inductor Lc. The inductor Lb suppresses leakage of a high frequency (RF) signal, and the power supply potential is stabilized.
[0050]
The circuit of the first embodiment has a structure in which an input terminal and a bias terminal (control terminal) are separated, and first capacitors C2A to C2N as junction capacitors between the base terminals 6 and the input terminals of the transistors Q1A to Q1N. The first resistors R1A to R1N are inserted and connected in series as ballast resistors. Further, second resistors R2A to R2N that cause a voltage drop are inserted and connected between a node between the first resistors R1A to R1N and the first capacitors C2A to C2N and a bias terminal (control terminal). .
[0051]
The resistance values of the second resistors R2A to R2N are larger than those of the first resistors R1A to R1N. This is to suppress thermal runaway of the HBT by causing a voltage drop when the temperature of the semiconductor chip rises and the current flowing through the HBT increases. In order to suppress this thermal runaway, for example, the resistance values of the second resistors R2A to R2N are about 10 times larger than the first resistors R1A to R1N. The first resistors R1A to R1N can be reduced by inserting and connecting the second resistors R2A to R2N.
[0052]
An HBT having a multi-finger structure is, for example, an HBT having InGaP as an emitter and GaAs as a base and a collector.
[0053]
FIG. 3 is a schematic plan view showing a part of a semiconductor element (semiconductor chip) constituting an amplifier including an HBT, and corresponds to the circuit of FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA 'in FIG. 3, and FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB' in FIG.
[0054]
As shown in FIG. 3, a plurality of first capacitors C2A to C2N (also simply referred to as a capacitor C2) are arranged side by side in the center of the drawing. One electrode (capacitor lower layer wiring metal 16) of the first capacitors C2A to C2N is connected to an input terminal (RFin). The other capacitor electrode (wiring metal 15) is connected to one end of first resistors R1A to R1N (also simply referred to as resistor R1) of the transistor. A capacitor C2 (see FIG. 5) is formed by interposing a capacitor insulating film 14 in an intersecting region between the capacitor lower layer interconnect metal 16 and the interconnect metal 15. The other end of the resistor R1 is connected to another independent wiring metal 15, and this wiring metal 15 is connected to the base terminal 6 (portion 41 in FIG. 5) of the transistors Q1A to Q1N.
[0055]
Each collector terminal 7 (portion indicated by 40 in FIG. 5) of the transistors Q1A to Q1N is connected to another independent wiring metal 15. The wiring metal 15 is connected to an output terminal (RFout). Further, the emitter terminal 5 (portion indicated by 42 in FIG. 5) is connected to another independent wiring metal 15 (ground line). The ground line is connected to a back surface electrode 22 (on the back surface (lower surface) of the semiconductor chip (semiconductor element: semiconductor amplifying element) via a conductor 19 filled in the via hole and an etching stopper 21 made of a conductor provided thereunder. GND) (see FIG. 4).
[0056]
On the other hand, the other electrode (wiring metal 15) of the capacitor C2 is connected to one end of second resistors R2A to R2N (also simply referred to as a resistor R2). Another independent wiring metal 15 is connected to the other end of the resistor R2. The wiring metal 15 is connected to a bias terminal (control terminal: base terminal). With such a structure, the amplifier circuit of FIG. 1 is configured.
[0057]
Next, the cross-sectional structure relationship between the HBT, the capacitor C2, the resistor R1, and the resistor R2 will be described with reference to FIGS. The semiconductor amplifying element incorporating these capacitor C2, resistor R1 and resistor R2 is monolithically formed on the semi-insulating GaAs substrate 30. In addition, about the dimension etc. of each part, what is not especially required in this invention is abbreviate | omitted.
[0058]
On the semi-insulating GaAs substrate 30, n + A type GaAs subcollector layer 31 is provided, and this n + An n-type GaAs collector layer 32 is provided on the type GaAs subcollector layer 31. The n-type GaAs collector layer 32 has a mesa portion that is selectively etched to a halfway depth and protrudes partially. In the region where the thin n-type GaAs collector layer 32 is formed away from the mesa, the n-type GaAs collector layer 32 is partially removed by etching, and a collector electrode 40 is provided in the removed portion.
[0059]
P on the mesa + Type GaAs base layer 33, n type InGaP emitter layer 34, n + The type GaAs cap layers 35 are provided so as to sequentially overlap. p + The n-type GaAs base layer 33 and the n-type InGaP emitter layer 34 have substantially the same size and overlap each other. + The type GaAs cap layer 35 is formed in an elongated rectangular shape in the center of the mesa portion.
[0060]
N + The n-type InGaP emitter layer 34 and the n-type InGaP emitter layer 34 and n + The type GaAs cap layer 35 is etched away to provide a contact hole, and a base electrode 41 is provided in the contact hole portion.
[0061]
The upper surface of the semi-insulating GaAs substrate 30 is covered with an insulating film 45 that protects the surface. The middle layer of the insulating film 45 has a resistor R1, a resistor R2, a capacitor as shown in FIG. C2 is formed. SiO as the capacitor insulating film 14 2 When a laminated film of SiN and SiN is used, a capacity with a small leakage current can be formed. Other materials include high dielectric materials such as strontium titanate (STO) and barium strontium titanate (BST), or tantalum oxide (Ta 2 O Five ) Etc., the area of the capacitor C2 can be reduced, and the chip area can be reduced. When a refractory metal nitride such as WN, WSiN, TiN, or TaN is used as the resistor material, a highly reliable resistor can be formed. NiCr alloy or the like can also be applied to the resistor.
[0062]
The insulating film 45 is partially etched away to form contact holes, and the wiring metal 15 formed by patterning the electrodes of the HBT, the electrodes of the resistors R1 and R2, and the electrode of the capacitor C2 is electrically connected. To touch. Before the uppermost insulating film is formed, the n + An emitter electrode 42 (having two layers in the figure) is formed on the type GaAs cap layer 35. Then, by forming the wiring metal 15 after the contact hole is formed, each wiring metal 15 is connected to the emitter electrode 42, the base electrode 41, and the collector electrode 40, and is connected to each electrode of each capacitor and resistor. The circuit shown in FIG.
[0063]
In the HBT of the first embodiment, the number of transistors Q1A to Q1N is, for example, 100 (N = 100). For example, the emitter size is about 2 μm × 20 μm, the current amplification factor is about 80, the first capacitors C2A to C2N are about 0.15 pF, the first resistors R1A to R1N are about 100 ohms, and the second resistors R2A to R2N Is about 1 kilohm. In this configuration, the output of the high frequency power amplification module 1 is about 4 W. In this case, the efficiency of the high-frequency power amplification module 1 is about 70%, and as a result, the efficiency of the wireless communication apparatus is as high as about 60%.
[0064]
That is, FIG. 6 is a graph showing the transition of the stabilization coefficient with respect to the collector current by the circuit of the first embodiment (the present invention) and the conventional examples 1 and 2, and FIG. 7 is the circuit of the present invention and the conventional example 1. FIG. 8 is a graph showing the correlation between input power and collector added current (PAE), and FIG. 8 shows the relationship between input power (Pin), collector current, and added efficiency in the circuits of Conventional Example 1 and Conventional Example 2. FIG. 9 is a graph showing the correlation. FIG. 9 shows the correlation between the first resistance R1 and the stabilization coefficient K and the added efficiency in the difference in the total resistance (Rtotal) of the first resistance and the second resistance according to the circuit of the first embodiment. It is a graph which shows. These data are comparisons in a circuit in which the efficiency of the high-frequency power amplification module is as high as about 70% and that in the wireless communication apparatus is about 60%.
[0065]
As shown in the graph of FIG. 6, the stabilization coefficient K of Conventional Example 1 is less than 0.5, and an oscillation phenomenon is likely to occur. Further, even in the conventional example 2 in which the capacitors C1A to C1N are connected in parallel to the resistors R1A to R1N, when the collector current is about 0.01A to 0.04A, the stabilization coefficient K is about 0.5, and the collector current is 1.5A. At most, the stabilization coefficient K is less than 0.9, and there is a risk of oscillation.
[0066]
In the circuit configuration of the conventional example 2, the capacitors C1A to C1N connected in parallel to the resistors R1A to R1N are as large as about 50 pF, and the area for forming the capacitors C1A to C1N is increased. The incorporated semiconductor chip (semiconductor device) becomes large.
[0067]
The graph of FIG. 8 is a comparison of the added efficiency in the case of the circuit of the conventional example 1, the case of the circuit in which the capacitors C1A to C1N are set to 25 pF and the case of 50 pF in the conventional example 2. It can be seen that when the capacitances C1A to C1N are set to 25 pF, the added efficiency becomes low and the product cannot be used.
[0068]
FIG. 7 is a curve showing the added efficiency in the case of the circuit of the first embodiment (the present invention) and the circuit of the first conventional example. In the state where the input power is 23 dBm or less, the circuit of the conventional example 1 has somewhat better added efficiency (PAE) than the circuit of the present invention, but in the case of the circuit of the present invention when the input power is about 25 dBm. However, as in the case of the circuit of Conventional Example 1, it can be seen that the added efficiency is as high as about 70% and there is no inferiority. If the input power is 25 dBm, the output power can be 35 dBm.
[0069]
FIG. 9 is a circuit diagram according to the first embodiment, where R1 is a resistance value in which 100 first resistors are connected in parallel, and Rtotal is a resistance value in which 100 series of first and second resistors are connected. It is a graph which shows additional efficiency (PAE) at the time of changing resistance R1 into 0.5 (ohm) -3ohm, when said Rtotal is 7 (ohm), 10 (ohm), 13 (ohm), 16 (ohm), and 20 (ohm).
[0070]
In order not to cause an oscillation phenomenon, the stabilization coefficient K needs to be 1 or more. When the stabilization coefficient K is 1, the additional efficiency can be increased to about 64% even when Rtotal is 7Ω, 10Ω, 13Ω, 16Ω, and 20Ω. Even when the stabilization coefficient K is 2, when the Rtotal is made smaller than 16Ω, the additional efficiency can be kept as high as about 63%.
[0071]
The wireless communication apparatus according to the first embodiment has the following effects by incorporating the semiconductor device (semiconductor element) according to the first embodiment.
[0072]
(1) Since the second resistor causes a base voltage drop with an increase in base current due to a temperature rise of the HBT chip (semiconductor device), an increase in current of each transistor is suppressed and thermal runaway is suppressed.
[0073]
(2) Further, the first resistor becomes a high-frequency loss and prevents an excessive increase in gain, thereby stabilizing each transistor and preventing oscillation.
[0074]
(3) By inserting and connecting the first resistor, the second resistor, and the first capacitor, a highly efficient wireless communication device can be provided. For example, in a high-frequency power amplification module, if an HBT is used, the number of transistors is about 100, and the emitter size is about 2 μm × 20 μm, an output of about 4 W can be obtained. At this time, when the current amplification factor is about 80, the first capacitance is about 0.15 pF, the first resistance is about 100 ohms, and the second resistance is about 1 kilohm, and an efficiency of about 70% can be achieved. This is about 60% in the efficiency of the wireless communication device, and a highly efficient wireless communication device can be achieved.
[0075]
(4) It becomes difficult for the amplifier to run away or oscillate due to temperature fluctuation or power supply fluctuation, and stable communication can be performed without hindering transmission of radio signals.
[0076]
(Embodiment 2)
10 and 11 are diagrams relating to a wireless communication apparatus according to another embodiment (Embodiment 2) of the present invention. FIG. 10 is a block diagram showing a multi-stage high-frequency power amplification module and the like. FIG. It is a typical top view which shows the layout of each electronic component of an amplification module.
[0077]
In the second embodiment, an example in which the present invention is applied to a three-stage amplifier (multi-stage amplifier) in which amplifiers (semiconductor amplification elements) amp including HBTs, resistors, and capacitors are sequentially connected in series will be described. This multistage amplifier is incorporated in the output side output stage of the wireless communication apparatus.
[0078]
As shown in FIG. 10, the wireless communication apparatus includes an impedance matching circuit MN1, amp1 (first stage amplifier), an impedance matching circuit MN2, amp2 (middle stage amplifier), an impedance matching circuit between an input terminal (RFin) and an output terminal (RFout). MN3, amp3 (final amplifier), and impedance matching circuit MN4 are inserted and connected in series. Bias terminals (control voltages: Vapc1, Vapc2, Vapc3), which are output signals of the base bias circuit 50, are input to the control terminals (base terminals: bias1, bias2, bias3) of each high-output amplifier (amp1 to amp3). The amplification factor will be controlled. Each of the high output amplifiers (amp1 to amp3) has a circuit configuration according to the first embodiment.
[0079]
FIG. 11 is a layout of each electronic component in the high-frequency power amplification module 1. As semiconductor chips (semiconductor elements), there are bias circuits, amp1, amp2, and amp3 constituting the base bias circuit 50. Each electrode of the semiconductor chip and a predetermined wiring are connected by a conductive wire 51. The chip capacitor and the chip inductor electrode are electrically connected to predetermined wiring by solder or the like (not shown).
[0080]
In amp1, amp2, and amp3, a transistor and a first resistor, a second resistor, and a first capacitor connected to the transistor are schematically illustrated.
[0081]
In the first embodiment, the base bias circuit 50 is not particularly specified. For example, it is assumed that the high-power amplifier at each stage is controlled by a constant control voltage (Vapc). Depending on the base bias circuit 50, it is also possible to control the high-power amplifiers at each stage with a predetermined control voltage, an example of which will be described later.
[0082]
The wireless communication apparatus incorporating the high-frequency power amplification module 1 having the multi-stage amplifier configuration of the second embodiment has the same effect as that of the first embodiment. An increase in output controllability by the control circuit, linearization of the output, and the like can be achieved, and a wireless communication device with high communication performance can be provided.
[0083]
(Embodiment 3)
FIG. 12 is a circuit diagram showing a part of a wireless communication apparatus according to another embodiment (Embodiment 3) of the present invention. The third embodiment has a structure in which the inductor Lb is inserted between the base terminal and the second resistor group, and the inductor Le is inserted between the emitter and GND in the circuit configuration of the amplifier of the first embodiment. By inserting and connecting the inductor Lb, the impedance expected for the base power supply circuit increases, leakage of a high frequency (RF) signal to the base power supply circuit can be suppressed, and loss due to leakage can be reduced, so that high efficiency can be achieved. . Further, by inserting and connecting the inductor Le, negative feedback is applied and the circuit is stabilized. Since the effects of the inductor Lb and the inductor Le are independent from each other, it is needless to say that the above-described effects are produced even when only the inductor Lb or only the inductor Le is provided.
[0084]
(Embodiment 4)
FIG. 13 is a circuit diagram showing a part of a wireless communication apparatus according to another embodiment (Embodiment 4) of the present invention. The fourth embodiment has a structure in which, in the circuit configuration of the first embodiment, bypass capacitors that pass high-frequency component signals in parallel with the first resistors R1A to R1N that are ballast resistors, that is, second capacitors C1A to C1N are connected. Yes. In the fourth embodiment, since the first resistors R1A to R1N can be reduced by providing the second resistors R2A to R2N between the base terminal and the base terminal 6, the capacitances of the second capacitors C1A to C1N, which are bypass capacitors. The value can also be reduced. For example, since the first resistors R1A to R1N can be set to about 100Ω, the capacitance values of the second capacitors C1A to C1N can be reduced to about 5 pF. Conventionally, for example, the capacity of about 50 pF can be reduced to about 1/10 of about 5 pF, and the chip area can be reduced by the capacity. As a result, the area for forming the capacitor is reduced, the size of the semiconductor chip is reduced, and the number of semiconductor chips acquired from one semiconductor substrate (wafer) is increased, thereby reducing the manufacturing cost of the semiconductor amplifying element. it can.
[0085]
Further, since the circuit configuration is a combination of the first resistor, the second resistor, the first capacitor, and the second capacitor, the degree of freedom in designing the semiconductor amplifying element and the high-frequency power amplifying module is increased.
[0086]
In addition, the inductor Lb increases the impedance to allow for the base power supply circuit, suppresses leakage of a radio frequency (RF) signal to the base power supply circuit, and reduces loss due to leakage, thereby achieving high efficiency. The inductor Le applies negative feedback to stabilize the circuit. Therefore, this circuit can achieve high efficiency and stabilization.
[0087]
Since the effects of the inductor Lb and the inductor Le are independent from each other, it is needless to say that the above-described effects are produced even when only the inductor Lb or only the inductor Le is provided. Of course, it is not always necessary to use an inductance element if a transmission line or the like is formed on the substrate in place of these inductances and the impedance expected from each terminal is designed to have an appropriate value.
[0088]
(Embodiment 5)
14 to 16 are diagrams related to a wireless communication apparatus according to another embodiment (Embodiment 5) of the present invention. FIG. 14 is a circuit diagram showing a part of the wireless communication apparatus having a single-stage amplification configuration. Is a bias control circuit diagram incorporated in the high-frequency power amplification module, and FIG. 16 is a schematic plan view showing the layout of each electronic component of the high-frequency power amplification module.
[0089]
In the fifth embodiment, as shown in FIG. 14, a current mirror diode (sensor diode) 56 is monolithically integrated on the same semi-insulating semiconductor substrate on which the amplifier body transistor 55 is formed. The main body transistor 55 has the same circuit configuration as that of the first embodiment, and the first capacitors C2A to C2N and the first resistors R1A to R1N are connected in series between the input terminal (RFin) and the base terminal 6, and The second resistors R2A to R2N are inserted and connected between the node between the first capacitors C2A to C2N and the first resistors R1A to R1N and the control terminal (Vapc).
[0090]
The sensor diode 56 includes a diode-connected transistor Qs. The transistor Qs is made of HBT. In order to make a diode connection, a resistor Rs1 and a resistor Rs2 are inserted and connected in series between the base and collector of the transistor Qs. The collector terminal of the transistor Qs becomes Vd, and the emitter terminal becomes GND.
[0091]
By having the current mirror diode 56 on the same semi-insulating semiconductor substrate, when the temperature of the semi-insulating semiconductor substrate rises and the amount of current of the main transistor 55 increases, the current mirror diode 56 has a corresponding amount. Since the amount of current also increases, by controlling the current flowing through the current mirror diode 56 to be constant, the current flowing through the body transistor 55 can be controlled to be constant even when the temperature fluctuates, so that the bias controllability is improved. That is, the sensor diode is on the same chip as the amplification transistor, and is subject to the same temperature fluctuation as the amplification transistor. The current-voltage characteristics between the base and emitter of the transistor and the diode have a strong temperature dependence, but the same current-voltage characteristics are exhibited if the temperature is the same. Therefore, by passing a constant current Id through the sensor diode and driving the base of the transistor with the same voltage as the voltage generated there, the current flowing through the transistor regardless of the temperature change (a sensor diode with Id). The junction area ratio of the base transistor and the emitter of the main transistor can be controlled. The same effect as described above can be obtained by using a sensor transistor instead of the sensor diode.
[0092]
In FIG. 10, the base bias circuit 50 is different from that in the second embodiment as shown in FIG. 15, and the first stage amp1 is a bias (Vapc1) that generates a control in by dividing the resistances Rc1 and Rc2. The control amps 2 and 3 in the middle stage and the final stage are controlled by biases (Vapc2 and Vapc3) generated through emitter followers by the transistors Qb1 and Qb2. The transistor Qs2 connected to the transistor Qb1 is a current mirror diode 56 monolithically formed with the main transistor 55 of amp2, and the transistor Qs3 connected to the transistor Qb2 is a current mirror monolithically formed with the main transistor 55 of amp3. The diode 56 is used. These transistors Qs2 and Qs3 are used as reference voltages when the control-in is generated via the emitter followers by the transistors Qb1 and Qb2.
[0093]
The inductors Lb1 to Lb3 are provided to suppress leakage of high frequency signal components from the control terminals (Vapc1, Vapc2, Vapc3).
[0094]
In this base bias circuit 50, a control voltage based on the divided resistance is input to the control terminal Vapc1, a control current amplified by the amplification factor of the transistor Qb1 is input to the control terminal Vapc2, and a transistor Qb2 is input to the control terminal Vapc3. The control current amplified by the amplification factor is input.
[0095]
FIG. 16 is a layout of each electronic component in the high-frequency power amplification module 1 according to the fifth embodiment. As the semiconductor chip, there are bias circuits, amp1, amp2, and amp3 constituting the base bias circuit 50. Each electrode of the semiconductor chip and a predetermined wiring are connected by a conductive wire 51. The chip capacitor and the chip inductor electrode are electrically connected to predetermined wiring by solder or the like (not shown).
[0096]
In amp1, amp2, and amp3, a transistor and a first resistor, a second resistor, and a first capacitor connected to the transistor are schematically illustrated. In addition, in amp2 and amp3, a current mirror diode is clearly shown although no reference numeral is given. The resistors Rs1 and Rs2 are omitted from the current mirror diode 56 of FIG.
[0097]
(Embodiment 6)
FIG. 17 is a circuit diagram showing a part of a wireless communication apparatus according to another embodiment (sixth embodiment) of the present invention. The sixth embodiment is a ballast resistor / circuit stabilizing resistor of several (all in the case of FIG. 17) transistors arranged so as to reduce the difference in thermal resistance with each other in the circuit configuration of the first embodiment. 1 resistor R1A to R1N is connected to one node on the opposite side to the side connected to the base terminal 6, and the second resistor R2 is inserted and connected as a single resistor between the node and the bias supply terminal, The first capacitor C2 is inserted and connected as a single junction capacitor between the node and the input terminal.
[0098]
In the sixth embodiment, (a) R2 causes a base voltage drop with an increase in base current due to an increase in temperature of the entire multi-finger HBT, so that an increase in current of the entire multi-finger HBT is suppressed and thermal runaway is suppressed.
[0099]
(B) Further, the first resistors R1A to R1N become high-frequency losses to prevent excessive increase in gain, thereby stabilizing each transistor and preventing oscillation.
[0100]
(C) Also, the first resistors R1A to R1N cause different base voltage drops for each finger in accordance with the difference in base current increase due to the temperature rise difference of each HBT finger. Current concentration on the fingers is suppressed, and each finger is operated uniformly.
[0101]
(D) In the element arrangement, only the first resistors R1A to R1N need to be arranged for each HBT, and R2 and C2 are composed of a plurality of HBTs arranged so as to reduce the difference in thermal resistance. Since it may be provided for each block, the degree of freedom of element arrangement increases, and the area of the isolation region between elements is reduced by reducing the total number of resistance / capacitance elements. Further, since R2 and C2 need only be provided for each block composed of a plurality of HBTs, not only can the area be reduced, but there is a degree of freedom in which the capacity can be externally attached.
[0102]
In this embodiment, “arranged so that the difference in thermal resistance between each other is small” is based on the fact that the thermal resistance between elements is generally about 1/5 or less of the thermal resistance of the entire element, in which case R1 It is an experiment that thermal stability can be obtained if the ratio of resistance to R2 when N are connected in parallel is about twice the ratio of the thermal resistance difference between the elements and the thermal resistance of the entire element. Indicated. For example, if the thermal resistance of the entire element is 20 ° C./W and the thermal resistance difference between the elements is 2 ° C./W, the parallel resistance of the first resistors R 1 A to R 1 N is 2 ohms, and the thermal stability is about R 2 = 8 ohm Sex was obtained. When the number of transistors is 100, R1A = R1N = 200Ω, and only one R2 = 8Ω is arranged compared to the case where 100 R2A = R2N = 800Ω are arranged as in the first embodiment. The device area could be reduced to 60%.
[0103]
In this embodiment, since the first resistors R1A to R1N are connected to one node between the input terminals, it is not necessary to integrate R2 and C2 with the transistor, and R2 is formed on the substrate outside the transistor chip. And C1 elements. In this case, the transistor chip area can be greatly reduced, and the chip area can be reduced to 40% of the case of the first embodiment.
[0104]
Although the invention made by the present inventor has been specifically described based on the embodiment, the present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the invention. Nor. For example, although the semiconductor amplifying element used for the amplifier is HBT in the embodiment, the present invention can be similarly applied to a silicon bipolar transistor, and the same effect can be obtained. The present invention can be applied to at least a high-frequency amplification technique.
[0105]
【The invention's effect】
The effects obtained by the representative ones of the inventions disclosed in the present application will be briefly described as follows.
[0106]
(1) It is possible to provide a wireless communication device that can suppress thermal runaway and has high efficiency and is less likely to cause an oscillation phenomenon.
[0107]
(2) Since the capacity value of the capacity to be used can be reduced, the semiconductor chip (semiconductor device) can be downsized and the manufacturing cost can be reduced.
[0108]
(3) The stability and efficiency of the wireless communication device can be improved by inserting and connecting an inductor to the base terminal and the emitter terminal.
[0109]
(4) Bias controllability can be improved by adopting a current mirror configuration.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a part of a wireless communication apparatus according to an embodiment (Embodiment 1) of the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing a part of the wireless communication apparatus according to the first embodiment.
FIG. 3 shows a part of a semiconductor chip (semiconductor device) in which an amplifier including a multi-finger structure HBT incorporated in the wireless communication device of Embodiment 1 and a first capacitor, a first resistor, a second resistor, and the like is formed. It is a schematic plan view to show.
4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.
5 is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG.
FIG. 6 is a graph showing a correlation between collector current and stabilization coefficient K.
FIG. 7 is a graph showing the correlation between input power and collector current and added efficiency.
FIG. 8 is a graph showing a correlation between input power (Pin) and collector current and load efficiency (PAE).
FIG. 9 is a graph showing a correlation between the first resistance R1, the stabilization coefficient K, and the load efficiency (PAE) in the difference between the total resistance (Rtotal) of the first resistance and the second resistance.
FIG. 10 is a block diagram showing a multistage high frequency power amplification module and the like in a wireless communication apparatus according to another embodiment (Embodiment 2) of the present invention.
FIG. 11 is a schematic plan view showing a layout of each electronic component of the high-frequency power amplification module according to the second embodiment.
FIG. 12 is a circuit diagram showing a part of a wireless communication apparatus according to another embodiment (third embodiment) of the present invention.
FIG. 13 is a circuit diagram showing a part of a wireless communication apparatus according to another embodiment (Embodiment 4) of the present invention.
FIG. 14 is a circuit diagram showing a part of a wireless communication apparatus according to another embodiment (Embodiment 5) of the present invention.
FIG. 15 is a bias control circuit diagram of a high-frequency power amplification module incorporated in the wireless communication apparatus of the fifth embodiment.
FIG. 16 is a schematic plan view showing a layout of each electronic component of the high frequency power amplifier module according to the fifth embodiment.
FIG. 17 is a circuit diagram illustrating a part of a wireless communication apparatus according to another embodiment (sixth embodiment) of the present invention.
FIG. 18 is a circuit diagram showing a part of a wireless communication apparatus employing a conventional circuit.
FIG. 19 is a circuit diagram showing a part of a wireless communication apparatus employing a conventional circuit.
FIG. 20 is a circuit diagram showing a part of a wireless communication apparatus employing a conventional circuit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... High frequency power amplification module, 2 ... Antenna, 5 ... Emitter terminal, 6 ... Base terminal, 7 ... Collector terminal, 9 ... Matching circuit, 10 ... Wiring board, 11 ... Wiring, 12 ... Conductor, 14 ... Capacitance insulating film, DESCRIPTION OF SYMBOLS 15 ... Wiring metal, 16 ... Capacitor lower layer wiring metal, 19 ... Conductor, 20 ... Wiring, 21 ... Etching stopper, 22 ... Back electrode, 30 ... Semi-insulating GaAs substrate, 31 ... n + Type GaAs subcollector layer, 32... N type GaAs collector layer, 33... P + Type GaAs base layer, 34... N type InGaP emitter layer, 35... N + Type GaAs cap layer, 40 ... collector electrode, 41 ... base electrode, 42 ... emitter electrode, 45 ... insulating film, 50 ... base bias circuit, 51 ... wire, 55 ... body transistor, 56 ... current mirror diode (sensor diode) 57 ... Current mirror transistor (sensor transistor), C2A to C2N ... first capacitor, C1A to C1N ... second capacitor, GND ... second voltage terminal (emitter terminal), R1A to R1N ... first resistor, R2A to R2N ... second resistor, RFin ... input terminal, RFout ... output terminal, Vapc ... control terminal (base terminal), Vcc ... first voltage terminal (collector terminal).

Claims (23)

送信側出力段に高周波電力増幅モジュールを有し、前記高周波電力増幅モジュールに接続されるアンテナを有する無線通信装置であって、
前記高周波電力増幅モジュールは、
入力端子と、
出力端子と、
コントロール端子と、
第一電圧端子と、
第二電圧端子と、
第1端子および第2端子ならびに前記第1端子と第2端子間を流れる電流を制御するための制御端子とからなるトランジスタを複数並列に接続して構成される高出力増幅器と、
前記入力端子と前記各トランジスタの制御端子との間にそれぞれ配置され、前記入力端子に接続される第1容量およびこの第1容量に直列に接続され前記制御端子に接続される第1抵抗と、
前記コントロール端子と前記各トランジスタの制御端子との間にそれぞれ配置され、前記第1抵抗と前記第1容量間のノードに接続される第2抵抗とを有し、
前記出力端子は前記トランジスタの各第1端子に接続され、
前記第一電圧端子は前記各トランジスタの第1端子に接続され、
前記第二電圧端子は前記各トランジスタの第2端子に接続される高周波電力増幅モジュールとする無線通信装置。
A wireless communication device having a high-frequency power amplification module at a transmission-side output stage and having an antenna connected to the high-frequency power amplification module,
The high frequency power amplification module includes:
An input terminal;
An output terminal;
A control terminal;
A first voltage terminal;
A second voltage terminal;
A high-power amplifier configured by connecting in parallel a plurality of transistors each including a first terminal, a second terminal, and a control terminal for controlling a current flowing between the first terminal and the second terminal;
A first capacitor disposed between the input terminal and the control terminal of each transistor, connected to the input terminal, and a first resistor connected in series to the first capacitor and connected to the control terminal;
A second resistor disposed between the control terminal and the control terminal of each transistor, and connected to a node between the first resistor and the first capacitor;
The output terminal is connected to each first terminal of the transistor;
The first voltage terminal is connected to the first terminal of each transistor;
The wireless communication device, wherein the second voltage terminal is a high frequency power amplification module connected to a second terminal of each transistor.
送信側出力段に高周波電力増幅モジュールを有し、前記高周波電力増幅モジュールに接続されるアンテナを有する無線通信装置であって、
前記高周波電力増幅モジュールは、
入力端子と、
出力端子と、
コントロール端子と、
第一電圧端子と、
第二電圧端子と、
第1端子および第2端子ならびに前記第1端子と第2端子間を流れる電流を制御するための制御端子とからなるトランジスタを複数並列に接続して構成される高出力増幅器と、
前記入力端子と前記各トランジスタの制御端子との間にそれぞれ配置され、前記入力端子に接続される第1容量およびこの第1容量に直列に接続され前記制御端子に接続される第1抵抗と、
前記第1抵抗に並列に接続される第2容量と、
前記コントロール端子と前記各トランジスタの制御端子との間にそれぞれ配置され、前記第1抵抗と前記第1容量間のノードに接続される第2抵抗とを有し、
前記出力端子は前記各トランジスタの第1端子に接続され、
前記第一電圧端子は前記各トランジスタの第1端子に接続され、
前記第二電圧端子は前記各トランジスタの第2端子に接続される高周波電力増幅モジュールとする無線通信装置。
A wireless communication device having a high-frequency power amplification module at a transmission-side output stage and having an antenna connected to the high-frequency power amplification module,
The high frequency power amplification module includes:
An input terminal;
An output terminal;
A control terminal;
A first voltage terminal;
A second voltage terminal;
A high-power amplifier configured by connecting in parallel a plurality of transistors each including a first terminal, a second terminal, and a control terminal for controlling a current flowing between the first terminal and the second terminal;
A first capacitor disposed between the input terminal and the control terminal of each transistor, connected to the input terminal, and a first resistor connected in series to the first capacitor and connected to the control terminal;
A second capacitor connected in parallel to the first resistor;
A second resistor disposed between the control terminal and the control terminal of each transistor, and connected to a node between the first resistor and the first capacitor;
The output terminal is connected to a first terminal of each transistor;
The first voltage terminal is connected to the first terminal of each transistor;
The wireless communication device, wherein the second voltage terminal is a high frequency power amplification module connected to a second terminal of each transistor.
前記各トランジスタの動作時における直流の電圧降下が0.15V程度以下であり、前記第1抵抗の抵抗値は1Ω程度以下であり、前記第2容量の容量値は5pF程度以下であることを特徴とする請求項2に記載の無線通信装置。The DC voltage drop during the operation of each transistor is about 0.15 V or less, the resistance value of the first resistor is about 1Ω or less, and the capacitance value of the second capacitor is about 5 pF or less. The wireless communication apparatus according to claim 2. 前記高周波電力増幅モジュールは前記高出力増幅器を順次複数従属接続する多段構成であり、
初段の高出力増幅器の各制御端子が前記入力端子に接続され、
終段の高出力増幅器の各第1端子が前記出力端子に接続され、
中段の高出力増幅器の各制御端子は前段の高出力増幅器の第1端子に接続され、各第1端子は後段の高出力増幅器の制御端子に接続され、
初段,中段または終段のうちの少なくとも一つの高出力増幅器に前記第1容量,前記第1抵抗および前記第2抵抗が組み込まれ、
各段の高出力増幅器のコントロール端子にはそれぞれ所定のコントロール電圧が印加されることを特徴とする請求項1に記載の無線通信装置。
The high-frequency power amplification module has a multi-stage configuration in which a plurality of the high-power amplifiers are sequentially connected in cascade.
Each control terminal of the first stage high output amplifier is connected to the input terminal,
Each first terminal of the final stage high power amplifier is connected to the output terminal,
Each control terminal of the middle high-power amplifier is connected to the first terminal of the front-stage high-power amplifier, and each first terminal is connected to the control terminal of the rear-stage high-power amplifier,
The first capacitor, the first resistor, and the second resistor are incorporated in at least one high-power amplifier in the first stage, the middle stage, or the last stage;
2. The wireless communication apparatus according to claim 1, wherein a predetermined control voltage is applied to each control terminal of the high-power amplifier at each stage.
前記高周波電力増幅モジュールは前記高出力増幅器を順次複数従属接続する多段構成であり、
初段の高出力増幅器の各制御端子が前記入力端子に接続され、
終段の高出力増幅器の各第1端子が前記出力端子に接続され、
中段の高出力増幅器の各制御端子は前段の高出力増幅器の第1端子に接続され、各第1端子は後段の高出力増幅器の制御端子に接続され、
初段,中段または終段のうちの少なくとも一つの高出力増幅器に前記第1容量,前記第1抵抗,前記第2抵抗および前記第2容量が組み込まれ、
各段の高出力増幅器のコントロール端子にはそれぞれ所定のコントロール電圧が印加されることを特徴とする請求項2または請求項3に記載の無線通信装置。
The high-frequency power amplification module has a multi-stage configuration in which a plurality of the high-power amplifiers are sequentially connected in cascade.
Each control terminal of the first stage high output amplifier is connected to the input terminal,
Each first terminal of the final stage high power amplifier is connected to the output terminal,
Each control terminal of the middle high-power amplifier is connected to the first terminal of the front-stage high-power amplifier, and each first terminal is connected to the control terminal of the rear-stage high-power amplifier,
The first capacitor, the first resistor, the second resistor, and the second capacitor are incorporated in at least one high-power amplifier in the first stage, the middle stage, or the last stage,
4. The wireless communication apparatus according to claim 2, wherein a predetermined control voltage is applied to each control terminal of the high-power amplifier at each stage.
前記コントロール端子と前記第2抵抗との間にはインダクタンスが接続されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の無線通信装置。The wireless communication apparatus according to claim 1, wherein an inductance is connected between the control terminal and the second resistor. 前記第二電圧端子と前記第2端子との間にはインダクタンスが接続されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の無線通信装置。The wireless communication apparatus according to claim 1, wherein an inductance is connected between the second voltage terminal and the second terminal. 前記高出力増幅器を構成するトランジスタは単一の半導体基板にモノリシックに形成されていることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の無線通信装置。3. The radio communication apparatus according to claim 1, wherein the transistors constituting the high-power amplifier are monolithically formed on a single semiconductor substrate. 前記半導体基板にカレントミラー回路を構成するセンサートランジスタがモノリシックに形成されていることを特徴とする請求項8に記載の無線通信装置。9. The wireless communication apparatus according to claim 8, wherein a sensor transistor constituting a current mirror circuit is monolithically formed on the semiconductor substrate. 前記半導体基板にカレントミラー回路を構成するセンサーダイオードがモノリシックに形成されていることを特徴とする請求項8に記載の無線通信装置。9. The wireless communication apparatus according to claim 8, wherein a sensor diode constituting a current mirror circuit is monolithically formed on the semiconductor substrate. 送信側出力段に高周波電力増幅モジュールを有し、前記高周波電力増幅モジュールに接続されるアンテナを有する無線通信装置であって、
前記高周波電力増幅モジュールは、
入力端子と、
出力端子と、
コントロール端子と、
第一電圧端子と、
第二電圧端子と、
第1端子および第2端子ならびに前記第1端子と第2端子間を流れる電流を制御するための制御端子とからなるトランジスタを複数並列に接続して構成される高出力増幅器と、
前記各トランジスタの制御端子に接続される第1抵抗と、前記各第1抵抗に直列に接続され前記入力端子に接続される単一の第2容量と、前記各第1抵抗に直列に接続され前記コントロール端子に接続される単一の第2抵抗とを有し、
前記出力端子は前記各トランジスタの第1端子に接続され、
前記第一電圧端子は前記各トランジスタの第1端子に接続され、
前記第二電圧端子は前記各トランジスタの第2端子に接続される高周波電力増幅モジュールとする無線通信装置。
A wireless communication device having a high-frequency power amplification module at a transmission-side output stage and having an antenna connected to the high-frequency power amplification module,
The high frequency power amplification module includes:
An input terminal;
An output terminal;
A control terminal;
A first voltage terminal;
A second voltage terminal;
A high-power amplifier configured by connecting in parallel a plurality of transistors each including a first terminal, a second terminal, and a control terminal for controlling a current flowing between the first terminal and the second terminal;
A first resistor connected to a control terminal of each transistor; a single second capacitor connected in series to each first resistor and connected to the input terminal; and connected in series to each first resistor. A single second resistor connected to the control terminal;
The output terminal is connected to a first terminal of each transistor;
The first voltage terminal is connected to the first terminal of each transistor;
The wireless communication device, wherein the second voltage terminal is a high frequency power amplification module connected to a second terminal of each transistor.
前記高出力増幅器を構成する複数のトランジスタを一つ、もしくは複数のブロックからなるよう配置し、そのブロック毎に前記第1容量および第2抵抗を各々有することを特徴とする請求項11に記載の無線通信装置。12. The plurality of transistors constituting the high-power amplifier are arranged so as to consist of one or a plurality of blocks, and each of the blocks has the first capacitor and the second resistor, respectively. Wireless communication device. 前記各ブロック内のトランジスタ間の放熱熱抵抗の差が、前記高出力増幅器の放熱熱抵抗に比べて小さいことを特徴とする請求項12に記載の無線通信装置。The wireless communication apparatus according to claim 12, wherein a difference in heat radiation resistance between transistors in each block is smaller than heat radiation resistance of the high-power amplifier. 前記各ブロック内のトランジスタ間の放熱熱抵抗の偏差に対する前記高出力増幅器の放熱熱抵抗の比が、ブロックごとに複数並列接続された前記第1抵抗の並列抵抗値に対する前記第2抵抗値と前記第1抵抗の並列抵抗値の和の比の1/2程度以下であることを特徴とする請求項13に記載の無線通信装置。The ratio of the heat dissipation thermal resistance of the high power amplifier to the deviation of the heat dissipation thermal resistance between the transistors in each block is the second resistance value with respect to the parallel resistance value of the first resistor connected in parallel for each block, and The wireless communication apparatus according to claim 13, wherein the wireless communication apparatus is about ½ or less of a ratio of a sum of parallel resistance values of the first resistors. 入力端子と、
出力端子と、
バイアス端子と、
第1端子および第2端子ならびに前記第1端子と第2端子間を流れる電流を制御するための制御端子とからなるトランジスタを複数並列に接続して構成される高出力増幅器と、
前記入力端子と前記各トランジスタの制御端子との間にそれぞれ配置され、前記入力端子に接続される第1容量C2A〜C2Nおよびこの第1容量C2A〜C2Nに直列に接続され前記制御端子に接続される第1抵抗R1A〜R1Nと、
前記バイアス端子と前記各トランジスタの制御端子との間にそれぞれ配置され、前記第1抵抗R1A〜R1Nと前記第1容量C2A〜C2N間のノードに接続される第2抵抗R2A〜R2Nとを有し、
前記出力端子は前記トランジスタの各第1端子に接続される半導体装置。
An input terminal;
An output terminal;
A bias terminal;
A high-power amplifier configured by connecting in parallel a plurality of transistors each including a first terminal, a second terminal, and a control terminal for controlling a current flowing between the first terminal and the second terminal;
The first capacitors C2A to C2N and the first capacitors C2A to C2N, which are arranged between the input terminal and the control terminal of each transistor and connected to the input terminal, are connected in series to the control terminal. First resistors R1A to R1N
The first resistor R1A to R1N and the second resistor R2A to R2N connected to the node between the first capacitor C2A to C2N are disposed between the bias terminal and the control terminal of each transistor. ,
The output terminal is a semiconductor device connected to each first terminal of the transistor.
前記第1抵抗R1A〜R1Nに並列に接続される第2容量C1A〜C1Nを有することを特徴とする請求項15に記載の半導体装置。16. The semiconductor device according to claim 15, further comprising second capacitors C1A to C1N connected in parallel to the first resistors R1A to R1N. 前記端子と、
出力端子と、
バイアス端子と、
第1端子および第2端子ならびに前記第1端子と第2端子間を流れる電流を制御するための制御端子とからなるトランジスタを複数並列に接続して構成される高出力増幅器と、
前記入力端子と前記各トランジスタの制御端子との間にそれぞれ配置され、前記入力端子に接続される単一の第1容量C2およびこの第1容量C2に直列に接続され前記制御端子に接続される第1抵抗R1A〜R1Nと、
前記バイアス端子と前記各トランジスタの制御端子との間にそれぞれ配置され、前記第1抵抗R1A〜R1Nと前記第1容量C2間のノードに接続される単一の第2抵抗R2とを有し、
前記出力端子は前記トランジスタの各第1端子に接続される半導体装置。
The terminal;
An output terminal;
A bias terminal;
A high-power amplifier configured by connecting in parallel a plurality of transistors each including a first terminal, a second terminal, and a control terminal for controlling a current flowing between the first terminal and the second terminal;
A single first capacitor C2 disposed between the input terminal and the control terminal of each transistor, connected to the input terminal, and connected in series to the first capacitor C2 and connected to the control terminal. First resistors R1A to R1N;
A single second resistor R2 disposed between the bias terminal and the control terminal of each transistor and connected to a node between the first resistors R1A to R1N and the first capacitor C2,
The output terminal is a semiconductor device connected to each first terminal of the transistor.
前記第1抵抗R1A〜R1Nに並列に接続される第2容量C1A〜C1Nを有することを特徴とする請求項17に記載の半導体装置。18. The semiconductor device according to claim 17, further comprising second capacitors C1A to C1N connected in parallel to the first resistors R1A to R1N. 前記各トランジスタの動作時における直流の電圧降下が0.15V程度以下であり、前記第1抵抗の抵抗値は1Ω程度以下であり、前記第2容量の容量値は5pF程度以下であることを特徴とする請求項15または請求項17に記載の半導体装置。The DC voltage drop during the operation of each transistor is about 0.15 V or less, the resistance value of the first resistor is about 1Ω or less, and the capacitance value of the second capacitor is about 5 pF or less. The semiconductor device according to claim 15 or 17. 前記半導体装置を構成する半導体基板にカレントミラー回路を構成するセンサー回路がモノリシックに形成されていることを特徴とする請求項15または請求項16に記載の半導体装置。17. The semiconductor device according to claim 15, wherein a sensor circuit constituting a current mirror circuit is monolithically formed on a semiconductor substrate constituting the semiconductor device. 前記高出力増幅器を構成する複数のトランジスタを一つ、もしくは複数のブロックからなるよう配置し、そのブロック毎に前記第1容量および第2抵抗を各々有することを特徴とする請求項15または請求項16に記載の半導体装置。16. The plurality of transistors constituting the high-power amplifier are arranged so as to be composed of one or a plurality of blocks, and each of the blocks has the first capacitor and the second resistor, respectively. 16. The semiconductor device according to 16. 前記各ブロック内のトランジスタ間の放熱熱抵抗の差が、前記高出力増幅器の放熱熱抵抗に比べて小さいことを特徴とする請求項21に記載の半導体装置。The semiconductor device according to claim 21, wherein a difference in heat radiation thermal resistance between transistors in each block is smaller than that of the high power amplifier. 前記各ブロック内のトランジスタ間の放熱熱抵抗の偏差に対する前記高出力増幅器の放熱熱抵抗の比が、ブロックごとに複数並列接続された前記第1抵抗の並列抵抗値に対する前記第2抵抗値と前記第1抵抗の並列抵抗値の和の比の1/2程度以下であることを特徴とする請求項21に記載の半導体装置。The ratio of the heat dissipation thermal resistance of the high power amplifier to the deviation of the heat dissipation thermal resistance between the transistors in each block is the second resistance value with respect to the parallel resistance value of the first resistor connected in parallel for each block, and The semiconductor device according to claim 21, wherein the semiconductor device is about ½ or less of a ratio of a sum of parallel resistance values of the first resistors.
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