CN101317144B - 热电偏置电压发生器 - Google Patents

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Abstract

一种热电偏置电压发生器，其具有基板、形成于所述基板的半导体区域内的有源器件以及设置在所述基板上并连接到所述有源器件热电偶接点，所述热电偶接点用于为所述有源器件提供偏置电压。

Description

热电偏置电压发生器
技术领域
本发明总体上涉及偏置电压发生器。
背景技术
本领域公知，很多电子装置需要偏置电压源，以使所述装置在期望的工作区域内工作。例如，用于对输入信号线性放大的晶体管一般需要偏置电压使所述晶体管在其线性工作区域内工作。
更具体而言，在一个例子中，要求某些应用中的耗尽型(D型)MESFETS和HEMTS在将漏极电压设为正电压，将源极设为接地，并且向栅极施加负电压(低于地电势)的情况下工作。在分立地采用D型FETS或者将其用于集成电路中时，任何负DC偏压通常来自于除了正DC电源和接地连接之外的外部负电源。
有两种用于向耗尽型FETS提供负DC偏压的常用方案。最常用的方法是“芯片外”外部DC电源。另一种更为紧凑、集成的方案可以采用DC-DC转换器电路，其需要晶体管、电阻器、大电容器、振荡信号和正DC电源。
如本领域公知的，一种电势来源是热电。一种热电效应是赛贝克效应。更具体而言，将线性的某种材料的组合称为热电偶接点。热电偶是一种由一个或多个热电偶接点构成的用于测量温度的装置。热电偶接点以可探测的电压响应于这一热梯度。其以赛贝克(seebeck)效应(按伏特每度C计量)为基础，其中，如果沿两种不同的材料的两个接点之间存在温度梯度，那么在所述两种不同的材料之间将出现电压。有时，将很多对接点或者热偶串联，其中，将一个热偶产生的净热电压加到下一个热偶等的净热电压上。这一多串行连接将产生较大的热电输出。将这样的串联热偶连接称为热电堆。将热电堆紧邻通常为薄膜电阻器的热源放置。热电敏感度将等于所探测的电压除以热源中消耗的功率，其单位为V/W。用于使热电堆热电输出最大化的参数为：热电堆的数量、热电堆长度、热电堆宽度、热电堆间距和与热源的接近度。
如下述方程所示，将串联的热偶的热接点和冷接点之间的温度微分(Ti，To)的和与赛贝克系数(αk)相乘，从而得到所述热电堆的探测电压(Vout)。敏感度(sensitivity)(S)等于所述探测电压除以所消耗的功率。
Seebeck，αtc～300μV /C
V uot = α tc Σ i = 1 N ( T i - T 0 )
Sensitivity，S＝Vout/Pdiss，(V/W)
本领域公知，有人提出将这样的热电堆用作热传感器，具体可以参考下述文献：Dehe，A.、Fricke-Neuderth，K.、Krozer，V.的“Broadbandthermoelectric microwave power sensors using GaAs foundry process”，Microwave Symposium Digest，2002IEEE“MTT-S International，Volume：3，2002Page(s)：1829-1832；Dehe，A.、Hartnagel，H.L.的“Free-standingAl0.30Ga0.70As thermopile infrared sensor”，Device ResearchConference，1995.Digest.1995 53rd Annual，19-21Jun 1995Page(s)：120-12；以及Dehe，A.、Krozer，V.、Chen，B.、Hartnagel，H.L.的“High-sensitivity microwave power sensor for GaAs-MMICimplementation”，Electronics Letters，Volume：32 Issue：23，7 Nov1996 Page(s)：2149-215；以及Dehe等人的题为“GaAs MonolithicIntegrated Microwave Power Sensor in Coplanar Waveguide Technology”的文章，其发表在IEEE 1996 Microwave and Milli-meter Wave MonolithicCircuits Symposium，Pages179-181上。
发明内容
现在已经认识到，希望在不需要外部负DC电压源的情况下产生这一负偏压。已经说明，采用热电堆，可以由正DC电压源生成负电势。在需要最小的偏置电流的情况下，适于将这一负电势用作对耗尽型FETS进行偏置的偏置电压。在这一新的方案中，在以热电堆的正端子作为接地参考的情况下采用所述热电堆。在向热电堆施加DC功率时，在负接点处产生的热电电势可能低于地电势，并且可以采用该热电势对D型FET进行偏置。还可以将热电堆构建为处于“芯片上”、紧邻需要负偏压的晶体管或网络，由此与采用外部负DC偏压或复杂的DC-DC转换器的情况相比提供了一种更为紧凑、集成的偏置技术。
通过利用半导体和导体的热电特性，能够按照单片的形式制造热电堆与耗尽型FETS。可以将热电堆的热电负电势用于需要负电势的耗尽型FETS或网络的DC偏压。其消除了对外部的芯片/晶体管外电源或者更为复杂的/更占用面积的DC转换器型单片电路的需求。
因而，根据本发明，提供了一种热电偏置电压发生器，其具有基板、形成于所述基板的半导体区域内的有源器件以及设置在所述基板上并连接到所述有源器件的热电偶接点，该热电偶接点用于为所述有源器件提供偏置电压。
在一个实施例中，所述有源器件为晶体管。在一个实施例中，所述晶体管具有用于控制第一电极和第二电极之间的载流子的控制电极，其中，输入端为所述控制电极，并且其中，所述热电偶接点为所述控制电极提供电压电势。
在一个实施例中，在所述控制电极处产生的电压电势相对于在所述晶体管的第二电极处提供的电压电势为负，并且其中，所述第一电极提供输出。
在一个实施例中，所述晶体管为耗尽型场效应晶体管，其中，所述控制电极是这样的晶体管的栅极。
在附图和下述说明中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。根据说明书和附图以及权利要求，本发明的其他特征、目的和优点将变得显而易见。
附图说明
图1是根据本发明的电路的示意图；
图2是适于在图1的电路中使用的热电堆的平面图草图；
图3是图2的功率传感器的截面图，该截面图是沿图2的线3-3截取的；以及
图3A是图2的功率传感器的截面图，该截面图是沿图2的线3A-3A截取的；以及
图4是图2和图3的功率传感器的示意图。
在各个附图中，采用类似的附图标记表示类似的元件。
具体实施方式
参考图1，其示出了电路9，该电路9具有基板14和形成于基板14的半导体区域19内的有源器件，在这里，所述有源器件为耗尽型场效应晶体管(FET)。所述FET对提供给所述FET的栅电极(G)的输入信号RF INPUT进行操作，从而响应于所述输入信号RF INPUT和偏置电压VB在所述FET的输出端(这里为漏电极D)产生输出信号。电路9包括设置在基板14上并且连接到所述FET，从而为所述FET提供负DC偏置电压VB的热电堆10，所述热电堆10具有多个串联连接的热电偶接点或者热电偶24，将结合图2和图3对其进行更为详细地描述和图示。因而，所述FET具有用于控制第一电极(即，漏极D)和第二电极(这里为接地的漏电极D)之间的载流子的控制电极(这里为栅极G)，并且热电堆10的热电偶接点向控制电极G提供偏置电压电势(这里为相对于地的负电压电势)。
耦合在由热电堆10产生的DC偏置电压VB和栅电极G之间的电感器L完成了电路10。这里，输入信号是通过AC耦合电容器C提供给栅极G的RF信号RF INPUT。电容器阻挡RF INPUT中的任何DC成分，而电感器L阻挡RF INPUT中的任何RF成分传到热电堆10。
这里，热电堆10与2004年6月18日提交的，发明人为Katherine J.Herrick、John P.Bettencourt和Alan J.Bielunis并且转让给与本发明相同的受让人的，题为“Microwave Power Sensor(微波功率传感器)”的共同未决专利申请No.10/871995中描述的类似，在此将该专利申请的全部主题内容引入以供参考。
因而，现在参考图2和图3，热电堆10包括电介质基板14；设置在基板14的一个表面(这里为上表面)上的电阻器，在这里，所述电阻器是由诸如氮化钽等电阻材料构成的带状电阻(strip resistive)元件16；以及设置在基板14的相反表面(这里为背面或下表面)上的接地平面导体18(图2)。热电堆10包括一对相同的热电堆部分20、22。热电堆部分20、22中的每一个处于基板14的同一表面(这里为上表面)上，并且处于带状电阻元件16的两侧(图2中的上侧和下侧，图2中的左侧和右侧)。热电堆部分20、22中的每一个包括多个(这里为7个)从带状电阻元件16延伸出来的细长的指状热电偶24，将热电偶24的近端部分25(图3中的图示更为清晰)热耦合到带状电阻元件16的边缘部分27。
热电堆部分20、22中的每一个包括多个(这里为6个)电绝缘的S形电导体28，所述电导体28中的每一个具有第一末端30和第二末端36，该第一末端30电连接到对应的一个热电偶24的远端32，而第二末端36电连接到与所述对应的一个热电偶24相邻设置的多个热电偶24中的一个的近端部分25，图3中对其给出了更为清晰的图示。热电偶24的近端部分25通过绝缘层42而相互电绝缘(图3)。图4示出了热电堆10的等效电路。
因而，如图4所示，并且考虑热电堆20，热电堆24中的第一个(这里将其标示为24a)的远端32电连接到S形电导体28中的一个(这里标示为28a)的第一末端30。电导体28a的第二末端36电连接到相邻的一个热电偶24(这里标示为24b)的近端25。应当指出，每一热电偶28响应于跨越其的温度差而产生电压V，所述温度差与电阻元件16中消耗的DC功率的量相关。更具体而言，DC电流从相对于地平面导体18的电势为正电势的DC源+V穿过电阻元件16到达地平面导体18，由此在电阻元件16中产生了热量。
应当指出，如图3所示，电压V的极性在热电堆28的远端32处相同(这里标示为+)，其与处于热电堆28的近端25上的电压V的极性(这里标示为-)相反。其电导体使各个热电堆20、22产生的电压V串联。如图2所示，两个热电堆20、22的串联电压本身通过电导体50串联，将所述导体50形成为导体16上方的空中桥梁(air bridge)。如图3A所示，将所述空中桥梁的远端通过穿过所述结构到达地平面导体18的导电通孔15连接到地平面导体18。这里为V的14倍的总电压出现在焊盘52、54、焊盘52上。
这里，基板14(图3)是单晶的III-V材料，这里为GaAs。热电堆包括具有未示出的外延层的GaAs材料。这里，热电堆14是基板14上的台面(mesa)，并且从16垂直延伸。这里，参考图3，将热电偶28的近端部分25设置成与电阻元件16的边缘部分27具有重叠关系。更具体而言，这里将热电偶的近端部分25设置到带状电阻元件16之下并与之热耦合，这里，所述带状电阻元件16由诸如氮化钽等的电阻材料构成。
这里，通过下述方法形成热电堆10。提供半绝缘单晶基板10。在基板10的表面上形成多个GaAs台面，以提供热电偶24。将带状电阻元件16设置到所述结构的表面上，之后，对其进行构图，使其边缘部分27设置到热电偶24的近端部分25上。如上所述，热电偶24从带状电阻元件16(这里为与之垂直地)向外延伸。设置绝缘层42，并对其进行构图，从而将其设置到带状电阻元件16上的表面之上。应当指出，所述构图将热电偶24的边缘部分暴露出来(即，邻近热电偶24的近端25和远端32的热电偶24的部分，如图3所示)。
形成多个电导体28，如上文结合图3和示范性的热电偶24a、24b所述，所述电导体28中的每一个具有第一末端28和第二末端36，该第一末端28设置在对应的一个热电偶24的远端32上并与之电连接，而该第二末端36设置在与所述对应的一个热电偶24相邻设置的多个热电偶24中的一个的近端25上并与之电连接。这里所述多个电导体28为金/掺杂AlGaAs，它们相互电绝缘，并且通过绝缘层16与带状电阻元件16绝缘(图3)。应当指出，可以在形成台面热电偶24之前或者随后形成地平面导体18和导电通孔15。
对于这一应用而言，采用来自施加了正电势+V的用于形成电阻器16的带状电阻元件16的电阻材料的热量引起跨越热电堆的温度梯度。如果热电堆10的正端作为“地”参考，那么处于负端的感应电压将低于地。
在GaAs晶体管和集成电路的制造过程中，存在可用于形成热电偶和热电堆的半导体层和金属。这里，采用PHEMT集成电路工艺来制造热电堆。在这种情况下，可用的掺杂AlGaAs半导体层和金形成热电偶接点。
用于建立温度梯度的热量来自带状电阻元件16。这一电阻元件16通过绝缘层42(这里为氮化硅)与热电偶电隔离。跨越加热电阻施加正电势，从而引起从带状电阻元件16向外的温度梯度。这一梯度引起赛贝克效应，从而导致了跨越热电堆的电压。将电势较高的(+)热电堆接点设为地，负接点则处于低于地的电势上。
下面的表格示出了热电堆输出电压的测量值。从DC电源提供输入功率，将所述DC电源的电势设为高于地。处于最后一列内的所有输出电压均低于地参考，即为负！
                    表格
 DC电压输入(V)  DC功率输入(W)  负电压输出(V)
 5  0.295  -0.19
 6  0.43  -0.303
 7  0.592  -0.466
 8  0.782  -0.689
应当指出，负电压的测量结果是对于所消耗的DC功率而得到的。标记为“负电压输出”。
已经描述了本发明的若干个实施例。例如，用于对带状电阻元件16加热的DC源可以使AC或微波源。但是，应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以做出各种修改。相应地，其他实施例也处于所附权利要求的范围内。

Claims (5)

1.一种设有偏置电压发生器的电路，包括：
基板；
形成于所述基板的半导体区域中的有源器件，所述有源器件具有输入端和输出端，其用于对提供给所述输入端的输入信号进行操作，从而响应于所述输入信号和偏置电压而在所述输出端产生输出信号；
包括热电偶接点的偏置电压发生器，所述热电偶接点设置在所述基板上并且连接到所述有源器件，以便为所述有源器件提供偏置电压，所述偏置电压发生器具有：
用于耦合到电压源的第一对端子以及用于产生所述偏置电压的第二对端子，所述第一对端子中的一个端子处于参考电势，所述第一对端子中的另一个端子处于比所述参考电势更正的电势；并且
其中所述第二对端子中的一个端子处于所述参考电势，所述第二对端子中的另一个端子处于比所述参考电势更负的电势，用于提供所述偏置电压。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述有源器件是晶体管。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述晶体管具有用于控制第一电极和第二电极之间的载流子的控制电极，并且其中，所述输入端是所述控制电极，并且其中，所述热电偶接点向所述控制电极提供所述更负的电势。
4.根据权利要求3所述的电路，其中，在所述控制电极处产生的电压电势相对于在所述晶体管的所述第二电极处提供的电压电势为负，并且其中，所述第一电极提供输出。
5.根据权利要求4所述的电路，其中，所述晶体管为耗尽型场效应晶体管，并且其中，所述控制电极是所述晶体管的栅极。
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