CN1166694A - 固态天线开关和场效应晶体管 - Google Patents

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Abstract

一种具有覆盖电极的场效应晶体管，该覆盖电极至少覆盖该晶体管沟道的一部分。所述覆盖电极形成在覆盖该晶体管的源区，栅区和漏区的绝缘层上。当该晶体管导通时，在覆盖电极上施加一种电压。当该晶体管截止时，在覆盖电极上施加产生阻碍电流在沟道内流动的电场的另一种电压。在天线开关中，这种晶体管将天线耦合到接收电路，而另一种晶体管将天线耦合到发射电路。

Description

固态天线开关和场效应晶体管
本发明涉及发射和接收电路上的选择耦合天线的固态开关，以及一种用于这种开关和其他开关的场效应晶体管。
例如时分多路访问(TDMA)数字无线电话机的天线须能够在发送和接收功能之间快速地切换。由于机电开关速度太慢，所以通常使用由二极管或三极管所组成的固态开关。尤其是由场效应晶体管组成的桥式网络可以作为天线开关。该网络可作为一个双刀双掷(DPDT)开关，交替地将发射和接收电路耦合到天线和地线。
为避免发射功率损失，和提供充分的接地耦合，这种开关的场效应管须在导通时具有低阻抗。然而，为防止发射信号耗散到接收电路，该晶体管须在截止时具有很高的阻抗。由于低阻抗来源于短沟道，而高阻抗通常需要长沟道，因此存在着矛盾。为了将接收电路和控制电路与发射器高功率的输出隔离，该晶体管的源-漏极之间和栅-漏极之间必须具有高击穿电压，但这通常也需要有长沟道，与低导通阻抗的要求相矛盾。
因此本发明的一个目的是提供一种固态天线开关，该开关即有低阻抗耦合又有良好的隔离。
本发明的另一个目的是提供一种同时具有低导通阻抗和高源-漏极击穿电压的场效应晶体管。
本发明的另一个目的是提供一种同时具有低导通阻抗和高栅-漏极击穿电压的场效应晶体管。
本发明的场效应晶体管如通常的场效应晶体管一样具有半导体基片，源区，沟道，漏区，源极，栅极，和漏极。和一般场效应管一样，所有这些部分都被绝缘层所覆盖。在绝缘层上做有一个覆盖电极，起码覆盖在栅极和漏区之间的沟道的一部分。当场效应管导通时，一个电压施加在覆盖电极上，当场效应管截止时，另一电压施加在该极上。截止状态下所施加的电压产生阻碍电流在沟道中流动的电场。
本发明的天线开关具有将天线耦合到接收电路的第一场效应管，和将天线耦合到发射电路的第二场效应管。第一场效应管是属于本发明的类型。
在附图中：
图1是本发明第一实施例的场效应晶体管的剖面图；
图2是普通场效应晶体管的剖面图；
图3说明本发明的场效应晶体管和普通场效应晶体管的源-漏电压特性；
图4说明本发明的场效应晶体管和普通场效应晶体管的栅-漏电压特性；
图5是本发明第二实施例的场效应晶体管的剖面图；
图6是本发明第三实施例的场效应晶体管的剖面图；
图7是本发明第四实施例的场效应晶体管的剖面图；
图8是本发明天线开关实施例的示意图；
图9表示接受状态下的天线开关；
图10表示发射状态下的天线开关。
下面将参考附图描述本发明的实施例。首先将讲解本发明的场效应晶体管的实施例，然后讲解本发明的天线开关的实施例。
参看附图1，第一实施例是一个场效应晶体管，该晶体管由砷化镓基片1，n+源区2，沟道3，n+漏区4，源极5，栅极6，漏极7，绝缘层8，和新型覆盖电极9组成。从源区2到栅极6的距离Lsg和从栅极6到漏区4的距离Lgd相等，均为1微米(1μm)。
图1中绝缘层8是厚度大约为1000埃(1000A)的氮化硅(SiN)层。新型覆盖电极9是包括钛，铂，金或它们的合金的、构成图案的金属膜。覆盖电极9覆盖整个沟道3甚至更大，从源极5上的一点覆盖到漏极7上的一点。
栅极6和覆盖电极9具有连接到外控制电路(图中未画出)的相关的接触点(图中未画出)，该控制电路可以在栅极6上施加栅极电压Vg，在覆盖电极9上施加控制电压Vc。源极5和漏极7也具有连接到外部电路的接触点(图中未画出)。
当该晶体管在正的栅极电压Vg作用下导通时，覆盖电极9上同时施加正的控制电压Vc。栅极6和覆盖电极9上的正电压所产生的电场将载流子(在这里是电子)拉入沟道3，使得源区2和漏区4之间有电流流过。
当该晶体管栅极6接地电位或负电压而截止时，在覆盖电极9上施加负电压Vc。该负电压Vc所产生的电场将载流子推出沟道3，因此阻碍源区2和漏区4之间的电流流动。
在第一实施例的改型中，栅极6和覆盖电极9是内部连接的，外部控制电路在电极6和9上同时施加单一的栅极电压Vg。
作为比较，图2显示了常规的场效应晶体管，该晶体管的标号与图1中相同。除了缺少覆盖电极外，常规的场效应晶体管与第一实施例相同。我们将省略对图2常规的场效应晶体管中各个元件和图1中相应元件的详细的叙述。
图1中晶体管的对称性使得两个n+区2和4可以互换：即2区可以作为源区也可以作为漏区，同样4区可以作为源区也可以作为漏区。对于图2也是一样。当把该晶体管加到一个集成电路中时，对称性是一个优点，它使得电路的设计简单化，通常能够减小集成电路的尺寸。
图3举例说明在图1和图2中对称的晶体管的源-漏电压(Vds)之间的关系，图中横轴表示源-漏电压(Vds)，纵轴为源-漏电流(Ids)。
图中实线11是图2中常规晶体管的导通状态的特性。虚线12是第一实施例(图1)的栅极6和覆盖电极9具有同样的正电压时导通状态的特性。根据特性曲线11和12可以得到该晶体管的导通电阻。
实线13是常规晶体管的截止状态的特性。虚线14是第一实施例当负10伏的控制电压(-10V)加在覆盖电极9上时截止状态的特性。截止状态的特性曲线13和14是漏电流特性曲线，在理想状态下，该晶体管截止时应无电流流过。
如图3所示，常规晶体管和本发明的第一实施例的源-漏电压电流特性在某一电压值V1之前是相同的，在该电压点常规晶体管的源-漏开始击穿。这种击穿导致了常规的场效应晶体管的截止状态的漏电流急剧上升。而本发明的第一实施例即使在高于电压V1时也继续保持良好的源-漏之间的隔离，只有很小的漏电流流过。
图4表示当源极5开路(非连接)时，图1和图2中所示晶体管的栅-漏电压(Vgd)和反相栅-漏电流(Igdo)之间的关系，图中横轴表示栅-漏电压(Vgd)，纵轴为反相栅-漏电流(Igdo)。其中实线15是常规晶体管的特性曲线。虚线16是当覆盖电极9上加有-3伏的控制电压Vc时第一实施例的特性曲线。点划线17是当控制电压Vc为-10V时第一实施例的特性曲线。常规的晶体管在电压为V2时出现栅-漏击穿。而对于第一实施例来说，当Vc为-3V时，栅-漏击穿电压高于电压V3，当Vc为-10伏时，栅-漏出现击穿时所达到的电压将更高(图中未画出)。
如图3和图4所示，在没有增加击穿点以下的导通电阻的情况下，第一实施例中的覆盖电极9大大地改善了源-漏和栅-漏之间的击穿特性。
如果给覆盖电极9提供单独的控制电压Vc不方便的话，则可按上面提到的将覆盖电极9从内部连接到栅极6上。虽然对于击穿特性的改善是有限的，但它不需要晶体管有额外的端子和引线，并且可以象控制常规的场效应晶体管一样精确地控制该晶体管。
在另一情况之下，覆盖电极9能够使第一实施例满足低的导通阻抗和非常高的截止阻抗的要求。
图5举例说明本发明的场效应晶体管的第二个实施例，在说明中，除覆盖电极之外，均使用与图1相同的标号。第一实施例与第二实施例的不同之处在于在第二实施例中，覆盖电极18只从栅极6的一点延伸到漏极7上的一点，因此仅覆盖栅极6和漏区4之间所暴露的沟道3的那一部分。与第一实施例一样，覆盖电极18可以独立地连接到外部控制电路，或在内部与栅极6相连。
在第二实施例的改型中，覆盖电极18仅覆盖从栅极6到漏极7的区域的一部分。
第二实施例提供与第一实施例相似的改进的击穿特性。尤其是对于在栅-漏击穿电压上所得到的改善与第一实施例相同。另外，由于在n+源区2或源极5上没有直接覆盖电极18的一部分，所以源极和覆盖电极之间的耦合电容大大地减小了。
在第一实施例中，虽然晶体管在截止状态下，仅有非常小的直流电流流过，但是由于在源极与漏极5，7到覆盖电极9之间有不需要的容性耦合的存在，所以从漏极7到源极5有微弱的交流电流过。第二实施例则基本上消除了这种容性耦合  链路的一部分，因此改善了源极5对交流波形、例如，有可能加到漏极7的载波信号波形的隔离。
图6使用与图1相同的标号说明第三实施例。第三实施例除了晶体管是非对称之外，与第一实施例完全一样：从栅极6到漏区4的距离Lgd大于从源区2到栅极6的距离Lsg。典型值Lsg为1微米，Lgd为2微米。与第一实施例相同，覆盖电极9既可接到独立的控制电压Vc，也可以在内部与栅极相连接，并连接到栅电压Vg。
第三实施例中距离Lgd的增加使得沟道3的长度增加，导致在某种程度上导通电阻的增加，但同时也增加了截止状态的击穿电压。特别是当第三实施例中Lgd增加一倍，则导通电阻实际上增加33％，而源-漏击穿电压将有20％的改善(增加)，栅-漏击穿电压将有40％的改善(增加)。
图7使用与图5中相同的标号说明第四实施例，第四实施例除了象第三实施例那样Lgd大于Lsg外，与第二实施例完全相同。第四实施例结合了第二和第三实施例的优点：即，减小了源区和漏区之间的耦合电容，改善了源-漏和栅-漏的击穿特性。因此在截止状态下第四实施例可提供良好的交流电流和直流电流隔离性能，而仅稍微增加一点导通状态电阻。
下面将叙述本发明天线开关的一个实施例。本实施例中天线连接到某一设备如便携式电话机的发射和接收电路。
参看图8，天线开关20包括由四个场效应晶体管Q1到Q4所组成的桥式网络。每一个晶体管的源极和漏极分别由字母S和D表示。晶体管Q1和Q4具有第四实施例那样的非对称结构。晶体管Q2和Q3是如图2所示的那种没有覆盖电极的常规对称的场效应晶体管。
天线21连接到晶体管Q1和Q2的漏极。接收电路(RX)22连接到晶体管Q1的源极和Q3的漏极。发射电路(TX)23连接到晶体管Q2的源极和晶体管Q4的漏极。晶体管Q3和Q4的漏极连接到地端24。这里省略了连接到晶体管栅极和覆盖电极的控制电路，以免无关的细节妨碍对本发明的理解。
图9和图10是说明本发明天线开关工作的网络图。
在接受状态，如图9中实线所示，晶体管Q1和Q4导通，同时如图中虚线所示，晶体管Q2和Q3截止。由于接收电路22本身具有很高的输入阻抗，所以晶体管Q4导通电阻轻微的增加在此状态下没有问题。由于发射电路23在接收状态下被关闭，所以晶体管Q4导通电阻轻微的增加在此状态下也没有问题。天线21接收的信号肯定是一种低电压信号，所以晶体管Q2和Q3一般的击穿特性可以满足防止接收信号功率耗散到发射电路23和地端24的要求。
在发射状态下，如图10中实线所示，晶体管Q2和Q3导通，同时如图中虚线所示，晶体管Q1和Q4截止。由于常规晶体管Q2的低导通电阻，发射电路23所输出的大功率，高频信号载波耦合到天线21，其损耗很小。新型晶体管Q1和Q4阻断了这个信号与接收电路22或地之间的耦合。由于这些晶体管具有高源-漏击穿电压，所以直流电流耦合被阻断，同时，由于他们的覆盖电极仅覆盖了栅极和漏区的之间的区域，所以也阻断了电容耦合，基本上消除了到源极的电容耦合。因此在天线开关20上只有非常小的发射功率损失。
另外，在发射状态，接收电路22通过晶体管Q3连接到地端24。由于晶体管Q3的导通电阻比接收电路22的输入阻抗更低，所以，通过晶体管Q1耗散的很小量的发射功率几乎完全分流到地；实际上没有耗散功率进入接收电路22。
通过既使用常规对称型场效应晶体管又使用带有覆盖电极的非对称新型场效应晶体管，本发明的天线开关20可以将低的天线导入损失和优良的接收电路22与发射电路23之间的隔离性能结合在一起。
至此已对与天线开关电路有关的本发明进行了叙述，但本发明也可以应用于大量的其他电路中。
本发明的场效应晶体管可应用于要求具有良好的隔离性能的任何类型的电路中，包括微波调制解调电路，微波开关，和以微波频率使直流功率断续的逆变器。如果缩短晶体管栅区的长度以提高截止频率fT，则该管可以在很高的频率下工作。
图8中的电路结构一般可用于双刀双掷开关并不只限于天线开关。
本发明的晶体管的半导体基片不限于砷化镓。也可使用其他合成半导体材料，如磷化铟(InP)和砷化镓铟(InGaAs)。(InP和InGaAs具有优良的高频特性。)本发明也可以使用硅半导体基片，和用P沟道晶体管代替n沟道晶体管。
本专业的技术人员将知道在下面提出的权利要求的范围内，可以对本发明进行其他的变更。

Claims (16)

1.一种场效应晶体管包括：半导体基片(1)，在半导体基片上形成的源区(2)和漏区(4)，在半导体基片上源区和漏区之间传导电流的沟道(3)，位于该沟道的一部分之上、在半导体基片上形成的用来控制所述电流的栅极(6)，和覆盖半导体基片和栅极的绝缘层(8)，其特征在于该晶体管还包括：
在所述绝缘层上形成的覆盖电极(9)，该电极至少覆盖所述沟道的一部分，当所述场效应晶体管导通时，该电极接收一种电压，而当所述场效应晶体管截止时，接收另一种电压，所述另一种电压产生阻碍电流在所述沟道内流动的电场。
2.根据权利要求1的场效应晶体管，其特点在于，所述栅极(6)和所述覆盖电极(9)接收各自独立的电压。
3.根据权利要求1的场效应晶体管，其特点在于，所述覆盖电极(9)连接到所述栅极(6)。
4.根据权利要求1的场效应晶体管，其特点在于，所述源区(2)和所述漏区(4)与所述栅极(6)的距离相等。
5.根据权利要求4的场效应晶体管，其特点在于，所述覆盖电极(9)覆盖整个所述沟道(3)。
6.根据权利要求4的场效应晶体管，其特点在于，所述覆盖电极(9)至少覆盖设置在所述栅极(6)和所述漏区(4)之间的所述沟道(3)的一部分，而不覆盖设置在所述源区(2)和所述栅极之间所述沟道的任何部分。
7.根据权利要求1的场效应晶体管，其特点在于，所述栅极(6)到所述漏区(4)的距离比到所述源区(2)的距离更远。
8.根据权利要求1的场效应晶体管，其特点在于，所述覆盖电极(9)覆盖整个所述沟道(3)。
9.根据权利要求7的场效应晶体管，其特点在于，所述覆盖电极(9)至少覆盖设置在所述栅极(6)和所述漏区(4)之间的所述沟道(3)的一部分，而不覆盖设置在所述源区(2)和所述栅极之间所述沟道的任何部分。
10.一种天线开关电路包括将天线(21)耦合到接收电路(22)的第一场效应晶体管(Q1)和将所述天线耦合到发射电路(23)的第二场效应晶体管(Q2)，其特点在于所述第一场效应晶体管具有：
半导体基片(1)，该基片含有连接到所述接收电路的源区(2)，连接到所述天线的漏区(4)和用来在所述源区和所述漏区之间传导电流的沟道(3)，
形成在所述半导体基片上的栅极(6)，该栅极覆盖所述沟道，用来控制所述电流，
形成在所述半导体基片上的绝缘层(8)，该绝缘层覆盖所述半导体基片和所述栅极，
形成在所述绝缘层上的覆盖电极(9)，该覆盖电极至少覆盖所述栅极和所述漏区之间的所述沟道的一部分，当所述场效应晶体管导通时，该覆盖电极接收一种电压，而当所述场效应晶体管截止时，该覆盖电极接收另一种电压，所述另一种电压产生阻碍电流在所述沟道内流动的电场。
11.根据权利要求10的天线开关电路，其特点在于，在所述第一场效应晶体管(Q1)中，所述栅极(6)到所述漏区(4)的距离比到所述源区(2)的距离更远。
12.根据权利要求10的天线开关电路，其特点在于，在所述第一场效应晶体管(Q1)中，所述覆盖电极(9)不覆盖所述源区(2)和所述栅极(6)之间的所述沟道的任何部分。
13.根据权利要求10的天线开关电路，其特点在于，所述第二场效应晶体管(Q2)是对称的。
14.根据权利要求10的天线开关电路，其特征在于包括：接地端子(24)，
将所述接收电路耦合到所述接地端子的第三场效应晶体管(Q3)，所述第三场效应晶体管与所述第二场效应晶体管(Q2)同时导通和截止，
将所述发射电路耦合到所述接地端子的第四场效应晶体管(Q4)，所述第四场效应晶体管与所述第一场效应晶体管(Q1)同时导通和截止。
15.根据权利要求14的天线开关电路，其特点在于，所述第三场效应晶体管是对称的。
16.根据权利要求14的天线开关电路，其特点在于，所述第四场效应晶体管具有与所述第一场效应晶体管的覆盖电极相同的覆盖电极。
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