CN1255939C - 高频半导体器件 - Google Patents

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Abstract

本发明的高频半导体器件用于抑制多路HBT的电流集中，同时改善噪声特性的恶化、增益的降低、及功率效率的降低，在构成放大器(10)的初级及输出级的多路HBT中，构成该初级多路HBT(12)的基本HBT(14)由HBT(14a)和与该HBT(14a)的发射极连接的发射极电阻14b构成，构成输出级的多路HBT(16)的基本HBT(18)由HBT(18a)和与该HBT(18a)的基极连接的基极电阻(18c)构成。本发明的高频半导体器件适用作卫星通信、地面微波通信、移动通信等使用的高输出功率放大器。

Description

高频半导体器件
技术领域
本发明涉及高频器件，特别涉及用多路(マルチフインガ)异质结双极型晶体管来改善放大器的功率效率、噪声特性以及热稳定性。
背景技术
在最近的便携终端、例如便携电话的普及中，小型轻型化成为开发的重点，高输出功率放大器成为关键部件。
异质结双极型晶体管(Heterojunction bipolar transistor，以下称为HBT)具有高的电流增益β，而发射极由AlGaAs构成、基极由GaAs构成的GaAs系HBT除此之外还具有高速性，广泛用于便携电话的高输出功率放大器。
为了实现高输出化，HBT需要大的发射极尺寸来得到规定的输出。为了得到该大的发射极尺寸，需要将多个为了降低基极电阻而由宽度窄的发射极构成的HBT并联连接，即采用所谓的多路结构。以下将该多路结构的HBT称为多路HBT，将构成该多路HBT的各个HBT称为基本HBT。
图11是现有的高输出功率放大器的结构方框图。
在图11中，100是功率放大器，102是作为功率放大器100的初级来工作的多路HBT，104是多路HBT 102的基本HBT，X11、X12、…、X1m被并联连接。各个基本HBT 104由HBT 104a和与该HBT 104a的发射极串联连接的发射极电阻104b构成。信号功率被输入到基本HBT 104的HBT 104a的基极，放大过的信号输出从HBT104a的集电极被输出。发射极经发射极电阻104b被接地。
106是作为放大器100的输出级来工作的多路HBT，108是多路HBT 106的基本HBT，X21、X22、…、X2n被并联连接。各个基本HBT 108的结构与多路HBT 102的基本HBT 104的结构相同，由HBT108a和与该HBT 108a的发射极串联连接的发射极电阻108b构成。信号功率被输入到基本HBT 108的HBT 108a的基极，放大过的信号输出从HBT 108a的集电极被输出。发射极经发射极电阻108b被接地。
110是输入端子，112是输出端子，114是电源电压端子，116是基极偏置电路，118、120、122、124、126、128及130分别是匹配电路。
如果HBT 104a或HBT 108a温度升高，则基极的正向电压VBE降低。此外，由于GaAs等化合物半导体衬底的热阻高，所以在多个HBT 104a或HBT 108a被并联连接来配置时，会发生下述情况：如果由于某种原因，电流集中到一个HBT 104a或HBT 108a中，则该HBT 104a或HBT 108a的热上升，进而VBE降低，电流进一步集中到该部分中。
这里，热阻ΘTH由下式ΘTH＝ΔTj/ΔP来定义。其中Tj是结温度，P是功率。
由于基本HBT相互间的热不均匀，所以电流集中到某一个基本HBT中，其结果是，工作电流急剧变化，这例如被报告于IEEETRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES，VOL.43，NO.2，FEBRUARY 1996，pp220-227。
在多路HBT 102或106中，如果电流集中到特定的HBT 104a或108a中，则工作的HBT 104或108减少，不能得到与尺寸成正比的功率。因此为了防止电流集中到特定的HBT 104a或108a中，与HBT104a或108a的基极或发射极串联来插入电阻，以降低电流放大倍数，抑制电流集中。
在功率放大器100中，与HBT 104a或108a的发射极的发射极串联来插入发射极电阻，构成基本HBT 104或108。
然而，在与HBT 104a或108a的基极或发射极串联来插入电阻的情况下，功率放大器100的性能会降低。
即，如果单单插入基极电阻，则相当于在输入上插入电阻，所以发生损耗，该损耗量使噪声特性恶化。再者，发生损耗使HBT的增益降低。
另一方面，如果像基本HBT 104或108那样单单插入发射极电阻，则发射极电阻104b或108b的电压降使Vce降低，所以功率效率降低。
这样，为了防止基本HBT的热不均匀，与基极或发射极串联来插入电阻以降低电流放大倍数、抑制电流集中虽然很有效，但是在单单与基极或发射极串联来插入电阻的情况下，有下述问题：噪声特性恶化，HBT的增益降低，并且功率效率降低。
此外，作为公知例，(日本)特开平8-279561号公报记载了使用发射极镇流电阻的HBT元件和使用基极镇流电阻的HBT元件的结构。
此外，1994 IEEE MTT-S Digest WE 2A-6 p687-p690记载了使用发射极镇流电阻的HBT元件的结构。
图12是只用使用发射极镇流电阻的HBT元件构成的现有的HBT多级放大器的方框图。
在图12中，与图11同样，作为HBT多级放大器140的初级来工作的多路HBT 102及作为输出级来工作的多路HBT 106由具有与发射极串联连接的发射极镇流电阻的基本HBT构成。初级和输出级之间的中间级也都由多路HBT构成，该多路HBT由具有与发射极串联连接的发射极镇流电阻的基本HBT构成。
图13是只用使用基极镇流电阻的HBT元件构成的现有的HBT多级放大器的方框图。
在图13中，HBT多级放大器142从初级到输出级，包含中间级，都由具有基极镇流电阻的基本HBT构成的多路HBT 144构成。
这样，现有的HBT多级放大器140、142只用使用发射极镇流电阻的多路HBT构成，或者只用使用基极镇流电阻的多路HBT构成。
一般使用发射极镇流电阻的多路HBT由于在发射极-地间插入了电阻，所以与没有电阻的情况相比，放大器的输入、输出端两处的损耗都增加。由于输出端也具有损耗，所以使放大器的输出功率、效率特性降低。
而使用基极镇流电阻的多路HBT由于在其与基极偏置端子之间插入了电阻，所以输出端没有损耗。因此，输出功率、效率特性比使用发射极镇流电阻的多路HBT好。但是，由于输入端具有大的损耗，所以噪声特性比使用发射极镇流电阻的多路HBT差。
总之，在使用发射极镇流电阻的多路HBT 102、106和使用基极镇流电阻的多路HBT 144中，在输出功率、效率特性方面，使用基极镇流电阻的多路HBT 144好，而在噪声特性方面，使用发射极镇流电阻的多路HBT 102、106好。
因此，在只用使用发射极镇流电阻的多路HBT来构成的HBT多级放大器140的情况下，具有下述问题：噪声特性好，而输出功率、效率特性差。另一方面，在只用使用基极镇流电阻的多路HBT 144来构成的HBT多级放大器142的情况下，具有下述问题：输出功率、效率特性好，而噪声特性差。
在发送机所用的放大器中，不仅要求高输出、高效率的特性，而且有接收频带噪声这一指标，也要求低噪声的特性。因此，需要同时实现高输出、高效率的特性和低噪声的特性。现有结构的HBT多级放大器140或142具有下述问题：不能同时实现高输出、高效率的特性和低噪声的特性，只能实现某一方。
本发明就是为了解决这种问题而提出的，本发明的第1目的在于，通过构成抑制多路HBT的电流集中、同时噪声特性的恶化和HBT的增益降低少、而且功率效率的降低少的放大电路，来提供一种包括高频特性的恶化少、热稳定性高的放大电路的高频半导体器件。
本发明的第2目的在于，提供一种包括对电流集中的稳定性高、可靠性高的放大电路的高频半导体器件。
本发明的第3目的在于，提供一种包括能够同时实现高输出、高效率的特性和低噪声的特性的HBT多级放大器的高频半导体器件。
(日本)特开平10-98336号公报虽然有下述发明的记载：在高频放大电路中通过使用能够将放大电路的输出晶体管的工作电流设定得与电源电压无关、而只与基极-发射极间电压成正比的偏置电路，即使电源电压或周围温度等工作环境变化，饱和输出电平、失真特性的变动也少；但是没有下述发明的记载。
发明公开
本发明的高频半导体器件包括：放大电路的第1部分，将多个第1基本晶体管并联连接并配设在第1半导体衬底上，该第1基本晶体管具有异质结构造的第1双极型晶体管和与该第1双极型晶体管的发射极串联连接的电阻值为RE1的发射极电阻；和放大电路的第2部分，将多个第2基本晶体管并联连接并配设在第2半导体衬底上，该第2基本晶体管放大该第1部分的输出信号，并且具有异质结构造的第2双极型晶体管和与该第2双极型晶体管的基极串联连接的电阻值为RB2的基极电阻；能够抑制电流集中，同时用简单的结构来降低噪声指数，减少增益的降低，并且减少功率效率的降低。进而，能够制成可靠性高、放大特性优良、功率效率高的高频半导体器件。
再者，在第2基本晶体管上还配设有与第2双极型晶体管的发射极串联连接的发射极电阻，并且使与第2双极型晶体管的基极串联连接的基极电阻的电阻值小于RB2；能够改善噪声特性。进而，能够制成噪声特性优良的高频半导体器件。
再者，使放大电路的第1部分中的第1基本晶体管间的发射极间隔比放大电路的第2部分中的第2基本晶体管间的发射极间隔宽；能够进行热阻，难以引起电流集中。进而，能够制成对电流集中的稳定性高、可靠性高的高频半导体器件。
再者，使放大电路的第1部分中的第1基本晶体管的发射极电阻的电阻值小于RE1；能够减少第1部分中的效率的降低。进而，能够制成功率效率高的高频半导体器件。
此外，包括：放大电路的第1部分，将多个第1基本晶体管按该第1基本晶体管的发射极的发射极间隔W1并联连接并配设在第1半导体衬底上，该第1基本晶体管具有异质结构造的第1双极型晶体管、与该第1双极型晶体管的基极串联连接的电阻值为RB1的基极电阻以及与上述第1双极型晶体管的发射极串联连接的电阻值为RE1的发射极电阻；和放大电路的第2部分，将多个第2基本晶体管并联连接并配设在第2半导体衬底上，该第2基本晶体管放大该第1部分的输出信号，并且具有异质结构造的第2双极型晶体管、与该第2双极型晶体管的基极串联连接的电阻值为RB2的基极电阻以及与上述第2双极型晶体管的发射极串联连接的电阻值为RE2的发射极电阻；使W1＞W2；能够进行热阻，难以引起电流集中。进而，能够制成对电流集中的稳定性高、可靠性高的高频半导体器件。
再者，第1基本晶体管的发射极电阻的电阻值RE1和第2基本晶体管的发射极电阻的电阻值RE2的关系是RE1＜RE2；第1基本晶体管的基极电阻的电阻值RB1和第2基本晶体管的基极电阻的电阻值RB2的关系是RB1＜RB2；能够抑制电流集中，同时降低噪声指数，减少增益的降低，并且减少功率效率的降低。进而，能够制成可靠性高、放大特性优良、功率效率高的高频半导体器件。
再者，放大电路的第1部分是初级，放大电路的第2部分是输出级；能够在对噪声指数贡献最大的初级中降低噪声指数，并且在对功率效率贡献最大的输出级中减少功率效率的降低。进而，能够有效地制成放大特性优良、功率效率高的高频半导体器件。
再者，一体构成第1半导体衬底和第2半导体衬底、能够实现小型化。进而，能够制成小型、廉价的高频半导体器件。
此外，包括：包含初级放大电路的第1放大电路部分，该初级放大电路具有与发射极镇流电阻连接的异质结构造的第1双极型晶体管元件；和包含最后一级放大电路的第2放大电路部分，该最后一级放大电路放大该第1放大电路部分的输出信号，并且具有与基极镇流电阻连接的异质结构造的第2双极型晶体管元件；能够实现包含初级放大电路的第1放大电路部分的低噪声特性，实现包含最后一级放大电路的第2放大电路部分的高输出、高效率特性。进而，能够制成包括可同时实现高输出、高效率的特性和低噪声的特性的HBT多级放大器的高频半导体器件。
再者，将多个第1基本晶体管并联连接，该第1基本晶体管的第1双极型晶体管元件具有异质结构造的第1双极型晶体管和与该第1双极型晶体管连接的发射极镇流电阻；并且将多个第2基本晶体管并联连接，该第2基本晶体管的第2双极型晶体管元件具有异质结构造的第2双极型晶体管和与该第2双极型晶体管连接的基极镇流电阻；能够高输出化，抑制热失控。进而，能够制成包括高输出、可靠性高的HBT多级放大器的高频半导体器件。
附图说明
图1是本发明的高输出功率放大器的结构方框图。
图2是构成本发明的高输出功率放大器的多路HBT的平面图。
图3是多路HBT在图2的III-III剖面上的剖面图。
图4是本发明的高输出功率放大器的结构方框图。
图5是本发明的高输出功率放大器的结构方框图。
图6是本发明的HBT多级放大器的方框图。
图7是本发明的使用发射极镇流电阻的多路HBT的等价电路示意图。
图8是本发明的使用发射极镇流电阻的多路HBT的等价电路示意图。
图9是本发明的使用基极镇流电阻的多路HBT的等价电路示意图。
图10是本发明的使用基极镇流电阻的多路HBT的等价电路示意图。
图11是现有的高输出功率放大器的结构方框图。
图12是只用使用发射极镇流电阻的HBT元件构成的现有的HBT多级放大器的方框图。
图13是只用使用基极镇流电阻的HBT元件构成的现有的HBT多级放大器的方框图。
具体实施方式
在以下记载的实施例1至3中，说明例如两级结构的功率放大器，但是并非必须是两级，也可以是两级以上的多级结构。
实施例1.
在本实施例中，放大器的初级及输出级由多路HBT构成，构成该初级的多路HBT的基本HBT由HBT和与该HBT的发射极连接的发射极电阻构成，构成输出级的多路HBT的基本HBT由HBT和与该HBT的基极连接的发射极电阻构成。
图1是实施例1的高输出功率放大器的结构方框图。
在图1中，10是功率放大器，12是作为功率放大器10的初级来工作的第1部分的多路HBT，14是作为多路HBT 12的第1基本晶体管的基本HBT，m个C11、C12、…、C1m被并联连接。
各个基本HBT 14由HBT 14a和与该HBT 14a的发射极串联连接的发射极电阻14b构成。
基本HBT 14的C11、C12、…、C1m具有同一构造，各个HBT 14a、发射极电阻14b分别具有相同的电路参数，HBT 14a具有电流放大倍数β1，发射极电阻14b具有电阻值RE1。基本HBT 14以发射极间隔W1被排列。向基本HBT 14的HBT 14a的基极分别直接输入信号功率，放大过的信号输出从HBT 14a的集电极被输出。发射极经发射极电阻14b被接地。
16是作为功率放大器10的输出级来工作的第2部分的多路HBT，18是作为多路HBT 16的第2基本晶体管的基本HBT，n个C21、C22、…、C2n被并联连接。
各个基本HBT 18由HBT 18a和与该HBT 18a的基极串联连接的基极电阻18c构成。
基本HBT 18的C21、C22、…、C2n具有同一构造，各个HBT 18a、基极电阻18c分别具有相同的电路参数，各个HBT 18a具有电流放大倍数β2，基极电阻18c具有电阻值RB2。基本HBT 18以与多路HBT 12相同的发射极间隔W1被排列。经基极电阻18c向基本HBT 18的HBT18a的基极分别输入信号功率，放大过的信号输出从HBT 18a的集电极被输出。发射极直接被接地。
发射极电阻14b和基极电阻18c由薄膜电阻构成。发射极电阻14b也可以不是薄膜电阻，而是在通过外延生长来形成发射极层时同时形成。
20是输入端子，输入信号功率；22是输出端子，输出放大过的信号功率。24是电源电压端子，被施加Vcc。26是基极偏置电路，产生偏置电压。
28是与初级的多路HBT 12的输入端连接的输入匹配电路，30是与输出级的多路HBT 16的输出端连接的输出匹配电路，32是初级的多路HBT 12和输出级的多路HBT 16之间连接的级间匹配电路，34是初级的多路HBT 12的基极和基极偏置电路26之间连接的匹配电路，36是输出级的多路HBT 16的基极和基极偏置电路26之间连接的匹配电路，38是初级的多路HBT 12的集电极和电源电压端子24之间连接的匹配电路，40是输出级的多路HBT 16的集电极和电源电压端子24之间连接的匹配电路。
经匹配电路34从基极偏置电路26向初级的多路HBT 12的各个基本HBT 14的基极施加基极电压，经匹配电路38从电源电压端子24向各个基本HBT 14的集电极施加Vcc。
经匹配电路36从基极偏置电路26向输出级的多路HBT 16的各个基本HBT 18的基极施加基极电压，经匹配电路40从电源电压端子24向各个基本HBT 18的集电极施加Vcc。
多路HBT 12的基极经匹配电路28被连接在输入端子20上，集电极经匹配电路32被连接在输出级的多路HBT 16的基极上。输出级的多路HBT 16的集电极经输出匹配电路30被连接在输出端子22上。
图2是构成功率放大器10的初级的多路HBT 12的平面图。图2的点划线包围的A部分表示基本HBT 14。图3是图2的III-III剖面的剖面图。在图2及图3中未示出发射极电阻。
在图2及图3中，50是集电极层，由n+GaAs层构成。52是集电极。54是基极层，被2个集电极52夹着而配设在集电极层50的表面上，由p+GaAs层构成。56是基极层54的表面上配设的基极。58是发射极层，被2个基极56夹着而配设在基极层54的表面上。60是发射极，被配设在发射极层58的表面上。W1表示发射极间隔。
在图3中，62是作为第1半导体衬底的GaAs衬底，将集电极层50配设在其表面上。64是分离基本HBT 14的隔离部，通过注入氢离子H+等离子来形成。隔离部64从集电极层50的表面贯通集电极层50而到达GaAs衬底62。
构成功率放大器10的输出级的多路HBT 16只是基本HBT的个数不同，而结构与构成初级的多路HBT 12的平面图——图2、及多路HBT 12的剖面图——图3相同。
施加到输入端子20的信号功率经输入匹配电路28被输入到初级的多路HBT 12并被分支，输入到各个基本HBT 14的基极并被放大。各个基本HBT 14放大过的信号功率从各个基本HBT 14的集电极输出，被合成并从初级的多路HBT 12被输出。
初级的多路HBT 12放大过的信号功率经级间的匹配电路32被输入到输出级的多路HBT 16并被分支，经基极电阻18c被输入到各个基本HBT 18的基极，再次被放大。各个基本HBT 18放大过的信号功率从各个基本HBT 18的集电极输出，被合成并从输出级的多路HBT16被输出，经输出匹配电路30从输出端子22被输出。
输出级的多路HBT 16的尺寸由功率放大器10要求的输出功率来决定。例如为了得到输出功率1W，假设发射极的面积需要10000μm2，假设构成基本HBT 18的HBT 18a的发射极的面积为100μm2，则需要100个基本HBT 18。即，多路HBT 16由100个基本HBT 18构成。如果该输出级的增益为11dB，级间匹配电路32的损耗为-1dB，则要求初级的多路HBT 12的输出功率为0.1W。即，
1W＝10log1000dBm＝30dBm，30dBm-11dB+1dB＝20dBm＝0.1W
为了得到该输出，初级的多路HBT 12所需的发射极尺寸为1000μm2。如果用发射极面积为100μm2的HBT 14a来构成它，则需要10个基本HBT 14。
一般，构成基本HBT的电阻的电阻值随GaAs衬底的热阻来变化。例如假设GaAs衬底的厚度为100μm，则与基本HBT的基极串联连接的基极电阻RB＝100Ω左右。假设HBT的电流放大倍数β为100，则需要使与发射极串联连接的发射极电阻RE＝1Ω(＝100Ω/100)。
为了抑制多路HBT的电流集中引起的特性恶化，基本HBT需要附加这些基极电阻或发射极电阻。
在现有例中，初级和输出级都采用同一结构，初级和输出级的基本HBT都单单连接发射极电阻，而在本实施例的功率放大器中，在初级的基本HBT 14上只设有发射极电阻14b，而在输出级的基本HBT18上只设有基极电阻。
例如，为了用电源电压2V来得到1W的输出电力，假设输出级的多路HBT 16的功率效率为50％，则集电极电流Ic为
    Ic＝1/2/0.5＝1A。
每个基本HBT 18的集电极电流为10mA。
在像现有例那样设有发射极电阻的情况下，集电极-发射极间电压Vce为
    Vce＝2-0.1×1＝1.99，
效率降低约1％(＝1.99/2)。
然而，在本实施例1的功率放大器10中，在输出级的多路HBT 16的基本HBT 18上只设有基极电阻，而未附加发射极电阻，所以不会发生该功率的降低。
另一方面，在初级的多路HBT 12的基本HBT 14上附加有发射极电阻14b，所以效率降低1％，但是与输出级相比，问题不大。即，输出级的电流为1000mA，其1％为10mA，而初级的电流为100mA，其1％为1mA，所以其增减的贡献小。
另一方面，设第i级的噪声指数为NFi，增益为Gi，则整个功率放大器的噪声指数NFt由
    NFt＝NF1+NF2/G1+…+NFi/Gi+…
来表示，所以即使由于在输出级上附加了基极电阻，输入损耗增加2dB，输出级的噪声指数恶化2dB，整个功率放大器10的噪声指数的恶化也被抑制到
    2dB/10dB＝0.2dB。
在本实施例1的功率放大器10中，在初级的多路HBT 12的基本HBT 14上只附加有发射极电阻14b，而在输出级的多路HBT 16的基本HBT 18上只设有基极电阻，所以初级的多路HBT 12没有输入信号的损耗，因此不发生噪声指数的恶化，而输出级的多路HBT 16不发生集电极-发射极间电压的降低，没有功率效率的降低。
如上所述，在本发明中，通过在初级上附加发射极电阻，而在输出级上采用基极电阻，在防止了多路HBT的电流集中的同时，提高了整个功率放大器的噪声指数和增益，改善了功率效率。进而，能够构成可靠性高、放大特性优良、功率效率高的功率放大器。
实施例2.
本实施例2在实施例1的输出级中略微减小基极电阻的电阻值，用发射极电阻对其进行补偿，比实施例1的功率放大器10进一步提高了噪声特性。
图4是本发明的高输出功率放大器的结构方框图。
在图4中，70是功率放大器，72是作为功率放大器70的输出级来工作的第2部分的多路HBT，74是作为多路HBT 72的第2基本晶体管的基本HBT，n个C21、C22、…、C2n被并联连接。
各个基本HBT 74由HBT 74a、与该HBT 74a的基极串联连接的基极电阻74c以及与HBT 74a的发射极串联连接的发射极电阻74b构成。
基本HBT 74的C21、C22、…、C2n具有同一构造，各个HBT 74a、发射极电阻74b、基极电阻74c分别具有相同的电路参数，各个HBT 74a具有电流放大倍数β3，发射极电阻74b具有电阻值RE3，基极电阻74c具有电阻值RB3。基本HBT 74以与多路HBT 12相同的发射极间隔W1被排列。
经基极电阻74c向基本HBT 74的HBT 74a的基极分别输入信号功率，放大过的信号输出从HBT 74a的集电极被输出。发射极经发射极电阻74b被接地。
在图4中，与图1相同的标号是相同的或相当的部分。在以下实施例中也同样。
该功率放大器70的初级采用与实施例1相同的结构，基本HBT 14使用发射极电阻14b，所以初级中的噪声特性的恶化少。问题是输出级的电路结构。
基本HBT的发射极电阻的电阻值RE和基极电阻RB之间有下述关系：假设电流放大倍数为β，则RE＝RB/β。因此，如果减小影响噪声特性的输出级的基极电阻而用发射极电阻对其进行补偿，则能够防止电流集中并减少噪声特性的恶化。
即，设实施例1的基本HBT 18的基极电阻的电阻值为RB2，则在本实施例2的基本HBT 74中，设定为
    RB2＝RB3+RE3/β3
即可。即
    RB3＝-RE3/β3，
RB3＜RB2，本实施例的功率放大器70比实施例1的功率放大器的噪声特性提高了。
实施例3.
在本实施例3中，放大器的初级及输出级由多路HBT构成，构成该多路HBT的基本HBT由HBT、与该HBT的基极连接的基极电阻以及与该HBT的发射极连接的发射极电阻构成，使构成初级的多路HBT的基本HBT的发射极间隔大于输出级的多路HBT的基本HBT的发射极间隔，并且使初级的发射极电阻小于输出级的发射极电阻，并使初级的基极电阻小于输出级的基极电阻。
图5是实施例3的高输出功率放大器的结构方框图。
在图5中，75是功率放大器，76是作为功率放大器75的初级来工作的第1部分的多路HBT，78是作为多路HBT 12的第1基本晶体管的基本HBT，m个C11、C12、…、C1m被并联连接。
各个基本HBT 78由HBT 78a、与该HBT 78a的发射极串联连接的发射极电阻78b以及与基极串联连接的基极电阻78c构成。
基本HBT 78的C11、C12、…、C1m具有同一构造，各个HBT 78a、发射极电阻78b、基极电阻78c分别具有相同的电路参数，HBT 78a具有电流放大倍数β5，发射极电阻78b具有电阻值RE5，基极电阻具有电阻值RB5。基本HBT 78以发射极间隔W5被排列。
经基极电阻78c向基本HBT 78的HBT 78a的基极分别输入信号功率，放大过的信号输出从HBT 78a的集电极被输出。发射极经发射极电阻78b被接地。
80是作为功率放大器80的输出级来工作的第2部分的多路BBT，82是作为多路HBT 80的第2基本晶体管的基本HBT，n个C21、C22、…、C2n被并联连接。
各个基本HBT 82由HBT 82a、与该HBT 82a的基极串联连接的基极电阻18c以及与发射极串联连接的发射极电阻82b构成。
基本HBT 82的C21、C22、…、C2n具有同一构造，各个HBT 82a、发射极电阻82b、基极电阻82c分别具有相同的电路参数，各个HBT 82a具有电流放大倍数β6，发射极电阻82b具有电阻值RE6，基极电阻82c具有电阻值RB6。基本HBT 82以比多路HBT 76窄的发射极间隔W6被排列。
经基极电阻82c向基本HBT 82的HBT 18a的基极分别输入信号功率，放大过的信号输出从BBT 82a的集电极被输出。发射极经发射极电阻82b被接地。
基本HBT 78、82的基本结构与实施例1相同。
假设在输出级的多路HBT 80中输出电力为1W，此时的功率效率为50％，则变换为热的功率为1W，同样假设在初级的多路HBT 76中输出电力为100mW，此时的功率效率为50％，则变换为热的功率为100mW。这样，初级中产生的热量比输出级少。
由于多路HBT的面积与输出功率成正比，所以初级的多路HBT 76的面积可以是输出级的多路HBT 80的面积的1/10。
然而另一方面，发热部分的面积越小，则热阻越高。因此，如果将初级的多路HBT 76的面积与输出电力成正比而变为输出级的多路HBT 80的面积的1/10，则多路HBT 76的发热量少，但是热阻增大，所以为了抑制热集中，对基本HBT 76要求的基极电阻和发射极电阻的电阻值的大小与输出级的多路HBT 80的基本HBT的基极电阻和发射极电阻的电阻值相同。
在本实施例3的功率放大器中，像通常那样在容许的范围内稠密地以发射极间隔W6来排列输出级的基本HBT 82，并且以比输出级的发射极间隔W6宽的间隔W5来排列初级的基本HBT 78。
即，使
    W5＞W6。
通过使发射极间隔W5比输出级的发射极间隔W6宽，能够使热阻不提高，而使构成初级的基本HBT 78的基极电阻78c的电阻值RB5小于构成输出级的基本HBT 82的基极电阻82c的电阻值。即，能够使
    RB5＜RB6。
此外，能够使构成初级的基本HBT 78的发射极电阻78b的电阻值RE5小于构成输出级的基本HBT 82的发射极电阻82b的电阻值RE6。即，能够使
    RE5＜RE6。
在本实施例中，使初级的发射极间隔比输出级的发射极间隔宽，减小用于防止初级中的电流集中的初级的基本HBT的发射极电阻、基极电阻，从而防止了多路HBT的电流集中，提高了整个功率放大器的噪声指数和增益，进一步改善了功率效率。
具体例
(i)初级的基本HBT只使用发射极电阻、输出级的基本HBT只使用基极电阻的情况
在此情况下，在实施例的情况下，使初级的发射极间隔比输出级的发射极间隔宽。
由于考虑抑制效率降低，所以根据发射极电阻来考虑，发射极电阻RE和基极电阻RB之间通过电流放大倍数β有RE＝RB/β的关系，初级中的发热量少，所以能够使RB5＜RB6及RE5＜RE6，因此能够使
    RE5+RB5/β5＜RE6+RB6/β6。
这里，假设初级的基本HBT只使用发射极电阻，输出级的基本HBT只使用基极电阻，则RB5＝0，RE6＝0，
    RE5＜RB6/β6。
这里，RR6/β6＝RE1，RE5＜RE1。即，通过将实施例1的初级的多路HBT 12的发射极间隔从W1加宽到W5，能够进一步减小初级的发射极电阻的电阻值，能够抑制初级中的效率降低。
(ii)初级的基本HBT使用发射极电阻和基极电阻、输出级的基本HBT只使用基极电阻的情况
在此情况下，噪声特性的恶化量的容许值大，进一步提高效率。
例如，在实施例1中，初级的基本HBT 14只使用发射极电阻14b，输出级的基本HBT 18只使用基极电阻18c，因此，初级的效率降低引起的整个功率放大器的效率降低为0.1％(＝1mA/(100mA+1000mA))，但是在有余量将噪声指数降低一定程度的情况下，能够据此来考虑抑制效率降低。
在此情况下，也与先前的(i)同样，能够使
    RE5+RB5/β5＜RE6+RB6/β6。
输出级没有发射极电阻，所以RE6＝0。即，
    RE5+RB5/β5＜RB6/β6。
因此，能够使初级的发射极电阻
    RE5＜RB6/β5-RB5/β6。
由此，能够进一步抑制效率的降低。
在以上实施例中，用两级放大器进行了说明，但是作为多级放大器的前级和后级也能够获得同样的效果。
实施例4.
图6是本发明的HBT多级放大器的方框图。
在图6中，85是HBT多级放大器，20是输入端子，22是输出端子，28是输入匹配电路，32是级间匹配电路，30是输出匹配电路，86是作为构成初级放大电路的第1双极型晶体管元件的使用发射极镇流电阻的初级HBT元件，87是作为构成最后一级放大电路的第2双极型晶体管元件的使用基极镇流电阻的最后一级HBT元件，88、89是作为初级放大电路的初级HBT元件86和最后一级放大电路的最后一级HBT元件87之间的中间级放大电路而配设的中间级HBT元件，可以是使用基极镇流电阻的HBT元件，也可以是使用发射极镇流电阻的HBT元件。
90是初级HBT元件86、中间级HBT元件88、89、及最后一级HBT元件87的基极偏置端子。32是级间匹配电路。
91是作为第1放大电路部分的输入放大电路，包含输入匹配电路28、初级HBT元件86、级间匹配电路32、及中间级HBT元件88。
92是作为第2放大电路部分的输出放大电路，包含中间级HBT元件89、级间匹配电路32、最后一级HBT元件87及输出匹配电路30。
图7及图8是本发明的使用发射极镇流电阻的多路HBT 12、例如图6的初级HBT元件86的等价电路示意图。12a是多路HBT 12的基极端子，12b是多路HBT 12的集电极端子。
图7是各个HBT 14分别都有基极偏置端子90的情况，而图8是所有HBT 14公用基极偏置端子90的情况。在各HBT 14的发射极-地间插入了发射极镇流电阻14b。在由于温度分布等而使某个HBT 14a的温度升高、其结果是发射极电流(与集电极电流成正比)增加的情况下，发射极镇流电阻14b产生的电压降增加。由此，该HBT 14的基极-发射极间电压减少，其结果是，抑制了发射极电流的增加。
因此，发射极镇流电阻14b能够将各HBT 14a之间的电流、温度之差抑制得很小，能够抑制热失控，并且能够使各HBT 14a均匀工作。因此，能够高效地进行信号在各HBT 14a中的分配和合成，实现高输出、高效率的放大特性。
图9及是本发明的使用基极镇流电阻的多路HBT 16、例如图6的最后一级HBT元件87的等价电路示意图。16a是多路HBT 16的基极端子，16b是多路HBT 16的集电极端子。
图9是基极镇流电阻18c被插入在基极端子16a和各个HBT 18a之间比基极偏置端子90更靠近HBT 18a一侧的情况，图10是基极镇流电阻18c被插入在基极偏置端子90和各个HBT 18a之间的情况。哪种情况都是在各HBT 18a和基极偏置端子90之间插入了基极镇流电阻18c。
在由于温度分布等而使某个HBT 18a的发射极电流增加的情况下，基极电流也与发射极电流成正比而增加。其结果是，基极镇流电阻18c产生的电压降也增加。由此，该HBT 18的基极-发射极间电压减少，其结果是，抑制了发射极电流的增加。因此，基极镇流电阻18c能够将各HBT 18a之间的电流、温度之差抑制得很小，能够抑制热失控，并且能够使各HBT 18a均匀工作。因此，能够高效地进行信号在各HBT 18a中的分配和合成，实现高输出、高效率的放大特性。
基极镇流电阻可以是图9、图10所示的结构，也可以是使用图9、图10所示的基极镇流电阻两者的结构。
接着说明HBT多级放大器85的工作。
从输入端子20输入的信号经输入匹配电路28被使用发射极镇流电阻的初级HBT元件86放大，经级间匹配电路32，被使用发射极镇流电阻的HBT元件或使用基极镇流电阻的HBT元件构成的中间级HBT元件88、89放大。最终被输入到使用基极镇流电阻的最后一级HBT元件87中，并且在这里被放大，经输出匹配电路30从输出端子22被输出。这样，信号被多级HBT放大器85放大。
放大元件采用了使用发射极镇流电阻的初级HBT元件86、使用发射极镇流电阻或基极镇流电阻的中间HBT元件88、及使用基极镇流电阻的最后一级HBT元件87，热稳定，而且各HBT 14a、18a能够均匀工作。因此，能够高效地进行信号在各HBT 14a、18a中的分配和合成，实现高输出、高效率的特性。
在图6中，在包含初级放大电路的输入放大电路91中，至少采用了使用发射极镇流电阻的初级HBT元件86作为放大元件，而在包含最后一级放大电路的输出放大电路92中，至少采用了使用基极镇流电阻的最后一级HBT元件87作为放大元件。因此，在包含最影响噪声特性的初级放大电路的输入放大电路91中，采用了对噪声特性有利的使用发射极镇流电阻的初级HBT元件86，所以能够实现低噪声的特性。另一方面，在包含最影响输出功率、效率特性的最后一级放大电路的输出放大电路92中，采用了对输出功率、效率特性有利的使用基极镇流电阻的最后一级HBT元件87，所以能够实现高输出、高效率的特性。
因此，本发明的HBT多级放大器85在输入放大电路91中至少采用了使用发射极镇流电阻的初级HBT元件86，而在输出放大电路92中至少采用了使用基极镇流电阻的最后一级HBT元件87，所以能够同时实现高输出、高效率的特性和低噪声的特性。
在两级放大器的情况下，本发明的HBT多级放大器85的结构是：第1级采用使用发射极镇流电阻的HBT元件，而第2级采用使用基极镇流电阻的HBT元件。
在3级以上的情况下，初级采用使用发射极镇流电阻的HBT元件，而最后一级采用使用基极镇流电阻的HBT元件。其他中间的放大级可以采用使用发射极镇流电阻、基极镇流电阻中的任一个的HBT元件。
发射极镇流电阻、基极镇流电阻可以由半导体衬底上的外延(エピ)电阻、薄膜电阻、注入电阻等构成。
基极偏置端子90也可以与基极端子12a、16a公用。
使用基极镇流电阻的HBT元件除了图9、或图10的结构之外，也可以是使用图9、图10的基极镇流电阻两者的结构。
各实施例中示出的HBT元件的结构是在一维上配置基本HBT的结构，但是也可以是在二维上配置的结构，或者按其他布局来并联配置。
如上所述，根据本发明的HBT多级放大器，由于构成多级放大器，所以能够放大信号。
由于放大元件采用了使用发射极或基极镇流电阻的HBT元件，所以热稳定，而且各HBT能够均匀工作。因此，能够高效地进行信号在各HBT中的分配和合成，实现高输出、高效率的特性。
在包含初级放大电路的输入放大电路中，至少采用了使用发射极镇流电阻的初级HBT元件作为放大元件，而在包含最后一级放大电路的输出放大电路中，至少采用了使用基极镇流电阻的最后一级HBT元件作为放大元件，所以能够同时实现高输出、高效率的特性和低噪声的特性。
产业上的可利用性
如上所述，本发明的高频半导体器件适用作卫星通信、地面微波通信、移动通信等使用的高输出功率放大器。特别适用作像这些通信领域的发送机那样不仅要求高输出、高效率、而且要求良好的噪声特性的放大器。

Claims (14)

1、一种高频半导体器件，包括：
放大电路的第1部分，通过连接各第1基本晶体管的对应电极，从而将多个第1基本晶体管并联连接并配设在第1半导体衬底上，该第1基本晶体管具有异质结构造的第1双极型晶体管和与该第1双极型晶体管的发射极串联连接的发射极电阻；和
放大电路的第2部分，通过连接各第2基本晶体管的对应电极，从而将多个第2基本晶体管并联连接并配设在第2半导体衬底上，该第2基本晶体管放大该第1部分的输出信号，并且具有异质结构造的第2双极型晶体管和与该第2双极型晶体管的基极串联连接的的基极电阻。
2、如权利要求1所述的高频半导体器件，其特征在于，在第2基本晶体管上还配设有与第2双极型晶体管的发射极串联连接的发射极电阻，并且使与第2双极型晶体管的基极串联连接的基极电阻的电阻值与所述发射极电阻对应地减小。
3、如权利要求1所述的高频半导体器件，其特征在于，使放大电路的第1部分中的第1基本晶体管间的发射极间隔比放大电路的第2部分中的第2基本晶体管间的发射极间隔宽。
4、如权利要求2所述的高频半导体器件，其特征在于，使放大电路的第1部分中的第1基本晶体管间的发射极间隔比放大电路的第2部分中的第2基本晶体管间的发射极间隔宽。
5、如权利要求3所述的高频半导体器件，其特征在于，使放大电路的第1部分中的第1基本晶体管的发射极电阻的电阻值比当使放大电路的第1部分中第1基本晶体管之间的发射极间隔与放大电路的第2部分中第2基本晶体管之间的发射极间隔相等时的第1基本晶体管的发射极电阻的电阻值小。
6、如权利要求5所述的高频半导体器件，其特征在于，第1基本晶体管还设有与第1双极型晶体管的基极串连连接的基极电阻。
7.如权利要求1所述的高频半导体器件，其特征在于，放大电路的第1部分是初级，放大电路的第2部分是输出级。
8.如权利要求1所述的高频半导体器件，其特征在于，一体构成第1半导体衬底和第2半导体衬底。
9、一种高频半导体器件，其特征在于，包括：
放大电路的第1部分，将多个第1基本晶体管按该第1基本晶体管间的第1发射极间隔并联连接并配设在第1半导体衬底上，该第1基本晶体管具有异质结构造的第1双极型晶体管、与该第1双极型晶体管的基极串联连接的第1基极电阻以及与上述第1双极型晶体管的发射极串联连接的第1发射极电阻；和
放大电路的第2部分，将多个第2基本晶体管按该第2基本晶体管间的第2发射极间隔并联连接并配设在第2半导体衬底上，该第2基本晶体管放大该第1部分的输出信号，并且具有异质结构造的第2双极型晶体管、与该第2双极型晶体管的基极串联连接的第2基极电阻以及与上述第2双极型晶体管的发射极串联连接的第2发射极电阻；同时，使第1发射极间隔比第2发射极间隔大。
10、如权利要求9所述的高频半导体器件，其特征在于，
第1基本晶体管的第1发射极电阻的电阻值比第2基本晶体管的第2发射极电阻的电阻值小，并且使第1基本晶体管的第1基极电阻的电阻值比第2基本晶体管的第2基极电阻的电阻值小。
11、如权利要求9所述的高频半导体器件，其特征在于，放大电路的第1部分是初级，放大电路的第2部分是输出级。
12、如权利要求9所述的高频半导体器件，其特征在于，一体构成第1半导体衬底和第2半导体衬底。
13、一种高频半导体器件，包括：
包含初级放大电路的第1放大电路部分，该初级放大电路具有第1双极型晶体管元件，该1双极型晶体管元件具有输入信号的基极端子和输出信号的集电极端子，并且发射极上连接了发射极镇流电阻；和
包含最后一级放大电路的第2放大电路部分，该最后一级放大电路放大该第1放大电路部分的输出信号，并且具有第2双极型晶体管元件，该第2双极型晶体管元件具有输入信号的基极端子和输出信号的集电极端子，并且基极上连接了基极镇流电阻。
14、如权利要求13所述的高频半导体器件，其特征在于，通过连接各第1基本晶体管的对应电极，从而将多个第1基本晶体管并联连接而成，该第1基本晶体管的第1双极型晶体管元件具有异质结构造的第1双极型晶体管和与该第1双极型晶体管连接的发射极镇流电阻；并且，通过连接各第2基本晶体管的对应电极，从而将多个第2基本晶体管并联连接而成，该第2基本晶体管的第2双极型晶体管元件具有异质结构造的第2双极型晶体管和与该第2双极型晶体管连接的基极镇流电阻。
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