DE102004062135A1

DE102004062135A1 - Verstärkerschaltung

Info

Publication number: DE102004062135A1
Application number: DE102004062135A
Authority: DE
Inventors: Christoph Bromberger
Original assignee: Atmel Germany GmbH
Current assignee: Telefunken Semiconductors GmbH and Co KG
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2004-12-23
Publication date: 2006-07-06
Anticipated expiration: 2024-12-24
Also published as: CN100514844C; WO2006069736A1; US20080122541A1; DE102004062135B4; US7466206B2; CN101065896A; EP1829207A1

Abstract

Verstärkerschaltung zur Verstärkung eines Eingangssignals mit einer vertikal integrierten Kaskode, die DOLLAR A - ein Kollektorhalbleitergebiet eines Kollektors, DOLLAR A - ein erstes, an das Kollektorhalbleitergebiet angrenzendes Basishalbleitergebiet einer ersten Basis, DOLLAR A - ein zweites Basishalbleitergebiet einer zweiten Basis, DOLLAR A - ein sowohl an das erste Basishalbleitergebiet als auch an das zweite Basishalbleitergebiet angrenzendes Zwischenbasishalbleitergebiet DOLLAR A und DOLLAR A - ein an das zweite Basishalbleitergebiet angrenzendes Emitterhalbleitergebiet eines Emitters DOLLAR A aufweist, wobei DOLLAR A - ein Signaleingang mit der zweiten Basis verbunden ist und DOLLAR A - die erste Basis sowohl mit einer, von dem Eingangssignal unabhängigen Spannungsquelle als auch mit dem Kollektor elektrisch gekoppelt ist. DOLLAR A Die Verstärkerschaltung wird vorzugsweise in einer Hochfrequenzschaltung der Kommunikationstechnik verwendet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkerschaltung.
Bekannt sind Kaskodenstufen insbesondere aus zwei Bipolartransistoren, beispielsweise zwei npn-Transistoren oder zwei pnp-Transistoren, wobei der Kollektor des ersten der zwei Transistoren mit dem Emitter des zweiten der zwei Transistoren verbunden ist.

Überwiegend werden Kaskodenstufen in der im Folgenden beschriebenen Standardbeschaltung betrieben, die in 2 dargestellt ist. Der Emitter des ersten Transistors Q1' liegt auf Masse (Emitterschaltung) während ein Eingangssignal an der Basis anliegt. Die Basis des zweiten Transistors Q2' liegt auf einer festen Gleichspannung U_B (Basisschaltung), während der Kollektor über einen Lastwiderstand R_L' mit der Versorgungsspannung V_CC verbunden ist. Kaskodenschaltungen in Standardbeschaltung dienen häufig als Ersatz für Einzeltransistoren. Ein Grund hierfür ist die hervorragende Konstanz des Ausgangsstromes mit der Ausgangsspannung bei festem Steuerstrom.

Eine weitere bekannte Schaltungstopologie für den Ersatz eines Einzeltransistors durch eine Kaskodenschaltung ist die Rückkopplungsschaltung der 3. Dabei ist der Rückkopplungszweig aus den Widerständen R1'' und R2'' sowohl mit dem Lastwiderstand R_L'' als auch mit der Basis des ersten Transistors Q1'' verbunden, so dass die Ausgangs spannung auf den Eingang des ersten Transistors Q1'' als auch auf den Eingang des zweiten Transistors Q2'' rückgekoppelt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verstärkerschaltung anzugeben, die die Intermodulationsverzerrungen bei Verwendung einer vertikal integrierten Kaskodenstruktur möglichst reduziert.

Die Aufgabe wird durch die Verstärkerschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Demgemäß ist eine Verstärkerschaltung zur Verstärkung eines Eingangssignals, insbesondere eines hochfrequenten Signals einer Funkübertragung, vorgesehen. Diese Verstärkerschaltung weist eine vertikal integrierte Kaskode auf, die wiederum ein Kollektorhalbleitergebiet eines Kollektors, ein erstes, an das Kollektorhalbleitergebiet angrenzendes Basishalbleitergebiet einer ersten Basis, ein zweites Basishalbleitergebiet einer zweiten Basis, ein sowohl an das erste Basishalbleitergebiet als auch an das zweite Basishalbleitergebiet angrenzendes Zwischenbasishalbleitergebiet und ein an das zweite Basishalbleitergebiet angrenzendes Emitterhalbleitergebiet eines Emitters aufweist.

Eine derartige, vertikal integrierte Kaskode kann mit weiteren Bauelementen auf einem Halbleiterwafer integriert werden. Vorzugsweise weist die vertikal integrierte Kaskode im Wesentlichen zur Waferoberfläche planar orientierte und/oder zueinander im Wesentlichen parallele pn-Übergänge auf. Der Signaleingang ist erfindungsgemäß mit der zweiten Basis verbunden.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die erste Basis sowohl mit einer, von dem Eingangssignal unabhängigen Spannungsquelle als auch mit dem Kollektor elektrisch gekoppelt ist. Vorzugsweise bewirkt die elektrische Kopplung, dass das Potential an der ersten Basis gleichsinnig mit einem anliegenden Kollektorpotential mitgeführt ist.

Unter einer elektrischen Kopplung ist dabei jegliche Kopplung zu verstehen, die eine Abhängigkeit des Potentials der ersten Basis von dem Kollektorpotential bewirkt. Möglich sind beispielsweise kapazitive, induktive oder magnetische Kopplungen. Besonders bevorzugt ist jedoch eine einfache Spannungskopplung durch die Verwendung eines Spannungsteilers, der insbesondere durch Widerstände gebildet ist.

Unter dem Mitführen wird vorzugsweise verstanden, dass eine Änderung des Kollektorpotentials zu einer Änderung des Potentials an der ersten Basis mit demselben Vorzeichen führt. Die mathematische Beziehung zwischen dem Potential an der ersten Basis und dem Kollektorpotential kann dabei beispielsweise logarithmisch oder proportional sein. Bevorzugt ist die Beziehung durch zumindest einen Proportionalitätsfaktor gegeben, der durch Widerstände einstellbar ist.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zur elektrischen Kopplung die erste Basis über einen ersten Widerstand mit dem Kollektor verbunden ist und die erste Basis zudem über einen zweiten Widerstand mit der Spannungsquelle verbunden ist. Die Spannungsquelle ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine Gleichspannungsquelle, vorteilhafterweise eine temperaturunempfindliche Referenzspannungsquelle, die vorzugsweise einen gegenüber den Widerständen und/oder anderen Impedanzen der Verstärkerschaltung geringeren Innenwiderstand aufweist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest eines der Basishalbleitergebiete einen Silizium-Germanium-Mischkristall aufweist. Insbesondere diese Ausgestaltung der Erfindung ermöglicht eine bevorzugte Verwendung der Verstärkerschaltung in einem Datenübertragungssystem, insbesondere in einem Funksystem (UMTS).

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von zeichnerischen Darstellungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine Verstärkerschaltung mit einer vertikal integrierten Kaskode,
2 eine Standardbeschaltung einer Kaskode nach dem Stand der Technik,
3 eine Beschaltung einer Kaskode mit einem Rückkopplungszweig nach dem Stand der Technik,
4 Kennlinienfelder des Kollektorstroms der Kaskode gegenüber der Kollektorspannung, und
5 eine schematische Darstellung einer vertikal integrierten Kaskode.
In 4 ist das Ausgangskennlinienfeld von einer vertikal integrierten Kaskode in Standardbeschaltung gestrichelt dargestellt. Dieses zeigt einen ausgeprägten negativen differentiellen Widerstand, der beispielsweise einer Early-Spannung von –20 V entsprechen kann. Die Nicht-Konstanz der Verstärkung, auch als Nichtlinearität bezeichnet, die sich in einer betragsmäßig niedrigen Earlyspannung ausdrückt, führt insbesondere zu einem schlechten Intermodulationsverhalten, d.h., verschiedene Frequenzanteile eines Signals stören einander stark. Dabei sollte idealerweise der Ausgangsstrom unabhängig von der Ausgangsspannung sein.
Zur Erläuterung des mangelhaften Early-Verhaltens einer vertikal integrierten Kaskode, die auch als Tetrode bezeichnet wird, wird dies im Folgenden anhand zweier, eine Kaskode bildende npn-Transistoren aufgezeigt. Eine Eigenart von aktiven bipolaren Hochfrequenzbauelementen ist der Zusammenhang zwischen der Dotierstoffkonzentration in der Kollektor-Driftzone, nachfolgend "Kollektordotierung" und dem transienten Verhalten des Bauelementes.
Im aktiven Vorwärtsbetrieb eines npn-Transistors bewegen sich negativ geladene Elektronen mit ihrer Sättigungsgeschwindigkeit durch die Raumladungszone des gesperrten Basis-Kollektor-Übergangs. Im kollektorseitigen Teil der Basis-Kollektor-Raumladungszone eines Transistors befinden sich ortsfeste, positive geladene Ionenrümpfe. Wird die Konzentration der Elektronen vergleichbar mit der Dichte der ortsfesten Ladung, verschiebt sich die Raumladungszone auf den Kollektor hin (Kirk-Effekt), die wirksame Basis wird weiter und die Signallaufzeit durch die Basis steigt an.
Die Stromdichte bei einsetzendem Kirk-Effekt ist proportional zur Dotierung in der Kollektor-Driftzone. Die Ladezeit bei einsetzendem Kirk-Effekt und die minimale Summe aus Basis-Laufzeit und Kollektor-Ladezeit sinkt daher mit wachsender Kollektordotierung. Hochfrequenztransistoren zeichnen sich hiernach durch eine hohe Kollektordotierung aus und können mit einer hohen Stromdichte betrieben werden.
Die Durchbruchspannung der Basis-Kollektor-Diode sinkt mit steigender Kollektordotierung. Anwendungen aktiver Bauelemente erfordern einen gewissen erzielbaren Spannungshub und hiermit auch eine Mindest-Sperrfähigkeit.
Im Emitter und im Kollektor eines npn-Transistors bilden die Elektronen die Majoritätsladungsträger. Die Basis und die Basis-Kollektor-Raumladungszone stellen bei moderaten Stromdichten eine elektronenarme Zone dar, so dass das thermodynamische Reservoir an Elektronen in der Emitterregion im Wesentlichen von dem in der Kollektorregion getrennt ist. Durch eine Erhöhung der Stromdichte wird, bei endlicher Sättigungsgeschwindigkeit, die Konzentration beweglicher Ladungsträger in der elektronenarmen Zone erhöht und die thermodynamische Isolation der beiden Reservoire reduziert.
In einem anwendungsrelevanten Sperrspannungsbereich ist bei der maximal erzielbaren Transitfrequenz die Stromdichte in einem Transistor so niedrig, dass die beiden Reservoire in guter Näherung als unabhängig voneinander betrachtet werden können. Die Sperrfähigkeit eines zur Stromverstärkung verwendeten Transistors in Emitterschaltung ist hierbei durch die Durchbruchspannung der Basis-Kollektor-Diode, geteilt durch einen Faktor 2,5 bis 11 gegeben.
Eine vertikal integrierte Kaskode 10 ist schematisch in 5 dargestellt. Diese weist einen Kollektoranschluss C, einen ersten Basisanschluss B1 und einen zweiten Basisanschluss B2, sowie einen Emitteranschluss E auf. Die vertikal integrierte Kaskode 10 umfasst ein Kollektorhalbleitergebiet 1 eines Kollektors C, ein erstes, an das Kollektorhalbleitergebiet 1 angrenzendes Basishalbleitergebiet 2 einer ersten Basis B1, ein zweites Basishalbleitergebiet 4 einer zweiten Basis B2, ein sowohl an das erste Basishalbleitergebiet 2 als auch an das zweite Basishalbleitergebiet 4 angrenzendes Zwischenbasishalbleitergebiet 3 und ein an das zweite Basishalbleitergebiet 4 angrenzendes Emitterhalbleitergebiet 5 eines Emitters E. Dabei sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Halbleitergebiete 1, 3 und 5 n-dotiert, während die Halbleitergebiete 2 und 4 p-dotiert sind.
Die Sperrfähigkeit einer derartigen vertikal integrierten Kaskode 10 ist von der Durchbruchspannung der Basis-Kollektor-Diode 1, 2 des in Basisschaltung betriebenen Transistors Q1'/Q1'' gegeben. Bei einer vertikal integrierten Kaskode 10 ist hiernach eine um ein Vielfaches höhere Kollektordotierung möglich als bei einem Transistor einer vergleichbaren Sperrfähigkeit. Insbesondere wird die Stromdichte in einer Hochfrequenzkaskode 10 bei der maximalen Transitfrequenz ausreichend hoch, dass die Elektronenreservoire im Zwischenbasisbereich 3 und im Kollektorhalbleitergebiet 1 nicht mehr in guter Näherung voneinander getrennt werden. Daher greift das Kollektorpotential in den Zwischenbasisbereich 3 durch.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zwischenbasisbereich 3 nicht kontaktiert. Das Potential im unkontaktierten Zwischenbasisbereich 3 der vertikal integrierten Kaskode 10 ist abhängig von den an den vorhandenen Kontakten anliegenden Spannung(en) und der Stromdichte. Wenn das Kollektorpotential in den Zwischenbasisbereich 3 durchgreift, ändert sich das elektrische Potential im Zwischenbasisbereich 3 gleichsinnig mit dem Kollektorpotential.
Bei einem festen Potential an der ersten Basis B1 sinkt hiernach die Basis-Emitter-Spannung in Transistor Q1'/Q1'' bei steigendem Kollektorpotential, wodurch der Transistor Q1'/Q1'' abgeregelt wird. Hierauf beruht der negative differentielle Ausgangswiderstand der vertikal integrierten Kaskode 10 in Standardbeschaltung, wie dies durch die gestrichelt im Kennlinienfeld der 4 dargestellt ist.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Beschaltung der vertikal integrierten Kaskode 10. Die vertikal integrierte Kaskode 10 ist dabei derart beschaltet, dass das Potential an der ersten Basis B1 gleichsinnig mit dem Kollektorpotential mitgeführt wird. Dies bewirkt, dass der Ausgangswiderstand dem Betrage nach erhöht wird.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf das konkrete Schaltungsbeispiel der 1 beschränkt. Vielmehr können alle elektrischen Kopplungen, wie Stromspiegelschaltungen, Spannungsquellen, etc. verwendet werden, die ein gleichsinniges Mitführen des Potentials an der ersten Basis B1 mit dem Kollektorpotential bewirken. Vorzugsweise erfolgt die Mitführung dabei proportional zum Kollektorpotential. Dies bewirkt ein Ausgangskennlinienfeld, wie dies durch die durchgezogenen Linien der 4 schematisch dargestellt ist. Auch ist es möglich, anstatt der vertikal integrierten Kaskode 10 aus npn-Transistoren Q1, Q2 eine vertikal integrierte Kaskode aus entsprechend komplementären pnp-Transistoren zu verwenden.

VCC: positive Versorgungsspannung
R_L, R1, R2, R_L', R_L'',: Widerstand
R1'', R2''
Q1, Q2, Q1', Q2', Q1'',: in einer vertikal integrierten Kaskode gebildete
Q2'': Transistoren
E: Emitter
C: Kollektor
B1, B2: Basis
10: vertikal integrierte Kaskode
1: Kollektorhalbleitergebiet
2, 4: Basishalbleitergebiet
3: Zwischenbasishalbleitergebiet
5: Emitterhalbleitergebiet
n: n-dotiert
p: p-dotiert
I_C: Kollektorstrom
V_C: Kollektorspannung
Uref: Spannungsquelle, Referenzgleichspannungquelle
U_B1': Gleichspannungsquelle
I_B2', I_B2'': Signalstromquellen

Claims

Verstärkerschaltung zur Verstärkung eines Eingangssignals mit einer vertikal integrierten Kaskode (10), die – ein Kollektorhalbleitergebiet (1) eines Kollektors (C), – ein erstes, an das Kollektorhalbleitergebiet (1) angrenzendes Basishalbleitergebiet (2) einer ersten Basis (B1), – ein zweites Basishalbleitergebiet (4) einer zweiten Basis (B2), – ein sowohl an das erste Basishalbleitergebiet (2) als auch an das zweite Basishalbleitergebiet (4) angrenzendes Zwischenbasishalbleitergebiet (3), und – ein an das zweite Basishalbleitergebiet (4) angrenzendes Emitterhalbleitergebiet (5) eines Emitters (E) aufweist, wobei – ein Signaleingang mit der zweiten Basis (B2) verbunden ist, und – die erste Basis (B1) sowohl mit einer, von dem Eingangssignal unabhängigen Spannungsquelle (U_ref) als auch mit dem Kollektor (C) elektrisch gekoppelt ist.
Verstärkerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur elektrischen Kopplung – die erste Basis (B1) über einen ersten Widerstand (R1) mit dem Kollektor (C) verbunden ist und – die erste Basis (B1) über einen zweiten Widerstand (R2) mit der Spannungsquelle (U_ref) verbunden ist.
Verstärkerschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Basishalbleitergebiete (2, 4) ein Silizium-Germanium-Mischkristall aufweist.
Verwendung einer Verstärkerschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Hochfrequenzschaltung der Kommunikationstechnik, insbesondere der Mobilfunktechnik.