DE102007060031A1

DE102007060031A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE102007060031A1
Application number: DE102007060031A
Authority: DE
Inventors: Akira Inoue; Seiki Goto; Kou Kanaya; Sinsuke Watanabe
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-12-13
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2027-12-14
Also published as: US20100156541A1; DE102007060031B4; US7859341B2; US20080290951A1; US7701296B2; JP5369388B2; JP2008294158A

Abstract

Mit dem Gate (Eingangsanschluss) eines Verstärkungstransistors (11) ist eine Strombegrenzungsschaltung (12) verbunden. Die Strombegrenzungsschaltung (12) ist mit einem Schutztransistor (13) ausgestattet, wobei ein erster Schutzwiderstand (14) den Drain und das Gate des Schutztransistors (13) verbindet und ein zweiter Schutzwiderstand (15) die Source und das Gate des Schutztransistors (13) verbindet. Die Strombegrenzungsschaltung (12) begrenzt den Strom in der Weise, dass keine höhere elektrische Leistung als die maximale für den Verstärkungstransistor (11) zulässige elektrische Leistung durchgelassen wird.

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleitervorrichtungen und insbesondere eine kleine und leichte Halbleitervorrichtung, die mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann und die selbst dann hochbeständig gegen Zerstörung ist, wenn eine übermäßig hohe elektrische Leistung zugeführt wird.
22 ist ein Stromlaufplan eines einstufigen Verstärkers. Ein Verstärkungstransistor 11 ist ein Feldeffekttransistor (FET), der für Hochfrequenzschwingungen von 0,1 GHz bis 110 GHz, z. B. für das 2,1 GHz-Band, verwendet wird. In das Gate (Eingangsanschluss) des Verstärkungstransistors 11 werden von außen Eingangssignale eingegeben. Die Ausgangssignale des Verstärkungstransistors 11 werden von dem Drain (Ausgangsanschluss) über eine Anpassungsschaltung 27 an eine Antenne (nicht gezeigt) ausgegeben. Im Allgemeinen sind in Kommunikationssystemen und Radaranlagen mehrere Verstärker mit der Antenne verbunden, um elektrische Wellen auszugeben.
Allerdings können die ausgegebenen elektromagnetischen Wellen reflektiert und zu dem Verstärkungstransistor 11 rückgekop gelt werden, wenn die Antenne in der Nähe einer Metalloberfläche angeordnet ist. Falls in diesem Fall eine hohe elektrische Leistung rückgekoppelt wird, kann der Verstärkungstransistor 11 zerstört werden. Um dies zu verhindern, ist mit der Ausgangsseite des Verstärkungstransistors 11 ein Isolator 100 verbunden (siehe z. B. JP 4-31782 ).
23 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse von Berechnungen für die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie eines Verstärkers bei 2,1 GHz. In 23 bezeichnet P_in die Eingangsleistung, bezeichnet P_o die Ausgangsleistung, bezeichnet I_d den Drain-Strom und bezeichnet I_g den Gate-Strom. Die Gate-Breite des Verstärkungstransistors 11 ist 1 mm und der maximale Strom I_max ist 400 mA. Aus diesen Ergebnissen ist bekannt, dass in dem Gate ein durchschnittlicher Strom von 50 mA/mm fließt, wenn P_in 25 dBm übersteigt. Da der Verstärkungstransistor 11 zerstört wird, wenn ein so hoher Strom fließt, muss die Eingabe eines P_in größer oder gleich 25 dBm verhindert werden.
24 ist ein Stromlaufplan eines Abschlusswiderstands. Ein Ende des Abschlusswiderstands 53 ist hinsichtlich Hochfrequenzwellen geerdet. In Ausrüstung für das Mikrowellenband ist der Widerstandswert des Abschlusswiderstands 53 50 Ω, was als Impedanz üblich ist.
25 ist ein Stromlaufplan eines T-förmigen Dämpfungsglieds. Der erste und der zweite Widerstand 54 und 55 sind in Reihe geschaltet. Ein Ende eines dritten Widerstands 56 ist mit dem Verbindungspunkt des ersten Widerstands 54 und des zweiten Widerstands 55 verbunden und das andere Ende ist hinsichtlich Hochfrequenzwellen geerdet. Durch die Auswahl der Widerstandswerte des ersten bis dritten Widerstands 54 bis 56 kann eine gewünschte Dämpfung erhalten werden.
Da der Isolator 100 in der in 22 gezeigten Schaltung ein Magnetkreis ist, gibt es ein Problem, dass die Größe und das Gewicht erhöht werden und dass der Magnet vergrößert wird, um hohe elektrische Leistung zu behandeln, was zu hohen Kosten führt. Außerdem gibt es ein Problem, dass an das Gate durch unerwartete elektromagnetische Leitung oder durch Störung der Ausrüstung eine übermäßig hohe Hochfrequenzspannung angelegt wird und der Verstärkungstransistor 11 zerstört wird.
Außerdem besteht in den in den 24 und 25 gezeigten Schaltungen ein Problem, dass der Abschlusswiderstand 53 oder der erste bis dritte Widerstand 54 bis 56 durchbrennen und zerstört werden, falls Hochfrequenzsignale zugeführt werden, die die zulässige Leistung übersteigen. Um die zulässige Leistung zu erhöhen, müssen die Größen des Abschlusswiderstands 53 oder des ersten bis dritten Widerstands 54 bis 56 vergrößert werden, um die Wärmeableitung zu verbessern, wobei es ein Problem hoher Kosten wegen der Erhöhung der Größen und Gewichte des Abschlusswiderstands 53 oder des ersten bis dritten Widerstands 54 bis 56 gibt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kleine und leichte Halbleitervorrichtung zu schaffen, die mit niedrigen Kosten hergestellt werden kann und die selbst dann hochbeständig gegen Zerstörung ist, wenn übermäßig hohe elektrische Leistung zugeführt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst eine Halbleitervorrichtung: einen Verstärkungstransistor und eine Strombegrenzungsschaltung, die mit dem Eingangsanschluss des Verstär kungstransistors verbunden ist, wobei die Strombegrenzungsschaltung den Strom in der Weise begrenzt, dass keine höhere elektrische Leistung als die maximale für den Verstärkungstransistor zulässige elektrische Leistung durchgelassen wird.
Gemäß der Erfindung kann mit niedrigen Kosten eine kleine und leichte Halbleitervorrichtung erhalten werden, die selbst dann hochbeständig gegen Zerstörung ist, wenn eine übermäßige elektrische Leistung zugeführt wird.
Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:
1 einen Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
2 eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung;
3 eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung der Spannungs-Strom-Kennlinie einer Strombegrenzungsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, wenn der Widerstandswert des ersten und des zweiten Widerstands 50 kΩ beträgt;
4 eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung der Spannungs-Widerstands-Kennlinie derselben Strombegrenzungsschaltung;
5 eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung der Eingangs-Ausgangs-Kennlinie, wenn eine Strombegrenzungsschaltung mit dem Maximal strom von 86 mA mit einem Verstärkungstransistor verbunden ist;
6 einen Stromlaufplan einer für die Berechnung verwendeten Schaltung;
7 eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung der Eingangs-Ausgangs-Kennlinie, wenn eine Strombegrenzungsschaltung mit dem Maximalstrom von 26 mA mit einem Verstärkungstransistor verbunden ist, wobei die Gate-Breite des Schutztransistors 13 0,06 mm beträgt;
8 eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung der Spannungs-Strom-Kennlinie einer Strombegrenzungsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, wenn der Widerstandswert der ersten Widerstände 50 kΩ und der Widerstandswert der zweiten Widerstände 150 kΩ beträgt;
9 eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung der Spannungs-Widerstands-Kennlinie derselben Strombegrenzungsschaltung;
10 einen Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
11 eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung,
12 eine Schnittansicht einer Strombegrenzungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
13 eine graphische Darstellung der Spannungs-Strom-Kennlinie einer Strombegrenzungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
14 eine Schnittansicht einer Strombegrenzungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
15 eine Schnittansicht einer Strombegrenzungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung;
16 einen Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung;
17 einen Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung;
18 einen Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung;
19 einen Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung;
20 einen Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der siebenten Ausführungsform der Erfindung;
21 einen Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung;
22 den bereits erwähnten Stromlaufplan eines einstufigen Verstärkers;
23 die bereits erwähnte graphische Darstellung der Ergebnisse von Berechnungen für die Eingangs-Ausgangs-Kennlinie eines Verstärkers bei 2,1 GHz;
24 den bereits erwähnten Stromlaufplan eines Abschlusswiderstands; und
25 den bereits erwähnten Stromlaufplan eines T-förmigen Dämpfungsglieds.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Ein Verstärkungstransistor 11 ist ein Feldeffekttransistor, der für Hochfrequenzschwingungen von wenigstens 0,1 GHz und höchstens 110 GHz, z. B. im 2,1 GHz-Band, verwendet wird. Mit dem Gate (Eingangsanschluss) des Verstärkungstransistors 11 ist eine Strombegrenzungsschaltung 12 verbunden. Die Source des Verstärkungstransistors 11 ist hinsichtlich Hochfrequenzwellen geerdet und die Ausgangssignale werden von dem Drain (Ausgangsanschluss) des Verstärkungstransistors 11 ausgegeben.
Die Strombegrenzungsschaltung 12 besitzt einen Schutztransistor 13, einen ersten Schutzwiderstand 14, der die Source und das Gate des Transistors 13 verbindet, und einen zweiten Schutzwiderstand 15, der den Drain und das Gate des Schutztransistors 13 verbindet.
2 ist eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung. Durch Implantieren von Störstellen in eine Halbleiterschicht sind aktive Gebiete 16 ausgebildet worden. Das Innere der aktiven Schichten 16 wirkt als Transistoren. Mit den aktiven Gebieten 16 sind Source-Elektroden 17 und eine Drain-Elektrode 18 auf Ohmsche Weise verbunden. Zwischen den Source-Elektroden 17 und der Drain-Elektrode 18 sind Gate-Elektroden 19 vorgesehen. Diese Source-Elektroden 17, Drain-Elektrode 18 und Gate-Elektroden 19 bilden den Verstärkungstransistor 11.
Die Source-Elektrode 21 und eine Drain-Elektrode 22 sind auf Ohmsche Weise mit den aktiven Gebieten 16 verbunden. Zwischen der Source-Elektrode 21 und der Drain-Elektrode 22 ist eine Gate-Elektrode 23 vorgesehen. Diese Source-Elektrode 21, diese Drain-Elektrode 22 und diese Gate-Elektrode 23 bilden den Schutztransistor 13. Die Source-Elektrode 21 und die Gate-Elektrode 23 des Schutztransistors 13 sind durch den ersten Schutzwiderstand 14 verbunden, der aus einer Metalldünnschicht besteht, und die Drain-Elektrode 22 und die Gate-Elektrode 23 sind durch einen zweiten Schutzwiderstand 15 verbunden, der aus einer Metalldünnschicht besteht. Die Drain-Elektrode 22 des Schutztransistors 13 ist mit den Gate-Elektroden 19 des Verstärkungstransistors 11 verbunden.
3 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung der Spannungs-Strom-Kennlinie einer Strombegrenzungsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, wenn der Widerstandswert des ersten und des zweiten Widerstands 50 kΩ beträgt; und 4 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung der Spannungs-Widerstands-Kennlinie derselben Strombegrenzungsschaltung. Wenn die Spannung über die Enden der Strombegrenzungsschaltung 12 so niedrig wie höchstens 0,4 V ist, zeigt die Strombegrenzungsschaltung 12 eine lineare Spannungs-Strom-Kennlinie, die ähnlich der Spannungs-Strom-Kennlinie eines Widerstands ist. Der Widerstandswert pro Einheits-Gate-Breite ist hier etwa 1,3 Ω. Genauer ist der über die Strombegrenzungsschaltung 12 fließende Strom höchstens 300 mA/mm, wobei die Strombegrenzungsschaltung 12 als ein Widerstand von 1,3 Ω wirkt. Andererseits steigt der Widerstandswert der Strombegrenzungs schaltung 12 steil an, wenn der Strom 300 mA/mm übersteigt, wobei kein Strom über 420 mA/mm fließt.
Somit begrenzt die Strombegrenzungsschaltung 12 den Strom in der Weise, dass selbst dann keine höhere elektrische Leistung als die maximal zulässige Leistung zu dem Verstärkungstransistor 11 durchgelassen wird, wenn Hochfrequenzsignale mit einer übermäßigen elektrischen Leistung als Eingangssignale eingegeben werden. Somit kann eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, die selbst dann hochbeständig gegen Zerstörung ist, wenn eine übermäßige elektrische Leistung zugeführt wird. Außerdem kann die Strombegrenzungsschaltung 12 bei niedrigen Kosten klein und leicht verwirklicht werden.
5 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung der Eingangs-Ausgangs-Kennlinie, wenn eine Strombegrenzungsschaltung mit dem maximalen Strom von 86 mA mit einem Verstärkungstransistor verbunden ist. 6 ist ein Stromlaufplan einer für die Berechnung verwendeten Schaltung. Die Schaltung besitzt eine Konfiguration, in der mit dem Eingangsanschluss bzw. mit dem Ausgangsanschluss Anpassungsschaltungen 26 und 27 verbunden sind und dem Verstärkungstransistor 11 von außen elektrische Leistung zugeführt wird. Die Gate-Breite des Schutztransistors 13 ist 0,2 mm. Da der maximale Strom des Verstärkungstransistors 11 400 mA beträgt, begrenzt die Strombegrenzungsschaltung 12 den Strom auf 1/5 des maximalen Stroms des Verstärkungstransistors 11.
Gemäß den Ergebnissen der Berechnung fließt selbst dann kein Gate-Strom, wenn eine Eingangsleistung bis zu 50 dBm zugeführt wird. Während der Verstärkungstransistor 11 herkömmlich zerstört würde, wenn die Eingangsleistung über 25 dBm steigen würde, wird der Verstärkungstransistor 11 nach Bereitstellung einer Strombegrenzungsschaltung 12 selbst dann nicht zerstört, wenn die Eingangsleistung 50 dBm beträgt. Somit kann bei Verwendung einer Strombegrenzungsschaltung 12, die den Strom auf 1/5 oder weniger des Maximalstroms des Verstärkungstransistors 11 begrenzt, eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, die selbst dann hochbeständig gegen Zerstörung ist, wenn eine übermäßige elektrische Leistung zugeführt wird.
Wenn die Impedanz Z_o 50 Ω und die Eingangsleistung 50 dBm ist, ist die an die Strombegrenzungsschaltung 12 angelegte Spannung etwa ± 35 V. Somit muss sowohl die Durchbruchspannung zwischen dem Gate und dem Drain als auch die Durchbruchspannung zwischen dem Gate und der Source des Schutztransistors 13 wenigstens 35 V betragen, um zu ermöglichen, dass die Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung funktioniert. Dies ist ein Wert, der in einem GaAs-Transistor verwirklicht werden kann. Allerdings kann eine höhere Durchbruchspannung wie etwa 60 V oder höher verwirklicht werden, falls ein GaN-Transistor als der Schutztransistor 13 verwendet wird.
7 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung von Eingangs-Ausgangs-Kennlinien, wenn eine Strombegrenzungsschaltung mit dem maximalen Strom von 26 mA mit einem Verstärkungstransistor verbunden ist. Die Gate-Breite des Schutztransistors 13 ist 0,06 mm. Da der maximale Strom des Verstärkungstransistors 11 400 mA ist, begrenzt die Strombegrenzungsschaltung 12 den Strom auf 1/15 des maximalen Stroms des Verstärkungstransistors 11. Da die Strombegrenzungsschaltung 12 den Strom in der Weise begrenzt, dass er niedriger als der Strom in dem in 5 gezeigten Beispiel ist, wirkt sie als ein Begrenzerverstärker, der die Ausgangsleistung in der Weise begrenzt, dass sie gegenüber einer Eingangsleistung innerhalb eines weiten Bereichs zwischen 16 und 50 dBm konstant ist.
8 ist eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung der Spannungs-Strom-Kennlinie einer Strombegrenzungsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung, wenn der Widerstandswert der ersten Widerstände 50 kΩ ist und wenn der Widerstandswert der zweiten Widerstände 150 kΩ ist; außerdem ist 9 eine graphische Darstellung der Ergebnisse der Berechnung der Spannungs-Widerstands-Kennlinie derselben Strombegrenzungsschaltung. Der Strom kann selbst dann ähnlich begrenzt werden, wenn der Widerstandswert des ersten Schutzwiderstands 14 von dem Widerstandswert des zweiten Schutzwiderstands 15 verschieden ist. Allerdings werden die Stromwerte je nachdem, ob die Spannung über die Strombegrenzungsschaltung 12 positiv oder negativ ist, asymmetrisch. Somit gibt es einen Nachteil, dass die Gleichstromkomponenten durch die Asymmetrie der Signalformen gestreut werden, wenn Hochfrequenzleistung zugeführt wird. Um insbesondere als Strombegrenzer eine konstante Ausgangsleistung zu erhalten, werden die Widerstandswerte des ersten und des zweiten Widerstands 14 und 15 somit vorzugsweise gleich gewählt, wobei der in die Strombegrenzungsschaltung 12 fließende Strom zur Polarität der an die Strombegrenzungsschaltung 12 angelegten Spannung symmetrisch ist.
Falls die Strombegrenzungsschaltung 12 in nächster Nähe des Gates des Verstärkungstransistors 11 vorgesehen ist, treten keine unnötigen parasitären LC-Komponenten zwischen die Strombegrenzungsschaltung 12 und das Gate des Verstärkungstransistors 11, wird der Strom der Strombegrenzungsschaltung 12 so, wie er ist, zum Gate-Strom des Verstärkungstransistors 11 und kann der Hochfrequenzstrom stärker begrenzt werden.
Obgleich in der ersten Ausführungsform als der Verstärkungstransistor ein Feldeffekttransistor verwendet wird, können andere Transistortypen wie etwa ein Bipolartransistor ebenfalls verwendet werden. Obgleich in der ersten Ausführungs form als der Verstärkungstransistor 11 ein Transistor mit geerdeter Source verwendet wird, ist die Erfindung darauf ebenfalls nicht beschränkt, sondern kann ebenfalls ein Transistor mit geerdetem Gate verwendet werden. In diesem Fall wird die Strombegrenzungsschaltung 12 mit der Source des Verstärkungstransistors 11 verbunden. Falls eine ähnliche Strombegrenzungsschaltung mit dem Eingangsanschluss einer anderen Hochfrequenzschaltung wie etwa eines Phasenschiebers und eines Schalters verbunden wird, kann die andere Hochfrequenzschaltung vor übermäßiger elektrischer Leistung geschützt werden.
Zweite Ausführungsform
10 ist ein Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung; und 11 ist eine Draufsicht der Halbleitervorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Strombegrenzungsschaltung 12 besitzt eine Übertragungsleitungsmodell-Struktur (TLM-Struktur), die äquivalent der Epitaxiestruktur eines Doppel-Hetero-PHEMT (Pseudomorphen Doppel-Hetero-Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit) ohne ein Gate ist. Die weiteren Konfigurationen sind dieselben wie in der ersten Ausführungsform.
12 ist eine Schnittansicht einer Strombegrenzungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Auf einem n-GaAs-Substrat 31 sind eine Pufferschicht 32, eine n-AlGaAs-Schicht 33, eine i-InGaAs-Schicht 34, eine n-AlGaAs-Schicht 35, eine i-AlGaAs-Schicht 36, eine i-GaAs-Schicht 37 und eine n-GaAs-Schicht 38 aufeinanderfolgend geschichtet. Mit den in den Halbleiterschichten ausgebildeten aktiven Gebieten sind eine erste und eine zweite Elektrode 39 und 40 auf Ohmsche Weise verbunden. Genauer besitzt die Strombegren zungsschaltung eine Epitaxiestruktur, die zu einem PHEMT wird, wenn eine Gate-Elektrode hinzugefügt wird.
13 ist eine graphische Darstellung der Spannungs-Strom-Kennlinie einer Strombegrenzungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Wie in der graphischen Darstellung gezeigt ist, besitzt die Strombegrenzungsschaltung 12 gemäß der zweiten Ausführungsform ähnliche Strombegrenzungseigenschaften wie die der ersten Ausführungsform. Somit kann eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, die selbst dann hochbeständig gegen Zerstörung ist, wenn eine übermäßige elektrische Leistung zugeführt wird. Die zweite Ausführungsform besitzt die Vorteile, dass die Struktur einfacher ist und dass die Chipfläche kleiner ist als in der ersten Ausführungsform.
Es ist bekannt, dass der lineare Widerstandswert erhöht wird, wenn die an die Strombegrenzungsschaltung 12 angelegte Spannung niedrig ist, obgleich sich der maximale Strom wenig ändert, wenn die Länge L_TLM erhöht wird. Da der Durchgangsverlust umso niedriger ist, je niedriger der Widerstand ist, und ein niedrigerer linearer Widerstandswert erwünscht ist, ist ein kürzeres L_TLM bevorzugt, wenn die Eingangsleistung klein ist. Da andererseits eine höhere Durchbruchspannung der Strombegrenzungsschaltung 12 erwünscht ist, um die maximal zulässige Leistung zu erhöhen, ist ein längeres L_TLM bevorzugt. Die optimale Länge L_TLM wird durch die Abwägung dieser Faktoren bestimmt.
Wie in 14 gezeigt ist, kann durch Bilden einer n'-Schicht 41 (Gebiet hoher Konzentration) in dem aktiven Gebiet durch die Implantation von Störstellen zwischen die erste Elektrode 39 und die zweite Elektrode 40 das elektrische Feld verringert werden und die Durchbruchspannung erhöht werden. Wie in 15 gezeigt ist, kann darüber hinaus durch Ausbil den einer Aussparung 42 in dem aktiven Gebiet zwischen der ersten Elektrode 39 und der zweiten Elektrode 40 der lineare Widerstandswert verringert werden, während die Durchbruchspannung erhöht wird. Außerdem kann unter Verwendung einer GaN-Schicht als die Halbleiterschicht der lineare Widerstandswert verringert werden und die Durchbruchspannung erhöht werden, ohne die Länge L_TLM zu vergrößern.
Obgleich in der zweiten Ausführungsform eine Epitaxiestruktur eines Doppel-Hetero-HEMT verwendet wird, können andere Epitaxiestrukturen wie etwa HFET (Heterostruktur-Feldeffekttransistor) und MESFET (Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistor) ebenfalls verwendet werden.
Dritte Ausführungsform
16 ist ein Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung. Eine Strombegrenzungsschaltung 12 ist über eine Anpassungsschaltung 27 mit dem Drain (Ausgangsanschluss) eines Verstärkungstransistors 11 verbunden. Die Strombegrenzungsschaltung 12 begrenzt den Strom in der Weise, dass keine höhere elektrische Leistung als die maximale für den Verstärkungstransistor 11 zulässige Leistung durchgelassen wird. Die Konfiguration der Strombegrenzungsschaltung 12 ist dieselbe wie die der Strombegrenzungsschaltung 12 gemäß den Ausführungsformen 1 und 2.
Da die Strombegrenzungsschaltung 12 den Strom selbst dann begrenzt, wenn von der Ausgangsseite eine übermäßige elektrische Leistung zurückkommt, wird dem Drain des Verstärkungstransistors 11 keine übermäßige elektrische Leistung zugeführt. Somit kann eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, die selbst dann hochbeständig gegen Zerstörung ist, wenn eine übermäßige elektrische Leistung zugeführt wird. Da außerdem ein herkömmlich erforderlicher Isolator weggelassen werden kann, können die Größe und das Gewicht der Halbleitervorrichtung verringert werden und die Kosten gesenkt werden.
Obgleich in der dritten Ausführungsform die Strombegrenzungsschaltung 12 mit der Außenseite der Anpassungsschaltung 27 verbunden ist, kann die Strombegrenzungsschaltung 12 mit der Mitte der Anpassungsschaltung 27 verbunden werden.
Vierte Ausführungsform
17 ist ein Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der Erfindung. Ein Ende einer λ/4-Leitung 51 ist über eine Anpassungsschaltung 27 und eine Strombegrenzungsschaltung 12a mit dem Drain (Ausgangsanschluss) eines Verstärkungstransistors 11 verbunden. Ein Ende einer Strombegrenzungsschaltung 12b ist mit dem anderen Ende der λ/4-Leitung 51 verbunden und das andere Ende der Strombegrenzungsschaltung 12b ist hinsichtlich Hochfrequenzwellen geerdet. Die Konfiguration der Strombegrenzungsschaltungen 12a und 12b ist dieselbe wie die der Strombegrenzungsschaltung 12 gemäß den Ausführungsformen 1 und 2.
Obgleich in der dritten Ausführungsform keine zurückfließende Leistung von der Ausgangsseite durchgelassen wird, wenn das Ausgangsende kurzgeschlossen ist oder eine Zwischenimpedanz aufweist, besteht die Möglichkeit, dass nur eine Spannung angelegt und kein Strom zugeführt wird, was den Verstärkungstransistor 11 zerstört, wenn die Ausgangsimpedanz offen ist und wenn der Ausgang des Verstärkungstransistors 11 abgeschaltet ist. Dagegen begrenzt die mit der λ/4-Leitung 51 verbundene Strombegrenzungsschaltung 12b in der vierten Ausführungsform den Strom selbst dann, wenn nur eine Spannung angelegt wird. Somit wird der Ausgang durch die λ/4-Leitung 51 kurzgeschlossen und kann das Anlegen einer übermäßigen Spannung an den Verstärkungstransistor 11 verhindert werden.
Fünfte Ausführungsform
18 ist ein Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der Erfindung. Ein Ende einer Strombegrenzungsschaltung 12 ist mit einem Abschlusswiderstand 53 verbunden und das andere Ende der Strombegrenzungsschaltung 12 ist hinsichtlich Hochfrequenzwellen geerdet. Die Konfiguration der Strombegrenzungsschaltung 12 ist dieselbe wie die der Strombegrenzungsschaltung 12 gemäß den Ausführungsformen 1 und 2. Die Summe des linearen Widerstandswerts der Strombegrenzungsschaltung 12 und des Widerstandswerts R des Abschlusswiderstands 53 ist so eingestellt, dass sie mit der Impedanz Z_o übereinstimmt.
Wenn die für den Abschlusswiderstand 53 zulässige maximale Leistung P_max(W) ist, ist der in der Strombegrenzungsschaltung 12 fließende Strom I_TLM durch die folgende Formel 1 gegeben:
wobei π/4 ein Faktor ist, in dem die Grundschwingungskomponente einer Rechteckschwingung korrigiert ist.
Falls die Strombegrenzungsschaltung 12 so konstruiert ist, dass sie den oben beschriebenen Bedingungen genügt, kann sie den Strom in der Weise begrenzen, dass keine höhere elektrische Leistung als die maximale für den Abschlusswiderstand 53 zulässige Leistung P_max durchgelassen wird. Wenn z. B. für den Abschlusswiderstand 53 mit einem Widerstand von 50 Ω und einer zulässigen Leistung von 1 W der Strom der Strombegrenzungsschaltung 12 0,157 A ist, wird die dem Abschlusswiderstand 53 zugeführte maximale Leistung 1 W. Gleichzeitig wird eine Hochfrequenzleistung von 100 W mit einer Impedanz Z_o von 50 Ω zugeführt und ist die Spannung der Strombegrenzungsschaltung 12 etwa 50 V. Folglich brennt der Abschlusswider stand 53 nicht durch, falls die Durchbruchspannung der Strombegrenzungsschaltung 12 nicht wenigstens 50 V ist. Somit kann eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, die selbst dann hochbeständig gegen Zerstörung ist, wenn eine übermäßige elektrische Leistung zugeführt wird. Obgleich die Impedanz des Abschlusswiderstands 53 in der fünften Ausführungsform 50 Ω ist, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt, sondern kann der Abschlusswiderstand 53 irgendeine Impedanz haben.
Sechste Ausführungsform
19 ist ein Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der Erfindung. Ein erster und ein zweiter Widerstand 54 und 55 sind in Reihe geschaltet. Ein Ende eines dritten Widerstands 56 ist mit dem Verbindungspunkt des ersten Widerstands 54 und des zweiten Widerstands 55 verbunden und das andere Ende ist hinsichtlich Hochfrequenzwellen geerdet. Mit dem ersten Widerstand 54 bzw. mit dem zweiten Widerstand 55 sind Strombegrenzungsschaltungen 12a und 12b verbunden. Die Strombegrenzungsschaltungen 12a und 12b haben dieselbe Konfiguration wie die Strombegrenzungsschaltungen gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform und begrenzen den Strom in der Weise, dass über den ersten bis dritten Widerstand 54 bis 56 keine höhere Leistung als die maximal zulässige Leistung durchgelassen wird.
Da der Strom durch die Strombegrenzungsschaltungen 12a und 12b selbst dann begrenzt wird, wenn dem Eingangs-Ausgangs-Anschluss Hochfrequenzsignale mit übermäßiger Leistung zugeführt werden, ist es schwer möglich, dass der erste bis dritte Widerstand 54 bis 56 durchbrennen. Somit kann eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, die selbst dann hochbeständig gegen Zerstörung ist, wenn eine übermäßige elektrische Leistung zugeführt wird.
Die Widerstandswerte des ersten bis dritten Widerstands 54 bis 56 werden so eingestellt, dass durch Addieren des linearen Widerstands der Strombegrenzungsschaltungen 12a und 12b die gewünschte Dämpfung und die gewünschte Eingangs-Ausgangs-Impedanz erhalten werden. Anstelle der Strombegrenzungsschaltungen 12a und 12b kann ebenfalls eine von ihnen verwendet werden.
Siebente Ausführungsform
20 ist ein Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der siebenten Ausführungsform der Erfindung. Mehrere Verstärkungstransistoren 11a bis 12c sind parallelgeschaltet. Mit den Gates (Eingangsanschlüssen) der Verstärkungstransistoren 11a bis 11c sind in dieser Reihenfolge mehrere Strombegrenzungsschaltungen 12a bis 12c verbunden. Jede der Strombegrenzungsschaltungen 12a bis 12c besitzt dieselbe Konfiguration wie die Strombegrenzungsschaltungen gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform und begrenzt den Strom in der Weise, dass über die entsprechenden Verstärkungstransistoren 11a bis 11c keine höhere Leistung als die maximale zulässige Leistung durchgelassen wird.
Da somit jeder Verstärkungstransistor mit einer Strombegrenzungsschaltung versehen ist, kann ein Hochfrequenzstrom, der in dem Gate jedes Verstärkungstransistors fließt, im Vergleich zu dem Fall, in dem ein durch mehrere Verstärkungstransistoren fließender Strom gemeinsam begrenzt wird, ohne Vermittlung unnötiger parasitärer LC-Komponenten begrenzt werden. Somit können selbst Hochfrequenzwellen wie etwa Millimeterwellen den über das Gate jedes Verstärkungstransistors fließenden Hochfrequenzstrom begrenzen. Dadurch ist die Halbleitervorrichtung selbst dann hochbeständig gegen Zerstörung, wenn eine übermäßige Leistung zugeführt wird, wobei sie als ein Begrenzerverstärker bei hohen Frequenzen verwendet werden kann.
Obgleich in der siebenten Ausführungsform jeder Verstärkungstransistor mit einer Strombegrenzungsschaltung ausgestattet ist, kann jede Gruppe aus zwei oder mehr Verstärkungstransistoren mit einer Strombegrenzungsschaltung ausgestattet sein.
Achte Ausführungsform
21 ist ein Stromlaufplan einer Halbleitervorrichtung gemäß der achten Ausführungsform der Erfindung. Mit dem Gate (Eingangsanschluss) eines Verstärkungstransistors sind mehrere Strombegrenzungsschaltungen 12a bis 12c in Reihe geschaltet. Die mehreren Strombegrenzungsschaltungen 12a bis 12c besitzen dieselbe Konfiguration wie die Strombegrenzungsschaltungen gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform und begrenzen den Strom so, dass keine höhere Leistung als die maximale für den Verstärkungstransistor 11 zulässige Leistung durchgelassen wird.
Da in der achten Ausführungsform drei Strombegrenzungsschaltungen in Reihe geschaltet sind, kann die Halbleitervorrichtung eine Spannung aushalten, die dreimal so hoch wie die Durchbruchspannung jeder Strombegrenzungsschaltung ist. Somit kann eine Halbleitervorrichtung erhalten werden, die selbst dann hochbeständig gegen Zerstörung ist, wenn eine übermäßige elektrische Leistung zugeführt wird.
Obgleich in der achten Ausführungsform drei Strombegrenzungsschaltungen vorgesehen sind, ist die Erfindung darauf nicht beschränkt, sondern ist die Bereitstellung von zwei oder mehr Strombegrenzungsschaltungen erforderlich.
Offensichtlich sind im Licht der obigen Lehren zahlreiche Änderungen und Abwandlungen der Erfindung möglich. Selbstverständlich kann die Erfindung somit im Umfang der beigefügten Ansprüche auf andere Weise als genau beschrieben verwirklicht werden.
Die gesamte Offenbarung der JP 2007-137127 , eingereicht am 23. Mai 2007, einschließlich Beschreibung, Ansprüchen, Zeichnung und Zusammenfassung, auf der die Priorität der vorliegenden Anmeldung beruht, ist hiermit in ihrer Gesamtheit durch Literaturhinweis eingefügt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- JP 4-31782 [0003]
- JP 2007-137127 [0076]

Claims

Halbleitervorrichtung, die umfasst: einen Verstärkungstransistor (11) und eine Strombegrenzungsschaltung (12), die mit dem Eingangsanschluss des Verstärkungstransistors (11) verbunden ist, wobei die Strombegrenzungsschaltung (12) den Strom in der Weise begrenzt, dass keine höhere elektrische Leistung als die maximale für den Verstärkungstransistor (11) zulässige elektrische Leistung durchgelassen wird.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (12) als ein Begrenzerverstärker zum Begrenzen der Ausgangsleistung wirkt.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (12) den Strom auf höchstens 1/5 des maximalen Stroms des Verstärkungstransistors (11) begrenzt.
Halbleitervorrichtung, die umfasst: einen Verstärkungstransistor (11), und eine Strombegrenzungsschaltung (12), die mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkungstransistors (11) verbunden ist, wobei die Strombegrenzungsschaltung (12) den Strom in der Weise begrenzt, dass keine höhere elektrische Leistung, als die maximale für den Verstärkungstransistor (11) zulässige elektrische Leistung durchgelassen wird.
Halbleitervorrichtung, die umfasst: einen Verstärkungstransistor (11), eine λ/4-Leitung (51), deren eines Ende mit dem Ausgangsanschluss des Verstärkungstransistors (11) verbunden ist, und eine Strombegrenzungsschaltung (12), deren eines Ende mit dem anderen Ende der λ/4-Leitung (51) verbunden ist und deren anderes Ende hinsichtlich Hochfrequenzwellen geerdet ist; wobei die Strombegrenzungsschaltung (12) den Strom in der Weise begrenzt, dass keine höhere elektrische Leistung als die maximale für den Verstärkungstransistor (11) zulässige elektrische Leistung durchgelassen wird.
Halbleitervorrichtung, die umfasst: einen Abschlusswiderstand (53), und eine Strombegrenzungsschaltung (12), deren eines Ende mit dem Abschlusswiderstand (53) verbunden ist und deren anderes Ende hinsichtlich Hochfrequenzwellen geerdet ist; wobei die Strombegrenzungsschaltung (12) den Strom in der Weise begrenzt, dass keine höhere elektrische Leistung als die maximale für den Abschlusswiderstand (53) zulässige elektrische Leistung durchgelassen wird.
Halbleitervorrichtung, die umfasst: einen ersten und einen zweiten Widerstand (54, 55), die in Reihe geschaltet sind, einen dritten Widerstand (56), dessen eines Ende mit dem Verbindungspunkt des ersten Widerstands (54) und des zweiten Widerstands (55) verbunden ist und dessen anderes Ende hinsichtlich Hochfrequenzwellen geerdet ist, und eine Strombegrenzungsschaltung (12), die mit dem ersten Widerstand (54) oder mit dem zweiten Widerstand (55) verbunden ist; wobei die Strombegrenzungsschaltung (12) den Strom in der Weise begrenzt, dass keine höhere elektrische Leistung als die maximale für den ersten bis dritten Widerstand (54–56) zulässige elektrische Leistung durchgelassen wird.
Halbleitervorrichtung, die umfasst: mehrere Verstärkungstransistoren (11a–11c), die parallelgeschaltet sind, und mehrere Strombegrenzungsschaltungen (12a–12c), die jeweils mit dem Eingangsanschluss jedes Verstärkungstransistors (11) verbunden sind; wobei jede der Strombegrenzungsschaltungen (12a–12c) den Strom in der Weise begrenzt, dass keine höhere elektrische Leistung als die maximale für den entsprechenden Verstärkungstransistor (11) zulässige elektrische Leistung durchgelassen wird.
Halbleitervorrichtung, die umfasst: einen Verstärkungstransistor (11), und mehrere Strombegrenzungsschaltungen (12a–12c), die jeweils mit dem Eingangsanschluss des Verstärkungstransistors (11) in Reihe geschaltet sind; wobei die mehreren Strombegrenzungsschaltungen (12a–12c) den Strom in der Weise begrenzen, dass keine höhere elektrische Leistung als die maximale für den Verstärkungstransistor (11) zulässige elektrische Leistung durchgelassen wird.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (12) Folgendes aufweist: einen Schutztransistor (13), einen ersten Schutzwiderstand (14), der die Source und das Gate des Schutztransistors (13) verbindet, und einen zweiten Schutzwiderstand (15), der den Drain und das Gate des Schutztransistors (13) verbindet.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsschaltung (12) Folgendes aufweist: ein aktives Gebiet (16), das in einer Halbleiterschicht ausgebildet ist, und eine erste und eine zweite Elektrode (39, 40), die voneinander getrennt sind und jeweils auf Ohmsche Weise mit dem aktiven Gebiet (16) verbunden sind.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem aktiven Gebiet (16) zwischen der ersten Elektrode (39) und der zweiten Elektrode (40) ein Gebiet (41) hoher Konzentration ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in dem aktiven Gebiet (16) zwischen der ersten Elektrode (39) und der zweiten Elektrode (40) eine Aussparung (42) ausgebildet ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbleiterschicht eine GaN-Schicht ist.
Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der über die Strombegrenzungsschaltung (12) fließende Strom symmetrisch zur Polarität der an die Strombegrenzungsschaltung (12) angelegten Spannung ist.