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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Leistungsverstärker zur
Verwendung mit einem HF-Signal, wie etwa einem MMIC-Leistungsverstärker, wobei
HF für
einen hochfrequenten bzw. Radiowellenbereich steht, und MMIC für den englischen Ausdruck "microwave monolithic
integrated circuit" (monolithischer
integrierter Schaltkreis im Mikrowellenbereich) steht. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf eine Leistungsverschmelzungsschaltung, welche
auf einem Halbleiterchip hergestellt ist. Schaltungen zur Verschmelzung
bzw. Zusammenführung
von Ausgangsleistungen sind in der Technik auch unter der Bezeichnung "Kopplungsschaltung" bekannt, wie sich
etwa aus "Meyers
Lexikon der Technik und der exakten Naturwissenschaften", zweiter Band F-N,
1970, S. 1526 oder "Brockhaus Enzyklopädie in 20
Bänden", zehnter Band KAT-KZ, 1970, S. 487
ergibt. In dieser Beschreibung wird im Folgenden der Begriff "Kopplungsschaltung" verwendet.
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Ein
Anstieg in der Ausgangsleistung eines Leistungsverstärkers zur
Verwendung mit einem HF-Signal ist Gegenstand neuerer Entwicklungen. Unter
MMICs, welche in einem Bereich von 20 bis 40 GHz arbeiten, gibt
es einen, welcher eine Ausgangsleistung von 1 W oder mehr erzeugt.
In einer Ausgangsendstufe eines solchen HF-Leistungsverstärkers hoher
Ausgangsleistung sind vier oder mehr aktive Elemente im Nebenschluß miteinander
verbunden.
9 ist eine
Ansicht, welche einen Ausgangskopplungsabschnitt eines herkömmlichen
Leistungsverstärkers
zeigt. Vier aktive Elemente
2 sind mittels Übertragungsleitungen
miteinander verbunden, und Ausgänge
bzw. Ausgangsleistungen sind zu einem einzigen Ausgang bzw. einer
einzigen Ausgangsleistung verschmolzen bzw. gekoppelt. Wie dargestellt, verbindet
ein bevorzugtes Verfahren zum Koppeln von Ausgängen von aktiven Elementen
aktive Elemente mittels Übertragungsleitungen
gemäß einer mehrfach
gegabelten Kopp lungsschaltung. Eine solche Anordnung ist etwa aus
der
US 5,793,253 bekannt.
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In
dem Fall eines MMIC, welcher in einer Kommunikationsvorrichtung
für Mikrowellen/Millimeterwellen
verwendet wird, ist eine Kostensenkung aufgrund einer Reduzierung
der Chipgröße wichtig. Allerdings
stößt, wie
in 9 gezeigt, eine Verbindung
von aktiven Elementen auf der Grundlage der mehrfachen Gabelung
der Kopplungsschaltung auf Schwierigkeiten bei der Schaltungsminiaturisierung. Obwohl
in 9 nicht gezeigt,
muß bei
einer tatsächlichen
Schaltung an jedes der aktiven Elemente 2 eine Vorspannung
angelegt werden. Es ist bekannt, daß eine Bias-Schaltung bzw. Vorspannungsschaltung üblicherweise
eine kurze Stichleitung bzw. Blindleitung von λ/4 aufweist, wobei λ eine Signalfrequenz
darstellt. Aus diesem Grund wird beim Versuch, eine Verdrahtungskommunalität so zu
erreichen, daß eine
Vorspannung an einen externen Anschluß angelegt werden kann, die
Schaltungsfläche vergrößert, und
die Verdrahtung wird kompliziert. Insbesondere besteht in dem Fall
einer Zwischenstufenschaltung eines mehrstufigen Verstärkers eine
Notwendigkeit, zusätzlich
zu einer Leistungsverschmelzungsschaltung und einer Vorspannungskommunalitätsschaltung
in einer vorherigen Stufe eine Schaltung zum Verteilen eines Eingangs
bzw. einer Eingangsleistung an die nächste Stufe zu verwenden. D.h.,
die Schaltung wird komplizierter, was unvermeidlich zu einer Vergrößerung in
der Schaltungsfläche
führt.
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Die
vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen kompakten Leistungsverstärker zu schaffen,
welcher einen einfachen Schaltungsaufbau aufweist und die zuvor
genannten Probleme löst.
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Diese
Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Andere
und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden
aus der nachfolgenden genauen Beschreibung ersichtlicher werden, insbesondere
wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen
wird, in welchen:
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1 einen
Schaltungsaufbau einer Halbleiteranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 einen
Schaltungsaufbau einer Halbleiteranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung zeigt;
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3 einen
Schaltungsaufbau einer Halbleiteranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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4 einen
Fall zeigt, in welchem vier MESFETs mit der in 3 gezeigten
Schaltung verbunden sind;
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5 einen
Graph zeigt, welcher einen Unterschied in Amplitude und Phase einer
reflektierten Welle darstellt, die an den Anschlüssen PORT1 und PORT2 der in 4 gezeigten
Schaltung erhalten werden;
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6 einen
Schaltungsaufbau einer Halbleiteranordnung gemäß einer vierten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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7 einen
Schaltungsaufbau einer Halbleiteranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung (Parallelschaltung) zeigt;
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8 einen
Schaltungsaufbau einer Halbleiteranordnung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung (Reihenschaltung) zeigt; und
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9 eine
Ansicht ist, welche einen Ausgangskopplungsabschnitt eines herkömmlichen
Leistungsverstärkers
zeigt.
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1 ist
eine Ansicht, welche einen Schaltungsaufbau einer Halbleiteranordnung
gemäß einer ersten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt. Die Schaltung weist in einer Mehrzahl
von Reihen angeordnete MESFETs 2; eine integrale Übertragungsleitung 1,
welche auf eine Breite bezogen im wesentlichen identisch mit einem
Bereich ist, innerhalb dessen die MESFETs 2 plaziert sind
(die vertikale Richtung in der Zeichnung stellt eine Breite und
die horizontale Richtung eine Länge
dar); und im Nebenschluß mit
der Übertragungsleitung 1 verbundene Regulierungsschaltungen 3 auf.
Solche Regulierungsschaltungen sind in der Technik auch unter der Bezeichnung "Anpassungsschaltung" bekannt, wie sich
etwa aus "Meyers
Lexikon der Technik und der exakten Naturwissenschaften", erster Band A-E, 1969,
S. 145 ergibt. In dieser Beschreibung wird im Folgenden der Begriff "Anpassungsschaltung" verwendet. Wie dargestellt,
sind die MESFETs 2 und die Übertragungsleitung 1 entlang
einer Seite, welche eine Kante der Übertragungsleitung 1 bildet,
miteinander verbunden. Im allgemeinen weist eine Standard-50Ω-Übertragungsleitung,
welche auf einem Galliumarsenid-(GaAs)-Substrat von 100 μm Dicke auszubilden ist, eine
Breite von etwa 70 μm
auf. Jedoch weist die Übertragungsleitung 1 eine
Breite von hunderten bis tausenden von Mikrometern auf. Wenn z.
B vier MESFETs 2 in Standardgröße nebeneinander angeordnet
sind, nimmt die Übertragungsleitung 1 eine
Breite von 800 μm
an.
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In
dieser Konfiguration agieren die MESFETs 2 als Verstärkungsschaltungen,
und die Übertragungsleitung 1 und
die Anpassungsschaltungen 3 agieren als eine Verschmelzungs-
bzw. Kopplungsschaltung. Es ist möglich, die Verstärkungsschaltung aus
den MESFETs 2 und hiermit in Reihe geschalteten peripheren
Schaltungen zu bilden. Im Sinne einer Reduzierung der Fläche der
Verstärkungsschaltung ist
die Verstärkungsschaltung
vorzugsweise nur aus den MESFETs 2 gebildet. Die Übertragungsleitung 1 ist
an einem ihrer Enden mit den MESFETs 2 verbunden, wodurch
die Ausgänge
der MESFETs 2 verschmolzen bzw. gekoppelt werden. Die Übertragungsleitung
spielt die Rolle, die Ausgänge
von den MESFETs 2 mittels einer internen Impedanz der Übertragungsleitung 1 und
Impedanzen der Anpassungsschaltungen 3 in Übereinstimmung
zu bringen bzw. zu verknüpfen.
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Gemäß einem
herkömmlichen
Verfahren einer mehrfachen Gabelung der Kopplungsschaltung, sind
Ausgangsanschlüsse
aller MESFETs mit einer Übertragungsleitung
identischer Breite verbunden, womit einheitlich Leistung von all
den MESFETs gezogen wird. Demgegenüber unterscheidet sich gemäß der in 1 gezeigten
Konfiguration die Verbindung von Ausgangsanschlüssen von MESFETs von MESFET
zu MESFET. Es kann nicht gesagt werden, daß die nahe seitlicher Enden
der Übertragungsleitung 1 angeschlossenen
MESFETs 2 in Bezug auf den Verbindungsstatus mit denen
identisch sind, welche an einer Position nahe der Mitte der Übertragungsleitung 1 angeschlossen
sind. Ein Ausstatten der elektronischen Schaltung mit einer Parallelschaltung
hat sich empirisch als eine wirksame Maßnahme zum Verringern solcher
Inkonsistenzen in einer elektronischen Schaltung herausgestellt.
Aus diesem Grund sind die Anpassungsschaltungen 3 vorgesehen.
Somit sind genaue Konfigurationen der Anpassungsschaltungen 3 wie
etwa Kapazität,
Induktivität und
Widerstand, durch Simulation so zu bestimmen, daß hinreichende Ausgangsleistungen
von den MESFETs gezogen werden können.
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In
der Ausführungsform
agiert die Anpassungsschaltung 3 als eine Schaltung zum
Verringern der Inkonsistenzen und auch als eine Bypass-Schaltung.
Daher sind die Anpassungsschaltungen 3 mit Masse verbunden.
Es gibt jedoch keine Notwendigkeit, die Anpassungsschaltungen 3 an
Masse zu legen. In einem denkbaren Fall können die Anpassungsschaltungen 3 etwa
als offene Stichleitungen ausgeführt
sein. So lange die Anpassungsschaltungen 3 doppelt als
Bypaß-Schaltungen
ausgeführt sind,
kann die Anzahl von Elementen, welche eine Schaltung bilden, verringert
werden. Im Sinne einer Reduktion in der Schaltungsfläche ist
der in 1 gezeigte Schaltungsaufbau wünschenswert. Neben MESFETs,
wie in der Ausführungsform
gezeigt, können
auch HEMTs als aktive Elemente eingesetzt werden.
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Wie
zuvor erwähnt,
weist die Schaltung eine einfache Struktur auf, in welcher die MESFETs 2 im Nebenschluß miteinander
mit einer Kante bzw. einem Rand der breiten Übertragungsleitung 1 verbunden
sind. Die Schaltung setzt keine Kombination einer Mehrzahl verteilter
konstanter Schaltungen ein, welche bisher eingesetzt worden sind,
und Ausgänge werden
durch eine Übertragungsleitung
gekoppelt. Daher weist die Schaltung eine kleine Fläche auf. Ausgangsanschlüsse von
MESFETs sind mittels der Übertragungsleitung 1 direkt
miteinander verbunden. Die Übertragungsleitung 1 agiert
als eine gemeinsame Leitung, was die Notwendigkeit, eine Mehrzahl von
Vorspannungsschaltungen zu verwenden, vermeidet. Dadurch, daß die Kopplungsschaltung
in einer solchen Konfiguration aufgebaut ist, kann die Gesamtfläche der
Schaltung reduziert werden, was die Bereitstellung eines kompakten
Halbleiterchips ermöglicht.
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Der
Schaltungsaufbau der Ausführungsform ist
vorteilhafterweise in der Lage, eine Änderung im Frequenzgang bzw.
einer Frequenzcharakteristik einer Gesamtschaltung zu ermöglichen.
In dem Fall des vorgenannten Schaltungsaufbaus ist der Frequenzgang
(d.h. eine Mittenfrequenz) der Gesamtschaltung in hohem Maße von dem
charakteristischen Widerstand bzw. Wellenwiderstand der Übertragungsleitung 1 abhängig. Der
Wellenwiderstand der Übertragungsleitung 1 kann
mittels Änderns
der Dicke eines bielektrischen Substrats, auf welchem das Muster
der Übertragungsleitung
ausgebildet ist, leicht geändert
werden. Eine Änderung
in der Dicke des Substrats beinhaltet keine Änderung in dem Muster, welches
auf der Oberfläche
des Substrats ausgebildet ist, wodurch ein Erfordernis, ein Maskenmuster ändern zu
müssen,
vermieden wird. Des weiteren wird auch eine Notwendigkeit vermieden,
die Größe eines
Chips oder die Position einer Tastatur zu ändern, und damit kann ein peripheres
Substrat, auf welchem ein Chip anzubringen ist, geringen Kosten unterliegen.
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In
der ersten Ausführungsform
wurde eine Schaltung zum Koppeln von Endausgängen von Leistungsverstärkern beschrieben.
Daneben versteht sich von selbst, daß die Erfindung auch auf eine
Zwischenstufenschaltung, welche zwischen in einer Mehrzahl von Stufen
vorgesehenen Verstärkern
anzuordnen ist, angewendet werden kann. Eine in 2 gezeigte,
zweite Ausführungsform
bezieht sich auf ein Beispiel eines zweistufigen Verstärkers. Eine erste
Stufe des Verstärkers
besteht aus einer Mehrzahl von MESFETs 2, der Übertragungsleitung 1 und den
Anpassungsschaltungen 3. Eine zweite Stufe des Verstärkers besteht
aus einer Mehrzahl von Stabilisierungsschaltungen 4, den
MESFETs 2, der Übertragungsleitung 1 und
den Anpassungsschaltungen 3. In dem Fall eines mehrstufigen
Verstärkers müssen zwischen
einzelnen Stufen Stabilisierungsschaltungen und Schaltungen zum
Anlegen einer Gatevorspannung bzw. Gate-Vorspannungsschaltungen
vorgesehen werden. In dem Fall der Konfiguration einer Schaltung
in der zweiten Stufe entspricht die durch eine Kombination der Stabili sierungsschaltungen 4 und
der MESFETs 2 ausgebildete Schaltungsanordnung einer Verstärkungsschaltung
gemäß der Erfindung.
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Eine
dritte Ausführungsform
spricht einen Unterschied in Reflexionskoeffizienten der Übertragungsleitung 1 in
Bezug auf die Ausgangsanschlüsse
der MESFETs 2 an. Die Ausführungsform bezieht sich auf
ein Beispiel, in welchem der Aufbau einer Anpassungsschaltung so
bestimmt ist, daß die
Inkonsistenzen in Ausgängen
von den MESFETs, welche aus einem Unterschied im Reflexionskoeffizienten
der Übertragungsleitung 1 stammen,
verringert werden.
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Wie
in 3 gezeigt, sind in dieser Ausführungsform Übertragungsleitungen 5 (Stichleitungen) mittels
Kondensatoren und Widerständen 6 an
Masse gelegt und als kurze Stichleitungen 7 ausgeführt. In
der Zeichnung bezeichnet ein Bezugszeichen Sii ("i" =
1 bis "n") einen Reflexionskoeffizienten
der Übertragungsleitung 1,
von den jeweiligen MESFETs 2 aus betrachtet. Somit weicht
der Reflexionskoeffizient, welcher in der Nähe des seitlichen Endes der Übertragungsleitung 1 erhalten
wird, von jenem ab, welcher in der Mitte desselben erhalten wird.
wenn die kurzen Stichleitungen 7 nicht verfügbar sind,
wird die von den MESFETs gezogene Leistung inkonsistent. D.h., die
Anpassungsschaltungen 3 dienen der Anpassung an die einzelnen
Reflexionskoeffizienten.
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4 und 5 sind
Zeichnungen, um zu zeigen, daß diese
Leistungsinkonsistenzen durch die kurzen Stichleitungen 7 verringert
werden. 4 zeigt einen Fall, in welchem
vier MESFETs mit der in 3 gezeigten Schaltung verbunden
sind. Wenn das Augenmerk auf die MESFETs und die jeweiligen Verbindungsanschlüsse gelegt
wird, weicht ein Reflexionskoeffizient S11 eines in der Nähe eines
seitlichen Endes der Übertragungsleitung 1 befind lichen Anschlusses
PORT1 von einem Reflexionskoeffizienten S22 eines in der Mitte der Übertragungsleitung 1 befindlichen
Anschlusses PORT2 ab. 5 zeigt einen Graph, welcher
einen Unterschied in Amplitude und Phase einer an dem Anschluß PORT1
der in 4 gezeigten Schaltung erhaltenen reflektierten Welle
und einer Amplitude und Phase einer an dem Anschluß PORT2
desselben erhaltenen reflektierten Welle darstellt, wobei eine horizontale
Achse eine Frequenz repräsentiert.
Eine durchgezogene Linie stellt eine Amplitudendifferenz dar, und
unterbrochene Linien stellen Phasendifferenzen dar. Des weiteren
bezeichnet eine dicke Linie eine Schaltung mit kurzen Stichleitungen,
und eine dünne
Linie bezeichnet eine Schaltung, welche keine kurzen Stichleitungen
aufweist. Wie durch den Graph dargestellt, wird mittels Hinzufügen der
kurzen Stichleitungen 7 eine Amplitudendifferenz auf etwa
die Hälfte
reduziert, und eine Phasendifferenz wird praktisch auf Null reduziert.
Somit werden mittels der kurzen Stichleitungen 7 Inkonsistenzen
bezüglich
einer Ausgangsleistung verringert, und eine gleichmäßige Leistung
kann aus den jeweiligen MESFETs gezogen werden. Die Amplitudendifferenz
kann z. B. in einem Wert für
die Leistung (etwa W, mW, VA oder dergleichen), für den Strom
(etwa A, mA oder dergleichen) oder der Spannung (etwa V, mV oder
dergleichen) ausgedrückt sein,
oder dimensionslos normiert sein.
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Eine
vierte Ausführungsform
der Erfindung ist im Schaltungsaufbau mit der dritten Ausführungsform
identisch, mit Ausnahme dessen, daß die MESFETs unterschiedliche
Gatebreiten aufweisen. Wie in 6 gezeigt,
wird eine Gatebreite Wg1 von mit den seitlichen Enden der Übertragungsleitung 1 verbundenen
MESFETs von einer Gatebreite Wg2 der mit der Mitte der Übertragungsleitung 1 verbundenen MESFETs
unterschiedlich gemacht. Phasen von Ausgangswellenformen der MESFETs
sind absichtlich geän dert,
wodurch Inkonsistenzen bezüglich
eines Ausgangs von den Anschlüssen
PORT1 und PORT2 verringert werden. Wie in dem Fall der dritten Ausführungsform
kann eine gleichmäßige Leistung von
jedem der MESFETs gezogen werden.
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7 und 8 zeigen
als fünfte
Ausführungsform
den Aufbau einer Schaltung, welche durch eine Kombination einer
Mehrzahl von Leistungsverstärkern
ausgebildet ist, welche in Verbindung mit der ersten bis vierten
Ausführungsform
beschrieben wurden. Wie zuvor erwähnt, ist die Grundschaltung
von einfacher Strukur und weist eine kleine Fläche auf. Daher ist eine Kombination
von Verstärkern
einfacher als in dem Fall der herkömmlicherweise verwendeten.
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Falls
Leistungsverstärker
parallel zueinander mit einem Koppler 8 verbunden werden,
kann eine kompakte Halbleiteranordnung mit einer Leistungsverstärkungsfunktion
hoher Leistung ausgeführt
werden. Wenn dagegen die Leistungsverstärker in Reihe miteinander geschaltet
werden, wie in 8 gezeigt, kann eine kompakte
Halbleiteranordnung mit einer Leistungsverstärkungsfunktion mit einem höheren Verstärkungsfaktor
ausgeführt
werden.
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Bei
einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung
werden Ausgangsleistungen von einer Mehrzahl von aktiven Elementen
zusammengeführt
bzw. verschmolzen, während
sie mittels einer integralen verteilten konstanten Leitung und einer
Mehrzahl von Anpassungsschaltungen an die einzelnen Reflexionskoeffizienten
angepaßt
werden. Auch wenn drei oder mehr aktive Elemente verfügbar sind,
kann die Schaltung auf eine kleine Fläche komprimiert werden. Somit
gibt es keine Notwendigkeit, eine Kommunalität von Vorspannungssleitungen
zu erzielen, und somit wird die Verdrahtung einfach.
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Bei
der Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung
sind Anpassungsschaltungen von Leistungsverstärkern als kurze Stichleitungen
angenommen, und Gatebreiten von Transistoren sind eingestellt, um
damit eine gleichmäßige und
ausreichende Leistung von all den aktiven Elementen zu ziehen und eine
Leistungsverstärkungsfunktion
hoher Leistung und hohen Verstärkungsfaktors
bereitzustellen.
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Nachdem
die Schaltung des Leistungsverstärkers
von einfacher Struktur ist und eine kleine Fläche aufweist, kann eine Mehrzahl
von Verstärkern leicht
miteinander kombiniert werden. Die Halbleiteranordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung schafft eine Leistungsverstärkungsfunktion hoher Leistung
und hohen Verstärkungsfaktors
mittels Verbindens einer Mehrzahl von Leistungsverstärkern parallel
oder in Reihe oder eines Verbindens von drei oder mehr Leistungsverstärkern in
Reihe oder parallel.
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Es
ist weiter zu verstehen, daß die
vorgenannte Beschreibung eine bevorzugte Ausführungsform der offengelegten
Vorrichtung ist, und daß vielfältige Änderungen
und Modifizierungen an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne
von Idee und Umfang derselben abzuweichen.
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Auf
den gesamten Offenbarungsgehalt einer japanischen Patentanmeldung
Nr. 2001-294556, angemeldet am 26. September 2001, einschließlich Beschreibung,
Ansprüchen,
Zeichnungen und Zusammenfassung, auf welcher die Unionspriorität der vorliegenden
Anmeldung basiert, sei hiermit vollumfänglich Bezug genommen.
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Vorstehend
wurde eine neuartige Halbleiteranordnung beschrieben. Drei oder
mehr MESFETs sind nebeneinander auf einem Halbleiterchip hergestellt.
Eine Übertragungsleitung,
welche in Bezug auf eine Breite im wesentlichen mit einem Bereich,
innerhalb dessen die MESFETs hergestellt sind, identisch ist, ist
parallel zu der Reihe von MESFETs ausgebildet. Die MESFETs sind
mit der Übertragungsleitung mittels
einer Seite, welche eine Kante der Übertragungsleitung bildet,
verbunden. Des weiteren sind Anpassungsschaltungen im Nebenschluß mit der Übertragungsleitung
verbunden, wodurch Ausgänge zusammengeführt werden,
während
sie mittels der Übertragungsleitung
und der Anpassungsschaltungen an die einzelnen Reflexionskoeffizienten
angepaßt
werden.