DE60122381T2

DE60122381T2 - Hochfrequenz-halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE60122381T2
Application number: DE60122381T
Authority: DE
Inventors: c/o Mitsubishi Denki K.K. Kazutomi Chiyoda-ku MORI; c/o Mitsubishi Denki K.K. Shintaro Chiyoda-ku SHINJO; c/o Mitsubishi Denki K.K. Kousei Chiyoda-ku MAEMURA; c/o Mitsubishi Denki K.K. Teruyuki Chiyoda-ku SHIMURA; c/o Mitsubishi Denki K.K. Kazuhiko Chiyoda-ku NAKAHARA; c/o Mitsubishi Denki K.K. Tadashi Chiyoda-ku TAKAGI
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2007-08-16
Anticipated expiration: 2021-05-12
Also published as: EP1351379A4; DE60122381D1; KR100458407B1; JPWO2002056461A1; US20030011435A1; JP3952400B2; KR20030011790A; EP1351379A1; WO2002056461A1; CN1255939C; EP1351379B1; US6861906B2; CN1416616A

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Hochfrequenzvorrichtung und insbesondere auf Verbesserungen des Leistungswirkungsgrads, der Rauschcharakteristiken und der thermischen Stabilität eines Verstärkers unter Verwendung von bipolaren Mehrfinger-Heteroübergangstransistoren.
STAND DER TECHNIK
Durch die weit verbreitete Verwendung von tragbaren Endgeräten der jüngsten Zeit, z.B. Mobiltelefonen, ist die Größen- und Gewichtsverringerung ein Schlüsselfaktor für deren Entwicklung geworden. Ein Verstärker mit hoher Ausgangsleistung wurde als ein Schlüsselteil erkannt.
Da ein bipolarer Heteroübergangstransistor (bipolarer Heteroübergangstransistor, nachfolgend als "HBT" bezeichnet) eine hohe Stromverstärkung β hat, wird ein die GaAs-System-HBT mit einem Emitter aus AlGaAs und einer Basis aus GaAs häufig in einem Verstärker mit hoher Ausgangsleistung für ein Mobiltelefon zusammen mit seiner Hochgeschwindigkeitseigenschaft verwendet.
Um eine Erhöhung der Ausgangsleistung zu realisieren, benötigt der HBT eine große Emittergröße für den Zweck des Erhaltens einer vorbestimmten Ausgangsleistung. Um eine derartig große Emittergröße zu erhalten, wird die so genannte Mehrfingerkonfiguration benötigt, bei der mehrere HBTen, mit Emittern mit geringer Breite, um Basiswiderstände herabzusetzen, parallel verbunden sind. Ein HBT mit einer derartigen Mehrfingerkonfiguration wird nachfolgend als "Mehrfinger-HBT" bezeichnet, und individuelle HBTen, die diesen Mehrfinger-HBT bilden, werden nachfolgend als "Grund-HBTen" bezeichnet.
11 ist ein Blockschaltbild, das eine Ausbildung eines herkömmlichen Verstärkers mit hoher Ausgangsleistung zeigt.
Die US 5 913 854 zeigt ein Beispiel für einen Hochfrequenzverstärker, der eine Anordnung aus parallelen Feldeffekttransistoren ähnlich der Struktur der ersten Stufe in 11 verwendet.
In 11 zeigt die Bezugszahl 100 einen Leistungsverstärker an, 102 zeigt einen Mehrfinger-HBT an, der als eine erste Stufe des Leistungsverstärkers 100 dient, und 104 zeigt Grund-HBTen des Mehrfinger-HBT 102 an. X11, X12, ..., X1m sind als die Grund-HBTen parallel verbunden. Jeder der Grund-HBTen 104 weist einen HBT 104a und einen Emitterwiderstand 104b, der in Reihe mit einer Emitterelektrode des HBT 10a geschaltet ist, auf. Signalleistung wird an einer Basiselektrode des HBT 104a in jeden Grund-HBT 104 eingegeben und ein verstärktes Ausgangssignal wird von einer Kollektorelektrode des HBT 104a ausgegeben. Die Emitterelektrode jedes HBT 104a ist über den Emitterwiderstand 104b geerdet.
Die Bezugszahl 106 zeigt einen Mehrfinger-HBT an, der als eine Ausgangsstufe des Verstärkers 100 dient. Die Bezugszahlen 108 zeigen Grund-HBTen des Mehrfinger-HBT 106 an. X21, X22, ..., X2n sind als die Grund-HBTen parallel verbunden. Jeder Grund-HBT 108 ist in der Ausbildung identisch mit jedem Grund-HBT 104, des Mehrfinger-HBT 102. Der Grund-HBT 108 weist einen HBT 108a und einen Emitterwiderstand 108b, der in Reihe mit einer Emitterelektrode des HBT 108a geschaltet ist, auf. Signalleistung wird an einer Basiselektrode des HBT 108a in jeden Grund-HBT 108 eingegeben und ein verstärktes Ausgangssignal wird von einer Kollektorelektrode des HBT 108a ausgegeben. Die Emitterelektrode des HBT 108a ist über den Emitterwiderstand 108b geerdet.
Die Bezugszahl 110 zeigt einen Eingangsanschluss an, 112 zeigt einen Ausgangsanschluss an, 114 zeigt einen Quellenspannungsanschluss an, 116 zeigt eine Basisvorspannschaltung an und 118, 120, 122, 124, 126, 128 und 130 jeweils Anpassungsschaltungen an.
Wenn der HBT 104a und der HBT 108a jeweils auf eine hohe Temperatur gebracht werden, werden Vorwärtsspannungen VBE ihrer Basen niedrig. Ein Halbleiter-Verbundsubstrat wie GaAs oder dergleichen hat einen hohen thermischen Widerstand. Daher tritt, wenn ein Strom in einem HBT 104a und einem HBT 108a aufgrund irgendeines Umstandes konzentriert ist, wobei eine große Anzahl von HBTen 104a und HBTen 108a parallel angeordnet und verbunden sind, ein Problem dahingehend auf, dass in jedem der von dem HBT 104a und dem HBT 108a die erzeugte Wärme zunimmt und die VBE abnimmt, und der Strom konzentriert sich noch stärker auf einen derartigen Bereich.
Der thermische Widerstand ΘTH ist durch den folgenden Ausdruck definiert: ΘTH = ΔTj/ΔP. In diesem Ausdruck zeigen Tj eine Übergangstemperatur und P die Leistung an.
Es wurde beispielsweise durch IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, BAND 43, NR. 2, FEBRUAR 1996, Seiten 220–227, berichtet, dass, da die Grund-HBTen untereinander thermisch ungleichförmig sind, die Konzentration eines Stroms auf einen bestimmten Grund-HBT stattfindet und folglich eine plötzliche Änderung des Betriebsstroms erfolgt.
Wenn sich der Strom auf bestimmte HBTen 104a und 108a in den Mehrfinger-HBTen 102 und 106 konzentriert, wird die Anzahl von betriebenen HBTen 104 und 108 herabgesetzt und damit kann eine Leistung proportional zu einer Größe nicht erhalten werden. Daher werden Widerstände in Reihe mit ihren entsprechenden Basen oder Emittern der HBTen 104a und 108a eingefügt, um die Konzentration des Stroms auf die bestimmten HBTen 104a und 108a zu verhindern, wodurch eine Stromverstärkung so reduziert wird, dass die Konzentration des Stroms eingeschränkt wird.
In dem Leistungsverstärker 100 sind die Emitterwiderstände in Reihe mit den Emitterelektroden der HBTen 104a und 108a eingefügt, um die Grund-HBTen 104 und 108 zu bilden.
Wenn jedoch die Widerstände in Reihe mit den Basen oder Emittern der HBTen 104a und 108a eingefügt sind, ist das Leistungsvermögen des Leistungsverstärkers 100 verschlechtert.
D.h., da die reine Einfügung der Basiswiderstände zu der Einfügung der Widerstände in die Eingänge führt, werden Verluste erzeugt und Rauschcharakteristiken werden aufgrund ihrer Verluste verschlechtert. Weiterhin wird die Verstärkung jedes HBT verringert aufgrund des Auftretens der Verluste.
Andererseits wird, wenn die Emitterwiderstände einfach wie bei den Grund-HBTen 104 und 108 eingefügt werden, Vce verringert aufgrund von durch die Emitterwiderstände 104b und 108b entwickelten Spannungsabfällen, wodurch eine Verschlechterung des Leistungswirkungsgrads bewirkt wird.
Somit ist die Einfügung der Widerstände in Reihe mit den Basen oder Emittern, um die Stromverstärkung so herabzusetzen, dass die Konzentration des Stroms beschränkt wird, wirksam bei der Verhinderung der thermischen Ungleichförmigkeit jedes Grund-HBT. Jedoch tritt ein Problem dahingehend auf, dass, wenn die Widerstände einfach in Reihe mit den Basen oder Emittern eingefügt werden, Rauschcharakteristiken verschlechtert werden, die Verstärkung jedes HBT herabgesetzt wird und der Leistungswirkungsgrad abnimmt.
Weiterhin wurde eine Konfiguration einer HBT-Vorrichtung, die einen Emitterballastwiderstand verwendet, und eine Konfiguration einer HBT-Vorrichtung, die einen Basisballastwiderstand verwendet, in der Japani schen Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 8(1996)-279561 als die bekannte Druckschrift beschrieben.
Weiterhin wurde eine Konfiguration einer HBT-Vorrichtung, die einen Emitterballastwiderstand verwendet, in IEEE MTT-S Digest WE2A-6, 1994, Seiten 687–690 beschrieben.
12 ist ein Blockschaltbild, eines herkömmlichen HBT-Mehrstufenverstärkers, der unter Verwendung nur von HBT-Vorrichtungen, die von Emitterballastwiderständen Gebrauch machen, ausgebildet ist.
In 12 sind ein Mehrfinger-HBT 102, der als eine erste Stufe eines HBT-Mehrstufenverstärkers 140 dient, und ein Mehrfinger-HBT 106, der als eine Ausgangsstufe dient, gebildet aus Grund-HBTen mit Emitterballastwiderständen, die mit Emitterelektroden in einer Weise ähnlich der nach 11 geschaltet sind. Alle Zwischenstufen, die zwischen der ersten Stufe und der Ausgangsstufe vorgesehen sind, bestehen auch aus Mehrfinger-HBTen, die Grund-HBTen mit Emitterballastwidderständen, die in Reihe mit Emitterelektroden geschaltet sind, aufweisen.
13 ist ein Blockschaltbild eines herkömmlichen HBT-Mehrstufenverstärkers, der unter Verwendung nur von HBT-Vorrichtungen unter Verwendung von Basisballastwiderständen ausgebildet ist.
In 13 ist ein HBT-Mehrstufenverstärker 142 gezeigt, d.h., alle von einer ersten Stufe bis zu einer Ausgangsstufe einschließlich Zwischenstufen bestehen aus Mehrfinger-HBTen 144, die Grund-HBTen mit Basisballastwiderständen aufweisen.
Somit bestehen die herkömmlichen HBT-Mehrstufenververstärker 140 und 142 nur aus den Mehrfinger-HBTen, die die Emitterballastwiderstände verwenden, bzw. nur den Mehrfinger-HBTen, die die Basisballastwiderstände verwenden.
Da Widerstände jeweils zwischen einem Emitter und Erdpotential eingefügt sind, bewirkt ein Mehrfinger-HBT, der Emitterballastwiderstände verwendet, im Allgemeine eine Zunahme des Verlusts sowohl auf der Eingangs- als auch der Ausgangsseite eines Verstärkers im Vergleich zu dem Fall, in welchem keine Widerstände vorgesehen sind. Da der Verlust selbst auf der Ausgangsseite auftritt, wird der Verstärker in der Ausgangsleistung und der Wirkungsgradcharakteristik herabgesetzt.
Da Widerstände jeweils zwischen einer Basis und einem Vorspannanschluss eingefügt sind, bewirkt ein Mehrfinger-HBT, der Basisballastwiderstände verwendet, einen Verlust auf der Ausgangsseite. Daher sind die Ausgangsleistung und die Wirkungsgradcharakteristiken zufrieden stellend im Vergleich mit dem Mehrfinger-HBT, der die Emitterballastwiderstände verwendet. Da jedoch ein großer Verlust auf der Eingangsseite auftritt, sind die Rauscheigenschaften Verschlechtert im Vergleich zu dem Mehrfinger-HBT, der die Emitterballastwiderstände verwendet.
Zusammengefasst ist der Mehrfinger-HBT 144, der die Basisballastwiderstände verwendet, besser als die Mehrfinger-HBTen 102 und 106, die die Emitterballastwiderstände verwenden, hinsichtlich der Ausgangsleistung und der Wirkungsgradcharakteristik; die Mehrfinger-HBTen 102 und 106 sind besser als der Mehrfinger-HBT 144 hinsichtlich der Rauschcharakteristik.
Daher tritt ein Problem dahingehend auf, dass der HBT-Mehrstufenverstärker 140 mit nur den Mehringer-HBTen, die Emitterballastwiderstände verwenden, aufweist, gut ist hinsichtlich der Rauschcharakteristik, aber schlecht wird hinsichtlich der Ausgangsleistung und der Wirkungsgradcharakteristik. Andererseits tritt ein Problem dahingehend auf, dass der HBT-Mehrstufenverstärker 142, der nur aus dem Mehrfinger-HBTen 144, die die Basisballastwiderstände verwenden, besteht, gut ist hinsichtlich der Ausgangsleistung und der Wirkungsgradcharakteristik, aber schlecht wird hinsichtlich der Rauschcharakteristik.
Ein in einem Sender verwendeter Verstärker enthält Spezifikationen von Empfangsbandrauschen sowie hohe Ausgangs- und hohe Wirkungsgradcharakteristiken und erfordert sogar niedrige Rauschcharakteristiken. Es ist daher erforderlich, gleichzeitig die hohen Ausgangs- und hohen Wirkungsgradcharakteristiken als auch die niedrigen Rauschcharakteristiken zu realisieren. Ein Problem tritt dahingehend auf, dass der HBT-Mehrstufenverstärker 140 oder 142, der die herkömmliche Konfiguration hat, nicht in der Lage ist, gleichzeitig die hohen Ausgangs- und hohen Wirkungsgradcharakteristiken und die niedrigen Rauschcharakteristiken zu realisieren, sondern er realisiert nur jeweils eine von diesen.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um derartige Probleme zu lösen. Es ist eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung zu schaffen, die mit einer Verstärkerschaltung versehen ist, die die Verschlechterung der Hochfrequenzcharakteristik verringert und eine hohe thermische Stabilität vorsieht durch Ausbilden einer Ver stärkerschaltung, die eine Verschlechterung der Rauschcharakteristiken und eine Herabsetzung der Verstärkung des HBT verringert und eine geringere Herabsetzung des Leistungswirkungsgrads vorsieht, während die Konzentration eines Stroms auf eine Mehrfinger-HBT eingeschränkt wird.
Ein zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung zu schaffen, die mit einer Verstärkerschaltung versehen ist, die eine hohe Stabilität relativ zu der Konzentration eines Stroms und eine hohe Zuverlässigkeit aufweist.
Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung zu schaffen, die mit einem HBT-Mehrstufenverstärker versehen ist, der in der Lage ist, gleichzeitig hohe Ausgangs- und hohe Wirkungsgradcharakteristiken sowie niedrige Rauschcharakteristiken zu implementieren. Während die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. Hei 10(1998)-98336 eine Erfindung beschrieben hat, bei der eine Vorspannschaltung, die in der Lage ist, einen Betriebsstrom eines Ausgangstransistors einer Verstärkerschaltung ungeachtet einer Quellenspannung und im Verhältnis nur zu einer Basis-Emitter-Spannung einzustellen, in einer Hochfrequenz-Verstärkerschaltung verwendet wird, wodurch Veränderungen im gesättigten Ausgangspegel und der Verzerrungscharakteristik reduziert sind, selbst wenn das Betriebsumfeld wie eine Quellenspannung, Umgebungstemperaturen sich ändert, wobei die nachfolgend erwähnten Erfindungen nicht beschrieben sind.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: einen ersten Abschnitt einer Verstärkerschaltung, bei der erste Grundtransistoren jeweils mit einem ersten bipolaren Transistor mit einer Heteroübergangsstruktur und einem Emitterwiderstand mit einem Widerstandswert RE1, der in Reihe mit einer Emitterelektrode des ersten bipolaren Transistors verbunden ist, in einer Mehrfachform parallel geschaltet sind und sich auf einem ersten Halbleitersubstrat befinden; und einen zweiten Abschnitt der Verstärkerschaltung, der ein von dem ersten Abschnitt ausgegebenes Signal verstärkt und in dem zweite Grundtransistoren mit jeweils einem zweiten bipolaren Transistor mit einer Heteroübergangsstruktur und einem Basiswiderstand mit einem Widerstandswert RB2, der in Reihe mit einer Basiselektrode des zweiten bipolaren Transistors verbunden ist, in einer Mehrfachform parallel geschaltet sind und sich auf einem zweiten Halbleitersubstrat befinden.
Demgemäß ist es möglich, einen Rauschfaktor zu reduzieren, eine Herabsetzung der Verstärkung zu verringern und eine Verschlechterung des Leistungswiderstands zu verkleinern mit einer einfachen Struktur, während die Konzentration eines Stroms unterdrückt wird. Durch Erweiterung kann eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung vorgesehen werden, die eine hohe Zuverlässigkeit, eine ausgezeichnete Verstärkungscharakteristik und einen hohen Leistungswirkungsgrad hat.
Weiterhin sind die zweiten Grundtransistoren mit Emitterwiderständen versehen, die in Reihe mit Emitterelektroden der zweiten bipolaren Transistoren geschaltet sind, und die Widerstandswerte der in Reihe mit den Basiselektroden der zweiten bipolaren Tran sistoren geschalteten Basiswiderstände sind kleiner als RB2 eingestellt.
Demgemäß ist es möglich, Rauschcharakteristiken zu verbessern. Durch Erweiterung kann eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung mit ausgezeichneter Rauschcharakteristik vorgesehen werden.
Weiterhin ist ein Emitterabstand zwischen den benachbarten ersten Grundtransistoren in dem ersten Abschnitt der Verstärkerschaltung größer eingestellt als ein Emitterabstand zwischen den benachbarten zweiten Grundtransistoren in dem zweiten Abschnitt der Verstärkerschaltung.
Demgemäß ist es möglich, den thermischen Widerstand zu reduzieren und es zu erschweren, eine Stromkonzentration zu erzeugen. Durch Erweiterung kann eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung vorgesehen werden, die eine hohe Stabilität mit Bezug auf die Stromkonzentration und eine hohe Zuverlässigkeit hat.
Weiterhin werden die Widerstandswerte der Halbleiterwiderstände der ersten Grundtransistoren in dem ersten Abschnitt der Verstärkerschaltung kleiner als RE1 eingestellt.
Demgemäß ist es möglich, die Verschlechterung des Wirkungsgrads bei einem ersten Abschnitt herabzusetzen. durch Erweiterung kann eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung mit hohem Leistungswirkungsgrad vorgesehen werden.
Eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist auch auf: einen ersten Abschnitt einer Verstärkerschaltung, bei dem erste Grundtransistoren jeweils einen ersten bipolaren Transistor mit einer Heteroübergangsstruktur, einem Basiswiderstand mit einem Widerstandswert RB1, der in Reihe mit einer Basiselektrode des ersten bipolaren Transistors geschaltet ist, und einen Emitterwiderstand mit einem Widerstandswert RE1, der in Reihe mit einer Emitterelektrode des ersten bipolaren Transistors geschaltet ist, in einer Mehrfachform in Emitterabständen W1, die jeweils zwischen Emittern der ersten Grundtransistoren definiert sind, parallel geschaltet sind und sich auf einem ersten Halbleitersubstrat befinden; und einen zweiten Abschnitt der Verstärkerschaltung, der ein von dem ersten Abschnitt ausgegebenes Signal verstärkt und bei dem zweite Grundtransistoren mit jeweils einem zweiten bipolaren Transistor mit einer Heteroübergangsstruktur, einem Basiswiderstand mit einem Widerstandswert RB2, der in Reihe mit einer Basiselektrode des zweiten bipolaren Transistors geschaltet ist, und einem Emitterwiderstand mit einem Widerstandswert RE2, der in Reihe mit einer Emitterelektrode des zweiten bipolaren Transistors geschaltet ist, in einer Mehrfachform mit Emitterabständen W2, die jeweils zwischen Emittern der zweiten Grundtransistoren definiert sind, parallel geschaltet sind und sich auf einem zweiten Halbleitersubstrat befinden; wobei die Intervalle W1 und W2 wie folgt eingestellt sind: w1 > w2.
Demgemäß ist es möglich, den thermischen Widerstand herabzusetzen und es zu erschweren, eine Stromkonzentration zu erzeugen. Durch Erweiterung kann eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung vorgesehen werden, die eine hohe Stabilität mit Bezug auf die Stromkonzentration und eine hohe Zuverlässigkeit hat.
Weiterhin wird eine Beziehung zwischen dem Wider standswert RE1 des Emitterwiderstands jedes ersten Grundtransistors und dem Widerstandswert RE2 des Emitterwiderstands jedes zweiten Grundtransistors wie folgt hergestellt: RE1 < RE2; und eine Beziehung zwischen dem Widerstandswert RB1 des Basiswiderstands jedes ersten Basistransistors und dem Widerstandswert RB2 des Basiswiderstands jedes zweiten Basistransistors wird wie folgt hergestellt: RB < RB2.
Demgemäß ist es möglich, einen Rauschfaktor herabzusetzen, eine Herabsetzung der Verstärkung zu verringern und eine Verschlechterung des Leistungswirkungsgrads zu verringern, während die Konzentration eines Stroms beschränkt wird. Durch Erweiterung kann eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung vorgesehen werden, die eine hohe Zuverlässigkeit, eine ausgezeichnete Verstärkungscharakteristik und einen hohen Leistungswirkungsgrad hat.
Weiterhin entspricht der erste Abschnitt der Verstärkerschaltung einer ersten Stufe, und der zweite Abschnitt der Verstärkerschaltung entspricht einer Ausgangsstufe. Demgemäß ist es möglich, einen Rauschfaktor bei einer ersten Stufe, der am stärksten zu dem Rauschfaktor beträgt, herabzusetzen, und die Verschlechterung des Leistungswirkungsgrads bei einer Ausgangsstufe, die am meisten zu dem Leistungswirkungsgrad beiträgt, zu verringern. Durch Erweiterung kann eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung mit ausgezeichneter Verstärkungscharakteristik und hohem Leistungswirkungsgrad effektiv eingesetzt werden.
Weiterhin sind das erste Halbleitersubstrat und das zweite Halbleitersubstrat integral gebildet.
Demgemäß kann eine Herabsetzung der Größe erreicht werden. Durch Erweiterung kann eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung vorgesehen werden, die eine geringe Größe hat und niedrige Kosten aufweist.
Eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist auch auf: einen ersten Verstärkerschaltungsabschnitt enthaltend eine Erststufen-Verstärkerschaltung mit einer ersten bipolaren Transistorvorrichtung mit einer Heteroübergangsstruktur, der mit Emitterballastwiderständen verbunden ist; und einen zweiten Verstärkerschaltungsabschnitt, der ein von dem ersten Verstärkerschaltungsabschnitt ausgegebenes Signal verstärkt und eine Endstufen-Verstärkerschaltung aufweisend eine zweite bipolare Transistorvorrichtung mit einer Heteroübergangsstruktur, der mit Basisballastwiderständen verbunden ist, enthält.
Demgemäß können niedrige Rauschcharakteristiken eines ersten Verstärkerschaltungsabschnitts enthaltend eine Erststufen-Verstärkerschaltung realisiert werden, und hohe Ausgangs- und hohe Wirkungsgradcharakteristiken eines zweiten Verstärkerschaltungsabschnitts enthaltend eine Endstufen-Verstärkerschaltung können realisiert werden. Durch Erweiterung kann eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung, die mit einem HBT-Mehrstufenverstärker ausgestattet ist, der in der Lage ist, gleichzeitig hohe Wirkungsgradcharakteristiken und niedrige Rauschcharakteristiken zu realisieren, vorgesehen werden.
Weiterhin besteht die erste bipolare Transistorvorrichtung aus ersten Grundtransistoren, die in Mehrfachform parallel geschaltet sind, wobei jeder einen ersten bipolaren Transistor mit einer Heteroübergangsstruktur und einen Emitterballastwiderstand, der mit dem ersten bipolaren Transistor verbunden ist, aufweist, und die zweite bipolare Transistorvorrichtung besteht aus zweiten Grundtransistoren, die in einer Mehrfachform parallel geschaltet sind, wobei jeder einen zweiten bipolaren Transistor mit einer Heteroübergangsstruktur und einen Basisballastwiderstand, der mit dem zweiten bipolaren Transistor verbunden ist, aufweist.
Demgemäß wird eine Zunahme der Ausgangsleistung ermöglicht und ein thermischer Weglauf kann beschränkt werden. Durch Erweiterung kann eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung, die mit einem HBT-Mehrstufenverstärker versehen und die eine hohe Ausgangsleistung und eine hohe Zuverlässigkeit liefert, vorgesehen werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Verstärkers mit hoher Ausgangsleistung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist eine Draufsicht auf einen Mehrfinger-HBT, der einen Verstärker mit hoher Ausgangsleistung gemäß der vorliegenden Erfindung bildet.
3 ist eine Querschnittsansicht des Mehrfinger-HBT, die entlang der Linie III-III in 2 genommen ist.
4 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Verstärkers mit hoher Ausgangsleistung gemäß der vorliegenden Er findung zeigt.
5 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Verstärkers mit hoher Ausgangsleistung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein Blockschaltbild, das einen HBT-Mehrstufenverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
7 ist ein typisches Diagramm, das eine Äquivalenzschaltung eines Mehrfinger-HBT, der Emitterballastwiderstände verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein typisches Diagramm, das eine Äquivalenzschaltung eines Mehrfinger-HBT, der Emitterballastwiderstände verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist ein typisches Diagramm, das eine Äquivalenzschaltung eines Mehrfinger-HBT, der Basisballastwiderstände verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein typisches Diagramm, das eine Äquivalenzschaltung eines Mehrfinger-HBT, der Basisballastwiderstände verwendet, gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines herkömmlichen Verstärkers mit hoher Ausgangsleistung zeigt.
12 ist ein Blockschaltbild eines herkömmli chen HBT-Mehrstufenverstärkers, der unter Verwendung nur von HBT-Vorrichtungen, die Emitterballastwiderstände verwenden, ausgebildet ist.
13 ist ein Blockschaltbild eines herkömmlichen HBT-Mehrstufenverstärkers, der unter Verwendung nur von HBT-Vorrichtungen, die Basisballastwiderstände verwenden, ausgebildet ist.
BESTE ART DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen 1 bis 3 wird ein Leistungsverstärker beschrieben, der beispielsweise eine Zweistufenkonfiguration hat. Jedoch müssen sie nicht notwendigerweise die Zweistufenkonfiguration verwenden. Eine Konfiguration einer Mehrstufe, die gröber als die zwei Stufen ist, kann verwendet werden.
Ausführungsbeispiel 1
Das vorliegende Ausführungsbeispiel ist eines, bei dem eine erste und eine Ausgangsstufe eines Verstärkers jeweils einen Mehrfinger-HBT aufweisen, wobei jeder der Grund-HBTen, die den Mehrfinger-HBT der ersten Stufe bilden, aus einem HBT und einem mit einem Emitter des HBT verbundenen Emitterwiderstand bestehen, und jeder der Grund-HBTen, die den Mehrfinger-HBT der Ausgangsstufe bilden, aus einem HBT und einem mit einer Basis des HBT verbundenen Basiswiderstand bestehen.
1 ist ein Blockschaltbild, das eine Ausbildung eines Verstärkers mit hoher Ausgangsleistung gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 zeigt.
In 1 zeigt die Bezugszahl 10 einen Leistungsverstärker an, 12 zeigt einen Mehrfinger-HBT an, der als ein erster Teil oder Abschnitt verwendet wird, der als eine erste Stufe des Leistungsverstärkers 10 dient, und 14 zeigt Grund-HBTen an, die jeweils als ein erster Grundtransistor des Mehrfinger-HBT 12 verwendet werden. Die m Grund-HBTen sind parallel als C11, C12, ..., C1m verbunden.
Jeder Grund-HBT 14 weist einen HBT 14a und einen in Reihe mit einer Emitterelektrode des HBT 14a geschalteten Emitterwiderstand 14b auf.
Die C11, C12, ..., C1m der Grund-HBTen 14 haben dieselbe Struktur. Die individuellen HBTen 14a und Emitterwiderstände 14b haben ihre jeweiligen Schaltungskonstanten, die einander identisch sind. Jeder der HBTen 14a hat eine Stromverstärkung β1 und jeder der Emitterwiderstände 14b hat einen Widerstandswert RE1. Weiterhin sind die Grund-HBTen 14 in gegenseitigen Emitterabständen W1 angeordnet. Bei den Grund-HBTen 14 wird die Signalleistung direkt an der Basiselektrode jedes der HBTen 14a eingegeben, und ein verstärktes Ausgangssignal wird von der Kollektorelektrode jedes der HBTen 14a ausgegeben. Die Emitterelektroden von diesen sind über die jeweiligen Emitterwiderstände 14b geerdet.
Die Bezugszahl 16 zeigt einen Mehrfinger-HBT an, der als ein zweiter Teil oder Abschnitt verwendet wird, der als eine Ausgangsstufe des Leistungsverstärkers 10 dient. Die Bezugszahlen 18 zeigen jeweils einen Grund-HBT an, der als ein zweiter Grundtransistor des Mehrfinger-HBT 16 verwendet wird. Die n Grund-HBTen sind parallel als C21, C22, ..., C2n miteinander verbunden.
Jeder der Grund-HBTen 18 weist einen HBT 18a und einen in Reihe mit einer Basiselektrode des HBT 18a geschalteten Basiswiderstand 18c auf.
Die C21, C22, ..., C2n der Basis-HBTen 18 haben dieselbe Struktur. Die jeweiligen Schaltungskonstanten der individuellen HBTen 18a und der Basiswiderstände 18c sind einander identisch. Jeder der HBTen 18a hat eine Stromverstärkung β2 und jeder Basiswiderstände 18c hat einen Widerstandswert RB2. Weiterhin sind die Grund-HBTen 18 mit denselben gegenseitigen Emitterabständen W1 wie die Grund-HBTen 14 des Mehrfinger-HBT 12 angeordnet. Bei den HBTen 18 wird die Signalleistung an der Basiselektrode jedes der HBTen 18a über jeden der Basiswiderstände 18c eingegeben, und ein verstärktes Ausgangssignal wird von der Kollektorelektrode jedes der HBTen 18a ausgegeben. Die Emitterelektroden von diesen sind direkt geerdet.
Der Emitterwiderstand 14b und der Basiswiderstand 18c weisen jeweils einen Dünnfilmwiderstand auf. Der Emitterwiderstand 14b kann gleichzeitig mit der Bildung einer Emitterschicht durch ein epitaxiales Wachstum anstelle des Dünnfilmwiderstands gebildet werden.
Die Bezugszahl 20 zeigt einen Eingangsanschluss an, an dem die Signalleistung eingegeben wird, und 22 zeigt einen Ausgangsanschluss an, an dem die verstärkte Signalleistung ausgegeben wird. Die Bezugszahl 24 zeigt einen Quellenspannungsanschluss an, an dem Vcc angelegt wird. Die Bezugszahl 26 zeigt eine Basisvorspannschaltung an, die eine Basisspannung er zeugt.
Die Bezugszahl 28 zeigt eine Eingangsanpassungsschaltung an, die mit der Eingangsseite des erststufigen Mehrfinger-HBT 12 verbunden ist, und 30 zeigt eine Ausgangsanpassungsschaltung an, die mit der Ausgangsseite des Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe verbunden ist. Die Bezugszahl 32 zeigt eine Zwischenstufen-Anpassungsschaltung an, die zwischen den Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 und den Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe geschaltet ist. Die Bezugszahl 34 zeigt eine zwischen die Basiselektroden des Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 und die Basisvorspannschaltung 26 geschaltete Anpassungsschaltung an, und 36 zeigt eine zwischen die Basiselektroden des Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe und die Basisvorspannschaltung 26 geschaltete Anpassungsschaltung an. Die Bezugszahl 38 zeigt eine zwischen die Kollektorelektroden des Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 und den Quellenspannungsanschluss 24 geschaltete Anpassungsschaltung an, und 40 zeigt eine zwischen die Kollektorelektroden des Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe und den Quellenspannungsanschluss 24 geschaltete Anpassungsschaltung an.
Bei dem Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 wird eine Basisspannung von der Basisvorspannschaltung 26 an die Basiselektrode jedes Grund-HBT 14 über die Anpassungsschaltung 34 angelegt, und Vcc wird von dem Quellenspannungsanschluss 24 über die Anpassungsschaltung 38 an die Kollektorelektrode jedes Grund-HBT 14 angelegt.
In dem Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe wird eine Basisspannung von der Basisvorspannschaltung 26 über die Anpassungsschaltung 36 an die Basiselektrode jedes Basis-HBT 18 angelegt, und Vcc wird von dem Quel lenspannungsanschluss 24 über die Anpassungsschaltung 40 an die Kollektorelektrode jedes Grund-HBT 18 angelegt.
Die Basiselektroden des Mehrfinger-HBT 12 sind über die Eingangsanpassungsschaltung 28 mit dem Eingangsanschluss 20 verbunden, und die Kollektorelektroden von diesen sind über die Anpassungsschaltung 32 mit ihren entsprechenden Basiselektroden des Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe verbunden. Die Kollektorelektroden der Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe sind über die Ausgangsanpassungsschaltung 30 mit dem Ausgangsanschluss 22 verbunden.
2 ist eine Draufsicht auf den Mehrfinger-HBT 12, der die Anfangsstufe des Leistungsverstärkers 10 bildet. Ein Bereich A, der durch eine strichpunktierte Linie in 2 umgeben ist, zeigt den Grund-HBT 14 an. 3 ist eine Querschnittsansicht des Mehrfinger-HBT 12, die entlang der Linie III-III in 2 genommen ist. Die Emitterwiderstände sind in den 2 und 3 nicht illustriert.
In den 2 und 3 zeigt die Bezugszahl 50 eine Kollektorschicht an, die aus einer n⁺GaAs-Schicht zusammengesetzt ist. Die Bezugszahlen 52 zeigen Kollektorelektroden an. Die Bezugszahlen 54 zeigen Basisschichten an, von denen jede auf der Oberfläche der Kollektorschicht 50 zwischen den beiden Kollektorelektroden 52 angeordnet ist und aus einer p⁺GaAs-Schicht besteht. Die Bezugszahlen 56 zeigen Basiselektroden an, die auf der Oberfläche der Basisschicht 54 angeordnet sind. Die Bezugszahlen 58 zeigen Emitterschichten an, von denen jede auf der Oberfläche der Basisschicht 54 so angeordnet ist, dass sie sich zwischen den beiden Basiselektroden 56 be findet. Die Bezugszahlen 60 zeigen Emitterelektroden an, von denen jede auf der Oberfläche der Emitterschicht 58 angeordnet ist. W1 zeigt einen Emitterabstand an.
In 3 zeigt die Bezugszahl 62 ein GaAs-Substrat an, das als ein erstes Halbleitersubstrat verwendet wird, das eine Oberfläche hat, auf dem sich die Kollektorschicht 50 befindet. Die Bezugszahlen 64 zeigen Isolatoren an, von denen jeder durch Ionenimplantation von Wasserstoffionen H⁺ oder dergleichen gebildet ist. Der Isolator 64 erstreckt sich so durch die Kollektorschicht 50, dass er von der Oberfläche des Kollektors 50 zu dem GaAs-Substrat 62 reicht.
Der die Ausgangsstufe des Leistungsverstärkers 10 bildende Mehrfinger-HBT 16 ist, obgleich unterschiedlich in der Anzahl der Grund-HBTen, in der Konfiguration ähnlich der 2, die die Draufsicht auf den die erste Stufe bildenden Mehrfinger-HBT 12 zeigt, und der 3, die die Querschnittsansicht des Mehrfinger-HBT 12 zeigt.
Zu dem Eingangsanschluss 20 geführte Signalleistung wird über die Eingangsanpassungsschaltung 28 so in den Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 eingegeben, dass sie verzweigt wird. Die verzweigte Signalleistung wird an den entsprechenden Basiselektroden der individuellen Grund-HBTen 14 eingegeben, in denen sie verstärkt wird. Die durch die individuellen Grund-HBTen 14 verstärkte Signalleistung wird von den entsprechenden Kollektorelektroden der Grund-HBTen 14 ausgegeben, wonach sie in eine kombiniert werden, die ihrerseits von dem Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 ausgegeben wird.
Die von dem Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 verstärkte Signalleistung wird über die Zwischenstufen-Anpassungsschaltung 32 so in den Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe eingegeben, dass sie verzweigt wird. Die verzweigte Signalleistung wird in die entsprechenden Basiselektroden der individuellen Grund-HBTen 18 über die Basiswiderstände 18c eingegeben, worauf sie wieder verstärkt werden. Die durch die individuellen Grund-HBTen 18 verstärkte Signalleistung wird von den entsprechenden Kollektorelektroden der individuellen Grund-HBTen 18 ausgegeben, worauf sie in eine kombiniert werden, die ihrerseits von dem Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe ausgegeben wird und über die Ausgangsanpassungsschaltung 30 von dem Ausgangsanschluss 22 ausgegeben wird.
Die Größe des Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe wird gemäß der geforderten Ausgangsleistung des Leistungsverstärkers 10 bestimmt. Unter der Annahme, dass die Flächen der Emitter beispielsweise 10000 μm² erfordern, um eine Ausgangsleistung von 1 W zu erhalten, sind hundert Grund-HBTen 18 erforderlich, wenn die Flächen der Emitter der den Grund-HBT 18 bildenden HBTen 18a jeweils 100 μm² sind. Mit anderen Worten, der Mehrfinger-HBT 16 besteht aus einhundert Grund-HBTen 18. Wenn die Verstärkung der Ausgangsstufe gleich 11 dB ist und der Verlust der Zwischenstufen-Anpassungsschaltung 32 gleich –1 dB ist, ergibt sich die von dem Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 geforderte Ausgangsleistung zu 0,1 W. D.h., die Ausgangsleistung wird wie folgt dargestellt: 1 W = 10log1000 dBm = 30 dBm, 30 dBm – 11 dB + 1 dB = 20 dBm = 0,1 W.
Eine Emittergröße, um diese Ausgangsleistung zu erhalten, die von dem Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 ge fordert wird, beträgt 1000 μm². Wenn er aus HBTen 14a besteht, die jeweils die Emitterfläche von 100 μm² haben, sind zehn Grund-HBTen 14 erforderlich.
Im Allgemeinen variiert ein Widerstandswert eines Widerstands jedes Grund-HBT entsprechend einem thermischen Widerstand eines GaAs-Substrats. Unter der Annahme, dass die Dicke des GaAs-Substrats beispielsweise 100 μm beträgt, ergibt ein in Reihe mit der entsprechenden Basiselektrode des Grund-HBT geschalteter Basiswiderstand RB von etwa 100 Ω. Unter der Annahme, dass eine Stromverstärkung β jedes HBT gleich 100 ist, benötigt ein in Reihe mit der entsprechenden Emitterelektrode geschalteter Emitterwiderstand RE = 1 Ω (= 100 Ω/100) als einen Emitterwiderstandswert.
Um die Verschlechterung der Charakteristik aufgrund der Konzentration von Strömen auf die Mehrfinger-HBT zu unterdrücken, benötigen die Grund-HBTen die Hinzufügung der vorgenannten Basiswiderstände oder Emitterwiderstände.
Bei dem herkömmlichen Beispiel sind die erste Stufe und die Ausgangsstufe ebenfalls identisch ausgebildet, und die Grund-HBTen werden einfach mit den Emitterwiderständen verbunden, selbst in dem Fall sowohl der Anfangsstufe als auch der Ausgangsstufe. Bei dem Leistungsverstärker gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind jedoch die Grund-HBTen 14 der ersten Stufe jeweils allein mit dem Emitterwiderstand 14b versehen, und die Grund-HBTen 18 der Ausgangsstufe sind jeweils nur mit dem Basiswiderstand versehen.
Unter der Annahme, dass der Leistungswirkungsgrad des Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe auf 50% gesetzt ist, um eine Ausgangsleistung von 1 W von einer Quellenspannung 2 V zu erhalten, wird ein Kollektorstrom Ic in der folgenden Weise dargestellt: Ic = 1/2/0,5 = 1 A.
Ein Kollektorstrom pro Grund-HBT 18 ergibt sich zu 10 mA.
Wenn jeder der Emitterwiderstände wie bei dem herkömmlichen Beispiel vorgesehen ist, wird eine Kollektor-Emitter-Spannung Vce wie folgt dargestellt: Vce = 2 – 0,1 × 1 = 1,00.
Somit wird eine Verringerung des Wirkungsgrads, die äquivalent etwa 1% (= 1,00/2) ist, erzeugt.
Da jedoch die Grund-HBTen 18 in dem Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe mit den Basiswiderständen allein und ohne Emitterwiderstände in dem Leistungsverstärker 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 versehen sind, wird eine derartige Herabsetzung des Wirkungsgrads nicht erzeugt.
Andererseits tritt, da den Grund-HBTen 14 des Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 die Emitterwiderstände 14b hinzugefügt sind, eine Wirkungsgradverringerung von 1% auf. Jedoch wird sie unbedeutend insbesondere im Vergleich mit der Ausgangsstufe. D.h., da ein Strom, der in der Ausgangsstufe fließt, 1000 mA beträgt und 1% hiervon gleich 10 mA sind, während ein Strom, der in der ersten Stufe fließt, 100 mA beträgt und 1% hiervon 1 mA sind, ist der Beitrag mit oder für die Zunahme oder Abnahm des Stroms klein.
Andererseits wird ein Rauschfaktor NFt des gesamten Leistungsverstärkers in folgender Weise dargestellt, wobei ein Rauschfaktor einer i-ten Stufe als NFi und deren Verstärkung als Gi ausgedrückt sind: NF't = NF1 + NF2/G1 + ... + NFi/Gi + ...
Daher wird, da die Verstärkung der ersten Stufe gleich 10 dB ist, selbst wenn ein Eingangsverlust um 2 dB ansteigt, und der Rauschfaktor der Ausgangsstufe um 2 dB verschlechtert wird aufgrund der Hinzufügung jedes Basiswiderstands zu der Ausgangsstufe, die Verschlechterung des Rauschfaktors des gesamten Leistungsverstärkers 10 wie folgt unterdrückt: 2 dB/10 dB = 0,2 dB.
Da den Grund-HBTen 14 des Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 jeweils der Emitterwiderstand 14b allein hinzugefügt ist und die Grund-HBTen 18 in dem Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe jeweils mit dem Basiswiderstand allein in dem Leistungsverstärker 10 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 versehen sind, erzeugt der Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 keine Verschlechterung des Rauschfaktors, da der Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 keinen Verlust in seinem Eingangssignal erzeugt, und der Mehrfinger-HBT 16 der Ausgangsstufe erzeugt keinen Abfall der Kollektor-Emitter-Spannung und bewirkt keine Herabsetzung des Leistungswirkungsgrads.
Bei der vorbeschriebenen vorliegenden Erfindung werden Verbesserungen des Rauschfaktors und der Verstärkung erhalten und eine Erhöhung des Leistungswirkungsgrads ergibt sich als das integrierte Gesamte des Leistungsverstärkers, während die Konzentration der Ströme auf die Mehrfinger-HBTen aufgrund der Hin zufügung der Emitterwiderstände zu der ersten Stufe und der Verwendung der Basiswiderstände für die Ausgangsstufe verhindert wird. Durch Erweiterung kann ein Leistungsverstärker ausgebildet werden, der eine hohe Zuverlässigkeit, eine ausgezeichnete Verstärkungscharakteristik und einen hohen Leistungswirkungsgrad hat.
Ausführungsbeispiel 2
Bei dem Ausführungsbeispiel 2 ist in der Ausgangsstufe des Ausführungsbeispiels 1 der Widerstandswert jedes Basiswiderstands geringfügig herabgesetzt und jeder Emitterwiderstand kompensiert die geringfügige Herabsetzung des Widerstandswerts. Weiterhin erfolgt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine weitere Verbesserung der Rauschcharakteristik im Vergleich mit dem Leistungsverstärker 10 gemäß Ausführungsbeispiel 1.
4 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Verstärkers mit hoher Ausgangsleistung gemäß Ausführungsbeispiel 2 zeigt.
In 4 zeigt die Bezugszahl 70 einen Leistungsverstärker an, 72 zeigt einen Mehrfinger-HBT an, der als ein zweiter Teil oder Abschnitt verwendet wird, der als eine Ausgangsstufe des Leistungsverstärkers 70 dient, und 74 zeigt Grund-HBTen an, die jeweils als ein zweiter Grundtransistor des Mehrfinger-HBT 72 verwendet werden. Die n Grund-HBTen sind als C21, C22, ..., C2n parallel geschaltet.
Jeder Grund-HBT 74 weist einen HBT 74a, einen in Reihe mit einer Basiselektrode des HBT 74a geschalteten Basiswiderstand 74c und einen in Reihe mit einer E mitterelektrode des HBT 74a in Reihe geschalteten Emitterwiderstand 74b auf.
Die C21, C22, ..., C2n der Grund-HBTen 74 haben dieselbe Struktur. Die individuellen HBTen 74a, Emitterwiderstände 74b und Basiswiderstände 74c haben jeweils Schaltungskonstanten, die einander identisch sind. Jeder der HBTen 74a hat eine Stromverstärkung β3, jeder der Emitterwiderstände 74b hat einen Widerstandswert RE3 und jede der Basiswiderstände 74c hat einen Widerstandswert RB3. Weiterhin haben die Grund-HBTen 74 denselben gegenseitigen Emitterabstand W1 wie der Mehrfinger-HBT 12.
Bei jedem der Grund-HBTen 74 wird Signalleistung an der Basiselektrode des HBT 74a über den Basiswiderstand 74c eingegeben, und das verstärkte Ausgangssignal wird von der Kollektorelektrode des HBT 74a ausgegeben. Die Emitterelektrode von diesem ist über den Emitterwiderstand 74b geerdet.
In 4 zeigen dieselben Bezugszahlen wie diejenigen in 1 dieselben oder entsprechende an. Weiterhin sind sie selbst in dem Fall der folgenden Ausführungsbeispiele ähnlich.
In dem Leistungsverstärker 70 ist eine erste Stufe in der Konfiguration identisch dem Ausführungsbeispiel 1 und Grund-HBTen 14 machen jeweils Gebrauch von einem Emitterwiderstand 14b. Daher ist die Verschlechterung der Rauschcharakteristik in der ersten Stufe niedrig. Ein Problem liegt in einer Schaltungskonfiguration der Ausgangsstufe.
Unter der Annahme, dass eine Stromverstärkung gleich β ist, genügen der Widerstandswert RE des Emitterwi derstands jedes Grund-HBT und der Basiswiderstand RB der Beziehung RE = RB/β. Daher kann, wenn die Basiswiderstände der Ausgangsstufe, die die Rauschcharakteristiken beeinflussen, herabgesetzt sind und die Emitterwiderstände die Herabsetzung kompensieren, eine Verschlechterung der Rauschcharakteristik verringert werden, während die Konzentration eines Stroms verhindert wird.
D.h., unter der Annahme, dass der Widerstandswert des Basiswiderstands jedes Grund-HBT 18 nach Ausführungsbeispiel 1 als RB2 gegeben ist, kann der Grund-HBT 74 nach Ausführungsbeispiel 2 RB2 wie folgt setzen: RB2 = RB3 + RE3/β3.
D.h., RB3 wird wie folgt dargestellt: RB = –RE3/β3
RB3 < RB2 ist eingestellt. Der Leistungsverstärker 70 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist in der Rauschcharakteristik verbessert im Vergleich mit dem Leistungsverstärker 10 nach Ausführungsbeispiel 1.
Ausführungsbeispiel 3
Bei dem Ausführungsbeispiel 3 sind jeweils eine erste Stufe und eine Ausgangsstufe eines Verstärkers aus einem Mehrfinger-HBT gebildet, und Grund-HBTen, die den Mehrfinger-HBT bilden, weisen jeweils einen HBT, einen mit der entsprechenden Basiselektrode des HBT verbundenen Basiswiderstand und einen mit dem entsprechenden Emitter des HBT verbundenen Emitterwiderstand auf, wobei die Abstände zwischen den Emittern der Grund-HBTen, die den Erststufen-Mehrfinger-HBT bilden, größer eingestellt sind als die Abstände zwischen den Emittern der Grund-HBTen des Mehrfinger-HBT der Ausgangsstufe, die Emitterwiderstände der ersten Stufe kleiner eingestellt sind als die Emitterwiderstände der Ausgangsstufe und die Basiswiderstände der ersten Stufe kleiner eingestellt sind als die Basiswiderstände der Ausgangsstufe.
5 ist ein Blockschaltbild, das eine Konfiguration eines Verstärkers mit hoher Ausgangsleistung gemäß dem Ausführungsbeispiel 3 zeigt.
In 5 zeigt die Bezugszahl 75 einen Leistungsverstärker an, die Bezugszahl 76 zeigt einen Mehrfinger-HBT an, der als ein erster Teil oder Abschnitt verwendet wird, der als eine erste Stufe des Leistungsverstärkers 75 dient, und Bezugszahlen 78 zeigen Grund-HBTen an, die jeweils als ein erster Grundtransistor des Mehrfinger-HBT 12 verwendet werden. Die m Grund-HBTen sind als C11, C12, ..., C1m parallel geschaltet.
Jeder Grund-HBT 78 weist einen HBT 78a, einen in Reihe mit einer Emitterelektrode des HBT 78a geschalteten Emitterwiderstand 78b und einen in Reihe mit einer Basiselektrode geschalteten Basiswiderstand 78c auf.
Die C11, C12, ..., C1m der Grund-HBTen 78 haben dieselbe Struktur. Die individuellen HBTen 78a, Emitterwiderstände 78b und Basiswiderstände 78c haben jeweils Schaltungskonstanten, die einander identisch sind. Jeder der HBTen 78a hat eine Stromverstärker β5, jeder der Emitterwiderstände 78b hat einen Widerstandswert RE5 und jeder Basiswiderstände hat einen Widerstandswert RB5. Weiterhin haben die Grund-HBTen 78 gegenseitige Emitterabstände W5.
Bei jedem der Grund-HBTen 78 wird Signalleistung an der Basiselektrode des HBT 78a über den Basiswiderstand 78c eingegeben, und das verstärkte Ausgangssignal wird von der Kollektorelektrode des HBT 78a ausgegeben. Die Emitterelektrode des HBT 78a ist über den Emitterwiderstand 78b geerdet.
Die Bezugszahl 80 zeigt einen Mehrfinger-HBT an, der als ein zweiter Teil oder Abschnitt verwendet wird, der als eine Ausgangsstufe des Leistungsverstärkers 75 dient, und 82 zeigt Grund-HBTen an, die jeweils als ein zweiter Grundtransistor des Mehrfinger-HBT 80 verwendet werden. Die n Grund-HBTen sind als C21, C22, ..., C2n parallel geschaltet.
Jeder der Grund-HBTen 82 weist einen HBT 82a, einen in Reihe mit einer Basiselektrode des HBT 82a geschalteten Basiswiderstand 18c und einen in Reihe mit einer Emitterelektrode geschalteten Emitterwiderstand 82b auf.
Die C21, C22, ..., C2n der Grund-HBTen 82 haben dieselbe Struktur. Die individuellen HBTen 82a, Emitterwiderstände 82b und Basiswiderstände 82c haben jeweils Schaltungskonstanten, die einander identisch sind. Jeder der HBTen 82a hat eine Stromverstärkung β6, jeder der Emitterwiderstände 82b hat einen Widerstandswert RE6 und jeder der Basiswiderstände 82c hat einen Widerstandswert RB6. Weiterhin haben die Grund-HBTen 82 gegenseitige Emitterabstände W6, die kleiner als bei dem Mehrfinger-HBT 76 sind.
Bei jedem der Grund-HBTen 82 wird Signalleistung an die Basiselektrode des HBT 18a über den Basiswider stand 82c eingegeben, und das verstärkte Ausgangssignals wird von der Kollektorelektrode der HBTen 82a ausgegeben. Die Emitterelektrode des HBT 82a ist über den Emitterwiderstand 82b geerdet.
Die Grund-HBTen 78 und 82 sind in der Grundkonfiguration dem Ausführungsbeispiel 1 ähnlich.
Unter der Annahme, dass bei dem Mehrfinger-HBT 80 der Ausgangsstufe eine Ausgangsleistung gleich 1 W ist, und der Leistungswirkungsgrad zu dieser Zeit gleich 50% ist, ergibt sich eine in Wärme umzuwandelnde Leistung als 1 W. In gleicher Weise ergibt sich unter der Annahme, dass bei dem Erststufen-Mehrfinger-HBT 76 eine Ausgangsleistung gleich 100 mW ist und der Leistungswirkungsgrad zu dieser Zeit gleich 50% ist, die in Wärme umzuwandelnde Leistung als 100 mW. Die Menge der in der ersten Stufe auf diese Weise erzeugten Wärme ist geringer als in der Ausgangsstufe.
Da die Fläche des Mehrfinger-HBT proportional zur Ausgangsleistung ist, kann die Fläche des Erststufen-Mehrfinger-HBT 76 1/10 der Fläche des Mehrfinger-HBT 80 der Ausgangsstufe einnehmen.
Andererseits jedoch wird, je stärker die Fläche eines wärmeerzeugenden Bereichs verringert wird, desto höher der thermische Widerstand. Zu diesem Zweck ist, wenn die Fläche des Erststufen-Mehrfinger-HBT 76 auf 1/10 der Fläche des Mehrfinger-HBT 80 der Ausgangsstufe gesetzt ist, um proportional zu einer Ausgangsleistung zu sein, die Menge der in dem Mehrfinger-HBT 76 erzeugten Wärme niedrig, aber der thermische Widerstand hiervon nimmt zu. Daher führen die Widerstandswerte der Basiswiderstände und Emitterwiderstände, die für den Grund-HBT 76 zum Beschränken der Wärmekonzentration erforderlich sind, in der Größe ähnlich zu den Widerstandswerten der Basis- und Emitterwiderstände der Grund-HBTen 82 der Mehrfinger-HBT 80 der Ausgangsstufe.
Bei dem Leistungsverstärker nach dem Ausführungsbeispiel 3 sind die Grund-HBTen 82 der Ausgangsstufe eng angeordnet mit Emitterwiderständen W6 in einem zulässigen Ausmaß wie üblich, und die Grund-HBTen 78 der ersten Stufe sind in gegenseitigen Abständen W5 angeordnet, die größer als die in der Ausgangsstufe verwendeten Emitterabstände W6 sind.
D.h., W5 und W6 sind wie folgt dargestellt: W5 > W6
Da die Emitterabstände W5 größer als die in der Ausgangsstufe verwendeten Emitterabstände W6 eingestellt sind, erhöht sich der thermische Widerstand nicht, und die Widerstandswerte RB5 der Basiswiderstände 78c, die die Grund-HBTen 78 der ersten Stufe bilden, können kleiner als diejenigen der Basiswiderstände 82c, die die Grund-HBTen 82 der Ausgangsstufe bilden, eingestellt werden. D.h., RB5 und RB6 können wie folgt dargestellt werden: RB5 < RB6
Weiterhin können die Widerstandswerte RE5 der Emitterwiderstände 78b, die die Grund-HBTen 78 der ersten Stufe bilden, kleiner eingestellt werden als die Widerstandswerte RE6 der Emitterwiderstände 82b, die die Grund-HBTen 82 der Ausgangsstufe bilden. D.h., RE5 und RE6 können wie folgt dargestellt werden: RE5 < RE6
Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Emitterabstände der ersten Stufe größer gemacht als die Emitterabstände der Ausgangsstufe und die Emitterwiderstände und Basiswiderstände der Grund-HBTen der ersten Stufe zum Verhindern der Konzentration eines Stroms in der ersten Stufe sind klein eingestellt. Folglich werden Erhöhungen eines Rauschfaktors und der Verstärkung erhalten und eine weitere Verbesserung des Leistungswirkungsgrads wird als das integrierte Gesamte des Leistungsverstärkers erhalten, während die Konzentration eines Stroms in jedem Mehrfinger-HBT vermieden wird.
Spezifische Beispiele
(i) Wenn nur die Emitterwiderstände in den Grund-HBTen der ersten Stufe und nur die Basiswiderstände in den Grund-HBTen der Ausgangsstufe verwendet werden:
In diesem Fall werden die Emitterabstände der ersten Stufe weiter eingestellt als die Emitterabstände der Ausgangsstufe im Ausführungsbeispiel 1.
Da eine Beschränkung einer Wirkungsgradherabsetzung in Betracht gezogen wird, wird eine Beziehung RE = RB/β zwischen einem Emitterwiderstand RE und einem Basiswiderstand RB hergestellt, basierend auf einer Stromverstärkung β in Anbetracht jedes Emitterwiderstands als der Basis. Da die Menge der in der ersten Stufe erzeugten Wärme gering ist, können RB5 und RB6 sowie RE5 und RE6 dargestellt werden als RB5 < RB6 und RE5 < RE6. Die Beziehung zwischen diesen ist wie folgt: RE5 + RB5/β5 < RE6 + RB6/β6
Es wird nun angenommen, dass nur die Emitterwiderstände für die Grund-HBTen der ersten Stufe und nur die Basiswiderstände für die Grund-HBTen der Ausgangsstufe vorgesehen sind, RB5 = 0 und RE6 = 0 sind und daher der vorstehende Ausdruck wie folgt umgeschrieben wird: RE5 < RB6/β6
Hier sind RB6/β6 = RE1 und RE5 < RE1. Mit anderen Worten, die Widerstandswerte der Emitterwiderstände der ersten Stufe können kleiner gemacht werden durch Öffnen oder Erweitern der Emitterabstände des Erststufen-Mehrfinger-HBT 12 des Ausführungsbeispiels 1 von W1 in W5, wodurch eine Herabsetzung des Wirkungsgrads er ersten Stufe unterdrückt werden kann.
(ii) Wenn die Emitterwiderstände und Basiswiderstände in den Grund-HBTen der ersten Stufe verwendet werden und nur die Basiswiderstände in den Grund-HBTen der Ausgangsstufe verwendet werden:
Dies ist ein Fall, in welchem ein zulässiger Wert groß eingestellt wird mit Bezug auf die Größe der Verschlechterung der Rauschcharakteristik, und eine weitere Verbesserung des Wirkungsgrads wird erzielt.
Beispielsweise ist das Ausführungsbeispiel 1 so ausgebildet, dass nur die Emitterwiderstände 14b in den Grund-HBTen 14 der ersten Stufe verwendet werden und nur die Basiswiderstände 18c in den Grund-HBTen 18 der Ausgangsstufe verwendet werden. Daher erreicht eine Herabsetzung des Wirkungsgrads aufgrund der Verringerung des Wirkungsgrads der ersten Stufe 0,1% (= 1 mA/(100 mA + 1000 mA) über den gesamten Leistungsverstärker. Wenn jedoch Raum zur Verringerung eines Rauschfaktors in gewissem Ausmaß vorhanden ist, kann eine Beschränkung der Herabsetzung des Wirkungsgrads auf der Grundlage hiervon in Betracht gezogen werden.
In einer Weise ähnlich dem Obigen (i) kann selbst in diesem Fall die Beziehung zwischen RB5 und RB6 sowie RE5 und RE6 wie folgt dargestellt werden: RE5 + RB5/β5 < RE6 + RB6/β6
Da die Emitterwiderstände der Ausgangsstufe nicht vorgesehen sind, ist RE6 = 0. D.h., die vorstehende Beziehung wird wie folgt umgeschrieben: RE5 + RB6/β5 < RB6/β6
Demgemäß können die Emitterwiderstände der ersten Stufe wie folgt dargestellt werden: RE5 < RB6/β5 – RB5/β6
Somit kann die Herabsetzung des Wirkungsgrads weiter beschränkt werden.
Während das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel für den Zweistufenverstärker beschrieben wurde, können ähnliche Wirkungen erhalten werden, selbst als eine Stufe vor einem Mehrstufenverstärker und eine Stufe diesem nachfolgend.
Ausführungsbeispiel 4
6 ist ein Blockschaltbild, das einen HBT-Mehrstufenverstärker gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
In 6 zeigt die Bezugszahl 85 einen HBT-Mehrstufenverstärker an, 20 zeigt einen Eingangsanschluss an, 22 zeigt einen Ausgangsanschluss an, 28 zeigt eine Eingangsanpassungsschaltung an, 32 zeigt Zwischenstufen-Anpassungsschaltungen an und 30 zeigt eine Ausgangsanpassungsschaltung an. Zusätzlich zeigt die Bezugszahl 86 eine Erststufen-HBT-Vorrichtung an, die Emitterballastwiderstände verwendet, die als eine erste bipolare Transistorvorrichtung verwendet wird, die eine Erststufen-Verstärkerschaltung bildet, 87 zeigt eine Endstufen-HBT-Vorrichtung an, die Basisballastwiderstände verwendet, die als eine zweite bipolare Transistorvorrichtung verwendet wird, die eine Endstufen-Verstärkerschaltung bildet, und 88 und 89 zeigen Zwischenstufen-HBT-Vorrichtungen an, die als Zwischenstufen-Verstärkerschaltungen zwischen der Erststufen-HBT-Vorrichtung 86 der Erststufen-Verstärkerschaltung und der Endstufen-HBT-Vorrichtung 87 der Endstufen-Verstärkerschaltung angeordnet sind. Die Zwischenstufen-HBT-Vorrichtungen können HBT-Vorrichtungen, die Basisballastwiderstände verwenden, oder HBT-Vorrichtungen, die Emitterballastwiderstände verwenden, sein.
Die Bezugszahlen 90 zeigen Basisvorspannungsanschlüsse für die Erststufen-HBT-Vorrichtung 86, die Zwischenstufen-HBT-Vorrichtungen 88 und 89 sowie die Endstufen-HBT-Vorrichtung 87 an. Die Bezugszahlen 32 zeigen Zwischenstufen-Anpassungsschaltungen an.
Die Bezugszahl 91 zeigt eine Eingangsverstärkerschaltung an, die als ein erster Verstärkerschaltungsteil oder -abschnitt verwendet wird, die die Eingangsanpassungsschaltung 28, die Erststufen-HBT-Vorrichtung 86, die Zwischenstufen-Anpassungsschaltungen 32 und die Zwischenstufen-HBT-Vorrichtung 88 enthält.
Die Bezugszahl 92 zeigt eine Ausgangsverstärkerschaltung als einen zweiten Verstärkerschaltungsteil oder -abschnitt an, der die Zwischenstufen-HBT-Vorrichtung 89, die Zwischenstufen-Anpassungsschaltung 32, die Endstufen-HBT-Vorrichtung 87 und die Ausgangsanpassungsschaltung 30 enthält.
Die 7 und 8 sind jeweils typische Diagramme, die Äquivalenzschaltungen eines Emitterballastwiderstände verwendenden Mehrfinger-HBT 12 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, beispielsweise die in 6 gezeigte Erststufen-HBT-Vorrichtung 86. Die Bezugszahl 12a zeigt einen Basisanschluss des Mehrfinger-HBT 12 an, und 12b zeigt einen Kollektoranschluss des Mehrfinger-HBT 12 an.
7 zeigt einen Fall, in welchem der Basisvorspannungsanschluss 90 für jeden HBT 14 vorgesehen ist, und 8 zeigt einen Fall, in welchem der Basisvorspannungsanschluss 90 für alle HBTen 14 gemeinsam ist. Emitterballastwiderstände 14b sind jeweils zwischen einen Emitter des HBT 14 und Erdpotential eingefügt. Wenn die Temperatur eines bestimmten HBT 14a hoch ist aufgrund einer Temperaturverteilung oder dergleichen, und folglich sein Emitterstrom (proportional zu seinem Kollektorstrom) zunimmt, nimmt ein durch einen Emitterballastwiderstand 14b des HBT 14a entwickelter Spannungsabfall zu. Somit wird eine Basis-Emitter-Spannung eines derartigen HBT 14 herabgesetzt und folglich die Zunahme des Emitterstroms unterdrückt.
Demgemäß ermöglichen die Emitterballastwiderstände 14b einen Strom zwischen den HBTen 14a und die Temperaturdifferenz zwischen diesen stark zu unterdrücken, den thermischen Weglauf zu beschränken und die jeweiligen HBTen 14a gleichmäßig zu betreiben. Somit kann die Verteilung und Kombination von Signalen für jeden der jeweiligen HBTen 14a mit Effizienz durchgeführt werden, und hohe Ausgangs- und hohe Wirkungsgrad-Verstärkungseigenschaften können realisiert werden.
Die 9 und 10 sind typische Diagramme, die Äquivalenzschaltungen eines Basisballastwiderstände verwendenden Mehrfinger-HBT 16 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen, beispielsweise die in 6 gezeigte Endstufen-HBT-Vorrichtung 87. Die Bezugszahl 16a zeigt einen Basisanschluss des Mehrfinger-HBT 16 an, und 16b zeigt einen Kollektoranschluss des Mehrfinger-HBT 16 an.
9 zeigt einen Fall, in welchem ein Basisballastwiderstand 18c auf der Seite des HBT 18a gesehen von jedem Basisvorspannungsanschluss 90 zwischen dem Basisanschluss 16a und jedem der HBTen 18 eingefügt ist, und 10 zeigt einen Fall, in welchem ein Basisballastwiderstand 18c zwischen einem Basisvorspannungsanschluss 90 und jedem von HBTen 18a eingefügt ist. In beiden Fällen sind die Basisballastwiderstände 18c jeweils zwischen dem HBT 18a und dem Basisvorspannungsanschluss 90 eingefügt.
Wenn ein Emitterstrom eines bestimmten HBT 18a aufgrund einer Temperaturverteilung zunimmt, nimmt der Basisstrom von diesem ebenfalls im Verhältnis zu dem Emitterstrom zu. Als eine Folge nimmt ein durch jeden Basisballastwiderstand 18c entwickelter Spannungsabfall ebenfalls zu. Somit nimmt eine Basis-Emitter-Spannung des HBT 18a ab und folglich wird die Zunahme des Emitterstroms unterdrückt. Demgemäß ermöglichen die Basisballastwiderstände 18c einen Strom zwischen den HBTen 18a und die Temperaturdifferenz zwischen diesen stark zu unterdrücken, einen thermischen Weglauf zu beschränken und die jeweiligen HBTen 18a gleichförmig zu betreiben. Somit kann die Verteilung und Kombination von Signalen von jedem der HBTen 18a mit Effizienz durchgeführt werden, und hohe Ausgangs- und hohe Wirkungsgrad-Verstärkungscharakteristiken können realisiert werden.
Die Basisballastwiderstände können die in den 9 und 10 gezeigten Konfigurationen annehmen. Alternativ kann eine Konfiguration angenommen werden, die beide in den 9 und 10 gezeigten Basisballastwiderstände verwendet.
Die Arbeitsweise des HBT-Mehrstufenverstärkers 85 wird als Nächstes beschrieben.
Ein von dem Eingangsanschluss 20 aufgenommenes Signal wird durch die Erststufen-HBT-Vorrichtung 86, die die Emitterballastwiderstände mit der dazwischen angeordneten Eingangsanpassungsschaltung 28 verwendet, verstärkt. Weiterhin wird das so verstärkte Signal über die Zwischenstufen-Anpassungsschaltung 32 von den Zwischenstufen-HBT-Vorrichtungen 88 und 89 verstärkt, die jeweils aus der den Emitterballastwiderstand verwendenden HBT-Vorrichtung oder aus der den Basisballastwiderstand verwendenden HBT-Vorrichtung bestehen. Das verstärkte Signal wird schließlich in die Endstufen-HBT-Vorrichtung 87, die die Basisballastwiderstände verwendet, eingegeben, in der es verstärkt und über die Ausgangsanpassungsschaltung 30 von dem Ausgangsanschluss 22 ausgegeben wird. Das Signal wird auf diese Weise von dem HBT-Mehrstufenverstärker 85 verstärkt.
Da die die Emitterballastwiderstände verwendende Erststufen-HBT-Vorrichtung 86, die den Emitterballastwiderstand oder Basisballastwiderstand verwendende Zwischen-HBT-Vorrichtung 88 und die die Basisballastwiderstände verwendende Endstufen-HBT-Vorrichtung 87 jeweils als ein Verstärkungselement verwendet werden, ist der HBT-Mehrstufenverstärker thermisch stabil und die jeweiligen HBTen 14a und 18a können gleichförmig betrieben werden. Demgemäß werden die Verteilung und Kombination von Signalen bei jedem der HBTen 14a und 18a mit Effizienz durchgeführt, und hohe Ausgangs- und hohe Wirkungsgrad-Charakteristiken können realisiert werden.
In 6 macht die Eingangsverstärkerschaltung 91 enthaltend die Erststufen-Verstärkerschaltung Gebrauch von zumindest der die Emitterballastwiderstände verwendenden Erststufen-HBT-Vorrichtung 86 als Verstärkungselement, während die Ausgangsverstärkerschaltung 92 enthaltend die Endstufen-Verstärkerschaltung zumindest die die Basisballastwiderstände verwendende Endstufen-HBT-Vorrichtung 87 als Verstärkungselement verwendet. Somit können, da die für Rauschcharakteristiken vorteilhaft, die Emitterballastwiderstände verwendende Erststufen-HBT-Vorrichtung 86 in der Eingangsverstärkerschaltung 91 enthaltend die Erststufen-Verstärkerschaltung, die die Rauschcharakteristiken am stärksten beeinflusst, verwendet wird, können niedrige Rauschcharakteristiken realisiert werden. Andererseits können, da die für die Ausgangsleistungs- und Wirkungsgradcharakteristiken vorteilhafte, die Basisballastwiderstände verwendende Endstufen-HBT-Vorrichtung 87 in der Ausgangsverstärkerschaltung 92 enthaltend die Endstufen- Verstärkerschaltung, die Ausgangsleistungs- und die Wirkungsgradcharakteristiken am stärksten beeinflusst, verwendet wird, können hohe Ausgangsleistungs- und hohe Wirkungsgradcharakteristiken erhalten werden.
Somit können, da der HBT-Mehrstufenverstärker 85 gemäß der vorliegenden Erfindung die Erststufen-HBT-Vorrichtung 86, die zumindest die Emitterballastwiderstände verwendet, in der Eingangsverstärkerschaltung 91 verwendet und die Endstufen-HBT-Vorrichtung 87, die zumindest die Basisballastwiderstände verwendet, in der Ausgangsverstärkerschaltung 92 verwendet, hohe Ausgangsleistungs- und hohe Wirkungsgradcharakteristiken und niedrige Rauschcharakteristiken gleichzeitig realisiert werden.
Der HBT-Mehrstufenverstärker 85 nach der vorliegenden Erfindung ergibt eine Konfiguration, bei der, wenn ein Zweistufenverstärker ist, eine erste Stufe eines HBT-Vorrichtung unter Verwendung von Emitterballastwiderständen als ein Verstärkungselement verwendet und eine zweite Stufe eine Basisballastwiderstände verwendende HBT-Vorrichtung als ein Verstärkungselement verwendet.
In dem Fall von mehr als oder gleich drei Stufen verwendet eine erste Stufe eine Emitterballastwiderstände verwendende HBT-Vorrichtung als ein Verstärkungselement, und eine Endstufe verwendet eine Basisballastwiderstände verwendende HBT-Vorrichtung als ein Verstärkungselement. In dem Fall von Zwischenverstärkungsstufen, die andere als solche sind, können HBT-Vorrichtungen, die entweder die Emitterballastwiderstände oder die Basisballastwiderstände verwenden, verwendet werden.
Weiterhin können die Emitterballastwiderstände und die Basisballastwiderstände aus Epitaxialwiderständen, Dünnfilmwiderständen oder implantierten Widerständen oder dergleichen auf einem Halbleitersubstrat gebildet sein.
Die Basisvorspannungsanschlüsse 90 können gemeinsam mit den Basisanschlüssen 12a und 16a verwendet werden.
Die die Basisballastwiderstände verwendende HBT-Vorrichtung kann eine Konfiguration annehmen, bei der beide in den 9 und 10 gezeigte Basisballastwiderstände verwendet werden, zusätzlich zu der in 9 oder 10 gezeigten Konfiguration.
Während jede der Konfigurationen der in den jeweiligen Ausführungsbeispielen gezeigten HBT-Vorrichtungen der der Konfiguration entspricht, in der die Grund-HBTen eindimensional angeordnet sind, kann eine derartige Konfiguration eine Konfiguration sein, bei der die Grund-HBTen zweidimensional angeordnet sind, oder kann eine solche sein, bei der sie parallel in der Form anderer Layouts angeordnet sind.
Gemäß dem auf die vorbeschriebene vorliegende Erfindung bezogenen HBT-Mehrstufenverstärker kann, da er einen Mehrstufenverstärker bildet, ein Signal verstärkt werden.
Da HBT-Vorrichtungen, die jeweils Emitter- oder Basisballastwiderstände verwenden, als Verstärkungselemente verwendet werden, sind sie thermisch stabil und können gleichförmig betrieben werden. Demgemäß wird die Verteilung und Kombination von Signalen in den jeweiligen HBTen mit Effizienz durchgeführt, und hohe Ausgangsleistungs- und hohe Wirkungsgradcharakteristiken können realisiert werden.
Da eine Eingangsverstärkerschaltung enthaltend eine Erststufen-Verstärkerschaltung von einer Erststufen-HBT-Vorrichtung Gebrauch macht, die zumindest Emitterballastwiderstände als ein Verstärkungselement verwendet, und eine Ausgangsverstärkerschaltung enthaltend eine Endstufen-Verstärkerschaltung eine Endstufen-HBT-Vorrichtung verwendet, die zumindest Basisballastwiderstände als ein Verstärkungselement verwendet, können hohe Ausgangsleistungs- und hohe Wirkungsgrad-Charakteristiken und niedrige Rauschcharakteristiken gleichzeitig realisiert werden.
GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
Wie vorstehend beschrieben ist, ist eine Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich als ein Leistungsverstärker mit hoher Ausgangsleistung, der bei Satellitenkommunikationen, terrestrischen Mikrowellenkommunikationen, mobilen Kommunikationen usw. verwendet wird. Die Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung ist geeignet für einen Verstärker, der zufrieden stellende Rauschcharakteristiken sowie eine hohe Ausgangsleistung und einen hohen Wirkungsgrad erfordert, wie in dem Fall von Sendern insbesondere bei diesen Kommunikationsfeldern.

Claims

Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung (10), welche aufweist: einen ersten Abschnitt (12) einer Verstärkerschaltung, bei der erste Grundtransistoren (14) mit jeweils einem ersten bipolaren Transistor (14a) mit einer Heteroübergangsstruktur und einem Emitterwiderstand (14b) mit einem Widerstandswert RB1, der in Reihe mit einer Emitterelektrode des ersten bipolaren Transistors (14a) verbunden ist, in einer Mehrfachform parallel geschaltet sind und sich auf einem ersten Halbleitersubstrat befinden; und einen zweiten Abschnitt (16) der Verstärkerschaltung, die ein von dem ersten Abschnitt (12) ausgegebenes Signal verstärkt und in der zweite Grundtransistoren (18) mit jeweils einem zweiten bipolaren Transistor (18a) mit einer Heteroübergangsstruktur und einem Basiswiderstand (18c) mit einem Widerstandswert RB2, der in Reihe mit einer Basiselektrode des zweiten bipolaren Transistors (18a) verbunden ist, in einer Mehrfachform parallel geschaltet sind und sich auf einem zweiten Halbleitersubstrat befinden.
Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 1, bei der die zweiten Grundtransistoren weiterhin mit Emitterwiderständen versehen sind, die in Reihe mit Emitterelektroden der zweiten bipolaren Transistoren verbunden sind, und die Widerstandswerte RB2 der Basiswiderstände, die in Reihe mit den Basiselektroden der zweiten bipolaren Transistoren verbunden sind, kleiner eingestellt sind entsprechend den Widerstandswerten von Emitterwiderständen, die in Reihe mit Emitterelektroden der zweiten bipolaren Transistoren verbunden sind.
Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Emitterintervall (W1) zwischen den benachbarten ersten Grundtransistoren (14a) in dem ersten Abschnitt (12) der Verstärkerschaltung weiter als ein Emitterintervall (W2) zwischen den benachbarten zweiten Grundtransistoren (18a) in dem zweiten Abschnitt (16) der Verstärkerschaltung eingestellt ist.
Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Widerstandswerte der Emitterwiderstände RE1 der ersten Grundtransistoren in dem ersten Abschnitt der Verstärkerschaltung kleiner als die Widerstandswerte der Emitterwiderstände in dem Fall eingestellt sind, dass ein Emitterintervall zwischen den benachbarten ersten Grundtransistoren in dem ersten Abschnitt der Verstärkerschaltung gleich ist einem Emitterintervall zwischen den benachbarten zweiten Grundtransistoren in dem zweiten Abschnitt der Verstärkerschaltung.
Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung (75) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Grundtransistoren (78a) jeweils einen Basiswiderstand (78c) mit einem Widerstandswert RB1 haben, der in Reihe mit der Basiselektrode des ersten bipolaren Transistors (78a) geschaltet ist, und die in Emitterintervallen W1 verbunden sind, die jeweils zwischen Emittern der ersten Grundtransistoren (78a) definiert sind, und die zweiten Grundtransistoren (82a) jeweils einen Emitterwiderstand (82b) mit einem Widerstandswert RE2 haben, der in Reihe mit einer Emitterelektrode des zweiten bipolaren Transistors (82a) geschaltet ist, und die in Emitterintervallen W2 verbunden sind, die jeweils zwischen Emittern der zweiten Grundtransistoren (82a) definiert sind; wobei die Intervalle W1 und W2 wie folgt eingestellt sind: W1 > W2
Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung (75) nach Anspruch 5, bei der eine Beziehung zwischen dem Widerstandswert RE1 des Emitterwiderstands (78b) jedes ersten Grundtransistors (78a) und dem Widerstandswert RE2 des Emitterwiderstands (82b) jedes zweiten Grundtransistors (82a) wie folgt hergestellt ist: RE1 < RE2;und eine Beziehung zwischen dem Widerstandswert RB1 des Basiswiderstands (78c) des jeweils ersten Grundtransistors (78a) und dem Widerstandswert RB2 des Basiswiderstands (82a) des jeweils zweiten Grundwiderstand (82a) wie folgt hergestellt ist: RB1 < RB2
Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung (10, 75) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der der erste Abschnitt (12, 76) der Verstärkerschaltung eine erste Stufe ist, und der zweite Abschnitt (16, 80) der Verstärkerschaltung eine Ausgangsstufe ist.
Hochfrequenz-Halbleitervorrichtung (10, 75) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das erste Halbleitersubstrat und das zweite Halbleitersubstrat integral ausgebildet sind.