DE69706085T2

DE69706085T2 - HEMT-HBT-Transistorkombination mit kleinem Geräusch und grosser Linearität

Info

Publication number: DE69706085T2
Application number: DE69706085T
Authority: DE
Inventors: Kevin Wesley Kobayashi; Aaron Kenji Oki; Dwight Christopher Streit; Donald Katsu Umemoto
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1996-03-05
Filing date: 1997-01-15
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2017-01-16
Also published as: US5838031A; JPH09246877A; DE69706085D1; EP0794613B1; KR100257179B1; EP0794613A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft monolithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise (MMICs = monolithic microwave integrated circuits) und insbesondere MMICs mit geringem Rauschen und hoher Linearität, die aus monolithisch integrierten Transistorvorrichtungen mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT = high electron mobility transistor) und Bipolartransistorvorrichtungen mit Heteroübergang (HBT = heterojunction bipolar transistor) hergestellt werden, in einem großen Bereich von Anwendungen nützlich sind, und die die Größe, die Kosten sowie den Leistungsverbrauch derartiger Anwendungen verringern, wobei sie eine relativ bessere Gesamtleistungsfähigkeit bereitstellen, als wenn entweder HEMT- oder HBT-Vorrichtungen einzeln verwendet werden.

2. Beschreibung der bekannten Technik

Es sind verschiedene Anwendungen bekannt, bei denen eine Leistung mit geringem Rauschen und hoher Linearität benötigt werden. Beispiele derartiger Anwendungen umfassen Verstärker mit geringem Rauschen (LNAs = low noise amplifiers), Verstärker mit variabler Verstärkung (VGAs = variable gain amplifiers), Übertragungs-/Empfangs-(T/R = transmit/receive)-Module, Leistungsverstärker, Transimpedanzverstärker (Vierpolverstärker) und optische Empfänger, die in verschiedenen Produkten verwendet werden, einschließlich drahtlosen Produkten, zellulärer Fernsprechtechnik, faseroptischen Datenverbindungen, tragbarer Elektronik und dergleichen. Bei vielen derartigen Anwendungen ist es bekannt, einen Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMT = high electron mobility transistor) wegen seiner kleinen Rauschleistungszahl und einen Bipolartransistor mit Heteroübergang (HBT = heterojunction bipolar transistor) wegen seiner hohen Leistungslinearität zu verwenden. Aufgrund der begrenzten Topologien, die bei bekannten monolithisch integrierten Mikrowellenschaltkreisen (MMICs = monolithic microwave integrated circuits) verfügbar sind, werden oftmals einzelne MMICs verwendet. Bei bestimmten Anwendungen, z. B. bei Anwendungen, bei denen hinsichtlich des Raumes Einschränkungen bestehen, ist die Verwendung mehrerer MMICs nicht wünschenswert. Zusätzlich erhöht die Verwendung mehrerer MMICs die Kosten sowie die Komplexität und den Leistungsverbrauch des Systems, indem derartige Vorrichtungen verwendet werden.
Es sind MMICs entwickelt worden, bei denen HEMT- und HBT- Technologien in einem einzelnen MMIC monolithisch integriert wurden, wie z. B. in der gleichzeitig anhängigen EP- Patentanmeldung Nr. EP-A-710 984 offenbart, die am 8. Mai 1996 offengelegt wurde und die Priorität des 2. November 1994 aufweist. Die Topologien derartiger integrierter HEMT-HBT-MMICs sind jedoch begrenzt. Während derartige MMICs bei bestimmten Anwendungen nützlich sind, erfordern, wie oben diskutiert, viele Anwendungen unterschiedliche Schaltkreiskonfigurationen, und daher werden bei derartigen Anwendungen einzelne HEMT- und HBT-MMICs verwendet. Die Verwendung mehrerer MMICs erhöht, wie oben diskutiert, die Kosten sowie die Komplexität der Schaltkreisanordnung, und ist bei Anwendungen, die Einschränküngen hinsichtlich der Größe aufweisen, relativ eingeschränkt.
Aus Kobayashi et al., "A Monolithic HEMT-HBT Direct-Coupled Amplifier with Active Input Matching" in IEEE Microwave and Guided Wafe Letters, Band 6, Nr. 1, Seiten 55-57, und aus Kobaysahi et al. "A Novel Monolithic LNA Integrating a Common- Source HEMT with an HBT Darlington Amplifier", in IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Band 6, Nr. 12, Seiten 442-444, ist es bekannt, einen HEMT mit einem HBT monolithisch zu integrieren, um einen Verstärker zu realisieren, der einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß aufweist. Der Gate- Anschluß des HBT ist entweder mit dem Source- oder dem Drain-Anschluß des HEMT verbunden.
Aus US-5,068,282 ist eine verstärkende Hochfrequenzvorrichtung bekannt, die monolithisch integrierte HEMTs und HBTs aufweist. Der Gate-Anschluß des HBT ist mit dem Source-Anschluß des HEMT elektrisch verbunden.
Ferner ist beispielsweise aus US-A-4,688,267 ein Mikrowellenverstärker bekannt, der eine Kaskodenverbindung eines bipolaren Transistors mit einem Feldeffekttransistor aufweist.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die verschiedenen Probleme bei der bekannten Technik zu lösen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, monolithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise (MMICs = microwave monolithic integrated circuit) mit integrierten HEMT-HBT- Vorrichtungen bereitzustellen, die in verschiedenen Topologien konfiguriert sind, die in einem großen Bereich von Anwendungen nützlich sind.
Kurz gesagt, betrifft die vorliegende Erfindung einen MMIC mit vier Anschlüssen, wie in Anspruch 1 definiert, der aus einer monolithisch integrierten HEMT-HBT-Technologie in verschiedenen Topologien hergestellt ist, die in einem großen Bereich von Anwendungen nützlich sind, die derzeit mehrere diskrete MMICs verwenden.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Diese und andere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen ersichtlich, wobei:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zusammengesetzten HEMT-HBT-Vorrichtung mit vier Anschlüssen ist, die eine Topologie gemäß der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer zusammengesetzten Vorrichtung geringen Rauschens und hoher Linearität gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer HEMT-Source-Schaltung und einer HBT- Basisschaltung mit drei Anschlüssen ist, und
Fig. 3 ein schematisches Diagramm einer Mischvorrichtung geringen Rauschens und hoher Linearität gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer HEMT- Source-Schaltung und einem HBT mit drei Anschlüssen ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Wie oben erwähnt, wird eine Leistung mit geringem Rauschen und hoher Linearität in einem relativ großen Bereich von Anwendungen gefordert. Um derartige Leistungszielsetzungen zu erreichen ist es bekannt, Vorrichtungen mit Transistoren mit hoher Elektronenbeweglichkeit (HEMTs = high electron mobility transistors) und einen Bipolartransistor mit Heteroübergang (HBT = heterojunction bipolar transistor) für derartige Anwendungen zu verwenden. Im Gegensatz zu relativ wenigen Topologien, die als monolithisch integrierte Mikrowellenschaltkreise (MMIC = monolithic microwave integrated circuits) ausgestaltet sind, bei denen die HEMT- und HBT-Technologien integriert sind, ist es bekannt, daß viele bekannte Anwendungen mit geringer Rausch- und hoher Linearitätsleistung separate HEMT- und HBT- MMICs verwenden. Die vorliegende Erfindung stellt Topologien für zusammengesetzte HEMT-HBT-Vorrichtungen bereit, die wesentliche Leistungs- und Vorrichtungseigenschaften kombinieren, um für Vorteile hinsichtlich der Größe, der Leistung und der Funktionalität von Schaltkreisen zu sorgen.
Die Leistungsmöglichkeiten der HEMT-Vorrichtungstechnologie, der HBT-Vorrichtungstechnologie und von zusammengesetzten HEMT-HBT-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind in der Tabelle 1 dargestellt. TABELLE 1
Wie in Tabelle 1 dargestellt, stellt die Gesamtleistungsfähigkeit der zusammengesetzten HEMT-HBT-Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung eine Kombination von geringen Rausch- und hohen Linearitätscharakteristika bereit, die weder von den HEMT- noch den HBT-Vorrichtungen allein erreicht werden können. Zusätzlich sorgen die monolithischen zusammengesetzten HEMT-HBT-Vorrichtungen für eine bessere Leistung, als aus einer äquivalenten Implementierung diskreter Hybridschaltkreise (MIC = microwave integrated circuit) der gleichen zusammengesetzten Vorrichtungstopologien erreicht werden kann.
Die Topologien für die zusammengesetzten HEMT-HBT- Vorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind in Fig. 1 dargestellt. Wie gezeigt, ist die Topologie als Vorrichtung mit vier Anschlüssen konfiguriert und umfaßt eine HEMT- Vorrichtung mit geringem Rauschen, die unmittelbar mit einer HBT-Vorrichtung mit hoher Linearität verbunden ist. Jeder der Anschlüsse wird durch einen offenen Kreis definiert. Indem der HEMT und der HBT unmittelbar verbunden werden, behalten die zusammengesetzten Vorrichtungen die Charakteristika des HEMT hinsichtlich einer kleinen Rauschzahl und die Charakteristika des HBT hinsichtlich einer hohen Linearität aufrecht. Um für einen relativ großen Bereich von Anwendungen zu sorgen, ist jede der Topologien mit vier Anschlüssen konfiguriert, um es zu ermöglichen, die Topologien in einem relativ großen Bereich von Schaltkreisanwendungen einzusetzen, einschließlich verschiedener Verstärker und Mischer, wie unten diskutiert.
Die Topologie mit vier Anschlüssen ist mit elektrischen Verbindungen zu Anschlüssen zur Verbindung mit externen Schaltkreisen dargestellt. Diese Anschlüsse werden durch einen offenen Kreis definiert. Wie unten diskutiert, kann einer der Anschlüsse geerdet und beseitigt werden, um Vorrichtungen mit drei Anschlüssen und Schaltkreisnetzwerke mit zwei Anschlüssen und drei Anschlüssen zu bilden, wie unten diskutiert.
In Fig. 1 ist eine Topologie einer zusammengesetzten HEMT-HBT- Vorrichtung mit vier Anschlüssen dargestellt und im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 48 gekennzeichnet. Die zusammengesetzte Vorrichtung 48 umfaßt einen HEMT 50 und einen HBT 52. Bei dieser Topologie ist die Drainelektrode des HEMT 50 unmittelbar mit der Emitterelektrode des HBT 52 verbunden. Die Gate- und Source-Elektroden des HEMT 50 sind mit externen Anschlüssen 54 bzw. 56 verbunden, während die Basis- und Kollektorelektroden des HBT 52 mit externen Anschlüssen 58 bzw. 60 verbunden sind, um die zusammengesetzte HEMT-HBT-Vorrichtung 48 mit vier Anschlüssen zu bilden.
Wie in den Fig. 2-3 dargestellt, kann die in Fig. 1 dargestellte Topologie mit vier Anschlüssen als Vorrichtung mit drei Anschlüssen konfiguriert werden, die als Grundlage für verschiedene nützliche Schaltkreiskonfigurationen mit zwei und drei Anschlüssen verwendet werden kann. Bei diesen Anwendungen werden gleiche Bezugszeichen verwendet, um gleiche Komponenten zu kennzeichnen, und offene Kreise werden verwendet, um die Anschlüsse einer zusammengesetzten Vorrichtung zu definieren.
Die in Fig. 1 dargestellte HEMT-HBT-Topologie 48 mit vier Anschlüssen kann auch in zusammengesetzte Vorrichtungen mit drei Anschlüssen konfiguriert werden, die für Verstärker geringen Rauschens und hoher Linearität mit zwei Anschlüssen bzw für Mischeranwendungen mit drei Anschlüssen verwendet werden können, wie in Fig. 2 bzw. 3 dargestellt. Die in Fig. 2 dargestellte zusammengesetzte HEMT-HBT-Vorrichtung, die im allgemeinen mit dem Bezugszeichen 90 gekennzeichnet ist, ist als HEMT 50 mit Source-Schaltung zusammen mit einem HBT 52 mit Basisschaltung konfiguriert, wobei gleiche Bezugszeichen für Komponenten mit vergleichbarer Funktion verwendet werden. Insbesondere ist die Sourceelektrode des HEMT 50 mit Masse verbunden, wie dies bei der Basiselektrode des HBT 52 der Fall ist, wodurch die in Fig. 1 dargestellten externen Anschlüsse 56 und 58 beseitigt werden. Ein externer Lastwiderstand RL 92 kann zwischen der Masse und dem externen Anschluß 94 angeschlossen werden, um eine Ausgangslastimpedanz an dem Ausgang des resultierenden Zweianschluß-Verstärkers 90 mit HEMT- Source-Schaltung und HBT-Basisschaltung zu definieren, wie in Fig. 2 dargestellt.
Die in Fig. 2 dargestellte zusammengesetzte Vorrichtung 90 kombiniert einen HEMT mit Source-Schaltung mit einem HBT mit Basisschaltung, um eine hybride Kaskode zu bilden. Ein wichtiger Aspekt dieser Konfiguration besteht darin, daß die Vorrichtung hohe Eingangs- und hohe Ausgangsimpedanzen gleichzeitig bereitstellen kann. Der als Source-Schaltung konfigurierte HEMT 50 sorgt optimal für eine Leistung mit kleiner Rauschzahl, während der als Basieschaltung konfigurierte HBT 52 für eine hohe Breitbandlinearität sorgt. Ein allgemeiner Vorteil einer Kaskodenkonfiguration besteht darin, daß die Miller- Kapitanzvervielfachung des Vorrichtungseingangs reduziert wird. Zusätzlich erlauben die Charakteristika der in Fig. 2 dargestellten HEMT-HBT-Kaskode hinsichtlich des geringen Verlustes des HEMT-Eingangs und des HBT-Ausgangs die Konstruktion von Anpassungsnetzwerken geringen Verlustes, um den Eingangs- HEMT 50 hinsichtlich des Rauschens und den Ausgangs-HBT 52 hinsichtlich der Linearität und der Leistung abzustimmen. Die hohe Eingangs- und Ausgangsimpedanz sorgt für eine optimale Verwendung der parallelen Rückkopplung von dem Kollektorausgang des HBT 52 zu dem Gateeingang des HEMT 50. Indem der HBT 52 als Basisschaltungskonfiguration implementiert wird, wird die zusammengesetzte Vorrichtung 90 eine Leistungsfähigkeit hinsichtlich relativ geringem Rauschens und hoher Linearität sowie hoher Frequenz aufweisen, die für verschiedene bekannte Hochspannungsverstärkungsanwendungen attraktiv ist.
Der effektive Übertragungsleitwert der zusammengesetzten Vorrichtung 90 ist durch die Gleichung (1) gegeben, während die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen durch die Gleichungen (2) und (3) gegeben sind.
Eine alternative Konfiguration der in Fig. 1 dargestellten Topologie ist in Fig. 3 gezeigt und mit dem Bezugszeichen 96 gekennzeichnet. Bei dieser Konfiguration ist der HEMT 50 als Source-Schaltung konfiguriert, wodurch der externe Anschluß 56 beseitigt wird. Indem der Basiseingang des HBT 52 als dritter Anschluß verwendet wird, wird eine zusammengesetzte HEMT-HBT- Vorrichtung 96 mit drei Anschlüssen, die als aktive Mischerzelle konfiguriert ist, bereitgestellt, analog zu einem aktiven Zweifachgate-FET-Mischer. Der HEMT-Gateeingang 54 mit geringem Rauschen wird für den RF-Empfängeranschluß verwendet, während der HBT-Basiseingang als LO-(local oscillator)- · Eingangsanschluß verwendet werden kann. Der HBT-Kollektoranschluß 60 kann beispielsweise verwendet werden, um die IF- Frequenz abzugreifen.
Die hier offenbarten Vorrichtungen können unter Verwendung von bekannten Verfahren hergestellt werden, wie in "Monolithic HEMT-HBT Integration by Selective MBE", von D. C. Streit, D. K. Umemoto, K. W. Kobayashi und A. K. Oki, IEEE Transactions on Electron Devices, Band 42, Nr. 4, April 1995, Seiten 618-623; in "A Monolithic HBT-Regulated HEMT LNA by Selective MBE", von D. C. Streit, K. W. Kobayashi, A. K. Oki und D. K. Umemoto, Microwave and Guided Wave Letters, Band 5, Nr. 4. April 1995, Seiten 124-126, in der EP-Patentanmeldung EP-A-710 984, die am 8. Mai 1996 offengelegt wurde und die Priorität des 2. November 1994 aufweist, offenbart. Zusätzlich zu den HEMT-HBTs umfassen die Vorrichtungen, wie in den schematischen Zeichnungen gezeigt, Dünnschichtwiderstände (TFR = thin-film resistors) und Metall-Isolator-Metall-(MIM)-Kondensatoren, die ebenfalls auf dem Gebiet bekannt sind.

Claims

1. Ein monolithisch integrierter hybrider Mikrowellenkaskodenschaltkreis mit vier Anschlüssen, der gleichzeitig hohe Eingangs- und hohe Ausgangsimpedanzen bereitstellt, mit:

- einem Transistor mit hoher Elektronenbeweglichkeit (50), der Gate-, Drain- und Source-Anschlüsse aufweist und eine Leistung mit kleiner Rauschzahl bereitstellt, und

- einem Bipolartransistor mit Heteroübergang (52), der Basis-, Kollektor- und Emitter-Anschlüsse aufweist und eine hohe Breitbandlinearität bereitstellt, wobei der Emitter-Anschluß des Bipolartransistors mit Heteroübergang (52) unmittelbar mit dem Drain-Anschluß des Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (50) elektrisch verbunden ist.

2. Der monolithisch integrierte hybride Mikrowellenkaskodenschaltkreis mit vier Anschlüssen gemäß Anspruch 1, bei dem einer der Anschlüsse mit Masse verbunden ist, um eine Vorrichtung mit drei Anschlüssen zu erhalten.

3. Der monolithisch integrierte Mikrowellenkaskodenschaltkreis gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem

- der Source-Anschluß des Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (50) elektrisch mit Masse verbunden ist,

- der Basis-Anschluß des Bipolartransistors mit Heteroübergang (52) elektrisch mit Masse verbunden ist, und

- bei dem der Gate-Anschluß des Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (SO) und der Kollektor-Anschluß des Bipolartransistors mit Heteroübergang (52) jeweils mit einem Anschluß (54, 60) zur Verbindung mit einem externen elektrischen Schaltkreis elektrisch verbunden sind.

4. Der monolithisch integrierte Mikrowellenkaskodenschaltkreis gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem

- der Source-Anschluß des Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (50) elektrisch mit Masse verbunden ist, und

- der Gate-Anschluß des Transistors mit hoher Elektronenbeweglichkeit (50) und die Basis- und Kollektoranschlüsse des Bipolartransistors mit Heteroübergang (52) jeweils mit einem Anschluß (54, 58, 60) zur Verbindung mit einem externen elektrischen Schaltkreis elektrisch verbunden sind.