JP2002252335A - 化合物半導体スイッチ回路装置 - Google Patents
化合物半導体スイッチ回路装置Info
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Abstract
動作させるために各FET毎に制御端子を設けていた。
このためにプリント基板の実装面積が大きくなる問題点
があった。 【解決手段】第1および第2のFETと、前記両FET
のソース電極あるいはドレイン電極に接続された共通入
力端子と、前記両FETのドレイン電極あるいはソース
電極に接続された第1および第2の出力端子と、前記第
1のFETの前記第1の出力端子に所定のバイアスを与
えるバイアス手段と、制御端子と前記第2の出力端子と
を接続する接続手段と、前記第2のFETのゲート電極
を接地する接地手段と、前記共通入力端子と前記第2の
FETのソース電極あるいはドレイン電極間を直流的に
分離する分離手段とを具備し、前記第1のFETのゲー
ト電極に接続された制御端子に制御信号を印加すること
に特徴を有する。
Description
グ用途に用いられる化合物半導体スイッチ回路装置、特
に制御端子を1つにする化合物半導体スイッチ回路装置
に関する。
Hz帯のマイクロ波を使用している場合が多く、アンテ
ナの切換回路や送受信の切換回路などに、これらの高周
波信号を切り替えるためのスイッチ素子が用いられるこ
とが多い(例えば、特開平9−181642号)。その
素子としては、高周波を扱うことからガリウム・砒素
(GaAs)を用いた電界効果トランジスタ(以下FE
Tという)を使用する事が多く、これに伴って前記スイ
ッチ回路自体を集積化したモノリシックマイクロ波集積
回路(MMIC)の開発が進められている。
断面図を示している。ノンドープのGaAs基板1の表
面部分にN型不純物をドープしてN型のチャネル領域2
を形成し、チャネル領域2表面にショットキー接触する
ゲート電極3を配置し、ゲート電極3の両脇にはGaA
s表面にオーミック接触するソース・ドレイン電極4、
5を配置したものである。このトランジスタは、ゲート
電極3の電位によって直下のチャネル領域2内に空乏層
を形成し、もってソース電極4とドレイン電極5との間
のチャネル電流を制御するものである。
SPDT(Single Pole Double Throw)と呼ばれる化合物
半導体スイッチ回路装置の原理的な回路図を示してい
る。
(又はドレイン)が共通入力端子INに接続され、各F
ET1、FET2のゲートが抵抗R1、R2を介して第
1と第2の制御端子Ctl-1、Ctl-2に接続され、
そして各FETのドレイン(又はソース)が第1と第2
の出力端子OUT1、OUT2に接続されたものであ
る。第1と第2の制御端子Ctl-1、Ctl-2に印加
される信号は相補信号であり、Hレベルの信号が印加さ
れたFETがONして、入力端子INに印加された信号
をどちらか一方の出力端子に伝達するようになってい
る。抵抗R1、R2は、交流接地となる制御端子Ctl
-1、Ctl-2の直流電位に対してゲート電極を介して
高周波信号が漏出することを防止する目的で配置されて
いる。
イッチ回路装置を集積化した化合物半導体チップの1例
を示している。
よびFET2を中央部に配置し、各FETのゲート電極
に抵抗R1、R2が接続されている。また共通入力端子
IN、出力端子OUT1、OUT2、制御端子Ctl-
1、Ctl-2に対応するパッドが基板の周辺に設けら
れている。なお、点線で示した第2層目の配線は各FE
Tのゲート電極形成時に同時に形成されるゲート金属層
(Ti/Pt/Au)20であり、実線で示した第3層
目の配線は各素子の接続およびパッドの形成を行うパッ
ド金属層(Ti/Pt/Au)30である。第1層目の
基板にオーミックに接触するオーミック金属層(AuG
e/Ni/Au)10は各FETのソース電極、ドレイ
ン電極および各抵抗両端の取り出し電極を形成するもの
であり、図8では、パッド金属層と重なるために図示さ
れていない。
を拡大した平面図を示す。この図で、一点鎖線で囲まれ
る長方形状の領域が基板11に形成されるチャネル領域
12である。左側から伸びる櫛歯状の第3層目のパッド
金属層30が出力端子OUT1に接続されるソース電極
13(あるいはドレイン電極)であり、この下に第1層
目オーミック金属層10で形成されるソース電極14
(あるいはドレイン電極)がある。また右側から伸びる
櫛歯状の第3層目のパッド金属層30が共通入力端子I
Nに接続されるドレイン電極15(あるいはソース電
極)であり、この下に第1層目のオーミック金属層10
で形成されるドレイン電極16(あるいはソース電極)
がある。この両電極は櫛歯をかみ合わせた形状に配置さ
れ、その間に第2層目のゲート金属層20で形成される
ゲート電極17がチャネル領域12上に櫛歯形状に配置
されている。
示す。基板11にはn型のチャネル領域12とその両側
にソース領域18およびドレイン領域19を形成するn
+型の高濃度領域が設けられ、チャネル領域12にはゲ
ート電極17が設けられ、高濃度領域には第1層目のオ
ーミック金属層10で形成されるドレイン電極14およ
びソース電極16が設けられる。更にこの上に前述した
ように3層目のパッド金属層30で形成されるドレイン
電極13およびソース電極15が設けられ、各素子の配
線等を行っている。
スイッチ回路装置では、各FET1、FET2のゲート
が抵抗R1、R2を介して第1と第2の制御端子Ctl
-1、Ctl-2に接続されているので、相補信号である
2つの制御信号を第1と第2の制御端子Ctl-1、C
tl-2に印加する必要がある。そのために化合物半導
体スイッチ回路装置を組み込んだ集積回路では、必ず2
つの第1と第2の制御端子Ctl-1、Ctl-2となる
外部リードが必要となり、集積回路の小型パッケージ化
を阻害する要因となっていた。これを避けるためにイン
バータ回路を内蔵させて1制御端子化を実現する方法が
あるが、インバータ回路を構成する余分なFETが必要
となり、消費電力やパッケージサイズの増加などの問題
点がある。
MESFETを用いるので、スイッチング動作はゲート
電極に電圧を印加しチャネルの空乏層の開閉を制御する
ことにより行う。通常、GaAs MESFETはデプ
レッション型FETであるため、制御電圧として負電圧
を必要とする。従って、上記した化合物半導体スイッチ
回路装置では負電圧で動作させるために、別途負電圧発
生回路を必要とする問題点もあった。
事情に鑑み成されたもので、インバータ回路を用いずに
1制御端子化を実現するものである。
ゲート電極およびドレイン電極を設けた第1および第2
のFETと、前記両FETのソース電極あるいはドレイ
ン電極に接続された共通入力端子と、前記両FETのド
レイン電極あるいはソース電極に接続された第1および
第2の出力端子と、前記第1のFETの前記第1の出力
端子に所定のバイアスを与えるバイアス手段と、制御端
子と前記第2の出力端子とを接続する接続手段と、前記
第2のFETのゲート電極を接地する接地手段と、前記
共通入力端子と前記第2のFETのソース電極あるいは
ドレイン電極間を直流的に分離する分離手段とを具備
し、前記第1のFETのゲート電極に接続された前記制
御端子に制御信号を印加することに特徴を有する。
て図1から図6を参照して説明する。
路装置を示す回路図である。チャネル層表面にソース電
極、ゲート電極およびドレイン電極を設けた第1のFE
T1および第2のFET2と、両FET1、2のソース
電極(あるいはドレイン電極)に接続された共通入力端
子INと、両FET1、2のドレイン電極(あるいはソ
ース電極)に接続された第1の出力端子OUT1および
第2の出力端子OUT2と、第1のFET1の第1の出
力端子OUT1に所定のバイアスを与えるバイアス手段
と、制御端子と第2の出力端子OUT2とを接続する接
続手段と、第2のFET2のゲート電極を接地する接地
手段と、共通入力端子INと第2のFET2のソース電
極(あるいはドレイン電極)間を直流的に分離する分離手
段と、第1のFET1のゲート電極のみに制御信号を印
加する制御端子Ctl−1とから構成される。
aAs MESFET(デプレッション型FET)で構
成され、GaAs基板に集積化される(図6参照)。な
お、第1のFET1および第2のFET2は図9(A)
(B)に示す構造と同じであるので、説明を省略する。
り、正の一定の直流電圧、例えば3Vを抵抗Rを介して
常に第1の出力端子OUT1に印加する手段である。
り、第2のFET2のゲート電極を抵抗Rにより接地す
る手段であり、第2のFET2のゲート電極は常に接地
電位に固定される。
り、制御端子Ctl−1と第2の出力端子OUT2とを
抵抗Rで接続する手段である。
り、共通入力端子INと第2のFET2のソース電極
(あるいはドレイン電極)間を直流的に分離する容量Cで
形成される。この容量Cは第1のFET1および第2の
FET2を直流的に分離する働きを有する。
の1つであり、1つの端子で形成される。
よびバイアス手段にはそれぞれ抵抗Rが接続され、交流
接地となる制御端子Ctl-1の直流電位に対してゲー
ト電極を介して高周波信号が漏出することを防止する目
的で配置されている。
化合物半導体スイッチ回路装置の動作原理について説明
する。
にするためには、制御端子に印加される制御電圧が0V
のときにはどちらかのFETがオン状態、もう一方のF
ETがオフ状態になり、制御電圧が正電圧のときには逆
の状態になれば良い。
である。FETは抵抗Rを介して接地手段で接地されて
いるので、ゲート電圧は0Vに固定されている。このF
ETがオン状態になるバイアス条件は、ゲート−ドレイ
ン間およびゲート−ソース間の各々の電位差が等しい状
態である。すなわち、Vg=Vd=Vsの状態であり、ゲ
ート電圧Vgは0Vであるので、Vg=Vd=Vs=0Vの
ときにFETはオン状態になる。
態になるバイアス条件は、ゲート−ドレイン間およびゲ
ート−ソース間にFETがオフする電位差を与えれば良
い。従って、この回路では制御端子に0Vを印加すれば
FETはオン状態となり、正電圧(例えば3V)を印加
すればFETはオフ状態となる。
である。ゲート電圧0VでFETがオフ状態になるバイ
アス条件は、ゲート−ドレイン間およびゲート−ソース
間にオフになるような電位差を与えればよい。従って、
ソースまたはドレイン側に常時バイアスを掛ける回路
(バイアス手段)を接続すればよい。
子からゲートに印加すれば、FETがオン状態になる。
従って、この回路では制御端子が0VでFETがオフ状
態になり、3VでFETがオン状態になる。
が、図1に示す本発明の化合物半導体スイッチ回路装置
である。容量Cで第1のFET1および第2のFET2
を直流的に分離して相互のバイアス条件の干渉を防止
し、図2に示した制御端子を接続手段で制御端子Ctl
−1に接続すれば良い。
T2)のゲートを抵抗Rを介して接地する点と、ゲート
が接地されたFET(FET2)のバイアスが他方のF
ET(FET1)の制御端子Ctl−1と共通になって
いる点と、FET(FET1)のバイアスが常に一定電
圧Eで供給されている点およびFET(FET1)とF
ET(FET2)が容量Cにより直流的に分離されてい
る点である。
結果を説明する。
Ctlが0Vのとき、すなわち第1のFET1がオン状態
のときの共通入力端子IN−出力端子OUT1と共通入
力端子IN−出力端子OUT2間の挿入損失(Insertion
Loss)およびアイソレーション(Isolation)特性を示
す。挿入損失(Insertion Loss)は2.2GHzまで良好で
あり、アイソレーション(Isolation)も同様である。
Ctlが3Vのとき、すなわち第2のFET2がオン状態
のときの共通入力端子IN−出力端子OUT2と共通入
力端子IN−出力端子OUT1間の挿入損失(Insertion
Loss)およびアイソレーション(Isolation)特性を示
す。挿入損失(Insertion Loss)は2.8GHzまで良好で
あり、アイソレーション(Isolation)も同様である。
スイッチ回路装置を集積化した化合物半導体チップの1
例を示している。
よびFET2を左右に配置し、上側に容量端子C、共通
入力端子INおよび1つの制御端子CTLを、下側に出
力端子OUT2、接地端子GNDおよび出力端子OUT
2に対応するパッドが基板の周辺に設けられている。な
お、点線で示した第2層目の配線は各FETのゲート電
極形成時に同時に形成されるゲート金属層(Ti/Pt
/Au)20であり、実線で示した第3層目の配線は各
素子の接続およびパッドの形成を行うパッド金属層(T
i/Pt/Au)30である。第1層目の基板にオーミ
ックに接触するオーミック金属層(AuGe/Ni/A
u)10は各FETのソース電極、ドレイン電極および
各抵抗両端の取り出し電極を形成するものである。
IN間に外付けで接続され、バイアス手段および抵抗R
も出力端子OUT1と接地端子GND間に外付けされ
る。
下の数々の効果が得られる。
の制御端子でGaAs FETを用いたSPDT(Singl
e Pole Double Throw)と呼ばれる化合物半導体スイッチ
回路装置を実現できる。これによりインバータ回路を制
御端子数分用意する必要がなくなり、回路配置が簡素化
されてプリント基板の実装面積を小さくできる。また消
費電力の低減も図れる。
路装置では制御信号は3V/0Vの単一正電源でスイッ
チを行え、GaAs FETを用いた場合に必要な負電
圧発生回路も省け、正電源も1種類で動作できるので実
装面積も小さくできる。
端子Cが増加するが、制御端子が1つに減るので、結果
的に化合物半導体スイッチ回路装置のチップサイズは現
行とほぼ同等にでき、単一の制御端子による取り扱い易
さがセットへの実装で大きく寄与できる。
アイソレーション(Isolation)特性が現行の製品と同等
に確保できる。
回路図である。
断面図である。
Claims (7)
- 【請求項1】 チャネル層表面にソース電極、ゲート電
極およびドレイン電極を設けた第1および第2のFET
と、前記両FETのソース電極あるいはドレイン電極に
接続された共通入力端子と、前記両FETのドレイン電
極あるいはソース電極に接続された第1および第2の出
力端子と、前記第1のFETの前記第1の出力端子に所
定のバイアスを与えるバイアス手段と、制御端子と前記
第2の出力端子とを接続する接続手段と、前記第2のF
ETのゲート電極を接地する接地手段と、前記共通入力
端子と前記第2のFETのソース電極あるいはドレイン
電極間を直流的に分離する分離手段とを具備し、前記第
1のFETのゲート電極に接続された前記制御端子に制
御信号を印加することを特徴とする化合物半導体スイッ
チ回路装置。 - 【請求項2】 前記バイアス手段は前記第1の出力端子
に一定電圧を常に印加することを特徴とする請求項1記
載の化合物半導体スイッチ回路装置。 - 【請求項3】 前記バイアス手段は常に一定の正の直流
電圧を供給することを特徴とする請求項2記載の化合物
半導体スイッチ回路装置。 - 【請求項4】 前記分離手段は容量で形成されることを
特徴とする請求項1記載の化合物半導体スイッチ回路装
置。 - 【請求項5】 前記第1および第2のFETは前記チャ
ネル層にショットキー接触するゲート電極と、前記チャ
ネル層にオーミック接触するソース及びドレイン電極か
らなることを特徴とする請求項1記載の化合物半導体ス
イッチ回路装置。 - 【請求項6】 前記第1および第2のFETをMESF
ETで形成されることを特徴とする請求項1記載の化合
物半導体スイッチ回路装置。 - 【請求項7】 前記第1および第2のFETを同一半導
体基板に集積化して形成し、前記バイアス手段および分
離手段は外付けで形成されることを特徴とする請求項1
記載の化合物半導体スイッチ回路装置。
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