JP4077831B2

JP4077831B2 - 高周波増幅器

Info

Publication number: JP4077831B2
Application number: JP2005138871A
Authority: JP
Inventors: 秀史須崎; 基良岩田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2008-04-23
Anticipated expiration: 2025-05-11
Also published as: JP2006319569A; US20060255880A1

Description

本発明は、携帯電話機等の移動機や基地局の固定機として用いられる無線通信機にその通信用高周波信号の増幅用として用いられる高周波増幅器に関する。

携帯電話機等の移動機や基地局の固定機には、無線周波数帯の信号を増幅する高周波増幅器が搭載されている。この高周波増幅器は、送信側に使用される電力増幅器と、受信側に使用される低雑音増幅器に分類される。これ以外にも可変利得増幅器又はドライバ増幅器等の高周波増幅器がある。

通常、携帯電話機に使用される高周波信号の周波数帯域は３ＧＨｚ程度であるが、この帯域の信号を増幅するには、遮断周波数ｆ_T が２０ＧＨｚ〜５０ＧＨｚの高い性能を持つ増幅トランジスタを使用する。しかしながら、この高い性能を有する増幅トランジスタを安全に使用するには、入力信号を増幅する周波数帯域ではもちろんのこと、使用する周波数帯域外でもトランジスタの動作を安定して使用する必要がある。特に、使用帯域よりも低周波数側においてはトランジスタの増幅能力が高いため、該トランジスタの動作の安定化には十分な注意を払う必要がある。

図１１は従来の高周波増幅器のうちの高周波電力増幅器の回路構成を示している（例えば、特許文献１、２を参照。）。図１１に示すように、従来の高周波電力増幅器は、ｎ個（但し、ｎ≧２）の増幅トランジスタ７７、７８が並列接続された１段構成である。ここでは、増幅トランジスタ７７が１番目で、増幅トランジスタ７８がｎ番目を表わす。各増幅トランジスタ７７、７８の入力端子（ベース）には、キャパシタ７９、８０と抵抗器８１、８２とがそれぞれ接続されている。各キャパシタ７９、８０の他方の端子は互いに接続されて、高周波信号が入力される第１の入力端子８３と接続されている。また、各抵抗器８１、８２の他方の端子は互いに接続されて、各トランジスタ７７、７８の動作点を適正にするための直流バイアスが供給される第２の入力端子８４と接続されている。

図１２は半導体基板に形成された従来のダイオードの断面構成の一例を示している。図１２に示すように、半絶縁層８５の上には、Ｐ型不純物層８６が形成されており、該Ｐ型不純物層８６の上にはＮ型不純物層８７が選択的に形成されている。Ｐ型不純物層８６上におけるＮ型不純物層８７を除く領域には第１の金属配線８８が形成されている。また、Ｎ型不純物層８７の上には第２の金属配線８９が形成されている。ここでは、Ｐ型不純物層８６とＮ型不純物層８７とがＰＮ接合してなり、第１の金属配線８８をアノードとし、第２の金属配線８９をカソードとするダイオードが構成される。第１の金属配線８８及び第２の金属配線８９は、回路を構成するために必要な配線となるが、第１の金属配線８８及び第２の金属配線８９は同一の配線層に形成されているため、これらの金属配線８８、８９をそのまま交差させると短絡してしまう。従って、これら金属配線同士が短絡しないように、ビア９０によって第２の金属配線８９から他の配線層に形成された第３の金属配線９１により、他のデバイスと接続できるようにしている。

図１３は従来例に係るダイオードの配線パターンの平面構成を示している（例えば、特許文献３を参照）。図１３において、図１２に示した構成部材と同一の構成部材には同一の符号を付している。図１３に示すように、平面方形状に形成されたＰ型不純物層８６の上に、アノードとなる第１の金属配線８８が平面櫛形状に形成されている。この櫛形状の各歯の間に間隔をおいて嵌まるように、Ｎ型不純物層８７が櫛形状に形成されており、該Ｎ型不純物層８７の上には、第２の金属配線８９がＮ型不純物層８７と対向して櫛形状に形成されている。第２の金属配線８９はビア９０を介して第３の金属配線９１と接続されている。

図１４は従来例に係るダイオードの他の配線パターンの平面構成を示している。図１４に示すように、平面方角形状に形成されたＰ型不純物層８６に対して、アノードとなる第１の金属配線８８がＰ型不純物層８６の一辺と接するように形成されている。Ｐ型不純物層８６の上には、Ｎ型不純物層８７がＰ型不純物層８６のほぼ全面で且つ第１の金属配線８８と間隔をおいて形成されている。Ｎ型不純物層８７の上には第２の金属配線８９が形成され、該第２の金属配線８９は、ビア９０を介して第３の金属配線９１と接続されている。
米国特許第５６０８３５３号明細書米国特許第５６２９６４８号明細書特許第２７０６４４５号公報 Guillermo Gonzalez "Microwave Transistor Amplifiers Analysis and Design 2nd Edition", Prentice Hall, Inc. 1997, PP.226-228

小型化が強く望まれる携帯電話機用の高周波増幅器を設計する際には、増幅トランジスタ、キャパシタ、インダクタ及び抵抗等の構成部品を一の半導体基板に集積するＭＭＩＣ（monolithic micrwave integrated circuit）技術が採用される。キャパシタには、半導体基板上に形成された２層の金属層同士の間に誘電体層が挟まれてなるＭＩＭ（metal-insulator-metal）キャパシタが採用される。

ＭＩＭキャパシタにおける単位面積当たりの容量値は２００ｐＦ／ｍｍ^２〜４００ｐＦ／ｍｍ^２程度である。図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、増幅トランジスタ９２を有する従来の高周波増幅器において、入力側又は出力側に適当な安定化抵抗器９３を設ける構成があり、さらに、増幅トランジスタ９２に適切な直流バイアスを印加する場合には、各安定化抵抗器９３とグランドとの間に直流成分がグランドに流れるのを阻止するキャパシタ９４が設けられる。いずれの場合も、入力信号のうちの高周波成分を増幅トランジスタ９２に流し且つ低周波成分をグランドに流すには、キャパシタ９４の容量値として少なくとも５０ｐＦ程度は必要である。従って、ＭＩＭキャパシタを用いる場合には、半導体基板上において該ＭＩＭキャパシタが占める面積は０．１２５ｍｍ^２〜０．２５ｍｍ^２程度になってしまう。従来の高周波増幅器が集積化された半導体チップのサイズが、せいぜい１ｍｍ^２〜１．５ｍｍ^２程度であることを考えると、増幅器の動作を安定化させるために割かれている面積はかなり大きい。

図１１に示した従来の高周波電力増幅器には、増幅トランジスタ７７、７８の動作の安定化については言及されていない。通常の高周波増幅器に使用される増幅トランジスタは、高い周波数でも十分な増幅特性を得られるトランジスタが選択される。このようなトランジスタは高性能ではあるものの、動作の安定化に対して十分に配慮しないと、使用条件によっては発振するおそれがあり、トランジスタが持つ性能を引き出せないばかりか、増幅器として使用できない状況になることすらある。

また、図１１に示すように、通常、高周波電力増幅器は少なくとも２個以上の増幅トランジスタ７７、７８を並列に接続することにより必要な出力電力を確保することが多い。ところが、バイポーラトランジスタの並列接続により増幅器を構成する場合は、複数の増幅トランジスタ７７、７８のうちの一部のトランジスタの温度が局所的に上昇し、温度が上昇した増幅トランジスタに流れ込むベース電流が著しく増加する場合がある。さらには、残りの増幅トランジスタの温度上昇を引き起こす熱暴走の状態が起こり得る。この状態を防ぐために、並列接続された各増幅トランジスタ７７、７８のベースにはそれぞれ抵抗器８１、８２を接続して、各増幅トランジスタ７７、７８のベースに電流が集中しないようにしている。このとき、各増幅トランジスタ７７、７８のベース同士が互いに接続されていると、一部のベースに電流が集中してしまうため、キャパシタ７９、８０によって直流成分を遮断することにより、各抵抗器８１、８２をそれぞれ増幅トランジスタ７７、７８のバラスト抵抗（安定化抵抗）として有効に働かせている。

高周波信号はキャパシタ７９、８０を介して入力されるため、各抵抗器８１、８２による高周波信号の減衰に対する配慮は不要となる。従って、各抵抗器８１、８２には、増幅トランジスタ７７、７８が熱暴走しないように、それぞれに十分に大きな抵抗値を選択することが可能である。

ところで、図１１に示す高周波電力増幅器のような接続方法を採ると、各増幅トランジスタ７７、７８のベースから、それぞれに接続されているキャパシタ７９、８０のインピーダンスを観察すると、低周波数帯域における終端条件はほとんど開放状態となっている。実際には、従来技術の範囲では、前述したように１個当たりの容量値を大きくできないため、各キャパシタ７９、８０の入力端子及び出力端子間の信号はほとんど通過しないことになる。この状態では、キャパシタ７９、８０の入力端子８３に安定化抵抗器を挿入しても、各増幅トランジスタ７７、７８の入力側の終端条件については、各増幅トランジスタ７７、７８の動作の安定化に有利なインピーダンスを選択できない場合がある。

さらには、増幅したい所望の高周波信号についても、各増幅トランジスタ７７、７８に個別に接続されたキャパシタ７９、８０における損失を最小限に抑えて、高周波信号を通過させるには、十分に大きな面積を持つキャパシタが必要となる。キャパシタの通過特性は周波数に依存しており、例えば１ＧＨｚ程度の周波数帯域で、ある程度の高周波信号を通過させるには、最低でも２０ｐＦ以上の容量値を確保したい。この容量値を従来技術の適用範囲にあるＭＩＭキャパシタにより構成すると、面積は０．０５ｍｍ²〜０．１ｍｍ²程度となる。さらに、高周波電力増幅器等に適用する場合には、この２０ｐＦの容量値を並列に接続する増幅トランジスタのセル数分に配分する必要がある。

すなわち、増幅トランジスタが５０個分、並列に接続されている場合には、２０ｐＦ／５０セル＝０．４ｐＦ（１個当たりのセルに接続されるキャパシタの容量値）となる。これらの５０個に分配されたキャパシタはそれぞれが絶縁される必要があるため、互いに間隔をおいて配置すると、チップ内におけるキャパシタの占有面積が増大してしまうという問題がある。

図１２に示した従来のダイオードのように、高周波増幅器を集積化することを目的とした半導体基板は、トランジスタの周波数特性を向上させるために、Ｐ型不純物層８６は厚さが５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度にまで薄層化されている。このＰ型不純物層８６の上にはＮ型不純物層８７が形成され、Ｐ型不純物層８６及びＮ型不純物層８７によるＰＮ接合容量が存在する。この容量値はＮ型不純物層８７の不純物濃度に依存しており、単位面積当たりの容量値は３０００ｐＦ／ｍｍ² であり、ＭＩＭキャパシタの１０倍程度の値となる。但し、Ｐ型不純物層８６の厚さが極めて薄いため、そのシート抵抗値は１００Ω〜４００Ω程度にまで大きくなっているのが特徴である。このような半導体基板構造では、ＰＮ接合容量により大容量が確保できたとしても、電極の引き出し構造によっては前述のシート抵抗値によって、ＰＮ接合容量と直列に含まれる抵抗成分が大きくなる。従って、キャパシタとして用いるには制限がある。

また、図１３に示した従来のダイオードの配線パターンは、Ｎ型不純物層８７の下側に位置するＰ型不純物層８６と接続するために、第１の金属配線（カソード）８８は櫛形状に配置されて、半導体基板上でＰ型不純物層８６と接続されている。ＰＮ接合容量の容量値はカソード８８の下側に配置されているＮ型不純物層８７の面積に比例する。従って、カソード８８の平面形状を、Ｐ型不純物層８６と接続するためにＮ型不純物層８７の一部を切り欠いて櫛形状に配置する手法は、面積の利用効率を低下させる。

また、図１４に示した従来のダイオードの他の配線パターンは、Ｎ型不純物層８７の平面形状が、Ｐ型不純物層８６と同等の方形状であるため、面積利用効率が高くなって、より大きなＰＮ接合容量を確保できる。しかしながら、アノードとなる第１の金属配線８８が、Ｐ型不純物層８６の一辺から引き出されているため、Ｐ型不純物層８６の抵抗値が大きくなる。従って、キャパシタとして使用することは現実的ではない。

本発明は、前記従来の問題を解決し、高周波増幅器に用いる増幅トランジスタの異常発振と熱暴走とを防止して高性能動作を安定に維持できると共に小型化を図れるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明は、高周波増幅器を、増幅トランジスタに印加される直流電流を遮断するキャパシタに代えてダイオードを用いる構成とする。

具体的に、本発明に係る第１の高周波増幅器は、第１の高周波信号を増幅する増幅トランジスタと、一方の端子が増幅トランジスタの入力端子と接続され、他方の端子が高周波信号を受けるダイオードとを備えていることを特徴とする。

第１の高周波増幅器によると、一方の端子が増幅トランジスタの入力端子と接続され、他方の端子が高周波信号を受けるダイオードを備えているため、ダイオードの直列抵抗が安定化抵抗器として働くので、高周波増幅器を安定に動作させることができる。また、ダイオードのＰＮ接合容量は十分に大きいため、本発明の高周波増幅器を複数段に接続した場合には、ダイオードはオフ状態でも高周波信号を通過させることができる。その結果、各高周波増幅器の直流成分のみを遮断して、所望の高周波信号を後段に伝達することができる。

本発明に係る第２の高周波増幅器は、高周波信号を増幅する増幅トランジスタと、一方の端子が増幅トランジスタの出力端子と接続され、他方の端子が増幅された高周波信号を出力するダイオードとを備えていることを特徴とする。

第２の高周波増幅器によると、一方の端子が増幅トランジスタの出力端子と接続され、他方の端子が増幅された高周波信号を出力するダイオードを備えているため、ダイオードの直列抵抗が安定化抵抗器として働くので、高周波増幅器を安定に動作させることができる。また、増幅トランジスタの出力側は動作が安定しており、雑音特性に有利になるため、特に低雑音増幅器に適する。さらに、ダイオードのＰＮ接合容量は十分に大きいため、高周波増幅器を複数段に接続した場合には、ダイオードがオフ状態でも高周波信号を通過させることができる。その結果、前段及び後段からの高周波増幅器の直流成分を遮断して、所望の高周波信号を後段に伝達することができる。

本発明に係る第３の高周波増幅器は、高周波信号を増幅する増幅トランジスタと、一方の端子が増幅トランジスタの入力端子と接続され、他方の端子が接地されたダイオードとを備えていることを特徴とする。

第３の高周波増幅器によると、一方の端子が増幅トランジスタの入力端子と接続され、他方の端子が接地されたダイオードを備えているため、ダイオードの直列抵抗が安定化抵抗器として働くので、高周波増幅器を安定に動作させることができる。また、ダイオードのＰＮ接合容量は十分に大きいため、低い周波数帯域においても、ダイオードの直列抵抗（安定化抵抗器）を経由して高周波信号を接地できる。その結果、高周波信号を増幅する周波数帯を含む広い周波数帯域で動作が安定な高周波増幅器を実現できる。

本発明に係る第４の高周波増幅器は、高周波信号を増幅する増幅トランジスタと、一方の端子が増幅トランジスタの出力端子と接続され、他方の端子が接地されたダイオードとを備えていることを特徴とする。

第４の高周波増幅器によると、一方の端子が増幅トランジスタの出力端子と接続され、他方の端子が接地されたダイオードを備えているため、ダイオードの直列抵抗が安定化抵抗器として働くので、高周波増幅器を安定に動作させることができる。また、増幅トランジスタの出力側は動作が安定しており、雑音特性に有利になるため、特に低雑音増幅器に適する。さらに、ダイオードのＰＮ接合容量が十分に大きいため、低い周波数帯域においても、ダイオードの直列抵抗（安定化抵抗器）を経由して高周波信号を接地できる。その結果、高周波信号を増幅する周波数帯を含む広い周波数帯域で動作が安定な高周波増幅器を実現できる。

第１〜４の高周波増幅器において、ダイオードは、第１導電型の第１の不純物層と該第１の不純物層の上に形成された第２導電型の第２の不純物層とが接合されてなり、第１の不純物層には第１の電極が設けられ、第２の不純物層には第２の電極が設けられており、第１の電極は、第２の不純物層と接触せず、且つ、第１の不純物層の平面形状がｎ角形（但し、ｎ≧３）である場合にはｎ角形の少なくとも２辺と接するように接続され、第１の不純物層の平面形状が円形又は楕円形である場合にはその外周部の７５％以上と接するように接続されていることが好ましい。このようにすると、第１の電極と第１の不純物層とのコンタクト抵抗（直列抵抗）が低減する。

この場合に、第１の電極は、増幅トランジスタの入力端子又は出力端子と接続されており、第１の不純物層は、増幅トランジスタに直流バイアスを印加する第３の電極が設けられていることが好ましい。このようにすると、第１の不純物層の安定化のために必要な抵抗値を所望の値に設定することができる。

本発明に係る第５の高周波増幅器は、それぞれが高周波信号を増幅し、並列に接続された複数の増幅トランジスタと、一方の端子が各増幅トランジスタの入力端子と接続され、他方の端子が高周波信号を受ける複数のダイオードと、一方の端子が各増幅トランジスタの入力端子と接続され、他方の端子が直流バイアス信号を受ける複数の抵抗器とを備えていることを特徴とする。

第５の高周波増幅器によると、第１の高周波増幅器と同様の効果を得られる上に、各増幅トランジスタと接続された複数の抵抗器により、故障により一部の増幅トランジスタにのみ電流が集中することを防止できるため、安定で且つ信頼性が高い高周波増幅器を実現することができる。

第５の高周波増幅器において、各ダイオードは、第１導電型の第１の不純物層と該第１の不純物層の上に形成された第２導電型の第２の不純物層とが接合されてなり、第１の不純物層には第１の電極が設けられ、第２の不純物層には第２の電極が設けられており、第１の電極は、第２の不純物層と接触せず、且つ、第１の不純物層の平面形状がｎ角形（但し、ｎ≧３）である場合にはｎ角形の少なくとも２辺と接するように接続され、第１の不純物層の平面形状が円形又は楕円形である場合にはその外周部の７５％以上と接するように接続されていることが好ましい。

この場合に、第１の電極は、各増幅トランジスタの入力端子と接続されており、第１の不純物層は、増幅トランジスタに直流バイアスを印加する第３の電極が設けられていることが好ましい。

本発明に係る高周波増幅器によると、増幅トランジスタに設けたダイオードにおける直列抵抗が安定化抵抗器として働くため、高周波増幅器を安定に動作させることができる。その結果、増幅トランジスタの異常発振と熱暴走とが防止されて、動作を安定に維持できる上に、ダイオードによって小型化を図ることができる。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の第１の実施形態に係る高周波増幅器の回路の一例を示している。図１に示すように、第１の実施形態に係る高周波増幅器は、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタである増幅トランジスタ１を含む１段構成の増幅器である。

増幅トランジスタ１のベース端子と、高周波信号が入力される入力端子３との間には、増幅トランジスタ１の動作を安定化するダイオード２Ａが接続されている。ここでは、ダイオード２Ａにおけるカソードを入力端子３と接続し、アノードをベース端子と接続しているが、これと逆の極性で接続してもよい。
ダイオード２Ａと増幅トランジスタ１の間には抵抗器４の一方の端子が接続され、該抵抗器４の他方の端子はバイアス供給端子５と接続されている。該バイアス供給端子５からは、増幅トランジスタ１のベース端子に適当な直流バイアスを印加するための直流電圧が印加される。増幅トランジスタ１のコレクタ端子は出力端子６と接続されている。

このように、第１の実施形態によると、増幅トランジスタ１のベース端子と入力端子３との間に安定化抵抗器を挿入する代わりに、ダイオード２Ａを直列に挿入することにより、増幅トランジスタ１の動作を安定化させることができる。

また、増幅トランジスタ１を１段構成ではなく多段構成とした場合には、入力される高周波信号の信号振幅が十分に小さく、ダイオード２Ａのアノードとカソードとの間に発生する電位差が、ダイオード２Ａをオン状態とする電圧にまで達しない場合には、直流成分を遮断して高周波信号のみを通過させることができるので、高周波増幅器を小型化することができる。

すなわち、ダイオード２Ａの抵抗成分を利用して増幅トランジスタ１の安定化が図られ、該ダイオード２ＡのＰＮ接合容量により、所望の高周波信号を通過させることができる。ダイオード２Ａは、従来のＭＩＭキャパシタと同一の面積であっても、ダイオード２ＡのＰＮ接合容量はＭＩＭキャパシタと比べて約１０倍の容量を確保できるため、ダイオード２Ａの面積をＭＩＭキャパシタよりも縮小できるので、高周波増幅器の小型が可能となる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図２は本発明の第２の実施形態に係る高周波増幅器の回路の一例を示している。図２において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図２に示すように、第２の実施形態に係る高周波増幅器は、増幅トランジスタ１のコレクタ端子と、増幅トランジスタ１により増幅された高周波信号が出力される出力端子６との間に、増幅トランジスタ１の動作を安定化するダイオード２Ｂが接続されている。ここでは、ダイオード２Ｂにおけるカソードをコレクタ端子と接続し、アノードを出力端子６と接続しているが、これと逆の極性で接続してもよい。

増幅トランジスタ１のコレクタ端子には、直流バイアスを印加するためのバイアス供給端子７が接続されている。

このように、第２の実施形態によると、増幅トランジスタ１のコレクタ端子と出力端子６との間に安定化抵抗器を挿入する代わりに、ダイオード２Ｂを直列に挿入することにより、増幅トランジスタ１の動作を安定化させることができる。

また、増幅トランジスタ１を１段構成ではなく多段構成とした場合には、出力端子６に発生する電位差が、ダイオード２Ｂをオン状態とする電圧にまで達しない場合には、直流成分を遮断して高周波信号のみを通過させることができるので、高周波増幅器を小型化することができる。

（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図３は本発明の第３の実施形態に係る高周波増幅器の回路の一例を示している。図３において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図３に示すように、第３の実施形態に係る高周波増幅器は、増幅トランジスタ１のベース端子と入力端子３との間に、増幅トランジスタ１の動作を安定化するダイオード２Ｃが増幅トランジスタ１と並列に接続されている。

第３の実施形態においては、増幅トランジスタ１のベース端子には、正電圧が印加される。従って、ここでは、ダイオード２Ｃがオン状態となることにより、増幅トランジスタ１のベース端子に適当な直流バイアスが印加されなくなることを防止するために、ダイオード２Ｃのカソードを増幅トランジスタ１のベース端子に接続し、アノードをグランドと接続している。

このように、第３の実施形態によると、入力端子３と増幅トランジスタ１のベース端子との間に、接地された安定化抵抗器を並列に挿入する代わりに、接地されたダイオード２Ｃを並列に挿入することにより、増幅トランジスタ１の動作を安定化させることができる。

また、ダイオード２Ｃは増幅トランジスタ１と並列に接続されているため、ダイオード２ＣのＰＮ接合容量により、ダイオード自体の面積が小さくても十分な容量値を確保できる。その結果、広い帯域で安定な小型化された高周波増幅器を実現できる。

その上、ダイオード２Ｃにおけるアノードとカソードとの間に印加される電圧が、ダイオード２Ｃのオン電圧又は降伏電圧を超える場合には、ダイオード２Ｃがオン状態となるため、増幅トランジスタ１のベース端子をバイパス（迂回）して接地することができる。従って、ダイオード２Ｃは増幅トランジスタ１の保護素子としても機能する。

（第４の実施形態）
以下、本発明の第４の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図４は本発明の第４の実施形態に係る高周波増幅器の回路の一例を示している。図４において、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図４に示すように、第４の実施形態に係る高周波増幅器は、増幅トランジスタ１のコレクタ端子と出力端子６との間に、増幅トランジスタ１の動作を安定化するダイオード２Ｄが増幅トランジスタ１と並列に接続されている。

第４の実施形態においては、増幅トランジスタ１のコレクタ端子には、正電圧が印加される。従って、ここでは、ダイオード２Ｄがオン状態となることにより、増幅トランジスタ１のコレクタ端子に適当な直流バイアスが印加されなくなることを防止するために、ダイオード２Ｄのカソードを増幅トランジスタ１のコレクタ端子に接続し、アノードをグランドと接続している。

このように、第４の実施形態によると、増幅トランジスタ１のコレクタ端子と出力端子６との間に、接地された安定化抵抗器を並列に挿入する代わりに、接地されたダイオード２Ｄを並列に挿入することにより、増幅トランジスタ１の動作を安定化させることができる。

また、ダイオード２Ｄは増幅トランジスタ１と並列に接続されているため、ダイオード２ＤのＰＮ接合容量により、ダイオード自体の面積が小さくても十分な容量値を確保できる。その結果、広い帯域で安定な小型化された高周波増幅器を実現できる。

その上、ダイオード２Ｄにおけるアノードとカソードとの間に印加される電圧が、ダイオード２Ｄのオン電圧又は降伏電圧を超える場合には、ダイオード２Ｄがオン状態となるため、増幅トランジスタ１のコレクタ端子をバイパス（迂回）して接地することができる。従って、ダイオード２Ｄは増幅トランジスタ１の保護素子としても機能する。

（第５の実施形態）
以下、本発明の第５の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図５は本発明の第５の実施形態に係る高周波増幅器の回路の一例を示している。図５に示すように、第５の実施形態に係る高周波増幅器は、並列に接続されたｎ個（但し、ｎ≧２）のＮＰＮ型バイポーラトランジスタである増幅トランジスタ１４、１５を含む１段構成の増幅器である。

ｎ個のトランジスタのうち、１個目が増幅トランジスタ１４であり、ｎ個目が増幅トランジスタ１５である。１個目の増幅トランジスタ１４のベース端子には、該増幅トランジスタ１４の動作を安定化するダイオード１６と、増幅トランジスタ１４に安定に直流バイアスを印加するバラスト抵抗器１８とが並列に接続されている。同様に、ｎ個目の増幅トランジスタ１５のベース端子には、該増幅トランジスタ１５の動作を安定化するダイオード１７と、増幅トランジスタ１５に安定して直流バイアスを印加するバラスト抵抗器１９とが接続されている。各増幅トランジスタ１４、１５のコレクタ端子は互いに共有されて出力端子２３と接続されている。図示はしていないが、ｎ個の増幅トランジスタの２個目からｎ−１個目までのトランジスタについても同様の構成である。

各増幅トランジスタ１４、１５の動作の安定化を図るダイオード１６、１７は、それぞれ、アノードが増幅トランジスタ１４、１５のベースと接続され、カソードが互いに共有されて入力端子２１と接続されている。高周波信号が入力される入力端子２１と各ダイオード１６、１７のカソードとの間には、入力信号に含まれる直流成分を遮断する、容量イが例えば１０ｐＦのキャパシタ２０が接続されている。なお、ダイオード１６、１７の極性を逆にして接続してもよい。

各バラスト抵抗器１８、１９におけるベース端子と反対側の端子は互いに共有されてバイアス入力端子２２と接続されている。バイアス入力端子２２からは、各増幅トランジスタ１４、１５のベース端子に適当なバイアスを印加するための直流電圧が印加される。

ここでは、例えばＮＰＮ型バイポーラトランジスタには、ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）を用い、該ＨＢＴを２０個分並列に接続している。また、各バラスト抵抗器１８、１９の抵抗値は１００Ω〜５００Ωが好ましく、ここでは２００Ωとしている。また、各ダイオード１６、１７の平面積は、それぞれ０．００１ｍｍ² 程度である。

このように、第５の実施形態によると、複数の増幅トランジスタ１４、１５を並列に接続して動作させる場合には、互いに隣接する増幅トランジスタが何らかの理由により故障が発生した際に、故障した増幅トランジスタが正常に動作している増幅トランジスタと直流的に遮断されるため、正常に動作している増幅トランジスタはその増幅動作を継続することが可能となる。故障したトランジスタのベース端子がエミッタ端子と短絡してしまった場合でも、バラスト抵抗器１８、１９の抵抗値がそれぞれ十分も大きいため、すべてのバイアス電流がグランドに流れ出すことを防ぐことができる。この結果、故障していないトランジスタのベース端子に流れ込む電流変動は最小限に抑えることができるので、増幅動作に異常をきたすことはない。従って、ｎ個の増幅トランジスタの一部の故障に起因する高周波増幅器の異常動作及び動作停止を防止することができる。

また、入力端子２１における電位差が、ダイオード１６、１７がＯＮ電圧と降伏電圧との和を超えない程度に小さい場合には、互いに隣接する増幅トランジスタ同士の間での直流電流の流れは遮断される。図１１に示した従来例においては、この直流電流の遮断をキャパシタ７９等によって行なっている。第５の実施形態においては、ダイオード１６、１７を用いているが、互いに隣接する増幅トランジスタ同士の間で、ダイオード１６等がオン状態となるような電位差が発生しないような場合には、キャパシタを用いなくてもダイオード１６等により十分に直流電流を遮断することが可能である。

従って、各増幅トランジスタ１４、１５に設けられているバラスト抵抗器１８、１９を有効に機能させることが可能となる。このように、バラスト抵抗器１８、１９が有効に機能することにより、故障により一部の増幅トランジスタにのみ電流が集中することを防止できるため、安定で且つ信頼性が高い高周波増幅器を実現することができる。

（第１のダイオードの構成例）
以下、第１〜第４の実施形態で説明したダイオード２Ａ〜２Ｄ及び第５の実施形態で説明したダイオード１６、１７の具体的な構成例について図面を参照しながら説明する。

図６は本発明に係る高周波増幅器に用いる第１のダイオードの平面構成を示している。図６に示すように、第１のダイオードは、ＧａＡｓからなる半絶縁性基板１０の上部に５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度の厚さで形成され、１×１０¹⁹ｃｍ^-3程度の濃度を有する平面方形状のＰ型不純物層２４と、該Ｐ型不純物層２４の周縁部を除く領域上に形成され、１×１０¹⁸ｃｍ^-3程度の濃度を有する平面方形状のＮ型不純物層２５とから構成される。

Ｐ型不純物層２４には、第１の金属配線（アノード）２６Ａが平面方形状のＰ型不純物層２４の４辺のうちの３辺の側端部と電気的に接続されるように形成されている。Ｎ型不純物層２５はその上の第２の金属配線（カソード）２７と接続されている。第２の金属配線２７は、その上に形成されたビア２８を介在させて第３の金属配線２９と接続されている。ここで、第１の金属配線２６Ａ及び第２の金属配線２７は同一の配線層に形成されている。また、第１の金属配線２６Ａの上層に形成されている第３の金属配線２９は、第１の金属配線２６Ａとは絶縁されている。

第１のダイオードの特徴として、Ｐ型不純物層２４がその３辺で第１の金属配線２６Ａと接続されているため、前述したようにシート抵抗が高いＰ型不純物層２４とのコンタクト抵抗（直列抵抗）を低減できる。

（第２のダイオードの構成例）
次に、第２のダイオードの構成例を説明する。図７は本発明に係る高周波増幅器に用いる第２のダイオードの平面構成を示している。図７において、図６に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図７に示すように、第２のダイオードは、平面方形状を有するＰ型不純物層２４がその４辺ですなわち外周部のすべてで第１の金属配線２６Ｂと接続されている。このため、Ｐ型不純物層２４とのコンタクト抵抗（直列抵抗）をさらに低減することが可能となる。

（第３のダイオードの構成例）
次に、第３のダイオードの構成例を説明する。図８は本発明に係る高周波増幅器に用いる抵抗体付きの第３のダイオードの平面構成を示している。図８において、図６に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。この抵抗体付きの第３のダイオードは、第１〜第４の各実施形態のダイオード２Ａ〜２Ｄとし適用可能である。

図８に示すように、第３のダイオードは、第２のダイオードと同様に、平面方形状を有するＰ型不純物層２４がその四辺ですなわち外周部のすべてで第１の金属配線２６Ｂと接続されている。

さらに、本構成例に係る第３のダイオードは、Ｐ型不純物層２４の一側部が第１の金属配線２６Ｂの外周部を越えて平面長方形状となるように延長された延長部２４ａを有している。該延長部２４ａの上には、第４の金属配線３０が延長部２４ａの一側部と電気的に接続されて形成されている。Ｐ型不純物層は５０ｎｍ〜２００ｎｍ程度で極めて薄く、シート抵抗が大きいため、Ｐ型不純物層２４の延長部２４ａは抵抗体として機能し得る。

なお、Ｐ型不純物層２４の平面形状は、方形状（四角形状）限られず、三角形又は五角形以上の多角形であってもよい。この場合、第１の金属配線２６Ｂ等とＰ型不純物層２４との接続形状は、多角形の少なくとも２辺と接するように接続されていることが好ましい。また、Ｐ型不純物層２４の平面形状は円形状又は楕円形状であってもよく、この場合には第１の金属配線２６Ｂ等はＰ型不純物層２４の外周部の７５％以上と接するように接続されていることが好ましい。

以下、第５の実施形態に係る高周波増幅器を第３のダイオードを用いて構成する構成例を図面に基づいて説明する。

図９は本発明の第５の実施形態に係る高周波増幅器に第３のダイオードを適用した場合の部分的な平面構成を示し、図１０はその断面構成を簡略化して示している。図９及び図１０において、図５及び図８に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより説明を省略する。

図９に示すように、ヘテロジャンクションバイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）からなる増幅トランジスタ１４、１５等は並列に接続されている。

また、図１０に示すように、半絶縁性基板１０の上には、厚さが３００ｎｍで、不純物濃度が１×１０¹⁸ｃｍ^-3の高濃度の第１のＮ型不純物層１１が全面に形成されている。

図９及び図１０に示すように、増幅トランジスタ１４は、第１のＮ型不純物層１１の上に選択的に形成された厚さが１０００ｎｍのコレクタとしての第２のＮ型不純物層５０と、該第２のＮ型不純物層５０の上に選択的に形成された厚さが１００ｎｍのベースとしての平面方形状のＰ型不純物層４０と、該Ｐ型不純物層４０の上に選択的に形成された厚さが３００ｎｍのエミッタとしての平面櫛形状の第３のＮ型不純物層４１とから構成される。第３のＮ型不純物層４１には引き出し部４２が設けられている。また、第１のＮ型不純物層１１における増幅トランジスタ１４に含まれる部分はサブコレクタ層として機能する。

第１のＮ型不純物層１１における増幅トランジスタ１４とダイオード１６との間には、窒化シリコンからなる素子分離領域１２が形成されている。

増幅トランジスタ１４における第１のＮ型不純物層１１上で且つ第２のＮ型不純物層５０の側方には、第７の金属配線５２が形成され、該第７の金属配線５２と接続されるビア５３を介在させてコレクタ端子４３が形成されている。

ダイオード１６は、第１のＮ型不純物層１１の上の第２のＮ型不純物層５０の上に選択的に形成された厚さが１００ｎｍのアノードであるＰ型不純物層２４と、該Ｐ型不純物層２４の上に選択的に形成された厚さが３００ｎｍのカソードであるＮ型不純物層２５とから構成される。

増幅トランジスタ１４のベースであるＰ型不純物層４０と、ダイオード１６のアノードであるＰ型不純物層２４とは、第５の金属配線４４により互いに接続されている。ここで、第５の金属配線４４におけるＰ型不純物層４０側の端子は平面櫛形状のベース端子４５であり、Ｐ型不純物層２４側の端子は第１の金属配線２６Ｂである。

また、素子分離領域１２の上で且つ第２のＮ型不純物層５０同士の間で且つ第５の金属配線４４の下側の領域は、窒化シリコンからなる誘電体層５１が形成されている。

第２の金属配線２７は、その上に形成されたビア２８を介在させて第３の金属配線２９と接続され、該第３の金属配線２９から高周波信号が入力される。

バラスト抵抗器１８は、ダイオード１６を構成するＰ型不純物層２４の延長部２４ａにより第４の金属配線３０と電気的に接続されている。この延長部２４ａが抵抗体として機能する。

第４の金属配線３０は互い隣接する配線同士と接続されており、該金属配線３０を経由して直流バイアスが各増幅トランジスタ１４、１５のベース端子４５に印加される。

第６の金属配線４６は互いに隣接する配線同士と接続されており、該第６の金属配線４６は高周波増幅器の出力端子と接続されている。

各増幅トランジスタ１４、１５のエミッタである第３のＮ型不純物層４１からの引き出し部４２はいずれもグランドと接続されている。

第５の金属配線４４及び第７の金属配線５２は同一の配線層に形成されており、互いに隣接する素子間の接続にも用いられる。また、第３の金属配線２９及び第６の金属配線４６は互いに同一の配線層に形成されている。これら第５の金属配線４４等と、第３の金属配線２９等とは互いに異なる配線層に形成されている。

本発明に係る高周波増幅器は、増幅トランジスタに設けたダイオードにおける直列抵抗が安定化抵抗器として働くため、増幅器の異常発振、電源供給経路の焼損、動作電流変動を発生させることなく、高周波増幅器を安定に動作させることができ、増幅トランジスタの異常発振と熱暴走とが防止されて、動作を安定に維持できる。その上、ダイオードによって小型化を図ることができるという効果を有し、携帯電話機等の移動機や基地局の固定機として用いられる無線通信機にその通信用高周波信号の増幅用として用いられる高周波増幅器等に有用である。

本発明の第１の実施形態に係る高周波増幅器の一例を示す回路図である。本発明の第２の実施形態に係る高周波増幅器の一例を示す回路図である。本発明の第３の実施形態に係る高周波増幅器の一例を示す回路図である。本発明の第４の実施形態に係る高周波増幅器の一例を示す回路図である。本発明の第５の実施形態に係る高周波増幅器の一例を示す回路図である。本発明の第５の実施形態に係る高周波増幅器に用いる第１のダイオードを示す平面図である。本発明の第５の実施形態に係る高周波増幅器に用いる第２のダイオードを示す平面図である。本発明の第５の実施形態に係る高周波増幅器に用いる抵抗体付きの第３のダイオードを示す平面図である。本発明の第５の実施形態に係る高周波増幅器に抵抗体付きの第３のダイオードを適用した場合の部分的な平面図である。本発明の第５の実施形態に係る高周波増幅器における一組の増幅トランジスタ、ダイオード及びバラスト抵抗器の断面構成を示す簡略化した断面図である。従来の高周波増幅器の一例を示す回路図である。従来のダイオードの一例を示す断面図である。従来のダイオードの一例を示す平面図である。従来のダイオードの他の例を示す平面図である。（ａ）及び（ｂ）は従来の高周波増幅器の一例を示す回路図である。

符号の説明

１増幅トランジスタ
２Ａダイオード
２Ｂダイオード
２Ｃダイオード
２Ｄダイオード
３入力端子
４抵抗器
５バイアス供給端子
６出力端子
７バイアス供給端子
９出力端子
１０半絶縁性基板
１１第１のＮ型不純物層
１４増幅トランジスタ
１５増幅トランジスタ
１６ダイオード
１７ダイオード
１８バラスト抵抗器
１９バラスト抵抗器
２０キャパシタ
２１入力端子
２２バイアス入力端子
２３出力端子
２４Ｐ型不純物層
２４ａ延長部
２５Ｎ型不純物層
２６Ａ第１の金属配線
２６Ｂ第１の金属配線
２７第２の金属配線
２８ビア
２９第３の金属配線
３０第４の金属配線
４０Ｐ型不純物層
４１第３のＮ型不純物層
４２引き出し部
４３コレクタ端子
４４第５の金属配線
４５ベース端子
４６第６の金属配線
５２第７の金属配線
５３ビア

Claims

それぞれが高周波信号を増幅し、並列に接続された複数の増幅トランジスタと、
アノード端子が前記各増幅トランジスタの入力端子と接続され、カソード端子が前記高周波信号を受ける複数のダイオードと、
一方の端子が前記各増幅トランジスタの入力端子と接続され、他方の端子が直流バイアス信号を受ける複数の抵抗器とを備えた高周波増幅器であって、
前記各増幅トランジスタは、ヘテロ接合バイポーラトランジスタであって、それぞれが、第１のＮ型不純物層からなるサブコレクタ層の上に選択的に形成された第２のＮ型不純物層からなるコレクタ層と、前記コレクタ層の上に選択的に形成された厚さが５０ｎｍ以上且つ２００ｎｍ以下のＰ型不純物層からなるＰ型ベース層と、前記Ｐ型ベース層の上に選択的に形成された第３のＮ型不純物層からなるエミッタ層により構成され、
前記各ダイオードは、それぞれが、窒化シリコンからなる素子分離領域で分離されたダイオード領域における第１のＮ型不純物層の上の前記第２のＮ型不純物層の上に選択的に形成された厚さが５０ｎｍ以上且つ２００ｎｍ以下のＰ型不純物層からなるアノード層と、前記Ｐ型不純物層の上に選択的に形成されたＮ型不純物層からなるカソード層とにより構成され、且つ、前記アノード層と前記Ｐ型ベース層とは第１の金属配線により接続されており、前記カソード層の上に接続された第２の金属配線から高周波信号が入力され、
前記各抵抗器は、それぞれが、前記各ダイオードを構成するＰ型不純物層の延長部により抵抗体を形成し、前記抵抗体の上に形成された第３の金属配線と電気的に接続され、前記第３の金属配線を経由して、直流バイアスが前記増幅トランジスタのベース端子に印加されることを特徴とする高周波増幅器。
前記各ダイオードは、第１導電型の第１の不純物層と該第１の不純物層の上に形成された第２導電型の第２の不純物層とが接合されてなり、
前記第１の不純物層には第１の電極が設けられ、前記第２の不純物層には第２の電極が設けられており、
前記第１の電極は、前記第２の不純物層と接触せず、且つ、前記第１の不純物層の平面形状がｎ角形（但し、ｎ≧３）である場合には前記ｎ角形の少なくとも２辺と接するように接続され、前記第１の不純物層の平面形状が円形又は楕円形である場合にはその外周部の７５％以上と接するように接続されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波増幅器。