JP5611110B2 - High frequency amplifier - Google Patents
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Description
この発明は高周波増幅器に関する。 The present invention relates to a high frequency amplifier.
従来の高周波増幅器の構成について図1を参照しながら説明する。この図1に示すように、従来の高周波増幅器は、複数のトランジスタセル1及び各トランジスタセル1内部のドレインソースフィンガー22から構成されている。各トランジスタセル1同士は、一定の間隔lで一直線上(図1にて点線3で示す線上)に配置されている。従来の高周波増幅器では、発熱部であるトランジスタセル1同士の間隔lを大きくすることで、放熱性能を改善していた(例えば、非特許文献1参照)。
A configuration of a conventional high-frequency amplifier will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 1, the conventional high-frequency amplifier includes a plurality of
しかしながら、従来の高周波増幅器では、トランジスタセル1の中心が同一線上となるように配置されているため、高周波増幅器から高周波増幅器下部への熱の拡散について、高周波増幅器のトランジスタセル1から、図1中z軸の正の方向に、間隔lの半分の距離において隣接するトランジスタセル1同士の熱流がぶつかり、熱流の干渉し合う範囲が広く熱抵抗が上がり高周波増幅器全体の放熱性能が劣化するという課題があった。
However, in the conventional high frequency amplifier, since the center of the
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、熱抵抗が下がり高周波増幅器全体の放熱性能が向上する高周波増幅器を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a high-frequency amplifier in which the thermal resistance is lowered and the heat radiation performance of the entire high-frequency amplifier is improved.
この発明に係る高周波増幅器は、平面上に配置されている前記複数のトランジスタのうち隣接している2つの各トランジスタのそれぞれの熱流通過面積を特定する熱流通過領域が重なるように、トランジスタの中心を複数のトランジスタの配列方向であるx軸方向から該x軸方向と直交するy軸方向にずらして、各々のトランジスタを配置したことを特徴とするものである。 In the high-frequency amplifier according to the present invention, the center of the transistor is arranged such that the heat flow passage areas that specify the heat flow passage areas of the two adjacent transistors among the plurality of transistors arranged on a plane overlap each other. from the x-axis direction which is the arrangement direction of the plurality of transistors Rashi not the y-axis direction orthogonal to the x-axis direction and it is characterized in that a respective transistor.
この発明によれば、トランジスタはx軸方向の中心がy軸方向にずれているために熱抵抗が下がり高周波増幅器全体の放熱性能が向上する高周波増幅器を提供することができる。 According to this invention, since the center of the x-axis direction is shifted in the y-axis direction, the transistor can provide a high-frequency amplifier in which the thermal resistance is lowered and the heat dissipation performance of the entire high-frequency amplifier is improved.
実施の形態1.
図2は、この発明の実施の形態1に係る高周波増幅器の回路図である。この図2中、1a−1gはトランジスタセル(トランジスタ)、2は周辺回路、10は高周波増幅器を示す。
FIG. 2 is a circuit diagram of the high frequency amplifier according to
全てのトランジスタセル1a−1gについて、隣接している2つの各トランジスタセル(例えば、トランジスタセル1a及び1b、トランジスタセル1b及び1c等)におけるx軸方向の各中心は、y軸方向に互い違いにずれている。
ここで、互い違いにずれているとは、下方にずれたトランジスタセル(例えば1a)と上方にずれたトランジスタセル(例えば1b)とが交互に配列されていることを意味する。
For all the
Here, staggering means that transistor cells (for example, 1a) shifted downward and transistor cells (for example, 1b) shifted upward are alternately arranged.
具体的には、トランジスタセル1a−1gは、図2において左から1a,1b,・・・,1gとすると、1a,1c,1e,1gの中心が図2において点線Dで示した線上に位置し、1b,1d,1fの中心が図2において点線Dで示した線よりも上方にある点線Eで示した線上に位置している。
Specifically, if the
この実施の形態の説明においてトランジスタセルを用いて説明するが、トランジスタセル1a−1gは、1つのトランジスタで構成されていてもよい。以後の説明でも同様である。
In the description of this embodiment, a transistor cell is used for description, but the
図2中点線Dで示した線の上方に点線Eで示す線がある場合の例を用いて説明しているが、図2中点線Eで示した線の上方に点線Dで示す線があってもよい。 The description is given using an example in which there is a line indicated by a dotted line E above the line indicated by a dotted line D in FIG. 2, but there is a line indicated by a dotted line D above the line indicated by a dotted line E in FIG. May be.
この実施の形態1の説明では、トランジスタセル1a−1gの数が7個の場合を例にして説明しているが、7個である必要はない。
In the description of the first embodiment, the case where the number of
次に、この実施の形態1に係る高周波増幅器10の放熱性能について説明する。
放熱性能の指標として熱抵抗の大小を用いることができる。熱抵抗Rthは式(1)を用いて計算する事ができる。
式(1)において、χは熱が伝達する媒質(半導体内部あるいは放熱器など)の熱伝導率、h1は計算する範囲のz軸方向における上辺、h2は計算する範囲のz軸方向における下辺、S(z)は、あるz(h1<z<h2)についてのx−y平面上において熱流の通過する面積である。式(1)より、熱抵抗は面積が大きいほど小さくなる、言い換えると放熱面積が大きいほど放熱性能が高いと言える。
Next, the heat dissipation performance of the
The magnitude of thermal resistance can be used as an index of heat dissipation performance. The thermal resistance Rth can be calculated using equation (1).
In Equation (1), χ is the thermal conductivity of a medium (such as the inside of a semiconductor or a radiator) through which heat is transferred, h1 is the upper side in the z-axis direction of the calculation range, h2 is the lower side in the z-axis direction of the calculation range, S (z) is an area through which the heat flow passes on the xy plane for a certain z (h1 <z <h2). From the equation (1), it can be said that the heat resistance is smaller as the area is larger, in other words, the heat radiation performance is higher as the heat radiation area is larger.
S(z)としては、いくつかのモデルが提案されている。図3を参照して、以下の説明で用いるモデルについて述べる。
熱流は、その伝達した距離だけ拡散する。各辺の長さが(l×m)の長方形(図3にてハッチングされている部分)を放熱面とし、z軸方向の熱流伝達距離をhとした場合、S(z)は{(l+2h)×(m+2h)}の長方形(図3にて面積の広い方の長方形)から(l×m)の長方形(図3にてハッチングされている部分)を引いた部分である。以降の検討では、S(z)は本モデルを用いて計算を行う。
Several models have been proposed for S (z). A model used in the following description will be described with reference to FIG.
The heat flow diffuses for the distance transmitted. When a rectangle having a side length of (l × m) (hatched portion in FIG. 3) is a heat radiating surface and a heat flow transfer distance in the z-axis direction is h, S (z) is {(l + 2h ) × (m + 2h)} rectangle (the rectangle with the larger area in FIG. 3) minus the rectangle (l × m) (the hatched portion in FIG. 3). In the following discussion, S (z) is calculated using this model.
図1に示す従来の高周波増幅器及びこの実施の形態1に係る高周波増幅器10について、熱流の通過面積で比較を行う。図1、2において、各トランジスタセル1を発熱体(発熱面)とする。
The conventional high-frequency amplifier shown in FIG. 1 and the high-
図4(a)は、図1に示した従来の高周波増幅器について、発熱面よりz軸方向の距離0.2mmの位置でのx−y平面に平行な切断面における熱流の通過面積を示す図である。 FIG. 4A is a diagram showing a heat flow passage area in a cut surface parallel to the xy plane at a distance of 0.2 mm in the z-axis direction from the heat generation surface in the conventional high-frequency amplifier shown in FIG. It is.
図4(b)は、この実施の形態1に係る高周波増幅器10について、発熱面よりz軸方向の距離0.2mmの位置でのx−y平面に平行な切断面における熱流の通過面積を示す図である。
FIG. 4B shows the heat flow passage area on the cut plane parallel to the xy plane at a distance of 0.2 mm in the z-axis direction from the heat generation surface for the high-
これら図4(a)及び(b)におけるS(0.2)を計算するためのパラメータを図4(c)に示す。図4(c)のパラメータを元にS(0.2)を計算した結果、この実施の形態1に係る高周波増幅器10のS(0.2)は、1.865mm2となり、図1に示す従来の高周波増幅器でのS(0.2)は、1.625mm2となった。この実施の形態1に係る高周波増幅器10のS(0.2)は、従来の高周波増幅器におけるS(0.2)と比較して15%程度大きくなっている。このため、高周波増幅器10は、放熱性能が向上したといえる。
Parameters for calculating S (0.2) in FIGS. 4A and 4B are shown in FIG. As a result of calculating S (0.2) based on the parameters of FIG. 4C, S (0.2) of the high-
この実施の形態1に係る高周波増幅器10及び図1に示す従来の高周波増幅器について、z軸方向に材料とその厚みを定義して、より実践的な放熱性能の改善量を計算する。図4(d)に材料の計算条件を示す。各材料のx軸及びy軸方向の大きさは無限大とする。
これらの条件の元で放熱性能、すなわち熱抵抗Rthを計算すると、この実施の形態1に係る高周波増幅器10における熱抵抗は2.6[K/W]となり、従来の高周波増幅器の熱抵抗値2.88[K/W]と比較して10%程度熱抵抗が小さい結果が得られた。
For the high-
When the heat dissipation performance, that is, the thermal resistance Rth is calculated under these conditions, the thermal resistance in the high-
図4(e)の半導体デバイス、高周波増幅器性能を仮定し、常温の条件で比較すると、この実施の形態1に係る高周波増幅器10は、従来の高周波増幅器と比較して半導体デバイスの温度が16度低く、0.64dB利得が高くなる。
Assuming the performance of the semiconductor device and the high frequency amplifier in FIG. 4 (e) and comparing them at room temperature, the
以上から、この実施の形態1に係る高周波増幅器10により放熱性能の向上が可能となる。
同時に、放熱性能が良いため、デバイスの温度を下げることができ半導体デバイスの信頼性の観点から有利である。また、温度が低いことで高周波増幅器10の利得を改善することができる。また、高周波増幅器10の利得が改善することで、高周波増幅器10の効率を改善することができる。同時に高周波増幅器10の利得が改善することで、高周波増幅器10の前段に接続するドライバ段の高周波増幅器10に必要な出力電力を小さくすることができ、システムの小型化、低価格化に有利である。一般的にトランジスタでは出力電力も利得と同様に高熱条件化では低下するので、出力電力を改善することもできる。
From the above, the heat radiation performance can be improved by the high-
At the same time, since the heat dissipation performance is good, the temperature of the device can be lowered, which is advantageous from the viewpoint of the reliability of the semiconductor device. Further, the gain of the high-
この実施の形態1では、分布形増幅器を例に説明を行ったが分配合成型の増幅器であっても同様の効果を得ることができる。 In the first embodiment, the distributed amplifier has been described as an example, but the same effect can be obtained even with a distribution-synthesis amplifier.
図2では、この実施の形態1の高周波増幅器の例として、全てのトランジスタセル1a−1gについて、隣接している2つの各トランジスタセル(1aと1b、1bと1c、1cと1d、1dと1e、1eと1f及び1fと1g)におけるx軸方向の各中心はy軸方向に互い違いにずれている例を説明したが、これに限らず、少なくとも隣接している2つの各トランジスタセル(1aと1b、又は1bと1c等)におけるx軸方向の各中心がy軸方向にずれていれば同様の効果を得られる。
In FIG. 2, as an example of the high-frequency amplifier according to the first embodiment, for all the
以上より、実施の形態1に係る高周波増幅器10は、複数のトランジスタセル1a−1gで構成され、平面上に配置されている複数のトランジスタセル1a−1gのうち隣接している2つの各トランジスタセルにおけるx軸方向の各中心はy軸方向にずれているように構成した。このため熱抵抗が下がり高周波増幅器10全体の放熱性能が向上する高周波増幅器10を提供することができる。
As described above, the high-
また、実施の形態1によれば、全てのトランジスタセル1a−1gについて、隣接している2つの各トランジスタセルにおけるx軸方向の各中心はy軸方向に互い違いにずれているように構成したので、熱抵抗が更に下がり高周波増幅器10全体の放熱性能がより向上する高周波増幅器10を提供することができる。
Further, according to the first embodiment, all the
実施の形態2.
次に、この発明の実施の形態2に係る高周波増幅器20について説明する。図5は、この実施の形態2に係る高周波増幅器20の回路構成を示す図である。この図5中、1a−1fはトランジスタセル(トランジスタ)、2は周辺回路、20は高周波増幅器を示す。
Next, a
高周波増幅器20は、互いに縦続接続された2段構成であり、2段のうち上段に含まれるトランジスタセル1a,1b,1c,1d、及び、2段のうち下段に含まれるトランジスタセル1e,1fを備える。
The high-
2段のうち上段に含まれるトランジスタセル1a,1b,1c,1dについて、隣接している2つの各トランジスタセル(1aと1b、1bと1c及び1cと1d)におけるx軸方向の各中心はy軸方向に互い違いにずれている。
より具体的には、上方にずれたトランジスタセルと下方にずれたトランジスタセルとが交互に配列するような位置関係にある。
Regarding the
More specifically, the positional relationship is such that transistor cells shifted upward and transistor cells shifted downward are alternately arranged.
図5の例では、上段に含まれるトランジスタセル1a,1b,1c,1dのうちトランジスタセル1a,1cは上方に位置しておりトランジスタセル1b,1dは下方に位置している。
下段に含まれるトランジスタセル1e,1fは、上段に含まれるトランジスタセル1a,1b,1c,1dのうち上方に配列しているトランジスタセル(トランジスタセル1a,1c)の下方向に位置している。
In the example of FIG. 5, among the
The
実施の形態1と同様に、この実施の形態2に係る高周波増幅器20と従来の高周波増幅器とを放熱性能で比較する。熱流の通過面積S(z)が大きい方が放熱性能が良いため、ここでもこれを指標とする。
Similar to the first embodiment, the high-
比較のための従来の2段高周波増幅器を図6に示す。図5、6において、各トランジスタセルを発熱体(発熱面)とする。 A conventional two-stage high-frequency amplifier for comparison is shown in FIG. 5 and 6, each transistor cell is a heating element (heating surface).
図7(a)は、この実施の形態2に係る高周波増幅器20について、発熱面よりz軸方向の距離0.2mmの位置でのx−y平面に平行な切断面における熱流の通過面積を示す図である。
FIG. 7A shows a heat flow passage area in a cut plane parallel to the xy plane at a distance of 0.2 mm in the z-axis direction from the heat generation surface for the high-
図7(b)は、図6に示した従来の高周波増幅器について、発熱面よりz軸方向の距離0.2mmの位置でのx−y平面に平行な切断面における熱流の通過面積を示す図である。 FIG. 7B is a diagram showing a heat flow passage area on a cut surface parallel to the xy plane at a distance of 0.2 mm in the z-axis direction from the heat generation surface for the conventional high-frequency amplifier shown in FIG. It is.
これら図7(a)及び(b)におけるS(0.2)を計算するためのトランジスタセル1のパラメータを図7(c)に示す。図7(c)のパラメータを元にS(0.2)を計算した結果、この実施の形態2に係る高周波増幅器20のS(0.2)は、1.59mm2となり、図6に示す従来の高周波増幅器でのS(0.2)は、1.35mm2となった。この実施の形態2に係る高周波増幅器20のS(0.2)は、従来の高周波増幅器におけるS(0.2)と比較して15%程度大きくなっている。このため、高周波増幅器20は、放熱性能が向上したといえる。
FIG. 7C shows parameters of the
以上から、この実施の形態2に係る高周波増幅器20により、放熱性能が向上する。同時に、上述の実施の形態1で説明したとおり、利得、効率及び出力電力等を改善することができる。
From the above, the heat radiation performance is improved by the high-
この実施の形態2では、2段構成の高周波増幅器20を用いて説明したが、互いに縦続接続したn(nは自然数)段で構成してもよい。
この場合、n段のうちの少なくとも1段に含まれるトランジスタセルについて、隣接している2つの各トランジスタセルにおけるx軸方向の各中心がy軸方向に互い違いにずれて配置されてもよい。
In the second embodiment, the high-
In this case, with respect to the transistor cells included in at least one of the n stages, the centers in the x-axis direction of the two adjacent transistor cells may be alternately shifted in the y-axis direction.
この実施の形態2では、分配合成形増幅器を例に説明を行ったが分布形増幅器であっても同様の効果を得ることができる。 In the second embodiment, the distribution / synthesis type amplifier has been described as an example, but the same effect can be obtained even with a distributed type amplifier.
以上より実施の形態2に係る高周波増幅器20は、互いに縦続接続したn(nは自然数)段で構成され、複数のトランジスタセル1a−1fの中で、n段のうちの少なくとも1段に含まれるトランジスタセル1a−1dについて、隣接している2つの各トランジスタセルにおけるx軸方向の各中心はy軸方向に互い違いにずれているように構成した。このため熱抵抗が下がり高周波増幅器20全体の放熱性能が向上する高周波増幅器20を提供することができる。
As described above, the high-
実施の形態3.
次に、この発明の実施の形態3に係る高周波増幅器30について説明する。図8は、この実施の形態3に係る高周波増幅器30の回路構成を示す図である。この図8中、1は複数のトランジスタセル、2は複数の周辺回路、30は高周波増幅器を示す。
Next, a high frequency amplifier 30 according to
高周波増幅器30は1段構成である。
トランジスタセル1は、直線上に配置されている。トランジスタセル1が配置されている直線(図8で点線Fで示す直線)の方向と、各トランジスタセル1の長手方向とのなす角度は90度である。
The high frequency amplifier 30 has a one-stage configuration.
The
高周波増幅器30は、図1に示した高周波増幅器に対して、各トランジスタセル1を時計回りに90度回転することで得ることができる。
The high frequency amplifier 30 can be obtained by rotating each
実施の形態1と同様に、この実施の形態3に係る高周波増幅器30と従来の高周波増幅器とを放熱性能で比較する。熱流の通過面積S(z)が大きい方が放熱性能が良いため、ここでもこれを指標とする。 As in the first embodiment, the high-frequency amplifier 30 according to the third embodiment is compared with the conventional high-frequency amplifier in terms of heat dissipation performance. Since the heat dissipation performance is better when the passage area S (z) of the heat flow is larger, this is also used as an index here.
比較のための従来の高周波増幅器の計算は、上述の実施の形態1と同様である。
図8において、各トランジスタセル1を発熱体(発熱面)とする。
The calculation of the conventional high-frequency amplifier for comparison is the same as that in the first embodiment.
In FIG. 8, each
図9は、この実施の形態3に係る高周波増幅器30について、発熱面よりz軸方向の距離0.2mmの位置でのx−y平面に平行な切断面における熱流の通過面積を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing a heat flow passage area on a cut surface parallel to the xy plane at a position of a distance of 0.2 mm in the z-axis direction from the heat generation surface for the high-frequency amplifier 30 according to the third embodiment. .
図9におけるS(0.2)を計算するためのトランジスタセル1のパラメータを図4(c)に示す。図4(c)のパラメータを元にS(0.2)を計算した結果、この実施の形態3に係る高周波増幅器30のS(0.2)は、1.76mm2となり、図1に示す従来の高周波増幅器でのS(0.2)は、1.625mm2となった(上述)。この実施の形態3に係る高周波増幅器30のS(0.2)は、従来の高周波増幅器におけるS(0.2)と比較して8%程度大きくなっている。このため、高周波増幅器30は、放熱性能が向上したといえる。
FIG. 4C shows parameters of the
以上から、この実施の形態3に係る高周波増幅器30により、放熱性能が向上する。同時に、上述の実施の形態1で説明したとおり、利得、効率及び出力電力等を改善することができる。 From the above, the heat radiation performance is improved by the high-frequency amplifier 30 according to the third embodiment. At the same time, as described in the first embodiment, gain, efficiency, output power, and the like can be improved.
この実施の形態3に係る高周波増幅器30の説明は、複数のトランジスタセル1が配置されている直線の方向と、各トランジスタセル1の長手方向とのなす角度が90である例を用いて説明したが、角度は、0度を超え且つ90までのいずれかであってもよい。それによって同様の効果を得ることが可能である。
The description of the high-frequency amplifier 30 according to the third embodiment has been made using an example in which the angle formed by the straight line direction in which the plurality of
この実施の形態3では、分布形増幅器を例に説明を行ったが分配合成型の増幅器であっても同様の効果を得ることができる。 In the third embodiment, the distributed amplifier has been described as an example, but the same effect can be obtained even with a distribution-synthesis amplifier.
以上より実施の形態3に係る高周波増幅器30は、直線上に配置された複数のトランジスタセル1で構成され、複数のトランジスタセル1が配置されている直線の方向と、複数のトランジスタセル1の各トランジスタセルの長手方向とのなす角度は、0度を超え且つ90度までのいずれかであるように構成した。このため、熱抵抗が下がり高周波増幅器30全体の放熱性能が向上する高周波増幅器30を提供することができる。
As described above, the high-frequency amplifier 30 according to the third embodiment includes the plurality of
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。 In the present invention, within the scope of the invention, any combination of the embodiments, or any modification of any component in each embodiment, or omission of any component in each embodiment is possible. .
1,1a,1b,1c,1d,1e,1f,1g トランジスタセル(トランジスタ)、2 周辺回路、10,20,30 高周波増幅器、22 ドレインソースフィンガー。 1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e, 1f, 1g Transistor cell (transistor), 2 peripheral circuit, 10, 20, 30 high frequency amplifier, 22 drain source finger.
Claims (4)
平面上に配置されている前記複数のトランジスタのうち隣接している2つの各トランジスタのそれぞれの熱流通過面積を特定する熱流通過領域が重なるように、前記トランジスタの中心を前記複数のトランジスタの配列方向であるx軸方向から該x軸方向と直交するy軸方向にずらして、各々の前記トランジスタを配置したことを特徴とする高周波増幅器。 In a high-frequency amplifier composed of a plurality of transistors,
The arrangement direction of the plurality of transistors is such that the centers of the transistors overlap so that the heat flow passage regions that specify the respective heat flow passage areas of the two adjacent transistors among the plurality of transistors arranged on a plane overlap each other. in it are the x-axis direction Rashi not the y-axis direction orthogonal to the x-axis direction, the high-frequency amplifier, characterized in that a respective said transistor.
前記複数のトランジスタの中で、n段のうちの少なくとも1段に含まれるトランジスタについて、隣接している2つの各トランジスタにおける前記x軸方向の各中心は前記y軸方向に互い違いにずれている
ことを特徴とする請求項1記載の高周波増幅器。 It is composed of n stages (n is a natural number) cascaded together,
Among the plurality of transistors, the transistors included in at least one stage of the n stages, that the center of the x-axis direction in each of two transistors that are adjacent are offset alternately in the y-axis direction The high-frequency amplifier according to claim 1.
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