JP5714886B2 - 高周波スイッチ - Google Patents

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Description

本発明は、高周波スイッチに関し、特に無線通信機器のフロントエンド部に用いられる高周波スイッチに関する。
近年、携帯電話等のフロントエンド部に用いられる高周波スイッチをＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）プロセスを用いたＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｎ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）により実現する技術が開発されている。
一般的に、ＳＯＩプロセスを用いたＭＯＳＦＥＴのボディ（ウェル、バックゲート）は接地電位に接続される（以下、ボディが接地電位に接続されたＦＥＴを「ボディコンタクト型ＦＥＴ」と称する）（引用文献１）。
特表２００５−５１５６５７号公報
しかし、ボディコンタクト型ＦＥＴにより高周波スイッチを構成すると良好な高調波特性が得られるが、挿入損失特性が劣化し、装置の高性能化への対応が困難であるという問題がある。
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、共通ポートに共通に接続される各スイッチ部をボディコンタクト型ＦＥＴと挿入損失特性が良好なフローティングボディ型ＦＥＴ（ボディが開放電位とされたＦＥＴ）とを組み合わせて構成することにより、挿入損失特性および高調波特性が共に良好な高周波スイッチを実現することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明に係る高周波スイッチは、アンテナへ送信信号が出力される共通ポートと、前記送信信号が入力される送信ポートと、複数の前記送信ポートと前記共通ポートとの間にそれぞれ接続され、各送信ポートから前記共通ポートへの前記送信信号を導通または遮断する複数のスイッチ部と、を有し、前記スイッチ部は、シリコン基板に形成され直列に接続された複数のＭＯＳＦＥＴを有し、前記複数のＭＯＳＦＥＴはボディコンタクト型ＦＥＴおよびフローティングボディ型ＦＥＴのいずれかであって、各スイッチ部はボディコンタクト型ＦＥＴおよびフローティングボディ型ＦＥＴの両方を含む。
すなわち、本発明に係る高周波スイッチは、共通ポートに共通に接続される各スイッチ部をボディコンタクト型ＦＥＴと挿入損失特性が良好なフローティングボディ型ＦＥＴとを組み合わせて構成する。
本発明によれば、高調波特性および挿入損失特性が共に良好な高周波スイッチを実現することができる。
本発明の実施形態に係る高周波スイッチを示す図である。 本実施形態に係る高周波スイッチを構成するＭＯＳＦＥＴの断面構造を示す断面図である。 スイッチ部を構成する各ＭＯＳＦＥＴをボディコンタクト型ＦＥＴで構成した従来の高周波スイッチを示す図である。 スイッチ部を構成する各ＭＯＳＦＥＴをフローティングボディ型ＦＥＴで構成した場合の高周波スイッチを示す図である。 本実施形態に係る高周波スイッチの特性を説明するための説明図である。
以下、本発明の実施形態に係る高周波スイッチについて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る高周波スイッチを示す図である。
高周波スイッチは、一般的に、無線通信機器のフロントエンド部に用いられ、送受信の切り換え、送信方式の切り換え、および送信方式の切り換えの少なくともいずれか一つに伴うポートの切り換えを行なう機能を有する。
図１は、本実施形態に係るＳＰＤＴスイッチによる高周波スイッチを示す図である。本実施形態に係る高周波スイッチは、送信方式の切り換えに伴うポートの切り換えを行なう送信系のＳＰＤＴ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｈｒｏｗ）スイッチによる高周波スイッチとすることができる。すなわち、例えば、ＧＳＭ端末における周波数帯の切り換え（例えば、狭帯域である８５０ＭＨｚと広帯域である１９００ＭＨｚの切り換え）を行なうことができる。
図１に示すように、高周波スイッチ１は、共通ポートＣＸを介してアンテナ１１０に共通に（並列に）接続された第１スイッチ部１００Ａと第２スイッチ部１００Ｂとを有する。
第１スイッチ部１００Ａは、第１共通ゲート端子ＧＡＴＥ＿ＴＸ１に入力される制御信号に従って導通または遮断のいずれかの状態になる。第１スイッチ部１００Ａは、第１送信ポートＴＸ１に入力された第１送信信号（例えば、８５０ＭＨｚの送信信号）を共通ポートＣＸを介してアンテナ１１０に導通し、または遮断する。
第２スイッチ部１００Ｂは、第２共通ゲート端子ＧＡＴＥ＿ＴＸ２に入力される制御信号に従って導通または遮断のいずれかの状態になる。第２スイッチ部１００Ｂは、第２送信ポートＴＸ２に入力された第２送信信号（例えば、１９００ＭＨｚの送信信号）を共通ポートＣＸを介してアンテナ１１０に導通し、または遮断する。
すなわち、高周波スイッチ１は、第１スイッチ部１００Ａまたは第２スイッチ部１００Ｂのいずれか一方が導通状態となり他方が遮断状態となることで、送信ポートの切り換えを行うことができる。以下、導通状態のスイッチ部をオンポート（ＯＮ Ｐｏｒｔ）のスイッチ部、遮断状態のスイッチ部をオフポート（ＯＦＦ Ｐｏｒｔ）のスイッチ部と称する。
第１スイッチ部１００Ａは、直列に接続された複数のＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＦ１１〜ＴＦ１３を有する。第１スイッチ部１００Ａを構成するＭＯＳＦＥＴの数は、高周波スイッチ１に要求される耐圧によって適宜変更し得る。ここで、ＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＦ１１〜ＴＦ１３はそれぞれソース端子とドレイン端子とを有するが、これらの端子はＭＯＳＦＥＴの構造上区別されない。そこで、本明細書においては、ＭＯＳＦＥＴが「直列に接続」とは、一のＭＯＳＦＥＴのソース端子またはドレイン端子のいずれかと他のＭＯＳＦＥＴのソース端子またはドレイン端子のいずれかとが接続された状態を指す。また、各ＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＦ１１〜ＴＦ１３はｎ型のＭＯＳＦＥＴとして説明する。
図２は、本実施形態に係る高周波スイッチを構成するＭＯＳＦＥＴの断面構造を示す断面図である。
図２に示すように、ＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＦ１１〜ＴＦ１３は、ＳＯＩ基板に形成され得る。ＳＯＩ基板２００に形成されたＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＦ１１〜ＴＦ１３は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる絶縁層２１０上のシリコン層２２０に形成されたＭＯＳＦＥＴ素子が該絶縁層２０１により囲まれた構造を有し、各ＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＦ１１〜ＴＦ１３は絶縁層２０１により電気的に分離される。
第１スイッチ部１００Ａを構成するＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＦ１１〜ＴＦ１３のうち、共通ポートＣＸに近い位置に接続されたＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３はボディがそれぞれボディ抵抗Ｒｂ１１〜Ｒｂ１３を介して接地される。すなわち、ＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３はボディコンタクト型ＦＥＴである。ボディ抵抗Ｒｂ１１〜Ｒｂ１３を設けるのは、ボディ領域からの漏洩電力による損失を小さくするためである。
一方、第１スイッチ部１００Ａを構成するＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＦ１１〜ＴＦ１３のうち、共通ポートＣＸから遠い位置に接続されるＭＯＳＦＥＴＴＦ１１〜ＴＦ１３はボディにはなんら電圧が印加されず、開放電位とされる。すなわち、ＭＯＳＦＥＴＴＦ１１〜ＴＦ１３はフローティングボディ型ＦＥＴである。
なお、各ＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＦ１１〜ＴＦ１３のゲート端子と第１共通ゲート端子ＧＡＴＥ＿ＴＸ１との間にはそれぞれゲート抵抗Ｒｇ１１〜Ｒｇ１６が設けられる。
第２スイッチ部１００Ｂも第１スイッチ部１００Ａと同様な構造を有する。このため、第１スイッチ部１００Ａにおいて説明した内容は省略または簡略する。
第２スイッチ部１００Ｂは、直列に接続された複数のＭＯＳＦＥＴＴＣ２１〜ＴＣ２３、ＴＦ２１〜ＴＦ２３を有し、各ＭＯＳＦＥＴＣ２１〜ＴＣ２３、ＴＦ２１〜ＴＦ２３はＳＯＩ基板２００に形成され得る。
第２スイッチ部１００Ｂを構成するＭＯＳＦＥＴＴＣ２１〜ＴＣ２３、ＴＦ２１〜ＴＦ２３のうち、共通ポートＣＸに近い位置に接続されたＭＯＳＦＥＴＴＣ２１〜ＴＣ２３はボディコンタクト型ＦＥＴであり、各ボディがそれぞれボディ抵抗Ｒｂ２１〜Ｒｂ２３を介して接地される。一方、共通ポートＣＸから遠い位置に接続されるＭＯＳＦＥＴＴＦ１１〜ＴＦ１３はフローティングボディ型ＦＥＴとされる。
各ＭＯＳＦＥＴＴＣ２１〜ＴＣ２３、ＴＦ２１〜ＴＦ２３のゲート端子と第２共通ゲート端子ＧＡＴＥ＿ＴＸ２との間にはそれぞれゲート抵抗Ｒｇ２１〜Ｒｇ２６が設けられる。
本実施形態に係る高周波スイッチ１の動作について説明する。
第１スイッチ部１００Ａがオンポートで第２スイッチ部１００Ｂがオフポートの場合について説明する。なお、第１スイッチ部１００Ａがオフポートで第２スイッチ部１００Ｂがオンポートの場合も同様に考えることができる（この場合の説明は省略する）。
第１共通ゲート端子ＧＡＴＥ＿ＴＸ１にハイレベルの制御信号が入力されると、第１スイッチ部１００Ａの全てのＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＦ１１〜ＴＦ１３が導通する。これにより、第１スイッチ部１００Ａはオンポートとなり、第１送信ポートＴＸ１に入力される第１送信信号が共通ポートＣＸを介してアンテナ１１０に伝達される。
このとき、第２共通ゲート端子ＧＡＴＥ＿ＴＸ２にはローレベルの制御信号が入力されるため、第２スイッチ部１００Ｂの全てのＭＯＳＦＥＴＴＣ２１〜ＴＣ２３、ＴＦ２１〜ＴＦ２３が遮断状態となる。これにより、第２スイッチ部１００Ｂはオフポートとなり、第２送信ポートに信号が入力されてもその信号は共通ポートＣＸを介してアンテナ１１０に伝達されない。
本実施形態に係る高周波スイッチ１は、上述した動作により送信ポートの切り換えを行うことができる。
図３は、スイッチ部を構成する各ＭＯＳＦＥＴをボディコンタクト型ＦＥＴで構成した従来の高周波スイッチを示す図である。
図３に示す従来の高周波スイッチは、送信特性に関し、第１送信ポートＴＸ１から共通ポートＣＸに至るまでの高調波特性は良好であるが、挿入損失特性が劣化する。挿入損失特性は、パワーアンプの効率特性に直接影響することからさらなる特性向上が求められている一方、図３に示す従来の高周波スイッチでは装置の高性能化へ対応するために要求される仕様を満足することが比較的困難である。
図４は、スイッチ部を構成する各ＭＯＳＦＥＴをフローティングボディ型ＦＥＴで構成した場合の高周波スイッチを示す図である。
図４に示す高周波スイッチは、素子単体で比較的良好な損失特性を有するフローティングボディ型ＦＥＴで構成している。したがって、送信特性に関し、第１送信ポートＴＸ１から共通ポートＣＸに至るまでの挿入損失特性は良好である。しかし、フローティングボディ型ＦＥＴで構成された高周波スイッチにおいては高調波特性が劣化する。
すなわち、第１スイッチ部１００Ａから共通ポートに出力された第１送信信号ＶＴＸ１は、第１スイッチ部１００Ａと共に共通ポートＣＸに接続された第２スイッチ部１００Ｂにも印加される。このとき、オンポートである第１スイッチ部１００Ａから共通ポートＣＸに出力された第１信号ＶＴＸ１は、オフポートである第２スイッチ部１００Ａを構成するＭＯＳＦＥＴＴＦ２１〜ＴＦ２６の特性（トランジスタのオフ時の特性）により影響を受ける。そして、オフポート側の第２スイッチ部がフローティングボディ型ＦＥＴで構成された場合は、オフポート側の第２スイッチ部による共通ポートに出力された第１送信信号の高調波特性への影響が比較的大きくなり、高周波スイッチ１の高調波特性が劣化してしまう。
なお、第１スイッチ部１００Ａがオフポートとなるときは、第２スイッチ部１００Ｂがオンポートとなり得るため、両スイッチ部の構成は通常同じにする必要がある。
図５は、本実施形態に係る高周波スイッチの特性を説明するための説明図である。
図５に示すように、本実施形態に係る高周波スイッチ１は、第１スイッチ部１００Ａと第２スイッチ部１００Ｂとを有し、各スイッチ部１００Ａ、１００Ｂを構成するＭＯＳＦＥＴのうち共通ポートＣＸに近い位置に接続された半分（すなわち、ＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＣ２１〜ＴＣ２３）をボディコンタクト型ＦＥＴで構成し、残りの半分（すなわち、ＭＯＳＦＥＴＴＦ１１〜ＴＦ１３、ＴＦ２１〜Ｔｆ２３）をフローティングボディ型ＦＥＴで構成する。
各スイッチ部１００Ａ、１００Ｂを構成する複数のＭＯＳＦＥＴには、寄生容量成分と寄生抵抗成分が存在することから、各ＭＯＳＦＥＴに印加される電圧は等分配とはならない。すなわち、各スイッチ部１００Ａ、１００Ｂにおいて、直列に接続されたＭＯＳＦＥＴのうち、共通ポートＣＸに接続されたＭＯＳＦＥＴ（すなわち、ＭＯＳＦＥＴＴＣ１１〜ＴＣ１３、ＴＣ２１〜ＴＣ２３）に印加される電圧が比較的大きくなる。
このため、オフポートである第２スイッチ部１００Ｂを構成するＭＯＳＦＥＴＴＣ２１〜ＴＣ２３、ＴＦ２１〜ＴＦ２３が、共通ポートＣＸに出力された第１送信信号ＶＴＸ１の高調波特性に与える影響は共通ポートＣＸに近い位置に接続されたものの方が大きくなる。
したがって、各スイッチ部１００Ａ、１００Ｂにおいて、共通ポートＣＸに近い位置にボディコンタクト型ＦＥＴが接続されることで、高周波スイッチ１の挿入損失の劣化を効果的に防止することができる。さらに、各スイッチ部１００Ａ、１００Ｂにおいて、ボディコンタクト型ＦＥＴ以外のＦＥＴをフローティングボディ型ＦＥＴで構成することで、高周波スイッチ１の挿入損失の劣化を抑えつつ挿入損失の向上を実現することができる。
本実施形態に係る高周波スイッチは次の効果を奏する。すなわち、共通ポートに共通に接続される各スイッチ部をボディコンタクト型ＦＥＴと挿入損失特性が良好なフローティングボディ型ＦＥＴとを組み合わせて構成することにより、高調波特性および挿入損失特性が共に良好な高周波スイッチを実現することができる。
以上、本発明の実施形態に係る高周波スイッチについて説明したが、本発明の実施形態は供述した実施形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の実施形態に係る高周波スイッチは、送受信方式の切り換えに伴いポートの切り換えを行なう送受信系のＳＰ４Ｔ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ ４ Ｔｈｒｏｗ）スイッチによる高周波スイッチであってもよい。また、ＳＰＭＰ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｏｌｅ Ｍｕｌｔｉ Ｔｈｒｏｗ）スイッチおよびＭＰＭＴ（Ｍｕｌｔｉ Ｐｏｌｅ Ｍｕｌｔｉ Ｔｈｒｏｗ）スイッチであってもよい。
また、各スイッチ部を構成するＭＯＳＦＥＴのいずれかをフローティングボディ型ＦＥＴで構成すればよく、ボディコンタクト型ＦＥＴとフローティングボディ型ＦＥＴとの構成割合およびそれらの接続位置は限定されない。
また、各スイッチ部を構成するＭＯＳＦＥＴはｎ型のＭＯＳＦＥＴに限定されずｐ型のＭＯＳＦＥＴであってもよい。
また、ＭＯＳＦＥＴはＳＯＩ基板に形成されるものに限定されず、普通のシリコン基板に形成されるものであってもよい。
１ 高周波スイッチ、
１００Ａ、１００Ｂ スイッチ部、
１１０ アンテナ。

Claims (3)

  1. アンテナへ送信信号が出力される共通ポートと、
    前記送信信号が入力される送信ポートと、
    複数の前記送信ポートと前記共通ポートとの間にそれぞれ接続され、各送信ポートから前記共通ポートへの前記送信信号を導通または遮断する複数のスイッチ部と、を有し、
    前記スイッチ部は、シリコン基板に形成され直列に接続された複数のＭＯＳＦＥＴを有し、前記複数のＭＯＳＦＥＴはボディコンタクト型ＦＥＴおよびフローティングボディ型ＦＥＴのいずれかであって、各スイッチ部はボディコンタクト型ＦＥＴおよびフローティングボディ型ＦＥＴの両方を含むことを特徴とする高周波スイッチ。
  2. 各スイッチ部において、前記ボディコンタクト型ＦＥＴは前記フローティングボディ型ＦＥＴよりも前記共通ポートに近い位置に接続されたことを特徴とする請求項１に記載の高周波スイッチ。
  3. 前記シリコン基板はＳＯＩ基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波スイッチ。
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