JP6057145B2

JP6057145B2 - トランジスタ

Info

Publication number: JP6057145B2
Application number: JP2012085642A
Authority: JP
Inventors: 善伸佐々木; 整久留須
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2012-04-04
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2032-04-04
Also published as: US20130264682A1; TW201349486A; TWI501394B; CN103367415A; CN103367415B; KR101537554B1; JP2013219081A; US8907454B2; KR20130112747A

Description

本発明は、携帯電話端末などに搭載されている電力増幅器モジュールに用いるトランジスタに関する。

動作時の温度上昇によりトランジスタの特性が悪化することが知られている（例えば、特許文献１参照）。図１５は、従来のトランジスタのコレクタ電流とコレクタ電圧の関係を示す図である。図中でＡ点は通常バイアス時の電流を示す。コレクタ電圧を上昇させていくとＢ点で急に電流が増加する。これは、トランジスタのジャンクション温度が上昇し、熱暴走を起こしているためである。さらに高い電圧を印加するとＣ点で熱によりトランジスタが破壊される。

特開平７−３３５６７３号公報

高電圧を印加すると、トランジスタ内の熱上昇によりトランジスタが破壊されるという問題があった。また、破壊を防ぐためにトランジスタのエミッタやベースに抵抗を接続すると、増幅特性が劣化する。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は高電圧印加による破壊を防ぐことができるトランジスタを得るものである。

本発明に係るトランジスタは、電力増幅器モジュールに用いるトランジスタであって、半導体基板と、前記半導体基板上に配置され、第１及び第２の部分を有するエミッタ電極と、前記半導体基板上において前記エミッタ電極から離間して配置されたコレクタ電極と、前記半導体基板上において前記エミッタ電極と前記コレクタ電極の間に配置されたベース電極と、前記エミッタ電極の前記第１の部分に接合されることなく、前記第２の部分に接合された第１の放熱板と、前記第１の部分と前記第２の部分の間に設けられた第１の抵抗とを備え、前記第１の部分には放熱板が接合されず、前記第１の放熱板は前記第１の抵抗を介さずには前記第１の部分に接続されないことを特徴とする。

本発明により、高電圧印加による破壊を防ぐことができる。

図１は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器モジュールを示す回路図である。本発明の実施の形態１に係るトランジスタを示す上面図である。図２のＩ−ＩＩに沿った断面図である。本発明の実施の形態１に係るトランジスタの熱暴走時の等価回路を示す図である。本発明の実施の形態１に係るトランジスタのコレクタ電流とコレクタ電圧の関係を示す図である。本発明の実施の形態２に係るトランジスタを示す上面図である。本発明の実施の形態２に係るトランジスタの熱暴走時の等価回路を示す図である。本発明の実施の形態３に係るトランジスタを示す上面図である。本発明の実施の形態３に係るトランジスタの熱暴走時の等価回路を示す図である。本発明の実施の形態４に係るトランジスタを示す上面図である。本発明の実施の形態５に係るトランジスタを示す上面図である。図１１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。本発明の実施の形態６に係るトランジスタを示す上面図である。本発明の実施の形態７に係るトランジスタを示す上面図である。従来のトランジスタのコレクタ電流とコレクタ電圧の関係を示す図である。

本発明の実施の形態に係るトランジスタについて図面を参照して説明する。同じ又は対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力増幅器モジュールを示す回路図である。この電力増幅器モジュールは携帯電話端末などに搭載されている。入力端子ＩＮに入力されたＲＦ信号は、初段トランジスタＴｒ１及び後段トランジスタＴｒ２により増幅されて出力端子Ｏｕｔから出力される。ここでは２段増幅器としているが、これに限らず２段以上の多段増幅器であればよい。

バイアス回路により初段トランジスタＴｒ１及び後段トランジスタＴｒ２のベースＢにベース電流が供給される。初段トランジスタＴｒ１の入力側に入力整合回路が設けられ、初段トランジスタＴｒ１と後段トランジスタＴｒ２の間に段間整合回路が設けられ、後段トランジスタＴｒ２の出力側に出力整合回路が設けられている。

初段トランジスタＴｒ１及び後段トランジスタＴｒ２のコレクタＣには、３．４Ｖ程度のコレクタ電圧が印加される。コレクタ電圧は電池から直接供給される場合があり、電圧は一定でなく、時には６Ｖ程度の電圧がかかる場合がある。このような高い電圧が印加されても増幅器モジュールが故障しないことが求められる。

図２は、本発明の実施の形態１に係るトランジスタを示す上面図である。図３は図２のＩ−ＩＩに沿った断面図である。このトランジスタは図１の初段トランジスタＴｒ１である。

半導体基板１上にエミッタ電極２、コレクタ電極３、及びベース電極４が配置されている。コレクタ電極３はエミッタ電極２から離間している。ベース電極４はエミッタ電極２とコレクタ電極３の間に配置されている。ベース電極４は入力整合回路に接続され、エミッタ電極２は増幅器モジュールの接地電極に接続され、コレクタ電極３は段間整合回路に接続されている。なお、トランジスタのフィンガ数は１本に限らず、複数本が並列に配置されていてもよい。

エミッタ電極２は部分２ａ，２ｂを有する。放熱板５が、エミッタ電極２の部分２ａに接合されることなく、部分２ｂに接合されている。放熱板５は、エミッタ電極２、コレクタ電極３及びベース電極４が存在する領域の外側において半導体基板１に接合されている。放熱板５は熱伝導度の高い金などの金属で構成されており、エミッタ電極２から半導体基板１に熱を伝達する。放熱板５が接合されていない部分２ａでは相対的に熱上昇が起こりやすくなる。

部分２ａは熱上昇が大きくなるため、部分的に温度が上昇する。従って、この領域でコレクタ電流密度が高くなり、他の領域ではコレクタ電流密度が低くなる。熱上昇が大きい領域では電流密度が大きいので更に多くの電流が流れるようになり、その他の領域では電流がほとんど流れなくなる。このようにトランジスタの一部に熱暴走領域を意図的に設けることで、実効的なトランジスタサイズが小さくなり、熱暴走後にトランジスタ全体に流れる電流が抑制される。この結果、破壊電圧を大きくすることができる。

図４は、本発明の実施の形態１に係るトランジスタの熱暴走時の等価回路を示す図である。熱暴走時には熱抵抗の低い領域は電流が抑えられているため、トランジスタのベースＢとエミッタＥにそれぞれ寄生抵抗Ｒｂ，Ｒｅが発生する。この寄生抵抗が熱暴走電流を更に抑圧するため、破壊電圧を大きくすることができる。

図５は、本発明の実施の形態１に係るトランジスタのコレクタ電流とコレクタ電圧の関係を示す図である。この図から、熱暴走が始まる電圧（Ｂ点）は従来と同じであるが、ピーク電流が抑制されることが分かる。このため、破壊電圧（Ｃ点）を大きくすることができる。

また、熱上昇が大きい部分２ａをエミッタ電極２の端部に配置している。トランジスタフィンガの端部は中央部に比べて熱抵抗が低いため、熱暴走が発生する電圧を小さくできる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２に係るトランジスタを示す上面図である。エミッタ電極２の熱上昇が大きい部分２ａと熱上昇が小さい部分２ｂの間に抵抗Ｒｅが設けられている。この抵抗Ｒｅにより、トランジスタ内の熱上昇が起きてもコレクタ電流が低く抑えられるので、破壊電圧を大きくすることができる。

図７は、本発明の実施の形態２に係るトランジスタの熱暴走時の等価回路を示す図である。通常動作時には、抵抗Ｒｅが熱抵抗の高い領域のトランジスタに作用するので、増幅特性はほとんど劣化しない。一方、熱暴走時には、熱抵抗の高い領域のトランジスタが主に動作しているために、抵抗Ｒｅの作用が大きくなり、電流上昇を抑制する。この結果、破壊電圧を大きくすることができる。

実施の形態３．
図８は、本発明の実施の形態３に係るトランジスタを示す上面図である。ベース電極４は、エミッタ電極２の部分２ａに対向する部分４ａと、部分２ｂに対向する部分４ｂとを有する。ベース電極４の熱上昇が大きい部分４ａと熱上昇が小さい部分４ｂの間に抵抗Ｒｂが設けられている。この抵抗Ｒｂにより、トランジスタ内の熱上昇が起きてもコレクタ電流が低く抑えられるので、破壊電圧を大きくすることができる。

図９は、本発明の実施の形態３に係るトランジスタの熱暴走時の等価回路を示す図である。通常動作時には、抵抗Ｒｂが熱抵抗の高い領域のトランジスタに作用するので、増幅特性はほとんど劣化しない。一方、熱暴走時には、熱抵抗の高い領域のトランジスタが主に動作しているために、抵抗Ｒｂの作用が大きくなり、電流上昇を抑制する。この結果、破壊電圧を大きくすることができる。

実施の形態４．
図１０は、本発明の実施の形態４に係るトランジスタを示す上面図である。放熱板６が、エミッタ電極２の部分２ｂに接合されることなく、部分２ａに接合されている。ただし、放熱板６は放熱板５よりも放熱性能が低い。このように熱上昇が大きい領域と小さい領域に別々の放熱構造を設けることで、両領域の熱上昇量の差を調整できるため、熱暴走が始まる電圧と破壊電圧を調整することができる。また、熱抵抗の高い領域にも放熱構造を設けたため、熱暴走後でも破壊に至らない。

実施の形態５．
図１１は、本発明の実施の形態５に係るトランジスタを示す上面図である。図１２は図１１のＩ−ＩＩに沿った断面図である。エミッタ電極２上の全面に放熱板５が配置され、エミッタ電極２の部分２ａと放熱板５の間に高熱抵抗膜７が設けられている。高熱抵抗膜７はエミッタ電極２及び放熱板５よりも高い熱抵抗を有する。これにより実施の形態１と同様の効果が得られるだけでなく、高熱抵抗膜７を挟むだけなので構造が簡単になる。また、高熱抵抗膜７の材質や厚みを調整することで、熱上昇量を調整できるため、熱暴走が始まる電圧と破壊電圧を調整することができる。

実施の形態６．
図１３は、本発明の実施の形態６に係るトランジスタを示す上面図である。本実施の形態では、実施の形態１〜５の放熱板の代わりに、エミッタ電極２の部分２ａが部分２ｂよりも太くなっている。エミッタサイズの大きな部分２ａではコレクタ電流が多く流れるため、相対的に熱上昇が起こりやすくなる。この結果、実施の形態１と同様に破壊電圧を大きくすることができる。

実施の形態７．
図１４は、本発明の実施の形態７に係るトランジスタを示す上面図である。複数のエミッタ電極２が互いに平行に配置されている。複数のコレクタ電極３が複数のエミッタ電極２の間に平行に配置されている。複数のベース電極４ｃ，４ｄがエミッタ電極２とコレクタ電極３の間にそれぞれ配置されている。ベース電極４ｄは、ベース電極４ｃの隣に配置されベース電極４ｃより短い。

このように長いフィンガの隣に小さなトランジスタを配置することで、小さなトランジスタの横の領域は熱上昇が大きくなるため、部分的に温度が上昇する。この結果、実施の形態１と同様に破壊電圧を大きくすることができる。

なお、実施の形態４〜７において、エミッタ電極２又はベース電極４ｃの熱上昇が大きい部分と熱上昇が小さい部分の間に抵抗を設ければ、実施の形態２，３の効果を得ることができる。

１半導体基板
２エミッタ電極（第１の電極）
２ａ部分（第１の部分）、２ｂ部分（第２の部分）
３コレクタ電極（第２の電極）
４ベース電極（制御電極）
４ａ部分（第３の部分）、４ｂ部分（第４の部分）
４ｃベース電極（第１の制御電極）
４ｄベース電極（第２の制御電極）
５放熱板（第１の放熱板）
６放熱板（第２の放熱板）
７高熱抵抗膜
Ｒｅ抵抗（第１の抵抗）、Ｒｂ抵抗（第２の抵抗）

Claims

電力増幅器モジュールに用いるトランジスタであって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１及び第２の部分を有するエミッタ電極と、
前記半導体基板上において前記エミッタ電極から離間して配置されたコレクタ電極と、
前記半導体基板上において前記エミッタ電極と前記コレクタ電極の間に配置されたベース電極と、
前記エミッタ電極の前記第１の部分に接合されることなく、前記第２の部分に接合された第１の放熱板と、
前記第１の部分と前記第２の部分の間に設けられた第１の抵抗とを備え、
前記第１の部分には放熱板が接合されず、
前記第１の放熱板は前記第１の抵抗を介さずには前記第１の部分に接続されないことを特徴とするトランジスタ。
電力増幅器モジュールに用いるトランジスタであって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１及び第２の部分を有するエミッタ電極と、
前記半導体基板上において前記エミッタ電極から離間して配置されたコレクタ電極と、
前記半導体基板上において前記エミッタ電極と前記コレクタ電極の間に配置され、前記第１の部分に対向する第３の部分と、前記第２の部分に対向する第４の部分とを有するベース電極と、
前記エミッタ電極の前記第１の部分に接合されることなく、前記第２の部分に接合された第１の放熱板と、
前記第３の部分と前記第４の部分の間に設けられた第２の抵抗と、
前記第４の部分に接続された入力整合回路とを備え、
前記第１の部分には放熱板が接合されず、
前記入力整合回路は前記第２の抵抗を介さずには前記第３の部分に接続されないことを特徴とするトランジスタ。
電力増幅器モジュールに用いるトランジスタであって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１及び第２の部分を有するエミッタ電極と、
前記半導体基板上において前記エミッタ電極から離間して配置されたコレクタ電極と、
前記半導体基板上において前記エミッタ電極と前記コレクタ電極の間に配置されたベース電極と、
前記エミッタ電極の前記第１の部分に接合されることなく、前記第２の部分に接合された第１の放熱板と、
前記エミッタ電極の前記第２の部分に接合されることなく、前記第１の部分に接合され、前記第１の放熱板よりも放熱性能が低い第２の放熱板とを備えることを特徴とするトランジスタ。
電力増幅器モジュールに用いるトランジスタであって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に配置され、第１及び第２の部分を有するエミッタ電極と、
前記半導体基板上において前記エミッタ電極から離間して配置されたコレクタ電極と、
前記半導体基板上において前記エミッタ電極と前記コレクタ電極の間に配置されたベース電極と、
前記エミッタ電極の前記第１の部分に接合されることなく、前記第２の部分に接合された第１の放熱板と、
前記エミッタ電極の前記第１の部分と前記第１の放熱板の間に設けられ、前記エミッタ電極及び前記第１の放熱板よりも高い熱抵抗を有する高熱抵抗膜とを備えることを特徴とするトランジスタ。
前記第１の放熱板は、前記エミッタ電極、前記コレクタ電極及び前記ベース電極が存在する領域の外側において前記半導体基板に接合されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載のトランジスタ。
前記第１の部分は前記エミッタ電極の端部であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載のトランジスタ。