JPH10508721A - 高周波パワートランジスタ用安定モニタリング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、一般的に、どんな外部部品も必要とせずにＲＦパワートランジスタを通って流れる電流をモニターできる装置と方法とを提供する。更に詳細には、本発明の１つの実施例に従えば、ＲＦパワートランジスタは、シリコンダイ、前記シリコンダイの上に形成され、各々複数の並列な電極フィンガーを有する１対のインターディジタル形の電極、および少なくとも１つのボンディングパッドを含んでいる。前記インターディジタル形電極対の一方の電極の電極フィンガーの下側に第１の形の拡散領域が形成され、更に前記インターディジタル形電極対のもう一方の電極の電極フィンガーの下側に第２の形の拡散領域が形成される。１つの電極は複数の電極フィンガーとシリコンダイの上に形成された複数の抵抗とを有し、少なくとも１つの抵抗は電極フィンガーの各１つと直列につながれている。少なくとも１つの電極フィンガーを有する別の電極が設けられ、別のボンディングパッドへつながれて、そして少なくとも１つの抵抗がシリコンダイの上に形成され、前記別の電極と直列につながれる。本発明の別の実施例に従えば、ＲＦトランジスタ回路内に集積されたＲＦトランジスタの中を流れる電流をモニターし制御するための方法が提供される。集積ＲＦトランジスタは電流の流れをモニターするためのボンディングパッドを含み、複数のエミッタ安定抵抗および回路を有する。ＲＦトランジスタ回路は前記ボンディングパッドへつながれたバイアス制御および帰還回路を含んでいる。エミッタ安定抵抗の少なくとも１つを通って流れる電流は、電流の流れをモニターするための回路を通るように迂回させられる。バイアス制御および帰還回路を用いることで、集積ＲＦトランジスタを通って流れる電流は影響を受ける。

Description

【発明の詳細な説明】 高周波パワートランジスタ用安定モニタリング 発明の背景 1.発明の分野 本発明はパワートランジスタに関するものであり、更に詳細にはシリコンバイ ポーラータイプの高周波（ＲＦ）パワートランジスタに関する。そのようなトラ ンジスタは普通、ラジオ放送局増幅器の増幅段に使用されるが、その他のＲＦに 関する用途にも広く使用されている。 2.技術の現状 高周波の電力増幅に使用されるトランジスタデバイスは、指定された電源電圧 および動作周波数において、出力パワー、利得、頑丈さ、効率、安定性、帯域幅 、等の数多くの詳細な要求に応える必要がある。最近の電気通信エレクトロニク ス用の動作周波数は数百メガヘルツからマイクロ波の領域に拡がっている。出力 パワーの要求は数ワットから、１つのパッケージ中に数多くの並列デバイスを使 用することによって数百ワットにまで及んでいる。パワートランジスタは大きい 信号レベルと大電流密度において動作する。現時点で利用できるコンピュータツ ールを用いても、実際の用途において詳細な振る舞いや特性を予測するには不十 分であることがしばしばである。 パワートランジスタ（少なくとも、３ＧＨｚ以下の周波数で）用として最も普 通に使用される半導体材料はシリコンである。更に、正孔と比べて電子の移動度 が大きいため、実質的にすべてのマイクロ波バイポーラートランジスタはＮＰＮ 形のものである。コレクタの直列抵抗を減らすために、ｎ⁺ウエハの上にｎ形の エピタキシャル層を成長させたものがスタート材料として用いられる。この半導 体表面上へ絶縁層が形成され、拡散またはイオン打ち込みによってベースおよび エミッタ層が形成される。ドーピングプロファイルが違えば異なる周波数および 降伏電圧特性が得られ、平面形状が違えば、得られるトランジスタの電流能力が 違ってくる。 パワートランジスタの能動領域の寸法を小さくし、寄生効果を減らし、トラン ジスタ中の大量の電流を分散させて処理し、熱を散逸させるために、インターデ ィジタル形（櫛の歯状）のオーバーレイおよびメッシュ構造が用いられてきた。 インターディジタル形の構造１０が第１図および第２図に示されている。第１図 を参照すると、１対のインターディジタル形のベース電極Ｂおよびエミッタ電極 Ｅが、それぞれ破線で示されたように、コレクタ拡散領域１１を覆う酸化物層の 上に堆積されている。第２図に示されたように、コレクタ拡散領域１１の内部に はベースおよびエミッタ電極、ＢおよびＥのフィンガーの下側にそれぞれベース 拡散領域１３とエミッタ拡散領域１５が交互に並んでいる。１個のトランジスタ は、コレクタ基板（Ｎ）、ベース拡散領域（Ｐ）およびエミッタ拡散領域（Ｎ） で構成される。金属のエミッタフィンガー１６がエミッタ拡散領域を覆って堆積 され、金属のベースフィンガー１４がベース拡散領域を覆って堆積される。すべ てのベースフィンガーおよびすべてのエミッタフィンガーは、それぞれ一緒につ ながれて、それによって個別トランジスタがすべて互いに並列につながれるよう になっている。 第３図および第４図を参照すると、拡散領域（ベースおよびエミッタ）と電極 フィンガー（ベースおよびエミッタ）とが互いに交差している点でこのオーバー レイ構造はインターディジタル形の構造とは異なっている。エミッタ電極はエミ ッタ拡散領域の上に直接オーバーレイされて、酸化物層によってベース拡散領域 から分離されている。エミッタ拡散領域は不連続で、それによって隣接するエミ ッタ拡散領域間をベースフィンガーが通過することができ、異なるベース拡散領 域へつながることができるようになっている。ベース拡散領域は連続している。 第５図および第６図を参照すると、典型的なメッシュ構造のパワートランジス タにおいて、ベース拡散島領域１３がそれを取り囲むエミッタ拡散領域１５の内 部に形成されている。２つのベース拡散領域は、エミッタ電極フィンガー１６の 両側にある、隣接するベース電極フィンガー１４ａおよび１４ｂによって互いに つながれている。 シリコンセル１０’の伝統的な金属配線レイアウトが第７図に示されている。 バイポーラートランジスタ中の熱的不安定性のため、トランジスタ中で電流を均 一に分布させるための技術を用いる必要がある。そのため、トランジスタの各セ グメントに対して抵抗が付け加えられ、それによって特定のエミッタを流れる電 流の増大が抵抗で制限されるようになっている。この技術はエミッタ安定化（ba llasting）として知られている。抵抗Ｒ_eは、二酸化シリコンの上に拡散、イオ ン打ち込み、あるいは適当な金属（例えば、ニッケルークロム合金、ＮｉＣｒ） を堆積させることによって、各エミッタフィンガーと直列に形成される。すべて の抵抗がエミッタ電極Ｅによって互いにつながれる。エミッタボンディングパッ ド１７はエミッタ電極Eに対するワイヤボンディングを提供する。同様に、すべ てのベースフィンガーがベース電極Ｂによって互いにつながれ、ベースボンディ ングパッド１９がベース電極Ｂに対するワイヤボンディングを提供する。 多くの場合、エミッタ安定化は別として、トランジスタを流れる電流をモニタ ーすることが可能であることが望まれる。閉ループ帰還技術を用いて、トランジ スタのバイアスはトランジスタの電流を好ましい範囲に保つように制御すること が可能である。従来の技術では、トランジスタを通って流れる電流の大きさをモ ニターすることはトランジスタのコレクタ・ベース経路と直列につながれた外部 抵抗を使用して行うのが一般的であった。そのような外部抵抗は電力を消費し、 効率を低下させる。そのような個別部品を使用することはまた、コストを上昇さ せ、アセンブリーの誤りの可能性を増大させる。 従って、必要とされるものはＲＦパワートランジスタを通って流れる電流を外 部部品を使用することなしにモニターできる装置と方法とである。 発明の概要 本発明は、一般的にどんな外部部品も必要とせずにＲＦパワートランジスタを 通って流れる電流をモニターできる装置と方法とを提供する。更に詳細には、本 発明の１つの実施例に従えば、ＲＦパワートランジスタは、シリコンダイ、前記 シリコンダイの上に形成され、各々複数の並列な電極フィンガーを有する１対の インターディジタル形の電極、および少なくとも１つのボンディングパッドを含 んでいる。前記インターディジタル形電極対の一方の電極の電極フィンガーの下 側に第１の形の拡散領域が形成され、更に前記インターディジタル形電極対のも う一方の電極の電極フィンガーの下側に第２の形の拡散領域が形成される。１つ の電極は複数の電極フィンガーとシリコンダイの上に形成された複数の抵抗とを 有し、少なくとも１つの抵抗は電極フィンガーの各１つと直列につながれている 。少なくとも１つの電極フィンガーを有する別の電極が設けられ、別のボンディ ングパッドへつながれて、そして少なくとも１つの抵抗がシリコンダイの上に形 成され、前記別の電極と直列につながれる。本発明の別の実施例に従えば、ＲＦ トランジスタ回路内に集積されたＲＦトランジスタの中を流れる電流をモニター し制御するための方法が提供される。集積ＲＦトランジスタは電流の流れをモニ ターするためのボンディングパッドを含み、複数のエミッタ安定（ballast）抵 抗および回路を有する。ＲＦトランジスタ回路は前記ボンディングパッドへつな がれたバイアス制御および帰還回路を含んでいる。エミッタ安定抵抗の少なくと も１つを通って流れる電流は電流の流れをモニターするための回路を通るように 迂回させられる。バイアス制御および帰還回路を用いることで集積ＲＦトランジ スタを通って流れる電流は影響を受ける。 図面の簡単な説明 本発明は添付図面を参照した以下の詳細な説明から更に理解されよう。図面に おいて、 第１図はインターディジタル形のＲＦパワートランジスタ形状の平面図。 第２図は第１図のＲＦパワートランジスタの断面図、 第３図はオーバーレイＲＦパワートランジスタ形状の平面図、 第４図は第３図のＲＦパワートランジスタの断面図、 第５図はメッシュＲＦパワートランジスタ形状の平面図、 第６図は第５図のＲＦパワートランジスタの断面図、 第７図はインターディジタル形のＲＦパワートランジスタの従来のレイアウト の平面図、 第８図は本発明の１つの実施例に従うインターディジタル形のＲＦパワートラ ンジスタの平面図、 第９図は第８図のＲＦパワートランジスタの意図部分の拡大された平面図であ り、 第１０図は第８図のＲＦパワートランジスタを含むＲＦトランジスタ回路の模 式図である。 好適実施例の詳細な説明 第８図を参照すると、本発明の１つの実施例に従うＲＦパワートランジスタ４ ０の平面図が示されている。従来のインターディジタル形のＲＦパワートランジ スタのレイアウトと比べ、１つまたは複数のエミッタ電極フィンガーＥ_n+1、Ｅ_{n +2} が残りのエミッタ電極フィンガーＥ₁．．．Ｅ_nと一緒にエミッタ電極Ｅへつな がれる代わりに、別になったボンディングパッドＲへつながれている。第８図で はトランジスタ列の端に近い１個または複数のエミッタ電極フィンガーが別にな ったボンディングパッドＲへつながれるように示されているが、トランジスタ列 に沿った任意の場所の１つまたは複数の位置にある１個または複数のエミッタ電 極フィンガーをそのようにつなぐこともできる。更に、図示されていないが、同 じ原理に従ってオーバーレイまたはメッシュのトランジスタセルをレイアウトす ることができる。 トランジスタ４０のエミッタ電極フィンガーＥ_n+1、Ｅ_n+2とボンディングパッ ドＲとを含む部分４１が第９図に詳細に示されている。 そのエミッタ電極フィンガーの属するトランジスタはそのトランジスタ列中の 残りのトランジスタと同じ熱的およびプロセス上の変動を経験するのであるから 、もしボンディングパッドＥおよびＢが等しい負荷（例えば、典型的な場合とし て両方がアースへ）つながれたとすれば、ボンディングパッドＲからの電流出力 はボンディングパッドＥからの電流出力によって代表されることになろう。更に 詳細には、電流ｉ_Rは電流ｉ_Eに対して本質的に一定の割合になる。電流ｉ_Rを乱 すことなくそれをモニターすることによって、トランジスタを通って流れる全電 流の非常に正確な指標が得られることになる。 電流ｉ_Rを乱すことなくそれをモニターする１つの方法は、ここに参考のため に引用する米国特許第５，２５８，７１４号に述べられたように、電流ｉ_Rの複 製ｉ_R'を作ることである。第１０図を参照すると、集積ＲＦトランジスタ４０は 並列につながれた非常に多数のトランジスタＱ₁．．．Ｑ_nを含むと考えられ、そ れに対して同じコレクタ・エミッタ電圧および同じベース・エミッタ電圧が供 給されている。トランジスタＱ₁．．．Ｑ_nの各々は、それのエミッタをエミッタ 安定抵抗ｒｅを通してアースへつながれている。しかしトランジスタＱ_nの場合 は、それのエミッタ安定抵抗は、それだけを単独にトランジスタパッケージの外 部へアクセスできるように作られ、従ってｒｉｓｏとして表示されている。この エミッタ安定抵抗は電流ｉ_Rがそれを通って流れるようにアースへつながれるも のと想定されている。 電流ｉ_Rは、上述の米国特許第５，２５８，７１４号に述べられた回路のよう な回路５１を用いて複製されて、電流ｉ_R'が生成される。この電流は帰還および バイアス制御回路５０へ入力される。この帰還およびバイアス制御回路５０は演 算増幅器（オペアンプ）５３を含む。このオペアンプの反転入力には、回路５１ からの電流ｉ_R'を運ぶ出力リードとアースへつながるコンデンサＣとがつながれ ている。オペアンプの非反転入力には抵抗Ｒ₁とＲ₂とを含む電圧分割器回路網が つながれている。この電圧分割器回路網は基準電圧Ｖ_refを分割し、結果の電圧 をオペアンプの非反転入力へ与える。このオペアンプの出力は抵抗Ｒ_bを通って トランジスタパッケージのベースリードへつながれている。 第１０図のＲＦトランジスタ回路の動作時には、電流ｉ_R'がコンデンサＣをあ る電圧まで充電する。この電圧はオペアンプの分割された基準電圧と比較され、 それによってそれらの入力電圧間の差分に比例する電圧が出力される。オペアン プで発生したこの出力電圧は、抵抗Ｒ_bを通りトランジスタのベースへ流れる電 流を生成し、それによってトランジスタ電流を制御する。 例えば、トランジスタ４０が過大な電流を流すように熱くなると仮定しよう。 そうすると電流ｉ_R'は増大するので、オペアンプの出力電圧が増大し、トランジ スタへのベース電流は減少する。従ってトランジスタを通って流れる電流は減少 することになる。このように、このＲＦトランジスタ回路は自己制御的である。 更に、この自己制御的な振る舞いは、トランジスタのコレクタ・エミッタ電流経 路と直列に何等外部部品を付け加えることなしに実現できる。 基準電圧Ｖ_refを制御して変化させることで、トランジスタの異なる動作モー ドが実現できる。例えば、トランジスタを流れる電流を、特別な変調方式に従っ て変調することができよう。あるいは、異なる動作クラスが実現できよう。 当業者は、本発明がその精神および本質的な特性から外れることなしに、その 他の特別な形態において実施可能であることを理解されよう。従って、ここに開 示した実施例はあくまで例示的な意味のものであり、決して限定的な意味あいの ものではない。本発明の展望は以上の説明よりもむしろ請求の範囲に示されてお り、それと等価なものの意味するところおよび範囲の内に含まれるすべての変更 は、その請求の範囲に包含されるものと解釈されるべきである。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年１月９日 【補正内容】 請求の範囲 １．ＲＦパワートランジスタであって、 シリコンダイ、 前記シリコンダイの上に形成された第１および第２のインターディジタル形の 電極であって、前記電極の各々が複数の並列な電極フィンガーを有し、各々が少 なくとも１つの対応するボンディングパッドと直列につながれている第１および 第２のインターディジタル形の電極、 前記第１の電極の電極フィンガーの下側に形成された第１の伝導形の拡散領域 、および、前記第２の電極の電極フィンガーの下側に形成された第２の伝導形の 拡散領域、 前記シリコンダイの上に形成された複数の抵抗であって、前記抵抗の各々が前 記第１の電極の対応する電極フィンガーと直列につながれている複数の抵抗、 更に別のボンディングパッドと直列につながれた第３の電極であって、前記第 ２の電極の対応する電極フィンガーに対してインターディジタルな形状の少なく とも１つの電極フィンガーを有する第３の電極、 前記第３の電極の下側に形成された、前記第１の伝導形の拡散領域、および 前記シリコンダイの上に形成され、前記第３の電極と直列につながれた別の抵 抗であって、前記第３の電極、前記別の抵抗、および前記別のボンディングパッ ドが前記第１の電極から電気的に分離されている別の抵抗、 を含み、 前記第１の伝導形の拡散領域と前記第２の伝導形の拡散領域とが共通の拡散ウ エル中に形成されている ＲＦパワートランジスタ。 ２．請求項第１項記載のトランジスタであって、更に電流調節回路を含み、前 記電流調節回路が、 前記第２の抵抗と直列につながれて、前記第２の抵抗を通って流れる電流と本 質的に等しい複製電流を発生させる電流複製器、 前記複製電流を基準電圧と比較するための手段、 前記比較手段の出力に応答して、ＲＦトランジスタを通って流れる電流を調節 するための手段、 を含んでいるトランジスタ。 ３．請求項第２項記載の回路であって、前記各々の比較および調節手段が、 前記電流複製器とアースとの間につながれたコンデンサ、 前記電流複製器と前記コンデンサとの間につながれた反転入力リードを有する 演算増幅器、 前記演算増幅器の非反転入力リードと基準電圧入力との間につながれた第３の 抵抗と、前記非反転入力リードとアースとの間につながれた第４の抵抗とを含む 電圧分割器回路網、および 前記演算増幅器の出力リードと前記第２の電極との間につながれた第５の抵抗 、を含んでいる回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，Ｕ Ｇ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，Ｂ Ｙ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ， ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，Ｌ Ｖ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ， ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ 【要約の続き】 路内に集積されたＲＦトランジスタの中を流れる電流を モニターし制御するための方法が提供される。集積ＲＦ トランジスタは電流の流れをモニターするためのボンデ ィングパッドを含み、複数のエミッタ安定抵抗および回 路を有する。ＲＦトランジスタ回路は前記ボンディング パッドへつながれたバイアス制御および帰還回路を含ん でいる。エミッタ安定抵抗の少なくとも１つを通って流 れる電流は、電流の流れをモニターするための回路を通 るように迂回させられる。バイアス制御および帰還回路 を用いることで、集積ＲＦトランジスタを通って流れる 電流は影響を受ける。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ＲＦパワートランジスタであって、 シリコンダイ、 前記シリコンダイの上に形成された１対のインターディジタル形の電極であっ て、各々複数の並列な電極フィンガーを有し、各々少なくとも１つのボンディン グパッドを含む１対のインターディジタル形の電極、 前記インターディジタル形電極対の一方の電極の電極フィンガーの下側に形成 された第１の形の拡散領域と、前記インターディジタル形電極対のもう一方の電 極の電極フィンガーの下側に形成された第２の形の拡散領域、 前記シリコンダイの上に形成された複数の抵抗であって、少なくとも１つの抵 抗が前記一方の電極の前記電極フィンガーの各々と直列につながれている複数の 抵抗、 少なくとも１つの電極フィンガーを有し、別のボンディングパッドへつながれ た別の電極、 前記別の電極の下側に形成された、１）前記第１の形の拡散領域、および２） 前記第２の形の拡散領域のうちのどちらか一方の領域、 前記シリコンダイの上に形成され、前記別の電極と直列につながれた少なくと も１つの別の抵抗、 を含み、 第１の形の前記拡散領域、第２の形の前記拡散領域、および前記別の電極の下 側に形成された前記拡散領域がすべて共通の拡散ウエル内に形成されている、Ｒ Ｆパワートランジスタ。 ２．複数のエミッタ安定抵抗を有し、また電流の流れをモニターするためのボ ンディングパッドを含む回路を有する集積ＲＦトランジスタを含むＲＦトランジ スタ回路において、前記ＲＦトランジスタ回路が更に前記ボンディングパッドへ つながれたバイアス制御回路および帰還回路を含んでおり、前記集積トランジス タを通って流れる電流をモニターし、制御するための方法であって、 前記エミッタ安定抵抗の少なくとも１つを通って流れる電流を、電流の流れを モニターするための前記回路へ迂回させること、および 前記バイアス制御および帰還回路を使用して、集積ＲＦトランジスタを通って 流れる電流に影響を及ぼすこと、 を含む方法。 ３．請求項第２項記載の装置であって、更に 前記エミッタ安定抵抗の少なくとも１つを通って流れる電流に対して検出でき るような擾乱を与えることなしにその電流を複製すること、 の工程を含む装置。