JPS5811756B2 - デンカイコウカハンドウタイソシ オヨビ ソノソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はトランジスタに係シ、特に高周波において高
出力、高利得、広帯域特性を得ることができる電界効果
トランジスタ素子および装置に関するものである。

トランジスタ増幅器を構成するトランジスタの種類とし
てはバイポーラトランジスタと電果効果トランジスタと
に分けられる。

そして上記バイポーラトランジスタは従来のトランジス
タ増幅器として広く使用され、数ＧＨｚまでは小信号、
大信号に対して安定した増幅特性を得ることができる。

しかしながら数ＧＨｚ以上の高周尊で用い５るバイポー
ラトランジスタをうるには微細構造の製作技術を必要と
した。

一方電界効果トランジスタは上述のバイポーラトランジ
スタと同程度の微細構造の寸法で製作したものでも数＋
ＧＨｚまで安定した増幅特性を得ることができる。

またこの電界効果トランジスタは比較的小信号、低雑音
に滴、する横形構造と電力用として適する縦形構造とが
ある。

そして上記横形構造の電界効果トランジスタはゲート、
ソースおよびドレインの各電極が平面内に位置し電流が
横向きに流れる構造であるため、電流の流れる通路すな
わちチャンネル長が長くな虱かつ直列抵抗が大きくなる
ため電力用にはあまり適さない。

一方縦形構造の電界効果トランジスタは電流の方向を縦
形にしてなる構造であるから直列抵抗を小さくでき、負
帰還がかからず、飽和特性の良好な電力増幅器として適
している。

上述の電界効果トランジスタの帯域特性を広帯域化する
ために進行波形とする試みがなされている。

この発明は上述の縦形電界効果トランジスタを進行波増
幅器として働らかせることを意図したものである。

従来の進行波電界効果トランジスタは、分布定数的に形
成された入力伝送線路および出力伝力伝送線路の各々の
伝ばん定数を等しくするような構成である。

また電流路の垂直方向に相当に広げられた電界効果トラ
ンジスタを含み、その電極をして入力伝送線路および出
力伝送線路を形成し、能動素子ならびに伝送線路を形成
する素子は半導体装置の全長にわたって完全に分布され
ている。

この発明の電界効果トランジスタは構造的には上述の縦
形電界効果トランジスタで進行波形増幅作用となるもの
で、上述の従来の分布定数的な構成を必要とせず集中定
数的な素子で構成され、能動素子がもつ容量性リアクタ
ンスと電極がもつ誘導性リアクタンスとを組合せて入出
力伝送線路の伝ばん定数を等しくしてなる電界効果トラ
ンジスタである。

したがって、この発明の目的は、入出力インピーダンス
が周波数によらず任意に選べて、高周波用にも、電力用
にも適用可能な電界効果トランジスタを提供することに
ある。

この発明の他の目的は、トランジスタおよびマイクロ波
集積回路の製造に用いられる能率的な製造方法によって
提供可能なため、小形の電界効果トランジスタを提供す
ることにある。

この発明のさらに他の目的は、構成が集中定数形である
ため特に能動素子は小形にしても電力利得を高くできる
ものを提供することにある。

まず従来の電界効果トランジスタを図面に基づいて説明
する。

一第１図は進行波形半導体装置の等価回路を示す原理図
である。

第１図で、１は入力側の一方の端子となるゲート電極、
２は入力側の他方の端子となるソース電極、３ａ〜３ｎ
は入力側に配列されたキャパシタンスＣなるキャパシタ
、４ａ〜４ｎは上記キャパシタ３ａ〜３ｎのそれぞれの
間に配列されたインダクタンスしなるインダクタ、５は
上記ゲート電極１〜インダクタ４ａ〜４ｎによって構成
される入力伝送線路であり、入力伝送線路５の一端は特
性インピーダンスＺｉｎ＝■と等しい抵抗値をもつ抵抗
６によって終端される。

７は出力側の一方の端子となるソース電極、８は出力側
の他の端子となるドレイン電極、９ａ〜９ｎは出力側に
配列されたキャパシタ、１０ａ〜１０ｎは上記キャパシ
タ９ａ〜９ｎのそれぞれの間に配列されたインダクタで
ある。

１１ａ〜１１ｎは半導体装置の単位長当りの入力電圧ｅ
ｍと相互コンダクタンスｇｍの積で与えら五る電流源、
１２はキャパシタ９ａ、９ｎとインダクタ１０ａ〜１０
ｎとによって決定される特性インピーダンスに等しい抵
抗、１３は上記ソース電極７、ドレイン電極８と抵抗１
２との間の素子によって構成される出力伝送線路である
。

いま入力電送線路５に入射波が入ったとすれば、上記入
射波は入力側のゲート電極１、ソース電極２を入力端と
して伝ばん定数β＝ω■（ωは角周波数）で入力伝送線
路を伝ばんして抵抗６で終端される。

そして入射波は入力伝送線路５を伝ばん中に出力伝送線
路１３と結合し、入力伝送線路５の伝ばん定数βと等し
い伝ばん定数で伝ばんしながら、増幅される。

ところで第１図において出力側に出力伝送線路のインピ
ーダンスと等しい負荷抵抗ＲＬを接続したときの電力利
得Ｇは次式で与えられる。

Ｇ＝２０１ｏｇ（０，５ｇｍ・１・ＲＬ）（ｄＢ）・・
・・・・（１）ここで１：半導体装置を構成する長さ、 ｇｍ：単位長当りの相互コンダクタンス である。

第２図は第１図に示した進行波形半導体装置を実用化す
るために縦形構造の電界効果トランジスタで構成した従
来の半導体装置の概略図である。

さらに詳しく述べると、第２図ａは電波の進行方向に延
長して形成された作来の電界幼果トランジスタの平面図
、第２図すは第２図ａに示したＡ−Ａ断面図、第２図Ｃ
は第２図すに示したものの等価回路である。

第２図において１４はＰ形（あるいはＮ形）の半導体で
あり、１６および１７はそれぞれ高濃度の半導体が拡散
されて形成されたＰ＋形（あるいはＮ＋形）のドレイン
領域およびソース領域、１５はＮ形（あるいはＰ形）の
半導体で形成されたゲート領域である。

上記ゲート領域１５およびドレイン領域１６はソー領域
１７となる半導体基板上に電波の進行方向に分布し、そ
して上記それぞれが入・出力伝送線路を形成する。

またゲート電極１は上記ゲート領域１５の両端にそれぞ
れ接続されかつゲート電極１の一方は抵抗６を介してソ
ース電極２と接続され、他方（開放側）のゲート電極１
は入力端となり、またドレイン電極８はドレイン領域１
６の両端にそれぞれ接続され、かつ一方のドレイン電極
８は抵抗１２を介してソース電極７と接続され、他方（
開放側）のドレイン電極８は出力端となる。

従来の電界効果トランジスタは以上のようにゲート領域
１５およびドレイン領域１６は電波の進行方向に長く分
布しておシ、入出力伝送線路を伝ばんする電波の伝ばん
定数が等しいときに増幅される。

しかしながら上記従来の増幅器は分布定数線路が波長よ
りも長く分布しているから半導体材料は細長いものとな
るため材料、寸法の点から周波数が低くなるに従って製
作の困難さとコスト高になる欠点と単位当りの相互コン
ダクタンスｇｍが一定のときは、式（１）から高利得に
するはと能動素子部は長くなるためやはり大きな寸法の
材料が必要になる欠点がある。

この発明はソース領域となる半導体基板上に形成された
ゲート領域とドレイン領域とをソース領域からドレイン
領域に流れる電流方向に対して直角方向にそれぞれ交互
に配列した能動素子によって形成して、それを複数個組
合わせることによって上記従来の欠点を除去するもので
ある。

以下この発明の実施例を図に基づいて説明する。

第３図はこの発明による電界効果トランジスタを示す構
成図であり、詳しくは第３図ａはこの発明の電界効果ト
ランジスタを示す平面図、第３図すは第３図ａに示した
もののＢ−Ｂ断面図、第３図ｃは第３図ａに示したもの
のＣ−Ｃ断面図、第３図ｄは第３図ａに示したもののＤ
−Ｄ断面図、第３図ｅは第３図ｄに示したものの等何回
路である。

第３図において１８はソース領域からドレイン領域に流
れる電流方向に対して直角方向に所定の間隔で設けられ
たゲート領域、１９は上記ゲート領域１８ａ〜１８ｎと
少なくとも１つおきに組合せたドレイン領域１９ａ〜１
９ｎである。

そして上記ゲート領域１８およびドレイン領域１９の長
さが波長に比べて短い場合は第２図に示したゲート領域
１８およびドレイン領域１９のインダクタンス分は無視
でき、キャパシタンス３，９と電流源１１となる。

すなわち、個々のゲート領域およびドレイン領域はその
長さが波長より短い場合は容量性リアクタンスを有する
。

２０，２１は誘導性リアクタンスを有し上記ゲート領域
、ドレイン領域１８ａ〜１８ｎ、１９ａ〜１９ｎのそれ
ぞれの一端をその配列方向に沿ってそれぞれ接続する金
属からなる電極であり、この電極２０，２１は互に対向
している。

そしてこの電極を細線で形成した場合のインダクタンス
Ｌは次式で与えられる。

ここでｌ：細線の長さくｍｍ） ａ：細線の半径（ｍｍ）である。

またこれをリボン状に形成した場合のインダクタンスＬ
は次式で与えられる。

ここでｌ；リボンの長さくｍｍ） ｗ：リボンの幅（ｍｍ） ｈ：リボンの厚さくｍｍ）である。

ところで電極２２．２３は受動素子となる電極２０．２
１のそれぞれの一端に接続されている。

詳しくは第３図ｄおよび第３図ｅを用いて説明する。

図において２４は電極２２と二酸化ケイ素５ｉＯ２（図
示せず）等で形成されるキャパシタであり、このキャパ
シタ２４はゲート領域１８とソース領域１７およびドレ
イン領域１９とソース領域１７との間にそれぞれかかる
バイアス電流をしゃ断する直流阻止コンデンサの作用を
し、かつ高周波に対して低インピーダンスを呈する。

さらにその一端は抵抗２５で終端される。

またキャパシタンス３，９を大きくする場合は（λは波
長）近くにすればよい。

ところで抵抗２５は半導体に適当な不純物を添加して形
成され、かつこの抵抗値は入力伝送線路の特性インピー
ダンスに等しくしである。

この抵抗の一端はキャパシタンス２４に接続され、他端
はソース領域１７で終端される。

以上説明したように、このトランジスタの等何回路は第
１図に示した等何回路と同じになり、進行波電界効果ト
ランジスタを構成する。

また出力伝送線路１３の一端が抵抗１２で終端されてい
るが理論的には抵抗１２がない場合でも進行波形の動作
が可能となることを証明できるので抵抗１２を省略して
も良い。

第３図に示した電界効果トランジスタは複数個組合せる
ことができ、さらに各素子から出てきた。

電力を合成して大電力を図ることも可能である。

第４図はこの発明による電界効果トランジスタを複数個
組み合せて構成した一実施例を示している。

第４図においてゲート領域１８の一端を接続する受動素
子２０ａ〜２０ｍの一端はそれぞれの入力伝送線路のイ
ンピーダンスに等しい抵抗で終端され、他端は互いに集
中し入力端となるゲート電極２６で一つに接続される。

一方ドレイン領域１９の一端を接続する受動素子２１ａ
〜２１ｍの一端はそれぞれの出力伝送線路のインピーダ
ンスに等しい抵抗で終端され、他端は互いに集中し、出
力端となるドレイン電極２７に接続される。

以上のようにゲート領域、受動素子およびゲート電極と
からなる入力伝送線路と、ドレイン領域、受動素子およ
びドレイン領域とからなる出力伝送線路とから構成され
る電界効果トランジスタを並列にｍ個組合せることによ
り増幅器が構成できる。

またゲート電極２６、ドレイン電極２７側からみたイン
ピーダンスは第３図に示した１個の電界効果トランジス
タのインピーダンスのし１／ｍとなり、使用電力はｍ倍
となる。

第５図はこの発明の他の実施例を示すものであり、第４
図に示した電界効果トランジスタと異なるところはドレ
イン領域、ゲート領域が両側につき出した配列になって
いるクシ形構造でキャパシタンスを大きくできる特長が
ある。

また能動素子の密度が高いため能率的な利用が可能であ
る。

この発明の電界効果トランジスタは分布定数的な構成を
必要とせず集中定数的に各素子を構成し、能動素子のも
つ容量性リアクタンスと受動素子のもつ誘導性リアクタ
ンスとを組合せることによって容易に入出力線路の伝ば
ん定数を等しくすることができ、かつ入出力伝送線路の
インピーダンスが周波数によらず任意に選べ、電力用に
も、高周波用にも適用できるという特徴がある。

さらに従来のトランジスタの寸法は波長に比べて大きく
する必要があるのに対して小形の能動素子を複数個設け
るだけで波長よりも小さな寸法に構成することができる
という特徴がある。

なお上記実施例では縦形の構成のものを示したが横形の
構造のものにも適用しても同様の効果を得ることができ
るし、バイポーラトランジスタにも適用可能であること
は言うまでもない。

【図面の簡単な説明】

第１図は進行波半導体装置の等何回路を示す原理図、第
２図は従来の縦形構造の電界効果トランジスタの概略図
であり、第２図ａは従来の電界効果トランジスタを示す
平面図、第２図すは第２図ａに示したもののＡ−Ａ断面
図、第２図Ｃは第２図ａに示したものの等何回略図、第
３図はこの発明を説明するための電界効果トランジスタ
の概略図であり、第３図ａはこの発明による電界効果ト
ランジスタの平面図、第３図すは第３図ａに示したもの
のＢ−Ｂ断面図、第３図Ｃは第３図ａに示したもののＣ
−Ｃ断面図、第３図ｄは第３図ａに示したもののＤ−Ｄ
断面図、第３図ｅは第３図ｄに示したものの等何回略図
、第４図はこの発明の一実施例を示す電界効果トランジ
スタの平面図、第５図はこの発明の他の実施例を示す電
界効果トランジス・り増幅器の平面図である。 １．２６・・・ゲート電極、２，７・・・ソース電極、
３．９，２４・・・キャパシタ、４，９．１０・・・イ
ンダクタ、５・・・入力伝送線路、６，１２，２５・・
・抵抗、８，２７・・・ドレイン電極、１１・・・電流
源、１３・・・出力伝送線路、１４・・・半導体、１８
，１８・・・ゲート領域、１６，１９・・・ドレイン領
域、１７・・・ソース領域、２０，２１，２２，２３・
・・電極である。 なお、図中同一あるいは相当部分には同一符号を付して
示しである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ソース領域となる半導体基板上に形成される複数個
   のゲートおよびドレイン値域を有し、上記複数個のゲー
   ト領域の一端を金属から逐る第１の電極で相互に接続し
   、また上記複数個のドレイン領域の一端を金属からなる
   第２の電極で相互に接続してなる電界効果トランジスタ
   において、ドレイン領域とソース領域間に流れる電流方
   向および高周波電波の伝ばん方向に対して直角に複数個
   のゲート領域およびドレイン値域を配列し、かつ高周波
   電波の伝ばん方向と向方尚に第１、第２の電極を配列し
   、上記複数個のゲート領域が第１の電極で連結された一
   端を入力端として、また上記複数個のドレイン領域が第
   ２の電極で連結された一端を出力端とするように構成さ
   五た電界効果半導体素子。 ２、特許請求の範囲第１項記載の電界効果半導体素子の
   ソース領域と容量性リアクタンスを有するように先端開
   放にしてかつ使用波長より十分短い長さのゲート領域お
   よび誘導性リアクタンスを有する第１の電極からなる入
   力伝送線路を形成し、イース領域と容量性リアクタンス
   を有するように先端開放にしてかつ使用波長よシ十分短
   い長さのドレイン領域および誘導性リアクタンスを有す
   る第２電極からなる出力伝送線路を形成し、各々伝送線
   路の伝ばん定数を等しくしてなる進行波形の電界効果半
   導体装置。