KR100458407B1 - 고주파용 반도체 장치 - Google Patents

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KR100458407B1
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Abstract

본 발명에 따른 고주파용 반도체 장치는, 멀티핑거 HBT의 전류 집중을 억제하면서, 잡음 특성의 열화나 이득의 저하, 및 전력 효율의 저하의 개선을 도모한 것으로, 증폭기(10)의 초단 및 출력단을 구성하는 멀티핑거 HBT에서, 이 초단의 멀티핑거 HBT(12)를 구성하는 기본 HBT(14)를, HBT(14a)와 이 HBT(14a)의 에미터에 접속된 에미터 저항(14b)으로 구성하며, 출력단의 멀티핑거 HBT(16)를 구성하는 기본 HBT(18)를, HBT(18a)와 이 HBT(18a)의 베이스에 접속된 베이스 저항(18c)으로 구성한다. 본 발명에 따른 고주파용 반도체 장치는 위성 통신, 지상 마이크로파 통신, 이동체 통신 등에 사용하는 고출력 전력 증폭기로서 유용하다.

Description

고주파용 반도체 장치{HIGH-FREQUENCY SEMICONDUCTOR DEVICE}
최근의 휴대 단말 기기, 예를 들면 휴대 전화의 보급에서는, 소형 경량화가 개발의 중요한 포인트로 되어 있으며, 고출력 전력 증폭기가 중요한 부품(key part)으로 되었다.
헤테로 접합 바이폴라 트랜지스터(Hetero-junction Bipolar Transistor, 이하 HBT라 함)는 높은 전류 이득 β을 갖고, 에미터를 AlGaAs로, 베이스를 GaAs로 구성한 GaAs계의 HBT에서는 그 고속성에 맞춰, 휴대 전화의 고출력 전력 증폭기에 많이 이용되고 있다.
고출력화를 실현하기 위해서는, HBT에서는 소정의 출력을 얻기 위해 큰 에미터 사이즈가 필요하게 된다. 이 큰 에미터 사이즈를 얻기 위해서는, 베이스 저항을 저감시키기 위해 폭이 좁은 에미터로 구성한 HBT를 복수개 병렬로 접속한, 소위 멀티핑거 구성으로 하는 것이 필요하다. 이하, 이 멀티핑거 구성의 HBT를 멀티핑거 HBT, 이 멀티핑거 HBT를 구성하는 개개의 HBT를 기본 HBT라 부르기로 한다.
도 11은 종래의 고출력 전력 증폭기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 11에서, 참조 부호(100)는 전력 증폭기, 참조 부호(102)는 전력 증폭기(100)의 초단으로서 기능하는 멀티핑거 HBT, 참조 부호(104)는 멀티핑거 HBT(102)의 기본 HBT로서, X11, X12, …, X1m이 병렬로 접속되어 있다. 개개의 기본 HBT(104)는, HBT(104a)와 이 HBT(104a)의 에미터 전극에 직렬로 접속된 에미터 저항(104b)으로 구성되어 있다. 기본 HBT(104)에는 신호 전력이 HBT(104a)의 베이스 전극에 입력되며, 증폭된 신호 출력은 HBT(104a)의 콜렉터 전극으로부터 출력된다. 에미터 전극은 에미터 저항(104b)을 통해 접지되어 있다.
참조 부호(106)는 증폭기(100)의 출력단으로서 기능하는 멀티핑거 HBT, 참조 부호(108)는 멀티핑거 HBT(106)의 기본 HBT로서, X21, X22, …, X2n이 병렬로 접속되어 있다. 개개의 기본 HBT(108)의 구성은 멀티핑거 HBT(102)의 기본 HBT(104)와 동일한 구성으로, HBT(108a)와 이 HBT(108a)의 에미터 전극에 직렬로 접속된 에미터 저항(108b)으로 구성되어 있다. 기본 HBT(108)에는 신호 전력이 HBT(108a)의 베이스 전극에 입력되고, 증폭된 신호 출력은 HBT(108a)의 콜렉터 전극으로부터 출력된다. 에미터 전극은 에미터 저항(108b)을 통해 접지되어 있다.
참조 부호(110)는 입력 단자, 참조 부호(112)는 출력 단자, 참조 부호(114)는 전원 전압 단자, 참조 부호(116)는 베이스 바이어스 회로, 참조 부호(118, 120, 122, 124, 126, 128, 및 130)는 각각 정합 회로이다.
HBT(104a)와 HBT(108a)는 고온으로 되면, 베이스의 순방향 전압 VBE가 낮아진다. 또한 GaAs 등의 화합물 반도체 기판에서는 열 저항이 높기 때문에, 다수의 HBT(104a)와 HBT(108a)가 병렬로 접속되어 배치되어 있을 때, 하나의 HBT(104a)와 HBT(108a)에 어떠한 원인으로 전류가 집중하면, 이 HBT(104a)나 HBT(108a)의 열이 상승하고, 또한 VBE가 저하되며, 이 부분에 전류가 더 집중되는 경우가 발생한다.
여기서 열 저항 ΘTH는 다음식, ΘTH=ΔTj/ΔP로 정의된다. 단, Tj는 정션 온도, P는 파워이다.
기본 HBT 상호간의 열적 불균일로 인해, 임의의 하나의 기본 HBT로의 전류 집중이 발생하여, 그 결과로서 동작 전류의 급격한 변화가 일어나는 것은, 예를 들면, IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVICES, VOL.43, NO.2, 1996 2월, pp220-227에 보고되어 있다.
멀티핑거 HBT(102 및 106)에서, 특정한 HBT(104a 및 108a)에 전류 집중이 발생하면 동작하는 HBT(104 및 108)가 적어져서, 사이즈에 비례한 전력이 얻어지지 않게 된다. 이 때문에 특정한 HBT(104a 및 108a)로의 전류 집중을 방지하기 위해서, HBT(104a 및 108a)의 베이스 혹은 에미터에 직렬로 저항을 삽입하여 전류 증폭율을 저하시켜 전류 집중을 억제하고 있다.
전력 증폭기(100)에서는, HBT(104a 및 108a)의 에미터 전극에 직렬로 에미터 저항을 삽입하여, 기본 HBT(104 및 108)를 구성하고 있다.
그러나, HBT(104a 및 108a)의 베이스 혹은 에미터에 직렬로 저항을 삽입한 경우, 전력 증폭기(100)의 성능 저하로 이어진다.
즉, 단순히 베이스 저항을 삽입하면, 입력에 저항을 삽입한 것으로 되기 때문에 손실이 발생하고, 그 손실분에 의해 잡음 특성이 열화된다. 또한 손실이 발생함으로써 HBT의 이득이 저하된다.
한편, 기본 HBT(104 및 108)와 같이 단순히 에미터 저항을 삽입하면, 에미터 저항(104b 및 108b)에 의한 전압 저하에 의해 Vce가 저하하기 때문에, 전력 효율이 저하된다.
이와 같이 기본 HBT의 열적 불균일을 방지하기 위해, 베이스 혹은 에미터에 직렬로 저항을 삽입하여 전류 증폭율을 저하시켜 전류 집중을 억제하는 것은 유효하지만, 단순히 베이스 혹은 에미터에 직렬로 저항을 삽입한 경우에는 잡음 특성이 열화하여, HBT의 이득이 저하되거나, 또한 전력 효율이 저하하는 문제점이 있다.
또한, 공지예로서 일본 특개평8-279561호 공보에 에미터 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자나 베이스 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자의 구성이 기재되어 있다.
또한, 1994 IEEE MTT-S Digest WE2A-6 p687-p690에 에미터 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자의 구성이 기재되어 있다.
도 12는 에미터 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자만을 이용하여 구성한 종래의 HBT 다단 증폭기의 블록도이다.
도 12에서, HBT 다단 증폭기(140)의 초단으로서 기능하는 멀티핑거 HBT(102) 및 출력단으로서 기능하는 멀티핑거 HBT(106)는, 도 11과 마찬가지로 에미터 전극에 직렬로 접속된 에미터 밸러스트 저항을 갖는 기본 HBT로 구성되어 있다. 초단과 출력단 사이의 중간단도 전부 에미터 전극에 직렬로 접속된 에미터 밸러스트 저항을 갖는 기본 HBT로 이루어지는 멀티핑거 HBT로 구성된다.
또한, 도 13은 베이스 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자만을 이용하여 구성한 종래의 HBT 다단 증폭기의 블록도이다.
도 13에서, HBT 다단 증폭기(142)는 초단으로부터 출력단까지, 중간단을 포함해서 전부 베이스 밸러스트 저항을 갖는 기본 HBT로 구성된 멀티핑거 HBT(144)로 구성되어 있다.
이와 같이 종래의 HBT 다단 증폭기(140, 142)에서는, 에미터 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT만으로 구성되거나, 혹은, 베이스 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT만으로 구성되어 있다.
일반적으로 에미터 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT는, 에미터 접지 사이에 저항이 삽입되기 때문에, 저항이 없는 경우와 비교하여, 증폭기의 입력, 출력측 양쪽에서 손실이 증가한다. 출력측도 손실을 입기 때문에, 증폭기의 출력 전력, 효율 특성을 저하시키고 있다.
또한, 베이스 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT는 베이스 바이어스 단자와의 사이에 저항이 삽입되어 있기 때문에 출력측의 손실은 없다. 그 때문에, 출력 전력, 효율 특성은, 에미터 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT에 비해 좋다. 그러나, 입력측이 큰 손실을 입기 때문에, 잡음 특성은 에미터 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT에 비해 나쁘다.
정리해 보면, 에미터 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT(102, 106)와 베이스 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT(144)에서는, 출력 전력, 효율 특성에 있어서는 베이스 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT(144) 쪽이 좋으며, 잡음 특성에 있어서는 에미터 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT(102, 106) 쪽이 좋다.
이 때문에, 에미터 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT만으로 구성한 HBT 다단 증폭기(140)의 경우, 잡음 특성은 좋지만, 출력 전력, 효율 특성은 나쁘게 되는 문제가 있다. 한편, 베이스 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT(144)만으로 구성한 HBT 다단 증폭기(142)의 경우, 출력 전력, 효율 특성은 좋지만, 잡음 특성은 나쁘게 되는 문제가 있다.
송신기에 이용되는 증폭기에서는, 고출력, 고효율의 특성뿐만 아니라, 수신대 잡음 등의 사양이 있어, 저잡음의 특성도 요구되고 있다. 따라서, 고출력, 고효율의 특성과 저잡음의 특성을 동시에 실현할 필요가 있다. 종래 구성의 HBT 다단 증폭기(140 또는 142)에서는, 고출력, 고효율의 특성과 저잡음의 특성을 동시에 실현할 수 없어, 어느쪽이든 한쪽밖에 실현할 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 제1 목적은, 멀티핑거 HBT의 전류 집중을 억제하면서, 잡음 특성의 열화나 HBT의 이득 저하가 적으며, 또한 전력 효율의 저하가 적은 증폭 회로를 구성함으로써, 고주파 특성의 열화가 적고, 열적 안정성이 높은 증폭 회로를 구비한 고주파용 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은, 전류 집중에 대한 안정성이 높고 신뢰성이 높은 증폭회로를 구비한 고주파용 반도체 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제3 목적은, 고출력, 고효율의 특성과 저잡음의 특성을 동시에 실현할 수 있는 HBT 다단 증폭기를 구비한 고주파용 반도체 장치를 제공하는 것이다.
또, 일본 특개평10-98336호 공보에, 고주파 증폭 회로에서 증폭 회로의 출력 트랜지스터의 동작 전류를 전원 전압과 무관하게, 또한 베이스-에미터 간 전압만에 비례하여 설정할 수 있는 바이어스 회로를 이용함으로써, 전원 전압이나 주위 온도 등의 동작 환경이 변화하여도 포화 출력 레벨, 왜곡 특성의 변동을 적게 하는 기재가 있지만 이하에 설명하는 발명에 대한 기재는 없다.
〈발명의 개시〉
본 발명에 따른 고주파용 반도체 장치는, 헤테로 접합 구조의 제1 바이폴라 트랜지스터와 이 제1 바이폴라 트랜지스터의 에미터 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RE1의 에미터 저항을 갖는 제1 기본 트랜지스터를 복수개 병렬 접속하여 제1 반도체 기판 상에 배치된 증폭 회로의 제1 부분과, 이 제1 부분의 출력 신호를 증폭함과 함께 헤테로 접합 구조의 제2 바이폴라 트랜지스터와 이 제2 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RB2의 베이스 저항을 갖는 제2 기본 트랜지스터를 복수개 병렬 접속하여 제2 반도체 기판 상에 배치된 증폭 회로의 제2 부분을 구비한 것으로, 전류 집중을 억제하면서, 간단한 구성으로 잡음 지수를 낮고 이득의 저하를 줄여서 전력 효율의 저하를 더 낮출 수 있다. 나아가서는, 신뢰성이 높고, 증폭 특성이 우수하며, 전력 효율이 높은 고주파용 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 제2 기본 트랜지스터에 추가로 제2 바이폴라 트랜지스터의 에미터 전극에 직렬로 접속된 에미터 저항을 배치함과 함께, 제2 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전극에 직렬로 접속된 베이스 저항의 저항값을 RB2보다도 작게 한 것으로, 잡음 특성을 개선할 수 있다. 나아가서는 잡음 특성이 우수한 고주파용 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 증폭 회로의 제1 부분에서의 제1 기본 트랜지스터 간의 에미터 간격을 증폭 회로의 제2 부분에서의 제2 기본 트랜지스터 간의 에미터 간격보다도 넓게 한 것으로, 열 저항을 작게 하고 전류 집중이 발생하기 어렵게 할 수 있다. 나아가서는 전류 집중에 대한 안정성이 높고 신뢰성이 높은 고주파용 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 증폭 회로의 제1 부분에서의 제1 기본 트랜지스터의 에미터 저항의 저항값을 RE1보다 작게 한 것으로, 제1 부분에서의 효율의 저하를 줄일 수 있다. 나아가서는 전력 효율이 높은 고주파용 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 헤테로 접합 구조의 제1 바이폴라 트랜지스터와 이 제1 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RB1의 베이스 저항과 제1 바이폴라 트랜지스터의 에미터 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RE1의 에미터 저항을 갖는 제1 기본 트랜지스터를, 이 제1 기본 트랜지스터의 에미터의 에미터 간격 W1으로, 복수개 병렬 접속하여 제1 반도체 기판 상에 배치된 증폭 회로의 제1 부분과, 이 제1 부분의 출력 신호를 증폭시킴과 함께 헤테로 접합 구조의 제2 바이폴라 트랜지스터와 이 제2 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RB2인 베이스 저항과 제2 바이폴라 트랜지스터의 에미터 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RE2인 에미터 저항을 갖는 제2 기본 트랜지스터를, 이 제2 기본 트랜지스터의 에미터의 에미터 간격 W2로, 복수개 병렬 접속하여 제2 반도체 기판 상에 배치된 증폭 회로의 제2 부분을 구비하고, W1>W2로 한 것으로, 열 저항을 작게 하여, 전류 집중이 발생하기 어렵게 할 수 있다. 나아가서는 전류 집중에 대한 안정성이 높고 신뢰성이 높은 고주파용 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 제1 기본 트랜지스터의 에미터 저항의 저항값 RE1과 제2 기본 트랜지스터의 에미터 저항의 저항값 RE2의 관계를 RE1<RE2로 하고, 제1 기본 트랜지스터의 베이스 저항의 저항값 RB1과 제2 기본 트랜지스터의 베이스 저항의 저항값 RB2의 관계를 RB1<RB2로 한 것으로, 전류 집중을 억제하면서, 잡음 지수를 낮고 이득의 저하를 줄여서 전력 효율의 저하를 더 낮출 수 있다. 나아가서는, 신뢰성이 높고, 증폭 특성이 우수하며, 전력 효율이 높은 고주파용 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 증폭 회로의 제1 부분을 초단으로 하고, 증폭 회로의 제2 부분을 출력단으로 한 것으로, 잡음 지수에 가장 기여하는 초단에서 잡음 지수를 낮게 하고, 또한 전력 효율에 가장 기여하는 출력단에서 전력 효율의 저하를 적게 할 수 있다. 나아가서는, 효과적으로, 증폭 특성에 우수하며, 전력 효율이 높은 고주파용 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 제1 반도체 기판과 제2 반도체 기판을 일체로 구성한 것으로, 소형화를 도모할 수 있다. 나아가서는 소형이고 염가인 고주파용 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 에미터 밸러스트 저항과 접속된 헤테로 접합 구조의 제1 바이폴라 트랜지스터 소자를 갖는 초단 증폭 회로가 포함된 제1 증폭 회로 부분과, 이 제1 증폭 회로 부분의 출력 신호를 증폭시킴과 함께 베이스 밸러스트 저항과 접속된 헤테로 접합 구조의 제2 바이폴라 트랜지스터 소자를 갖는 최종단 증폭 회로가 포함된 제2 증폭 회로 부분을 구비한 것으로, 초단 증폭 회로를 포함하는 제1 증폭 회로 부분의 저잡음 특성을 실현하며, 최종단 증폭 회로를 포함하는 제2 증폭 회로 부분의 고출력 및 고효율 특성을 실현할 수 있다. 나아가서는, 고출력, 고효율 특성과 저잡음 특성을 동시에 실현할 수 있는 HBT 다단 증폭기를 구비한 고주파용 반도체 장치로 할 수 있다.
또한, 제1 바이폴라 트랜지스터 소자가 헤테로 접합 구조의 제1 바이폴라 트랜지스터와 이 제1 바이폴라 트랜지스터에 접속된 에미터 밸러스트 저항을 갖는 제1 기본 트랜지스터를 복수개 병렬 접속하여 이루어짐과 함께 제2 바이폴라 트랜지스터 소자가 헤테로 접합 구조의 제2 바이폴라 트랜지스터와 이 제2 바이폴라 트랜지스터에 접속된 베이스 밸러스트 저항을 갖는 제2 기본 트랜지스터를 복수개 병렬 접속하여 이루어지는 것으로, 고출력화가 가능하며 열폭주(thermal runaway)를 억제할 수 있다. 나아가서는, 고출력이며 신뢰성이 높은 HBT 다단 증폭기를 구비한 고주파용 반도체 장치로 할 수 있다.
본 발명은, 고주파용 장치에 관한 것으로, 특히 멀티핑거 헤테로 접합 바이폴라 트랜지스터를 이용한 증폭기의 전력 효율 및 잡음 특성과 열적 안정성의 개선에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 고출력 전력 증폭기의 구성을 도시한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 고출력 전력 증폭기를 구성하는 멀티핑거 HBT의 평면도.
도 3는 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 단면에서의 멀티핑거 HBT의 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 고출력 전력 증폭기의 구성을 도시한 블록도.
도 5는 본 발명에 따른 고출력 전력 증폭기의 구성을 도시한 블록도.
도 6은 본 발명에 따른 HBT 다단 증폭기를 도시한 블록도.
도 7은 본 발명에 따른 에미터 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT의 등가 회로를 도시한 모식도.
도 8은 본 발명에 따른 에미터 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT의 등가 회로를 도시한 모식도.
도 9는 본 발명에 따른 베이스 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT의 등가 회로를 도시한 모식도.
도 10은 본 발명에 따른 베이스 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT의 등가 회로를 도시한 모식도.
도 11은 종래의 고출력 전력 증폭기의 구성을 도시한 블록도.
도 12는 에미터 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자만을 이용하여 구성한 종래의 HBT 다단 증폭기의 블록도.
도 13은 베이스 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자만을 이용하여 구성한 종래의 HBT 다단 증폭기의 블록도.
〈발명을 실시하기 위한 최량의 형태〉
이하에 설명하는 제1 실시예로부터 제3 실시예에서는, 예를 들면 2단 구성의전력 증폭기에 대하여 설명하지만, 반드시 2단이 아니라 그 이상의 다단 구성이어도 무방하다.
[제1 실시예]
제1 실시예는, 증폭기의 초단 및 출력단을 멀티핑거 HBT로 구성하고, 이 초단의 멀티핑거 HBT를 구성하는 기본 HBT를 HBT와 이 HBT의 에미터에 접속된 에미터 저항으로 구성하며, 출력단의 멀티핑거 HBT를 구성하는 기본 HBT를 HBT와 이 HBT의 베이스에 접속된 베이스 저항으로 구성한 것이다.
도 1은 제1 실시예에 따른 고출력 전력 증폭기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 1에서, 참조 부호(10)는 전력 증폭기이고, 참조 부호(12)는 전력 증폭기(10)의 초단으로서 기능하는 제1 부분으로서의 멀티핑거 HBT, 참조 부호(14)는 멀티핑거 HBT(12)의 제1 기본 트랜지스터로서의 기본 HBT로, C11, C12, …, C 1m으로서 m개가 병렬로 접속되어 있다.
개개의 기본 HBT(14)는, HBT(14a)와 이 HBT(14a)의 에미터 전극에 직렬로 접속된 에미터 저항(14b)으로 구성되어 있다.
기본 HBT(14)의 C11, C12, …, C1m은 동일 구조이며, 개개의 HBT(14a), 에미터 저항(14b)은 각각 동일한 회로 상수를 갖고, HBT(14a)는 전류 증폭율 β1을, 에미터 저항(14b)은 저항값 RE1을 갖고 있다. 또한 기본 HBT(14)은 에미터 간격 W1으로 배열되어 있다. 기본 HBT(14)에는, 각각 신호 전력이 직접 HBT(14a)의 베이스 전극에 입력되고, 증폭된 신호 출력은 HBT(14a)의 콜렉터 전극으로부터 출력된다. 에미터 전극은 에미터 저항(14b)를 통해 접지되어 있다.
참조 부호(16)는 전력 증폭기(10)의 출력단으로서 기능하는 제2 부분으로서의 멀티핑거 HBT, 참조 부호(18)는 멀티핑거 HBT(16)의 제2 기본 트랜지스터로서의 기본 HBT로, C21, C22, …, C2n으로 병렬로 n개 접속되어 있다.
개개의 기본 HBT(18)는, HBT(18a)와 이 HBT(18a)의 베이스 전극에 직렬로 접속된 베이스 저항(18c)으로 구성되어 있다.
기본 HBT(18)의 C21, C22, …, C2n은 동일 구조이며, 개개의 HBT(18a), 베이스 저항(18c)은 각각 동일한 회로 상수를 갖고, 개개의 HBT(18a)는 전류 증폭율 β2을, 베이스 저항(18c)은 저항값 RB2을 갖고 있다. 또한 기본 HBT(18)은, 멀티핑거 HBT(12)와 동일한 에미터 간격 W1으로 배열되어 있다. 기본 HBT(18)에는, 각각 신호 전력이 베이스 저항(18c)을 통해 HBT(18a)의 베이스 전극에 입력되고, 증폭된 신호 출력은 HBT(18a)의 콜렉터 전극으로부터 출력된다. 에미터 전극은 직접 접지되어 있다.
에미터 저항(14b)이나 베이스 저항(18c)은 박막 저항에 의해 구성된다. 에미터 저항(14b)은 박막 저항이 아니라 에미터층을 에피택셜 성장에 의해 형성할 때 동시에 형성하여도 된다.
참조 부호(20)는 입력 단자로서 신호 전력이 입력되고, 참조 부호(22)는 출력 단자로서 증폭된 신호 전력이 출력된다. 참조 부호(24)는 전원 전압 단자로서 Vcc가 인가된다. 참조 부호(26)는 베이스 바이어스 회로로서 베이스 전압을 발생한다.
참조 부호(28)는 초단의 멀티핑거 HBT(12)의 입력측에 접속된 입력 정합 회로, 참조 부호(30)는 출력단의 멀티핑거 HBT(16)의 출력측에 접속된 출력 정합 회로, 참조 부호(32)는 초단의 멀티핑거 HBT(12)와 출력단의 멀티핑거 HBT(16) 사이에 접속된 단 사이의 정합 회로, 참조 부호(34)는 초단의 멀티핑거 HBT(12)의 베이스 전극과 베이스 바이어스 회로(26) 사이에 접속된 정합 회로, 참조 부호(36)는 출력단의 멀티핑거 HBT(16)의 베이스 전극과 베이스 바이어스 회로(26) 사이에 접속된 정합 회로, 참조 부호(38)는 초단의 멀티핑거 HBT(12)의 콜렉터 전극과 전원 전압 단자(24) 사이에 접속된 정합 회로, 참조 부호(40)는 출력단의 멀티핑거 HBT(16)의 콜렉터 전극과 전원 전압 단자(24) 사이에 접속된 정합 회로이다.
초단의 멀티핑거 HBT(12)는 정합 회로(34)를 통해 베이스 바이어스 회로(26)로부터 개개의 기본 HBT(14)의 베이스 전극에 베이스 전압이 인가되고, 정합 회로(38)를 통해 전원 전압 단자(24)로부터 개개의 기본 HBT(14)의 콜렉터 전극에 Vcc가 인가된다.
또한, 출력단의 멀티핑거 HBT(16)는 정합 회로(36)를 통해 베이스 바이어스 회로(26)로부터 개개의 기본 HBT(18)의 베이스 전극에 베이스 전압이 인가되고, 정합 회로(40)를 통해 전원 전압 단자(24)로부터 개개의 기본 HBT(18)의 콜렉터 전극에 Vcc가 인가된다.
멀티핑거 HBT(12)의 베이스 전극은 입력 정합 회로(28)를 통해 입력 단자(20)에 접속되고, 콜렉터 전극은 정합 회로(32)를 통해 출력단의 멀티핑거HBT(16)의 베이스 전극에 접속된다. 출력단의 멀티핑거 HBT(16)의 콜렉터 전극은 출력 정합 회로(30)를 통해 출력 단자(22)에 접속되어 있다.
도 2는 전력 증폭기(10)의 초단을 구성하는 멀티핑거 HBT(12)의 평면도이다. 도 2의 쇄선으로 둘러싸인 A부분은 기본 HBT(14)를 나타낸다.
또한, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ 단면의 단면도이다. 도 2 및 도 3에서는 에미터 저항은 도시하지 않는다.
도 2 및 도 3에서, 참조 부호(50)는 콜렉터층으로서, n+GaAs층에서 구성된다. 참조 부호(52)는 콜렉터 전극이다. 참조 부호(54)는 베이스층으로서 콜렉터층(50)의 표면 상에 2개의 콜렉터 전극(52) 사이에 배치되고, p+GaAs층에서 구성된다. 참조 부호(56)는 베이스층(54)의 표면에 배치된 베이스 전극이다. 참조 부호(58)는 에미터층으로서 베이스층(54)의 표면 상에 2개의 베이스 전극(56) 사이에 배치된다. 참조 부호(60)는 에미터 전극으로서 에미터층(58)의 표면 상에 배치되어 있다. W1은 에미터 간격을 나타낸다.
도 3에서, 참조 부호(62)는 제1 반도체 기판으로서의 GaAs 기판이며, 콜렉터층(50)을 그 표면에 배치하고 있다. 참조 부호(64)는 기본 HBT(14)를 분리하는 아이솔레이터로서, 수소 이온 H+등의 이온 주입에 의해 형성된다. 아이솔레이터(64)는 콜렉터층(50)의 표면으로부터 콜렉터층(50)을 관통하여 GaAs 기판(62)에 도달하고 있다.
전력 증폭기(10)의 출력단을 구성하는 멀티핑거 HBT(16)도 기본 HBT의 개수는 다르지만, 초단을 구성하는 멀티핑거 HBT(12)의 평면도인 도 2, 및 멀티핑거 HBT(12)의 단면도인 도 3과 마찬가지의 구성이다.
입력 단자(20)에 인가된 신호 전력은 입력 정합 회로(28)를 통해 초단의 멀티핑거 HBT(12)에 입력되어 분기되어, 개개의 기본 HBT(14)의 베이스 전극에 입력되어 증폭된다. 개개의 기본 HBT(14)에서 증폭된 신호 전력은 개개의 기본 HBT(14)의 콜렉터 전극으로부터 출력되고 합성되어 초단의 멀티핑거 HBT(12)로부터 출력된다.
초단의 멀티핑거 HBT(12)에서 증폭된 신호 전력은 단 사이의 정합 회로(32)를 통해 출력단의 멀티핑거 HBT(16)에 입력되어 분기되어, 개개의 기본 HBT(18)의 베이스 전극에 베이스 저항(18c)을 통해 입력되어 재차 증폭된다. 개개의 기본 HBT(18)에서 증폭된 신호 전력은 개개의 기본 HBT(18)의 콜렉터 전극으로부터 출력되고, 합성되어 출력단의 멀티핑거 HBT(16)로부터 출력되며, 출력 정합 회로(30)를 통해 출력 단자(22)로부터 출력된다.
출력단의 멀티핑거 HBT(16)의 사이즈는, 전력 증폭기(10)에 요구되는 출력 전력에 의해 결정된다. 예를 들면 출력 전력 1W를 얻기 위해서, 에미터의 면적이 10000㎛2필요하게 된다고 하면, 기본 HBT(18)를 구성하는 HBT(18a)의 에미터의 면적을 100㎛2로 하면, 기본 HBT(18)가 100개 필요하다. 즉, 멀티핑거 HBT(16)는 100개의 기본 HBT(18)로 구성된다. 이 출력단의 이득이 11㏈이고, 단 사이의 정합 회로(32)에서의 손실이 -1㏈이면, 초단의 멀티핑거 HBT(12)에 요구되는 출력 전력은0.1W로 된다. 즉,
1W=10log1000㏈m=30㏈m, 30㏈m-11㏈+1㏈=20㏈m=0.1W
이 출력을 얻기 위한, 초단의 멀티핑거 HBT(12)에 필요한 에미터 사이즈는 1000㎛2이다. 이것을 에미터 면적이 100㎛2인 HBT(14a)로 구성하면 기본 HBT(14)가 10개 필요해진다.
일반적으로 기본 HBT를 구성하는 저항의 저항값은 GaAs 기판의 열 저항에 의해 변화한다. 예를 들면 GaAs 기판의 두께를 100㎛로 하면, 기본 HBT의 베이스 전극에 직렬로 접속되는 베이스 저항은 RB=100Ω 정도로 된다. 에미터 전극에 직렬로 접속되는 에미터 저항은, HBT의 전류 증폭율 β을 100으로 하면, 에미터 저항으로서 RE=1Ω(=100Ω/100)이 필요하다.
멀티핑거 HBT의 전류 집중에 의한 특성 열화를 억제하기 위해서는, 기본 HBT로서 이들 베이스 저항 또는 에미터 저항을 부가하는 것이 필요하다.
종래예에서는, 초단도 출력단도 동일한 구성으로 하고, 기본 HBT는 초단도 출력단도 단순히 에미터 저항을 접속하고 있었지만, 이 실시예에 따른 전력 증폭기에서는, 초단의 기본 HBT(14)에는 에미터 저항(14b)만을 설치하고, 출력단의 기본 HBT(18)에는 베이스 저항만을 설치하고 있다.
예를 들면, 1W의 출력 전력을 전원 전압 2V에서 얻기 위해서는, 출력단의 멀티핑거 HBT(16)의 전력 효율을 50%로 하면, 콜렉터 전류 Ic는
Ic=1/2/0.5=1A
이 된다. 기본 HBT(18) 1개당 콜렉터 전류는 10㎃가 된다.
만일 종래예와 같이 에미터 저항을 설치한 경우, 콜렉터-에미터 간 전압 Vce는
Vce=2-0.1×1=1.99
가 되어, 약 1%(=1.99/2)의 효율 저하로 된다.
그러나, 이 제1 실시예에서의 전력 증폭기(10)에서는, 출력단의 멀티핑거 HBT(16)의 기본 HBT(18)에는 베이스 저항만 설치하고, 에미터 저항을 부가하지 않기 때문에, 이러한 효율 저하는 발생하지 않는다.
한편, 초단의 멀티핑거 HBT(12)의 기본 HBT(14)에는 에미터 저항(14b)를 부가하고 있으므로, 1%의 효율 저하가 일어나지만, 출력단에 비하여 특별히 문제가 되지 않는다. 즉, 출력단의 전류는 1000㎃이고, 이것의 1%는 10㎃이지만, 초단의 전류는 100㎃이고, 이것의 1%는 1㎃이기 때문에, 그 증감에 의한 영향은 작다.
한편, 전력 증폭기 전체의 잡음 지수 NFt는, i단째의 잡음 지수를 NFi로 하고, 이득을 Gi로 하면,
NFt=NF1+NF2/G1+…+NFi/Gi+…
로 표현되기 때문에, 출력단에 베이스 저항을 부가함으로써, 입력 손실이 2㏈ 증가하고, 출력단의 잡음 지수가 2㏈ 열화하여도, 초단의 이득이 10㏈이기 때문에, 전력 증폭기(10) 전체로서의 잡음 지수의 열화는,
2㏈/10㏈=0.2㏈
로 억제된다.
제1 실시예에 따른 전력 증폭기(10)에서는, 초단의 멀티핑거 HBT(12)의 기본 HBT(14)에는 에미터 저항(14b)만을 부가하고, 출력단의 멀티핑거 HBT(16)의 기본 HBT(18)에는 베이스 저항만 설치하였기 때문에, 초단의 멀티핑거 HBT(12)에서는 입력 신호의 손실이 없기 때문에 잡음 지수의 열화가 발생하지 않고, 출력단의 멀티핑거 HBT(16)에서는 콜렉터-에미터 간 전압의 저하가 발생하지 않아, 전력 효율의 저하가 없다.
이상과 같이, 본 발명에서는, 초단에는 에미터 저항을 부가하고 출력단에는 베이스 저항을 채용함으로써 멀티핑거 HBT의 전류 집중을 방지하면서, 전력 증폭기총체로서, 잡음 지수와 이득의 향상을 도모하여, 전력 효율의 개선을 도모하고 있다. 나아가서는, 신뢰성이 높고 증폭 특성이 우수하며 전력 효율이 높은 전력 증폭기를 구성할 수 있다.
[제2 실시예]
제2 실시예는, 제1 실시예의 출력단에서, 베이스 저항의 저항값을 조금 작게 하고, 그 만큼을 에미터 저항으로 보상한 것으로, 제1 실시예의 전력 증폭기(10)보다도 잡음 특성의 향상을 더 도모한 것이다.
도 4는 제2 실시예에 따른 고출력 전력 증폭기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 4에서, 참조 부호(70)는 전력 증폭기이고, 참조 부호(72)는 전력 증폭기(70)의 출력단으로서 기능하는 제2 부분으로서의 멀티핑거 HBT, 참조 부호(74)는 멀티핑거 HBT(72)의 제2 기본 트랜지스터로서의 기본 HBT이며, C21,C22, …, C2n으로서 병렬로 n개 접속되어 있다.
개개의 기본 HBT(74)는, HBT(74a)와 이 HBT(74a)의 베이스 전극에 직렬로 접속된 베이스 저항(74c)과 HBT(74a)의 에미터 전극에 직렬로 접속된 에미터 저항(74b)으로 구성되어 있다.
기본 HBT(74)의 C21, C22,…, C2n은 동일 구조로서, 개개의 HBT(74a), 에미터 저항(74b), 베이스 저항(74c)은 각각 동일한 회로 상수를 갖고, 개개의 HBT(74a)는 전류 증폭율 β3을, 에미터 저항(74b)은 저항값 RE3을, 베이스 저항(74c)은 저항값 RB3을 갖고 있다. 또한 기본 HBT(74)는, 멀티핑거 HBT(12)와 동일한 에미터 간격 W1으로 배열되어 있다.
기본 HBT(74)에는, 각각 신호 전력이 베이스 저항(74c)을 통해 HBT(74a)의 베이스 전극에 입력되고, 증폭된 신호 출력은 HBT(74a)의 콜렉터 전극으로부터 출력된다. 에미터 전극은 에미터 저항(74b)을 통해 접지되어 있다.
도 4에서 도 1과 동일한 부호는 동일한 것에 상당한다. 또한 이하의 실시예에서도 마찬가지이다.
이 전력 증폭기(70)는, 초단은 제1 실시예와 동일한 구성으로 되어 있으며, 기본 HBT(14)에는 에미터 저항(14b)을 이용하고 있기 때문에, 초단에서의 잡음 특성의 열화는 적다. 문제가 되는 것은 출력단의 회로 구성이다.
기본 HBT의 에미터 저항의 저항값 RE과 베이스 저항 RB 사이에는 전류 증폭율을 β로 하면, RE=RB/β의 관계가 있다. 이 때문에 잡음 특성에 영향을 주는 출력단의 베이스 저항을 줄여 그 만큼을 에미터 저항으로 보상하면, 전류 집중을 방지하면서 잡음 특성의 열화를 적게 할 수 있다.
즉, 제1 실시예의 기본 HBT(18)의 베이스 저항의 저항값을 RB2로 하면, 이 제2 실시예의 기본 HBT(74)에서는,
RB2=RB3+RE3/β3
으로 설정하면 된다. 즉,
RB3=-RE3/β3
가 되고, RB3<RB2로 되어, 제2 실시예에서의 전력 증폭기(70)는 제1 실시예의 전력 증폭기(10)보다도 잡음 특성이 향상한다.
[제3 실시예]
제3 실시예는, 증폭기의 초단 및 출력단을 멀티핑거 HBT로 구성하고, 이 멀티핑거 HBT를 구성하는 기본 HBT를 HBT와 이 HBT의 베이스 전극에 접속된 베이스 저항과 HBT의 에미터에 접속된 에미터 저항으로 구성하고, 초단의 멀티핑거 HBT를 구성하는 기본 HBT의 에미터 간격을 출력단의 멀티핑거 HBT의 기본 HBT의 에미터 간격보다 크게 함과 함께 초단의 에미터 저항을 출력단의 에미터 저항보다 작게, 또한 초단의 베이스 저항을 출력단의 베이스 저항보다 작게 한 것이다.
도 5는 제3 실시예에 따른 고출력 전력 증폭기의 구성을 도시한 블록도이다.
도 5에서, 참조 부호(75)는 전력 증폭기이고, 참조 부호(76)는 전력 증폭기(75)의 초단으로서 기능하는 제1 부분으로서의 멀티핑거 HBT, 참조 부호(78)는 멀티핑거 HBT(12)의 제1 기본 트랜지스터로서의 기본 HBT로서, C11, C12, …, C1m으로서 m개 병렬로 접속되어 있다.
개개의 기본 HBT(78)는, HBT(78a)와 이 HBT(78a)의 에미터 전극에 직렬로 접속된 에미터 저항(78b)과 베이스 전극에 직렬로 접속된 베이스 저항(78c)으로 구성되어 있다.
기본 HBT(78)의 C11, C12, …, C1m은 동일 구조로서, 개개의 HBT(78a), 에미터 저항(78b), 베이스 저항(78c)은 각각 동일한 회로 상수를 갖고, HBT(78a)는 전류 증폭율 β5을, 에미터 저항(78b)은 저항값 RE5을, 베이스 저항은 저항값 RB5을 갖고 있다. 또한, 기본 HBT(78)는 에미터 간격 W5으로 배열되어 있다.
기본 HBT(78)에는, 각각 신호 전력이 베이스 저항(78c)을 통해 HBT(78a)의 베이스 전극에 입력되고, 증폭된 신호 출력은 HBT(78a)의 콜렉터 전극으로부터 출력된다. 에미터 전극은 에미터 저항(78b)을 통해 접지되어 있다.
참조 부호(80)는 전력 증폭기(75)의 출력단으로서 기능하는 제2 부분으로서의 멀티핑거 HBT, 참조 부호(82)는 멀티핑거 HBT(80)의 제2 기본 트랜지스터로서의 기본 HBT이며, C21, C22, …, C2n으로서 병렬로 n개 접속되어 있다.
개개의 기본 HBT(82)는, HBT(82a)와 이 HBT(82a)의 베이스 전극에 직렬로 접속된 베이스 저항(18c)과 에미터 전극에 직렬로 접속된 에미터 저항(82b)으로 구성되어 있다.
기본 HBT(82)의 C21, C22, …, C2n은 동일 구조이며, 개개의 HBT(82a), 에미터 저항(82b), 베이스 저항(82c)은 각각 동일한 회로 상수를 갖고, 개개의 HBT(82a)는 전류 증폭율 β6을, 에미터 저항(82b)은 저항값 RE6을, 베이스 저항(82c)은 저항값 RB6을 갖고 있다. 또한, 기본 HBT(82)는 멀티핑거 HBT(76)보다 좁은 에미터 간격 W6으로 배열되어 있다.
기본 HBT(82)에는, 각각 신호 전력이 베이스 저항(82c)을 통해 HBT(18a)의 베이스 전극에 입력되고, 증폭된 신호 출력은 HBT(82a)의 콜렉터 전극으로부터 출력된다. 에미터 전극은 에미터 저항(82b)을 통해 접지되어 있다.
기본 HBT(78, 82)의 기본 구성은 제1 실시예와 마찬가지이다.
출력단의 멀티핑거 HBT(80)에서 출력 전력은 1W이고, 이 때의 전력 효율을 50%로 하면, 열로 변환되는 전력은 1W로 되고, 마찬가지로 초단의 멀티핑거 HBT(76)에서 출력 전력은 100mW이고, 이 때의 전력 효율을 50%로 하면, 열로 변환되는 전력은 100mW로 된다. 이와 같이 초단에서 발생하는 열량은 출력단에 비하여적다.
또한, 멀티핑거 HBT의 면적은 출력 전력에 비례하기 때문에, 초단의 멀티핑거 HBT(76)의 면적은, 출력단의 멀티핑거 HBT(80) 면적의 1/10이며 된다.
그러나 한편, 열 저항은 발열하는 부분의 면적이 작을 수록 높아진다. 이 때문에 초단의 멀티핑거 HBT(76)의 면적을 출력 전력에 비례하도록 출력단의 멀티핑거 HBT(80)의 면적의 1/10로 하면, 멀티핑거 HBT(76)의 발열량은 적지만 열 저항이 커지기 때문에, 열 집중을 억제하기 위한 기본 HBT(76)에 요구되는 베이스 저항이나 에미터 저항의 저항값은 출력단의 멀티핑거 HBT(80)의 기본 HBT(82)의 베이스 저항이나 에미터 저항의 저항값과 마찬가지의 크기로 된다.
제3 실시예의 전력 증폭기에서는, 출력단의 기본 HBT(82)를 통상적으로 허용되는 정도로 조밀하게, 에미터 간격 W6으로 배열함과 함께, 초단의 기본 HBT(78)를출력단의 에미터 간격 W6보다도 넓은 간격 W5으로 배열하고 있다.
즉,
W5>W6
으로 하고 있다.
에미터 간격 W5을 출력단의 에미터 간격 W6보다도 넓게 함으로써, 열 저항이 높아지지 않고, 초단의 기본 HBT(78)를 구성하는 베이스 저항(78c)의 저항값 RB5을, 출력단의 기본 HBT(82)를 구성하는 베이스 저항(82c)의 저항값보다도 작게 하는 것이 가능하다. 즉,
RB5<RB6
로 하는 것이 가능하다.
또한, 초단의 기본 HBT(78)를 구성하는 에미터 저항(78b)의 저항값 RE5을, 출력단의 기본 HBT(82)를 구성하는 에미터 저항(82b)의 저항값 RE6보다도 작게 하는 것이 가능하다. 즉,
RE5<RE6
으로 하는 것이 가능하다.
이 실시예에서는 초단의 에미터 간격을 출력단의 에미터 간격보다 넓게 함으로써, 초단에서의 전류 집중을 방지하기 위한 초단의 기본 HBT의 에미터 저항, 베이스 저항을 작게 함으로써, 멀티핑거 HBT의 전류 집중을 방지하면서, 전력 증폭기총체로서, 잡음 지수와 이득의 향상을 도모하여, 전력 효율의 개선을 한층 더 도모하고 있다.
[구체예]
(i) 초단의 기본 HBT에는 에미터 저항만으로 하고, 출력단의 기본 HBT에는 베이스 저항만으로 하는 경우
이 경우에는, 제1 실시예의 경우에서, 초단의 에미터 간격을 출력단의 에미터 간격보다 넓힌 것이다.
효율 저하의 억제를 고려하여, 에미터 저항을 기초로 생각하면, 에미터 저항 RE과 베이스 저항 RB 사이에는 전류 증폭율 β에 의해, RE=RB/β의 관계가 있고, 초단에서의 발열량이 적기 때문에, RB5<RB6 및 RE5<RE6으로 할 수 있으므로
RE5+RB5/β5<RE6+RB6/β6
으로 할 수 있다.
여기서, 초단의 기본 HBT를 에미터 저항만으로 하고, 출력단의 기본 HBT를 베이스 저항만으로 하면, RB5=0, RE6=0으로 되어,
RE5<RB6/β6
로 된다. 여기서 RB6/β6=RE1이며, RE5<RE1이 된다. 즉, 제1 실시예의 초단의 멀티핑거 HBT(12)의 에미터 간격을 W1로부터 W5로 넓힘으로써, 초단의 에미터 저항의 저항값을 보다 작게 할 수 있어, 초단에서의 효율 저하를 억제할 수 있다.
(ii) 초단의 기본 HBT에는 에미터 저항과 베이스 저항을 사용하고, 출력단의 기본 HBT에는 베이스 저항만으로 하는 경우
이것은, 잡음 특성의 열화량에는 허용값이 크며, 효율의 향상을 한층 더 도모하는 경우이다.
예를 들면, 제1 실시예에서는, 초단의 기본 HBT(14)에는 에미터 저항(14b)만 으로 하고, 출력단의 기본 HBT(18)에는 베이스 저항(18c)만으로 하여 구성하고 있으며, 이 때문에 초단의 효율 저하에 의한 전력 증폭기 전체에서 효율 저하가 0.1%(=1㎃/(100㎃+1000㎃))이지만, 잡음 지수를 어느 정도 낮출 여유가 있는 경우에는, 이것을 기초로 효율 저감의 억제를 고려할 수 있다.
이 경우도 앞의 (i)와 마찬가지로,
RE5+RB5/β5<RE6+RB6/β6
으로 할 수 있다.
그리고, 출력단의 에미터 저항이 없기 때문에, RE6=0으로 된다. 즉,
RE5+RB5/β5<RB6/β6
으로 된다. 따라서, 초단의 에미터 저항은,
RE5<RB6/β5-RB5/β6
으로 할 수 있다.
이에 따라 효율의 저하를 더 억제할 수 있다.
이상의 실시예에서, 2단 증폭기로 설명하였지만, 다단 증폭기의 전단과 후단으로서도 마찬가지의 효과를 발휘한다.
[제4 실시예]
도 6은 본 발명에 따른 HBT 다단 증폭기를 도시한 블록도이다.
도 6에서, 참조 부호(85)는 HBT 다단 증폭기, 참조 부호(20)는 입력 단자, 참조 부호(22)는 출력 단자, 참조 부호(28)는 입력 정합 회로, 참조 부호(32)는 단사이 정합 회로, 참조 부호(30)는 출력 정합 회로, 참조 부호(86)는 초단 증폭 회로를 구성하는 제1 바이폴라 트랜지스터 소자로서의 에미터 밸러스트 저항을 이용한 초단 HBT 소자, 참조 부호(87)는 최종단 증폭 회로를 구성하는 제2 바이폴라 트랜지스터 소자로서의 베이스 밸러스트 저항을 이용한 최종단 HBT 소자, 참조 부호(88, 89)는 초단 증폭 회로의 초단 HBT 소자(86)와 최종단 증폭 회로의 최종단 HBT 소자(87) 사이의 중간단 증폭 회로로서 배치된 중간단 HBT 소자로서, 베이스 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자이어도, 에미터 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자이어도 상관없다.
참조 부호(90)는 초단 HBT 소자(86), 중간단 HBT 소자(88, 89), 및 최종단 HBT 소자(87)의 베이스 바이어스 단자이다. 참조 부호(32)는 단 사이의 정합 회로이다.
참조 부호(91)는 제1 증폭 회로 부분으로서의 입력 증폭 회로로서, 입력 정합 회로(28), 초단 HBT 소자(86), 단 사이의 정합 회로(32), 및 중간단 HBT 소자(88)가 포함된다.
참조 부호(92)는 제2 증폭 회로 부분으로서의 출력 증폭 회로로서, 중간단 HBT 소자(89), 단 사이의 정합 회로(32), 최종단 HBT 소자(87) 및 출력 정합 회로(30)가 포함된다.
도 7 및 도 8은, 본 발명에 따른 에미터 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT(12), 예를 들면 도 6의 초단 HBT 소자(86)의 등가 회로를 도시한 모식도이다. 참조 부호(12a)는 멀티핑거 HBT(12)의 베이스 단자, 참조 부호(12b)는 멀티핑거HBT(12)의 콜렉터 단자이다.
도 7은 베이스 바이어스 단자(90)가 각각의 HBT(14)마다 있는 경우, 도 8은 베이스 바이어스 단자(90)가 모든 HBT(14)에 공통인 경우이다. 각 HBT(14)의 에미터-접지 사이에 에미터 밸러스트 저항(14b)이 삽입되어 있다. 온도 분포 등에 의해, 어떤 HBT(14a)의 온도가 높아, 그 결과로서 에미터 전류(콜렉터 전류와 비례)가 증가하는 경우, 에미터 밸러스트 저항(14b)에 의해 생기는 전압 강하가 증가한다.
그에 의하여, 그 HBT(14)의 베이스-에미터 간 전압이 감소하고, 그 결과, 에미터 전류의 증가가 억제된다.
따라서, 에미터 밸러스트 저항(14b)에 의해, 각 HBT(14a) 간의 전류, 온도의 차를 작게 억제할 수 있어, 열 폭주를 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 각 HBT(14a)를 균일하게 동작시킬 수 있다. 따라서, 각 HBT(14a)에서의 신호의 분배나 합성이 효율적으로 행해져서, 고출력, 고효율의 증폭 특성을 실현할 수 있다.
도 9 및 도 10은, 본 발명에 따른 베이스 밸러스트 저항을 이용한 멀티핑거 HBT(16), 예를 들면 도 6의 최종단 HBT 소자(87)의 등가 회로를 도시한 모식도이다. 참조 부호(16a)는 멀티핑거 HBT(16)의 베이스 단자, 참조 부호(16b)는 멀티핑거 HBT(16)의 콜렉터 단자이다.
도 9는 베이스 밸러스트 저항(18c)이 베이스 단자(16a)와 각각의 HBT(18a) 사이에서 베이스 바이어스 단자(90)보다도 HBT(18a) 측에 삽입되어 있는 경우, 도 10은 베이스 밸러스트 저항(18c)이 베이스 바이어스 단자(90)와 각각의 HBT(18a)사이에 삽입되어 있는 경우이다.
어느 경우에도 각 HBT(18a)와 베이스 바이어스 단자(90) 사이에 베이스 밸러스트 저항(18c)이 삽입되어 있다.
온도 분포 등에 의해, 어떤 HBT(18a)의 에미터 전류가 증가하는 경우, 베이스 전류도 에미터 전류에 비례하여 증가한다. 그 결과, 베이스 밸러스트 저항(18c)에 의해 생기는 전압 강하도 증가한다. 그에 의하여, 그 HBT(18a)의 베이스-에미터 간 전압이 감소하고, 그 결과로서, 에미터 전류의 증가가 억제된다. 따라서, 베이스 밸러스트 저항(18c)에 의해, 각 HBT(18a) 간의 전류, 온도의 차를 작게 억제할 수 있어, 열 폭주를 억제할 수 있을 뿐만 아니라, 각 HBT(18a)에 균일한 동작을 시킬 수 있다. 따라서, 각 HBT(18a)에서의 신호의 분배나 합성이 효율적으로 행해져서, 고출력, 고효율의 증폭 특성을 실현할 수 있다.
또, 베이스 밸러스트 저항은, 도 9, 도 10에 도시한 구성이어도 상관없고, 도 9, 도 10에 도시한 베이스 밸러스트 저항을 양쪽 모두 이용하는 구성이어도 상관없다.
다음에 HBT 다단 증폭기(85)의 동작에 대하여 설명한다.
입력 단자(20)로부터 입력된 신호는, 입력 정합 회로(28)를 통해 에미터 밸러스트 저항을 이용한 초단 HBT 소자(86)에 의해 증폭되고, 단 사이 정합 회로(32)를 통해, 에미터 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자 혹은 베이스 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자로 이루어지는 중간단 HBT 소자(88, 89)에 의해 증폭된다. 그리고 최종적으로, 베이스 밸러스트 저항을 이용한 최종단 HBT 소자(87)에 입력되고, 여기서 증폭되어, 출력 정합 회로(30)를 통해 출력 단자(22)로부터 출력된다. 이와 같이 하여 신호는 다단 HBT 증폭기(85)에 의해 증폭된다.
또한, 증폭 소자로서, 에미터 밸러스트 저항을 이용한 초단 HBT 소자(86), 에미터 밸러스트 저항 혹은 베이스 밸러스트 저항을 이용한 중간 HBT 소자(88), 및 베이스 밸러스트 저항을 이용한 최종단 HBT 소자(87)를 이용하고 있기 때문에, 열적으로 안정되며, 또한 각 HBT(14a, 18a)의 균일 동작이 가능하다. 따라서, 각 HBT(14a, 18a)에서의 신호의 분배나 합성이 효율적으로 행해져서, 고출력, 고효율의 특성을 실현할 수 있다.
또한, 도 6에서, 초단 증폭 회로를 포함하는 입력 증폭 회로(91)에서, 적어도 증폭 소자로서 에미터 밸러스트 저항을 이용한 초단 HBT 소자(86)를 이용하고, 최종단 증폭 회로를 포함하는 출력 증폭 회로(92)에서, 적어도 증폭 소자로서 베이스 밸러스트 저항을 이용한 최종단 HBT 소자(87)를 이용하고 있다. 따라서, 잡음 특성에 영향을 가장 많이 주는 초단 증폭 회로를 포함하는 입력 증폭 회로(91)에서, 잡음 특성에 유리한 에미터 밸러스트 저항을 이용한 초단 HBT 소자(86)를 이용하기 때문에, 저잡음의 특성을 실현할 수 있다. 한편, 출력 전력, 효율 특성에 영향을 가장 많이 주는 최종단 증폭 회로를 포함하는 출력 증폭 회로(92)에서, 출력 전력, 효율 특성에서 유리한 베이스 밸러스트 저항을 이용한 최종단 HBT 소자(87)를 이용하고 있기 때문에, 고출력, 고효율의 특성을 실현할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 HBT 다단 증폭기(85)는, 입력 증폭 회로(91)에 적어도 에미터 밸러스트 저항을 이용한 초단 HBT 소자(86)를 이용하고, 출력 증폭회로(92)에 적어도 베이스 밸러스트 저항을 이용한 최종단 HBT 소자(87)를 이용하기 때문에, 고출력, 고효율의 특성과 저잡음의 특성을 동시에 실현하는 것이 가능하다.
또, 본 발명의 HBT 다단 증폭기(85)는 2단 증폭기의 경우에는 1단째에 에미터 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자를, 2단째에 베이스 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자를 증폭 소자로서 이용하는 구성으로 된다.
또한, 3단 이상인 경우에는 초단은 에미터 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자, 최종단은 베이스 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자를 증폭 소자로서 이용하고, 그것 이외의 중간의 증폭단에 대해서는, 에미터 밸러스트 저항, 베이스 밸러스트 저항 중 어느 것을 이용하는 HBT 소자이어도 상관없다.
또한, 에미터 밸러스트 저항, 베이스 밸러스트 저항은, 반도체 기판 상의 에피-저항, 박막 저항, 주입 저항 등으로 구성되어 있어도 상관없다.
또한, 베이스 바이어스 단자(90)는 베이스 단자(12a, 16a)와 공통이어도 상관없다.
베이스 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자는 도 9, 또는 도 10의 구성 외에, 도 9, 도 10의 베이스 밸러스트 저항을 양쪽 모두 이용한 구성이어도 상관없다.
또한, 각 실시예에서 설명된 HBT 소자의 구성은 1차원적으로 기본 HBT를 배치한 구성이지만, 2차원적으로 배치한 구성이어도, 그 밖의 레이아웃으로 병렬로 배치한 것이어도 상관없다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 HBT 다단 증폭기에 따르면 다단 증폭기를 구성하기 때문에 신호를 증폭할 수 있다.
또한, 증폭 소자로서 에미터 혹은 베이스 밸러스트 저항을 이용한 HBT 소자를 이용하기 때문에, 열적으로 안정하고, 또한 각 HBT의 균일 동작 가능하다. 따라서, 각 HBT에서의 신호의 분배, 합성이 효율적이어서, 고출력, 고효율의 특성을 실현할 수 있다.
또한, 초단 증폭 회로를 포함하는 입력 증폭 회로에서, 적어도 증폭 소자로서 에미터 밸러스트 저항을 이용한 초단 HBT 소자를 이용하고, 최종단 증폭 회로를 포함하는 출력 증폭 회로에서, 적어도 증폭 소자로서 베이스 밸러스트 저항을 이용한 최종단 HBT 소자를 이용하기 때문에, 고출력, 고효율의 특성과 저잡음의 특성을 동시에 실현할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 고주파용 반도체 장치는 위성 통신, 지상 마이크로파 통신, 이동체 통신 등에 사용하는 고출력 전력 증폭기로서 유용하다. 특히 이들 통신 분야의 송신기와 같이 고출력, 고효율뿐만 아니라 양호한 잡음 특성이 요구되는 증폭기에 적합하다.

Claims (14)

  1. 헤테로 접합 구조의 제1 바이폴라 트랜지스터와 이 제1 바이폴라 트랜지스터의 에미터 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RE1인 에미터 저항을 갖는 제1 기본 트랜지스터를, 복수개 병렬 접속하여 제1 반도체 기판 상에 배치되는, 하나의 공통된 출력을 갖는 증폭 회로의 제1 부분과,
    상기 제1 부분과 직렬로 접속되고, 상기 제1 부분의 하나의 공통된 출력 신호를 증폭하고 헤테로 접합 구조의 제2 바이폴라 트랜지스터와 이 제2 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RB2인 베이스 저항을 갖는 제2 기본 트랜지스터를, 복수개 병렬 접속하여 제2 반도체 기판 상에 배치되는, 증폭 회로의 제2 부분
    을 포함하는 고주파용 반도체 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 헤테로 접합 구조의 제1 바이폴라 트랜지스터와 이 제1 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RB1인 베이스 저항과 상기 제1 바이폴라 트랜지스터의 에미터 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RE1인 에미터 저항을 갖는 제1 기본 트랜지스터를, 이 제1 기본 트랜지스터의 에미터의 에미터 간격 W1으로, 복수개 병렬 접속하여 제1 반도체 기판 상에 배치되는, 하나의 공통된 출력을 갖는 증폭 회로의 제1 부분과,
    상기 제1 부분과 직렬로 연결되고, 상기 제1 부분의 하나의 공통된 출력 신호를 증폭함과 함께 헤테로 접합 구조의 제2 바이폴라 트랜지스터와 이 제2 바이폴라 트랜지스터의 베이스 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RB2인 베이스 저항과 상기 제2 바이폴라 트랜지스터의 에미터 전극에 직렬로 접속된 저항값이 RE2인 에미터 저항을 갖는 제2 기본 트랜지스터를, 이 제2 기본 트랜지스터의 에미터의 에미터 간격 W2으로, 복수개 병렬 접속하여 제2 반도체 기판 상에 배치되는, 증폭 회로의 제2 부분을 포함하며,
    상기 에미터 간격 W1과 W2는,
    W1>W2
    로 하는 것을 특징으로 하는 고주파용 반도체 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 에미터 밸러스트 저항과 접속되는 헤테로 접합 구조의 제1 바이폴라 트랜지스터 소자를 갖는 초단 증폭 회로가 포함되는, 하나의 공통된 출력을 갖는 제1 증폭 회로 부분과,
    이 제1 증폭 회로 부분에 직렬로 접속되고, 상기 제1 증폭회로 부분의 하나의 공통된 출력 신호를 증폭함과 함께 베이스 밸러스트 저항과 접속되는 헤테로 접합 구조의 제2 바이폴라 트랜지스터 소자를 갖는 최종단 증폭 회로가 포함되는 제2 증폭 회로 부분
    을 포함하는 고주파용 반도체 장치.
  14. 삭제
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