KR20060120071A - 집적화된 극초단파 트랜지스터용 열 센서 - Google Patents

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Abstract

능동 반도체 디바이스의 온도를 결정하는 회로가 반도체 기판위에 배치되고 휘트스톤 브리지 회로를 포함한다. 브리지 회로는 4 개의 브랜치 각각에 열 감지 디바이스를 구비하고, 열 감지 디바이스들 중 한 쌍은 능동 디바이스의 전극과 열 접촉을 한다. 열 감지 디바이스 중 다른 한 쌍은 기판과 열 접촉을 한다. 튜닝 회로가 트랜지스터의 출력에 연결되고, 튜닝 회로는 제어 신호에 의해 제어되는 튜닝 가능한 소자를 구비한다. 제어 신호는 튜닝 가능한 소자에 입력된다. 프로세서는 브리지 회로의 출력에 나타나는 전압과 트랜지스터에 제공되는 파워를 나타내는 신호에 의하여 응답한다. 휘트스톤 브리지의 출력에 나타나는 전압에 의하여 트랜지스터의 온도와 그 주변의 온도와의 차이를 측정한다.

Description

집적화된 극초단파 트랜지스터용 열 센서{AN INTEGRATED THERMAL SENSOR FOR MICROWAVE TRANSISTORS}
본 발명은 극초단파 트랜지스터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 극초단파 트랜지스터의 온도를 모니터링하는 회로에 관한 것이다.
극초단파 트랜지스터에서는 주변 온도와 비교하여 극초단파 트랜지스터의 상대적 온도를 모니터링하는 것이 필요하다. 모놀리틱 집적 회로내의 상기 트랜지스터들의 온도를 모니터링함으로써, 넓은 범위의 동작 온도에서 상기 트랜지스터가 특정 온도를 초과하지 않도록 할 수 있으며, 상기 트랜지스터를 포함한 회로를 역동적으로 조정하는데 온도를 이용할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 모놀리틱 집적 회로내의 극초단파 트랜지스터의 온도를 모니터링함으로써, 극초단파 트랜지스터가 넓은 범위의 동작 온도에서 특정 온도를 초과하지 않도록 하는 능동 반도체 디바이스의 온도 결정 회로를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 능동 반도체 디바이스의 온도를 결정하는 회로는 반도체 기판위에 배치되며, 휘트스톤 브리지 회로를 포함한다. 상기 브리지 회로는 4 개의 브랜치 각각에 열 감지 디바이스를 구비하고, 상기 열 감지 디바이스들 중 한 쌍은 상기 능동 디바이스의 전극과 열 접촉을 한다. 상기 열 감지 디바이스들 중 다른 한 쌍은 상기 기판과 열 접촉을 한다. 상기 열 감지 디바이스들은 저항들이다. 상기 능동 디바이스는 트랜지스터이다. 튜닝 회로가 상기 트랜지스터의 출력에 연결되고, 상기 튜닝 회로는 제어 신호에 의해 제어되는 튜닝 가능한 소자를 구비한다. 상기 제어신호는 상기 튜닝 가능한 소자에 입력된다. 프로세서는 상기 브리지 회로의 출력에 나타나는 전압과 상기 트랜지스터에 제공되는 파워를 나타내는 신호에 응답한다. 휘트스톤 브리지의 출력에 나타나는 전압에 의하여 상기 트랜지스터의 온도와 그 주변의 온도와의 차이를 측정한다. 상기 프로세서는 상기 트랜지스터에 제공되는 파워를 최대화하고 상기 트랜지스터에서 소모되는 파워를 최소화하기 위한 제어 신호를 생성한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동 반도체 디바이스의 동작 온도를 결정하는 회로를 나타내는 개념도이다.
도 2a는 도 1의 회로에 사용되는 트랜지스터를 포함한 반도체 기판의 일부분을 보여주는 평면도이며, 상기 부분의 위에 도 1의 회로에 사용되는 4 개의 저항이 배치되어 있다.
도 2b는 도 2a의 2B-2B 라인을 축으로 자른 부분의 횡단면도이다.
도 2c는 도 2a의 2B-2B 라인을 축으로 자른 부분의 횡단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 능동 반도체 장치의 동작 온도를 결정하는 회로를 나타내는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 능동 반도체 장치, 여기서는 트랜지스터(12)의 동작 온도를 결정하는 회로(10)가 나타나 있다. 회로(10)는 그 위에 능동 소자(12)를 포함한 반도체 기판(14)에 실장된다. 여기서 능동 소자(12)는 소스 전극(S), 드레인 전극(D) 및 게이트 전극(G)을 갖는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor; FET)이다.
회로(10)는 브리지회로(16),즉 휘트스톤 브리지 회로를 포함한다. 브리지(16)는 능동 소자(12)의 소스 전극(S)과 열적 접촉을 하며 배치되어 있는 제1 열 감지 소자, 즉 저항(R1)을 포함한다. 제1 열 감지 소자(R1)는 한 쌍의 단자들을 구비하는데, 제1 단자는 제1 노드(N1)와 연결되어 있고, 제2 단자는 제2 노드(N2)와 연결되어 있다.
브리지(16)는 능동 소자(12)의 소스 전극(S)과 열적 접촉을 하며 배치되어 있는 제2 열 감지 소자, 즉 저항(R2)을 포함한다. 제2 열 감지 소자(R2)는 한 쌍의 단자들을 구비하는데, 제1 단자는 제3 노드(N3)와 연결되어 있고, 제2 단자는 제4 노드(N4)와 연결되어 있다.
브리지 회로(16)는 반도체 기판(14)과 열적 접촉을 하며 배치되어 있는 제3 열 감지 소자, 즉 저항(R3)을 포함한다. 제3 열 감지 소자(R3)는 한 쌍의 단자들을 구비하는데, 제1 단자는 제2 노드(N2)와 연결되어 있고, 제2 단자는 제4 노드(N4) 와 연결되어 있다.
브리지 회로(16)는 반도체 기판(14)과 열적 접촉을 하며 배치되어 있는 제4 열 감지 소자, 즉 저항(R4)을 포함한다. 제4 열 감지 소자(R4)는 한 쌍의 단자들을 구비하는데, 제1 단자는 제1 노드(N1)와 연결되어 있고, 제2 단자는 제3 노드(N3)와 연결되어 있다. 직류 전압원(20)이 제1 노드(N1)와 제4 노드(N4) 사이에 연결되어 있는데, 여기서 제4 노드(N4)는 도시된 바와 같이 접지 전압(ground voltage)이다. 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3)가 브리지의 출력이다.
회로(10)는 트랜지스터(12)의 출력 전극에 연결되어 있는 튜닝 회로(22)를 포함한다. 튜닝 회로(12)는 튜닝 가능한 소자(24), 즉 버랙터(varactor)를 포함하고, 프로세서(26)에 의해 튜닝 가능한 소자(24)로 입력되는 제어 신호에 의해 제어된다.
제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이의 출력 전압은 저항(R3)의 저항값과 저항(R4)의 저항값의 곱과 저항(R1)의 저항값과 저항(R2)의 저항값의 곱 사이의 차이에 비례한다. 다시 말하면, 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이의 출력 전압은 R3R4 - R1R2의 값에 비례한다. 저항들(R3, R4)은 반도체 기판(14)과 열 접촉 상태이기 때문에 그 온도는 회로(10)의 주변 온도를 나타내는 공통 온도이다. 저항들(R1, R2)은 트랜지스터(12)의 소스 전극(S)과 열 접촉 상태이다. 그러므로, 트랜지스터가 동작하지 않을 때와 같이 트랜지스터(12)의 온도가 그 주변 온도가 같으면, 브리지(16)의 출력 전압은 0[V]이다. 그리고 나서 트랜지스터(12)가 동작하면, 트랜지스터는 주변 온도보다 더 뜨거워질 것이고 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이의 출력 전압은 증가할 것이다. 저항들(R1, R2)의 저항 값은 온도가 증가할 때 증가하기 때문에, 브리지(16)의 출력 전압, 즉 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이의 전압으로 트랜지스터(12)의 동작에 소모되는 파워를 측정할 수 있다. 프로세서(26)는 브리지(16)의 출력 전압과 트랜지스터(12)에 제공되는 파워를 나타내는 신호에 응답한다. 여러 가지의 측정 수단에 의하여 트랜지스터(12)에 제공되는 파워를 측정할 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터(12)의 소스 회로 내의 정밀 저항(R) 양단에 걸리는 전압(V)에 의하여 트랜지스터(12)에 제공되는 파워를 측정할 수 있다. 이 정밀 저항 양단에 걸리는 전압은 IR이고 이 때. 트랜지스터(12)에 제공되는 파워는 트랜지스터(12)에 의한 전압 강하에 이 전류를 곱한 것이다.
프로세서(26)는 버랙터를 제어하는 제어신호를 생성하도록 프로그램된다. 제어 신호는 정밀 저항(R) 양단의 전압에 의해 검출되는 트랜지스터(12)에 제공되는 파워를 최대화하고, 브리지(16)의 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 양단의 출력 전압에 의해 검출되는 트랜지스터(12)에 의해 소모되는 파워를 최소화한다.
보다 상세하게는, 자기 정렬(self-alignment)과 역동적인 조정은 다음 수학식 1로 나타나는 밸런스 방정식(balance equation)에 기초하여 이해할 수 있다.
Prf.load + Prf.tuners = Pdc - Pdiss + Prf.in
여기서, Prf.load는 부하에 제공되는 파워를 나타내는데 도 1의 저항(R1)에 제공되는 파워이다.
Prf.tuners는 튜너(22)에서 소모되는 파워를 나타낸다.
Pdc는 트랜지스터(12)에 제공되는 파워이다.
Pdiss는 트랜지스터(12)에서 소모되는 파워를 나타내는데, 브리지(16)의 출력 전압, 즉 제2 노드(N2)와 제3 노드(N3) 사이의 전압에 의해 소모되는 파워를 나타낸다.
Prf.in는 트랜지스터(12)의 게이트 전극(G)에 제공되는 입력 rf 파워(input radio frequency power)를 나타낸다.
여기서, rf 파워 출력은 두 부분으로 나뉜다. 한 부분은 부하에 흘러들어가고, 다른 한 부분은 튜너(22)에서 소모된다. 상기 수학식 1의 오른쪽은 디바이스에 남아 있는 파워를 나타낸다. 디바이스에 남아 있는 파워에는 DC 바이어스 파워, 즉 Pdc와 트랜지스터(12)의 온도 상승에 비례하여 열로 소모되는 파워, 즉 Pdiss와 트랜지스터(12)에 제공되는 rf 입력 파워가 있다. 설명의 편의를 위해서 다음과 같이 가정한다. 트랜지스터(12)에 입력되는 rf 파워 입력은 고정되어 있다. 트랜지스터(12) 입력은 출력 튜너(22)의 동작 범위에 부합되어 있다. 그리고 튜너(22)는 무손실이어서 Prf.tuners는 제로이다.
도 1의 회로(10)에 관하여 이러한 가정을 하면, Pdc와 Pdiss를 감지하기 위한 센서를 구비함으로써 트랜지스터(12)의 출력 단자에 rf 디텍터(detector)를 사용하지 않아도 된다. 실시예에서, Pdc를 감지하는 센서는 미세 저항(R)이고 Pdiss를 감지 하는 센서는 브리지 회로(16)이다. 트랜지스터(12)의 양 단에 나타나는 직류 전압은 고정되어 있다고 가정한다.
도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 반도체 기판(14), 예를 들어, 실리콘(silicon)기판이나 갈륨 아세나이드(gallium arsenide)기판 위의 트랜지스터(12)의 소스 전극(S)위에 박막의 절연층(30)이 배치된다. 예를 들어, 박막의 절연층(30)은 실리콘 나이트라이드(silicon nitride)일 수 있다. 실리콘 나이트라이드의 절연층 위에 박막의 필름 레지스터(thin film resistor)들(R1, R2)이 증착 공정으로 배치된다. 예를 들어, 박막의 필름 레지스터는 니크롬(nichrome)으로 만들어진다. 절연층(30)이 소스 전극(S)위에 형성되면, 실리콘 나이트라이드 절연층(30)도 또한 반도체 기판(14)의 부분들 위에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 능동 반도체 디바이스의 온도 결정회로는, 주변 온도와의 상대적인 극초단파 트랜지스터의 동작 온도를 모니터링하여 트랜지스터가 넓은 동작 온도에서 특장 온도를 초과하지 않도록 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (21)

  1. 능동 반도체 디바이스의 온도를 결정하는 회로에 있어서,
    그 위에 상기 액티브 반도체 디바이스를 구비하는 반도체 기판; 및
    브리지 회로를 포함하며, 상기 브리지 회로는,
    한 쌍의 단자들을 구비하며 상기 단자들 중 제 1 단자는 제1 노드에 연결되고, 제2 단자는 제2 노드에 연결되며 상기 능동 디바이스의 전극과 열 접촉 하도록 배치된 제1 열 감지 디바이스;
    한 쌍의 단자들을 구비하며 상기 단자들 중 제1 단자는 제3 노드에 연결되고, 제2 단자는 제4 노드에 연결되며 상기 능동 디바이스의 상기 전극과 열 접촉 하도록 배치된 제2 열 감지 디바이스;
    한 쌍의 단자들을 구비하며 상기 단자들 중 제1 단자는 상기 제2 노드에 연결되고, 제2 단자는 상기 제4 노드에 연결되며 상기 반도체 기판과 열 접촉 하도록 배치된 제3 열 감지 디바이스;
    한 쌍의 단자들을 구비하며 상기 단자들 중 제1 단자는 상기 제1 노드에 연결되고, 제2 단자는 상기 제3 노드에 연결되며 상기 반도체 기판과 열 접촉 하도록 배치된 제3 열 감지 디바이스;
    상기 제1 노드와 상기 제4 노드 사이에 연결된 전압원; 및
    상기 제2 노드와 상기 제3 노드로 구현되는 출력 단자를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 열 감지 디바이스들은 저항인 것을 특징으로 하는 회로.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 능동 디바이스는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 회로.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제1, 제2, 제3 및 제4 열 감지 디바이스들은 저항인 것을 특징으로 하는 회로.
  5. 제 4 항에 있어서, 튜닝 가능한 소자에 입력되는 제어 신호에 의해 제어되며 상기 트랜지스터의 출력 전극에 연결된 튜너를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 브리지의 출력 단자에 나타나는 전압과 상기 트랜지스터에 입력되는 파워를 나타내는 신호에 응답하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  7. 능동 반도체 디바이스의 온도를 결정하는 회로에 있어서,
    그 위에 상기 능동 디바이스를 구비하는 반도체 기판; 및
    4 개의 브랜치 각각에 열 감지 디바이스를 포함하며 상기 열 감지 디바이스 들 중 한 쌍은 상기 능동 디바이스의 전극과 열 접촉을 하는 휘트스톤 브리지를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 열 감지 디바이스들 중 다른 한 쌍은 상기 반도체 기판과 열 접촉하는 것을 특징으로 하는 회로.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 열 감지 디바이스들은 저항인 것을 특징으로 하는 회로.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 능동 디바이스는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 회로.
  11. 제 10 항에 있어서, 튜닝 가능한 소자에 입력되는 제어 신호에 의해 제어되며 상기 트랜지스터의 출력 전극에 연결된 튜너를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 휘트스톤 브리지의 출력 단자에 나타나는 전압과 상기 트랜지스터에 입력되는 파워를 나타내는 신호에 응답하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 휘트스톤 브리지의 출력에 의해 상기 트랜지스터의 온도와 주변 온도와의 차이를 측정하는 것을 특징으로 하는 회로.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 트랜지스터에 입력되는 파워를 최대화하고 상기 트랜지스터에서 소모되는 파워를 최소화하는 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 회로.
  15. 제 7 항에 있어서, 상기 열 감지 디바이스들 중 다른 한 쌍은 상기 반도체 기판과 열 접촉하는 것을 특징으로 하는 회로.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 열 감지 디바이스들은 저항인 것을 특징으로 하는 회로.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 능동 디바이스는 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 회로.
  18. 제 17 항에 있어서, 튜닝 가능한 소자에 입력되는 제어 신호에 의해 제어되며 상기 트랜지스터의 출력 전극에 연결된 튜너를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 휘트스톤 브리지의 출력 단자에 나타나는 전압과 상기 트랜지스터에 입력되는 파워를 나타내는 신호에 반응하는 프로세서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 휘트스톤 브리지의 출력에 의해 상기 트랜지스터의 온도와 주변 온도와의 차이를 측정하는 것을 특징으로 하는 회로.
  21. 제 21 항에 있어서, 상기 프로세서는 상기 트랜지스터에 입력되는 파워를 최대화하고 상기 트랜지스터에서 소모되는 파워를 최소화하는 제어 신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 회로.
KR1020067008691A 2003-11-04 2004-11-01 트랜지스터의 온도를 결정하는 회로 KR101236454B1 (ko)

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