KR20120082012A - Continuous tunable lc resonator using a fet as a varactor - Google Patents
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Abstract
버랙터는 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 적어도 일부와 통합된 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하며, 이러한 버랙터에서 FET의 백 게이트는 BJT의 베이스와 전기 접속을 공유하고, FET의 백 게이트에 인가되는 역 전압은 FET의 채널 내에 연속 가변 캐패시턴스를 생성한다.The varactor includes a field effect transistor (FET) integrated with at least a portion of the bipolar junction transistor (BJT), in which the back gate of the FET shares an electrical connection with the base of the BJT and is applied to the back gate of the FET. The reverse voltage creates a continuous variable capacitance in the channel of the FET.
Description
일반적으로 버랙터로 지칭되는 버랙터 다이오드는 역 바이어스 시에 높은 접합 캐패시턴스(capacitance)를 갖는 일 타입의 PN 접합 다이오드이다. 캐패시턴스는 가변적이며, 그의 단자들에 인가되는 전압의 함수이다. 일반적으로, 가변적인 또는 튜닝 가능한 캐패시턴스를 갖는 그러한 장치들은 튜닝 회로들로서, 임피던스 매칭을 위해 또는 아이솔레이션(isolation) 회로들로서 사용되는 유도성(L) 용량성(C)(LC) 공진 회로들에서 사용된다.A varactor diode, commonly referred to as a varactor, is one type of PN junction diode that has high junction capacitance upon reverse bias. The capacitance is variable and is a function of the voltage applied to its terminals. In general, such devices with variable or tunable capacitance are used in inductive (L) capacitive (C) (LC) resonant circuits used as tuning circuits, for impedance matching or as isolation circuits. .
반도체 장치들을 제조하기 위한 하나의 기술은 합체된 갈륨 비소화물(GaAs) 이종 접합 바이폴라 트랜지스터(HBT) - 전계 효과 트랜지스터(FET) 기술이며, 여기서 FET는 특수화된 FET는 공핍-모드(d-모드) 금속 산화물 전계 효과 트랜지스터(MESFET)와 유사한 특성들을 갖는 HBT와 통합된 특수화된 장치이다. 이러한 통합 기술은 일반적으로 "BiFET"로 지칭되지만, GaAs 상에 HBT와 FET를 결합하기 위해 대안적인 명명법 및 통합 기술들이 존재한다.One technique for fabricating semiconductor devices is a combined gallium arsenide (GaAs) heterojunction bipolar transistor (HBT)-field effect transistor (FET) technology, where the FET is a specialized FET in depletion-mode (d-mode). It is a specialized device integrated with HBT that has properties similar to metal oxide field effect transistors (MESFETs). Such integration techniques are generally referred to as "BiFETs", but alternative nomenclature and integration techniques exist for combining HBTs and FETs on GaAs.
다른 반도체 기술들도 FET를 제조하는 데 사용될 수 있다. 일례는 동일 실리콘 기판 상에 n형 및 p형 e-모드 MOSFET들 모두를 집적하는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 기술이다. FET를 제조하는 데 사용되는 기술에 관계없이, 장치가 오프 상태일 때, FET는 가변 캐패시턴스를 갖도록 제어될 수 있다. 따라서, FET를 버랙터로서 사용하는 방법을 갖는 것이 바람직할 것이다. 버랙터가 연속 튜닝 가능 특성들과 더불어 넓은 튜닝 범위를 갖도록 구현될 수 있는 경우, 버랙터는 튜닝 가능 LC 회로들, 튜닝 가능 RF 매칭 네트워크들, 및 전자적 튜닝 가능 캐패시턴스를 필요로 하는 임의의 다른 응용에 사용될 수 있다.Other semiconductor technologies can also be used to fabricate FETs. One example is complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology that integrates both n-type and p-type e-mode MOSFETs on the same silicon substrate. Regardless of the technique used to manufacture the FET, when the device is off, the FET can be controlled to have a variable capacitance. Therefore, it would be desirable to have a method of using FETs as varactors. If a varactor can be implemented to have a wide tuning range with continuous tunable characteristics, the varactor can be tuned to tunable LC circuits, tunable RF matching networks, and any other application requiring electronic tunable capacitance. Can be used.
본 발명의 실시예들은 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 적어도 일부와 통합된 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하는 버랙터를 포함하며, 이러한 버랙터에서 FET의 백 게이트는 BJT의 베이스와 전기 접속을 공유하고, FET의 백 게이트에 인가되는 역 전압은 FET의 채널 내에 연속 가변 캐패시턴스를 생성한다.Embodiments of the present invention include a varactor comprising a field effect transistor (FET) integrated with at least a portion of a bipolar junction transistor (BJT), in which the back gate of the FET shares an electrical connection with the base of the BJT. In addition, the reverse voltage applied to the back gate of the FET creates a continuous variable capacitance in the channel of the FET.
다른 실시예들도 제공된다. 본 발명의 다른 시스템들, 방법들, 특징들 및 이점들은 아래의 도면들 및 상세한 설명의 검토시에 이 분야의 기술자에게 명백하거나 명백해질 것이다. 모든 그러한 추가적인 시스템들, 방법들, 특징들 및 이점들은 본 설명 내에 포함되고, 본 발명의 범위 내에 있으며, 첨부된 청구항들에 의해 보호되는 것을 의도한다.Other embodiments are also provided. Other systems, methods, features and advantages of the present invention will become or become apparent to those skilled in the art upon review of the following figures and detailed description. All such additional systems, methods, features, and advantages are intended to be included within this description, to fall within the scope of the invention, and to be protected by the appended claims.
본 발명은 아래의 도면들을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다. 도면들 내의 컴포넌트들은 반드시 축적으로 도시된 것은 아니며, 본 발명의 원리들을 예시한다. 더욱이, 도면들에서, 동일한 참조 번호들은 상이한 도면들 전반에서 대응하는 요소들을 지시한다.
도 1은 버랙터로서 기능할 수 있는 BiFET 프로세스에서의 FET의 단면도이다.
도 2는 버랙터로서 기능할 수 있는 CMOS NFET 장치의 단면도이다.
도 3은 버랙터로서 구현된 도 1의 FET의 일 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 4는 도 3의 회로의 대안 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 5는 도 1의 FET의 튜닝 범위를 나타내는 그래프이다.
도 6은 도 3에 도시된 구현의 주파수 대 산란 파라미터(S21)의 측정치를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 1 또는 2의 FET를 버랙터로 사용하는 회로 실시예의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 8은 간소화된 휴대용 통신 장치를 나타내는 블록도이다.The invention can be better understood with reference to the drawings below. The components in the figures are not necessarily drawn to scale, but illustrate the principles of the invention. Moreover, in the drawings, like reference numerals designate corresponding elements throughout the different views.
1 is a cross-sectional view of a FET in a BiFET process that can function as a varactor.
2 is a cross-sectional view of a CMOS NFET device that can function as a varactor.
3 is a schematic diagram illustrating one embodiment of the FET of FIG. 1 implemented as a varactor.
4 is a schematic diagram illustrating an alternative embodiment of the circuit of FIG. 3.
5 is a graph illustrating a tuning range of the FET of FIG. 1.
FIG. 6 is a graph showing measurements of frequency versus scattering parameter S21 of the implementation shown in FIG. 3.
7 is a flow chart illustrating a method of operation of a circuit embodiment using the FET of FIG. 1 or 2 as a varactor.
8 is a block diagram illustrating a simplified portable communication device.
반도체 장치의 PN 접합 양단에 인가되는 역 전압은, 전류가 거의 존재하지 않고 소수의 전자들 또는 정공들이 존재하는 영역을 생성한다. 이 영역은 공핍 영역이라고 한다. FET 장치에서, 이 영역은 FET의 "채널" 내에 형성될 수 있다. 본질적으로 캐리어들이 없으므로, 이 영역은 커패시터의 유전체로서 거동하며, 캐패시턴스는 전압에 따라 가변적이다.The reverse voltage applied across the PN junction of the semiconductor device creates an area in which there is little current and there are a few electrons or holes. This region is called the depletion region. In FET devices, this region may be formed in the "channel" of the FET. Since there are essentially no carriers, this region behaves as the dielectric of the capacitor and the capacitance is variable with voltage.
BiFET 장치들의 구성의 예들이 미국 특허 제5,250,826호 및 미국 특허 제6,906,359호에 도시되어 있으며, 이들 양 특허는 본 명세서에 참고로 반영된다.Examples of configurations of BiFET devices are shown in US Pat. No. 5,250,826 and US Pat. No. 6,906,359, both of which are incorporated herein by reference.
구성되는 방식에 관계없이, FET 장치, 특히 BiFET 프로세스 또는 다른 프로세스들에서 형성되는 FET 장치에 의해 나타나는 특성들 중 하나는, 장치가 스위치 오프될 때, 채널 영역이 FET의 "게이트" 및/또는 "백 게이트"에 인가되는 역 전압을 변경함으로써 변할 수 있는 캐패시턴스를 갖는다는 것이다. 이러한 방식으로, FET는 버랙터와 같이 거동한다.Regardless of how it is configured, one of the characteristics exhibited by a FET device, in particular a FET device formed in a BiFET process or other processes, is that when the device is switched off, the channel region is “gate” and / or “the” of the FET. "Back gate" has a capacitance that can be varied by changing the reverse voltage applied to it. In this way, the FET behaves like a varactor.
FET를 버랙터로서 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기는 다양한 재료들을 사용하여 제조될 수 있다. 도 1에서 설명되는 기술을 이용하는 실시예들에서, FET를 버랙터로서 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기는 3족 및 5족의 원소들을 사용하여 다양한 이원, 삼원 및 사원 결합들의 재료들을 형성함으로써 제조되며, 일 실시예에서는 인듐 갈륨 인화물(InGaP)/갈륨 비소화물(GaAs) 재료 시스템을 사용하여 제조된다.Continuously tunable LC resonators using FETs as varactors can be fabricated using a variety of materials. In embodiments using the technique described in FIG. 1, a continuous tunable LC resonator using a FET as a varactor is made by forming materials of various binary, ternary and quaternary bonds using elements of
일 실시예에서는, 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 기술이 NFET 또는 PFET를 제조하는 데 사용될 수 있으며, 이는 FET를 버랙터로서 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기를 구현하는 데에도 사용될 수 있다. 바이폴라 장치들이 CMOS 프로세스 내에 합체될 때, 이 기술은 일반적으로 BiCMOS로서 알려진다. 대안 실시예에서는, 실리콘 접합 전계 효과 트랜지스터(JFET) 기술을 사용하여, FET를 버랙터로서 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기를 구현할 수 있다. JFET 기술은 또한 실리콘 바이폴라 기술과 합체될 수 있다.In one embodiment, complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology can be used to fabricate NFETs or PFETs, which can also be used to implement continuous tunable LC resonators using FETs as varactors. When bipolar devices are incorporated into a CMOS process, this technique is commonly known as BiCMOS. In alternative embodiments, silicon junction field effect transistor (JFET) technology may be used to implement a continuous tunable LC resonator using FETs as varactors. JFET technology can also be incorporated with silicon bipolar technology.
FET를 버랙터로서 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기는 전력 증폭기 모듈 내의 입력 무선 주파수(RF) 스위치를 포함하지만 이에 한정되지 않는 응용들에서 사용될 수 있다. 그러한 스위치는 "RF 패스 게이트"로도 지칭되며, 좁은 주파수 대역폭을 가질 수 있다. 그러나, FET를 버랙터로서 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기는 튜닝 가능 LC 공진 회로를 사용하는 임의의 다른 회로에서 사용될 수 있다.Continuously tunable LC resonators using FETs as varactors may be used in applications including, but not limited to, input radio frequency (RF) switches in power amplifier modules. Such a switch is also referred to as an "RF pass gate" and may have a narrow frequency bandwidth. However, a continuous tunable LC resonator using FETs as a varactor can be used in any other circuit using a tunable LC resonant circuit.
도 1은 버랙터로서 기능할 수 있는 BiFET 프로세스에서의 FET(100)의 단면도이다. 버랙터로서 기능할 수 있는 FET는 그들 중 하나가 아래에 설명되는 다른 기술들을 이용하여 제조될 수 있지만, BiFET 기술은 FET가 넓은 튜닝 범위를 갖게 하므로 이러한 응용에 대해 매력적이다. 도 1에 도시된 에피텍시 층 구조는 MESFET를 HBT의 이미터 층들 내에 합체한 FET(100)를 형성하며, 도 1에서는 간략화를 위해 장치의 HBT 부분을 나타내는 층들의 일부가 생략되어 있다. FET를 버랙터로서 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기의 설명과 관련된 BiFET 프로세스의 FET 부분들만이 본 명세서에서 설명된다.1 is a cross-sectional view of
FET(100)는 갈륨 비소화물(GaAs)의 층을 사용하여 형성된 베이스(102)의 부분들을 사용하며, 그 위에는 이미터(104)가 갈륨 비소화물(GaAs) 및 인듐 갈륨 인화물(InGaP)의 층들을 사용하여 형성된다. 베이스(102)와 이미터(104)의 계면에서 PN 접합(126)이 형성된다. 명료화를 위해 도시되지는 않았지만, 이 분야에 공지된 바와 같이, 이미터(104)는 일반적으로 저농도 도핑 이미터 층, 저농도 도핑 이미터 캡 층 및 고농도 도핑 이미터 콘택 층을 포함한다. 대략 도시된 바와 같이, 베이스(102)의 노출 표면 상에 퇴적된 오믹 금속(ohmic metal)으로부터 백 게이트 콘택(118)이 형성된다. 백 게이트 콘택(118)은 또한 백 게이트를 포함하는 것으로 이해된다.FET 100 uses portions of
이미터(104)를 형성하는 인듐 갈륨 인화물(InGaP) 층 및 갈륨 비소화물(GaAs) 층(106)에 의해 프론트 게이트 콘택(116) 아래에 채널(108)이 형성된다. 층들(104, 106)을 포함하는 것으로 도시되지만, 채널(108)은 후술하는 특정 전기적 조건들 하에서 층들(104, 106)의 부분들 내에 형성되는 공핍 영역들(132, 134)에 의해 형성된다. 쇼트키 장벽 특성을 갖는 프론트 게이트 콘택(116)은 층(106) 위에 위치한다. 층(106) 위에 "메사(mesa)" 형태의 소스(112) 및 드레인(114)이 위치한다. 프론트 게이트 콘택(116)은 또한 프론트 게이트를 포함하는 것으로 이해된다.A
도 1에 도시된 에피텍시 구조의 층들은 장치의 기본 층들이다. 프로세스 및 제조 기술에 따라서는, 다른 그리고/또는 추가적인 층들이 장치(100) 내에 포함될 수 있다.The layers of the epitaxy structure shown in FIG. 1 are the base layers of the device. Depending on the process and manufacturing techniques, other and / or additional layers may be included in the
소스(112) 상에 소스 콘택(122)이 형성되고, 드레인(114) 상에 드레인 콘택(124)이 형성된다. 프론트 게이트 콘택(116)에 인가되는 전압은 프론트 게이트에 의해 제어되는 공핍 영역(132)에 영향을 미치며, 백 게이트 콘택(118)에 인가되는 전압은 백 게이트에 의해 제어되는 공핍 영역(134)에 영향을 미친다. 도 1에서는 프론트 게이트 콘택(116)이 백 게이트 콘택(118)에 전기적으로 접속되는 것으로 도시되지만, 이것은 모든 실시예들에 대해 그렇지는 않다. 대안 실시예에서는, 4 단자 FET를 형성하기 위해, 프론트 게이트 콘택(116)이 백 게이트 콘택(118)으로부터 전기적으로 아이솔레이션될 수 있다. 그러한 장치는 도 4에 개략적으로 도시되고 설명된다. 실시예에 따라서는, 프론트 게이트 콘택(116)에 인가되는 전압이 백 게이트 콘택(118)에 인가되는 전압과 같거나 다를 수 있다. 게다가, 프론트 게이트 콘택(116) 또는 백 게이트 콘택(118)에만 역 전압이 인가될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 프론트 게이트 콘택(116) 및/또는 백 게이트 콘택(118)에 인가되는 역 전압은 FET가 오프 상태일 때 채널(108)의 캐패시턴스를 변경한다. 채널 캐패시턴스는 소스(112)와 드레인(114) 사이의 캐패시턴스로서 나타난다.A
일 실시예에서, 백 게이트 콘택(118)은 프론트 게이트 콘택(116)에 전기적으로 결합될 수 있으며, 따라서 프론트 게이트 콘택(116) 및 백 게이트 콘택(118)에 인가되는 역 전압은 동일하다.In one embodiment, the back gate contact 118 may be electrically coupled to the
FET의 총 게이트 캐패시턴스는 개별 캐패시턴스들의 수에 의해 결정된다. 예를 들어, 프론트 게이트 캐패시턴스(Cg)는 쇼트키 게이트 캐패시턴스의 면적 성분(Cga) + 쇼트키 게이트 캐패시턴스의 주변 성분(Cgp)을 포함한다. 백 게이트의 캐패시턴스(Cbg)는 게이트 바깥 영역에서의 베이스 이미터 접합 캐패시턴스(Cbex) + 프론트 게이트 아래의 베이스 이미터 접합 캐패시턴스(Cbei)를 포함한다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이 백 게이트 콘택(118)과 프론트 게이트 콘택(116)이 서로 전기적으로 접속되는 실시예에서 FET(100)의 총 게이트 캐패시턴스(Cg_total)는 Cg + Cbg이다.The total gate capacitance of the FET is determined by the number of individual capacitances. For example, the front gate capacitance Cg includes the area component Cga of the Schottky gate capacitance + the peripheral component Cgp of the Schottky gate capacitance. The capacitance Cbg of the back gate includes the base emitter junction capacitance Cbex in the region outside the gate + the base emitter junction capacitance Cbei under the front gate. Thus, in the embodiment where the back gate contact 118 and the
FET(100)가 턴오프될 때, 채널(108)의 캐패시턴스 성분은 일정하다. 그러나, 캐패시턴스(Cgp)에 대한 공핍 깊이는 프론트 게이트 콘택(116)에 인가되는 음의 전압의 증가와 더불어 증가하며, 캐패시턴스(Cbex) 및 캐패시턴스(Cgp)에 대한 공핍 깊이는 백 게이트 콘택(118)에 인가되는 음의 전압의 증가와 더불어 증가한다. 따라서, FET(100)의 총 캐패시턴스(Cg_total)는 프론트 게이트 콘택(116) 또는 백 게이트 콘택(118) 상의 음의 전압의 증가와 더불어 감소한다. 일 실시예에서, 프론트 게이트 콘택(116)과 백 게이트 콘택(118)은 전기적으로 접속되며, 따라서 이들은 동일한 역 전압을 수신한다. 그러나, 프론트 게이트 콘택(116) 및 백 게이트 콘택(118)은 분리된 노드들일 수 있으며, 상이한 역 전압들을 인가받을 수 있다.When
프론트 게이트 콘택(116) 및/또는 백 게이트 콘택(118)에 인가되는 역 전압의 변경은 후술하는 바와 같이 역 전압의 범위에 걸쳐 FET(100)의 캐패시턴스를 연속적으로 변경한다. FET(100)의 캐패시턴스를 변경함으로써, 장치가 오프 상태일 때 FET의 드레인 대 소스의 RF 아이솔레이션이 개선될 수 있는데, 이는 FET(100)의 오프 캐패시턴스가 소스(112) 및 드레인(114)을 가로질러 병렬로 접속된 인덕터(도 3 및 4)를 사용하여 공진 제거될 수 있기 때문이다. 이것은 FET(100)의 공진 주파수가 프론트 게이트 콘택(116) 및/또는 백 게이트 콘택(118) 상에 인가되는 역 전압에 따라 계속 변하기 때문에 그러하다. FET(100)의 파라미터들에 따라, FET의 캐패시턴스는 적어도 역 전압의 범위에 걸치는, 프론트 게이트 콘택(116) 및/또는 백 게이트 콘택(118)에 인가되는 역 전압에 따라 선형으로 변한다.Changing the reverse voltage applied to the
일 실시예에서, FET(100)는 RF 패스 게이트로서 구현될 수 있으며, 이 경우에 FET(100)의 캐패시턴스는 후술하는 바와 같이 외부 인덕턴스에 의해 튜닝 제거된다. RF 패스 게이트인 FET(100)는 온-오프 제어의 특성을 넘어서 주파수 제거 특성들을 갖는 스위치를 생성하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 제1 주파수(freq1)를 가진 제1 신호는 (최소 감쇠 ~3dB로) 스위치를 통과하며, 제2 주파수(freq2)를 가진 제2 신호는 차단된다. FET(100)를 리튜닝(retuning)한 후, 제1 주파수(freq1)를 가진 제1 신호는 차단될 수 있으며, 제2 주파수(freq2)를 가진 제2 신호는 (최소 감쇠 ~3dB로) 스위치를 통과할 수 있다. 그러한 RF 패스 게이트 응용은 튜닝 가능 협대역 패스 게이트가 필요한 어느 곳에서나 유용하다. 이것은 스위치가 온 모드로 동작하는 조건에서는 다른데, 이러한 조건에서는 모든 주파수들이 훨씬 더 낮은 손실(~0.5dB)을 갖고 통과한다.In one embodiment, the
다른 예로서, FET(100)는 RF 회로 내의 튜닝 가능 출력 매치 요소로서 사용될 수 있다.As another example,
FET(100)는 PN 접합(126) 위에 제조되므로, 비교적 많은 양의 기생 캐패시턴스가 발생한다. 그러나, FET(100)의 구조는 또한 백 게이트(118)의 가용성을 허락한다. 백 게이트(118)는 백 게이트 콘택(118)에 인가되는 역 전압을 변화시킴으로써 기생 캐패시턴스의 튜닝을 가능하게 하여, 넓은 튜닝 범위를 달성한다.Since the
도 2는 FET를 버랙터로서 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기를 구현하는 데 사용될 수 있는 CMOS NFET 장치의 단면도이다. PFET 장치도 구현될 수 있다.2 is a cross-sectional view of a CMOS NFET device that may be used to implement a continuous tunable LC resonator using FETs as a varactor. PFET devices can also be implemented.
FET(200)는 기판(202)을 포함하며, 기판 내에는 p형 웰 영역(204)이 형성된다. p형 웰 영역(204)은 이온 주입, 확산 또는 이 분야의 기술자들에게 공지된 다른 기술들에 의해 형성될 수 있다.The
FET(200)의 드레인을 형성하는 n+ 영역(206)이 p형 웰 영역(204)에 형성된다. FET(200)의 소스를 형성하는 n+ 영역(208)이 p형 웰 영역(204)에 형성된다. FET(200)의 바디를 형성하는 p+ 영역(212)이 p형 웰 영역(204)에 형성된다. 영역(206)은 대안으로서 "드레인"으로 지칭되고, 영역(208)은 "소스"로도 지칭되며, 영역(212)은 대안으로서 "바디"로 지칭될 것이다.An n +
공핍층(214)이 p형 웰 영역(204)에 형성되고, 반전층(216)이 p형 웰 영역(204)에 공핍층(214) 위에 형성된다.
"게이트 산화물"이라고도 하는 산화물 층(218)이 p형 웰 영역(204)의 표면 상에 반전층(216) 위에 형성된다. 금속 또는 폴리실리콘 층(222)이 산화물 층(218) 위에 형성되고, FET(200)의 "게이트"를 형성한다.An
게이트(222)의 캐패시턴스는 게이트 산화물 캐패시턴스(Cox) 및 공핍 캐패시턴스(Cdepl)를 포함한다. 바디(212)에 인가되는 바이어스 전압의 변화는 공핍 캐패시턴스(Cdepl)에 영향을 미치며, 따라서 FET(200)가 버랙터로서 거동할 수 있게 한다.The capacitance of the
게이트(222)에 인가되는 전압이 FET(200)의 임계 전압보다 높은 경우, 게이트 산화물(218) 아래에 반전층(216)이 형성되고, 게이트 산화물 캐패시턴스(Cox)는 공핍 캐패시턴스(Cdepl)를 차단하며, FET(200)는 정상적으로 기능한다. 그러한 상황에서, 바디(212)에 인가되는 바이어스 전압을 0V에서 음의 전압으로 변경함으로써 얻어지는 총 캐패시턴스 변화는 최소이다.When the voltage applied to the
그러나, 게이트(222)에 인가되는 전압이 FET(200)의 임계 전압보다 낮은 경우, 총 게이트 캐패시턴스는 게이트 산화물 캐패시턴스(Cox)와 공핍 캐패시턴스(Cdepl)의 직렬 결합으로서, Cox * Cdepl/(Cox+Cdepl) ~ Cdepl을 제공하며, 캐패시턴스의 튜닝 범위는 임계 전압 아래의 전압 레벨들에서 유의미하다. 캐패시턴스(Cox)은 캐패시턴스(Cdepl)보다 훨씬 크며, 따라서 총 캐패시턴스는 공핍 캐패시턴스(Cdepl)와 대략 동일하다.However, when the voltage applied to the
전술한 바와 같이, 일 실시예에서, FET(200)는 RF 패스 게이트로도 구현될 수 있으며, 이 경우에 FET(200)의 캐패시턴스는 외부 인덕턴스에 의해 튜닝 제거된다.As mentioned above, in one embodiment, the
도 3은 버랙터로서 구현된 도 1의 FET(100)의 일 실시예를 나타내는 개략도이다. 개략도(300)는 프론트 게이트(316), 소스(312) 및 드레인(314)을 포함하는 FET(310)를 포함한다. FET(310)는 백 게이트(318)도 포함하며, 이는 이 실시예에서 프론트 게이트(316)와 전기적으로 접속되고, 따라서 프론트 게이트(316)와 백 게이트(318)는 동일 전압(Vgate)을 수신한다. 저항기(322)가 프론트 게이트(316)와 직렬로 접속되며, 인덕터(324)가 소스(312) 및 드레인(314)을 가로질러 병렬로 결합된다. 옵션으로서, 커패시터(326)가 인덕터(324) 양단에 병렬로 결합된다. 일 실시예에서, 인덕터(324)는 약 7 나노헨리(nH)의 인덕턴스 값을 가질 수 있다. 게이트의 폭 및 FET(310)의 동작 주파수에 따라서는(예를 들어, 2GHz에서 동작하는 800 마이크로미터(㎛) 미만의 게이트 폭의 경우), 커패시터(326)가 생략될 수 있다. 컴포넌트들의 값들은 회로(300)의 물리적 레이아웃 및 장치들을 제조하는 데 사용되는 기술에 크게 의존한다. 프론트 게이트(316) 및 백 게이트(318)에 인가되는 역 전압의 변화, 따라서 FET(310)의 캐패시턴스의 변화에 따라, 병렬 인덕터(324)를 사용하여 FET(310)의 캐패시턴스를 공진 제거함으로써 FET(310)에 의해 제공되는 드레인-소스(d-s) 아이솔레이션이 개선된다.3 is a schematic diagram illustrating one embodiment of the
소스(312)에 인가되는 무선 주파수(RF) 신호는 저항기(322)의 비교적 큰 저항으로 인해 게이트(316) 및 백 게이트(318)를 "RF 부유"라고 하는 상태에 들어가게 한다. 인덕턴스(324)가 경험하는 캐패시턴스는 인가되는 게이트 또는 백 게이트 전압에 따라 변하며, 소스(312)와 드레인(314) 간의 캐패시턴스이다. 소스-드레인 캐패시턴스는 본질적으로 프론트 게이트 캐패시턴스(Cg)와 백 게이트 캐패시턴스(Cbg)의 병렬 합이다.The radio frequency (RF) signal applied to the
인덕터(324)가 경험하는 캐패시턴스를 분석할 때, 백 게이트 캐패시턴스(Cbg)는 드레인-백 게이트 캐패시턴스(Cdrain-bg)와 소스-백 게이트 캐패시턴스(Csource-bg)의 직렬 합이다. 프론트 게이트 캐패시턴스(Cg)는 드레인-게이트 캐패시턴스(Cdrain-to-gate)와 소스-게이트 캐패시턴스(Csource-to-gate)의 직렬 합이다.When analyzing the capacitance experienced by the
이것은 FET(310)의 공진 주파수가 프론트 게이트(316) 및/또는 백 게이트(318)에 인가되는 역 전압에 따라 변하는 조건을 유발한다. 프론트 게이트(316)에 인가되는 역 바이어스 전압은 프론트 게이트 제어 공핍 영역(132)(도 1)의 폭을 변경하고, 백 게이트(318)에 인가되는 역 바이어스 전압은 백 게이트 제어 공핍 영역(134)(도 1)의 폭을 변경하여, 소스(312)와 드레인(314) 사이의 전체 캐패시턴스를 변경한다.This causes a condition in which the resonant frequency of the
도 4는 도 1의 FET(100)의 대안 실시예를 나타내는 개략도이다. 개략도(400)는 프론트 게이트(416), 소스(412) 및 드레인(414)을 포함하는 FET(410)를 포함한다. 프론트 게이트 전압(Vfgate)이 저항기(422)를 통해 프론트 게이트(416)에 인가된다. FET(410)는 백 게이트(418)도 포함하며, 이는 이 실시예에서 프론트 게이트(416)로부터 전기적으로 분리된다. 저항기(422)는 프론트 게이트(416)와 직렬로 접속되며, 인덕터(424)가 소스(412) 및 드레인(414)을 가로질러 병렬로 결합된다. 옵션으로서, 커패시터(426)가 인덕터(424) 양단에 병렬로 결합된다. 백 게이트(418)는 저항기(428)를 통해 백 게이트 전압(Vbgate)을 수신한다.4 is a schematic diagram illustrating an alternative embodiment of the
도 4에 도시된 실시예에서, 백 게이트(418)에 인가되는 역 전압(Vbgate)과 무관하게 프론트 게이트(416)에 역 전압(Vfgate)이 인가될 수 있다. 프론트 게이트(416) 및/또는 백 게이트(418)에 인가되는 역 전압의 변화, 따라서 FET(410)의 캐패시턴스의 변화에 따라, 도 3과 관련하여 전술한 바와 같이, 병렬 인덕터(424)를 사용하여 FET(410)의 캐패시턴스를 공진 제거함으로써 FET(410)에 의해 제공되는 아이솔레이션이 개선된다. 일례로서, 프론트 게이트(416) 및 백 게이트(418)에 독립적인 전압 신호들을 인가하는 능력은 (도시되지 않은) 디지털 제어기의 함수로서 2개의 상이한 주파수에서 공진할 수 있는 4 단자 FET 스위치를 생성한다.In the embodiment illustrated in FIG. 4, a reverse voltage Vfgate may be applied to the
FET 장치가 n형 장치, 즉 NFET인 경우에는 음의 프론트 게이트 또는 백 게이트 전압이 인가된다는 점에 유의해야 한다. 그러나, FET 장치가 PFET와 같은 p형 장치인 경우, 프론트 게이트 또는 백 게이트 전압은 양일 것이다.Note that when the FET device is an n-type device, that is, an NFET, a negative front gate or back gate voltage is applied. However, if the FET device is a p-type device such as a PFET, the front gate or back gate voltage will be positive.
도 5는 도 1의 FET(100)의 튜닝 범위를 나타내는 그래프(500)이다. 가로 좌표(502)는 게이트 전압을 나타내고, 세로 좌표(504)는 펨토패럿(fF) 단위의 총 게이트 캐패시턴스(Cg_total)를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 궤적(506)은 도 1의 FET(100)의 프론트 게이트 또는 백 게이트에 인가되는 역 전압이 약 -0.5V로부터 약 -5.0V로 변할 때 약 2.5:1의 연속 튜닝 범위 비율을 나타낸다. 도 5에 도시된 예에서, 튜닝 범위는 가변 인가 전압의 범위에서의 캐패시턴스 변화의 비율을 나타낸다. 이 예에서, 캐패시턴스는 인가되는 게이트/백 게이트 전압 범위에 걸쳐 약 200fF로부터 약 500fF까지 변한다. 따라서, 이 예에서, 튜닝 범위는 500fF/200fF = 2.5:1이다.5 is a
도 5에 도시된 바와 같이, FET를 버랙터로서 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기는 적어도 예를 들어 -0.6V 내지 -2.8V와 같은 특정 전압 범위에 걸쳐 선형에 가까운 C-V 응답을 갖는 넓은 튜닝 범위를 제공한다.As shown in FIG. 5, a continuous tunable LC resonator using FETs as a varactor has a wide tuning range with a near linear CV response over a specific voltage range, such as, for example, -0.6V to -2.8V. to provide.
도 6은 도 3에 도시된 구현의 주파수 대 산란 파라미터(S21)의 측정치를 나타내는 그래프(600)이다. 도 6에 도시된 예에서, 도 3의 인덕터(324)는 L=13.2nH를 갖고, FET(310)는 100㎛의 폭을 각각 갖는 8개의 요소를 포함하며, 따라서 순 FET 폭은 800㎛이다. 가로 좌표(602)는 기가헤르쯔(GHz) 단위의 주파수를 나타내고, 세로 좌표(604)는 dB 단위의 산란 파라미터(S21)를 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 궤적(606)은 게이트 전압이 약 -0.8V(606-1)로부터 약 -3.6V(606-8)까지 0.4V 스텝으로 변할 때 FET(100)(도 1)의 공진 주파수(Fr)가 약 1.7GHz로부터 약 2.3GHz까지 변하는 방식을 나타낸다.FIG. 6 is a
도 7은 FET를 도 1 및 도 2의 버랙터로 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기의 일 실시예의 동작을 설명하는 흐름도이다. 블록 702에서, 약 -0.4V 내지 -5.0V 범위의 역 전압이 프론트 게이트(116)(도 2의 게이트(222)) 및 백 게이트(118)(도 2의 바디(212)) 중 어느 하나에 인가된다. 블록 704에서, FET의 캐패시턴스가 인가된 역 전압에 따라 조정된다.FIG. 7 is a flowchart illustrating operation of one embodiment of a continuously tunable LC resonator using FETs as the varactors of FIGS. 1 and 2. In
도 8은 FET를 버랙터로 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기의 일 실시예가 구현될 수 있는 간소화된 휴대용 통신 장치(800)를 나타내는 블록도이다. 일 실시예에서, 휴대용 통신 장치(800)는 휴대용 셀룰러 전화일 수 있다. FET를 버랙터로 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기의 실시예들은 튜닝 가능 LC 공진기를 필요로 하는 임의의 장치 내에 구현될 수 있으며, 이 예에서는 휴대용 통신 장치(800) 내에 구현된다. 도 8에 도시된 휴대용 통신 장치(800)는 셀룰러 전화의 간단한 예이고, FET를 버랙터로 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기가 구현될 수 있는 많은 가능한 응용들 중 하나를 예시하는 것을 의도한다. 이 분야의 통상의 기술자는 휴대용 셀룰러 전화의 동작을 이해할 것이며, 따라서 구현 상세들은 생략된다.8 is a block diagram illustrating a simplified
휴대용 통신 장치(800)는 기저대역 서브시스템(810), 송수신기(820) 및 프론트엔드 모듈(FEM)(830)을 포함한다. 명료화를 위해 도시되지는 않았지만, 송수신기(820)는 일반적으로 증폭 및 송신을 위해 기저대역 정보 신호를 준비하기 위한 변조 및 상향 변환 회로를 포함하며, RF 신호를 수신하고 데이터를 복원하기 위해 RF 신호를 기저대역 정보 신호로 하향 변환하기 위한 필터링 및 하향 변환 회로를 포함한다. 송수신기(820)의 동작의 상세들은 이 분야의 기술자들에게 공지되어 있다.
기저대역 서브시스템은 일반적으로 범용 또는 특수 목적 마이크로프로세서일 수 있는 프로세서(802), 메모리(814), 애플리케이션 소프트웨어(804), 아날로그 회로 요소들(806) 및 디지털 회로 요소들(808)을 포함하며, 이들은 시스템 버스(812)를 통해 결합된다. 시스템 버스(812)는 전술한 요소들을 서로 결합하고 그들의 연동성을 가능하게 하기 위한 물리 및 논리 접속들을 포함할 수 있다.The baseband subsystem generally includes a
입출력(I/O) 요소(816)가 접속(824)을 통해 기저대역 서브시스템(810)에 접속되고, 메모리 요소(818)가 접속(826)을 통해 기저대역 서브시스템(810)에 결합되며, 전원(822)이 접속(828)을 통해 기저대역 서브시스템(810)에 접속된다. I/O 요소(816)는 예를 들어 마이크로폰, 키패드, 스피커, 포인팅 장치, 사용자 인터페이스 제어 요소들, 및 사용자가 입력 명령들을 제공하고 휴대용 통신 장치(800)로부터 출력들을 수신할 수 있게 하는 임의의 다른 장치 또는 시스템을 포함할 수 있다.Input / output (I / O)
메모리(818)는 임의 타입의 휘발성 또는 비휘발성 메모리일 수 있으며, 일 실시예에서는 플래시 메모리를 포함할 수 있다. 메모리 요소(818)는 휴대용 통신 장치(800) 내에 영구적으로 설치될 수 있거나, 이동식 메모리 카드와 같은 이동식 메모리 요소일 수 있다.
전원(822)은 예를 들어 배터리 또는 다른 재충전 가능한 전원일 수 있거나, AC 전력을 휴대용 통신 장치(800)에 의해 사용되는 정확한 전압으로 변환하는 어댑터일 수 있다. 일 실시예에서, 전원은 약 3.6 볼트(V)의 명목 전압 출력을 제공하는 배터리일 수 있다. 그러나, 전원의 출력 전압 범위는 약 3.0 내지 6.0V의 범위일 수 있다.The
프로세서(802)는 휴대용 통신 장치(800)의 동작 및 기능을 제어하기 위해 애플리케이션 소프트웨어(804)를 실행하는 임의의 프로세서일 수 있다. 메모리(814)는 휘발성 또는 비휘발성 메모리일 수 있으며, 일 실시예에서는 애플리케이션 소프트웨어(804)를 저장하는 비휘발성 메모리일 수 있다.
아날로그 회로(806) 및 디지털 회로(808)는 I/O 요소(816)에 의해 제공되는 입력 신호를 전송될 정보 신호로 변환하는 신호 처리, 신호 변환 및 논리를 포함한다. 유사하게, 아날로그 회로(806) 및 디지털 회로(808)는 송수신기(820)에 의해 제공되는 수신 신호를 복원 정보를 포함하는 정보 신호로 변환하는 신호 처리, 신호 변환 및 논리를 포함한다. 디지털 회로(808)는 예를 들어 디지털 신호 프로세서(DSP), FPGA 또는 임의의 다른 처리 장치를 포함할 수 있다. 기저대역 서브시스템(810)은 아날로그 및 디지털 요소들을 모두 포함하므로, 때로는 혼합 신호 회로라고 한다.
일 실시예에서, FEM(830)은 송신/수신(T/R) 스위치(842) 및 전력 증폭기 모듈(848)을 포함한다. T/R 스위치(842)는 듀플렉서, 다이플렉서, 또는 송신 신호와 수신 신호를 분리하는 임의의 다른 물리 또는 논리 장치 또는 회로일 수 있다. 휴대용 통신 장치(800)의 구현에 따라서는, T/R 스위치(842)는 반이중 또는 전이중 기능을 제공하도록 구현될 수 있다. 접속(836)을 통해 송수신기(820)에 의해 제공되는 송신 신호는 전력 증폭기 모듈(848)로 지향된다. 전력 증폭기 모듈은 하나 이상의 증폭 스테이지를 포함할 수 있으며, 또한 FET를 버랙터로 사용하는 연속 튜닝 가능 LC 공진기를 입력 무선 주파수(RF) 스위치로서 포함할 수 있다.In one embodiment, the
전력 증폭기 모듈(848)의 출력은 접속(838)을 통해 T/R 스위치(842)에 제공된 후에 접속(844)을 통해 안테나(846)에 제공된다.The output of
안테나들(846)에 의해 수신된 신호는 접속(844)을 통해 T/R 스위치(842)에 제공되며, 이 스위치는 이 분야에 공지된 바와 같은 수신 신호 처리를 위해 수신 신호를 접속(834)을 통해 송수신기(820)에 제공한다.The signal received by the
본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 범위 내에 있는 더 많은 실시예 및 구현이 가능하다는 것이 이 분야의 통상의 기술자들에게 명백할 것이다.While various embodiments of the invention have been described, it will be apparent to those skilled in the art that many more embodiments and implementations are possible that are within the scope of the invention.
Claims (20)
바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)의 적어도 일부와 통합된 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하고, 상기 FET의 백 게이트는 상기 BJT의 베이스와 전기 접속을 공유하고, 상기 FET의 상기 백 게이트에 인가되는 역 전압은 상기 FET의 채널 내에 연속 가변 캐패시턴스를 생성하는 버랙터.As a varactor,
A field effect transistor (FET) integrated with at least a portion of a bipolar junction transistor (BJT), the back gate of the FET sharing an electrical connection with the base of the BJT, and a reverse voltage applied to the back gate of the FET Is a variable that generates a continuously variable capacitance in the channel of the FET.
상기 FET의 프론트 게이트에 인가되는 역 전압을 더 포함하는 버랙터.The method of claim 1,
And a reverse voltage applied to the front gate of the FET.
상기 백 게이트에 또는 상기 프론트 게이트에 인가되는 상기 역 전압은 -0.4 볼트로부터 -5.0 볼트까지의 범위인 버랙터.The method of claim 2,
The reverse voltage applied to the back gate or to the front gate ranges from -0.4 volts to -5.0 volts.
상기 연속 가변 캐패시턴스는 상기 FET의 게이트 캐패시턴스인 버랙터.The method of claim 2,
Wherein the continuously variable capacitance is a gate capacitance of the FET.
상기 FET의 상기 프론트 게이트는 상기 FET의 상기 백 게이트에 전기적으로 접속되는 버랙터.The method of claim 2,
And the front gate of the FET is electrically connected to the back gate of the FET.
상기 연속 가변 캐패시턴스는 적어도 미리 정의된 전압 범위에 걸쳐 실질적으로 선형인 캐패시턴스-전압 응답에 의해 달성되는 버랙터.The method of claim 4, wherein
Said continuously variable capacitance is achieved by a capacitance-voltage response that is substantially linear over at least a predefined voltage range.
상기 버랙터는 무선 주파수 패스 게이트(pass gate)로서 구현되는 버랙터.The method of claim 6,
The varactor is implemented as a radio frequency pass gate.
상기 FET의 프론트 게이트에 역 전압을 인가하는 단계를 더 포함하는 방법.The method of claim 8,
Applying a reverse voltage to the front gate of the FET.
상기 백 게이트에 또는 상기 프론트 게이트에 인가되는 상기 역 전압은 -0.4 볼트로부터 -5.0 볼트까지의 범위인 방법.10. The method of claim 9,
The reverse voltage applied to the back gate or to the front gate ranges from -0.4 volts to -5.0 volts.
상기 연속 가변 캐패시턴스는 상기 FET의 게이트 캐패시턴스인 방법.10. The method of claim 9,
The continuous variable capacitance is a gate capacitance of the FET.
상기 FET의 상기 프론트 게이트는 상기 FET의 상기 백 게이트에 전기적으로 접속되는 방법.10. The method of claim 9,
The front gate of the FET is electrically connected to the back gate of the FET.
상기 연속 가변 캐패시턴스는 적어도 미리 정의된 전압 범위에 걸쳐 실질적으로 선형인 캐패시턴스-전압 응답에 의해 달성되는 방법.The method of claim 11,
The continuous variable capacitance is achieved by a capacitance-voltage response that is substantially linear over at least a predefined voltage range.
상기 FET를 무선 주파수 패스 게이트로서 구현하는 단계를 더 포함하는 방법.10. The method of claim 9,
Implementing the FET as a radio frequency pass gate.
집적 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)와 전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하고, 상기 FET의 백 게이트는 상기 BJT의 베이스와 전기 접속을 공유하고, 상기 FET의 상기 백 게이트 또는 상기 FET의 프론트 게이트 중 하나에 인가되는 역 전압은 상기 FET의 채널 내에 연속 가변 캐패시턴스를 생성하는 FET.As FET,
An integrated bipolar junction transistor (BJT) and a field effect transistor (FET), the back gate of the FET shares an electrical connection with the base of the BJT, and either to the back gate of the FET or to the front gate of the FET. The applied reverse voltage produces a continuous variable capacitance in the channel of the FET.
상기 백 게이트에 또는 상기 프론트 게이트에 인가되는 상기 역 전압은 -0.4 볼트로부터 -5.0 볼트까지의 범위인 FET.16. The method of claim 15,
The reverse voltage applied to the back gate or to the front gate ranges from -0.4 volts to -5.0 volts.
상기 연속 가변 캐패시턴스는 상기 FET의 게이트 캐패시턴스인 FET.16. The method of claim 15,
The continuous variable capacitance is a gate capacitance of the FET.
상기 FET의 상기 프론트 게이트는 상기 FET의 상기 백 게이트에 전기적으로 접속되는 FET.16. The method of claim 15,
The front gate of the FET is electrically connected to the back gate of the FET.
상기 연속 가변 캐패시턴스는 적어도 미리 정의된 전압 범위에 걸쳐 실질적으로 선형인 캐패시턴스-전압 응답에 의해 달성되는 FET.18. The method of claim 17,
The continuous variable capacitance is achieved by a capacitance-voltage response that is substantially linear over at least a predefined voltage range.
전계 효과 트랜지스터(FET)를 포함하고, 상기 FET의 프론트 게이트는 상기 FET의 바디와 전기 접속을 공유하고, 상기 FET의 상기 프론트 게이트 또는 상기 FET의 상기 바디 중 하나에 인가되는 역 전압은 상기 FET의 채널 내에 연속 가변 캐패시턴스를 생성하고, 상기 CMOS NFET는 무선 주파수 패스 게이트로서 구현되는 CMOS NFET.As a CMOS NFET,
A field effect transistor (FET), the front gate of the FET shares an electrical connection with the body of the FET, and a reverse voltage applied to either the front gate of the FET or the body of the FET A CMOS NFET creating a continuous variable capacitance in a channel, wherein the CMOS NFET is implemented as a radio frequency pass gate.
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