[发明专利]具有双极型晶体管的高频功率放大器

说明书

本申请要求的优先权从属于35U.S.C.119的在2000年3月28提交的第P2000-89060号日本专利申请，这里引用其全部内容供参考。

本发明涉及采用双极型晶体管的高频功率放大器，更具体地说，本发明涉及采用异质结双极型晶体管的高效、低失真高频功率放大器。

对于最新的移动电话和移动信息终端，可以在1GHz或更高频带有效进行功率放大的晶体管已经成为必不可少的组成部分。在这些晶体管中，在砷化镓(以下简称：GaAs)基底上形成的异质结双极型晶体管具有良好的高频特性并且在低电压时运行效率高。因此，异质结双极型晶体管满足了要求减少启发电话和终端的蜂窝数量的社会需要，并引起社会关注。此外，异质结双极型晶体管显示更小的三维畸变，并具有适于进行高线性运行要求的数字调制的特性。

尽管采用了GaAs组材料的异质结双极型晶体管总体上具有良好特性，但是在需要获得大输出功率时，此晶体管的特性有时会恶化。这是由于GaAs基底的热导率相对较低约为0.4W/K/cm(约为硅的1/3)引起的，元件温度随着输出电平的升高而升高。当驱动双极型晶体管而保持其基极发射极电压不变时，我们知道由于温度升高集电极的电流会增大。因此，会产生电流正反馈增大、功率提高、温度上升以及电流增大的问题，其中电流增大引起能量消耗从而提高元件温度，并进一步增大电流。因此，缺点是在具有多个发射极管脚和大区域的高频放大器内会产生电流分布的不均匀性，并且在最坏情况时会出现热失控状态，以致导致晶体管被击穿。

为了解决此问题，迄今为止最熟悉的方法是设置镇流电阻的镇流电阻法(G.Gao et al.IEEE Trans.Electronic Dev.,1991,pp.185-196)，所设置的镇流电阻或者增加发射极电阻或者增加基极电阻以对电流增大和基极与发射极之间的电压关系施加负反馈，这样就抵消了由于温度升高引起的正反馈。例如，图1示出采用镇流电阻法利用异质结双极型晶体管的高频功率放大器，现在将说明采用传统双极型晶体管的高频功率放大器。

在图1中，基准电压产生电路12产生作为基极偏置的基准电压，其输出电压通过利用晶体管11进行阻抗转换的偏置产生电路2被分布到作为晶体管电路10的管脚的双极型晶体管1a、1b、1c和1d。根据二极管6的温度对作为基极偏置的基准电压进行调节。在以下的说明中，将具有这种结构的偏置电路称为二极管偏置电路。

通过相应的一个镇流电阻5a、5b、5c和5d，将各晶体管1a、1b、1c和1d的发射极连接到接地电极。通过金属绝缘体金属(以下简称MIM)电容器4，将高频电源分别连接到晶体管电路10的晶体管1a、1b、1c和1d的基极。为了防止高频电源向基极偏置电路泄漏，在阻抗转换晶体管11的发射极与高频功率晶体管1之间连接电阻3。因此，图1所示的偏置产生电路2包括：用于阻抗转换的双极型晶体管11、用于阻塞高频的电阻3以及电阻9。

图2示出图1所示的采用传统异质结双极型晶体管的高频功率放大器电路结构的模型设计。当与作为本发明第一实施例的高频功率放大器的模型设计进行比较时，将在本发明的第一实施例中详细说明此模型设计。在传统的功率放大器中，如图2所示，32个每个具有4×30μm大小的发射极管脚被分布在1mm×2mm的芯片上，并且可以获得30dBmW的线性输出。在此，参考编号1a、1b、1c和1d代表晶体管，每个晶体管具有8个并联的发射极管脚。包括二极管偏置电路的偏置电路2被设置在图2所示的位置，并将DC电压施加到四个晶体管块1a至1d中每个晶体管块的基极。设置电阻3用于阻塞高频。通过MIM电容器4，将高频信号连接到四个晶体管块1a、1b、1c和1d中每个晶体管块的基极。

所谓MMIC(单片微波集成电路)是通过在GaAs芯片上集成形成具有这种结构的晶体管电路形成的。在此电路结构中，二极管6检测芯片的温度变化，将根据芯片温度变化的偏置电压施加到高频功率晶体管。然而，当高频功率密度变高时，会在高频功率晶体管电路10的管脚晶体管之间产生温差，这样就会引起电流分布的不均匀性。

特别是，通常在高频晶体管电路10的中部，温度会升高，并且在图1所示的例子中，流入管脚晶体管lb和lc的电流之和大于流入管脚晶体管1a和1d的电流之和。在图3中示出晶体管块在图1所示的传统双极型晶体管电路内的位置及其集电极电流值。如图3所示，证明镇流电阻为2Ω时位于双极型晶体管电路中部的晶体管的集电极电流值的偏差大于镇流电阻为3.5Ω时位于双极型晶体管电路中部的晶体管的集电极电流值的偏差。