CN100563106C

CN100563106C - 射频开关

Info

Publication number: CN100563106C
Application number: CNB2005100045198A
Authority: CN
Inventors: 宫泽直行
Original assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Current assignee: Sumitomo Electric Device Innovations Inc
Priority date: 2005-01-14
Filing date: 2005-01-14
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2025-01-14
Also published as: CN1805283A

Abstract

一种选择性地改变射频信号的开关包括至少3个场效应晶体管，它们以串联方式连接。设置在中间级的源极或漏极的宽度比设置在起始级和末级的源极或漏极的宽度窄。因此，就有可能在中间级降低对地的寄生电容，并有可能由此实现具有高处理功率的开关。

Description

射频开关

技术领域

本发明一般地涉及用于射频装置(诸如移动通信装置)的射频(RF)开关，更具体地说，涉及在其上有多个场效应晶体管(RF)串联连接的射频开关。

背景技术

近年来，在移动电话单元中已经使用具有多个端口的射频开关(SPNT：单刀(pole)N掷(through)：N表示端口数)，上述移动电话单元通过多个载频信号通信。射频开关包括由各种化合物半导体构成的场效应晶体管(FET)。该射频开关被要求具有低的谐波性能，更具体地说，是在发射信号的基波的-70dBc或以下。为了把谐波成分抑制到一个低电平上，要求场效应晶体管提高在导通状态下电阻的线性，同时具有极好的截止状态功率。

为了提高截止状态功率，通常，场效应晶体管以M级串联的方式被连接。图1表示M级串联的场效应晶体管的一个实例。在所有的场效应晶体管都处于截止状态的情况下，射频信号将通过射频信号线。在所有的场效应晶体管都处于导通状态的情况下，射频信号将跨越场效应晶体管到达地。在M级串联连接的所有场效应晶体管都处于截止状态的情况下，理论上，每一级仅接收1/M的电压。若用V来表示射频信号的电压，则被施加到每一个场效应晶体管的电压为V/M。然而，事实上，每一个场效应晶体管都受到该场效应晶体管对地的寄生电容的影响，上述寄生电容在图2中被表示为Cp。参照图2，Cds表示介于每一个场效应晶体管的漏极和源极之间的电容，Cg表示介于每一个场效应晶体管的栅极和源极或者介于栅极和漏极之间的电容。参照图3A，对地的寄生电容Cp的阻抗Zcp被连接到每一级的场效应晶体管的阻抗Z。相应地，如图3B所示，每一级的阻抗是不相等的(Z→Z′(＜Z))。因为上述的在各级之间的阻抗的不均等性，所以电压V1被施加到最靠近(或直接连接到)射频信号线的场效应晶体管(阻抗Z)，其中，电压V1大于施加到其他各级(阻抗Z′(＜Z))的电压V2(＜V1)。这样就产生一个问题，即，处理功率(handling power)变得小于从以下逻辑公式1计算出来的数值。

(公式1)

Pmax＝2[M(Vp-Vcont)]²/Zo

这里，M表示串联连接的级数，Vp表示夹断(pinch-off)电压，在该电压处，场效应晶体管从导通变为截止，反之亦然，Vcont为被施加到场效应晶体管的栅极的控制电压，Zo为***阻抗，Pmax为最大处理功率。

为了解决上述问题，如图4所示，Mitchell B.Shifrin等提出将电容C1和C2添加到各级中去，由此改变对地的寄生电容(见MitchellB.Shifrin等人发表于IEEE Transactions on Microwave Theory andTechnique，Vol.37，No.12，December 1989，pp.2134-2141的题为“Monolithic FET structures for High-Power Control ComponentApplications”一文)(以下称为文献1)。通过将电容C1和C2跟场效应晶体管并联，阻抗将被均等地分配到每一级，同时高频电压V被均等地分为V1，V2和V3(V1＝V2＝V3)。

参照图5A和5B，日本专利申请公报第7-70245号(以下称为文献2)以及日本专利申请公报第9-8621号(以下称为文献3)公开了在图5A中的电容Ca以及在图5B中的另一个电容Cb，被分别地添加到源极或漏极与栅极之间，并且在栅极与源极之间所分配的电压被有意地偏移。图6A表示在不添加电容Ca和Cb的情况下，V1和V2之间的电压差(V1-V2)以及V2和V3之间的另一个电压差(V2-V3)的变化。图6B表示，在添加了如图5A和5B所示那样的电容Ca和Cb的情况下，电压差(V1-V2)以及电压差(V2-V3)的变化。这里，V1为射频信号电压，V2为介于电容Ca与栅极之间的连接点处的电压，V3为串联连接两个场效应晶体管的节点处的电压。图6A和6B中的符号Vp表示夹断电压。附加电容Ca和Cb的使用使得栅极与源极之间所分配的电压发生偏移。即使射频电压具有大的振幅，该电压也能被偏置，从而使栅极电压不超过夹断电压Vp。因此，处理功率得以提高。

然而，在文献1所公开的和图4所示的常规技术中存在一个问题，即，信号通过电容C1和C2泄漏。在断开时，这个漏电流使绝缘度下降。在形成电容的工艺中成本将增加。此外，在电容C1和C2具有低的击穿电压的情况下，诸如ESD那样的浪涌电阻可能下降。一般地说，MMIC上的电容具有低的击穿电压。

在文献2和3所公开的以及图5A和5B所示的常规技术中也具有跟文献1所述的相同的问题。此外，还有另一个问题，即，跟没有电容Ca和Cb的电路相比，要求场效应晶体管具有更高的击穿电压。

还有，近年来，为了减小开关的***损耗，已经使用高电子迁移率晶体管(HEMT)来取代金属半导体场效应晶体管(MESFET)。一般地说，当导通状态的电阻降低时，由于高度浓缩的沟道层，使击穿电压趋于降低。因此，就不再有可能使用在文献1到3中所公开的、存在各种击穿电压问题的常规技术来解决上述问题。

发明内容

本发明的总目的就是解决上述问题并提供一种射频开关。更具体地说，在截止状态下被施加到串联连接的场效应晶体管的电压将被等分，同时容易以低成本来提高处理功率。

根据本发明的一个方面，最好是，提供一种开关，它包括至少3个串联连接的场效应晶体管，用以选择其中一个射频信号，并且设置在中间级的至少3个场效应晶体管其中之一的源极或漏极的宽度比设置在起始级和末级的其他场效应晶体管的源极或漏极的宽度窄。因此就有可能在中间级降低对地的寄生电容，由此，利用串联连接的处于截止状态的场效应晶体管，容易以低成本实现处理功率的提高。

在上述的配置中，射频开关包括至少4个串联连接的场效应晶体管。设置在中间级的至少4个场效应晶体管的每一个的源极或漏极的宽度比设置在起始级和末级的源极或漏极的宽度窄。最好是，除了那些设置在起始级和末级的场效应晶体管以外，其他各场效应晶体管的栅极的总宽度小于设置在起始级和末级的各场效应晶体管的栅极的总宽度。此外，上述配置可以进一步包括沿着至少3个场效应晶体管的栅极延伸的电极线，并且，除了那些设置在起始级和末级的场效应晶体管以外，其他各场效应晶体管的电极线比设置在起始级和末级的各场效应晶体管的电极线短。

附图说明

下面将参照诸附图对本发明的各优选实施例进行详细说明，在诸附图中：

图1表示M级串联连接的场效应晶体管的一个实例；

图2表示一个射频开关的等效电路；

图3A和3B是表示对地的寄生电容以及由此带来的缺陷的电路图；

图4是一个能解决在图3A和3B中所示的缺陷的常规射频开关的电路图；

图5是一个能解决在图3A和3B中所示的缺陷的常规射频开关的另一个电路图；

图6A和6B是表示图5所示的射频开关的工作的波形图；

图7是根据本发明的第一实施例的射频开关的平面图；

图8是说明跟现有技术相对比，在本发明的第一实施例中所观察到的施加功率与***损耗之间的关系图；

图9是根据本发明的第二实施例的射频开关的平面图；

图10是根据本发明的第三实施例的射频开关的平面图；

具体实施方式

现在参照诸附图来给出本发明的各实施例的说明。

(第一实施例)

图7A是根据本发明的第一实施例的射频开关的平面图。图7A中的射频开关包括3级串联的场效应晶体管。图7B表示具有3级串联的场效应晶体管的常规射频开关。正如将在下面说明的那样，被连接到一个中间(第二)级的场效应晶体管的源极或漏极的电极互连(interconnection)的宽度窄于被连接到一个起始(第一)级的场效应晶体管的源极或漏极以及一根射频线的另一个电极互连的宽度，或者被连接到一个末(第三)级的场效应晶体管的源极或漏极以及一根接地线的另一个电极互连的宽度。被连接到场效应晶体管的源极的电极互连被称为源极。被连接到场效应晶体管的漏极的电极互连被称为漏极。

3个场效应晶体管10₁，10₂和10₃被设置在3个独立的场效应晶体管形成区16₁，16₂和16₃之中，后者在一块诸如砷化镓(GaAs)的化合物半导体衬底内提供。化合物半导体衬底对应于图7中的一片(sheet)。这些场效应晶体管被称为场效应晶体管组10。在场效应晶体管形成区16₁，16₂和16₃中被串联连接的每一个场效应晶体管10₁，10₂和10₃都包括被并联连接的多个场效应晶体管。如图7A所示，在每一个场效应晶体管形成区16₁，16₂和16₃都有7个场效应晶体管。场效应晶体管10₁，10₂和10₃都被串联连接在射频线12以及地(GND)线14之间。场效应晶体管10₁被直接地连接到射频线12。场效应晶体管10₃被直接地连接到地线14。场效应晶体管10₂被连接在场效应晶体管10₁和场效应晶体管10₃之间。

一个源/漏电极互连(以下称为S/D电极互连)20₁，从射频线12垂直地延伸到场效应晶体管形成区16₁之上。S/D电极互连22₁被设置在场效应晶体管形成区16₁之上。一个栅极互连18₁被设置在S/D电极互连20₁和22₁之间。S/D电极互连20₁和22₁分别以相反的方向面向栅极互连18₁。S/D电极互连22₁被连接到S/D电极互连20₂，后者通过一根平行于射频线12延伸的链接电极互连24₁被设置在处于第二级的场效应晶体管形成区16₂之上。S/D电极互连20₂，链接电极互连24₁以及S/D电极互连22₁形成一个连续的互连图形，后者被连接到在3个场效应晶体管的串联电路中位于第二级的场效应晶体管10₂的源极或漏极。包括22₁，24₁，20₂的这个连续的互连图形用一个附图标记30₁来表示。

S/D电极互连22₂以及S/D电极互连20₂被设置在场效应晶体管形成区16₂。栅极互连18₂被设置在S/D电极互连20₂和22₂之间。S/D电极互连20₂和22₂分别以相反的方向面向栅极互连18₂。S/D电极互连22₂被连接到S/D电极互连20₃，后者通过一个平行于射频线12而延伸的链接电极互连24₂被设置在处于第三级的场效应晶体管形成区16₃之上。S/D电极互连22₂，链接电极互连24₂以及S/D电极互连20₃形成一个连续的互连图形，后者被连接到在串联电路的第二级的场效应晶体管10₂的源极或漏极。包括22₂，24₂和20₃的这个连续的互连图形用一个附图标记30₂来表示。

S/D电极互连22₃以及S/D电极互连20₃被设置在场效应晶体管形成区16₃。S/D电极互连22₃从地线14延伸。栅极互连18₃被设置在S/D电极互连20₃和22₃之间。S/D电极互连20₃和22₃分别以相反的方向面向栅极互连18₃。

根据本发明的第一实施例，通过使电极互连变细来降低对地的寄生电容Cp。电极互连产生对地的寄生电容Cp。如图2的等效电路所示，对地的寄生电容Cp，给所施加的各个电压带来不均等性，对应于在串联电路中位于第二级的漏极或源极。在所施加的电压的不均等性中，不涉及被连接到射频线12或地线14的电极。本发明的第一实施例把重点放在这一点上。S/D电极互连30₁和30₂的宽度窄于S/D电极互连20₁和22₃的宽度。S/D电极互连30₁和30₂被连接到第二级的源极或漏极。S/D电极互连20₁被连接到位于第一级的场效应晶体管10₁的源极或漏极以及射频线12。S/D电极互连22₃被连接到位于第三级的场效应晶体管10₃的源极或漏极以及地线14。

假定一个条件，即：Wc小于Wb(Wc＜Wb)，这里Wc表示S/D电极互连30₁和30₂的宽度，Wb表示S/D电极互连20₁和22₃的宽度。图8表示在Wc为2μm以及Wb为5μm的条件下，实际测量的输入功率(dBm)和***损耗(dB)的数值。图7B是一个比较的常规射频开关的平面图，其中，所有的S/D电极互连都具有3μm的相同宽度Wa。为了比较，图8也示出了图7B中的常规射频开关的场效应晶体管特性。参照图8，在常规电路中，若***损耗降低0.1dB，则所施加的功率为35dBm。与此相反，本发明的第一实施例获得大约2dB的改善，因为对37dBm的施加功率来说，***损耗降低0.1dB。

如上所述，在没有昂贵的附加电容器以及降低浪涌电阻的条件下，通过降低对地的寄生电容Cp，就有可能实现高处理功率得到改善的射频开关。

回到图7B，S/D电极互连30₁和30₂都具有相同的宽度Wc。可供替代地，链接电极互连24₁和24₂的宽度可以稍大于其他S/D电极互连的宽度。这就是说，S/D电极互连30₁和30₂可以具有不同的宽度。只要S/D电极互连30₁和30₂都具有小于常规电路的面积，就能减小对地的寄生电容Cp。

本发明并不局限于图7A所示的3级串联电路，可以使用任意数目的级。例如，可以使用一个5级串联电路，在其中，在第二到第四级的S/D电极互连具有宽度Wc，而被连接到射频线和地线的第一和第五级S/D电极互连则具有宽度Wb(Wc＜Wb)。

(第二实施例)

图9是根据本发明的第二实施例的射频开关的平面图。以下，在第二实施例中，跟第一实施例相同的部件和配置都具有相同的附图标记。根据本发明的第二实施例，被设置在中间级(在本实施例中为第二级)的场效应晶体管形成区16₂之中的场效应晶体管的总的栅极宽度被设置为小于在起始级和末级的场效应晶体管的总的栅极宽度。更具体地说，场效应晶体管形成区16₁和16₃当中的每一个都包括7个场效应晶体管。与此相反，场效应晶体管形成区16₂包括6个场效应晶体管。因此，跟图7A所示的电路相比，有可能减小S/D电极互连30₁和30₂的总面积，并由此进一步地降低对地的寄生电容。这样一来，在没有昂贵的附加电容器以及降低浪涌电阻的条件下，通过降低对地的寄生电容Cp，就有可能实现具有较高处理功率的射频开关。

图10是根据本发明的第三实施例的射频开关的平面图。以下，在第三实施例中，跟第一实施例相同的部件和配置都具有相同的附图标记。第三实施例有这样的设置，其中，被设置在第二(中间)级的场效应晶体管形成区16₂之中的各场效应晶体管的尺寸均小于在第一级和第三级的各场效应晶体管的尺寸。因此，通过缩短S/D电极互连30₁和30₂的总长度，就能进一步地降低对地的寄生电容。这样一来，在没有昂贵的附加电容器以及降低浪涌电阻的条件下，通过降低对地的寄生电容Cp，就有可能实现具有较高处理功率的射频开关。本发明的第三实施例可以跟第二实施例结合在一起。

本发明并不局限于上述实施例，并且，在不离开本发明的范围的前提下，可以作出其他的各种各样的实施例、变动和修改。

本发明基于2004年1月16日提交的日本专利申请第2004-009878号，其全部公开内容已作为参考文献被收入本文。

Claims

1.一种开关，包括至少3个场效应晶体管，全部所述至少3个场效应晶体管使得射频信号从一端朝另一端传送，并使得射频信号从所述一端通过全部所述至少3个场效应晶体管，

所述至少3个场效应晶体管串联连接在位于所述一端与所述另一端之间的一节点与地之间，其中所述至少3个场效应晶体管中设置在起始级的场效应晶体管连接到所述节点，并且所述至少3个场效应晶体管中设置在末级的场效应晶体管连接到地，其中

所述至少3个场效应晶体管中设置在起始级的场效应晶体管的漏极连接到所述节点，并且所述至少3个场效应晶体管中设置在末级的场效应晶体管的源极连接到地；

所述至少3个场效应晶体管中设置在中间级的场效应晶体管的漏极连接到所述至少3个场效应晶体管中设置在起始级的场效应晶体管的源极，并且所述至少3个场效应晶体管中设置在中间级的场效应晶体管的源极连接到所述至少3个场效应晶体管中设置在末级的场效应晶体管的漏极；

所述至少3个场效应晶体管中设置在中间级的场效应晶体管的源极和漏极的宽度小于所述至少3个场效应晶体管中设置在起始级的场效应晶体管的漏极的宽度和所述至少3个场效应晶体管中设置在末级的场效应晶体管的源极的宽度；并且

在全部所述至少3个场效应晶体管都处于截止状态的情况下，所述开关使得射频信号从所述一端朝所述另一端传送，并且在全部所述至少3个场效应晶体管都处于导通状态的情况下，使得射频信号从所述一端通过全部所述至少3个场效应晶体管到达地。

2.根据权利要求1所述的开关，其中，该射频开关包括至少4个串联连接的场效应晶体管。

3.根据权利要求2所述的开关，其中，至少4个场效应晶体管中设置在中间级的场效应晶体管的源极或漏极的宽度小于设置在起始级和末级的场效应晶体管的源极或漏极的宽度。

4.根据权利要求1所述的开关，其中，除了那些设置在起始级和末级的场效应晶体管以外，所述至少3个场效应晶体管中并联连接的多个场效应晶体管的栅极的总宽度小于设置在起始级或末级的场效应晶体管的栅极的总宽度。

5.根据权利要求1所述的开关，所述至少3个场效应晶体管中设置在中间级的所述场效应晶体管的源极和漏极的长度小于连接到所述节点或地的所述其他场效应晶体管的源极和漏极的长度。