JP2007511093A - マイクロ波トランジスタ用統合熱センサ - Google Patents

Abstract

半導体基板上およびホイートストン・ブリッジ上に配置されている能動半導体装置の温度を決定するための回路。該ブリッジは４つの分岐それぞれに熱感知デバイスを有し、そのような熱感知デバイスの１対は能動デバイスの電極に熱接触されている。そのような熱感知デバイスの他の１対は、基板と熱接触している。調整回路はトランジスタの出力に結合され、そのような調整回路は該調整素子に供給される制御信号によって制御されている。プロセッサは、ホイートストン・ブリッジ回路の出力にて生成される電圧およびトランジスタへ供給される電力を表す信号に応答する。ホイートストン・ブリッジによって供給されるその出力はトランジスタの温度と周囲温度との間の温度差の測定値を提供する。

Description

本発明は広くはマイクロ波トランジスタに関し、特に該トランジスタの温度を監視するための回路に関する。

当該技術分野で周知のように、周囲の温度に対するマイクロ波トランジスタの温度を監視することは要望のあるところである。モノリシック集積回路にある該トランジスタの温度を監視することで、（１）トランジスタが広範囲の動作温度にわたり特定の温度を超えないよう保証すること、および（２）トランジスタを有する回路を動的に調整するためその温度を利用することが可能である。

能動半導体装置の温度を決定する回路は、半導体基板、およびホイートストン・ブリッジ回路上に配置される。ブリッジは４つの分岐それぞれにその熱感知デバイスを有しており、そのような熱感知デバイスの１対は能動デバイスの電極と熱接触している。そのような熱感知デバイスの他の１対は基板と熱接触している。熱感知デバイスは抵抗器である。能動デバイスはトランジスタである。調整回路はトランジスタの出力に結合されており、かかる調整回路は当該調整可能な素子へ送られる制御信号によって制御される調整可能な素子を有する。プロセッサはブリッジ回路の出力において生成される電圧、およびトランジスタへ供給される電力を示す信号に応答する。ホイートストン・ブリッジによって供給される出力は、トランジスタの温度と周囲温度の温度差の尺度を提供する。プロセッサはトランジスタへ供給する電力を最大化するため制御信号を生成し、そして該トランジスタによって消費される電力を最小化する。

本発明に関する一以上の実施形態の詳細は、添付の図および以下の記述において説明される。本発明のその他の特徴、目的および優位点は、その記述および図から、またその特許請求の範囲から明らかとなるであろう。

本発明を添付図面を参照して説明する。各種図面において図示される略同一の構成要素は類似の参照番号で表されている。
ここで、図１について言及すると、回路１０は、ここではトランジスタ１２である能動半導体装置の動作温度を決定するために示される。回路１０は、半導体基板１４（図２Ａ，２Ｂ，２Ｂ）上にあり、能動デバイス１２を有する。ここで、トランジスタ１２は図に示されるように、ソース電極Ｓ．ドレイン電極Ｄおよびゲート電極Ｇを有する電界効果トランジスタである。

回路１０は、ここでホイートストン・ブリッジであるブリッジ回路１６を含む。ブリッジ１６は、ここでは抵抗器R1である第１の熱感知デバイスを含み、ここでは能動デバイス１２のソース電極Sである電極と熱接触して配置されている。第１の熱感知デバイスR1は、１対の端子を有し、その端子対の第１端子は第１のノードN1 に接続され、そしてその端子対の第２端子は第２のノードN2 に接続されている。

ブリッジ１６はここでは抵抗器R２である第２の熱感知デバイスを含んでおり、能動デバイス１２のソース電極Sと熱接触して配置されている。第２の熱感知デバイスR２は、１対の端子を有しており、その端子対の第１端子は第３のノードN３ に接続され、そしてその端子対の第２端子は第４のノードN４ に接続されている。

ブリッジ１６はここでは抵抗器R３である第３の熱感知デバイスを含み、基板１４と熱接触して配置されている。第３の熱感知装置R３は、１対の端子を有しており、その端子対の第１端子は第２のノードN２ に接続され、そしてその端子対の第２端子は第４のノードN４ に接続されている。

ブリッジ１６はここでは抵抗器R４である第４の熱感知デバイスを含み、基板１４と熱接触して配置されている。第４の熱感知装置R４は、１対の端子を有しており、その端子対の第１端子は、第１のノードN１ に接続され、その端子対の第２端子は第３のノードN３ に接続されている。DC電位２０は第１のノードN１と第４のノードN4との間に接続され、ここで当該ノードN4は示されるようにグラウンド電位である。第２のノードN2および第３のノードN3はブリッジ１６の出力を供給する。

回路１０はトランジスタ１２の出力電極へ結合されている調整回路２２を含む。調整回路１２はここではバラクタである、調整可能な素子２４を有しており、プロセッサ２６によって当該調整可能な素子２４へ送られた制御信号によって制御される。

ノードN2とN3間の出力電圧は、抵抗器R3の抵抗および抵抗器R4の抵抗の積と、抵抗器R２の抵抗および抵抗器R1の抵抗の積との差に比例する。すなわち、ノードN2とN3間の出力電圧は、R3R4-R2R1に比例する。抵抗器R3およびR4は基板１４と熱接触の状態にあり、それ故、回路１０の周囲温度を表す共通温度にある。抵抗器R1およびR2 はトランジスタ１２のソース電極Sと熱接触の状態にある。その結果、トランジスタ１２の温度および周囲の温度が同じ場合、トランジスタが動作していない時には、ブリッジの出力電圧はゼロとなる。従って、トランジスタが動作しているときは、周囲の温度よりも高くなり、ノードＮ２およびＮ３間の出力電圧は増加する。抵抗器R1とＲ２の抵抗は温度の増加とともに増加するため、その結果ブリッジ１６の出力電圧（すなわち、ノードＮ２およびＮ３間の電圧）に従って、動作中のトランジスタ１２によって消費された電力の測定値を供給する。

プロセッサ２６は、ブリッジ１６の出力で供給される電圧、およびトランジスタ１２に送られる電力を表す信号に応答する。様々な方法のうちいずれかでトランジスタ１２へ供給される電力を測定する。例えば該電力は、トランジスタ１２のソース回路中における精密な抵抗器Ｒの両端に生成される電圧Vによって測定される。この抵抗器に亘る電圧はIRであり、トランジスタへのバイアス電力は、この電流にトランジスタに亘る電圧降下を乗算したものである。

プロセッサはトランジスタへ供給する電力を最大化するバラクタ用の制御信号を供給するためにプログラムされている。ブリッジ１６のノードＮ２およびＮ３に亘る出力電圧によって検出されるトランジスタによって消費される電力を最小化する一方で、抵抗器Ｒの両端に生成される電圧によって検出される。

更に、特に自己整合および動的調整の過程は下記の平衡方程式に基づいて理解できる。
Ｐ_rf.load＋Ｐ_rf,.tunners＝Ｐ_dc−Ｐ_diss＋Ｐ_rf.in
ここで、Ｐ_rf.loadは抵抗器R1によって図１に表されている負荷に対する電力である。
Ｐ_rf,.tunnersは調整回路22で消費される電力、
Ｐ_dcはトランジスタ１２へ供給される電力、
Ｐ_dissはブリッジ１６の出力電圧（すなわちノードN1 およびN3 間の電圧）によって表されるトランジスタで消費される電力、そして、
Ｐ_rf.inはトランジスタ１２のゲートGへ供給される入力無線周波数(rf)電力である。

ここで、rf電力出力は２つの部分に分けられる。一つは、負荷へ流れる部分、そしてもう一つは調整回路２２において消費される部分である。方程式の右側は装置の残留電力を表す。すなわち、DCバイアス電力（すなわちP_dc）、熱として消費され、その結果トランジスタ１２の温度上昇に比例する電力、およびトランジスタ１２へのrf電力入力、である。簡単化のために、以下の仮定がなされる。（１）トランジスタ１２へのrf電力入力は固定である（２）。トランジスタ入力は、出力調整回路２２の動作範囲をこえて整合状態を維持する。（３）調整回路２２は無損失でありＰ_rf,.tunnersはゼロである。

このような仮定の下、回路１０（図１）において、トランジスタの出力におけるｒｆ検出器の利用は、Ｐ_dcおよびＰ_diss用のセンサを用意することによって避けられる。ここで、Ｐ_dc用センサは抵抗器Rであり、Ｐ_diss用センサはブリッジ１６である。トランジスタに亘るDC電圧は固定であると仮定する。

ここで、図２A―２Cについて言及すると、ここでは例えばシリコン又はヒ化ガリウムである基板１４は、トランジスタ１２のソース電極S上に配置され、ここでは例えば窒化シリコンである薄い絶縁層３０を有する。窒化シリコン層上、ここでは例えばニクロム製の薄いフィルム抵抗器R1およびR2が蒸着されて配置される。また、層３０がソース電極S上に形成される時、窒化シリコンの層３０は基板１２の一部上に、形成される点が注目される。

本発明における多くの実施形態を説明したが、本発明の精神および範囲から離れることなしに様々な修正がなされることは理解されるであろう。従って、他の実施形態は特許請求の範囲に含まれる。

本発明に従って、能動半導体装置の動作温度を決定するための回路の概略図である。 半導体基板の一部の平面図であり、該部分は図１の回路で利用されるトランジスタを有し、また、図1の回路で利用される４つの抵抗器を有している。 図２Aの基板の一部における断面図であり、該断面は図２Aの２Ｂ−２Ｂ線に沿ったものである。 図２Ａの基板の一部における断面図であり、該断面は図２Ａの２Ｃ−２Ｃ線に沿ったものである。

Claims (21)

1. 能動半導体装置の温度を決定するための回路であって、
   （A）その上に能動デバイスを有する半導体基板と、
   （B）
   （i）第１端子が第１のノードに接続され、第２端子が第２のノードに接続された１対の端子を有し、前記能動デバイスの電極と熱接触して配置される第１の熱感知デバイスと、
   （ii）第１端子が第３のノードに接続され、第２端子が第４のノードに接続された１対の端子を有し、能動デバイスの電極と熱接触して配置される第２の熱感知デバイスと、
   （iii）第１端子が第２のノードに接続され、第２端子が第４のノードに接続された１対の端子を有し、基板と熱接触して配置される第３の熱感知デバイスと、
   （iv）第１端子が第１のノードに接続され、第２端子が第３のノードに接続された１対の端子を有し、基板と熱接触して配置される第４の熱感知デバイスと、
   （v）前記第１のノードおよび第４のノード間に接続された電圧電位と、
   （vi）前記第２のノードおよび第３のノードによって供給される出力と、
   から構成されるブリッジ回路と、
   を備えた回路。
2. 請求項１に記載の回路において、前記第１、第２、第３および第４の熱感知デバイスが抵抗器である回路。
3. 請求項１に記載の回路において、前記能動デバイスがトランジスタである回路。
4. 請求項２に記載の回路において、前記第１、第２、第３および第４の熱感知デバイスが抵抗器である回路。
5. 請求項４に記載の回路において、前記トランジスタの出力電極に結合される調整回路を含み、前記調整回路は調整可能な素子へ供給する制御信号によって制御される調整可能な素子を有する、回路。
6. 請求項５記載の回路において、前記ブリッジの出力において生成される電圧、および前記トランジスタへ供給される電力を表す信号に応答するプロセッサを含む、回路。
7. 能動半導体装置の温度を決定する回路であって、
   （A）その上に前記能動デバイスを有する半導体基板と、
   （B）４つの分岐それぞれに熱感知デバイスを有し、１対の該熱感知デバイスは前記能動デバイスの電極に熱接触する、ホイートストン・ブリッジと、
   を備えた回路。
8. 請求項７に記載の回路において、前記熱感知デバイスの別の対が前記基板に熱接触している、回路。
9. 請求項７に記載の回路において、前記熱感知デバイスが抵抗器である回路。
10. 請求項９に記載の回路において、前記能動デバイスがトランジスタである回路。
11. 請求項１０に記載の回路において、前記トランジスタの出力に結合している調整回路を含み、前記調整回路は、調整可能な素子へ供給する制御信号によって制御される調整可能な素子を有している、回路。
12. 請求項１１に記載の回路において、前記ホイートストン・ブリッジ回路の出力において生成される電圧およびトランジスタへ供給する電力を表す信号に応答するプロセッサを含む、回路。
13. 請求項１２に記載の回路において、前記ホイートストン・ブリッジによって供給される前記出力は、トランジスタの温度と周囲温度の温度差の測定値を供給する、回路。
14. 請求項１３に記載の回路において、前記プロセッサは、トランジスタへ供給する電力を最大化し、前記トランジスタによって消費される電力を最小化するための制御信号を生成する、回路。
15. 請求項７に記載の回路において、前記熱感知デバイスの別の対が前記基板と熱接触している回路。
16. 請求項１５に記載の回路において、前記熱感知デバイスは抵抗器である回路。
17. 請求項１６に記載の回路において、前記能動デバイスはトランジスタである回路。
18. 請求項１７に記載の回路において、前記トランジスタの出力に結合されている調整回路を含み、該調整回路は調整可能な素子へ供給する制御信号によって制御される調整可能な素子を有する、回路。
19. 請求項１８に記載の回路において、前記ホイートストン・ブリッジ回路の出力で生成される電圧および前記トランジスタへ供給する電力を表す信号に応答するプロセッサを含む、回路。
20. 請求項１９に記載の回路において、前記ホイートストン・ブリッジによって供給される出力は、トランジスタの温度と周囲温度の温度差の測定値を供給する、回路。
21. 請求項２０に記載の回路において、前記プロセッサはトランジスタへ供給する電力を最大化し、前記トランジスタによって消費される電力を最小化するための制御信号を生成する、回路。

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