(57)【要約】【課題】  バラスト抵抗を用いることなく、トランジスタの熱暴走を防止することができるトランジスタ半導体装置を提供する。【解決手段】  同一の半導体基板上に配置されている、アンプ回路１０のトランジスタＴｒ１とバイアス回路２０のダイオードＤ１及びダイオードＤ２とを、熱伝導の良好な金属材料等によって形成される熱伝導配線３０で覆う。この熱伝導配線３０により、トランジスタＴｒ１で生じる温度上昇を速やかにダイオードＤ１及びダイオードＤ２に伝達することができる。ダイオードＤ１及びダイオードＤ２は、トランジスタＴｒ１の温度を下げる方向に動作するため、トランジスタＴｒ１の熱暴走を防止することができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に形成されたトランジスタ半導体装置であって、
ベースに入力される信号を増幅してコレクタに出力するトランジスタを少なくとも構成に含むアンプ回路と、
温度変動に伴って特性変化する温度制御素子を少なくとも構成に含み、当該温度制御素子によって制御されたバイアス電圧を、前記トランジスタのベースに供給するバイアス回路と、
前記トランジスタの温度変化を前記温度制御素子に伝えるための熱伝導配線とを備える、トランジスタ半導体装置。
【請求項２】
前記熱伝導配線は、前記トランジスタ及び前記温度制御素子の双方の少なくとも一部を覆い、かつ、双方を電気的に分離させた配置構造で形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のトランジスタ半導体装置。
【請求項３】
前記熱伝導配線は、前記トランジスタのコレクタ電極と電気的に接続されていることを特徴とする、請求項２に記載のトランジスタ半導体装置。
【請求項４】
前記熱伝導配線に、半導体装置製造工程において形成される金属配線を用いることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のトランジスタ半導体装置。
【請求項５】
前記温度制御素子に、ＰＮ接合ダイオードを用いることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のトランジスタ半導体装置。
【請求項６】
前記温度制御素子に、サーミスタを用いることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のトランジスタ半導体装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタ半導体装置に関し、より特定的には、温度上昇に起因するトランジスタ（バイポーラトランジスタ等）の熱暴走現象の発生を防止するトランジスタ半導体装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話等の移動体通信機器の需要増大に伴い、通信機器のパワーアンプ等に使用される半導体デバイスも多様化している。中でもバイポーラトランジスタは、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）に対して、以下のようなメリットを持つ。
１．原理的に負電源が不要であるため、負電圧発生のためのレギュレータが不要である（単一電源動作）。
２．ベース電流を零にすることにより、コレクタ電流をカットオフすることが可能であるため、アンプ電源をオン／オフする電源スイッチが不要である。
【０００３】
このようなメリットがあるため、近年バイポーラトランジスタが使用されることが多くなってきた。また、移動体通信機器では一般的に１ＧＨｚ〜６ＧＨｚの高周波を用いるため、これらパワーアンプには、半導体基板にガリウムヒ素（ＧａＡｓ）を用いたヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）が用いられる。
【０００４】
しかしながら、バイポーラトランジスタは、そのデバイスの特性上ＦＥＴに比べ熱暴走を起こし易く、素子破壊を招くというデメリットを有している。以下に、熱暴走により素子が破壊されるメカニズムを説明する。
【０００５】
図５及び図６は、従来のバイポーラトランジスタにおける熱暴走のメカニズムを説明するための図である。
図５において、バイポーラトランジスタＴｒ１０１のベースには、ベース電源１０２が、コレクタには、コレクタ電源１０３が、それぞれ接続されている。ベース電圧（＝ベース−エミッタ間電圧）をＶｂｅ、ベース電流をＩｂ、コレクタ電圧（＝コレクタ−エミッタ間電圧）をＶｃｅ、コレクタ電流をＩｃ、及び飽和電流をＩｓとした場合、近似的に下記の式が成立する。なお、温度Ｔ＝３００Ｋの時は、ｑ／ｋＴ〜３８．７である。
Ｉｃ＝Ｉｓ×ｅｘｐ（（ｑ／ｋＴ）×Ｖｂｅ）
【０００６】
図６は、図５の等価回路におけるベース電圧Ｖｂｅに対するコレクタ電流ＩｃのＶ−Ｉ特性を示す図である。図６では、ＩＶ１（実線）＜ＩＶ２（点線）＜ＩＶ３（一点鎖線）の順にトランジスタの素子温度が高くなっている。
一般にＳｉバイポーラトランジスタにおいて、コレクタ電流Ｉｃを一定に保った場合、ベース電圧Ｖｂｅは約−２ｍＶ／℃の温度係数を示す。このため、逆にベース電圧Ｖｂｅを一定に保ったままトランジスタの素子温度を上昇させると、コレクタ電流Ｉｃが増大する（図６中のＩｃ１→Ｉｃ２、及びＩｃ２→Ｉｃ３の遷移）。このコレクタ電流Ｉｃの増大は、トランジスタの素子温度をさらに上昇させることになり、コレクタ電流Ｉｃの増大→トランジスタの素子温度上昇→コレクタ電流Ｉｃの増大→トランジスタの素子温度上昇…という正帰還の悪循環を生み出す。そして、コレクタ電流Ｉｃがトランジスタ素子の許容損失をオーバーすると、素子が熱破壊に至る。これが熱暴走発生のメカニズムである。
【０００７】
このベース電圧Ｖｂｅを一定に制御するバイアス回路を備えた従来のトランジスタ回路は、特許文献１及び特許文献２等に開示されている。
【特許文献１】特開２００１−２７４６３６号公報
【特許文献２】特開２００３−３４７８５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この熱暴走を抑制する一手法として、トランジスタのベース又はエミッタにバラスト抵抗を挿入する方法がある。しかし、この場合、半導体基板上にバラスト抵抗を形成するための領域を確保する必要があるという問題や、バラスト抵抗によって高周波信号に対する利得特性が悪化するという問題がある。
【０００９】
それ故に、本発明の目的は、バラスト抵抗を用いることなく、トランジスタの熱暴走を防止することができるトランジスタ半導体装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、半導体基板上に形成されたトランジスタ半導体装置に向けられている。そして、上記目的を達成させるために、本発明のトランジスタ半導体装置は、アンプ回路、バイアス回路及び熱伝導配線で構成される。
【００１１】
アンプ回路は、ベースに入力される信号を増幅してコレクタに出力するトランジスタを少なくとも構成に含む回路である。バイアス回路は、温度変動に伴って特性変化する温度制御素子を少なくとも構成に含み、当該温度制御素子によって制御されたバイアス電圧を、トランジスタのベースに供給する回路である。熱伝導配線は、トランジスタの温度変化を温度制御素子に伝えるための配線である。
【００１２】
好ましくは、熱伝導配線は、トランジスタ及び温度制御素子の双方の少なくとも一部を覆い、かつ、双方を電気的に分離させた配置構造で形成されている。また、この熱伝導配線は、トランジスタのコレクタ電極又は温度制御素子のどちらか一方と電気的に接続されている。典型的には、熱伝導配線に、半導体装置製造工程において形成される金属配線が用いられる。なお、熱伝導配線は、直接的にコレクタ電極や温度制御素子に電気的に分離されていても良いが、絶縁膜等を介して熱的に結合されていても良い。
なお、温度制御素子には、例えばＰＮ接合ダイオード又はサーミスタを用いればよい。
【発明の効果】
【００１３】
上記のように、本発明によれば、熱伝導配線を用いてトランジスタの温度変化をバイアス回路にフィードバックさせて、トランジスタの温度上昇時にベース電圧を低下させる負帰還制御を行う。これにより、温度上昇に伴う正帰還が原因であるトランジスタ熱暴走現象の発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の特徴は、特殊な回路構成を用いることなく、トランジスタの温度上昇に起因する熱暴走現象の発生を防止することができる半導体構造にある。以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態に係るトランジスタ半導体装置を説明する。
【００１５】
図１は、本発明の一実施形態に係るトランジスタ半導体装置の等価回路図である。図１において、本実施形態に係るトランジスタ半導体装置は、入力信号を増幅して出力するアンプ回路１０と、アンプ回路１０にバイアス電圧を供給するバイアス回路２０とで構成される。
【００１６】
アンプ回路１０は、信号増幅用のトランジスタＴｒ１と、チョーク抵抗Ｒ１と、バイアス回路２０とトランジスタＴｒ１のベースとを接続する抵抗Ｒ２と、入力側結合コンデンサであるキャパシタＣ１と、出力側結合コンデンサであるキャパシタＣ２とで構成される。バイアス回路２０は、バイアス回路用のトランジスタＴｒ２と、温度制御素子として機能するＰＮ接合のダイオードＤ１及びダイオードＤ２と、抵抗Ｒ３及び抵抗Ｒ４とで構成される。トランジスタＴｒ１及びトランジスタＴｒ２は、典型的にはバイポーラトランジスタやヘテロ接合バイポーラトランジスタである。
【００１７】
バイアス回路２０において、トランジスタＴｒ２のベースは、抵抗Ｒ４を介して電源Ｖｂｂに接続され、かつ直列接続されるダイオードＤ１及びダイオードＤ２を介してＧＮＤに接続される（接地される）。トランジスタＴｒ２のコレクタは、電源Ｖｂｂに接続される。そして、トランジスタＴｒ２のエミッタは、抵抗Ｒ３を介してＧＮＤに接続されると共に、抵抗２を介してアンプ回路１０のトランジスタＴｒ１のベースに接続される。
【００１８】
アンプ回路１０において、トランジスタＴｒ１のベースには、キャパシタＣ１を介して入力信号（ＩＮ）が、抵抗Ｒ２を介してバイアス回路２０から供給されるバイアス電圧が、それぞれ入力される。トランジスタＴｒ１のエミッタは、ＧＮＤに接続される。トランジスタＴｒ１のコレクタは、抵抗Ｒ１を介して電源Ｖｃｃに接続されており、コレクタに現れる増幅信号をキャパシタＣ２を介して出力する（ＯＵＴ）。
【００１９】
この等価回路図上では、特に本発明と従来技術との違いはない。本発明の特徴は、この等価回路を半導体基板上で形成するときの構造（温度伝導構造）、及びその構造を活かしたバイアスの制御手法に特徴がある。
【００２０】
図２は、本発明の一実施形態に係るトランジスタ半導体装置の上面図である。図３は、図２に示すトランジスタ半導体装置のａ−ａ断面図である。図２及び図３に示すように、本発明では、アンプ回路１０のトランジスタＴｒ１の温度をバイアス回路２０のダイオードＤ１及びダイオードＤ２へ伝えるための、熱伝導配線３０を新たに設けていることが従来と異なる。この熱伝導配線３０は、熱源であるトランジスタＴｒ１の温度を温度制御素子であるダイオードＤ１及びダイオードＤ２に伝えることができる熱伝導性能に優れた材料（例えば金属）で形成された配線であればよい。熱伝導配線３０は、トランジスタＴｒ１のコレクタと電気的に接続されており、トランジスタＴｒ１の温度を効率よく抽出できるようにしている。一方、熱伝導配線３０は、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２とは保護膜（例えば絶縁層）によって電気的に分離されている。すなわち、熱伝導配線３０でダイオードＤ１及びダイオードＤ２が覆われる構造となる。なお、熱伝導配線３０と接続されるトランジスタＴｒ１の端子は、コレクタ以外のエミッタ又はベースであってもよい。
【００２１】
上記半導体構造とすることで、トランジスタＴｒ１の熱暴走が防止できるメカニズムを説明する。
まず、バイアス回路２０において、トランジスタＴｒ２に流入するベース電流が微小であると仮定すると、抵抗Ｒ４に流れる電流とダイオードＤ１及びダイオードＤ２に流れる電流とは等しい。この電流をＩｂｉａｓとする。また、トランジスタＴｒ２のベース電圧をＶｂｉａｓ１と、エミッタ電圧をＶｂｉａｓ２とする。図４に、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２のＩ−Ｖ特性を示す。トランジスタＴｒ２のベース電圧Ｖｂｉａｓ１は、電源Ｖｂｂから抵抗Ｒ４の負荷線を引いて、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２のＩ−Ｖ特性線との交点から求められる。なお、従来技術でも説明したが、各ダイオードは−２ｍＶ／℃の温度特性を有するため、ダイオードＤ１＋ダイオードＤ２の回路では−４ｍＶ／℃のＩ−Ｖ特性を示すことになる。よって、高温時のＩ−Ｖ特性（一点鎖線）は、常温時のＩ−Ｖ特性（実線）よりも図４中の左側にシフトする。これはすなわち、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２の降下電位（コレクタ−エミッタ電位）が、温度上昇に伴って減少することを意味する。
【００２２】
今、トランジスタＴｒ１の温度が上昇してコレクタ電流Ｉｃが増大した場合を考える。トランジスタＴｒ１の上昇した温度は、熱伝導配線３０を介してダイオードＤ１及びダイオードＤ２にも伝えられる。すなわち、ダイオードＤ１及びダイオードＤ２の温度もトランジスタＴｒ１の温度に比例して上昇する。このダイオードＤ１及びダイオードＤ２の温度上昇によって、Ｉ−Ｖ特性が実線から一点鎖線へシフトするため（図４を参照）、ベース電圧Ｖｂｉａｓ１（高温）がベース電圧Ｖｂｉａｓ１（常温）よりも低下する。そして、トランジスタＴｒ２はエミッタフォロア動作になるので、エミッタ電圧Ｖｂｉａｓ２（高温）もＶｂｉａｓ２（常温）よりも低下することになる。
【００２３】
トランジスタＴｒ２のエミッタ電圧Ｖｂｉａｓ２の低下に伴って、トランジスタＴｒ１のベースに印加されるバイアス電圧、すなわちベース電圧も低下する。これによって、トランジスタＴｒ１のベースに流入するベース電流Ｉｂが減少、すなわちコレクタ電流Ｉｃが減少する方向に動作するため、結果的にトランジスタＴｒ１の温度が低下することになる。
【００２４】
以上のように、本発明の一実施形態に係るトランジスタ半導体装置によれば、バイアス回路自身は一般的な構成であるが、熱伝導配線を用いてアンプ回路のトランジスタＴｒ１の熱を効率よくバイアス回路のダイオードＤ１及びＤ２に伝えることによりフィードバックさせて、トランジスタの温度上昇時にベース電圧を低下させる負帰還制御を行う。これにより、温度上昇に伴う正帰還が原因であるトランジスタ熱暴走現象の発生を防止することができる。
【００２５】
なお、本発明を効果的に実現するためには、熱源であるトランジスタＴｒ１の温度上昇を、温度制御素子であるダイオードＤ１及びダイオードＤ２へ迅速に伝える必要がある。よって、熱伝導配線３０には、半導体装置製造工程において形成される最も厚い金属配線を用いることが好ましい。例えば、配線が数千Ａ程度の第１層配線と数μｍの第２層配線との２つでされている場合には、熱伝導配線３０として第２層配線を用いることにより、効率的にダイオードＤ１及びダイオードＤ２に熱を伝導することができる。
【００２６】
また、トランジスタＴｒ１とダイオードＤ１及びダイオードＤ２とを最短距離で配置すれば、熱伝導配線３０を極力短くできるので、温度変化が速やかに伝えられてより効果的であることは言うまでもない。
さらに、上記実施形態では、温度制御素子としてダイオードＤ１及びダイオードＤ２を用いた場合を説明したが、トランジスタＴｒ１の温度上昇と反比例して降下電位を減少させることができる機能を有している素子であれば、温度制御素子はダイオードに限られない。例えば、サーミスタを温度制御素子として用いても構わない。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明のトランジスタ半導体装置は、トランジスタの温度上昇に起因する熱暴走現象の発生を防止する場合等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態に係るトランジスタ半導体装置の等価回路図
【図２】本発明の一実施形態に係るトランジスタ半導体装置の上面図
【図３】本発明の一実施形態に係るトランジスタ半導体装置の断面図
【図４】本発明の一実施形態に係るトランジスタ半導体装置のダイオードＤ１及びダイオードＤ２のＩ−Ｖ特性を示す図
【図５】従来のトランジスタ回路を示す図
【図６】従来のトランジスタのＩ−Ｖ特性を示す図
【符号の説明】
【００２９】
１０  アンプ回路
２０  バイアス回路
３０  熱伝導配線
Ｔｒ１、Ｔｒ２、Ｔｒ１０１  トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ４  抵抗
Ｃ１、Ｃ２  キャパシタ
Ｄ１、Ｄ２  ダイオード
Ｖｂｂ、Ｖｃｃ、１０２、１０３  電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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