(57)【要約】【発明の要旨】２つの異なる単結晶半導体基板を有する増幅器。第１の基板上には、バイポーラトランジスタを有する少なくとも１つの入力信号増幅素子が形成される。第２の基板は、第１の基板材料と異なる材料である。電流ミラーを具備する。この電流ミラーは、複数の電気的に相互接続された能動素子を含み、能動素子の一部は第１の基板上に形成したバイポーラ素子であり、能動素子の他の部分は第２の基板上に形成した絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）からなる。第１の単結晶基板はＩＩＩ−ＩＶ族の材料であり、第２の単結晶基板はシリコンである。バイポーラ素子はＨＢＴである。絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）はＭＯＳ素子である。この回路構成は、温度、製造プロセス及び供給電圧の変動のトランジスタ臨界動作電流への影響を最小限にする。
2005508580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
バイポーラトランジスタを含む少なくとも１つの入力信号増幅素子が上に形成された第１の単結晶半導体基板と、
前記第１の単結晶半導体基板と異なる材料である第２の単結晶半導体基板と、
複数の電気的に相互接続された能動素子を含む電流ミラーとを含む増幅器であって、前記能動素子の一部は前記第１の単結晶半導体基板上に形成したバイポーラ素子であり、前記能動素子の他の部分は前記第２の単結晶半導体基板上に形成した絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）からなることを特徴とする増幅器。
【請求項２】
前記第１の単結晶半導体基板はＩＩＩ−ＩＶ族の材料であり、前記第２の単結晶半導体基板はシリコンであることを特徴とする請求項１に記載の増幅器。
【請求項３】
前記第１の単結晶半導体基板はガリウム砒素であることを特徴とする請求項２に記載の増幅器。
【請求項４】
前記バイポーラ素子はＨＢＴであることを特徴とする請求項３に記載の増幅器。
【請求項５】
前記絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）はＭＯＳ素子であることを特徴とする請求項４に記載の増幅器。
【請求項６】
第１の単結晶半導体基板、
前記第１の単結晶半導体基板と異なる材料である第２の単結晶半導体基板、及び
複数の電気的に相互接続された能動素子を含む電流ミラーであって、前記能動素子の一部は前記第１の単結晶半導体基板上に形成したバイポーラ素子であり、前記能動素子の他の部分は前記第２の単結晶半導体基板上に形成した絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）からなることを特徴とする電流ミラー。
【請求項７】
前記第１の単結晶半導体基板はＩＩＩ−ＩＶ族の材料であり、前記第２の単結晶半導体基板はシリコンであることを特徴とする請求項６に記載の電流ミラー。
【請求項８】
前記第１の単結晶半導体基板はガリウム砒素であることを特徴とする請求項７に記載の電流ミラー。
【請求項９】
前記バイポーラ素子はＨＢＴであることを特徴とする請求項８に記載の電流ミラー。
【請求項１０】
前記絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）はＭＯＳ素子であることを特徴とする請求項９に記載の電流ミラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣs）、より詳細にはＭＭＩＣs用補助回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来知られるように、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣs）は、多用途で使用される。通常、これらの回路は、高周波数信号を使用するためにガリウム砒素半導体基板上に形成する。斯かる回路で使用される１つのタイプの能動素子はヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ）である。従って、例えば、携帯電話タワーから受信するマイクロ波信号のようなマイクロ波信号を増幅するのに使用するＭＭＩＣ増幅器は、各段がＨＢＴを有する複数のカスケード増幅器段を含む。
【０００３】
また従来知られるように、増幅器の適切な動作には直流バイアスが必要である。シリコンバイポーラトランジスタ増幅器の１つの回路構成では、電流源を使用しながら直流バイアスした状態で接地エミッタ構成を使用する。通常、電流源は、温度、製造プロセス及び供給電圧の変動がある場合に一定のコレクタ電流を維持する電流ミラーを含む。電流ミラーを向上させながら、接地エミッタを有する一対のバイポーラトランジスタは提供される。これらのトランジスタの第１のトランジスタのコレクタは比較的高インピーダンスを介して電圧に接続する。また、第１のトランジスタのコレクタは、エミッタフォロワバイポーラトランジスタのベースに接続する。エミッタフォロワトランジスタは、トランジスタ対のベース電極に接続されるエミッタを有する。エミッタフォロワトランジスタのコレクタとトランジスタ対の第２のトランジスタとは、共通の供給電圧に接続する。第２のトランジスタのコレクタを通る電流は、第１のトランジスタのコレクタに供給される電流の鏡映（ミラー）である。電流ミラーが共通のシリコン半導体基板上のような集積回路として製造されるときは、第２のトランジスタのベース・エミッタ接合を横切る電圧降下は約０．７Ｖになる。従って、エミッタフォロワトランジスタのベースでの電圧は約１．４Ｖになる。比較的低供給電圧、例えば３．１Ｖの公称供給電圧を必要とする用途において、供給電圧が変動して、例えば僅か２．８Ｖの供給電圧になっても、エミッタフォロワトランジスタのベースでの電圧は１．４Ｖであり十分なヘッドルームがあり、電流ミラーの適切な動作が可能である。温度と製造プロセスの変動は、バイポーラトランジスタのＶｂｅ電圧（ベースとエミッタ間電圧）を変え、全電流をシフトさせる。適切な動作は、温度、製造プロセス及び供給電圧の変動により生じる電流変動が十分小さく、比較的一定のコレクタ電流と後続の一定の増幅が維持されるときである。
【０００４】
しかしながら、ガリウム砒素基板を使用するマイクロ波の用途、トランジスタ、通常、ＨＢＴ素子では、ベース・エミッタ接合を横切る電圧降下は約１．２５Ｖになる。従って、斯かるＨＢＴでは、エミッタフォロワトランジスタのベースでの電圧は約２．５Ｖになる。上述した低供給電圧（即ち、２．８Ｖの供給電圧）の用途では、このＨＢＴ電流ミラーの適切な動作を可能にするにはヘッドルームが不十分であり、動作電流が大きく変動してしまう。
【０００５】
本発明は増幅器を提供する。この増幅器は、バイポーラトランジスタを有する少なくとも１つの入力信号増幅素子が上に形成された第１の単結晶半導体基板を含む。第２の単結晶半導体基板が設けられる。第２の基板は、第１の基板材料と異なる材料である。電流ミラーを具備する。この電流ミラーは、複数の電気的に相互接続された能動素子を含み、能動素子の一部は第１の基板上に形成したバイポーラ素子であり、能動素子の他の部分は第２の基板上に形成した絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）からなる。
【０００６】
斯かる回路構成により、増幅器はマイクロ波信号を増幅するのに使用できる。斯かる増幅は第１の材料基板上に形成したＨＢＴにより提供される。さらに、ＩＧＦＥＴにより得られるゲインは、ＨＢＴ増幅素子のベース電極とＩＧＦＥＴのゲートとの間の電圧降下をずっと小さくするため、ヘッドルームが十分となり、回路構成が比較的低電圧供給で動作するとともに、温度、製造プロセス及び供給電圧の変動の悪影響が最小限となる。
【０００７】
一実施形態では、第１の単結晶基板はＩＩＩ−ＩＶ族の材料であり、第２の単結晶基板はシリコンである。
【０００８】
一実施形態では、第１の単結晶基板はガリウム砒素である。
一実施形態では、バイポーラ素子はＨＢＴである。
一実施形態では、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）はＭＯＳ素子である。
【０００９】
本発明の他の特徴によれば、電流ミラーは第１の単結晶半導体基板と第２の単結晶半導体基板を含み、第２の基板は第１の基板と異なる材料であり、更に電流ミラーは複数の電気的に相互接続された能動素子を含み、能動素子の一部は第１の基板上に形成したバイポーラ素子であり、能動素子の他の部分は第２の基板上に形成した絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）からなる。
【００１０】
本発明の1つ以上の実施形態は添付図面及び以下に詳述する。本発明の他の特徴、目的及び利益は添付図面、以下の説明及び請求の範囲から明瞭となる。
図１は、一対の単結晶半導体基板１２と１４を含むマイクロ波増幅器１０を示す。基板１２はシリコンであり、基板１４はＩＩＩ−Ｖ族の材料、ここではガリウム砒素である。
【００１１】
ガリウム砒素基板１４は、マイクロ波信号源１８で示すマイクロ波入力信号の増幅用多段、ここでは３段のマイクロ波増幅器１０を提供するように配置された複数の増幅素子、ここではＨＢＴs１６を含む。マイクロ波信号は公称周波数ｆを有する。マイクロ波信号源１８はキャパシタ１９を使用する段を介して出力２０へ交流的に結合する。
複数の、ここでは３つの電流ミラー２２を具備し、それぞれ直流バイアス電流を対応する３つの増幅段、即ちＨＢＴs１６に供給するように構成する。より詳細には、３つの電流ミラー２２の各1つが複数の電気的に相互接続された能動素子、ここではトランジスタ１６、２４及び２６を含む。能動素子の一部、ここではＨＢＴs１６及び２４はガリウム砒素基板１４上に形成したバイポーラ素子であり、能動素子の他の部分はシリコン基板１２上に形成した絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）２６である。ここでは、絶縁ゲート電界効果トランジスタ（ＩＧＦＥＴ）２６はＭＯＳトランジスタである。
【００１２】
バイアス回路２８を、増幅段、即ちＨＢＴs１６の各々に対して設ける。バイアス回路２８は、抵抗器３２を介してＨＢＴ１６のベースに、そして、抵抗器３４とキャパシタ３６よりなる分岐回路を介して接地に直列接続された（周波数ｆに同調した）ＬＣタンク回路３０を含む。ＬＣタンク回路３０は、また、抵抗器３８を介してＨＢＴ２４のベースに接続される。
バイアス回路２８は、電流ミラー２２を介して電流を供給される。より詳細には、抵抗器Ｒ（ここではシリコン基板１２上に示すが、シリコン基板１２から分離して形成されても良い）とオフチップ電圧源４６よりなる電流源４０が、電流を矢印４１で示すようにトランジスタ２４のコレクタへ供給する。直流接続について考察する。トランジスタ２４のベースはトランジスタ１６のベースとトランジスタ２６のソースに接続される。トランジスタ２６のゲートはトランジスタ２４のコレクタに接続される。そして、トランジスタ２６のドレインとトランジスタ１６のコレクタは供給電圧４４に接続される。ここでは、供給電圧４４は３．４Ｖであり、供給電圧４６は２．８Ｖである。
直流電圧供給４４は、図示する配置のように、フィルタ部５０，５２及び５４を介してトランジスタ１６のコレクタに直流的に結合する。各フィルタ部は、周波数ｆに同調したタンク回路６０を有する。
【００１３】
図２に、電流ミラー１６の簡略化した直流概略図を示す。シリコン基板１２上の回路は、ガリウム砒素基板１４上の増幅段１６に対する補助回路としてみなせる。斯かる配置では、電流ミラー１６は、第２のＩＩＩ−Ｖ族の材料基板上に形成したＨＢＴsによりマイクロ波信号を処理するマイクロ波信号用途で使用される。更に、
ＩＧＦＥＴ１２により得られるゲインは、ＨＢＴ素子１６のベース電極とＩＧＦＥＴ１２のゲートとの間の電圧降下を最小にするため、ヘッドルームが十分となり、回路構成が比較的低電圧供給で動作するとともに、温度、製造プロセス及び供給電圧による何れの電流変動も最小限となる。
【００１４】
本発明の多数の実施形態を説明したが、発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々の修正がなされ得ることを理解する。例えば、インジウム・ガリウム・リン（ＩｎＧａＰ）のような他のＩＩＩ−Ｖ族の材料が基板１４に使用可能である。従って、他の実施形態が請求の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明によるマイクロ波増幅器の概略図である。
【図２】本発明による電流ミラーの概略図である。
【図１】
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【図２】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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