專利名稱：高效率、寬度電可調(diào)的場效應晶體管及其實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明大體涉及功率晶體管，具體地說是涉及高功率效率的場效應晶體管。
一般說來，功率晶體管不總是以高功率效率方式工作，對場效應晶體管(FET)，如MOSFET(金屬氧化物半導體場效應晶體管)或MESFET(金屬半導體場效應晶體管)，尤其如此。集成功率FET通常被做成大的單器件結構或由許多并聯(lián)的小FET形成一個功率FET。通常，功率FET的選擇由所要求的最大功率輸出和頻率響應來確定。選擇功率FET要滿足最大功率要求，即使其不經(jīng)常在最大電平下工作。由于多數(shù)情況下功率FET的工作電平遠低于電路的最大功率電平，所以其偏置效率低且耗功。對電池壽命與功率FET靜態(tài)功耗有關的電池供電的應用來說，這一點可能極為重要。具有用來向接收站發(fā)射的放大器的蜂窩電話就是使用FET、電池供電應用的例子。提高發(fā)射放大器中功率FET的效率能顯著地延長電池壽命，從而增加發(fā)射時間。
如果能研制一種功率場效應晶體管，其滿足應用的最大功率要求，而又以高功率效率工作，那將極為有益。
簡要地說，本發(fā)明包括一種功率FET(場效應晶體管)，其帶有一柵極引出線、一漏極引出線、一源極引出線和至少一個用來改變功率FET寬度的控制極引出線。
功率FET包括一FET和至少一個開關FET。FET包括分別與功率FET的柵極引出線、漏極引出線及源極引出線耦合的柵極、漏極和源極。每個開關FET包括分別與功率FET的柵極引出線、漏極引出線及源極引出線耦合的柵極、漏極和源極。每個開關FET有一個用來開啟器件的控制柵極，該控制柵極與功率FET的控制極引出線耦合。每個被開啟的開關FET與FET并聯(lián)以增加功率FET的尺寸。
本發(fā)明包括使功率FET高效率工作的方法。功率FET接收直流偏置電流。功率FET的一部分工作在靜態(tài)條件下。而且，功率FET的其余部分能夠增加功率輸出。
本發(fā)明包括制造可變寬度FET的方法?？勺儗挾裙β蔉ET被制成具有用來增加或減少可變寬度FET寬度的可開關部分的結構。


圖1是根據(jù)本發(fā)明所述的高效單片功率FET(場效應晶體管)的原理圖;
圖2是利用高效單片功率FET減小功耗的放大器原理圖;
圖3是根據(jù)本發(fā)明所述的高效單片功率FET的布線圖。
圖1是高效單片功率FET(場效應晶體管)11的原理圖。一般說來，功率FET可以是單個大器件或是由許多小晶體管并聯(lián)形成一個大器件。功率FET一個通常的應用是在放大器的輸出級中。選擇用于輸出級的器件通常要滿足放大器的最大額定功率。由于放大器輸出級的偏置電流與FET的尺寸成比例，這樣選擇，功率效率不高。輸出級中較小的功率FET可以用較低的偏置電流(從而減小功耗)，但如果放大器滿功率工作，這樣會引起可靠性問題。單片功率FET11通過減小靜態(tài)條件下的尺寸，使得可以采用較小的偏置電流，并可調(diào)節(jié)器件尺寸使其與要求的工作功率成比例增加，從而解決了上面的問題。
單片功率FET設計用于在很寬范圍內(nèi)輸出功率，同時要求直流偏置電流的模擬電路。單片功率FET的結構適合于多數(shù)類型的場效應晶體管，如MESFET(金屬半導體FET)或MOSFET(金屬氧化物半導體FET)。單片功率FET11采用標準集成電路工藝技術制造，其包括漏極引出線12，源極引出線13，柵極引出線14、控制極引出線16和控制極引出線17。如圖1所示，單片功率晶體管11包括FET18、開關FET19、和開關FET21。FET18是單片功率FET11的不可開關部分。開關FET19和21可被開啟或截止以改變單片功率FET11的寬度。FET18有分別與單片功率FET11的柵極引出線14、漏極引出線12及源極引出線13耦合的柵極、漏極和源極。開關FET19和21的每個都包括分別與柵極引出線14、漏極引出線12及源極引出線13耦合的柵極、漏極和源極。開關FET19有與控制極引出線16耦合的控制柵極，開關FET21有與單片功率FET11的控制極引出線17耦合的控制柵極?？刂菩盘柤拥娇刂茦O引出線16和17上，用來開啟及截止開關FET19和21，從而將兩開關FET與FET18并聯(lián)。
除控制極引線16和17外，單片功率FET11的工作與標準FET相似。當開啟單片功率FET11時，F(xiàn)ET18被開啟。開關FET19和21由加到控制極引線16和17上的電壓信號開啟。眾所周知，F(xiàn)ET的特征在于其寬度和柵極長度的比(W/L)?？刂茦O引出線16和17使單片功率FET11用作起可變寬度的FET。截止開關FET19和21使得只有單片功率FET11的一部分工作。這通常在靜態(tài)條件下及FET18能滿足要求的限定的低功率范圍內(nèi)發(fā)生。當對單片功率FET11的功率要求增加時，器件的其余部分(開關FET19和21)被同時或遞增開啟。遞增開啟開關FET為保持所有工作條件下的最佳尺寸提供了對單片功率FET11寬度更精細的控制。通過保持FET18的面積，DC功耗可被減至最小。盡管圖1給出兩個開關FET，但應該知道，少至一個或多至所要求數(shù)目的開關FET可按上面所述并聯(lián)。在最佳實施例中，F(xiàn)ET18的幾何尺寸的選擇是針對采用該FET的應用的靜態(tài)條件的。在低于最大功率時，如果不是所有的開關FET都開啟，則各控制極引線使得開關FET可按功率要求的規(guī)定來開啟。如圖示，F(xiàn)ET18和FET19和21具有相同的導電類型。
圖2是說明裝在高頻放大級31中的單片功率FET32的例子。高頻放大級31有一輸入端36，信號被加到該輸入端，其在輸出端37提供放大信號。單片功率FET32由FET33和開關FET34按上述方式構成。在最佳實施例中，單片功率FET32是MESFET。MESFET以其高頻性能而著稱。MESFET通常用在電池供電的放大器的輸出級中，該放大器以大于幾百MHz的頻率發(fā)射，如一蜂窩電話。
電阻器38和39構成與電源VGG1耦合的電阻分壓器用于向單片功率FET32提供直流偏壓。電容器41和電感器42及43構成阻抗匹配級，例如用來使高頻放大級31與前級(未給出)匹配。眾所周知，阻抗匹配對最大功率傳輸和最大效率都是重要的。
單片功率FET32的源極通過電感器44接地。加到單片功率FET32控制輸入端46的電壓開啟和截止開關FET34。單片功率FET32的漏極與輸出阻抗匹配電路耦合。輸出阻抗匹配電路包括電感器45-49和電容器51-53。輸出端37通常與濾波器或天線耦合。
高頻放大級31的工作有兩種不同方式。在第一種方式中，當加到輸入端36的信號低于預定電平時，開關FET34被加到控制輸入端46的信號截止。在這種方式中，通過電阻器38和39加到單片功率FET32上的DC偏壓足能開啟FET33和34。提供給控制輸入端46的信號使FET34截止，從而減小高頻功率放大級31的偏置電流和功耗。FET33的尺寸足夠用來放大低于預定電平的輸入信號。
在第二種方式中，加到輸入端36的信號超過預定電平。這種方式中，加到控制輸入端46的信號開啟與FET33并聯(lián)的開關FET34。單片功率FET32增加后的尺寸足以處理高頻放大級31的輸入信號要求的高功率輸出。于是，當加到FET31的輸入信號電平不超過一定電平，就只有部分FET32開啟(FET33)。一旦輸入信號超過該電平，F(xiàn)ET32其余部分就開啟(FET34)。
單片功率FET32的輸入電容與標準功率FET相似。輸入電容的主要電容是器件的柵極電容。輸入電容是輸入阻抗匹配級的重要組成部分，其在高頻放大級31的工作范圍變化不可能不顯著影響功率傳輸特性。在最佳實施例中，當開關FET34開啟或截止時，單片功率FET32的輸入電容保持相對恒定，從而使輸入功率傳輸最大。FET33和開關FET34的柵極都與輸入阻抗匹配級耦合。相似地，單片功率FET32的輸出阻抗影響輸出阻抗匹配級。開啟的開關FET34可稍稍改變單片功率FET32的輸出阻抗(通常5-7%)，但這個變化不足以嚴重影響阻抗匹配。單片功率FET32減小DC功耗，不顯著影響阻抗匹配級，且滿足高頻放大級31的最大功率要求。
圖3是原理1所畫單片功率FET61的物理布線圖。單片功率FET61有柵極引出線64、漏極引出線63、源極引出線62、控制極引出線66和控制級引出線67。單片功率FET61包括FET68、開關FET69和開關FET71。
FET68是標準的FET結構，其柵極與柵極引出線64耦合，其漏極與漏極引出線63耦合，源極與源極引出線62耦合。FET68的源極與FET69的源極共用。開關FET71和69制成每個有兩個柵極串聯(lián)的可開關結構。除非給開關FET的每個柵極加適當?shù)碾妷?，否則串聯(lián)柵極結構中沒有電流從漏極流到源極，在最佳實施例中，控制柵極(串聯(lián)柵極中的一個)被偏置到完全開啟開關FET。兩串聯(lián)柵極中剩下的那個柵極起象FET68的柵極那樣的標準柵極的作用。
開關FET69的柵極(gA)與柵極引出線64耦合，漏極與漏極引出線63耦合，源極(sA)與源極引出線62耦合，控制柵極(gB)與控制極引出線66耦合。開關FET69的漏極(D)與開關FET71的漏極共用。開關FET71的柵極(gC)與柵極引出線64耦合，漏極(D)與漏極引出線63耦合，源極(與FET69共用)與源極引出線62耦合，控制柵極(gD)與控制極引出線67耦合。所示布線圖僅是許多可用變更中的一種，單片功率FET61的布線圖應將寄生電阻和電容減到最小。
正如前面提到的，單片功率FET中含有的開關FET的數(shù)目取決于具體應用。附加開關FET改進了單片功率FET的尺寸(或寬度)的調(diào)節(jié)，但要以增加控制信號為代價。
到現(xiàn)在應該知道，所提供的單片功率FET采用標準半導體工藝技術能很容易制造出來，單片功率FET具有可調(diào)寬度，同時保持與標準非可調(diào)FET相似的輸入和輸出特性。
權利要求
1.單片功率FET(場效應晶體管)(11)的特征為FET(18)包括柵極、漏極和源極；至少一個開關FET(19，21)，所述至少一個開關FET包括與所述FET的柵極耦合的第一柵極、第二柵極，與所述FET的漏極耦合的漏極和與所述FET的源極耦合的源極。
2.根據(jù)權利要求1所述單片功率FET(11)，其中所述至少一個開關FET(19，21)的第一和第二柵極串聯(lián)在其所述漏極和源極之間。
3.根據(jù)權利要求2所述單片功率FET(11)，其中所述至少一個開關FET(19，21)的第二柵極與加以開啟所述開關FET(19，21)的電壓信號的引出線耦合。
4.權利要求3所述單片功率FET(11)，其中所述至少一個開關FET(19，21)的第二柵極的位置比其源極更接近漏極。
5.功率FET(11)接收DC偏置電流時，使功率FET(11)高效工作的方法，該方法包括在靜態(tài)條件下和低于預定輸入信號電平時，功率FET(11)僅有一部分開啟;在所述預定輸入信號電平以上，功率FET(11)的其余部分與已開啟部分一起開啟。
6.權利要求5所述方法，其中所述開啟功率FET(11)其余部分的步驟包括當功率要求增加時，遞增開啟功率FET(11)所述其余部分的分立區(qū)域，每次遞增開啟所述分立區(qū)域使增加功率FET(11)的寬度。
7.制造可變寬度FET(11)(場效應晶體管)的方法包括構造可變寬度FET(11)的不可開關部分;構造可變寬度FET(11)的可開關部分以改變可變寬度FET(11)的寬度。
8.權利要求7所述的方法，其中所述構造不可開關部分的步驟包括構造相應于所述不可開關部分的FET(18)，其具有分別與可變寬度FET(11)的柵極、漏極和源極耦合的柵極、漏極和源極。
9.權利要求8所述方法，其中所述構造可開關部分的步驟包括構造至少一個開關FET(19，21)，其具有分別與可變寬度FET(11)的柵極、漏極耦合的第一柵極、漏極和源極，所述至少一個開關FET(19，21)還包括用來開啟所述至少一個開關FET(19，21)，以增加可變寬度FET(11)寬度的第二柵極。
10.權利要求9所述方法，其中所述構造至少一個開關FET(19，21)的步驟包括構造串聯(lián)在所述至少一個開關FET(19，21)的漏極和源極間的第一和第二柵極。
全文摘要
這是一種用來減小功耗的可變寬度FET，可變寬度FET包括FET，開關FET和另一個開關FET。開關FET具有與FET的柵極、漏極、源極并聯(lián)的柵極、漏極和源極。此外，開關FET每個都有一用來開啟相應器件的控制柵極。開啟的開關FET增加可變寬度FET的寬度，從而增加其功率處理能力。截止開關FET減小可變寬度FET的寬度，從而減少所需的直流偏置電流以降低功耗。
文檔編號H03F3/193GK1108815SQ94115709
公開日1995年9月20日 申請日期1994年8月25日 優(yōu)先權日1993年8月30日
發(fā)明者查爾斯·E·韋策爾, 戴維·J·霍爾欽 申請人:摩托羅拉公司