用于通信器件的电子元件以及用于转换发射和接收的半导体器件.pdf

提供一种发射/接收开关电路，其有小的插入损耗和谐波失真，并允许功率放大器的输出功率的提高，还提供一种用于通信的电子元件，在该电子元件上安装该发射/接收开关电路。使用串联的FET或多栅FET代替二极管作为构成无线通信系统中的发射/接收开关电路的元件。将连接在单个的栅极端子与控制端子之间的栅极电阻器设置成具有从施加了最高电压的栅极朝向施加了最低电压的栅极逐渐变小的电阻值。

1、  一种用于通信的电子元件，包括：
第一功率放大电路，用于放大要被发射的第一频带下的RF信号；
第二功率放大电路，用于放大要被发射的第二频带下的RF信号；
连接于发射/接收天线的第一端子；
第二端子，连接到用于处理接收的第一频带下的RF信号的第一接收电路；
第三端子，连接到用于处理接收的第二频带下的RF信号的第二接收电路；
第一开关电路，设置在所述第一端子与所述第一功率放大电路之间和所述第一与第二端子之间；以及
第二开关电路，设置在所述第一端子与所述第二功率放大电路之间和所述第一与第三端子之间，
其中，构成所述第一开关电路的晶体管和构成所述第二开关电路的晶体管具有各自彼此不同的特性，从而使第一开关电路的插入损耗与第二开关电路的插入损耗平衡。

2、  根据权利要求1所述的用于通信的电子元件，其中构成所述第一开关电路的晶体管和构成所述第二开关电路的晶体管具有不同特性，其栅极宽度不同。

3、  根据权利要求1所述的用于通信的电子元件，
其中所述第一开关电路包括设置在所述第一端子与第一功率放大电路之间的第一开关装置和设置在所述第一与第二端子之间的第二开关装置，
其中所述第二开关电路包括设置在所述第一端子与第二功率放大电路之间的第三开关装置和设置在所述第一与第三端子之间的第四开关装置，所述第二和第四开关装置的每一个由单个多栅晶体管或多个串联的晶体管构成，各自的电阻器元件连接在晶体管的多个栅极端子或晶体管与其中被公共使用的控制输入端子之间，将电阻器元件的电阻值设置成，使得与更接近所述第一端子的栅极端子相连接的电阻器元件具有更大的电阻值。

4、  根据权利要求3所述的用于通信的电子元件，
其中第一和第三开关装置的每一个由单个多栅晶体管或多个串联连接的晶体管构成，各自的电阻器元件连接在晶体管多个栅极端子或晶体管与在其间被公共使用的控制输入端子之间，且将电阻器元件的电阻值设置成，使得与更接近于所述第一端子的栅极端子相连接的电阻器元件具有更小的电阻值。

5、  一种用于通信的电子元件，包括：
第一功率放大电路，用于放大要被发射的第一频带下的RF信号；
第二功率放大电路，用于放大要被发射的第二频带下的RF信号；
连接于发射/接收天线的第一端子；
第二端子，连接到用于处理接收的第一频带下的RF信号的第一接收电路；
第三端子，连接到用于处理接收的第二频带下的RF信号的第二接收电路；
第一开关电路，设置在所述第一端子与所述第一功率放大电路和所述第二端子之间；以及
第二开关电路，设置在所述第一端子与所述第二功率放大电路和所述第三端子之间，
其中，将所述第二频带中的频率调节至小于所述第一频带中的频率，且将形成在所述第二功率放大电路与第二开关电路之间用于传送要被发射的RF信号的第一信号线设计成比第二信号线长，所述第二信号线形成在所述第一功率放大电路与第一开关电路之间以传送要被发射的RF信号。

6、  一种用于通信的电子元件，包括：
第一功率放大电路，用于放大要被发射的第一频带下的RF信号；
第二功率放大电路，用于放大要被发射的第二频带下的RF信号；
连接于发射/接收天线的第一端子；
第二端子，连接到用于处理接收的第一频带下的RF信号的第一接收电路；
第三端子，连接到用于处理接收的第二频带下的RF信号的第二接收电路；
第一开关电路，设置在所述第一端子与所述第一功率放大电路和所述第二端子之间；和
第二开关电路，设置在所述第一端子与所述第二功率放大电路和所述第三端子之间，
其中，经由电阻器元件，向所述第一开关电路的信号输入端子和所述第二开关电路的信号输入端子以及所述第一端子的每一个施加特定的直流电压，其中所述第一开关电路被输入了要发射的所述第一频带下的RF信号，所述第二开关电路被输入要发射的所述第二频带下的RF信。

7、  根据权利要求6所述的用于通信的电子元件，
其中至少所述第一和第二开关电路形成在单个半导体芯片上，且连接于所述信号输入端子与所述第一端子的每一个的所述电阻器元件连接至半导体芯片外侧的所述半导体芯片的特定端子。

8、  一种用于转换发射和接收的半导体器件，包括：
连接于发射/接收天线的第一端子；
连接于发射电路的第二端子；
连接于接收电路的第三端子；
设置在所述第一与第二端子之间的第一开关装置；和
设置在所述第一与第三端子之间的第二开关装置，所述半导体器件通过所述第一和第二开关装置的开启/关闭操作来在要被发射的信号与接收信号之间进行转换，
其中所述第二开关装置由单个多栅晶体管或多个串联的晶体管构成，各电阻器元件连接在晶体管的多个栅极端子或晶体管与在其间被公共使用的控制输入端子之间，并且将电阻器元件的电阻值设置成使得与更接近于所述第一端子的栅极端子相连接的电阻器元件具有更大的电阻值。

9、  根据权利要求8所述的用于转换发射和接收的半导体器件，
其中所述第一开关装置由单个多栅晶体管或多个串联的晶体管构成，各电阻器元件连接在晶体管的多个栅极端子或晶体管与在其间被公共使用的控制输入端子之间，将电阻器元件的电阻值设置成使得与更接近所述第一端子的栅极端子相连接的电阻器元件具有更大的电阻值。

10、  根据权利要求8所述的用于转换发射和接收的半导体器件，
其中所述电阻器元件的每一个由难熔金属层或难熔金属的硅化物层构成，所述难熔金属层或难熔金属的硅化物层在形成有所述晶体管或多个晶体管的半导体衬底的晶体管形成区域外侧的绝缘膜上形成特定图形。

11、  根据权利要求8所述的用于转换发射和接收的半导体器件，
其中所述第二开关装置由多栅晶体管和第二晶体管构成，所述第二晶体管连接在所述第一与第三端子之间与所述多栅晶体管串连，各自的电阻器元件连接在所述多栅晶体管的多个栅极端子与在其间被公共使用的控制输入端子之间，将所述电阻器元件的电阻值设置为，使得与更接近于所述第一端子的栅极端子相连接的电阻器元件具有更大的电阻值。

12、  根据权利要求8所述的用于转换发射和接收的半导体器件，还包括：
连接于第二接收电路的第四端子；和
连接在所述第一与第四端子之间的第三开关装置，
其中所述第三开关装置由单个多栅晶体管或多个串联的晶体管构成，各自的电阻器元件连接在晶体管的多个栅极端子或晶体管与在其间被公共使用的控制输入端子之间，将所述电阻器元件的电阻值设置为，使得与更接近所述第一端子的栅极端子相连接的电阻器元件具有更大的电阻值。

用于通信器件的电子元件以及 用于转换发射和接收的半导体器件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2003年8月27日提交的日本专利申请JP2003-208960的优先权，通过引用将其内容并入本申请。
发明背景
本发明涉及一种技术，当该技术应用于无线通信系统中的发射/接收开关电路时以及由此通过减小插入损耗来改善天线与接收电路之间的隔离的情况下，是有效的。更为具体地，本发明涉及一种技术，当该技术应用于形成有发射/接收开关电路的半导体集成电路时，该半导体集成电路用于例如移动电话，并且当应用于安装了所述半导体集成电路、低通滤波器、阻抗匹配电路等的前端模块时，以及应用于用于通信的电子元件，例如通过将高输出放大电路安装在所述前端模块而获得的功率模块时，是有效的。
已经有常规的双频带移动电话，每一个所述电话能够处理两个频带中的信号，例如，范围从880至915Mhz的GSM(移动通信全球系统)频带和范围从1710至1785MHz的DCS(数字电话系统)频带。近些年来，还需求三频带移动电话，所述电话除了能处理GSM和DCS频带中的信号外，还能够处理例如范围从1850至1915MHz的PCS(个人通信系统)频带中的信号，并需求四频带移动电话，其能够处理采用800MHz频带的EP GSM模式下的信号和采用850MHz的US GSM模式下的信号。
常规的移动电话一般由下述元件构成：称为功率模块的电子元件，在该电子元件上安装具有上变频和调制要被发射的信号以及下变频并解调接收信号的功能的半导体集成电路(一般称为RF IC)、具有将被发射的数据转换成I和Q信号以及存储来自解调的I和Q信号的接收数据的功能的半导体集成电路(基带IC)、RF功率放大器和用于该器件的偏压电路、阻抗匹配电路等；称为前端模块的电子元件，在该电子元件上安装有发射/接收开关电路、低通滤波器、阻抗匹配电路等；以及类似元件。
用于常规移动电话中的大多数发射/接收开关电路使用二极管来减小插入损耗。可以将在专利文献1中公开的一个示例作为本发明的涉及前端模块的一个实例，在该模块上安装有使用二极管的开关电路。在本说明书中，如下的多个半导体芯片和分离元件被称为模块，所述多个半导体芯片和分离元件安装在绝缘基板上，例如在表面上或内侧设置有印刷布线的陶瓷基板，且所述多个半导体芯片和分离元件可以被处理，好像它们由包含通过印刷布线和接合布线结合的独立元件构成单个电子元件构成。
[专利文献1]：日本未审专利公开No.2003-051751
发明概述
利用二极管的发射/接收开关电路使用分离的元件。因此，在需要多个二极管的系统中，诸如四频带系统，安装该系统的模块显著地具有增加尺寸和高电流损耗的问题。除二极管元件外，利用二极管的发射/接收开关电路还需要具有大约5mm长的λ/4微带线，这导致进一步增加组件的尺寸。
为了解决该问题，本发明者已经研究了利用FET(场效应晶体管)代替二极管的发射/接收开关电路。结果，证明利用FET的发射/接收开关电路具有下述问题。即，如果在利用FET的发射/接收开关电路中，输入到处于关闭状态下的晶体管的源极或漏极的信号电平高，则输入功率将晶体管转变为开启。因此，功率放大器的输出功率不被增加，而同时使输出信号失真且由此增加谐波元件的数量。下面将详细说明该问题。
图11示出通过本发明者研究的利用HEMT(高电子迁移率晶体管)的发射/接收开关电路。图11的发射/接收转换电路由下述元件构成：连接在发射器端子Tx与公共端子COM之间的第一开关晶体管Q1，所述发射器端子Tx连接于功率放大器的输出端子，所述公共端子COM连接于天线；和连接在连接于天线的公共端子COM与接收器端子Rx之间的第二开关晶体管Q2，所述接收器端子Rx连接于诸如低噪音放大器的接收电路的输入端子。将直流电压Vdc经由各自的诸如扼流圈的电感L1和L2持续不变地施加于发射器端子Tx和接收器端子Rx。
使用耗尽型HEMT作为晶体管Q1和Q2。经由电阻Rg1和Rg2向各自的栅极端子施加控制电压Vsw1和Vsw2，并将直流电压Vdc施加于晶体管Q1和Q2的每一个的源极和漏极端子。因此，尽管它们是耗尽型，当将控制电压Vsw1和Vsw2转换到诸如地电势GND(0V)地低电平时，晶体管Q1和Q2进入关闭状态，而当将控制电压Vsw1和Vsw2转换到诸如电源电压Vcc的高电平时，晶体管Q1和Q2进入开启状态。具体地说，在发射模式下，将控制电压Vsw1转换到高电平而将控制电压Vsw2转换到低电平，从而使晶体管Q1进入开启状态而使晶体管Q2进入关闭状态。在接收模式下，将控制电压Vsw1转换到低电平而将控制电压Vsw2转换到高电平，从而使晶体管Q1进入关闭状态而使晶体管Q2进入开启状态。
图12示出等效于在发射模式下的发射/接收开关电路的电路，其中晶体管Q1进入开启状态而使晶体管Q2进入关闭状态。在发射模式下，由源-漏电阻Ron1、栅-源电容Cgs1和栅-漏电容Cgd1表示晶体管Q1，如图12中所示。Ron1表示晶体管Q1的开启状态电阻(沟道电阻)。另一方面，由源-漏电容Cds2、栅-源电容Cgs2和栅-漏电容Cgd2表示晶体管Q2。在发射模式下需要的特性为在发射端子Tx与连接于天线的公共端子COM之间的小插入损耗和连接于天线的公共端子COM与接收器端子Rx之间的高隔离。
通常，在开启状态下的FET的沟道电阻Ron1低(1Ω或更低)，从而来自晶体管Q1的插入损耗也低(0.5dB或更低)。因此，将要从功率放大器发射的已经输入到发射器端子Tx的输出经过电阻Ron1并以低损耗传送到连接于天线的公共端子COM。然而，在RF信号的情况下，信号会经由图12中示出的晶体管Q1的栅-源电容Cgs1而泄漏，因此通过提供大约10kΩ的栅电阻Rg1来抑制由信号泄漏引起的插入损耗的增加。该布置允许以低损耗将输出从功率放大器经由晶体管Q1传送到连接于天线的公共端子COM，所以在图11的开关电路的情况中，要从功率放大器发射的输出还直接输入到晶体管Q2。结果，晶体管Q2的隔离特性确定了最大容许输入功率。
图13示出当构成图11的开关电路的晶体管Q2处于关闭状态下时施加到栅-源电容Cgs2的RF电压的波形(i)，以及当晶体管Q1处于开启状态下时施加到栅-源电容Cgs1的RF电压的波形(ii)。在发射模式下，处于开启状态下的晶体管Q1的源-漏电阻Ron1低(1Ω或更低)，所以源电势与漏电势之间的差小。因此，施加到晶体管Q1的栅-源电容Cgs1的RF电压的波形(i)具有小振幅。
通过比较，在关闭状态下的晶体管Q2的源极和漏极经由电容彼此耦合，同时通过利用作为偏压点的直流电压Vdc使在天线端子的信号改变，并向晶体管Q2的栅极端子施加0V电压。因此，如果假设向晶体管Q1的栅-源电容Cgs1施加的RF电压的波形(ii)的中心电势为“0”，则向关闭状态下的晶体管Q2的栅-源电容Cgs2施加具有中心在-Vdc值附近且振幅为2(|Vdc|-|Vth|)的波形(i)的RF电压。这里，Vth表示晶体管Q1和Q2的每一个的阈值电压，所以，如果将高于给定的|Vdc|-|Vth|的值的电压施加在晶体管Q2的栅与源之间，则晶体管Q2转换为开启，且经由晶体管Q1传送到天线端子的RF信号泄漏到接收器端子Rx。
因此，在图11的开关电路中的最大容许输入功率的振幅变为2(|Vdc|-|Vth|)。如果功率放大器输出功率高于此的RF信号，会相应增加开关电路的插入损耗且产生谐波。虽然如果减小晶体管Q1和Q2每一个的阈值电压Vth能够增加最大容许输入功率的振幅，但是如果减小阈值电压Vth则会增加开启状态电阻Ron，并由此增加插入损耗，所以减小阈值电压Vth不是优选的。
因此，本发明的目的是提供一种发射/接收开关电路，通过减小构成系统和模块的元件数量并由此增加组装密度，能够减小该电路的尺寸和电流消耗，以及提供一种用于通信的在其上安装有该发射/接收开关电路的电子元件。本发明的另一目的是提供一种发射/接收开关电路，该电路有小的插入损耗和谐波失真，并提供一种用于通信的在其上安装有该发射/接收开关电路的电子元件。
本发明的又一目的是提供一种发射/接收开关电路，该电路允许增加功率放大器的输出功率，并提供一种用于通信的在其上安装有该发射/接收开关电路的电子元件。
本发明的上述和其它目的以及新颖特征通过本说明书的说明和附图将变得显而易见。
下面是对在本申请中公开的本发明的代表性方案的概要的简单描述。
具体地说，使用串联的FET或多栅FET代替二极管作为构成在无线通信系统中的发射/接收开关电路的元件，以使得连接在单个的栅极端子与控制端子之间的栅极电阻器的电阻值在从施加了最高电压的栅极向施加了最低电压的栅极的方向上逐渐变低。或者，在由第一晶体管和第二晶体管构成的开关电路中，优选地，向发射器端子与连接于天线的端子的每一个施加用于偏置的直流电压，所述第一晶体管连接在向其输入要被发射的信号的发射器端子与连接天线的端子之间的，所述第二晶体管连接在与天线连接的端子和用于向接收电路供给接收信号的接收器端子之间。
采用前述装置，通过利用所述FET或多个FET替换二极管作为构成开关电路的元件，可以减小构成系统和模块的元件数量，且可以增加安装密度。在从施加最高电压的栅极向施加最低电压的栅极的方向上通过逐渐地减小栅极电阻器的电阻值，能够防止输入了较高电压的FET较早进入开启状态的情况，减小插入损耗，且由此减小谐波失真。通过向发射器端子和连接于天线的端子的每一个施加用于偏置的直流电压，可以增加输入到发射器端子的RF信号的最大容许功率。
附图的简要描述
图1是示出根据本发明的发射/接收开关电路的第一实施例的结构的电路图；
图2是示出根据本发明的发射/接收开关电路的第二实施例的结构的电路图；
图3是示出由本发明者研究的发射/接收开关电路的一个实例的结构的电路图；
图4是示出根据本发明的发射/接收开关电路的第三实施例的结构的电路图；
图5是示出根据本发明的发射/接收开关电路的第四实施例的结构的电路图；
图6是示出由根据本发明的发射/接收开关电路、功率放大器和低通滤波器构成的模块的优选实施例的示意性结构的框图；
图7是示出由根据本发明的发射/接收开关电路、功率放大器和低通滤波器构成的模块的第二实施例的示意性结构的框图以及利用该模块的无线通信系统的框图；
图8是示出根据实施例的整个SWIC的布局结构的平面图；
图9是示出通过放大由图8中的参考标记A标示的范围的内部而获得的布局的平面图；
图10A至10C是沿图9的线A-A的横截面图，按制作步骤的顺序示出了单个制造步骤；
图11是示出由本发明者研究的利用HEMT(高电子迁移率晶体管)的发射/接收开关电路的结构的电路图；
图12是在发射模式下发射/接收开关电路的等效电路图，其中使图11的晶体管Q1和Q2分别进入开启状态和关闭状态；和
图13是当构成图11的开关电路的晶体管Q2处于关闭状态时施加到栅-源电容Cgs2的RF电压的波形(i)和当晶体管Q2处于开启状态时施加到栅-源电容Cgs1的RF电压的波形(ii)。
发明的详细描述
图1示出根据本实施例的发射/接收开关电路的第一实施例。本实施例的发射/接收开关电路是在诸如GaAs芯片的半导体衬底上形成的半导体集成电路。
本实施例的发射/接收开关电路包括：连接在发射器端子Tx与连接到天线的公共端子COM之间的第一开关晶体管Q1，所述发射器端子Tx连接于功率放大器输出端子；和连接在前述公共端子COM与接收端子Rx之间的第二开关晶体管，其中诸如低噪音放大器的接收电路的输入端子连接于该接收端子Rx。经由各自的外部电阻器Rd1和Rd2向前述发射器端子Tx与公共端子COM施加直流电压Vdc。
使用耗尽型P-沟道HEMT作为晶体管Q1和Q2。晶体管Q1和Q2的每一个形成为三栅元件，在该三栅元件中相对于一个沟道形成三个栅极。经由各自的电阻器R11、R12和R13向晶体管Q1的栅极施加控制电压Vsw1，同时经由各自的电阻器R21、R22和R23向晶体管Q2的栅极施加控制电压Vsw2。因为已经向晶体管Q1和Q2每一个的源极端子施加直流电压Vdc，所以当将控制电压Vsw1和Vsw2转换到诸如地电势GND(0V)的低电平时，晶体管Q1和Q2进入关闭状态，而当将控制电压Vsw1和Vsw2转换到诸如电源电压Vcc的高电平时，晶体管Q1和Q2进入开启状态，尽管它们是耗尽型。
具体地说，在发射模式下，将控制电压Vsw1转换到高电平而将控制电压Vsw2转换到低电平，因此晶体管Q1进入开启状态而晶体管Q2进入关闭状态。在接收模式下，将控制电压Vsw1转换到低电平而将控制电压Vsw2转换到高电平，从而使晶体管Q1进入关闭状态而使晶体管Q2进入开启状态。
虽然在本实施例中电阻器Rd1和Rd2由外部电阻器构成，容易理解它们可以由单片电阻器构成。还可以使用诸如扼流圈的电感器代替电阻器Rd1和Rd2。然而，电阻器的使用促进了使用单片构造，实现元件数量的减少，并允许系统尺度减小。由于电阻器Rd1和Rd2的电阻值更大，能够更可靠地防止RF元件泄漏到用于供给控制电压Vsw1和Vsw2的信号线是并防止插入损耗的增加。然而，过大电阻值导致缓慢地开关响应，所以将它们设置在5kΩ至20kΩ的范围内。
在本实施例中，将用于晶体管Q1的栅极电阻器(gate resister)R11、R12和R13各自的电阻值r11、r12和r13设置成满足，例如r11＝3×r13和r12＝2×r13，从而建立r11＞r12＞r13的关系。同样，将用于晶体管Q2的栅极电阻器R21、R22和R23各自的电阻值r21、r22和r23也设置成满足r21＞r22＞r23，例如r21＝3×r23和r22＝2×r23。这里，对于r13和r23的每一个选择诸如5kΩ的值。
如图2中所示，虽然源-漏电阻比图1的电路略高，发射/接收开关电路可以由串联连接的三个HEMT Q21、Q22和Q23构成的开关组成，使得栅极电阻器R21、R22和R23各自的电阻值r21、r22和r23满足这样给出的关系，例如r21∶r22∶r23＝3∶2∶1，并且所述发射/接收开关电路可以由串联连接的三个晶体管Q11、Q12和Q13构成的开关(省略对其描述)组成，使得栅极电阻器R11、R12和R13各自的电阻值r11、r12和r13同样满足这样给定的关系，例如r11∶r12∶r13＝3∶2∶1。
在发射/接收开关电路中，该电路使用如图3中所示的由晶体管Q21、Q22和Q23构成的开关和相似地由晶体管Q11、Q12和Q13构成的开关(因此偏压电源提供点为发射器端子Tx)，晶体管Q21、Q22和Q23各自具有和如图2所示的晶体管相同结构并被连接成三级，使得各栅极电阻器具有相同的电阻值，且其中经由电阻器Rd2向接收器端子Rx施加偏置电压Vdc，而晶体管Q11、Q12和Q13被连接成三级，使得各栅极电阻器具有相同的电阻值，在较接近于处于关闭状态(Vsw2＝0V)下的晶体管Q21、Q22和Q23的源极的各节点Nd1、Nd2和Nd3的电势Vd1、Vd2和Vd3满足Vd1＞Vd2＞Vd3，所以从源极流向栅极的电流Ig1、Ig2和Ig3满足Ig1＞Ig2＞Ig3。
因此，晶体管Q21、Q22和Q23的栅-源电压Vgs1、Vgs2和Vgs3满足Vgs1＞Vgs2＞Vgs3。结果，当向较接近于天线端子的晶体管Q21的源极施加诸如具有图13中示出的波形(i)的RF电压Vin时，栅-源电压Vgs1达到开启电压(|Vdc|-|Vth|)且比其它晶体管Q22和Q23更早切换到开启状态。结果，当晶体管Q21、Q22和Q23处于关闭状态时，开关电路的最大容许输入电压不增高那么多。
通过比较，如果使用如图2中示出的开关，则将栅极电阻器R21、R22和R23各自的值r21、r22和r23设置成满足由r21∶r22∶r23＝3∶2∶1给出的关系。结果，电流Ig1、Ig2和Ig3在栅极电阻器R21、R22和R23中流动，由于电压降，使得在晶体管Q21、Q22和Q23的栅极的各电压按照晶体管Q21、Q22和Q23的顺序逐渐降低，而晶体管Q21、Q22和Q23的栅-源电压Vgs1、Vgs2和Vgs3基本相同。这防止了这样一种情况，在这种情况中接近于天线端子的晶体管Q21比其它晶体管Q22和Q23早进入开启状态，从而增加了最大容许输入电压。这对于图1中利用三栅HEMT作为开关晶体管的开关电路也是有效的。
在发射期间也进入开启状态的晶体管Q11、Q12和Q13中，在晶体管Q11、Q12和Q13的每一个的源与漏之间分配输入RF电压Vin，且栅-源电压Vgs1、Vgs2和Vgs3满足Vgs1＞Vgs2＞Vgs3。因此，如果栅电阻相同，最接近于发射器端子Tx的晶体管Q11的栅-源电压最先超过被称为内建电势的电压Vbi，在该电压下，当由图13的波形(ii)表示的RF电压增加并产生大量谐波成分时，使正向电流流入栅极中。
通过比较，如在该实施例中那样，通过将栅极电阻器R11、R12和R13的电阻值r11、r12和r13之间的比率调节为3∶2∶1，晶体管Q11、Q12和Q13的栅-源电压Vgs1、Vgs2和Vgs3变得基本相同。这防止了电流最先流进最接近于发射器端子Tx的晶体管Q11的栅极中。这还适用于图1的利用三栅极HEMT作为开关晶体管的开关电路。因为在根据图1的实施例的开关电路和根据图2的实施例的开关电路的每一个中，将在输入RF功率一侧的晶体管的栅极电阻器的电阻值调节得更大，所以可以将最大容许输入电压设置为大于图11中示出的开关电路中的值。
另外，由于没有可以在中间设置源极和漏极的区域，因而沟道较短，并且由于没有源极电阻和漏极电阻因而可以减小开启状态电阻Ron，这实现了插入损耗的减小，所以使用三栅极HEMT的图1的开关电路优于图2中第三晶体管串联连接的开关电路。而且由于对被输入RF功率的晶体管Q1和Q2的每一个的端子施加用于给定RF信号工作点的偏置电压Vdc，从而减小谐波失真，所以根据图1和2的实施例的开关电路是有利的。
虽然可以想到能够使用和输入RF功率的晶体管Q2的端子相对的端子作为向其施加偏置电压的点，如图11中所示，该布置包括这样的可能性，即，由于晶体管Q2的栅-源电容Cgs2的非线性，RF信号(图13的波形(i))的工作点如图13中的箭头X所示移动至超出阈值电压Vth的线并增加谐波失真。通过比较，在根据图1和2的实施例的开关电路中，偏置电压Vd施加于被输入RF功率的晶体管Q2的端子，从而减小谐波失真。
同样地，在晶体管Q1中，还能够使用在另一侧上的连接于天线的公共端子COM而非发射器端子Tx作为向其施加偏置电压的点。然而，该布置包括这样的可能性，由于晶体管Q1的开启状态电阻Ron的非线性，RF信号(图13的波形(ii))的工作点如图13中的箭头Y所示移动以导致在漏电流特性非线性的区域中工作并增加谐波失真。通过比较，因为在根据图1和2的实施例的开关电路的每一个中，偏置电压Vdc施加于被输入RF功率的晶体管Q1的发射端子Tx，因此可以减小谐波失真。
图4示出根据本发明的发射/接收开关电路的第三实施例。
在该实施例中，将开关晶体管Q3设置在连接于天线的公共端子COM与第二接收器端子Rx2之间以与图1的实施例中的开关晶体管Q2并联。与晶体管Q2相似，晶体管Q3由三栅极HEMT构成。连接于栅极的电阻器R31、R32和R33的电阻值r31、r32和r33设置为3∶2∶1。该实施例的开关电路常规地适用于构成能够发射可接收两种不同频带的信号的系统，例如GSM模式的信号和DCS模式的信号。
图5示出根据本发明的发射/接收开关电路的第四实施例。
在该实施例中，将并联结构的开关晶体管Q3和Q4设置在图1的实施例中的开关晶体管Q2与第一接收器端子Rx1之间和开关晶体管Q2与第二接收其端子Rx2之间，以进一步提高在接收器处的隔离。晶体管Q3和Q4的每一个由双栅极HEMT构成。将电阻器R31、R32、R41和R42的电阻值r31、r32、r41和r42设置成满足r31≥r32和r41≥r42。该实施例的开关电路还可容易地用于构成能够发射可接收两种不同的频带的信号的系统，例如GSM模式中的信号和DCS模式中的信号。
图6示出了一个模块的优选实施例示意结构，所述模块由根据本发明的发射/接收开关电路、功率放大器和低通滤波器组成。
根据该实施例的所述模块包括：形成于半导体集成电路中的开关电路(SWIC)110；功率放大器121，用于放大要发射的1800MHz的DCS信号和要发射的1900MHz的PCS信号；功率放大器122，用于放大要被发射的800MHz至850Mhz的GSM信号；控制电路130，用于产生控制功率放大器121和122的增益的信号和用于在图110中的开关的开启/关闭控制的信号；低通滤波器141和142，用于从被功率放大器121和122放大的RF信号中除去谐波；信号分离器150，用于将DCS和PCS发射/接收信号与GSM发射/接收信号分离，以及类似的器件，所述器件安装在有多个层叠的介质层组成的陶瓷基板100上，每一介质层由氧化铝或等同物制成，并具有布线或微带线，每一布线或微带线由形成在介质层顶部和底部表面上的导电层构成。
SWIC 110由图4或图5的实施例中使用的形成在单个半导体芯片上的两个开关电路构成。该开关各自的栅极的宽度设计成，构成GSM开关电路SW2的晶体管Q1的栅极宽度大于构成DCS/PCS开关电路SW1的晶体管Q1的栅极宽度。GSM最大输出功率为36dB，而DCS/PCS最大输出功率为34dB。这是因为，由于GSM最大输出功率较高，如果不将栅极宽度如上设置，则GSM开关电路和DCS/PCD开关电路没有相同的插入损耗。代替改变构成开关电路SW1和SW2的晶体管的栅极宽度，还能够改变晶体管Q1中的栅极的数量。具体地说，将GSM开关电路SW2的晶体管Q1中的栅极数量调至较小。由插入损耗与接收器隔离之间的权衡决定在GSM开关电路SW2和DCS/PCD开关电路SW1中的晶体管Q2的栅极宽度。
功率放大器121和122以及控制电路130的每一个由单个或多个半导体芯片构成。低通滤波器141和142的每一个由用陶瓷基板100上的导电层形成的电阻器和导电层之间的电容构成，或由安装在基板上的电阻器元件与电容器元件构成。虽然没有绘出，由微带线和层间电容构成的阻抗匹配电路设置在功率放大器121和122与低通滤波器141和142之间。将偏置电压Vdc分别经由外部电阻器Rd21和Rd22施加于SWIC 100的公共端子COM1和COM2。同样地，虽然没有绘出，偏置电压Vdc还施加于发射器端子Tx1和Tx2。信号分离器150由允许DCS和PCS发射/接收信号从其通过的高通滤波器HFT和允许GSM发射/接收信号从其通过的低通滤波器构成。
该实施例的模块外侧，天线ATN连接于信号分离器150，而用于放大接收信号的低噪音放大器221至224带通滤波器211至214连接于SWIC 110的接收器端子Rx1、Rx2、Rx3和Rx4，其中带通滤波器211至214的每一个由SAW滤波器构成。低噪音放大器221至224可以与用于调制要被发射的信号的调制电路、用于执行上变频的混合器、用于解调接收信号的解调电路、用于执行下变频的混合器等一起形成于单个半导体集成电路(称之为RF IC)中。
根据由基带电路提供的输出电平指示信号Vramp，控制电路130产生用于控制功率放大器121和122的增益的信号，并根据表示模式的信号产生用于SWIC 110中的开关电路的发射/接收开关电压Vsw1和Vsw2，其中所述基带电路用于根据要被发射的数据(基带信号)产生I和Q信号，并产生来自解调的I和Q信号的基带信号。基带电路可以构造为在单个半导体芯片上的半导体集成电路(IC)。
通常公知，发射线的阻抗根据由发射线发射的信号的频率而变化。因此，在图6的实施例中，将从低通滤波器142至SWIC 110的线(微带线)L2的长度设置成大于(大约二倍)从低通滤波器141至SWIC 110的线L1的长度，从而线L1的阻抗与线L2的阻抗匹配。这是因为由线L2传送的GSM信号的频率低于(大约1/2)DCS信号(1800MHz)和PCS信号(1900MHz)的频率。通常，在印刷基板上的线主要设计成具有通过线L1传送的最短距离。因此，在该实施例中，线L2设置成弯曲的结构以具有比线L1的路径更长的路径，或者，低通滤波器142设置在比低通滤波器141更远离SWIC 110的位置。
图7示出由根据本发明的发射/接收开关电路、功率放大器和低通滤波器构成的模块以及利用该模块的无线通信系统的的第二实施例示意性结构。在图7中，用相同的参考数字表示与图6中示出的电路相同的电路并省略对其重复描述。
与图6的构造成能够发射/接收四种频带下的信号的实施例的模块相比较，图7的实施例的模块构造成能够发射/接收两种频带下的信号，例如，例如GSM信号和DCS信号。图7的实施例使用在图1的实施例中使用的呈并联结构的两个开关电路和连接于天线并公共连接于两个开关电路的公共端子COM以作为SWIC 110，所述元件形成在单个半导体芯片上。换句话说，图7的实施例使用图4中设置有两个发射器端子Tx的开关电路和设置在第二发射器端子Tx2与公共端子COM之间的与发射器晶体管Q1并联的三栅晶体管，所述元件形成在单个半导体芯片上。
将由用于调制&上变频的混合器240调制的RF信号输入到功率放大器121和122，该混合器根据从基带电路300输入的I和Q信号调制从RF振荡器230发射的信号。将由低噪音放大器221和222放大的接收信号提供到用于解调&下变频的混合器250，在混合器250中解调该接收信号。将被解调的I和Q信号提供到基带电路300，在基带电路中处理被解调的I和Q信号。RF振荡器230与混合器240和250形成为在单个半导体芯片上的半导体集成电路(RF IC)。
同样，在图7的实施例中，还将从低通滤波器142到SWIC 110的线L2(微带线)的长度设置为长于从低通滤波器141到SWIC 110的线L1的长度。
下面参考图8至10介绍当前述实施例的开关电路(SWIC 100)形成在半导体芯片上时的器件结构的实施例。
图8示出根据该实施例的整个SWIC 100的布局结构。图9示出通过放大由图8中的参考标记A表示的范围内的部分而获得的布局。通过将图1中示出的具有单个发射器端子Tx和单个接收器端子Rx的开关电路构造为半导体集成电路而获得图8中示出的SWIC 100。
在图8中，参考标记P1表示作为发射器端子Tx的接合焊盘，P2表示作为公共端子COM的接合焊盘，P3表示作为接收器端子Rx的接合焊盘，P4和P5表示向其输入用于开关晶体管Q1和Q2的开启/关闭控制的电压Vsw1和Vsw2的接合焊盘。另一方面，参考标记L11表示由用氧化铝或等同物制成的导电层构成的并连接到作为发射器端子Tx的接合焊盘P1的线，L12表示连接于作为公共端子COM的接合焊盘P2的线，而L13表示连接于作为接收器端子Rx的接合焊盘P3的线。
将由开关晶体管Q1的有源层(positive layer)、载流子供给层和接触层、其连接于接触层的源/漏极、其设置在源/漏极之间的栅极等形成的晶体管形成区域TAR1设置在位于线L11和L12之间的半导体芯片的表面部分上。另外，将由开关晶体管Q2的有源层、载流子供给层和接触层、其连接于接触层的源/漏极、其设置在源/漏极之间的栅极等形成的晶体管形成区域TAR2设置在位于线L12和L13之间的半导体芯片的表面部分上。而且，由用作晶体管Q1的栅极电阻器R11至R13和晶体管Q2的栅极电阻器R21至R23的电阻器层形成的电阻器形成区域PAR1和PAR2形成在这些晶体管Q1和Q2的一侧(附图的右侧)。
如图9中的放大关系所示，在本实施例中，形成在电阻形成区域PAR1和PAR2中的栅极电阻器R11至R13和R21至R23由电阻器层MR1至MR6构成，该电阻器层MR1至MR6用设置为特定长度的WSiN(硅化钨)或等同物制成的。具体地说，各自具有最小电阻值的栅极电阻器R13和R23由单个电阻器层MR1构成，各自具有栅极电阻器R13和R23的电阻值二倍的电阻值的栅极电阻器R12和R22由两层电阻器层MR2和MR3构成，而各自具有栅极电阻器R13和R23的电阻值三倍的电阻值的栅极电阻器R11和R21由三层电阻器层MR4至MR6构成。将电阻器层MR1至MR6设计成具有相同的长度和相同的电阻值。在使用多层电阻器层例如栅极电阻器R11、R21、R12和R22的情况中，单独的电阻器层通过互联层M1至M4被串联连接。
在晶体管形成区域TAR1中，源极S1、S2、……在从线L11朝向线L12的方向上形成为梳形结构，而漏极D1、D2、……在从线L12朝向线L11的方向上形成为梳形结构。在这些电极之间，将用作栅极的金属层GM1、GM2和GM3布置成相互平行和弯曲的关系。
下面参考图10A至10C给出构成SWIC的开关晶体管Q1和Q2与栅极电阻器R11至R23的横截面结构的实例及其制造方法的说明，图10A至10C是沿图9的线A-A’截取的横截面图，并按照它们形成的顺序示出了单独的制造步骤。
首先，以与常规HEMT制造工艺相同的方式，在半导体绝缘GaAs基板120上顺序形成GaAs外延层121、用作工作层的GaAs层122、用作载流子提供层的AlGaAs层123和用作低电阻接触层的n-GaAs层124。然后，蚀刻掉除晶体管形成区域之外的部分并形成由PSG膜和SiO膜构成的绝缘膜131。随后，将WSiN膜形成在绝缘膜上，然后将其构图以形成用作栅极电阻器的电阻器层141从而实现图10A中示出的状态。
其后，在位于晶体管形成区域之上的绝缘膜131的部分上通过选择性蚀刻形成开口。然后，在开口中形成用作源/漏极的金属层151和152从而实现图10B中示出的状态。随后，选择蚀刻位于金属层151与152之间的绝缘膜131和n-GaAs层124的各自的部分以便于形成三个开口。在三个开口的每一个中形成金属层153，用作与AlGaAs层123接触的栅极，从而实现如图10C中示出的状态。
虽然至此已经给出了本发明者所做出的本发明的实施例的具体说明，本发明不限于前述实施例。很容易意识到在不脱离本发明宗旨的情况下可以做出各种修改和变化。
例如，虽然前述实施例通过所述电阻器将直流电压Vdc施加到发射器端子Tx和公共端子COM的每一个，该直流电压Vdc提供偏压点，还可以经由诸如扼流圈的电感器施加直流电压Vdc。在那种情况中，电感器也可以由外部元件或在形成有晶体管Q1和Q2的同一芯片上形成的单片元件构成。
虽然，在图5的例子中，双栅晶体管Q3和Q4串联连接至三栅晶体管Q2，晶体管Q3和Q4还可以是单栅晶体管。虽然前述实施例已经描述了作为晶体管用于构成开关电路的HEMT，还可以使用诸如MESFET的其它FET替换HEMT。
虽然前述实施例使用WSiN作为连接于开关晶体管Q1和Q2的栅极的栅极电阻器，还可以通过利用具有相对较高的表面电阻的难熔金属，而不是WSi、难熔金属硅化物或其构成的多层叠层，来形成栅极电阻器。
虽然，已经给出了本发明应用于适合于四频带系统和双频带系统的开关电路的情况的说明，其中所述四频带系统构造成能够按照GSM 800、GSM 850、DCS 1800和PCS 1900的四种模式通信，所述双频带系统构造成能够按照GSM和DCS两种模式通信，并且给出了该开关电路与功率放大器一起安装于其上的模块的说明，但是本发明不限于此。本发明还可用于在这样一个系统中使用的开关电路，例如发射和接收2.4GHz频带和5GHz频带的信号的无线LAN系统。
下面是对本申请中公开的本发明的代表性方面可达到的效果的简单说明。
具体地，根据本发明通过利用FET替换二极管作为构成开关电路的元件，可以减小构成通信系统和模块(用于通信的电子元件)的元件数量，且可以提高安装密度。通过控制栅极电阻器的电阻值，使得所述电阻值在从施加了最高电压的栅极朝向施加了最低电压的栅极的方向上逐渐变小，能够防止被输入较高电压的FET更早地进入开启状态的情况，减小插入损耗，并减小了谐波失真。
通过进一步地将用于偏置的直流电压施加到发射器端子和连接于天线的端子，可以提高输入到发射器端子的RF信号的最大容许功率。结果，即使当使用具有大的最大输出功率无线通信系统时，插入损耗小且从发射器到接收器的泄漏功率总量小，从而减小谐波失真。