专利名称：高效率、宽度电可调的场效应晶体管及其实现方法
技术领域：
本发明大体涉及功率晶体管，具体地说是涉及高功率效率的场效应晶体管。
一般说来，功率晶体管不总是以高功率效率方式工作，对场效应晶体管(FET)，如MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)或MESFET(金属半导体场效应晶体管)，尤其如此。集成功率FET通常被做成大的单器件结构或由许多并联的小FET形成一个功率FET。通常，功率FET的选择由所要求的最大功率输出和频率响应来确定。选择功率FET要满足最大功率要求，即使其不经常在最大电平下工作。由于多数情况下功率FET的工作电平远低于电路的最大功率电平，所以其偏置效率低且耗功。对电池寿命与功率FET静态功耗有关的电池供电的应用来说，这一点可能极为重要。具有用来向接收站发射的放大器的蜂窝电话就是使用FET、电池供电应用的例子。提高发射放大器中功率FET的效率能显著地延长电池寿命，从而增加发射时间。
如果能研制一种功率场效应晶体管，其满足应用的最大功率要求，而又以高功率效率工作，那将极为有益。
简要地说，本发明包括一种功率FET(场效应晶体管)，其带有一栅极引出线、一漏极引出线、一源极引出线和至少一个用来改变功率FET宽度的控制极引出线。
功率FET包括一FET和至少一个开关FET。FET包括分别与功率FET的栅极引出线、漏极引出线及源极引出线耦合的栅极、漏极和源极。每个开关FET包括分别与功率FET的栅极引出线、漏极引出线及源极引出线耦合的栅极、漏极和源极。每个开关FET有一个用来开启器件的控制栅极，该控制栅极与功率FET的控制极引出线耦合。每个被开启的开关FET与FET并联以增加功率FET的尺寸。
本发明包括使功率FET高效率工作的方法。功率FET接收直流偏置电流。功率FET的一部分工作在静态条件下。而且，功率FET的其余部分能够增加功率输出。
本发明包括制造可变宽度FET的方法。可变宽度功率FET被制成具有用来增加或减少可变宽度FET宽度的可开关部分的结构。
图1是根据本发明所述的高效单片功率FET(场效应晶体管)的原理图;
图2是利用高效单片功率FET减小功耗的放大器原理图;
图3是根据本发明所述的高效单片功率FET的布线图。
图1是高效单片功率FET(场效应晶体管)11的原理图。一般说来，功率FET可以是单个大器件或是由许多小晶体管并联形成一个大器件。功率FET一个通常的应用是在放大器的输出级中。选择用于输出级的器件通常要满足放大器的最大额定功率。由于放大器输出级的偏置电流与FET的尺寸成比例，这样选择，功率效率不高。输出级中较小的功率FET可以用较低的偏置电流(从而减小功耗)，但如果放大器满功率工作，这样会引起可靠性问题。单片功率FET11通过减小静态条件下的尺寸，使得可以采用较小的偏置电流，并可调节器件尺寸使其与要求的工作功率成比例增加，从而解决了上面的问题。
单片功率FET设计用于在很宽范围内输出功率，同时要求直流偏置电流的模拟电路。单片功率FET的结构适合于多数类型的场效应晶体管，如MESFET(金属半导体FET)或MOSFET(金属氧化物半导体FET)。单片功率FET11采用标准集成电路工艺技术制造，其包括漏极引出线12，源极引出线13，栅极引出线14、控制极引出线16和控制极引出线17。如图1所示，单片功率晶体管11包括FET18、开关FET19、和开关FET21。FET18是单片功率FET11的不可开关部分。开关FET19和21可被开启或截止以改变单片功率FET11的宽度。FET18有分别与单片功率FET11的栅极引出线14、漏极引出线12及源极引出线13耦合的栅极、漏极和源极。开关FET19和21的每个都包括分别与栅极引出线14、漏极引出线12及源极引出线13耦合的栅极、漏极和源极。开关FET19有与控制极引出线16耦合的控制栅极，开关FET21有与单片功率FET11的控制极引出线17耦合的控制栅极。控制信号加到控制极引出线16和17上，用来开启及截止开关FET19和21，从而将两开关FET与FET18并联。
除控制极引线16和17外，单片功率FET11的工作与标准FET相似。当开启单片功率FET11时，FET18被开启。开关FET19和21由加到控制极引线16和17上的电压信号开启。众所周知，FET的特征在于其宽度和栅极长度的比(W/L)。控制极引出线16和17使单片功率FET11用作起可变宽度的FET。截止开关FET19和21使得只有单片功率FET11的一部分工作。这通常在静态条件下及FET18能满足要求的限定的低功率范围内发生。当对单片功率FET11的功率要求增加时，器件的其余部分(开关FET19和21)被同时或递增开启。递增开启开关FET为保持所有工作条件下的最佳尺寸提供了对单片功率FET11宽度更精细的控制。通过保持FET18的面积，DC功耗可被减至最小。尽管图1给出两个开关FET，但应该知道，少至一个或多至所要求数目的开关FET可按上面所述并联。在最佳实施例中，FET18的几何尺寸的选择是针对采用该FET的应用的静态条件的。在低于最大功率时，如果不是所有的开关FET都开启，则各控制极引线使得开关FET可按功率要求的规定来开启。如图示，FET18和FET19和21具有相同的导电类型。
图2是说明装在高频放大级31中的单片功率FET32的例子。高频放大级31有一输入端36，信号被加到该输入端，其在输出端37提供放大信号。单片功率FET32由FET33和开关FET34按上述方式构成。在最佳实施例中，单片功率FET32是MESFET。MESFET以其高频性能而著称。MESFET通常用在电池供电的放大器的输出级中，该放大器以大于几百MHz的频率发射，如一蜂窝电话。
电阻器38和39构成与电源VGG1耦合的电阻分压器用于向单片功率FET32提供直流偏压。电容器41和电感器42及43构成阻抗匹配级，例如用来使高频放大级31与前级(未给出)匹配。众所周知，阻抗匹配对最大功率传输和最大效率都是重要的。
单片功率FET32的源极通过电感器44接地。加到单片功率FET32控制输入端46的电压开启和截止开关FET34。单片功率FET32的漏极与输出阻抗匹配电路耦合。输出阻抗匹配电路包括电感器45-49和电容器51-53。输出端37通常与滤波器或天线耦合。
高频放大级31的工作有两种不同方式。在第一种方式中，当加到输入端36的信号低于预定电平时，开关FET34被加到控制输入端46的信号截止。在这种方式中，通过电阻器38和39加到单片功率FET32上的DC偏压足能开启FET33和34。提供给控制输入端46的信号使FET34截止，从而减小高频功率放大级31的偏置电流和功耗。FET33的尺寸足够用来放大低于预定电平的输入信号。
在第二种方式中，加到输入端36的信号超过预定电平。这种方式中，加到控制输入端46的信号开启与FET33并联的开关FET34。单片功率FET32增加后的尺寸足以处理高频放大级31的输入信号要求的高功率输出。于是，当加到FET31的输入信号电平不超过一定电平，就只有部分FET32开启(FET33)。一旦输入信号超过该电平，FET32其余部分就开启(FET34)。
单片功率FET32的输入电容与标准功率FET相似。输入电容的主要电容是器件的栅极电容。输入电容是输入阻抗匹配级的重要组成部分，其在高频放大级31的工作范围变化不可能不显著影响功率传输特性。在最佳实施例中，当开关FET34开启或截止时，单片功率FET32的输入电容保持相对恒定，从而使输入功率传输最大。FET33和开关FET34的栅极都与输入阻抗匹配级耦合。相似地，单片功率FET32的输出阻抗影响输出阻抗匹配级。开启的开关FET34可稍稍改变单片功率FET32的输出阻抗(通常5-7%)，但这个变化不足以严重影响阻抗匹配。单片功率FET32减小DC功耗，不显著影响阻抗匹配级，且满足高频放大级31的最大功率要求。
图3是原理1所画单片功率FET61的物理布线图。单片功率FET61有栅极引出线64、漏极引出线63、源极引出线62、控制极引出线66和控制级引出线67。单片功率FET61包括FET68、开关FET69和开关FET71。
FET68是标准的FET结构，其栅极与栅极引出线64耦合，其漏极与漏极引出线63耦合，源极与源极引出线62耦合。FET68的源极与FET69的源极共用。开关FET71和69制成每个有两个栅极串联的可开关结构。除非给开关FET的每个栅极加适当的电压，否则串联栅极结构中没有电流从漏极流到源极，在最佳实施例中，控制栅极(串联栅极中的一个)被偏置到完全开启开关FET。两串联栅极中剩下的那个栅极起象FET68的栅极那样的标准栅极的作用。
开关FET69的栅极(gA)与栅极引出线64耦合，漏极与漏极引出线63耦合，源极(sA)与源极引出线62耦合，控制栅极(gB)与控制极引出线66耦合。开关FET69的漏极(D)与开关FET71的漏极共用。开关FET71的栅极(gC)与栅极引出线64耦合，漏极(D)与漏极引出线63耦合，源极(与FET69共用)与源极引出线62耦合，控制栅极(gD)与控制极引出线67耦合。所示布线图仅是许多可用变更中的一种，单片功率FET61的布线图应将寄生电阻和电容减到最小。
正如前面提到的，单片功率FET中含有的开关FET的数目取决于具体应用。附加开关FET改进了单片功率FET的尺寸(或宽度)的调节，但要以增加控制信号为代价。
到现在应该知道，所提供的单片功率FET采用标准半导体工艺技术能很容易制造出来，单片功率FET具有可调宽度，同时保持与标准非可调FET相似的输入和输出特性。
权利要求
1.单片功率FET(场效应晶体管)(11)的特征为FET(18)包括栅极、漏极和源极；至少一个开关FET(19，21)，所述至少一个开关FET包括与所述FET的栅极耦合的第一栅极、第二栅极，与所述FET的漏极耦合的漏极和与所述FET的源极耦合的源极。
2.根据权利要求1所述单片功率FET(11)，其中所述至少一个开关FET(19，21)的第一和第二栅极串联在其所述漏极和源极之间。
3.根据权利要求2所述单片功率FET(11)，其中所述至少一个开关FET(19，21)的第二栅极与加以开启所述开关FET(19，21)的电压信号的引出线耦合。
4.权利要求3所述单片功率FET(11)，其中所述至少一个开关FET(19，21)的第二栅极的位置比其源极更接近漏极。
5.功率FET(11)接收DC偏置电流时，使功率FET(11)高效工作的方法，该方法包括在静态条件下和低于预定输入信号电平时，功率FET(11)仅有一部分开启;在所述预定输入信号电平以上，功率FET(11)的其余部分与已开启部分一起开启。
6.权利要求5所述方法，其中所述开启功率FET(11)其余部分的步骤包括当功率要求增加时，递增开启功率FET(11)所述其余部分的分立区域，每次递增开启所述分立区域使增加功率FET(11)的宽度。
7.制造可变宽度FET(11)(场效应晶体管)的方法包括构造可变宽度FET(11)的不可开关部分;构造可变宽度FET(11)的可开关部分以改变可变宽度FET(11)的宽度。
8.权利要求7所述的方法，其中所述构造不可开关部分的步骤包括构造相应于所述不可开关部分的FET(18)，其具有分别与可变宽度FET(11)的栅极、漏极和源极耦合的栅极、漏极和源极。
9.权利要求8所述方法，其中所述构造可开关部分的步骤包括构造至少一个开关FET(19，21)，其具有分别与可变宽度FET(11)的栅极、漏极耦合的第一栅极、漏极和源极，所述至少一个开关FET(19，21)还包括用来开启所述至少一个开关FET(19，21)，以增加可变宽度FET(11)宽度的第二栅极。
10.权利要求9所述方法，其中所述构造至少一个开关FET(19，21)的步骤包括构造串联在所述至少一个开关FET(19，21)的漏极和源极间的第一和第二栅极。
全文摘要
这是一种用来减小功耗的可变宽度FET，可变宽度FET包括FET，开关FET和另一个开关FET。开关FET具有与FET的栅极、漏极、源极并联的栅极、漏极和源极。此外，开关FET每个都有一用来开启相应器件的控制栅极。开启的开关FET增加可变宽度FET的宽度，从而增加其功率处理能力。截止开关FET减小可变宽度FET的宽度，从而减少所需的直流偏置电流以降低功耗。
文档编号H03F3/193GK1108815SQ94115709
公开日1995年9月20日 申请日期1994年8月25日 优先权日1993年8月30日
发明者查尔斯·E·韦策尔, 戴维·J·霍尔钦 申请人:摩托罗拉公司