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JP3219005B2 - 負性抵抗増幅器 - Google Patents

負性抵抗増幅器

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JP3219005B2
JP3219005B2 JP02543497A JP2543497A JP3219005B2 JP 3219005 B2 JP3219005 B2 JP 3219005B2 JP 02543497 A JP02543497 A JP 02543497A JP 2543497 A JP2543497 A JP 2543497A JP 3219005 B2 JP3219005 B2 JP 3219005B2
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JP
Japan
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negative resistance
resistance amplifier
electrode
tunnel diode
layer
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JP02543497A
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裕二 安藤
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NEC Corp
Original Assignee
NEC Corp
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Publication date
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Priority to US08/907,949 priority patent/US5920231A/en
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • HELECTRICITY
    • H03ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03FAMPLIFIERS
    • H03F3/00Amplifiers with only discharge tubes or only semiconductor devices as amplifying elements
    • H03F3/54Amplifiers using transit-time effect in tubes or semiconductor devices
    • H03F3/55Amplifiers using transit-time effect in tubes or semiconductor devices with semiconductor devices only
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D10/00Bipolar junction transistors [BJT]
    • H10D10/80Heterojunction BJTs
    • H10D10/821Vertical heterojunction BJTs
    • H10D10/881Resonant tunnelling transistors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D8/00Diodes
    • H10D8/70Tunnel-effect diodes
    • H10D8/755Resonant tunneling diodes [RTD]

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  • Power Engineering (AREA)
  • Junction Field-Effect Transistors (AREA)
  • Amplifiers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、負性抵抗(Negati
ve Differential Resistance; 以下、NDRと省略す
る)増幅器に関し、特に、高周波動作が要求される電波
望遠鏡や衛星通信などに使用して好適なNDR増幅器に
関する。
【0002】
【従来の技術】NDR増幅器としては、従来よりエサキ
ダイオードを用いたものが知られている。図9はエサキ
ダイオードを用いたNDR増幅器の構成を示す図であ
り、このようなNDR増幅器は、例えば、ティーマン
(J.J.Tiemann )による文献(プロスィーディング・オ
ブ・ディ・アイ・アール・イー(Proc.IRE))、第48
巻、第1418頁、1960年で報告されている。
【0003】図9において、信号源93に対してエサキ
ダイオード91と負荷抵抗95をカスケード接続した場
合、NDR増幅器のエサキダイオード91と信号源93
の境界面(3−3’)から信号源側を見たアドミッタン
スをgs ’+j・bs ’とし、境界面(3−3’)から
負荷側を見込んだアドミッタンスを−gi ’+j・
i’(gi ’>0)とすると、本NDR増幅器の有能
利得は下式により表される。
【0004】 Gav=gs ’/(gs ’−gi ’)・・・(1) 従って、gs ’−gi ’→+0のときに、極めて高い利
得が得られる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の負性抵
抗増幅器における、エサキダイオードを利用するものに
おいては、エサキダイオードの入力端子と出力端子が同
一のため、信号の方向性が無く、例えば縦続接続すると
不安定になり発振しやすいという課題があった。
【0006】本発明は、上記課題にかんがみてなされた
もので、信号の単方向性に優れると共に、高利得、低雑
音、広帯域な負性抵抗増幅器の提供を目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1にかかる発明は、共鳴トンネル効果を用い
た負の入力コンダクタンスを有し、入力端子と出力端子
が分離した負性抵抗トランジスタを信号源回路に対し
てカスケード接続して構成される負性抵抗増幅器であっ
て、両者の境界面から上記信号源回路を見込んだコンダ
クタンスをgs(gs>0)とし、上記負性抵抗トランジ
スタの入力コンダクタンスを−gi(gi>0)とし、G
を所定のコンダクタンス値(G<gs)としたときに上
記コンダクタンスgs,giを、0<gs−gi<Gなる関
係式で表される関係に設定する構成としてある。
【0008】近年では、量子井戸内の電子サブバンドを
介した共鳴トンネル効果によるNDRを利用した共鳴ト
ンネル・ダイオード(Resonant Tunneling Diode; RT
Dと省略する)や共鳴トンネル・トランジスタ(Resona
nt Tunneling Transistor;RTTと省略する)の研究が
盛んに行われている。例えば、特開平05−25953
3号公報に開示された「共鳴トンネル効果特性を有する
電子素子」や、特開昭63−288061号公報に開示
された「半導体負性抵抗素子」や、特開昭63−258
076号公報に開示された「縦形電界効果トランジス
タ」や、特開昭62−205658号公報に開示された
「高速半導体装置」などが知られている。
【0009】しかしながら、上述した各公報に開示され
たものにおいては、RTTを高周波増幅器として利用す
る際は、通常のトランジスタの増幅モードで用いてお
り、共鳴トンネル効果に基づくNDR特性自体が有する
増幅機能を利用していなかった。本発明は、共鳴トンネ
ル効果に基づくNDR特性を利用して高周波増幅を行う
と共に、負の入力コンダクタンスを有するトランジスタ
による増幅器という概念を新たに導入することにより、
従来のエサキダイオードを用いたNDR増幅器の問題点
をも克服する。
【0010】すなわち、負の入力コンダクタンス領域に
バイアスされたRTTと信号源回路との間に適当な整合
条件を与えることにより、RTTの入力回路に利得を持
たせることができ、出力信号はRTTの出力端子から取
り出すようにする。このようにすれば入力端子と出力端
子が分離されているため、信号の単方向性に優れるとと
もに、以下に述べる作用原理に基づき、高利得、低雑
音、広帯域化が可能になるものである。
【0011】ここにおいて、請求項1にかかる構成から
なる発明によれば、負性抵抗トランジスタを信号源回路
に対してカスケード接続して構成することにより、その
有能利得はGav=gs /(gs −gi )となり、gs
−gi が正であって、Gよりも十分に小さいような場合
に大きな利得が得られることになる。ここにおいて、負
性抵抗トランジスタを使用することによって共鳴トンネ
ル効果に基づく増幅機能を利用するとともに、同負性抵
抗トランジスタの入力側と出力側とが分離されて信号の
単方向性も保証される。
【0012】また、請求項2にかかる発明は、上記請求
項1に記載の負性抵抗増幅器において、上記信号源回路
を信号源とカスケード接続された入力整合回路をで形成
した構成としてある。さらに、請求項3にかかる発明
は、上記請求項1又は2に記載の負性抵抗増幅器におい
て、上記負性抵抗トランジスタの出力側に出力整合回路
を有する構成としてある。かかる構成からなる発明によ
れば、それぞれ入力側と出力側とで整合回路を備えて上
記設定となるようにしている。
【0013】さらに、請求項4にかかる発明は、請求項
1、2又は3に記載の負性抵抗増幅器において、上記負
性抵抗トランジスタは、電界効果トランジスタ構造と共
鳴トンネルダイオード構造から形成された構成としてあ
る。かかる構成からなる発明によれば、電解効果トラン
ジスタ構造と共鳴トンネルダイオード構造とを形成する
ことにより、負性抵抗トランジスタの形成が容易とな
る。
【0014】より具体的には、請求項5にかかる発明
は、請求項4に記載の負性抵抗増幅器において、上記電
界効果トランジスタ構造は、チャネル領域とソース電極
との間に上記共鳴トンネルダイオード構造を形成した構
成としてあり、請求項6にかかる発明は、請求項4に記
載の負性抵抗増幅器において、上記電界効果トランジス
タ構造のソース電極と上記共鳴トンネルダイオード構造
の第一のコンタクト領域とが電気的に結合されると共
に、上記電界効果トランジスタ構造のゲート電極と上記
共鳴トンネルダイオード構造の第ニのコンタクト領域が
電気的に結合された構成としてあり、請求項7にかかる
発明は、請求項4に記載の負性抵抗増幅器において、上
記電界効果トランジスタ構造のチャネル領域とゲート電
極が上記共鳴トンネルダイオード構造を介して電気的に
結合された構成としてある。
【0015】これらの構造を半導体プロセスによって形
成する。さらに、請求項8にかかる発明は、上記請求項
1、2又は3に記載の負性抵抗増幅器において、上記負
性抵抗トランジスタは、バイポーラトランジスタ構造と
共鳴トンネルダイオード構造から形成された構成として
ある。かかる構成からなる発明によれば、バイポーラト
ランジスタ構造と共鳴トンネルダイオード構造とを形成
することにより、負性抵抗トランジスタの形成が容易と
なる。
【0016】より具体的には、請求項9にかかる発明
は、上記請求項8に記載の負性抵抗増幅器において、上
記バイポーラトランジスタ構造のベース領域とエミッタ
電極が上記共鳴トンネルダイオード構造を介して電気的
に結合された構成としてあり、請求項10にかかる発明
は、上記請求項8に記載の負性抵抗増幅器において、上
記バイポーラトランジスタ構造のエミッタ電極と上記共
鳴トンネルダイオード構造の第一のコンタクト領域が電
気的に結合されると共に、上記バイポーラトランジスタ
構造のベース電極と上記共鳴トンネルダイオード構造の
第ニのコンタクト領域が電気的に結合された構成として
あり、請求項11にかかる発明は、上記請求項8に記載
の負性抵抗増幅器において、上記バイポーラトランジス
タ構造のベース領域とベース電極が上記共鳴トンネルダ
イオード構造を介して電気的に結合された構成としてあ
る。
【0017】
【0018】
【発明の実施の形態】図1は本発明の一実施形態にかか
るNDR増幅器を概略回路図により示している。同図に
おいて、負の入力コンダクタンスを有するRTT11の
入力端(1−1’)には入力整合回路12を介して信号
源13を接続すると共に、出力端(2−2’)に出力整
合回路14を介して負荷抵抗15を接続している。ここ
で、RTT11のバイアス点は入力コンダクタンスが負
となる領域にとり、そのときの入力アドミッタンスを−
i +j・bi (gi >0)とする。また、入力端(1
−1’)から信号源側を見込んだアドミッタンスをgs
+j・bs とする。
【0019】共鳴時には、リアクタンス成分は打ち消さ
れるから、この回路の入力側の部分は図1(b)のよう
に簡略化したものと等価である。すなわち、入力端(1
−1’)の負荷側には入力コンダクタンス(−gi )1
6AとRTT11の入力端子で発生する雑音電流(i
i )16Bが接続され、入力端(1−1’)の信号源側
にはコンダクタンス(gs )17Aと電流源(i)1
7Bが接続されていることになる。このようなNDR増
幅器において、gs >gi の関係が成立すれば電力増幅
が可能であり、有能利得は下式により表される。
【0020】 Gav=gs/(gs−gi)・・・(2) 従って、gs−gi→+0とすれば利得は無限大になり、
RTT11の出力側で発生する雑音の影響は完全に無視
できるようになる。ここで、利得が10dBになる条件
はgs−gi=gs/10である。すなわち、利得を10
dB以上としたいならば、gs−giはgs/10以下に
すればよく、この関係を整理すれば、0<gs−gi<G
(G=gs/10)となる。請求項1にかかる発明は、
負性抵抗トランジスタを利用することにより、まさしく
本関係式を成立させている。
【0021】ここにおいて、かかる条件を設定するには
負性抵抗トランジスタのみならず、信号源と負性抵抗ト
ランジスタとの間に入力整合回路を備えても良いし、負
性抵抗トランジスタの出力側に出力整合回路を備えても
良い。従って、請求項2及び3にかかる発明によれば、
それぞれ入力整合回路や出力整合回路により上記関係式
となるような設定が可能となる。また、既に述べたよう
に、負性抵抗トランジスタを利用することにより、入力
端子と出力端子は分離され、出力側から入力側へは信号
が殆ど伝達されないので、信号の単方向性に優れてより
安定な増幅動作が可能になる。
【0022】次に、本発明によるNDR増幅器の雑音性
能を調べるため、図(1)bにおいて、電流源17Bを
信号源13が発生する雑音電流(is )とみなす。利得
最大時(gs 〜gi )には、RTT11の出力側で発生
する雑音の影響は完全に無視できるので、雑音指数Fは
下式により表される。 F=1+<ii 2>/<is 2> ・・・(3) ここで、<ii 2>と<is 2>はそれぞれ雑音電流ii
s の自乗平均を示す。ここで、RTT11の入力端子
で発生する雑音電流ii の主成分は、RTT11の一部
であるRTD構造を電子が通過するときに発生するショ
ット雑音である。ショット雑音の理論によれば、<is 2
>は下式により与えられる。
【0023】<ii 2>=2qId △f・・・(4) ここで、qは電子電荷、Id はRTD構造を流れる電
流、△fは周波数幅である。一方、信号源から発生する
雑音は熱雑音であるから、ナイキスト(Nyquist)の定
理により、<is 2>は下式により与えられる。 <is 2>=4kTgs △f・・・(5) ここで、kはボルツマン(Boltzmann )定数、Tは環境
温度である。
【0024】
【数1】
【0025】 最大発振周波数(fmax )より十分低い周
波数では、gi の周波数分散は無視できるため、雑音指
数(NF)の周波数依存性は小さいことが分かる。これ
は、ショット雑音の周波数スペクトルが白色のためであ
り、本発明によるNDR増幅器ではNFの周波数依存性
が極めて平坦になる。
【0026】ここで、RTD構造において、アンドープ
スペーサ層を導入すれば、障壁容量が低減されfmax
して数100GHz以上の高い値が得られる。そのた
め、本発明によるNDR増幅器では広帯域化が容易であ
る。さらに、式(6)より、NDR増幅器の雑音性能向
上のためには、RTD構造の電流対負性コンダクタンス
比(Id /gi )を低減すればよいことが分かる。これ
は、従来のエサキダイオード増幅器と同様な規則である
が、一般に、エサキダイオードの電流対負性コンダクタ
ンス比(Ied/gED)は材料に依存し、低減することは
困難だった。しかしながら、RTD構造の場合は、量子
井戸層、障壁層の膜厚や材料組成といったエピ構造パラ
メータを変えることにより、(Id /gi )比をある程
度自由に変えられるため、NDR増幅器の更なる低雑音
化が可能である。
【0027】
【実施例】
(第一の実施例)図2は、本発明のNDR増幅器におい
て使用されるRTTの一例の構造図である。図2(a)
において、20は半絶縁性(Semi Insulating;S.I.
と省略する)GaAs基板、21はアンドープGaAs
バッファ層、22はアンドープInGaAsチャネル
層、23はn形AlGaAs電子供給層、24はn形G
aAsキャップ層、25はRTD構造、26はn形Ga
Asコンタクト層である。ここで、n形GaAs層キャ
ップ層24に接してドレイン電極7Dが、n形GaAs
コンタクト層26に接してソース電極7Sが、n形Al
GaAs電子供給層23に接してゲート電極8Gがそれ
ぞれ形成されている。
【0028】図2(b)に示すように、RTD構造25
はアンドープGaAsスペーサ層25C、アンドープA
lAs量子障壁層25B、アンドープGaAs量子井戸
層25A、アンドープAlAs量子障壁層25B、アン
ドープGaAsスペーサ層25Cの積層構造からなる。
このようなRTTは図2(c)に示すように、電界効果
トランジスタ(FieldEffect Transistor;FETと省略
する)のチャネル領域とソース電極の間にRTDを介在
させた構造であり、電子の共鳴トンネル効果に基づいて
負の入力コンダクタンスを示す。
【0029】このようなRTTは以下のようにして作製
される。(100)S.I.GaAs基板20上に、例
えば分子線エピタキシャル(Molecular Beam Epitaxy;
MBEと省略する)成長法により、[表1]に示す順お
よび膜厚で順次成長させる。
【0030】
【表1】
【0031】次に、エピタキシャル層構造の一部をn形
GaAsキャップ層24の途中までエッチング除去する
ことによりRTD部メサを形成後、アンドープGaAs
バッファ層21が露出するまでエッチング除去すること
により素子間分離メサを形成する。さらに、n形GaA
sキャップ層24とRTD部メサ上のn形GaAsコン
タクト層26には、例えばAuGe/Ni/Auなどの
金属を蒸着することにより、ソース電極7S、ドレイン
電極7Dをそれぞれ形成する。最後に、ソース電極7S
とドレイン電極7Dによって挟まれた領域にはエピタキ
シャル層構造の一部をn形AlGaAs電子供給層23
までエッチング除去することによりリセス部を形成し、
ここに、例えば、Ti/Pt/Auなどの金属を蒸着す
ることにより、ゲート電極8Gを形成する。このように
して、図2のようなRTTが作製される。
【0032】本実施例においては、このようにして作製
されたRTTのソース電極7Sを接地し、ゲート電極8
Gに入力信号を加え、ドレイン電極7Dから出力信号を
取り出す。すなわち、図1(a)において、接地端子
1’と2’にはソース電極7Sを、入力信号端子1には
ゲート電極8Gを、出力信号端子2にはドレイン電極7
Dをそれぞれ接続することにより、NDR増幅器が作製
される。
【0033】このようなNDR増幅器において計算され
たNFの周波数依存性を図8に示す。実施形態において
説明した原理により、NFの周波数依存性が極めて平坦
であると共に、アンドープGaAsスペーサ層25Cの
膜厚(Ls)の増加によりNFが改善されることが分か
る。特に、Ls≧20nmでは、100GHzにおいて
NF〜0.3dBと従来のエサキダイオード増幅器やF
ET増幅器を凌ぐ雑音性能が得られる。
【0034】(第二の実施例)図3は、本発明のNDR
増幅器において使用されるRTTの一例の構造図であ
る。図3(a)に示すように、S.I.InP基板30
上に、アンドープInAlAsバッファ層31、アンド
ープInGaAsチャネル層32、n形InAlAs電
子供給層33、n形InGaAsキャップ層34、RT
D構造35、n形InGaAsコンタクト層36が順次
積層されている。ここで、n形InGaAsキャップ層
34に接してソース電極7Sとドレイン電極7Dが、n
形InGaAsコンタクト層36に接してオーミック電
極7Aが、n形InAlAs電子供給層33に接してゲ
ート電極8Gがそれぞれ形成されている。さらに、ゲー
ト電極8Gとオーミック電極7Aは結線され、入力端子
9に接続されている。
【0035】図3(b)に示すように、RTD構造35
はアンドープInGaAsスペーサ層35C、アンドー
プAlAs量子障壁層35B、アンドープInGaAs
量子井戸層35A、アンドープAlAs量子障壁層35
B、アンドープInGaAsスペーサ層35Cの積層構
造からなる。
【0036】 このようなRTTは、図3(c)に示す
ように、FETのゲート電極とソース電極の間にRTD
を並列接続した回路と等価であり、電子の共鳴トンネル
効果に基づいて負の入力コンダクタンスを示す。
【0037】本実施例においては、このようなRTTの
ソース電極7Sを接地し、入力端子9に入力信号を加
え、ドレイン電極7Dから出力信号を取り出す。すなわ
ち、図1(a)において、接地端子1’と2’にはソー
ス電極7Sを、入力信号端子1には入力端子9を、出力
信号端子2にはドレイン電極7Dをそれぞれ接続するこ
とにより、NDR増幅器が作製される。
【0038】(第三の実施例)図4は、本発明のNDR
増幅器において使用されるRTTの一例の構造図であ
る。図4(a)に示すように、S.I.GaAs基板4
0上に、アンドープInAs/GaAs超格子バッファ
層41、n形InAsチャネル層42、RTD構造4
5、アンドープInAsショットキー層46が順次積層
されている。ここで、n形InAsチャネル層42に接
してソース電極7Sとドレイン電極7Dが、アンドープ
InAsショットキー層46に接してゲート電極8Gが
それぞれ形成されている。
【0039】図4(b)に示すように、RTD構造45
はアンドープInAsスペーサ層45C、アンドープA
lSb量子障壁層45B、アンドープInAs量子井戸
層45A、アンドープAlSb量子障壁層45B、アン
ドープInAsスペーサ層45Cの積層構造からなる。
【0040】このようなRTTは、図4(c)に示すよ
うに、FETのゲート電極とチャネル領域の間にRTD
を介在させた構造である。ゲート電極8Gに電圧を加え
ることにより、RTD構造45とチャネル層42の界面
に蓄積される電子濃度を変調すると共に、RTD構造4
5における電子の共鳴トンネル効果に基づいて負の入力
コンダクタンスを示す。ここで、ゲート電極とRTD構
造がオーミック接触になっている場合には、RTDの非
整流性により、ゲート・ソース間だけでなくゲート・ド
レイン間にも電流が流れるため、帰還成分が増加して信
号の単方向性が損なわれてしまう。そこで、本実施例で
は、RTD構造45がアンドープInAsショットキー
層46を介してゲート電極8Gとショットキー接触をと
っているため、ゲートに正電圧を加えたときにのみRT
Dを介して電流が流れ、整流性を確保している。
【0041】本実施例においては、このようなRTTの
ソース電極7Sを接地し、ゲート電極8Gに入力信号を
加え、ドレイン電極7Dから出力信号を取り出す。すな
わち、図1(a)において、接地端子1’と2’にはソ
ース電極7Sを、入力信号端子1にはゲート電極8G
を、出力信号端子2にはドレイン電極7Dをそれぞれ接
続することにより、NDR増幅器が作製される。
【0042】(第四の実施例)図5は、本発明のNDR
増幅器において使用されるRTTの一例の構造図であ
る。図5(a)において、50はS.I.GaAs基
板、51はn形GaAsサブコレクタ層、52はn形G
aAsコレクタ層、53はp形GaAsベース層、54
はRTD構造、55はn形AlGaAsエミッタ層、5
6はn形GaAsキャップ層である。ここで、n形Ga
Asキャップ層56に接してエミッタ電極7Eが、n形
GaAsサブコレクタ層51に接してコレクタ電極7C
が、p形GaAsベース層53に接してベース電極7B
がそれぞれ形成されている。
【0043】図5(b)に示すように、RTD構造54
はアンドープGaAsスペーサ層54C、アンドープA
lAs量子障壁層54B、アンドープGaAs量子井戸
層54A、アンドープAlAs量子障壁層54B、アン
ドープGaAsスペーサ層54Cの積層構造からなる。
このようなRTTは、図5(c)に示すように、n−p
−n形ヘテロ接合バイポーラ・トランジスタ(Hetero-j
unctionBipolar Transistor;HBTと省略する)のベー
ス領域とエミッタ電極の間にRTDを介在させた構造で
あり、電子の共鳴トンネル効果に基づいて負の入力コン
ダクタンスを示す。
【0044】このようなRTTは以下のようにして作製
される。(100)S.I.GaAs基板50上に、例
えばMBE成長法により、[表2]に示す順および膜厚
で順次成長させる。
【0045】
【表2】
【0046】次に、エピタキシャル層構造の一部をp形
GaAsベース層53の途中までエッチング除去するこ
とによりエミッタ部メサを形成後、n形GaAsサブコ
レクタ層51が露出するまでエッチング除去することに
よりベース部メサを形成する。さらに、n形GaAsサ
ブコレクタ層51とエミッタ部メサ上のn形GaAsキ
ャップ層56には、例えばTi/Pt/Auなどの金属
を蒸着することにより、コレクタ電極7C、エミッタ電
極7Eをそれぞれ形成する。最後に、ベース部メサ上の
p形GaAsベース層53には、例えば、Ti/Pt/
Auなどの金属を蒸着することにより、ベース電極7B
を形成する。このようにして、図のようなRTTが作製
される。
【0047】本実施例においては、このようにして作製
されたRTTのエミッタ電極7Eを接地し、ベース電極
7Bに入力信号を加え、コレクタ電極7Cから出力信号
を取り出す。すなわち、図1(a)において、接地端子
1’と2’にはエミッタ電極7Eを、入力信号端子1に
はベース電極7Bを、出力信号端子2にはコレクタ電極
7Cをそれぞれ接続することにより、NDR増幅器が作
製される。
【0048】(第五の実施例)図6は、本発明のNDR
増幅器において使用されるRTTの一例の構造図であ
る。図6(a)に示すように、S.I.InP基板60
上に、n形InGaAsサブコレクタ層61、n形In
GaAsコレクタ層62、p形InAlGaAsベース
層63、n形InAlAsエミッタ層65、n形InG
aAsキャップ層66、RTD構造64、n形InGa
Asコンタクト層67が順次積層されている。ここで、
n形InGaAsコンタクト層67に接してオーミック
電極7Aが、n形InGaAsキャップ層66に接して
エミッタ電極7Eが、n形InGaAsサブコレクタ層
61に接してコレクタ電極7Cが、p形InAlGaA
sベース層63に接してベース電極7Bがそれぞれ形成
されている。さらに、ベース電極7Bとオーミツク電極
7Aは結線され、入力端子9に接続されている。
【0049】図6(b)に示すように、RTD構造64
はアンドープInGaAsスペーサ層64C、アンドー
プAlAs量子障壁層64B、アンドープInGaAs
量子井戸層64A、アンドープAlAs量子障壁層64
B、アンドープInGaAsスペーサ層64Cの積層構
造からなる。
【0050】このようなRTTは、図6(c)に示すよ
うに、n−p−n形HBTのベース電極とエミッタ電極
の間にRTDを並列接続した回路と等価であり、電子の
共鳴トンネル効果に基づいて負の入力コンダクタンスを
示す。
【0051】本実施例においては、このようなRTTの
エミッタ電極7Eを接地し、入力端子9に入力信号を加
え、コレクタ電極7Cから出力信号を取り出す。すなわ
ち、図1(a)において、接地端子1’と2’にはエミ
ッタ電極7Eを、入力信号端子1には入力端子9を、出
力信号端子2にはコレクタ電極7Cをそれぞれ接続する
ことにより、NDR増幅器が作製される。(第六の実施
例)図7は、本発明のNDR増幅器において使用される
RTTの一例の構造図である。図7(a)に示すよう
に、S.I.GaAs基板70上に、ノンドープInA
s/GaAs超格子バッファ層77、n形InAsサブ
コレクタ層71、n形InAsコレクタ層72、p形I
nAsベース層73、RTD構造74、p形InAsコ
ンタクト層78が順次積層されている。このようなエピ
タキシャル層構造の一部をエッチング除去して露出され
たp形InAsベース層73上には、さらに、n形In
GaAsエミッタ層75、n形InAsキャップ層76
が順次積層されている。ここで、n形InAsキャップ
層76に接してエミッタ電極7Eが、n形InAsサブ
コレクタ層71に接してコレクタ電極7Cが、p形In
Asコンタクト層78に接してベース電極7Bがそれぞ
れ形成されている。
【0052】図7(b)に示すように、RTD構造74
はアンドープInAsスペーサ層74C、アンドープA
lSb量子障壁層74B、アンドープInAs量子井戸
層74A、アンドープAlSb量子障壁層74B、アン
ドープInAsスペーサ層74Cの積層構造からなる。
【0053】このようなRTTは図7(c)に示すよう
に、n−p−n形HBTのベース領域とベース電極の間
に正孔導電型のRTDを介在させた構造であり、正孔の
共鳴トンネル効果に基づいて負の入力コンダクタンスを
示す。
【0054】本実施例においては、このようなRTTの
エミッタ電極7Eを接地し、ベース電極7Bに入力信号
を加え、コレクタ電極7Cから出力信号を取り出す。す
なわち、図1(a)において、接地端子1’と2’には
エミッタ電極7Eを、入力信号端子1にはベース電極7
Bを、出力信号端子2にはコレクタ電極7Cをそれぞれ
接続することにより、NDR増幅器が作製される。
【0055】なお、第一〜第六の実施例からなるNDR
増幅器においても、第一の実施例の場合と同様、平坦な
周波数依存性を示す。
【0056】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、負の入力
コンダクタンス領域にバイアスされたRTTと信号源回
路との間に適当な整合条件を設定することにより、信号
の単方向性に優れると共に、高利得、低雑音、広帯域化
が可能な負性抵抗増幅器を提供することができる。すな
わち、入力端子と出力端子が分離されているため、信号
の単方向性が確保され、利得を極めて高くできるので出
力側雑音源の影響が無視できるとともに、雑音源の周波
数スペクトルが白色なので雑音指数の周波数依存性が平
坦になり、さらには、共鳴トンネルダイオード構造の最
大発振周波数が高いので広帯域化も容易である。
【0057】また、請求項2および3にかかる発明によ
れば、整合回路により整合条件の設定が容易となる。さ
らに、請求項4〜7にかかる発明によれば、電界効果ト
ランジスタ構造と共鳴トンネルダイオード構造とにより
容易に負性抵抗トランジスタ構造を形成可能となる。さ
らに、請求項8〜11にかかる発明によれば、バイポー
ラトランジスタ構造と共鳴トンネルダイオード構造とに
より容易に負性抵抗トランジスタ構造を形成可能とな
る。
【0058】
【図面の簡単な説明】
【図1】(a)は本発明の一実施形態にかかる負性抵抗
増幅器の構成を示す図であり、(b)はその入力側の等
価回路を示す図である。
【図2】(a)は本発明の第一の実施例における負性抵
抗トランジスタの構造を示す図、(b)はそのRTDの
構造を示す図、(c)はそのRTDをFETのチャネル
領域とソース電極の間に介在させた回路図を示す。
【図3】(a)は本発明の第二の実施例における負性抵
抗トランジスタの構造を示す図、(b)はそのRTDの
構造を示す図、(c)はそのRTDをFETのゲート電
極とソース電極の間に介在させた回路図を示す。
【図4】(a)は本発明の第三の実施例における負性抵
抗トランジスタの構造を示す図、(b)はそのRTDの
構造を示す図、(c)はそのRTDをFETのゲート電
極とチャネル領域の間に介在させた回路図を示す。
【図5】(a)は本発明の第四の実施例における負性抵
抗トランジスタの構造を示す図、(b)はそのRTDの
構造を示す図、(c)はそのRTDをHBTのベース領
域とエミッタ電極の間に介在させた回路図を示す。
【図6】(a)は本発明の第五の実施例における負性抵
抗トランジスタの構造を示す図、(b)はそのRTDの
構造を示す図、(c)はそのRTDをHBTのベース電
極とエミッタ電極の間に介在させた回路図を示す。
【図7】(a)は本発明の第六の実施例における負性抵
抗トランジスタの構造を示す図、(b)はそのRTDの
構造を示す図、(c)はそのRTDをHBTのベース電
極とベース領域の間に介在させた回路図を示す。
【図8】本発明の負性抵抗増幅器における雑音指数の周
波数依存性を示す図である。
【図9】従来の負性抵抗増幅器の構成を示す図である。
【符号の説明】
11 RTT 12 入力整合回路 13 信号源 14 出力整合回路 15 負荷抵抗
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 27/095 H01L 29/88

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 共鳴トンネル効果を用いた負の入力コン
    ダクタンスを有し、入力端子と出力端子が分離した負性
    抵抗トランジスタを信号源回路に対してカスケード接
    続して構成される負性抵抗増幅器であって 両者の境界面から上記信号源回路を見込んだコンダクタ
    ンスをgs(gs>0)とし、上記負性抵抗トランジスタ
    の入力コンダクタンスを−gi(gi>0)とし、Gを所
    定のコンダクタンス値(G<gs)としたときに上記コ
    ンダクタンスgs,giを次の関係式で表される関係に設
    定することを特徴とする負性抵抗増幅器。 0<gs−gi<G
  2. 【請求項2】 上記請求項1に記載の負性抵抗増幅器に
    おいて、上記信号源回路が、信号源とカスケード接続さ
    れた入力整合回路であることを特徴とする負性抵抗増幅
    器。
  3. 【請求項3】 上記請求項1又は2に記載の負性抵抗増
    幅器において、上記負性抵抗トランジスタの出力側に出
    力整合回路を有することを特徴とする負性抵抗増幅器。
  4. 【請求項4】 上記請求項1、2又は3に記載の負性抵
    抗増幅器において、上記負性抵抗トランジスタは、電界
    効果トランジスタ構造と共鳴トンネルダイオード構造か
    ら形成されていることを特徴とする負性抵抗増幅器。
  5. 【請求項5】 上記請求項4に記載の負性抵抗増幅器に
    おいて、上記電界効果トランジスタ構造は、チャネル領
    域とソース電極との間に上記共鳴トンネルダイオード構
    造を形成して構成されていることを特徴とする負性抵抗
    増幅器。
  6. 【請求項6】 上記請求項4に記載の負性抵抗増幅器に
    おいて、上記電界効果トランジスタ構造のソース電極と
    上記共鳴トンネルダイオード構造の第一のコンタクト領
    域とが電気的に結合されると共に、上記電界効果トラン
    ジスタ構造のゲート電極と上記共鳴トンネルダイオード
    構造の第二のコンタクト領域が電気的に結合されたこと
    を特徴とする負性抵抗増幅器。
  7. 【請求項7】 上記請求項4に記載の負性抵抗増幅器に
    おいて、上記電界効果トランジスタ構造のチャネル領域
    とゲート電極が上記共鳴トンネルダイオード構造を介し
    て電気的に結合されたことを特徴とする負性抵抗増幅
    器。
  8. 【請求項8】 上記請求項1、2又は3に記載の負性抵
    抗増幅器において、上記負性抵抗トランジスタは、バイ
    ポーラトランジスタ構造と共鳴トンネルダイオード構造
    から形成されていることを特徴とする負性抵抗増幅器。
  9. 【請求項9】 上記請求項8に記載の負性抵抗増幅器に
    おいて、上記バイポーラトランジスタ構造のベース領域
    とエミッタ電極が上記共鳴トンネルダイオード構造を介
    して電気的に結合されたことを特徴とする負性抵抗増幅
    器。
  10. 【請求項10】 上記請求項8に記載の負性抵抗増幅器
    において、上記バイポーラトランジスタ構造のエミッタ
    電極と上記共鳴トンネルダイオード構造の第一のコンタ
    クト領域が電気的に結合されると共に、上記バイポーラ
    トランジスタ構造のベース電極と上記共鳴トンネルダイ
    オード構造の第二のコンタクト領域が電気的に結合され
    たことを特徴とする負性抵抗増幅器。
  11. 【請求項11】 上記請求項8に記載の負性抵抗増幅器
    において、上記バイポーラトランジスタ構造のベース領
    域とベース電極が上記共鳴トンネルダイオード構造を介
    して電気的に結合されたことを特徴とする負性抵抗増幅
    器。
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