(57)【要約】【課題】  負性微分抵抗特性を有する共鳴トンネルダイオードを用いた発振回路では、従来から数百ＧＨｚの超高速発振回路が実現されていた。しかし、負性微分抵抗領域幅より大きな発振電圧振幅を得ることは困難で、従って高出力化が困難であった。本発明の課題は、共鳴トンネルダイオードを用いた超高周波発振回路における発振電圧振幅の拡大を図り、もって当該回路の高出力化を実現することにある。【解決手段】  超高速動作可能な三端子素子を共鳴トンネルダイオードと組み合わせ、当該ダイオードがピークからバレーへスイッチするときに、当該ダイオードの２つの電極間に発生する電位差の増加を三端子素子へフィードバックさせ、当該ダイオードの負性微分抵抗特性領域幅より大きな発振電圧振幅を得ることを可能とした。さらに、回路にインダクタを付加することで、この電圧変化を拡大し、回路の発振状態を維持することを可能とした。【選択図】  「図１」
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１、第２、第３のバイアス端子と、出力端子、インダクタ、電界効果型トランジスタ、共鳴トンネルダイオードからなり、当該インダクタの一方の端子が第１のバイアス端子に、当該インダクタの他の一方の端子が当該電界効果型トランジスタのドレインに、それぞれ接続され、当該電界効果型トランジスタのゲートが第２のバイアス端子に接続され、当該電界効果型トランジスタのソースが当該共鳴トンネルダイオードの一方の端子および当該出力端子に接続され、当該共鳴トンネルダイオードの他の一方の端子が第３のバイアス端子に接続されていることを特徴とする共鳴トンネルダイオード発振回路。
【請求項２】
第１、第２、第３のバイアス端子と、出力端子、インダクタ、電界効果型トランジスタ、共鳴トンネルダイオードからなり、当該電界効果型トランジスタのドレインが第１のバイアス端子に接続され、当該インダクタの一方の端子が第２のバイアス端子に、当該インダクタの他の一方の端子が当該電界効果型トランジスタのゲートに、それぞれ接続され、当該電界効果型トランジスタのソースが当該共鳴トンネルダイオードの一方の端子および当該出力端子に接続され、当該共鳴トンネルダイオードの他の一方の端子が第３のバイアス端子に接続されていることを特徴とする共鳴トンネルダイオード発振回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】    本発明は、次世代型無線および光ファイバ通信システム、および、高度情報処理システム実現に必要な超高周波発振回路に関する。特に、半導体素子として最も高速動作可能な素子として知られている共鳴トンネルダイオードを用いた発振回路に関する。
【背景技術】
【０００２】  従来の共鳴トンネルダイオードを用いた超高周波発振回路には、共鳴トンネルダイオードに特有な負性微分特性を利用した回路が知られている（例えば、非特許文献１参照。）。以下、図３、図４により従来の共鳴トンネルダイオードを用いた超高周波発振回路について説明する。図３において、３０１、３０２はバイアス端子、３０３は出力端子、３０４、３０５、３０６はそれぞれインダクタ、抵抗、共鳴トンネルダイオード、３０７はバイアス電源である。また、図４において、４０１は共鳴トンネルダイオード３０６の電流電圧特性、４０２は抵抗３０５による抵抗負荷線である。図３には出力端子３０３に接続される負荷は記述されていないが、その効果も含め、負荷線４０２が描かれていると想定している。
【非特許文献１】イー・ブラウン、ダブリュー・グッドヒュー、ティー・ソルナー著、「ファンダメンタル  オシレーション  アップ  トゥー  ２００ＧＨｚ  インレゾナント  トンネリング  ダイオード  アンド  ニュー  エスティメーツ  オブ  ゼアマキシマム  オシレーション  フリクエンシー  フロム  ステーショナリ  ステート  トンネリング  セオリー」、ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス、６４巻３号１５１９頁から１５２９頁、１９８８年８月１日発行。
【０００３】  ４０２が４０１の負性微分抵抗領域で交わるように、バイアス電源３０７の電圧値が調整されているとき、負性微分抵抗特性に基づく増幅作用のため、図４に示すように時間とともに振動する出力電圧が得られ、図３で示された回路は発振回路として機能する。共鳴トンネルダイオード３０６のインピーダンスの実部は、低周波領域では負性微分抵抗の値で決まり負であるが、高周波領域では寄生容量による寄与分が大きくなるため、正となる。この負から正にインピーダンスの実部が変化する周波数により、この回路の発信周波数の上限がきまる。特に工夫された共鳴トンネルダイオード構造では、この値が数百ＧＨｚとなり、実際７１２ＧＨｚの発振動作が確認されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【非特許文献２】イー・ブラウン、ジェー・セダーストローム、シー・パーカー、エル・マホネー、ケイ・メイヤー、ティー・ソルナー著、「オシレーション  アップトゥー  ７１２ＧＨｚ  イン  ＩｎＡｓ／ＡｌＳｂ  レゾナント  トンネリング  ダイオード」、アプライド・フィジックス・レターズ、５８巻２０号２２９１頁から２２９３頁、１９９１年５月２０日発行。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】    前述のように、共鳴トンネルダイオードを用いた発振回路は超高周波動作に優れている反面、図４に示したように発振電圧振幅が負性微分抵抗領域幅により制限されるため、それより大きな発振電圧振幅を得ることは極めて困難で、従って高出力化が困難であるという問題点があった。また、高出力化実現のために、複数の共鳴トンネルダイオードを用いたパワーコンバインニングの手法が提案されているが、回路が複雑化し、素子特性の調整も困難であるという問題点があった。本発明の課題は、共鳴トンネルダイオードを用いた簡素な超高周波発振回路において、発振電圧振幅の拡大を図り、もって当該回路の高出力化を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】    超高速動作可能な三端子素子を共鳴トンネルダイオードと組み合わせ、当該ダイオードがピークからバレーへスイッチするときに、当該ダイオードの２つの電極間に発生する電位差の増加を三端子素子へフィードバックさせ、当該ダイオードの負性微分抵抗特性領域幅より大きな発振電圧振幅が得られることを可能とするものである。さらに、回路にインダクタを付加することで、この電圧変化を拡大し、回路が発振状態を維持することを可能とするものである。【０００６】    具体的には、第１、第２、第３のバイアス端子と、出力端子、インダクタ、電界効果型トランジスタ、共鳴トンネルダイオードからなり、当該インダクタの一方の端子が第１のバイアス端子に、当該インダクタの他の一方の端子が当該電界効果型トランジスタのドレインに、それぞれ接続され、当該電界効果型トランジスタのゲートが第２のバイアス端子に接続され、当該電界効果型トランジスタのソースが当該共鳴トンネルダイオードの一方の端子および当該出力端子に接続され、当該共鳴トンネルダイオードの他の一方の端子が第３のバイアス端子に接続されていることを特徴とする回路により、当該ダイオードの負性微分抵抗特性領域幅より大きな発振電圧振幅が得られることを可能とするものである。【０００７】    またさらに、第１、第２、第３のバイアス端子と、出力端子、インダクタ、電界効果型トランジスタ、共鳴トンネルダイオードからなり、当該電界効果型トランジスタのドレインが第１のバイアス端子に接続され、当該インダクタの一方の端子が第２のバイアス端子に、当該インダクタの他の一方の端子が当該電界効果型トランジスタのゲートに、それぞれ接続され、当該電界効果型トランジスタのソースが当該共鳴トンネルダイオードの一方の端子および当該出力端子に接続され、当該共鳴トンネルダイオードの他の一方の端子が第３のバイアス端子に接続されている回路によって、当該ダイオードの負性微分抵抗特性領域幅より大きな発振電圧振幅が得られることを可能とするものである。
【発明の効果】
【０００８】    従来回路では超高周波発振が可能であったとしても、その実用的な発振電圧振幅は共鳴トンネルダイオードの負性微分抵抗領域幅に制限されていたのに対して、本発明においては、超高周波発振性能はそのまま維持され、それと同時に、その負性微分抵抗領域幅より格段に大きな電圧振幅が得られ、よって高電力化が実現できるという優れた特徴を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【実施例】
【０００９】    図１は本発明の第１の実施例を示した回路図である。１０１、１０２、１０３はそれぞれ第１、第２、第３のバイアス端子、１０４は出力端子、１０５はインダクタ、１０６は電界効果型トランジスタ、１０７は共鳴トンネルダイオード、１０８、１０９はバイアス電源である。また図２は図１に示す回路における発振動作の説明図である。２０１は共鳴トンネルダイオード１０７の電流電圧特性、２０２、２０３、２０４は電界効果型トランジスタ１０６に起因する負荷線を示す。共鳴トンネルダイオードの負性微分抵抗領域幅を上回る発振振幅が得られ、図４に示す従来回路と比較して、格段に大きな発振電圧振幅が得られることを示している。【００１０】    図２を用いて回路の発振動作を説明する。まず、バイアス電源１０８にしかるべき正電圧を与える。また、バイアス電源１０９の電圧値は十分小さくし、電界効果型トランジスタ１０６は遮断状態とする。このときの回路は、点Ｏで示される状態にある。次に電界効果型トランジスタ１０６による負荷線が２０３となる電圧値まで、バイアス電源１０９の電圧値を増加させる。この時、回路の状態を表す点は点Ａとなる。さらにバイアス電源１０９の電圧値を増加させ、ドレイン電流が共鳴トンネルダイオードのピーク電流値より大きくなると負荷線は２０４に示される状態に変化し、回路の状態を示す点は点Ｂへ向かい移動する。それと同時に共鳴トンネルダイオード１０７は負性微分抵抗領域を越え、いわゆる谷（バレー）状態へスイッチする。この結果、当該ダイオード１０７の両端子間に大きな電位差が発生し、電界効果型トランジスタ１０６のゲートソース間の電位差は減少し、ドレイン電流は減少する。従って、負荷線は２０４の状態から２０２へ変化し、回路の状態を示す点は点Ｃへ移動する。しかし、この状態では当該ダイオード１０７の両端子間の電位差は小さく、電界効果型トランジスタ１０６のゲートソース間の電位差は大きくなり、ドレイン電流は増加する。従って、負荷線は再び２０２の状態から２０４へ向かい変化する。このようにして、一定の電圧値を有するバイアス電源１０８、１０９により、回路の状態を示す点は点Ｂと点Ｃの間を往復し、発振動作が実現される。【００１１】    インダクタ１０５は、点Ｂと点Ｃの間を往復する発振状態の実現に必要である。これを用いないと回路は単安定状態となり、発振動作はみられない。故意にインダクタを設けず、回路あるいは素子に寄生するインダクタを利用することも可能であるが、発振回路の実現には原理的にインダクタが必要であることを強調するために図１にインダクタ１０５を記述しており、本発明における当該インダクタはこの種の寄生インダクタの利用をも含むものである。【００１２】    図２から明らかなように、出力電圧の発振振幅は、共鳴トンネルダイオードの負性微分抵抗領域幅を大きく越えていて、従来回路と比較して大きな発振電圧振幅が得られ、よって高出力化が実現されたことがわかる。【００１３】    図５は本発明の第２の実施例を示した回路図である。５０１、５０２、５０３はそれぞれ第１、第２、第３のバイアス端子、５０４は出力端子、５０５はインダクタ、５０６は電界効果型トランジスタ、５０７は共鳴トンネルダイ���ード、５０８、５０９はバイアス電源である。この例ではインダクタ５０５の位置が図１に示した第１の実施例と異なるものの、回路の基本動作は図２に示したものと同様であり、共鳴トンネルダイオード５０７のスイッチにより電界効果型トランジスタ５０６のゲートソース間電圧が変化し、そのとき発生するゲート電流の変化をインダクタ５０５により強調するものである。これは第１の実施例ではインダクタ１０５が電界効果型トランジスタのドレイン電流の変化を強調していたことに相当し、第１の実施例と同様に大きな電圧振幅が得られ、高出力化に寄与するところが大きい。【００１４】    図６は本発明の第３の実施例を示した回路図である。６０１、６０２、６０３はそれぞれ第１、第２、第３のバイアス端子、６０４は出力端子、６０５はインダクタ、６０６は電界効果型トランジスタ、６０７は共鳴トンネルダイオード、６０８、６０９はバイアス電源である。この例ではインダクタ６０５の位置が図１に示した第１の実施例と異なるものの、回路の基本動作は図２に示したものと同様であり、共鳴トンネルダイオード６０７のスイッチにより電界効果型トランジスタ６０６のゲートソース間電圧が変化し、そのとき発生するドレイン電流の変化を強調し、第１の実施例と同様に大きな電圧振幅が得られ、高出力化に寄与するところが大きい。【００１５】    図７は本発明の第４の実施例を示した回路図である。７０１、７０２、７０３はそれぞれ第１、第２、第３のバイアス端子、７０４は出力端子、７０５はインダクタ、７０６は電界効果型トランジスタ、７０７は共鳴トンネルダイオード、７０８、７０９はバイアス電源である。この例ではインダクタ７０５の位置が図１に示した第１の実施例と異なるものの、回路の基本動作は図２に示したものと同様であり、共鳴トンネルダイオード７０７のスイッチにより電界効果型トランジスタ７０６のゲートソース間電圧が変化し、そのとき発生するドレイン電流の変化を強調し、第１の実施例と同様に大きな電圧振幅が得られ、高出力化に寄与するところが大きい。【００１６】    以上の実施例では、本発明の回路の使用する三端子素子として電界効果型トランジスタを用いた例を説明したが、これはヘテロ接合を用いた電界効果型トランジスタを含むものである。また、バイポーラトランジスタ、および、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、などの他の三端子素子を利用しても同様の効果が得られることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００１７】    共鳴トンネルダイオードと三端子素子を集積化した回路は、すでに既存の技術で製造されており、産業上の利用可能性は自明である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１の実施例を示した回路図である。
【図２】本発明の第１の実施例における発振動作の説明図である。
【図３】従来技術に基づく回路図である。
【図４】従来技術に基づく回路における発振動作の説明図である。
【図５】本発明の第２の実施例を示した回路図である。
【図６】本発明の第３の実施例を示した回路図である。
【図７】本発明の第４の実施例を示した回路図である。
【符号の説明】
【００１９】１０１、１０２、１０３、５０１、５０２、５０３、６０１、６０２、６０３、７０１、７０２、７０３  バイアス端子
１０４、５０４，６０４、７０４  出力端子
１０５、５０５，６０５、７０５  インダクタ
１０６、５０６，６０６、７０６  電界効果型トランジスタ
１０７、５０７，６０７、７０７  共鳴トンネルダイオード
１０８、１０９、５０８、５０９、６０８、６０９、７０８、７０９  バイアス電源
２０１  共鳴トンネルダイオードの電流電圧特性
２０２、２０３、２０４  電界効果型トランジスタによる負荷線
３０１、３０２  従来回路におけるバイアス端子
３０３  従来回路における出力端子
３０４  従来回路におけるインダクタ
３０５  従来回路における抵抗
３０６  従来回路における共鳴トンネルダイオード
３０７  従来回路におけるバイアス電源
４０１  従来回路における共鳴トンネルダイオードの電流電圧特性
４０２  従来回路における抵抗負荷直線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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