JP2005269584A - Resonant tunnel diode oscillation circuit - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a next-generation radio and optical fiber communication system and an ultrahigh frequency oscillation circuit necessary for realizing an advanced information processing system. In particular, the present invention relates to an oscillation circuit using a resonant tunneling diode known as an element capable of operating at the highest speed as a semiconductor element.
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。
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。)。
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。 As described above, an oscillation circuit using a resonant tunnel diode is excellent in super high frequency operation, but the oscillation voltage amplitude is limited by the negative differential resistance region width as shown in FIG. There is a problem that it is very difficult to obtain the voltage amplitude, and therefore it is difficult to increase the output. In order to achieve high output, a power combining method using a plurality of resonant tunneling diodes has been proposed, but there is a problem that the circuit becomes complicated and it is difficult to adjust element characteristics. An object of the present invention is to increase the oscillation voltage amplitude in a simple ultrahigh frequency oscillation circuit using a resonant tunneling diode, thereby realizing high output of the circuit.
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。 Combining a three-terminal element capable of ultra-high speed operation with a resonant tunneling diode, when the diode switches from peak to valley, the increase in potential difference generated between the two electrodes of the diode is fed back to the three-terminal element, and the diode Thus, it is possible to obtain an oscillation voltage amplitude larger than the negative differential resistance characteristic region width. Further, by adding an inductor to the circuit, this voltage change is expanded, and the circuit can maintain the oscillation state.
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。 Specifically, the first, second, and third bias terminals, an output terminal, an inductor, a field effect transistor, and a resonant tunneling diode are formed, and one terminal of the inductor is the first bias terminal, and the inductor The other terminal is connected to the drain of the field effect transistor, the gate of the field effect transistor is connected to the second bias terminal, and the source of the field effect transistor is connected to the resonant tunnel diode. A negative differential resistance characteristic region width of the diode is connected to one terminal and the output terminal, and the other one terminal of the resonant tunneling diode is connected to the third bias terminal. A larger oscillation voltage amplitude can be obtained.
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。 Furthermore, the first, second, and third bias terminals, an output terminal, an inductor, a field effect transistor, and a resonant tunnel diode, the drain of the field effect transistor is connected to the first bias terminal, One terminal of the inductor is connected to the second bias terminal, the other terminal of the inductor is connected to the gate of the field effect transistor, and the source of the field effect transistor is connected to one of the resonant tunnel diodes. An oscillation voltage amplitude larger than the negative differential resistance characteristic region width of the diode is obtained by a circuit connected to the terminal and the output terminal and the other terminal of the resonant tunneling diode is connected to the third bias terminal. It is possible to be done.
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。 Even if ultra-high frequency oscillation is possible in the conventional circuit, the practical oscillation voltage amplitude is limited to the negative differential resistance region width of the resonant tunneling diode. The performance is maintained as it is, and at the same time, a voltage amplitude much larger than the width of the negative differential resistance region can be obtained, so that it has an excellent feature that high power can be realized.
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。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention.
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。 The oscillation operation of the circuit will be described with reference to FIG. First, an appropriate positive voltage is applied to the
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。 The
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。 As apparent from FIG. 2, the oscillation amplitude of the output voltage greatly exceeds the width of the negative differential resistance region of the resonant tunneling diode, and a large oscillation voltage amplitude can be obtained as compared with the conventional circuit. You can see that it was realized.
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オード、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。 FIG. 5 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention.
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。 FIG. 6 is a circuit diagram showing a third embodiment of the present invention.
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。 FIG. 7 is a circuit diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
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。 In the above embodiment, the field effect transistor is used as the three-terminal element used by the circuit of the present invention, but this includes a field effect transistor using a heterojunction. It is obvious that the same effect can be obtained by using other three-terminal elements such as a bipolar transistor and a heterojunction bipolar transistor.
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。 A circuit in which a resonant tunneling diode and a three-terminal element are integrated has already been manufactured using existing technology, and industrial applicability is obvious.
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101, 102, 103, 501, 502, 503, 601, 602, 603, 701, 702, 703
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KR100759933B1 (en) | 2006-08-04 | 2007-09-18 | 한국과학기술원 | Differential oscillator circuit topology |
KR100879561B1 (en) | 2007-02-22 | 2009-01-22 | 삼성전자주식회사 | MOBILE circuit which is robust on variation of input voltage |
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2004
- 2004-03-16 JP JP2004117355A patent/JP2005269584A/en active Pending
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