JP2712836B2 - 光子誘導可変容量効果素子 - Google Patents
光子誘導可変容量効果素子Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
- H01L29/92—Capacitors having potential barriers
-
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- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
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- H01L31/1035—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier being of the PN homojunction type the devices comprising active layers formed only by AIIIBV compounds
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Description
【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、一般的に半導体素子、特にP/N接合の光電
特性を利用した半導体素子に関し、そして更に特定すれ
ば、P/N接合の空乏領域の光子誘導（photon simulatio
n）が伝導スレシホルド以下の可変容量効果を生じる、
光子誘導可変容量効果素子を対象としたものである。
特性を利用した半導体素子に関し、そして更に特定すれ
ば、P/N接合の空乏領域の光子誘導（photon simulatio
n）が伝導スレシホルド以下の可変容量効果を生じる、
光子誘導可変容量効果素子を対象としたものである。
発明の背景 情報信号の光学伝送システムは、固有の利点を享受
し、その結果近年このようなシステムが大幅に増加して
いる。光学システムは、可視光に非常に近い搬送波周波
数を用いているので（赤外線および紫外線も用いてい
る。）、使用可能なスペクトルを使いきってしまう恐れ
がないように、かなり広い帯域変調技術を用いることが
ある。実際、振幅増幅（AM）は、可視光スペクトルにお
いて搬送波信号を用いて実施することが容易なため、選
択されている技術である。単にLED（発光ダイオード）
を介して電流を変化させるのみで、光エネルギの直接振
幅変調を生成するのである。
し、その結果近年このようなシステムが大幅に増加して
いる。光学システムは、可視光に非常に近い搬送波周波
数を用いているので（赤外線および紫外線も用いてい
る。）、使用可能なスペクトルを使いきってしまう恐れ
がないように、かなり広い帯域変調技術を用いることが
ある。実際、振幅増幅（AM）は、可視光スペクトルにお
いて搬送波信号を用いて実施することが容易なため、選
択されている技術である。単にLED（発光ダイオード）
を介して電流を変化させるのみで、光エネルギの直接振
幅変調を生成するのである。
加えて、光学システムは、外部RF（無線周波数）伝送
の干渉、および核爆発の電磁衝撃に比較的影響されない
ものである。結果的に、優れた信号対ノイズ比性能を有
する高速通信（signaling）が得られる。
の干渉、および核爆発の電磁衝撃に比較的影響されない
ものである。結果的に、優れた信号対ノイズ比性能を有
する高速通信（signaling）が得られる。
もちろん、データおよび音声伝送用に光学システムを
用いる場合、一般的に固体導波媒体の制約を受ける。こ
れらの導波管は、光ファイバケーブルの形状を取り、望
ましい光学的品質（高透過性、高屈折率等）を有する合
成材料から製造されている。光エネルギは、光ファイバ
ケーブルによって効果的に取り込まれ、そしてこのよう
なケーブル構造体のネットワークによって、比較的短い
距離を案内される。
用いる場合、一般的に固体導波媒体の制約を受ける。こ
れらの導波管は、光ファイバケーブルの形状を取り、望
ましい光学的品質（高透過性、高屈折率等）を有する合
成材料から製造されている。光エネルギは、光ファイバ
ケーブルによって効果的に取り込まれ、そしてこのよう
なケーブル構造体のネットワークによって、比較的短い
距離を案内される。
光ファイバに対するこの制約は、LAN（ローカルエリ
アネットワーク）のような一般的なコンピュータデータ
ネットワークにおいては完全に受け入れることができる
が、より長い距離にわたる伝送では、光ファイバに頼る
ことが実用的でないことが頻繁に起こる（必要なケーブ
ル長、好ましくない地形、耐震性を確保する要望等）。
光ファイバケーブルを用いず空中を伝送させるマイクロ
波周波数は、短距離および二地点間の用途には、信頼性
がある。陸上の移動環境において音声およびデータを通
信装置に伝送するためには、より低い周波数のRF信号が
ほとんど例外なく用いられている。
アネットワーク）のような一般的なコンピュータデータ
ネットワークにおいては完全に受け入れることができる
が、より長い距離にわたる伝送では、光ファイバに頼る
ことが実用的でないことが頻繁に起こる（必要なケーブ
ル長、好ましくない地形、耐震性を確保する要望等）。
光ファイバケーブルを用いず空中を伝送させるマイクロ
波周波数は、短距離および二地点間の用途には、信頼性
がある。陸上の移動環境において音声およびデータを通
信装置に伝送するためには、より低い周波数のRF信号が
ほとんど例外なく用いられている。
可視光スペクトル内の搬送波周波数から、より低いRF周
波数への遷移が必要なために、そしてより低い周波数の
通信スペクトルにおいてFM（周波数変調）が支持されて
AM変調が一般的に排除されているため、AM変調された光
エネルギをFM変調されたRF搬送波に変換するための種々
の方法が考案されている。FM変調無線信号は、伝送され
た信号情報の保全性を保存することに関して、AM変調無
線信号よりも、次の２つの理由で勝っている。第１に、
FMシステムは、自然のおよび人工の電磁ノイズ（振幅が
変化する）に対する本質的な耐性（immunity）を有して
おり、第２に、FM信号の捕獲効果が、より高い通信の信
頼性をもたらすのである。AMからFMに変換するもっとも
一般的な技術は、フォトトランジスタ検出器回路を用い
て光波内に含まれている情報を復調すること、そして次
に電圧制御発振器（VCO）の周波数決定素子を形成する
バラクターダイオードに上記検出器の出力を印加し、FM
信号を生成することを伴うものである。
波数への遷移が必要なために、そしてより低い周波数の
通信スペクトルにおいてFM（周波数変調）が支持されて
AM変調が一般的に排除されているため、AM変調された光
エネルギをFM変調されたRF搬送波に変換するための種々
の方法が考案されている。FM変調無線信号は、伝送され
た信号情報の保全性を保存することに関して、AM変調無
線信号よりも、次の２つの理由で勝っている。第１に、
FMシステムは、自然のおよび人工の電磁ノイズ（振幅が
変化する）に対する本質的な耐性（immunity）を有して
おり、第２に、FM信号の捕獲効果が、より高い通信の信
頼性をもたらすのである。AMからFMに変換するもっとも
一般的な技術は、フォトトランジスタ検出器回路を用い
て光波内に含まれている情報を復調すること、そして次
に電圧制御発振器（VCO）の周波数決定素子を形成する
バラクターダイオードに上記検出器の出力を印加し、FM
信号を生成することを伴うものである。
このような変換回路を用いると、光ファイバネットワ
ークとRFネットワークとを用いている通信システムに、
複雑さと費用とを、増加させることになる。したがっ
て、AM変調光エネルギのFM変調RF信号への変換を簡素化
する方法に対する必要性が生じている。
ークとRFネットワークとを用いている通信システムに、
複雑さと費用とを、増加させることになる。したがっ
て、AM変調光エネルギのFM変調RF信号への変換を簡素化
する方法に対する必要性が生じている。
発明の概要 上述の必要性は、少なくとも１つのP/N接合と、接合
動作点か実質的に平衡にある時、所定の幅を有する、関
連する空乏領域から成り、前記接合は入射光子を受信す
るように構成されかつ配置されている半導体素子によっ
て満足される。入射した光子は、空乏領域の幅を変調し
て光子誘導体可変容量効果を生じる一方、動作点は実質
的に平衡近くに維持されている。
動作点か実質的に平衡にある時、所定の幅を有する、関
連する空乏領域から成り、前記接合は入射光子を受信す
るように構成されかつ配置されている半導体素子によっ
て満足される。入射した光子は、空乏領域の幅を変調し
て光子誘導体可変容量効果を生じる一方、動作点は実質
的に平衡近くに維持されている。
図面の簡単な説明 第1a図は、平衡におけるP/N接合周囲の空乏領域を図
示する。
示する。
第1b図は、平衡における接合間の静電電位を示す。
第1c図は、平衡におけるP/N接合のエネルギバンド図
である。
である。
第2a図は、空乏領域幅に対する入射光の効果の図であ
る。
る。
第2b図は、入射光に応答した静電電位の減少を示す。
第2c図は、衝突する光子に晒されたP/N接合に対する
エネルギバンド図である。
エネルギバンド図である。
第3a図は、入射光子強度および入射RF電圧における変
化による、ガリウム砒素P/N接合の動作点のシフトを示
す。
化による、ガリウム砒素P/N接合の動作点のシフトを示
す。
第3b図は、小信号入射RF電圧による、自己バイアスPS
VCE素子の動作領域を示す。
VCE素子の動作領域を示す。
第3c図は、通常通信入射RF電圧による、自己バイアス
PSVCE素子の動作領域を示す。
PSVCE素子の動作領域を示す。
第3d図は、大信号入射RF電圧による、外部バイアスPS
VCEの動作領域を図示する。
VCEの動作領域を図示する。
第４図は、VCOにおける周波数決定素子としての本発
明のPSVCE素子を示す。
明のPSVCE素子を示す。
第5a図は、典型的なPSVCE受容体素子パッケージを示
す。
す。
第5b図はPSVCE素子光ファイバ連結終端パッケージの
図である。
図である。
第5c図は、第5b図の素子に対する概略シンボルであ
る。
る。
第6a図は、典型的なPSVCE断路（isolator）素子パッ
ケージの図である。および 第6b図は、第6a図の素子に対する概略シンボルであ
る。
ケージの図である。および 第6b図は、第6a図の素子に対する概略シンボルであ
る。
好適な実施例の説明 P/N接合は、それぞれドナー不純物（Ｎ−型半導体を
形成するための）およびアクセプタ不純物（Ｐ−型半導
体を形成するための）の添加によって、「ドープ」され
た真性半導体材料の２つの部分の間の境界において、形
成するものである。ドナー不純物は、真性材料の結晶構
造に自由電子を「与えて」、負の電荷キャリア過剰、す
なわちＮ−型材料としての特性を作り出す。アクセプタ
不純物を使用すると、通常は電子がある結晶格子に「ホ
ール」を結果的に生じ、そして、ホールは正の電荷キャ
リアとして考えられるので、この種の材料をＰ−型と名
付けている。
形成するための）およびアクセプタ不純物（Ｐ−型半導
体を形成するための）の添加によって、「ドープ」され
た真性半導体材料の２つの部分の間の境界において、形
成するものである。ドナー不純物は、真性材料の結晶構
造に自由電子を「与えて」、負の電荷キャリア過剰、す
なわちＮ−型材料としての特性を作り出す。アクセプタ
不純物を使用すると、通常は電子がある結晶格子に「ホ
ール」を結果的に生じ、そして、ホールは正の電荷キャ
リアとして考えられるので、この種の材料をＰ−型と名
付けている。
第1a図は、平衡におけるP/N接合を図示したもので、
全体的に番号100で示してある。接合自体は、Ｎ−型材
料（102）からＰ−型材料（101）の部分を分ける実線に
よって示されている。よく知られているように、図では
破線で示された、幅Ｗの遷移領域（103）が、その物質
間の物理的境界を包囲している。この遷移領域は、接合
を取り囲む隣接領域が再接合のために電荷キャリアが実
際上欠如しているので、時として空乏領域と呼ばれてい
る。Ｐ−型およびＮ−型材料にて始まる導体（104）
が、解放接点にて終わっている様子が示され、外部から
この素子に電圧を印加していないことを示している。
全体的に番号100で示してある。接合自体は、Ｎ−型材
料（102）からＰ−型材料（101）の部分を分ける実線に
よって示されている。よく知られているように、図では
破線で示された、幅Ｗの遷移領域（103）が、その物質
間の物理的境界を包囲している。この遷移領域は、接合
を取り囲む隣接領域が再接合のために電荷キャリアが実
際上欠如しているので、時として空乏領域と呼ばれてい
る。Ｐ−型およびＮ−型材料にて始まる導体（104）
が、解放接点にて終わっている様子が示され、外部から
この素子に電圧を印加していないことを示している。
当該技術ではよく知られているように、接合の平衡状
態を維持するのに必要な電位差が生じる。この電位差
を、内部拡散電位または接触電位と呼び、第1b図ではV0
として示されている。これは、電荷キャリアが接合を横
切る際に克服しなくてはならない静電電位である。
態を維持するのに必要な電位差が生じる。この電位差
を、内部拡散電位または接触電位と呼び、第1b図ではV0
として示されている。これは、電荷キャリアが接合を横
切る際に克服しなくてはならない静電電位である。
第1c図は、平衡における接合に対するエネルギバンド図
である。Ｐ−型材料に対して、価電子帯エネルギレベル
（Evp）は、伝導帯エネルギレベル（Ecp）より、フェル
ミレベル（EEP）に大幅に近い。もちろん、Ｐ−型材料
内の導電帯において自由電子を見つけることは期待でき
ないであろう。接合のＮ側では、逆の状況が得られる。
伝導帯エネルギレベル（Ecn）は、価電子帯エネルギレ
ベル（Evn）より、フェルミレベル（EFn）に大幅に近
く、伝導帯における自由電子の高い確率を示している。
接合の反対側の伝導帯エネルギレベルは、qV0だけ離さ
れており、ここでｑは１つの電子の電荷であり、v0は内
部拡散電位である。
である。Ｐ−型材料に対して、価電子帯エネルギレベル
（Evp）は、伝導帯エネルギレベル（Ecp）より、フェル
ミレベル（EEP）に大幅に近い。もちろん、Ｐ−型材料
内の導電帯において自由電子を見つけることは期待でき
ないであろう。接合のＮ側では、逆の状況が得られる。
伝導帯エネルギレベル（Ecn）は、価電子帯エネルギレ
ベル（Evn）より、フェルミレベル（EFn）に大幅に近
く、伝導帯における自由電子の高い確率を示している。
接合の反対側の伝導帯エネルギレベルは、qV0だけ離さ
れており、ここでｑは１つの電子の電荷であり、v0は内
部拡散電位である。
第2a図は、接合が入射光に露出された時の、空乏領域
の幅における劇的な変化を示すものである。入射光子の
エネルギがバンドギャップ電圧のエネルギより大きい
時、電子−ホール対が生成される有限の確率があり、そ
して順方向電圧が接合間に現れる。
の幅における劇的な変化を示すものである。入射光子の
エネルギがバンドギャップ電圧のエネルギより大きい
時、電子−ホール対が生成される有限の確率があり、そ
して順方向電圧が接合間に現れる。
全体的に番号200で示されている、第2a図に示す半導
体素子は、丁度先に述べたように、Ｐ−型材料（201）
とＮ−型材料（202）との間の境界にP/N接合を有してい
る。この接合を入射光（205）に露出すると、遷移領域2
03の幅Ｗが、平衡における幅（第1a図）と比較した時、
著しく小さくなり、そして解放回路電圧Vocが素子の接
触端子（204）に現れる。
体素子は、丁度先に述べたように、Ｐ−型材料（201）
とＮ−型材料（202）との間の境界にP/N接合を有してい
る。この接合を入射光（205）に露出すると、遷移領域2
03の幅Ｗが、平衡における幅（第1a図）と比較した時、
著しく小さくなり、そして解放回路電圧Vocが素子の接
触端子（204）に現れる。
もちろん、遷移領域間の静電電位は、平衡値と比較す
ると、第2b図に示すようにVocに等しい量だけ減少して
いる。この静電電位の減少は、素子を伝導により近ける
ものである。この事実は第2c図のエネルギバンド図によ
っても示されている。照明された接合を横切るフェルミ
レベルの差は、qVocであり、接合が適当な周波数の光で
照明された時、電荷キャリア遷移領域の横断がより簡単
に行われることを意味する。当然、平衡接触電位V0は接
合間に現れ得る最大順方向電圧であるので、Vocの値が
これを越えることはない。
ると、第2b図に示すようにVocに等しい量だけ減少して
いる。この静電電位の減少は、素子を伝導により近ける
ものである。この事実は第2c図のエネルギバンド図によ
っても示されている。照明された接合を横切るフェルミ
レベルの差は、qVocであり、接合が適当な周波数の光で
照明された時、電荷キャリア遷移領域の横断がより簡単
に行われることを意味する。当然、平衡接触電位V0は接
合間に現れ得る最大順方向電圧であるので、Vocの値が
これを越えることはない。
光エネルギを加えることによる遷移領域幅の変化の１
つの結果は、素子間の容量における観測可能な変化とな
る。電荷キャリアは遷移領域の限界に集まる傾向がある
ので、遷移領域の幅が板の隔たりに対応する従来の平行
板コンデンサを用いて、P/N接合を類推的に説明するこ
とができる。平行板コンデンサの容量が板間距離に反比
例するのと丁度同じように、P/N接合間の容量も遷移領
域の幅に反比例する。
つの結果は、素子間の容量における観測可能な変化とな
る。電荷キャリアは遷移領域の限界に集まる傾向がある
ので、遷移領域の幅が板の隔たりに対応する従来の平行
板コンデンサを用いて、P/N接合を類推的に説明するこ
とができる。平行板コンデンサの容量が板間距離に反比
例するのと丁度同じように、P/N接合間の容量も遷移領
域の幅に反比例する。
この光子誘導可変容量効果（PSVCE:Photon Stimulate
d Variable Capacitance Effect）の従来の応用は、限
られた範囲の動作電圧に制約されていた。第3a図は、P/
N接合に対する典型的なＶ−Ｉ（電圧−電流）特性であ
る。図に示すように、従来のPSVCE領域は、接合平衡に
近いそれら動作点に制限されている。
d Variable Capacitance Effect）の従来の応用は、限
られた範囲の動作電圧に制約されていた。第3a図は、P/
N接合に対する典型的なＶ−Ｉ（電圧−電流）特性であ
る。図に示すように、従来のPSVCE領域は、接合平衡に
近いそれら動作点に制限されている。
先に論じたように、適当な周波数の入射光が遷移領域
をより狭くさせ、結果的に容量が増加することになる。
しかし、順方向電圧があまりに多く増加すると（図に示
すようにガリウム砒素で製造されたPSVCE素子に対して
約1.5ボルト以上）、接合が通電し始め、そして容量効
果が無駄になる。全ての応用において、接合の容量性特
性が有用となるためには、VocがV0（接合の接触電位）
以下の値を有するようにVocを維持しなくてはならな
い。この正の接合電圧軸に沿った動作点のシフトが、光
子照明の増加による動作点シフトの方向として、第3a図
に示されている。
をより狭くさせ、結果的に容量が増加することになる。
しかし、順方向電圧があまりに多く増加すると（図に示
すようにガリウム砒素で製造されたPSVCE素子に対して
約1.5ボルト以上）、接合が通電し始め、そして容量効
果が無駄になる。全ての応用において、接合の容量性特
性が有用となるためには、VocがV0（接合の接触電位）
以下の値を有するようにVocを維持しなくてはならな
い。この正の接合電圧軸に沿った動作点のシフトが、光
子照明の増加による動作点シフトの方向として、第3a図
に示されている。
逆バイアス状態に向かう動作点のシフトは、結果とし
て遷移領域幅の増加をもたらし、これに対応して接合間
の容量が減少する。この負の接合電圧軸に沿った動作点
シフトは、図において、入射RF電圧（自己整流バイア
ス）の増加による動作点シフトの方向として、示されて
いる。従来のPSVCE素子の動作領域は次のように定義さ
れる。PSVCE素子の従来の応用は、関連するRF発振回路
からの入射RF電圧のピーク間振幅がqV0（接合の所与の
入射光子照明の範囲に対する、接合を形成する半導体材
料の伝導帯エネルギレベルの差）より大幅に小さい、動
作等級（class of operation）を必要とする。これは、
入射RF電圧が接合バンドギャップ電圧に関して小さい、
自己バイアス（従来の）動作の小信号等級である。この
動作等級では、PSVCE素子は、それ自身の動作点（自己
バイアスされた）を、光子照明されたP/N接合の静電電
位の関数として、定義する。この動作等級に対する動作
点を示すとすれば、第3b図のようになろう。光子照明値
の範囲は、光信号波形301および302によって示されるよ
うに、瞬間電圧がスレシホルド電圧に決して近付かない
ように維持される。例示の目的で正弦波形を示している
が、信号波形はいかなる任意の形状をも有することがで
きることに注意されたい。
て遷移領域幅の増加をもたらし、これに対応して接合間
の容量が減少する。この負の接合電圧軸に沿った動作点
シフトは、図において、入射RF電圧（自己整流バイア
ス）の増加による動作点シフトの方向として、示されて
いる。従来のPSVCE素子の動作領域は次のように定義さ
れる。PSVCE素子の従来の応用は、関連するRF発振回路
からの入射RF電圧のピーク間振幅がqV0（接合の所与の
入射光子照明の範囲に対する、接合を形成する半導体材
料の伝導帯エネルギレベルの差）より大幅に小さい、動
作等級（class of operation）を必要とする。これは、
入射RF電圧が接合バンドギャップ電圧に関して小さい、
自己バイアス（従来の）動作の小信号等級である。この
動作等級では、PSVCE素子は、それ自身の動作点（自己
バイアスされた）を、光子照明されたP/N接合の静電電
位の関数として、定義する。この動作等級に対する動作
点を示すとすれば、第3b図のようになろう。光子照明値
の範囲は、光信号波形301および302によって示されるよ
うに、瞬間電圧がスレシホルド電圧に決して近付かない
ように維持される。例示の目的で正弦波形を示している
が、信号波形はいかなる任意の形状をも有することがで
きることに注意されたい。
典型的には、光学伝送システムにおけるAM変調を参照
して先に論じたように、信号情報は、PSVCE素子の接合
が決して暗くならないように、光波キャリアに変調され
ている。これは、光照明源によって、接合を「電荷捕
獲」に保持するものである。光源は電荷解放の度合いを
変動させるが、いずれも接合の伝導を起こすのに十分な
強度のものではない。
して先に論じたように、信号情報は、PSVCE素子の接合
が決して暗くならないように、光波キャリアに変調され
ている。これは、光照明源によって、接合を「電荷捕
獲」に保持するものである。光源は電荷解放の度合いを
変動させるが、いずれも接合の伝導を起こすのに十分な
強度のものではない。
この自己バイアス動作の等級を拡張するには、十分な
強度の連動するRF発振回路からの入射RF電圧を、PSVCE
素子接合の伝導スレシホルドに近付け、入射RF電圧の自
己整流の関数として、接合容量において電荷の解放およ
び蓄積が結果的に得られるようにする必要がある。この
動作モードでは、自己バイアスPSVCE素子は、拡張した
動作領域を確保することによって、それ自体の有用な動
作領域を拡張する方向に向かう。この動作領域の拡張
は、一方では、入射RFの自己整流から結果的に生じる相
対する電圧間の平衡点によって生成される電圧の影響の
下での、P/N接合の真性接触電位のシフトされた位置（l
ocus）の、そして他方では、光子電荷の解放の結果であ
る。入射RF電圧がより大きければ、より大きな最大光照
明を得ることになる。
強度の連動するRF発振回路からの入射RF電圧を、PSVCE
素子接合の伝導スレシホルドに近付け、入射RF電圧の自
己整流の関数として、接合容量において電荷の解放およ
び蓄積が結果的に得られるようにする必要がある。この
動作モードでは、自己バイアスPSVCE素子は、拡張した
動作領域を確保することによって、それ自体の有用な動
作領域を拡張する方向に向かう。この動作領域の拡張
は、一方では、入射RFの自己整流から結果的に生じる相
対する電圧間の平衡点によって生成される電圧の影響の
下での、P/N接合の真性接触電位のシフトされた位置（l
ocus）の、そして他方では、光子電荷の解放の結果であ
る。入射RF電圧がより大きければ、より大きな最大光照
明を得ることになる。
PSVCE素子の有用な容量効果は、P/N接合の伝導が大き
く生じた時はいつでも、存在しなくなる。したがって、
この動作領域は、自己バイアスPSVCE素子の有用な動作
限度近くにある。この領域では、PSVCE素子の変換感度
は減少し、そして大幅なRF自己整流または光電流が結果
として生じた点で、動作限度が起こる。
く生じた時はいつでも、存在しなくなる。したがって、
この動作領域は、自己バイアスPSVCE素子の有用な動作
限度近くにある。この領域では、PSVCE素子の変換感度
は減少し、そして大幅なRF自己整流または光電流が結果
として生じた点で、動作限度が起こる。
PSVCE素子のP/N接合の伝導スレシホルドに近付く強度
の、大きな入射RF電圧が印加される、自己バイアス（従
来の）動作の大信号等級として記載されてきたものは、
拡張された動作領域を生成する。この動作等級に対する
動作点を、第3c図に示しており、そこには光照明信号30
3および304が描き込まれている。
の、大きな入射RF電圧が印加される、自己バイアス（従
来の）動作の大信号等級として記載されてきたものは、
拡張された動作領域を生成する。この動作等級に対する
動作点を、第3c図に示しており、そこには光照明信号30
3および304が描き込まれている。
PSVCE素子の第２の動作等級は、外部から印加された
逆バイアスの応用を伴うものである。このバイアスは、
典型的に、高インピーダンス、RF切断電流源（RF decou
pled current source）から得られる。逆バイアス静電
電荷は、暗接合点がP/N接合のＶ−Ｉ特性に関して、よ
り大きな負電圧において生じるように、PSVCE素子の動
作点を変更するものである。PSVCE素子をこの動作で動
作させるのは、RF自己整流を回避しつつより大きな強度
の入射RF電圧を得る便宜を図る、光電流の発生を回避し
つつより大きな強度の入射RF電圧を得る便宣を図る、或
はPSVCE素子の接合容量の見かけ上の強度（nominal mag
nitude）を減少させるためである。
逆バイアスの応用を伴うものである。このバイアスは、
典型的に、高インピーダンス、RF切断電流源（RF decou
pled current source）から得られる。逆バイアス静電
電荷は、暗接合点がP/N接合のＶ−Ｉ特性に関して、よ
り大きな負電圧において生じるように、PSVCE素子の動
作点を変更するものである。PSVCE素子をこの動作で動
作させるのは、RF自己整流を回避しつつより大きな強度
の入射RF電圧を得る便宜を図る、光電流の発生を回避し
つつより大きな強度の入射RF電圧を得る便宣を図る、或
はPSVCE素子の接合容量の見かけ上の強度（nominal mag
nitude）を減少させるためである。
当然、外部バイアス電流を供給する電流源の解放回路
電圧は、PSVCE素子のP/N接合の逆電圧ブレークダウン限
度以下に選択しなければならない。外部バイアス動作等
級では、PSVCE素子の変換感度が減少する。この動作等
級に対する動作点を、第3d図に示すが、この動作モード
に対する相対振幅を示すために、光照明信号305,306,お
よび307を加えてある。動作モードの先の議論から明白
なように、動作点が平衡近くに保持されている時（従来
の小信号自己バイアス動作等級）、PSVCE素子を最も有
利に利用することができる。
電圧は、PSVCE素子のP/N接合の逆電圧ブレークダウン限
度以下に選択しなければならない。外部バイアス動作等
級では、PSVCE素子の変換感度が減少する。この動作等
級に対する動作点を、第3d図に示すが、この動作モード
に対する相対振幅を示すために、光照明信号305,306,お
よび307を加えてある。動作モードの先の議論から明白
なように、動作点が平衡近くに保持されている時（従来
の小信号自己バイアス動作等級）、PSVCE素子を最も有
利に利用することができる。
第４図は、AM変調光エネルギをFM変調RFに変換するの
に有用なネットワーク（番号400で全体的に示されてい
る）のブロック図である。直接FM変調は、電圧制御発振
器（VCO）を用いることによって、最も多く行われてお
り、この場合、操舵電圧（steering voltage）を、周波
数決定素子として動作するVCOの入力内の電圧可変コン
デンサ（バラクター）に印加する。操舵電圧を変化させ
ると、バラクター容量を変化させることになり、VCO出
力における周波数が変化する結果となる。
に有用なネットワーク（番号400で全体的に示されてい
る）のブロック図である。直接FM変調は、電圧制御発振
器（VCO）を用いることによって、最も多く行われてお
り、この場合、操舵電圧（steering voltage）を、周波
数決定素子として動作するVCOの入力内の電圧可変コン
デンサ（バラクター）に印加する。操舵電圧を変化させ
ると、バラクター容量を変化させることになり、VCO出
力における周波数が変化する結果となる。
第４図では、PSVCE素子（404）が、VCO（403）の入力
において周波数決定素子として用いられており、このPS
VCE素子（404）はDC（直流）ブロックコンデンサ（40
6）によって、VCO入力から分離されている。光ファイバ
ケーブル（401）を介して供給されたAM変調光（402）
が、PSVCE素子に向けられている。光（402）の強度変化
が、PSVCE（404）内の遷移領域幅を変調し、これがPSVC
E（404）の容量を変化させる原因となる。これは、VCO
出力（405）において所望の周波数変調RF信号を生成す
るものである。
において周波数決定素子として用いられており、このPS
VCE素子（404）はDC（直流）ブロックコンデンサ（40
6）によって、VCO入力から分離されている。光ファイバ
ケーブル（401）を介して供給されたAM変調光（402）
が、PSVCE素子に向けられている。光（402）の強度変化
が、PSVCE（404）内の遷移領域幅を変調し、これがPSVC
E（404）の容量を変化させる原因となる。これは、VCO
出力（405）において所望の周波数変調RF信号を生成す
るものである。
第5a図は、全体的に番号500で示されたPSVCE受容体パ
ッケージの図である。PSVCE素子（504）は、素子領域の
一方（Ｐ−型またはＮ−型材料のいずれか）に接触を与
える導電性基板（505）に実装されている。導体（507）
がこの板に取り付けられ、そしてパッケージの外側に延
長している。残りの領域との接触は、第２の導体（50
6）の直接取付によって、実施されている。キャップ（5
01）を基板（505）上に配置して、PSVCE素子（504）を
完全に包囲すると共に、不用な光を排除している。キャ
ップ（501）にはレンズ（502）が備えられており、入射
光子（503）が素子に到達できるようにしてある。
ッケージの図である。PSVCE素子（504）は、素子領域の
一方（Ｐ−型またはＮ−型材料のいずれか）に接触を与
える導電性基板（505）に実装されている。導体（507）
がこの板に取り付けられ、そしてパッケージの外側に延
長している。残りの領域との接触は、第２の導体（50
6）の直接取付によって、実施されている。キャップ（5
01）を基板（505）上に配置して、PSVCE素子（504）を
完全に包囲すると共に、不用な光を排除している。キャ
ップ（501）にはレンズ（502）が備えられており、入射
光子（503）が素子に到達できるようにしてある。
PSVCE受容体素子光ファイバパッケージを第5b図に示
す。PSVCE受容体素子は、極性キーイング（keying）の
目的のための平坦側面（504）を包む匡体（503）内に実
装されている。光ファイバ（501）は、光ファイバ（50
1）を決った位置に固定しかつ匡体（503）への不用な光
の侵入を防止する役を果たす光ファイバ保持用ナット
（502）を介して、匡体に入っている。大きな接触ピン
（505）と小さな接触ピン（506）とを利用して、PSVCE
素子との電気的接触を行うと共に、適当な極性を確保す
るのを補助している。第5c図はPSVCE受容器素子に対す
る概略シンボルを示すものである。
す。PSVCE受容体素子は、極性キーイング（keying）の
目的のための平坦側面（504）を包む匡体（503）内に実
装されている。光ファイバ（501）は、光ファイバ（50
1）を決った位置に固定しかつ匡体（503）への不用な光
の侵入を防止する役を果たす光ファイバ保持用ナット
（502）を介して、匡体に入っている。大きな接触ピン
（505）と小さな接触ピン（506）とを利用して、PSVCE
素子との電気的接触を行うと共に、適当な極性を確保す
るのを補助している。第5c図はPSVCE受容器素子に対す
る概略シンボルを示すものである。
これまでの論議は、１つの応用（AM変調光からFM変調
RFへの直接フォーマット変換）において、PSVCE素子の
一種（ガリウム砒素受容体）を定義するものである。ガ
リウム砒素に言及したが、いずれのふさわしい半導体材
料でも、PSVCE素子を製造するために利用することがで
きる。ガリウム砒素のダイオードは比較的高いＱ（性質
係数）を呈することが当該技術ではよく知られている
が、シリコンで製造されたダイオードは、RFの応用にお
いて、より低いノイズおよびよりよい熱安定性を表す。
RFへの直接フォーマット変換）において、PSVCE素子の
一種（ガリウム砒素受容体）を定義するものである。ガ
リウム砒素に言及したが、いずれのふさわしい半導体材
料でも、PSVCE素子を製造するために利用することがで
きる。ガリウム砒素のダイオードは比較的高いＱ（性質
係数）を呈することが当該技術ではよく知られている
が、シリコンで製造されたダイオードは、RFの応用にお
いて、より低いノイズおよびよりよい熱安定性を表す。
PSVCE素子は、光学的に透明な基板のような、進歩し
た半導体技術を利用して製造することもできる。従来の
不透明な基板上の感光半導体素子は、入射光照明を受け
るために広い接表合面積を必要とする。光学的に透明な
基板を用いて製造した素子は、より狭い表面積の埋め込
み接合を用いることができる。接合面積の減少は、接合
容量がより少ないこと、そして接合内に蓄積された電荷
が少ないことを意味するので、光学的に透明な基板技術
を用いて、変換感度がより高く、そしてダイナミック周
波数がより大きな素子を構成することができる。
た半導体技術を利用して製造することもできる。従来の
不透明な基板上の感光半導体素子は、入射光照明を受け
るために広い接表合面積を必要とする。光学的に透明な
基板を用いて製造した素子は、より狭い表面積の埋め込
み接合を用いることができる。接合面積の減少は、接合
容量がより少ないこと、そして接合内に蓄積された電荷
が少ないことを意味するので、光学的に透明な基板技術
を用いて、変換感度がより高く、そしてダイナミック周
波数がより大きな素子を構成することができる。
多数のP/N接合を用いて構成したPSVCE素子は、典型的
に電気的に直列に接続されており、より大きな光感度、
変換感度、より低い値の全体容量（直列接合による）、
およびより高い伝導スレシホルド電圧を示す。もちろ
ん、多数のP/N接合を、電気的に並列に接続してもよ
い。この並列接続を行えば、別個の光源を別個の並列接
続された接合に適用し、光入力の線型接合を結果的に得
る、線型光学結合のような応用が可能となるであろう。
線型光学スプリッタの設計は、光信号を同時に２つ以上
のPSVCE素子に衝突させ、各PSVCE素子を関連する回路に
接続することによって、達成することができる。
に電気的に直列に接続されており、より大きな光感度、
変換感度、より低い値の全体容量（直列接合による）、
およびより高い伝導スレシホルド電圧を示す。もちろ
ん、多数のP/N接合を、電気的に並列に接続してもよ
い。この並列接続を行えば、別個の光源を別個の並列接
続された接合に適用し、光入力の線型接合を結果的に得
る、線型光学結合のような応用が可能となるであろう。
線型光学スプリッタの設計は、光信号を同時に２つ以上
のPSVCE素子に衝突させ、各PSVCE素子を関連する回路に
接続することによって、達成することができる。
レーザダイオードのような発光体を調整してより高い
効率および周波数選択特性を得ることは、当該技術では
よく知られている。このように、レーザダイオード発光
体および／または受容体の形状のPSVCE素子を製造し
て、これらの特性全てを利用することができる。
効率および周波数選択特性を得ることは、当該技術では
よく知られている。このように、レーザダイオード発光
体および／または受容体の形状のPSVCE素子を製造し
て、これらの特性全てを利用することができる。
共通パッケージ内に収容された一対の発光体／受容体
を備えたPSVCE素子は、極性には無関係なPSVCE断路器を
もたらす。OSVCE断路器パッケージを第6a図に示し、素
子の機能を示す概略シンボルを第6b図に示す。発光器お
よび光受容器のいずれかまたは両方を、多数のP/N接合
またはセルで構成することもできる。
を備えたPSVCE素子は、極性には無関係なPSVCE断路器を
もたらす。OSVCE断路器パッケージを第6a図に示し、素
子の機能を示す概略シンボルを第6b図に示す。発光器お
よび光受容器のいずれかまたは両方を、多数のP/N接合
またはセルで構成することもできる。
トランジスタのような半導体素子を、自己増幅PSVCE
素子として実施することができる。フォトトランジスタ
のベース／エミッタ接合において解放された電荷キャリ
アは、この素子のコレクタ／エミッタコンダクタンスを
変調し、コレクタ／ベース容量に対応する変化を起こさ
せ、これを有利に使用することができる。
素子として実施することができる。フォトトランジスタ
のベース／エミッタ接合において解放された電荷キャリ
アは、この素子のコレクタ／エミッタコンダクタンスを
変調し、コレクタ／ベース容量に対応する変化を起こさ
せ、これを有利に使用することができる。
先に論じたAMからFMへの変換の例の他に、PSVCE素子
は、断路器、電子フィルタの調整、通信システムにおけ
る自動周波数網状結合（netting）、およびフィードバ
ックループにおいても、用途を有するものである。
は、断路器、電子フィルタの調整、通信システムにおけ
る自動周波数網状結合（netting）、およびフィードバ
ックループにおいても、用途を有するものである。
Claims (12)
- 【請求項１】光子エネルギの第１強度を生成し少なくと
も第２光子エネルギ強度においてほぼ前記第１強度に変
化する光子資源； 予め決められた無線周波数信号を生成する無線周波数信
号源； 前記無線周波数信号源と結合し前記光子資源からの光子
エネルギを受けるように配置されるP/N接合であって、
前記光子エネルギの第１強度と前記無線周波数信号の前
記予め決められた強度によって確立された前記P/N接合
の前方の伝導スレシホルド以下で動作する点を有し、デ
プレッション領域をさらに有する前記P/N接合において
前記デプレッション領域の幅が前記光子エネルギの少な
くとも第２強度に応答し可変容量効果を生成することを
特徴とする装置。 - 【請求項２】前記P/N接合が、ガリウム砒素で製造され
ることを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項３】前記P/N接合が、シリコンで製造されるこ
とを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項４】前記P/N接合が、光学的に透明な基板内に
おいて、埋め込み接合として構成されてことを特徴とす
る請求項１記載の装置。 - 【請求項５】前記P/N接合に並列に接続し前記光子エネ
ルギ源からの光子エネルギを受ける第2P/N接合によって
さらに構成されることを特徴とする請求項１記載の装
置。 - 【請求項６】前記P/N接合に直列に接続し前記光子エネ
ルギ源からの光子エネルギを受ける第2P/N接合によって
さらに構成されることを特徴とする請求項１記載の装
置。 - 【請求項７】少なくとも前記P/N接合が集積回路の一部
を形成することを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項８】少なくとも前記光子資源および前記P/N接
合が前記集積回路の絶縁体部分を形成し前記光子資源と
前記P/N接合との間を前記光子エネルギ光導波管媒体を
介して運ばれることを特徴とする請求項７記載の装置。 - 【請求項９】可変容量効果を生成するP/N接合を動作す
るための方法であって、 前記P/N接合に第１強度の無線周波数を適用する段階で
あって、前記第１強度が前記P/N接合の前方の伝導を生
成する無線周波数信号の強度より小さい、適用段階； 第２強度の光子刺激を前記P/N接合に適用する段階であ
って、前記第２強度が前記P/N接合において前方の伝導
を生成する光子刺激の強度より小さく、前記無線周波数
信号の前記第１強度と前記光子刺激の第２強度と共に前
記P/N接合の動作点を確立する、適用段階；および 前記光子刺激の強度を前記第２強度に対称的に変化する
段階であって、前記P/N接合が前記光子刺激の前記強度
に基づき可変容量を生成し前記光子刺激の前記強度が前
記P/N接合において前方の伝導を生成する前記強度より
少なくなるように残す、変化段階； によって構成されることを特徴とするP/N接合を動作す
る方法。 - 【請求項１０】前記無線周波数信号の前記第１強度およ
び前記光子刺激の前記第２強度と共に、平衡から正のオ
フセットおよび前記P/N接合の接点電位より小さな前記P
/N接合の動作点を確立することを特徴とする請求項９記
載の方法。 - 【請求項１１】前記光子刺激のための資源として光学導
波管媒体を提供する段階によってさらに構成されること
を特徴とする請求項９記載の方法。 - 【請求項１２】外部から提供する前記P/N接合を交差す
る高インピーダンス電流源から前記P/N接合の反転バイ
アスを開放回路に提供し、前記無線周波数信号の前記第
１強度および前記光子刺激の前記第２強度と共に、前記
P/N接合の接点電位から前記開放回路の電圧にほぼ等し
い値までの負のオフセットである前記P/N接合の動作点
を確立する段階によってさらに構成されることを特徴と
する請求項９記載の方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/579,437 US5136346A (en) | 1990-09-07 | 1990-09-07 | Photon stimulated variable capacitance effect devices |
| US579,437 | 1990-09-07 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06500667A JPH06500667A (ja) | 1994-01-20 |
| JP2712836B2 true JP2712836B2 (ja) | 1998-02-16 |
Family
ID=24316904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3517189A Expired - Lifetime JP2712836B2 (ja) | 1990-09-07 | 1991-09-06 | 光子誘導可変容量効果素子 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5136346A (ja) |
| EP (1) | EP0547177A4 (ja) |
| JP (1) | JP2712836B2 (ja) |
| KR (1) | KR930701836A (ja) |
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