JP3552804B2 - 低雑音増幅装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ波やミリ波帯の超高周波帯における微弱な信号を増幅する低雑音増幅器の雑音特性の向上に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、周波数帯域の有効活用などの観点からミリ波と呼ばれる超高周波帯の電波が注目されている。これらの電波を用いたシステムでは、信号を受信する場合に、アンテナで受けた信号を増幅する増幅器が必要である。一般に、この様な増幅器は微弱な信号を低雑音で増幅する性能が要求され、低雑音増幅器（Ｌｏｗ Ｎｏｉｓｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）あるいはその頭文字をとってＬＮＡと呼ばれている。
【０００３】
扱う電波の周波数が高くなるほど、処理するトランジスタは高速動作が要求される。３０ＧＨｚを越えるミリ波帯域では、主に高電子移動度電界効果トランジスタ、略してＨＥＭＴと呼ばれるトランジスタが用いられており、中でも信号の担い手である電子が流れるチャネルにＩｎＧａＡｓ化合物半導体を用いたＨＥＭＴが有利である。従来から広くマイクロ波帯で用いられてきたＧａＡｓに比べ、ＩｎＧａＡｓは電子の移動度が高く、このことがＨＥＭＴの動作速度を向上させている。さらに、ＩｎＧａＡｓはＩｎの含有率が高くなるに連れて移動度が高くなるため、Ｉｎの含有率を１５％から５３％又は８０％まで高めたＨＥＭＴが試作されている。
【０００４】
一方、Ｉｎの含有率が５３％のＩｎＧａＡｓを用いたＨＥＭＴでＬＮＡを作製した従来技術としては、電子情報通信学会・信学技報・ＥＤ−９２−１１６（１９９３） などが知られている。この文献に記載されたＬＮＡは、２段の増幅器であり、ＨＥＭＴのバイアス電圧はドレインバイアス用電源電圧が１Ｖ、ゲートバイアス用電源電圧が−０．５Ｖである。実際の増幅器の回路では、抵抗を通じてＨＥＭＴのドレイン電極やゲート電極にバイアス電圧が印加されているので、詳しい値は不明であるが、ＨＥＭＴの内部には最大、ドレイン電極とゲート電極の電位差分だけの電圧が加わることなる。即ち、文献の場合には回路の抵抗を無視すれば最大１．５Ｖの電圧がＨＥＭＴに加わることになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＩｎＧａＡｓをチャネル層に用いた高性能のＨＥＭＴでは、従来のＧａＡｓを用いたＨＥＭＴに比べてチャネル内を流れる電子の速度は容易に高くなるため、電子が半導体結晶内を走行する際に、結晶内原子に衝突し、新たに電子・正孔対を生成する衝突電離現象を起こすことが知られている。この様な衝突電離によって発生した電子がドレイン電極に達すると、雑音の源となり、増幅器の低雑音性能を損なうという問題がある。衝突電離のメカニズムは、例えば電子情報通信学会・信学技報・ＥＤ９４−５６（１９９４） などで、デバイスシミュレーションによって解明する試みが報告されているが、増幅器の設計においてこれらの不具合を回避できる目安は知られていない。
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するために成されたものであり、その目的は、ＨＥＭＴを用いた低雑音増幅器を作る上で、衝突電離を確実に防止できる構造及び回路を提供するものである。衝突電離を防止できれば、ＨＥＭＴのチャネル内で電子が生成されることもなくなり、増幅器の雑音性能を向上させることができる。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、高電子移動度電界効果トランジスタを用いた１段の低雑音増幅器において、トランジスタのドレイン電極及びゲート電極に加わる電位差（単位ボルト）が、トランジスタのチャネル層のバンドギャップの値（単位電子ボルト）とほぼ同じか、小さくなるように直流バイアス電圧が加えられていることを特徴とする。又、請求項２の発明はトランジスタのチャネル層をＩｎＧａＡｓとしたことである。
【０００８】
さらに、請求項３の発明は高電子移動度電界効果トランジスタを用いた２段以上の低雑音増幅器において、入力端子から見て第１段目に相当するトランジスタのドレイン電極及びゲート電極に加わる電位差（単位ボルト）をトランジスタのチャネル層のバンドギャップの値（単位電子ボルト）とほぼ同じか、小さくなるように直流バイアス電圧を加えたことを特徴とする。又、請求項４の発明はトランジスタのチャネル層をＩｎＧａＡｓとしたことを特徴とする。
【０００９】
【作用及び発明の効果】
本発明者らは、衝突電離が発生するための必要条件に注目し、それを防止できるようなバイアス条件を求める方法を考案した。ＨＥＭＴのチャネル内で衝突電離が発生するためには、走行する電子が、チャネル層を形成する半導体における電子と正孔の結合エネルギー以上に加速されている必要がある。半導体ではこの結合エネルギーはバンドギャップに相当する。ＩｎＧａＡｓのバンドギャップＥｇは室温の場合、以下の計算で求めることができる。
【００１０】
【数１】

但し、ｘはＩｎＧａＡｓのＩｎ含有率である。（１） 式によれば、Ｉｎの含有率が５３％のときはＥｇ＝０．７０９ｅＶ、Ｉｎの含有率が８０％のときはＥｇ＝０．４７６ｅＶである。
【００１１】
一方、チャネル内を走行する電子に与えられるエネルギーは、チャネルに加わる電位差に依存する。ＨＥＭＴにバイアス電圧を加えた状態における、ドレイン電極の電位をＶｄ、ゲート電極の電位をＶｇとすると、チャネルには最大Ｖｄ−Ｖｇの電圧が加わる可能性がある。１Ｖの電圧で加速された電子は１ｅＶのエネルギーを持つので、このＶｄ−Ｖｇの値を（１） 式で求めたチャネルのバンドギャップ以下の値に保てば、チャネル内を走行する電子が、電子と正孔の結合エネルギー以上のエネルギー（バンドギャップに相当）を得ることはなくなり、衝突電離を確実に防止することができる。
【００１２】
このように、ＨＥＭＴのドレイン電極及びゲート電極に加わる電位差（単位ボルト）が、ＨＥＭＴのチャネル層のバンドギャップの値（単位電子ボルト）とほぼ同じか、小さくなるように直流バイアス電圧を設定することで、チャネル内を走行する電子による衝突電離は発生しない。よって、雑音の発生を確実に防止することができる。本発明はチャネルの材質が変化しても対応させることができ、例えば、ＩｎＧａＡｓをチャネルに用いたＨＥＭＴにおいて、Ｉｎの含有率を増加させて電子の移動度を向上させ、増幅率を増加させた場合にも、それに伴って返って、雑音が増加してしまうことを防止することができる。
【００１３】
なお、複数のＨＥＭＴを用いた、いわゆる多段階増幅器の場合には、雑音特性は入力端子から見て１段目のＨＥＭＴの性能によって決まるため、この１段目の増幅器において、本発明のバイアス電圧条件を満たせばよく、２段目以降の増幅器においては、増幅率を優先させれば良い。
【００１４】
上記の構成のＨＥＭＴにより、チャネルの材質を様々に変えた場合でも、雑音の発生を確実に抑制することができる。これは、特にＩｎ含有率を高くして、チャネルの移動度を高くし、より高い周波数でより高い増幅率を得ようとする場合に特に有効である。
このような低雑音増幅器を用いれば、従来よりも微弱な信号を用いたシステムが実現できるため、電波の送信電力を弱めて、システムの低消費電力化を図ったり、アンテナを小さくして小型化を図るなどの効果がある。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を説明する。図１は本発明の第１の実施例の増幅器を示している。図１はＨＥＭＴを用いた１段増幅器の例である。ＨＥＭＴ１のソース電極Ｓは伝送線路１４を介して接地されており、ドレイン電極Ｄは伝送線路１３、１５、抵抗７を介してドレイン電源５に接続されており、ゲート電極Ｇは伝送線路１１、１２、抵抗６を介してゲート電源４に接続されている。入力端子２から入力された信号はこのＨＥＭＴ１により増幅されて出力端子３から出力される。
【００１６】
ここで、図１中のＨＥＭＴ１の構造を図２で詳しく説明する。図２はＨＥＭＴ１の断面構造を表しており、ＩｎＰ基板２１上にＩｎＡｌＡｓバッファ層２２、ＩｎＧａＡｓチャネル層２３、ＩｎＡｌＡｓスペーサ層２４、ＩｎＡｌＡｓドープ層２５、ＩｎＡｌＡｓゲートコンタクト層２６、ＩｎＧａＡｓキャップ層２７を積層した構造をとり、キャップ層２７上にはＡｕＧｅ／Ｎｉ／Ａｕからなるドレイン電極２８とソース電極２９とが形成されている。また、ドレイン電極２８とソース電極２９の間の中央部においては、キャップ層２７が一部除去されて、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕから成るゲート電極２１０が形成されている。ここで、チャネル層２３のＩｎ含有率は、チャネルにおける電子の移動度を高く保つために８０％とした。
【００１７】
以上のＨＥＭＴ１を用いた場合、チャネル層２３のバンドギャップは（１） 式より０．４７６ｅＶである。そこで、図１におけるＨＥＭＴ１のゲート電極Ｇの電位Ｖｇとドレイン電極Ｄの電位Ｖｄとの電位差を０．４７６Ｖ以下に保てば、ＨＥＭＴ１内部での雑音の発生を低く抑えることができる。ＨＥＭＴ１の各電極Ｄ，Ｓ間の導電率や、回路に用いている抵抗の定数にも依存するが、たとえば、抵抗６、７が何れも２０Ωであり、ゲート電流を０．０１ｍＡ、ドレイン電流を６ｍＡとする設計の場合、ゲートバイアス電源４の電圧を０．２Ｖ、ドレインバイアス電源５の電圧を０．７２Ｖに設計すれば、Ｖｇ＝０．２Ｖ、Ｖｄ＝０．６Ｖとすることができる。よって、Ｖｄ−Ｖｇ＝０．４Ｖとなって、電位差をチャネル層２３のバンドギャップ以下に保つことができる。
【００１８】
図３は本発明の第２の実施例であり、２つのＨＥＭＴで構成された２段増幅器である。図３のＨＥＭＴ３０１、ゲート電源３０４、ドレイン電源３０５、抵抗３０６、抵抗３０９、伝送線路３１１、３１２、３１３、３１４、３１５は、それぞれ、図１のＨＥＭＴ１、ゲート電源４、ドレイン電源５、抵抗６、抵抗７、伝送線路１１、１２、１３、１４、１５に対応する。入力端子３０２から入力された信号は、１段目のＨＥＭＴ３０１及び２段目のＨＥＭＴ３１０で増幅され、出力端子３０３から出力される。ＨＥＭＴ３０１、３１０は第１の実施例と同じく図２に示す断面構造を持つＨＥＭＴである。ここで、１段目のＨＥＭＴ３０１のゲート電極Ｇの電位Ｖｇとドレイン電極Ｄの電位Ｖｄとの電位差を、０．４７６Ｖ以下となるように設定する。具体的には第１の実施例で示したような抵抗値および電源電圧を用いれば良い。
【００１９】
一方、２段目のＨＥＭＴ３１０に関しては、特に低雑音特性に注意を払うことなく、最大の増幅率が得られるように設定する。例えばドレインバイアス電圧の値を１段目のＨＥＭＴ３０１のドレインバイアス電圧に比べて大きくし、ドレイン電極Ｄの電位を１Ｖ程度まで高くすることにより、増幅率を高くした。このような構造にすることにより、第１の実施例に比べ、より高増幅率の増幅器を構成することができる。
【００２０】
なお、本発明を３段増幅器やそれ以上の多段増幅器に用いる場合には、２段増幅器の場合と同様に、入力端子から見て１段目のＨＥＭＴに関してのみ、ゲート電極とドレイン電極のバイアス電圧の差をチャネル層のバンドギャップに対応させて設定させば同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例にかかる増幅器の構成を示した回路図。
【図２】本発明で用いる高電子移動度電界効果トランジスタ（ＨＥＭＴ）の構造を示した構成図。
【図３】本発明の第２実施例に係る増幅器の構成を示した回路図。
【符号の説明】
１，３０１，３１０…ＨＥＭＴ
２，３０２…入力端子
３，３０３…出力端子
４，３０４…ゲート電源
５，３０５…ドレイン電源
６，３０６，７，３０７…抵抗
１１，１２，１３，１４，１５…伝送線路
３１１，３１２，３１３，３１４，３１５…伝送線路

Claims (4)

1. 高電子移動度電界効果トランジスタを用いた１段の低雑音増幅器において、
   前記トランジスタのドレイン電極及びゲート電極に加わる電位差（単位ボルト）が、前記トランジスタのチャネル層のバンドギャップの値（単位電子ボルト）とほぼ同じか、小さくなるように直流バイアス電圧が加えられていることを特徴とする増幅装置。
2. 前記トランジスタの前記チャネル層はＩｎＧａＡｓであることを特徴とする請求項１に記載の増幅装置。
3. 高電子移動度電界効果トランジスタを用いた２段以上の低雑音増幅器において、
   入力端子から見て第１段目に相当するトランジスタのドレイン電極及びゲート電極に加わる電位差（単位ボルト）が、前記トランジスタの前記チャネル層のバンドギャップの値（単位電子ボルト）とほぼ同じか、小さくなるように直流バイアス電圧が加えられていることを特徴とする増幅装置。
4. 前記トランジスタの前記チャネル層はＩｎＧａＡｓであることを特徴とする増幅装置。

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