JP5930494B2 - モノリシック集積されたアンテナ及び受信機回路 - Google Patents

モノリシック集積されたアンテナ及び受信機回路 Download PDF

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Description

本発明はモノリシック集積されたアンテナ及び受信機回路に関し、更に詳しくは、第１電極、第２電極、制御電極、及び第１電極と第２電極との間のチャネルを有する少なくとも１つのトランジスタと、アンテナ構造とを備えるＴＨｚ周波数範囲の電磁放射線の検出装置に関する。
１００ＧＨｚ〜３０ＴＨｚの間と大まかに定義されているテラヘルツ周波数範囲やサブミリ波長範囲は、電磁スペクトルにおける最後の「暗黒」領域の一つである。この周波数範囲では、これまで技術的に使用可能で特にコヒーレントであるソース及び対応する検出器は市販されておらず、例え市販されていたとしても低周波数のものであった。ここ数十年間の進歩により複雑なシステムが生み出されたが、このようなシステムは、その複雑さ故に、これまで電波天文学や大気研究等の特定の実験領域でしか使用されてこなかった。テラヘルツ周波数範囲は、電磁スペクトルの他の周波数帯域に勝る以下の固有の利点を有するにも拘らず、日常生活に応用できる廉価なソース及び検出器はこれまでない。
・光学的に不透明な材料の多くは、ＴＨｚ周波数範囲では透明である。
・ＴＨｚ放射は、非電離放射であるために生物医学分野において安全であるとされている。
・所定の分子回転励起、振電励起、又は振動励起は、テラヘルツ周波数範囲において共振周波数を有する。
・ＴＨｚ放射線は、将来の光子及び電子部品のための重要な役割を果たす、特にナノ構造における電荷キャリア動力学について、必要不可欠な情報を提供する。
・ＴＨｚ放射線は、光周波数よりも散乱の程度が低いため、例えば多くの粉塵が形成されている工業環境における使用に特に適している。
・通信システムに関しては、周波数が高いほど、より広い伝送帯域が可能となる。
テラヘルツ範囲で動作する純電子的な装置の多くは、ＧａＡｓ又はＩｎＰ半導体技術に基づいている。近年、ＳｉＧｅ及びＣＭＯＳ半導体技術もまた、最大１ＴＨｚ及びそれ以上で動作する装置を可能とすることが確認された。
現在、テラヘルツ放射線は、例えばショットキーミクサといったヘテロダインミキサや、例えば光起電力検出器、ボロメータ、ゴーレイセル等の光伝導性検出器や電力検出器で検出されている。
しかしながら、上記の技術は全て、ソース及び検出器の部品自体とそれらの製造がかなり複雑であり、その結果、研究及び開発の分野や電波天文学等の、研究に関連する使用分野では使用されても、大衆市場には未だ適していない。
特許文献１には、無線周波数信号の電力レベル検出に用いられる電界効果トランジスタ回路が開示されている。記載されている受信機回路は複数の個別素子で構成されているため、結果として、チップ上の高密度集積を可能としない。加えて、電界効果トランジスタを通る電荷キャリアの走行時間によって決まる時定数が長いため、この電界効果トランジスタはＴＨｚ周波数範囲の高周波数には適さない。上述の米国特許に記載の受信機回路は、電界効果トランジスタを、所謂抵抗ミキサとして使用する。このため、無線周波数信号は、電界効果トランジスタのドレインに接続され、電界効果トランジスタのゲートはＤＣ電圧でバイアスされ、出力信号がローパスフィルタによりフィルタされて、ローパスフィルタから得られる直流電流の信号強度は、無線周波数信号の電力に比例したものとなる。受信信号を局部発振器で混合できる回路配置は記載されていない。
特許文献２には、アンテナ構造が受信したＴＨｚ周波数範囲の電磁信号が、どのようにゲート‐ソース間の接続部を介して電界効果トランジスタに供給されるかが記載されている。このようなＴＨｚ信号の供給で十分な検出を得るために、ゲートとドレインとの間に（外部又は固有の）容量結合が更に設けられている。
米国特許第４、６４７、８４８号明細書 独国特許発明第１０ ２００７ ０６２ ５６２ Ｂ４号明細書
本発明の目的は、高い回路設計の柔軟性と向上したロバスト性で、ＴＨｚ周波数範囲における電磁放射線を検出する装置を提供することにある。
本発明は、第１電極、第２電極、制御電極、及び第１電極と第２電極との間のチャネルを有する少なくとも１つのトランジスタと、アンテナ構造とを備えるＴＨｚ周波数範囲の電磁放射線の検出装置において、トランジスタの第１電極は、アンテナ構造が受信したＴＨｚ周波数範囲の電磁信号がトランジスタの第１電極と第２電極との間のチャネルに供給されるように、アンテナ構造に導電接続されているとともに、制御電極は、外部キャパシタンスを介して第２電極に接続され、並びに／又は、制御電極及び第２電極は、制御電極と第２電極との間で交流電圧の降下が生じないように、固有キャパシタンスを有する装置か、あるいは、トランジスタの第２電極は、アンテナ構造が受信したＴＨｚ周波数範囲の電磁信号がトランジスタの第１電極と第２電極との間のチャネルに供給されるように、アンテナ構造に導電接続されているとともに、制御電極は、外部キャパシタンスを介して第１電極に接続され、並びに／又は、制御電極及び第１電極は、制御電極と第１電極との間で交流電圧の降下が生じないように、固有キャパシタンスを有する装置を提案する。
本願の意義の範囲内で、トランジスタとは、少なくとも３つの電極を備える部品であり、ここで電極という用語は接続部と同義に用いられる。３つの電極の１つは制御電極であり、制御電極に印加された電流又は電圧信号によって、その他２つの電極間の電流の流れが切り替わる。言語的な単純化のために、本願において、制御電極以外のその他の少なくとも２つの電極は、第１及び第２電極とする。特に、トランジスタが４つ以上の電極、特に複数の制御電極を有する、例えばマルチゲートトランジスタである実施形態も考え得る。
本発明の実施形態を実現するトランジスタとしては、パイポーラトランジスタ、電界効果トランジスタ、更には有機トランジスタやカーボンナノチューブトランジスタ等の新種のトランジスタが特に適している。
第１の実施形態では、本発明に係る構成は、第１電極としてのエミッタと、第２電極としてのコレクタと、制御電極としてのベースと、ベース−コレクタ間の接続部と、第１電極と第２電極の間のチャネルとしてのコレクタ−エミッタ間パスと、ベース−エミッタ間の接続部とを有するバイポーラトランジスタによって実現できる。この場合、エミッタ電極又はコレクタ電極は、ＴＨｚ周波数範囲の電磁信号がコレクタ−エミッタ間パスに接続されるように、任意でアンテナ構造に接続される。
代替の実施形態では、トランジスタは、第１電極としてのドレインと、第２電極としてのソースと、制御電極としてのゲートと、ゲート−ソース間の接続部と、第１電極と第２電極の間のチャネルとしてのソース−ドレイン間のチャネルと、ゲート−ドレイン間の接続部とを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。この場合には、ドレイン又はソースは、ＴＨｚ周波数範囲の電磁信号がソース−ドレイン間のチャネルに接続するように、アンテナ構造に接続される。
ＴＨｚ信号を、制御電極と第１又は第２電極を介してトランジスタに接続する既知の方法に対して、本発明に係る装置は、第１及び第２電極間のチャネルを介してＴＨｚ信号を接続するため、アンテナとトランジスタとの間の距離が最短となる。よって、アンテナとトランジスタとの間のＴＨｚ信号の損失を最低限に抑えるという利点がある。
さらに、本発明に係る構成は、アンテナをローパスフィルタとして用いることができるため、その結果、追加の伝送線やその他の要素が不要となる。
本発明のようにアンテナ構造を第１又は第２電極に導電接続すると、生産工程における電荷蓄積防止のために例えば保護ダイオードなどの追加要素を設ける必要がないため、対応する半導体素子の製造中においても利点がある。この種の保護ダイオードは、部品の最大変調／動作周波数を制限する。
一実施形態では、アンテナを装置の第１又は第２電極に結合することによって、アンテナとトランジスタとの間の伝送線を不要とすることができ、その結果、アンテナとトランジスタとの間で起こる伝送損失が低く抑えられる。更に、アンテナからデカップリングすることによって損失が低くなりやすい。また、アンテナとトランジスタとの間の伝送線が不要となると、アンテナとトランジスタとの間の断絶もより少なくなり、不要な放射や反射、よって損失が更に最低限に抑えられる。
アンテナとトランジスタとの間の電線路は、コイルとして機能するように設計することもでき、また、アンテナ−トランジスタ間のインピーダンス整合のために用いることができる。
本使用の意義の範囲内で、ＴＨｚ周波数範囲とは、１００ＧＨｚ〜３０ＴＨｚの周波数範囲である。
本発明に係るＴＨｚ周波数範囲の電磁放射線を検出する装置では、トランジスタは高周波数部品として見なされ、即ち、高周波電磁信号は電界効果トランジスタに供給され、また任意ではあるが、これから読み取られなければならない。
一実施形態において、高周波信号は、２線式ラインを介して、この２線式ラインが接続され得るトランジスタの２つの電極に接続される。
これに応じて、本発明によれば、波パターンの信号はトランジスタの１つの電極に結合されるのではなく、２つの電極からなる端子を介して結合される。したがって、例えばソース−ドレイン間のチャネル（電界効果トランジスタ）やコレクタ−エミッタ間パス（バイポーラトランジスタ）といった、第１及び第２電極間のチャネルに供給される。
一実施形態において、トランジスタとアンテナ構造を、共に単一の基板に集積又は配置することにより、本発明に係る複数の装置を組み合わせてライン型又は２次元の検出器を形成する場合に高集積密度を可能とする。さらに、アンテナ構造−トランジスタ間の距離が短いあるいは存在しないため、単一の基板にトランジスタとアンテナ構造を集積することにより、アンテナ構造に受信されたＴＨｚ信号がトランジスタに送信されている間に起こり得る輸送損失を回避できる。
しかしながら、下により詳しく述べるように、アンテナ構造とトランジスタを単一基板に集積するには、アンテナ構造とトランジスタの空間的近接による２つの要素間の相互作用を考慮した装置全体の新しい概念が必要となる。
一実施形態では、トランジスタとアンテナ構造は、単一チップ上、即ち例えばシリコンで形成された半導体材料の単一部品の上にモノリシックに集積される。
一実施形態では、アンテナ構造は第１又は第２電極に直接接続された端子を有する。これにより、高輸送損失を回避してＴＨｚ放射線を直接トランジスタに接続させることが可能となる。さらに、特定の実施形態では、トランジスタが電界効果トランジスタである場合、ゲート絶縁層の絶縁破壊のリスクが低くなる。
一実施形態では、トランジスタは、金属−絶縁体−半導体電界効果トランジスタ（ＭＩＳＦＥＴ）、特に金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）である。
本発明の一実施形態では、トランジスタは所謂プラズマ電界効果トランジスタである。米国特許出願２００６／００８１８８９Ａ１、M. Dyakonov及びM. Shurによる技術論文"Shallow Water Analogy for a Ballistic Field Effect Transistor : New Mechanism of Plasma Wave Generation by dc Current" Applied Physics Letters, Volume 71, No. 15, pages 2465-2468, October 1993、並びにM. Dyakonov及びM. Shurによる"Plasma Wave Electronics : Novel Devices using Two Dimensional Electron Fluid" IEEE Transactions on Electron Devices, Volume 43, No. 10, Octorber 1996において、ＴＨｚ周波数で動作する受信機回路の実現のために、例えばＣＭＯＳ又はバイポーラＳｉＧｅ技術等の廉価な半導体構造化方法を用いて生成され得る金属−酸化膜−半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴｓ）が開示されている。
電磁波がＦＥＴのチャネルに接続されていると、一定のソース−ドレイン電圧が誘起される。電荷キャリアの移動度が高いチャネルでは、この一定のソース−ドレイン電圧は、電磁照射線の周波数に対する共振依存性を有する。電界効果トランジスタにおける混合がいわゆるＤｙａｋｏｎｏｖ−Ｓｈｕｒ効果に起因する場合、共振周波数は表面電荷キャリア密度のルートに比例し、ゲート長に反比例する。近年の半導体プロセス技術でゲート長及びキャリア密度は得られるため、プラズマ電界効果トランジスタのプラズマ周波数がＴＨｚ周波数範囲に到達することは可能である。しかしながら、電界効果トランジスタにおける混合は、例えば局所プラズモン、ホットエレクトロンガス（不均一なキャリア加熱）やその他の非線形性等の他の物理的効果によっても引き起こされ得る。
上に挙げた効果は全て、トランジスタの電荷キャリア走行時間によって決まる遮断周波数より上でも起こるという利点をもつため、結果として、混合は部品の遮断周波数より上でも効果的に起こり得る。
プラズマ電界効果トランジスタは２つの異なる動作条件下において動作し得る。第一に、短チャネルを有する装置で得られる共振衝撃動作モードがある。一方、長チャネルを有する装置は、過減衰動作モードで動作することができる。検出器の応答は、過減衰動作モードでは電磁照射線周波数の平坦な関数であるため、この動作モードは広帯域の検出器には特に適しているが、衝撃動作モードは高度に共振する構造をもたらす。
一実施形態では、プラズマ電界効果トランジスタは、ゲート−ソース間の接続部が、チャネル内を伝播するプラズマ波用の高周波短絡回路を有することにより実現され得る。
さらに、一実施形態では、電界効果トランジスタは更に第２の境界条件に従い、プラズマ波用のオープンドレインを有する。このトランジスタのプラズマ波用の境界条件は、一実施形態において、ソース−ドレイン間のチャネルにおけるＴＨｚターゲット周波数の高インピーダンスによって実現されている。あるいは、又はこれに加えて、このソース−ドレイン間チャネルの終端インピーダンスは、例えば半導体金属接合によって、内在的に、即ちトランジスタ内に設けられる。
更なる実施形態において、制御電極と第１電極との間、あるいは制御電極と第２電極との間にキャパシタンスが設けられ、その結果、ゲートの電圧がドレインの電圧又はソースの電圧に従うので、制御電極及び第１電極、あるいは制御電極及び第２電極は同じＡＣ電位を有し、制御電極と第１又は第２電極との間でＡＣ電圧降下が起こらない。
制御電極と第１電極との間、あるいは制御電極と第２電極との間のキャパシタンスは、制御電極及び第１電極又は第２電極に接続される、例えばコンデンサといった外部キャパシタンスであってもよい。あるいは、又はこれに加えて、制御電極及び第１電極あるいは制御電極及び第２電極は、固有キャパシタンスを有し得る。
制御電極と第１又は第２電極との間の固有キャパシタンスは、互いに区別され得る２つの物理的効果によって実現される。即ち、キャパシタンスは、電極又は接続部自体の間や、電極間のチャネル内に波動減衰によって形成される。
一実施形態において、制御電極と第１電極との間あるいは制御電極と第２電極との間のキャパシタンス、即ち外部キャパシタンス、固有キャパシタンス、又はこれらの組み合わせは、０．１ｆＦよりも大きい。
一実施形態において、制御電極及び第１電極あるいは制御電極及び第２電極は空間的に重なるように互いの上又は下に配置され、制御電極と第１電極との間あるいは制御電極と第２電極との間の固有キャパシタンスは増加する。このようにすると、電極間の絶縁によって、そのキャパシタンスが電極の空間的重なりに依存する平板コンデンサが設けられる。
本発明の一実施形態において、トランジスタの第１電極又は第２電極は、好ましくは導波管であるインピーダンス整合素子に導電接続され、このインピーダンス整合素子は、アンテナ構造とトランジスタとの間に配置される。この種のインピーダンス整合素子は、第１電極又は第２電極のインピーダンスを調整できるため、信号の供給がより一層図られる。
本発明の一実施形態では、２つのトランジスタを有し、好ましくは２つの電界効果トランジスタを有する。
これら２つのトランジスタは並列に配置され、それぞれの第１又は第２電極同士が導電接続されている。
また、ＴＨｚ周波数範囲の電磁波の第１電極及び第２電極間のチャネルへの接続を高めるため、又はプラズマ電界効果トランジスタとして動作するトランジスタのプラズマ波用短絡境界条件に準拠するため、第１又は第２電極をＡＣグラウンドに接続し得る。このように第１又は第２電極に接続されたＡＣグラウンドは、後続の増幅段のためのバイアス電圧としての役割を果たす。
一実施形態において、アンテナ構造は２つの端子を有し、アンテナ構造が受信した電磁波によってトランジスタが差動的に動作するように、端子はそれぞれ、２つのトランジスタの第１電極又は第２電極に接続される。一実施形態において、この差動動作のために、２つのトランジスタの第１、第２電極及び制御電極が互いに接続される。
代替の実施形態において、アンテナ構造はモノポールアンテナである。
さらに、トランジスタの一実施形態は、適宜、接地板によってシールドされる。
本発明の一実施形態において、アンテナ構造は、折り畳みダイポールアンテナである。いずれも接地板に対して誘起されたＡＣ電圧がゼロとなる点を有するが、これは同一周波数で２つの垂直共振モードの受信も可能とする。
本発明に係る装置に適しているその他可能なアンテナ構造としては、パッチアンテナ、リングアンテナ、スロットアンテナやノッチアンテナがある。接地板が設けられている場合には、接地板はアンテナ構造からある距離を置いて適宜配置される。例えば、接地板は、酸化層によって電気絶縁されてアンテナ構造から離れている。
本発明の一実施形態において、トランジスタの第１電極又は第２電極は、アンテナ構造に導電接続されるとともに、更なる信号の供給又は読み取りのための更なる端子に導電接続される。これにより、アンテナ構造が受信したＴＨｚ周波数範囲の電磁信号を、トランジスタの第１電極と第２電極との間のチャネルに供給でき、また、上記の更なる端子を介して、トランジスタの出力信号が取り出せ、及び／又は、トランジスタの第１電極と第２電極との間のチャネルに更なる信号を供給できる。
一実施形態において、対称なアンテナ構造、特に折り畳みダイポールアンテナでは、上記の更なる端子を、アンテナ構造の対称点又はアンテナ構造の対称軸上の点に接続できる。この更なる端子のアンテナ構造に対する接続は、トランジスタの出力信号の読み取りや更なる信号をトランジスタに供給することにも利用できる。
共振アンテナ構造は、アンテナ構造のＴＨｚ波が時間的に不変なノードを有する仮想的な接地を有する。従って、アンテナ構造は、この点において、ＴＨｚ信号に対してゼロ電圧又はゼロ電流であるように見える。電界効果トランジスタ又はトランジスタの出力信号がアンテナ構造に供給された場合には、この信号は仮想的な接地で取り出せる。被検出ＴＨｚ放射線に共振するため、アンテナはローパスフィルタとして働く。
仮想的な接地として適しているのは、特に、アンテナ構造の対称点又はアンテナ構造の対称軸上の点である。これは、このように特徴付けされた点が、２つの電界効果トランジスタの端子から全く同じ距離を有するためである。
アンテナ構造の接地は、トランジスタの出力信号の読み取りに関して、好ましくは校正信号である更なる信号の給電点と全く同じように用いられる。
本発明に係る、アンテナ構造を介して電磁ＴＨｚ信号をトランジスタのソース−ドレイン間のチャネルに接続すること、即ちアンテナ構造をトランジスタのドレイン又はソースに直接ガルバニック接続することで、上述した電界効果トランジスタ又はトランジスタの出力信号を回路からデカップリングすることが可能となり、集積密度が高まる。
また、一実施形態において、アンテナ構造を介して被検出電磁ＴＨｚ信号をトランジスソース−ドレイン間のチャネルに接続すると、同様にソース−ドレイン間のチャネルを介して校正信号を検出器回路に供給することが可能となる。これにより、検出器回路の校正が容易となる。検出器回路に校正信号を供給するには、一実施形態においては、第１電極又は第２電極、即ちトランジスタのソース又はドレインを、アンテナ構造に導電接続すると共に、好ましくは校正信号である更なる信号を供給するために更なる端子に導電接続する。
したがって、本発明の一実施形態において、上記の更なる端子は、校正信号を生成するために校正源に接続される。校正源は、規定電力、また好ましくは被検出ＴＨｚ周波数で電磁信号を生成し、その信号をアンテナ構造を介して検出器装置に供給するのに用いられる。
そして、検出器回路の応答挙動は、電界効果トランジスタの出力信号として測定できる。特に、以下に挙げる目的のために、規定の電磁校正信号を検出器回路に供給することができる。
・検出器及び混合性能データ（例えば、応答度、ＮＥＰ、変調帯域、変換、雑音指数や検出器／ミキサ飽和状態）を集める。ここで、異なる周波数範囲における検出器応答度と異なる動作モードとの関係に関する知識が使用される。
・検出器の最適動作点を決定する。
・検出器の特性の変化を検出・監視する。
・大面積検出器アレイを校正する。
本発明の一実施形態において、上記の更なる端子はバイアスティーに接続される。バイアスティーは、一方では電界効果トランジスタの出力信号を取り出すための出力端子を提供し、他方では校正源に接続され得る。これにより、トランジスタの第１又は第２電極（ソース又はドレイン）の更なる端子を介して、検出器回路に校正信号を供給することと、その回路の出力信号を取り出すこととが可能となる。
本発明に係る複数の装置を単一基板に集積する密度を増加させるには、増幅回路、特に差動増幅器を、アンテナ構造とトランジスタと共に同一の基板に集積するとよい。
本発明に係る装置の一実施形態において、被検出信号は、高インピーダンスを有する適切な測定装置で電圧として読み取り得る。あるいは、一実施形態において、被検出信号は、低インピーダンスを有する測定装置で電流として読み取り得る。
さらに、本発明に係る装置の一実施形態において、装置の動作に使用される更なる回路が基板上に集積される。これらは、例えば、バイアス電圧回路、好ましくは増幅回路の下流に接続された検出器回路、ミキサ回路や局部発振器としての高周波源である。
ＴＨｚ周波数範囲の電磁放射線を検出する上記の装置の別の実施形態は、特に、局部発振器で受信電磁信号を混合するＴＨｚヘテロダイン受信機の実現に適している。この種のＴＨｚヘテロダイン受信機は、特に、レーダシステムや通信システムにおける撮像システムでの使用に適している。
本発明の電磁放射線の検出装置によれば、高い回路設計の柔軟性と向上したロバスト性で、ＴＨｚ周波数範囲における電磁放射線を検出することができる。
本発明の実施形態からなるＴＨｚ周波数範囲の電磁放射線を検出する装置である。 本発明の実施形態で用いられるＭＯＳＦＥＴの概略断面図である。 図１の実施形態の別態様である。 図１の実施形態の概略図である。 図１及び図４の装置と比較してソースとドレインの位置が逆になっている本発明の装置の代替的な実施形態である。 図５の実施形態の概略図である。 電圧で読み取る本発明の装置の配線の概略図である。 電流で読み取る本発明の装置の配線の概略図である。 図７の回路の代替的な実施形態である。 図８の回路の代替的な実施形態である。 １つのトランジスタを備えた別の実施形態の概略図である。 図４の実施形態の別態様の概略図である。
本発明のその他の利点、特徴及び可能な用途は、実施例の記載と関連の図面によって明らかとなる。
図１の装置は、２つの電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２を有している。それぞれの電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２は、ゲートＧ、ドレインＤ及びソースＳを有する。図１では概略的に示すアンテナ構造１は、パッチアンテナを有している。パッチアンテナの２つの足点２、３は、インピーダンス整合用の伝送線ＴＬを介して電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のドレインにそれぞれ接続されている。
電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のゲートＧのバイアス電圧は、電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のゲートＧに接続されているＤＣソースＶGSを通じて生じている。
図示の実施形態では、装置の全部品、即ちアンテナ構造１、伝送線ＴＬ及び２つの電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２が１つのチップに集積されている。
パッチアンテナの接地板４が、アンテナ構造１と電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２との間に配置されている。これは、アンテナ構造１をトランジスタからシールドする役割も果たす。アンテナ構造１は、酸化ケイ素層によって接地板４に対して絶縁されている。アンテナ構造１の足点２、３と電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のドレインＤとの間の接続部と、電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のゲートＧとバイアス電圧ソースＶGSとの間の接続部は、接地板４の孔に通されている。図１に示す検出器回路の実施形態では、２つの電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２は差動配線で使用され、２つのＦＥＴ１、ＦＥＴ２のソースＳ同士が接続されて接地板４上に回路の第１出力を形成する。両ドレインは、対応するリード線ＴＬとアンテナ構造１を介して、回路の第２出力５に接続されている。被検出信号は、接地板４と回路の出力５との間の評価回路によって取り出される。換言すると、被検出信号はアンテナを介して取り出される。アンテナは、配置が対称であるため、ローパスフィルタとしての機能を引き継ぐ。
各トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のゲートＧとソースＳとは、固有キャパシタンスを介して互いに結合されている。これにより、ソースへの印加電圧は、トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のゲートＧへの印加電圧を直接従う。図示の実施形態では、２つの固有キャパシタンスは、それぞれ１５０ｆＦの静電容量を有する。この配線によって、ＦＥＴ１、ＦＥＴ２を抵抗ミキサとして動作させることができる。
各電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のゲート‐ソース間の接続部の固有キャパシタンスを調整可能とするために、図２に概略的に示すように、ゲート接続部６は、酸化層７によって、基板８、ソース接続部１０及びドレイン接続部９に対して絶縁されている。図２の点線と矢印で示されているように、ゲート接続部６をソース接続部１０上に延在するように延長することによって、ゲート‐ソース間の接続部の固有キャパシタンスを増加させることができ、それによりゲートＧとソースＳの電圧の結合度が著しく高まる。
図４は、図１の回路の略図を示し、２つの電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のドレインＤが、折り畳みダイポールアンテナ１’の足点２’’、３’’にそれぞれ接続されている。
図１２は、図４の回路の変形例としての回路の略図を示す。図４の回路と同様に、図１２の回路もまた折り返しダイポールアンテナ１’を有する。２つの電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のドレインＤは、折り返しダイポールアンテナ１’の足点２’、３’にそれぞれ接続されている。
本発明に係る、ＴＨｚ信号を電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のソース‐ドレイン間チャネルに接続すること、つまり足点２’、３’とトランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のドレインＤとをガルバニック接続することにより、図４及び図１２の実施形態において、アンテナ構造１’自体を介してトランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２の出力信号を読み取ることが可能となる。このため、アンテナ構造は、仮想的な接地（２０）において更なる端子を提供している。
ダイポールアンテナ１’は、その対称性により、アンテナ上のＴＨｚ波が時間的に不変なノードを有する仮想的な接地２０を有する。トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２の出力信号を、実際のＴＨｚ信号の破壊的な影響を受けることなく、この点２０において取り出すことができる。アンテナ構造１’は、検出するＴＨｚ放射線に共振するため、ローパスフィルタとして働く。
図１２の回路の場合、アンテナ構造１’の対称点２０は、バイアスティー２１を介して電磁信号用の校正源２２に接続されている。校正源２２によって、ＴＨｚ周波数範囲の電磁信号を所定電圧で生成し、アンテナ構造１’を介して検出器に送ることができる。
さらに、バイアスティーは、電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２の出力信号を取り出すための出力端子５を提供する。これによって、トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２の出力信号を、アンテナ構造の対称点２０を介しても取り出すことができる。
図３は、本発明に係る図１の装置の実施形態の別態様を示す。図３の回路装置は、図１の実施形態とは異なり、それぞれの電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のゲートＧとソースＳとの間にキャパシタンスＣ１、Ｃ２を更に有している。電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２の固有キャパシタンスに加えて、これらの外部キャパシタンスＣ１、Ｃ２により、ゲートＧ−ソースＳ間の容量結合を正確に設定することができる。
図１、図３及び図４の実施形態に替えて、図５及び図６は、電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のソースＳとドレインＤの位置が逆になった配置を示している。換言すれば、アンテナ４、４’及びそれらの足点２、２’、３、３’は、電界効果トランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のドレインＤではなく、ソースＳに接続されている。この配線の転置により、被検出信号の出力はトランジスタＦＥＴ１、ＦＥＴ２のドレインＤに接続され、アンテナ４、４’は接地されている。図５は再びパッチアンテナ４を用いた実装について示しているのに対して、図６は折り畳みダイポールアンテナ４’を用いた実装について示している。
上述の実施形態は全て、図７に簡潔に示すように、読取信号を電圧レベルとして検出している。高周波信号ＶRFは電界効果トランジスタＦＥＴのドレインＤに接続され、ドレインはハイパスフィルタＨＰＦによって接地から分離される。被検出信号は、高インピーダンス測定装置により電圧Ｖdetとして読み取られる。
しかしながら、図８に示すように、被検出信号を、低インピーダンス測定装置により電流Ｉdetとして読み取ることもできる。
図９及び図１０は図７と図８の回路の実施形態を示し、電界効果トランジスタＦＥＴの増幅特性を利用して被検出電圧信号Ｖdet又は被検出電流信号Ｉdetを増幅する。このために、図９の回路は、信号出力において電流源ＩDを更に有し、図１０の回路は、信号出力において電圧源ＶDSを更に有している。
図１１は、ボウタイ型アンテナ４”に電界効果トランジスタＦＥＴが埋め込まれた、本発明の回路を示す。アンテナ４”の一方の翼４ａ”は、トランジスタＦＥＴのドレインＤに接続され、アンテナ４”の他方の翼４ｂ”は、ソースＳに接続されている。被検出信号は、アンテナの翼４ｂ”を介して電圧Ｖdetとして取り出される。検出信号を生成するために、ソースＳとゲートＧの間のキャパシタンス、ここでは外部キャパシタンスＣ、によって、配置の対称性が否応なしに壊されている。
原開示において、本明細書、図面及び請求の範囲から当業者が得る特徴の全ては、それらがたとえ特定の他の特徴に関連して具体的に説明されていたとしても、ここで開示したその他の各特徴及び特徴の群と、単独又は如何なる配置で組み合わせることができる。これは、上記で明示的に除外された場合や技術環境がそのような組み合わせを不可能又は無意味なものとする場合は、この限りではない。簡潔さ及び読み易さのため、特徴の考え得る全ての組み合わせをここで広範囲に亘って明示的に表すことはしない。
図面及び先述の実施形態において本発明を詳細に提示・説明したが、その説明は一例にすぎず、請求の範囲によって定義されている保護範囲を制限するものではない。本発明は、ここに開示されている実施形態に限るものではない。
当業者には、図面、明細書及び添付の請求の範囲から、開示された実施形態の変形例が明らかとなる。請求の範囲における「有する」という表現は、その他の要素や工程を排除するものではなく、また、「複数の」と記述されない場合も、複数である可能性を排除するものではない。特定の特徴が別々の請求項に記載されているからといって、それらの特徴の組み合わせを排除するものではない。請求の範囲における符号は、保護される範囲を制限するものではない。
１、１’ アンテナ構造
２、３ 足点
４ 接地板
５ 出力端子
２０ 仮想的な接地
２１ バイアスティー
２２ 校正源
Ｃ１、Ｃ２ キャパシタンス
ＦＥＴ１、ＦＥＴ２ 電界効果トランジスタ
ＴＬ１、ＴＬ２ 伝送線
Ｄ ドレイン
Ｇ ゲート
Ｓ ソース

Claims (15)

  1. 第１電極（Ｄ）、第２電極（Ｓ）、制御電極（Ｇ）、及び第１電極（Ｄ）と第２電極（Ｓ）との間のチャネルを有する少なくとも１つのトランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）と、アンテナ構造（１）とを備えるＴＨｚ周波数範囲の電磁放射線の検出装置において、
    トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）の第１電極（Ｄ）は、アンテナ構造（１）が受信したＴＨｚ周波数範囲の電磁信号が、トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）の第１電極（Ｄ）と第２電極（Ｓ）との間のチャネルに供給されるように、アンテナ構造（１）に導電接続されているとともに、
    制御電極（Ｇ）は、外部キャパシタンス（Ｃ１、Ｃ２）を介して第２電極（Ｓ）に接続され、並びに／又は、
    制御電極（Ｇ）及び第２電極（Ｓ）は、制御電極（Ｇ）と第２電極（Ｓ）との間で交流電圧の降下が生じないように、固有キャパシタンスを有するか、
    あるいは、
    トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）の第２電極（Ｓ）は、アンテナ構造（１）が受信したＴＨｚ周波数範囲の電磁信号が、トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）の第１電極（Ｄ）と第２電極（Ｓ）との間のチャネルに供給されるように、アンテナ構造（１）に導電接続されているとともに、
    制御電極（Ｇ）は、外部キャパシタンス（Ｃ１、Ｃ２）を介して第１電極（Ｄ）に接続され、並びに／又は、
    制御電極（Ｇ）及び第１電極（Ｄ）は、制御電極（Ｇ）と第１電極（Ｄ）との間で交流電圧の降下が生じないように、固有キャパシタンスを有する、
    ことを特徴とする装置。
  2. トランジスタは、第１電極としてのドレイン（Ｄ）、第２電極としてのソース（Ｓ）、制御電極としてのゲート（Ｇ）及び第１電極（Ｄ）と第２電極（Ｓ）との間のチャネルとしてのソース−ドレイン間チャネルを有する電界トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）である請求項１に記載の装置。
  3. アンテナ構造（１）は、第１電極（Ｄ）又は第２電極（Ｓ）に導電接続された端子（２、３）を有する請求項１又は２に記載の装置。
  4. ２つのトランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）を有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
  5. トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）が並列接続され、それらの２つのトランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）のそれぞれの第１電極（Ｄ）が互いに導電接続された、又は、それらの２つのトランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）のそれぞれの第２電極（Ｓ）が互いに導電接続された請求項４に記載の装置。
  6. アンテナ構造（１）が２つの端子（２、３）を有し、それらの端子（２、３）は、トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）が差動的に動作するように、トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）の第１電極（Ｄ）又は第２電極（Ｓ）にそれぞれ接続された請求項４又は５に記載の装置。
  7. トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）の第１電極（Ｄ）又は第２電極（Ｓ）は、アンテナ構造（１）が受信したＴＨｚ周波数範囲の電磁信号がトランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）の第１電極（Ｄ）と第２電極（Ｓ）との間のチャネルに供給されるようにアンテナ構造（１’）に導電接続されるとともに、更なる信号の供給及び／又は読み取りのための更なる端子（２０）を介して、トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）の出力信号（５）が取り出され、及び／又は、更なる信号がトランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）に供給されるように、更なる端子（２０）に導電接続されている請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
  8. 装置が電磁校正信号用の校正源（２２）を有するとともに、端子（２０）が校正源（２２）に接続されている請求項７に記載の装置。
  9. 更なる端子（２０）がバイアスティー（２１）に接続され、そのバイアスティー（２１）は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）の出力信号を取り出す出力端子（５）を提供するとともに、バイアスティ（２１）が、電磁校正信号用の校正源（２２）に接続されている請求項７又は８に記載の装置。
  10. 更なる端子が、アンテナ構造（１’）の対称点、又はアンテナ構造（１’）の対称軸上の点（２０）に接続されている請求項７〜９のいずれか１項に記載の装置。
  11. アンテナ構造（１’）とトランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）との間に配置された接地板（４）を有する請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
  12. 制御電極と第１電極（Ｄ）又は第２電極（Ｓ）との間のキャパシタンスが、０．１ｆＦよりも大きい請求項１〜１１のいずれか１項に記載の装置。
  13. トランジスタ（ＦＥＴ１、ＦＥＴ２）の第１電極（Ｄ）又は第２電極（Ｓ）は、好ましくは導波管であるインピーダンス整合素子（ＴＬ１、ＴＬ２）を介して、アンテナ構造（１）に導電接続されている請求項１〜１２のいずれか１項に記載の装置。
  14. 請求項１〜１３のいずれか１項に記載の装置を少なくとも１つ備えたＴＨｚヘテロダイン受信機。
  15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の装置を少なくとも１つ備えた撮像システム。
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