JPH0368182A - Superconductive transistor - Google Patents
Superconductive transistorInfo
- Publication number
- JPH0368182A JPH0368182A JP1204166A JP20416689A JPH0368182A JP H0368182 A JPH0368182 A JP H0368182A JP 1204166 A JP1204166 A JP 1204166A JP 20416689 A JP20416689 A JP 20416689A JP H0368182 A JPH0368182 A JP H0368182A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- substance
- base
- collector
- superconductor
- emitter
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 claims abstract description 46
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 27
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 45
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 39
- OMOVVBIIQSXZSZ-UHFFFAOYSA-N [6-(4-acetyloxy-5,9a-dimethyl-2,7-dioxo-4,5a,6,9-tetrahydro-3h-pyrano[3,4-b]oxepin-5-yl)-5-formyloxy-3-(furan-3-yl)-3a-methyl-7-methylidene-1a,2,3,4,5,6-hexahydroindeno[1,7a-b]oxiren-4-yl] 2-hydroxy-3-methylpentanoate Chemical compound CC12C(OC(=O)C(O)C(C)CC)C(OC=O)C(C3(C)C(CC(=O)OC4(C)COC(=O)CC43)OC(C)=O)C(=C)C32OC3CC1C=1C=COC=1 OMOVVBIIQSXZSZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 10
- 230000003321 amplification Effects 0.000 abstract description 17
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 abstract description 17
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract 1
- 230000005641 tunneling Effects 0.000 description 10
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 3
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 3
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 3
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 3
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- RHQQHZQUAMFINJ-GKWSUJDHSA-N 1-[(3s,5s,8s,9s,10s,11s,13s,14s,17s)-3,11-dihydroxy-10,13-dimethyl-2,3,4,5,6,7,8,9,11,12,14,15,16,17-tetradecahydro-1h-cyclopenta[a]phenanthren-17-yl]-2-hydroxyethanone Chemical compound C1[C@@H](O)CC[C@]2(C)[C@H]3[C@@H](O)C[C@](C)([C@H](CC4)C(=O)CO)[C@@H]4[C@@H]3CC[C@H]21 RHQQHZQUAMFINJ-GKWSUJDHSA-N 0.000 description 1
- 229910017107 AlOx Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 1
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明は超伝導現象を応用した電子デバイスに関し、さ
らに具体的には半導体トランジスタの特性に比べ極めて
優れた電流増幅・高速スイッチング・高周波増幅動作特
性を具備する超伝導トランジスタに関する。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to electronic devices that apply superconductivity phenomena, and more specifically to current amplification, high-speed switching, and high-frequency amplification operations that are extremely superior to the characteristics of semiconductor transistors. The present invention relates to a superconducting transistor having the following characteristics.
ホットエレクトロントランジスタに類似する動作を行う
超伝導トランジスタは既に開示されている。例えば、く
１）円相 泰孝による“超伝導デバイス”と題する特公
昭６０−１１７６９１号公報＋ （２） Ｄ、Ｊ、Ｆｒ
ａｎｋらによる論文’Ａ ｎｅｉｎ ５ｕｐｅ −ｒｃ
ｏｎｄｕｃｔｉｎｇ−ｂａｓｅ ｔｒａｎ３ｉｓｔｏｒ
＋” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ、Ｍａｇｎ、、ｖｏｌ、Ｍ
ａｇ−２１＋ｎｏ、３＋ｐｐ、７２１−７２４．Ｍａｒ
ｃｈ １９８５＋及び（３） ）１．Ｔａｍｕｒａらに
よる論文”Ｃｕｒｒｅｎｔ １ｎｊｅｃｔｉｏｎ ｅｆ
ｆｅｃｔｓ ｉｎ ａ Ｎｂ／ＡｌＯｘ −Ａｌ／
Ｎｂ／ｎ−１ｎＳｂ ｔｒｉｏｄｅ＋Ｊａｐａｎｅｓ
ｅ Ｊ、 ｏｆ Ａｐｐｌ、Ｐｈｙｓ、、ｖｏｌ、
２４＋ｎｏ、９＋ｐｐ、Ｌ７０９、τ１０，５ｅｐｔ、
１９８５．などに発表されている通りである。Superconducting transistors that operate similar to hot electron transistors have already been disclosed. For example, 1) Japanese Patent Publication No. 117691/1988 titled "Superconducting Device" by Yasutaka Enso + (2) D, J, Fr
The paper 'A nein 5upe-rc' by ank et al.
onducting-base tran3istor
+” IEEE Trans, Magn,, vol, M
ag-21+no, 3+pp, 721-724. Mar
ch 1985+ and (3))1. The paper “Current 1 injection ef
effects in a Nb/AlOx -Al/
Nb/n-1nSb triode+Japanese
e J, of Appl, Phys,, vol.
24+no, 9+pp, L709, τ10,5ept,
1985. As announced in etc.
これ等の超伝導トランジスタの構造、及び動作原理は基
本的には同じであるので、ここでは上記の参考文献（２
〉を例にとって説明する。第３図は従来の超伝導トラン
ジスタの基本構造の模式図である。第３図において、エ
ミ・ノタ金属ｌ、トンネル絶縁体２、ベース超伝導体３
、コレクタ半導体４、コレクタ電極金属５の積層構造が
図示されている。エミッタ電極、ベース部Ｂ１コレクタ
部Ｃから構成され、エミッタ金属１からエミッタ電極を
、ベース超伝導体３からベース電極を、コレ。The structure and operating principle of these superconducting transistors are basically the same, so here we will discuss the above reference (2).
〉 will be explained as an example. FIG. 3 is a schematic diagram of the basic structure of a conventional superconducting transistor. In Figure 3, Emi-Nota metal l, tunnel insulator 2, base superconductor 3
, a collector semiconductor 4, and a collector electrode metal 5. It is composed of an emitter electrode, a base part B1 and a collector part C, with the emitter electrode from the emitter metal 1 and the base electrode from the base superconductor 3.
クタ電極金属５からコレクタ電極を取る。エミッタ部Ｅ
はエミッタ金属１とトンネル絶縁体２とから形成され、
ヘース部Ｂは超伝導体３から形成され、コレクタ部Ｃは
コレクタ半導体４とコレクタ電極金属５とから形成され
る。以下に示す動作原理上、トンネル絶縁体２の厚みは
、エミッタ金属１からベース超伝導体３に電子がトンネ
ルできる程度に薄く、またコレクタ半導体４のバリヤ△
ｑはベース超伝導体３のエネルギーギャップ△より小さ
い値を持つことにする。Take the collector electrode from the collector electrode metal 5. Emitter section E
is formed from an emitter metal 1 and a tunnel insulator 2,
The heath portion B is formed from a superconductor 3, and the collector portion C is formed from a collector semiconductor 4 and a collector electrode metal 5. According to the operating principle shown below, the thickness of the tunnel insulator 2 is thin enough to allow electrons to tunnel from the emitter metal 1 to the base superconductor 3, and the thickness of the collector semiconductor 4 is thin enough to allow electrons to tunnel from the emitter metal 1 to the base superconductor 3.
It is assumed that q has a value smaller than the energy gap Δ of the base superconductor 3.
第４図には、従来の超伝導トランジスタの伝導帯近傍で
のエネルギーバンド構造の模式図を図示する。第４図（
ａ）はエミッタ・ベース電極間電圧Ｖ Ｅ［１％ベース
・コレクタ電極間電圧ＶＢＣともに印加しない熱平衡状
態の場合である。第４図（ｂ）に図示するように、エミ
ッタ・ベース電極間電圧■、に超伝導体ベース３のエネ
ルギーギャップΔ程度以上の電圧を印加すると、トンネ
ル絶縁体２を透過するトンネリングにより電子６がエミ
ッタ金属ｌよりベース超伝導体３に注入される。注入さ
れた電子はクーパーペア（超伝導電子対）７への再結合
を受けながらベース超伝導体中を走行しベース超伝導体
３とコレクタ半導体４との界面に到達する。ベース・コ
レクタ界面に到達した電子は、コレクタ半導体４のバリ
ア△９による量子力学的反射を受は一部はエミッタ電極
に反射されるが、反射されなかった電子はベース・コレ
クタ電極間電圧ＶＩＩＣによるコレクタ内部電界により
加速されコレクタ電極金属５に到達しコレクタ電流Ｉ。FIG. 4 shows a schematic diagram of the energy band structure near the conduction band of a conventional superconducting transistor. Figure 4 (
A) is a case of a thermal equilibrium state in which neither the emitter-base electrode voltage V E [1% nor the base-collector electrode voltage VBC is applied. As shown in FIG. 4(b), when a voltage equal to or higher than the energy gap Δ of the superconductor base 3 is applied to the emitter-base electrode voltage ■, electrons 6 are generated by tunneling through the tunnel insulator 2. It is injected into the base superconductor 3 from the emitter metal l. The injected electrons travel through the base superconductor while being recombined into a Cooper pair (superconducting electron pair) 7 and reach the interface between the base superconductor 3 and the collector semiconductor 4. The electrons that have reached the base-collector interface undergo quantum mechanical reflection by the barrier △9 of the collector semiconductor 4, and some of them are reflected back to the emitter electrode, but the unreflected electrons are affected by the voltage VIIC between the base-collector electrodes. A collector current I is accelerated by the collector internal electric field and reaches the collector electrode metal 5.
となる。becomes.
また、ベース・コレクタ界面での量子力学的反射などで
コレクタ電極に到達できない電子は、クーパーペア（超
伝導電子対）７へ再結合しベース電流１．となる。この
ように、ベース電流Ｉ８は、クーパーベア（超伝導電子
対）７として流れるので直流ベース抵抗は零である。従
って、最大発振周波数ｆ 、４ＡＸの値は極めて高いと
いう特徴を持っている（試算によると５００ＧＨｚにも
達する）。In addition, electrons that cannot reach the collector electrode due to quantum mechanical reflection at the base-collector interface recombine into a Cooper pair (superconducting electron pair) 7, and the base current 1. becomes. In this way, the base current I8 flows as a Cooper bear (superconducting electron pair) 7, so the DC base resistance is zero. Therefore, the maximum oscillation frequency f 2 and the value of 4AX are extremely high (according to trial calculations, it reaches as high as 500 GHz).
さらに、ベース抵抗の増大を考慮することなくベース超
伝導体の厚みを薄くできるので、電子がベースを走行す
るのに社要する時間、つまり、ベース走行時間τは極め
て小さくなり高速動作が可能になるという特徴を持つ。Furthermore, since the thickness of the base superconductor can be made thinner without considering an increase in base resistance, the time required for electrons to travel through the base, that is, the base travel time τ, becomes extremely small, enabling high-speed operation. It has the characteristics of
例えば、ベースの厚みを３０ｎｍと仮定すると、τはｏ
、ｉｐｓになる。For example, assuming the base thickness is 30 nm, τ is o
, becomes ips.
これ等の高周波・高速特性に関する性能は、半導体トラ
ンジスタに比べて格段に優れた特性である。These high-frequency and high-speed characteristics are far superior to semiconductor transistors.
しかしながら、従来の超伝導トランジスタでは、以下に
示すようにベース・コレクタ界面での量子力学的反射に
より電流増幅率が低下するという問題点があった。However, conventional superconducting transistors have a problem in that the current amplification factor decreases due to quantum mechanical reflection at the base-collector interface, as described below.
上記したように、エミッタから注入された電子６の一部
は、ベースを走行する間（ベース走行時間τ）にクーパ
ーベア（超伝導電子対）７に再結合する。クーパーベア
７への再結合時間をτ１とすると、クーパーペア７に再
結合せずにベース・コレクタ界面に到達した電子による
電流■１は、ｈ−（１−τ／τ＊）Ｉｔ
（１）と表される。■、はエミッタ電極である。ベース
・コレクタ界面に到達した電子は量子力学的反射を受け
る。量子力学的反射による透過係数をＰとすると、コレ
クタ電流Ｉ、は、
Ｉ、＝Ｐ １．＝Ｐ （１−τ／τ、）ＩＥ（２）と表
される。従って、エミッタ電極の電流増幅率β（−１ｃ
／ Ｉａ −１ｃ ／ （ＩＥ −１ｃ ） ）は、
次式で与えられる。As described above, some of the electrons 6 injected from the emitter recombine with the Cooper bears (superconducting electron pairs) 7 while traveling through the base (base travel time τ). If the recombination time to the Cooper pair 7 is τ1, the current ■1 due to the electrons that reach the base-collector interface without recombining to the Cooper pair 7 is h-(1-τ/τ*)It
It is expressed as (1). ■ is the emitter electrode. Electrons that reach the base-collector interface undergo quantum mechanical reflection. When the transmission coefficient due to quantum mechanical reflection is P, the collector current I is: I,=P 1. It is expressed as =P (1-τ/τ,)IE(2). Therefore, the current amplification factor β(-1c
/Ia-1c/(IE-1c)) is
It is given by the following formula.
β・（１−τ／ ｒＲ）Ｐ／（１，、、（１−τ／ ｒ
Ｒ）Ｐ） （３）（３）式を見てわかるように、Ｐが
低下すると、βは減少する。代表的な値として、例えば
て−０゜１ｐｓ、ｒＲ−１ｎｓ、Ｐ＝０．４とすると、
βは約０．６７となり電流増幅動作が得られない。β・(1-τ/rR)P/(1,,,(1-τ/r
R) P) (3) As can be seen from equation (3), when P decreases, β decreases. As a typical value, for example, if -0°1ps, rR-1ns, P=0.4,
β is about 0.67, and current amplification operation cannot be obtained.
このように、従来の超伝導トランジスタは、優れた高速
・高周波特性を潜在的に持っているにも抱らず、ベース
・コレクタ界面での量子力学的反射によりその電流増幅
率が大きく低下してしまうという欠点を持っている。In this way, although conventional superconducting transistors potentially have excellent high-speed and high-frequency characteristics, their current amplification factor is greatly reduced due to quantum mechanical reflection at the base-collector interface. It has the disadvantage of being cluttered.
本発明は上記の問題点に鑑み提案されたもので、その目
的とするところは、大きな電流増幅率を有し、かつ半導
体トランジスタに比べて格段に優れ。The present invention was proposed in view of the above problems, and its purpose is to have a large current amplification factor and to be significantly superior to semiconductor transistors.
た高速・高周波特性を具備する超伝導トランジスタを提
供することである。An object of the present invention is to provide a superconducting transistor having high speed and high frequency characteristics.
本発明は、それぞれ金属あるいは超伝導体からなる物質
Ａ、絶縁体あるいは半導体からなる物質Ｂ、超伝導体か
らなる物質Ｃ，絶縁体あるいは半導体からなる物質り及
び金属あるいは超伝導体からなる物質Ｅにより構成され
る各層が積層される構造において、物質Ａからなる層か
らエミッタ電極を、物質Ｃからなる層からベース電極を
、物質Ｅからなる層からコレクタ電極を取る超伝導トラ
ンジスタであって、物質Ｂ、物質Ｃ及び物質りからなる
各層の厚みを、物質Ａからなる層中の電子が物質Ｅから
なる層に共鳴トンネルできるように薄く設定し、物質Ｃ
からなる層中に生じる量子エネルギー準位を、物質Ｃの
超伝導エネルギーギャップに一致させることを最も大き
な特徴とする。The present invention includes a substance A made of a metal or a superconductor, a substance B made of an insulator or a semiconductor, a substance C made of a superconductor, a substance made of an insulator or a semiconductor, and a substance E made of a metal or a superconductor, respectively. A superconducting transistor in which an emitter electrode is formed from a layer made of substance A, a base electrode is formed from a layer made of substance C, and a collector electrode is formed from a layer made of substance E, in a structure in which layers made of substance A are stacked, The thickness of each layer made of material B, material C, and material layer is set thin so that electrons in the layer made of material A can resonantly tunnel to the layer made of material E.
The most significant feature is that the quantum energy level generated in the layer consisting of C matches the superconducting energy gap of the material C.
これにより、エミッタから注入された電子は共鳴トンネ
ル現象によりコレクタに透過係数はぼ１でトンネル遷移
するため、従来構造の超伝導トランジスタで生じたベー
ス・コレクタ界面での量子力学的反射による電流増幅率
の低下を解決できる。As a result, electrons injected from the emitter undergo tunnel transition to the collector due to resonance tunneling with a transmission coefficient of approximately 1, resulting in a current amplification rate due to quantum mechanical reflection at the base-collector interface that occurs in conventionally structured superconducting transistors. can solve the problem of decrease in
さらに具体的に本発明の構成を以下に述べる。More specifically, the configuration of the present invention will be described below.
即ち、本発明はそれぞれ物質Ａ、物質Ｂ、物質Ｃ１物質
り及び物質Ｅからなる層が積層される構造において、
物質Ａからなる層を金属、あるいは超伝導体、物質Ｂか
らなる層を絶縁体、あるいは半導体、物質Ｃからなる層
を超伝導体、
物質りからなる層を絶縁体、あるいは半導体、物質Ｅか
らなる層を金属、あるいは超伝導体で構成し、
物質Ｂ、物質Ｃ及び物質りからなる各層の厚みを、物質
Ａからなる層中の電子が物質Ｅからなる層中に共鳴トン
ネルできるように薄く設定し、物質Ｃからなる層中に生
じる量子エネルギー準位を物質Ｃの超伝導エネルギーギ
ャップに一致させ、物質Ａからなる層からエミッタ電極
を、物質Ｃからなる層からベース電極を、
物１τＥからなる層からコレクタ電極を取ることを特徴
とした超伝導トランジスタによって構成されている。That is, in the present invention, in a structure in which layers made of substance A, substance B, substance C1, and substance E are laminated, the layer made of substance A is made of a metal or a superconductor, and the layer made of substance B is made of an insulator. , or a layer consisting of a semiconductor or substance C is a superconductor, a layer consisting of a material is an insulator, or a semiconductor, a layer consisting of substance E is a metal or a superconductor, and substance B, substance C and substance The thickness of each layer made of material A is set to be thin so that electrons in the layer made of material A can resonantly tunnel into the layer made of material E, and the quantum energy level generated in the layer made of material C is set to be the superconducting layer of material C. It is constituted by a superconducting transistor characterized in that the emitter electrode is taken from a layer made of material A, the base electrode is taken from a layer made of material C, and the collector electrode is taken from a layer made of material 1τE to match the energy gap.
本発明の動作原理を簡単に述べると以下の通りである。 The operating principle of the present invention is briefly described as follows.
即ち、本発明による超伝導トランジスタでは、従来の超
伝導トランジスタて問題となっていたベース・コレクタ
界面における量子力学的反射による電流増幅率の低下の
問題点を解決するために、共鳴トンネル効果を利用して
いる。即ち、ベース超伝導体層中の量子エネルギー準位
Ｅ１に等しくなるようにエミッタ・ベース間バイアス■
０を設定すると、エミッタ、ベース、コレクタ間を、エ
ミッタからの注入電子は共鳴トンネル効果により、はぼ
トンネル遷移確率１で透過する。ベース内の電子の一部
分はクーパーベアと再結合し、ヘース電流Ｉ、となるが
、ベース超伝導体のためベース抵抗はゼロであり、一方
、エミッタよりの注入電子は共鳴トンネル効果により非
常に高い確率でコレクタまで運ばれるため、電流増幅率
は極めて高くなる。またトンネル遷移を利用することか
ら本発明の超伝導トランジスタのスイッチング特性も極
めて高速であり、従って高周波特性も非常に高い周波数
（例えば５００ＧＨｚ）まで動作することになる。That is, the superconducting transistor according to the present invention utilizes the resonant tunneling effect in order to solve the problem of reduction in current amplification factor due to quantum mechanical reflection at the base-collector interface, which has been a problem with conventional superconducting transistors. are doing. That is, the emitter-base bias is set so that it is equal to the quantum energy level E1 in the base superconductor layer.
When set to 0, electrons injected from the emitter are transmitted between the emitter, base, and collector with a tunnel transition probability of 1 due to the resonant tunneling effect. A portion of the electrons in the base recombine with Cooperbare and form a Hass current I, but since the base is a superconductor, the base resistance is zero, while the injected electrons from the emitter are extremely high due to the resonant tunneling effect. Since the current is carried to the collector with probability, the current amplification factor becomes extremely high. Further, since tunnel transition is utilized, the switching characteristics of the superconducting transistor of the present invention are extremely high speed, and therefore the high frequency characteristics can operate up to extremely high frequencies (for example, 500 GHz).
第１図は本発明の第１の実施例としての超伝導トランジ
スタの模式図である。それぞれ物質Ａ、物質Ｂ、物質Ｃ
２物質り及び物質Ｅからなる各層の積層構造をもつ。こ
の実施例では、物質Ａをエミツタ超伝導体１１、物質Ｂ
をエミッタ絶縁体１２、物質Ｃをベース超伝導体１３、
物質りをコレクタ絶縁体１４、物質Ｅをコレクタ電極金
属５で形成している。エミツタ超伝導体１１からエミツ
タ電極を、ベース超伝導体１３からベース電極を、コレ
クタ電極金属１５からコレクタ電極を取る。FIG. 1 is a schematic diagram of a superconducting transistor as a first embodiment of the present invention. Substance A, Substance B, and Substance C, respectively.
It has a laminated structure with each layer consisting of two substances and substance E. In this example, material A is an emitter superconductor 11, material B is
the emitter insulator 12, the material C as the base superconductor 13,
The material is made of a collector insulator 14, and the material E is made of a collector electrode metal 5. An emitter electrode is taken from the emitter superconductor 11, a base electrode is taken from the base superconductor 13, and a collector electrode is taken from the collector electrode metal 15.
エミッタ部Ｅはエミツタ金属１１とエミッタ絶縁体１２
とから形成され、ベース部Ｂはベース超伝導体１３から
形成され、コレクタ部Ｃはコレクタ絶縁体１４とコレク
タ電極金属１５とから形成される。第２図は第１の実施
例に図示した超伝導トランジスタの伝導帯近傍のエネル
ギーバンド構造の模式図を示す。第２図（ａ）にはエミ
フタ・ベース電極間電圧ＶＥＲ、ベース・コレクタ電極
間電圧Ｖ［ｌＣとも印加してない熱平衡状態に対応する
場合を図示する。ベース超伝導体１３、はエミッタ絶縁
体１２、コレクタ絶縁体１４に挟まれている。Emitter part E includes emitter metal 11 and emitter insulator 12
The base portion B is formed from a base superconductor 13, and the collector portion C is formed from a collector insulator 14 and a collector electrode metal 15. FIG. 2 shows a schematic diagram of the energy band structure near the conduction band of the superconducting transistor shown in the first embodiment. FIG. 2(a) shows a case corresponding to a thermal equilibrium state in which neither the emitter-base electrode voltage VER nor the base-collector electrode voltage V[lC is applied. The base superconductor 13 is sandwiched between an emitter insulator 12 and a collector insulator 14.
ツマリ、ベース超伝導体１３がポテンシャルの井戸を、
エミッタ絶縁体１２、コレクタ絶縁体１４がポテンシャ
ルの障壁を形成することになる。Tsumari, the base superconductor 13 creates a potential well,
The emitter insulator 12 and collector insulator 14 form a potential barrier.
ここで、ベース超伝導体１３の厚みを電子のド・ブロイ
波長程度以下にすると、ポテンシャル障壁１２．１４に
囲まれた電子の波動的性質により井戸内に量子エネルギ
ー準位Ｅ、、Ｅ２．．．が形成される。ここで、第１の
量子準位Ｅ、をベース超伝導体１３のエネルギーギャッ
プ△と一致させる。また、エミッタ絶縁体１２、コレク
タ絶縁体１４の厚みを、電子が共鳴トンネリングできる
程度に薄くする。第２図（ｂ）で図示するように、エミ
ツタ・ベース電極間電圧■、に超伝導ベース１３のエネ
ルギーギャップΔ程度の電圧を印加すると、エミッタ絶
縁体１２を通すトンネリングにより、電子６がエミツタ
超伝導体１１よりベース超伝導体１３に注入される。注
入された電子は一部クーバーベア７になりベース電流■
８になるが、はとんどはベース・コレクタ界面に到達す
る。注入された電子のエネルギーレベルは第１の量子準
位Ｅ、と一致させているので、界面に到達した電子は、
共鳴トンネリングしコレクタ電極１５に到達し、コレク
タ電流Ｉ、となる。共鳴トンネリングの透過係数はほぼ
１であるため、従来の超伝導トランジスタで問題になっ
たベース・コレクタ界面での量子力学的反射による電流
増幅率の低下を防止することができる。例えば、τ−０
，１ｐｓ、ｒＲ−１ｎｓ、Ｐ＝０．９９とすると、（３
）式からβ−９９と大きな値を実現できる。Here, if the thickness of the base superconductor 13 is made equal to or less than the de Broglie wavelength of electrons, quantum energy levels E, , E2, . ．． ．． is formed. Here, the first quantum level E is made to match the energy gap Δ of the base superconductor 13. Further, the thicknesses of the emitter insulator 12 and the collector insulator 14 are made thin enough to allow resonance tunneling of electrons. As shown in FIG. 2(b), when a voltage approximately equal to the energy gap Δ of the superconducting base 13 is applied to the emitter-base electrode voltage ■, electrons 6 are transferred to the emitter superconductor by tunneling through the emitter insulator 12. It is injected from the conductor 11 into the base superconductor 13. Some of the injected electrons become Cooverbaer 7 and create a base current ■
8, but most of them reach the base-collector interface. Since the energy level of the injected electrons is made to match the first quantum level E, the electrons that reach the interface are
It undergoes resonance tunneling and reaches the collector electrode 15, becoming a collector current I. Since the transmission coefficient of resonance tunneling is approximately 1, it is possible to prevent a decrease in current amplification factor due to quantum mechanical reflection at the base-collector interface, which has been a problem with conventional superconducting transistors. For example, τ−0
, 1ps, rR-1ns, P=0.99, (3
) can realize a large value of β-99.
本発明の第２の実施例としては、物質Ｂ、あるいは物質
りからなる層として半導体層を用いることである。動作
原理から容易に類推できるように、物質Ｂ、物質りはベ
ース超伝導体（物質Ｃ〉中に量子準位を形成するもので
ある。従って、物質Ｂ、物質りの条件としては、ベース
超伝導体１３に対してポテンシャルの障壁を形成する材
料であればよい。従って、半導体で形成することも可能
である。この場合、ポテンシャル障壁の高さが第１の実
施例で図示した絶縁体に比べて小さくなるので、エミツ
タからの注入電流密度を大きくできる利点がある。A second embodiment of the present invention is to use a semiconductor layer as the layer made of material B or material B. As can be easily inferred from the principle of operation, material B and material form a quantum level in the base superconductor (material C). Therefore, the conditions for material B and material are that the base superconductor Any material may be used as long as it forms a potential barrier with respect to the conductor 13. Therefore, it can also be formed of a semiconductor. In this case, the height of the potential barrier is higher than that of the insulator illustrated in the first embodiment. Since it is smaller in comparison, there is an advantage that the density of current injected from the emitter can be increased.
第３の実施例としては、物質Ａ、物質Ｅからなる層とし
て超伝導体層を用いることである。エミツタ電極、コレ
クタ電極の抵抗を無くすことができる。In a third embodiment, a superconductor layer is used as the layer consisting of substance A and substance E. The resistance of the emitter electrode and collector electrode can be eliminated.
第２及び第３の実施例による超伝導トランジスタも動作
原理としての共鳴トンネル効果を利用し、かつベース超
伝導体を利用するベース抵抗ゼロ、超高周波動作、高電
流増幅率等の効果は、第１の実施例と同様である。The superconducting transistors according to the second and third embodiments also utilize the resonant tunneling effect as an operating principle, and the effects such as zero base resistance, ultra-high frequency operation, and high current amplification factor using a base superconductor are as follows. This is similar to the first embodiment.
さらに第２の実施例では工くツタよりの注入電流密度が
大きくできる利点があり、第３の実施例では工ｅソタ、
コレクタ内の直列抵抗の減少効果があるわけである。Furthermore, the second embodiment has the advantage that the injection current density can be increased, and the third embodiment has the advantage that the injection current density can be increased.
This has the effect of reducing the series resistance within the collector.
本発明の実施態様を述べると以下の通りである。The embodiments of the present invention are described below.
即ち、本発明は、
それぞれ物質Ａ、物質Ｂ、物質Ｃ１物質り及び物質Ｅか
らなる層が積層される構造において、物質Ａからなる層
を金属、あるいは超伝導体、物質Ｂからなる層を絶縁体
、あるいは゛１−導体、物質Ｃからなる層を超伝導体、
物質りからなる層を絶縁体、あるいは半導体、物質Ｅか
らなる層を金属、あるいは超伝導体で構成し、
Ｔｈ質Ｂ、物質Ｃ及び物質りからなる各層の厚みを、物
質Ａからなる層中の電子が物質Ｅからなる層中に共鳴ト
ンネルできるように薄く設定し、物質Ｃからなる層中に
生じる量子エネルギー準位を物質Ｃの超伝導工不ルギー
ギャソブに一致させ、物質Ａからなる層からエミッタ電
極を、物質Ｃからなる層からベース電極を、
物質Ｅからなる層からコレクタ電極を、取ることを特徴
とした超伝導トランジスタに関するものである。That is, in the present invention, in a structure in which layers made of substance A, substance B, substance C1, and substance E are laminated, the layer made of substance A is made of a metal or a superconductor, and the layer made of substance B is insulated. The layer made of substance C is made of a superconductor, the layer made of substance C is made of an insulator or a semiconductor, the layer made of substance E is made of a metal or a superconductor, and the layer made of material C is made of a metal or superconductor, , the thickness of each layer consisting of substance C and substance R is set thin so that electrons in the layer consisting of substance A can resonantly tunnel into the layer consisting of substance E, and the quantum energy level generated in the layer consisting of substance C is corresponds to the superconducting material of material C, and the emitter electrode is taken from the layer made of material A, the base electrode is taken from the layer made of material C, and the collector electrode is taken from the layer made of material E. Concerning conduction transistors.
以上説明したように、本発明により半導体トランジスタ
特性を大きく越える電流増幅、高速スイ、ヂング動作、
高周波増幅が可能である。本発明による超伝導トランジ
スタは超高速ＬＳＩ、あるいは超高周波デバイスなどの
幅広い応用を切り開くものである。As explained above, the present invention enables current amplification, high-speed switching, and switching operations that greatly exceed the characteristics of semiconductor transistors.
High frequency amplification is possible. The superconducting transistor according to the present invention opens up a wide range of applications such as ultra-high speed LSI or ultra-high frequency devices.
第１図は本発明による超伝導トランジスタの第１の実施
例を示しその基本構造を説明する図、第２図は第１の実
施例の超伝導トランジスタのエネルギーバンド構造の模
式図である。第３図は従来の超伝導トランジスタの基本
構造の模式図、第４図は従来の超伝導トランジスタのエ
ネルギーバンド構造の模式図である。
１．１１・・・エミッタ金属、 ２・・・トンネル絶
縁体、 ３．１３・・・ベース超伝導体、４・・・コレ
クタ半導体、 ５．１５・−−コレクタ電極金属、 ６
・・・準粒子（電子）、 ７・・・クーパーペア（超伝
導電子対）、 １２・・エミッタ絶縁体、 １４・・
・コレクタ絶縁体
１１工ミンタ超伝導体FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of a superconducting transistor according to the present invention and explaining its basic structure, and FIG. 2 is a schematic diagram of the energy band structure of the superconducting transistor of the first embodiment. FIG. 3 is a schematic diagram of the basic structure of a conventional superconducting transistor, and FIG. 4 is a schematic diagram of the energy band structure of a conventional superconducting transistor. 1.11... Emitter metal, 2... Tunnel insulator, 3.13... Base superconductor, 4... Collector semiconductor, 5.15... Collector electrode metal, 6
... quasiparticle (electron), 7... Cooper pair (superconducting electron pair), 12... emitter insulator, 14...
・Collector insulator 11 minta superconductor
Claims (1)
らなる層が積層される構造において、物質Ａからなる層
を金属、あるいは超伝導体、物質Ｂからなる層を絶縁体
、あるいは半導体、物質Ｃからなる層を超伝導体、 物質Ｄからなる層を絶縁体、あるいは半導体、物質Ｅか
らなる層を金属、あるいは超伝導体で構成し、 物質Ｂ、物質Ｃ及び物質Ｄからなる各層の厚みを、物質
Ａからなる層中の電子が物質Ｅからなる層中に共鳴トン
ネルできるように薄く設定し、 物質Ｃからなる層中に生じる量子エネルギー準位を物質
Ｃの超伝導エネルギーギャップに一致させ、物質Ａから
なる層からエミッタ電極を、 物質Ｃからなる層からベース電極を、 物質Ｅからなる層からコレクタ電極を 取ることを特徴とした超伝導トランジスタ。[Claims] In a structure in which layers made of substance A, substance B, substance C, substance D, and substance E are laminated, the layer made of substance A is replaced with a metal, or the layer made of a superconductor and the layer made of substance B are stacked. A layer consisting of an insulator or semiconductor, substance C is a superconductor, a layer consisting of substance D is an insulator or semiconductor, a layer consisting of substance E is a metal or a superconductor, substance B, substance C and The thickness of each layer made of material D is set to be thin so that electrons in the layer made of material A can resonantly tunnel into the layer made of material E, and the quantum energy level generated in the layer made of material C is set to be the same as that of material C. A superconducting transistor characterized in that an emitter electrode is taken from a layer made of substance A, a base electrode is taken from a layer made of substance C, and a collector electrode is taken from a layer made of substance E so as to match the superconducting energy gap.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1204166A JP2582643B2 (en) | 1989-08-07 | 1989-08-07 | Superconducting transistor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1204166A JP2582643B2 (en) | 1989-08-07 | 1989-08-07 | Superconducting transistor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0368182A true JPH0368182A (en) | 1991-03-25 |
| JP2582643B2 JP2582643B2 (en) | 1997-02-19 |
Family
ID=16485932
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1204166A Expired - Fee Related JP2582643B2 (en) | 1989-08-07 | 1989-08-07 | Superconducting transistor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2582643B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5318952A (en) * | 1992-12-24 | 1994-06-07 | Fujitsu Limited | A superconducting transistor wherein hot electrons are injected into and trapped from the base |
| JPH06204578A (en) * | 1993-01-08 | 1994-07-22 | Nec Corp | Superconducting resonance tunnel transistor |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01184883A (en) * | 1988-01-13 | 1989-07-24 | Hitachi Ltd | Resonance tunneling three-pole device |
-
1989
- 1989-08-07 JP JP1204166A patent/JP2582643B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01184883A (en) * | 1988-01-13 | 1989-07-24 | Hitachi Ltd | Resonance tunneling three-pole device |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5318952A (en) * | 1992-12-24 | 1994-06-07 | Fujitsu Limited | A superconducting transistor wherein hot electrons are injected into and trapped from the base |
| JPH06204578A (en) * | 1993-01-08 | 1994-07-22 | Nec Corp | Superconducting resonance tunnel transistor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2582643B2 (en) | 1997-02-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ciaccia et al. | Gate-tunable Josephson diode in proximitized InAs supercurrent interferometers | |
| Zhang et al. | General theory of Josephson diodes | |
| NL2018253B1 (en) | A qubit apparatus and a qubit system | |
| Zuo et al. | Supercurrent interference in few-mode nanowire Josephson junctions | |
| Mamin et al. | Merged-element transmons: Design and qubit performance | |
| Johansson et al. | Resonant multiple Andreev reflections in mesoscopic superconducting junctions | |
| Minutillo et al. | Anomalous Josephson effect in S/SO/F/S heterostructures | |
| Cuozzo et al. | Microwave-tunable diode effect in asymmetric SQUIDs with topological Josephson junctions | |
| JPH05206530A (en) | High-temperature superconductor josephson junction and its manufacture | |
| JPH04226015A (en) | Quantum well super conductor having resonance charge coupling | |
| JPH0368182A (en) | Superconductive transistor | |
| Li et al. | Collective quantum phase slips in multiple nanowire junctions | |
| Rittenhouse et al. | Fabry-Perot interference peaks in the critical current for ballistic superconductor-normal-metal-superconductor Josephson junctions | |
| JP2002193606A (en) | Superconducting material and method of manufacturing it | |
| Wang et al. | Quantum coherent control of a hybrid superconducting circuit made with graphene-based van der Waals heterostructures | |
| Filatrella et al. | Emission of radiation from square arrays of stacked Josephson junctions | |
| Zhu et al. | Microwave-induced π-junction transition in a superconductor/quantum dot/superconductor structure | |
| Lu et al. | Superconducting single-electron transistor coupled to a locally tunable electromagnetic environment | |
| Duvauchelle et al. | Quantum coherence of the quartet scheme observed by Shapiro resonance under radio-frequency irradiation in three terminal Josephson junctions | |
| Adourian et al. | Josephson junction oscillators as probes of electronic nanostructures | |
| Varelogiannis | Comment on “Quasiparticle Decay Effects in the Superconducting Density of States: Evidence for d-Wave Pairing in the Cuprates” | |
| Rossi et al. | Shapiro steps and microwave tunable diode effect in novel Josephson junctions | |
| JPH09199708A (en) | Semiconductor united single electron tunneling element and its manufacture | |
| KR950003956B1 (en) | Manufacturing method of super lattice junction structure josephson device | |
| Golubov et al. | Other Josephson-Related Phenomena |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |