JPH06296013A - Metal base transistor - Google Patents

Metal base transistor

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JPH06296013A
JPH06296013A JP8346293A JP8346293A JPH06296013A JP H06296013 A JPH06296013 A JP H06296013A JP 8346293 A JP8346293 A JP 8346293A JP 8346293 A JP8346293 A JP 8346293A JP H06296013 A JPH06296013 A JP H06296013A
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base
collector
transistor
metal
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Hitoshi Abe
仁志 阿部
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Oki Electric Industry Co Ltd
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Abstract

PURPOSE:To reduce base resistance and obtain large amplification action, by forming a control electrode region sandwiched by a first main electrode and a second main electrode, by using one kind of metal oxide selected out of metal oxides having a specific value. CONSTITUTION:A first main electrode region is made an emitter region 10, and a second main electrode region is made a collector region 12. A base region 14 as a control electrode region is formed between the emitter region 10 and the collector region 12. The base region 14 is formed by using metal oxide whose electron density is isotropic, i.e., Bi(Rbx, Ba1-x)O3, Bi(Ky, Ba1-y)O3 and Nd2-zCezCuO4 (where x, y and z represent composition ratio, x and y are in the range of 0.2-0.8, and z is in the range of 0.1-0.2). The thickness of the base region is 50-500Angstrom . Thereby the base resistance is made smaller than that of a semiconductor transistor, and the large amplification action equivalent to a semiconductor transistor can be obtained.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】この発明は、制御電極領域に金属
酸化物を用いたメタルベーストランジスタに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a metal base transistor using a metal oxide in a control electrode region.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、様々な分野で半導体からなるトラ
ンジスタ(以下、半導体トランジスタと称する。)が広
く用いられてきた。半導体トランジスタは、ベース接地
の増幅率αは1に近く、このため大きな増幅率を得るこ
とができる。しかし、半導体トランジスタは、ベース領
域が半導体から構成されているためベース抵抗(RB
が大きく、これがトランジスタ素子の動作速度の高速化
の阻害要因となっていた。
2. Description of the Related Art Conventionally, transistors made of semiconductors (hereinafter referred to as semiconductor transistors) have been widely used in various fields. In the semiconductor transistor, the amplification factor α of grounded base is close to 1, so that a large amplification factor can be obtained. However, the semiconductor transistor, base resistor because the base region is constituted by a semiconductor (R B)
Is large, and this has been an impeding factor for increasing the operating speed of the transistor element.

【0003】そこで、ベース抵抗を小さくできるトラン
ジスタとして、ベース領域に金属を使用したメタルベー
ストランジスタが、例えば文献1:「Solid−St
ate Electronics,Vol.9(196
6)pp.751−769」に提案されている。この文
献1によれば、ベース領域に金属を使用することにより
ベース抵抗を著しく小さくできるので、遮断周波数が大
きく伸びることが予測される。このため、種々のメタル
ベーストランジスタが試作されている。
Therefore, as a transistor capable of reducing the base resistance, a metal base transistor using a metal in the base region is disclosed in, for example, Document 1: "Solid-St".
ate Electronics, Vol. 9 (196
6) pp. 751-769 ". According to this document 1, since the base resistance can be remarkably reduced by using a metal in the base region, it is expected that the cutoff frequency will greatly increase. Therefore, various metal base transistors have been produced on a trial basis.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ベース
領域に金属を使用するとベース接地の増幅率αが小さく
なってしまう。上記文献1によれば、エミッタ、ベース
およびコレクタ領域の材料の組み合わせをSi/Au/
Ge、Si/Ag/GeおよびGaP/Ag/Geとし
た場合の増幅率αは0.3程度であった。この増幅率α
は、エミッタから注入された電子のうち、ベース領域を
通過してコレクタに到達する電子の割合を表している。
However, if a metal is used for the base region, the amplification factor α of the base ground becomes small. According to the above-mentioned reference 1, the combination of materials of the emitter, base and collector regions is set to Si / Au /
The amplification factor α was about 0.3 when Ge, Si / Ag / Ge and GaP / Ag / Ge were used. This amplification factor α
Represents the proportion of the electrons injected from the emitter that pass through the base region and reach the collector.

【0005】文献2:「IEEE Electron
Devices Vol.EDL−6(1985)17
8」において、この文献2の著者は、メタルベーストラ
ンジスタのベース接地の増幅率αが小さい原因をベース
領域に用いた金属中の電子の大きなフェルミエネルギー
εF に起因する大きな量子力学的反射であるとしてい
る。
Reference 2: "IEEE Electron
Devices Vol. EDL-6 (1985) 17
8 ”, the author of this reference 2 is a large quantum mechanical reflection caused by a large Fermi energy ε F of an electron in a metal using a cause of a small base ground amplification factor α of a metal base transistor in a base region. I am trying.

【0006】このように、従来のメタルベーストランジ
スタは、大きな増幅作用を得ることができないという問
題があるため、実用化には至っていない。
As described above, the conventional metal base transistor has not been put into practical use because it has a problem that a large amplifying action cannot be obtained.

【0007】従って、この発明の目的は、ベース抵抗が
小さくかつ大きな増幅作用を得ることができるメタルベ
ーストランジスタを提供することにある。
Therefore, an object of the present invention is to provide a metal base transistor having a small base resistance and a large amplifying effect.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この目的の達成を図るた
め、この発明のメタルベーストランジスタによれば、第
1主電極領域および第2主電極領域を半導体領域とし、
この第1および第2主電極領域に挟まれた制御電極領域
をBi(Rbx ,Ba1-x )O3 、Bi(Ky ,Ba
1-y )O3 およびNd2-z Cez CuO4 (但し、x,
y,zは組成比を表し、xおよびyは0.2〜0.8の
間の値をとり、zは0.1〜0.2の間の値をとる。)
の金属酸化物の中から選ばれた1種類の金属酸化物を以
って形成する。
To achieve this object, according to the metal base transistor of the present invention, the first main electrode region and the second main electrode region are semiconductor regions,
The first and second main electrodes of the control electrode regions sandwiched by Bi (Rb x, Ba 1- x) O 3, Bi (K y, Ba
1-y) O 3 and Nd 2-z Ce z CuO 4 ( where, x,
y and z represent composition ratios, x and y take a value between 0.2 and 0.8, and z takes a value between 0.1 and 0.2. )
It is formed by using one kind of metal oxide selected from the above metal oxides.

【0009】[0009]

【作用】この発明のメタルベーストランジスタ(単に素
子とも称する)によれば、ベース領域を、通常の金属に
比べて電子密度が一桁以上小さい金属酸化物を以って形
成する。電子密度が小さいのでベース領域で散乱される
電子が少なく、このため、エミッタから注入された電子
のうち、ベース領域を通過してコレクタに到達する割合
が高くなる。その結果、ベース接地の増幅率αの値を1
に近づけることができ、エミッタ接地の増幅率β=α/
(1−α)も大きくすることができる。
According to the metal base transistor (also simply referred to as an element) of the present invention, the base region is formed of a metal oxide having an electron density smaller by one digit or more than that of an ordinary metal. Since the electron density is low, few electrons are scattered in the base region, and therefore, the proportion of electrons injected from the emitter that pass through the base region and reach the collector is high. As a result, the value of the amplification factor α of the base ground is set to 1
, The grounded emitter amplification factor β = α /
(1-α) can also be increased.

【0010】ところで、トランジスタの製造にあたり、
異方的な電子密度を有する金属酸化物をベース領域に用
いた場合、所望の結晶方位を持った配向した薄膜を作る
ことは困難である。このため、この発明では、等方的な
電子密度を有する金属酸化物として、Bi(Rbx ,B
1-x )O3 、Bi(Ky ,Ba1-y )O3 およびNd
2-z Cez CuO4 の金属酸化物の中から選ばれた1種
類の金属酸化物を用いる。
By the way, in manufacturing a transistor,
When a metal oxide having an anisotropic electron density is used in the base region, it is difficult to form an oriented thin film having a desired crystal orientation. Therefore, in the present invention, as a metal oxide having an isotropic electron density, Bi (Rb x , B
a 1-x ) O 3 , Bi (K y , Ba 1-y ) O 3 and Nd
The 2-z Ce z CuO 4 1 kind selected from among metal oxides of the metal oxides used.

【0011】次に、メタルベーストランジスタの動作原
理について説明する。図3は、この発明のユニポーラト
ランジスタであるメタルベーストランジスタのエネルギ
ーバンド図の一例である。図中フェルミ準位を破線EF
で示す。図3の(A)には、バイアス電圧をかけていな
い場合のエネルギーバンドを曲線Iで示してある。図3
の(B)には、バイアス電圧として、エミッタ−ベース
間にVeb、コレクタ−ベース間にVcbを印加したときの
エネルギーバンドを曲線IIで示してある。また、コレ
クタ−ベース間に逆バイアスとして−Vcbを印加した場
合のエネルギーバンドを破線IIIで示している。ベー
ス領域とエミッタ領域およびコレクタ領域との界面に
は、それぞれショットキバリアΦE およびΦC が生じ、
バイアス電圧に関わらずΦE >ΦC となるよう設計す
る。図3の(B)に示すように、バイアス電圧を印加す
ると、Vebがある値に来たとき、エミッタ領域からベー
ス領域に電子が注入される。注入された電子は、ベース
領域を散乱がない状態で通過するか、若しくは、若干の
散乱を受けてエネルギーを損失しながら通過する。そし
て、ベース領域とコレクタ領域間にある障壁ΦC よりも
大きなエネルギーを持った電子がコレクタ領域を経てコ
レクタ電極へ到達して素子が動作する。
Next, the operating principle of the metal base transistor will be described. FIG. 3 is an example of an energy band diagram of a metal base transistor which is a unipolar transistor of the present invention. The Fermi level in the figure is the broken line E F
Indicate. In FIG. 3A, the energy band when no bias voltage is applied is shown by the curve I. Figure 3
(B) shows a curve II showing the energy band when V eb is applied between the emitter and the base and V cb is applied between the collector and the base as the bias voltage. Further, the energy band when -V cb is applied as a reverse bias between the collector and the base is shown by a broken line III. Schottky barriers Φ E and Φ C occur at the interfaces between the base region, the emitter region, and the collector region, respectively.
Design so that Φ E > Φ C regardless of the bias voltage. As shown in FIG. 3B, when a bias voltage is applied, when V eb reaches a certain value, electrons are injected from the emitter region to the base region. The injected electrons pass through the base region without scattering, or pass through while undergoing some scattering and losing energy. Then, electrons having energy larger than the barrier Φ C between the base region and the collector region reach the collector electrode via the collector region, and the device operates.

【0012】[0012]

【実施例】以下、図面を参照して、この発明のメタルベ
ーストランジスタの実施例について説明する。尚、以下
に参照する図は、この発明が理解できる程度に各構成成
分の大きさ、形状および配置関係を概略的に示してある
にすぎない。従って、この発明は、この図示例にのみ限
定されるものでないことは明らかである。
Embodiments of the metal base transistor of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the drawings referred to below only schematically show the sizes, shapes, and arrangement relationships of the respective constituent components to the extent that the present invention can be understood. Therefore, it is obvious that the present invention is not limited to this illustrated example.

【0013】第1実施例 図1は、この発明のメタルベーストランジスタの第1実
施例の説明に供する構造図である。図は、断面を表すハ
ッチング等を一部省略して示してある。
First Embodiment FIG. 1 is a structural diagram for explaining a first embodiment of a metal base transistor of the present invention. In the figure, hatching and the like showing the cross section are partially omitted.

【0014】第1実施例では、第1主電極領域をエミッ
タ領域10とし、第2主電極領域をコレクタ領域12と
する。そして、これらエミッタ領域10およびコレクタ
領域12の間に、制御電極領域としてベース領域14を
設けてある。このベース領域14は、電子密度が等方的
な金属酸化物であるBi(Rbx ,Ba1-x )O3 また
はBi(Ky ,Ba1-y )O3 を以って形成してあり、
その厚さは50〜500A°(A°はオングストローム
を表す記号)である。但し、xおよびyは組成比を表
し、0.2〜0.8の範囲の値をとる。
In the first embodiment, the first main electrode region is the emitter region 10 and the second main electrode region is the collector region 12. A base region 14 is provided as a control electrode region between the emitter region 10 and the collector region 12. The base region 14, the electron density is isotropic metal oxides Bi (Rb x, Ba 1- x) O 3 or Bi a (K y, Ba 1-y ) O 3 was formed I than Yes,
Its thickness is 50 to 500 A ° (A ° is a symbol representing angstrom). However, x and y represent composition ratios and take values in the range of 0.2 to 0.8.

【0015】第1実施例では、コレクタ領域12をSr
TiO3 にNbを添加したn型半導体基板12とし、こ
の上に、ベース領域14およびエミッタ領域10を分子
線エピタキシーまたはCVD法を用いて順に積層して形
成してある。エミッタ領域10はSrTiO3 にNbを
添加して1000A°以上の厚さに形成してある。
In the first embodiment, the collector region 12 is made of Sr.
An n-type semiconductor substrate 12 in which Nb is added to TiO 3 is formed, and a base region 14 and an emitter region 10 are sequentially formed thereon by using molecular beam epitaxy or a CVD method. The emitter region 10 is formed by adding Nb to SrTiO 3 and having a thickness of 1000 A ° or more.

【0016】また、エミッタ領域10、ベース領域14
およびコレクタ領域12には、それぞれ金のエミッタ電
極16、ベース電極18およびコレクタ電極20を良好
にオーミック接触させてある。エミッタ電極16の大き
さは100μm角とした。
In addition, the emitter region 10 and the base region 14
The gold emitter electrode 16, the base electrode 18, and the collector electrode 20 are in good ohmic contact with the collector region 12 and the collector region 12, respectively. The size of the emitter electrode 16 was 100 μm square.

【0017】第2実施例 図2は、この発明のメタルベーストランジスタの第2実
施例の説明に供する構造図である。図は、断面を表すハ
ッチング等を一部省略して示してある。
Second Embodiment FIG. 2 is a structural diagram for explaining a second embodiment of the metal base transistor of the present invention. In the figure, hatching and the like showing the cross section are partially omitted.

【0018】第2実施例では、エミッタ領域22にIn
系酸化物22を用いている。In系酸化物22は、In
をベース領域14上に100〜300℃の温度下で積層
することによってInとベース領域との間に半導体特性
を示す遷移領域として得られる。
In the second embodiment, In is formed in the emitter region 22.
The system oxide 22 is used. The In-based oxide 22 is In
Is laminated on the base region 14 at a temperature of 100 to 300 ° C. to obtain a transition region having semiconductor characteristics between In and the base region.

【0019】第2実施例では、エミッタ領域22以外の
メタルベーストランジスタの構成は第1実施例のメタル
ベーストランジスタの構成と同じである。
In the second embodiment, the structure of the metal base transistor other than the emitter region 22 is the same as that of the metal base transistor of the first embodiment.

【0020】次に、第2実施例のメタルベーストランジ
スタの素子特性について説明する。図4は、メタルベー
ストランジスタのベース接地におけるコレクタ電圧−コ
レクタ電流特性を示すグラフである。グラフの横軸はコ
レクタ−ベース間のバイアス電圧(コレクタ電圧)Vcb
(V)を示し、グラフの縦軸はコレクタ電流Ic (μ
A)を示している。グラフ中、エミッタ電流を0、2
0、40、60および80μAとして測定したコレクタ
電圧−コレクタ電流特性をそれぞれ曲線IV〜VIII
で示す。
Next, the element characteristics of the metal base transistor of the second embodiment will be described. FIG. 4 is a graph showing collector voltage-collector current characteristics when the base of the metal base transistor is grounded. The horizontal axis of the graph is the collector-base bias voltage (collector voltage) V cb.
(V), and the vertical axis of the graph is the collector current I c
A) is shown. In the graph, the emitter current is 0, 2
The collector voltage-collector current characteristics measured as 0, 40, 60 and 80 μA are shown in curves IV to VIII, respectively.
Indicate.

【0021】コレクタ電圧が0.5〜1Vの間で、コレ
クタ電流はエミッタ電流とほぼ同じ大きさに達する。こ
れは、エミッタから注入した電子のほぼ100%がコレ
クタに達していることを示している。今、コレクタ電圧
が0.5〜1Vのときのベース接地の増幅率αをグラフ
より0.98と読み取ると、エミッタ接地の増幅率β
は、β=α/(1−α)と換算されるので、β=50と
なる。従って、この発明のメタルベーストランジスタ
は、半導体からなるトランジスタと同等の高い増幅率を
達成できることがわかった。
When the collector voltage is between 0.5 and 1 V, the collector current reaches almost the same magnitude as the emitter current. This indicates that almost 100% of the electrons injected from the emitter reach the collector. Now, when the amplification factor α of the grounded base when the collector voltage is 0.5 to 1 V is read as 0.98 from the graph, the amplification factor β of the grounded emitter is β
Is converted to β = α / (1-α), so β = 50. Therefore, it was found that the metal base transistor of the present invention can achieve a high amplification factor equivalent to that of a semiconductor transistor.

【0022】また、この発明で用いる金属酸化物の抵抗
値は100μΩcm-1程度であり、この値は、半導体の
抵抗値よりも2桁以上小さい。従って、この発明のメタ
ルベーストランジスタではベース抵抗を、現在実用化さ
れている半導体トランジスタのベース抵抗よりも2桁以
上小さくすることができる。
The resistance value of the metal oxide used in the present invention is about 100 μΩcm −1, which is smaller than the resistance value of the semiconductor by two digits or more. Therefore, in the metal base transistor of the present invention, the base resistance can be made smaller by two digits or more than the base resistance of the semiconductor transistor currently put into practical use.

【0023】ところで、トランジスタ素子の最高発振周
波数fmax は以下の式(1)で表される。
The maximum oscillation frequency f max of the transistor element is expressed by the following equation (1).

【0024】 fmax ={fT /(8πRB BC)}1/2 ‥‥(1) 但し、fT は電流利得遮断周波数、RB はベース抵抗、
BCはベース−コレクタ間の容量をそれぞれ表してい
る。
F max = {f T / (8πR B C BC )} 1/2 (1) where f T is the current gain cutoff frequency, R B is the base resistance,
C BC represents the capacitance between the base and the collector.

【0025】従って、上記の式(1)から明らかなよう
に、ベース抵抗RB を2桁小さくすることによって、最
高発振周波数fmax を1桁上げることができる。
Therefore, as is clear from the above equation (1), the maximum oscillation frequency f max can be increased by one digit by reducing the base resistance R B by two digits.

【0026】上述した実施例では、この発明を特定の材
料を使用し、また、特定の条件で構成した例につき説明
したが、この発明は多くの変更および変形を行うことが
できる。例えば、上述した実施例では、ベース領域を構
成する材料として、p型材料であるBi(Rb,Ba)
3 およびBi(Rb,Ba)O3 を用いたが、この発
明では、n型の材料であるNd2-z Cez CuO4 (但
し、zは組成比を表し、0.1〜0.2の範囲の値をと
る。また、好ましくはZは0.13〜0.18の範囲の
値が望ましい。)を用いても良い。また、上述した実施
例では、第1主電極領域をエミッタ領域、第2主電極領
域をコレクタ領域をしたが、この発明では、第1主電極
領域をコレクタ領域、第2主電極領域をエミッタ領域と
しても良い。
In the above-described embodiments, the present invention has been described by using the specific material and the specific conditions, but the present invention can be modified and modified in many ways. For example, in the above-described embodiment, the p-type material Bi (Rb, Ba) is used as the material forming the base region.
O 3 and Bi (Rb, Ba) was used O 3, in the present invention, an n-type material Nd 2-z Ce z CuO 4 ( where, z denotes a composition ratio, 0.1 to 0. It may take a value in the range of 2. Further, Z preferably has a value in the range of 0.13 to 0.18. Further, in the above-described embodiment, the first main electrode region is the emitter region and the second main electrode region is the collector region. However, in the present invention, the first main electrode region is the collector region and the second main electrode region is the emitter region. Also good.

【0027】[0027]

【発明の効果】この発明のメタルベーストランジスタに
よれば、上述した金属酸化物をベース領域に用いている
ので、ベース抵抗を半導体トランジスタのベース抵抗よ
りも小さくし、かつ、半導体トランジスタと同等の大き
な増幅作用を得ることができる。
According to the metal base transistor of the present invention, since the above-mentioned metal oxide is used in the base region, the base resistance is made smaller than that of the semiconductor transistor and is as large as the semiconductor transistor. An amplification effect can be obtained.

【0028】また、ベース抵抗を小さくすることによ
り、最高発振周波数を半導体トランジスタよりも上げる
ことができる。
Further, by reducing the base resistance, the maximum oscillation frequency can be increased more than that of the semiconductor transistor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】この発明のメタルベーストランジスタの第1実
施例の説明に供する構造図である。
FIG. 1 is a structural diagram for explaining a first embodiment of a metal base transistor of the present invention.

【図2】この発明のメタルベーストランジスタの第2実
施例の説明に供する構造図である。
FIG. 2 is a structural diagram for explaining a second embodiment of the metal base transistor of the present invention.

【図3】(A)および(B)は、この発明のメタルベー
ストランジスタのエネルギーバンド図である。
3A and 3B are energy band diagrams of a metal base transistor of the present invention.

【図4】第2実施例のメタルベーストランジスタのベー
ス接地におけるコレクタ電圧−コレクタ電流特性を表す
グラフである。
FIG. 4 is a graph showing collector voltage-collector current characteristics when the base of the metal base transistor of the second embodiment is grounded.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:エミッタ領域 12:コレクタ領域 14:ベース領域 16:エミッタ電極 18:ベース電極 20:コレクタ電極 22:エミッタ領域(In系酸化物) 10: emitter region 12: collector region 14: base region 16: emitter electrode 18: base electrode 20: collector electrode 22: emitter region (In-based oxide)

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 第1主電極領域および第2主電極領域を
半導体領域とし、 該第1および第2主電極領域に挟まれた制御電極領域を
Bi(Rbx ,Ba1-x )O3 、Bi(Ky ,B
1-y )O3 およびNd2-z Cez CuO4 (但し、
x,y,zは組成比を表し、xおよびyは0.2〜0.
8の間の値をとり、zは0.1〜0.2の間の値をと
る。)の金属酸化物の中から選ばれた1種類の金属酸化
物を以って形成することを特徴とするメタルベーストラ
ンジスタ。
1. A first main electrode region and a second main electrode region are semiconductor regions, and a control electrode region sandwiched between the first and second main electrode regions is Bi (Rb x , Ba 1 -x ) O 3. , Bi (K y , B
a 1-y) O 3 and Nd 2-z Ce z CuO 4 ( however,
x, y, and z represent composition ratios, and x and y are 0.2 to 0.
It has a value between 8 and z has a value between 0.1 and 0.2. 3.) A metal base transistor formed by using one kind of metal oxide selected from among the metal oxides described above.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6348704B1 (en) 1999-08-19 2002-02-19 Sharp Kabushiki Kaisha Semiconductor device having successful schottky characteristics
JP2010073946A (en) * 2008-09-19 2010-04-02 Fuji Electric Holdings Co Ltd Transistor element and method of manufacturing the same

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