JPH0648766B2 - 超高周波半導体発振器 - Google Patents
超高周波半導体発振器Info
- Publication number
- JPH0648766B2 JPH0648766B2 JP61057570A JP5757086A JPH0648766B2 JP H0648766 B2 JPH0648766 B2 JP H0648766B2 JP 61057570 A JP61057570 A JP 61057570A JP 5757086 A JP5757086 A JP 5757086A JP H0648766 B2 JPH0648766 B2 JP H0648766B2
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- JP
- Japan
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- diode
- high frequency
- negative resistance
- semiconductor
- oscillator
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- Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、ミリ波よりサブミリ波帯の送受信機等に用い
られる超高周波半導体発振器に関する。
られる超高周波半導体発振器に関する。
ミリ波からサブミリ波領域の半導体発振器用のダイオー
ドとして、半導体ダイオードの逆方向降伏電流とその走
行時間効果による負性抵抗ダイオードとして、なだれ降
伏によるインパットダイオードとトンネル注入によるタ
ンネットダイオードが知られている。
ドとして、半導体ダイオードの逆方向降伏電流とその走
行時間効果による負性抵抗ダイオードとして、なだれ降
伏によるインパットダイオードとトンネル注入によるタ
ンネットダイオードが知られている。
タンネットダイオードは、逆方向のトンネル降伏を用い
るために、高周波電圧に対する応答時間が短いことによ
りインパットダイオードよりも発振周波数が上昇し、か
つ低雑音であるという大きな特徴を有している。おおよ
そ同軸回路等のキャビティのＱが低下する周波数以上の
ミリ波帯では、負性抵抗発振器は現在導波管回路がよく
用いられている。矩形の導波管を用いた場合１００ＧHz
以上では矩形導波管の損失が増し、Ｑが低下すること
と、現在規格のある２１７−３３０ＧHzの導波管（ＷＲ
−３）の内径寸法は０．８６４×０．４３２mmとなり、
加工が非常に困難となる欠点がある。銅の導電率を５．
８×１０７Ｓ／ｍとした時のＷＲ−８（９２〜１４０Ｇ
Hz）の１００ＧHzにおけるＴＥ10モードの減衰量は約
５．５ｄＢ／ｍ、ＷＲ−３の３００ＧHzにおけるＴＥ
１０モードの減衰量は約１３ｄＢ／ｍもの値となる。損
失の大きい回路では、特に短ミリ波帯からサブミリ波で
の負性抵抗ダイオードを用いて発振させる時には、閾値
電流の増大、発振周波数の不安定性の原因となり望まし
くない。
るために、高周波電圧に対する応答時間が短いことによ
りインパットダイオードよりも発振周波数が上昇し、か
つ低雑音であるという大きな特徴を有している。おおよ
そ同軸回路等のキャビティのＱが低下する周波数以上の
ミリ波帯では、負性抵抗発振器は現在導波管回路がよく
用いられている。矩形の導波管を用いた場合１００ＧHz
以上では矩形導波管の損失が増し、Ｑが低下すること
と、現在規格のある２１７−３３０ＧHzの導波管（ＷＲ
−３）の内径寸法は０．８６４×０．４３２mmとなり、
加工が非常に困難となる欠点がある。銅の導電率を５．
８×１０７Ｓ／ｍとした時のＷＲ−８（９２〜１４０Ｇ
Hz）の１００ＧHzにおけるＴＥ10モードの減衰量は約
５．５ｄＢ／ｍ、ＷＲ−３の３００ＧHzにおけるＴＥ
１０モードの減衰量は約１３ｄＢ／ｍもの値となる。損
失の大きい回路では、特に短ミリ波帯からサブミリ波で
の負性抵抗ダイオードを用いて発振させる時には、閾値
電流の増大、発振周波数の不安定性の原因となり望まし
くない。
本発明は、上記の従来の矩形導波管キャビティを用いた
半導体発振器の限界を克服する新規な超高周波半導体発
振器を提供することを目的とする。
半導体発振器の限界を克服する新規な超高周波半導体発
振器を提供することを目的とする。
このため本発明は、外部共振器を用いたことを特徴とし
ている。
ている。
負性抵抗ダイオード及び三端子のトランジスタの、発振
可能な超高周波数において、発振可能な電圧をバイアス
端子に加えた状態で超高周波数を励起する共振器を外部
共振器により構成することによって超高周波数の発振を
生起させることができる。この外部共振器、一方は全反
射としてもう一方は発振を持続させるのに必要なだけ能
動素子に正帰還をかけ、同時に出力の取りだしの機能を
果すのでいわゆるハーフミラーの鏡を用いる。この時、
動作状態において、インピーダンスの低い負性抵抗ダイ
オードにおいては外部共振器によりできる定在波の節を
負性抵抗ダイオード部分に生じさせ、かつ外部共振器も
定在波の節になるように、相互の位置関係を調整するこ
とにより、最適の発振状態を得ることができる。
可能な超高周波数において、発振可能な電圧をバイアス
端子に加えた状態で超高周波数を励起する共振器を外部
共振器により構成することによって超高周波数の発振を
生起させることができる。この外部共振器、一方は全反
射としてもう一方は発振を持続させるのに必要なだけ能
動素子に正帰還をかけ、同時に出力の取りだしの機能を
果すのでいわゆるハーフミラーの鏡を用いる。この時、
動作状態において、インピーダンスの低い負性抵抗ダイ
オードにおいては外部共振器によりできる定在波の節を
負性抵抗ダイオード部分に生じさせ、かつ外部共振器も
定在波の節になるように、相互の位置関係を調整するこ
とにより、最適の発振状態を得ることができる。
本発明においては、素子の放熱とバイアス電源を加える
ために負性抵抗ダイオード及び三端子のトランジスタ
は、損失が大きくならないように必要な長さの金属性の
収容器として、矩形及び円形の導波管を用いている。
ために負性抵抗ダイオード及び三端子のトランジスタ
は、損失が大きくならないように必要な長さの金属性の
収容器として、矩形及び円形の導波管を用いている。
発振器の特性として、周波数、出力の調整は、外部共振
器及び前記能動素子のバイアス条件によって変化させる
ことができる。更に周波数、出力は前記能動素子のパッ
ケージとバイアス電極の形状によっても調整することが
可能である。
器及び前記能動素子のバイアス条件によって変化させる
ことができる。更に周波数、出力は前記能動素子のパッ
ケージとバイアス電極の形状によっても調整することが
可能である。
以下図面を参照して、詳細に説明する。
第２図は、本発明の超高周波半導体発振器に用いるダイ
オードのパッケージを示す。１は無酸素銅の金メッキし
たステム、２は負性抵抗ダイオード、３は両面をメタラ
イズした石英台、４は石英台３とダイオード２を接続す
る金テープである。ダイオード２はGaAsのP+−n+−n-−
n+型のもので、製造方法は本発明者等の特開昭５６−１
１２７６１号「III−Ｖ半導体装置の製造方法」で開示
した蒸気圧制御された温度差法による液相成長法によっ
て製作したものである。トンネル降伏を生起させるには
n+層の不純物密度をおおよそ５×１０17cm-3以上とすれ
ば良い。p+層に接するn+−n-層を動作時に空乏層化する
ようにn+層とn-層の厚さを設計し、空乏層厚みは、走行
角が３／２πラジアン程度にすればよい。１００ＧHzで
は空乏層の厚みを約０．７５μｍ、３００ＧHzでは約
０．２５μｍ、１０００ＧHzでは約７５０Åとする。な
だれ降伏を生起させるにはGaAsではおおよそ１００〜１
５０ＧHzの周波数帯ではn+層の不純物密度を１〜５×１
０17cm-3、n+−n-の空乏層厚みを０．７５〜０．５μｍ
とする。トンネル降伏となだれ降伏が混在しているダイ
オードでも良い。
オードのパッケージを示す。１は無酸素銅の金メッキし
たステム、２は負性抵抗ダイオード、３は両面をメタラ
イズした石英台、４は石英台３とダイオード２を接続す
る金テープである。ダイオード２はGaAsのP+−n+−n-−
n+型のもので、製造方法は本発明者等の特開昭５６−１
１２７６１号「III−Ｖ半導体装置の製造方法」で開示
した蒸気圧制御された温度差法による液相成長法によっ
て製作したものである。トンネル降伏を生起させるには
n+層の不純物密度をおおよそ５×１０17cm-3以上とすれ
ば良い。p+層に接するn+−n-層を動作時に空乏層化する
ようにn+層とn-層の厚さを設計し、空乏層厚みは、走行
角が３／２πラジアン程度にすればよい。１００ＧHzで
は空乏層の厚みを約０．７５μｍ、３００ＧHzでは約
０．２５μｍ、１０００ＧHzでは約７５０Åとする。な
だれ降伏を生起させるにはGaAsではおおよそ１００〜１
５０ＧHzの周波数帯ではn+層の不純物密度を１〜５×１
０17cm-3、n+−n-の空乏層厚みを０．７５〜０．５μｍ
とする。トンネル降伏となだれ降伏が混在しているダイ
オードでも良い。
第１図は本発明の超高周波負性抵抗発振器の一実施例を
示す。１０は矩形導波管で長さがｌのもの、１１はダイ
オードの放熱器、１２は１０の矩形導波管とは絶縁され
たバイアス棒で、電源側に超高周波信号が漏洩しないよ
うにローパスフィルタを有しているもの、１３はバネ、
１４はバイアス端子で同軸コネクタ、５はバイアス電源
で直流あるいはパルス電源、７はダイオード保護用の抵
抗、６はフェライトビーズで低周波数領域の寄生発振防
止用、１５はガラス板、１６は金属層で超高周波を反射
する厚さにしたもので１μｍ位の厚さを有するもの、１
８は金属層で１７のガラス板上に設け、超高周波を透過
するハーフミラーを形成しているもの、２０は出力を示
している。１５、１６、１７、１８によるミラーにより
外部共振器をダイオードに対して構成している。逆方向
降伏電圧が約８Ｖ位（１ｍＡ）のダイオードにより１３
０ＧHzの発振出力が得られ、従来の矩形導波管に反射器
を設けた発振器と同等以上の出力が得られた。矩形導波
管は、ダイオードの放熱とバイアス電源を供給するため
に用いているだけなので、長さｌは例えば発振させよう
とする周波数の管内波長よりも短くした方がよい場合も
ある。ハーフミラーを形成する金属層１８は、発振を生
起させるだけ帰還させれば良いので、出力２０を充分に
大きくするには所望の波長の透過率を考慮して必要最小
限の厚さにすれば良い。図示はしていないが、外部ミラ
ー、ダイオードマウント部は最終的には固定し、外部ミ
ラーは微調整するためのマイクロメータ等を用いた駆動
装置を有する。発振周波数と出力は、バイアス端子の石
英台に接触する部分の直径を変えることによって変化さ
せることができる。発振出力の調整はバイアス電源によ
り容易に行なうことができることはいうまでもない。
示す。１０は矩形導波管で長さがｌのもの、１１はダイ
オードの放熱器、１２は１０の矩形導波管とは絶縁され
たバイアス棒で、電源側に超高周波信号が漏洩しないよ
うにローパスフィルタを有しているもの、１３はバネ、
１４はバイアス端子で同軸コネクタ、５はバイアス電源
で直流あるいはパルス電源、７はダイオード保護用の抵
抗、６はフェライトビーズで低周波数領域の寄生発振防
止用、１５はガラス板、１６は金属層で超高周波を反射
する厚さにしたもので１μｍ位の厚さを有するもの、１
８は金属層で１７のガラス板上に設け、超高周波を透過
するハーフミラーを形成しているもの、２０は出力を示
している。１５、１６、１７、１８によるミラーにより
外部共振器をダイオードに対して構成している。逆方向
降伏電圧が約８Ｖ位（１ｍＡ）のダイオードにより１３
０ＧHzの発振出力が得られ、従来の矩形導波管に反射器
を設けた発振器と同等以上の出力が得られた。矩形導波
管は、ダイオードの放熱とバイアス電源を供給するため
に用いているだけなので、長さｌは例えば発振させよう
とする周波数の管内波長よりも短くした方がよい場合も
ある。ハーフミラーを形成する金属層１８は、発振を生
起させるだけ帰還させれば良いので、出力２０を充分に
大きくするには所望の波長の透過率を考慮して必要最小
限の厚さにすれば良い。図示はしていないが、外部ミラ
ー、ダイオードマウント部は最終的には固定し、外部ミ
ラーは微調整するためのマイクロメータ等を用いた駆動
装置を有する。発振周波数と出力は、バイアス端子の石
英台に接触する部分の直径を変えることによって変化さ
せることができる。発振出力の調整はバイアス電源によ
り容易に行なうことができることはいうまでもない。
第３図は、本発明の別の実施例である。矩形導波管のか
わりに円形導波管２１を用いたものであり、他の第１図
と同様の構成なので説明は省略する。円形導波管の直径
２ａ（mm）とした場合、ＴＥ11モードの遮断周波数ｃ
は（１）式で与えられる。
わりに円形導波管２１を用いたものであり、他の第１図
と同様の構成なので説明は省略する。円形導波管の直径
２ａ（mm）とした場合、ＴＥ11モードの遮断周波数ｃ
は（１）式で与えられる。
円形導波管の直径が１．５mmの回路で、容易に１２０〜
１６０ＧHzの発振が得られた。円形導波管の直径を０．
６mmとすればｃは２９３ＧHzとなり、容易に３００Ｇ
Hz以上のサブミリ波の発振を得ることができる。円形導
波管は矩形導波管に比較して、製造が容易なために特に
サブミリ波帯の周波数に適している。
１６０ＧHzの発振が得られた。円形導波管の直径を０．
６mmとすればｃは２９３ＧHzとなり、容易に３００Ｇ
Hz以上のサブミリ波の発振を得ることができる。円形導
波管は矩形導波管に比較して、製造が容易なために特に
サブミリ波帯の周波数に適している。
第４図は本発明の更に別の実施例である。２２はテーパ
導波管で矩形、円形導波管でよい。他は第１図と同様の
構成であるので説明を省略する。タンネット、インパッ
トダイオードは共にインピーダンスが低いので、より良
く整合を行なうためにダイオードマウント部をテーパ状
構造としたものである。このようにすることによって、
より第１図及び第３図に示す回路よりも発振が容易に行
なえるという利点を有している。
導波管で矩形、円形導波管でよい。他は第１図と同様の
構成であるので説明を省略する。タンネット、インパッ
トダイオードは共にインピーダンスが低いので、より良
く整合を行なうためにダイオードマウント部をテーパ状
構造としたものである。このようにすることによって、
より第１図及び第３図に示す回路よりも発振が容易に行
なえるという利点を有している。
第５図は更に別の実施例であって、インピーダンス整合
をダイオード部より外部に向かって、階段的に高さを変
化させたマウント２３を用いるもので利点は第４図のも
のと同様である。
をダイオード部より外部に向かって、階段的に高さを変
化させたマウント２３を用いるもので利点は第４図のも
のと同様である。
第６図は本発明の別の実施例である。３０は第１図及び
第３図乃至第５図に示したダイオードマウント部、３１
は凹レンズの反射ミラーでダイオードマウント部に集束
するミラー、３２は凹レンズのハーフミラーで出力２０
の取り出し用のミラーである。
第３図乃至第５図に示したダイオードマウント部、３１
は凹レンズの反射ミラーでダイオードマウント部に集束
するミラー、３２は凹レンズのハーフミラーで出力２０
の取り出し用のミラーである。
このような構成にすることによって、より少ない帰還パ
ワーでダイオードの発振を励起でき効率が高くなるもの
である。
ワーでダイオードの発振を励起でき効率が高くなるもの
である。
上記実施例においては、GaAsの負性抵抗ダイオードを用
いたが、ダイオードはＳｉのインパットダイオード等の
わゆる走行時間効果による負性抵抗ダイオードでも良い
し、ガンダイオード、江崎ダイオード等の負性抵抗ダイ
オードにも本発明は適用できることはいうまでもない。
このような回路構成は三端子のトランジスタにも適用で
きる。
いたが、ダイオードはＳｉのインパットダイオード等の
わゆる走行時間効果による負性抵抗ダイオードでも良い
し、ガンダイオード、江崎ダイオード等の負性抵抗ダイ
オードにも本発明は適用できることはいうまでもない。
このような回路構成は三端子のトランジスタにも適用で
きる。
次に三端子素子を用いた超高周波発振器の実施例につい
て説明する。
て説明する。
三端子として、電界効果トランジスタあるいは静電誘導
型トランジスタを用いることができ、これらの素子の遮
断周波数ｃはgm／２πＣで表わされる。ここでgmは相
互コンダクタンス、Ｃは入力容量である。増幅器として
用いる場合には通常ｃよりも低い周波数で動作させる
が、発振器としてはｃまで動作させることが可能であ
る。三端子素子なのでゲートはバイアスしても良いし、
あるいはオートバイアス効果により使用する方法に大別
される。前者はゲート端子に別の高周波源を重畳するこ
とによって変調が可能なことと、ゲートの直流電源によ
って発振出力を調整できるという利点が生じる。後者は
バイアス電源としてドレイン電源だけで済むのでバイア
ス回路が簡単になるという利点を有している。
型トランジスタを用いることができ、これらの素子の遮
断周波数ｃはgm／２πＣで表わされる。ここでgmは相
互コンダクタンス、Ｃは入力容量である。増幅器として
用いる場合には通常ｃよりも低い周波数で動作させる
が、発振器としてはｃまで動作させることが可能であ
る。三端子素子なのでゲートはバイアスしても良いし、
あるいはオートバイアス効果により使用する方法に大別
される。前者はゲート端子に別の高周波源を重畳するこ
とによって変調が可能なことと、ゲートの直流電源によ
って発振出力を調整できるという利点が生じる。後者は
バイアス電源としてドレイン電源だけで済むのでバイア
ス回路が簡単になるという利点を有している。
トランジスタ部分の回路は、入、出力間の結合により正
帰還がかかり易い状態にすれば良い。この場合の一実施
例を第７図に示す。ここでは、外部共振器回路を省略
し、トランジスタのマウント部のみを示している。
帰還がかかり易い状態にすれば良い。この場合の一実施
例を第７図に示す。ここでは、外部共振器回路を省略
し、トランジスタのマウント部のみを示している。
第７図（イ）は、三端子トランジスタのマウント部の断
面図である。４０は三端子トランジスタのドレイン乃至
ソース電極、４２、４３はそれぞれドレイン乃至はソー
ス、ゲート電極、４４は両面をメタライズした石英台、
４５はドレイン乃至ソース電極と石英台を接続する金線
又は金リボン、４６は抵抗、４７はゲート電極と抵抗４
６を接続する金線又は金リボン、４８はドレイン乃至は
ソース電源を供給するバイアス端子で、図示してはいな
いが、電源側に超高周波数が電源側に流入しないよう
に、ローパスフィルタあるいはチョーク構造を有してい
るものである。ここで用いるＦＥＴあるいはＳＩＴのよ
うなトランジスタは、ゲート長さを１〜０．１μｍ位に
したときには、ｃは５０〜８００ＧHz位になる。
面図である。４０は三端子トランジスタのドレイン乃至
ソース電極、４２、４３はそれぞれドレイン乃至はソー
ス、ゲート電極、４４は両面をメタライズした石英台、
４５はドレイン乃至ソース電極と石英台を接続する金線
又は金リボン、４６は抵抗、４７はゲート電極と抵抗４
６を接続する金線又は金リボン、４８はドレイン乃至は
ソース電源を供給するバイアス端子で、図示してはいな
いが、電源側に超高周波数が電源側に流入しないよう
に、ローパスフィルタあるいはチョーク構造を有してい
るものである。ここで用いるＦＥＴあるいはＳＩＴのよ
うなトランジスタは、ゲート長さを１〜０．１μｍ位に
したときには、ｃは５０〜８００ＧHz位になる。
第７図（ロ）は、第７図（イ）の等価回路である。５０
はドレイン電源、５１はゲート・ソース間の電極容量と
浮遊容量の合成容量、５２はゲート・ドレイン間の電極
容量と浮遊容量の合成容量、５３はローパスフィルタあ
るいはチョークコイルである。４５のインダクタンスと
５２の容量により決まる共振周波数を１００ＧHz以上と
することによって、外部共振器と容易に結合することに
よって効率の良い超高周波発振器を実現できる。
はドレイン電源、５１はゲート・ソース間の電極容量と
浮遊容量の合成容量、５２はゲート・ドレイン間の電極
容量と浮遊容量の合成容量、５３はローパスフィルタあ
るいはチョークコイルである。４５のインダクタンスと
５２の容量により決まる共振周波数を１００ＧHz以上と
することによって、外部共振器と容易に結合することに
よって効率の良い超高周波発振器を実現できる。
以上説明してきたように、本発明の超高周波半導体発振
器は、外部共振器を用いた新規な回路により容易に１０
０ＧHz以上の発振器を実現でき、工業的に価値の高いも
のである。
器は、外部共振器を用いた新規な回路により容易に１０
０ＧHz以上の発振器を実現でき、工業的に価値の高いも
のである。
第１図及び第３図乃至第７図は本発明の発振器の実施
例、第２図は本発明に用いるダイオードの一実施例であ
る。
例、第２図は本発明に用いるダイオードの一実施例であ
る。
Claims (3)
- 【請求項１】半導体負性抵抗素子の片面を放熱器に接続
し、もう片面はメタライズした石英台と接続し、石英台
と半導体素子をバイアスする電極を設けた保持部を有
し、前記保持部の前後に反射板あるいはミラーからなる
外部共振器を形成し前記反射板あるいはミラーの一部よ
り出力を取り出すことを特徴とする超高周波半導体発振
器。 - 【請求項２】前記半導体負性抵抗素子が、負性抵抗ダイ
オードであることを特徴とする前記特許請求の範囲第１
項記載の超高周波半導体発振器。 - 【請求項３】前記半導体負性抵抗素子が三端子素子であ
ることを特徴とする前記特許請求の範囲第１項記載の超
高周波半導体発振器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61057570A JPH0648766B2 (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | 超高周波半導体発振器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP61057570A JPH0648766B2 (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | 超高周波半導体発振器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS62214704A JPS62214704A (ja) | 1987-09-21 |
| JPH0648766B2 true JPH0648766B2 (ja) | 1994-06-22 |
Family
ID=13059500
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP61057570A Expired - Lifetime JPH0648766B2 (ja) | 1986-03-14 | 1986-03-14 | 超高周波半導体発振器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0648766B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2621331B2 (ja) * | 1988-04-25 | 1997-06-18 | 松下電器産業株式会社 | ミリ波・サブミリ波帯発振器 |
| JP2626054B2 (ja) * | 1989-05-17 | 1997-07-02 | 松下電器産業株式会社 | ミリ波・サブミリ波帯発振器 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS50147655A (ja) * | 1974-05-16 | 1975-11-26 | ||
| JPS5521493A (en) * | 1978-07-31 | 1980-02-15 | Roehm Gmbh | Painting plastic powder and paint for manufacturing nonnblocking brightened elastic coating |
-
1986
- 1986-03-14 JP JP61057570A patent/JPH0648766B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS50147655A (ja) * | 1974-05-16 | 1975-11-26 | ||
| JPS5521493A (en) * | 1978-07-31 | 1980-02-15 | Roehm Gmbh | Painting plastic powder and paint for manufacturing nonnblocking brightened elastic coating |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS62214704A (ja) | 1987-09-21 |
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| S531 | Written request for registration of change of domicile |
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