JPS586314B2 - デンソウセンロシンプクヘンチヨウソシ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は半導体に設けたブロッキング電極の効果を利用
した伝送線路の性質を利用し、光または電子ビームの信
号によってマイクロ波およびミリ波を振幅変調する伝送
線路振幅変調素子に関するものである。

従来、光あるいは電子ビームの信号によってマイクロ波
およびミリ波を変調するには、第１図に示すように方形
導波管１の中央部に穴をあけ、高抵抗の半導体（例えば
Ｇｅ，Ｓｉ等）２を挿入し、方形導波管１の側面にも半
導体２に光あるいは電子ビームを照射するための穴が開
けられた装置が用いられている。

半導体２の両端はオーミツク電極で作られており、端子
４と５の間に直流電圧が加えられる。

穴３から進入した光あるいは電子ビームＰは半導体２に
照射され、それらの強度に比例した過剰な電子と正孔の
対が半導体２の内部に注入される結果、半導体２の端子
間の抵抗は減少することになる。

従って、半導体２を通過し得るマイクロ波は外部に加え
られた光あるいは電子ビームの強度が大きくなるにつれ
て減少することになる。

このようにして、半導体とマイクロ波は外部信号の強度
の変化に従って変化することになる。

このような原理に基づく変調器の外部信号に対する応答
時間は、キャリアのライフタイムによって左右されるの
で、Ｓｉなどを用いた場合の最少応答時間は数１０μ秒
程度である。

また、方形導波管を用いているので寸法が大きくなり、
電子ビームで変調しようとする場合には、その部分の導
波管も真空容器中に納めなければならないという欠点が
あった。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、導電体層
上に形成されたブロッキング電極を有する抵抗性半導体
層と、この抵抗性半導体中に空乏層を作るために設けら
れたバイアス電圧印加手段からなる伝送線路片を利用し
、この伝送線路片に光あるいは電子ビームの信号を照射
することによつでマイクロ波やミリ波を振幅変調する伝
送線路振幅変調素子である。

以下、本発明を添付図面から説明するが、ここで抵抗性
半導体層は中程度の不純物濃度ｎ０（ｎｏ■１０１３〜
１０１３ｃｍ−３ ）を有するｎ型半導体として、また
導電体層は浅いエネルギー準位の不純物を多量に添加し
て作られたｎ型半導体（♂型半導体 ）として説明する
。

第２図は本発明によるマイクロ波あるいはミリ波を光ま
たは電子ビームの信号によって振幅変調する素子の実施
例を示したものである。

図において、６はｎ＋型半導体層、７はｎ型半導体層、
８はマイクロ波入力用伝送線路のブロッキング電極、９
はバイアス用伝送線路のブロッキング電極、１０は振幅
変調波出力伝送線路のブロッキング市極、１１および１
２はバイアス端子、１３は振幅変調部のブロッキング電
極、１７および１８は誘電体であり、この誘電体は、電
極間を直流的に却縁する働きを持つ。

また、ｎ型半導体層７の厚魅ｈは、バイアス電圧印加時
において空乏層で完４に満たされる程度に選び、バイア
ス電圧の大きさに依るが一般的にはｈ＝２〜２００μｍ
程度が考えられる。

ブロッキング電極８と１０の端子１１と１２に逆バイア
ス電圧を加え（バイアス端子１１と１２は伝送線路で構
成してもよい）、これらの部分におけるｎ型半導体層７
を空乏層で埋めると、空乏層はマイクロ波に対して誘電
体として作用するのであるから、ブロッキング電極８と
ｎ＋型半導体層６およびブロッキング電極１０とｎ＋型
半導体層６は伝送線路を形成することになる。

この伝送線路の巾Ｗは、この線路を伝搬するマイクロ波
に対する特性インピーダンス の値と厚味ｈを決めることにより定まる。

ε１は比誘電率で、ＧａＡｓではε１＝１３、Ｓｉでは
ε、＝１２であるので、Ｚｏを５０Ωとするならば、ｈ
／ｗ■０．５となる。

従って、厚味ｈを２μｍとするならば、巾Ｗは４μｍと
なる。

また、電極９を有するバイアス用伝送線路の部分１４は
細くなっているが、これは，主たる線路を伝搬するマイ
クロ波が当該バイアス用伝送線路を伝わってバイアス電
源に漏洩するのを防ぐインダクタを形成させるためであ
る。

振幅変調部のプロツキング電極１３は電極８を有する伝
送線路および電極１０を有する伝送線路とコンデンサ１
５および１６を介して容量的に接続されている。

また、振幅変調部のプロッキング電極１３は他のブロッ
キング電極に比べて十分に薄く、従って図面中にもその
厚味を明確には示していないが、一般には数十〜数百Å
程度で、光または電子ビームに対して半透明になるよう
にしてある。

電極８，９，１０に逆バイアス電圧を加え、ｎ型半導体
層７を全て空乏層で埋めておき、電極８を有する伝送線
路にマイクロ波電圧を加える。

電極１３の部分に光または電子ビームが照射されていな
ければ、電極８を伝搬するマイクロ波はそのまま振幅変
調部を通り電極１０を有する出力用伝送線路に達するこ
とができる。

光と電子ビームでは多少注入のされがたが異なる。

始めに電子ビームによる変調を説明する。第３図は第２
図における振幅変調部の横断面図である。

あらかじめ変調部の電極１３に空乏層内部の電界が殆ど
一様とみなせる程度の逆バイアス電圧を加えておく。

図の矢印のついた破線で示すように電子ビームを電極１
３に照射すると、ｎ型半導体層７の表面に電子と正孔の
対（キャリア）が作られる（第３図ａ）。

ｎ型半導体層７には負の電圧が加えられているから、正
孔はただちに電極１３に吸収されるが、電子ｎ＋型半導
体層６に向って進行する。

一定の強度の電子ビームが照射されているものとすれば
、後続の電子ビームによって次々と励起された電子もｎ
＋型半導体層６に向って進行するので、第３図ｂの過程
を経て第３図Ｃの状態に達する。

飽和電子速度はｎ型のＧａＡｓやＳｉなどでは１０７ｃ
ｍ／秒程度であるから、厚みｈが３μｍの素子では、注
入された電子は約３０ｐ秒、既述のように厚味ｈを２μ
ｍとすれば勿論、比例的に約２０ｐ秒でｎ＋型半導体層
６に達する。

電子ビーム流の変化が空乏層を走行する時間、すなわち
、電子走行時間に比べて十分にゆるやかに変化している
とすれば、最初１と注入された電子がｎ＋型半導体層６
に達した後では空乏層内部の電子の密度は一様とみなさ
れ、電子ビームの強度の変化に応じて、空乏層内の電子
密度は一様に変化するとみなすことができる。

第２図において、電極８を有する伝送線路に印加された
マイクロ波周波数の搬送波は、振幅変調部における電子
流と結合し、減衰を受ける。

従って、電極１０を有する伝送線路にはビームによって
変調されたマイクロ波が得られる。

光信号によって電子と正孔の対（キャリア）をｎ型半導
体層中に注入する場合には、注入のされ方は光の波長に
よって異なってくる。

一般的にプロツキング電極に近い部分にキャリアは多く
注入され、ｎ型半導体層方向に遠ざかるにつれて注入の
割合は減少する。

従って、定常状態に達した後でも空乏層内の電子と正孔
の分布は均一ではない。

しかし、これらのキャリアはマイクロ波に強く作用する
ことに変わりがないから、電子ビームの場合と全く同じ
原理によってマイクロ波を変調することができる。

ところで、本発明による振幅変調素子の変調度は、振幅
変調部の伝送線路の伝送判性によって左右される。

電子ビーム乃至光による注入電子量をδｎ、単位長当た
りの減衰量をαとすれば、αとδｎとの関係は次式で与
えられる。

（１）式に基づいて注入電子量と減衰量の関係を求めた
結果を第４図に示している。

例えば、振巾変調部の長さを１０００μｍとすると、δ
ｎ＝１０１４ｃｍ−３により変調された１００ＧＨｚの
マイクロ波出力は搬送波入力の約１／３となり、δｎ＝
１０１５ｃｍ−３では約２／３００となる。

電子ビーム乃至光信号の応答特性は、先に述べた注入電
子の走行時間乃至層厚ｈの外に、当該マイクロ波の長さ
方向の変調部通過時間によっても左右されるが、既述の
ように振巾変調部の長さｌを１０００μｍ程度に納めれ
ば、その通過時間は約１０ｐ秒となるため、厚味ｈ方向
の注入電子の走行時間の方が先の例、ｈ＝２，３μｍで
は支配的になる。

というよりも、優れた応答特性を長さで制限することが
ないようにできる。

上記の説明に即し、各条件を満足させての数値の実施例
を製作例に即して述べておく。

１００ＧＨｚのマイクロ波搬送波を考えて、不純物濃度
が１０１９と十分に大きいｎ＋シリコン層６の上にエビ
タキシャル法により不純物濃度ｎ。

＝１０１４ｃｍ−３のｎ層７を成長させたＳｉ単結晶を
用いて通常の微細加工技術により第２図示の素子を製作
した。

既述した所と同様に、線路厚ｈ＝２μｍ、線路巾ω＝４
μｍ、振巾変調部長ｌ＝１０００μｍとした。

また、インダクタ形成部分１４の長さｌｉは１／４波長
になるように、従ってこの場合は２５０μｍとし、バイ
アス用電極線路部分９の巾ｗｂは主線路巾ｗ＝４μｍの
五倍の２０μｍに選んでいて、マイクロ波の漏洩を防い
でいる。

尚、誘電体１７，１８はＳｉＯ２の薄膜を通常のスパッ
タリング技術で厚さｔ＝０．２μｍに生長、形成してい
る。

以上の実施例の説明において、導電体層としてｎｍ半導
体層を用いて説明してきたが、オーミツク電極でもよく
、更に抵抗性半導体層はｎ型に限らずＰ型でもよく、Ｐ
型の半導体を用いる場合はバイアス電圧の極性を逆にす
ることによって可能である。

以上詳細に述べたように、本発明は導電体層あるいは金
属層上に形成されたプロツキング電極を有する抵抗性半
導体層と、この抵抗性半導体中に空乏層を作るために設
けられたバイアス電圧印加手段とからなる伝送線路片を
利用し、光または電子ビームの信号を加えることにより
マイクロ波やミリ波等の搬送波を振幅変調する素子であ
って、従来のこの種の素子に比較して次のような特長が
ある。

（１）従来の光または電子ビームの信号によりマイクロ
波等を変調する素子の変調周波数は、少数キャリアのラ
イフタイムにより定まり精々数１００ＫＨｚであるが、
本発明の素子では低周波からマイクロ波まで変化する光
または電子ビームの信号で、マイクロ波やミリ波等を振
幅変調できる。

（２）本発明の素子は１０−４ｃｍ２より小さい半導体
の面積を占有するにすぎず、従来のこの種の素子に比較
して極めて小さくできる。

（３）応答速度は既述のように、従来のμ秒オーダから
ｐ秒オーダにまで極端に高速化できる。

上記したように、本発明は優れた特長を有するのである
から、従来のこの種の素子に代ってテレビジョンの画像
信号の伝送、多重信号光通信の複調器（光・電気量変換
器）、計測制御等の装置の一部に適用することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の振幅変調装置の説明図、第２図は本発明
による振幅変調素子の実施例、第３図は本発明の素子の
動作原理図、第４図は電子注入量対減衰量の関係曲線図
、である。 １……方形導波管、２……半導体、３……穴、４，５，
１１，１２……端子、６……ｎ＋型半導体１、７……ｎ
型半導体層、７’……空乏層、８，９，１０，１３……
ブロッキング電極、１５，１６……コンデンサ、１７，
１８……誘電体、１９，２０，２１，２２，２３……振
幅変調部、２４……伝送線路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 導電体層と前記導電体層上に構成された抵抗性半導
   体と、前記抵抗性半導体上に少なくとも一つの電子ビー
   ムに対して半透明なブロッキング電極を設け、前記ブロ
   ッキング電極の効果により前記抵抗性半導体中に電磁波
   伝搬媒質となる空乏層を生ずるためのバイアス電圧印加
   手段からなる伝送線路片を構成させ、前記伝送線路片よ
   りなる少なくとも一つの搬送波入力機構と、少なくとも
   一つの被変調波出力機構を有してなり、前記プロツキン
   グ電極部分に電子ビームを照射することにより前記搬送
   波入力端からの搬送波を振幅変調し前記被変調波出力端
   より被変調波を取り出すことを特徴とする伝送線路振幅
   変調素子。 ２ 導電体層と前記導電体層上に構成された抵抗性半導
   体と、前記抵抗性半導体上に少なくとも一つの光ビーム
   に対して半透明なブロッキング電極を設け、前記ブロッ
   キング電極の効果により前記抵抗性半導体中に電磁波伝
   搬媒質となる空乏層を生ずるためのバイアス電圧印加手
   段からなる伝送線路片を構成させ、前記伝送線路片より
   なる少なくとも一つの搬送波入力機構と、少なくも一つ
   の被変調波出力機構を有してなり、前記ブロッキング電
   極部分に光ビームを照射することにより前記搬送波入力
   端からの搬送波を振幅変調し前記被変調波出力端より被
   変調波を取り出すことを特徴とする伝送線路振幅変調素
   子。