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Oszillartorschaltung mit einem über einen Vierpol rückgekoppelten
Transistor
Die Erfindung bezieht sich auf eine Oszillatorschaliung mit einem über einen Vierpol rUckgekoppel- ten Transistor. In der Patentschrift Nr. 206937 wurde eine Halbleitervorrichtung beschrieben, die einen Körper enthält, in dem ein mit einem Kontakt versehener halbleitender Teil einer bestimmten Leitungsart, als Basis bezeichnet, durch nahe einander gegenüberliegende Grenzschichten von wenigstens zwei mit Kontakten versehenen halbleitendenTeilen entgegengesetzter Leitungsart, als Emitterzone bzw. Kollektorzone bezeichnet, getrennt ist, wobei ausgehend von einer Begrenzungsoberf1 ! 1che des neben dem Emitterkontakt liegenden Körpers ein nicht leitender Teil, z. B. ein Einschnitt, in die Basis eindringt.
Nach der oben angeführten Patentschrift wird durch den erwähnten nichtleitenden Teil der Stromweg zwischen dem Emitter und dem Basiskontakt dadurch stellenweise verengt, dass dieser Teil sich dem Kollektor bis auf einen Abstand nähert, der kleiner als der Mindestabstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor ist, das Ganze derart, dass ein negativer Differentialwiderstand in der Kennlinie auftritt, welche den Kollektorstrom als Funktion der Spannung in der Sperrichtung zwischen Kollektor und Basiskontakt, bei konstanter Spannung in der Vorwärtsrichtung zwischen Emitter und Basiskontakt darstellt. Diese Halbleitervorrichtung wird im folgenden einfachheitshalber kurzweg tiefgeätzter Transistor genannt.
Nach der oben angeführten Patentschrift kann der soeben beschriebene t1efgeltzte Transistor derart betrieben werden. dass an seiner Kollektorerschöpfungsschicht zeitweise ein solcher Spannungsunterschied auftritt bzw. aufrechterhalten wird, dass der Stromweg vom Emitter zum Basiskontakt wenigstens teilweise unterbrochen ist.
Die Oszillatorschaltung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein tiefgeätzter Transistor verwendet wird, an dessen Kollektorerschöpfungsschicht zeitweise ein solcher Spannungsunterschied auftritt bzw. aufrechterhalten wird, dass der Stromweg von seinem Emitter nach seinem Basiskontakt wenigstens teilweise unterbrochen ist, so dass die Amplitude der erzeugten Schwingungen von Änderungen der Speisespannung praktisch unabhängig ist.
Vorzugsweise liegt zwischen dem Kollektorkontakt und dem Basiskontakt des Transistors ein RUckkopplungsvierpol mit einem Reihenresonanzkreis, dessen Dämpfung durch den veränderlichen Basiseingangswiderstand in die Oszillatoramplitude begrenzendem Sinne geändert wird.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen Transistor nach der Patentschrift Nr. 206937, die Fig. 2-5 zeigen Kennlinien eines derartigen Transistors, und Fig. 6 ist das Schaltschema einer Oszillatorschaltung nach der Erfindung.
Der scheibenförmige halbleitende Teil der in Fig. 1 im Schnitt dargestellten Halbleitervorrichtung (Legierungstransistor) besteht aus der Basis 1, der Emitterzone 2 und der Kollektorzone 3. Der Emitter 4 und der Kollektor 5 sind die wirksamen Grenzschichten, welche die Emitterzone 2 bzw. die Kollektor-
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dem eine Zuleitung 7 befestigt ist. Kontakte mit der Emitterzone 2 und der Kollektorzone 3 werden von auflegierten Metallmengen 8 und 9 gebildet, an denen noch Zuleitungen befestigt werden können.
Abgesehen vom Basiskontakt ist der Transistor nach Fig. 1 kreissymmetrisch., Ausgehend von der Begrenzungsoberfläche des neben dem Emitterkontakt liegenden Transistorkörpers ist ein Einschnitt 10 vorgesehen,
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der ringförmig die Emitterzone 2 umgibt und den Stromweg vom Emitter 4 zum Basiskontakt 6 verengt. Dieser Einschnitt soll nicht mit der bekannten Nut verwechselt werden, die erzielt wird, wenn bei einem Transistor die Stelle, wo eine Grenzschicht an die Oberfläche tritt, nachgeätzt wird. Diese Nut dringt weniger tief in den Transistorkörper ein als der Emitter und ist daher für etwaige Widerstandseffekte bedeutungslos. Der Basiskontakt 6 beansprucht einen Teil der Basisoberfläche, die ausserhalb der vom Einschnitt eingeschlossenen Körperoberfläche liegt.
Bei diesem Transistor nähert sich jede mögliche Verbindungslinie In der Basis vom Emitter zum Basiskontakt dem Kollektor 5 bis auf einen Abstand, der kleiner ist als der Mindestabstand zwischen dem Emitter 4 und dem Kollektor 5. Wenn der spezifische Widerstand der Basis gross ist gegenüber dem spezifischen Widerstand der Kollektorzone, so dringt die Erschöpfungsschicht im wesentlichen in die Basis ein. Will man den Effekt erreichen, dass der Stromweg vom Emitter zum Basiskontakt bei einem bestimmten Spannungsunterschied an der Kollektorgrenzschicht unterbrochen wird, so muss der ganze Umfang des nichtleitenden Teiles in der Verengung 12 im Bereich der Erschöpfungsschicht liegen. Unter Verengung wird der am meisten verengte Teil des Stromweges in der Basis verstanden, der in Fig. l auch durch Pfeile angedeutet ist.
Fig. 2 zeigt schematisch eine graphische Darstellung des Zusammenhanges zwischen dem in beliebigen Einheiten senkrecht abgetragenen Kollektorstrom Je und dem in beliebigen Einheiten waagrecht abgetragenen Spannungsunterschied in der Sperrichtung zwischen dem Kollektorkontakt und dem Basiskontakt Vbc, bei verschiedenen Werten des Spannungsunterschiedes Veb in derVorwärtsrichtung zwischen dem Emitterkontakt und dem Basiskontakt. Der den Kennlinien 15, 16 und 17 entsprechende Wert von Veb
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derjenigen eines bisher Üblichen Transistors.
Dieser Teil der Kennlinie ist nur gegenüber demjenigen eines üblichen Transistors nach links verschoben durch das Auftreten eines vom nichtleitenden Teil herbeigeführten. inneren Basiswiderstandes, wodurch bei Vbc = 0 an der Kollektorgrenzschicht bereits ein Span- mmgsunterschied in der Sperrichtung auftritt. Von Vbc = Vo bis Vbc = Vk wird ein Bereich von negativem Differentialwiderstand durchlaufen, in dem bei zunehmendem Vbc der Kollektorstrom abnimmt. In diesem Bereich ist die Zunahme des Basiswiderstandes und die damit verbundene Abnahme des Kollektorstromes vorherrschend gegenüber den ändern Faktoren, welche den Kollektorstrom erhöhen, wie z. B. der Abnahme der Basisst1lrke. Bei der Abklingspannung Vk ist der Stromweg vom Basiskontakt zur Emitter elektrode unterbrochen.
Bei einem grösseren Kollektor-Basisspannungsunterschied als Vk durchläuft Ic als Funktion von Vbc sine Kennlinie, die der Sperrkennlinio des zwischen dem Emitterkontakt und dem Kollektorkontakt befindlichen Sperrschichtsystems ähnlich ist.
Die unterbrechendewirkung der Kollektorerschöpfungsschicht geht auch deutlich aus der Fig. 3 hervor, in der der Spannungsunterschied Veb in beliebigen Einheiten waagrecht abgetragen und der Emitterstrom Ie in beliebigen. Einheiten senkrecht abgetragen ist. Die Kennlinien sind für verschiedene Werte des Spannungsunterschiedes Vbc dargestellt. Die Kennlinie 20, die einem Spannungsunterschied Vbc entspricht, der zwischen Vb und Vo (s. auch Fig. 2) liegt, hat grosse Ähnlichkeit mit derjenigen eines übli- chen Transistors. Die Unterbrechwirkung der Erschöpfungsschicht ist kaum wahrnehmbar. Aus der Kurve 21, im Vergleich zur Kurve 20, ist ersichtlich, dass unter den Verhältnissen entsprechend der Kurve 21 der Widerstand zwischen dem Emitter und dem Basiskontakt zugenommen hat. Diese Kurve gilt für einen Spannungsunterschied Vbc, der zwischen Vo und Vk liegt.
Die Kurve 22 beschreibt die Verhältnisse, für welche Vbc grösser als Vkgilt, wobei der Stromweg vom Emitter zum Basiskontakt infolge der Wirkung der Er- schöpfungsschicht völlig unterbrochen ist, so dass mit Ausnahme eines geringen Sperrstromes vom Basiskontakt zum Kollektorkontakt nur derjenige Emitterstrom auftreten kann, den das Sperrschichtsystem zwischen dem Emitterkontakt und dem Kollektorkontakt durchlässt.
Die. Basiswiderstandszunahme und Unterbrechung des Stromweges von der Emitterelektrode zum Basiskontakt ist auch aus ändern Kennlinien des Transistors ersichtlich, wie z. B. denjenigen nach den Fig. 4 und 5. In Fig. 4 ist der Basisstrom Ia senkrecht und Veb waagrecht für drei konstant gehaltene Werte des Spannungsunterschiedes Vec zwischen dem Kollektorkontakt und dem Emitterkontakt abgetragen, wobei der Emitterkontakt positiv gegenüber dem Kollektorkontakt ist. In Fig. 5 ist Ic senkrecht und Vec waagrecht fUr drei konstante Werte von Veb abgetragen. Sämtliche Grössen sind in beliebigen Einheiten abgetragen, und von den einer Figur zugehörigen Kennlinien nimmt der Parameterwert in derselben Reihenfolge zu wie die Reihenfolge der Nummern 24, 25, 26 bzw. 27,28, 29, die auf die Kennlinien verweisen.
AusFig. 2 ist ersichtlich, dass der negative Differentialwiderstand bereits bei einem Spannungsunterschied zwischen dem Basiskontakt und dem Kollektorkontakt auftritt, der kleiner als die Abklingspannung ist. Wenn man somit nur einen Transistor mit einem negativen Differentialwiderstand vor Augen hat, so ist es nicht notwendig, dass im Transistor der Stromweg vom Emitter zum Basiskontakt völlig unterbro-
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chen wird. Zum Auftreten eines negativen Differentialwiderstandes ist nur erforderlich, dass die infolge der Zunahme des Basiswiderstandes auftretende Abnahme des Kollektorstromes grösser ist als die Zunahme des Kollektorstromes infolge anderer Faktoren, wie z.
B. der Verringerung der Basisstarke bei A usde1mung der Erschöpfungsschicht, des Avalanchemechanismus in der Erschöpfungsschicht usw.
Die Grösse des negativen Differentialwiderstandes, das ist die Steilheit der Kennlinie nach Fig. 2, im
Spannungsbereich zwischen Vo und Vk wird unter anderem bedingt durch die Werte Vo. den Spannung- unterschied, bei dem der Kollektorstrom bei zunehmendem Vbc abzunehmen anfängt, und Vk, den
Spannungsunterschied, bei dem der Kollektorstrom nach einer Abnahme wieder ansteigt.
Diese beiden Spannungen und die Grösse des Differentialwiderstandes werden im wesentlichen durch zwei Faktoren bedingt : die Geometrie des Einschnittes und den spezifischen Widerstand des Halbi- ters beiderseits der Kollektorgrenzschicht, insbesondere den spezifischen Widerstand in demjenigen Teil der Basis, der bei völliger oder teilweiser Unterbrechung des Stromweges vom Emitter zum Basiskontakt von der Erscl1öpfungsschicht besetzt wird. Die Spannung Vk ist umso niedriger, je grösser der spezifische Widerstand des zwischen dem nichtleitenden Teil und dem Kollektor liegenden Teiles der Basis ist und je kleiner der Abstand zwischen dem nichtleitenden Teil und dem Kollektor ist. Besondere Effekte können erreicht werden, indem z. B. in der Basis der spezifische Widerstand abhängig vom Abstand zum Kollektor gewählt wird. So kann man z.
B. den zwischen dem Emitter und dem nichtleitenden Teil liegenden Teil der Basis aus einer dünnen, verhältnismässig niederohmigen Schicht, die an den Kollektor grenzt, und einem verhältnismässig hochohmigen Teil bestehen lassen, der an den nichtleitenden Teil grenzt. Die Ausdehnung der Erschöpfungsschicht ist, solange diese im niederohmigen Teil verbleibt, gering und von geringem Einfluss auf den Basiswiderstand des Transistors, während bei einem grösseren Spannungsunterschied als der Spannungsunterschied, bei dem die Erschöpfungsschicht den hochohmigen Teil erreicht, die Ausdehnung und somit der Einfluss der Erschöpfungsschicht auf den Basiswiderstand viel gröBer sein kann.
Neben der direkten Verwendung des betreffenden negativen Differentialwiderstandes durch Aufnahme eines Impedanzzweipols in einen der Kreise zwischen den Transistorkontakten, kann man auch noch einen RUckkopplungsvierpol zwischen die Transistorkontakte schalten und damit besondere zusätzliche Effekte verwirklichen. In Fig. 6 ist eine Oszillatorschaltung dargestellt, bei der von der Eigenschaft Gebrauch gemacht wird, dass die Spannung Vk, eine für einen bestimmten Transistor gegebene Grö- sse, praktisch unabhängig von z. B. der Speisespannung und der Temperatur ist.
Irn Kollektorkreis des Transistors 110 liegt ein Ruckkopplungstransformator 111, dessen Sekundärwicklung in Reihe mit einem Kondensator 112 zwischen dem Basiskontakt 113 und dem Emitterkontakt 114 liegt. Die erforderliche Basis-Vorwärtsspannung wird mittels eines Potentiometers 115-116 erzeugt. Ein weiterer Kondensator 117 kann nötigenfalls zwischen den Basiskontakt 113 und den Emitterkontakt 114 geschaltet werden zwecks Erzielung einer richtigen Impedanzanpassung an den Basiskreis.
Die Schaltung kommt infolge der Ruckkopplung über den Transformator 111 zum Se1bstsc. hwingen, wobei die Frequenz der erzeugten Schwingung durch die Abstimmung des aus der Sekundärwicklung des Transformators 111 und den Kondensatoren 112 und 117 bestehenden Kreises bedingt wird. Die Amplitude dieser Schwingung wird einerseits dadurch begrenzt, dass die Kollektor-Emitterspannung Vec auf einen so niedrigen Wert herabsinkt, dass der Transistor praktisch nicht mehr verstärkt, und anderseits. dadurch, dass die Spannung Vec sich so viel der Abklingspannung Vk nähert, dass der damit einhergehende erhöhte
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men Basiszone eine so grosse Dämpfung des Resonanzkreises 111-112-117 herbeifmtut, dass die Oszillation nicht höher aufschwingt.
Mit wirksamer Basiszone wird der zwischen dem Emitter und der Bochop- fungsschicht des Kollektors in elektrischem Sinne liegende Bereich der Basis gemeint. Auf diese Weise ergibt sich also ein Oszillator mit nahezu konstanter Spannungsamplitude.
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