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Tunnel-Diode mit Parallelkapazität
In neuerer Zeit sind Halbleiter-Dioden bekanntgeworden, die den quantenmechanischen Tunnel-
Effekt in schmalen p-n-Übergängen ausnutzen ; sie werden daher als"Tunnel-Dioden"bezeichnet. Das wesentliche Kennzeichen dieser Dioden ist eine fallende Strom-Spannungs-Kennlinie in einem gewissen
Bereich bei positiver Polung des p-Gebietes. Tunnel-Dioden und Verfahren zu ihrer Herstellung sind z. B. von L. Esaki in Phys. Rev., Bd. 109 (1958), S. 603-604, beschrieben worden.
Für viele Zwecke der Regeltechnik sind Bauelemente mit einer negativen Widerstandskennlinie - wie sie die Tunnel-Diode aufweist-besonders vorteilhaft. Tunnel-Dioden haben jedoch die Eigenschaft, par- allelgeschaltete Schwingungskreise zu entdämpfen und deshalb Schwingungen zu erzeugen.
Gegenstand der Erfindung ist eine Tunnel-Diode, deren Eigenschwingungen unterdrückt sind. Die erfinderische Lösung besteht darin, dass die Kapazität der Tunnel-Diode vergrössert wird, derart, dass die Parallelkapazität durch die Kapazität eines keinen Tunnel-Effekt aufweisenden p-n-Überganges im Diodenkörper gebildet ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der auch einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Einrichtung dargestellt sind ; es zeigt Fig. 1 den Verlauf einer Tunnel-Dioden-Kennlinie, Fig. 2 ein Prinzip-Schaltbild eines Regelkreises mit Tunnel-Diode, Fig. 3 den Kennlinienverlauf einer schwingenden Tunnel-Diode, Fig. 4 und 5 Ausführungsbeispiele von TunnelDioden gemäss der Erfindung.
Fig. 1 stellt den Kennlinienverlauf einer Tunnel-Diode dar. Auf der Abszisse ist die Spannung U und auf der Ordinate der Strom I aufgetragen. Die Kennlinie 11 zeigt das für Tunnel-Dioden bei positiver Polung des p-Gebietes charakteristische Strommaximum bei 12 mit anschliessendem Stromminimum bei 13. Zwischen beiden Extrema liegt ein Bereich negativen Widerstandes.
In Fig. 2 ist ein Regelkreis mit Tunnel-Diode schematisch dargestellt. u 1 sei die zu regelnde Spannung. Sie wird durch einen von den Widerständen 21 und 22 gebildeten Spannungsteiler auf eine geeignete Spannung herabgesetzt. Die Spannung am Widerstand 22 soll-z. B. für Germanium-Tunnel-Dioden etwa 100 Millivolt, für GaAs-Tunnel-Dioden etwa 300 Millivolt betragen. Am Widerstand 23, der mit der Tunnel-Diode 24 in Serie geschaltet ist, fällt dann eine zu u, gegenläufige Steuerspannung u. infolge der negativen Kennlinie der Tunnel-Diode 24 ab. In einer geeigneten Anordnung kann die Spannung u zur Regelung von u 1 verwendet werden.
Bei einer Regelanordnung nach Fig. 2 ist zu beachten, dass die Summe der Widerstände 22 und 23 kleiner als der Betrag des negativen Widerstandes der Tunnel-Diode ist. Es stellt sich sonst bekanntlich kein Arbeitspunkt im Bereich des negativen Widerstandes ein.
Tunnel-Dioden haben jedoch in diesem Fall die unerwünschte Eigenschaft, parallelgeschaltete Schwingungskreise zu entdämpfen und deshalb Schwingungen zu erzeugen. In einer Regelanordnung nach Fig. 2 wird ein derartiger Schwingkreis schon durch die unvermeidlichen Induktivitäten der Leitungen zwischen den Widerständen 22 und 23 und der Tunnel-Diode 24, den Eigeninduktivitäten der Widerstände, so wie der ebenfalls unvermeidlichen Eigenkapazität der Tunnel-Diode bewirkt. In der Praxis wird sich auch bei einem sehr induktionsfreien Aufbau eine Induktivität von etwa 10 nH nicht unterschreiten lassen. Dies ist etwa die Eigeninduktivität eines Drahtes von 1 cm Länge und 0, 1 mm Durchmesser.
In Fig. 3 ist der Kennlinienverlauf 31 einer schwingenden Tunnel-Diode dargestellt. In der Figur ist
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wieder auf der Abszisse die Spannung U und auf der Ordinate der Strom I aufgetragen. Eine schwingende
Tunnel-Diode ist aber für Regelzwecke unbrauchbar, da sich dem Strom durch die Tunnel-Diode ein
Schwingstrom in der Weise überlagert, dass in dem nutzbaren Bereich zwischen den Strom-Extrema 32 und
33 der Strom nicht mehr stetig abnimmt, sondern konstant bleibt.
) Für die Schwingungserzeugung mit Tunnel-Dioden ist bekanntlich notwendig, dass der Resonanzwider- stand des Schwingkreises grösser ist als der Betrag des negativen Widerstandes RN der Tunnel-Diode. Es besteht folgende Beziehung :
EMI2.1
Es bedeuten : IRNI= Betrag des negativen Widerstandes der Tunnel-Diode
L = Zuleitungsinduktivität
R = Summe der Verlustwiderstände
C ¯ Kapazität der Tunnel-Diode
Um eine Tunnel-Diode stabil betreiben zu können, muss die Bedingung
EMI2.2
erfüllt sein.
Daraus folgt, dass die Induktivität L kleiner sein muss als das Produkt Rn !' R. C. Es ist zu bemerken, dass R nicht grösser als RN sein darf.
Um einen Regelkreis mit Tunnel-Dioden stabil zu betreiben, ergeben sich auf Grund der Beziehung (2) folgende Möglichkeiten :
1. Vergrösserung des negativen Widerstandes RN der Tunnel-Diode.
2. Vergrösserung der Kapazität C der Tunnel-Diode.
Die erste Möglichkeit - Vergrösserung des negativen Widerstandes RN der Tunnel-Diode - ist unvorteilhaft, da dadurch die Steuerleistung verkleinert wird. Eine Verwirklichung des Falles 2 ist günstiger, jedoch nicht ohne weiteres möglich. Eine Zuschaltung von Kondensatoren ist nicht möglich, da die Eigeninduktivität von Kondensatoren ebenfalls in der Grössenordnung von mindestens 10 nH liegt. Die Vergrösserung der Eigenkapazität C der Tunnel-Diode ist ebenfalls nur in sehr beschränktem Umfange mög- lieh.
Erfindungsgemäss lässt sich die Kapazität der Tunnel-Diode durch eine Parallelkapazität erhöhen, die aus der Kapazität eines p-n-Überganges besteht. Um Anschlussdrähte zu vermeiden, wird dieser p-n- Übergang im gleichen Halbleiterkörper erzeugt, aus dem auch die Tunnel-Diode hergestellt wird.
Zum Herstellen solcher'Tunnel-Dioden gemäss der Erfindung eignen sich besonders Halbleitermaterialien wie Silizium, Germanium, Indiumarsenid, Indiumantimonid, Indiumphosphid, Galliumantimonid, Galliumarsenid.
In Fig. 4 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Ein Halbleiterkörper 41 - z. B. aus nleitendem GaAs-wird in einem zugeschmolzenen Gefäss-z.. B. eine Quarzampulle - bei einer Temperaturvon 9000C für etwa eine Stunde einer Zn-Atmosphäre ausgesetzt. Das Zn ist ein p-dotierender Stoff und diffundiert in das n-leitende GaAs ein. Auf Grund dieses Diffusionsvorganges bildet sich ein nicht tunnelnder p-n-Übergang 42 mit einer verhältnismässig grossen Kapazität. Eine Tunnelung von Elektronen durch diesen p-n-Übergang ist nicht möglich, da die Breite der Raumladungszone bei diffundierten p-n- Übergängen zu gross. ist. Anschliessend wird der so präparierte Halbleiterkörper 41 aus dem zugeschmolzenen Gefäss entfernt.
Eine aus einem dotierenden Material bestehende Kugel 44 - z. B. eine Zinnkugelwird bei einer Temperatur von 6000C eine Minute lang in die GaAs-Scheibe einlegiert. Zinn ist ein ndotierendes Material.. Dieser Legierungsvorgang bewirkt in der Diffusionsschicht 43 einen tunnelnden pn-Übergang 45 mit einer verhältnismässig kleinen Kapazität. Die Kugel 44 wird so tief einlegiert, dass sie mit dem n-leitenden Teil 41 einen sperrfreien Kontakt bildet. Zum Schluss wird die Diffusionsschicht mit einem sperrfreien Kontakt 46 versehen.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Der Halbleiterkörper 51 - z. B. aus n-leitendem GaAs-wird n'ach dem oben beschriebenen Diffusionsverfahren behandelt. Dabei bildet sich ein nicht tunnelnder p-n-Übergang 52 mit einer verhältnismässig grossen Kapazität. An-
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schliessend wird z. B. eine 5 Gewichtsprozente Zink enthaltende Zinnkugel bei einer Temperatur von 6000C eine Minute lang in den Halbleiterkörper 51 einlegiert. Zink ist ein p-dotierendes Material. Dieser Legiervorgang bewirkt in dem n-leitenden Ausgangsmaterial 51 einen tunnelnden p-n-Übergang 55 mit einer verhältnismässig kleinen Kapazität.
Die Kugel 54 wird so tief einlegiert, dass sie mit der Diffusionsschicht 53 einen sperrfreien Kontakt bildet. Zum Schluss wird die n-leitende Schicht 51 mit einem sperrfreien Kontakt 56 versehen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Tunnel-Diode mit Parallelkapazität, dadurch gekennzeichnet, dass die Parallelkapazität durch die Kapazität eines zusätzlichen keinen Tunneleffekt aufweisenden p-n-Überganges im Diodenkörpergebildet ist.