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Halbleiteranordnung mit tunnelndem pn-Übergang
Tunneldioden sind wegen des fallenden Bereiches in ihrer Kennlinie-d. h. mit steigender Spannung an der Tunneldiode sinkt der sie durchfliessende Strom in einem Teil der gesamten Kennlinie - geeignet, als aktive Elemente in Verstärkern oder Oszillatoren zu wirken.
Der dem fallenden Teil der Kennlinie entsprechende negative dynamische Widerstand kann beispiels weise dazu benutzt werden, Schwingkreise zu entdampfen ; je nachdem, ob der Schwingkreis nur teilweise oder völlig entdämpft wird, ist ein Verstärker-oder Oszillatoreffekt erzielbar.
Derartige Anwendungsfälle der Tunneldiode sind in zahlreichen Ausführungsbeispielen bekanntgeworden.
Weiterhin kann die Tunneldiode als schneller Schalter eingesetzt werden, was ebenfalls in vielen Ausführungsformen in der Fachliteratur bekanntgeworden ist.
Die Hauptschwierigkeit in derartigen Schaltungen ist, die Stabilität der Tunneldioden zu gewährleisten, denn die Tunneldiode selbst ist mit Kapazitäten und Induktivitäten behaftet, so dass sie unter gewissen Voraussetzungen zu Eigenschwingungen angeregt werden kann.
Es sind daher bestimmte Bedingungen zu erfüllen, um ein stabiles Verhaltender Tunneldiode in der Schaltung zu erreichen.
Die Erfindung geht zur Lösung des Stabilitätsproblems von der Erkenntnis aus, dass der Stabilisierung in der konventionellenschalttechnik grundsätzlich Grenzen gesetzt sind, da die Forderung nach möglichst kleinen negativen dynamischen Widerständen einerseits (um möglichst hohe Verstärkungen, einen grossen Aussteuerbereich bzw. ausreichende Leistungen bei Oszillatorschaltungen zu erreichen) und die Forderung, welche aus den Stabilitätsbedingungen resultiert, oftmals unvereinbar miteinander sind ; die konsequente Weiterbildung dieser Erkenntnis führt erfindungsgemäss dazu, die Stabilitätsbedingungen nicht durch äussere schaltungstechnische Massnahmen, sondern durch die technologische Weiterbildung der Tunneldiode die Stabilitätsbedingungen zu erfüllen.
Es ist bereits eine Tunneldiodenanordnung vorgeschlagen worden, bei der ausser den beiden auf der gegenüberliegenden Seite des pn-Überganges angebrachten Elektroden eine weitere Hilfselektrode vorgesehen ist.
Dabei ist jedoch der Gesamtaufbau der Tunneldiode einschliesslich der Hilfselektrode nicht unter dem Gesichtspunkt der Realisierung von Impedanzverhältnissen betrachtet, welche zu einer Erfüllung der obengenannten Stabilitätsbedingungen sowohl für den Oszillatorbetrieb als auch für den Verstärkerbetrieb führen.
Bei einerHalbleiteranordnung mit tunnelndem pn-Übergang zwischen zwei den pn-Übergang bilden- den Zonen entgegengesetztenLeitfähigkeitstyps und mit zwei nichtsperrenden Kontakten an einer der beiden Zonen des Halbleiterkristalls ist daher gemäss der Erfindung vorgesehen, dass der Halbleiterbahnwiderstand zwischen der einen sperrenden Elektrode und dem pn-Übergang kleiner ist als der Halbleiterbahnwiderstand zwischen der andern nichtsperrenden Elektrode und dem pn-Übergang und auch kleiner ist als der Halbleiterbahnwiderstand zwischen den beiden Kontaktelektroden,
dass ferner die nichtsperrenden Elek-
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troden als Zuführungselektroden für die Speisespannung der Halbleiteranordnung dienen und dass von den beiden an einer der beiden den tunnelnden pn-Übergang bildenden Zonen angebrachten Kontaktelektroden diejenige Elektrode mit dem grösseren Halbleiterbahnwiderstand zwischen tunnelndem pn-Übergang mit der Elektrode der andern Zone des pn-Überganges durch eine Kurzschlussschleife geringer Induktivität, insbesondere mit einer Induktivität kleiner als 0, 05 nH, verbunden ist.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist das Kristallgebiet zwischen den nichtsperrenden Kontakten als epitaktische Scheibe ausgebildet, welche ein Gebiet hoher Dotierung und ein Gebiet geringer Dotierung aufweist.
Gemäss einer günstigen Ausführungsform der Erfindung kann eine Kontaktierung des obengenannten Kristallgebietes in Form eines pn-Überganges ausgebildet sein, welcher entweder eine normale Diodencharakteristik oder aber eine Tunneldiodencharakteristik besitzt.
Die elektrische Kopplung der Aussenelektroden des Halbleitersystems kann sowohl über eine metallische Kurzschlussschleife, welche zusammen mit der Basiselektrode einen Leitungskreis bildet, als auch durch die Wand eines Hohlleiters gebildet werden, in welchem das Halbleitersystem angeordnet ist. Die elektrische Gleichspannungszuführung wird im letzteren Falle durch die Wand des Hohlleiters vorgenommen.
An Hand der Fig. l und 2 und den in den Fig. 3-8 dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert.
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Darin bedeutet -Rn den negativen Widerstand, der im Bereich der Raumladungszone lokalisiert ist ; dazu parallel liegt die Kapazität Cn der Raumladungszone. In dem Serienwiderstand Ro sind alle Verlustwiderstände wie Bahnwiderstände des Kristalls, Kontaktierungswiderstände und Widerstände der metallischen Zuleitungen vereinigt gedacht. L stellt die Zuleitungsinduktivität dar.
Dieses Ersatzbild ist gültig, solange sich der Arbeitspunkt auf dem negativen Art der Tunneldiodencharakteristik befindet. Dazu wird die Tunneldiode gemäss Fig. 1 an eine Gleichspannungsquelle Ul mit dem Vorwiderstand (Innenwiderstand) Rl angeschlossen.
In Fig. 2 ist die Stromspannungscharakteristik der Tunneldiode mit der Arbeitsgeraden gemäss der Vorspannung nach Fig. l dargestellt.
Um den Arbeitspunkt auf dem fallenden Teil der Kennlinie stabil zu halten, ist die Bedingung
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in jedem Punkt der Kennlinie zu erfüllen. Das ist gleichbedeutend damit, dass die Arbeitsgerade die Kennlinie nur in einem Punkt schneidet, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.
Diese Bedingung wird als Gleichstromstabilität oder statische Stabilität bezeichnet.
Als zweite Bedingung tritt die sogenannte dynamische Stabilitätsbedingung hinzu, welche in dem einfachen Ersatzbild nach Fig. 1 durch die Blindelemente und die ohmschen Elemente gegeben ist :
EMI2.3
Diese Beziehung gilt für die Anwendung der Tunneldiode in einer Verstärkerschaltung.
Auch bei Oszillatorschaltungen ist diese Stabilitätsbedingung von Bedeutung, da diese über den gesamten Frequenzbereich der möglichen Oszillation erfüllt sein muss, mit Ausnahme der gewünschten Oszillationsfrequenz. Für diese und nur für diese Frequenz muss gelten :
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Es sei bemerkt, dass es von untergeordneter Bedeutung ist, ob die Stabilitätsbedingungen mit konzentrierten Elementen im Sinne der obigen Beziehungen oder als Schnittpunkte des Impedanzverlaufes mit der reellen Achse im Leitungsdiagramm erklärt werden. Wesentlich ist, dass in jedem Falle die Forderung nach kleinstem Lo auftritt.
Die Erfüllung dieser Stabilitätsbedingungen wird insbesondere bei niederohmigen Tunneldioden (Tun- neldiodenmithoherStromdichte)., z. B. fürWerte I -Rn < 30 Ohm in der konventionellen Schaltungs- technik praktisch unmöglich.
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ZurVermeidungdieserSchwierigkeitenwirdgemässder Erfindung der Innenwiderstand der Spannungsquelle (bzw. eventuell vorhandene Belastungswiderstände) geometrisch so nahe als möglich an den Ort des negativen Widerstandes herangebracht. Die günstigste Raumausnutzung ist dann erreicht, wenn der notwendig auftretende Serienwiderstand Ro (s. Fig. 1), der den Bahnwiderstand und Kontaktierungswiderstand des Halbleiterkristalls darstellt, selbst als Innenwiderstand zur Erzeugung der Vorspannung herangezogen wird. In diesem Falle ist die Möglichkeit für das Auftreten von Streureaktanzen zwischen dem ne- gativenWiderstand-R undGenerator-bzw. Belastungswiderstand auf das kleinstmögliche Mass beschränkt worden.
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 zeigt die Realisierung dieses Sachverhaltes.
IndieserFigur ist das halbleitende System durch den Basiskristall in Form eines Mesa-Berges 1 und der Legierungspille 2 gegeben, welches den tunnelnden pn-Übergang 3 aufweist. Das Basiskontaktplättchen 5 ist über die Lötschicht 4 sperrschichtfrei auf den Basiskristall aufgebracht. Der Basiskristall ist zusätzlich mit der Hilfselektrode 6 versehen. Aussen ist das System durch die Koppelschleife 7 verbunden. Die Vorspannung wird dem System durch die Gleichspannungsquelle U1 zwischen dem Kontaktplättchen 5 und der Hilfselektrode 6 zugeführt.
Wie oben dargelegt, wird der Serienwiderstand Ra der Tunneldiode nach Fig. 1 durch die Bahnwiderstände des Kristallsystems, die Kontaktwiderstände und die Zuleitungswiderstände festgelegt. Dieser Widerstand wird nun zu einem grossen Teil als Speisewiderstand für die Tunneldiode nutzbar gemacht.
Durch die dritte Elektrode 6 wird der zur Erzeugung der Arbeitspunktspannung notwendige Gleichstrom über diese Elektrode und die Basiskontaktierung 5 einem Teil des Widerstandes Ro zugeführt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ergibt sich daher ein Ersatzbild nach Fig. 4 in bezug auf die Klemmen 5 und 6.
Der Widerstand % ist durch das Basisgebiet, welches vom Stromfluss durchsetzt wird, gegeben. Im Widerstand Rg sind der Anteil des Basisgebietes, welches ausserhalb des Stromflusses liegt, der Anteil der Legierungspille 2 und der Koppelschleife 7 vereinigt. Dieser Widerstand kann mit guter Näherung als vernachlässigbar angenommen werden. Mit-Rn ist wieder der negative Widerstand und mit Cn die Kapazität des pn-Überganges bezeichnet. Weiterhin tritt in dem Ersatzbild die Induktivität L auf.
Als für die Wirkungsweise wesentliches Ersatzbild (mit vernachlässigtem Widerstand Reg) tritt daher das nach Fig. 5 auf. Der Eingangswiderstand Rs 6 dieser Schaltung in bezug auf die Klemmen 5,6 wird bei gleichstrommässiger Betrachtung :
EMI3.1
Dieser Ausdruck ist für P, < -R ; j) positiv, d. h. die statische Stabilitätsbedingung bei angeschlossener Spannungsquelle wird unkritisch, da an den Klemmen 5 und 6 nach aussen ein positiver Widerstand erscheint.
Die dynamische Stabilitätsbedingung kann ebenfalls erfüllt werden, da technologisch Koppelschleifen (7 nach Fig. 3) von zirka 200/1 m Länge möglich sind ; das bedeutet für die Induktivität L Werte von unter 0, 05nH. DamitwärendieStabilitätsbedingungenbeispielsweisefürWerte Rn = 100hm, RB = 3 Ohm und Co = 2 pF erfüllt.
Die hochfrequente Ankopplung des Festkörperschaltkreises nach Fig. 3 an einen in dieser Figur nicht dargestellten äusseren HF-Kreis kann durch Ausbildung der Koppelschleife als Leitungskreis, z. B. in Form eines Kontaktierungsbleches, das mit dem Basisblech zusammen einen Wellenleiter homogenen Wellenwiderstandes bildet, vorgenommen werden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Festkörperschaltkreis nach Fig. 3 in einem Hohlleiter gemäss Fig. 6anzuordnen. An die Stelle der Koppelschleife 7 treten hier die Wandströme des Hohlleiters 8, welche in der Figur schematisch durch die strichpunktierte Linie 9 dargestellt sind. Die Vorspannung wird durch die Wand des Hohlleiters so zugeführt, dass das Hohlleiterfeld nicht gestört wird, wobei eine Klemme der Vorspannungsquelle mit der Wand verbunden ist.
Durch besondere technologische Ausbildung kann gemäss den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 7 und 8 der Basiswiderstand RB des Kristalls sowohl vergrössert als auch verkleinert und letztlich regelbar gemacht werden.
Nach Fig. 7 wird der Basiskristall 1 aus hochohmigem Material hergestellt und zur Erzeugung der Tunneldiodencharakteristik durch eine Dotierungsdiffusion von der Oberfläche eingebracht. Die strich-
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lierten Gebiete I und II sind dabei bis zur Entartung dotiert, während die Mittelschicht III hochohmig verbleibt.
Gemäss Fig. 8 wird der Basiskristall zur Herstellung des Tunneldiodenkreises als epitaxiale Scheibe ausgebildet, wobei die Legierungspille in die hochdotierte Schicht IV einlegiert wird, während der Basiswiderstand durch die weniger stark dotierte Epitaxialschicht V gebildet wird.
Ebenso ist der entgegengesetzte Fall möglich, dass die Epitaxialschicht V bis in die Entartung dotiert wird, während die Legierungspille in die weniger hochdotierte Schicht IV einlegiert wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Basiskontaktierung in Form eines pn-Überganges auszubilden. Dieser pn-Übergang kann entweder eine normale Diodencharakteristik aufweisen oder selbst entartet sein, d. h. eine Tunneldiodencharakteristik aufweisen. In beiden Fällen kann die Grösse des Basiswiderstandes dann durch die Ausnutzung der jeweiligen Stromspannungscharakteristik des pn-Überganges verändert werden.
Durch die Ausbildung der Basiskontaktierung als pn-Übergang wird dabei zusätzlich ein kapazitiver Kurzschluss der HF-Ströme über die Sperrschichtkapazität erreicht ; in diesem Falle dient RB als reiner Generatorinnenwiderstand der Spannungsquelle, während diehochfrequentenBelastungswiderstände über die Koppelschleife 7 bzw. die Hohlleiterwand 8 in das TD-System eingekoppelt werden. Damit wird ein Ersatzbild nach Fig. 5 mit kleinsten Streureaktanzen erreicht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleiteranordnung mit tunnelndem pn-Übergang zwischen zwei den pn-Übergang bildenden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und mit zwei nichtsperrenden Kontakten an einer derbeiden Zonen des Halbleiterkristalls, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiterbahnwiderstand zwischen der einen sperrenden Elektrode (6) und dem pn-Übergang (3) kleiner ist als der Halbleiterbahnwiderstand zwischen der andern nichtsperrenden Elektrode (4,5) und dem pn-Übergang (3) undauchkleiner ist als der Halbleiterbahnwiderstand zwischen den beiden Kontaktelektroden, dass ferner die nichtsperrenden Elektroden (4,5, 6)
als Zuführungselektroden für die Speisespannung der Halbleiteranordnung dienen und dass von den beiden an einer der beiden den tunnelnden pn-Übergang bildenden Zonen angebrachten Kontaktelektroden (4, 5,6) diejenige Elektrode (4,5) mit dem grösseren Halbleiterbahnwiderstand zwischen tunnelndem pn-Übergang mit der Elektrode (2) der andern Zone des pn-Überganges durch eine Kurzschlussschleife (7, 8) geringer Induktivität, insbesondere mit einer Induktivität kleiner als Q, 05 nH, verbunden ist (Fig. 3, 6).
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