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Die Erfindung betrifft eine integrierte Schwingschaltanordnung auf Halbleiterbasis, der eine Kippschaltung zugrundeliegt und die eine Folge aufeinanderfolgender Zonen mit abwechselndem Leitfähigkeitstyp und an den Endabschnitten ohmsche Kontakte und an wenigstens einem der Abschnitte zwischen den pn-Zonen einen ohmschen Zusatzkontakt aufweist.
Es sind in vielfältiger Art Schwingschaltanordnungen bekannt, die jeweils für einen bestimmten Bedarfsfall ausgebildet werden. Zur Verbesserung ihrer Kenndaten und der Herstellungsmöglichkeit in miniaturisierter Form sind spezielle elektronische Bauelemente und Schaltungen entwickelt worden. Ihre Integration mit Hilfe der Dünnfilmtechnik erfolgt durch Aufdampfen der passiven Bauelemente auf ein Substrat und anschliessendes Einsetzen der individuell gefertigten aktiven Elemente. Im Gegensatz dazu sind nach Integration durch Anwendung der Halbleitertechnik alle Bauelemente ein unteilbarer und unveränderlicher Teil des Halbleitermaterials, in dem sie geschaffen wurden. Die wahrscheinlich günstigste Lösung des Miniaturisierungsproblems bietet jedoch die Mikroelektronik.
Die auf der Basis dieser Technik hergestellten Bausteine erfüllen eine elektronische Funktion, ohne dass sich in ihnen die konventionellen Schaltungen und Bauelemente erkennen lassen. Infolge Fehlens umfangreicher Induktivitäten spielen in den integrierten Schwingschaltanordnungen die Kippschwingkreise eine grosse Rolle. Doch auch sie besitzen in den bekannten Ausführungen den Nachteil eines relativ hohen Schaltungs- und Bauelementeaufwandes, wodurch die Integrierung infolge der erforderlichen komplizierten Halbleitervielschichtstrukturen erschwert wird. Demzufolge ist die Ausbeute an funktionstüchtigen bzw. typengerechten integrierten Schwingungsgeneratoren sowie deren Lebensdauer nicht zufriedenstellend und die Störanfälligkeit noch zu gross.
Um ausserdem der Forderung gerecht zu werden, die elektrischen Parameter, insbesondere den Wirkungsgrad, zu verbessern, sind umfangreiche fertigungstechnische Massnahmen notwendig.
Nach der österr. Patentschrift Nr. 224690 wird eine Schaltdiode, die eine pnpn-Zonenfolge und an den Endabschnitten ohmsche Kontakte und an einer Zone einen ohmschen Zusatzkontakt aufweist, durch Hinzuschalten von Widerständen und Kondensatoren zur Schwingungserzeugung benutzt. Das bedeutet, dass bei einer Integrierung die vorhin geschilderten Nachteile ebenfalls vorliegen, denn die erforderlichen Widerstände und Kondensatoren müssen ähnlich wie bei der monolytischen Halbleiterschaltung nach der USA-Patentschrift Nr. 3, 160, 835 im Halbleiterblock zusätzlich erzeugt werden. Gleiches gilt für ein schaltendes Halbleiterbauelement nach der deutschen Auslegeschrift 1164575. Ausserdem sind diese Schwingschaltanordnungen trotz des verhältnismässig hohen Aufwandes hinsichtlich der Art und der Frequenz der zu entnehmenden Schwingungen begrenzt.
Zweck der Erfindung ist es, den Produktionsaufwand und den Raumbedarf für ein die Erfindung betreffendes Erzeugnis zu vermindern und dessen qualitätsgerechte Erzeugung zu erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine integrierte Schwingschaltanordnung zu schaffen, die mit einer geringen Anzahl von Schichtanordnungen in Halbleitertechnik auszubilden und vorteilhaft in der Mikroelektronik anzuwenden ist, durch die kritische Basisdicken sowie der zusätzliche Einsatz von herkömmlichen Bauelementen vermieden werden und mit der bei verbessertem Wirkungsgrad und höherer Leistungsfähigkeit unterschiedliche Schwingungsformen, Frequenzen sowie Tastverhältnisse zu erzielen sind.
Erfindungsgemäss wird die Aufgabe auf der Grundlage einer Kippschaltung und unter Anwendung einer Folge aufeinanderfolgender Zonen mit abwechselndem Leitfähigkeitstyp dadurch gelöst, dass eine Kapazitäts-, eine Emitter-Basis- und eine Kollektor-Basis-pn-Zone elektrisch in Reihe geschaltet sind. Der Abstand zwischen der Emitter-Basis- und der Kollektor-Basis-pn-Zone ist grösser als die in diesem Gebiet mögliche Diffusionslänge der Minoritätsträger und der Abstand zwischen der Emitter-Basis- und der Kapazitäts-pn-Zone ist grösser als die in diesem Gebiet mögliche Driftlänge der Minoritätsträger.
In dem Abschnitt, der sich zwischen der Kapazitäts- und der Emitter-Basis-pn-Zone befindet, ist bei Bedarf zur Erzielung einer höheren Schwingungsfrequenz ein Gebiet mit höherer Rekombinationsgeschwindigkeit als die des umgebenden Halbleitermaterials enthalten. Bevorzugt zur Verringerung der Baugrösse ist in dem gleichen Abschnitt ein Gebiet mit höherer Stromleitfähigkeit als die des umgebenden Halbleitermaterials enthalten.
Die Schwingungen sind jeweils an zwei der insgesamt existierenden Kontaktelektroden der integrierten Schwingschaltanordnung oder an einem gegebenenfalls zusätzlich vorhandenen Aussenwiderstand abzunehmen.
Bei der Herstellung dieser integrierten Schwingschaltanordnung können pn-Übergänge auch durch einen Übergang zwischen dem Halbleiter und einem Metall gebildet werden (Schottky-Übergang).
Unter einer Kapazitäts-pn-Zone ist ein in Sperrichtung gepolter einzelner pn-Übergang oder der Teil eines pn-Überganges, dessen kapazitive Wirkung ausgenutzt werden soll, zu verstehen. Die ebenfalls in Sperrichtung vorgespannte Kollektor-Basis-pn-Zone besitzt, wie üblich, die Aufgabe, die von dem in Durchlassrichtung gepolten Emitterübergang injizierten Minoritätsträger zu sammeln. Es ist zu beachten, dass die Kapazitäts- und die Kollektor-Basis-pn-Zone nur eine begrenzte Sperrfähigkeit aufweisen.
In einem auf der Erfindung basierenden Schwingungsgenerator sind mit Ausnahme der Spannungsquelle sämtliche notwendige Bauelemente enthalten. Die Schwingungsform, die Frequenz und das Tastverhältnis lassen sich durch Änderung der elektrischen und geometrischen Werte der verschiedenen Schichten sowie durch die an diesen Schichten und pn-Zonen anliegenden Spannungen und gegebenenfalls durch einen in den Zuleitungen zur
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Spannungsquelle liegenden Aussenwiderstand variieren. Es können sowohl Kipp- als auch sinusähnliche Schwingungen erzeugt und mit einem externen Signal getriggert oder synchronisiert werden. Da die beschriebene Halbleiterstruktur keine schwierig herzustellenden bzw. nur wenige Schichten aufweist, kann man sie in grosser Stückzahl mit reproduzierbarer Qualität herstellen.
Es besteht die Möglichkeit, die Schwingschaltanordnung sowohl in bekannter Weise in einem Halbleiterblock oder auf einem Substrat als auch in Form eines Funktionsblockes der Mikroelektronik zu erzeugen.
Die Erfindung soll nachstehend an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen : Fig. 1 die der Erfindung zugrundeliegende Kippreihenschaltung, Fig. 2 eine Form der integrierten Schwingschaltanordnung, Fig. 3 eine molekularelektronische Variante der integrierten Schwingschaltanordnung.
Die Wirkungsweise des Kippkreises nach Fig. 1, bestehend aus dem elektronischen Schalter der Gleichspannungsquelle--2--, dem Kondensator--3--und dem Widerstand--4--, ist bekannt und bedarf keiner weiteren Erläuterung.
Mit Ausnahme der Gleichspannungsquelle--2--sind alle Bauelemente der Schaltung nach Fig. 1 in dem Halbleiterblock --5-- der Fig.2 nachgebildet. Der Kondensator --3-- und der Widerstand --4-- werden durch die Kapazität und den ohmschen Übergangswiderstand der Kapazitäts-pn-Zone--6--ersetzt, während die Aufgabe des Schalters--l--von der Emitter-Basis-pn-Zone--7--und der Kollektor-Basis-pn-Zone - übernommen wird.
über die ohmschen Kontakte-9 und 10-ist die Verbindung zur Gleichspannungsquelle--2--hergestellt. Zur Gewährleistung der Funktion der Kapazitäts-pn-Zone--6-- dürfen von der Emitter-Basis-pn-Zone--7--während des Betriebes keine Minoritätsträger in das Gebiet der Kapazitäts-pn-Zone--6--gelangen. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn der Mindestabstand zwischen den beiden Zonen-6 und 7-- grösser als die in diesem Abschnitt mögliche Driftlänge der Minoritätsträger ist.
Befindet sich weiterhin die Emitter-Basis-pn-Zone-7-in einer Entfernung von der Kollektor-Basis-pn-Zone
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wenn die über beiden Zonen liegende Spannung einen bestimmten Wert überschritten hat. Der daraufhin verstärkte Kollektorstrom bewirkt über die relativ niederohmige Spannungsquelle --2-- und den kapazitiven Widerstand der Kapazitäts-pn-Zone--6--eine weitere Vergrösserung der Emitterinjektion und damit ein Umschalten der Anordnung in den leitenden Zustand. Der erhöhte Strom verursacht jedoch gleichzeitig ein allmähliches Ansteigen der Spannung an der Kapazitäts-pn-Zone--6--, was wieder die Verringerung der Emitterinjektion und das Zurückschalten der Anordnung in den Sperrzustand zur Folge hat.
Die Wiederholung dieses Zyklus erfolgt nach der Entladung der Kapazitäts-pn-Zone--6--über den eigenen ohmschen Übergangswiderstand. Der Steuerung der Schaltspannungen dient der am Abschnitt zwischen der Emitter-Basis-pn-Zone--7--und der Kollektor-Basis-pn-Zone--8--angebrachte ohmsche Zusatzkontakt - -11--, während über den am Abschnitt zwischen der Emitter-Basis-pn-Zone--7--und der
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höheren Rekombinationsgeschwindigkeit als die des umgebenden Halbleitermaterials und zur Verringerung der Baugrösse des Bauelementes ist in diesem Abschnitt das Gebiet--14--mit einer höheren Stromleitfähigkeit als die des umgebenden Halbleitermaterials enthalten.
In Fig. 2 ist durch die nicht voll ausgezogenen Horizontalen-13 und 14-aufgezeigt, dass die Gebiete hoher Rekombinationsgeschwindigkeit--13--und hoher Stromleitfähigkeit --14-- nicht ähnlich den pn-Übergängen das gesamte Halbleitermaterial durchqueren müssen, sondern in Abhängigkeit von den geforderten Schwingungseigenschaften auch auf kleinere Bereiche des Halbleiterblockes begrenzt sein können.
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lokalisierten Zonen ist es möglich, sinusähnliche Schwingungen zu erzeugen, die vorzugsweise über die ohmschen Kontakte-9 und 12 bzw. 10 und 12-abgenommen werden.
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