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Die
Erfindung betrifft eine Gunn-Diode.
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Als
Gunn-Dioden werden Halbleiterbauelemente bezeichnet, die zur Erzeugung
von Hochfrequenzstrahlung im GHz-Frequenzbereich benutzt werden.
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Der
Gunn-Effekt betrifft eine Erscheinung, bei der eine konstante, relativ
hohe elektrische Feldstärke über 2000
V/cm an einem n-dotierten Galliumarsenidkristall schnelle Stromschwankungen
verursacht. Es zeigt sich, dass bei sehr kurzen Kristallen diese
Stromfluktuationen in zusammenhängende Schwingungen übergehen,
deren Frequenzen durch die Länge
der Kristalle festgelegt sind und im Mikrowellenbereich liegen.
Auch in anderen halbleitenden III-V-Verbindungen, wie z. B. n-dotiertem
Indiumphosphid, entstehen infolge des Effektes Mikrowellen, wenn
die elektrische Feldstärke
in ihnen einen bei einigen tausend V/cm liegenden kritischen Wert überschreitet.
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Der
Effekt tritt allgemein in III-V-Halbleitern auf, die zwei Energiebänder mit
unterschiedlichen Elektronenbeweglichkeiten besitzen, wobei der
Abstand der relativen Maxima und Minima der Bänder einen nicht zu großen energetischen
Abstand haben, so dass heiße
Elektronen leicht in höherliegende Bänder gelangen.
Haben sie dort eine kleinere Beweglichkeit, so gehört zur größeren Feldstärke eine kleinere
Stromstärke
und es resultiert ein negativ-differentieller Widerstand, der Voraussetzung
für eine Schwingungserzeugung
und Verstärkung
ist. Der Gunn-Effekt wird im sogenannten Gunn-Oszillator zur Mikrowellenerzeugung
ausgenutzt.
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Ab
einer bestimmten Feldstärke
entstehen in einer aktiven Schicht der Gunn-Diode spontane Dipoldomänen, die
mit einer konstanten Geschwindigkeit die aktive Schicht des Halbleiters
durchlaufen. Elektronen gelangen ausgehend von einem Emitter in
die aktive Schicht und enden im Kollektor der Diode. Ist eine Domäne am Kollektor
der Diode angekommen, kann eine weitere Domäne am Anfang der aktiven Schicht
gebildet werden. Die Art und Weise, wie die Elektronen in die aktive
Schicht injiziert werden, ist von besonderer Bedeutung für die Entstehung
der Domänen.
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Eine
Gunn-Diode kann typischerweise eine zur aktiven Schicht gerichtete
AlGaAs-Schicht aufweisen, die dazu dient einen Potentialsprung für die emittierenden
Elektronen zu schaffen und sie somit energetisch relativ zur aktiven
Diodenschicht anzuheben. In dieser, im weiteren als aktiver Bereich
genannten Schicht der Gunn-Diode, entsteht der eigentlich Gunn-Effekt.
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Aus
der Druckschrift Greenwald et al. ist eine Gunn-Diode bekannt, welche eine Schichtenfolge
mit einer AlGaAs-Schicht von konstantem Aluminium-Gehalt von 23
aufweist (Greenwald, Z. Woodard, D. W., Calawa, A.R., Eastman, L.
F. (1988). The effect of a high energy injection on the performance
of millimeter wafe gunn oscillators. Solid-State Electronics 31,
1211-1214).
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Aus
den Druckschriften
US 4,801,982 sowie Hutchinson
et al. (Hutchinson, S., J. Stephens, M. Carr and M. J, Kelly. Implant
isolation scheme for current confinement in graded-gap Gunn diodes,
IEEE Electronics Letters, 32(9), 851-852, 1996) ist bekannt, eine
AlGaAs-Schicht mit veränderlichem,
das heißt
in Richtung der aktiven Schicht, linear ansteigendem Aluminium-Gehalt
von Null auf bis zu 30 % anzuordnen. Eine solche AlGaAs-Schicht
stellt einen sogenannten graded-gap Injektor innerhalb der Gunn-Diode
dar. Diese Schicht wird im englischen Sprachgebrauch als graded
layer, und im weiteren als gegradete Schicht bezeichnet.
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Die
gegradete Schicht kann als stufenloser Übergang zu Aluminium-Gehalten
hoher Konzentration ausgebildet sein. Hierdurch wird vorteilhaft
eine unerwünschte
Elektronenreflektion an einer ansonsten vorhandenen Potentialstufe
minimiert und Elektronen mit Energien passend zum Energieband mit niedrigerer
Elektronenbeweglichkeit in den aktiven Bereich der Gunn-Diode injiziert.
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Die
AlGaAs-Schicht bewirkt, dass die Elektronen als heiße Elektronen,
das heißt
als Elektronen, deren kinetische Energie gegenüber der mittleren thermischen
Energie der Substratelektronen erhöht ist, in den aktiven Bereich
injiziert werden. Hierdurch wird ein höherer Elektronenanteil in das
für den Gunn
Effekt wichtige L-Band des Halbleiters injiziert und eine direktere
Erzeugung der Dipol-Domäne
erreicht. Derartige Gunn-Dioden weisen vorteilhaft eine höhere Temperaturstabilität auf, als
Gunn-Dioden ohne eine AlGaAs-Schicht, da Elektronen unterhalb einer
bestimmten Elektronenenergie unterdrückt werden. Die Elektronen
werden im Vergleich zu einer Gunn-Diode ohne eine solche Schicht
effektiver injiziert.
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Aus
der Druckschrift
DE
102 61 238 A1 ist bekannt, zwischen einer AlGaAs-Schicht
und den an diese Schicht angrenzenden hochdotierten Schichten je
eine undotierte Zwischenschicht anzuordnen. Die undotierten Zwischenschichten
bewirken, dass Dotierstoffe aus den hochdotierten Schichten bei
der Herstellung und im Betrieb der Gunn-Diode nicht in die AlGaAs-Schicht
diffundieren, bzw. segregieren. Hierdurch wird bewirkt, dass die
Diode ein Schottkytypartigeres Verhalten in Bezug auf ihre I/U-Kennlinie zeigt,
als eine Gunn-Diode mit einer gegradeten Schicht, die direkt an
einer hochdotierten Schicht angrenzt.
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Nachteilig
muss bei der Herstellung einer Gunn-Diode mit einer gegradeten Schicht
vermieden werden, dass Dotierstoffmaterial in die gegradete Schicht
diffundiert und dadurch deren effektive Potentialhöhe verändert. Ebenfalls
nachteilig ist, dass die Höhe
der angrenzenden Delta-Dotierung die effektive Potentialhöhe verändert und
somit genau eingehalten werden muss. Die Gunn-Dioden sind nur schlecht
reproduzierbar. Die effektive Potentialhöhe ist der Abstand zwischen
dem Fermi-Niveau der aktiven Schicht und des Energieniveaus der
injizierten Elektronen. Die Energie der injizierten Elektronen hängt sowohl
vom Al-Gehalt wie auch von der Höhe der
Delta-Dotierung ab, weil die Delta-Dotierung zu einer Bandverschiebung
führt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Gunn-Diode bereit zu stellen
mit der gezielter als bisher möglich,
Elektronen aus dem Emitter direkt in das L-Band des aktiven Bereichs der Gunn-Diode
injiziert werden können.
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Die
Aufgabe wird durch eine Gunn-Diode gemäß Hauptanspruch gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den darauf rückbezogenen Ansprüchen.
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Die
Gunn-Diode ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass der Injektor der Gunn-Diode als Energiebandpassfilter
für die
in den aktiven Bereich der Gunn-Diode
zu injizierenden Elektronen ausgelegt ist. Ein erfindungsgemäßer Injektor
mit Energiebandpassfilter unterscheidet sich vom Stand der Technik
darin, dass Elektronen mit definiertem maximalen und minimalen Energieniveaus in
den aktiven Bereich der Gunn-Diode injiziert werden.
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Dadurch
wird im Betrieb vorteilhaft ein genau definierter Bereich an Elektronenenergien
der Injektor-Elektronen
in den aktiven Bereich der Gunn-Diode injiziert. Dies hat im Vergleich
zu einer gegradeten Schicht den Vorteil, dass man die Durchlassenergie beliebig
durch die Struktur der Diode vorwählen kann. Hierdurch kann die
genaue Einschussenergie für
das L-Band des Halbleitermaterials
der aktiven Schicht eingestellt werden. Dies geschieht in der Regel
durch Verändern
der Dicke des Halbleitermaterials mit dem geringeren Bandabstand.
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Als
Energiebandpassfilter kann beispielsweise eine Resonanz-Tunneldiode
als Injektor in einem III-V-Halbleiter
angeordnet sein. Dadurch wird, energetisch betrachtet, besonders
vorteilhaft ein scharfes Energiespektrum in den aktiven Bereich
der Gunn-Diode injiziert.
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Es
wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass über die gegradete Schicht nachteilig
auch Elektronen mit zu hoher Energie in den aktiven Bereich der
Gunn-Diode injiziert werden. Die Injektionsbarriere zeigt vom Prinzip
her eine Temperaturabhängigkeit
gemäß des Richardson-Gesetzes.
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Bei
den erfindungsgemäßen Gunn-Dioden mit
einem Energiebandpassfilter im Injektor hingegen ist die Temperaturstabilität wesentlich
verbessert. Darüber
hinaus werden die Domänen
unmittelbar am Eintrittspunkt der aktiven Schicht gebildet, was
ein geringeres Phasenrauschen bewirkt.
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Durch
eine Resonanz-Tunneldiode als Injektor wird ein Energiebandpassfilter
mit einem energetisch schmalbandigen Durchlassbereich der Elektronenenergien
bereit gestellt. Die Halbwertsbreite von der verwendeten Resonanz-Tunneldiode
hat bei Raumtemperatur einen typischen Wert von 5 meV. Die Halbwertsbreite
hängt im
wesentlichen von der Dicke des Barrierenmaterials und von zusätzlichen Streuphänomenen
ab. Im Vergleich hierzu wirkt eine gegradete Schicht lediglich als
einfacher Filter für niedrige
Elektronenenergien.
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Durch
Einbringen eines Energiebandpassfilter mittels einer Resonanz-Tunneldiode,
werden die injizierten Elektronen direkt in das L-Valley des Halbleiters
injiziert.
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Dadurch
wird vorteilhaft bewirkt, dass das Verhalten der Gunn-Diode, insbesondere
die Temperaturabhängigkeit,
das Phasenrauschen und auch die Stabilität verbessert wird. Die Temperaturabhängigkeit
wird dadurch verbessert, dass einerseits der Tunnelstrom temperaturunabhängig ist
und zusätzlich
durch die hohen Injektionsraten in das L-Valley die natürliche Besetzung
des L-Valleys innerhalb der aktiven Schicht keine Wirkung mehr hat.
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Im
Falle einer Resonanz-Tunneldiode (RTD) als Injektor ist die Injektionsenergie,
das heißt
die Energie, die nötig
ist, um eine direkte Besetzung der Elektronen im L-Band der aktiven
Schicht zu realisieren, im wesentlichen durch die Materialien und
Dicken der Schichten der Tunneldiode bestimmt.
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Die
Resonanz-Tunneldiode besteht aus einem Halbleitermaterial mit einem
geringen Bandabstand (z. B. GaAs) in das zwei dünne, nah benachbarte Schichten
als Doppelbarriere aus einem Material mit hohem Bandabstand z. B.
AlAs eingefügt sind.
Zwischen diesen Barrieren entstehen quantenmechanische Zustände, die
wie ein Energiebandpassfilter für
Elektronen wirken. Die Elektronen vor der Doppelbarriere können diese überwinden,
wenn deren Energie mit der Energie der Quasibindungszustände überein stimmen.
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Die
Resonanz-Tunneldiode als Energiebandpassfilter kann mindestens zwei,
wenige Monolagen dicke Schichten, z. B. aus AlAs umfassen, die von
einer Zwischenschicht, z. B. aus GaAs voneinander getrennt sind.
Die beiden wenige Monolagen dicken Schichten, die von einer Zwischenschicht
voneinander getrennt sind, bilden die Doppelbarriere für die in
den aktiven Bereich injizierten Elektronen. Die beiden wenige Monolagen
dicken Schichten können in
diesem Fall Gallium in mehr oder weniger hoher Konzentration umfassen.
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Es
ist denkbar, das die Resonanz-Tunneldiode als Energiebandpassfilter
mehr als zwei, wenige Monolagen dicke Schichten, umfasst.
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Die
undotierten Schichten des Injektors bestehen vorzugsweise ebenfalls
aus GaAs.
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Die
undotierten Schichten bewirken vorteilhaft, dass die Strom-Spannungs-Kennlinie
ein ausgeprägtes
nichtlineares Verhalten, das heißt Schottkytypartiges Verhalten
bei kleinen Spannungen aufweist.
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Eine
solche Schichtenfolge dient als Ausgangsschichtenfolge für Gunn-Dioden
und Gunn-Oszillatoren. Dann schließen sich an die hochdotierten (III-V)-Halbleiter-Schichten weitere
Schichten für
derartige elektronische Bauelemente an.
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Es
kann als III-V-Halbleitermaterial an Stelle des GaAs auch InP und
als Material für
den Energiebandpassfilter, z. B. einer Doppelbarriere AlGaInAs verwendet
werden, um die RTD zu bilden.
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Es
kann als III-V-Halbleitermaterial an Stelle des GaAs durchgängig auch
gitterangepasstes AlGaInAs verwendet werden, wobei die Konzentration an
Aluminium im Energiebandpassfilter, z. B. einer Doppelbarriere höher ist,
als in den übrigen
Schichten der Gunn-Diode.
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Es
kann als III-V-Halbleitermaterial an Stelle des GaAs auch GaN und
als Material für
den Energiebandpassfilter, z. B. einer Doppelbarriere AlN verwendet
werden, um die RTD zu bilden. Die Doppelbarriere aus AlN-Schichten als Energiebandpassfilter kann
Ga umfassen.
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Die
erfindungsgemäße Gunn-Diode
kann nicht nur zur Erzeugung sondern auch zur Verstärkung von
Mikrowellen verwendet werden.
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Als
Dotierstoff für
die Schichten kommen insbesondere die Elemente Silizium und Tellur
in Frage. Diese bewirken vorteilhaft reine Elektronenleitfähigkeiten.
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Im
Folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels und der beigefügten Figuren
näher erläutert.
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1 zeigt
eine erfindungsgemäße Schichtenfolge
für eine
Gunn-Diode im Querschnitt. Das Material des III-V-Halbleiters besteht
aus GaAs.
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Die
Gunn-Diode weist eine 700 Nanometer dicke GaAs-Schicht 1 auf. Diese ist mit
einer Silizium-Konzentration
von 4,3 1018 cm–3 dotiert.
Diese Schicht 1 stellt den Kollektor der Gunn-Diode dar
und ist mit einem Kontakt zur Anlegung einer Spannung an die Gunn-Diode versehen (nicht
dargestellt).
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Auf
der Kollektorschicht 1 ist der aktive Bereich 2 angeordnet.
Diese, den Gunneffekt ausübende,
und mit 1,1 1016 cm–3 dotierte
Schicht 2 besteht ebenfalls aus GaAs und ist etwa 1600
Nanometer dick.
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Auf
dieser Schicht ist eine sogenannte Delta-dotierte Schicht 3 angeordnet,
die der Feinabstimmung der Potentialstruktur im anschließenden Injektor
dient. Der Injektor umfasst eine Schichtenfolge aus einer undotierten
Schicht 4, einer Doppelbarriere 5a, 5b, 5c und
einer weiteren undotierten Schicht 6, in der Weise, dass
die Doppelbarriere von beiden Seiten gegenüber den angrenzenden hochdotierten GaAs-Schichten 3 und 7 durch
undotierte Schichten 4, 6 getrennt ist. Die undotierten
Schichten 4 und 6 dienen als Segregations- bzw.
Diffusionsstopschicht, so dass aus den hochdotierten Schichten 3 und 7 keine
Dotieratome in den Injektor gelangen können.
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An
die Segregationsstopschicht 6 schließt sich eine hochdotierte Zuleitungsschicht 7 mit
einem elektrischen Kontakt an (nicht dargestellt).
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Der
Energiebandpassfilter umfasst hier zwei 6 Monolagen dicke AlAs-Schichten 5c, 5a und
einen diese trennenden Graben 5b, welcher aus 17 Monolagen
GaAs besteht. Der Energiebandpassfilter ist als Resonanztunneldiode
ausgelegt.
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Die
Gunn-Diode wird in der Weise betrieben, dass die Elektronen von
der Zuleitungsschicht 7 als Emitter über die Doppelbarriere der
Schichten 6, 5, 4 und 3 in die
aktive Schicht 2 injiziert werden (Vorwärtsrichtung) und dann über die
Kollektorschicht 1 wieder zurück zur Spannungsquelle fließen.
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2 zeigt
eine Prinzipskizze des Bandverlaufes der Gunn-Diode mit einem Injektor
umfassend eine Resonanz-Tunneldiode
(RTD-Injektor). Man erkennt in dieser Abbildung eine Bandstruktur
für eine Resonanz-Tunneldiode, gefolgt
von einem Ausschnitt der niedrig dotierten Schicht einer Gunn-Diode.
Die Durchlassenergien 8, 9 des energieselektiven
Filters der RTD 5c, 5b und 5a sind durch
die durchgezogenen waagerechten Striche zwischen den Barrieren 5c, 5a angedeutet.
Die Durchlassenergien 8, 9 sind so an die Schichtstruktur
angepasst, dass die durch das erste Durchlassenergieniveau 8 in
die aktive Schicht 2 injizierten Elektronen auf dem gleichen
Energieniveau liegen, wie diejenigen des L-Bands von GaAs in der
aktiven Schicht 2.
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Dieses
Prinzip kann besonders vorteilhaft auf jedwede Gunn-Diode mit Schichtenfolgen
aus anderem Halbleiter-Materialien übertragen
werden.
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Man
erkennt in der Abbildung zwei mögliche Durchlassenergien,
wobei die wesentliche Injektion über
den ersten Quasibindungszustand geschieht. Die meisten Elektronen
befinden sich am Fermi-Niveau 11, das als strichpunktierte
Linie eingezeichnet ist. Die Leitungs bandkante 10 ist durch
die durchgezogene Linie charakterisiert.
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Die
Erfindung ist auf die angegebenen Durchlassenergieniveaus gemäß der 2 nicht
beschränkt.
Vielmehr können
auch andere Passenergien zur Erzeugung von Mikrowellen durch eine
andere geeignete Schichtenfolge mit anderen Materialien und / oder
Schichtdicken gebildet werden.
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In 3 ist
eine DC-Strom-Spannungskennlinie einer Gunn-Diode mit RTD-Injektor
abgebildet.
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Einem
steilen Stromanstieg als Funktion der Spannung folgt nach Erreichen
der kritischen Mindestfeldstärke
das Maximum der Driftgeschwindigkeit. Die Kennlinie knickt ab. Dies
ist ein typischer Verlauf für
eine Gunn-Diode. Es liegt eine Unsymmetrie der Kennlinie bezüglich der
Spannungsrichtung vor. Werden die Elektronen in Vorwärtsrichtung
ausgehend von Schicht 7 bis hin zu Schicht 1 bewegt,
so werden sie über
den RTD-Injektor 4 bis 6 (s. 1 und 2)
in die aktive Gunn-Dioden
Schicht 2 injiziert.
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In
Rückwärtsrichtung,
ausgehend von Schicht 1 bis zur Schicht 7, liegt
lediglich eine normale Gunn-Diode mit einer nachgeschalteten Resonanz-Tunneldiode
als Serienwiderstand am Ende der Strecke vor. Die Maximalströme im Strompeak
in Vorwärtsrichtung
sind deutlich kleiner als die Ströme in Rückwärtsrichtung. Dies zeigt die
Funktionsfähigkeit des
Injektors. Da die Elektronen über
die Resonanz-Tunneldiode 4 bis 6 direkt ins L-Band
des GaAs Halbleiters 2 injiziert werden, ist die Drift geschwindigkeit
der Elektronen in Vorwärtsrichtung
kleiner als in Rückwärtsrichtung.
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Zusätzlich wurden
Hochfrequenzmessungen in Form von S-Parameter Messungen an den Strukturen
durchgeführt.
Diese zeigen, dass das Verhalten der Diode in Vorwärtsrichtung
(4) einen deutlich schärferen Peak zeigt, als in Rückwärtsrichtung (5).
Die Elektronen werden definiert ins L-Valley der Schicht 2 injiziert.
An der Stelle des ersten, großen
Peaks liegt eine kleine räumliche
Zone vor, in der sich der Beginn der Domänenbildung befindet. Zusätzlich ist
in 4 die zweite Harmonische gemessen. Eine größere statistische
Verteilung des örtlichen
Einsatzes der Domäne
bleibt aus. Dies führt
zu einer scharfen Laufzeit, was sich in einer scharfen Bande in
den S-Parametern auswirkt. In der Rückwärtsrichtung (5)
ist diese Bande deutlich breiter. Dies deutet auf einen größeren Bereich
der statistischen Verteilung der Domänenstartposition hin und damit
zu einem größeren Phasenrauschen
der Gunn Diode.
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Es
ist im Rahmen der Erfindung denkbar, eine erfindungsgemäße Schichtenfolge
für weitere elektronische
Bauelemente, die als Injektionsschicht eine Potentialbarriere benötigen, zu
verwenden.
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Es
sind weitere Schichtenfolgen denkbar, bei denen das Prinzip, eine
gegradete Schicht durch undotierte Zwischenschichten als Diffusions-
bzw. Segregationsstopschichten zu schützen, angewendet werden kann,
beispielsweise eine auf InP basierende Schichtenfolge.
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Die
erfindungsgemäßen Schichtenfolgen
für Gunn-Dioden
sind z. B. zur Erzeugung von Mikrowellen im Automobilbereich und
bei der Sicherheitsprüfung
von Gegenständen
in Flughäfen
verwendbar.