DE1056179B - Mit einer Halbleiterdiode ausgeruesteter Impulsverstaerker - Google Patents

Description

Schickt man durch eine Halbleiter-Flächendiode einen elektrischen Strom, so wird das Fließen des Stromes in der Grenzschicht zwischen n-Halbleiter und p-Halbleiter durch Bewegung von Elektronen und Defektelektronen (Löcher) bewirkt. Wenn dieser Strom in Durchlaßrichtung fließt, so gelangen mehr Defektelektronen in den der Grenzschicht benachbarten Bereich des η-Halbleiters, als dem spannungslosen Gleichgewichtszustand oder dem statischen Zustand unter Sperrspannung entspricht. Es findet eine sogenannte Trägerinjektion in diesen Bereich statt. Insbesondere bei Germanium- und Siliziumdioden bleiben diese zusätzlichen Defektelektronen nach dem Abschalten des Durchlaßstromes für kurze Zeit, die durch die mittlere Lebensdauer derselben charakterisiert werden kann, gespeichert. Infolge der Diffusion und Rekombination nimmt ihre Dichte mit der Zeit nach einem Exponentialgesetz ab. Legt man während dieser Speioherzeit eine Sperrspannung an die Diode, so fließt zunächst ein größerer Strom, als dem statischen Sperrstrom entspricht. Der Strom nimmt danach in dem Maße ab, wie die Defektelektronen in der n-Halbledterschicht verschwinden. Dadurch steigt der Sperrwiderstand wieder an. Mit dem Sperrstrom selber ist darüber hinaus eine zusätzliche Rekombination der Defektelektronen verbunden. Er bewirkt daher eine zusätzliche Verminderung der Dichte der Defektelektronen. Die Zeit, während der gegenüber dem statischen Sperrstrom. eine merkliche Stromerhöhung vorhanden ist, nennt man audh Relaxa.tion.szeit. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei Flächendioden.

Verwendet man diese Diodai als Gleichrichter oder Schaltdioden bei hohen Frequenzen, so. wirkt die Trägerinjektion und Speicherung störend, da dadurch die Dioden gleichsam mit einer gewissen Trägheit arbeiten.

Man hat nun andererseits versucht, diesen Effekt besonders auszunutzen. In der amerikanischen Veröffentlichung: »National Bureau of Standards, Technical News Bulletin«, Vol. 38, Nr. 10, Oktober 1954, S. 145 bis 148, ist eine Methode angegeben, wie sich mit Hilfe einer Diode mit Speichereffekt in einfacher Weise ein Impulsverstärker aufbauen läßt. Ein solcher Diodenverstärker ist in Fig. 1 dargestellt. Er besteht aus der Diode D1 mit Speichereffekt, aus der Diode D 2 ohne Speichereffekt, welche auch als Längsdiode bezeichnet wird, dem Ärbeitswiderstandi?2, der groß gegenüber dem. Durchlaßwiderstand und klein gegenüber dem Sperrwiderstand der Diode Dl ist. Der Steuerelektrode E des Diodenverstarkers wird ein Steuerimpuls zugeführt, von dem ein Impuls in Fig. 2 b dargestellt ist. Der Speiseelektrode 6* des Diodenverstarkers wird von der Speisepulsquelle Us Mit einer'Halbleiterdiode ausgerüsteter Impulsverstärker

Anmelder:

Siemens'& Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dipl.-Phys. Hans-Joaehim Harloff, München,
ist als Erfinder genannt worden

mit dem Innenwiderstand\R 1, der wesentlich kleiner als R2 sein soll, ein zeitlich zum Steuerpuls~ versetzter," unm'ödulier-ter Speisepuls zugeführt, dessen Amplitude fast so groß wie die Sperrdurchschlag'-spannung der Diode D1 sein kann. Der zum in Fig. 2b gezeichneten Steuerimpuls gehörende Speiseimpuls ist mit seiner zeitlichen Absetzung in Fig. 2 a dargestellt. Die beiden Dioden Dl und D2 sind so gepolt, daß sie von.den Steuerimpulsen in Durchlaßrichtung beansprucht werden. Infolge. eines solchen Impulses fließt daher ein Strom D 2-D1-R1, so daß in der η-leitenden Schicht der Diode öl eine Trägerinjektion stattfinden kann, welche deren Sperrwiderstand während der Relaxationszeit herabsetzt. Durch den folgenden Speiseimpuls wird diese Diode in Sperrichtung beansprucht. Der in diesem Moment wirksame Sperrwiderstand ist abhängig von der Stärke der vorhergehenden Trägerinjektion, also von der Amplitude des Steuerimpulses und von der inzwischen, verstrichenen Zeit. Zwischen Steuerpuls

4.0 und Speisepuls besteht eine konstante zeitliche Versetzung, so daß der Sperrwiderstand hier allein von der Amplitude des Steuerpulses abhängig ist. Die vom jeweiligen Speiseimpuls gelieferte Spannung teilt sich an der Reihenschaltung von Diode Dl und Arbeitswiderstand R 2 auf. Die Diode D 2 wird hierbei in Sperrichtung beansprucht, so· daß ihr Widerstand groß gegen den Widerstand R2_ ist und daher die Spannungsteilung nicht beeinflußt. Je größer die

• Amplitude des vorhergehenden. Steuerimpulses war, destoi größer war die Trägerinjektioti, und desto Heiner ist der wirksame Sperrwiderstand von Diode D 2, und desto' größer ist der zwischen der Ausgangselektrode A und Masse liegende. Teil, der Speise-

• impulsspannung. Steuerimpulsaoiplitu.de. und Aus-

909 508/385

gangsimpulsamplitude verändern sich also im gleichen Sinn. In Fig. 2c ist die im Ausgang A abgegebene Spannung Ua dargestellt. Wenn die Amplituden der Steuerimpulse um den Betrag Δ Ue schwanken, so verändert sich die Amplitude der Ausgangsimpulse in, diesem Beispiel um Δ Ua. Als Höhe der Impulse ist der sich jeweils ergebende Mittelwert der Höhe zwischen. Impulsanfang und Impulsende eingezeichnet worden. Über die Impulsdauer nimmt nämlich auch die Trägerdichte in der Sperrschicht und damit auch die Ausgangsamplitude ab. Während des Steuerimpulses tritt am Ausgang auch ein Impuls mit kleiner Amplitude auf, der als Störimpuls wirken kann, da der Steuerimpuls einen Strom über die Durchlaßwiderstände der Dioden. D2 und D1 sowie den Widerstand R1 treibt und an den letzten beiden Widerständen einen, entsprechenden Spannungsabfall hervorruft. Während des Speiseimpulses tritt ein wesentlich groß erer Ausgangsimpuls auf, welcher der verstärkte Impuls ist und dessen Amplitude fast so groß wie die Speiseimpulsamplitude werden kann. Der Diodenverstärker liefert also eine Verstärkung und zeitliche Verschiebung der Steuerimpulse. Die Verstärkungsenergie wird von den Speiseimpulsen, geliefert.

Während des die Defektelektronen, einspeichernden Stromes, der infolge des Steuerimpulses fließt, tritt an dem Innen widerstand R1 der Speisepulsquelle ein Spannungsabfall auf, der eine Spannung an der Anschlußklemme derselben hervorruft. Sind nun mehrere Diodenverstärker an der Speisedmpulsquelle gemeinsam angeschlossen, so wirkt diese Spannung für die anderen Diodenverstärker als unerwünschter Speiseimpuls.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Impulsverstärker zu schaffen, der nach dem Prinzip der Diodenverstärker arbeitet, bei dem jedoch nicht der Nachteil vorhanden ist, daß der relativ große, zur Einspeicherung der Defektelektronen notwendige Strom über den Innenwiderstand der Speisepulsquelle fließt.

Es handelt sich hier also um einen Impulsverstärker, der mit einer Halbleiterdiode, die eine Ladungsträgerspeicherung aufweist, ausgerüstet ist und dem zeitlich versetzte Steuer- und Speiseimpulse 4-5 gleich großer Impulsfolgefrequenz zugeführt werden. Er ist dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse über ein Koppelglied mit hochohmigem. Ausgangswiderstand der Speicherdiode zugeleitet werden, die mit ihrer freien Basis an Masse liegt, daß der Verbindungspunkt zwischen der Diode und dem Koppelglied über einen· gegenüber einem am Ausgang angeschlossenen Abschlußwiderstand hochohmigen Widerstand an eine negative Spanaungsquelle angeschlossen ist und über die Reihenschaltung der Sekundärwicklung eines Impulsübertragers und des Abschlußwiderstandes an Masse angeschlossen, ist und daß die Bemessung des Widerstandes zwischen dem Wert des hochohmigen Widerstandes und dem des Widerstandes der Speicherdiode bei Sperrspannung nach Trägerinjektion liegt und daß die Speiseimpulse der Primärwicklung des Impulsübertragers mit derartiger Polarität zugeführt werden, daß am Verbindungspunkt A zwischen Sekundärwicklung und Abschlußwiderstand positive Ausgangsimpulse auftreten, deren Amplitude von dem Speicherungszustand der Speicherdiode abhängig ist, wobei die Amplitude der Speiseimpulse so groß bemessen ist, daß bei Aussteuerung des Impulsverstärkers durch Steuerimpulse die am Ausgang durch die Speiseimpulse erzeugten Ausgangsimpulse stets größer als die dort von den Steuerimpulsen gelieferten Störimpulse sind.

Wie die Fig. 3 zeigt, werden dazu die dem Diodenverstärker zugeführten Steuerimpulse Ue über ein Koppelglied K mit hochohmigem. Ausgangswiderstand zugeleitet, ferner wird die Speitiherdiode D mit ihrem freien Pol an Masse gelegt und der Verbindungspunkt M zwischen der Diode und dem Koppelglied K über einen gegenüber dem Widerstand R1 hochohmigen Widerstand R 2 an eine negative Spannungsquelle — Uv angeschlossen; außerdem wird der Verbindungspunkt M zwischen, der Diode D und dem Koppelglied K über die Reihenschaltung der Sekundärwicklung eines Impulsübertragers T und eines Widerstandes R1 an Masse angeschlossen, wobei der Wert des Widerstandes R1 zwischen dem Wert des hochohmigen Widerstandes R 2 und dem des Widerstandes der Speicherdiode D unter Sperrspannung nach Trägerin] ektion, liegt, und schließlich werden der Primärwicklung des Impulsübertragers T Speiseimpulse Us mit derartiger Polarität zugeführt, daß am Verbindungspunkt zwischen Sekundärwicklung und Widerstand R1 der Reihenschaltung positive Ausgangsimpulse Ua geliefert werden, deren Höhe von dem Speicherungszustand der Speicherdiode D abhängig ist.

In den Fig. 4 a, 4 b, 4 c und 4d ist der Verlauf der Spannungen über drei Speiseimpulse und einen Steuerimpuls an der Speiseelektrode S, am Eingang E, am Ausgang A und am Verbindungspunkt M dargestellt. In der Fig. 4b ist ein Steuerimpuls Ue dargestellt. Es folgen ihm Speiseimpulse Us, von denen, drei in Fig. 4a dargestellt sind. Infolge des Steuerimpulses Ue, welcher positive Polarität hat, fließt über die Speichardiode D ein Strom in Durchlaßrichtung, wodurch die beabsichtigte Injektion und Speicherung von Defektelektronen in derselben bewirkt wird. Gleichzeitig verlagert sich wegen des Spannungsabfalls am Durchlaßwiderstand der Speicherdiode das Potential Um am Verbindungspunkt M um einen gewissen Betrag ins Positive. Diese Verlagerung macht sich auch als Störimpuls am Ausgang A des Verstärkers bemerkbar. Vor und nach dem Steuerimpuls ist das Potential am Verbindungspunkt M negativ, denn während dieser Zeit wirkt sich über den Widerstand R 2 die negative Spannungsquelle — Uv aus. Während des nun folgenden ersten Speiseimpulses wird in der zwischen den Punkten A und M liegenden Sekundärwicklung des Impulsübertragers T eine solche Spannung induziert, daß von der Sekundärwicklung ein Strom über den Widerstand R1 nach Masse und von dort über die Speicherdiode D in Sperrichtung zurück zur Sekundärwicklung fließt. Wegen der vorhergehenden Defektelektroneninjektion ist der Widerstand R1 groß gegen den wirksamen Widerstand der Speicherdiode. Da der Widerstand R2 und der Ausgangswiderstand des Koppelgliedes K groß gegen den Widerstand. R1 sind, ist der durch den Widerstand R1 fließende Strom praktisch gleich dem durch die Speicherdiode fließenden Strom. Die an der Sekundärwicklung des Impulsübertragers vorhandene Spannung teilt sich daher an der Reihenschaltung des Widerstandes J? 1 und der Speicherdiode D im Verhältnis von deren Widerständen auf. Dementsprechend findet am Widerstand Rl ein großer Spannungsabfall und an der Speiciherdiode D ein kleiner Abfall statt. Am Ausgang A tritt ein großer positiver Spannungsimpuls gegen Masse auf, welcher der beabsichtigte Ausgangsimpuls ist. Am Verbindungspunkt M tritt ein kleiner negativer Spannungs-

Claims (1)

1. impuls gegen. Masse auf, welcher eine vorübergehende Absenkung des Potentials dieses Punktes bewirkt.

   In Fig. 4 c ist der Potentialverlauf Um am Verbktdungispunkt M dargestellt und in Fig. 4d der Verlauf der Ausgangsspannung Ua.

   Während der Pause bis zum nächsten Speiseimpuls stellt sich am Verbindungspunkt M und auch am Ausgang· A das von der negativen Spannungsquelle — Uv herrührende negative Potential wieder ein. In dem Zeitraum bis zum nächsten Speiseimpu.ls soll die to Defektelektronenspeicherung in der Speicherdiode verschwunden sein. Beim nächsten Speiseimpuls ist daher unter sonst gleichen, Verhältnissen der Widerstand R1 klein gegen den Widerstand der Diode, die wieder in Sperrichtung beansprucht wird. Diesmal *5 liegt daher nur ein kleiner Teil der vom Impulstransfonnator gelieferten Spannung· am Widerstand R1, so· daß das Potential an Ausgang A nur geringfügig in positiver Richtung verschoben wird. Der andere Teil der Speiseimpulsspannung fällt an der ao Parallelschaltung der Speicherdiode und des Widerstandes R1 ab und bewirkt eine entsprechend größere Verlagerung des Potentials des Verbindungspunktes M ins Negative. Die gleiche Auswirkung hat auch noch der in dem Fig. 4a, 4b,_4c und 4d angegebene dritte Speiseimpuls.

   Insgesamt ergibt sich, daß der Eingangsimpuls die gewünschte Defektelektroneninjektion bewirkt und nur einen kleinen Störimpuls am Ausgang des Verstärkers erzeugt, daß aber der Speiseimpuls bei gespeicherten Defektelektronen den. gewünschten großen Ausgangsimpuls und sonst nur einen hinreichend kleinen Störimpuls am Ausgang erzeugt.

   Während des Eingangsimpulses fließt über die Sekundärwicklung des Impulsübertragers ein vernachlässigbarer kleiner Strom, da der dort angeschlossene Widerstand Rl liochohmig gegen den Durchilaßwiderstand der Diode D ist. Daher wird auch an der Primärwicklung, an der die Speiseimpulsquelle angeschlossen ist, keine störende Spannung induziert.

   Über den hochohmigen Widerstand. R 2 wird das Potential des Verbindungspunktes M negativ gehalten, um ein falsches Einspeichern von Defektelektronen beispielsweise durch Überschwingen des Übertragers nach dem Speiseimpuls zu verhindern. Bei diesem Überschwingen könnte sonst das Verbindungspunktspotential in unerwünschter Weise vorübergehend positiv werden und die Speidherdiode in Durchlaßrichtung beansprucht werden.

   Patentanspruch:

   Mit einer Halbleiterdiode, die eine Ladungsträgerspeicherung aufweist, ausgerüsteter Impulsverstärker, dem zeitlich versetzte Steuer- und Speiseimpulse mit gleicher Impulsfolgefrequenz zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse (Ue) über ein, Koppelglied (K) mit hochohmigem Ausgangswiderstand der Speicherdiode (D) zugeleitet werden, die mit ihrer freien Basis an Masse liegt, daß der Verbindungspunkt (M) zwischen der Diode (D) und dem Koppelglied (K) über einen gegenüber einem, am Ausgang angeschlossenen Abschlußwiderstand (R 1) hochohmigen Widerstand (R 2) an eine negative Spannungsquelle (-Uv) angeschlossen ist und über die Reihenschaltung der Sekundärwicklung eines Impulsübertragers (T) und des Abschlußwiderstandes (R 1) an Masse angeschlossen ist und daß die Bemessung des Widerstandes (Rl) zwischen dem Wert des hochohniigen Widerstandes (R2) und dem des Widerstandes der Speicherdiode (D) bei Sperrspannung nach Trägerinjektion liegt und daß die Speiseimpulse (Us) der Primärwicklung des Impulsübertragers (T) mit derartiger Polarität zugeführt werden, daß am Verbindungspunkt (A) zwischen Sekundärwicklung und Abschlußwiderstand (J? 1) positive Ausgangsimpulse (Ua) auftreten, deren Amplitude von dem Speicherungszustand der Speicherdiode (D) abhängig ist, wobei die Amplitude der Speiseimpulse (Us) so groß bemessen ist, daß bei Aussteuerung des Impulsverstärkers durch Steuerimpulse (Ue) die am. Ausgang (A) durch die Speiseimpulse (Us) erzeugten Ausgangsimpulse (Ua) stets größer als die dort von den Steuerimpulsen (Ue) gelieferten Störimpulse sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   1 909 508/235 4.59