DE1082623B - Saegezahngenerator mit einer Halbleiter-Doppelbasisdiode und einem Kondensator - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung hat einen Sägezahngenerator mit einem einzelnen Übergangshalbleitergerät zum Gegenstand. Ein Halbleitergerät mit den geeigneten Charakteristiken und mit besonderen Vorteilen für diese Umwandler ist die »Doppelbasisdiode«.

Die Doppelbasisdioden sind bereits bekannt. Sie stellen ein Halbleitergerät mit drei Polen dar, das einen einzelnen gleichrichtenden Übergang aufweist, der etwa in der Mitte zwischen auseinanderliegenden ohmschen Elektroden angeordnet ist. Die physikalischen Charakteristiken dieses Gerätes und seine grundlegende Betriebsart sind ebenfalls bekannt. Die ohmschen Elektroden der Doppelbasisdiode dienen als Ausgangselektrode bzw. als gemeinsame Elektrode, während der Gleichrichterübergang als Eingangselektrode dient. Die Doppelbasisdiode zeigt eine Eingangscharakteristik mit drei ungleichen Bereichen. Der erste Bereich, Trennbereich genannt, ist durch eine steil ansteigende Spannung an dem Übergang gegen den Strom am Übergang gekennzeichnet, was auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß der Eingangsübergang so gepolt ist, daß er dem Eingangsstrom entgegenwirkt. Wenn die Eingangsspannung bis zu einem gegebenen Spitzenwert zunimmt, der durch die Geometrie des Gerätes und das Zwischenbasispotential bestimmt wird, wird die Übergangsvorspannung umgekehrt, und es tritt ein negativer Widerstandsbereich auf. Die anfängliche Neigung des negativen Widerstandsbereiches kann ziemlich steil sein, die Neigung geht jedoch an einem »Talpunkt« auf den Nullwert zurück und wird dann positiv. Der Bereich jenseits des Talpunktes wird Sättigungsbereich genannt und ist durch einen niedrigen positiven Widerstand gekennzeichnet. Sowohl im negativen Widerstandsbereich als auch im Anfangsteil des Sättigungsbereiches zeigt die Doppelbasisdiode aktive Eigenschaften mit Stromverstärkung. Weitere Einzelheiten über den Doppelbasisdiodenoszillator, auf welchen sich die vorliegende Erfindung aufbaut, sind bereits bekanntgeworden.

Die bekannten Sägezahngeneratoren benutzten bislang Vakuumröhren oder Mehrfach-Übergangshalbleiter. Eine bekannte Schaltung verwendet eine Gastriode mit einem an Kathode und Gitter liegenden Kondensator, dessen Aufladung beliebig variiert werden kann. An die Anode und die Kathode wird eine Vorspannung gelegt. Erreicht die Spannung am Kondensator den Wert, bei welchem die Gastriode zündet, dann entlädt sich der Kondensator auf einen gegebenen tiefen Wert, der ausreicht, die Gastriode auszuschalten. An dem Kondensator kann eine Sägezahnspannung abgegriffen werden. Die erfindungsgemäße Schaltung beseitigt die Notwendigkeit einer Röhre und verbessert somit die Zuverlässigkeit der

Sägezahngenerator

mit einer Halbleiter-Doppelbasisdiode
und einem Kondensator

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. A. Schmidt, Patentanwalt,
Berlin-Grunewald, Hohenzollemdamm 150

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. August 1956

Jerome Joseph Suran, Syracuse, N. Y. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

Schaltung, während die Notwendigkeit der LC-Gegenkopplung, die in bekannten Mehrfach-Übergangshalbleiterschaltungen verwendet wird, aufgehoben wird.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sägezahngenerator mit einer Halbleiterdoppelbasisdiode und einem Kondensator, der an der Übergangselektrode und einer der symmetrisch leitenden Elektroden der Doppelbasisdiode angeschlossen ist und der sich vom bisher Bekannten dadurch unterscheidet, daß zur Aufladung des Kondensators ein unsymmetrisch leitender Widerstand mit einer variablen Spannungsquelle in Reihe geschaltet ist.

Der Ladungsprozeß des Kondensators und die Entladung desselben durch den Übergang wiederholt sich, und ein regulierter Ausgangswechselstrom kann über dem Kondensator oder einem Widerstandselement in Serie mit einer Spannungsquelle zwischen den symmetrisch leitenden Elektroden abgenommen werden.

Nach einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen

+5 Sägezahngenerators wird eine weitere zusätzliche Ladung des Kondensators angewendet, die über den Sperrwiderstand der Übergangselektrode von der Spannungsquelle zugeleitet wird, die an die symmetrisch leitenden Elektroden gelegt ist.

Die Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen hervor.

Fig. 1 zeigt einen Sägezahngenerator, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt;

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Fig. 2 zeigt ein Diagramm, das die Eingangscharakteristiken einer Doppelbasisdiode veranschaulicht und zur Erklärung der vorliegenden Erfindung von Nutzen ist;

Fig. 3 zeigt den Gang der Ausgangsfrequenz des erfindungsgemäßen Generators über dem Eingangsstrom.

In Fig. 1 ist ein elektrisches Gerät oder Halbleiterglied 10 dargestellt, das die Form einer Stange oder eines Stabes aufweisen kann. Es kann angenommen werden, daß die Stange 10 aus η-Germanium besteht, das durch Mischen von Germanium mit einer Donatorverunreinigung, beispielsweise Phosphor, Arsen oder Antimon, erhalten wird. Die ohmschen Elektroden 11 und 12 sind an den entsprechenden Enden der Stange 10 befestigt. Die Elektroden 11 und 12 leiten den Strom von und zu der Stange 10, ohne daß merkliche Gleichrichtereigenschaften auftreten, d, h., sie sind in ihren leitenden Eigenschaften hauptsächlich symmetrisch. Aufgespritzte Zinnelektroden bilden einen ohmschen oder symmetrischen Kontakt. Durch die übliche Anwendung einer Akzeptorverunreinigung, beispielsweise Indium, wird auf der Stange ein gleichrichtender Übergang 13 erzeugt. Zu diesem Zweck kann jedes beliebige bekannte Verfahren zur Diffusion der Akzeptorverunreinigung in die Stange verwandt werden; in Zusammenhang damit wird eine entsprechende mechanische Konstruktion verwandt, zur Gewährleistung eines- zuverlässigen Kontaktes, der für den Übergang 13 erforderlich ist.

Der Bereich zwischen der Übergangselektrode 13 und der symmetrisch leitenden Elektrode 11 wird allgemein als »Basis-Eins«-Bereich und der zwischen der Übergangselektrode 13 und der symmetrisch leitenden Elektrode 12 als »Basis-Zwei«-Bereich bezeichnet.

Ein derartiges Gerät wird als »Doppelbasiselektrode« bezeichnet und soll auch hier so genannt werden.

Die Eingangscharakteristiken einer Doppelbasisdiode sind in Fig. 2 dargestellt; die Kurve der Spannung am Übergang gegen den Strom am Übergang zeigt drei unterschiedliche Bereiche, nämlich einen Trennbereich, einen Übergangsbereich und einen Sättigungsbereich. Der Trennbereich entspricht der Bedingung, die dann existiert, wenn der Übergang in Sperrichtung vorgespannt ist, und die Neigung der Eingangscharakteristik ist effektiv gleich dem Sperrwiderstand des Überganges. Ein typischer Bereich von Werten dieses Widerstandes liegt für das vorliegende Germanium annähernd zwischen 50 000 und 200 000 Ohm.

Ist der Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt, dann werden Minoritätsladungsträger in die Stange injiziert, und zwar etwa in der gleichen Art, wie Minoritätsträger in den Basisbereich eines Transistors emittiert werden. Ist der spezifische Widerstand der Stange genügend hoch und weist die Doppelbasisdiode die entsprechenden Maße auf, dann rufen die injizierten Träger eine bezeichnende Herabsetzung des Widerstandes des »Basis-Eins«-Bereiches hervor. Der Übergangs- oder negative Widerstandsbereich ist auf die Widerstandsmodulation des »Basis-Eins«-Teils der Stange durch die injizierten Minoritätsträger zurückzuführen. Ein typischer Wert für den negativen Widerstand liegt bei den vorliegenden Germaniumgeräten bei 1000 Ohm, Wird der Eingangsstrom I_d genügend groß, dann nimmt der »Basis-Eins «-Modulationseffekt ab, und ■ der Eirigangswiderstand nähert sich dem positiven Wert eines in Durchlaßrichtung vorgespannten gleichrichtenden Überganges. Wie bereits erwähnt, wurde dieser Teil der Charakteristik »Sättigungsbereich« genannt. Typische Werte für den Eingangswiderstand im Sättigungsbereich liegen zwischen 0 und 20 Ohm.

Die Schaltung nach Fig. 1 zeigt eine Spannungsquelle E_b, die einen Wert von etwa 6 V aufweist und über die symmetrisch leitenden Elektroden 11 und 12 der Doppelbasisdiode 10 in Serie geschaltet ist mit

ίο einem Widerstands von etwa 50O¹ Ohm und einem Kondensators von etwa 0,005 μ E, der zwischen der Übergangselektrode 13 und einer der symmetrisch leitenden Elektroden, hier »Basis-Eins«-Elektrode 11 liegt. Die Ausgangsspannung kann über den Kondensator C an den Punkten 14 und 15 abgenommen werden. Außerdem existiert ein Strom I_x, der von einer Spannungsquelle E_x geliefert wird, die den Kondensator C über einen unsymmetrischen Widerstand oder Gleichrichter ladet, der durch eine beliebige kleine Germaniumeinheit in Standardausführungsform dargestellt werden kann. Die Spannungsquelle E_x, die in dem Bereich von 0 bis 30 V variiert werden kann, ist in Serie mit einem Widerstand, hier als Widerstand 17 von etwa 100Ό00 Ohm gezeigt, geschaltet.

Die Wirkungsweise der Schaltung von Fig. 1 ist wie folgt: Von der SpannungsquelleE_b über den Sperrwiderstand des Übergangs 13 und ebenso von der Spannungsquelle E_x über den Widerstand 17 und den Gleichrichter 16 wird auf den Kondensator C eine Ladung gegeben. Die Ladegeschwindigkeit wird durch die Sperrcharakteristiken des Übergangs 13, die Größe von E_b, die Größe des Kondensators C und die Größe von I_x, die variiert werden kann, bestimmt.

Die Ladelinie A-B von Fig. 2 verläuft so, daß die Kurve nur am Punkte geschnitten wird. Dies definiert unter diesen Verhältnissen einen nichtstabilen Betriebspunkt der Schaltung nach Fig. 1. Die Schaltung schwingt bei einer Frequenz, die durch die Geschwindigkeit bestimmt wird, mit welcher der Kondensator C von den Spannungsquellen E_x und E_b geladen wird. Ist der durch E_x gelieferte Ladestrom beträchtlich größer als der Rückstrom durch den Übergang von der Spannungsquelle E_b, dann wird die Schwingungsfrequenz in der Hauptsache durch E_x bestimmt. Erreicht das Potential im Kondensator C einen ausreichenden Wert V„, der den mit der negativen Widerstandscharakteristik der Doppelbasisdiode in Zusammenhang stehenden Spitzenwert darstellt, dann ,schlägt das Potential den Übergang 13 durch, indem Träger in diesem emittiert werden, und der Kondensator C entlädt sich durch den »Basis-Eins«- Bereich zwischen dem Übergang 13 und der Basis-Eins «-Elektrode 11. Während dieses Entladens läuft der Betriebspunkt der Doppelbasisdiode 10 durch den in Fig. 2 dargestellten Übergangs- und den Sättigungsbereich. Da im Sättigungsbereich kein stabiler Betriebspunkt besteht, kann sich die Doppelbasisdiode 10 in diesem Bereich nicht stabilisieren, und der Betriebspunkt läuft zum Trennbereich zurück. Eine Wiederholung dieses Prozesses gibt einen Wechselstromausgang über den Punkten 14 und 15. Die Ladegeschwindigkeit des Kondensators C kann durch Variieren von E_x variiert werden; so wird ein Sägezahngenerator, dessen Frequenz durch den Gleich-Stromeingang verändert werden kann, gewonnen.

In Fig. 3 ist eine Kurve gezeigt, die die Frequenzvariation der Ausführungsform von Fig. 1 mit der Änderung im Gleichstrom I_x, der an den Kondensator C gelegt wird, darstellt. Aus dieser Kurve, die aus den Betriebsdaten erhalten wurde, ist ersichtlich,

daß die Änderung des Eingangsstromes I_x bis zu dem Punkt I_xz linear verläuft, was in dem oben beschriebenen praktischen Ausführungsbeispiel etwa 100 μ Α ausmachte. So ergibt sich im Bereich von Z₁ bis /₂, d. h. also von 10 bis 20 kHz, eine lineare Frequenzvariation mit dem Eingangsgleichstrom.

Nach der vorstehend beschriebenen Erfindung kann ein Gleich- und Wechselstrom-Frequenzmodulationswandler erzeugt werden, der eine sehr einfache Schaltung und stabile Komponenten aufweist.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Sägezahngenerator mit einer Halbleiter-Doppelbasisdiode und einem Kondensator, der an der Übergangselektrode und einer der symmetrisch leitenden Elektroden der Doppelbasisdiode

angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufladung des Kondensators (C) ein unsymmetrisch leitender Widerstand (16) mit einer variablen Spannungsquelle (E_x) in Reihe geschaltet ist.

2. Sägezahngenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine über die symmetrisch leitenden Elektroden (11, 12) anliegende Spannungsquelle (E_b) über dem Sperrwiderstand der Übergangselektrode (13) zusätzlich zum Aufladen des Kondensators (C) verwendet wird.

3. Sägezahngenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufladen des Kondensators (C) ein Gleichstromverstärker verwendet wird.

In Betracht gezogene ältere Patente:
»Elektronics«, März 1955, S. 198 bis 202.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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