DE1147992B

DE1147992B - Semiconductor oscillator

Info

Publication number: DE1147992B
Application number: DEC20907A
Authority: DE
Inventors: Julien Bok
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1959-03-13
Filing date: 1960-02-29
Publication date: 1963-05-02
Also published as: GB889576A; FR1228334A

Description

Die Erfindung betrifft einen Halbleiteroszillator, bei dem die Erscheinung eines negativen dynamischen Widerstands ausgenutzt wird, der bei niedriger Temperatur in einer der Einwirkung eines elektrischen Feldes ausgesetzten Halbleiteranordnung auftritt.The invention relates to a semiconductor oscillator in which the appearance of a negative dynamic Resistance is exploited, which at low temperature in one of the action of an electrical Field exposed semiconductor device occurs.

Bei einer bekannten Anordnung dieser Art ist die Halbleiteranordnung eine pi-Diode oder eine ni-Diode besonderer Bauart. Sie enthält also einen gleichrichtenden Übergang, und der negative dynamische Widerstand entsteht auf Grund einer fortschreitenden Ionisation des Halbleiters im Inneren der Eigenleitfähigkeitszone.In a known arrangement of this type, the semiconductor arrangement is a pi-diode or an ni-diode special design. So it contains a rectifying transition, and the negative dynamic one Resistance arises due to the progressive ionization of the semiconductor inside the intrinsic conductivity zone.

Es ist auch eine Halbleiteranordnung bekannt, bei der die sogenannte Supraleitfähigkeit ausgenutzt wird, die in bestimmten Metallen bei sehr niedrigen Temperaturen auftritt. Bei Erreichen der Supraleitfähigkeitstemperatur entsteht ein plötzlicher Widerstandsspruch, der beispielsweise in einem Oszillator zur Erzeugung von Kippschwingungen ausgenutzt werden kann. Der supraleitende Körper spielt dabei etwa die Rolle der Glimmlampe in einem üblichen Kippschwingungsgenerator; sein Widerstand wird aber niemals negativ.A semiconductor device is also known in which the so-called superconductivity is used, which occurs in certain metals at very low temperatures. When the superconductivity temperature is reached a sudden resistance statement arises, which is generated, for example, in an oscillator can be exploited by tilting vibrations. The superconducting body plays about that Role of the glow lamp in a conventional relaxation oscillator; but his resistance will be never negative.

Ein ähnlicher Effekt wird in einer Halbleiteranordnung gemäß einem älteren Vorschlag ausgenutzt. Diese ältere Anordnung enthält einen Halbleiterkörper, dessen spezifischer Widerstand sich innerhalb eines bestimmten Bereichs sehr tiefer Temperatur umgekehrt proportional zur Temperatur verhält und in diesem Bereich eine sprunghafte Änderung zeigt, wenn er dem Einfluß eines Feldes ausgesetzt wird, und Vorrichtungen zur Einstellung der Temperatur des Halbleiterkörpers auf einen bestimmten Wert innerhalb dieses Temperaturbereichs, wobei das Feld zur Erzeugung der sprunghaften Widerstandsänderung ein elektrisches Feld ist, das durch Anlegen einer Gleichspannung an zwei voneinander entfernte Anschlüsse an dem Halbleiterkörper erzeugt ist. Auch mit dieser Anordnung kann kein negativer dynamischer Widerstand erhalten werden.A similar effect is used in a semiconductor device according to an older proposal. This older arrangement contains a semiconductor body, the specific resistance of which is within of a certain range of very low temperature is inversely proportional to the temperature and shows a sudden change in this area when exposed to the influence of a field, and devices for setting the temperature of the semiconductor body to a specific value within this temperature range, the field generating the sudden change in resistance is an electric field created by applying a DC voltage to two separated from each other Connections is produced on the semiconductor body. Even with this arrangement there can be no negative dynamic resistance can be obtained.

Von diesem Stand der Technik unterscheidet sich der Halbleiteroszillator nach der Erfindung dadurch, daß die Halbleiteranordnung aus einem Halbleiterkörper ohne gleichrichtenden Übergang besteht, der nicht unbedingt ein Einkristall sein muß, daß das Halbleitermaterial so beschaffen ist, daß die Beweglichkeit der Majoritätsträger sehr viel kleiner als die Beweglichkeit der Minoritätsträger ist, daß der Halbleiterkörper im Betrieb auf einer Temperatur gehalten wird, die einerseits ausreichend niedrig ist, daß die Beweglichkeit der Minoritätsträger im wesentlichen durch die Wechselwirkung zwischen den Minoritäts-The semiconductor oscillator according to the invention differs from this prior art in that that the semiconductor device consists of a semiconductor body without a rectifying junction, the it does not necessarily have to be a single crystal for the semiconductor material to be such that the mobility the majority carrier is much smaller than the mobility of the minority carrier that the semiconductor body is kept in operation at a temperature which is on the one hand sufficiently low that the Mobility of the minority carriers essentially through the interaction between the minority

Compagnie Generale de Telegraphic sans FiI,Compagnie Generale de Telegraphic sans FiI,

ParisParis

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Prinz
und Dr. rer. nat. G. Hauser, Patentanwälte,Representative: Dipl.-Ing. E. Prince
and Dr. rer. nat. G. Hauser, patent attorneys,

München-Pasing, Bodenseestr. 3 aMunich-Pasing, Bodenseestr. 3 a

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 13. März 1959 (Nr. 789 253, Seine)Claimed priority:
France of March 13, 1959 (No. 789 253, Seine)

Julien Bok, Paris,
ist als Erfinder genannt wordenJulien Bok, Paris,
has been named as the inventor

trägem und den Majoritätsträgem bestimmt ist, während die Wechselwirkung zwischen den Minoritätsträgem und den Phononen dann zur Begrenzung der Beweglichkeit nicht beiträgt, und die andererseits ausreichend hoch ist, daß die Verunreinigungen des Halbleitermaterials beim Fehlen des elektrischen Feldes vollständig ionisiert sind, und daß das elekirische Feld so stark ist, daß eine Bildung von Elektron-Loch-Paaren im Inneren des Halbleiters stattfindet, so daß dessen Leitfähigkeit im wesentlichen durch die Minoritätsträger bestimmt ist.sluggish and the majority sluggish while the interaction between the minority carriers and the phonons then limit the Mobility does not contribute, and which on the other hand is sufficiently high that the impurities of the Semiconductor material are completely ionized in the absence of an electric field, and that the electrical Field is so strong that electron-hole pairs are formed inside the semiconductor, so that its conductivity is essentially determined by the minority carriers.

Die Erfindung ergibt einen Halbleiteroszillator, bei dem die Schwingungserzeugung auf dem Vorhandensein eines negativen dynamischen Widerstands beruht, wobei aber — im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen dieser Art — der Halbleiterkörper frei von gleichrichtenden Übergängen ist und nicht einmal ein Einkristall zu sein braucht.The invention provides a semiconductor oscillator in which the vibration generation is based on the presence a negative dynamic resistance is based, but - in contrast to the known Arrangements of this kind - the semiconductor body is free of rectifying junctions and not even needs to be a single crystal.

Diese Wirkung wird durch die gleichzeitige Einhaltung der folgenden vier Bedingungen erhalten:
1. Der Halbleiter ist so gewählt, daß die Beweglichkeit seiner Majoritätsträger sehr viel geringer als diejenige seiner Minoritätsträger ist. Diese Bedingung wird vorzugsweise dadurch erfüllt, daß ein Halbleiter vom Leitfähigkeitstyp ρ gewählt wird, der außerdem die Eigenschaft besitzt, daß die Beweglichkeit μ_η der Löcher (Majoritätsträger) viel geringer als die Beweglichkeit μ_ρ der Elektronen (Minoritätsträger) ist. Dies ist der Fall bei Indiumantimonid, das ge-This effect is obtained by simultaneously observing the following four conditions:
1. The semiconductor is chosen so that the mobility of its majority carriers is very much less than that of its minority carriers. This condition is preferably met in that a semiconductor of conductivity type ρ is selected, which also has the property that the mobility μ _{η of} the holes (majority carriers) is much lower than the mobility μ _{ρ of} the electrons (minority carriers). This is the case with indium antimonide, which is

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maß einer bevorzugten Ausführung des Erfindungsgegenstandes angewendet wird. Für Indiumantimonid liegt das Verhältnis μ_η/μ_ρ in der Größenordnung von 10².measure of a preferred embodiment of the subject invention is applied. For indium antimonide, the ratio μ _η / μ _{ρ is of} the order of 10 ² .

2. Die Betriebstemperatur ist ausreichend niedrig, daß die Beweglichkeit der Minoritätsträger im wesentlichen durch ihre Wechselwirkung mit den Majoritätsträgern bestimmt ist. Dies bedeutet in dem zuvor genannten bevorzugten Fall, daß die Wechselwirkung der Elektronen mit den Löchern maßgeblich ist, während die Wechselwirkung der Minoritätsträger mit den Phononen zu der Begrenzung der Beweglichkeit nicht beiträgt.2. The operating temperature is sufficiently low that the mobility of the minority carriers in the is essentially determined by their interaction with the majority holders. this means in the aforementioned preferred case that the interaction of the electrons with the holes is decisive, while the interaction of the minority carriers with the Phonons does not contribute to the limitation of mobility.

3. Die Betriebstemperatur ist ausreichend hoch, daß die Verunreinigungen beim Fehlen des elektrischen Feldes vollständig ionisiert sind. Die Bildung eines negativen Widerstandes tritt nämlich nur darm auf, wenn die Verunreinigungen bereits vor Anlegen des elektrischen Feldes vollständig ionisiert sind; in diesem Fall hat dann das elektrische Feld die Wirkung, daß nicht die Verunreinigungen, sondern das Gitter ionisiert wird, daß also die Kovalenzbindungen des Gitters gebrochen und die Elektron-Loch-Paare befreit werden. Diese Bildung von Elektron-Loch-Paaren unter der Wirkung des elektrischen Feldes hat zur Folge, daß die Minoritätsträger (im Vergleich zu den Majoritätsträgern) ausreichend zahlreich werden, daß sie unter Berücksichtigung ihrer sehr hohen Beweglichkeit die Leitfähigkeit des Halbleiters im wesentlichen allein bestimmen können. Nur unter diesen Bedingungen kann ein negativer Widerstand auftreten. 3. The operating temperature is sufficiently high that the impurities in the absence of the electrical Field are completely ionized. Namely, the formation of a negative resistance occurs only intimidate if the impurities are already complete before the electric field is applied are ionized; in this case the electric field has the effect that not the Impurities, but the lattice is ionized, so that the covalent bonds of the The lattice is broken and the electron-hole pairs are freed. This formation of electron-hole pairs under the action of the electric field has the consequence that the minority carriers (compared to the majority holders) are sufficiently numerous that they are taken into account their very high mobility essentially affects the conductivity of the semiconductor alone can determine. Negative resistance can only occur under these conditions.

4. Das elektrische Feld ist ausreichend stark, daß eine Bildung von Elektron-Loch-Paaren eintritt. Diese Bildung stellt eine Kettenreaktion dar: Sobald sie ausgelöst ist, setzt sie sich fort, bis ein Gleichgewichtszustand erreicht wird.4. The electric field is sufficiently strong that electron-hole pairs are formed. This formation represents a chain reaction: as soon as it is triggered, it continues until one Equilibrium is reached.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, die schematisch den Aufbau und die Schaltung eines Halbleiteroszillators nach der Erfindung zeigt.An embodiment of the invention is shown in the drawing, which schematically shows the structure and shows the circuit of a semiconductor oscillator according to the invention.

In der Zeichnung ist ein Stab 1 aus Indiumantimonid vom Leitfähigkeitstyp ρ dargestellt, der beispielsweise eine Länge von 1 cm und einen Durchmesser von 2 cm besitzt. Diese Abmessungen sind ebensowenig einschränkend wie die Form eines Stabes. Es könnte ebensogut eine Scheibe verwendet werden oder jede andere Form, die zweckmäßig so gewählt wird, daß sie dem Halbleiterkörper eine möglichst große Oberfläche für ein gegebenes Volumen erteilt, damit die Wärmeabfuhr begünstigt wird. Andererseits tritt die Erscheinung der Wechselwirkung der Elektronen mit den Löchern, die dem beobachteten Effekt eines negativen dynamischen Widerstands zugrunde liegt, im Inneren des Halbleiterkörpers unter Erzeugung von Schwingungsenergie auf, die mit den Abmessungen des Körpers wächst. Letzten Endes bestimmen also Überlegungen hinsichtlich der gewünschten Ausgangsleistung und der Wärmeabfuhr die Wahl der Abmessungen. Ferner ist hervorzuheben, daß der Halbleiterkörper 1 für die Anwendung bei der erfindungsgemäßen Anordnung nicht notwendigerweise aus einem Einkristall bestehen muß; er muß jedoch gut kristallisiert sein, was so auszulegen ist, daß "die Mangel der Kristallstruktur die Beweglichkeit der Ladungsträger nicht in merklicher Weise stören dürfen.In the drawing, a rod 1 made of indium antimonide of conductivity type ρ is shown, the for example has a length of 1 cm and a diameter of 2 cm. These dimensions are no more restrictive than the shape of a stick. A disk could just as easily be used or any other shape that is expediently chosen so that it gives the semiconductor body a possible large surface area granted for a given volume so that heat dissipation is favored. On the other hand, there is the phenomenon of interaction of electrons with the holes that are observed Effect of a negative dynamic resistance is based, inside the semiconductor body generating vibrational energy that corresponds to the dimensions of the body grows. Ultimately, therefore, considerations regarding the desired output power determine and the choice of dimensions for heat dissipation. It should also be emphasized that the semiconductor body 1 for Application in the arrangement according to the invention do not necessarily consist of a single crystal got to; however, it must be well crystallized, which is to be interpreted as "the defect in the crystal structure must not disturb the mobility of the charge carriers in a noticeable manner.

An die beiden Enden des Stabes 1 ist ein Generator 2 angeschlossen, der elektrische Impulse 3 erzeugt. Die Zuführungsdrähte sind an die Enden des Stabes in der Weise angelötet, daß im wesentlichen ohmsche Kontakte 4, 5 gebildet werden. Die Impulse 3 können bei einem praktischen Ausführungsbeispiel eine Dauer besitzen, die zwischen 1 und 10 μ& liegt, sowie eine Amplitude von etwa 100 V bei einer Stromabgabe von etwa 10 Ampere.A generator 2, which generates electrical pulses 3, is connected to the two ends of the rod 1. The lead wires are soldered to the ends of the rod in such a way that essentially ohmic contacts 4, 5 are formed. In a practical exemplary embodiment, the pulses 3 can have a duration which is between 1 and 10 μΩ , and an amplitude of approximately 100 V with a current output of approximately 10 amperes.

Der Oszillatorkreis ist in üblicher Weise vervollständigt. In der Zeichnung sind eine Induktivität 6 und eine Kapazität? gezeigt, die einen Serienschwingkreis bilden, der an die Klemmen eines Widerstands 8 angeschlossen ist; selbstverständlich ist die gezeigte Schaltung nur als Beispiel anzusehen, da die Erfindung ausschließlich in der Bildung eines negativen dynamischen Widerstands liegt und nicht in dem an sich bekannten Aufbau einer Oszillatorschaltung mittels eines solchen Widerstands.The oscillator circuit is completed in the usual way. In the drawing there is an inductance 6 and a capacity? shown, which form a series resonant circuit connected to the terminals of a resistor 8 connected; of course, the circuit shown is only to be regarded as an example, since the invention lies solely in the formation of a negative dynamic resistance and not in that known structure of an oscillator circuit by means of such a resistor.

Erfindungsgemäß wird der negative Widerstand durch den Widerstand gebildet, den der Halbleiterkörper 1 dem Stromdurchgang unter den obenerwähnten und später noch genauer zu erläuternden Bedingungen entgegensetzt.According to the invention, the negative resistance is formed by the resistance that the semiconductor body has 1 the current passage under those mentioned above and to be explained in more detail later Opposed to conditions.

Zunächst sei die Beschreibung der gezeigten Anordnung vervollständigt. Der Stab 1 ist in einem Gefäß 9 bei einer bestimmten Temperatur angeordnet, beispielsweise in einer Dewar-Flasche, die flüssigen Stickstoff enthält (Temperatur: 77° K), und dieses Gefäß ist seinerseits in dem Luftspalt eines Magnetkreises angeordnet, der durch seine Polschuhe 10, 11 angedeutet ist. Es herrscht also im Inneren des Halbleiters einerseits ein magnetisches Gleichfeld 27 und andererseits ein elektrisches Feld, das durch die Impulse 3 hervorgerufen wird. Gemäß einem besonderen Erfindungsmerkmal sind die beiden Felder vorzugsweise parallel.First, the description of the arrangement shown should be completed. The rod 1 is in a vessel 9 arranged at a certain temperature, for example in a Dewar bottle, the liquid Contains nitrogen (temperature: 77 ° K), and this vessel is in turn in the air gap of a magnetic circuit which is indicated by its pole pieces 10, 11. So it rules inside the semiconductor on the one hand a magnetic constant field 27 and on the other hand an electric field created by the pulses 3 is caused. According to a particular feature of the invention, the two fields are preferred parallel.

Es läßt sich feststellen, daß die in der Zeichnung gezeigte Anordnung bei den angegebenen konkreten Bedingungen mit einem guten energetischen Wirkungsgrad auf Frequenzen schwingt, die von 10 bis 200 MHz geändert werden können; diese Werte sind nicht als Einschränkungen anzusehen.It can be seen that the arrangement shown in the drawing with the specified specific Conditions with a good energetic efficiency oscillates at frequencies ranging from 10 to 200 MHz can be changed; these values are not to be regarded as restrictions.

Es ist hervorzuheben, daß die Erzeugung von Schwingungen mit beachtlicher Leistung bei einer hohen Frequenz in einer Halbleitermasse von verhältnismäßig beträchtlichen Abmessungen, die ohne Anwendung von diffizilen Maßnahmen zur Erzeugung eines Einkristalls oder zur Bildung von Sperrschichten hergestellt ist, eine neuartige und bemerkenswerte Leistung darstellt, welche den Weg für interessante gewerbliche Anwendungen öffnet.It should be emphasized that the generation of vibrations with considerable power in a high frequency in a semiconductor mass of relatively considerable dimensions, without application of difficult measures for the production of a single crystal or for the formation of barrier layers is a novel and remarkable achievement that paves the way for interesting commercial applications opens.

Ferner ist hervorzuheben, daß die wesentlichen Besonderheiten der schwingenden Anordnung, die den Erfindungsgegenstand bilden, sich auf die Wahl des Halbleiters entsprechend den oben im Punkt 1 enthaltenen Angaben, die Erzeugung eines elektrischen und vorzugsweise eines magnetischen Feldes in der Halbleitermasse und die Herstellung von bestimmten Temperaturbedingungen, die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel dadurch realisiert werden, daß der Halbleiterkörper auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff gebracht wird, beziehen.It should also be emphasized that the main features of the oscillating arrangement that the Subject matter of the invention, rely on the choice of the semiconductor according to those contained in point 1 above Information, the generation of an electric and preferably a magnetic field in the Semiconductor mass and the production of certain temperature conditions, which in the case of the described Embodiment can be realized in that the semiconductor body to the temperature of liquid Nitrogen is brought.

Die vorstehenden Angaben reichen aus, damit der Fachmann eine derartige Oszillatoranordnung nachbilden kann und eindeutig die erfindungsgemäße An-The above information is sufficient for the person skilled in the art to simulate such an oscillator arrangement can and clearly the inventive approach

Ordnung von den zuvor bekannten Anordnungen unterscheiden kann.Order can differ from the previously known arrangements.

Im folgenden soll jedoch der Versuch gemacht werden, eine kurze Erklärung der beobachteten Erscheinung eines negativen Widerstands zu geben, um die Neuartigkeit dieser Erscheinung besser erkennen zu lassen und die Betriebsbedingungen der Anordnung genauer zu definieren.In the following, however, an attempt will be made to give a brief explanation of the phenomenon observed of negative resistance in order to better recognize the novelty of this phenomenon and to define the operating conditions of the arrangement more precisely.

Wenn man den Indiumantimonidstab der beschriebenen Anordnung durch einen Stab aus Germanium des Leitfähigkeitstyps η oder ρ ersetzt, kann keine Schwingung beobachtet werden. Wenn andererseits der Germaniumstab einer wachsenden elektrischen Gleichspannung ausgesetzt wird und der hindurchfließende Strom gemessen wird, kann man feststellen, *5 daß der Strom ständig mit der Spannung wächst.If the indium antimonide rod of the arrangement described is replaced by a rod made of germanium of conductivity type η or ρ, no oscillation can be observed. If on the other hand the germanium rod is exposed to an increasing electrical direct voltage and the one flowing through it If the current is measured, it can be determined * 5 that the current constantly increases with the voltage.

Dagegen zeigt der gleiche Versuch, daß die Kurve der Änderung des Stroms in dem Indiumantimonidstab 1 als Funktion der an die Klemmen angelegten elektrischen Spannung einen Abschnitt enthält, in dem der Strom wächst, während die Spannung abnimmt; ein solcher Kurvenabschnitt entspricht bekanntlich einer Erscheinung, ie unter der Bezeichnung »negativer dynamischer Widerstand« bekannt ist. Es ist bekannt, daß in einem Körper, der diese Eigenschaft besitzt, Schwingungen entstehen können.On the other hand, the same experiment shows that the curve of the change in current in the indium antimonide rod 1 contains a section as a function of the electrical voltage applied to the terminals, in which the current increases while the voltage decreases; as is known, such a curve section corresponds a phenomenon known as "negative dynamic resistance" is. It is known that vibrations can arise in a body that possesses this property.

Zur Erläuterung der Änderung der Leitfähigkeit eines Halbleiters in Abhängigkeit von dem angelegten elektrischen Feld wird im allgemeinen angenommen, daß das elektrische Feld auf Grund der Tatsache, daß es den Ladungsträgern eine bestimmte Energie mitteilt, die Wechselwirkung dieser Ladungsträger einerseits mit den Mängeln des Kristallgitters (als »Phononen« bezeichnet) und andererseits mit den darin eingeschlossenen ionisierten Teilchen oder »Verunreinigungen« vergrößert.To explain the change in conductivity of a semiconductor depending on the applied electric field is generally assumed that the electric field due to the The fact that it communicates a certain energy to the charge carriers, the interaction of these charge carriers on the one hand with the defects of the crystal lattice (referred to as "phonons") and on the other hand with the ionized particles or "impurities" trapped therein.

Diese beiden Arten von Wechselwirkungen verändern auf verschiedene Weise die Beweglichkeit der Ladungsträger, so daß das Gesetz für die Änderung dieser Beweglichkeit von der Art der vorherrschenden Wechselwirkung abhängt.These two types of interactions change the mobility of the Charge carriers, so that the law for changing this mobility from the type of prevailing Interaction depends.

Bekanntlich hängt die Leitfähigkeit des Halbleiters nicht allein von dieser Beweglichkeit, sondern auch von der Zahl der Ladungsträger ab. Ein wachsendes elektrisches Feld führt nämlich zur Bildung von neuen Elektro-Loch-Paaren, wodurch die Zahl der Ladungsträger vergrößert wird.As is well known, the conductivity of the semiconductor depends not only on this mobility, but also on it on the number of load carriers. A growing electric field leads to the formation of new ones Electro-hole pairs, which increases the number of charge carriers.

Für einen Halbleiter mit innerer Leitfähigkeit ist die Wechselwirkung mit den Phononen vorherrschend. Bei sehr unreinem Germanium bestimmt dagegen die Erscheinung der Wechselwirkung der Ladungsträger mit den Verunreinigungen die Leitfähigkeit. For a semiconductor with internal conductivity, the interaction with the phonons is predominant. In the case of very impure germanium, on the other hand, determines the appearance of the interaction Charge carriers with the impurities increase the conductivity.

In beiden Fällen beobachtet man das Gesetz der Änderung der Leitfähigkeit, das oben für Germanium angegeben worden ist und das keiner Erscheinung eines negativen dynamischen Widerstands entspricht.In both cases one observes the law of change in conductivity, the one above for germanium and that does not correspond to any negative dynamic drag phenomenon.

Für den Fall von Indiumantimonid des Leitfähigkeitstyps ρ bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff wurde entdeckt, daß eine dritte Art von Wechselwirkungen, nämlich die Wechselwirkung der freien Elektronen mit den Löchern vorherrschend wird.In the case of indium antimonide of conductivity type ρ at the temperature of liquid nitrogen it was discovered that a third type of interaction, namely the interaction of the free electrons with the holes becomes predominant.

Diese Eigenschaft stellt ein wesentliches Merkmal der Erfindung dar und ist mit der Tatsache verknüpft, daß in dem Halbleiter, der entsprechend den die Erfindung definierenden Angaben gewählt ist, die Beweglichkeit der zahlreicheren Ladungsträger oder.This property is an essential feature of the invention and is linked to the fact that in the semiconductor which is selected according to the information defining the invention, the Mobility of the more numerous load carriers or.

»Majoritätsträger«, die in dem bevorzugten Fall von Indiumantimonid die Löcher sind, sehr viel kleiner als diejenige der weniger zahlreichen Ladungsträger (»Minoritätsträger« genannt: freie Elektronen im Fall von Indiumantimonid) ist."Majority carriers", which in the preferred case of indium antimonide are the holes, much smaller than that of the less numerous charge carriers (called "minority carriers": free electrons in the Case of indium antimonide).

Obwohl die freien Elektronen in der Minderzahl sind, bestimmen sie doch praktisch die Leitfähigkeit des Halbleiters. Im Ruhezustand, d. h. vor dem Anlegen des elektrischen Feldes, läßt sich annehmen, daß der Halbleiter als Ladungsträger nur Löcher enthält; er hat dann eine sehr geringe Leitfähigkeit. Durch das Anlegen des elektrischen Feldes an den Halbleiter wird die »Temperatur« der Löcher erhöht. Wenn die Löcher auf Grund dieser Tatsache eine ausreichende kinetische Energie erhalten, rufen sie die Bildung von Elektron-Loch-Paaren hervor.Although the free electrons are in the minority, they practically determine the conductivity of the semiconductor. In the idle state, i. H. before the electric field is applied, it can be assumed that the semiconductor only contains holes as charge carriers; it then has a very low conductivity. By applying the electric field to the semiconductor, the "temperature" of the holes is increased. When the holes receive sufficient kinetic energy as a result of this, they call the Formation of electron-hole pairs.

Wenn die Zahl der so erzeugten Elektronen ausreichend groß wird (einige Prozent in bezug auf die Zahl der ursprünglich vorhandenen Löcher), führen die Elektronen auf Grund ihrer großen Beweglichkeit nahezu die Gesamtheit des Stroms. Ihre Beweglichkeit ist andererseits durch die Zusammenstöße begrenzt, die sie mit den verhältnismäßig zahlreichen Löchern erleiden; diese Zusammenstöße führen zur Bildung des Gleichgewichts der Energie und der Größe der Bewegung zwischen den Elektronen und dem Gitter; das angelegte elektrische Feld sucht dieses Gleichgewicht zu stören.When the number of electrons thus generated becomes sufficiently large (a few percent with respect to the Number of originally existing holes), the electrons carry due to their great mobility almost the entirety of the stream. On the other hand, their mobility is limited by the collisions, which they suffer with the relatively numerous holes; these clashes lead to Formation of the balance of energy and the magnitude of movement between the electrons and the grid; the applied electric field tries to disturb this equilibrium.

Bei diesem Zustand entspricht ein Ansteigen der Stromdichte eine Vergrößerung der mittleren Bewegungsenergie der Elektronen. Da die Zusammenstöße zwischen den Elektronen und den Löchern über ein Coulombsches Feld erfolgen, nimmt der entsprechende wirksame Querschnitt ab, wenn die mittlere Energie wächst, wodurch die Beweglichkeit der Elektronen vergrößert wird.In this state, an increase in the current density corresponds to an increase in the mean kinetic energy of electrons. Since the collisions between the electrons and the holes occur via a Coulomb field, the corresponding effective cross-section decreases when the mean energy increases, thereby increasing the mobility of the Electrons is enlarged.

Dieses Ansteigen der Beweglichkeit mit der Stromdichte kann genügend schnell erfolgen, damit das angelegte elektrische Feld abnimmt, wenn die Stromdichte wächst; dadurch ergibt sich der negative Widerstand, der die erfindungsgemäße Anordnung kennzeichnet.This increase in mobility with the current density can take place quickly enough for the applied electric field decreases as the current density increases; this results in the negative resistance, which characterizes the arrangement according to the invention.

Es wird keineswegs unterstellt, daß diese Erläuterung streng richtig ist, und die Gültigkeit der Erfindung hängt nicht von ihrer Genauigkeit ab; sie dient hauptsächlich zur Hervorhebung der Wichtigkeit der Wechselwirkungserscheinung zwischen den Elektronen und den Löchern, die bei den bisher bekannten Anordnungen keine merkliche Rolle spielt.It is by no means assumed that this explanation is strictly correct and the validity of the invention does not depend on their accuracy; it mainly serves to emphasize the importance of the The phenomenon of interaction between the electrons and the holes, which occurs in the previously known Arrangements does not play a noticeable role.

Eine letzte wichtige Bemerkung betrifft die experimentell festgestellte Rolle des Magnetfeldes: Bei seinem Fehlen lassen sich stabile Schwingungen nur sehr schwer feststellen.One last important remark concerns the experimentally established role of the magnetic field: in his If they are missing, it is very difficult to determine stable vibrations.

Es scheint, daß die Stromdichte beim Fehlen des Magnetfeldes in dem Querschnitt des Halbleiters nicht homogen ist. Das Magnetfeld hat die Wirkung, die Stromverteilung in der Masse zu homogenisieren, wodurch es dem negativen Widerstand ermöglicht wird, zwischen den Klemmen des Kreises in Erscheinung zu treten.It appears that the current density in the absence of the magnetic field in the cross section of the semiconductor is not homogeneous. The magnetic field has the effect of homogenizing the current distribution in the mass, thereby allowing the negative resistance to appear between the terminals of the circuit to kick.

Claims

Patent claims:

1. Semiconductor oscillator in which the phenomenon of negative dynamic resistance takes advantage of the low temperature in one of the action of an electric field exposed semiconductor device occurs,

characterized in that the semiconductor arrangement consists of a semiconductor body without a rectifying junction, which does not necessarily have to be a single crystal, that the semiconductor material is such that the mobility of the majority carrier is much smaller than the mobility of the minority carrier, that the semiconductor body is in operation a temperature is kept which on the one hand is sufficiently low that the mobility of the minority carriers is essentially determined by the interaction between the minority carriers and the majority carriers, while the interaction between the minority carriers and the phonons then does not contribute to the limitation of the mobility, and on the other hand is sufficiently high that the impurities in the semiconductor material are completely ionized in the absence of the electric field, and that the electric field is so strong

is that a formation of electron-hole pairs takes place inside the semiconductor, so that whose conductivity is essentially determined by the minority carriers.

2. Semiconductor oscillator according to claim 1, characterized in that the semiconductor body lies in a magnetic field which is directed parallel to the electric field.

3. Semiconductor oscillator according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor is indium antimonide is. ,

4. Semiconductor oscillator according to one of the preceding claims, characterized in that that the electric field pulsates.

Considered publications:
German Patent No. 1090 724;
French Patent No. 1140 946;
U.S. Patent No. 2,725,474.

1 sheet of drawings