DE1234800B - Halbleiteranordnung mit nichtlinearer oder fallender Strom-Spannungscharakteristik - Google Patents

Description

DEUTSCHES #l# PATENTAMT AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21 a2-18/08

Nummer: 1234 800

Aktenzeichen: S 72824 VIII a/21 a2

J 234 800 Anmeldetag: 3.Märzl961

Auslegetag: 23. Februar 1967

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit negativem Widerstand bzw. fallender Charakteristik und insbesondere ein Schaltelement, das eine Tunneldiode und eine Rückwärtsdiode enthält.

Unter einer Rückwärtsdiode versteht man eine Tunneldiode mit spezieller Kennlinie, und zwar unterscheidet sich die Kennlinie der Rückwärtsdiode von der allgemeinen Kennlinie einer Tunneldiode dadurch, daß der Teil mit negativem Widerstand wegfällt. ίο

Von einer Zenerdiode unterscheidet sich eine Rückwärtsdiode insbesondere in der Charakteristik dadurch, daß die Durchbruchsspannung \E₀\ der Rückwärtsdiode in der zur Flußrichtung entgegengesetzten Richtung immer kleiner oder höchstens gleich der Spannung \E_P\ im Knick des Stromanstieges in der Flußrichtung der Rückwärtsdiode ist (j Eq j < j E_p ;), während bei der Zenerdiode für dieselben ausgezeichneten Punkte die Beziehung \Eq\>\E_p[ gilt. Hierbei ist mit Flußrichtung die in der Halbleiterphysik übliche Polung bezeichnet.

Das Hauptziel der Erfindung betrifft ein Element mit negativem Widerstand, das eine Tunneldiode und eine Rückwärtsdiode enthält, deren resultierende Charakteristik von den an die Rückwärtsdiode angelegten Spannungen verändert wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung befaßt sich mit einem Element mit negativem Widerstand, das für verschiedenartig elektrische Schaltungen, z. B. für einen Oszillator, Verstärker, Modulator, Frequenzwandler od. dgl. brauchbar ist.

Gemäß der Erfindung wird eine Halbleiteranordnung angegeben, welche eine nichtlineare oder fallende Strom-Spannungs-Charakteristik aufweist, welche aus einer Tunneldiode und einer speziellen, ebenfalls auf dem Tunneleffekt beruhenden Diode besteht, deren Strom-Spannungs-Charakteristik der negative Widerstandsbereich fehlt und bei der die zur Flußrichtung entgegengesetzte Richtung stärker leitet als die Flußrichtung (sogenannte Rückwärtsdiode), und die sich dadurch auszeichnet, daß beide Dioden parallel zu einer Stromquelle angeordnet sind, und daß ihre Flußrichtung relativ zueinander entgegengesetzt sind, so daß die Charakteristik der Rückwärtsdiode die N-Charakteristik der Tunneldiode beeinflußt.

Die Schaltung der Rückwärtsdiode in der zur Flußrichtung entgegengesetzten Richtung bringt den Vorteil, daß die Rückwärtsdiode in dieser Richtung stärker leitet als in der Flußrichtung und daß die Rückwärtsdiode in der zur Flußrichtung entgegengesetzten Richtung in der Nähe der Durchbruchsspannung Eq Halbleiteranordnung mit nichtlinearer oder
fallender Strom-Spannungscharakteristik

Anmelder:

Sony Corporation, Tokio

Vertreter:

Dr. F. Zumstein,

Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. Ε. Assmann
und Dipl.-Chem. Dr. R. Koenigsberger,
Patentanwälte, München 2, Bräuhausstr. 4

Als Erfinder benannt:
Junichi Yasuda,
Motomu Tadama, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 4. März 1960 (7168)

weit weniger temperaturabhängig ist als in der Umgebung der Spannung E_p in der Flußrichtung, wodurch ein besonders stabiler und zuverlässiger Betrieb der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung gewährleistet ist.

Gemäß einer vorzugsweisen Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorspannungsquelle an wenigstens eine der Dioden angeschlossen.

Zweckmäßigerweise steht dabei die Rückwärtsdiode unter solcher Vorspannung, daß, wenn die an die Klemmen des Zweipols angelegte Spannung so groß ist, daß die Tunneldiode in wenigstens einem Teil des Abschnitts mit fallender Charakteristik arbeitet, die Rückwärtsdiode in einem der Knie (Maximum bzw. Minimum) ihrer Charakteristik betrieben wird.

Es ist gleichfalls zweckmäßig, einen Kondensator zwischen die zu einer Wechselstromquelle parallelgeschalteten Dioden zu legen.

Andere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden ausführlicher in der folgenden Beschreibung erläutert, in der auf die Zeichnung Bezug genommen wird, in der

Fig. 1 eine Charakteristik einer gemäß der Erfindung verwendeten Tunneldiode darstellt;

Fig. 2 ist die Charakteristik eines Elements, bei der in einem Abschnitt die Spannung konstant ist;

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F i g. 3 ist ein Parallelkreis mit einem Element gemäß Fig. 2 und einer Tunneldiode, wobei diese Figur zur Erläuterung der Erfindung dient;

Fig. 4 zeigt eine resultierende Charakteristik des in F i g. 3 gezeigten Kreises;

F i g. 5 ist die Charakteristik einer gemäß der Erfindung verwendeten Rückwärtsdiode;

Fig. 6 ist ein Schaltschema, durch das grundsätzlich das Element mit negativem Widerstand erläutert wird, das gemäß der Erfindung verwendet wird;

Fig. 7 zeigt Charakteristiken der in Fig. 6 dargestellten Schaltung;

Fig. 8 ist eine Grundschaltung eines Elements mit negativem Widerstand, wie es gemäß der Erfindung verwendet wird;

F i g. 9 zeigt resultierende Charakteristiken der in F i g. 8 dargestellten Schaltung.

Eine Tunneldiode, die allgemein mit TD bezeichnet ist, stellt ein nichtlineares Zweipolelement mit negativem Widerstand bzw. fallender Charakteristik dar. Wenn daher die Tunneldiode mit einem Element B kombiniert wird, dessen Charakteristik einen Abschnitt mit konstanter Spannung aufweist, dann erhält man einen Zweipol oder Mehrpol, dessen negativer Widerstand entsprechend abgeändert ist.

Die Charakteristik der Tunneldiode zeigt etwa in Form, wie dies durch die Kurve 1 in F i g. 1 dargestellt ist, und das nichtlineare Element, in dessen Charakteristik ein Abschnitt mit konstanter Spannung vorkommt, zeigt eine Gleichrichter-Charakteristik, die in F i g. 2 mit 2 bezeichnet ist. Wenn nun diese beiden Elemente, die Tunneldiode und das Element B, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist, parallel geschaltet werden, dann erhält man eine N-förmige Charakteristik, wie sie bei 3 in Fig. 4 gezeigt ist, wobei sich diese Charakteristik von der N-förmigen Charakteristik 1 der F i g. 1 unterscheidet.

Gemäß der Erfindung wird eine Rückwärtsdiode, die allgemein mit BD bezeichnet ist, als Element verwendet, dessen Charakteristik einen Abschnitt mit konstanter Spannung besitzt.

Die Rückwärtsdiode ist ein Element, bei dem die Verunreinigung in hoher Dichte vorliegt, und sie weist einen Tunneleffekt ähnlich wie die Tunneldiode auf, und unterscheidet sich von einer üblichen Diode, bei der der Avalanche-Effekt auftritt, und sie zeigt in ihrer Charakteristik einen Abschnitt konstanter Spannung sowohl im positiven als auch im negativen Gebiet, wie dies durch eine Kurve 4 in F i g. 5 gezeigt ist. Vorzugsweise verwendet.man eine solche Rückwärtsdiode in dem Gebiet der Charakteristik, das der umgekehrten Flußrichtung entspricht. Der Grund hierfür ist wie folgt:

1. Eine breite, nichtlineare Charakteristik kann im Gebiet Q der Umkehrrichtung der Charakteristik leichter hergestellt werden, als in einem Charakteristikgebiet P der Flußrichtung;

2. das Gebiet Q ist viel kleiner in der Temperatur- g₀ zuverlässigkeit als das Gebiet P;

3. in dem Gebiet P tritt ein Rauschen auf, das einem Halbleiter eigen ist und auf einem Überstrom beruht, jedoch im Gebiet Q tritt nur ein geringes Rauschen auf, das auf andere Ursachen als auf einen Sättigungsstrom zurückzuführen ist, der ebenso groß oder kleiner ist als bei der Tunneldiode;

4. eine Spannung E₀ an einem aufsteigenden Punkt der Charakteristik in Umkehrrichtung, kann leicht zu einem sehr breiten Bereich von 0 Volt an gemacht werden, jedoch eine Spannung E_p eines ansteigenden Punktes in Flußrichtung kann nicht so sehr verändert werden. Das Gebiet der Charakteristik in umgekehrter Flußrichtung ist in jeder Hinsicht dem Flußrichtungsgebiet einer üblichen Diode überlegen, bei welcher der Avalanche-Effekt auftritt. Wenn ein Verstärker, Oszillator, Wandler od. dgl. durch Kombinieren einer Rückwärtsdiode und einer Tunneldiode hergestellt wird, dann verwendet man vorzugsweise das Gebiet in entgegengesetzter Flußrichtung, da hier keine Gefahr besteht, daß ein Rauschen infolge der Temperatur und infolge von Überstrom auftritt. Gemäß der Erfindung wird daher grundsätzlich die Rückwärtsdiode in Umkehrrichtung an eine Tunneldiode angeschlossen.

Wenn die Tunneldiode parallel zu der obenerwähnten Rückwärtsdiode geschaltet wird, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, dann erhält man N-förmige Charakteristiken, wie sie in Fig. 7 dargestellt sind. Dies bedeutet, daß man verhältnismäßig verschiedene Charakteristiken 8 a, 8 b, Sc . . . erhalten kann, wenn man Rückwärtsdioden mit verschiedenen Charakteristiken verwendet. Wenn, wie in Fig. 8 dargestellt ist, die Tunneldiode und die Rückwärtsdiode über einen Kondensator 4' verbunden sind, so daß sie gleichstrommäßig voneinander getrennt sind, und wenn die Rückwärtsdiode an eine Spannungsquelle E z. B. über einen Widerstand 5 angeschlossen ist, die eine von der der Tunneldiode verschiedene Spannung liefert, dann können die resultierenden Charakteristiken relativ zum Wechselstrom zwischen den Klemmen 6 und 7 der Tunneldiode frei von der N-Charakteristik verändert werden, wie dies durch die Kurven 9 a, 9 b, 9c und 9& in Fig. 9 angedeutet ist, in dem die Spannung der Rückwärtsdiode verändert wird.

Die Erfindung kann in sehr verschiedenartiger Weise angewendet werden.

So können mit dem neuen Schaltelement leicht Amplituden- oder Frequenzmodulatoren, Frequenzwandler, Verstärker oder Amplitudenbegrenzungsverstärker aufgebaut werden.

Die Erfindung kann auch auf eine Tunneldiode angewendet werden, die als Schaltelement arbeitet. In vielen Fällen wird die Tunneldiode paarweise verwendet, und diese Dioden müssen gleiche Charakteristiken haben. Solch gleichmäßige Dioden sind jedoch schwer zu erhalten. In diesem Fall können, wenn Rückwärtsdioden gemäß der Erfindung verwendet werden, Schaltelemente mit gleichen Charakteristiken leicht dadurch erhalten werden, daß die Spannung der Dioden richtig verändert wird.

Gleichfalls kann mit dem erfindungsgemäßen Schaltelement ein Verstärker gebaut werden, der eine automatische Verstärkungskontrolle erhalten kann, indem die Spannung der Rückwärtsdiode vermittels eines Eingangssignals verändert wird.

Wie bei der Beschreibung der F i g. 9 erläutert wurde, können verschiedene N-förmige Charakteristiken erhalten werden, da jedoch das N-Gebiet der Charakteristik praktisch symmetrisch zur Stelle der größten Leitfähigkeit ist, nämlich zum Mittelpunkt des negtiven Gebietes, so kann man einen idealen

Claims (4)

Amplitudenbegrenzungsverstärker erhalten, indem man die Verstärkung im negativen Gebiet vornimmt. Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung, welche eine nichtlineare oder fallende Strom-Spannungs-Charakteristik aufweist, welche aus einer Tunneldiode und einer speziellen ebenfalls auf dem Tunneleffekt beruhenden Diode besteht, deren Strom-Spannungs-Charakteristik der negative Widerstandsbereich fehlt und bei der die zur Flußrichtung entgegengesetzte Richtung stärker leitet als die Flußrichtung (sogenannte Rückwärtsdiode), dadurch gekennzeichnet, daß beide Dioden parallel zu einer Stromquelle angeordnet sind und daß ihre Flußrichtung relativ zueinander entgegengesetzt sind, so daß die Charakteristik der Rückwärtsdiode die N-Charakteristik der Tunneldiode beeinflußt.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorspannungs-

quelle an wenigstens eine der Dioden angeschlossen ist.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung für die Rückwärtsdiode derart gewählt ist, daß, wenn die an die Klemmen des Zweipols angelegte Spannung so groß ist, daß die Tunneldiode in wenigstens einem Teil des Abschnitts mit fallender Charakteristik arbeitet, die Rückwärtsdiode ίο in einem der Knie (Maximum bzw. Minimum) ihrer Charakteristik betrieben wird.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Kondensator, der zwischen den zu einer Wechselstromquelle parallelgeschalteten Dioden liegt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»elektronics«, 27.11.1959, S. 60 bis 64;
»Physical Review«, 1958, Bd. 109, Nr. 2, S. 603 und 604;

»IRE-Transactions on Electron Devices«, Vol. 7, Nr. 1, Januar 1960, S. 1 bis 9.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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