DE1256726B - Semiconductor arrangement for generating and amplifying electronic vibrations in the microwave range - Google Patents

Semiconductor arrangement for generating and amplifying electronic vibrations in the microwave range

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DE1256726B
DE1256726B DET29870A DET0029870A DE1256726B DE 1256726 B DE1256726 B DE 1256726B DE T29870 A DET29870 A DE T29870A DE T0029870 A DET0029870 A DE T0029870A DE 1256726 B DE1256726 B DE 1256726B
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DE
Germany
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semiconductor body
amplifier
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oscillator
semiconductor
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Pending
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DET29870A
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German (de)
Inventor
Dipl-Ing Dr Phil Berthol Bosch
Dipl-Ing Horst Pollmann
Dipl-Ing Gerhard Schickle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Telefunken Patentverwertungs GmbH
Original Assignee
Telefunken Patentverwertungs GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
    • H03B9/00—Generation of oscillations using transit-time effects
    • H03B9/12—Generation of oscillations using transit-time effects using solid state devices, e.g. Gunn-effect devices
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N80/00—Bulk negative-resistance effect devices

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)
  • Inductance-Capacitance Distribution Constants And Capacitance-Resistance Oscillators (AREA)
  • Oscillators With Electromechanical Resonators (AREA)

Description

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFT H03fEXTENSION PAPER H03f

Deutsche KL: 21 a4 - 9/02 German KL: 21 a4 - 9/02

Nummer: 1 256 726Number: 1 256 726

Aktenzeichen: T 29870IX d/21 a4File number: T 29870IX d / 21 a4

Ύ 256 726 Anmeldetag: 26.November 1965 Ύ 256 726 filing date: November 26, 1965

Auslegetag: 21. Dezember 1967Opened on: December 21, 1967

Die Erfindung befaßt sich mit einer Anordnung zur Erzeugung und Verstärkung elektronischer Schwingungen im Mikrowellenbereich mit Hilfe eines Halbleiter-Bauelementes, bestehend aus einem einkristallinen Halbleiterkörper vorgegebener Abmessung, vorzugsweise aus einem III-V-Verbindungshalbleiter, das bei Überschreiten einer kritischen elektrischen Feldstärke auf Grund einer sich innerhalb des Halbleiterkörpers ausbildenden, den Halbleiterkörper durchlaufenden Hochfeldzone als Oszillator oder Verstärker wirkt, mit mindestens einer zusätzlichen Elektrode.The invention is concerned with an arrangement for generating and amplifying electronic Oscillations in the microwave range with the help of a semiconductor component consisting of a single crystal Semiconductor body of predetermined dimensions, preferably made of a III-V compound semiconductor, that when a critical electric field strength is exceeded due to a within of the semiconductor body forming, the semiconductor body traversing high field zone as an oscillator or amplifier acts, with at least one additional electrode.

Ferner wurde bereits vorgeschlagen, einen Halbleiterkörper vorzugsweise aus einem III-V-Verbindungshalbleiter als Verstärker zu betreiben.Furthermore, it has already been proposed to use a semiconductor body preferably made of a III-V compound semiconductor to operate as an amplifier.

Durch die österreichische Patentschrift 209 377 ist ein Halbleiter-Bauelement bekannt, in dem sogenannte Plasmaschwingungen erzeugt werden, wobei Zonen mit unterschiedlichen Anregungen vorhanden sein können.From the Austrian patent specification 209 377 a semiconductor component is known in which so-called Plasma oscillations are generated, with zones with different excitations being present could be.

Durch die »elektronik-zeitung«, vom 20. 8. 1965, S. 2, ist es außerdem bekannt, bei einem sogenannten »Gunn«-Effekt-Halbleiter-Bauelement eine dritte Elektrode als Steuerelektrode vorzusehen.It is also known from the »elektronik-Zeitung«, August 20, 1965, p. 2, with a so-called "Gunn" effect semiconductor component to provide a third electrode as a control electrode.

Ziel vorliegender Erfindung ist es, ein derartiges Halbleiter-Bauelement derart auszubilden, daß es gleichzeitig als Verstärker und als Oszillator wirkt.The aim of the present invention is to form such a semiconductor component in such a way that it acts as an amplifier and an oscillator at the same time.

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Anordnung wird dies erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zusätzlichen Elektroden und der Halbleiterkörper derart ausgebildet sind und den Elektroden eine derartige Vorspannung zugeführt ist, daß mindestens ein Teil des Halbleiterkörpers als Oszillator und der andere Teil als Verstärker wirkt.Based on the arrangement described above, this is achieved according to the invention in that that the additional electrodes and the semiconductor body are designed in such a way and the electrodes such a bias is supplied that at least a part of the semiconductor body acts as an oscillator and the other part acts as an amplifier.

Die Erfindung ermöglicht somit den kompakten Aufbau einer Misch- und Verstärkeranordnung, was im folgenden näher erläutert werden soll.The invention thus enables the compact construction of a mixer and amplifier arrangement, what will be explained in more detail below.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann beispielsweise so ausgeführt werden, daß die Schwingung des Halbleiterkörpers zur Frequenzumsetzung der zu verstärkenden und/oder der verstärkten Schwingung dient. Für die Frequenzumsetzung wird ein nichtlineares Glied benötigt. Dies kann beispielsweise, wie bereits anderweitig vorgeschlagen, durch einen nichtlinearen Lastwiderstand gebildet werden, der dem als Verstärker und dem als Oszillator wirkenden Teil des Halbleiterkörpers gemeinsam ist. Ferner ergibt sich die Möglichkeit, daß der Halbleiterkörper selbst mindestens einen pn-übergang aufweist, dessen nichtlineare Kennlinie der gewünschten Frequenzumsetzung oder bei Ausbildung als Kapazitätsdiode und Anordnung des Oszillators in Halbleiter-Anordnung zur ErzeugungThe arrangement according to the invention can be designed, for example, so that the oscillation of the Semiconductor body for frequency conversion of the vibration to be amplified and / or the amplified vibration serves. A non-linear element is required for the frequency conversion. This can, for example, as already suggested elsewhere, are formed by a non-linear load resistance, the the part of the semiconductor body that acts as an amplifier and that part of the semiconductor body that acts as an oscillator. Furthermore results there is the possibility that the semiconductor body itself has at least one pn junction, its non-linear characteristic of the desired frequency conversion or when designed as a capacitance diode and arrangement of the oscillator in a semiconductor arrangement for generation

und Verstärkung elektronischer Schwingungenand amplification of electronic vibrations

im Mikrowellenbereichin the microwave range

Anmelder:
TelefunkenApplicant:
Telefunken

Patentverwertungsgesellschaft m. b. H.,
Ulm/Donau, Elisabethenstr. 3Patentverwertungsgesellschaft mb H.,
Ulm / Danube, Elisabethenstr. 3

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Dr. phil. Berthold Bosch,
Dipl.-Ing. Horst Pollmann, Ehrenstein bei Ulm;
Dipl.-Ing. Gerhard Schickle, Backnang (Württ.)Named as inventor:
Dipl.-Ing. Dr. phil. Berthold Bosch,
Dipl.-Ing. Horst Pollmann, Ehrenstein near Ulm;
Dipl.-Ing. Gerhard Schickle, Backnang (Württ.)

einem Resonator der Frequenzänderung (Modula-a resonator of the frequency change (modula-

ao tion) dient.ao tion) serves.

In Weiterführung der Erfindung kann der Halbleiterkörper mit einem zusätzlichen pn-übergang versehen werden, um damit eine Demodulation oder Gleichrichtung der Ausgangsschwingung zu ermög-In a further development of the invention, the semiconductor body can have an additional pn junction provided in order to enable demodulation or rectification of the output oscillation.

a5 liehen. a5 borrowed.

Zur Veranschaulichung der Erfindung ist in der Figur eine Anordnung dargestellt, die eine mögliche Ausführungsform schematisch darstellt. Sie besteht aus einem Halbleiterkörper Pr, an dessen Enden Kontakte K1 bzw. K3 aufgedampft sind. Die mit diesen Kontakten verbundenen Zuleitungen führen zu zwei Spannungsquellen Q1 und Q2, deren gemeinsamer Verbindungspunkt mit dem Lastwiderstand Rl der Anordnung zu einem weiteren Kontakt K2 führt.To illustrate the invention, the figure shows an arrangement which schematically shows a possible embodiment. It consists of a semiconductor body Pr, on the ends of which contacts K 1 and K 3 are vapor-deposited. The leads connected to these contacts lead to two voltage sources Q 1 and Q 2 , the common connection point of which with the load resistor R 1 of the arrangement leads to a further contact K 2 .

Dieser Kontakt K2 ist vorzugsweise durch Eindiffundieren von zusätzlichen Donatoren in eine n-Ieitende Halbleiterschicht an der vorbestimmten Stelle mit Umwandlung in n+-Material verwirklicht, wobei anschließend eine geeignete Metallschicht zum Anschließen des erforderlichen Anschlußdrahtes aufgebracht wurde. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Halbleiterkörper aus zwei Teilen, deren Länge mit a und b bezeichnet wurde. Je nach der gewünschten Anwendung ist es möglich, den Teil a als Verstärker und den anschließenden Teil b als Oszillator zu betreiben, so daß die dem erstgenannten Teil zugeführten Schwingungen verstärkt und anschließend bezüglich ihrer Frequenzlage beispielsweise nach tieferen Frequenzen umgesetzt werden.This contact K 2 is preferably realized by diffusing additional donors into an n-conducting semiconductor layer at the predetermined point with conversion into n + material, a suitable metal layer for connecting the required connecting wire being then applied. In the illustrated embodiment, the semiconductor body consists of two parts, the length of which has been denoted by a and b. Depending on the desired application, it is possible to operate part a as an amplifier and the subsequent part b as an oscillator, so that the vibrations supplied to the first-mentioned part are amplified and then converted to lower frequencies with regard to their frequency position, for example.

Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zur Beeinflussung der Verstär-An expedient development of the invention is that to influence the amplification

709 709/145709 709/145

Claims (9)

kung und zur Verhinderung einer unerwünschten Schwingung des verstärkenden Teiles eine Regelung vorgesehen wird, welche die Energieverhältnisse — Licht- oder Welleneinstrahlung, Umgebungstemperatur, mechanische oder elektrische Vorspannung, zusätzliches Magnetfeld — des als Verstärker wirkenden Teiles des Halbleiterkörpers in geeigneter Weise beeinflußt. Ferner ist es günstig, den als Oszillator wirkenden Abschnitt bezüglich der Frequenz und/oder der Amplitude der entstehenden Schwingung regelbar auszuführen. Insbesondere wird man eine Regelschleife vorsehen, welche den oszillierenden und den verstärkenden Abschnitt verbindet. Die Regelung kann beispielsweise durch Welleneinstrahlung, Temperaturänderung, elektrische bzw. mechanische Vorspannung oder durch ein zusätzliches Magnetfeld erfolgen, wobei die Form des Halbleiterkörpers und seine Orientierung zum Magnetfeld weitere Parameter sind. Für bestimmte Anwendungszwecke ist es möglich, die erfindungsgemäße Anordnung derart aufzubauen, daß zwei Oszillatoren und ein Verstärker vorgesehen sind. Die beiden Oszillatoren können dann derart betrieben werden, daß ein Auf- und/oder Abwärtsmischer entsteht, wobei der als Verstärker wirkende Abschnitt vorzugsweise dazwischen angeordnet ist. Zur Herstellung des Mischverstärkers empfiehlt es sich bei geplanter Verwendung für extrem hohe Frequenzen, die Anordnung einschließlich der zusätzlichen pn-Übergänge epitaxial aufzubauen. Als Halbleitermaterial kommt beispielsweise Gal-Iium-Arsenid oder golddotiertes Germanium in Frage. Patentansprüche:kung and to prevent unwanted oscillation of the amplifying part, a control is provided which influences the energy conditions - light or wave radiation, ambient temperature, mechanical or electrical bias, additional magnetic field - of the part of the semiconductor body acting as an amplifier in a suitable manner. Furthermore, it is advantageous to make the section acting as an oscillator controllable with regard to the frequency and / or the amplitude of the oscillation that occurs. In particular, a control loop will be provided which connects the oscillating and amplifying sections. The regulation can take place, for example, by wave irradiation, temperature change, electrical or mechanical prestressing or by an additional magnetic field, the shape of the semiconductor body and its orientation to the magnetic field being further parameters. For certain applications it is possible to construct the arrangement according to the invention in such a way that two oscillators and an amplifier are provided. The two oscillators can then be operated in such a way that an upward and / or downward mixer is created, the section acting as an amplifier preferably being arranged between them. For the production of the mixer amplifier, it is recommended that the arrangement, including the additional pn junctions, be built epitaxially if it is to be used for extremely high frequencies. For example, gallium arsenide or gold-doped germanium can be used as semiconductor material. Patent claims: 1. Anordnung zur Erzeugung und Verstärkung elektronischer Schwingungen im MikroweIlenbereich mit Hilfe eines Halbleiter-Bauelementes, bestehend aus einem einkristallinen Halbleiterkörper vorgegebener Abmessung, vorzugsweise aus einem III-V-Verbindungshalbleiter, das bei Uberschreiten einer kritischen elektrischen Feldstärke auf Grund einer sich innerhalb des Halbleiterkörpers ausbildenden, den Halbleiterkörper durchlaufenden Hochfeldzone als Oszillator oder Verstärker wirkt, mit mindestens einer zusätzlichen Elektrode, dadurch gekennzeich-1. Arrangement for generating and amplifying electronic vibrations in the microwave range with the aid of a semiconductor component consisting of a single-crystal semiconductor body predetermined dimensions, preferably made of a III-V compound semiconductor, which is at Exceeding a critical electric field strength due to the inside of the semiconductor body forming, the semiconductor body traversing high field zone as an oscillator or Amplifier acts with at least one additional electrode, characterized by net, daß die zusätzlichen Elektroden und der Halbleiterkörper derart ausgebildet sind und den Elektroden eine derartige Vorspannung zugeführt ist, daß mindestens ein Teil des Halbleiterkörpers als Oszillator und der andere Teil als Verstärker wirkt.net that the additional electrodes and the semiconductor body are designed and the Electrodes are supplied with such a bias that at least part of the semiconductor body acts as an oscillator and the other part as an amplifier. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im Oszillatorteil erzeugte Schwingung zur Frequenzumsetzung einer zu verstärkenden und/oder der verstärkten Schwingung dient.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the generated in the oscillator part Vibration for the frequency conversion of a vibration to be amplified and / or the amplified vibration serves. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das für die Frequenzumsetzung erforderliche nichtlineare Glied durch eine geeignete Ausbildung des gemeinsamen Lastwiderstandes gebildet wird.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the frequency conversion required non-linear element through a suitable design of the common load resistance is formed. 4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mindestens eine pn-Schicht aufweist, die zur Frequenzumsetzung und/oder Demodulation bzw. Gleichrichtung dient.4. Arrangement according to claim 1, characterized in that the semiconductor body at least has a pn-layer which is used for frequency conversion and / or demodulation or rectification serves. 5. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der Verstärkung und zur Verhinderung einer unerwünschten Schwingung des verstärkenden Teiles des Halbleiterkörpers eine Regelung vorgesehen ist.5. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that for influencing the reinforcement and to prevent unwanted oscillation of the reinforcing Part of the semiconductor body a control is provided. 6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen des als Oszillator wirkenden Teiles des Halbleiterkörpers regelbar sind.6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Vibrations of the part of the semiconductor body acting as an oscillator can be regulated. 7. Anordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Verstärker und Oszillator eine Regelschleife vorgesehen ist.7. Arrangement according to claim 5 or 6, characterized in that between the amplifier and oscillator a control loop is provided. 8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Halbleiterkörpers als Verstärker und zwei andere Teile des Halbleiterkörpers als getrennte Oszillatoren dienen.8. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a part of the semiconductor body as an amplifier and two other parts of the semiconductor body as separate Oscillators are used. 9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile des Halbleiterkörpers einschließlich der gegebenenfalls vorhandenen pn-Übergänge epitaxial ausgebildet sind.9. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the Parts of the semiconductor body including any pn junctions that may be present epitaxially are trained. In Betracht gezogene Druckschriften:
Österreichische Patentschrift Nr. 209 377;
»elektronik-zeitung«, vom 20. 8. 1965, S. 2,Considered publications:
Austrian Patent No. 209,377;
"Elektronik-zeitung", August 20, 1965, p. 2, 3535 Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings 709 709/145 12.67 O Bundesdruckerei Berlin709 709/145 12.67 O Bundesdruckerei Berlin
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT209377B (en) * 1956-08-30 1960-06-10 Siemens Ag Device for generating plasma oscillations in electronic semiconductors

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AT209377B (en) * 1956-08-30 1960-06-10 Siemens Ag Device for generating plasma oscillations in electronic semiconductors

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