DE1466147A1

DE1466147A1 - Gunn-Effekt Verstaerker

Info

Publication number: DE1466147A1
Application number: DE1965J0029494
Authority: DE
Inventors: Sandbank Carl Peter; Heeks John Stuart
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1964-12-16
Filing date: 1965-12-02
Publication date: 1969-06-12
Also published as: BE673758A; FR1459688A; NL6516302A; GB1126663A; DE1466147B2

Description

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK Gunn-Effekt Verstärker

Die Priorität der Anmeldung in Grossbritannien vom 16.12.1964 Nr. 51167/64 ist in Anspruch genommen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verstärken von Signalen mit Halbleiteranordnungen aus Halbleitermaterial, das Instabilitätseffekte bei hohen Feldern aufweist und auf Vorrichtungen, die derartige Anordnungen enthalten.

Wenn ein Kristall eines bestimmten Halbleitermaterials einem glelohmässigen elektrischen Feld ausgesetzt 1st, das einen kritischen Wert überschreitet, dann enthält der durch den Kristall fliessende resultierende Strom eine Schwingungskomponente einer Frequenz, die durch die Laufzelt von Gitterinetabilitäten zwischen den Kontaktflächen des Kristalls bestimmt ist. Dieses Phänomen entsteht bei gewöhnlichen Temperaturen, erfordert nicht die Einwirkung eines magnetischen Feldes und scheint keine spezielle Dotierung bzw. Geometrie zu erfordern. Erstmals wurde dieser Effekt von J.B. Gunn in Solid State Communications Vol. I, Seite 88, I963, berichtet. Er ist daher als "Gunn-Effekt" bekannt. Der Mechanismus ist noch nicht restlos geklärt, soheint aber mit der übertragung von durch das angelegte Feld hervorgerufenen aufeinanderfolgenden Instabilitäten quer durch den Kristall zusammenzuhängen. Die Schwingungsfrequenz 1st in erster

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Linie durch die Länge des Stromweges durch den Kristall bestimmt. Das Phänomen wurde in III/V-Halbleitern, wie z.B. Gallium-Arsenld und Indium-Phosphid, die η-Leitfähigkeit aufweisen, entdeckt.

Unter der Bezeichnung "Halbleitermaterial mit Instabilitätseffekten bei hohen Feldern" soll bei der Erfindung solches Material verstanden werden, das den Gunn-Effekt oder ähnlich wirkende Effekte, die auf einem geringfügig andersartigen inneren MechanismuB beruhen, aufweist.

Der Wert des angelegten Feldes, unterhalb dessen eine spontane Selbstschwingung nicht auftritt, wird im folgenden als Gunn-Sohwellwert bezeichnet.

Das Verfahren nach der Erfindung gestattet es, unter Ausnutzung des Qunn-Effektes und entsprechender Halbleiteranordnungen in geeigneten Schaltungen eine VerstHrkerwirkung zu erzielen. Erfindungsgemäas wird das dadurch erreicht, dass das im Halbleiterkörper wirksame Feld unterhalb dem für das Einsetzen der Schwingungen massgebenden Schwellwert (Ounn-Schwellwert) liegt und ein aufgeprägtes Eingangssignal das Feld zumindest zeltweise derart erhöht, dass der Schwellwert überschritten und ein oszillierender Strom erzeugt wird.

Nach der weiteren Erfindung enthält eine Schaltungsanordnung einen Körper aus Halbleitermaterial, das hqhe Feldlnstabilitätseffekte aufweist, und Vorrichtungen zum Anlegen einer Spannung zwisohen in Abstand voneinander befindlichen Kontaktflächen an dem besagten Körper, die innerhalb des Körpers ein stetiges elektrisches Feld erzeugen, dessen Wert nirgends grosser als der Qunn-Schwellwert des Materials sein soll. Wenn der Wert des besagten Feldes an Irgendeinem Punkt innerhalb des Körpers,durch Wirkung eines EingangsImpulses verursacht, den Gunn-Schwellwert während einer Zeit, die kürzer ist als die Laufzeit der

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Instabilitäten zwischen den beiden Kontaktfluchen, überschreitet, dann wird der durch den genannten Körper mittels einer Spannungsquelle verursachte Strom eine einzelne Abweichung von seinem stetigen statischen Wert erfahren und die Leistung für einen verstärkten Ausgangsinpuls liefern.

Wenn man die in dem vorhergehenden Absatz beschriebene Art eines Impulsbetriebee erreichen will« muss der stetige statische Wert des angelegten Feldes einen niedrigeren Schwellwert überschreiten, der experimentell für ein gegebenes Material bestimmt werden kann und zwischen 50 und 75# des Gunn-Schwellwertee liegt. Das stetige statische Feld kann kontinuierlich oder impulsförmig angelegt werden, um die gesamte Verlustleistung der Anordnung herabzusetzen.

Das vorübergehende Ansteigen des angelegten Feldes duroh ein Eingangssignal zu einem Betrag, der grosser ist als der Gunn-Sehwellwert, kann erhalten werden durch vorübergehendes Ansteigen der Potentialdifferenz zwischen den beiden Kontaktflächen der Anordnung. Die verhältnismässig niedrige Eingangsimpedanz, die die Anordnung hat, wenn sie in dieser Art verwendet wird, und das Fehlen einer Isolierung zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen ist in einigen Fällen unerwünscht. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist daher eine weitere Kontaktfläche benachbart, Jedoch isoliert von der Oberfläche des Halbleiterkörper vorgesehen. Ein gesteuertes Potential, das an diese zusätzliche Kontaktfläche angelegt wird, verursacht im Körper eine ausgeräumte Schicht einer durch das genannte Potential gesteuerten Tiefe. Dabei bewirkt «ine Änderung des Steuerpotentials, dass die ausgeräumte Schient den Querschnitt des effektiven Stromweges duroh den Körper über zumindest Teile seiner Länge verringert, las daraus reeultierende Ansteigen im Widerstand dee Stromwegee verursacht, zumindest örtlich, ein Ansteigen des elektrischen Feldes in Körper über den öunn-Schwellwert. Die genannte zusätzliche

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Kontaktzone bewirkt daher einen hochohraigen Eingang der Anordnung. Der Körper des halbleitenden Materials hat in der Nähe der zusätzlichen Kontaktfläche eine Konstruktion, die eine Verringerung seines Querschnittes an dieser Stelle in Richtung des Stromflusses, und damit eine Vergrösserung des durch Änderung der Tiefe der ausgeräumten Schicht verursachten Steuereffektes bewirkt.

Der Körper aus Halbleitermaterial besteht vorzugsweise aus n-leitendem Gallium-Arsenid oder Indium-Phosphid. Es können auch andere IIl/V-Halbleiter verwendet werden.

Eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung stellt einen Impulssignalverstärker dar, der, von einer Kette von Eingangsimpulsen getriggert. Leistung.von einer Gleichstromquelle in einen entsprechenden Zug von Ausgangsimpulsen umwandelt. Die Leistung der Eingangsimpulse kann sehr klein sein, während die Leistung des Ausgangsimpulszuges einige Watt betragen kann. Da die Anordnung unabhängig von der Impulsfolgefrequenz arbeitet, vorausgesetzt, dass diese kleiner als die Eigenfrequenz des Gunn-Effektes ist; stellt sie einen aperiodischen Impulsverstärker für Signale unterschiedlicher Frequenz dar, z.B. breitbandige frequenzmodulierte Signale. Die obere Prequenzgrenze in einer speziellen Anordnung beträgt

10·⁷ Hz pro Sekunde.

Weiterhin kann eine Schaltungsanordnung, wie sie allgemein in den vorhergehenden Absätzen besprochen wurde, einen Verstärker für das Eingangssignal einer Schwingung mit veränderlicher Frequenz darstellen. Sie bewirkt, dass das elektrische Feld im Halbleiterkörper den Ounn-Schwellwert während eines Teiles Jeder Schwingung des Eingangssignals überschreitet. Am Ausgang der Schaltungsanordnung erscheint ein nicht sinusförmiges, sich wiederholendes Signal, das mit der oszillierenden Eingangsfrequenz frequenzmoduliert ist. Die Anordnung kann mit einem Oszillator niedriger Leistung kombiniert werden, der durch ein Eingangssignal frequenzmoduliert ist. Sie stellt eine einfache Ubertragungsanordnung

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für eine Nachrichtenkette dar. Eine ähnliche Anordnung kann an dem Empfangsende der Kette angeordnet sein. *

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren 1 und 2 näher erläutert, die schematisoh verschiedene Übertragungsanordnungen für eine solche Kette zeigen.

Das in Figur 1 dargestellte aktive Element der Übertragungsanordnung besteht aus einer mit parallelen Flächen versehenen Scheibe aus η-leitendem Gallium-Arsenid mit ohmschen Kontaktflächen 11, die an ebenen Oberflächen befestigt sind. Eine Gleichstromquelle 12 dient dazu, eine steuerbare Potentialdifferenz zwischen den Kontaktflächen 11 anzubringen. Die Ausgangssohaltung 13 dient dazu, irgendeine SchwingungskOBponente des durch den Kristall fliessenden Stromes auszukoppeln.

Das als Gunn-Effekt bekannte Phänomen offenbart sich durch das Erscheinen einer Schwingungskomponente des durch den Kristall 10 fliessenden Stromes im Auegangskreis 13, wenn die von der Quelle angelegte Potentialdifferenz quer durch den Kristall einen kritischen Wert überschreitet* Bei einem Galllum-Arsenld-Kristall einer Länge von 2 χ 10 cm beträgt die kritische Spannung, die notwendig ist, um eine Schwingung zu erzeugen, 40 Volt, entsprechend einem Feld im Kristall der Grössenordnung von 2.000 Volt/cm. Die Eigenschwingungsfrequenz hängt direkt von der Länge 1 des Kristalls ab und beträgt 10^ Hz pro Sekunde.

Bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung beträgt die von der Quelle 12 angelegte Spannung einen experimentell bestimmbaren Teil der Spannung, die notwendig ist, um die Eigenschwingung anzuregen. Sie wird so gewählt« dass eine mittels eines lokalen Oszillators mit sinusförmigem Ausgang überlagerte oszillierende Sohwingung den Kristall 10 während kurzer Zeitintervalle innerhalb Jeder Schwin- . gung der Eingangsfrequenz zu einer Eigenschwingung anregt. Mit

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anderen Worten, der Spitzenwert der oszillierenden Eingangsspannung wird so gewählt, dass er gerade ausreicht, um das elektrische Feld im Kristall über den Gunn-Schwellwert zu bringen. Es wurde festgestellt, dass unter diesen Bedingungen jede Triggerung durch die Spitze einer Halbperiode des Eingangssignals einen scharfen Stromimpuls zur Folge hat, der die im Ausgangskreis 13 erscheinende Leistung aus der Spannungsquelle 12 darstellt. Die oszillierende Wellenform, die der Anordnung vom Oszillator 14 zugeführt wird, erzeugt auf diese Weise einen entsprechenden Zug scharfer im Ausgangskreis erscheinender Stromimpulse. Wenn die Frequenz des lokalen Oszillators durch ein aufgebrachtes Signal 15 moduliert werden kann, dann trägt der Zug der Ausgangsimpulse ebenfalls diese Frequenzmodulation. Die Arbeitsweise der Anordnung ist praktisch unabhängig von der Frequenz, vorausgesetzt, dass die Eigenschwingung des Gunn-Effekts nicht überschritten wird. Damit stellt die Schaltungsanordnung einen vollständigen aperiodischen

Impulsverstärker dar, der bis zu Frequenzen über 10^ Hz pro Sekunde verwendbar 1st. Die Ausgangsleistung der Anordnung hängt von der zulässigen Streuung innerhalb des Kristalls 10 ab. Die Ausgangsleistung kann einige Watt betragen. Da jedoch der Wirkungsgrad relativ gering ist, lässt dies auf eine relativ hohe Streuung innerhalb des Kristalles schliessen. Die Versorgungsspannungsquelle 12 kann im Impulsbetrieb arbeiten, um die Verlustleistung herabzusetzen.

Eine der in Figur 1 dargestellten Anordnung ähnliche Anordnung kann an dem empfangerseitigen Ende einer Nachrichtenkette verwendet werden. Das empfangene frequenzmodulierte Signal wirkt direkt auf den Eingang der Halbleiteranordnung anstelle des aus dem lokalen Sender 14 eingespeisten Signals. Ein schmales aus dem Ausgang I^ der Halbleiteranordnung gespeistes Bandfilter bewirkt eine direkte Umwandlung zu einem amplitudenmodulierten Ausgangssigna1.

In Figur 2 der Zelohnung ist eine Anordnung dargestellt, bei weloher

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die Halbleiteranordnung andere auegebildet 1st als in Figur 1. Man erhält damit eine hohe Eingangsimpedanz und eine verbesserte Isolierung zwischen dem Eingangs- und Ausgangskreis. Bei dieser Anordnung hat der Halbleiterkristall 2 Kontaktflächen 21 an seinen gegenüberliegenden Endoberfläahen, zwischen denen die Potentialdifferenz aus der Spannungsquelle 22 in der gleichen Art wie in Figur 1 angelegt ist. Auch die Ausgangsschaltung 23 ist unverändert* Jedoch ist der Eingang von dem lokalen Oszillator 24 bei der betrachteten Anordnung an eine weitere Kontaktflache 25 angelegt» die auf einer der seitlichen Oberflächen des Halbleiterkristalls 20 angeordnet 1st und elektrisch durch eine dünne Schicht aus Isoliermaterial 26, z.B. aus Kieselerde, von dieser isoliert 1st. Eine Querrinne 27 im Halbleiterkristall bewirkt eine Verengung des Strompfades durch den Kristall zwischen den beiden Anschluss flächen 21 gegenüber der zusätzlichen Elektrode 25.

Wenn eine geeignete Vorspannung mittels einer Vorspannungequelle an die Elektrode 25 angelegt ist, wird eine ausgeräumte.Schicht erzeugt, die sich in den verengten Hals des Kristalls in der Nähe der Elektrode 25 erstreckt. Die Tiefe dieser Schicht und damit die Wirkung, die ihre Anwesenheit im Hinblick auf eine weitere Verengung des vorhandenen Strompfades duroh den Kristall verursacht, hängt von dem Wert der Vorspannung ab. Wenn die stetige Vorspannung der Quelle 28 mit einer oszillierenden Spannung von dem lokalen Oszillator 24 kombiniert ist, wie in der Figur dargestellt, kann die ausgeräumte Schicht veranlasst werden, sich synchron mit dem oszillierenden Eingangssignal zu bewegen. Durch ihre Bewegung verursacht die auegeräumte Schicht eine Änderung des Widerstandes des verengten Teiles des Strompfades duroh den Kristall und damit eine Veränderung der Potentialdifferenz duroh den verengten Teil des Kristalls, und gleichzeitig des Wertes des elektrischen Feldes, das in diesem Teil des Kristalles besteht. Eine Bewegung der ausgeräumten Schicht kann auf diese Weise das elektrische Feld im Kristall vorübergehend ansteigen lassen bis über den Ounn-Schwellwert an den Spitzen des oszillierenden Eingangssignals. Die

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Wirkungsweise ist derjenigen, die im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben worden ist, gleich. Sie hat lediglich den Vorteil, dass die Eingangselektrode 25 elektrisch vom Kristall isoliert ist, wodurch ein Eingang mit einer hohen Eingangsimpedanz entsteht und auch eine erheblich bessere Isolierung zwischen dem Eingangs- und Ausgangskreis erhalten wird.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

Verfahren zum Verstärken von Signalen mit einer Anordnung aus einem Körper kristallinen Halbleitermaterials, das bei der Einwirkung hoher Felder Instabilitäten aufweist» die einem durch den Kristall fliessenden Strom eine von der Laux"zeit der Gitterinstabilitäten abhängige Schwingungskomponente aufprägen (Gunn-Effekt), Kitteln »um Erzeugen eines elektrischen Feldes im Halbleiterkörper, Kitteln zum Aufprägen eines Eingangesignals und Kitteln zum Abnehmen eines Auegangssignals, dadurch gekennzeichnet, dass das im Halbleiterkörper wirksame c'eld unterhalb dem für das Einsetzen -der Schwingungenjnassvjebendea Schwellwert (Gunn-3chwellwert) liegt ur-d das aufgeprägte Hingangssignal das ield zumindest zeitweise derart erhöht, dass der Schwellwert überschritten und ein oszillierender Strom erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld durch eine am Halbleiterkörper anliegende Potentialdifferenz erzeugt wird.

j5. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Feld im Halbleiterkörper durch Einwirken eines Spannungsimpulses erhöht wird.

4. Verfahren nach Ansprächen 1 bis ]5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische l?-eld impulsförmig angelegt wird.

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5· Halbleiteranordnung zum Durchführen dee Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörper (10) aus Material mit Instabilitätseffekten bei hohen elektrischen Feldern und awei in Abstand voneinander angebrachten Kontaktflächen (11) am Halbleiterkörper zum Anlegen einer Spannung.

_t 6. Halbleiteranordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen Halbleiter» körper (20) aus Material mit Instabilitätseffekten bei hohen elektrischen Feldern, zwei in Abstand voneinander angebrachten Kontaktflächen (21) am Halbleiterkörper (20) zum Anlegen einer Spannung und einer weiteren vom Halbleiterkörper isolierten in unmittelbarer Nähe seiner Oberfläche angebrachten Kontaktfläche (25) zum Anlegen eines Steuerpotentials.

Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einengung (27) des Halbleiterkörpers in der Nähe der zusätzlichen Steuerelektrode (25).

8. Halbleiteranordnung nach Ansprüchen 5 bis 1» gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörper aus η-leitenden Verbindungen der III- und V-Gruppe des periodischen Systems, vorzugsweise Galliumarsenid oder Indiumphosphid.

9· Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 4 mit Halbleiteranordnungen nach Ansprüchen 5 his 8, dadurch gekennzeichnet, dass an die beiden Kontaktflächen (11) des Halbleiterkörpers (10) eine

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Spannungsquelle (I2)gelegt ist, die im Halbleiterkörper ein elektrisches Feld unterhalb dem Gunn-Schwellvrert erzeugt^ und dass ein in einem Oszillator (14) erzeugtes Eingangssignal in den Speisekreis derart eingekoppelt wird, dass es die Spannung derart erhöht, dass das Feld im Halbleiterkörper zumindest örtlich den Ounn-Sohwellwert übersteigt und im Ausgangskreis 13 ein der Dauer des Eingangesignale entsprechender Impuls ausgekoppelt wird.

10. Schaltungsanordnung zum Durchführen des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 4 mit Halbleiteranordnungen nach Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass an die beiden gegenüberliegenden Kontaktflächen (21) des Halbleiterkörpers (20) eine Spannungsquelle (22) zum Erzeugen eines unterhalb des Gunn-Schwellwert liegenden elektrischen Feldes im Halbleiterkörper angelegt 1st, dass eine gegenüber einer Einbuchtung (27) im Halbleiterkörper isoliert auf der Oberfläche angebrachte weitere Elektrode (2^) mit einer Steuer-Vorspannungsquelle (28) verbunden ist, und dass in den Steuerkreis ein in einem Oszillator (24) erzeugtes Signal eingekoppelt wird, das die Steuerspannung derart moduliert, dass die durch das Feld der zusätzlichen Elektrode (25) im Halbleiterkörper verursachte Schicht an verarmten Ladungsträgern sich soweit ausdehnt, dass der Strompfad zwischen den Kontaktflächen (21) derart verengt wird, dass durch ein Steigen der Spannung die Feldstärke über den Ounn-Sohwellwert erhöht wird, so dass im Auegangekreis (2j?) ein der Dauer des Eingangseignais entsprechender Ausgangsimpuls erhalten wird.

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