DE1466147C3 - Gunn-Effekt-Verstärkungsverfahren - Google Patents

Description

Die Erfindung beschäftigt sich mit einem Verfahren zum Verstärken von Signalen mittels eines Halbleiterbauelements, bei welchem ein Halbleiterkörper aus einem Material verwendet wird, das Instabilitätseffekte bei hohen Feldern aufweist.

Wenn ein Kristall eines solchen Halbleitermaterials einem gleichmäßigen elektrischen Feld ausgesetzt ist, das einen kritischen Wert überschreitet, dann enthält der durch den Kristall fließende resultierende Strom eine Schwingungskomponente einer Frequenz, die durch die Laufzeit von Gitterinstabilitäten 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, S. 88, 1963, berichtet. Er ist daher als »Gunn-Effekt« bekannt. Der Mechanismus ist noch nicht restlos geklärt, scheint aber mit der Übertragung von durch das angelegte Feld hervorgerufenen aufeinanderfolgenden Instabilitäten quer durch den Kristall zusammenzuhängen. Die Schwingungsfrequenz ist in erster Linie durch die Länge des Stromweges durch den Kristall bestimmt. Das Phänomen wurde in III/V-Halbleitern, wie z. B. GaIIium-Arsenid und Indium-Phosphid, die n-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 Mechanismus beruhen, aufweist.

Der Wert des angelegten Feldes, unterhalb dessen .. eine spontane Selbstschwingung nicht auftritt, wird im folgenden als Gunn-Schwellwert bezeichnet.
Das vorübergehende Ansteigen des angelegten FeI-des durch ein Eingangsssignal auf einen Betrag, der größer ist als der Gunn-Schwellwert, kann nach dem Verfahren des älteren Vorschlages der DT-PS 12 98 152 erhalten werden durch vorübergehendes Ansteigen der Potentialdifferenz zwischen den beiden Kontaktflächen des Halbleiterkörpers. Die verhältnismäßig niedrige Eingangsimpedanz, weiche das Halbleiterbauelement hat, wenn es in dieser Art verwendet wird, und das Fehlen einer Isolierung zwischen den Eingangs- und Ausgangsanschlüssen ist jedoch in einigen Fällen unerwünscht. Nach dem genannten älteren Vorschlag ist daher eine weitere Steuerelektrode isoliert von der Oberfläche des Halbleiterkörpers vorgesehen. Ein gesteuertes Potential, das an dieser zusätzlichen Steuerelektrode angelegt wird, verursacht im HaIbleiterkörper eine ausgeräumte Schicht einer durch das genannte Potential gesteuerten Tiefe. Dabei bewirkt eine Änderung des Steuerpotentials, daß die ausgeräumte Schicht den Querschnitt des effektiven Stromweges durch den Halbleiterkörper über zumindest Tei-Ie seiner Länge verringert. Das daraus resultierende Ansteigen im Widerstand des Stromweges verursacht, zumindest örtlich, ein Ansteigen des elektrischen Feldes im Halbleiterkörper über den Gunn-Schwellwert. Die genannte zusätzliche Steuerelektrode bewirkt daher einen hochohmigen Eingang des Halbleiterbauelements. Die Erfindung geht vom Verfahren dieses älteren Vorschlages der DT-PS 12 98 152 aus.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Verstärken von Signalen unter Verwendung eines HaIbleiterkörpers aus kristallinem Material, das bei Einwirkung hoher Felder Instabilitäten aufweist, die einem durch den Kristall fließenden Strom eine von der Laufzeit der Gitterinstabilitäten abhängige Schwingungskomponente aufprägen (Gunn-Effekt), Mitteln zum Er- zeugen eines elektrischen Feldes im Halbleiterkörper über zwei im Abstand voneinander am Halbleiterkörper angebrachte Kontaktflächen zum Anlegen einer Spannung, Mitteln zum Aufprägen eines Eingangssi-

gnals und Mitteln zum Abnehmen eines Ausgangssignals, bei welchem Verfahren das im Halbleiterkörper wirksame Feld unterhalb dem für das Einsetzen der schwingungsmaßgebenden Schwellwert (Gunn-Schwellwert) liegt und mittels einer weiteren vom Halbleiterkörper isolierten und in unmittelbarer Nähe seiner Oberfläche angebrachten Steuerelektrode ein Steuerpotential angelegt wird, welches das Feld zumindest zeitweise über den Schwellwert bringt und ein oszillierender Strom erzeugt wird.

Aufgabe der Erfindung ist die Erhöhung des Steuereffektes bei den bekannten Verfahren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Verwendung eines Halbleiterkörpers gelöst, der in der Nähe der Steuerelektrode eine Einengung aufweist.

Der beim Verfahren nach der Erfindung verwendete Halbleiterkörper weist somit in der Nähe der zusätzlichen Steuerelektrode eine Verringerung seines Querschnittes senkrecht zum Stromfluß auf, was die angestrebte Vergrößerung des durch Änderung der Tiefe der ausgeräumten Schicht verursachten Steuereffektes bewirkt.

Wird beim Verfahren nach der Erfindung innerhalb des Halbleiterkörpers ein stetiges elektrisches Feld erzeugt, dessen Wert nirgends größer als der Gunn-Schwellwert des Halbleitermaterials ist und den Wert des besagten Feldes an irgendeinem Punkt innerhalb des Halbleiterkörpers durch Wirkung eines Eingangsimpulses während einer kürzeren Zeit als die Laufzeit der Instabilitäten zwischen den beiden Kontaktflächen über den Gunn-Schwellwert erhöht, dann wird der durch den genannten Körper mittels einer Spannungsquelle verursachte Strom eine Einzelabweichung von seinem stetigen statischen Wert erfahren und die Leistung für einen verstärkten Ausgangsimpuls liefern.

Wenn man die in dem vorhergehenden Absatz beschriebenen Art eines Impulsbetriebes 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-Schwellwertes liegt. Das stetige statische Feld kann kontinuierlich oder impulsförmig angelegt werden, um die gesamte Verlustleistung der Anordnung herabzusetzen.

Der Körper aus Halbleitermaterial besteht Vorzugsweise aus η-leitendem Gallium-Arsenid oder Indiumphosphid. Es können auch andere HI/V-Halbleiter verwendet werden.

Das Verfahren nach der Erfindung stellt ein Verfahren zum Betrieb eines Impulssignalverstärkers 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 der Impulssignalverstärker unabhängig von der Impulsfolgefrequenz unter der Voraussetzung arbeitet, daß diese kleiner als die Eigenfrequenz des Gunn-Effektes ist, stellt er einen aperiodischen Impulsverstärker für Signale unterschiedlicher Frequenz dar, z. B. breitbandige frequenzmodulierte Signale. Die obere Frequenzgrenze in einer speziellen Anordnung beträgt 10⁹ Hz pro Sekunde.

Weiterhin kann ein Verfahren zum Verstärken von Signalen, wie es allgemein in den vorhergehenden Ab- ⁶S Sätzen besprochen wurde, ein Verstärkungsverfahren für das Eingangssignal einer Schwingung mit veränderlicher Frequenz darstellen. Es bewirkt, daß das elektrische Feld im Halbleiterkörper den Gunn-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 Übertragungsanordnung für eine Nachrichtenkette dar. Eine ähnliche Anordnung kann an dem Empfangsende der Kette angeordnet sein.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden an Hand der F i g. 1 und 2 näher erläutert, die schematisch verschiedene Übertragungsanordnungen für eine solche Kette zeigen, von denen das der F i g. 1 im Prinzip bereits Gegenstand des obengenannten älteren Vorschlags der DT-PS 12 98 152 ist.

Das in F i g. 1 dargestellte aktive Element der Übertragungsanordnung besteht aus einer mit parallelen Flächen versehenen Scheibe 10 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 Ausgangsschaltung 13 dient dazu, irgendeine Schwingungskomponente 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 fließender« Stromes im Ausgangskreis 13, wenn die von der Quelle 12 angelegte Potentialdifferenz quer durch den Kristall einen kritischen Wert überschreitet. Bei einem Gallium-Arsenid-Kristall einer Länge von 2 χ 10~² cm beträgt die kritische Spannung, die notwendig ist, um eine Schwingung zu erzeugen, 40 Volt, entsprechend einem Feld im Kristall der Größenordnung von 2000 Volt/cm. Die Eigenschwingungsfrequenz hängt direkt von der Länge 1 des Kristalls ab und beträgt 10⁹ Hz pro Sekunde.

Bei der in F i g. 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 14 mit sinusförmigem Ausgang überlagerte oszillierende Schwingung den Kristall 10 während kurzer Zeitintervalle innerhalb jeder Schwingung der Eingangsfrequenz zu einer Eigenschwingung anregt. Mit 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 10⁹ Hz pro Sekunde verwendbar ist. 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 Kristalls schließen. Die Versorgungsspannungsquelle 12 kann im Impulsbetrieb arbeiten, um die Verlustleistung herabzusetzen.

Eine der in F i g. 1 dargestellten Anordnung ähnliche Anordnung kann an dem empfängerseitigen Ende einer Nachrichtenkette verwendet werden. Das empfangene frequenzmodulierte Signal wirkt direkt auf den Eingang der Halbleiteranordnung an Stelle des aus dem lokalen Sender 14 eingespeisten Signals. Ein schmales aus dem Ausgang 13 der Halbleiteranordnung gespeistes Bandfilter bewirkt eine direkte Umwandlung zu einem amplitudenmodulierten Ausgangssignal.

In F i g. 2 der Zeichnung ist eine Anordnung dargestellt, bei welcher das Halbleiterbauelement anders ausgebildet ist als in Fig. 1. Man erhält damit eine hohe Eingangsimpedanz und eine verbesserte Isolierung zwischen dem Eingangs- .und Ausgangskreis. Bei dieser Anordnung hat der kristalline Halbleiterkörper 20 Kontaktflächen 21 an seinen gegenüberliegenden Endoberflächen, zwischen denen die Potentialdifferenz aus der Spannungsquelle 22 in der gleichen Art wie in F i g. 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 Steuerelektrode 25 angelegt, die auf einer der seitlichen Oberflächen des kristallinen Halbleiterkörpers 20 angeordnet ist und elektrisch durch eine dünne Schicht aus Isoliermaterial 26, z. B. aus Kieselerde, von dieser isoliert ist, eine Einengung in Form einer Querrinne 27 im Halbleiterkristall entsprechend dem Verfahren nach der Erfindung bewirkt eine Verengung des Strompfades durch den Kristall zwischen den beiden Anschlußflächen 21 gegenüber der zusätzlichen Steuerelektrode 25.

Wenn eine geeignete Vorspannung mittels einer Vorspannungsquelle 28 an die Steuerelektrode 25 angelegt ist, wird eine ausgeräumte Schicht erzeugt, die sich in den verengten Hals des Halbleiterkörpers in der Nähe der Steuerelektrode 25 erstreckt. Die Tiefe dieser Schicht und damit die Wirkung, die ihre Anwesenheit im Hinblick auf eine weitere Verengung des vorhandenen Strompfades durch den Halbleiterkörper verursacht, hängt von dem Wert der Vorspannung ab. Wenn die stetige Vorspannung der Quelle 28 mit einer oszil-Iierenden 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 ausgeräumte

Schicht eine Änderung des Widerstandes des verengten Teiles des Strompfades durch den Halbleiterkörper und damit eine Veränderung der Potentialdifferenz durch den verengten Teil des Halbleiterkörpers und gleichzeitig des Wertes des elektrischen Feldes, das in diesem Teil des Halbleiterkörpers besteht. Eine Bewegung der ausgeräumten Schicht kann auf diese Weise das elektrische Feld im Halbleiterkörper vorübergehend ansteigen lassen bis über den Gunn-Schwellwert an den Spitzen des oszillierenden Eingangssignals. Die Wirkungsweise ist derjenigen, die im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben worden ist, gleich. Sie hat lediglich den Vorteil, daß die Steuerelektrode 25, an der das Eingangssignal Hegt, elektrisch vom kristallförmigen Halbleiterkörper isoliert ist, wodurch ein Eingang mit einer hohen Eingangsimpedanz entsteht und auch eine erheblich bessere Isolierung zwischen dem Eingangsund Ausgangskreis erhalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verstärken von Signalen unter Verwendung eines Halbleiterkörpers aus kristallinem Material, das bei Einwirkung hoher Felder Instabilitäten aufweist, die einem durch den Kristall fließenden Strom eine von der Laufzeit der Gitterinstabilitäten abhängige Schwingungskomponente aufprägen (Gunn-Effekt), Mitteln zum Erzeugen eines elektrischen Feldes im Halbleiterkörper über zwei im Abstand voneinander am Halbleiterkörper angebrachten Kontaktflächen zum Anlegen einer Spannung, Mitteln zum Aufprägen eines Eingangssignals und Mitteln zum Abnehmen eines Ausgangssignals, bei welchem Verfahren das im Halbleiterkörper wirksame Feld unterhalb dem für das Einsetzen der schwingungsmaßgebenden Schwellwert (Gunn-Schwellwert) liegt und mittels einer weiteren vom Halbleiterkörper isolierten und in unmittelbarer Nähe seiner Oberfläche angebrachten Steuerelektrode ein Steuerpotential angelegt wird, welches das Feld zumindest zeitweise über den Schwellwert bringt und ein oszillierender Strom erzeugt wird, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Halbleiterkörpers (20), der in der Nähe der Steuerelektrode (25) eine Einengung (27) aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerpotential durch Anlegen eines Spannungsimpulses erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Feld impulsförmig angelegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Halbleiterkörpers (20) aus η-leitenden Verbindungen der III- und V-Gruppe des periodischen Systems.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Halbleiterkörpers aus Galliumarsenid oder Indiumphosphid.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode (25) mit einer Steuervorspannungsquelle (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 Steuerelektrode (25) im Halbleiterkörper (20) verursachte Schicht an verarmten Ladungsträgern sich so weit ausdehnt, daß der Strompfad zwischen den Kontaktflächen (21) derart verengt wird, daß durch ein Sieigen der Spannung die Feldstärke über den Gunn-Schwellwert erhöht wird, so daß im Ausgangskreis (23) ein der Dauer des Eingangssignals entsprechender Ausgangsimpuls erhalten wird.