DE1512641A1

DE1512641A1 - Zweitalhalbleiter-Oszillator

Info

Publication number: DE1512641A1
Application number: DE19671512641
Authority: DE
Inventors: Toshiya Hayashi
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1966-07-11
Filing date: 1967-05-08
Publication date: 1969-04-03
Also published as: SE323712B; DE1512641B2; NL6709622A; FR1522997A; US3624461A; CA921994A; BE698588A; DE1762985A1

Description

WESTERN ELECTRIC COMPANY Incorporated τ. Hayashi 1 New York, N. Y. 10007 USA

Zweitalhalbleiter-Oszillator

Die Erfindung betrifft Impulsgeneratoren, insbesondere Generatoren bei denen als aktive Einrichtung eine Scheibe aus einem zusammengesetzten Zweitalhalbleiter verwendet wird, in dem der Übergang von Elektronen hoher Energie zwischen Leitungsbandtälern mit verschiedener Beweglichkeit und unterschiedlicher Energie elektrische Instabilitäten hervorbringt.

Die grundlegende Theorie von " Zweital¹¹-Halbleitereinrichtungen, wie diese Einrichtungen hier der kürzehalber bezeichnet werden, ist eingehend in einer Anzahl von Aufsätzen in der Sonderausgabe über Halbleiter-Masseeffekt und Laufzeiteinrichtungen der I.E.E.E. Transactions on Electron Devices vom Januar 1966 dargelegt.

Insbesondere nimmt bekanntlich, wenn die an eine geeignete Scheibe oder ein Element eines geeigneten Halbleiters, wie η-leitendes Gallium Arsenid angelegte Spannung erhöht wird,

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der mittlere Halbleiter strom fast linear auf einen Maximalwert zu und fällt dann plötzlich auf einen Wert zwischen etwa 60 und 90 % des Maximalwerts ab und behält diesen verringerten Wert bei weiterer Zunahme der Spannung fast konstant bei. Ferner wurde festgestellt, daß in diesem Bereich des verringerten Wertes der Augenblicks strom periodisch mit einer Frequenz schwingt, die in Beziehung zur Länge des Halbleiters steht.

Man hat nun erkannt, daß der Schwingungszustand mit der Erzeugung und der Wanderung eines Bezirks mit hohem elektrischen Feld durch die Scheibe von der negativen Elektrode oder der Kathode zur positiven Elektrode oder der Anode verbunden ist. Auch wenn die angelegte Spannung unter die Grenzspannung fällt, erscheint zwar der Bezirk mit hohem Feld nicht, er setzt jedoch seine Wanderung zur Anode fort solange die angelegte Spannung oberhalb eines minimalen aufrechterhaltenen Wertes bleibt. Insbesonde ist offenbar die Schwingfrequenz durch die Laufzeit dieses zwischen der Kathode und der Anode wandernten Feldbezirks bestimmt.

Es wurde nun festgestellt, daß diese charakteristische Schwingfrequenz dadurch geändert werden kann, daß zwischen der Kathode und der Anode das Feld störende Einwirkungen vorge-

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nommen werden. Die vorliegende Erfindung betrifft Anordnungen um das elektrische Feld in steuerbarer Weise zu stören, so daß die gewünschten Änderungen der Schwingfrequenz erreicht werden.

Bei einer der einfachsten Formen wird auf dem Halbleiter zwischen der Kathode und der Anode wenigstens ein örtliches Gebiet mit geringem spezifischen Widerstand eingeschaltet. Dieses derartige Gebiet kann einen zusätzlichen Impuls im Ausgangskreis erzeugen, wenn der wandernte Feldbezirk dort vorbeigeht, so daß die effektive Schwingfrequenz im Ausgangskreis entsprechend erhöht wird.

Bei einer Ausführung dieser Form der Erfindung wird eine Scheibe aus η-leitendem Gallium-Arsenid mit zwei getrennten Anschlüssen versehen, die als Kathode und Anode dienen. Die Scheibe weist zwischen der Kathode und der Anode einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand auf mit Ausnahme eines örtlichen Gebiets mit geringerem spezifischen Widerstand, das im wesentlichen in der Mitte zwischen der Kathode und der Anode liegt. Die Scheibe ist mit einer geeigneten gleichen Spannungsquelle und einer Belastung verbunden derart, daß fortlaufend in der Belastung Schwingungen erzeugt werden,

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deren Frequenz im wesentlichen das doppelten' derjenigen beträgt, die normalerweise bei einer Scheibe mit derselben Länge bei Nichtvorhandensein des Gebiets mit geringem spezifischen Widerstand zwischen der Kathode und er Anode sich ergeben würde.

Bei einer Abänderung dieser Form der Erfindung wird eine Scheibe aus η-leitendem Gallium-Arsenid so verändert, daß sie auf dem Weg zwischen der Kathode und der Anode ein örtliches Oberflächengebiet mit geringen spezifischen Widerstand auf der einen Seite des Weges und zwei örtliche Oberflächengebiete mit geringem spezifischen Widerstand auf der entgegengesetzten Seite des Weges aufweist. Es wird ein magnetisches Feld vorgesehen, dessen Richtung umgeschaltet werden kann, so daß der Strom zwischen der Kathode und der Anode selektiv entlang der einen ader der anderen der beiden gegenüberliegenden Oberflächen fließen kann, so daß bei der einen Richtung des magnetischen Feldes die Ausgangsfrequenz das doppelte der Grundfrequenz und bei der anderen Richtung das dreifache der Grundfrequenz beträgt. Es entsteht also ein Generator, dessen Frequenz abrupt zwischen zwei verschiedenen Werten umgeschaltet werden kann.

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Weiter wurde festgestellt, daß die Impulswiederholungsgeschwindigkeit durch eine gesteuerte Vernichtung des wandernten Bezirks erhöht werden kann, bevor er seine Wanderung von der Kathode zur Anode beendet. Insbesondere wird dadurch, daß das elektrische Feld unter den Wert herabgesetzt wird, der zur Aufrechterhaltung des wandernten Bezirks an irgend einem Zwischenpunkt notwendig ist, der Weg der Wanderung und die Laufzeit effektiv verringert, so daß die Wieiierholungsgeschwindigkeit erhöht wird. Vorteilhafterweise wird erfindungsgemäß diese Herabsetzung des Feldes dadurch erreicht, daß eine Scheibe verwendet wird, bei der der ohmsche Widerstand je Längeneinheit an irgendeinem Punkt zwischen der Kathode und der Anode zunimmt. Bei einer derartigen Einrichtung kann die In^pulswiederholungsgeschwindigkeit durch die angelegte Spannung gesteuert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beschrieben, es zeigen:

Fig. 1 einen StromimpHlsgenerator gemäß einer

Ausführung der Erfindung , dessen Wiederholungsgeschwindigkeit das doppelte der Grundgeschwindigkeit beträgt;

Fig. 2 einen Stromimpulsgenerator gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, dessen Wiederholungsgeschwindigkeit vom doppelten zum dreifachen der Grundgeschwindigkeit umgeschaltet werden kann;

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Fig. 3 einen Strömimpulsgenerätor gemäß einer

weiteren Ausführung der Erfindung, dessen Wiederholungsgeschwindigkeit durch die angelegte Spannung verändert werden kann;

Fig. 4 und 5 Dreipoleinrichtungen gemäß weiteren Ausführungen der Erfindung, die durch die Wirkung des dritten Elements zwischen einem schwingenden und einem nichtschwingenden Zustand umgeschaltet werden können.

Fig. 6 ein Oszillogramm das zur Erklärung der Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Generator^ dient.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Impulsgenerator besteht die Zweitalhalbleitereinrichtung 11 aus einer halbleitenden Scheibe 12, aus einem geeigneten Material wie n-leitendes Gallium-Ar senid, die an den entgegengesetzten Enden mit Kathoden- und Anpdenansehlüssen 13 und 14 versehen ist. Die Scheibe 12 enthält ein diskretes Gebiet 15 in der Mitte zwischen ihren Enden, in dem der spezifische Widerstand wenigstens zehmmal geringer in der Masse der Scheibe ist, die im übrigen einen im wesentlichen gleichförmigen spezifischen Widerstand hat. Das Gebiet 15 erstreckt sichvorteilhafterweise über einen wesentlichen Teil des Querschnitts der Scheibe, z.B. über 20%, wenn auch seine Ausdehnung in ziemlich weiten Grenzen geändert werden kann. Vorteilhafterweise erstreckt er sich parallel zum Stromweg

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zwischen der Kathode und der Anode über die Breite des wandernten Bezirks, die in erster Linie durch die Trägerkonzentration bestimmt ist. Zwischen der Kathode 13 und der Anode 14 liegen einen Gleichspannungsquelle 16 und eine Belastung 17. Durch die Spannungsquelle wird eine Spannung zwischen der Kathode und der Anode angelegt, die ausreicht, um einen wandernten Bezirk in der Scheibe in einer Weii>e ent- stefeeri zu lassen, die für einen Zweitalhalbleiteroszillator kennzeichnend ist.

Ü feg. 6 ist das Oszillogramm des Stroms in der Belastung unter den beschriebenen Bedingungen dargestellt. Man sieht, daß das Oszillogramm eine Reihe von Impulsen mit gleichmäßigen Abständen enthält, von denen die ungradzahligen Impulse 18 eine etwas größere Amplitude als die gradzahligen Impulse 19 haben. Diese ungradzahligen Impulse sind die Impulse, die für die normale Arbeitsweise von Zweitalhalbleitereinrichtungen kennzeichnend sind, ihre Wiederholungsgeschwindigkeit wird durch die Laufzeit der wandernten Feldbezirke zwischen der Kathode und der Anode geregelt. Jeder Impuls entspricht der Änderung des Stroms der durch die Belastung in äem Intervall fließt, an dem ein wandernter Feldbezirk eingeführt wird. Die gradzahligen Impulse entsprechen der Änderung des Stroms, der durch die Belastung während des Intervalls fließt, an dem der

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wandernte Fiedbezirk durch das Gebiet 15 mit geringerem spezifischen Widerstand geht. Durch Regeln der Abmessung und des Abstands des Gebiets 15 kann die Form und der Abstand der gradzahligen Impulse geregelt werden. Man sieht« daßdurch die Einfügung der gradzahligen Impulse die Impulswiederhojungsgeschwindigkeit oder Frequenz der Schwingungen effektiv verdoppelt ist.

Offensichtlich kann durch einfügen von zwei Gebieten mit geringem spezifischen Widerstand zwischen der Kathode und der Anode eine noch größere Zunahme der Impuls Wiederholungsgeschwindigkeit erzielt werden. Ferner kann ein ähnlicher Effekt durch Ersetzen der Gebiete mit geringem spezifischen Widerstand durch leitende Oberflächenschichten erreicht werden. Warum die dargestellten Oszillogramme entstehen, kann wie folgt erklärt werden. Das Gebiet des wandernten Feldbezirks entspricht einem Gebiet mit hohem spezifischen Widerstand weil es einem Gebiet entspricht, in dem die Ladungsträger eine gertingere Beweglichkeit haben. Demgemäß wird in dem Intervall, das der Vernichtung eines wandernten Bezirks bei seiner Ankunft an der Anode folgt, bevor ein neuer Bezirk an der Kathode erzeugt wird, der gesamte Widerstand der Scheibe verringert und der Strom vergrößert. Dies ist der Grund für die große Amplitude der ungradzahligen Impulse 18

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im OsziHogramm. Ferner. wir-d jn dem Intervall, ,wenn der wandernte Bezirk durch das ,Gebiet 15 mit geringen spezifischen Widerstand geht> dessen effektive Amplitude herabgesetzt, was im übrigep Teil des Halbleiters eine Zunahme der Amplitude und einen größeren mittleren, Strom im Halb- _r leiter zur Folge hat. Hierdurch entstehen die gradzahligen Impulse 19. Es ist jedoch wichtig, daß die angelegte Spannung ausreicht, um sicherzustellen, daß das Feld niemals unter den Wert absinkt, der-zur Aufrechte rhältung" des Bezirks notwendig ist, damit der Bezirk nicht vernichtet wird.

In Fig. 2 ist ein Impulsgenerator 20 dargestellt, dessen Wieder.-holungs geschwindigkeit zwischen zwei verschiedenen Werten umgeschaltet werden kann* Die halbleitende Einrichtung 21 besteht aus einer Scheibe 22 aus geeignetem Material, die an den entgegengesetzten Enden, mit einer Kathode 23 und einer Anode 24 versehen ist. Ferner ist auf einer Oberfläche ein einzelnes Gebiet 25 mit niedrigem spezifischen Widerstand in der Mitte zwischen der Kathode und der Anode vorgesehen. Auf der entgegengesetzten Qberfläehe. sind zwei Gebiete 26 mit geringen spezifischen Widerstand vorgesehen, die den Abstand zwischen der Kathode wnddier Anode in drei gleiche Teile · teilen. E-ine Spule 2*7 liefert ein magnetisches Feld, das senk- ' recht zum hor-malea 'Strö'inw&g in' efer -Scheibe liegt. Zwischen ··

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der Kathode und der Anode der halbleitendea^iar^h^ung^yi^ klk eine Belastung 28 und eine Sj3arnipngsqueUe.29,:^ ein Feld zu erzeugen, das den Grenzwert fttr^djüe^^z.eiigun^ ;.:<■:·■%*? eines wandernten Bezirks- übersteigt, so entstehen. _v. . . -.·...■< ,<>.-.·

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Bei dieser Anordnung bestimmen die Richtung des Stroms durch die Spule 27 und die Richtung des magnetischen Feldes in der Scheibe, an welcher der beiden entgegengesetzten Oberflächen der Strom in der Scheibe konzentriert wird. In dem einen Fall begegnet der wandernte Bezirk im wesentlichen dem einzelnen Gebiet 25 mit geringem spezifischen Widerstand, wobei die entstehende Impulswiederholungsgeschwindigkeit in der Belastung das doppelte der Grundgeschwindigkeit beträgt. In dem anderen Fall dringt der wandernte Bezirk im wesentliehen in die beiden Gebiete 26 mit geringem spezifischen Widerstand ein, wobei die entstehende Impulswiederholungsgeschwindigkeit in der Belastung das dreifache der Gruhdgeschwindigkeit beträgt.

Die beschriebene Anordnung stellt daher einen Impulsgenerator ' dar, dessen Wiederholurigsgeschwindigkeit leicht zwischen' zwei ' stabilen Zuständen umgeschaltet werden kann. " '

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ORIGINAL INSPECTED

ig^ 3 zeigt einen Impulsgenerator, bei dem die Impulswiederholungsgeschwindigkeit unter dem Einfluß der angelegten Spannung zwischen zwei Werten umgeschaltet werden kann. Das halbleitende Element 30 besteht aus der Zweitalhalbleiterscheibe 31, die in der Nähe der Kathode 32 einen Teil 31a enthält, dessen Querschnitt geringer als derjenige des Teils 31b in der Nähe der Anode 33 ist. Zwischen der Kathode und der Anode sind eine veränderliche Spannungsquelle 34 und eine Belastung 35 vorgesehen. Wenn die Spannung der Spannungsquelle erhöht wird, gibt es einen Spannungsbereich, bei dem das elektrische Feld in dem Teil der Scheibe mit kleinerem Querschnitt ausreicht, um einen wandernten Bezirk fortzupflanzen, das elektrische Feld in dem Teil der Scheibe mit gerößerem Querschnitt jedoch nicht ausreicht, um den Bezirk aufrecht zu erhalten. Dies ergibt sich daraus, daß der waridernte Bezirk verschwindet, wenn er die Grenzfläche zum Gebiet mit größerem Querschnitt erreicht. Dementsprechend wird für diesen Bereich der angelegten Spannung die Impulswiederholungsgeschwindigkeit durch die Länge des Gebiets mit kleinerem Querschnitt und durch die Laufzeit in diesem Gebiet bestimmt. Wenn die angelegte Spannung weiter erhöht wird, nimmt jedoch das elektrische Feld in dem Gebiet mit größerem Querschnitt ebenfalls zu, so daß der Punkt erreicht wird, an dem das elektrische Feld in diesem Teil aus-

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reicht, um den wandernten Bezirk aufrecht zu erhalten. In diesem Bereich der angelegten Spannung wird die Impulswiedcrholungsgeschwindigkeig durch den gesamten Abstand zwischen der Kathode und der Anode bestimmt.

Die Unstetigkeit des Widerstands je Längeneinheit, die für die Änderung des elektrischen Feldes in den beiden Gebieten der Scheibe verantwortlich ist, kann offensichtlich dadurch erreicht werden, daß ein Material mit verschiedenem spezifischen Widerstand für die beiden Gebiete anstelle der Änderung des Querschnitts der Scheibe verwendet wird.

Ebenso kann durch Veränderung des Widerstands je Längeneinheit oder durch Veränderung des Querschnitts oder des spezifischen Widerstands oder durch Änderung beider Werte eine verhältnismäßig stetige Änderung der Frequenz mit der angelegten Spannung erreicht werden.

Fig. 4 zeigt eine Dreipolanordnung 41, die entweder zum Umschalten der Einrichtung im schwingenden Zustand zwischen zwei verschiedenen Wiederholungsgeschwindigkeiten oder zum Umschalten der Einrichtung zwischen einem schwingenden und einem Nichtschwingenden Zustand abhängig von der angelegten Spannung verwendet werden kann. Sie enthält ein Zweitalhalbleiter-

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element 42, das mit den Elektrodenanschlüssen 43 und 44 versehen ist, zwischen denen die Gleichspannungsquelle 45 und die Belastung 46 vorgesehen sind. Ferner stellt eine Hilfselektrode 47 einen niederohmigen Anschluß an das Element zwischen den Elektroden 43 und 44 her. Diese Elektrode 47 ist mit der Elektrode 43 über den Schalter 48 verbunden, der als mechanischer Schalter dargestellt ist, der jedoch typischerweise ein elektronischer Schalter ist, dessen Schließen durch irgendeine geeignete Informationsquelle gesteuert wird.

Zum Umschalten zwischen zwei verschiedenen Wiederholungsgeschwindigkeiten wird die von der Quelle 45 gelieferte Spannung so groß gemacht, daß sichergestellt ist, daß das elektrische Feld im Element groß genug ist, um wandernten Bezirke zu erzeugen, auch wenn der Schalter 48 geschlossen wird. Unter diesen Umständen wird durch das Schließen des Schalters 48 die Elektrode 47 anstelle der Elektrode 43 zur effektiven Kathode, so daß der Abstand, den der Bezirk zur Anode 44 durchwandert verringert und die Wiederholungsgeschwindigkeit erhöht wird.

Andererseits kann die von der Spannungsquelle 45 gelieferte Spannung so gewählt werden, daß nur wenn der Schalter 48 ge-

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schlossen wird,, wobei die Elektrode 47 effektiv zur Kathode wird, das elektrische Feld im Element 41 ausreicht, um die Erzeugung von wandernten Bezirken aufrecht zu erhalten. Unter diesen Umständen wird durch das Öffnen des Schalters 48 das elektrische Feld im Element herabgesetzt, so daß es zur Erzeugung eines wandernten Bezirks an der Kathode 43 nicht ausreicht. Infolgedessen dient das Schließen des Schalters 48 dazu, die Schaltung vom nichfrachwingenden Zustand in den schwingenden Zustand umzuschalten.

Fig, 5 zeigt eine analoge Dreipoleinrichtung 51, bei der die Hilfselektrode 57 über den Schalter 58 mit der Elektrode 54 verbunden ist, so daß die eine oder die andere Elektrode als effektive Anode dient, jenachdem ob der Schalter geöffnet oder geschlossen ist. In anderer Hinsicht gleicht die Anordnung derjenigen der Fig. 4, sie besteht aus einem Zweitalhalbleiterelement 52, das an den entgegengesetzten Enden mit den ohmschen Anschlüssen 53und 54 und dazwischen mit dem ohmschen Anschluß 57 versehen ist. Zwischen den Elektroden 53 und 54 sind die Quelle 55 und der Widerstand 56 vorgesehen. Wie vorher sind die Anschlüsse so vorgesehen, daß nach Schließen des Schalters 58 sich die Elektrode 57 auf dem Potential der Quelle 55 befindet.

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COPY

Die auf die Anordnung der Fig. 4 anwendbaren Überlegungen gelten in gleicher Weise auch hier, wobei die Arbeitsweise je nach der angelegten Spannung entweder in Aus-Ein-Form mit Änderung der Wiederholungsgeschwindigkeit erfolgen kann.

Es wurde eine Anzahl von Ausführungen beschrieben, um die verschiedenen Formen zu zeigen, welche die Erfindung annehmen kann. Es ist ferner klar, daß die Erfindung eine Anzahl von weiteren Ausführungen annehmen kann, ohne vom Wesen und Ziel der Erfindung abzuweichen. Es wird typischerweise zweckmäßig sein, den Halbleiter als dünne epitaxial gewachsene Schicht auf einer Unterlage aus Mateeial mit höherem spezifischen Widerstand auszubilden. Die gewachsene Schicht kann durch Ätzverfahren in die gewünschte geormetrisehe Form gebracht werden.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1.1 Impulsgenerator unter Verwendung einer Zweitalhalbleitereinrichtung bestehend aus einem geeigneten halbleitenden Element mit Kathoden und Anodenanschlüssen, so daß nach Anlagen einer geeigneten Vorspannung ein wandernter elektrischer Feldbezirk erzeugt wird, dessen Grundwiederholungsgeschwindigkeit in Beziehung zur Laufzeit des Bezirks zwischen der Kathode und der Anode steht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mittel vorgesehen ist, um den Bezirk auf seinem Weg zu stören, so daß seine Wiederholungsgeschwindigkeit über die Grundgeschwindigkeit erhöht wird.

2. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Störmittel aus einem Gebiet mit verschiedenem Widerstand je Längeneinheit besteht.

3. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Störmittel aus einem Gebiet mit einem spezifischen Widerstand besteht der geringer ist als derjenige der Masse des Halbleiters·

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4. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß' das Störmittel aus verschiedenen Gfebieten mit geringem spezifischen Widerstand auf den entgegengesetzten Seiten des Elements besteht, so daß die Impulswiederholungsgeschwindigkeit dadurch geändert werden kann, daß der Strom in dem Element selektiv auf die eine oder die andere der entgegengesetzten Seiten begrenzt werden kann.

5. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Störmittel aus einem Gebiet mit einem höheren Widerstand je Längeneinheit besteht,

6. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Störmittel aus einer Änderung des Querschnitts der Scheibe besteht, die eine Änderung des Widerstands je Längeneinheit zur Folge hat, so daß die Wiederholungsgeschwindigkeit durch eine angelegte Spannung gesteuert werden kann.

7. Impulsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Störmittel aus einer Hilfselektrode besteht.

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