DE1537159B2 - Impulserzeuger bestehend aus zwei aktiven Halbleiterbauelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Impulserzeuger, bestehend aus zwei aktiven Halbleiterbauelementen, wovon jeweils eines als Arbeitswiderstand für das jeweils andere angesteuerte aktive Halbleiterbauelement dient.

Bekannte Schaltungen dieser Art, deren aktive Halbleiterbauelemente entweder aus Dioden oder Transistoren bestehen, besitzen den Nachteil, daß ein gewisser Aufwand an passiven Bauelementen für eine betriebssichere Arbeitsweise erforderlich ist und daß die erzielbare Betriebsfrequenz durch die Charakteristiken der verwendeten Halbleiterbauelemente obengenannter Art nach oben begrenzt ist. Hinzu kommt bei Verwendung von Halbleiterbauelementen mit fallendem Charakteristikteil wie Spitzentransistoren noch der Nachteil, daß deren Charakteristiken nicht einheitlich in vorher bestimmbaren Grenzen festlegbar sind, so daß besondere Justierungsmaßnahmen bei deren Einbau getroffen werden müssen; bei Tunneldioden hingegen besteht keine Entkopplung zwischen Steuersignalen und Betriebsspannung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, unter Vermeidung oben angeführter Nachteile, Schaltungsanordnungen der oben bezeichneten Art anzugeben, die bei denkbar geringem Aufwand zur Erzeugung von Schaltimpulsen definiert kurzer Dauer geeignet sind.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß als aktive Halbleiterbauelemente Gunn-Effekt-Bauelemente verwendet werden, die außer den Elektroden zur Zuführung der Betriebsspannung jeweils eine dritte Elektrode zur Einspeisung von Steuerimpulsen besitzen, und daß sich die Gunn-Effekt-Bauelemente in gegenseitig sperrender Kopplung befinden.

Halbleiterbauelemente dieser Art lassen unter dem Einfluß des Gunn-Effektes beim Anlegen einer Spannung oberhalb eines kritischen Wertes Schwingungen entstehen, deren Frequenz durch geometrische Abmessungen des verwendeten Halbleiters festlegbar ist.

Bekanntlich dienen hierzu als Halbleiter Gallium-Arsenid oder Indium-Phosphid, das η-leitend dotiert ist. Überschreitet eine am Halbleiterkristall wirksame elektrische Feldstärke einen bestimmten Schwellenwert, dann wird in diesem Halbleiterkristall, und zwar im Bereich der Kathode, eine Hochfeld-Domäne ausgelöst, die sich in Richtung auf die Anode zu ausbreitet und in deren Bereich gelöscht wird. Gleichzeitig mit dem Löschen der ersten Hochfeld-Domäne wird eine weitere Hochfeld-Domäne im Kathodenbereich ausgelöst. Das Auslösen und Löschen dieser Hochfeld-Domänen, hat in einer an dieses Gunn-Effekt-Bauelement, weiterhin kurz Gunn-Element genannt, angeschlossenen Last entsprechende Stromschwankungen zur Folge. Dadurch, daß die Frequenz dieser Stromschwankungen nur von der Länge des Ausbreitungsweges der genannten Hochfeld-Domänen abhängig ist, lassen sich mit solchen Gunn-Elementen Schwingungen mit einer außerordentlich hohen Frequenz erzielen.

Vorliegende Erfindung bezieht sich nun nicht auf das oben beschriebene Gunn-Element als solches, sondern auf dessen verbesserte Anwendungsmöglichkeit. Diese steht in Verbindung mit einer vorgeschlagenen Ausführungsform eines Gunn-Elementes (»Wireless World«, September 1965, S. 425), welches zusätzlich eine dritte Elektrode zur Steuerung der Feldverteilung im Innern des Halbleiterkörpers aufweist. Bei einem derart gestalteten Gunn-Element kann durch geringe Signale an der Steuerelektrode Einfluß auf die sich von der Kathode ablösenden Hochfeld-Domänen genommen werden. Dabei ergibt sich eine vollständige Entkopplung zwischen Steuersignalen und Betriebsspannung. Außerdem ist der Aufwand an passiven Bauelementen auf ein Minimum beschränkt. Für die erfindungsgemäße Verwendung

ίο der Gunn-Elemente ist es unbeachtlich, in welcher Weise die dritte Elektrode jeweils am Gunn-Element angebracht ist; z. B. ringförmig, quadratisch oder rechteckig bzw. in einer Nut oder auf einer Aufwölbung.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind bei Parallelspeisung der Gunn-Elemente die Steuerimpulse galvanisch einkoppelbar, während die Betriebsspannung über fest miteinander gekoppelte Induktionsspulen den jeweiligen Elektroden beider

ao Gunn-Elemente zuführbar ist. Wird so beim Ausbreiten einer Hochfeld-Domäne in einem Gunn-Element infolge der festen Kopplung der beiden Induktionsspulen eine entsprechende Spannung auf das andere Gunn-Element übertragen, dann wird dort das Entstehen einer Hochfeld-Domäne verhindert. Weiterhin kann während der Ausbreitung der Hochfeld-Domäne die insgesamt wirksame Spannung unterhalb des genannten Schwellenwertes abfallen, wenn hierbei nur nicht der Löschpegel unterschritten wird, ohne daß die Hochfeld-Domäne abklingt.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Impulserzeugung, die in dieser Weise betrieben wird, wirkt als monostabile Schaltung, da mit Hilfe relativ kurzer Auslöseimpulse Undefinierter Dauer amSteuereingang Ausgangsimpulse definierter Dauer erzeugt werden, die in ihrer Impulszeit allein durch die Laufzeit der Hochfeld-Domänen im Halbleiter festgelegt sind. Da diese für den verwendeten Halbleiter immer konstant ist, läßt sich die Impulsdauer der Ausgangsimpulse durch die Länge des Ausbreitungsweges der Hochfeld-Domänen, also durch die Geometrie des Halbleiters beeinflussen.

Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken ergibt sich in einfacher Weise ein Gegentaktoszillator, wenn parallel zu den obenerwähnten Induktionsspulen ein Kondensator geschaltet wird.

Das erfindungsgemäße Schaltglied läßt sich in vorteilhafter Weise auch bei Serienspeisung beider Gunn-Elemente betreiben, indem dann die dritte Elektrode der nicht an Erdpotential liegenden Gunn-Elemente über eine Reaktanz mit ihrem Steuerimpulseingang gekoppelt ist. Auch hier wiederum wird das Auslösen einer Hochfeld-Domäne in einem der beiden Gunn-Elemente verhindert, wenn eine Ausbreitung einer Hochfeld-Domäne in dem jeweils anderen Gunn-Element stattfindet.

Der mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung erzielbare Frequenzbereich ist außerordentlich hoch, und außerdem ergibt sich eine große Stabilität und Betriebssicherheit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung, so daß Schaltimpulse definiert kurzer Dauer entstehen. Der hierzu erforderliche Aufwand ist tatsächlich gering. Die Erfindung ist zwar an Hand eines Ausführungsbeispiels mit nur zwei Gunn-Elementen beschrieben, es dürfte aber ohne weiteres verständlich sein, daß auch mehrere Gunn-Elemente in der erfindungsgemäßen Art gekoppelt werden können, wobei dann jeweils nur in einem Gunn-Element eine

Hochfeld-Domänenausbreitung stattfinden kann, ohne daß von der Erfindung abgewichen wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nadhfolgenden Beschreibung, die an Hand von Ausführungsbeispielen die Erfindung näher erläutert, und aus den Patentansprüchen. Es zeigt

F i g. 1 eine Schaltungsanordnung nach dem Prinzip der Erfindung, bei der zwei Gunn-Elemente induktiv gekoppelt sind,

Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Erläuterung der Betriebsweise eines Gunn-Elements,

Fig. 3 ein Strom-Spannungs-Diagramm zur Erläuterung einer monostabilen Betriebsweise der Schaltungsanordnung nach F i g. 1,

Fig. 4 ein Impulsdiagramm zur Darstellung der Beziehungen zwischen Eingangs- und Ausgangssignalen bei einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

F i g. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

Fig. 6 ein Gegentaktoszillator unter Anwendung des erfindungsgemäßen Prinzips.

Die Betriebs- und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung wird an Hand der Schaltung nach F i g. 1 unter Zuhilfenahme der graphischen Darstellungen nach F i g. 2, 3 und 4 beschrieben. Hierbei handelt es sich um eine monostabile und astabile Betriebsweise. Die Schaltungsanordnung nach F i g. 1 enthält zwei Gunn-Elemente 12 und 14, die unter Ausnutzung des Gunn-Effektes betrieben werden. Diese Gunn-Elemente bestehen aus dem Halbleiterkristall 16 bzw. 18, der eine ausreichende Dichte von Leitungselektronen besitzt, um Hochfeld-Domänenerzeugung und -ausbreitung unter Einfluß eines angelegten elektrischen Feldes oberhalb eines bestimmten Schwellenwertes zu gestatten. Die am Halbleiterkristall 16 angebrachte Elektrode 20 dient zum Anlegen eines positiven Potentials, das über eine Induktionsspule 26 von der Klemme 24 zugeführt wird, während die Elektrode 22 am entgegengesetzten Ende des Halbleiterkristalls 16 über eine Leitung 33 an Erde liegt. Die Elektrode 34 des Halbleiterkristalls 18 ist ebenfalls über eine Induktionsspule 36 mit der Klemme 24 zur Zuführung des positiven Potentials verbunden, während die am entgegengesetzten Ende des Halbleiterkristalls 18 angebrachte Elektrode 32 über Leitung 38 an Erde liegt. Die beiden Induktionsspulen 26 und 36 sind dabei fest miteinander gekoppelt. Die Windungsanzahl der Induktionsspulen richtet sich nach Länge und Querschnitt der Gunn-Elemente 12 und 14; An den Halbleiterkristall 16 ist eine dritte Elektrode 40 und an den Halbleiterkristall 18 eine dritte Elektrode 42 angebracht, die mit den Steuerklemmen 44 bzw. 46 verbunden sind.

Wird über den Halbleiterkristall 16 oder 18 ein Spannungsimpuls angelegt, dann ergeben sich je nach dem Wert des angelegten Potentials verschiedene Betriebszustände. Übersteigt so z. B. der Spannungsimpuls 48 (Fig: 2) in Abwesenheit irgendeiner anderen Steuerbedingung den Schwellenwert-Pegel A, dann wird an der Elektrode 22 eine Hochfeld-Domäne erzeugt, die sich zur Elektrode 20 hin ausbreitet und dort gelöscht wird, wobei sich dieser Vorgang während der Dauer entsprechender Betriebsbedingungen wiederholt. Fällt der Pegel des Impulses 48 während der Ausbreitung einer Hochfeld-Domäne im Halbleiterkristall 16 unterhalb des Schwellenwert-Pegels/4 ab, wird jedoch oberhalb des Lösch-Pegels B gehalten, dann setzt die bereits erzeugte Hochfeld-Domäne ihre Ausbreitung fort, bis sie an der Elektrode 20 gelöscht wird. Unter dieser Bedingung wird dann im Bereich der Elektrode 22 keine weitere Hochfeld-Domäne mehr erzeugt. Wird der Impuls 48 einer bereits an den Halbleiterkristall 16 angelegten Vorspannung 50 überlagert, dann muß die Summe aus Impulsamplitude 52 und Vorspannung

ίο 50 den Schwellenwert-Pegel A übersteigen, um die Erzeugung einer Hochfeld-Domäne auszulösen.

Die Gunn-Elemente 12 und 14 in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 besitzen jeweils eine Strom-Spannungs-Charakteristik, die die Betriebsbedingungen festlegt. So stellt das Kurvenpaar I in der graphischen Darstellung nach Fig. 3 mit den beiden Zweigen I α und Ib die Charakteristik des Gunn-Elements 12 dar, während das Kurvenpaar II mit den ZweigenIIα und life die Charakteristik des Gunn-Elements 14 wiedergibt.

Arbeitspunkte für das Gunn-Element 14 in der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 liegen auf den Schnittpunkten des Kurvenpaares I mit dem Kurvenpaar II. Ist die an Klemme 24 und damit die an die Gunn-Elemente 12 und 14 angelegte Betriebsspannung in ihrem Wert größer als der Lösch-Pegel B, aber geringer als der Schwellenwert-Pegel A (Fig. 2), dann wird z. B. das Ausführungsbeispiel gemäß der Schaltung nach F i g. 1 in monostabiler Arbeitsweise betrieben, bei der die Schnittpunkte E und F in der graphischen Darstellung nach F i g. 3 jeweils bei Ausbreitung von Hödhfeld-Domänen stabile Arbeitspunkte darstellen. Der Schnittpunkt G stellt demgegenüber beim Auftreten von Hochfeld-Domänen einen instabilen Arbeitspunkt dar, während der Schnittpunkt H immer als stabiler Arbeitspunkt anzusehen ist; d. h., das eine Hochfeld-Domäne führende Gunn-Element bestimmt den jeweiligen Arbeitspunkt. Dies gilt ebenso, wenn eine astabile Betriebsweise dadurch herbeigeführt wird, daß die Betriebsspannung an Klemme 24 höher gewählt ist als der Schwellenwert-Pegel A.

Für beide Betriebsarten läßt sich dann gemeinsam ausführen:

Wenn die z. B. an den Halbleiterkristall 16 (F i g. 1) angelegte Spannung den Schwellenwert-Pegel A übersteigt, dann wird eine Hochfeld-Domäne an der zugeordneten Elektrode 22 erzeugt, die sich anschließend in Richtung auf Elektrode 20; ausbreitet.

Unter dieser Bedingung befindet sich der Arbeitspurikt auf dem Zweig Ib der graphischen Darstellung nach Fig. 3, indem nämlich nun ein Widerstand, sozusagen gebildet aus statischem Halbleiterwiderstand, in Serie mit dynamischem, durch die Ausbreiturig der Hochfeld-Domäne bedingtem Widerstand wirksam ist! Sobald die Hochfeld-Domäne die Elektrode 20 erreicht hat, verlagert sich wiederum der Arbeitspurikt auf den Zweig Γα.

Für den ästabilen Betrieb wird aber damit infolge der Wirkung der Selbstinduktionsspulen 26, 36 eine den Wert V_max übersteigende Augenblicksspannung auf den anderen Halbleiterkristall 18 übertragen, der so nun seinerseits zur Hochfeld-Domänen-Ausbreitung angeregt wird, wohingegen am ersten HaIbleiterkristall 16 eine Spannung unterhalb des Wertes V_min wirksam ist.

Mit Hilfe des Impulsdiagramms nach F i g. 4, wo die Eingangsimpulse P₁ und P., sowie die Ausgangs-

impulse S₁ und S₂ dargestellt sind, läßt sich die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung nach F i g. 1 noch einfacher zeigen. Wie oben dargelegt, entsteht bei einer an die Klemme 24 angelegten Spannung, deren Wert mindestens gleich dem Lösch-Pegel B, aber geringer als der Schwellenwert-Pegel A ist, also in monostabiler Betriebsweise, weder im Gunn-Element 12 noch im Gunn-Element 14 eine Hochfeld-Domäne, so daß statische Bedingungen vorliegen. Beim Anlegen von Eingangsimpulsen P₁ und P₂ an Steuerklemme 44 bzw. 46 wird jedoch die Spannung an dem entsprechenden Halbleiterkristall 16 oder 18 über den Schwellenwert-Pegel A angehoben, so daß hierin eine Hochfeld-Domäne entsteht und sich ausbreitet. Wird so ein Eingangsimpuls P₁ an die Steuerklemme 44 des Gunn-Elements 12 angelegt, dann entsteht im Bereich der Elektrode 22 eine Hochfeld-Domäne, ' die sich in Richtung auf die Elektrode 20 zu ausbreitet. Während des für die Ausbreitung der Hochfeld-Domäne benötigten Zeitintervalls im Halbleiterkristall 16 wird beim Anlegen eines Eingangsimpulses P₀ an die Steuerklemme 46 des Gunn-Elements 14 hierin keine Hochfeld-Domänenauslösung bzw. -ausbreitung hervorgerufen, weil die am Gunn-Element 14 wirksame Spannung unterhalb des Lösch-Pegels B liegt. Das Anlegen eines Eingangsimpulses P₁ an die Steuerklemme 44 hat das Auftreten eines Ausgangsimpulses S₁ an der mit Elektrode 20 verbundenen Ausgangsklemme 21 zur Folge. Die Dauer dieses Ausgangssignals S₁ wird durch die Ausbreitungszeit der Hochfeld-Domäne zwischen Entstehungsort im Bereich der Elektrode 22 und Löschungsort im Bereich der Elektrode 20 festgelegt. Auf Grund der festen induktiven Kopplung zwischen der Induktionsspule 26 und der Induktionsspule 36 entsteht ein gleiches Ausgangssignal S₂, aber umgekehrten Vorzeichens an einer Ausgangsklemme 37, die mit der Elektrode 34 des Gunn-Elements 14 verbunden ist. Da also so das Ausgangssignal S₂ während des Zeitintervalls der Ausbreitung der Hochfeld-Domäne im Gunn-Element 12 ein negatives Vorzeichen besitzt, muß zwangläufig die am Gunn-Element 14 wirksame Spannung unterhalb des Lösch-Pegels B liegen. Das bedeutet aber, daß ein Anlegen eines Eingangsimpulses P₂ an die Steuerklemme 46 des Gunn-Elements 14 während des Zeitintervalls der Ausbreitung einer Hochfeld-Domäne im Gunn-Element 12 keine Auslösung einer Hochfeld-Domäne im Gunn-Element 14 zur Folge haben kann. Wenn nun umgekehrt ein Eingangsimpuls P₂ an die Steuerklemme 46 des Gunn-Elements 14 angelegt wird, und zwar, wenn keine Hochfeld-Domänenausbreitung im Gunn-Element 12 stattfindet, dann ergeben sich die oben beschriebenen Betriebszustände jetzt am Gunn-Element 14, indem nämlich ein positives Signal auf die Ausgangsklemme 37 und ein negatives Signal auf die Ausgangsklemme 21 übertragen wird.

Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt Fig. 5, wo das Gunn-Element 12 mit dem Gunn-Element 14 hintereinandergeschaltet ist. An Stelle einer induktiven Kopplung zwischen dem Gunn-Element 12 und dem Gunn-Element 14 des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 ist im Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 eine direkte Kopplung zwischen den beiden Gunn-Elementen vorgesehen. Zur Entkopplung eines an das Gunn-Element 14 angelegten Steuerimpulses dient ein Steuerimpulstransformator 56. Der Steuerimpulstransformator 56 besitzt eine Eingangswicklung 58, einen Kern 60 und eine Ausgangswicklung 62. Steuerimpulse zum Anlegen an die dritte Elektrode 42 des Gunn-Elements werden über Eingangsklemme 64 der Transformatorwicklung 58 zugeführt. Die Wirkungsweise und Betriebsweise der Anordnung nach Fig. 5 ist analog der, wie sie oben für das Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 beschrieben worden ist.

Durch Hinzunahme weiterer Bauelemente läßt sich die Schaltungsanordnung nach F i g. 1 in vorteilhafter Weise für die verschiedensten Zwecke abwandeln. So wird z. B., wie in der Schaltungsanordnung nach Fig. 6 gezeigt, durch Hinzufügen eines Kondensators 54 parallel zu den Selbstinduktionsspulen 26 und 36 ein Resonanzkreis bereit gestellt, der den Be- >-~ trieb als Gegentaktoszillator gestattet. Hierzu ist er- ( _' forderlich, daß die Betriebsspannung an der Klemme den Schwellenwert-Pegel A übersteigt. An der Ausgangsklemme 37 entsteht eine Sinusschwingung 55.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Impulserzeuger, bestehend aus zwei aktiven Halbleiterbauelementen, wovon jeweils eines als Arbeitswiderstand für das jeweils andere angesteuerte aktive Halbleiterbauelement dient, dadurch gekennzeichnet, daß als aktive Halbleiterbauelemente Gunn-Effekt-Bauelemente (12, 14) verwendet werden, die außer den Elektroden (20, 22, 32, 34) zur Zuführung der Betriebsspannung jeweils eine dritte Elektrode (40, 42) zur Einspeisung von Steuerimpulsen besitzen, und daß sich die Gunn-Effekt-Bauelemente (12, 14) in gegenseitig sperrender Kopplung befinden.

2. Impulserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Parallelspeisung der Gunn-Effekt-Bauelemente (12, 14) die Steuerimpulse 48 galvanisch einkoppelbar sind, während die Betriebsspannung einerseits über fest miteinander gekoppelte Induktionsspulen (26, 36) und andererseits in an sich bekannter Weise über eine gemeinsame Betriebsspannungsleitung (33, 38) den jeweiligen Elektroden (20, 32, 34) beider Gunn-Effekt-Bauelemente (12, 14) zuführbar ist.

3. Impulserzeuger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu den Induktionsspulen (26,36) ein Kondensator (54) geschaltet ist.

4. Impulserzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Serienspeisung beider Gunn-Effekt-Bauelemente (12,14) die dritte Elektrode (42) des nicht am Erdpotential liegenden Gunn-Effekt-Bauelements (14) über eine Reaktanz (56) mit seinem Steuerimpuls-Eingang (64) gekoppelt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen