DE1541494A1 - Halbleiterbauelement zur Erzeugung von Mikrowellenschwingungen - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE '

DIPL.ING. H. LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN

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den 16· Dezember 1966

■ MTSUSHITA ELECTKOIICS CORPORATION, Osaka / Japan Halbleiterbauelement zur Erzeugung von Mikrowellenschwingungen

Die Erfindung betrifft eine ein Halbleiterbauelement bildende Germaniumdiode, die zur Erzeugung von Mikrowellenschwingungen geeignet ist.

Bisher sind einige spezielle Siliziumdioden bekannt, die Mikrowellen erzeugen, wenn eine Gegenspannung an einen p-n-Übergang gelegt wird. Es ist jedoch ganz unbekannt, welche Art von Germaniumdioden zum Erzeugen von Mikrowellen geeignet ist.

In dieser Richtung wurde eine Anzahl von Versuchen durchgeführt. Es wurde festgestellt, daß es sehr schwer ist, eine Mikrowellenschwingung mit Dioden gleichzurichten, die im üblichen Verfahren aus Germaniummaterialien mit einer Störstoffkonzentration in der Größenordnung von 1 χ 10 ^ bis 9 χ 10 /cnf*

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hergestellt wurden. In Ausnahmefällen wurde bei einigen Probestücken eine momentane Erzeugung von Mikrowellen beobachtet. Diese Probestücke wurden jedoch augenblicklich zersetzt, und es war sehr schwer, einen stabilen Effekt wiederholt zu erzeugen.

Es wurde jedoch festgestellt, daß stabile Mikrowellen mit Diodenaus Germanium mit einer StÖrstoffkonzentration in der Größenordnung von 1 χ 10 /cm bis 1 χ 10 °/

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cm wiederholt zu erzeugen sind. Beim Messen einer solchen Mikrowelle in einem Wellenmesser wurde festgestellt, daß sie nicht nur eine Welle mit einer einzigen Frequenz war, sondern aus einer Anzahl sich überlappender Wellen mit einer einzigen Frequenz und mit einer kontinuierlichen und diskontinuierlichen Frequenzverteilung bestand. Unter diesen wurde festgestellt, daß zumindest die kleinste Schwingungsfrequenz (die kritische Frequenz) mit einer Erhöhung der Störstoffkonzentration höher wurde. Obwohl Diodenhalterungen, Wellenführungssysteme u.sw verwendet wurden, die den Frequenzbändern bei Erhöhung der Frequenz angepaßt werden können, konnte kaue: C¹Ie Erzeugung von Mikrowellen bei Germaniumdioden mit einer Störstoffkonzentration von mehr als

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etwa 1 χ 10 /cm beobachtet werden. Bei diesem Versuch

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wurde festgestellt, daß es sehr wichtig ist, die Störstoffkonceiitration in der Gercianiumbasis zu steuern, um die genannte iükrowellenschwingung su erzeugen. Es wurde ferner festgestellt, daß die erfindmigsgemäße Diode vorzugsweise mit einer JJicke von weniger als 2 im hergestellt werden kann.

Wenn eine kontinuierlich steigende Gegenspannung an einen p-n-Übergang aus Germanium oder Silizium gelegt wird, wird oberhalb einer bestimmten Spannung (Durchbruchsspannung) ein plötzlicher Stromanstieg beobachtet. Dieses Phänomen wird in Zenerdioden und Lawinendioden angewandt, ils ist allgemein bekannt, daß uei den genannten Dioden die Durchbruchsspannung ansteigt, wenn der Basiswiderstand der Diode erhöht wird, d.h., wenn die Störstoffkonzentration geringer wird. Bei der durch das erfindungsgemäße Bauelement erzeugten iükrowellenschwingung wurde festgestellt, daß die Schwingung eintrat, wenn Gegenspannungen angelegt wurden, die höher als die Durchbruchsspannung waren.

Da, wie oben beschrieben, das erfindungsgemäße Bauelement mit über der Durchbruchsspannung liegenden Spannungen arbeitet, ist der im erfindungsgemäßen Bauelement fließende 3trom stark und der Ausgang infolgedessen sehr hoch. Der als Joule¹sehe Wärme innerhalb der Vorrichtung verbrauchte Ein-

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gangsenergieverlust verändert sich mit der Gestalt des Bauteils und der Störstoffkonzentration des Trägers. Bei einem

-4 2 Probestück mit einem Querschnitt von 4 x 10 /cm betrug er beispielsweise 3 bis 45 W bei Gleichstrombedingungen. Deshalb muß vor allem die Wärmeabgabe des Probestücks beachtet werden, um sein Zersetzen zu vermeiden und eine stabile Mikrowellenschwingung sicherzustellen. Für die Verbesserung der Wärmeabgabe ist es wünschenswert, die Dicke des erfindungsgemäßen Bauelements auf weniger als 2 mm zu halten und einen Radiator anzuschließen, um eine gute Wärmeableitung zu gewährleisten.

Es ist bekannt, daß sich bei Silizium oder Germanium der Mechanismus für das Durchbruchsphänomen mit der Störstoffkonzentration in der Halbleiterbasis eines p-n-Übergangs verändert. Daher ist in Bauelementen mit einer hohen Störstoffkonzentration die Durchbruchsspannung niedrig, und es wird angenommen, daß das Durchbruchsphänomen durch den Zenereffekt bewirkt werden kann. Bei Bauelementen mit geringer Störstoffkonzentration ist die Durchbruchsspannung hoch und das Durchbruchsphänomen wird dem Lawineneffekt zugeschrieben. Bei einer Vorrichtung zur Erzeugung von Mikrowellenschwingungen, bei der eine Siliziumdiode verwendet

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wird, schreibt man das Durchbruchsphänomen des Halbleiterbauelements, in dem eine Mikrowellenschwingung beobachtet wird, ausschließlich dem Lawineneffekt zu. Dies ergibt sich aus dem Wert der Durchbruchsspannung der Siliziumdiode. Im Gegensatz dazu nimmt man bei einer Germaniumdiode an, daß das Durchbruchsphänomen infolge des Lawineneffekts auftritt, wenn, im Falle einer -η-leitenden Basis, der spezifische Widerstand der Basis weniger als 0,46Λ cm (in bezug auf die

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Störstoffkonzantration weniger als etwa 4 x 10 /cm ) beträgt, und daß der Zenereffekt für das Durchbruchsphänomen verantwortlich ist, wenn der spezifische Widerstand der Basis mehr als 0,46Λ cm beträgt.

Zur Erzeugung von Mikrowellenschwingungen soll erfindungsgemäß die Störstoffkonzentration der Basis eines Germaniumbauelements etwa 1 χ 10 bis 1 χ 10 /cm betragen. Die meisten Durchbruchsphänomene verschiedener p-n-Übergänge bei Basen dieses Störstoffbereichs werden dem Zenereffekt zugeschrieben. Diese Eigenschaft unterscheidet sich merklich von der des Siliziums.

Obwohl es bis jetzt nicht klar war, warum bei einem erf-indungsgemäßen Halbleiterbauelement eine Mikrowellenschwingung stattfindet, wurde doch aufgrund der Tatsache, daß

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die an das Halbleiterbauelement gelegten elektrischen Felder über dem Wert liegen, der den Träger im Halbleiter sozusagen heiß macht, festgestellt, daß der "heiße Träger" eine gewisse Rolle spielt. Daher ist Germanium, das eine höhere Trägerbeweglichkeit aufweist als Silizium, offensichtlich ein günstigeres Material.

Während es, wie bekannt, schwierig ist, eine schicht mit Silizium herzustellen, ist mit Germanium, wie im erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement, eine Legierungsschicht zu erzielen. Aus diesem Grunde kann die Elektrode und der angeschlossene Wärmestrahler mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement in einem Verfahren hergestellt werden, bei dem die Legierungsschicht mit dem Germaniumträger gebildet wird.

Da die Mikrowellenschwingung im Halbleiterbauelement wie oben beschrieben stattfindet, ist das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement sehr klein im Vergleich zu den bekannten Mikrowellenschwingungselektronenröhren. Darüber hinaus werden erfindungsgemäß Mikrowellenschwingungen erzeugt, ohne daß zusätzliche konplizierte Vorrichtungen erforderlich sind. Aus diesem Grunde ist die Erfindung zur Verbesserung von Einrichtungen des Nachrichtenwesens u. dgl.

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sehr wirksam.

Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein neues und verbessertes Halbleiterbauelement zur Erzeugung von Mikrowellenschwingungen zu schaffen, das kleiner ist, verbesserte Leistungen aufweist und leicht und wirtschaftlich herzustellen ist.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigen

■Fig· 1 eine Ansicht ei^er Ausführungsform der Erfindung, ?i_ö·. 2 eine typische Strom-Spannimgs-Kennlinie aes erfindungsjemäßen Bauelements,

Fig. 3 ein Beispiel eines Schwingkreises, bei dem das erfinaungsgemäße Bauelement verwendet ist, und Fig. 4 eine Kennlinie einer besonderen Ausführungsform der Erfindung.

Lie in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform umfaßt einen u-ermanium-honokr is tall träger 4 mit einem Metallfilm auf seiner einen Seite, der eine Legierungsschicht bildet. Ein Kekristallisationsteil 3 und eine Sperrschicht 7 sind

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zwischen dem Metallfilm 2 und dem G-ermaniumträger 4 ausgebildet. Eine Zuleitungskontaktfeder 1 ist am Metallfilm 2 ange* ordnet, um an das Bauelement eine Gleichspannung zu legen. Diese Zuleitungskontaktfeder wird gebraucht, um einen Metallkontakt, jedoch keinen Punktkontakt herzustellen. Der p-n-Übergang kann durch Diffundieren oder epitaxiales Anwachsen, nicht jedoch durch Bildung einer Legierungsschicht hergestellt werden. In solchen Fällen werden die Elektroden auf der oberen Fläche angebracht. Ein Metallstrahler 6 ist an der anderen Seite des Trägers 4 mit einem Metall 5 befestigt, das einen Ohmschen Kontakt zwischen beiden bildet.

In Fig. 2 zeigt die Abszisse die an das Bauelement gelegtenSpannungen und die Ordinate die im Bauelement fließenden Ströme. Vg auf der Abszisse zeigt die Durchbruchsspannung und Vn die kritische Spannung an, bei der Mikrowellenschwingungen stattfinden. Demnach tritt beim erfindungsgemäßen Bauelement eine Mikrowellenschwingung bei Gegenspannungen auf, die die kritische Spannung V_n überschreiten.

Eb wurden Halbleiterbauelemente gemäß der Erfindung mit verschiedenen Ubergangsbereichen hergestellt, die in der Größenordnung von etwa 1000*t bis 2Ow im Quadrat (in.square) lagen, und ihre Ausgänge wurden gemessen. Es wurde festge-

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daß der Mikrowellenausgang nicht unbedingt proportional zur Übergangsfläche ist. Es ist zu vermuten, daß das Durchbruchsphänomen in den Probestücken örtlich in Gegenrichtung stattfindet, ganz gleich, ob dieses Phänomen durch den Zenereffekt oder den lawineneffekt hervorgerufen wird. Ein gutes Ergebnis zur Erzeugung einer Mikrowelle wurde durch Verkleinern der Übergangsflache erzielt, da hierbei die Störstoffkonzentration des Trägers größer wird. Bis jetzt ist der Grund hierfür noch nicht klar.

Im folgenden werden einzelne, die Erfindung aufweisende Halbleiterbauelemente beschrieben:

(1) Ein n-Germaniumträger mit einer Störstoffkonzentration von 1 χ 10 bis 1 χ 10 /em wurde auf eine Dicke von 100OiU bis 50/U, gebracht. Dieser Träger wurde in vier Probestücke von je etwa 20OjU. Quadrat (square each) zerschnitten. Jedes Probestück wurde auf eine Platte aus Eisen-Nickel-Legierung mit einem vorher aufgetragenen Zinnlot, aufgebracht. Auf der anderen Seite des Probestücks wurde ein einen p-Übargang bildendes Metall, z.B. Indium, aufgebracht. Diise Bauelemente wurden in einem Ofen erhitzt, um eine Legierungssctiicht zu bilden, und wurden dann elektrolytischgpätzt. Dadurch erhielt man Halbleiterbauelemente mit guten Gleich-

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richtereigenschaften. Diese Halbleiterbauelemente wurden in eine Kapsel oder eine Patrone einer Mikrowellendiode eingeschlossen.

(2) Ein p-n-Übergang wurde durch vorheriges Ausbilden einer p-Schicht auf einer η-Schicht durch epitaxiales Anwachsen auf einem n- bzw. p-leitenden Germaniumträger hergestellt. Der Träger wies die gleiche Störstoffkonzentration wie im vorhergehenden Beispiel auf. Auf der durch das Anwachsverfahren erzeugten Schicht wurden dann Elektroden durch Aufdampfen oder Auflöten ausgebildet. Das erhaltene Bauelement wurde dann in Stücke einer geeigneten Form zerschnitten, und jedes Stück wurde in eine Kapsel eingeschlossen.

Die in den beiden Fällen (1) und (2) auf der Metallbasis der Kapsel aufgelöteten Halbleiterbauelemente führten Wärme mit besseren Ergebnissen ab als die mit einem Silberanstrich behafteten. Ihre Funktion war selbst bei solchen Spannungen stabil, die über der kritischen Spannung lagen, bei der eine Mikrowelle erzeugt wird.

Bei einem mit den oben beschriebenen Verfahren hergestellten Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements wies ein η-leitendes Ge mit einer Störstoffkonzentration von

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5 x 10 /cm , das eine Legierungsübergangsschicht bildete,

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eine Dicke von 10OyW , eine 20QJIa/ Quadratbasisflache (square base area) und eine 1OCUa, Quadratübergangsfläche auf und hatte eine Durchbruchsspannung von 40 V. Bei diesem Bauelement betrug die kritische Spannung, bei der die Oszillation stattfindet, 48 V, und der im Bauelement fließende Strom betrug 0,26 A. Ein Oszillator wurde durch Einsetzen dieses Bauelements in einem Stromkreis, ähnlich dem in Fig. 3 dargestellte^ hergestellt. Die Vorrichtung dieses Beispiels ergab eine kritische Frequenz von 7500 MHz. Die Erzeugung einer Mikrowelle einer Frequenz von etwa 1200 Mz wurde gleichzeitig beobachtet. Die Kennlinie dieser Vorrichtung ist in Fig. 4 veranschaulicht, wobei die Spannung auf der Abszisse und der Strom auf der Ordinate dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt einen Oszillatorkreis mit einem Wellenleiter 10, einer Anschlußelektrode 9, die mit der Leitungskontaktfeder des erfindungsgemäßen Bauelements verbunden ist, einer mit dem Metallstrahler 6 verbundenen Anschlußelektrode 3, einer Energiequelle 12 und einer Widerstandsanpassungssonde 11.

Wenn Spannungen von 30 V bis 40 V an ein Halbleiter-

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bauelement mit einer Storstoffkonzentration von 5 σ 10 /cm

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bis 5 x 10 /cm der oben genannten Vorrichtung gelegt wur-

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den, erhielt man eine stabile Oszillation von etwa 10 GHz.

Wenn die Dicke der p- oder der η-leitenden Schicht des Trägers weniger als 200Ou- betrug und das Kühlungsmittel in der Nähe der Übergangsschicht durch Anlöten ei:*¹ es Radiators wärmeleitend befestigt war, war das Arbeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung stabil, selbst wenn eine große Ausgangsleistung abgenommen wurde.

•Ferner wurde bei einem Halbleiterbauelement mit einer

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bis 1 χ 10 /cm und einer p-n-Übergangsflache von weniger als 100U- Quadrat (square) eine Schwingung im Millimeterwellenbereich von 50 bis 90 GHz beobachtet.

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Claims (6)

Patentansprüche :

1. Halbleiterbauelement zur Erzeugung von Mikrowellenschwingungen, gekennzeichnet durch einen Germaniumträger mit einer Störstoffkonzentration in der Größenord-

15 3 18 3 nung von 1 χ 10 /cm bis 1 χ 10 /cm , einen auf dem Träger ausgebildeten p-n-Übergang und Mittel zum Anlegen einer Gegenspannung an den p-n-Übergang, die höher ist als die Durchbruchsspannung.

2. Halbleiterbauelement zur Erzeugung von Mikrowellenschwingungen, gekennzeichnet durch einen Germaniumträger mit einer Störstoffkonzentration in der Größenordnung von 5 χ 10 / cm bis 5 x 10 /cm , einen auf dem Träger ausgebildeten p-n-Übergang und Mittel zum Anlegen einer Spannung von 30 V bis 40 V in dem Übergang entgegengesetzter Richtung an diesen Übergang zum Erzeugen einer stabilen Schwingung von etwa 10 GHz.

3. Halbleiterbauelement zur Erzeugung von Mikrowellenschwingungen, gekennzeichnet durch einen Germaniumträger mit einer Störstoffkonzentration in der Größenordnung von 1 χ 10 Vcnr bis 1 χ 10 /cm , einen auf dem Träger ausgebildeten p-n-Übergang, wobei der Träger und der Übergang im

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p-leitenden Teil "bzw. im η-leitenden Teil jeweils eine Dicke von weniger als 2000 Mikron aufweist, und durch eine an den Träger in der Nähe des Übergangs angeschlossene Kühlungsvorrichtung.

4. Halbleiterbauelement zur Erzeugung von Mikrowellenschwingungen, gekennzeichnet durch einen Germaniumträger mit einer Störstoffkonzentration in der Größenord-

17 5 18 5 nung von 1 χ 10 /cm bis 1 χ 10 /cm , einen auf dem Träger ausgebildeten p-n-Übergang mit weniger als 100 ,Lc Quadrat Fläche (square area) und Mittel zum Anlegen einer Gegenspannung an den Übergang, die höher ist als die Durchbruchsspannung zum Erzeugen von Mikrowellenschwingungen in der Größenordnung von 50 bis 90 GHz.

5. Halbleiterbauelement zur Erzeugung von Mikrowellenschwingungen, gekennzeichnet durch einen Halbleiterträger mit einer Störstoffkonzentration in der Größenord-

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nung von 1 χ 10 /cm bis 1 χ 10 /cm , eine auf dem Träger ausgebildete und eine Sperrschicht bildende Metallschicht, am Träger in der Nähe des Übergangs angeordnete Wärmediffusionsmittel und Mittel zum Anlegen eines elektrischen Potentials ,an den Übergang in zu diesem entgegengesetzter Richtung, wobei das Potential größer als die Durchbruchsspannung

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6. Verfahren zum Erzeugen von Mikrowellenschwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß man an einen Halbleiter mit einem eine Störstoffkonzentration in der Größen-

15 3 18 3 Ordnung von 1 χ 10 /cm bis 1 χ 10 /cm aufweisenden Träger und einem auf diesem ausgebildeten p-n-Übergang eine Gegenspannung legt, die höher ist als die Durchbruchsspannung.

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