DE1541494B2 - Oszillator mit einem halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Oszillator mit einem Halbleiterbauelement, das einen in einem Germaniumsubstrat gebildeten pn-Ubergang aufweist, an den eine die Durchbruchspannung übersteigende Gleichspannung in Sperrichtung unter Ausnützung einer negativen Widerstandscharakteristik auf Grund eines Lawineneffekts anlegbar ist.

Die Erzeugung von Schwingungen im VHF-Bereich mit Hilfe derartiger Oszillatoren ist bekannt (USA.-Patentschrift 3 040 188). Hierbei wird die in Zenerdioden und Lawinendioden ausgenützte Erscheinung angewandt, daß bei kontinuierlich ansteigender, in Sperrichtung am Halbleiterbauelement anliegender Gleichspannung bei Erreichen der Durchbruchspannung ein plötzlicher Stromanstieg auftritt. Dabei können sich Schwierigkeiten hinsichtlich der entstehenden Wärme ergeben, die bei höheren Frequenzen bis zur Zerstörung des Halbleiterbauelements führen kann. Es ist beobachtet worden, daß Silizium und Germanium in dieser Hinsicht ein vollkommen unterschiedliches Verhalten zeigen.

Germanium weist eine höhere Trägerbeweglichkeit auf als Silizium und ist außerdem leichter zu legieren, so daß das Germaniumsubstrat mit der Elektrode und einem angeschlossenen Wärmestrahler praktisch einstückig hergestellt werden kann und günstigere Voraussetzungen zur Abführung der entstehenden Verlustwärme herstellbar sind.

Dem Stand der Technik ist nicht entnehmbar, wie der bekannte Oszillator zur Erzeugung von Schwingungen im Mikrowellenbereich ausgestaltet werden könnte. Zwar sind Siliziumdioden zur Mikrowellenerzeugung bekannt («The Bell System Technical Journal» Februar 1965, Seiten 369 bis 372), die in der Zone ihrer geringeren Verunreinigungskonzentration einen spezifischen Widerstand von 0,15 Ohmcm aufweisen. Der andere Leitfähigkeitsbereich ist durch Diffusion eines Störstoffs gebildet. Hieraus lassen sich keine Anregungen zur Dimensionierung von Germanium-Halbleiterbauelementen zur Mikrowellenoszillation entnehmen.

Weiterhin ist ein mit einer Germanium-Tunneldiode arbeitender Oszillator bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 178 124), dessen Germaniumsubstrat eine Dotierung von 4 χ ΙΟ¹⁹ Atomen pro cm³ enthält. Die so dimensionierte Tunneldiode hat eine Zeitkonstante von etwa 0,5 nsec und eignet sich zur Verstärkung von Frequenzen im MHz-Bereich.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen zur Mikrowellenerzeugung geeigneten Oszillator mit einem Halbleiterbauelement auf Germaniumbasis auszurüsten. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Substrat des in einem Mikrowellenresonator angeordneten Halbleiterbauelements in seinem einen Leitfähigkeitsbereich eine Verunreinigungskonzentration von 10¹⁵ bis 10¹⁸ Atomen/cm³ aufweist. Es hat sich erwiesen, daß bei einer derartigen Dotierung Mikrowellen dauerhaft und zu optimalen Bedingungen erzeugt werden können.

Die in den erfindungsgemäßen Oszillatoren verwendeten optimierten Halbleiterbauelemente sind klein und leicht mit den erforderlichen Kühleinrichtungen zu verbinden. Außerdem sind die Halbleiterbauelemente leicht und wirtschaftlich herstellbar.. Insbesondere ergeben sich optimale Verhältnisse, wenn für einen Bereich von näherungsweise 10 GHz das Substrat mit einer in Sperrichtung anliegenden Spannung im Bereich von 30 bis 40 V betrieben wird und eine Verunreinigungskonzentration von 5 χ 10¹⁵ bis 5 χ 10¹⁶ Atomen/cm³ aufweist; bzw. wenn für einen Bereich von 50 bis 90 GHz das Substrat eine Verunreinigungskonzentration von 10¹⁷ bis 10¹⁸ Atomen/ cm³ aufweist und eine Ubergangsschicht-Fläche von weniger als 10 000 μ- aufweist.

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

F i g. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform eines in einem erfindungsgemäßen Oszillator verwendeten Halbleiterbauelements,

F i g. 2 die Strom-Spannungs-Kennlinie des Bauelements,

F i g. 3 einen erfindungsgemäßen Mikrowellenoszillator, und

Fig. 4 die .Kennlinie einer besonderen Ausführungsform des Halbleiterbauelements.

Das in -F i g. 1 dargestellte Halbleiterbauelement umfaßt ein Germanium-Monokristallsubstrat 4 mit einer Metallschicht 2 auf seiner einen Seite unter Bildung einer Legierungssperrschicht. Ein Rekristallisationsbereich 3 und eine Sperrschicht 7 sind zwischen dem Metallfilm 2 und dem Germaniumsubstrat 4 ausgebildet. Eine Zuleitungskontaktfeder 1 ist am Metallfilm 2 angeschlossen, um an . das Bauelement über einen MetaUkontakt, jedoch keinen Punktkontakt eine Gleichspannung zu legen. Der p-n-Übergang kann außer durch Legieren auch durch Diffundieren oder epitaxiales Anwachsen hergestellt werden. In solchen Fällen werden die Elektroden auf der oberen Fläche angebracht. Ein metallner Wärmestrahler 6 ist an der

anderen Seite des Substrats 4 mit einem Metall 5 befestigt, das einen Ohmschen Kontakt zwischen beiden bildet.

In F i g. 2 zeigt die Abszisse die an das Bauelement gelegten Spannungen und die Ordinate die im Bauelement fließenden Ströme. V_B auf der Abszisse zeigt die Durchbruchsspannung und V₀ die kritische Spannung an, bei der Mikrowellenschwingungen stattfinden. Demnach tritt beim beschriebenen Bauelement eine Mikrowellenschwingung bei einer in Sperrichtung angelegten Spannung auf, die die kritische Spannung V_c überschreitet.

Es wurden Halbleiterbauelemente mit Übergangsbereichen in der Größenordnung von etwa 1 mm² bis 400 μ² hergestellt und ihre Ausgänge wurden gemessen. Es wurde festgestellt, daß der Mikrowellenausgang nicht unbedingt proportional zur Übergangsfläche ist. Ein gutes Ergebnis zur Erzeugung einer Mikrowelle wurde durch Verkleinern der Ubergangsfläche erzielt, da hierbei die Störstoffkonzentration des Substrats größer wird.

Im folgenden werden einzelne, für die Erfindung verwendbare Halbleiterbauelemente beschrieben:

(1) Ein n-Germaniumsubstrat mit einer Störstoffkonzentration von 1 χ 10¹⁵ bis 1 χ 10¹⁸/cm³ wurde auf eine Dicke von 1000 μ bis 50 μ gebracht. Dieses Substrat wurde in vier Probestücke von je etwa 4000O₁M² 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-Übergang bildendes Metall, z. B. Indium, aufgebracht. Diese Bauelemente wurden in einem Ofen erhitzt, um eine Legierungsschicht zu bilden, und wurden dann elektrolytisch geätzt. Dadurch erhielt man Halbleiterbauelemente mit guten Gleichrichtereigenschaften. Diese Halbleiterbauelemente wurden in eine Kapsel einer Mikrowellendiode eingeschlossen.

(2) Ein p-n-Ubergang wurde durch vorheriges Ausbilden einer p-Schicht auf einer η-Schicht durch epitaxiales Anwachsen auf einem n- bzw. p-leitenden Germaniumsubstrat 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 Halbleiterbauelement wies ein n-leitendes Ge mit einer Störstoffkonzentration von 5 χ ΙΟ¹⁵/ cm³, das eine Legierungsübergangsschicht bildete, eine Dicke von 100,«, eine Basisfläche von 40 000 μ² und eine Ubergangsfiäche von 10 000 μ² 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 eine Anordnung gemäß F i g. 3 hergestellt. Die Vorrichtung dieses Beispiels ergab eine kritische Frequenz von 7500MHz. Die Erzeugung einer Mikrowelle einer Frequenz von etwa 1200 MHz wurde gleichzeitig beobachtet. Die Kennlinie dieser Vorrichtung ist in F i g. 4 veranschaulicht, wobei die Spannung auf der Abszisse und der Strom auf der Ordinate dargestellt ist.

Der Oszillator nach F i g. 3 hat einen Wellenleiter 10, eine Anschlußelektrode 9, die mit der Leitungskontaktfeder 1 des Halbleiterbauelements verbunden ist, eine mit dem Wärmestrahler 6 verbundene Anschlußelektrode 8, eine Energiequelle 12 und eine Widerstandsanpassungssonde 11.

Wenn Spannungen von 30 V bis 40 V an das Halbleiterbauelement mit einer Störstoffkonzentration von 5 χ 10¹⁵/cm³ bis 5 χ 10¹⁶/cm³ der oben genannten Vorrichtung gelegt wurden, erhielt man eine stabile Oszillation von etwa 10 GHz.

Wenn die Dicke der p- oder der η-leitenden Schicht des Trägers weniger als 2000 μ betrug und der Radiator in der Nähe der Übergangsschicht durch Anlöten wärmeleitend befestigt war, war das Arbeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung stabil, selbst wenn eine große Ausgangsleistung abgenommen wurde.

Bei einem Halbleiterbauelement mit einer Stör-Stoffkonzentration in der Größenordnung von 1 χ 10¹⁷/cm³ bis 1 χ 10¹⁸/cm³ und einer p-n-Übergangsfläche von weniger als 10 000 μ² wurde eine Schwingung im Millimeterwellenbereich von 50 bis 90 GHz beobachtet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Oszillator mit einem Halbleiterbauelement, das einen in einem Germaniumsubstrat gebildeten pn-übergang aufweist, an den eine die Durchbruchspannung übersteigende Gleichspannung in Sperrichtung unter Ausnützung einer negativen Widerstandscharakteristik auf Grund eines Lawineneffekts anlegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Mikrowellenerzeugung das Substrat (4) des in einem Mikrowellenresonator (10) angeordneten Halbleiterbauelements in seinem einen Leitfähigkeitsbereich eine Verunreinigungskonzentration von 10¹⁵ bis 10¹⁸ Atomen/cm³ aufweist.

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4) des mit einer in Sperrichtung anliegenden Spannung im Bereich von 30 bis 40 Volt im Mikrowellenbereich von näherungsweise 10 GHz zu betreibenden Halbleiterelements eine Verunreinigungskonzentration von 5 χ 10¹⁵ bis 5 χ ΙΟ¹⁶ Atomen pro cm³ aufweist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (4) des im Mikrowellenbereich von 50 bis 90 GHz zu betreibenden Halbleiterbauelements eine Verunreini-, gungskonzentration von 10¹⁷ bis 10¹⁸ Atomen pro cm³ und eine Übergangsschicht-Fläche von weniger als 10 000 μ- aufweist.