DE1591084A1 - Halbleiterbauelement mit Gunn-Effekt - Google Patents

Halbleiterbauelement mit Gunn-Effekt

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DE1591084A1 DE19661591084 DE1591084A DE1591084A1 DE 1591084 A1 DE1591084 A1 DE 1591084A1 DE 19661591084 DE19661591084 DE 19661591084 DE 1591084 A DE1591084 A DE 1591084A DE 1591084 A1 DE1591084 A1 DE 1591084A1
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Description

Deutsche IXX Industries CP. Sandbank - 28
Gesellschaft mit beschränkter Haftung 1n nir+nKaw 1Q(-< 78 Preiburg, Hana-Bunte-Straße 19 Pat.Go?/5if
ISE/Reg. 3478 - Pl 395
SEUXSCHE ISX IHDtJSXRIES GESELLSCHAFT HIX BESCHRÄNKTER HAPTUNG, PREIBURO i.Br.
Halbleiterbauelement mit Gunn-Effekt
Die Priorität der Anmeldung in Großbritanien vom 27. Oktober 1965 Hr. 45*459/65 ist in Anspruch genommen.
Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente mit einem HalbleitessBaterial» das bei hohen elektrischen Feldstärken Unst&bilitätaeffekte aufweist, welche bewegliche Unstabilitätebereiche im Halbleitermaterial bewirken.
Wird ein Kristall von bestimmten Halbleitermaterialien e.iuea stationären elektrischen feld oberhalb eines kritischen srtes ausgesetzt, dann enthält der durch den Kristall fließ«* ie Ge-3amtstrom einen Schwingungsanteil, dessen Preq.uen* :: :h die Ausbreitung des Raumladungsverteilung zwischen um .taktflächen des Kristalls bestimmt wird* Ss gibt ver^clii^ &e Erscheinungsformen, von denen drei wie folgt sich äußernι
a) Es wurde zuerst von J.B, Sunn für III-Y-Halbleiter berichtet (Solid Stabe Communications, Bd. 1, Seite 88, 1963),
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BAD OBIGtNAU
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daS bei die-.an Katerlallen die Erscheinung auf dem Elektronenübergang von einem hohen zu einem niedrigen Zustand der Beweglichkeit beruht.
b) Bei Cd S 1st die Erscheinung auf die Wechselwirkung zwischen driftenden Elektronen und akustische Phononen zurückzuführen.
ο), Es wurde ebenfalls nachgewiesen, daß unter geeigneten Bedingungen in Germanium sehr langsam bewegliche Unstab111-tätsbereiche erhalten werden können, was feldabhängigen Beweglichkeiten mit Einfangseffekten zugeschrieben wird.
Die Schwingungefrequenz ist hauptsächlich durch die Länge des Strompfades durch den Kristall gegeben. Die Erscheinung wurde, wie oben dargelegt, sowohl in III-7-Halbleitern, wie Gallium-Arsenid und Indium-Phosphid vom n-Ieitfähigkeitstyp, als auch in piezoelektrischen Halbleitern entdeckt.
Bei piezoelektrischen. Halbleitern wird angenommen, daß die Erscheinung der ünat&bilitätsbereiche (engl: domain) der Kopplung zwischen Elektronen und akustischen Phononen zuzuordnen let. Das Phonon wird definiert als Quant der Gitterschwingungaenergle In einem Kristallgitter.
Unter der Bezeichnung "Halbleitermaterial, das bei hohen elektrischen Feldstärken Unstabilitätseffekte aufweist" wird hier zumindest ein j-Iea Material verstanden, welches einen im vorstehenden Abschnitt beschriebenen Effekt oder eine ähnliche funktionell dacdi; im Zusammenhang stehende Erscheinung aufweist, die auf einem etwas unterschiedlichen Innern Mechanisms* beruhen kann.
Der Wert des angelegten Feldes, unterhalb dem ein spo? &v\: Selbstschwingen nicht auftritt, wird als Schwellwert c,v.-o-'o
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Wird der Wert des stationären elektrischen Feldes an Irgendeinem Punkt Innerhalb des Körpers aufgrund der Wirkung eines ElngangsBlgnals über den Schwellwert während einer kleineren Zelt als die Übergangszeit der Unstabilltat zwischen den beiden an das Feld angelegten Eontaktflächen angehoben, so wird der an £ Sa den Körper von der äußeren Quelle der Potentlaldlfferens fließende Strom einen einzelnen Ausschlag über seinen stationären Vrert erleiden» wodurch ein leistungsverstärker Aue gangs impuls erilelt wird.
Um die Im vorhergehenden Abschnitt beschriebene Arbeitsweise der Herstellung eines einzelnen Impulses zu erhalten, mufl der Wert des stationären !Feldes einen niederen Sohwellwert übersteigen, der experimentell bei gegebenen Material als typisch zwischen 5O# und 75J^ des Schwellwertes liegend ermittelt wurde. Das stationäre Feld kann gleiohförmig oder zur Verminderung der G-esamtverlustleistuug im Bauelement in Form von Impulsen angelegt werden.
Pie vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit zwei Kontakten aufweist, an die eine Spannung oberhalb einer Schwellspannung angelegt wird, welche im Halbleiterkörper eine den Gunn-Effekt bewirkende Feldstärke ergibt. Erfindungsgemäß ist am Halbleiterkörper zwischen den Kontakten mindestens aim gegen den Halbleiterkörper elektrisch isolierte Elektrode angebracht.
Die Verwendung des Halbleiterbauelementes nach der Erfindung in einer Schaltungsanordnung zum Verstärken eines Mikrowellensignals erfolgt derart, daß an die Kontakte eine Gleichspannung oder Gleichspannungsimpulse angelegt werden, deren durch den Gunn-Effekt bewirkter Mlkrowelltnanteil an der Elektrode bzw. dtn Elektroden abgegriffen wird. Liegt die Höhe der Gleichspannung bzw. die Amplitude der Gleichspannungsimpulee oberhalb des bereits erwähnten Schwellwertes, dann wandern die bei höheren
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BAD ORlGiNAL _ _
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Feldern entstehenden ünstabilitätsbereiche wischen den Kontakten elurcn den Körper und können an der Elektrode bzw. den nachgewiesen werden.
Das verwendete Halbleitermaterial muß die eingange erwähnten Eigenschaften, d.h. bei hohen elektrieohen feldern die erwähnten ünstabilitäteeffekte, aufweisen. Vorzugsweise besteht der Halbleiterkörper aus η-leitendem Gallium-Areenid oder Indiun-Phospnid; andere III-V-Halbleiter und piezoelektrische Halbleiter können ebenfalls verwendet werden.
Offensichtlich ist eine Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterelement nach der Erfindung ein durch einen Eingangsimpuls zug tastbarer Impulsgenerator,der Leistung aus einer Gleichstromquelle in einen entsprechenden Impulszug von Ausgangsimpulsen umwandelt. Die Eingangslmpulsleistung kann sehr gering sein, während die mittlere Leistung des Auegangsimpulezugee einige Watt betragen kann. Da die Arbeitswelse der Anordnung unabhängig von der Impulswiederholungsfrequenz ist -unter der Voraussetzung, daß diese niedriger als die Eigenschwingungsfrequenz des Materials liegt- ist die Anordnung als aperiodischer Impulsverstärker aufzufassen, der bei Anstiegszeiten von einem Bruchteil einer Sekunde über einen großen Bereich von Impulswiederholungsfrequenzen,
d.h. von 0 bis 10 Hz, betrieben werden kann. Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird eine oben beschriebene Schaltungsanordnung als ein Verstärker für ein frequenzveränderliches Eingangsschwingungssignal verwendet, das ein Überschreiten des elektrischen Feldes über den Schwellwert Innerhalb des Halbleiterkörpers während des Teiles einer jeden Periode des Eingangssignales bewirkt. Dabei erscheint am Ausgang der Schaltungsanordnung ein nichtsinusförmigeβ sich wiederholendes Signal mit der Frequenzenmodulation des Eingangsschwingungssignales.
Die obenerwähnten und weitere Merkmale der Erfindung sollen im Folgenden anhand der Zeichnung beschrieben werden, in der die
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ORiGJNAL _ 5 _
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Figur 1 schematisch einen Impulsgenerator zeigt, bei der die Spannung der Unstabilitätsbereiche an der Äno^de abgetastet wird, und die Figuren 2 bis 4 schematisch andere Impulsgeneratoranordnungen veranschaulichen, bei denen die Spannung des Unatabilitätsbereichs durch eine oder mehrere Elektroden entlang des Bauelements abgetastet werden.
Das wirksame Halbleiterelement der Figur 1, beispielsweise aus η-leitendem Gallium-Arsenid oder piezoelektrischem Halbleitermaterial, besteht aus einer Scheibe 1 mit planparallelen Oberflächen und alt ohmsciien Flächenkontakten 2, die an ihren Randflachen befestigt sind· Mittels einer einseitig gerichteten Stromquelle wird eine Pcteiitlaldlfferenz von einstellbarem Wert öle PlcL'j&eakontakte 2 angelegt. Zum Ableiten öeder
s£Ciu[3a?;,o&t;e des Im Erie tall fließenden Stromes würde ©In imsgamgsiiPöiK angeordnet werden.
BIe Ia obigsa *t?citeltten beeokriebene Erscheinung äußert sich durch daei Α^Γ·*ί - v>m einer SciiwingungskompoGeüt© in dem durch den Kristall 1 ifi 1. o^eiideii. Strom In dem nicht dargestellten Ausgangs-2a?eis, so&alCl o,:L· über den Kristall von der einseitig gerichteten Strosqiiel-iU;· a-tigelegtee Potentialdifferenz einen kritischen Wert libergclxirui-i;et| bei einem Kristall aus G-allium-Arsenid mit
—2
einer länge von, £mal 10 cm liegt die zum Erzeugen einer Schwingung «ftiox-'uerllche kritische Potentialdifferenz in der G-rößenordnuag vmi 40 YoIt, was einer Feldstärke innerhalb des Eristalles in der Größenordnung von 2 000 YoIt pro cm entspricht. BIa Eigensohwlugungsfrequenz, welche unmittelbar mit der Länge L des Kristalles in Beziehung steht, liegt in der Größenordnung von 109 Hz.
Die zwischen äle Plächenkoatakte 2 angelegte Potentialdifferenz ist ein experimentell ermittelter Bruchteil des zum Hervorrufen einer Selbstschwingung arforderlichen und wird derartig gewählt,
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daß eine oszillierende Schwingirogsform oder ein mittels einer äußeren Quelle überlagerter Steuerimpuls den Kristall 1 kurzzeitig während jeder Periode der Eingangsfrequenz zum Selbstechwingen bringt; der Spitzenwert der oszillierenden Signalspannung hebt, mit anderen Worten ausgedrückt, das elektrische Feld innerhalb des Kristalles gerade ausreichend Über den Schwellwert an. Unter diesen Bedingungen wurde ermittelt, daß jede Anregung des Kristalls 1, durch die Spitze des Steuerimpulses 3 beispielsweise, einen scharfen Stromimpuls 4 bewirkt, welcher der Potentialquelle-Leistung entzieht, die im Ausgangskre: ; erscheint. Somit wird eine an das Bauelement angelegte oszillierende ?·Ji.winguugsform einen entsprechenden Zug von am Aus£ mg auf tre : anlea schar·, jj Stromimpulse verursachen. Unter der "oraussetEi. gj daß die xgenschwingungsfrequenz niemals übe- schritten v.Lrd, ist die Wirkungsweise des Bauelements im Wesentlichen fse^ensmiabhangig, Die verfügbare Ausgangsleistung vom bauelement liilugt you der zulässigen Verlustleistung innerhalb dea Kristalls ab. Die Ausgangsleistung kann einige Watt betragen. Da de; *'i::ikun«g0grad aber relativ niedrig ist, wird daia.; '.· eine relr.1 ν hohe Verlustleistung im Kristall verbunden seir, Das Steuer; οiential kann zur Verminderung der Dauerverlustleiestung impiilsförmig zugeführt werden.
Die Figuren 2 b-us 4 der Zeichnung veranschaulichen schematisch. andere Impulsgeueratoren, bei denen das Halbleiterbauelement im H'.nbllck auf die Herstellung zusammengesetzter Schwingende-
forcfian und Phasendifferenzen bei Frequenzen in der Grrößer.ior'inung q
von :0 Hz abgewandelt ist. Bei diesen Anordnungen weißt der Halbleiterkristall 5, beispielsweise Gallium-Arsenid, at seinen Endflächen Flächenkontakte 6 auf, an die die Potential^fferenz sowi 3 die Eingangsschwingung oder der Steuerimpuls 3 in gleicher Weis 3 angelegt wird, wie in der Anordnung gemäß der Plgiir ι * Der Ausgang des Bauelementes ist jedoch bei diesen AnTdp^r^en verändert. Eine Reihe weiterer flächenförmiger Elektro'*·^' ^ sind auf einer Oberflächenseite des Halbleiterkristalle b ange-
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ordnet und gegen diesen durch eine dünne Isolierschicht 7» beispielsweise aus Quarz, isoliert. Sie Mehrfach-Elektroden sind somit nahe dem Unstabilitätsbereich bei hoher Feldstärke im Bauelement angeordnet. Pflanzt sich die hohe Feldstärke •ines dem angelegten PeId überlagerten Schaltimpulses 3 oder einer jeden einzelnen Halbwelle eines sinusförmigen Eingangssignal s/Ln Itängsriohtung des Bauelementes fort, wobei der Schwellwert über den kritischen Wert des Bauelementes angehoben wird, was sich in Porm eines scharfen Stromimpulses im Ausgangskreis äußert, dann wird jede einzelne der Elektroden 8 über die Isolierschicht 7 kapazitiv mit dem Ausgang verbunden, sodaß Serien von Ausgangsimpulse 9 gemäß Figur 2 erzeugt werden. Bei geeigneter Anordnung der Elektroden 8 könnte der Ausgang des Bauelements mit geeigneter Verzögerung gemäß der Schwingungsformen 10 und 11 der Figur 3 getrennten Schaltkreisen zugeführt werden. Es könnte auch eine Mannigfaltigkeit von Kodierungen in die Impulse eingebaut werden, wie in Figur 4 der Zeichnung veranschaulicht ist.
Die im einzelnen oben beschriebenen Anordnungen könnten betrieben werden, indem über die Kontakte 6 eine größer als der Schwellwert betragende Potentialdifferenz angelegt wird, womit Selbstschwingen verursacht wird. Bei dieser Arbeitsweise würde das Bauelement ohne das Erfordernis einer weiteren äußeren Steuerung fortlaufend Reihen von Ausgangsimpulsen abgeben.
Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist selbstverständlich nicht auf obige Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Claims (1)

  1. ISE/Reg. 3478 - Pl 395 CP. Sandbank -28
    PATENTANSPRÜCHE
    · Halbleiterbauelement, das fintii Halbltiterlcörptr mit zwei Kontakten aufweist, an die eine Spannung oberhalb einer Sohwellepannung angelegt wird, welche im Halbleiterkörper eine den Gunn-Effekt bewirkende feldstärke ergibt, dadurch gekennzeichnet, dafi am Halbleiterkörper (5) zwiechen den Kontakten (6) mindesten· ei»gegen den Halb* leiterkörper elektrisch isolierte Elektrode (8) angebracht ist.
    2« Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (8) gegen den Halbleiterkörper (5) durch eine Isolierschicht (7), insbesondere aus Quarz, elektrisch isoliert ist.
    3* Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (5) aus Gallium-Arsenid, Indium-Phosphid oder ein piezoelektrisches Halbleitermaterial besteht.
    4. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis 3* dadurch gekennseiohnet, daß zwischen den Kontakten (6) zumindest eine Serie elektrisch parallel gesohalteter Elektroden (8) angebracht 1st.
    5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das der Abstand zwischen den Elektroden (8) konstant ist.
    6« Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dal der Abstand zwischen den Elektroden (8) rariiert.
    90983A/0844 ßAD original
    ISE/Reg. 3478 - Pl 395 CP. Sandbank - 28
    7. Schaltungsanordnung zum Verstärken eines Mikrowellensignals unter Verwendung eines Halbleiterbauelementes nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kontakte eine Gleichspannung oder Gleichspannungsimpulse angelegt werden, deren durch den Gunn-Effekt bewirkter Mikrowellenanteil an der Elektrode bzw. den Elektroden abgegriffen wird.
    8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse einer konstanten Gleichspannung überlagert werden, die eine feldstärke unterhalb der kritischen Schwellfeldstärke ergibt.
    9. Verwendung eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 6, zur Kodierung von Impulsen.
    BAD
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    -41*
    Leerseite
DE19661591084 1965-10-27 1966-10-18 Halbleiterbauelement mit Gunn Effekt und dessen Verwendung zum Verstarken und Impulskodieren Expired DE1591084C (de)

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GB4545965 1965-10-27
GB45459/65A GB1129149A (en) 1965-10-27 1965-10-27 Improvements in or relating to pulse generators
GB45458/65A GB1092320A (en) 1965-10-27 1965-10-27 Improvements in or relating to microwaves generators
DED0051348 1966-10-18

Publications (3)

Publication Number Publication Date
DE1591084A1 true DE1591084A1 (de) 1969-08-21
DE1591084B2 DE1591084B2 (de) 1972-11-23
DE1591084C DE1591084C (de) 1973-06-07

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0169598A1 (de) * 1984-07-13 1986-01-29 Koninklijke Philips Electronics N.V. Lüftungsplatte für elektromagnetische Abschirmung

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0169598A1 (de) * 1984-07-13 1986-01-29 Koninklijke Philips Electronics N.V. Lüftungsplatte für elektromagnetische Abschirmung

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Publication number Publication date
NL6615165A (de) 1967-04-28
CH455961A (de) 1968-05-15
DE1591085A1 (de) 1969-08-21
FR1497937A (fr) 1967-10-13
US3453502A (en) 1969-07-01
DE1591085B2 (de) 1973-12-06
DE1591084B2 (de) 1972-11-23
CH471501A (de) 1969-04-15
NL6615166A (de) 1967-04-28
DE1591085C3 (de) 1974-07-18

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Legal Events

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