DE1591084B2 - Halbleiterbauelement mit Gunn-Effekt und dessen Verwendung zum Verstärken und Impulskodieren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente mit einem Halbleitermaterial, das bei hohen elektrischen Feldstärken Ünstäbilitätseffekte auf^ weist, welche bewegliche Unstabilitätsbereiche im Halbleitermaterial bewirken.

Wird ein Kristall von bestimmten Halbleitermaterialien einem stationären elektrischen Feld oberhalb eines kritischen Wertes ausgesetzt, dann enthält der durch den Kristall fließende Gesamtstrom einen Schwingungsanteil, dessen Frequenz durch die Ausbreitung der Raumladungsverteilung zwischen den Kontaktflächen des Kristalls bestimmt wird. Es gibt verschiedene Erscheinungsformen, von denen drei wie folgt sich äußern:

a) Es wurde zuerst von J. B. G u η η für III-V-HaIbleiter berichtet (Solid State Communications, Bd. 1, Seite 88, 1963), daß bei diesen Materialien die Erscheinung auf dem Elektronenübergang von einem hohen zu einem niedrigen Zustand der Beweglichkeit beruht.

b) Bei CdS ist die Erscheinung auf die Wechselwirkung zwischen driftenden Elektronen und akustischen Phononen zurückzuführen,
c) Es wurde ebenfalls nachgewiesen, daß unter geeigneten Bedingungen in Germanium sehr ίο langsam bewegliche Unstabilitätsbereiche erhalten werden können, was feldabhängigen Beweglichkeiten mit Einfangseffekten zugeschrieben wird.

Die Schwingungsfrequenz ist hauptsächlich durch die Länge des Strompfades durch den Kristall gegeben. Die Erscheinung wurde, wie oben dargelegt, sowohl in III-V-Halbleitern, wie Galliumarsenid und Indium-Phosphid vom n-Leitfähigkeitstyp, als auch in piezoelektrischen Halbleitern entdeckt.
Bei piezoelektrischen Halbleitern wird angenommen, daß die Erscheinung der Unstabilitätsbereiche (engl.: domain) der Kopplung zwischen Elektronen und akustischen Phononen zuzuordnen ist. Das Phonon wird definiert als Quant der Gitterschwingungsenergie in einem Kristallgitter.

Unter der Bezeichnung »Halbleitermaterial, das bei hohen elektrischen Feldstärken Ünstäbilitätseffekte aufweist« wird hier zumindest ein jedes Material verstanden, welches einen im vorstehenden Abschnitt beschriebenen Effekt oder eine ähnliche funktionell damit im Zusammenhang stehende Erscheinung aufweist, die auf einem etwas unterschiedlichen innern Mechanismus beruhen kann.

Der Wert des angelegten Feldes, unterhalb dem ein spontanes Selbstschwingen nicht auftritt, wird als Schwellwert bezeichnet.

Wird der Wert des stationären elektrischen Feldes an irgendeinem Punkt innerhalb des Körpers auf Grund der Wirkung eines Eingangssignals über den Schwellwert während einer kleineren Zeit als die Übergangszeit der Unstabilität zwischen den beiden an das Feld angelegten Kontaktflächen angehoben, so wird der durch den Körper von der äußeren Quelle der Potentialdifferenz fließende Strom einen einzelnen Ausschlag über seinen stationären Wert erleiden, wodurch ein leistungsverstärkter Ausgangsimpuls erzielt wird.

Um die im vorhergehenden Abschnitt beschriebene Arbeitsweise der Herstellung eines einzelnen Impulses zu erhalten, muß der Wert des stationären Feldes einen niederen Schwellwert übersteigen, der experimentell bei gegebenem Material als typisch zwischen 50 und 75% des Schwellwertes liegend ermittelt wurde. Das stationäre Feld kann gleichförmig öder zur Verminderung der Gesamtverlustleistung im Bauelement in Form von Impulsen angelegt werden.

Aus der österreichischen Patentschrift 209 377 ist

ein Halbleiterbauelement bekannt, das einen HaIbleiterkörper mit zwei Kontakten aufweist, an die eine Spannung angelegt wird, welche zur Erregung einer Plasmaschwingung ausreicht.

Die Erfindung betrifft dagegen ein Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit zwei Kontakten aufweist, an die eine Spannung oberhalb einer Schwellspannung angelegt wird, welche im Halbleiterkörper eine Hochfelddomäne auslöst. Ein solches Halbleiterbauelement, welches auch noch ein-

gangsseitig mit einer gegen den Halbleiterkörper isolierten Elektrode zur Beeinflussung des Auslösevorgangs der Hochfelddomäne versehen werden kann, war aus den Unterlagen zum belgischen Patent 665 303 bekannt.

Bei einem derartigen Halbleiterbauelement können die Verwendungsmöglichkeiten erfindungsgemäß dadurch vermehrt werden, daß am Halbleiterkörper zwischen den Kontakten zumindest eine Serie elektrisch parallelgeschalteter Elektroden angebracht ist, weiche gegen den Halbleiterkörper elektrisch isoliert sindi

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 Mikrowellenanteil an den Elektroden abgegriffen wird. Liegt die Höhe der Gleichspannung bzw. die Amplitude der Gleich-Spannungsimpulse oberhalb des bereits erwähnten Schwellwertes, dann wandern die bei höheren Feldern entstehenden Unstabilitätsbereiche zwischen den Kontakten durch den Körper und können an der Elektrode bzw. den Elektroden nachgewiesen werden.

Das verwendete Halbleitermaterial muß die eingangs erwähnten Eigenschaften, d. h. bei hohen elektrischen Feldern die erwähnten Unstabilitätseffekte, aufweisen. Vorzugsweise besteht der Halbleiterkörper aus η-leitendem Gallium-Arsenid oder Indiumphosphid; andere III-V-Halbleiter und piezoelektrische Halbleiter können ebenfalls verwendet werden.

Offensichtlich ist eine Schaltungsanordnung mit einem Halbleiterelement nach der Erfindung ein durch einen Eingangsimpulszug tastbarer Impulsgenerator, der Leistung aus einer Gleichstromquelle in einen entsprechenden Impulszug von Ausgangsimpulsen umwandelt. Die Eingangsimpulsleistung kann sehr gering sein, während die mittlere Leistung des Ausgangsimpulszugs einige Watt betragen kann. Da die Arbeitsweise der Anordnung unabhängig von der Impulswiederholungsfrequenz ist — unter der Voraussetzung, daß diese niedriger als die Eigen-Schwingungsfrequenz 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 10⁹Hz, 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 Eingangssignals bewirkt. Dabei erscheint am Ausgang der Schaltungsanordnung ein nicht sinusförmiges sich wiederholendes Signal mit der Frequenzmodulation des Eingangsschwingungssignals.

Die obenerwähnten und weitere Merkmale der Erfindung sollen im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben werden, in der die F i g. 1 schematisch einen Impulsgenerator zeigt, bei der die Spannung der Unstabilitätsbereiche an der Anode abgetastet wird, und die Fig. 2 bis 4 schematisch andere Impulsgeneratoranordnungen veranschaulichen, bei denen die Spannung des Unstabilitätsbereiches durch eine oder mehrere Elektroden entlang des Bauelements abgetastet werden;

Das wirksame Halbleiterelement der Fig; 1, beispielsweise aus η-leitendem Gallium-Arsenid oder piezoelektrischem Halbleitermaterial, besteht aus einer Scheibe 1 mit planparallelen Oberflächen und mit ohmschen Flächenkontakten 2, die an ihren Randflächen befestigt sind. Mittels einer einseitig gerichteten Stromquelle wird eine Potentialdifferenz von einstellbarem Wert zwischen die Flächenkontakte 2 angelegt; Zum Ableiten jeder Schwingungskomponente des im Kristall fließenden Stromes würde ein Ausgangskreis angeordnet werden.

Die in obigen Abschnitten beschriebene Erschein nung äußert sich durch das Auftreten einer Schwingungskomponente in dem durch den Kristall 1 fließenden Strom in dem nicht dargestellten Ausgangskreis, sobald die über den Kristall von der einseitig gerichteten Stromquelle angelegte Potentialdifferenz einen kritischen Wert überschreitet; bei einem Kristall aus Gallium-Arsenid mit einer Länge von zweimal 10~²cm liegt die zum Erzeugen einer Schwingung erforderliche kritische Potentialdifferenz in der Größenordnung von 40 Volt, was einer Feldstärke innerhalb des Kristalls in der Größenordnung von 2000 Volt pro cm entspricht. Die Eigenschwingungsfrequenz, welche unmittelbar mit der Länge L des Kristalls in Beziehung steht, liegt in der Größenordnung von 10" Hz.

Die zwischen die Flächenkontakte 2 angelegte Potentialdifferenz ist ein experimentell ermittelter Bruchteil des zum Hervorrufen einer Selbstschwingung erforderlichen und wird derartig gewählt, daß eine oszillierende Schwingungsform oder ein mittels einer äußeren Quelle überlagerter Steuerimpuls den Kristall 1 kurzzeitig während jeder Periode der Eingangsfrequenz zum Selbstschwingen bringt; der Spitzenwert der oszillierenden Signalspannung hebt, mit anderen Worten ausgedrückt, das elektrische Feld innerhalb des Kristalls 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 schärfen Stromimpuls 4 bewirkt, welcher der Potentialquelle Leistung entzieht, die im Ausgangskreis erscheint. Somit wird eine an das Bauelement angelegte oszillierende Schwingungsform einen entsprechenden Zug von am Ausgang auftretenden scharfen Stromimpulsen verursachen. Unter der Voraussetzung, daß die Eigenschwingungsfrequenz niemals überschritten wird, ist die Wirkungsweise des Bauelementes im wesentlichen frequenzunabhängig. Die verfügbare Ausgangsleistung vom Bauelement hängt von der zulässigen Verlustleistung innerhalb des Kristalls ab. Die Ausgangsleistung kann einige Watt betragen. Da der Wirkungsgrad aber relativ niedrig ist, wird damit eine relativ hohe Verlustleistung im Kristall verbunden sein. Das Steuerpotential kann zur Verminderung der Dauerverlustleistung impulsförmig zugeführt werden.

Die F i g. 2 bis 4 der Zeichnung veranschaulichen schematisch andere Impulsgeneratoren, bei denen das Halbleiterbauelement im Hinblick auf die Herstellung zusammengesetzter Schwingungsformen und Phasendifferenzen bei Frequenzen in der Größenordnung von 10⁹Hz abgewandelt ist. Bei diesen Anordnungen weist der Halbleiterkristall 5, beispiels-

5 6

weise Gallium-Arsenid, an seinen Endflächen Flä- schicht 7 kapazitiv mit dem Ausgang verbunden, so

chenkontakte6 auf, an die die Potentialdifferenz daß Serien von Ausgangsimpulsen9 gemäß Fig. 2

sowie die Eingangsschwingung oder der Steuer- erzeugt werden. Bei geeigneter Anordnung der Elek-

impuls 3 in gleicher Weise angelegt wird, wie in der troden 8 könnte der Ausgang des Bauelementes mit

Anordnung gemäß der Fig. 1. Der Ausgang des 5 geeigneter Verzögerung gemäß den Schwingungsfor-

Bauelementes ist jedoch bei diesen Anordnungen men 10 und 11 der F i g. 3 getrennten Schaltkreisen

verändert. Eine Reihe weiterer flächenförmiger Elek- zugeführt werden. Es könnte auch eine Mannigfal-

troden8 sind auf einer Oberflächenseite des Halb- tigkeit von Kodierungen in die Impulse eingebaut

leiterkristalls5 angeordnet und gegen diesen durch werden, wie in Fig. 4 der Zeichnung veranschau-

eine dünne Isolierschicht 7, beispielsweise aus io licht ist.

Quarz, isoliert. Die Mehrfach-Elektroden sind somit Die im einzelnen oben beschriebenen Anordnunnahe dem Unstabilitätsbereich bei hoher Feldstärke gen könnten betrieben werden, indem über die Konim Bauelement angeordnet. Pflanzt sich die hohe takte 6 eine größer als der Schwellwert betragende Feldstärke eines dem angelegten Feld überlagerten Potentialdifferenz angelegt wird, womit Selbstschwin-Schaltimpulses 3 oder einer jeden einzelnen Halb- 15 gen verursacht wird. Bei dieser Arbeitsweise würde welle eines sinusförmigen Eingangssignals in Längs- das Bauelement ohne das Erfordernis einer weiteren richtung des Bauelementes fort, wobei der Schwell- äußeren Steuerung fortlaufend Reihen von Auswert über den kritischen Wert des Bauelementes an- gangsimpulsen abgeben.

gehoben wird, was sich in Form eines scharfen Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist

Stromimpulses im Ausgangskreis äußert, dann wird 20 selbstverständlich nicht auf obige Ausführungsbei-

jede einzelne der Elektroden 8 über die Isolier- spiele beschränkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

I 591 084 Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit zwei Kontakten aufweist, an die eine Spannung oberhalb einer Schwellspannung angelegt wird, welche im Halbleiterkörper eine Hochfelddomäne auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß am Halbleiterkörper (5) zwischen den Kontakten (6) zumindest eine Serie elektrisch jjäräilelgeschalteter Elektroden (8) angebracht ist, welche gegen den Halbleiterkörper (5) elektrisch isoliert sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (8) konstant ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (8) variiert.

4. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8) gegen den Halbleiterkörper (5) durch eine Isolierschicht (7), insbesondere aus Quarz, elektrisch isoliert sind.

5. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (5) aus Gallium-Arsenid, Indiumphosphid oder einem piezoelektrischen Halbleitermaterial besteht.

6. Schaltungsanordnung zum Verstärken eines Mikrowellensignals unter Verwendung eines Halbleiterbauelementes nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Kontakte eine Gleichspannung oder Gleichspannungsimpulse angelegt werden, deren durch den Gunn-Effekt bewirkter Mikrowellenanteil an den Elektroden abgegriffen wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse einer konstanten Gleichspannung überlagert werden, die eine Feldstärke unterhalb der kritischen Schwellfeldstärke ergibt.

8. Verwendung eines Halbleiterbauelementes nach Anspruchs, zur Kodierung von Impulsen.