DE1591085A1 - Halbleiterbauelement zur Schwingungserzeugung - Google Patents
Halbleiterbauelement zur SchwingungserzeugungInfo
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Description
Gesellschaft mit beschränkter Haftung 1Π ηι*+«*!.» ιο^λ
78 Freiburg, Hans-Bunte-Strafle 19 Pat.Go /S
1591085 ISE/Reg. 3477 - Fl 401
DEUTSCHE ITT INDUSTRIES GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG, FREIBURG i, Br.
Die Priorität der Anmeldung in Groflbr.itanien vom 27. Oktober I965
No. 45458/65 iat in Anspruoh genommen»
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit
einem Halbleitermaterial, das durch hohe elektrische Feldstärke bewirkte sich fortpflanzende Unetabilitätseffekte aufweist.
Wird ein Kristall bestimmter Halbleitermaterialien einem konstanten
elektrischen Feld oberhalb eines kritischen Wertes ausgesetzt, dann
enthält der durch den Kristall fließende Gesamtstrom eine Sohwingungskomponente, deren Frequenz durch den Durchlauf der Raumladungsverteilung zwischen den Kontaktflächen des Kristalls gegeben ist.
Die Erscheinung tritt bei normalen Temperaturen auf, erfordert nicht die Verwendung eines magnetischen Feldes und scheint nicht
eine besondere Dotierung oder Geometrie des Prüflings zu erfordern.
Die Ersoheinung wurde zuerst von J.B. Gunn (Solid State Communications, Bd 1, Seit· 88, 1933) beschrieben und ist deshalb als
Gunn-Effekt bekannt· D*r Gunn-Effekt rührt vom Aufheizen der sich
normalerweise in »ln«m unttren Bind mit niedriger effektiver Maaa·
und hoher EkpregHi^hkfiit (KmO) befindlichen Eltkf-roiMP durch das
elektrische P*I4 -Infolge dt« f!b@3f$tiige· in tin unt··"*» Band mit
höherer affektive^ Mm und gtpingarift BmragMahkei.i (K*100) her.
Dieser Vörgmng tefielylsfc #i*^i AbMrusigic«iii ö«r SI.9ieti*oi;*n<Srlftg·-
sehwlndlgkeit (:>CQr Üt?c* } von *-^:#:.igten PtId sit #:-:^ Bereich ^
negativ*:^ dlff%i?tnsitlltf %e$ttMHi$mt%· B^t «ism* '^ö.'*^ ianung
unter B«tri.-ib3bi»tSii^UTig-*n <1·γ netfttivtn U.ltthhigktit b#Kegt sich
90883Λ/0845 BAD ORIGINAL _ 2 _
eine sogenannte "Domäne" (engl.: domain) bezeichneter Bereich
hoher Feldstärke während einer Periode der Stromschwingung von Kathode zur Anode. Die Sohwingungafrequenz wird in erster Linie
duroh die Länge des Strompfades durch den Kristall bestimmt. Die Erscheinung wurde in III-IV-Halbleitern wie Gallium-Arsenid,
Indium-Phosphld und Cadmium-Tellurid vom n-Leitfähigkeitstyp
entdeckt.
Die hier verwendete Bezeichnung "Effekte hoher Unstabilitat aufweisendes Halbleitermaterial" umfaßt wenigstens ein solches
Material, das den im vorigen Abschnitt erklärten Gunn-Effekt oder eine ähnliche funktionell damit zusammenhängende Ersoheinung aufweist» die auf einem etwas unterschiedlichen Inneren Vorgang beruhen kann·
Der Wert des angelegten Feldes« unter dem ein spontanes Selbstschwingen nicht auftritt, kann als Gunn-Schwellwert bezeichnet
werden«
Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein derartiges Halbleiterbauelement* insbesondere zur Schwingungserzeugung durch Gunn-Effekt,
daS einen Effekte hoher Unstabilität aufweisender Halbleiterkörper
mit zwei Kontakten enthält, an die eine Spannung oberhalb einer Sohwellspannung angelegt wird, welche im Halbleiterkörper eine den
Gunn-Effekt bewirkende Schwellfeldstärke ergibt. Das Halbleiterbauelement zeiohnet sioh erfindungageraäß dadurch aus, daß im Halbleiterkörper zwischen den Kontakten Bereiche erster Art, in denen
die Sohwellfeldstärke überschritten wird, und Bereiche zweiter
Art mit Feldstärken unterhalb der Schwellfeldstärke vorhanden sind.
D«· Halbleiterbauelement naoh der vorliegenden Erfindung wird in
einer Schaltung betrieben« indem !wischen den Kontakten eine
Po tent in 1-Differenz angelegt wird* wish* im Kalbleiterkörper ein
stationäres elektrische« Feld bewirkt, dessen Wert durch Abstufung
Leitfähigkeit im Körper über den Gunn-Schwellwert gebr&eht wird.
909834/0846 8AD °R'G'NAL
ISE/Reg. 5477 - Pl 401 CP. Sandbank - 27
Der von der äußeren Quelle der Potential-Differenz durch den Körper fließende Strom erfährt einen einzelnen Ausschlag über
seinen stationären Wert, wenn er auf den ersten der in der Leitfähigkeit abgestuften Bereiche trifft. Das hohe Feld beim Auftreffen
auf die übrigen in der Leitfähigkeit abgestuften Bereiche bei der Ausbreitung entlang des Körpers bewirkt, daß der Strom
weitere Ausschläge über seinen stationären Wert an Jedem einzelnen
der übrigen in der Leitfähigkeit modulierten Bereiche erfährt, was eine Reihe von Ausgangsimpulsen ergibt.
Um die im vorigen Abschnitt erklärten Einzelimpulsbetriebsweise zu erhalten, muß der stationäre Wert des angelegten Feldes einen
unteren Schwellwert überschreiten. Dieser Werte wurde bei gegebenem
Material als typisch zwischen 50 % und 75 % des Gunn-Schwellwertes
liegend ermittelt, wobei das stationäre Feld ununterbrochen oder zur Verminderung der Gesamtverlustleistung des Bauelements in Form
von Impulsen angelegt werden kann.
Der Halbleiterkörper besteht vorzugsweise aus η-leitendem Gallium-Ar
senid oder Indiura-Phosphid. Es können auch andere III-V-Halbleiter
verwendet werden.
Da die Funktionsweise der Anordnung unabhängig von der Impulswiderholungsfrequenz
ist, falls diese niedriger als die Eigensohwingungsfrequenz
des Gunn-Effektes beträgt, ist die Anordnung zum Betrieb bei unterschiedlichen Frequenzen, wie breitbandig frequenzinodulierten
Signalen, bef??hl^t. Die obere Frequenzgrenze bei einem typischen
Bauelement liegt in der Größenordnung von ίο" Herz.
Die oben beschriebenen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung
sollen im folgenden anhand der Zeichnung erläutert werden,
worin
die Figur 1 -einen Microwellen-Generator mit abgestufter Querschnittsfläohe
des Halbleiterkörper nach der Erfindung,
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ISE/Reg. 5477 - Fl 401 CP. Sandbank - 27
die Figur 2 einen typischen durch das Bauelement nach der Figur 1 erzeugten Uellenzug und
die Figur 2 einen Microwellengenerator mit einem durch Diffusion
vor. Dotierungen erzeugten Halbleiterkörper von abgestufter Leitfähigkeit
nach der Erfindung zeigt.
Wie die Figur 1 veranschaulicht, wird die Schicht 1 aus Halbleitermaterial
mit den erforderlichen elektrischen Eigenschaften, beispielsweise Gallium-Arsenid auf einer halbisolierenden Unterlage
2, beispielsweise Gallium-Arsenid, durch epltaxlales Wachstum gebildet.
Durch Verwendung einer geeigneten Maske wird das oberf läcl ~
lioiie Material bis auf einen Streifen der Epitaxsohicht 1, die auf
dei· Unterlage gemäß der Figur verbleibt, entfernt. Anstelle der
epitaktisch aufgebrachten Schicht 1 und der Unterlage 2 könnte
auch ein Vollkörper aus Halbleitermaterial Verwendung finden. Die Kontaktflächen 3, beispielsweise aus Zinn, werden nach angemessener
Maskierung auf der Oberfläche der Schichten 1 und 2 durch Aufdampfen
im Vacuum hergestellt, wobei der erforderliche Teil der Epitaxschioht 1 freibleibt. Zur Herstellung einer ohmsohen Verbindung
wird das Bauelement daraufhin in einer reduzierenden und
ein Flußmittel enthaltenden Atmosphäre erhitzt, um die Metall-Halbleiter-Verbindung
zu Legieren. Um Querschnitte mit ändernder Leitfälligkeit über die Längserstreckung der Schicht 1 zu bilden,
werden in der Schicht 1 die Streifen oder Gruben 4 geätzt oder unter Verwendung abtragenden Mitteln mit Pressluft hergestellt.
Zum Anlegen einer Potential-Differenz von regelbarem Wert zwischen
den Kontaktflächen J5 wird eine Gleichstromquelle verwendet. Ein in der Zeichnung nicht dargestellter Ausgangskreis wird zur Entnahme
irgendeines Schwingungsanteiles des in der Sohioht fließenden
Stromes verwendet.
Die als Gunn-Effekt bekannte Erscheinung äußert sioh durch das Auftreten einer Schwingungs-Komponenten in dem durch die Schicht
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fließenden Strom, sobald die Potentialdifferenz über die Schicht 1
einen kritischen Wert Übersteigt.
Bei der Anordnung gemäß Figur 1 bewirkt das zwischen die Kontaktflächen
J> angelegte Potential, daß das Material sich im Zustand
einer !Instabilität befindet. Es wird derartig bemessen, daß ein
beweglicher Bereich großer Feidunstabilitäten an der ersten der Gruben 4 entsteht, sobald das dem angelegten Potential entsprechende
elektrische Feld dort auftrifft. Der durch diesen Bereich
fließende Strom wird veranlaßt, einen einzelnen Ausschlag über seinen stationären Wert aufgrund der Bildung dieses Bereiches
hoher Feldinstabilität zu erfahren, d.h. der Schwellwert wird überschritten, Dieses hohe Feld, welches sich im Auagangskreis
in Form eines Stromimpulses bemerkbar macht, wird sich danach entlang der Schioht 1 fortpflanzen. Beim Auftreffen auf jede
einzelne der übrigen Gruben 4, wird der Strom wiederum zu einzelnen
Aussehlägen über den Wert des normalen Gleichgewichtszustandes veranlaßt.
Aufgrund der Änderung der Querschnittsfläche des Bauelementes ist die Größe dieser Impulsreihen kleiner als der dem ersten
Unstabilitätsbereich des hohen Feldes zugeordneter Impuls, da das elektrische Feld sich nach dem anwachsenden Widerstand richtet.
Es gibt naturgemäß einen Minimalwert der Höhe dieser- Impulse, was
vom Material abhängt. Hat sich der dem ersten Unstabilitätsbereioh
des hohen Feldes zugeordneter Anfangsstromimpuls über die gesamte Länge des Bauelementes fortgepflanzt, dann wird das Material augenblicklich
in seinen stabilen Zustand zurückkehren, bevor die Folge wiederholt wird. Sorr.it liegt ein kontinuierlicher Vorgang vor, und
das Bauelement erzeugt einen fortlaufenden Zug von Auegangsimpulsen
unter der Voraussetzung, daß die Potential-Differenz aufrechterhalten
bleibt. Di· Frequenz der eingeschobenen Impuls«* hängt von
der Anzahl der Gruben 4 ab. Did durch dieses Bauelement erzeugte
resultierende Wellenform wird in Figur 2 der Zeichnung veranschaulicht.
BAD ORIGINAL
- 6 909834/0845
Die Figur 3 zeigt einen Microwellengenerator der eine Abwandlung
der in Figur 1 veranschaulichten Ausführungsform darstellt. Die
Ausbildung dieses Bauelementes ist genau die gleiche wie die des Bauelementes gemäß der Figur 1, jedoch mit der Ausnahme, daß die
Leitfähigkeit durch Dotieren der Epitaxsohicht mit geeigneten Dotierungsmitteln zum Herstellen von Bereichen unterschiedlicher
Leitfähigkeit abgestuft ist* Der Dotierungsprozess wird vor dem Aufdampfen der Kontaktflächen 3 im Vakuum auf das Bauelement« wie
im einzelnen in vorhergehenden Abschnitten beschrieben wurde, durchgeführt.
Eine n+ -Dotierung wird in die Oberfläche der Schicht 1 zum Herstellen der Schichten k diffundiert, an denen die Kontaktflächen
3 angebracht werden. Die Zonen 5 werden durch Diffusion einer .nleitenden Dotierung z*m Herstellen von Zonen mit beispielsweise
einem spezifischen Widerstand von 2 ficm in die Oberfläche der Schicht 1 hergestellt. Die Zonen 6 werden ebenfalls durch Diffusion
einer n-leitend*n Dotierung in die Oberfläche der Schicht 1 hergestellt, wobei beispielsweise Zonen mit einem spezifischen Widerstand von 1 flcm entstehen.
Die Wirkungeweise dieses Bauelements ist genau die gleiche wie im
einzelnen bei dem Miorowellengenerator gemäß der Figur 1 erklärt wurde« Im Ergebnis 1st die erzeugte Sohwlngungaform die gleiche
wie in Figur 2 der Zeiohnung dargestellt.
Die beschriebenen Anordnungen gewährleisten eine Trennung von Anode
und Kathode ohne eine durch die Laufzeit bedingte Frequenzgrenze. Die vorliegende Erfindung ist nioht auf obige AusfUhrungsbeisplele
beschränkt, welche selbstverständlich keine Begrenzung der Anwendungsmöglichkeiten bedeuten.
909834/0845
Claims (7)
1. Halbleiterbauelement, insbesondere zur Schwingungserzeugung
durch Gunn-Effekt, das einen Effekte hoher Unstabilität aufweisenden
Halbleiterkörper mit zwei Kontakten enthält, an die eine Spannung oberhalb einer Schwellspannung angelegt wird,
welche im Halbleiterkörper eine den Gunn-Effekt bewirkende Schwellfeldstärke ergibt, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper
(1) zwischen den Kontakten (3) Bereiche erster Art, in denen die Schwellfeldstärke überschritten wird, und
Bereiche zweiter Art mit Feldstärken unterhalb der Schwellfeldstärke vorhanden eind.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Bereichen zweiter Art eine Feldstärke von etwa 50 %
bis 75 % der Schwellfeldstärke vorhanden ist.
j5. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen I oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitfähigkeit an den Bereichen erster Art kleiner ist als in den Bereichen zweiter Art.
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch J, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitfähigkeit an den Bereichen zweiter Art durch erhöhte Dotierungskonzentration (6) gegenüber dem Bereich erster
Art erhöht ist (Pig. 2).
5. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Querschnitt des Halbleiterkörpers an den Bereichen erster Art eingeengt let (Fig. 1).
8AD ORIGINAL - 8 -
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I3E/Reg. ?477 - Pl 401 CP. Sandbank - 27
6. Halbleiterbauelement naoh Ansprüchen 1 bit 5, daduroh gekennzeichnet, daS der Halbleiterkörper (1) au· OaIIiUn-'
Araenid besteht.
7. Halbleiterbauelement naoh Anspruch 6, daduroh gekennteiohnet,
daß der Halbleiterkörper (1) auf einer halbisolierenden Unterlage (2) aus Oalllum-Arsenid angeordnet ist.
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