DE1591085C3 - Halbleiterbauelement zur Schwingungserzeugung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleitermaterial, das durch hohe elektrische Feldstärke bewirkte, sich fortpflanzende Unstabilitätseffekte aufweist.

Wird ein Kristall bestimmter Halbleitermaterialien einem konstanten elektrischen Feld oberhalb eines kritischen Wertes ausgesetzt, dann enthält der durch den Kristall fließende Gesamtstrom eine Schwingungskomponente, 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 Erscheinung wurde zuerst von J..B. Gunn (Solid State Communications, Bd. 1, S. 88 bis 91, 1963) beschrieben und ist deshalb als Gunn-Effekt bekannt. Der Gunn-Effekt rührt vom Aufheizen der sich normalerweise in einem unteren Band mit niedriger effektiver Masse und hoher Beweglichkeit (K = O) befindlichen Elektronen durch das elektrische Feld infolge des Übergangs in ein unteres Band mit höherer effektiver Masse und geringerer Beweglichkeit (K = 100) her. Dieser Vorgang bewirkt eine Abhängigkeit der Elektronendrif !geschwindigkeit (oder Strom) vom angelegten Feld mit einem Bereich negativer differentieller Leitfähigkeit. Bei einer Vorspannung unter Betriebsbedingungen der negativen Leitfähigkeit bewegt sich eine als sogenannte »Domäne« bezeichneter Bereich hoher Feldstärke während einer Periode der Stromschwingung von Kathode zur Anöde. Die Schwirigungsfrequenz wird in erster Linie durch die Länge des Strompfades durch den Kristall. bestimmt. Die Erscheinung wurde in III-V-Halbleitern wie Gallium-Arsenid, Indium-Phosphid und Cadmium-Tellurid vom n-Leitfähigkeitstyp entdeckt.

Die hier verwendete Bezeichnung »Effekte hoher Unstabilität aufweisendes Halbleitermaterial« umfaßt wenigstens ein solches Material, das den im vorigen Abschnitt erklärten Gunn-Effekt oder eine ähnliche funktionell damit zusammenhängende Erscheinung 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.

Aus den Unterlagen zum belgischen Patent 665 303 war ein Halbleiterbauelement bekannt, das einen Halbleiterkörper mit zwei Kontakten enthält, an die eine Spannung oberhalb einer Schwellspannung angelegt wird, welche im Halbleiterkörper an einem abgestuften Abschnitt oberhalb einer Schwellfeldstärke einen beweglichen Bereich hoher Feldunstabilität entstehen läßt, welcher sich über den Halbleiterkörper fortpflanzt. Auf Grund der Abstufung des Querschnitts ergibt sich ein Abschnitt höchster Feldstärke, so daß bei einer bestimmten Schwellspannung der Bereich hoher Feidunstabilität an diesem Abschnitt entsteht.

Die Frequenzgrenze des bekannten Halbleiterbauelements ist, wie bereits erwähnt, durch die Länge des Laufraums dieses Bereichs hoher Feidunstabilität gegeben. Aufgabe der Erfindung ist, die Frequenzgrenze ohne Verringerung der Laufzeit des Bereichs hoher Feidunstabilität durch den Halbleiterkörper und ohne Verminderung des Abstandes von Kathode zur Anode zu erhöhen. Dies macht die Erhöhung der Frequenzgrenze ohne Verminderung der Wärmeableitung möglich. Diese Aufgabe wird bei dem Halbleiterbauelement der vorstehend angegebenen Ausbildung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Querschnitt oder die Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers in Fortpflanzungsrichtung des beweglichen Bereiches gesehen hinter dem abgestuften Abschnitt durch Einengung des Querschnitts oder Verminderung der Leitfähigkeit so weit weiter abgestuft ist, daß bei Anlegen der Spannung im Halbleiterkörper zwischen den kontakten Bereiche erster Art, in denen die Schwellfeldstärke überschritten wird, und Bereiche zweiter Art mit Feldstärken unterhalb der Schwellfeldstärke vorhanden sind.

Das Halbleiterbauelement nach der vorliegenden Erfindung wird in einer Schaltung betrieben, bei der zwischen den Kontakten eine Potential-Differenz angelegt wird, welche im Halbleiterkörper ein stationäres elektrisches Feld bewirkt, dessen Wert durch Abstufung der Leitfähigkeit im Körper in einzelnen Abschnitten über den Gunn-Schwellwert gebracht wird. Der von der äußeren Quelle der Potential-Differenz durch den Körper fließende Strom erfährt einen ein-

zelneri Ausschlag über seinen stationären Wert, wenn er auf den ersten der in der Leitfähigkeit abgestuften Abschnitte trifft. Das hohe Feld beim Auf treffen auf die übrigen in der Leitfähigkeit abgestuften Abschnitte 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 Abschnitte erfährt, was eine Reihe von Ausgangsimpulsen ergibt.

Um die im vorigen Abschnitt erklärte Einzelimpulsbetriebsweise zu erhalten, muß der stationäre Wert des angelegten Feldes einen unteren Schwellwert überschreiten. Dieser Wert wurde bei gegebenem Material als typisch zwischen 50 und 75 °/o 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-Arsenid oder Indium-Phosphid. Es können auch andere III-V-Halbleiter verwendet , werden.

Da die Funktionsweise der Anordnung unabhängig von der Impulswiederholungsfrequenz ist, falls diese niedriger als die Eigenschwingungsfrequenz des Gunn-Effektes beträgt, ist die Anordnung zum Betrieb bei unterschiedlichen Frequenzen, wie breitbandig frequenzmodulierten Signalen, befähigt. Die obere Frequenzgrenze bei einem typischen Bauelement liegt in der Größenordnung von 10⁹ Hertz.

Die oben beschriebenen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sollen im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert werden, worin

F i g. 1 einen Mikrowellen-Generator mit bezüglich der Querschnittsfläche abgestuften Abschnitten des Halbleiterkörpers nach der Erfindung,

F i g. 2 einen typischen durch das Bauelement nach der F i g. 1 erzeugten Wellenzug und

F i g. 3 einen Mikrowellengenerator mit einem durch Diffusion von Dotierungen erzeugten Halbleiterkörper von bezüglich der Leitfähigkeit abgestuften Abschnitten nach der Erfindung zeigen.

Wie die F i g. 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 epitaxiales Wachstum gebildet. Durch Verwendung einer geeigneten Maske wird das oberflächliche Material bis auf einen Streifen der Epitaxialschicht 1, die auf der Unterlage gemäß der Figur verbleibt, entfernt. An Stelle 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 Vakuum hergestellt, wobei der erforderliche Teil der Epitaxialschicht 1 freibleibt. Zur Herstellung einer ohmschen 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 Leitfähigkeit über die Längserstreckung der Schicht 1 zu bilden, werden in der Schicht 1 die Streifen oder Gruben 4 geätzt oder unter Verwendung abtragender Mittel mit Preßluft hergestellt.

Zum Anlegen einer Potential-Differenz von regelbarem Wert zwischen den Kontaktflächen 3^; wird eine Gleichstromquelle verwendet. Ein in der Zeichnung nicht dargestellter Ausgangskreis wird zur Entnahme irgendeines Schwingungsanteils des in der Schicht fließenden Stroms verwendet.

Die als Gunn-Effekt bekannte Erscheinung äußert sich durch das Auftreten einer Schwingungs-Komponenten in dem durch die Schicht 1 fließenden Strom, sobald die Potentialdifferenz über die Schicht 1 einen

ίο kritischen Wert übersteigt.

Bei der Anordnung gemäß F i g. 1 bewirkt das zwischen die Kontaktflächen 3 angelegte Potential, daß das Material sich im Zustand einer Unstabilität befindet. Es wird derartig bemessen, daß ein beweglieher Bereich großer Feidunstabilitäten an der in Fortpflanzungsrichtung des beweglichen Bereichs gesehen ersten der Gruben 4 entsteht, sobald das dem angelegten Potential entsprechende elektrische Feld dort auftritt. Der durch diesen Abschnitt fließende Strom wird veranlaßt, einen einzelnen Ausschlag über seinen stationären Wert auf Grund der Bildung dieses Bereiches hoher Feldinstabilität zu erfahren, d. h. der Schwellwert wird überschritten. Dieses hohe Feld, welches sich im Ausgangskreis in Form eines Stromimpulses bemerkbar macht, wird sich danach entlang der Schicht 1 fortpflanzen. Beim Auftreffen auf jede einzelne der übrigen Gruben 4 wird der Strom wiederum zu einzelnen Ausschlägen über den Wert des normalen Gleichgewichtszustands veranlaßt. Auf Grund der Änderung der Querschnittsfläche des Bauelements ist die Größe dieser Impulsreihen kleiner als der dem ersten Unstabilitätsbereich des hohen Feldes zugeordnete Impuls. Es gibt naturgemäß einen Minimalwert der Höhe dieser Impulse, was vom Material abhängt. Hat sich der dem ersten Unstabilitätsbereich des hohen Feldes zugeordnete Anfangsstromimpuls über die gesamte Länge des Bauelements fortgepflanzt, dann wird das Material augenblicklich in seinen stabilen Zustand zurückkehren, bevor die Folge wiederholt wird. Somit liegt ein kontinuierlicher Vorgang vor, und das Bauelement erzeugt einen fortlaufenden Zug von Ausgangsimpulsen unter der Voraussetzung, daß die Potential-Differenz aufrechterhalten bleibt. Die Frequenz der eingeschobenen Impulse hängt von der Anzahl der Gruben 4 ab. Die durch dieses Bauelement erzeugte, resultierende Wellenform wird in F i g. 2 der Zeichnung veranschaulicht.

Die F i g. 3 zeigt einen Mikrowellengenerator der eine Abwandlung der in F i g. 1 veranschaulichten Ausführungsform darstellt. Die Ausbildung dieses Bauelements ist genau die gleiche wie die des Bauelements gemäß der Fig. 1, jedoch mit der Ausnahme, daß die Leitfähigkeit durch Dotieren der Epitaxschicht mit geeigneten Dotierungsmitteln zum Herstellen von Abschnitten 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 4 diffundiert, an denen die Kontaktflächen 3 angebracht werden.

Die Zonen 5 werden durch Diffusion einer n-leitenden Dotierung zum Herstellen von Zonen mit beispielsweise einem spezifischen Widerstand von 2 Ohm cm in die Oberfläche der Schicht 1 hergestellt.

Die Zonen 6 werden ebenfalls durch Diffusion einer n-leitenden Dotierung in die Oberfläche der Schicht 1 hergestellt, wobei beispielsweise Zonen mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ohm cm entstehen.

Die Wirkungsweise dieses Bauelements ist genau die gleiche wie im einzelnen bei dem Mikrowellengenerator gemäß der Fig. 1 erklärt wurde. Im Ergebnis ist die erzeugte Schwingungsform die gleiche wie in F i g. 2 der Zeichnung dargestellt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit zwei Kontakten enthält, an die eine Spannung oberhalb einer Schwellspannung angelegt wird, welche im Halbleiterkörper an einem abgestuften Abschnitt oberhalb einer Schwellfeldstärke einen beweglichen Bereich hoher FeIdunstabilität entstehen läßt, welcher sich über den Halbleiterkörper fortpflanzt, dadurch g e k e η η ζ e i c h η et ,daß der Querschnitt oder die Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers in Fortpflanzungsrichtung des beweglichen Bereiches gesehen hinter dem abgestuften Abschnitt durch Einengung des Querschnitts oder Verminderung der Leitfähigkeit so weit weiter abgestuft ist, daß bei Anlegen der Spannung 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 sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit durch erhöhte Dotierungskonzentration abgestuft ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) aus Gallium-Arsenid besteht.

4. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) auf einer halbisolierenden Unterlage (2) aus Gallium-Arsenid angeordnet ist.

5. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) in Form einer Epitaxialschicht auf einer halbisolierenden Unterlage (2) angeordnet ist.