DE1591090A1

DE1591090A1 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen von hohen Spitzenleistungen

Info

Publication number: DE1591090A1
Application number: DE19671591090
Authority: DE
Inventors: Marsh Stanley Bruce; George King; Sandbank Carl Peter
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1966-01-21
Filing date: 1967-01-13
Publication date: 1970-01-08
Also published as: FR1513630A; GB1130305A; DE1591090C3; BE694486A; DE1591090B2

Description

DEUTSCHE ITT INDUSTRIES UESELLSCHATT MIT BESCHRÄNKTER HAfTUITG, J¹REIBURG i.Br.

Schaltungsanordnung gum Ergeugen von hohen Spitgenlelatungen

Die Priorität der Anmeldung in Großbritannien vom 21. Januar 1966 Kr. 2892/66 ist in Anspruch genommen.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Hoohleietungabetrieb von Halbleiterbauelementen unter Verwendung von Halbleitermaterial, welches bei hohen leid stärken Effekte beweglicher Instabilitäten aufweist.

Wird ein Kristall bestirnter Halbleitermaterialien einem konstanten elektrischen feld oberhalb eines kritischen Vertes auagesetst, dann enthält der durch den Kristall fließende Gesamtstrom einen Sohwingungsanteil, dessen Irequens durch den Durchgang der Baumleitungsverteilung swisohen den Pläohenkontakten des Kristalls gegeben ist. Die Erscheinung tritt bei normalen Temperaturen auf, erfordert nicht die Verwendung eines magnetischen leides und scheint nicht eine besondere Dotierung oder Geometrie der Probe «u erfordern. Die Erscheinung wurde eueret von J.B. Gunn (Solid State Communications, Band I, Seit« 88, 1963) beschrieben und ist deshalb als Gunn-Effekt

909882/1064 bad original

ISE/Reg. 3540 - Pl 479 O.P. Sandbank et al 32-3-1

bekannt. Der Gunn-Effekt beruht auf dem Aufheizen der sich nor-. malerweise in einem unteren Band mit niedrigerer effektiver Masae und hoher Beweglichkeit (K « O) befindlichen Eletronen duroh das elektrische feld mit entsprechendem Übergang in ein unteres Band höherer effektiver Masse und geringerer Beweglichkeit (K « 100)· Dieser Torgang äußert sich in einem Bereich negativer differenzieller Leitfähigkeit in der Abhängigkeit der Elektronendriftgeschwindigkeit (oder des Stroms) vom angelegten PeId. Bei einer Vorspannung innerhalb des Bereichs negativer Leitfähigkeit bewegt sich ein Bereich hoher feldstärke, "Domäne¹¹ genannt, während einer Perlode der Stromschwingung von Katode zur Anode. Die Schwingungefrequenz; ist in erster Linie von der Länge des Strompfades durch den Kristall abhängig. Die Erscheinung wurde in IH-Y-HaTbleitern, wie Galliumarsenid, Indiumphosphid sowie in Cadmiumtellurid vom n-Leitfähigkeltstyp entdeckt.

Kit der hier verwendeten Bezeichnung "Instabilitätseffekte hoher feldstärke aufweisendes Halbleitermaterial¹* ist zumindest ein jedes Material gemeint, das den im vorigen Abechnitt erklärten Gunn-Effekt oder eine ähnliche funktionell damit zusammenhängende Erscheinung aufweist, die auf einem etwas unterschiedlichen inneren Torgang beruhen kann.

Der Wert der angelegten feldstärke* unterhalb der ein spontanes Selbstsohwingen nicht auftritt, kann als Gunn-Schwellwert bezeichnet werden·

Die Gewinnung einer hohen Spitzenleistung mittels Gunn-Sffekt-Oszillatoren hängt ab von der Entwicklung von Sehaltungs-Baueleaent-Kombinationen, welche eine ausreichend hohe Impedanz sowohl der Hochfrequenz- als auch der Treiber-Stufen darbietet.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sum Erzeugen von hohen Spitzenleistungen» Srfindungsgemäß ist die Schaltungsanordnung gekennzeichnet duroh die Hintereinanderschaltung mindestens zweier Halbleiterelemente aus einem Instabil!tatseffekt·

909882/1064 ^ßAD original

ISE/Reg. 3540 - Pl 479 CP. Sandbank et al 32-3-1

hoher Feldstärke aufweisenden Halbleitermaterial, welche oberhalb einer solchen Potentialdifferene betrieben wird, so daß in jedem der beiden Elemente Instabilitätseffekte hoher elektrischer Feldstärke entstehen und sich entlang der Körper fortpflaueeu.

Die obengenannten und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung sollen im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert werden, in denen

die Figur 1, ewei nach der vorliegenden Erfindung in Serie geschaltete Halbleiterbauelemente und

die Figur 2 drei in Form einer Festkörperschaltung in Serie geschaltete Halbleiterbauelemente veranschaulicht.

Wird ein Gunn-Effekt -Halbleiterbauelement übersteuert, beispielsweise auf einen drei- oder vierfachen Betrag des Schwellwertes, dann nimmt die Domäne hoher Feldstärke (die sich innerhalb des Halbleiterbauelementes bildet, sobald das durch eine äußere Quelle der Potentialdifferenz bewirkte elektrische Feld innerhalb des Bauelements den Schwellwert des Halbleitermaterials überschreitet) etwas von der überschüssigen Spannung bis en einem Wert auf, an dem eine Stoßionisation auftritt. Sie Stofiionisation begrenet die Ausdehnung der Zone hoher Feldstärke. Daher wird die eusäteliche Vorspannung der äußeren Potentialdifferenzquelle von der Masse de« Halbleitermaterials außerhalb der Domäne hoher Feldstärke aufgenommen, was zur Bildung von weiteren Domänen führen würde.

Unter diesen Umständen wird dann beim Hintereinanderachalten zweier Halbleiterbauelemente gemäß Figur 1 alt einer nicht dargestellten Potentialquelle angenommen, daß dl« sich beim Übersteuern des Systems ergebende zusätzliche äußere Quelle der Potentialdifferenz im zweiten Halbleiterbauelement beim Erreichen der Stoßionisationsgrenze im ersten Halbleiterbauelement eine Domäne hoher Feldstärke unter der Torauseeteung ergibt, daß die Feldstärke im oha-8chen Teil der Schaltung groß genug für das Auftreten des oben erklärten ElektronenUbergangs 1st. Die zuerst auftretende Domäne hoher

909882/1064

ISE/Reg. 3540 - »1 479 O.P. Sandbank et al 32-3-1

feldinstabilität wird eich im Halbleiterbauelement mit höchster ImpedauB ausbilden.

Deshalb ist es möglich, eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen mit Gunn-Effekt in Reihe zueinander zu schalten und diese nacheinander» wie im vorigen Abschnitt angegeben, zu betreiben. Durch den Serienbetrieb der Halbleiterbauelemente wird das Problem der äußeren Leistungsversorgung vereinfacht, indem bei einer vorgegebenen Ausgangsleistung und Höhe des Wirkungsgrades sich der äußeren LeistungsVersorgungsquelle eine höhere Impedanz darbietet.

Die Ausgangsleistung kann unabhängig von jeder einzelnen Einheit vom System abgeführt werden. Es kann auch die Gesamtleistung zur Anwendung gebracht werden, was von der Leistungsfähigkeit und anderen Erfordernissen des Abnahmekreises abhängt.

Das innerhalb des Bauelemente erzeugte elektrische feld, welches eine Übersteuerung des Kreises oder die Erzeugung von Domänen hoher feldstärke bewirkt, kann ununterbrochen oder zur Verminderung der Gesamtverlustleistuug im Halbleiterbauelement in form von Impulsen angelegt werden.

Bei Impulsbetrieb ist es möglich,' von diesen Bauelementen Ausgangsleistungen in der Größenordnung von 200 ¥ bei einer Frequenz von 1,t> GHz zu erhalten.

Beim Betrieb der Halbleiterbauelemente in Resonanzkreisen ergibt sich ein vergrößerter Wirkungsgrad des Systems. Die Resonanzkreisstufe bringt den Ausgang in die richtige Phase und verhütet eine durch Temperaturänderung bewirkte frequenzverschiebung. Es sind Wirkungsgrade bis 1Oji möglich. Um diesen hohen Wirkungsgrad bei Resonanzkreisen zu erhalten, 1st es notwendig, ein großes Über- -»teueruugspotential an die Bauelemente anzulegen.

Anstelle einer Mehrzahl in Reihe geschalteter Bauelemente innerhalb

einte einzelnen Resonanzkreise« oder Hohlraumes können auch eine

909882/1064

8AD ORIGINAL

. . 5 - ^{[ öy luyu}

ISE/Reg. 3540 - 71 479 CF. Sandbank et al 32-3-1

Ansah! über Bügel verbundene Hohlräume mit je einem darin angeordneten Halbleiterbauelement verwendet werden» wodurch eine bessere Überwachung der an die einseinen Halbleiterbauelemente angelegten Spannung ermöglicht wird, während die Serienkombination in Beeug auf die Ireiberstufe beibehalten wird.

Bei der figur 1 bestehen die einseinen Halbleiterelemente aus

einem Kristall 1 aus Halbleitermaterial mit den erforderlichen elektrischen Eigenschaften, beispielsweise η-leitendem Galliumarsenid, mit ©haschen fläohenkontakten 2 und 3 an seinen ebenen Endflächen.

In der Praxis kann der Kristall 1 sowohl auf einer halbisolierenden Unterlage, beispielsweise aus Galliumarsenid, durch epitaxiales Wachstum hergestellt werden als auch ein einheitlicher festkörper aus Halbleitermaterial verwendet werden kann. An den Endflächen des Kristalls 1 werden fläohenkontakte 2 und 3, beispielsweise aus Zinn» durch Aufdampfen im Vakuum hergestellt. Danach wird das Element in einer reduzierenden und ein Flußmittel enthaltenden Atmosphäre erhltst, um die MetallHSalbleiter-Yerbiudung unter Bildung eines ohasohen Übergangs su legieren.

Sie in Serie verbundenen Elemente können einsein hergestellt und gemäß der figur 1 verbunden werden. Sie können auch beispielsweise durch epitaxiales Aufbringen einer halbleitenden Schicht 4 auf die Oberfläche einer unterlage 5 gemäß figur 2, wie im Torstehenden Abschnitt beschrieben» hergestellt werden. Danach wird die epitaktisch aufgebrachte Schicht 4 In eine Reihe einseiner flächenelemente 8 des epitaktisch gewachsenen Halbleitermaterials geteilt, wobei jede einseine mit den anderen in Reihe über die Abschnitte 9 im ohmschen Kon takt steht. Di· «wischen benachbarten flächenelementen 8 liegenden iwischenverbindenden Abschnitte 9 werden derartig ausgebildet, daß In ihnen kein Durohsug oder Weiterleitung der Domäne hoher feldstärke möglich ist. Über fläohenkontakte 6 und 7, beispielsweise aus Zinn» wird mit dem Bauelement ein äußerer Kreis verbunden. Die fläohenkontakte 6 und 7 werden beispielsweise durch

909882/1064

BAD ORIGINAL . g .

ISB/Reg. 3540 - Pl 479 CP. Sandbank et al 32-3-1

Aufdampfen im Vakuum an jedem Ende.der in Serie geschalteten und epitaktisch aufgebrachten flächenelemente 8 hergestellt. Danach wird das Bauelement in reduzierender Atmosphäre, die ein Flußmittel enthält, wärmebehandelt, um einen ohmsohen Übergang durch Legieren der Metall-Halbleiter-Yerbindung herausteilen.

Die Torliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf obige AusfUhrungsbeisplele beschränkt.

909882/ 1064

Claims

ISE/Reg. 3540 - Pl 479 CP. Sandbank et al 32-3-1

PATENTANSPRÜCHE

1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen von hohen Spitzenleistungen!gekennzeichnet durch die Hintereinanderechaltung mindestens zweier Halbleiterelemente (1, 8) aus einem Instabilitätseffekte hoher Feldstärke aufweisenden Halbleitermaterial, welche oberhalb einer solchen Potentialdifferenz betrieben wird, so daß in Jedem der Körper Instabilitätsbereiche hoher elektrischer Feldstärke entstehen und sich entlang der Elemente fortpflanzen.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hintereinanderschaltung entweder ununterbrochen oder zur Verminderung der gesamten Verlustleistung impulsförmig betrieben wird.

3. Schaltungeanordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeici..„.u;t, daß die Hintereinanderschaltung der Halbleiterelemente mit einem einzelnen Resonanzkreis oder Hohlraum verbunden ist, der die Phase festlegt und Frequenzänderungen aufgrund von Temperaturänderungen verhindert«

4. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hintereinanderschaltung der Halbleiterelemente mit einer Mehrzahl von duroh Bügel verbundene Resonanzkreise oder Hohlräume verbunden ist, und daß jeder einzelne der Resonanzkreise oder Hohlräume mit je einem Halbleiterelement verbunden ist.

5* Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente als Flächenelemente einer

Epitaxschicht einzeln auf einer unterlage (5) angeordnet sind.

909882/1064

BAD ORIGINAL - 8 -

Fl ΐ\Ίj C.}^:. Jauduan.-·: et al 'j.'.~!>~\

f). 3 cl.! ■{ H: uu^ücit:--TUtIUtJj. ca·., /iii^^r-chei ι rx« <j, dadurou ^cLoui·.-iisi^huefc, daß diu HululeiterelGinente (>'.) aus einer ^:iehr,;a.'J. von £onen innerhalb einer einheitlichen auf einer Unterlage angeordneten rjitaJUjchieht (4) bestehen, die an ihren λι\·- flächen je einen Flaehonkoutakt (6,7) aufweißt.

7. üchaltungaanordnung nach Ansprüchen 1 bia b, dadurch gulionnriöiclmet, daß joden Halbleiterelement (1) swei Flrehfü.ontali to (2,3) auiVe i a t.

L-. Jchaltungaanordnung nach Auaprüchen 5 bis 7» dadurch ^u.Uut.uzeichnet, daß die Utuerlage (5) aus halbiaolierendem Haterial besteht.

'). Schaltungsanordnung nach Anaprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Plächenlcontakte (2,3,6,7) sperrfrei aind.

10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläclienkontakte (2,3,6,7) aus Zinn bestehen.

11. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente aus Galliumarnenid bestehen.

12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das halbisolierende Material aus Galliumarsenid berjteht.

909882/106*