DE1591090B2 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen von hohen Spitzenleistungen - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Erzeugen von hohen SpitzenleistungenInfo
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Description
3 4
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung einzelnen Einheit vom System abgeführt werden. Es
zum Erzeugen von hohen Spitzenleistungen mittels kann auch die Gesamtleistung zur Anwendung geeiner
Hintereinanderschaltung mindestens zweier bracht werden, was von der Leistungsfähigkeit und
Halbleiterelemente aus einem Instabilitätseffekte ho- anderen Erfordernissen des Abnahmekreises abher
Feldstärke aufweisenden Halbleitermaterial. 5 hängt.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfin- Das innerhalb des Bauelements erzeugte elektridungsgemäß
dadurch gelöst, daß die Hintereinander- sehe Feld, welches eine Übersteuerung des Kreises
schaltung oberhalb einer solchen Potentialdifferenz oder die Erzeugung von Domänen hoher Feldstärke
betrieben wird, daß in einem ersten Halbleiterelement bewirkt, kann ununterbrochen oder zur Vermindedie
Potentialdifferenz der Stoßionisationsgrenze 10 rung der Gesamtverlustleistung im Halbleiterbaueleüberschritten
wird und im Halbleitermaterial eines ment in Form von Impulsen angelegt werden,
zweiten Halbleiterelements Instabilitätsbereiche ho- Bei Impulsbetrieb ist es möglich, von diesen Bauher elektrischer Feldstärke entstehen und sich entlang elementen Ausgangsleistungen in der Größenordnung der Elemente fortpflanzen. von 200 W bei einer Frequenz von 1,5 GHz zu erhal-
zweiten Halbleiterelements Instabilitätsbereiche ho- Bei Impulsbetrieb ist es möglich, von diesen Bauher elektrischer Feldstärke entstehen und sich entlang elementen Ausgangsleistungen in der Größenordnung der Elemente fortpflanzen. von 200 W bei einer Frequenz von 1,5 GHz zu erhal-
Die obengenannten und weitere Merkmale der *5 ten.
vorliegenden Erfindung sollen im folgenden an Hand Beim Betrieb der Halbleiterbauelemente in Reso-
der Zeichnungen erläutert werden, in denen nanzkreisen ergibt sich ein vergrößerter Wirkungs-
F i g. 1 zwei in Serie geschaltete Halbleiterbauele- grad des Systems. Die Resonanzkreisstufe bringt den
mente, und Ausgang in die richtige Phase und verhütet eine durch
Fig. 2 drei in Form einer Festkörperschaltung in 2° Temperaturänderung bewirkte Frequenzverschie-
Serie geschaltete Halbleiterbauelemente veranschau- bung. Es sind Wirkungsgrade bis 10% möglich. Um
licht. diesen hohen Wirkungsgrad bei Resonanzkreisen zu
Ein wesentliches Merkmal der Schaltungsanord- erhalten, ist es notwendig, ein großes Übersteuenung
ist also der Betrieb eines Halbleiterelementes rungspotential an die Bauelemente anzulegen,
bei wesentlich höheren Spannungen, als sie normaler- 25 An Stelle einer Mehrzahl in Reihe geschalteter weise allein zum Auslösen einer Domäne in einem Bauelemente innerhalb eines einzelnen Resonanzeinzelnen Halbleiterelement erforderlich sind. kreises oder Hohlraumes können auch eine Anzahl
bei wesentlich höheren Spannungen, als sie normaler- 25 An Stelle einer Mehrzahl in Reihe geschalteter weise allein zum Auslösen einer Domäne in einem Bauelemente innerhalb eines einzelnen Resonanzeinzelnen Halbleiterelement erforderlich sind. kreises oder Hohlraumes können auch eine Anzahl
Wird nämlich ein Gunn-Effekt-Halbleiterbauele- über Bügel verbundene Hohlräume mit je einem darin
ment übersteuert, beispielsweise auf einen drei- oder angeordneten Halbleiterbauelement verwendet wervierfachen
Betrag des Schwellwertes, dann nimmt die 30 den, wodurch eine bessere Überwachung der an die
Domäne hoher Feldstärke (die sich innerhalb des einzelnen Halbleiterbauelemente angelegten Span-Halbleiterbauelementes
bildet, sobald das durch eine nung ermöglicht wird, während die Serienkombinaäußere
Quelle der Potentialdifferenz bewirkte elek- tion in bezug auf die Treiberstufe beibehalten wird,
trische Feld innerhalb des Bauelements den Schwell- Bei der F i g. 1 bestehen die einzelnen Halbleiterwert des Halbleitermaterials überschreitet) etwas von 35 elemente aus einem Kristall 1 aus Halbleitermaterial
der überschüssigen Spannung bis zu einem Wert auf, mit den erforderlichen elektrischen Eigenschaften,
an dem eine Stoßionisation auftritt. Die Stoßionisa- beispielsweise η-leitendem Galliumarsenid, mit ohmtion
begrenzt die Ausdehnung der Zone hoher Feld- sehen Flächenkontakten 2 und 3 an seinen ebenen
stärke. Daher wird die zusätzliche Vorspannung der Endflächen.
äußeren Potentialdifferenzquelle von der Masse des 4° In der Praxis kann der Kristall 1 sowohl auf einer
Halbleitermaterials außerhalb der Domäne hoher halbisolierenden Unterlage, beispielsweise aus Galli-
Feldstärke aufgenommen, was zur Bildung von weite- umarsenid, durch epitaxiales Wachstum hergestellt
ren Domänen führen würde. werden als auch ein einheitlicher Festkörper aus
Unter diesen Umständen wird dann beim Hinter- Halbleitermaterial verwendet werden kann. An den
einanderschalten zweier Halbleiterbauelemente ge- 45 Endflächen des Kristalls 1 werden Flächenkontakte 2
maß Fig. 1 mit einer nicht dargestellten Potential- und 3, beispielsweise aus Zinn, durch Aufdampfen im
quelle angenommen, daß die sich beim Übersteuern Vakuum hergestellt. Danach wird das Element in ei-
des Systems ergebende zusätzliche äußere Quelle der ner reduzierenden und ein Flußmittel enthaltenden
Potentialdifferenz im zweiten Halbleiterbauelement Atmosphäre erhitzt, um die Metall-Halbleiter-Ver-
beim Erreichen der Stoßionisationsgrenze im ersten 5° bindung unter Bildung eines ohmschen Übergangs zu
Halbleiterbauelement eine Domäne hoher Feldstärke legieren.
unter der Voraussetzung ergibt, daß die Feldstärke Die in Serie verbundenen Elemente können einzeln
im ohmschen Teil der Schaltung groß genug für das hergestellt und gemäß der Fig. 1 verbunden werden.
Auftreten des oben erklärten Elektronenübergangs Sie können auch beispielsweise durch epitaxiales Aufist.
Die zuerst auftretende Domäne hoher Feldinsta- 55 bringen einer halbleitenden Schicht 4 auf die Oberfläbilität
wird sich im Halbleiterbauelement mit höchster ehe einer Unterlage 5 gemäß Fig. 2, wie im vorste-Impedanz
ausbilden. henden Abschnitt beschrieben, hergestellt werden.
Deshalb ist es möglich, eine Mehrzahl von Halblei- Danach wird die epitaktisch aufgebrachte Schicht 4
terbauelementen mit Gunn-Effekt in Reihe zueinan- in eine Reihe einzelner Flächenelemente 8 des epider
zu schalten und diese nacheinander, wie im vori- 60 taktisch gewachsenen Halbleitermaterials geteilt, wogen
Abschnitt angegeben, zu betreiben. Durch den bei jede einzelne mit den anderen in Reihe über die
Serienbetrieb der Halbleiterbauelemente wird das Abschnitte 9 im ohmschen Kontakt steht. Die zwi-Problem
der äußeren Leistungsversorgung verein- sehen benachbarten Flächenelementen 8 liegenden
facht, indem bei einer vorgegebenen Ausgangslei- zwischenverbindenden Abschnitte 9 werden derartig
stung und Höhe des Wirkungsgrades sich der äußeren 65 ausgebildet, daß in ihnen kein Durchzug oder Weiter-Leistungsversorgungsquelle
eine höhere Impedanz leitung der Domäne hoher Feldstärke möglich ist. darbietet. Über Flächenkontakte 6 und 7, beispielsweise aus
Die Ausgangsleistung kann unabhängig von jeder Zinn, wird mit dem Bauelement ein äußerer Kreis
verbunden. Die Flächenkontakte 6 und 7 werden beispielsweise durch 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 ohmschen
Übergang durch Legieren der Metall-Halbleiter-Verbindung herzustellen.
Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf obige Ausführungsbeispiele beschränkt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen von hohen Spitzenleistungen mittels einer Hintereinanderschaltung
mindestens zweier Halbleiterelemente aus einem Instabilitätseffekte hoher Feldstärke
aufweisenden Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, daß die Hintereinanderschaltung
oberhalb einer solchen Potentialdifferenz betrieben wird, daß in einem ersten Halbleiterelement die Potentialdifferenz der
Stoßionisationsgrenze überschritten wird und im Halbleitermaterial eines zweiten Halbleiterelements
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. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hintereinanderschaltung
der Halbleiterelemente mit einem einzelnen Resonanzkreis oder Hohlraum verbunden
ist, der die Phase festlegt und Frequenzänderungen auf Grund von Temperaturänderungen
verhindert.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hintereinanderschaltung
der Halbleiterelemente mit einer Mehrzahl von durch Bügel verbundene Resonanzkreise
oder Hohlräume verbunden ist, und daß jeder einzelne der Resonanzkreise oder Hohlräume
mit je einem Halbleiterelement verbunden ist.
5. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Halbleiterelemente als Flächenelemente einer Epitaxschicht einzeln auf einer Unterlage (5) angeordnet
sind.
6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Halbleiterelemente (8) aus einer Mehrzahl von Zonen innerhalb einer einheitlichen auf einer Unterlage
angeordneten Epitaxschicht (4) bestehen, die an ihren Endflächen je einen Flächenkontakt
(6, 7) aufweist.
7. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jedes
Halbleiterelement (1) zwei Flächenkontakte (2,3) aufweist.
- 8. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlage
(5) aus halbisolierendem Material besteht.
9. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenkontakte
(2, 3, 6, 7) sperrfrei sind.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenkontakte
(2, 3; 6, 7) aus Zinn bestehen.
11. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die
Halbleiterelemente aus Galliumarsenid bestehen.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das halbisolierende
Material aus Galliumarsenid besteht.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Hochleistungsbetrieb von Halbleiterbauelementen
unter Verwendung von Halbleitermaterial, welches bei hohen Feldstärken Effekte beweglicher Instabilitäten
aufweist.
Wird ein Kristall bestimmter Halbleitermaterialien einem konstanten elektrischen Feld oberhalb eines
kritischen Wertes ausgesetzt, dann enthält der durch den Kristall fließende Gesamtstrom einen Schwingungsanteil,
dessen Frequenz durch den Durchgang der Raumleitungsverteilung zwischen den Flächenkontakten
des Kristalls gegeben ist. Die Erscheinung tritt bei normalen Temperaturen auf, erfordert nicht
die Verwendung eines magnetischen Feldes und
*5 scheint nicht eine besondere Dotierung oder Geometrie
der Probe zu erfordern. Die Erscheinung wurde zuerst von J. B. Gunn (Solid State Communications,
Band I, Seite 88, 1963) beschrieben und ist deshalb als Gunn-Effekt bekannt. Der Gunn-Effekt beruht
so auf dem Aufheizen der sich normalerweise in einem
unteren Band mit niedrigerer effektiver Masse und hoher Beweglichkeit (K = 0) befindlichen Elektronen
durch das elektrische Feld mit entsprechendem Über- ( gang in ein unteres Band höherer effektiver Masse
und geringerer Beweglichkeit (K = 100). Dieser Vorgang äußert sich in einem Bereich negativer differenzieller
Leitfähigkeit in der Abhängigkeit der Elektronendriftgeschwindigkeit (oder des Stroms) vom
angelegten Feld. Bei einer Vorspannung innerhalb des Bereichs negativer Leitfähigkeit bewegt sich ein Bereich
hoher Feldstärke, »Domäne« genannt, während einer Periode der Stromschwingung von Kathode zur
Anode. Die Schwingungsfrequenz ist in erster Linie von der Länge des Strompfades durch den Kristall abhängig.
Die Erscheinung wurde in III-V-Halbleitern,
wie Galliumarsenid, Indiumphosphid sowie in Cadmiumtellurid vom η-Leitfähigkeitstyp entdeckt.
Mit der hier verwendeten Bezeichnung »Instabilitätseffekte hoher Feldstärke aufweisendes Halbleitermaterial«
ist zumindest ein jedes Material gemeint, 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 der angelegten Feldstärke, unterhalb der ein spontanes Selbstschwingen nicht auftritt, kann als
Gunn-Schwellwert bezeichnet werden.
Die Gewinnung einer hohen Spitzenleistung mittels Gunn-Effekt-Oszillatoren hängt ab von der Entwicklung
von Schaltungs-Bauelement-Kombinationen, welche eine ausreichend hohe Impedanz sowohl der
Hochfrequenz- als auch der Treiber-Stufen darbietet.
Aus der Zeitschrift »Proceedings of the IEEE«
(Mai 1965), Seiten 554/555, war bekannt, ein Gunn-Element sowohl als Oszillator als auch als Verstärker
zu benutzen. Dies legt dem Fachmann die Nachschaltung eines als Verstärker betriebenen Gunn-Elementes
einem als Oszillator wirkenden Gunn-EIement nahe, wobei letzteres gemäß dem älteren Vorschlag
der deutschen Patentschrift 1466 514 freischwingend betrieben wird, indem an den Halbleiterkörper des
letzteren Gunn-Elementes eine Spannung angelegt wird, die mindestens dem Gunn-Schwellwert entspricht.
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer einfachen
Schaltungsanordnung zur Erzielung höherer Spitzenleistungen, als sie nach dem Stand der Technik
mit Gunn-Effekt-Bauelementen erzielbar sind.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
GB2892/66A GB1130305A (en) | 1966-01-21 | 1966-01-21 | Series operated gunn effect device |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
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DE1591090A1 DE1591090A1 (de) | 1970-01-08 |
DE1591090B2 true DE1591090B2 (de) | 1974-02-14 |
DE1591090C3 DE1591090C3 (de) | 1974-09-19 |
Family
ID=9747978
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1591090A Expired DE1591090C3 (de) | 1966-01-21 | 1967-01-13 | Schaltungsanordnung zum Erzeugen von hohen Spitzenleistungen |
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Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB2368717A (en) * | 2000-06-29 | 2002-05-08 | Marconi Applied Techn Ltd | Gunn diodes |
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- 1966-01-21 GB GB2892/66A patent/GB1130305A/en not_active Expired
-
1967
- 1967-01-13 DE DE1591090A patent/DE1591090C3/de not_active Expired
- 1967-01-20 FR FR91979A patent/FR1513630A/fr not_active Expired
- 1967-02-23 BE BE694486D patent/BE694486A/xx unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
FR1513630A (fr) | 1968-02-16 |
GB1130305A (en) | 1968-10-16 |
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