DE1591090C3

DE1591090C3 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen von hohen Spitzenleistungen

Info

Publication number: DE1591090C3
Application number: DE1591090A
Authority: DE
Inventors: Essex Harlow; George King; Stanley Bruce Marsh; Carl Peter Stortford Herts Sandbank
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1966-01-21
Filing date: 1967-01-13
Publication date: 1974-09-19
Also published as: DE1591090B2; BE694486A; GB1130305A; DE1591090A1; FR1513630A

Description

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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-

Die obengenannten und weitere Merkmale der ¹S 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-

Fig. 1 zwei in Serie geschaltete Halbleiterbauele- grad des Systems. Die Resonanzkreisstufe bringt den

mente, und Ausgang in die richtige Phase und verhütet eine durch

F i g. 2 drei in Form einer Festkörperschaltung in ^ao 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- ^a5 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 3o 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 Fig. 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 F i g. 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

Patentansprüche:

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 Resonanzkreiseoder 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 (I) 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 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 Stroinpfades durch den Kristall abhängig. Die Erscheinung wurde in III-V-Halbleitern, wie Galliumarsenid, Indiumphosphid sowie in Cadmiumtellurid vom n-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-Element nahe, wobei letzteres gemäß dem älteren Vorschlag der deutschen Patentschrift 1 466 514 freischwingend betrieben wird, indem an den Halbleiterkörper des letzteren Gunn-EIementes 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.