DE1591104C3 - Semiconductor device - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung zur Steuerung, Frequenzänderung, Löschung oder Anfachung einer hochfrequenten Schwingung in einem sperrfrei kontaktierten Halbleiterkörper aus einem Halbleitermaterial mit zwei Elektronenzuständen unterschiedlicher Energie im Leitungsband.The invention relates to a semiconductor device for controlling, changing frequency, or erasing Fanning of a high-frequency oscillation in a non-blocking contacted semiconductor body from a Semiconductor material with two electron states of different energies in the conduction band.
In verschiedenen Halbleiter-Kristallen, z. B: GaAs, InP, CdTe, können die. Elektronen des Leitungsbandes verschiedenen, energetisch unterschiedlichen Zuständen auftreten. Legt man ein äußeres Feld über sperrfreie Kontakte an solche Kristalle so werden heiße Elektronen in den* energetisch höheren Zustand gehoben. Dieser Elektronentransport führt zu Instabilitäten in der Feldverteilung im Kristall. Es treten zwei Feldbereiche auf. In dem einen bildet sich oberhalb einer bestimmten kritischen Feldstärke Fk im Kristall eine Hochfelddomäne aus, in der die Feldstärke weit über der kritischen liegt. In dem zweiten Feldbereich liegt die^Fe.ldstärke etwas unterhalb von Fk. Die Hochfelddoinärie wandert in Richtung des elektrischen Feldes durch den Kristall mit der Geschwindigkeit der heißen Elektronen. Durch die Aus- bildung und Wanderung von Hochfelddomänen in Halbleiterkristallen ist eine neue Anregungsmethode von Hochfrequenzschwingungen bekanntgeworden, die vor allem in aAs-Kristallen zu technischen Anwendungen geführt hat. Diese nach ihrem Erfinder In various semiconductor crystals, e.g. B: GaAs, InP, CdTe, the. Electrons of the conduction band occur in different, energetically different states. If you apply an external field to such crystals via lock-free contacts, hot electrons are lifted into the * energetically higher state. This electron transport leads to instabilities in the field distribution in the crystal. There are two field areas. In one of them, a high field domain is formed in the crystal above a certain critical field strength F k, in which the field strength is far above the critical one. In the second field area the field strength is slightly below F k . The high field dynamics move in the direction of the electric field through the crystal at the speed of the hot electrons. Due to the formation and migration of high-field domains in semiconductor crystals, a new method of excitation of high-frequency oscillations has become known, which has led to technical applications, especially in aAs crystals. These after their inventor
I·0 als »Gunn«-Oszillatoren bezeichneten Mikrowellenerzctiger vermögen in einem Frequenzbereich von 100 MHz bis zu etwa 100 GHz zu arbeiten.I · 0 Mikrowellenerzctiger called "Gunn" oscillators capable of operating up to about 100 GHz in a frequency range of 100 MHz.
Bei Zimmertemperatur sind diese Hochfrequenzgeneratoren im allgemeinen nicht durch von außenAt room temperature, these high-frequency generators are generally not through from the outside
'ö zugeführtes Licht zu beeinflussen. Bei Temperaturen unterhalb der Zimmertemperatur wirkt allerdings Lichteinstrahlung auf die Gunn-Schwingungen ein (Heeks, IEEE Transactions on Electron Devices Vol. ED 13, 1966, Seite 68).'ö to influence the supplied light. At temperatures However, below room temperature, light radiation has an effect on the Gunn vibrations (Heeks, IEEE Transactions on Electron Devices Vol. ED 13, 1966, p. 68).
(S ewell,Kenneth, Boatner, Proceedings of the IEEE Vol. 55 1967, Nr. 7, Seite 1228).(S ewell, Kenneth, Boatner, Proceedings of the IEEE Vol. 55 1967, No. 7, page 1228).
Sie kann zu einer Amplitudenänderung, zu einer Frequenzänderung, zu einem Erlöschen oder zu einem Anfachen einer Gunnschwingung führen. Eine Steuerung des Gunnelements ist also durch Licht unterhalb der Zimmertemperatur möglich, wenn vorher eine Gleichspannung (oder pulsierende Gleichspannung) an das Gunnelement gelegt wurde, die gegebenenfalls auch niedriger sein kann als die bei Zimmertemperatür auftretende kritische Gunn-Spannung. Eine Lichteinstrahlung von äußeren Lichtquellen ist immer umständlich und aufwendig. Sie ist in ihrer Wirksamkeit begrenzt, da wegen des hohen Absorptionskoeffizien-"ten des Halbleitergrundmaterials das Licht vorwiegend in der Oberfläche des Kristalls absorbiert wird und nur teilweise an den Ort der Domänenbildung gelangt. Überdies ist die Modulation derartig äußerer, aufwendiger Lichtquellen bis in ein Frequenzgebiet von K)'' Hz, das hier von Interesse ist, nur durch elektrisch gesteuerte Filter (z. B. Kerreffekt) denkbar und heute kaum realisierbar.It can lead to a change in amplitude, a change in frequency, an extinction or a Fanning lead to a Gunn oscillation. A control of the tunnel element is therefore by means of light below room temperature possible if a direct voltage (or pulsating direct voltage) was placed on the Gunnelement, which may also be lower than that at room temperature Occurring critical Gunn tension. Radiation from external light sources is always cumbersome and laborious. It is limited in its effectiveness because of the high absorption coefficient of the semiconductor base material, the light is mainly absorbed in the surface of the crystal and only partially reached the site of the domain formation. Moreover, the modulation is so external that complex light sources up to a frequency range of K) '' Hz, which is of interest here, only through electrical Controlled filters (e.g. Kerre effect) are conceivable and hardly feasible today.
Diese Schwierigkeiten und Nachteile können erfindungsgem'äß dadurch vermieden werden, daß in einem sperrfrei kontaktierten Halbleiterkörper aus einem Halbleitermaterial mit zwei Elektronenzuständen unterschiedlicher Energie im Leitungsband eine Gunndiode und eine Lumineszenzdiode derart angeordnet sind, daß die Rekombinationsstrahlung der Lumineszenzdiode ohne Verlassen des Halbleiters in den Laufraum der Gunndiode gelangen kann.These difficulties and disadvantages can according to the invention be avoided in a lock-free contacted semiconductor body from a Semiconductor material with two electron states of different energies in the conduction band a Gunn diode and a light emitting diode are arranged such that the recombination radiation of the light emitting diode can get into the running space of the Gunn diode without leaving the semiconductor.
Für die Anordnung der Gunndiode und der Lumineszenzdiode innerhalb des Halbleiterkörpers ergeben sich verschiedene Möglichkeiten.For the arrangement of the Gunn diode and the luminescent diode within the semiconductor body different options.
Vorteilhaft kann die Lumineszenzdiode neben der Gunndiode angeordnet sein.The luminescent diode can advantageously be arranged next to the Gunn diode.
Nach einer besonders zweckmäßigen Ausführung umschließt die Lumineszenzdiode die Gunndiode ringförmig.According to a particularly expedient embodiment, the light-emitting diode encloses the Gunn diode ring-shaped.
Auch für die Herausführung der Kontakte ergebenAlso surrendered for bringing out the contacts
6ö sich zwei Möglichkeiten im'Rahmen des Erfindungsgedankens. Einmal können die Kontakte der Gunndiode und der Lumineszenzdiode getrennt herausgeführt sein. Man erhält dann eine vollkommene galvanische Trennung des Steuerkreises vom Arbeitskreis. Ist eine solche Trennung nicht notwendig, kann man die Anode der Gunndiode und die hochdotierte « + -Schicht der Lumineszenzdiode vorteilhaft zu einem gemeinsamen Kontakt zusammenfassen.There are two possibilities within the scope of the concept of the invention. On the one hand, the contacts of the Gunn diode and the light emitting diode can be brought out separately. A complete galvanic separation of the control circuit from the working circuit is then obtained. If such a separation is not necessary, the anode of the Gunn diode and the highly doped + layer of the luminescent diode can advantageously be combined to form a common contact.
Wegen der wesentlich höheren Strahlungsausbeute wird sich die erfindungsgemäße Anordnung bei wesentlich höheren Temperaturen optisch steuern lassen. Trotzdem kann es aus Gründen einer erhöhten Leistungsabgabe zweckmäßig sein, die Anordnung bei 5 einer unterhalb der Zimmertemperatur liegenden Temperatur zu betreiben.Because of the significantly higher radiation yield, the arrangement according to the invention will be significantly control higher temperatures optically. Even so, it may be elevated for the sake of it Power output be appropriate, the arrangement at 5 below room temperature Operate temperature.
Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung wird so verwendet, daß zweckmäßig die Steuerung der Gunndiode durch die Steuerung der Lumineszenzdiode übernommen wird.The semiconductor device according to the invention is used so that the control of the Gunn diode is taken over by the control of the light emitting diode.
Wenn in der erfindungsgemäßen Anordnung die Gunndiode und die Lumineszenzdiode impulsförmig bei der gleichen oder größenordnungsmäßig gleichen Frequenz betrieben werden, können noch Effekte zur J5 Steuerung ausgenutzt werden, die durch die Lebensdauer τ der Elektronen-Lochpaare bedingt sind. Eine Phasenverschiebung zwischen den Impulsen an der Gunndiode und denen an der Lumineszenzdiode in der Größe von τ bietet dann eine weitere Handhabe zur Steuerung der Gunndiode. In zweckmäßiger Ausgestaltung des Erfindungsgedankens kann deshalb eine Phasenverschiebung zwischen dem Steuerkriterium der Lumineszenzdiode und der Gunnschwingung bestehen.If, in the arrangement according to the invention, the Gunn diode and the luminescent diode are operated in pulse form at the same or roughly the same frequency, effects for J 5 control can still be used which are caused by the lifetime τ of the electron-hole pairs. A phase shift between the pulses at the Gunn diode and those at the light emitting diode in the size of τ then offers a further handle for controlling the Gunn diode. In an expedient embodiment of the inventive concept, there can therefore be a phase shift between the control criterion of the luminescent diode and the Gunn oscillation.
Im folgenden werden an Hand zweier schematischer Darstellungen zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung wiedergegeben.In the following, two exemplary embodiments of the Invention reproduced.
In der Fig. 1 ist eine solche Halbleiteranordnung gezeigt, die die Wirkung der optischen Vereinigung beider Bauelemente noch näher erläutert. Die Halbleiteranordnung besteht aus einem Grundkörper 1, dessen Kristallmaterial einen Elektronentransport zuläßt und der so ausgebildet ist, daß eine Gunnschwingung zwischen der Kathode 3 und der Anode 2 möglich ist. Der gleiche Kristall enthält die stark dotierte p+-Schicht 4 und die stark dotierte n+- Schicht 5, die je einen metallischen Kontakt 6 und 7 besitzen. 2 und 3 bilden mit dem Grundkörper 1 die Gunndiode. 5 und 6 stellen den pn-Übergang oder die Lumineszenzdiode dar.In Fig. 1, such a semiconductor arrangement is shown, which explains the effect of the optical combination of the two components in more detail. The semiconductor arrangement consists of a base body 1, the crystal material of which allows electron transport and which is designed so that a Gunn oscillation between the cathode 3 and the anode 2 is possible. The same crystal contains the heavily doped p + layer 4 and the heavily doped n + layer 5, each of which has a metallic contact 6 and 7. 2 and 3 together with the base body 1 form the Gunn diode. 5 and 6 represent the pn junction or the light emitting diode.
Die Gunndiode und die Lumineszenzdiode sind elektrisch entkoppelt. Im Betriebsfall liegt zwischen 2 und 3 eine Gleichspannung (oder gepulste Gleichspannung). Die Lumineszenzdiode wird mit Gleichstrom (oder gepulstem Gleichstrom) in Flußrichtung belastet. Die entstehenden Lichtquanten laufen zum großen Teil in den Hochfeldraum zwischen 2 und 3. Sie werden hier absorbiert, bilden Elektron-Lochpaare und beeinflussen über vorhandene Fangstellen die Ladungsträgerzahl zwischen Kathode 3 und Anode 2 des Gunnelements. Gegebenenfalls wird die Anordnung bei einer Temperatur, die unterhalb der Zimmertemperatur liegt, betrieben. Die Lumineszenzdiode aus dem gleichen Material wie die Gunndiode verbessert die Lichtsteuerwirkung nicht nur durch den direkten optischen Kontakt, sondern auch dadurch, daß das von der Lumineszenzdiode produzierte Licht im wesentlichen durch Rekombinationsprozesse entstanden ist und daher eine Energie besitzt, die derjenigen des Bandabstandes des Halbleiter-Materials entspricht. Dieses Licht wird aber gerade wieder unter Bildung eines Elektron-Lochpaares im Grundkörper absorbiert. Da das Licht den Halbleiter-Körper wegen des hohen Brechungsindex des Halbleiter-Materials nur zu einem geringfügigen Bruchteil verlassen kann, wird es mehrfach im Innern des Grundkörpers 1 reflektiert und erhöht dabei die Leuchtdichte im Gunngebiet.The Gunn diode and the light emitting diode are electrically decoupled. In the case of operation, between 2 and 3 a DC voltage (or pulsed DC voltage). The light emitting diode runs on direct current (or pulsed direct current) loaded in the direction of flow. The resulting light quanta run to large part in the high-field space between 2 and 3. They are absorbed here, forming electron-hole pairs and influence the number of charge carriers between cathode 3 and via existing traps Anode 2 of the tunnel element. Optionally, the arrangement is at a temperature below the Room temperature is operated. The light emitting diode made of the same material as the Gunn diode improves the light control effect not only through direct optical contact, but also in that the light produced by the light emitting diode is essentially the result of recombination processes and therefore has an energy, which corresponds to that of the band gap of the semiconductor material. But this light is just coming back absorbed with the formation of an electron-hole pair in the base body. Because the light is the semiconductor body due to the high refractive index of the semiconductor material only to a minor extent Can leave fraction, it is reflected several times in the interior of the base body 1 and thereby increases the Luminance in the Gunn area.
In einer weiteren Anordnung, die in F i g. 2 wiedergegeben ist, kann die Lichtsteuerung noch vollkommener erreicht werden. Der Grundkörper 1 aus dem Gunn-aktiven Material trägt eine epitaktische Grundschicht n+ 12. Sie ist niederohmig und hat einen Metallkontakt 16. Sie stellt die Anode des Gunnelementes dar. Der Grundkörper 11 trägt überdies ein ringförmiges ρ +-Gebiet 13, das entweder durch Diffusion oder durch Epitaxie in an sich bekannter Weise auf ihm angebracht wurde. In der kreisförmigen Aussparung von 13 ist die metallische Gunn-Kathode 14 anlegiert. (Sie kann selbstverständlich auch als halbleitender w+-Kontakt epitaktisch aufgebracht sein.) Zwischen dem η+ -Gebiet 12 und dem ρ+ -Ring 13 liegt jetzt eine relativ breite Zone des Grundkörpers (etwa so breit wie die Gunndiode tief ist). In diesem Gebiet treten die Lichtquanten auf, die durch Rekombination der aus dem n+- und ρ+-Gebiet injizierten Ladungsträger gebildet werden. Er umschließt den für die Gunndiode vorgesehenen Raum und kann direkt im Hochfeldraum zwischen 12 und 14 die Ladungsträgerdichte beeinflussen. In dieser Art erhält man einen sehr guten Wirkungsgrad der Halbleiteranordnung und kann mit sehr kleinen Steuerleistungen an der Lumineszenzdiode die Gunndiode durchsteuern. Der Lichtwirkungsgrad der Anordnung ist aus drei Gründen besonders hoch: 1) weil die innere Quantenausbeute der Lumineszenzdiode groß ist, 2) weil durch die direkte Lichtkopplung zwischen den beiden Dioden keine hohen Verluste auftreten und 3) weil durch Totalreflexion im Grundkörper 11 das Licht weitgehend zusammengehalten wird. Lumineszenzdioden können bis in das 109-Hz-Gebiet gesteuert werden, so daß eine Modulation der Halbleiter-Anordnung biß zu Höchstfrequenzen ohne fremde elektronische Filter möglich ist.In a further arrangement shown in FIG. 2 is shown, the lighting control can be achieved even more perfectly. The base body 1 from the Gunn active material carries an epitaxial base layer n + 12. is low and has a metal contact 16. It represents the anode of the Gunnelementes. The base body 11 carries, moreover, an annular ρ + region 13, either by Diffusion or by epitaxy was applied to it in a manner known per se. The metallic Gunn cathode 14 is alloyed in the circular recess in FIG. (It can of course also be applied epitaxially as a semiconducting w + contact.) Between the η + region 12 and the ρ + ring 13 there is now a relatively wide zone of the base body (about as wide as the Gunn diode is deep). In this region the light quanta occur, which are formed by recombination of the charge carriers injected from the n + and ρ + regions. It encloses the space provided for the Gunn diode and can influence the charge carrier density directly in the high field space between 12 and 14. In this way, a very good efficiency of the semiconductor arrangement is obtained and the Gunn diode can be controlled through with very small control powers on the light-emitting diode. The light efficiency of the arrangement is particularly high for three reasons: 1) because the internal quantum yield of the luminescent diode is high, 2) because the direct light coupling between the two diodes does not result in high losses and 3) because the light is largely held together by total reflection in the base body 11 will. Luminescence diodes can be controlled up to the 10 9 Hz range, so that modulation of the semiconductor arrangement up to maximum frequencies is possible without external electronic filters.
Selbstverständlich kann auch in der Anordnung nach F i g. 2 die Anode 12 mit dem Kontakt 16 so ausgebildet werden, daß Gunn- und Lumineszenzdiode elektrisch voneinander getrennt sind. Dazu ist nur eine Ätzrille nötig, die bis in das Gebiet 11 der Anordnung reicht und ähnlich wie auf der Kathodenseite das /I+-Material 12 in eine Kreisfläche (Anode der Gunndiode) und in eine Ringfläche (n+-Seite der Lumineszenzdiode) teilt. Der Anschluß der ringförmigen Elektrode 13 erfolgt durch den Kontakt 15.Of course, in the arrangement according to FIG. 2, the anode 12 with the contact 16 can be designed so that the Gunn and luminescent diode are electrically separated from one another. For this purpose, only one etching groove is necessary, which extends into the area 11 of the arrangement and, similar to the cathode side, divides the / I + material 12 into a circular area (anode of the Gunn diode) and an annular area (n + side of the luminescent diode) . The connection of the ring-shaped electrode 13 takes place through the contact 15.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |