DE1591224A1 - Festkoerperoszillator veraenderbarer Frequenz - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. E.

703 BDBLINGEN SINDELFINGER STRASSE 49 FERNSPRECHER (07031)6613040

Böblingen, den 11. Oktober 1967 gg-ha

Anmelderin : International Business Machines

Corporation, Armonk, N. Y. 10

Aktenzeichen der Anmelderin : Docket YO 966-017

Amtliches Aktenzeichen : Neuanmeldung

Festkörperoszillator veränderbarer Frequenz

Die Erfindung betrifft einen Festkörperoszillator veränderbarer Frequenz mit einer Halbleiterstrecke, längs der infolge einer an ihre Elektroden angelegten Spannung ein elektrisches Feld aufgebaut ist, wobei sich eine Zone erhöhter Feldstärke ausbildet und in Feldrichtung fortpflanzt, wenn die Feldstärke des angelegten Feldes grosser als eine kritische Feldstärke ist, und sich eine bereits gebildete Zone auch fortpflanzt, wenn die Feldstärke des angelegten Feldee kleiner als die kritische Feldstärke aber grosser als eine Fortpflanzungefeldstärke ist (Gunn-Effekt).

Derartige Oszillatoren haben bereite grosses Intere»ee gefunden, da •ie auf einfache aber wirkungsvolle Weise die Urzeugung von Mikrowellen· chwingungen gestatten. Die davor verwendeten Oszillator-Anord-

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nungen für Mikrowellen erforderten umfangreiche und kostspielige Einrichtungen. Es sei beispielsweise auf das Klystron, das Magnetron, auf die Wanderfeldröhre usw. verwiesen, die nicht nur teuer, sondern auch verhältnismässig gross sind, so daß sie in vielen heutigen Anwendungen mehr als unpraktisch sind. Die den sogenannten Gunn-Effekt ausnützenden Anordnungen bieten gegenüber den bekannten Anordnungen wesentliche Vorteile insbesondere hinsichtlich ihrer geringen Grosse und ihrer geringen Kosten. Nach dem Gunn-Effekt arbeitende Anordnungen bestehen im wesentlichen aus einem Halbleiterkörper, dessen aktive Länge beispielsweise in der Grössenordnung von 2x10 cm liegt. Dieser Halbleiterkörper erzeugt fortlaufende Stroms chwingung en im Mikrowellenbereich, wenn er einem elektrischen Feld ausgesetzt wird, dessen Feldstärke über einem kritischen Wert E liegt. Nach der gegenwärtig geltenden Theorie bildet sich innerhalb des Halbleiterkörpers eine Zone erhöhter elektrischer Feldstärke, wenn das auf den Halbleiterkörper wirkende elektrische Feld die kritische Feldstärke E überschreitet. Diese Zone erhöhter Feldstärke wird aufrechterhalten und pflanzt sich längs des Halbleiterkörpers fort, solange das auf den Halbleiterkörper einwirkende elektrische Feld eine sogenannte Fortpflanzungefeldstärke E_ aufweist, die unterhalb der kritischen Feldstärke liegt. Wird *n den Halbleiterkörper

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eine konstante Spannung ausreichender Höhe angelegt, so •werden also Zonen erhöhter Feldstärke erzeugt, die sich aufeinanderfolgend fortpflanzen und somit einen periodischen Strom durch den Halbleiterkörper bewirken. Es werden koheränte Schwingungen erzeugt. Für die bereits bekannten Anordnungen dieser Art werden Halbleiterkörper konstanten Querschnitts und Dotierungsprofils verwendet, so daß die Zone niedriger Feldstärke, die von der genannten Zone erhöhter Feldstärke zu unterscheiden ist, eine gleichmässige Feldstärke aufweist, die mindestens über der Fortpflanzungsfeldstärke E liegt. Der der Erfindung zugrunde liegende Gunn-Effekt ist beispielsweise beschrieben in "Theory of Negative-Conductance Amplification and of Gunn Instabilities in "Two-Valley' Semiconductors" by D. E. McCumber et al, IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-13, No. 1, January 1966.

Die Frequenz der kohärenten Schwingungen, die auf Grund der sich fortpflanzenden Zonen hoher Feldstärke erzeugt wird, wird in erster Linie von der Fortpflanzungsstrccke und der Fortpflanzungsgeschwindigkeit dieser Zone längs des Halbleiterkörpers bestimmt. Demzufolge ergibt sich die Frequenz dor kohärenten Schwingungen aus dem Ausdruck l/v, wo ν die Fortpflanzungsgeschwindigkeit und 1 die Fortpflanzungsstrecke der Zone hoher Feldstärke ist. Die Fort-

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pflanzungsgeschwindigkeit einer Zone hoher Feldstärke längs des Halbleiterkörpers ist konstant und beträgt beispielsweise

7 in η-leitendem Gallium-Arsenid etwa 10 cm pro Sekunde. Es ist verhältnismässig schwierig, kohärente Schwingungen einer bestimmten Frequenz zu erzeugen, da es nicht leicht ist, die erforderliche Länge des Halbleiterkörpers exakt zu erzielen. Zur Vermeidung dieser Schwierigkeit bei der Festlegung der Frequenz auf Grund der Länge des Halbleiterkörpers ist bereits vorgeschlagen worden, Resonanzhohlräume vorzusehen, oder beispielsweise durch zusätzliche Elektroden die Bildung der Zonen erhöhter Feldstärke längs eines Teilstückes des Halbleiterkörpers zu bewirken oder auch das Produkt aus Dotierungskonzentration und Querschnitt des Halbleiterkörpers zu verändern.

Mit diesen Methoden lassen sich jedoch nur Oszillatoren herstellen, die bei einer festgelegten Struktur lediglich in der Lage sind, eine kohärente Schwingung einer bestimmten Frequenz zu erzeugen. Ein wesentlicher Nachteil der den Gunn-Effekt ausnützenden Anordnungen liegt in der fehlenden Steuerungsmöglichkeit zur fortlaufenden und raschen Veränderung der Frequenz der kohärenten Schwingungen in ein und derselben Anordnung. Eine derartige Steuerungsmöglichkeit für die Frequenz würde diesen Anordnungen an ein weites Anwendungs

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-5-gebiet, beispielsweise als Modulatoren usw. , eröffnen.

Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Festkörperoszillator der genannten Art anzugeben, dessen Frequenz sich in einfacher Weise schnell und exakt steuern lässt.

Gemäss der Erfindung wird ein Festkörperoszillator veränderbarer Frequenz mit einer Halbleiterstrecke vorgeschlagen, bei der längs der Halbleiter strecke ein Feldstärkegefälle ausgebildet ist und bei der durch Veränderung der angelegten Spannung die eich zwischen dem Ort der höchsten Feldstärke über der kritischen Feldstärke und dem Ort der Fortpflanzungsfeldstärke erstreckende Fortpflanzung·- •trecke und damit die Of »Ülatorfrequen« veränderbar, ist,

Insbesondere wird vorgeschlagen, daß das Feldstärkegefälle durch unterschiedlich grosse Auedehnung der eich gegenüberliegenden Elektroden hervorgerufen ist.

In Weiterführung de· Erfindungegedanken· wird vorgeschlagen, daß Mm Elektroden awf derselbe» Oberfläche der aktiven Halbleiter »chi cht angeordnet sind und ihre »ich gegenöb*rsteh«iwlen Begrenzungen unter-•ehiediiche Llnge aufweisen. Hierbei kann die eine elektrode die andere Elektrode zumindest teilweise umgeben und insbesondere kann eine

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im wesentlichen kreisförmige Elektrode von einer kreisringförmigen Elektrode konzentrisch umgeben sein.

Weiterhin wird vorgeschlagen, daß das Feldstärkegefälle durch ein Dotierungsgefalle in der Halbleiterstrecke zwischen den beiden Elektroden hervorgerufen ist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele. Es zeigen :

Fig. IA und IB Draufsicht und Querschnitt einer erfindungs-

- gemäa s en Anordnung, bei der Kathode und Anode durch eine kreisförmige Elektrode bzw. eine diese umgebende kreisringförmige Elektrode gebildet werden,

Fig. - 2A und 2B den Verlauf der elislttriechen FildftÄrke inner

halb des Halbleiteririaterial· bei Betrieb im und außerhalb de«,Gleichgewichte· und

Fig, 3A und 3B Draufsicht und Quertchnitt finer y/eiteren

er£indungsgcmlM«& Anordnung.

Docke, YO 9«.6.0I7 BAD QR(G_1NAL

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Per in den Figuren IA und IB dargestellte erfindungsgemässe Mikrowellen-Oszillator besteht aus einer η-leitenden Gallium-Ars enid-Schicht 1, die. durch Epitaxie auf einem Substrat 3 aus eigenleitendem Gallium-Ars enid gebildet ist. Die Schicht 1 kann auch aus einem anderen· Halbleitermaterial bestehen, beispielsweise η-leitendem Indiumphosphid, n-leitendertl Kadmium- Telurid, n-leitendefli Indium-Ars enid oder n-lej. tended) Zink-Selenid. Die Schicht weist vielfache Leitung s bandminima auf und kann, wie im folgenden beschrieben wird, Zonen hoher Feldstärke bilden^und fortpflanzen. Auf der Oberfläche der Schicht 1 sind ohms ehe Elektroden 5 und 7 in Punkt-Ring-Anordnung angebracht. Im speziellen Beispiel besteht die Elektrode 5 aus einer Scheibe mit einem Radius r und die Elektrode 7 aus einem die Elektrode 5 konzentrisch umgebenden Kreisring mit dem Radius χ . Die Elektroden 5 und werden beispielsweise durch Aufbringen geeigneter Metalle oder durch Bildung von η —Halbleitermaterial hergestellt. Zwischen den beiden Elektroden 5 und 7 liegt eine veränderliche Spannung s quelle 9 und eine Last 11. Die Spannungsquelle 9 kann auch im Impulsbetrieb arbeiten.

Die von der Spannungsquelle 9 an die Elektroden 5 und 7 angelegte Spannung erzeugt in der Schicht 1 ein Feldstärkegefälle, wie es in Fig. 2A durch die Kurve 13 angedeutet ist. Sobald in der Schicht 1 elektrische Felder mit einer über einer kritischen Feldstärke E, liegen·«

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den Feldstärke erzeugt werden, erfolgt infolge einer Änderung der Ladungsträgerbeweglichkeit eine Neuverteilung der Feldstärke derart, daß eine Zone 15 hoher Feldstärke gebildet wird, wie es durch Kurve 17 in Fig. 2B dargestellt ist. Die Zone 15 hoher Feldstärke entsteht auf Grund eines Überganges von Ladungsträgern von einem Leitungsbandminimum niedriger Energie und hoher Beweglichkeit auf ein Leitungsbandminimum hoher Energie und niedriger Beweglichkeit. Das Vorhandensein einer Zone hoher Feldstärke verringert den Strom entlang der Schicht 1 und in der Last 11, da ein grosser Teil der angelegten Spannung an dem in der Zone hoher Feldstärke vorhandenen höheren Widerstand abfällt. Da die Zonen 15 hoher Feldstärke in der Schicht 1 zyklisch entstehen und wieder verschwinden, wird der Strom durch die Last periodisch in Form von Mikrowellenschwingungen moduliert.

Wenn beispielsweise die Spannung zwischen den Elektroden 5 und 7 von Null Volt beginnend ansteigt, so steigt der Strom längs der Schicht und in der Last 11 nach dem Ohmschen Gesetz linear an. Wie durch die Kurve 13 in Fig. 2A dargestellt, bildet sich infolge der angelegten Spannung ein Feldstärkegefälle längs der Schicht 1 aus, wobei die maximale Feldstärke am Umfang der Elektrode 5 gerade noch unterhalb der kritischen Feldstärke E liegt. Die besondere Anordnung und Aus-

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bildung der Elektroden 5 und 7 gewährleisten, daß mit steigender Spannung zwischen den Elektroden die elektrische Feldstärke in der Schicht 1 zuerst in unmittelbarer Nähe der Elektrode 5, der Kathode, die kritische Feldstärke E_ übersteigt. Die Zone 15 hoher - Feldstärke entsteht also im Bereich der Elektrode 5. Demzufolge werden Auswirkungen irgendwelcher Verunreinigungen oder BTngleichmässigkeiten in Teilen der Schicht 1 vermieden, die ausreichen könnten, eine Zone hoher Feldstärke entstehen zu lassen. Die Feldstärke fällt längs der Schicht 1 zwischen den Elektroden 5 und 7 mit l/r ab, wobei r der Entfernung von der Mitte der Elektrode 5 entspricht. Mit steigender Spannung zwischen den Elektroden 5 und 7 entstünde normalerweise in der Schicht 1 eine Feldstärkeverteilung, wie sie durch die Kurve 19 in Fig. 2B angedeutet ist. Jedoch infolge der Eigenschaften des Halbleitermaterials werden die Ladungsträger entlang der Schicht 1 in der Nähe des Randes der Elektrode 5 einem elektrischen Feld ausgesetzt, dessen Feldstärke über der kritischen Feldstärke E liegt, und werden-von einem Leitungsbandminimum hoher Beweglichkeit in ein solches geringerer Beweglichkeit übergeführt. Bei diesem Vorgang wird die effektive Masse der Ladungsträger vergrössert, so daß eine plötzliche Verminderung der Beweglichkeit eintritt. Auf diese Weise sammeln sich an der Elektrode 5 Ladungsträger unterschiedlicher Beweglichkeit an. Die Feldstärke in der Schicht Γ wird dadurch neu verteilt, so daß die Zone 15 hoher Feldstärke

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entsteht. Die Feldstärke in den übrigen Teilen der Schicht 1 wird dementsprechend vermindert, wie es durch die Kurve 17 in Fig. 2B angedeutet ist. Die Zone 15 hoher Feldstärke wird aufrechterhalten und pflanzt sich in Richtung des Ladungsträgerflusses fort, solange die vorhandene elektrische Feldstärke über der Fortpflanzungsfeldstärke E liegt. Der Verlauf der Feldstärke in der Schicht 1 zwischen S

den Radien r und r ergibt sich aus dem Ausdruck

L Ct

E (r) = V/r In (r /rj .

Die Zone 15 hoher Feldstärke pflanzt sich entlang der Schicht 1 solange sie

fort, bis/den Punkt X erreicht, in welchem die elektrische Feldstärke

unter die Fortpflanzungsfeldstärke E_ abfällt. Sobald also die Zone hoher Feldstärke den Punkt X₀ erreicht, verschwindet sie. Sofort versucht sich das durch Kurve 19 in Fig. 2B dargestellte normale Feldstärkegefälle wieder einzustellen. Damit überschreitet aber die Feldstärke am Rande der Elektrode 5 wiederum den kritischen Wert E und es wird wiederum eine Zone 15 hoher Feldstärke gebildet. Auf diese Weise entsteht in der Schicht 1 ein zeitlich veränderliches Feld, das . den in der Last 11 fliessenden Strom periodisch verändert. Es bilden sich kohärente Schwingungen im Mikrowellenbereich aus, dewen Frequenz von der Fortpflanzungsstrecke r bestimmt wird. Der Endpunkt der Fortpflanzungsstrecke ist der Punkt X_, in welchem die vorhandene Feldstärke unter die Fortpflanzungsfeldetärke E absinkt. Die geome-

trisehe Ausbildung der Elektroden Sund 7 liefert die Möglichkeit, daß

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die Frequenz der kohärenten Schwingungen durch Veränderung der an die Elektroden angelegten Spannung V kontinuierlich gesteuert werden kann, wobei der Punkt X längs der Schicht 1 zwischen

den Elektroden 5 und 7 verschoben wird. Die Entfernung zwischen den Elektroden 5 und 7 und die Grosse der angelegten Spannung V kann auch so gewählt werden, daß sich die Zone 15 hoher Feldstärke bis zur Elektrode 7 fortpflanzt, bevor sie ausgelöscht wird.

Der Wirkungsgrad der gezeigten*Anordnung lässt sich durch Verminderung der Eigenerwärmung auf ein Minimum wesentlich vergrössern, da sich der Eingangsleistungsbedarf mit dem Quadrat des Radius r der Elektrode 5 verändert, aber vom Radius r„ der Elektrode 7 relativ unabhängig ist. Wenn beispielsweise die Dicke der Schicht 1 wesentlich geringer ist als der Radius r der Elektrode 7, so ergibt sich die zum Aufbau der «τ kritischen Feldstärke E_ erforderliche Eingangsleistung aus dem Ausdruck

^PEin -ψ¹' ^ET · *1 '*■

, wo S ein Wert für den Widerstand des die Schicht 1 bildenden Halbleitermaterials ist. Es ist also zu bemerken, daß durch Verminderung des Radius r der Elektrode 5 die Eingangsleistung vermindert wird.

Es ist darauf hinzuweisen, daß die gezeigten Ergebnisse auch mit abge-Docket YO 966-017

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wandelten Anordnungen erzielt werden, wesentlich ist nur, daß ein der Kurve 13 in Fig. 2A entsprechendes Feldstärkegefälle in der aktiven Schicht ausgebildet werden kann. Wie beispielsweise in Fig. 3A dargestellt, kann die Elektrode 5 aus einer Kreisfläche und die Elektrode 7 aus einem Segment eines Kreisringes bestehen. Weiterhin wird in der Anordnung gemäss Fig. 3B ein Feldstärkegefälle dadurch erzielt, daß die Schicht 1' von unten nach oben abnehmend dotiert ist und auf der oberen Fläche einer Elektrode 5' und auf der unteren Fläche eine El/elktrode 7' aufgebracht wird. Beispielsweise kann eine η-dotierte Gallium - Ar senid- Schicht 1' epitaxial auf einem n+-dotierter» Gallium-Ar senid-Substrat 7' aufgebracht werden, wobei die Dotierungskonzentration während des Aufwachsprozesses stetig vermindert wird. Anschliessend wird auf der Schicht 1' eine metallische Schicht als Elektrode 5* aufgebracht. Auch die Anordnungen gemäss Fig. 3A und 3B gewährleisten, daß die elektrische Feldstärke in der Nähe der Elektroden 5 bzw. 5' am grössten ist_ä so daß eine Steuerung der Frequenz der kohärenten Schwingungen dadurch ermöglicht wird, daß die zwischen den Elektroden liegende Spannung verändex't wird und sich der Punkt X entlang des dazwischenliegenden Teiles der

aktiven Schicht verschiebt.

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Claims (6)

patentansprUche

1. Festkörperoszillator veränderbarer Frequenz mit einer Halbleiterstrecke, längs der infolge einer an ihre Elektroden angelegten Spannung ein elektrisches Feld aufgebaut ist, wobei sich eine Zone erhöhter Feldstärke ausbildet und in Feldrichtung fortpflanzt, wenn die Feldstärke des angelegten Feldes, grosser als eine kritische Feldstärke ist und sich eine bereits gebildete Zone auch fortpflanzt, wenn die Feldstärke des angelegten Feldes kleiner als die kritische Feldstärke aber grosser als eine Fortpflanzungsfeldstärke ist (Gunn-Effekt) , dadurch gekennzeichnet, daß längs der Halbleiter strecke ein Feldstärkegefälle ausgebildet ist und daß durch Veränderung der angelegten Spannung die sich zwischen dem Ort der höchsten Feldstärke über der kritischen Feldstärke (E ) und dem Ort.(X ) der Fortpflan-

-L O

zungsfeldstärke (E ) erstreckende For tpflanzungs strecke (1) und

damit die Oszillatorfrequenz veränderbar ist.

2. Festkörperoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Feldstärkegefälle durch unterschiedlich grosse Ausdehnung der sich gegenüberliegenden Elektroden hervorgerufen ist.

3. Festkörperoszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

ti

daß die Elektroden auf derselben Oberfläche der aktiven Halbleiter η,ν«,·- /ο if- ■? BAD ORIGINAL

schicht angeordnet sind und ihre sich gegenüberstehenden
Begrenzungen unterschiedliche Länge aufweisen.

4. Festkörperoszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Elektrode die andere Elektrode zumindest teilweise umgibt. '

5. Festkörperoszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen kreisförmige Elektrode von einer kreisringförmigen Elektrode konzentrisch umgeben ist.

6. Festkörperoszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Feldstärkegefälle durch ein Dotierungsgefälle in der
Halbleiterstrecke zwischen den beiden Elektroden hervorgerufen ist.

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ORJGfNAL INSPECTED

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