DE1591823C - Anordnung zur Schwingungserzeugung mit Hilfe eines Volumeneffekt Halbleiters - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Schwingungserzeugung mit Hilfe eines Volumeneffekt-Halbleiters, der mit einer Kathodenelektrode und einer Anodenelektrode kontaktiert ist, über die das Halbleiterbauelement mit Hilfe einer äußeren, eine angeschlossene Belastung enthaltenden Schaltung in einem Ausmaß vorgespannt wird, das zur Erzeugung von zwischen Kathode und Anode wandernden Hochfeldbezirken ausreichend ist, und der mit zumindest einem, längs eines Teiles des Halbleiterbauelements verlaufenden Parallelweg aus einem Widerstandsmaterial versehen ist.

Mit »Volumeneffekt-Halbleitereinrichtung«, häufig auch »Gunn-Effekt-Halbleitereinrichtung« genannt, wird eine Einrichtung bezeichnet, bei der als aktives Element eine Scheibe aus einer Volumeneffekt-Halbleiterverbindung benutzt wird, in der ein Übergang energiereicher Elektronen zwischen energetisch getrennten Leitungsbandtälern, in denen unterschiedliche Elektronenbeweglichkeiten vorhanden sind, elektrische Instabilitäten erzeugt. Die grundlegende Theorie derartiger Einrichtungen ist im einzelnen in einer Reihe von Aufsätzen in »I.E.E.E. Transactions on Electron Devices«, Bd. ED-13 (1966), Nr. 1 (Januar), insbesondere S. 4 ff., dargelegt.

Insbesondere ist es bekannt, daß, wenn die Spannung, die an einen geeigneten Halbleiter, wie n-leitendes Galliumarsenid, angelegt ist, erhöht wird, der mittlere Halbleiterstrom fast linear bis zu einem Maximalwert zunimmt und dann plötzlich auf etwa 60 bis 90% des Maximalwerts abfällt und dann diesen herabgesetzten Wert bei weiterer Erhöhung der Spannung fast konstant beibehält. Ferner wurde festgestellt, daß in diesem Bereich des herabgesetzten Wertes die momentane Stromsignalform periodisch mit einer Frequenz schwingt, die zu der Länge des Halbleiters in Beziehung steht.

Es gilt nun allgemein als gesichert, daß der Schwingungszustand mit der Erzeugung und Wanderung eines Bezirkes hoher elektrischer Feldstärke (Hochfeldbezirk) von der negativen Elektrode (Kathode) zur positiven Elektrode (Anode) verknüpft ist. Wenn der Hochfeldbezirk an der Anode ankommt, verschwindet er dort und löst einen Impuls aus. Nach dem Verschwinden entsteht an der Kathode ein weiterer Hochfeldbezirk, der wieder zur Anode wandert und einen Impuls erzeugt. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, wie die angelegte Spannung auf geeigneter Höhe gehalten wird. Die Schwingfrequenz ist durch die Laufzeit des zwischen der Kathode und der Anode wandernden Hochfeldbezirks bestimmt. Dieser Hochfeldbezirk kann als von der Kathode zur Anode wandernde Schicht angesehen werden, die einen beträchtlich höheren spezifischen Widerstand als das restliche Halbleitervolumen aufweist, wodurch der Stromdurchgang zwischen Kathode und Anode so lange behindert wird, wie diese Schicht vorhanden ist, also während dieser Zeit der Strom zwischen der Kathode und der Anode herabgesetzt ist.

Es ist auch bekannt, am Halbleiterkörper zwischen Anode und Kathode eine Steuerelektrode isoliert anzubringen, wie dies bei den »MOS«-Transistoren üblich ist. Die praktisch leistungslose Steuerung erfolgt durch eine zwischen Steuerelektrode und Kathode liegende Spannung, die je nach Polarität den Slromkanal im Halbleiterkörper zwischen Kathode und Anode reduziert oder erweitert. Die entsprechende Widerstandsänderung des Halbleiterkörpers ruft eine Spannungsänderung an ihm hervor, wenn die' Vorspannungsquelle keinen vernachlässigbar kleinen Innenwiderstand aufweist. Durch Änderung-der Steuerspannung können daher die Hochfeldbezirke, und damit die von diesen aus-. gelösten Impulse," je nach- Wunsch erzeugt oder unterdrückt werden.- ■

Weiter ist bekannt, statt einer isolierten Elektrode

ίο eine mit dem Halbleiterkörper leitend verbundene Elektrode zwischen Kathode und Anode vorzusehen, um hierüber Hochfeldbezirke gesteuert auslösen zu können.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, die Anordnung so zu treffen, daß neben den »normalen« Impulsen, die durch die Hochfeldbezirke bei deren Verschwinden an der Anode entstehen, noch zusätzliche Impulse oder anderweitige, kompliziertere Signalformen in .gesteuerter Weise erzeugt werden können, die in der Lücke zwischen zwei aufeinanderfolgenden solcher normaler Impulse auftreten, um damit beispielsweise logische Funktionen ausführen zu können.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht für die Anordnung der einleitend beschriebenen Art darin, daß der Widerstand des Parallelweges zur_; Beeinflussung der Wellenform des abgegebenen Signals so bemessen ist, daß er höher als der Widerstand des überbrückten Halbleiterteils bei Abwesenheit eines Hochfeldbezirks, aber niedriger als der Widerstand dieses Halbleiterteils bei Vorhandensein eines Hochfeldbezirks ist.

So kann nämlich, während der Hochfeldbezirk durch den solcherart überbrückten Halbleiterbereich wandert, über den Parallelweg ein zusätzlicher Strom zwischen der Kathode und der Anode fließen; und dieser zusätzliche Strom kann dann zur Erzeugung von Impulsen, die zusätzlich zu den normalerweise auftretenden Impulsen auftreten, in einem äußeren Kreis dienen. Durch Steuern des Parallelweges kann die Erzeugung dieser zusätzlichen Impulse gesteuert werden. Durch Verwendung einer Vielzahl von steuerbaren Parallelwegen können, wie noch im einzelnen erläutert wird, die verschiedensten Effekte erzielt werden.

Nachfolgend ist die Erfindung an Hand in der Zeichnung dargestellter. Ausführungsbeispiele beschrieben; es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel zur selektiven Einfügung eines zusätzlichen Impulses zwischen aufeinanderfolgende normale Impulse eines Volumeneffekt-Halbleiterimpuls-Generators,

Fig. 2 den Strom, der bei der Anordnung der Fig. 1 in der Last fließt,

Fig.3 ein Ausführungsbeispiel, das in der Lage ist, zeitlich zusammenfallende Impulse auf einer Vielzahl von Leitungen in eine Impulsreihe auf einer einzigen Leitung zu übersetzen,

F i g. 4 ein Ausführungsbeispiel zum Erhalt einer komplizierten Stromsignalform,

Fig.5 die Signalform, die durch die Anordnung der Fig.·4 erzeugt wird, und

Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel, das in der Lage ist, arithmetische und logische Operationen durch-.65 zuführen.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung ist ein η-leitender GalHumarsenidkristall 1 mit einer Kathode 2 und einer Anode 3 versehen, zwischen die

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eine Gleichspannungsquelle 4 und eine Last 5 ge- auf einen Wert herabzusetzen, der unter dem zur

schaltet sind. Die Größe der Quelle 4 reicht aus, um Aufrechterhaltung des wandernden Hochfeldbezirks

zwischen der Kathode und der Anode einen Hoch- erforderlichen Wert liegt.

feldbezirk, der durch die gestrichelten Linien 6 dar- Offensichtlich kann eine Vielzahl von Schichten

gestellt ist, zu erzeugen und wandern zu lassen. 5 mit hohem spezifischem Widerstand nebst zu-

Typischerweise kann der Kristall 1 mm lang, 0,5 mm gehöriger Elektroden entlang des Kristalls zwischen

breit und 0,25 mm dick sein, ferner einen spezifischen der Kathode und der Anode in Abständen vor-

Widerstand von 3 Ohm/cm aufweisen entsprechend gesehen werden, um eine Vielzahl von zusätzlichen

einer Dotierung von 4 · 10^u Donatoren je Kubik- Impulsen in den entstehenden Impulszug einzufügen,

Zentimeter. In dieser Beziehung ist der Oszillator von io wobei jeder dieser zusätzlichen Impulse selektiv

bekannter Form. durch Erden der entsprechenden Elektrode beseitigt

Ferner ist an einem Teil des Kristalls zwischen werden kann.

seinen beiden Enden eine Schicht 16 aus einem Ma- Fig. 3 zeigt eine Anordnung zur Umwandlung terial mit verhältnismäßig hohem spezifischem einer Information in Form von gleichzeitigen Im-Widerstand, z. B. eine dünne Oxydschicht, an- 15 pulsen auf einer Vielzahl von Parallelleitungen in gebracht. Auf dieser Schicht liegt eine Elektrode 17, eine Impulsreihe auf einer einzigen Leitung. Grunddie 0,25 mm lang und 0,5 mm breit ist und die über sätzlich besteht sie aus der Anordnung der Fig. 1, einen Schalter 18, der offen dargestellt ist," mit der die so abgeändert ist, daß sie drei Parallelwege mit negativen Klemme der Quelle 4 verbunden ist. Der ' hohem spezifischem Widerstand enthält, die jeweils Schalter 18 ist normalerweise ein elektronischer 20 getrennt durch eine der Vielzahl von parallelen Lei-Schalter, der durch Steuersignale schnell. geöffnet tungen gesteuert werden. Im einzelnen ist die und geschlossen werden kann. Bei geöffnetem Schal- Scheibe 1 mit der Kathode 2 und der Anode 3 verter 18 ist die Schicht 16 dahingehend ausgelegt, daß sehen, zwischen die die Gleichspannungsquelle 4 und bei Vorhandensein eines wandernden Hochfeld- die Belastung S geschaltet sind. Ferner sind entlang bezirks6 in dem Teil des Kristalls, auf dem die 25 der Scheibe in Abständen die Schichten 36^4, 365 Schicht liegt, der Widerstand der Schicht so viel und 36C.sowie die zugehörigen Elektroden 37^4, geringer ist als der Widerstand des' beschichteten 375 und 37C angebracht. Zu jeder Elektrode ge-Halbleiterteils, daß ein wesentlicher Strom durch die hört ein getrennter Schalter 38 A, 385 und 38 C, mit Schicht zu fließen sucht und das von dem wandern- dessen Hilfe die Elektrode geerdet werden kann. Die den Hochfeldbezirk eingenommene Gebiet hohen 30 parallelen Leitungen, auf denen sich die umzusetzenspezifischen Widerstands überbrückt wird. Wenn den Impulse befinden, werden zur Steuerung der zusich unter diesen Umständen der wandernde Hoch- gehörigen Schalter benutzt, wobei das Vorhandenfeldbezirk an der Schicht 16 vorbeibewegt, wird ein sein eines Impulses auf dieser Leitung dazu dient, zusätzlicher Strom zwischen der Kathode und der den entsprechenden Schalter zu öffnen. Wenn zu Anode durch die Belastung 5 fließen. 35 einer gegebenen Zeit auf jeder der drei Leitungen

In Fig. 2 ist abhängig von der Zeit die Amplitude ein Impuls vorhanden ist, was durch ein öffnen aller des durch die Belastung 5 fließenden Stroms dar- drei Schalter verursacht wird, enthält der Strom in gestellt. Die Impulse 21A und 21 δ entsprechen den der Belastung 5 drei Spitzen zwischen den Impulsen, Stromimpulsen, die normalerweise für einen Oszil- die normalerweise zu der Halbleitereinrichtung gelator mit einem Volumeneffekt-Halbleiterbauelement 4° hören. Wenn z. B. auf der mittleren Leitung kein gekennzeichnet sind und auftreten, wenn die auf- Impuls vorhanden ist, was durch das Schließen des einanderfolgend durchwandernden Hochfeldbezirke Schalters 385 verursacht wird, verschwindet die mittan der Anode ausgelöscht werden. Der Impuls 22 ist lere der drei Spitzen. Demgemäß kann durch Verder zusätzliche Stromimpuls, der entsteht, wenn der größern der Anzahl der Schichten mit hohem speziwandernde Hochfeldbezirk an der Schicht 16 vorbei- 45 fischem Widerstand und der zugehörigen Steuerbewegt, wird, schaltung die Anzahl der Impulse entsprechend er-

Bei geschlossenem Schalter 18 tritt jedoch kein höht werden, die von der Parallelform in die Serienmerkbarer Effekt für den Strom in der Belastung 5 form umgewandelt werden.

auf, wenn der wandernde Hochfeldbezirk an der Fig. 4 zeigt die Grundelemente einer Anordnung, Schicht 16 vorbeigeht, weil der erhöhte Strom durch 50 zum Erhalt komplexer Signalformen. Sie weist einen den Kreis zur Erde fließt, der die Belastung über- leitenden Galliumarsenidkristall 1 auf, der mit der brückt. Infolgedessen ermöglicht das öffnen des Kathode 2 und der Anode 3 versehen ist, zwischen Schalters 18 die selektive Einfügung eines zusatz- die die Gleichspannungsquelle 4 und die Belastung 5 liehen Impulses 22 in den durch die Belastung 5 geschaltet sind. Ferner sind entlang der einen Oberfließenden Strom. 55 fläche des Kristalls in Abständen nacheinander die.

Es ist wichtig, daß der Widerstand des Parallel- Schichten 46^4, 465, 46C und 46D mit hohem weges so hoch ist, daß der Strom im Weg nicht aus- spezifischem Widerstand angebracht, zu denen die reicht, den wandernden Hochfeldbezirk auszulöschen. Elektroden 47^4, 475, 47 C und 47 D gehören. Die Bei diesem Ausführungsbeispiel kann dieses dadurch Elektroden 47^4 und 47 D sind kurzgeschlossen, sichergestellt werden, daß der Widerstand der Schicht 60 ebenso die Elektroden 47 B und 47 C. Die zeitliche 16 hoch ist gegenüber dem Widerstand des von der Form des sich ergebenden Stroms in der Belastung 5 Schicht überbrückten Halbleiterteils, wie dieser bei ist in Fig. 5 dargestellt. Solange bei dieser An-Nichtvorhandensein eines Hochfeldbezirks in diesem Ordnung ein wandernder Hochfeldbezirk zwischen Teil gegeben ist. Der wandernde Hochfeldbezirk den Schichten 46^4 und 46 D liegt, entsteht ein Parkann dadurch ausgelöscht werden, daß eine nieder- 65 allelweg durch die Schicht 46^4, die Elektrode 47 A, ohmige Verbindung zu dem Halbleiterkörper, die die Elektrode 47D und. die Schicht 46 D. Solange zwischen der Anode und der Kathode liegt, ge- ferner sich der wandernde Hochfeldbezirk zwischen schaffen wird, um die elektrische Feldstärke örtlich den Elektroden 46 ß und 46 C befindet, entsteht ein

weiterer Parällelweg durch die Schicht 465, die Elektrode 47JS, die Elektrode 47 C und die Schicht 46 C. Dementsprechend hat der Parallelstrom, der in der Belastung fließt, einen Spitzenwert, wenn sich der Hochfeldbezirk zwischen den Schichten 462? und 46 C befindet, und "einen mittleren Wert, wenn sich der Hochfeldbezirk zwischen den Schichten 46 A und 46 B, oder zwischen den Schichten 46 C und 46 D befindet. Durch Einfügen weiterer Schichten, durch Einstellen des Widerstands in den zugehörigen Parallelwegen und durch geeignete Verbindung der Elektroden können die verschiedensten Signalformen erzielt werden.

Offensichtlich ist es bei dieser Ausführung leicht, die Schicht mit hohem Widerstand wegzulassen, und die Elektroden 47 A, 47B, 47 C und 47D direkt an der Scheibe vorzusehen, da der Parallelweg im wesentlichen außerhalb liegt und nicht durch die Widerstandsschicht geschaffen wird. Jedoch wird es in einem solchen Fall wichtig sicherzustellen, daß der effektive Widerstand des gesamten Parallelwegs so hoch wird, daß der Strom im Parallelweg nicht ausreicht, den wandernden Hochfeldbezirk zu vernichten. '

Ferner ist es offensichtlich, daß dieses Verfahren die Verwendung von zwei voneinander entfernten Elektroden erlaubt, die mit Hilfe eines äußeren ■Kreises miteinander verbunden sind, um die Ergebnisse der Schaltung der Fig. 1-dadurch zu erreichen, daß ein Schalter in diesem äußeren-Kreis vorgesehen wird, der selektiv durch Steuersignale geschlossen wird, wenn der Parallelweg eingeschaltet werden soll, um einen zusätzlichen Strom in der Belastung zu erreichen. - ·

Das Grundkonzept kann ferner auf die Verwendung in verschiedenen logischen Schaltungen ausgedehnt werden. Die Summierungs- oder »UND«- Schaltung der Fig. 6 enthält die Scheibe 1, an deren gegenüberliegenden Enden die Kathode 2 und die Anode 3 vorgesehen sind, zwischen die die Gleichstromquelle 4 und die Belastung 5 geschaltet sind. Entlang der Scheibe sind, nebeneinander die Anschlußteile 56A und S6B bzw. 57 A und 572? vorgesehen, die jeweils von der vorher beschriebenen Art sind, um Parallelwege zu schaffen, wenn der wandernde Hochfeldbezirk an ihnen vorbeigeht. Die Teile57A und 572?.sind über die Schalter 58A und 582? mit Erde verbunden, die jeweils getrennt gesteuert werden. Offensichtlich ist die Größe des durch die Belastung 5 fließenden Stroms, wenn der wandernde Hochfeldbezirk an den Anschlußteilen 56A und 562? vorbeigeht, durch den Zustand der Schalter SSA und 592? bestimmt, wobei er ein Maximum ist, wenn beide Schalter offen sind, ein Minimum, wenn beide geschlossen sind, oder ein Zwischenwert, wenn nur einer geöffnet ist. Ferner ist offensichtlich, daß der Betrag des Stroms, der durch ein Anschlußteil fließt, durch den effektiven Widerstand des Parallelwegs gesteuert werden kann. Durch geeignete Einstellung dieses Widerstands kann leicht erreicht werden, daß der Strom, wenn nur ein Schalter geöffnet ist, im wesentlichen die Hälfte des Stroms beträgt, der fließt, wenn beide Schalter offen sind. Andererseits ist es leicht, den Widerstand jedes Weges so einzustellen, daß, wenn einer der beiden Schalter offen ist, der Strom dicht bei dem Wert liegt, der fließt, wenn beide Schalter offen sind. Im letzteren Fall ist die Schaltung zur Verwendung als »ODER«-Schaltung geeignet. Ebenso ist es leicht, drei oder mehr nebeheinanderliegeride Anschlußteile zur Erzielung ähnlicher Ergebnisse zu vcr-■ wenden.'

-5 Die verschiedenen beschriebenen Anordnungen können leicht an eine optische Steuerung angepaßt werden. Insbesondere kann die Widerstandsschicht, die bei derartigen Anordnungen zu dem Parallelweg gehört, aus einem Fotoleiter hergestellt werden,

ίο dessen Dunkelwiderstand so hoch ist, daß eine vernachlässigbare Überbrückung entsteht, wobei bei Beleuchtung der Widerstand so weit herabgesetzt wird, daß eine effektive Überbrückung entsteht und ein wesentlicher Strom durch die Belastung fließt, wenn der wandernde Bezirk vorbeibewegt wird.

In analoger Weise können für die Schichten mit hohem spezifischem Widerstand Schichten aus im wesentlichen eigenleitendem Halbleitermaterial verwendet werden, deren Widerstand selektiv zur cffektiven Überbrückung durch Ladungsträgerinjektion unter dem Einfluß einer Signalinformation herabgesetzt werden kann.

• In gleicher Weise kann durch Verwendung von ' Schichten, deren spezifischer Widerstand nichtlincar ist, eine zusätzliche Steuerung der Formen der hinzu-• gefügten Impulse vorgesehen werden. _}

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Schwingungserzeugung mit Hilfe eines Volumeneffekt-Halbleiters, der mit einer Kathodenelektrode und einer Anoden-. elektrode kontaktiert ist, über die das Halbleiterbauelement mit Hilfe einer äußeren, eine angeschlossene Belastung enthaltenden Schaltung in einem Ausmaß vorgespannt wird, das zur Erzeugung von zwischen Kathode und Anode wandernden Hochfeldbezirken ausreichend ist, und . der mit zumindest einem, längs eines Teils des Halbleiterbauelements verlaufenden Parallelweg • aus einem Widerstandsmaterial versehen ist, d a durch gekennzeichnet, daß der Widerstand des Parallelwegs (16, 2>6A bis 36 C, 46A bis 46 D, 56 A bis 562?) zur Beeinflussung der Wellenform des abgegebenen Signals (F i g. 2, 5) so bemessen ist, daß er höher als der Widerstand des überbrückten Halbleiterteils bei Abwesenheit eines Hochfeldbezirks (6), aber niedriger als der Widerstand dieses Halbleiterteils bei Vorhandensein eines Hochfeldbezirks ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Parallelweg (16, 17; 36, 37; 46, 47; 56, 57) außerhalb des Halbleiters verläuft.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schalteinrichtung (18, 38,

58) zum Ableiten des Stroms in den Parallelweg unter der Steuerung einer Signalinformation vorgesehen ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein einer Viel-" zahl von Parallelwegen längs des Halbleiters und einer Vielzahl von Schalteinrichtungen (38, 58) die Steuerung der verschiedenen Schalteinrichtungen gesondert erfolgt.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein einer Vielzahl von Parallelwegen die überbrückten Teile des Halbleiters von unterschiedlicher Länge (47A, AlD; 47B, 47C) sind.

6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorhandensein einer Vielzahl von Paralleiwegen die überbriickbaren Teile

(57.4, 57 B) des Halbleiters von gleicher Länge sind und parallel nebeneinanderliegen.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des Parallelweges nichtlinear ist.

8. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial lichtempfindlich ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen