DE1764405A1

DE1764405A1 - Lawinen-Diode

Info

Publication number: DE1764405A1
Application number: DE19681764405
Authority: DE
Inventors: Haitz Roland Hermann
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 1967-06-15
Filing date: 1968-05-31
Publication date: 1971-07-08
Also published as: NL6808437A; FR1569264A

Description

Die Erfindung betrifft eine Lawinen-Diode mit einem relativ loicht dotierten Schutzring, der sich von der Oberfläche des Trägers aus in diesen hinein erstreckt und einen kleinen Durchmesser aufweist und mit einem relativ stark dotierten Bereich, der sich innerhalb des üchutzringes in den Träger erstreckt, wobei der Träger vom einen Leitfähigkeitstyp und der Schutzring sowie der stark dotierte Bereich vom anderen Leitfähigkeitstyp ist.

Beim herkömmlichen Aufbau einer Lavfinen-Diode iat der Durchmenaor der Diode verhältnismäßig groß und liegt in der Größenordnung zwiochen 500 bia 1000yu, um die Übergangsimpedanz der

Fs/Ja

109028/1582

Diode

Diode zu erniedrigen. Der theoretische l/ert der kleinsten Impedanz wird jedoch bei Dioden mit verhältnismäßig großem Durchmesser nicht erreicht, da der Durchschlag am Übergang beim Anlegen einer öperrvorspannung uneinheitlich ist.

Wenn mit dem Vergrößern der Operrvorspannung ein uneinheitlicher Durchschlag erfolgt, durchsetzt der ütrom infolge eines Durchschlags in nur kleinen Teilen des Übergangs diesen in kleinen örtlichen Bereichen. An Stelle eines Durchschlags am übergang zum selben Augenblick, wodurch die theoretische kleinste Impedanz erzielt werden würde, erfolgt der Durchschlag nur allmählich, wodurch die effektive Impedanz nur der Impedanz der parallelliegenden örtlichen Bereiche entspricht, die jedoch infolge der kleinen betroffenen Übergangsbereiche verhältnismäßig groß ist. Mit dem sich schrittweise ausdehnenden Durohschlagsbereich wird ein zusätzlicher Geräuschanteil erzeugt, so daß Lawinendioden mit verhältnismäßig großem Durchmesser ein verhältnismäßig hohes Geräusch aufweisen·

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lawinendiode zu schaffen, bei der bei niedrigem otrom das Geräusch geringer ala bei bekannten Lawinendloden ist und bei der zur Erzielung

'.::-·■. . -."''■■■ ί ■'■■■-■·'·'■ ■"■'■.■ ■' '-['■' ' ■ - ■■ -■ ':' einer niedrigen Impedanz nicht der Diodendurchmesser vergrößert wird· Die Lawinendiode soll ferner als Rauschgenerator mit niedriger Leistung verwendet werden können.

BAD OWQINAL Ausgehend

IpMlI/Uli ■

/.umgehend von der eingangs erwähnten .Lawinen-Diode wird diese .i-jticyua im wesentlichen dadurch gelöst, da^!; sich der Schutzring parallel zur '.'.'rägeroberfläche zwischen dem stark dotierte B-reich und dem [Trägermaterial so -eit nach innen erstreckt, dp- nur eine verhältnismäßig kleine Zone des Trägermaterials im lnnoren,vorzugsweise im Zentrum des ■ "chutzringes, angeordnet i.- .

Bei ein^r nach den Merkmalen der Erfindung ausgeführten Lav.'inen-Diode wird der übliche Durchmesser von ungefähr 500 bis 10Ov)/u auf eine Größe von ungefähr c_5 bis 250/U verringert. Im Gegensatz zu der normalerweise zu erwartenden Vergrößerung der übergangsimpedans infolge einer Verkleinerung der Übergangszone nimmt die Impedanz einer Diode mit einem kleinen ochutzriiigdurchmesser in überraschender V/eise bis zu einem Wert ab, ler νί'Λΐ niedriger als bei Dioden mit großem Durchmesser ist. Bei sorgfältiger Fabrikation kann bei einer Lawinen-Diode mit einem Durchmesser zwischen ungefähr 25 bis 250/U ein im wesentlichen über den gesamten Bereich gleichförmiger Übergang geschaffen werden. Wenn daher bei einer derartigen Diode die LrTiinen-Durchschiagsspannung erreicht ist, erfolgt die Lawinen-Entladung im gesamten Übergangsbereich.

!■Aue beispielsweise Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt; es zeigen:

BAD

109828/158?

Fig.1 eine teilweise geschnittene iaometrische Ansicht einer herkömmlichen Lawinen-Diode mit einem großen Schutzringdurchmesser;

Fig.2 eine teilweise geschnittene isometrische Ansicht einer Lawinen-Diode gemäß der Erfindung mit einem relativ kleinen ochutzringdurchmesser;

Fig.3 eine graphische Darstellung der spektralen Geräuschspannungsdichte für einen offenen Schaltkreis über dem Strom durch den Übergang für eine Vielzahl von Dioden mit kleinem Durchmesser;

Fig.4 eine graphische Darstellung der spektralen Geräuschleistungsdichte über dem Strom durch den übergang für eine Vielzahl von Dioden mit kleinem Durchmesser;

Fig.5 eine graphische Darstellung einer Reihe von Serienwiderst&nden über dem Durchmesser des Übergangs für eine Vielzahl von Dioden mit kleinem Durchmesser;

Fig.6 einen Vergleich in graphischer Darstellung der JEDEC-Norm (Joint Electron Device Engineering Council) für die oerienwiderstände über der Sperrvorspnnmmg für eine Anzahl herkömmlicher Dioden mit gro'em Durchmesser gegen über einer Diode gemäß der Erfindung mit kleinem Durchmesser;

■:::■■.> ' Fig.7

Fig.7 eine graphische Darstellung der spektralen

Geräuschspannungsdichte über dem Strom durch den Übergang für eine herkömmliche Lawinen-Diode mit groi3em Durchmesser und einer Lawinen Diode gemäij der Erfindung mit kleinem Durchmesser;

i'ig.S eine graphische Darstellung der spektralen Geräuschspannungsdichte für einen offenen »Schaltkreis über der Frequenz für eine typische Diode mit kleinem Durchmesser gemäß der Erfindung.

In 5¹Ig. 1 ist eine Lawinen-Diode mit einem herkömmlichen Schutzring dargestellt. In einem Träger 2 mit F Leitung ist ein verhältnismäl ig großer Bereich 1 mit N+ Leitung vorgesehen. Beim Anlegen einer zunehmenden Jperrvorspannung erfolgt ein Durchschlag zuerst am N+P Übergang 5 an der Ütelle, an welcher der Übergang 5 normalerweise die Oberfläche des Trägers 2 durchsetzen würde. Um diesen Durchschlag zu verhindern, wird ein ochutzring 3 mit N- Leitung um den Boreich 1 mit N+ Leitung herum vorgesehen. Über den Metallkonfcakt 4 erfolgt eine ohmirjche Verbindung mit dem Bereich 1 mit M+ Leitung, wogegen übf-;r einen weiteren nicht dargestellten Metallkontakt eine ohmirjcho Verbindung mit dem Träger 2 mit P Leitung erfolgt. Kino typische Lawinen-Diode mit niedriger Impedanz besitzt einen N+P Übergang 5 von ungefähr 500 bis 1000/U Durchmesser D,

BAD OWGiNAL

der 109028/1502

der am inneren Umfangsbereich des Schutzringes mit N- Leitung gemessen wird. Eine isolierende Oxydschicht 6 auf der Oberfläche des Trägers dient zu deren Schutz. Die Lawinen-Diode gemäß Fig.1 wird in der üblichen Weise hergestellt, mit der eine verhältnismäßig niedrige Impedanz durch einen so groß als möglich ausgeführten N+P übergang 5 angestrebt wird. Die Impedanz dieses relativ großen N+P Übergangs erreicht jedoch nie den niedrigen theoretischen Wert für den speziellen Diodendurchmesser. Wie bereits angedeutet, ist dieser gegenüber dem theoretischen Wert größere Impedanzv/ert eine Folge der örtlich veränderten Lawinen-Durchbruchspannung an dem N+P Übergang.

Diese örtlichen Unterschiede der Lawinen-Durchbruchspannung sind höchstwahrscheinlich eine Folge der statistischen uchwankung der Störstellenverteilung. Diese Vermutung wurde von W. Shockley in seinem Aufsatz "Probleme Related to P-N Junctions" in der Zeitschrift Solid State Electronics 2, Jahrgang 35 (1961) aufgestellt. Sie kann auch von dem graduellen Unterschied der Störstellendichte im Durchbruchsbereich herrühren, wie dies von A. Ooetzberger, B. McDonald, R.H. Haitz und B.M. Scarlett in ihrem Aufsatz "Avalanche Effects in Silicon PrN Junctions II. Structurally Perfect Junctions" , Journal of Appl. Phya. Jahrgang 3* (1963), Seite 1591 vermutet iird. Die Dioden mit herkömmlich großem Durchmesser besitzen ein sehr hohes Geräusch auf Grund der Änderung der Lawinen-Durchbruchsspannungea in verschiedenen Teilen dee Übergangs· Hit jeder

_4ΛΛ.; Erweiterung 109828/158* *

BAD ORIGINAL

Erweiterung des Durchbruchbereichs wird weiteres Geräusch. erzeugt. Deshalb wird mit einer zunehmenden an die Lawinen-Diode angelegten öperrvorspannung an Stelle eines einmaligen Durchschlags durch den gesamten N+P Übergang, wodurch eine sehr cteile 8trom-üpannungskurve erzielt wird, der N+P Übergang 5 bei verschiedenen Spannungen durchschlagen.

Eine Lavrinen-Diode mit Schutzring gemäß der Erfindung ist in J?ig.2 dargestellt. Obwohl auch P+N übergänge für Lawinen-Dioden mit kleinem Durchmesser verwendet v/erden können, wurde ein Aufbau mit einem N+P Übergang vorgezogen, da ein gleichmäßiger Durchbruch sehr viel leichter durch eine Phosphordiffusion in ein Bor-dotiertes Material mit P- Leitung als durch eine Bordiffusion in ein Phosphor-dotiertes Material mit N- Leitung erzielt werden kann. Der Grund für diesen Unterschied ist höchstwahrscheinlich in den Kristallversetzungen zu suchen, welche durch'eine hohe Bordotierung in eine Schicht mit P+ Leitung verursacht wird.

Eine großflächige Gehutzringzone 8 mit N Leitung wird in einem Träger 11 mit F Leitung angebracht» Der innere Durchmesser der Bchutzringzone 8 ist klein und bestimmt, wie bei den herkömmlichen Dioden gemäß Pig.1,den Durchmesser D der Diode. Der Bereich 10 mit N+ Leitung wird innerhalb der Schutzringsone 8 vorgesehen.

Gegenüber

109828/1S82 _BAD

Gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig.1 wird der Durchmesser D des N+P Übergangs 7 auf ungefähr einen Wert von 25 bis 250 /u. verkleinert, wodurch die unerwartete Verminderung des Geräusches und der Impedanz erzielt wird. Durch die öchutzringzone 8 mit N- Leitung v/ird erreicht, daß der N+P Übergang 7 die Oberfläche des Trägers 11 nicht durchsetzt. Hierfür ist derselbe Grund maßgebend der auch für die Ausführungsform gemäß Pig.1 gilt. Ein Metallkontakt 9 stellt die ohmische Verbindung mit dem Bereich 10 mit N+ Leitung dar, während ein an-

s a

derer nicht dargestellter Metallkontakt als ohmische Verbindung zu dem Träger 11 mit F Leitung wirksam ist. Die Oberfläche der Diode wird von einer isolierenden Schicht 12 aus z.B. einem Oxyd geschützt.

Um zu zeigen, wie nahe die Parameter der Lawinendiode mit kleinem Durchmesser bei dem niedrigen theoretisch möglichen Geräusch und der geringen theoretisch möglichen Impedanz liegen, wurde eine Diode mit kleinem Durchmesser hergestellt und deren Parameter mit den mathematischen Werten einer Modelldiode verglichen. Die spektrale Geräuschspannungsdichte für einen offenen Schaltkreis u wird für Frequenzen (o

Af
kleiner als die Lawinen-Frequenz to aus folgender Formel ge-

β.

funden:

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2 T_tr ² V_b ² ₂ V_b ²

2m^c "rl²" ι ι

.A.

s/obei

co² = 2mv_dI/kgAV_b ist. (2)

Die Gleichung (1) ergibt sich durch eine Modifikation der Hines-Geräuschtheorie für Dioden mit einem N+P übergang. (üiehe H.E. Hines "Noise Theory for the Head Type Avalanche Diode¹, IEEE Transaction on Electron Devices ED-13, 158,

In der Gleichung gibt π die Elektronenladung an, m*v5

/die
Gtollt eine Konstante dar, die'Leistungsabhängigkeit des

Ionisationskoeffizienten vom elektrischen Feld beschreibt, k durch den Ausdruck V =» kV^ bestimmt wird, wobei V_& die Spannung am Lawinenbereich und V, die Durchbruchspannung ist, T = ^τ·//ν, die Übergangszeit der Träger durch die Rp umladungsschicht mit der Breite W bei einer gesättigten Driftgeschwindigkeit v_d ist, Τ_χ die mittlere Zeit zwischen zwei lonisationsvorgängen eines Trägers im Lawinenbereich ist und I den Lawinenstrom darstellt. Für den Fall, daß konstant int, können die beiden ersben Ausdrücke der

2 Gleichung durch eine weitere Konstante a auf der rechten .JGxfc'j der Gleichung (1) ersetzt werden, deren Wert sich exi>orimontel.l nls 3,3 χ 10 ^ A/Hz ergibt.

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Für

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Pur Frequenzen «-ο* ο und für kleine Übergangswinkel

. _ <x T errechnet sich die spektrale Geräuschleistungsdichte w (u>) aus der Gleichung (1) als:

ΎΙ

Für die Gleichung (3) wird angenommen, daß der Diodenwiderstand für Mikrowellenfrequenzen dominierend von dem Ausbreitungswiderstand R = j/2D bestimmt wird, wobei 3 der Widerstand des Grundmaterial und D der Durchmesser des Durchbruchbereiches ist. Die obige Annahme ist gültig für eine Diode mit einem Durchmesser von mehr als 10/U.

Die Dioden mit kleinem Durchmesser gemäß der Erfindung wurden mit dem Hines-Modell für niedrige Frequenzen verglichen, indem u /Δί i'n Abhängigkeit vom otrom I und von der Durchbruchspannung V, aus der Gleichung (1) ermittelt wurden. Zu diesem Zweck wurde eine Serie gleichartiger Lawinen-Dioden kleiner Durchmesser mit V, und D als Parameter hergestellt. Die Ergebnisse des Vergleiches sind in Fig.3 dargestellt, in der die spektrale Geräuschspannungsdichte (u /&f) 1/2 als Funktion des Stromes I für eine ...lerie von Dioden mit einer Lawinen-Durchbruchspannung V^ = 12,9 Volt und Durchmessern D zwischen 6 und 77/U wiedergegeben wird. Die ausgezogene Linie 10 charakterisiert die theoretischa

Diode

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Diode und hat eine Neigung von -1/2, wie sich aus der Gleichung (1) ergibt. Die sehr kleinen Dioden 11 und 12 (6/U und '"3 /U Durchmesser) folgen der vorausgesagten Gesetzmäßigkeit "'/VT "bei kleinen strömen. Die größeren Dioden 13 und 14-(27/U und 77/U Durchmesser) erreichen die Gesetzmäßigkeit Λ/^'L bei hohen otrömen. Die Ergebnisse aus Fig. 3 führen zu der Vermutung, dai sich das gesamte bei niedrigen Frequenzen errebeiiäe Geräusch aus drei Ursachen zusammensetzt;

a) dem Geräusch auf Grund der Gesetzmäßigkeit 1/VT gemäß Gleichung (1)

b) dem übermäßigen Geräusch bei niederen Stromdichte!!

c) dem übermäßigen Geräusch bei hohen otromdichten.

Die in Fig.3 dargestellten Ergebnisse sind typisch für Lawinen-Dioden gemäß der Erfindung mit kleinen Durchmessern.

Das Verhalten der Dipden mit einem kleinen Schutzring vrarde ebenfalls mit dem Diodenmodell nach Hines bei hohen Frequenzen verglichen, indem in der Gleichung (3) mit £0»«^ die Abhängigkeit der spektralen Geräuschleistungsdichte w (to) vom iitrom I und der Frequenz Co ermittelt wurde.

Die Ergebnisse der Mikrowellen-Geräuschmessungen bei Frequenzen zwischen 3 GHz und 9₅1 GHz sind in Fig.4 dargestellt. Die spektrale Geräuschleistungsdichte w (to) ist als Funktion des Stromes I für die Frequenzen zwischen 3 GHz und 9,1 GHz

aufgezeichnet

103828/158? bad

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aufgezeichnet. Die Kurve 41 entspricht der Frequenz von 3 GrHz, die Kurve 42 der Frequenz von 4 GHz, die Kurve 43 der Frequenz von 6 GHz und die Kurve 44 der Frequenz von 9,16 GHz. Bei niedrigen Stromwerten I folgt die Geräuschleistungsdichte linear dem ßtrom, wie auf Grund der Gleichung (3) zu erwarten ist. Für Ströme geringfügig oberhalb dem Maximum to ?=%;us ist eine leichte Abweichung von dem linearen Verhalten zu erkennen.

Die abfallenden Teile 45 von w(u») in Fig.4 entsprechen der Annäherung für niedrige Frequenzen io«.o . Dabei nimmt w (u^) etwas stärker ab als auf Grund der Gleichung (3) zu erwarten ist. Außerdem zeigt w (»o) eine leichte Frequenzabhängigkeit für Frequenzen über 6 GHz. Beide Effekte werden von einer strom- und frequenzabhängigen Diodenimpedanz verursacht. Wenn man diese Abhängigkeit in Rechnung stellt, stimmt die spektrale Geräuschleistungsdichte für einen offenen Schaltkreis sehr gut mit Werten überein, die von Frequenzwerten unterhalb 1 kHz bis zu der dem Lawinen-Durchbruch entsprechenden Frequenz u» innerhalb der experimentellen To-

SL

leranzen von + 0,5 db liegen.

Der Dioden-Serienwiderstand bei herkömmlichen Lawinen-Dioden mit großem Durchmesser wird gewöhnlich von einer monothon in Abhängigkeit vom Strom, welcher in seiner Größe bei verschiedenen

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ncliledenen Dioden beträchtlich schwanken kann, abnehmenden Funktion bestimmt. Der Wert des tatsächlich auftretenden Widerstandes ist ebenfalls beträchtlich größer als dem theoretischen Wert entspricht. Diese fehlende Übereinstimmung ist eine Folge der Tatsache, daß nur ein kleiner Bruchteil dec Ϊί+Ρ Übergangs an dem Lawinen-Durchbruch beteiligt ist. Solch eine uneinheitliche Stromverteilung wird gewöhnlich von den räumlichen Änderungen der Durchbruchspannung, //ie bereits erwähnt, verursacht.

Dsr ^erienwiderstand H der Dioden, die einen Schutzring mit kleinem Durchmesser aufweisen, läßt sich durch die folgende Gleichung beschreiben:

² ₁D² (4-)

O =■ der Widerstand des Grundmaterial D = der Durchmesser des Durchbruchbereichs A =» der Temperaturkoeffizient von V^

V, = die DurchbruchBpannung A, = die thermische Leitfähigkeit des Siliciums W « die Breite der Raumladungaschicht £ » die Dielektrizitätskonstante des üiliciums

v, = die maximale Driftgeschwindigkeit ist.

Der

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Der erste Ausdruck $/2D in der Gleichung (4) beschreibt die Streuung des Widerstands im Grundmaterial. Der zweite Ausdruck jiV, /2λΰ beschreibt den thermischen Widerstand, der sich aus der temperaturabhang!gen Zunahme V, ergibt. Da die Leistungsverteilung innerhalb der Diode gleich V^I ist, gilt für die Temperaturzunahme AT » rV^I, v/obei r = 1/2AD ist und der thermische Widerstand mit °C/W gekennzeichnet wird. Die Änderung der Durchbruchspannung AV, = {iV.AT = r (3 Y-^'"'I ist linear vom Strom I abhängig, wobei diese Änderung der Durchbruchspannung V, durch einen konstanten 3erienv;ideretand R/. »AV,/I beschrieben werden kann. Der dritte Ausdruck 2W²ZTf v_dD² in der Gleichung (4) beschreibt den Raumladungswiderstand, wie er von Shockley eingeführt wurde (siehe oben genannte Literaturstelle).

Es soll bemerkt werden, daß die ersten beiden Ausdrücke der Gleichung (4) nur exakt sind, wenn der Durchmesser D klein im Vergleich zur Dicke der Siliciumscheibe ist, was für den ITaIl der Dioden mit kleinem Durchmesser zutrifft. Nur unter dieser Annahme ist die Annäherung für den Strom und die V'är meauflbreitung in einen Halbkugelbereich mit definiertem Durchmesser gültig.

DaB der Serienwiderstand einer Diode mit kleinem Durchmesser sehr gut der Gleichung (4) entspricht, ergibt sich auch aus fig,5, in der die Serienwiderstände als Punktion des Durch

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. ..... , BAD ORIGINAL

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Tiessera für eine Anzahl von Dioden mit kleinem Durchmesser bei einer Durchbruchspannung V, zwischen 7_;6 Volt und MA Volt •aufgezeichnet sind.

Die ausgezogenen Linien 50 entsprechen jev^reils dem aus der Gleichung (4-) errechneten Verlauf der Durchbruchspannung V^. 3oi diesen Berechnungen werden <P und W aus folgenden empirischen Annäherungen gewonnen:

W = 33*1O~⁸ V_b ¹'¹⁷ (V_b + ν_±)^ΐ/2 (6)

v:obei V.<V1,7 Volt, das Diffusionspotential eines Silicium Pl\ Übergangs beschreibt. Die Uerte der übrigen Konstanten sind:
A= 0,84 W/cm°G; £= 1,05 pF/cm; v_d = 8,5«10⁶ cm/sec.

Die entlang den ausgezogenen Linien verteilt angeordneten durch Dreiecke, Kreise, Hechtecke oder Sterne gekennzeichneten Werte entsprechen den tatsächlich gemessenen Werten an Dioden mit kleinem Durchmesser, für die die Jeweils ausgezogene Linie 50 die errechneten theoretischen Werte widergibt.

Die Werte der errechneten Kurven 50 und die tatsächlichen im Experiment gemessenen Werte des Widerstands in Abhängig keit vom Durohnesser liegen innerhalb einer Toleranz von ± 10%.

109828/1S82 Aus

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Aus dem Vergleich der tatsächlichen Parameter für das Geräusch und die Impedanz von Dioden gemäß der Erfindung mit den Parametern eines theoretischen Modells ergibt sich eindeutig, daß die erzielbaren Geräusch- und Impedanzv/erte bei niedrigen Stromwerten sehr günstig im Vergleich mit den theoretisch möglichen Kleinstwerten sind. Im folgenden sollen die tatsächlichen Parameter von Dioden mit kleinem Durchmesser mit den tatsächlichen Parametern von kommerziell erhältlichen Dioden mit großem Durchmesser verglichen werden.

In Fig.6 ist die Impedanz in Abhängigkeit von der Durchbruchspannung für eine Diode mit kleinem Durchmesser im Vergleich mit der Impedanz auf Grund der JiSDEC-Norm für eine Anzahl von Dioden mit niederer Leistung und niederem Geräusch aufgetragen. Die Kurve 61 beschreibt die Typenserie 1N4O99 der Dioden für niedrigen Strom (250/U A) und niedriges Geräusch. Die Kurve beschreibt die Typenserie 1N962 mit 400 mW Dioden. Die Typenserie 1N763 mit 250 mW Dioden wird durch die Kurve 6? beschrieben, während die Kurve 64 die Typenserie INI315 kennzeichnet. Die voll ausgezogene Linie 65 beschreibt die Verhältnisse für eine Diode mit kleinem Durchmesser gemäß der Erfindung, wobei der Durchmesser etwa 200/U beträgt. Es ist offensichtlich, daß die Impedanz sehr viel niedriger als bei den herkömmlichen Lawinen-Dioden ist.

Das

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Das Geräusch einer Lawinen-Diode mit kleinem .^chufczringdarchmescer gemäß der Erfindung liegt ebenfalls beträchtlich unter dem Niveau des Geräusches einer Lawinendiode herkömmlicher .Art. Der Verlauf der soeknralen Geräuschs oanrmngsdichte is j in If¹I ft*. 7 über dem .„trom auf getragen, wobei eine Lav.'inen-Diode der T;v tenser ie !■ ί'4-099 mit einer Lawinen-Diode nib kleiuin -chatzriugdurchmesser gemäß der Erfindung verglichen wird. Me Goräusclinorm für die Tynenserie 1TT4Ü99 liegb bei kleiner g -Ίϋ /uV/yii^. Dieser '/urt v;ird von Dioden gemäk der Lviiiidiuir; loichb eingehalben. Das tatsächliche Geräusch einer ir-^riiiicraiellen Diode -tus der Typenserie 1ίί^Ο99 mit einer Durchbruchrj;;.:>imuiig von 9,'"1 VoIb v/ird durch die gestrichelte Kurve 7 beschrieben, . v/o ge gen der theoretische aus der Gleichung (?) •.rrechnafce l/erb des Geräusches für diese Diode der gestrichelcen Linie 72 entspricht. Das tatsächliche Geräusch einer Lav/inen-Diode mit kleinem Schubzringdurchmesser, wobei der Jchufczring etwa 82 ,u und die Durchbruchspannung 9₅9 Volt beträgb, wird durch die ausgezogene Linie 73 beschrieben, während der dazu gehörige aus der Gleichung (2) errechnete Verlauf für das Geräusch durch die voll ausgezogene Linie 7^ '/idergegeben wird.

Zv/i3chen den Durchmessern von ungefähr 25 /U bis 250 ax kann die niedrigste Impedanz oder dao niedrigste Geräusch dadurch optimal erreicht werden, daß innerhalb des angegebenen Bereiches ein besbimmber Durchmesser ausgewählt wird. Wenn z.B.

der

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der Durchmesser von 25/U auf 250 /U ansteigt, steigt ebenfalls das erzeugte Geräusch an, 'vogegen die Impedanz abnimmt·, ucohalb wird für eine Diode mit; einem minimalen Geräusch und oiler mittleren Impedanz ein Durchmesser von ungefähr 25 hl-z 90 ,\\ besonders geeignet sein. Wenn eine niedrigere Impedanz erwünscht ist und ein höheres Geräusch zugelassen wird, ir.;!; alec mit einem vergrößerten Durchmesser zu erreichen. Bei ein:\r Lawinen-Diode mit einem Bchutzringdurchmesser von ungefähr 250/U wird immer noch eine Impedanz und ein Geräuscnverhr·.!- ten erzielt, das besser als bei anderen bekannten Dioden kleiner Leistung ist. Die Verbesserung der Impedanz zeige sich besonders bei niedrigen strömen, z,B. von Strömen kleiner gleich 1mA.

Eine Lawinendiode mit einem Durchmesser von etwa 25 /U kenn, obwohl es gegenüber den großen Dioden mit einem hohen Geräusch widersprüchlich zu sein scheint, als Rauschgenerator vorteilhaft verwendet werden. Der Vorteil des hohen Geräuschsignals bei den herkömmlichen Dioden wird durch den Nachteil der Temperaturabhängigkeit des abgegebenen Geräuschsignals und die geringe Beproduzierbarkeit des Geräuschnivaaus von Diode zu Diode kompensiert. Die geringste Temperaturabhängigkeit und die beate Reproduslerbarkeit des Geräuschsignals ergeben sieh, wenn die Dioden kein überschüssiges Geräusch besitzen und die spektrale Dichteverteilung der Gleichung (2) entspricht, die die idealen Bedingungen für eine Lawinen-Diode mit niedrigem Geräusch widergibt·

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Ein weiterer'Vorteil besteht darin, daß die Dioden mit kleinem Durchmesser einem ebenen über einen groi en Freouenzbereich verlaufenden Freauenzgang gemäi? Fig.8 aufweisen, welche den Frequenzgang einer Diode mit einem Durchmesser von 35/U von 20 Hz bis 9 GHz v.'idergibt. Die spektrale Geräuschdichte fällt bei Freouenzen. oberhalb 4- GHz rasch ab. Diese Gren:;i're^uenz von 4- GHz stimmt verhältnismäßig gut mit der L^'.-inen-Frequenz CO /27Γ überein, welche sich aus der Glei-

a '

cliuixg (2) bei 6 GHz und einem otrom von j5 mA errechnet. Dioden mit kleiner Durchbruchspannung und hoher stromdichte sind als Gsräuschgeneratoren bis zu Frequenzen über 100 GHz brauchbar. Aus der Gleichung (2) errechnet sich eine Grenzfrenuenz von 100 GHz für V, = 6V, I = 60 mA und A »5x1° cm¹"

Patenteuaapruche

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Claims

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Patentansprüche

1. Lawinen-Diode mit einem relativ leicht dotierten ochutzring, der sich von der Oberfläche des Trägers aus in diesen hinein erstreckt und einen kleinen Durchmesser auf v/eist und mit einem relativ stark dotierten Bereich, der sich innerhalb des ,ochutzringes in den Träger erstreckt, wobei der Träger vom einen Leitfähigkeitstyp und der Schutzring sowie der stark dotierte Bereich vom anderen Leitfähigkeitstyp ist, dadurch g 'e kennzeichnet, daß sich der -Schutzring parallel zur Trägeroberfläche zwischen dem stark dotierten Bereich und dem Trägermaterial,soweit nach innen erstreckt, da' nur eine verhältnismäßig kleine Zone des Trägermaterials im Inneren, vorzugsweise im Zentrum des Schutzringes angeordnet ist.

2. Lawinen-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schutzring im allgemeinen kreisförmig ausgebildet ist und eine ebene Oberfläche aufweist, die grundsätzlich zip? Oberfläche des Trägers koplanar ist.

J. Lawinen-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktbereich zwischen dem Träger und dem stark dotierten Bereich im allgemeinen kreisförmig ist.

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4. .bavrinen-Diode nach Anspruch. 3 t dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktbereich zwischen dem Träger und dem stark dotierten Bereich einen Durchmesser zwischen 25/u und 250/U aufweist.

5. Lawinen-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem ebene» Oberfläohenteil des Trägers eine Oxydschicht angeordnet ist und die Oxydsohicht eine öffnung aufweist, in der ein Teil des stark dotierten Bereiches freiliegt.

6. Lawinen-Diode nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht die kreisförmige ebene Oberfläche dea Schutaringes überdeckt,

7. Lawinen-Diode nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß durch die öffnung in der Oxydachicht ein ohmischer Kontakt an dem stark dotierten Bereich und ein weiterer ohmischer Kontakt am Träger angebracht ist.

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L e e TTe i t e