DE1766591C3 - Schaltungsanordnung mit einem Mikrowellenoszillator, u.a. bestehend aus einem Volumeneffekt-Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Aufbau und Wirkungsweise der Volumeneffekt- andere Festkörper-Einrichtungen erzeugt und nicht Halbleiterbauelemente sind in> einzelnen in einer die verschiedenen Nachteile, wie Instabilität, hohes Reihe Artikel im Januar-Heft 1966 der Zeitschrift Rauschen, hoher Platzbedarf und hoher Leistungs- »lEEF. Transactions on Electron Devices«. Band FD-13, 35 verbrauch, aufweist, die die Mikrowellen-Röhren-"Nr. 1, beschrieben. Hiernach kann ein negativer oszillatoren, wie das Klystron, charakterisieren. Fr Widerstand von einem massiven Halbleiterplättchen eröffnet daher die Möglichkeit praktikabler Nachvon im wesentlichen homogener Beschaffenheit er- richtenübermittlungssysleme bei höheren Mikrowelhalten werden, das zwei nur durch eine kleine Energie- lenfrequenzen als diese gegenwärtig benutzt werden, differenz getrennte Energiebandminima innerhalb des 40 Jedoch sind gewisse gegenwärtig benutzte Mikrowel-Leitungsbandes aufweist. Durch Anlegen eines geeig- len-Komponenten. wie Modulatoren und Kristallnet hohen elektrischen Feldes an gegenüberliegende detektoren, nicht in der Lage, nicht besonders wirk-Ohmsche Kontakte des Halbleiterplättchens können sam, oder überhaupt nicht wirksam, bei einigen dieser Schwingungen induziert werden, die von einer Ent- Frequenzen betrieben werden zu können, insbesondere stehung diskreter Bereiche hoher elektrischer Feld- 45 bei Frequenzen im Millimeter-Wellenlängenbereich, stärke und entsprechender Raumladungsanhäufungen Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsherrühren. Diese sogenannten E-Felddomänen wan- anordnung mit einem Mikrowellenoszillalor, bestehend dem dabei vom negativen zum positiven Kontakt mit aus einem Volumeneffekt-Halbleiterbauelement, dem annähernd der Ladungsträger-Driftgeschwindigkeit, bezüglich Hochfrequenz ein frequenzbestimmende! Das Volumeneffekt-Halbleiterbauelement weist einen 50 Parallelresonanzkreis mit einem Gütefaktor^ und ein negativen differentiellen Widerstand für innere Ströme Lastwiderstand parallel geschaltet sind, wobei die Anin den Bereichen hoher elektrischer Feldstärke auf. Ordnung so getroffen ist, daß eine Schwingungsform Folglich nimmt die elektrische Feldstärke der Domäne mit begrenzter Ladung (sogenannte LSA-Schwingungszu, wenn diese zur positiven Elektrode hin läuft. form) mit der Frequenz //..*.) auftritt, gemäß der ErOszillatoren, die auf diesem Prinzip arbeiten, sind 55 findung wird dem Oszillator eine Frequenz /<,, die dei

erstmalig in dem Artikel »Instabilities of Current in „ ,. _f , Jlsa „ ·· , „„ .,, _n„„ „ „ _t

in w c · j . 1 r. r~ ,„.. . Bedingung /a^~->. genügt, von auuen so auf

TIl-V Semiconductors« von J. B. G u η η, »IBM Jour- e &./«~ ρ e e>

nal«, April 1964 beschrieben worden und sind nun- geprägt, daß es der LSA-Schwingung des Oszillator

mehr allgemein bekannt als Gunn-Oszillatoren. Die im Resonanzkreis ermöglicht wird, sich in der Ampli

Ε-Domänen werden aufeinanderfolgend erzeugt, was 60 tude in jeder Periode der LSA-Frequenz entspreche™

zu einer Schwingungsfrequenz führt, die annähernd den Spannungsänderungen der zugefügten Frequenz/,

gleich der Ladungsträger-Driftgeschwindigkeit geteilt zu ändern, und am Ausgang wird die verstärkte Fre

durch die Länge des Plättchens ist. Da die Schwin- quenz f_a und/oder das Modulationsprodukt /^s,

gungsfrequenz eine Funktion der Länge ist, sind Gunn- .!; /_o abgenommen.

Oszillatoren von Hause aus bezüglich Frequenz und 65 Bei einer bevorzugten Ausführungsform, bei der dl·

Leistung begrenzt; wenn die Plättchenlänge reduziert LSA-Schwingschaltung als örtlicher Oszillator, Mi

wird, um eine höhere Frequenz zu erhalten, nimmt die scher und Verstärker benutzt wird, wird ein Eingangs

erhältliche Leistung ab. signal bei einer Frequenz, die gleich /lsa ± fa ist, de

^haltung zugeführt. Es kann gezeigt werden, daß die Trotz des Umstands, daß das elektrische Feld E₁

Diode von Haus aus nicht linear ist, wes zu einer Mi- sich ia den Bereich positiven Widerstands erstreckt,

^hune der Eingangs- und Oszillatctfrequenzen führt,. überschreitet der Gewinn der Vorrichtung die Damp-

um eine Differenzfrequenz /„ zu liefern. Erfüllt die fung derselben, wenn die folgende Beziehung erfüllt ist

Differenzfrequenz die angegebene Bedingung, so wird 5 _rv,+v

sie durch den negativen Widerstand der Diode ver- i / _Εχ ,. _d/ < E_ac v_a (²)

stärkt. Ί "i" '2 J

Das Wesen der Erfindung ist im folgenden an Hand .

■ Ηργ Zeichnung dargestellter Ausführungsformen im Hierbei wird das Integral über einen Zyklus ge-

einz inen beSchriebenl es zeigt xo nommen; E_x ist das elektrische Feld ν die Ladungs-

Fi a 1 das Schaltbild eines Oszillators, Mischers trägergeschwindigkeit und v„ die durchscnnittncne

„nd Verstärkers entsprechend einer ersten Ausfüh- Ladungsträger-Driftgeschwindigkeit im Halbleiter-

,„ησςίοπη der Erfindung, körper während der Schwingung.

^rU _F ^g _eTein Diagramm der Abhängigkeit der La- Laufende Ε-Domänen im Halbleiterkörper werden

rtunesträgergeschwindigkeit ν vom elektrischen Feld E 15 vermieden durch ausreichendes Kleinmachen des zeit-

in der Diodf der Schaltung nach F i g. 1, intervalls i₂, derart, daß eine wesentliche Raumladungs-

Fi a 6 bis 8 Diagramme der Zeit 1 über der elektri- anhäufung nicht während dieses Zeitintervalls aui-

«•hen Feldstärke E in der Diode der Schaltung nach treten kann, sowie durch ausreichendes Langmachen

F ie 1 bei verschiedenen Betriebsbedingungen, von I₁, um eine Raumladungsanhaufung zu dampfen, Fi' e 3 eine schematische Darstellung einer Mikro- 20 derart, daß diese an einem Zunehmen bei nacntoigen-

wellenfrequenzausführung der Schaltung nach F i g. 1, den Zyklen gehindert ist. Um diese E«™^

F ig 4 das Schaltbild einer weiteren Ausiührungs- erfüllen,sollten die folgenden Beziehungen gleichfalls

form der Erfindung und erfüllt sein

Fig. 5 das Schaltbild einer dritten Ausführungs- (,„,

form der Erfindung. »5 "^e I _ιμ| df < 10 (3)

Die in F i g. 1 dargestellte Oszillator-, Mischer- und ε J Verstärkerschaltung weist eine Signalquelle I \ auf,

ferner einen LSA-Oszillator 12 sowie eine Last 13, „e C ' . nt Γ. _{df (4)}

die an den Oszillator über einen Transformator 14 ~_ε J ^ ^ux _f J angekoppelt ist. Der LSA-Oszillator enthält eine Halb- 30

leiterdiode 16, die mit einer Gleichspannungsquelle 17 „_mm„_n «h«· Hie 7eit-

ve bunden ist einen Lastwiderstand 18 und einen Re- Hierin ist JM das ^¹^!^"⁰™·^' _die di -

lonanzkreis als Energiespeicher mit einer Kapazität 19 periode /_t, ε die Permeab.htat des Materials, μ die dit

und einer Induktivität 20. Die Diode 16 weist einen _ferentiel|_e Beweglichkeit ~_F im Material, e die von

aus Volumeneffekt-Halbleitermaterial zwischen 35 ^ac»

druSc Volumeneffekt-Vorrichtung jedes Halbleiter- »schwach belastet* werden, d. ^- ^d« ^effeküveparaUde

tende Materialien bezieht sich die Ladungsträger- 2"

geschwindigkeit auf die Elektronengeschwindigkeit, ' ' „_ομΐ\

und für p-leitende Materialien auf die Löchergeschw.n- ^^ ^ ^ ^ _l^ ^ _Ha,_{bleiterkörpers}, _{Hfl die}

^digwSde die Wechse.stromque.le 11 nicht an die ₅o Dotierhöhe oder die ^ ^Tg£

mmmm ii

von der Spannungsquelle 17 zugeführten elektrischen 55 durc»

Feld Ede hat. Wie in den F i g. 2 und 6 dargestellt ist, ₁ .«,)

ist die Vorspannung E_dc über der Diode größer als die |μ₂| ={ !μ! d

Schwellwertspannung E_th, bei welcher ein negativer t_t J

mmm^mm

d/

siaiius UUtUIa₁U *>,A. Die Frequenz von E_x ist durch 65

den Oszillatorresonanzkreis bestimmt, während die F i g. 7 zeigt die Wirkung des von der aignaiqucu

Amplitude eine Funktion des Lastwiderstands Rl der 11 nach F i g. 1 zugeführten Signals auf das Schwir

Schaltung ist. »"nmWH F,*_ä des LSA-Oszillators. Zunächst sei ar

5 6

genommen, daß das Signal eine Frequenz /„ hat, das geführte Signal mit der LSA-Frequenz mischen, um Anlaß zu einer elektrischen Feldkomponente E_a gibt, eine Differenzfrequenzkomponente /«zu liefern. Wenn die der Gleichvorspannung überlagert ist, wie dies in die Differen2iYequenz /„ die Gleichung (7) erfüllt, so F i g. 7 dargestellt ist. Wie bekannt, fordert ein stabiler wird sie, wie beschrieben, verstärkt werden. Der stetiger Betrieb eines Negativwiderstandsoszillators, 5 Transformator 14 und die Hochfrequenzdrossel 21 daß die Größe des negativen Widerstands gleich der der F i g. 1 können als Tiefpaßfilter ausgelegt werden, Größe des Lastwiderstands ist. Wenn die Frequenz f_a um nur die verstärkte Frequenz f_a zur Last 13 zu des angelegten Feldes E_a ausreichend niedrig gegen- übertragen. Folglich kann die Schaltung nach F i g. 1 über dem Verhältnis der Frequenz //,.S₄ von Elsa in Nachrichtenübermittlungssystemen zum Abwärtszum Gütefaktor des Resonanzkreises des Oszillators io Umwandeln und Verstärken einer ankommenden Träist, wird sich die Amplitude von Elsa während jedes gerwelle brauchbar sein, die eine höhere Frequenz beZyklus ändern, um den stationären Zustand zu errei- sitzt, als diese durch übliche Kristalldetektoren festchen, bei welchem der negative Widerstand gleich dem gestellt werden kann.

Lastwiderstand ist. Dieser Zustand ist in F i g. 7 dar- F i g. 3 7eigt eine schematische Darstellung einer

gestellt, wonach ersichtlich ist, daß die Amplitude von «5 Mikrowellenversion der Schaltung nach Fig. 1, bei Elsa sich mit den Fluktuationen von E_a ändert. Da der die Zwei-Täler-Halbleiterdiode 26 in einem Hohldie Schaltung stabil ist und sich E_a im Bereich negati- leiter 27 befestigt ist, von dem ein Teil den Oszillatorven Widerstands der Diode befindet, wird E_n verstärkt. resonanzkreis bildet. Ein Eingangssignal einer Quelle

Ist andererseits die Frequenz von E_a so groß im Ver- 28 wird über einen Isolator 29, ein Präzisionsdämpgleich zur Schwingungsfrequenz und dem Ladungs- ao fungsglied 30 und einen 6-dB-Koppler 31 auf den Hohlspeichervermögen des Resonanzkreises, daß die leiter 27 gegeben. Die Diode 26 wird von einer Gieich-Schwingungsfrequenz nicht die Zeit hat, einen statio- Spannungsquelle 33 vorgespannt, die der Diode über nären Zustand während jedes Zyklus zu erreichen, eine Hochfrequenzdrossel 34 zugeführt wird. Die LSA-dann wird der gesamte negative Widerstand der Diode Oszillatorschaltung enthält ein Präzisionsdämpfungsnicht gleich dem Lastwiderstand, und das angelegte 25 glied 36, ein Frequenzmeter 37, einen geeichten Detek-FeId Ea erfährt nicht einen resultierenden negativen tor 38 und einen Oszillographen 39. Der Ausgangs-Widerstand. Diese Bedingung ist in F i g. 8 dargestellt, kreis der Vorrichtung enthält ein Tiefpaßfilter 41 und in der das angelegte Feld E„' eine so hohe Frequenz im einen Spektralanalysator 42.

Vergleich zur Schwingungsfrequenz von Elsa' hat. Die Schaltung nach F i g. 3 ist mit dem Ziel auf-

daß die Amplitude von Elsa sich nicht mit den An- 30 gebaut und geprüft worden, das Mischen und Verderungen von E_a' ändern kann. Als Folge hiervon er- stärken der unteren Seitenbandfrequenz zu demonstreckt sich E'lsa in einen Bereich niedrigen positiven strieren. Die LSA-Oszillatorschaltung wurde für einen Widerstands und die Komponente E_a' wird nicht ver- Betrieb bei einer Frequenz /lsa von 50 Gigahertz mil stärkt. — 1OdB Ausgangsleistung entworfen. Das Signal von

Die Bedingung für eine Verstärkung des zugeführ- 35 50 bis 51 Gigahertz wurde mit der LSA-Frequenz geten Feldes E_a kann wie folgt verallgemeinert werden: mischt, um durch den Spektralanalysator 42 angezeigte Wenn die Frequenz f„ des angelegten Feldes E_a aus- Ausgänge bei 30 MHz und 180 MHz bei einer Verreichend niedrig ist, um es der LSA-Schwingungs- Stärkung von etwa 16 dB zu ergeben. Der Gütefaktor formenergie im Resonanzkreis zu erlauben, sich in der des Osziilatorresonanzkreises wurde zu 100 gerechnet. Amplitude während jedes ihrer Zyklen entsprechend 40 Der Gesamtrauschfaktor wurde zu etwa 20 dB beden Spannungsänderungen von E_n zu ändern, dann stimmt.

wird Ea verstärkt werden. Dies wiederum erfordert,daß Da die Amplitude des elektrischen LSA-Feldes E₁

die Frequenz /_Lsa der Schwingungsform ausreichend sich mit dem zugeführten Feld E_a ändert, ist es erhoch und der Energiespeicherungs-Gütefaktor des Re- sichtlich (F i g. 7), daß E_a zur Amplitudenmodulation sonanzkreises ausreichend niedrig gegenüber der zu- 45 der LSA-Schwingungsfrequenz verwendet werden geführten Frequenz /„ ist. Diese Forderungen für Ver- könnte. F i g. 4 zeigt eine LSA-Oszillatorschaltung. Stärkung der Frequenz /„ können durch folgende die zur Amplitudenmodulation des Ausgangs entspre-Beziehung angenähert werden chend diesem Prinzip modifiziert worden ist. Die letz-

ί^_Λ ten beiden Ziffern einer jeden Bezugszahl der Schal-

f" "ζ. ~~~— (7) 5° tung nach F i g. 4 bezeichnen diejenigen Komponen-

*= ten, deren Funktionen analog den entsprechend be-

Hier in ist Q der Gütefaktor des Resonanzkreises, zeichneten Komponenten der Schaltung nach Fig.] der seinerseits ein Maß des Energiespeicheningsvermö- sind. Die innerhalb der gestrichelten Linie 412 liegen· gens bezüglich der Frequenz des Kreises ist. den Komponenten bilden eine LSA-OszHIatorschal-

Die gegenwärtig bekannten LSA-Schwingungs- 55 tung. Ein modulierendes Signal der Quelle 411 mil form-Oszillatoren, die Volumeneffekt-Halbleiterdioden einer Frequenz fa, die der Beziehung (7) entspricht verwenden, erfordern für den Resonanzkreis einen wird der Diode 416 zugeführt. Diese Frequenz modu· Gütefaktor, der größer als zumindest 5 ist. Aus Glei- liert die Amplitude des Schwingungsausganges, wie chung (7) folgt, daß dieses die Frequenz f_a beschränkt, dieses in F i g. 7 dargestellt ist, und dieser nutzbare die verstärkt werden kann, und es ergibt sich als prak- So Ausgang wird zur Last 418 gegeben, die einen Last tische Folge hiervon, daß /_o viel kleiner sein muß als widerstand Rl aufweist, der dem der F i g. 1 ent die Schwingungsfrequenz /lsa- Aus diesem Grund spricht. Es ist hierbei selbstverständlich angenommen ist die Schaltung nach F i g. 1 mehr als eine örtliche daß die Amplitudenänderungen des modulierender Oszillator-, Misch- und Verstärkerschaltung denn als Signals eine zu übertragende Information darstellen eine Trägerfrequenzverstärkerschaltung brauchbar. 65 Da die Diode 416 nicht linear ist, mischt sich die

Es sei angenommen, daß die Frequenz des Signals zugeführte Frequenz f_a mit der Schwingungsfrequen; der Quelle U gleich//..S^ 1_/α ist. Da Volumeneffekt- Jlsa, um eine obere Seitenbandfrequenz von /, Halbleiterdioden nicht linear sind, wird sich das zu- + /i.sa zu liefern. Wenn diese Frequenz an der Las·

unter Ausschluß anderer Frequenzkomponenten erhalten wird, arbeitet die Schaltung als ein Frequenz-Aufwärtswandler, wie dieses in F i g. 5 dargestellt ist. In F i g. 5 ist ein Filter 522 in den Ausgangskreis des LSA-Oszillators eingefügt, um alle Frequenzen, ausgenommen der Summenfrequenz, auszufiltern. Bei einer von der Quelle 511 gelieferten Frequenz f_a wird die Frequenz /„ -\- /_Lsa zur Last 518 geliefert, und die Schaltung arbeitet als ein Frequenz-Aufwärtswandler. Erfüllt die Frequenz f_a die Bedingung (7), so wird die Summenfrequenz verstärkt, und die Schaltung bildet einen Aufwärtswandler und einen Verstärker. Alternativ kann auch die Frequenz Jlsa — fa, die ebenfalls als eine Summenfrequenz aufgefaßt werden kann, erhalten werden.

Zusammengefaßt beruht die Erfindung auf der Entdeckung, daß ein LSA-Oszillator einen negativen Widerstand einem begrenzten Band zugeführter Frequenzen /a darbietet, die ausreichend niedrig sind, um es der LSA.-Schwingungsform-Energie in einem Resonanzkreis zu ermöglichen, die Amplitude in jedem Zyklus zu ändern. Als Ergebnis kann die LSA-Oszillatorschaltung als ein direkter Verstärker der Frequenz/o oder als eine Amplitudenmodulatorschaltung betrieben werden. Wegen der Nichtlinearität der Volumeneffekt-Halbleiterdiode kann die Schaltung auch als ein« Kombination eines örtlichen Oszillators, Mischers unc Verstärkers zum Erzeugen und Verstärken entwedei der oberen oder der unteren Seitenbandfrequenzen be trieben werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

In einem Artikel von J. A. Co pel and IH, Patentansprüche: «A New Mode of Operation for Bulk Negative Re sistance Oscillators«, Proceedings of the IEEE, Okto-

1. Schaltungsanordnung mit einem Mikrowellen- ber 1966, S. 1479 und 1480, ist beschrieben wie eine oszillator, bestehend aus einem Volumeneffekt- 5 Schwingungsform mit begrenzter Raumlad ungsan-Halbleiterbauelement, dem bezüglich Hochfre- häufung, die sogenannte LSA-Schwingungsform (Abquenz ein frequenzbestimmender ParaUelresonanz- kürzung von Limited Space-charge Accumulation) im kreis mit einem Gütefaktor Q und ein Lastwider- Volumeneffekt-Halbleiterbauelement induziert werden stand parallel geschaltet sind, wobei die Anord- kann. Diese neue Schwingungsform hangt nicht von nung so getroffen ist, daß eine Schwingungsform io der Entstehung laufender E-Domanen ab, ihre Fremit begrenzter Ladung (sogenannte LSA-Schwin- quenz ist nicht von der Plättchenlange abhangig, und gungsform) mit der Frequenz/,,->·₄ auftritt, da- als ein Ergebnis hiervon hat der Oszillator nicht die durch gekennzeichnet, daß dem Os- dem Gunn-Osziltetor eigenen Frequenz- und Leistungszillator eine Frequenz /_e, die der Bedingung begrenzungen. Der LSA-Schwingungsform-Oszillator

f,_s. i₅ weist eine Volumeneffekt-Halbleiterdiode, einen Re-

/" ■->■ Q genügt, von außen so aufgeprägt wird, _sonanzic_reis sowie eine Last auf, deren verschiedene daß es der LSA-Schwingung des Oszillators im Parameter so eingestellt werden, daß die elektrische Resonanzkreis ermöglicht wird, sich in der Ampli- Feldstärke innerhalb der Diode zwischen einem hohen tude in jeder Periode der LSA-Frequenz entspre- Wert, bei dem ein negativer Widerstand auftritt, und chend den Spannungsänderungen der zugefügten 20 einem niedrigeren Wert, bei dem die Diode einen posi-Frequenz f_a zu ändern und daß am Ausgang die tiven Widerstand zeigt, alterniert. Durch geeignete verstärkte Frequenz /„ und/oder das Modulations- Einstellung der Dauer der Auswanderungen des elekprodukt /;..s.i 1 /₀ abgenommen wird. trichen Feldes in den positiven und den negativen Be-

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, da- reich der Diode kann man die Entstehung der für die durch gekennzeichnet, daß die Frequenz f_Ls.\ χ /α »5 Gunn-Schwingungen verantwortlichen laufenden Dozugeführt und die Frequenz /„ abgenommen wer- mänen verhindern, während ein immer noch resultieden. render negativer Widerstand, der zum Aufrechterhalten von Schwingungen erforderlich ist, erhalten wird.

Der LSA-Schwingungsform-Oszillator ist eine be-

30 sonders beoeutsame Entwicklung, weil er bei brauchbar hohen Leistungswerten höhere Frequenzen als