DE1791237B1 - Volumeneffekt oszillator - Google Patents

Description

• Die Erfindung befaßt sich mit einem Volumeneffekt-Oszillator, bei dem ein Körper aus einem III-V-Verbindungshalbleiter vorgegebener Dimensionierung bei Überschreiten einer angelegten kritischen Feldstärke zu Mikrowellenschwingungen angeregt wird.
• Vor kurzem ist eine neue Methode zur Erzeugung elektromagnetischer Schwingungen bekanntgeworden, die auf einem sogenannten Halbleitervolumeneffekt (»Gunn«-Effekt) beruht, wie dies beispielsweise in der Literaturstelle Solid-State Commun., 1 (1963), S. 88 bis 91, »Microwave Oscillations of Current in III-V-Semiconductors« beschrieben wurde.
• Wenn an einen Halbleiterkörper aus einem N-leitenden III-V-Halbleiter geeigneter Abmessungen (Dicke z. B. 10 bis 200 #tin) über ohmsche Kontakte ein elektrisches Feld größer als ein bestimmter kritischer Wert gelegt wird, können im fließenden Strom Instabilitäten auftreten, die die Form von Mikrowellenschwingungen haben. Für das Auftreten des Effektes sind kein pn-Übergang und kein externes Magnetfeld erforderlich.
• Die Periodendauer der erregten Schwingungen steht in einem direkten Verhältnis zur Laufzeit der Ladungsträger durch den Kristall. Bisher erzeugte Dauerstrichleistungen hegen in der Größenordnung von einigen zehn Milliwatt.
• Es konnte experimentell nachgewiesen werden, daß beim Erreichen des kritischen Spannungswertes sich an der Kathode des Halbleiterkörpers eine Zone überhöhten elektrischen Feldes aufbaut, die beginnt, in Richtung zur Anode zu wandern. In der F i g. 1 ist dieser Vorgang für den Fall konstanter Spannungsspeisung dargestellt. Zum Zeitpunkt t, ist das kritische Potential OK erreicht. Kurze Zeit später (zum Zeitpunkt t = t,) hat sich die Hochfeldzone ausgebildet und wandert zur Anode. Dabei sinkt das Potential kathodenseitig vor der Wellenfront auf einen kleineren Wert, als dies bei Anliegen der kritischen Spannung der Fall war. Es kann demnach keine neue Welle an der Kathode ausgelöst werden, solange noch eine vorher ausgelöste Welle durch den Halbleiterkörper läuft. Erst nach Ankunft der ersten Welle an der Anode kann sich der Vorgang periodisch wiederholen und in dem im Außenkreis fließenden Strom in der beschriebenen Art als Mikrowellenschwingung bemerkbar machen.
• In der F i g. 2 ist die Stromspannungscharakteristik eines derartigen Halbleiterkörpers dargestellt. Mit zunehmender Spannung, ausgehend vom Wert 0 Volt tritt zunächst ein linearer Stromspannungsverlauf auf. Kurz vor Erreichen der kritischen Spannung UK wird ,die Kennlinie durch Änderung der Beweglichkeit der Ladungsträger bei den vorliegenden Feldstärken nichtlinear. Bei der Spannung UK (zugehöriger ArbeitspunktA) setzen die Stromschwingungen ein, wobei sich der Strom periodisch zwischen den Extremwerten im#, und Ii. ändert.
• Ziel der Erfindung ist es, einen Volumeneffekt-Oszillator aufzuzeigen, dessen Schwingung so beeinflußbar ist, daß man eine Frequenzteilung erhält.
• Ausgehend von einem Volumeneffekt-Oszillator, bei dem ein einkristalliner Halbleiterkörper vom N-Leitungstyp, vorzugsweise ein III-V-Verbindungshalbleiter durch Anlegen einer einen kritischen Wert überschreitenden Gleichvorspannung an den ohmisch kontaktierten Halbleiterkörper zu Mikrowellenschwingungen anregbar ist, wird deshalb erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Vorspannung, die Amplitude einer auf den Halbleiterkörper einwirkenden HF-Schwingung und die Periodendauer.T" dieser angelegten HF-Schwingung so gewählt sind, daß die Periodendauer der dann entstehenden Mikrowellenschwingung größer ist als die Periodendauer Tp, der unbeeinflußten Mikrowellenschwingung des Oszillators.
• Wählt man beispielsweise den ArbeitspunktA und hält die Bedingung 1,5Ts < Tpr < 2Ts ein, so ergibt sich die in der F i g. 3 b dargestellte Kurvenform des über der Zeit aufgetragenen Stromes. Der zugehörige Verlauf der Gesamtspannung ist in der F i g. 3 a aufgezeigt. Bei Einhaltung der obenerwähnten Bedingungen wird eine Schwingung mit der halben Frequenz bzw. mit der doppelten Periodendauer der angelegten Schwingung erzeugt. Unter der Voraussetzung, daß der Arbeitspunkt an der Stelle B liegt (vgl. F i g. 2) und die Bedingung Ts < Tp r < 2 Ts eingehalten wird, können je nach der Größe der Amplitude der überlagerten HF-Schwingung bzw. je nach der Lage des Arbeitspunktes, die in den F i g. 4b bzw. 4c dargestellten Kurvenformen erzielt werden. Der Verlauf der entsprechenden Gesamtspannung ist in der F i g. 4 a dargestellt, wobei die Spannung us , zu dem in der F i g. 4b dargestellten Stromverlauf und die Spannung u" zu dem in der F i g. 4 c dargestellten Stromverlauf gehört. Entsprechend der ,großen Amplitude der Wechselspannung u"l. erhält man die in der F i g. 4 b dargestellte Verdreifachung der Periodendauer n, also eine Frequenzdrittelung, während man mit der kleineren Wechselspannungsamplitude u" die in der F i g. 4c dargestellte Periodenverdopplung, also eine Frequenzhalbierung erzeugen kann.
• Betrachtet man den Vorgang der Frequenzteilung nicht als Funktion der HF-Amplitude, sondern als Funktion des gewählten Arbeitspunktes mit der Bedingung U < UK, so ergibt sich folgender Sachverhalt: Bei konstanter - HF-Amplitude der überlagerten HF-Schwingung tritt für U = UB < Urr eine Schwingung mit der Perlodendauer 2n, also mit der Frequenz f,12 auf. In diesem Fall ergibt sich eine Frequenzteilung, wobei die erzeugte Frequenz von der Größe der gewählten Gleichspannung (U < UH) abhängig ist. In der F i g. 5 ist dieser Zusammenhang graphisch dargestellt. Bezüglich der Spannungsverteilung der gestrichelt eingezeichneten Spannung us, in der F i g. 5 a kann der zugehörige Stromverlauf der F i g. 5b entnommen werden. Hierbei tritt eine Periodendauerverdreifachung bzw. eine Frequenzdrittelung auf. Der in der F i g. 5 a ferner eingezeichnete Spannungsverlauf gemäß der durchgezogenen Linie u", mit gleicher HF-Amplitude jedoch kleinerer Gleichspannung UB 2 bewirkt die in der F i g. 5 c dargestellte Stromverteilung, die zu einer Periodendauerverdopplung bzw. einer Frequenzhalbierung führt. Sowohl bei der Frequenzteilung mit Hilfe der veränderlichen HF-Überlagerungsamplitude als auch bei der Frequenzteilung mit veränderlicher Gleichspannung UB sind solche Verhältnisse zu schaffen, daß für die resultierende Periode T = 3 Ts die Hochfeldzone dann die Anode erreicht, wenn dort ein Potential größer als das kritische Potential liegt, und daß für T = 2 T, die Hochfeldzone dann die Anode erreicht, wenn dort ein Potential kleiner als das kritische Potential liegt.
• Eine mögliche schaltungstechnische Anordnung zur 'Steuerung der Schwingung ist in der F i g. 6 dargestellt. Der Halbleiterkörper Pr erhält seine Gleichvorspannung von der Spannungsquelle U über einen vorgeschalteten Spannungsregler P und die erforderliche Steuerwechselspannung von dem Wechselspannungsgenerator G über einen dreiarmigen Zirkulator Z, an dessen drittem Arm der Verbraucher RL angeschlossen ist. Zur Regelung der von dem Wechselspannungsgenerator G abgegebenen Schwingung ist zwischen Generator und Zirkulator ein regelbares Dämpfungsglied eingefügt.
• Ferner ist es möglich, den Halbleiteikörper direkt in einem resonanzfähigen Gebilde anzuordnen.

Claims (2)

1. Patentansprüche: 1. Volumeneffekt-Oszillator, bei dem ein einkristalliner Halbleiterkörper vom N-Leitungstyp, vorzugsweise ein III-V-Verbindungshalbleiter, durch Anlegen einer einen kritischen Wert überschreitenden Gleichvorspannung an den ohmisch kontaktierten Halbleiterkörper zu Mikrowellenschwingungen anregbar ist, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Vorspannung (U), die Amplitude einer auf den Halbleiterkörper (Pr) einwirkenden HF-Schwingung und die Periodendauer (T,) dieser angelegten HF-Schwingung so gewählt sind, daß die Periodendauer der dann entstehenden Mikrowellenschwingung größer ist als die Periodendauer (Tp,) der unbeeinflußten Mikrowellenschwingung des Oszillators.
2. 2. Oszillator nach Anspruch 1 mit Verdoppelung der Periodendauer bzw. mit Frequenzhalbierung, dadurch gekennzeichnet, daß f olgende Bedingungen eingehalten werden: U= UK, 1, 5 Ts < T", < 2 T" wobei mit UK die Gleichvorspannung bezeichnet ist, bei welcher Mikrowellenschwingungen ausgelöst werden, wenn keine weitere Vorspannung an den Halbleiterkörper anliegt. 3. Oszillator nach Anspruch 1 mit Verdreifachung der Periodendauer bzw. mit Frequenzdrittelung, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Bedingungen eingehalten werden: U< UK, Ts < Tp r < 2 Ts. 4. Oszillator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einem dreiarmigen Zirkulator (Z) besteht, der an einem Arm mit dem Verbraucher (RL), an einem weiteren Arm mit einem HF-Generator (G) verbunden ist und daß an den dritten Zirkulatorarm der Halbleiterkörper (Pr) mit der zugehörigen Gleichspannungsquelle (U) angeschlossen ist. 5. Oszillatorschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper in einem Resonator angeordnet ist.