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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ziel der Erfindung ist es, einen Volumeneffekt-Oszillator aufzuzeigen,
dessen Schwingung so beeinflußbar ist, daß man eine Frequenzteilung erhält.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ferner ist es möglich, den Halbleiteikörper direkt in einem resonanzfähigen
Gebilde anzuordnen.