DE1791237C - Volumeneffekt Oszillator Ausscheidung aus 1466514 - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Volumeneffekt-Oszillator, bei dem ein Körper aus einem IH-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 (»Gunnc-Effekt) beruht, wie dies beispielsweise in der Literaturstelle Solid-State Commun., I (1963), S. 88 bis 91, »Microwave Oscillations of Current in HI-V-Semiconductors« beschrieben wurde.

Wenn an einen Halbleiterkörper aus einem N-leitenden III-V-Halbleiter geeigneter Abmessungen (Dicke z. B. 10 bis 200 μνη) 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-Ubergang 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 liegen in der Größenordnung von einigen zehn Milliwatt.

Es konnte expr.nmentell nachgewiesen werden, daß beim Erreichen des kritischen Spannungswertes sich an der Kathode des Halbldterkö.pers 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 t₀ ist das kritische Potential Φκ erreicht. Kurze Zeit später (zum Zeitpunkt ι = /]) 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 Halbleiterköiper läuft. Erst nach Ankunft der ersten Weile 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 Halbleiterkörper 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 Arbeitspunkt A) setzen die Stromschwingungen ein, wobei sich der Strom periodisch zwischen den Extremwerten Jmaz und 1min 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 lll-V-Verbindungshalbleiter durch Anlegen einer einen kritischen Wert überschreitenden Gleichvorspannung an den ohmisch kontaktierten Halbleiterkörper zu Mikrowellenschwin-5¹UHgCn 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 Mikrowellen-.' schwingung größer ist als die Periodendauer T_pr der unbeeinflußten Mikrowellenschwingung c*es Oszillators.

Wählt man beispielsweise den Arbeitspunkt A und hält die Bedingung

1,57, < T_pr <2T„

-in, so ergibt sich die in der Fig. 3b dargestellte Kurvenform des über der Zeit aufgetragenen Stromes. Der zugehörige Verlauf der Gesamtspannung ist in der Fig. 3a 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 de^r Arbeitspunkt an der Stelle B liegt (vgl. F i g. 2) und die Bedingung

T_s

T_pr

2T_S

eingehalten wird, können je nach dtr 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 Fig. 4a dargestellt, wobei die Spannung m», zu dem in der F i g. 4b dargestellten Stromverlauf und die Spannung u_S2 zu dem in der F i g. 4c dargestellten Stromverlauf gehört. Entsprechend der großen Amplitude der Wechselspannung u_Si erhält man die in der Fig. 4b dargestellte Verdreifachung der Periodendauer T_s, also eine Frequenzdrittelung, während man mit der kleinere:. Wechselspannungsamplitude Mj₂ die in der F i g. 4c dargestellte Periodenverdopplung, also eine Frequenzhalbierung erzeugen kann.

Betra* .itet 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 f.ritt für U -■-- Ub < Uk eine Schwingung mit der Periodendauer 2T_s, also mit der Frequenz /«/2 auf. In diesem Fall ergibt sich eine Frenuenzteilung, wobei die erzeugte Frequenz von der Größe der gewählten Gleichspannung (U < Uk) abhängig ist. In der F i g. 5 ist dieser Zusammenhang graphisch dargestellt. Bezüglich der Spannungsverteilung der gestrichelt eingezeichneten Spannung m„, in der Fig. 5a kann der zugehörige Stromverlauf der Fig. 5b entnommen werden. Hierbei tritt eine Periodendauerverdreifachung bzw. eine Frequenzdrittelung auf. Der in Jer F i g. 5a ferner eingezeichnete Spannungsverlauf gemäß der durchgezogenen Linie u,j mit gleicher HF-Amplitude jedoch kleinerer Gleichspannung Uni bewirkt die in der F i g. 5c dargestellte Stromverteilung, die zu einer Periodendauer-

Verdopplung bzw. einer Fiequenzhalbierung führt. Sowohl bei der Frequenzteilung mit Hilfe der veränderlichen HF-Überlagerungsamplitude als auch bei der Frequenzteilung mit veränderlicher Oleichspannung Un sind solche Verhältnisse zu schaffen, daß für

die resultierende Periode T = 3Γ, die Hochfeldzone dann die Anode erreicht, wenn dort ein Potential größer als das kritische Potential liegt, und daß für T= IT, die Hochfeldzone dann die Anode erreicht,

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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 deichvorspannung von der Spannungsquelle LJ 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 Halbleiterkörper direkt ig in einem resonanzfähigen Gebilde anzuordnen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Volumeneffekt-Oszillator, bei dem ein einkristalliner Halbleiterkörper vom N-Leitungstyp, vorzugsweise ein IH-V-Verbindungshalbleiter, durch Anlegen einer einen kritischen Wert überschreitenden Gleichvorspannung an den ohmisch kontaktierten Halbleiterkörper zu Mikrowellenschwingungen anregbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung (U), die Amplitude einer auf den Halbleiterkörper (Pr) einwirkenden HF-Schwingung und die Periodendauer (Tf) dieser angelegten HF-Schwingung so gewählt sind, daß die Periodendauer der dann entstehenden Mikrowellenschwingung größer ist als die Periodendauer (7» der unbeeinflußten Mikrowellenschwingung des Oszillators.

2. Oszillator nach Anspruch 1 mit Verdoppelung der Periodendauer bzw. mit Frequenzhalbierung, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Bedingungen eingehalten werden:

U= U_K,

l,5T_s< Tpr< 27V.

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 feigende Bedingungen eingehalten werden:

U <U_K,

Ts < Tpr < 27V

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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen