DE1929297A1 - Unipolar-Bipolarimpulswandler - Google Patents

Description

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WESTERN ELECTRIC COMPANY INCORPORATED R. B, Robrock II 2 NEW YORK, N. Y_r 10007, USA

Unipolar-Bipolarimpulswandler

Die Erfindung betrifft einen Unipolar-Bipolarimpulswandler unter Verwendung von zwei massiven Halbleiterbauelementen mit je einer Anode und einer Kathode.

In vielen Schaltungsanordnungen wird als aktives Bauelement ein massiver (bulk) Halbleiter verwendet, der eine Domänenbildung und -ausbreitung zeigt. Es wird angenommen,; daß diese beobachtete Erscheinung darauf beruht, daß die Träger in solchen Materialien eine abnehmende (negative inkrementelle) Beweglichkeit in einem Bereich angelegter elektrischer Feldstärken zeigt. Die Quelle dieser abnehmenden Beweglichkeit ist von einem Material zum anderen stark verschieden. In golddotiertem Ge kann-sie einem feldabhängigen Einfangeffekt und in CdS einer i

Phonon-Elektronenwechselwirkung zugeordnet werden, während man für GaAs, InP, CdTe, ZnSe und andere annimmt, daß sie das Ergebnis eines Zwischental-Streumechanismus ist. Die grundsätzliche Theorie dieser Bauelemente ist im einzelnen in einer Anzahl von Aufsätzen in IEEE, Januar 1966, Transactions on Electron Devices, Band ED-13, Nummer 1, und IEEE, September 1967, Transactions on Electron Devices, Band ED-14, Nummer 9, beschrieben.

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Entsprechend der ErläEkerung in den vorgenannten Aufsätzen steigt beim Anliegen einer zunehmenden Spannung an entgegengesetzten Enden einer geeigneten Probe eines massiven Halbleiters, beispielsweise . η-leitenden Galliumarsenids, der mittlere Strom in der Probe beinahe linear mit der Spannung an, bis ein kritischer Wert erreicht ist. An diesem Punkt fällt der Strom plötzlich auf einen Bruchteil seines Maximalwertes ab. Oberhalb der kritischen Spannung bleibt der mittlere Strom in der Probe im wesentlichen konstant. Zusätzlich zeigt sich, daß in diesem Bereich herabgesetzten Stromes eine periodische Schwingung mit einer Frequenz auftritt, die zu der Länge der Probe in Beziehung steht. Die kritische Spannung, bei der der Stromabfall in der Probe, auftritt und bei der Schwingungen einleitet werden, wird Schwellwertspannung Vm genannt.

Die im Augenblick geltende Theorie nimmt an, daß diese Schwingungen auf Domänenbildungen nahe der negativen -;.: Elektrode (Kathode) beruhen, die in Richtung zur positiven Elektrode (Anode) laufen. Nach ihrer Bildung wächst eine Domäne zu einer■stabilen Form und läuft selbst dann weiter in Richtung zur positiven Elektrode, wenn die angelegte Spannung verringert wird, solange diese Spannung nur oberhalb eines minimalen Wertes bleibt, der Domänen-Aufrechterhaltungsspannung V_Dg genannt wird. Wenn die angelegte Spannung einen als Schwingungs-Aufrechterhaltungsspannung 909883/1504

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übersteigt, führt das Eintreffen einer Domäne" an der Anode zur Bildung einer neuen Domäne nahe der Kathode. Die fortgesetzte Bildung, Ausbreitung und Auflösung von Domänen erzeugt"kohärente Schwingungen des Stroms» Wenn dagegen die angelegte Spannung Kleiner als V_n<3

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aber größer als V_Dg ist, bringt die Auflösung einer Domäne an der Anode das Bauelement in seinen ursprünglichen Zustand mit ohm'sehen Verhalten zurück.

Es wurde gefunden, daß neben der Einleitung einer Domänenbildung mit Hilfe einer an die Anode und Kathode - eines massiven Bauelementes angelegten Spannung eine Domänenbildung auch durch Anlegen einer positiven Spannung an einen dritten Anschluß des Bauelementes verursacht werden kann, der zwischen der Anode und der Kathode liegt. Dieser dritte Anschluß kann ein einfacher ohm·scher Kontakt sein, bei dem Metall physikalisch mit dem Halbleitermaterial verbunden ist, oder kann ein kapazitiver Kontakt sein, bei dem die Metallisierung vom Halbleiter durch eine isolierende Schicht getrennt ist. Bei dieser letztgenannten Kontakt art werden die an den dritten Eingangsanschluß angelegten Signale naturgemäß kapazitiv an das Halbleiterbauelement angekoppelt. Es wurde gefunden, daß unabhängig von der bei dem dritten Anschluß benutzten Verbindung verhältnismäßig niedrige Spannungen an einem solchen Anschluß genügen, um eine Domänenbildung selbst dann einzuleiten, wenn die Spannung zwischen

der Anode und der Kathode wesentlich unterhalb der 909883/1504

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Schwellwertspannung V₁^ liegt. Offenbar beruht diese Erscheinung darauf, daß eine an den dritten Anschluß angelegte Spannung nur das elektrische Feld über den Schwellwert in dem Bereich zwischen dem Anschluß und der Katho* erhöhen muß.

Die Erfindung geht von einem Unipolar-Bipolarimpulswandler der eingangs genannten Art aus und ist dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Anschluß elektrisch an einen Bereich jedes Halbleiterbauelementes zwischen der Anode und der Kathode gekoppelt ist, daß eine dirtee Verbindung zwischen der Kathode des ersten Halbleiterbauelementes und der Anode des zweiten Halbleiterbauelementes vorgesehen ist, daß ein erster Eingang zum Anlegen erster, positiver Impulse an den dritten Anschluß des ersten Halbleiterbauelementes und ein zweiter Eingang zum Anlagen zweiter, positiver Impulse an den dritten Anschluß des zweiten Halbleiterbauelementes vorgesehen sind, und daß eine direkte Verbindung vorhanden ist, um an jedes der Halbleiterbauelemente eine Vorspannung anzulegen, die größer als die Domänenaufrechterhaltungsspannung und kleiner als die Schwingungsaufrechterhaltungsspannung jedes der Halbleiterbauelemente ist. Es ist also ein Paar von massiven Zweital-Halbleiterbauelementen in Reihe über eine Gleichspannungsquelle geschaltet, derart, daß jedes der Halbleiterbauelemente oberhalb der Domänenauf-rechterhaltungsspannung aber unterhalb der Schwingungsaufrechterhaltungsspannung vorgespannt ist.

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Jedes der Bauelemente besitzt eine Anode und eine Kathode sowie einen dritten Anschluß, der mit dem Halbleiter zwischen der Anode und der Kathode verbunden ist. Positiv gerichtete Impulse, die in Form negativ gerichteter Ausgangsimpulse regeneriert werden sollen, werden an den dritten Anschluß eines ersten der Bauelemente angelegt, während positiv gerichtete Eingangsimpulse, die in der gleichen Form regeneriert werden sollen, an den dritten Eingangsanschluß eines zweiten der Bauelemente angelegt werden. Ein positiver Impuls am dritten Anschluß des ersten Bauelementes bewirkt eine Domänenbildung in diesem Bauelement, während das zweite Bauelement im ohm'sehen Zustand bleibt. Entsprechend bewirkt das Anlegen eines positiven Impulses an den dritten Eingangsanschluß des zweiten Bauelementes eine Domänenbildung in diesem Bauelement, während das erste Bauelement im ohm'sehen Zustand bleibt. Da die Erzeugung einer Domäne hoher Feldstärke eine plötzliche Verringerung des Stromes in dem Bauelement bewirkt, stellt die Spannung am gemeinsamen Verbindungspunkt mit dem zweiten Bauelement einen negativ gerichteten Impuls auf Grund der Zuführung eines positivien Impulses an den dritten Anschluß des ersten Bauelementes dar und einen positiven Impuls auf Grund der Zuführung eines positiven Impulses zum dritten Anschluß des zweiten Bauelementes, Die Breite jedes Ausgangsimpulses wird durch die Durchlaufzeit der

Domäne bestimmt«

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Die Zeichnung zeigt schematisch die Hauptelemente eines Unipolar-Bipolarimpulswandlers nach der Erfindung. Ein Paar im wesentlich identischer Zweital-Halbleiterbauelemente 10 und 11 ist in Reihe zwischen eine Quelle 12 positiver Spannung und eine Quelle 13 negativer Spannung geschaltet. Jedes der Zweital-Halbleiterbauelemente 10 und 11 besitzt eine Anode sowie eine Kathode,und die Kathode 15 des Bauelementes 10 ist direkt mit der Anode 16 des Bauelementes 11 verbunden. Die Kathode 18 des Bauelementes 11 liegt direkt an der negativen Spannungsquelle 13 und entsprechend liegt die Anode 19 des Bauelementes 10 direkt an der Quelle 12 positiver Spannung. Die von den Quellen 12 und 13 gelieferte Spannung ist so gewählt, daß die an jedem Bauelement stehende Vorspannung Vg größer als die Domänenaufrechterhaltungs- ^: spannung V™ aber kleiner als entweder die Schwingungsauf rechterhaltungs spannung Vq₅ oder die Schwellwertspannung V_T ist. Wenn dann eine Domäne in einem der massiven Halbleiterbauelemente gebildet wird, bleibt diese bestehen, bis sie den positiven Kontakt, nämlich die Anode, erreicht. Dann keht das Bauelement in den ohm'sehen Zustand zurück.

Die Funktion der in der Zeichnung dargestellten Anordnung besteht darin, einen negativ gerichteten Ausgangsimpuls am Ausgangsanschluß 20 immer dann zu erzeugen, wenn ein positiver Eingangsimpuls am Eingangsanschluß 21 erscheint, und einen positiv gerichteten Ausgangs-

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impuls am Ausgangsanschluß 20 immer dann zu erzeugen, wenn ein positiver Eingangsimpuls am Eingangsanschluß 22 erscheint. Eine Quelle positiver Impulse 25 ist mit dem Eingangsanschluß 21 verbunden, der direkt an einem dritten Eingangsanschluß des Bauelementes 11 liegt. Dabei kann es sich entweder um einen ohm¹sehen Kontakt handeln, der direkt mit dem Halbleiter zwischen der Kathode 15 und der Anode 19 verbunden ist, oder um einen Kontakt, der dadurch gebildet ist, daß eine Isolierschicht auf den Halbleiter aufgebracht wird, mit der dann eine leitende Fläche verbunden wird, wobei der Anschluß 21 direkt mit der metallischen Fläche verbunden ist.

Ein entsprechender Kontakt ist am Bauelement 11 vorgesehen und eine Quelle positiver Impulse 26 liegt am Eingangsanschluß 22 und damit direkt am dritten Kontakt.

Die Zuführung eines positiven Impulses aus der Quelle 25 bewirkt eine Domänenbildung im Bauelement 10, wodurch der Stromfluß über dieses Bauelement wesentlich verringert wird. Dabei wird das Bauelement 11 nicht beeinflußt und bleibt im ohm¹sehen Bereich vorgespannt, so daß es die Eigenschaften eines Widerstandes besitzt. Da der Strom in der Reihenschaltung von der Quelle 12 zur Quelle 13 wegen der Domänenbildung im Bauelement 10 verringert ist, ergibt sich ein kleinerer Spannungsabfall über dem Bauelement 11. Als Ergebnis fällt die Ausgangsspannung, die an einem zwischen den Anschluß 21 9098 83/1504

und Erde geschalteten Widerstand 24 abgenommen wird, auf einen am Ausgangsanschluß 20 gezeigten Wert V_L ab und bleibt auf diesem Wert während der Durchlaufzeit der Domäne von der Kathode 15 des Bauelementes 10 zu dessen Anode 19. Auf entsprechende Weise bewirkt ein positiver Eingangsimpuls der Quelle 26 die Bildung einer Domäne an der Kathode 18 des Bauelementes 11, so daß der Strom in diesem Bauelement wesentlich herabgesetzt wird, während das Bauelement 10 im ohm'sehen Zustand bleibt. Da der Strom im Reihenstromkreis von der Quelle 12 zur Quelle 13 durch die Bildung einer Domäne im Bauelement 11 herabgesetzt wird, während das Bauelement 10 im ohm'sehen Zustand ist, erhöht sich die Spannung am Ausgangsanschluß 20 auf einen Wert V₁T und bleibt auf diesem Wert während der Durchlauf zeit der Domäne von der Kathode 18 zur Anode 16.

Erfindungsgemäß ist also ein Unipolar-Bipolarwandler unter Verwendung von nur zwei massiven Halbleiterbauelementen in einer verhältnismäßig einfachen Schaltung geschaffen worden, die bei extrem hohen Geschwindigkeiten betrieben werden kann.

Schließlich kann die Länge des Bauelementes 10 von der Länge des Bauelementes 11 verschieden sein, so daß die am Ausgangsanschluß 20 erzeugten positiven und negativen Impulse unterschiedliche Breite haben·

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Dadurch kann die Verbrauchereinrichtung zwischen den 'Impulsen nicht nur auf Grund ihrer Polarität, sondern auch auf Grund ihrer Zeitdauer unterscheiden.

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Claims (2)

Patentansprüche

1. Unipolar-Bipolarimpulswandler unter Verwendung von zwei massiven Halbleiterbauelementen mit je einer Anode und einer Kathode, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter Anschluß elektrisch an einen Bereich jedes Halbleiterbauelementes (10, 11) zwischen der Anode (19, 16) und der Kathode (15, 18) gekoppelt ist, daß eine direkte Verbindung zwischen der Kathode (15) des ersten Halbleiterbauelementes (10) und der Anode (16) des zweiten HaIbMterbauelementes (11) vorgesehen ist,

daß ein ernster Eingang zum Anlegen erster, positiver Impulse an den dritten Anschluß des ersten Halbleiterbauelementes (10) und ein zweiter Eingang zum Anlegen zweiter, positiver Impulse an den dritten Anschluß des zweiten Halbleiterbauelementes (11) vorgesehen sind,

und daß eine direkte Verbindung vorhanden ist, um an jedes der Halbleiterbauelemente (10, 11) eine Vorspannung (12, 13) anzulegen, die größer als die Domänenaufrechterhaltungsspannung (V_DS) und kleiner als die Schwingungsaufrechterhaltungsspannung (V_QS) jedes der Halbleiterbauelemente ist.

2. Unipolar-Bipolarimpulswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Halbleiterbauelement (10)

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zur Bildung einer Domäne angeregt werden kann, wenn ein positiver Impuls an den dritten Anschluß des ersten Halbleiterbauelementes angelegt wird und das zweite Halbleiterbauelement (11) zur Bildung einer Domäne angeregt werden kann, wenn ein positiver Impuls an den dritten Anschluß des zweiten Halbleiterbauelementes (11) angelegt wird, derart, daß die Spannung an der direkten Verbindung zwischen der Kathode (15) des ersten üalbleiterbauelementes (10) und der Anode (16) des zweiten Halbleiterbeelementes (11) herabgesetzt wird, wenn das erste Halbleiterbauelement (10) eine Domäne bildet, und erhöht wird, wenn das zweite Halbleiterbauelement (11) eine Domäne bildet.

3· Unipolar-Bipolarimpulswandler nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine direkt zwischen die Kathode (15) des ersten Halbleiterbauelementes (10) und die Anode (16) des zweiten Halbleiterbauelementes (11) geschaltete Ausgangseinrichtung, die die umgewandelten Impulse zum Zweck ihrer Weiterverwendung ableitet.

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