DE1929853A1 - Anordnungen zur Ausnutzung des Gunn-Effektes - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf in Serie geschaltete Gunn-Effekt anordnungen oder Gunn-Dioden und insbesondere auf Bedingungen für eine Anordnung, eine Schaltung und für den Betrieb, die erforderlich sind, um zwei oder mehr nicht identische Gunn-Effektanordnungen, die in Serie geschaltet sind, wirksam betreiben zu können, derart, daß jede Anordnung zur erzeugten Hochfrequenz beiträgt. Diese in Serie geschalteten Gunn-Dioden können miniaturisiert werden und können zu in Serie parallel-geschalteten Anordnungen erweitert werden, um eine kompakte Hochleistungsmikrowellenquelle zu erzeugen,

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Die konventionelle Dunn-Diode, die in einer Widerstandsschaltung entsprechend der Gunn-Wirkungsweise betrieben wirdj erzeugt kohärente Mikrowellenstromschwingungen mit einer Frequenz, die der Zeit proportional ist, die ein Raumladungsdipolbereich hoher Feldstärke benötigt, um von einer Elektrode zur anderen zu gelangen. Wenn die angelegte Spannung die Schwellenspannung überschreitet und innerhalb des negativen Widerstandsbereiches liegt, wird die Hochfelddomäne.gewöhnlieh in der Nähe der Kathode erzeugt, die mit der Fortpflanzung zur Anode größer wird und in dem Maße wie die Domäne an der Anode aufgefangen wird, wird eine neue Domäne in der Nähe der Kathode erzeugt. Wegen der räumlichen Begrenzung einer Festkörperanordnung,bei der die Durchgangszeit eine Rolle spielt, besitzt die normale Gunn-Diode eine geringe Leistungsfähigkeit. Die Diode kann auch in einem Resonanzkreis betrieben werden, bei dem einer Vorspannung eine Hochfrequenzspannung überlagert wird, die eine Frequenz besitzt, welche größer als die Laufzeitfrequenz ist, derart, daß in jeder Periode die gesamte Spannung vom Wert oberhalb der Schwellenspannung bis zum Wert unterhalb der Löschspannung schwingt. Beim Durchlaufen des unteren Bereiches der Löschspannung wird im Falle des Löschbetriebes die Hochfelddomäne oder im Falle der begrenzten Räumladungssammeldiode (limited space charge accumulation diode = LSA Diode) die Raumladungssammelschlcht in dem Raum zwischen den Elektroden gelöscht. Obgleich höhere Frequen zen ind eine gepulste Ausgangsleistung erreicht werden können, beträgt die mittlere Ausgangsleistung in der Praxis angenähert die Größe wie bei der konventionellen Gunn-Diode.

Um wesentlich höhere Ausgangsleistungen zu erreichen, die die Gunn-Diode für die Verwendung als eine Hochleistungmikrowellenquelle geeignet machen, ist es z.B. notwendig, mehrere Dioden oder eine einzige Anordnung mit einer großen Fläche zu verwenden. Der Parallelbetrieb von Gunn-Dioden weist den gleichen Nachteil auf, wie eine einzige Anordnung mit einer großen Fläche,

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nämlich daß der reine Widerstand des Netzgenerators unpraktisch niedrig wird. Darüber hinaus erfordert die Anordnung mit einer einzigen großen Fläche einen geometrisch sehr großen und elektrisch gleichförmigen Kristall von Galliumarsenid oder andere geeignete Halbleitermaterialien, die schwierig herzustellen und zu kühlen sind. Aus diesen Gründen bieten in Serie geschaltete Gunn-Dioden gegenwärtig das aussichtsreichste Verfahren große Leistungen aus Festkörperanordnungen auf dem Mikrowellengebiet zu erzeugen. Eine Serienkette kombiniert nicht nur die Hochfrequenzleistung, die -durch jede Diode erzeugt wird, sondern läßt auch den Nettowiderstand des Meßgenerators ansteigen. Da Hochleistungs-Gunn-Dioden für sich Anordnungen mit einem geringen Widerstand sind, bedeutet der Anr stieg des Generatorwiderstandes ein wichtiges Merkmal für die Entwicklung brauchbarer Schaltungen. Es bedeutet auch einen großen Fortschritt, Parallelschaltungen mit Serienschaltungen zu kombinieren, um eine in Serie parallel-geschaltete Diodenanordnung herzustellen.

Es ist theoretisch möglich, mehrere in Serie geschaltete identische Gunn-Dioden entweder in einem Widerstands- oder in einem Resonanzkreis zu betreiben. Es ist jedoch wirtschaftlich nicht tragbar, Anordnungen mit genau identischen elektrischen Parametern herzustellen. Wenn nicht-identische Gunn-Dioden in Serie geschaltet und in herkömmlicher Weise betrieben werden, neigt eine von ihnen dazu, den größten Teil der angelegten Vorspannung aufzunehmen. Hierdurch verbleibt für die übrigen Elemente eine ungenügende Vorspannung und anstatt Mikrowellenenergie zu erzeugen, wirken die Dioden mit einer ungenügenden Vorspannung als mit Verlusten behaftete Lasten. Um jede Diode in eine Serienkette zu bekommen, damit sie ihren Anteil der gesamten Ausgangsleistung der Mikrowellenenergie erzeugt, müssen einige Mittel vorgesehen sein, um sicherzustellen, daß die angelegte Spannung mehr oder weniger gleichförmig oder proportional zwischen den einzelnen Dioden aufgeteilt wird, über den Betrieb einiger Gunn-Dioden in einer

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Serienschaltung, die untereinander einen Abstand von einer » halben Wellenlänge besitzen und in einem Mikrowellenhohlraumresonator angeordnet sind, wurde bereits berichtet. Da eine große elektrische Trennung zwischen Jeder Diode (eine halbe Wellenlänge) zum Betrieb in dieser Weise notwendig ist, so führt diese Technik nicht zu einer Miniaturisierung und es ist aus den angegebenen Daten nicht sicher, daß alle Dioden ihren Anteil der gesamten Ausgangsleistung erzeugen.

Gemäß der Erfindung besteht eine kompakte Hochleistungsmikrowellenquelle aus mehreren nicht-identischen Gunn-Effektanordnungen, die in räumlicher Nähe zueinander angeordnet in Serie geschaltet sind und die in Serie mit einem Parallelresonanzkreis zur Erzeugung einer Hochfrequenzspannung liegen. Die einzelnen Gunn-Anordnungen sind aus halbleitendem Material hergestellt, die gewisse physikalische Parameter aufweisen, die innerhalb einer vorbestimmten Toleranz liegen/Insbesondere muß die mittlere negative dielektrische Relaxationszeit der Anordnung innerhalb eines Bereiches von 20 % liegen und das Produkt der Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration mit der Querschnittsfläche der einzelnen Anordnung muß innerhalb eines Bereiches von 20 % liegen. Jede Anordnung besitzt ferner die Fähigkeit, vollständige Hochfelddipöldömänen zu bilden, wenn die Schwellenspannung überschritten wird.

Entsprechende Mittel sind vorgesehen, um an die in Serie geschalteten Gunn-Anordnungen und den Parallelresonanzkreis eine Vorspannung anlegen zu können, deren Größe für Jede Anordnung mindestens etwa 1,8 mal der Schwellenspannung einer jeden Anordnung beträgt. Der Parallelresonanzkreis wird auf eine Hochfrequenz abgestimmt, die einer Ungleichung genügt, nämlich daß das Verhältnis der mittleren negativen dielektrischen Relaxationszeit des halbleitenden MatQ^i-als zur Hochfrequenzperiode 0,15 oder größer ist, wobei die Hochfeldraumladungsdomäne, die in jeder Gunn-Effektanordnung erzeugt wird, unvollständig gebildet wird und eine im wesentlichen negative

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Nettoraumladung besitzt. Der Parallelresonanzkreis hat zusätzlich eine Pbchfrequenzimpedanz, derart, daß die an jede Anordnung, angelegte Gesamtspannung wegen der überlagerten Vorspannung und der Hochfrequenzspannung in jedem Hochfrequenzzyklus zwischen einem Wert oberhalb der Schwellenspannung und einem Wert unterhalb der Domänenlöseilspannung schwingt, wobei die unvollständig gebildeten Hochfelddomänen einer jeden einzelnen Anordnung in der Serienschaltung irgendwo in dem Raum zwischen den Elektroden gelöscht werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen, in denen einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 eine schematische Schaltung eines vereinfacht abgestimmten Schaltkreises zum Betrieb einiger in Reihe geschalteter nicht-identischer Gunn-Effektanordnungen gemäß der Erfindung;

Figur 2 eine schematische isometrische Ansicht einer einzelnen Gunn-Diode, die vergrößert dargestellt ist, aus der die Dotierungsdichte eines Donators bezüglich der Längsausdehnung der Diode zu entnehmen ist;

Figur 3 eine charakteristische Kurve der Ladungsträgergeschwindigkeiten, aufgetragen über das mittlere elektrische Feld und die angelegte Gesamtspannung, der eine Kurve der angelegten Hf-Spannung über der Zeit überlagert ist, um graphisch die unmittelbare Gesamtspannung wegen der überlagerten Gleichvorspannung und HF-Span-■nung darzustellen;

Figur 4 für eine Serienschaltung von zwei nicht-identischen Anordnungen, Kurven des berechneten Verhältnisses der zwischen den zwei Anordnungen angelegten Hf-Spannung, aufgetragen üfcer das Verhältnis t' /f ,,

en ri

von zwei verschiedenen Verhältnissen von mittleren 9 0 9 8 51/13 4 8

negativen dielektrischen Relaxationszeiten;

Figur 5a und

Figur 5b die entsprechenden typischen Kurven der Donatordichte η und des elektrischen Feldes E aufgetragen über die Längsausdehnung einer einzelnen Diode, die gemäß der Erfindung betrieben wird, um unvollständig gebildete Hochfelddipoldomäne zu erzeugen;

Figur 6 die errechnete Hochfrequenzspannung, aufgetragen über der ZeitCharakteristik für zwei in Serie geschaltete, nicht-identische Dioden, wobei deutlich gemacht wird, daß jede zur Ausgangsleistung beiträgt;

Figur 7 einen diagrammartigen Querschnitt eines möglichen physikalischen Ausführungsbeispieles einer vereinfachten Schaltung nach Figur 1,
die

Fig. 8 und 9 schematische Schaltung von zwei verschiedenen, in Serie parallel-geschalteter Reihen von Gunn-Dioden, wobei jede eine genügende Leistung erzeugt, um als ein Hochleistungsmikrowellengenerator zu dienen, und

Fig. 10a und

Fig. 10b diagrammartige Vorder- und Seitenansichten eines Aufbaues für Dioden, die gemäß Figur 9 geschaltet sind.

Das vereinfachte Schaltbild nach Figur 1 umfaßt drei Gunn-Effektanordnungen HA, HB und HC, die in Serie geschaltet sind, die sich zueinander in räumlicher Nähe befinden und die mit einem Parallelresonanzkreis 12 verbunden sind, wobei die Serienschaltung so ausgebildet ist, daß sie mit den Anschlüssen einer Quelle zur Erzeugung eines Gleichstromimpulses 13 verbunden ist. Der Parallelresonanzkreis 12 enthält einen Kondensator 14, der zur in Serie geschalteten Kombination, bestehend

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aus einem Induktor 15 und einem Widerstand 16, parallelliegt, wobei der Widerstand 16 ein äquivalenter Widerstand ist, der den Widerstand des Induktors 15 und einer vorbestimmten Hf-Belastung enthält. Die Serienschaltung der Ounn-Dioden kann auf der Basis eines Impulses oder eines Dauerbetriebes (unge-. dämpfte Welle) erfolgen und die Quelle sendet gleichgerichtete oder doppelseitig gerichtete Energien aus. Obgleich drei in Serie geschaltete Gunn-Dioden hier dargestellt sind, kann die Schaltung auch innerhalb angemessener Grenzen angewendet werden, um einen Serienbetrieb einer beliebigen Anzahl von in Serie geschalteter Gunn-Effektanordnungen zu betreiben. Um einen Serienbetrieb nicht-identischer Dioden zujerreichen, so daß" jede einzelne Diode zur Gesamtausgangsleistung beitragt, gibt es 6 wesentliche Bedingungen für die Anordnung, die Schaltung und den Betrieb, die erfüllt sein müssen. Diese 6 Bedingungen werden in Bezug auf die Figuren 2 bis 6 erläutert und werden später genauer aufgeführt. In allgemeiner Art lauten sie kurz wie folgt:

1. jede der Dioden muß in der Lage sein, Gunnschwingungen von Hochfelddomänen zu erzeugen, wenn sie in einer Widerstandsschaltung einzeln betrieben werden;

2. obgleich die Dioden nicht-identisch sind,müssen.gewisse physikalische Charakteristiken der einzelnen Dioden innerhalb gewisser vorbestimmter erlaubbarer Grenzen liegen;

3. die gesamte, an die Schaltungskette der Dioden angelegte Vorspannung überschreitet einen vorbestimmten Wert in Bezug auf die Anzahl der Dioden;

¹I. die Serienkette wird in einem abgestimmten Resonanzkreis betrieben;

5. die Hochfrequenzimpedanz des abgestimmten Kreises wird bei der Frequenz des Serienbetriebes so ausgewählt, daß sie einen vorbestimmten Wert besitzt,

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6. die Betriebsfrequenz der Serienkette der Dioden muß daher » hoch genug sein, um die Bildung einer vollständigen Gunn-Dipolhochfelddomäne in irgendeiner der einzelnen Dioden zu verhindern.

Die in Figur 2 wiedergegebene vergrößerte Skizze der Anordnung 11 besteht aus einem n-Galliumarsenid-Kristall 17 oder einem anderen halbleitenden Material, wie beispielsweise Kadmiumtellurid oder Zinkselenid, das ansich schon in der Lage ist, Gunn-Sch¥ngungen zu erzeugen und besitzt an zwei gegenüber- W liegenden Enden eine Kathodenelektrode 18 und eine Anodenelektrode 19. Der Kristall 17 besteht vorzugsweise aus einem rechtwinkligen Parallelpipedon und weist ein nominell konstantes, in Längsrichtung sich erstreckendes Donator dotiertes Dichteprofil aufj wie es durch die überlagerte Kurve 20 angedeutet ist j wobei die gesamte Elektronendonatorkonzentration n_Q über die Länge L als Abszisse aufgetragen ist. Obgleich bei einer Grobbetrachtung die mittlere in Längsrichtung donatordotierte Dichte im wesentlichen über den größten Teil der Länge der Diode konstant ist, so können doch bei einer Betrachtung mit einem größeren Maßstab natürlich vorkommende zufällige Variationen und mögliche örtliche Konzentrationen größerer . und geringerer Dotierungsdichten vorkommen. Die steil anstei-" genden Teilender Kurve 20 in der Nähe der Kathode 18 und der Anode 19 zeigen die stark dotierten Bereiche an, die durch Anwendung Ohmscher Kontakte an gegenüberliegenden Enden des halbleitenden Kristalles gebildet werden. Diese Elektroden werden gewöhnlich aus Metall, wie beispielsweise aus Zinn, hergestellt, das als Donatorverunreinigung für den halbleitenden Kristall 17 wirkt. Um einen Serienbetrieb mehrerer in Serie geschalteter Anordnungen zu erreichen₈ist es notwendig, daß die mittlere negative dielektrische Relaxationszeit der Diode innerhalb eines Bereiches von 20 % liegt, und daß das Produkt der mittleren Nettoelektronendonatorkonzentration mit den Querschnittsflächen der einzelnen Dioden (das Produkt n_QA) innerhalb eines Bereiches von 20 % liegt. Die zulässige

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Toleranz der körperlichen Längen der einzelnen Dioden ist größer als diese prozentuale Größe. Es ist leicht einzusehen, daß, wenn die einzelnen Dioden aus Teilen eines Halbleitermaterials hergestellt wurden, die identische Elektrodenbeweglichkeitscharakteristiken aufweisen, die entsprechenden Bedingungen für die negativen dielektrischen iFfelaxationszeiten auf die Erfordernisse vereinfacht werden, nämlich daß die elektrischen Ladungsträgerkonzentrationen der Dioden innerhalb eines Bereiches von 20 % liegen.

Eine andere Bedingung für den Serienbetrieb besteht darin, daß jede der Dioden in der Lage sein muß, Hochfelddomäne-Gunn-Schwingungen zu erzeugen, wenn diese einzeln in einem Widerstandsschaltkreis in dem Gunn-Modus betrieben werden, d.h. das Produkt n_QL der Halbleiterdiode ist größer als der bekannte kritische Wert. Der Gunn-Modus wird zum besseren Verständnis des Serienbetriebes ferner erläutert. Wie bereits vorher erwähnt wurde, bildet sich irgendwo im Raum zwischen den Elektroden eine Raumladungshochfelddomäne aus, wenn die Gleichvorspannung, die an die Anschlüsse der Diode angelegt wird, die Schwellenspannung überschreitet und zwar bildet sie sich gewöhnlich in der Nähe der Kathodenelektrode 18 im Bereich der ansteigenden donatordotierten Dichte. Die elektrische Feldverteilung im Kristall 17 bricht in eine Hochfelddomäne und in einen Bezirk geringen Feldes auf. Dieser Zustand ist ansich unstabil und die Hochfelddomäne pflanzt sich über die Anordnung zur Anodenelektrode hin fort und wenn sie von der Anodenelektrode aufgenommen wird, wird eine neue Hochfelddomäne an der Kathode erregt. Die Frequenz der sich ergebenden Stromschwingungen ist proportional der Durchlaufzeit der Domäne, die als Gunn-Frequenz bezeichnet wird. Für die weitere Erklärung des Gunn-Effektes in gewissen gleichrichtenden Materialien ist es jetzt allgemein anerkannt, daß der Gunn-Effekt, der auch als der "Zweisenkenelektronendurchgangseffekt" (two-valley electron transfer effect) bekannt ist, mit dem Durchgang heißer Elektronen zwischen den Leitungsbandsenken verbunden

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ist, die sich von der Energie durch einen Bruch eines Elektronenvolts unterscheiden. Die niedrigste Energieleitungsbandsenke ist das normale Elektronenleitungsbarid und ein starkes elektrisches Feld bewirkt, daß die heißen Elektronen von der niedrigen Energiestufe mit hochbeweglicheh Senken in das nicht-aufgefüllt höhere Energieband mit geringbeweglichen Leitungsbandsenken springen, wo sie weniger zum leitungsprozeß beitragen. Wenn die Rate, bei der die Elektronen in die geringbewegliche Senke überspringen, hoch genug ist, wird der Gesamtstrom durch die Diode abnehmen, obgleich das elektrische Feld *~ ansteigt. Der Durchgangselektronen-Effekt bewirkt daher einen spannungsgesteuerten negativen differentiellen Massenwiderstand, der die Ausgangsstromschwingungen verursacht.

Der negative Widerstandsbereich für Gunn-Effektgleichrichtermaterialien kann deutlich in der elektrischen Feldcharakteristikkurve 21 der Ladungsträgergeschwindigkeit, wie in Figur dargestellt, aufgezeigt werden. Zwischen dem Ursprung der Kurve am Punkte a und der Spitze der Kurve am Punkt b, bei der die maximale Ladungsträgergeschwindigkeit vorliegt, ist die Ladüngsträgergeschwindigkeit und daher auch der Ausgangsstrom, da der Strom proportional der Ladungsträgergeschwindigkeit ist, allein von der Charakteristik der Leitungsbandsenke geringer Energie und hoher Beweglichkeit abhängig und die Anordnung folgt im wesentlichen vom Punkt a zum Punkt b dem Ohmschen Gesetz. Das bedeutet, daß, wenn das angelegte elektrische Feld E ansteigt, auch die Ladungsträgergeschwindigkeit ansteigt. Zwischen dem Punkt b, bei dem die maximale Ladungsträgergeschwindigkeit vorliegt, und dem Punkt c werden die Abweichungen vom Ohmschen Gesetz-merklich und die Anordnung tritt in das Gebiet negativen differentiellen Widerstandes ein. In dem negativen Widerstandsgebiet sinkt die Ladungsträgergeschwindigkeit, obgleich das elektrische jFeld ansteigt, und dies resultiert aus dem Elektronendurchgangseffekt-, der gerade beschrieben wurde, bei dem einige Elektronen in eine Senke geringerer Beweglichkeit laufen, wo sie zum Leitungsprozeß

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weniger beitragen. Das elektrische Feld beim Punkt c wird als Schwellenfeld E., bezeichnet und stellt den niedrigsten angelegten mittleren Feldwert dar, bei dem Hochfelddipolbereiche, gebildet und Gunn-Schwingungen erzeugt werden. Das angelegte . elektrische Feld E. muß natürlich das Schwellenfeld E- übertreffen und ist darüber hinaus innerhalb des negativen Widerstandsbereiches der Kurve 21 (hier ist nicht die gesamte
statische Geschwindigkeits-Feldcharakteristik darstellt).

Eine Forderung für den Serienbetrieb von N in Serie geschaltete Dioden besteht darin, daß die Vorspannung V. größer als 1,8 N mal der Schwellenspannung V.- für Gunn-Schwingungen von Hochfelddomänen irgendeiner einzelnen Diode in der Serienkette
ist. Besonders muß die Vorspannung groß genug sein, um sicherzustellen, daß für jede Diode die folgeSe Ungleichung gilt:

dt / dx /n(x,t)v(E_tot)E_rf(t)7 J

t = t_t

hierbei bedeutet:

- Hf Periode
L = Länge der Diode
n(x,t) = freie Elektronendichte als Funktion des

Ortes χ und der Zeit t

v(E_to- χ = Elektronengeschwindigkeit als Funktion'
der gesamten elektrischen Feldstärke

^Etot^(x'-^{t) = E}b ^{+ E}rf^{(t) + Ε} ₅._ε.^(χ^>

E. = das auf die Vorspannung beruhende Feld

E -.(t) = Schaltkreisfeld
rr

E₁, rs (x,t)= Raumladungsfeld

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Diese Beziehung gilt, ganz gleich ob die Vorspannung V_b auf einer Pulsbasis oder auf einer Impulsfolgebasis beruht. Die an jede der Dioden angelegte Vorspannung beträgt vorzugsweise das doppelte ihrer Schwellenspannung oder auch mehr. Es liegt j'edoeh ein Grenzbetrieb vor, wenn die Vorspannung Irgendeiner Diode etwa das 1,8-fache ihrer Schwellenspannung beträgt. Ein typischer Wert der Vorspannung ist durch die gestrichelte Linie 22 in der Figur 3 wiedergegeben.

Die Wellenform der Hf-Spannung, die durch den Parallelresonanzkreis 12, der in Figur 1 wiedergegeben ist, erzeugt wird, wird durch die Kurve 23 in Figur 3 wiedergegeben. Die Hf-Impedanz des abgestimmten Schaltkreises 12 wird bei der Frequenz des Serienbetriebes so festgelegt, daß während eines kleinen Teiles •einer jeden Hf-Periode die gesamte Spannung wegen der überlagerten Vorspannung plus der Hf-Spannung an jeder einzelnen Diode in der Serienkette unterhalb Ihrer Löschspannung V der Hochfeld-Gunn-Domäne liegt. Die Löschspannüng V wird durch die gestrichelte Linie 2k angezeigt und hat einen Wert, der wegen der Hysteresiseffekte, die in den Gunn-Anördnungen vorkommen, geringer 1st als die Schwellenspannung V^_h. Wie bereits ausgeführt wurde, ist die Frequenz der Hf-Spannungswellenform 23 größer als die Gunn-Frequenz. Wegen der überlagerten Hf-Spannung und der Vorspannung V^ schwingt die gesamte angelegte Spannung in Jedem Hf-Zyklus von Werten oberhalb der Schwellenspannung bis zu Werten unterhalb der Löschspannung. Daher wandert in jedem Hf-Zyklus eine unvollständig gebildete Hochfelddipoldomäne oder eine angesammelte Raumladungsschicht, die in der Nähe der Kathodenelektrode 18 erzeugt wurde, in Richtung zur Anodenelektrode, wobei sie allmählich größer wird und wird dann irgendwo in dem Raum zwischen den Elektroden wegen der abwärtsgerichteten Schwingung der Hf-Spannung gelöscht, die bewirkt, daß die gesamte Spannung unterhalb der Löschspannung V sinkt.

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Eine wichtige Forderung für den Serienbetrieb besteht darin, daß der Parallelresonanzkreis 12 auf eine Frequenz abgestimmt wirdj wobei die Gesamtspannung, die an irgendeiner einzelnen Diode in einer Serienkette anliegt, schnell genug variiert, um die Bildung einer vollständigen Hochfelddipoldomäne in dieser Diode zu verhindern. Mit anderen Worten, die Betriebsfrequenz der Serienkette muß groß genug sein, um die Bildung einer vollständigen Hochfeld-Gunn-Domäne In irgendeiner Diode in der Serienkette zu verhindern. Diese Bedingung wird erfüllt, wenn eine gewisse Ungleichung zwischen der mittleren negativen dielektrischen Relaxationszeit und der Hf-Periode besteht, die lautet:

0,15

wobei ^ _f die Zeitperiode eines Hf-Zyklus bei der Frequenz des Serienbetriebes und Γ^ die durchschnittliche negative Relaxationszeit Irgendeiner einzelnen Diode in der Serienkette bedeutet. Eine Definition von ^a₁ » die für den Fachmann brauchbar ist, ist folgende:

^. c

■ ^{6n H}o^e |A|

wobei £ die Dielektrizitätskonstante des aktiven halbleitenden Materials ist, aus dem die Gunn-Diode besteht, η die Gleichgewichtsdichte der elektrischen Ladungsträger der Ladung e in dem aktiven Material und j^j der absolute Wert der Neigung einer geradlinigen Näherung an die Form des negativen Widerstandsteiles der Geschwindigkeitsfeldcharakteristik 21 (die Neigung der Kurve 25 in Figur 3). Es muß daran erinnert werden, daß, wenn die einzelnen Dioden aus einem halbleitenden Kristall hergestellt wurden, die im wesentlichen den gleichen Wert von LuI besitzen, die mittlere negative dielektrische Relaxationszeit einer jeden einzelnen Diode nur eine Funktion von n_Q ist. Insbesondere ISt^-TV umgekehrt proportional zu n_Q.

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Der kritische Wert der Ungleichung zwischen der negativen dielektrischen Relaxations zeit "C^ und der Hf-Periode ^₁,_f wird aus einer errechneten graphischen Darstellung gemSß Figur ¹I bestimmt. Unter der Annahme, daß nur zwei Gunn-Dioden A und B in der Serienkette vorhanden sind, ist das Verhältnis der Hf-Spannungen an den zwei Dioden L rf J__A_ über das

Verhältnis --— - aufgetragen. In diesem Falle ist "T^

t rf ^

die mittlere negative dielektrische Relaxationszeit der Diode A.

^ Wenn die zwei Dioden physikalisch identisch sind und insbesondere wenn die mittlere elektrische Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration η in den zwei Dioden gleich ist., dann erscheint die gleiche Hf-Spannung an jeder Diode und das Verhältnis der zwei Hf-Spannungen beträgt genau 1,0. Für genau identische Dioden wird die in Figur 1 gez'eigte Kurve eine horizontale Linie 26. Dies wird für Vergleichszwecke angegeben, da der Serienbetrieb identischer Gunn-Dioden allgemein bekannt ist und es sich hierbei um einen trivialen Fall handelt, da die Herstellung genau-identischer Anordnungen wirtschaftlich nicht tragbar ist. Die Kurve 27 gibt den Fall wider, für den die Dioden innerhalb eines Bereiches von 1,2 % liegen, d.h. das Verhältnis der mittleren dielektrischen Relaxationszeit wird

" durch den Ausdruck

(f)

--ⁿ—- = 0,988

angegeben.

Die Kurve 28 entsteht, wenn das Verhältnis der mittleren nep-ativen dielektrischen Relaxationszeit 0,95 beträgt und wenn die Abweichung der Dioden innerhalb eines Bereiches von 5 5 liegt. Der mittlere Abszissenwert der stark gekrümmten Teile in den zwei Kurven 27 und 28 beträgt etwa 0,15 und dies ist

T" " der kritische Wert des Verhältnisses, das als Abszisse . i_n

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BAD ORIGINAL

aufgetragen ist. Bei dem kritischen Abszissenwert 0,15 muß bemerkt werden, daß nur etwa 20 Ji der Spannung, die an einer der Dioden erscheint, an der anderen Diode vorkommt, aber mit einem Abszissenwert von O₃M; Jedoch die Spannungen, die an den zwei Dioden vorkommen, kommen sich viel näher.

Das Konzept der unvollständig gebildeten Hochfelddipoldomänen, das bei einigen Betriebsbedingungen für den Serienbetrieb der Gunn-Effektanordnungen gemäß der Erfindung charakteristisch ist, kann durch Bezug auf die in den Figuren 5a und 5b wiedergegebenen Diagramme besser verstanden werden. In der Figur 5a ist die Donatordichte η als eine Funktion des Abstandes χ entlang der Länge der Diode wiedergegeben. In einem Dipolbere.ich glBt es per Definition eine Elektronensammelschicht 30, der eine Elektronenleerschicht 31 folgt. Die*Elektronensammelschicht 30 hat natürlich eine negative Raumladung, während die Elektronenleerschicht 31 eine positive Raumladung besitzt. In einer unvollständig gebildeten Hochfelddipoldomäne ist die Gesamtzahl C_n der negativen Ladungen in der Sammelschicht 30 schätzungsweise größer als die Gesamtzahl C der positiven Ladungen in der Elektronenleerschicht 31, und es gibt tatsächlich eine negative Nettoraumladung. Aus diesem Grunde (sh. Figur 5b) ist der Wert des elektrischen Feldes an der Anodenseite der unvollständig gebildeten Hochfelddipoldomäne wesentlich -größer als der Wert des elektrischen Feldes auf der Kathodenseite der unvollständig gebildeten Domäne. Die elektrische Ladungsverteilung, die in der Figur 5a und die elektrische Feldverteiiung, die in der Figur 5b gezeigt ist, stellt die hauptsächlichsten Betriebsbedingungen dar, die beim Serienbetrieb der Gunn-Effekdioden vorkommen. Wenn tf « kurz genug ausgewählt wird, dann wird C sehr nahe bei null sein und die in Serie geschalteten Gunn-Effektdioden bilden anstelle unvollständig gebildeter Hochfelddipoldomänen Raumladungssammelschichten.

Wenn der wirkliche Serienbetrieb mehrerer nicht-identischer in Serie geschalteter Gunn-Effektanordnungen erzielt wird, ' trägt jede Diode zur3Gesamtausgangsleistung bei. Dies wird graphisch anhand der Figur 6 aufgezeigt, wo die errechneten Hf-Spannungen (V >,). und (V f)_ß für zwei Dioden A und B über der Zeit aufgetragen sind. Da die zwei Dioden nicht genau identisch sind, sind auch die anliegenden Hf-Spannungen nicht gleich, jedoch träge jede Diode mehr oder weniger aur erzeugten Gesamtausgangsleistung bei. Der in Figur 6 aufgezeigte Ablauf entspricht den Beziehungen

_=O,95 und %£*- -- 0,3*6

Wenn die verschiedenen Bedingungen für die Anordnung, die Schaltung und den Betrieb, die beschrieben wurden, erfüllt werden, wird der Einfangeffekt, bei dem eine Diode in der Serienkette alle Vorspannungen einfängt, während die anderen Dioden als mit Verlusten behaftete Belastungen wirken, vermieden. Im folgenden werden die erforderlichen Bedingungen zusammengestellt.

Bedingung 1: jede der in Serie geschalteten Gunn-Effektanordnungen ist in der Lage, vollständige Gunn-Schwingungen mit Hochfeldipoldomänen zu erzeugen, wenn sie in einem Widerstandsschaltkreis einzeln betrieben werden.

Bedingung 2: die mittlere negative dielektrische Relaxationszeit der Dioden liegt innerhalb eines Bereiches von 20 % und das; Produkt der mittleren Nettoelektronendonatorkonzentratlon mit der Querschnittsfläche jedes der einzelnen Anordnungen in der Serienkette liegt innerhalb eines Bereiches von 20 %. Die zulässige Toleranz der körperlichen Länge der einzelnen Anordnung ist größer als 20%.

Bedingung 3: die in Serie geschalteten Gunn-Effektanordnungen müssen in einem abgestimmten Parallelresonanzkreis betrieben werden.

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-17-

Bedlngung 4: um mit einer Serienkette von N Dioden (N-2,3,4, 5,6,- .... oder größer) Schwingungen zu erzielen, muß die gesamte angelegte Vorspannung größer als 1,8 N mal der Schwellenspannung für Gunn-Schwingungen Irgendeiner einzelnen Diode in der Serienkette sein, d.h. V. .=»1,8 M · V.^, wobei V, die Größe der Vorspannung ist, die entweder auf der Puls- oder Impulsfolgebasis beruht und V^ _h die Schwellenspannung für eine Gunn-Schwingung bei Hochfelddipoldomänen irgendeiner Diode in der Serienkette ist.

Bedingung 5: die Hf-Impedanz des abgestimmten Parallelresonanzkreises bei einer Frequenz des Serienbetriebes wird so ausgewählt, daß während eines kleinen Teiles während jeder Hf-Periode die gesamte Spannung (angelegte Vorspannung plus Hf-Spannung, die durch den abgestimmten Kreis induziert wird), die jeder einzelnen Diode in der Serienkette anliegt, unterhalb ihrer Löschspannung für die vollständigen Hochfelddipoldomänen liegt.

Bedingung 6: die Betriebsfrequenz der Serienkette muß hoch genug sein, um die Bildung einer vollständigen Hochfelddipoldomäne in irgendeiner Diode in der Serienkette zu verhindern. D.h. die Gesamtspannung an jeder einzelnen Diode in der Serienkette variiert stark genug, um eine vollständige Bildung von Hochfelddipoldomänen in der Diode zu verhindern. Für nicht-identische Gunn-Effektanordnung wird diese Bedingung erfüllt, wenn:

-—eS- =& 0,15 ist. - .

¹ rf

Eine mögliche physikalische Ausführung der in der Figur 1 schematisch dargestellten äquivalenten Schaltung wird in Figur 7 angegeben. Dieses Gerät enthält einen koaxialenzylinderförmigen Mikrowellenhohlraumresonator und wird nur kurz geschrieben. Eine Endwandung des koaxialen Zylinders 35 hat eine durchgehende öffnung 3.6, die als Belpaßkondensator wirkt, durch die sich der zentrale Leiter 37 für eine koaxiale Signaleingangs-

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. ■ -18-

« leitung 38, an die die Gleichvorspannung angelegt wird, die entweder pulsförmig oder impulsförmig ist, erstreckt. Die nicht-identischen in Serie geschalteten Gunn-Dioden HA, HB und HC liegen räumlich dicht beieinander, ohne daß zwischen den Enden des zentralen Leiters 37 der Eingangsleitung 38 und dem gegenüberliegenden Ende des zentralen Leiters 39 des Koaxialzylinders 35 eine nennenswerte räumliche und elektrische Trennung vorliegt. Die Mikrowellenenergie, die durch diese Anordnung erzeugt wird, wird durch eine koaxiale Ausgangsleitung 40 über eine konventionelle Kopplungsschleife 41 ausgekoppelt.

Um eine höhere Mikrowellenausgangsleistung zu erreichen, derart, daß eine kompakte physikalische Anordnung entsteht, wird die Gesamtzahl der Gunn-Dioden erhöht und in einer parallel-geschalteten Serienanordnung aufgebaut. In Figur 8 wird eine bestimmte Zahl von Serienketten, 42, 42a, 42b ......42n miteinader parallelgeschaltet, wobei jede Serienkette eine beliebige Anzahl nichtidentischer in Serie geschalteter Gunn-Dioden enthält. Die Serienkette der Gunn-Dioden kombiniert nicht nur die Hf-Leistung, die durch jede Diode erzeugt wird, sondern erhöht auch die gesamte Generatorimpedanz auf einen praktischen Wert, so daß die Parallelschaltung einiger Diodenketten möglich wird, während noch ein genügend hoher Wert an Nettogeneratorimpedanz

übrig bleibt. Da Gunn-Dioden hoher Leistung für sich Anordnungen mit geringer Impedanz darstellen, ist die Möglichkeit, die Nettogeneratorimpedanz über die Serie oder über die parallelgeschaltete Serienschaltung mehrerer Gunn-Effektdioden zu steuern, ein praktisch wichtiges Merkmal dar.

Figur 9 gibt ein anderes System für den Betrieb parallelgeschalteter Serien wieder. In dieser Anordnung wird eine be~

: stimmte Anzahl nicht-identischer Gunn-Dioden 43 miteinand=- ; parallel-geschaltet und diese parallel-geschalteten Diode? werden mit anderen parallel-liegenden Gruppen nicht-ident;*..■■,< >>er

Gunndioden 43 a.. 43h in Serie verbunden. Um einen ° ien-

betrieb dieser parallel-liegenden Diodengruppen zu erweichen,

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ist es ausreichend, daß die physikalischen Parameter der zuvor genannten Halbleitermaterialien (die sich auf die mittlere negative dielektrische Relaxationszeit und das Produkt der Gleichgewichtsladungsträgerkonzefitration und der Querschnittsfläche beziehen) für Jede insgesamt betrachtete parallelliegende Gruppe innerhalb eines Bereiches von 20 % liegen. Auf diese Welse ist es möglich, daßjjede einzelne Diode in einer parallel-angeordneten Gruppe solche physikalischen Parameter besitzt, die nicht innerhalb eines Bereiches von 20 % liegen, solange die parallele. Gruppe für sich bezogen auf die anderen parallel-liegenden Gruppen innerhalb eines Bereiches von 20 % liegt» Es können Jedoch, falls es erforderlich ist₅ alle einzelnen Dioden der gesamten Anordnung innerhalb eines Bereiches von 20 % liegen.

Wie in Figur 10 dargestellt ist, erlaubt die Serienparallelschaltung eine größere Beweglichkeit hinsichtlich der zu ergreifenden Maßnahmen für die Wärmeableitung für den Hf-Leistungsgenerator. So kann es vorteilhaft sein, die einzelnen Dioden voneinander getrennt anzuordnen, um Kanäle zu schaffen, durch die ein Kühlmittel zirkulieren kann. In der in Figur 10 wiedergegebenen Paket anordnung der einzelnen Dioden in den Parallelgruppen kj>, 43a .....^Ä5n sind diese zwischen parallel-angeordneten Molybdänstäben kk bis kl befestigt und entsprechende elektrische Kontakte Ί8 und k9 sind an den äußeren Oberflächen der äußeren Stäbe in einer Sandwichanordnung befestigt. Jede einzelne Diode in der Anordnung ist natürlich mit den Stäben, die sich dazwischen befinden, verlötet oder anderweitig befestigt. Eine Seite eines Jeden Stabes Mk bis ^7 ist ebenfalls über eine thermisch-leitende Verbindung mit einer Wärmesenke 50, die z.B. aus Beryllium besteht, verbunden. Diese Anordnung ist sehr kompakt, kann miniaturisiert werden und ermöglicht eine angemessene Wärmeabfuhr und die Zirkulation eines Kühlmittels.

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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß gezeigt wurde, daß es möglich ist, mehrere nicht-identische Gunn-Effektanordnungen, die in Serie geschaltet sind, ohne eine erforderliche elektrische oder physikalische Trennung betrieben werden können, um den Einfangeffekt zu vermeiden, so daß jede Anordnung zur Gesamtausgangsleistung beiträgt. Die Schaltungsanordnung ist relativ einfach und die Toleranzen, die durch die Anordnung physikalisch eingehalten werden müssen, sind vom Standpunkt der Herstellung aus ausführbar, so daß ein Serienbetrieb wirtschaftlich tragbar ist. Darüber hinaus ist der Anstieg der Generatorimpedanz*, der durch die Serienschaltung erreicht wird, ein wichtiges praktisches Merkmal. Da die Diodenschaltung miniaturisiert und angemessen gekühlt werden kann, ist es möglich, eine kompakte Hochleistungsmikrowellenquelle zu konstruieren, die eine Serienparallelschaltunp; von Gunn-Dioden verwendet.

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Claims (10)

1. Ansprüche

   (l/ Schaltung zur Erzeugung eines Hochfrequenzstromes, da durch gekennzeichnet, daß mehrere nichtidentische Gunn-Effektanordnungen vorhanden sind, die gewisse vorbestimmte physikalische Parameter besitzen, welche innerhalb eines Bereiches eines vorbestimmten Prozentsatzes liegen, wobei jede Anordnung die Fähigkeit besitzt, vollständig gebildete Hochfelddipoldomänen zu erzeugen, wenn eine Schwellenspannung überschritten wird, daß Mittel vorhanden sind, um die Gunn-Effektanordnungen in einer Seriensch'altung und in räumlicher Nähe zueinander und in Serie mit einem Resonanzkreis zu. verbinden, um eine Hochfrequenzspannung zu erzeugen, die eine gewünschte Frequenz besitzt, daß Mittel vorhanden sind, um an die in Serie geschalteten Gunn-Effektanordnungen und an den Parallelresonanzkreis eine Vorspannung anlegen zu können, dessen Größe die Schwellenspannung einer jeden Anordnung mit einem vorbestimmten Betrag übertrifft, wobei der Parallelresonanzkreis auf eine Hochfrequenz abgestimmt ist, die einer vorgegebenen Ungleichung zwischen der mittleren negativen dielektrischen Relaxationszeit des Halbleitermaterials und der Frequenz der Hochfrequenzspannung genügt, so daß die Hochfelddomänen, die in jeder Diode erzeugt werden, unvollständig gebildet werden und eine im wesentlichen negative

   .Nettoraumladung besitzen, und daß die Parallelresonanzschaltung eine Impedanz aufweist, derart, daß die Gesamtspannung, die an jede Anordnung anliegt, wegen der überlagerten Vorspannung und Hochfrequenzspannung" in jedem Hochfrequenzzyklus zwischen Vierten oberhalb der Schwellspannung und Werten unterhalb der Domänen^pcinnung schwingt.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die physikalischen Parameter der G _t-;n-Effektanordnung innerhalb eines vorbestimmten Prozentsatzes liegen, bestehend aus der mittleren negativen dielektrischen
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   BADORiGtNAL
4. Relaxationszeit der Anordnung, die innerhalb eines Bereiches von 20 % liegt und- dem Produkt der Gleichgewichtsladungsträgerkonzentration mit der Querschnittsfläche der einzelnen Anordnung, das ebenfalls innerhalb eines Bereiches von 20 % liegt.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch g e k e π η zeichne t, daß die Größe der Vorspannung einer jeden Anordnung mindestens ungefähr gleich 1,8 mal der Schwellenspannung einer jeden in Serie geschalteten Anordnung ist*

   4» Schaltung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e η η zeichnet, daß die vorbestimmte Ungleichungsbeziehung zwischen der mittleren negativen dielektrischen Relaxationszeit und der Frequenz der Hochfrequenzspannung darin besteht, daß das Verhältnis der mittleren negativen dielektrischen Relaxationszeit zur Hochfrequenzperiode mindestens gleich 0,15 ist.

   5. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch g e'k e η η zeichnet, daß zusätzliche nicht-identische Gunn-Effektanordnungen gleichfalls gewisse physikalische Parameter besitzen, die innerhalb eines vorbestimmten Prozentsatzes liegen, wobei die zusätzlichen Anordnungen mit mindestens einer der vorher erwähnten in Serie liegenden Anordnungen parallel-gesehaltet sind, um eine Serienparallelkette zu bilden,
6. 6. Schaltung für eine kompakte Hochleistungsmikrowellenquelle, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Satz nicht-identischer Gunn-Effektanordnungen vorgesehen ist, wobei jede aus Halbleitermaterial besteht, die eine mittlere negative dielektrische Relaxationszeit besitzen und einem Produkt, bestehe aus der Gleichgewichtsladunp-strägerkonzentration mit der Querschnittsfläche der einzelnen Anordnungen genügen, wobei die Werte innerhalb eines Bereiches von 20 % liegen und die die Fähigkeit zur Erzeugung vollständig gebildeter Hochfelddipoldomänen zur Wanderung von einer Elektrode

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   fcur anderen besitzen, wenn eine Schwellenspannung überschritten wird, daß Mittel zur Verbindung der einzelnen Gunn-Effektanordnungen des ersten Satzes der Anordnungen in Serienschaltung zueinander und in Serie zum Parallelresonanzkreis vorhanden sind, um eine Ibchfrequenzspannung zu erzeugen, die eine gewünschte Frequenz besitzt, daß Mittel vorhanden sind, um an die in Serie geschalteten Gunn-Effektanordnungen und den Parallelresonanzkreis eine Vorspannung anzulegen, deren Größe für jede Anordnung mindestens etwa 1,8 mal der Schwellenspannung einer jeden Anordnung beträgt., daß der Parallelresonanzkreis auf eine Hochfrequenz, abgestimmt ist, die größer als die Durchlaufzeitfrequenz ist. die einer Ungleichung genügt, derart. daß das Verhältnis der negativen dielektrischen Relaxationszeit des Halbleitermaterials zur Periode der Hochfrequenzspannung mindestens gleich 0.15 ist. so daß die Hochfelddomäne, die in jeder Diode erzeugt wird, unvollständig gebildet wird und daß sie eine negative Nettoraumladung besitzen, wobei der Parallelresonanzkreis eine Impedanz aufweist, derart, daß die gesamte, an jede Anordnung angelegte Spannung wegen der überlagerten Vorspannung und Hochfrequenzspannung in jedem Hochfrequenzzyklus zwischen Werten oberhalb der Schwellenspannung und Werten unterhalb der Domänenlöschspannunp· oszilliert, wobei in jedem Zyklus die unvollständig gebildeten Hochfelddomänen in dem Raum zwischen den Elektroden relöscht werden.
7. 7. Schaltung nach'Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Satz in Serie geschalteter Gunn-Effektanordnungen vorhanden ist, der die zuvor genannten physikalischen Parameter der Halbleitermaterialien der einzelnen Anordnungen aufweist, welche in ähnlicher Weise innerhalb eines Bereiches von 20 % liegen, wobei der erste undd der zweite Satz der in Serie geschalteten Gunn-Effektanordnungen wiederum parallel-geschaltet ist. um eine kompakte Hochleistungsserienparallelkette zu bilden.
8. 8. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch geke nnzeichnet, daß das halbleitende Material aus Galliumarsenid

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   besteht und daß weiterhin zusätzliche Sätze von in Serie * geschalteter nicht-identischer Gunn-Effektanordnungen vorhanden sind, welche die zuvor genannten physikalischen Parameter der halbleitenden Materialien bezüglich der einzelnen Anordnungen aufweisen, welche in ähnlicher Weise innerhalb eines Bereiches von 20 % liegen, wobei der erste und der zusätzliche Satz der in Serie geschalteten Gunn-Effektanordnungen wiederum untereinander parallel-geschaltet sind, um eine kompakte Hochleistungsserienparallelkette zu schaffen.
9. 9. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch geke η η zelchnet, daß zusätzliche nicht-identische Gunn-Effektanordnungen vorhanden sind, wobei jede mit einer der vorher erwähnten Anordnungen parallel-geschaltet ist, um mindestens zwei parallele Gruppen von Anordnungen zu bilden, welche wiederum in Serie geschaltet sind, wobei die zuvor genannten physikalischen Parameter der halbleitenden Materialien jeder Parallelgruppenanordnunp: insgesamt innerhalb eines Bereiches von 20 % liegen.
10. 10. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitende Material aus Galliumarsenid besteht und daß weiterhin mehrere zusätzliche nichtidentische Gunn-Effektanordnungen vorhanden sind, die mit Jeder zuvor genannten Anordnung parallel-geschaltet sind, um mehrere parallele Gruppenanordnungen zu bilden, welche wiederum in Serie geschaltet sind, wobei die zuvor genannten physikalischen Parameter der halbleitenden Materialien jeder parallel-geschalteten Gruppe insgesamt innerhalb eines Bereiches von 20 % liegen.

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