DE1947637A1

DE1947637A1 - Hochfrequenzhalbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE1947637A1
Application number: DE19691947637
Authority: DE
Inventors: Kuniyasu Kawarada; Yoshihiko Mizushima
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1968-09-21
Filing date: 1969-09-19
Publication date: 1970-03-26
Also published as: FR2018605B1; FR2018605A1; NL6914252A; DE1947637B2; DE1947637C3; GB1288237A; US3638082A

Description

Patentanwälte Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H.Weickmann, D1PL.-PHYS. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. A.Weickmann, Dipl.-Chem. B. Huber

8 MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH 860 820

MÖHLSTRASSE 22, RUFNUMMER 48 3921/22

Nippon Telegraph and Telephone Public Corporation 1-6, 1-chome, Uchisaiwaicho, Chiyoda-ku, Tokyo, Japan

Hochfrequenzhalbleiterrorrichtung ·

Die Torliegende Erfindung bezieht sich auf Hoehfrequenzhalbleitervorrichtungen, bei der Halbleiterelemente zur Erzeugung τοη Hochfrequenzoszillationen verwendet werden.

Es ist bereits eine Hochfrequenzhalbleitervorrichtung ■it Halbleiterelementen vorgeschlagen worden, welche PH-Übergänge zur Erzeugung von Hochfrequenzoszillationen benutzen. Dabei benutzt man eine Avalanche- LadungsträgerVervielfachung, die innerhalb der ttalbleiterelemente durch Anlegen einer Sperr« spannung an den ΈΉ- Obergang erzeugt wird, um bei derartigen Halbleiterelementen mit einem einzelnen

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PN - Übergang jedoch einen wirksamen Einfluß des Raumladungseffekte auf die eingeprägte innere elektrische Feldstärkenverteilusg zu erhalten, so daß man eine hohe Ausbeute erzielt, muß die Stromdichte sehr groß sein» Es ergibt sich also der Nachteil einer geringen Oszillationsaiasbeute, bei geringen Stromdichten.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Hochfrequenzhalbleitervorrichtung zur Erzeugung einer Hochfrequenzausgangsenergie hoher Leistung durch Verbesserung einer Hochfrequenzhalblei tervorrichtwng aus Halbleiterelementen mit einfachen PH- Übergängen zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, daß die mit zwei einander gegenüberliegenden Elektroden versehene Halbleitervorrichtung 00 ausgebildet ist, daß sie an zwei innerhalb der Vorrichtung gelegenen Funkten optimale Werte der eingeprägten inneren elektrischen Feldstärkenverteilung erzeugt, wenn keine Raumladungsmodulation der beweglichen Ladungen durch Anlegen einer Gleiehrorspannung zwischen den beiden Elektroden besteht. Me Hochfrequenzoszillationen entstehen dabei auf der Basis einer Ladungsträger-Vervielfachung durch eine'n avalanche- oder Lavineneffekt im Halbleiter und/oder einen Ladungsträgerlauf zeit effekt. Im folgenden soll die oben beschriebene eingeprägte innere elektrische Feldstärkenverteilung, deren öptimalwerte an zwei Stelle der HalbleitervorriclitraBg liegen, als Boppelmaximumfeldverteilung bezeichnet werden.

Anhand der in den Figuren der Zeichnung schema ti sch

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dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden. Dabei zeigt:

Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Figur 2 die PeIdverteilung der Anordnung nach Figur 1,

Figuren 3 bis 7 abgewandelte Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Hochfrequenzhalbleitervorrichtung und

Figur 8 die Feldverteilung in einer Anordnung nach Figur 7.

In Figur 1 ist mit 1 eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung bezeichnet, bei der eine P-Zone L-, eine N-Zone L₂, eine P-Zone L~ und eine N-Zone L. in der genannten Reihenfolge aufeinanderfolgen, um Übergänge J₁₂, Jj, und J~. zu bilden,

Die P- Zone L- und die N- Zone L. sind mit ι 4

Elektroden 3L und !L, versehen, welche über eine Last 2 an eine Gleichpo%entialvorspannungsquel±e angelegt sind. Die Last 2 1 st beispielsweise ein Widerstand, Die Gleiehspannungsquelle ist so angelegt, daß die Elektrode T^ mit einem negativen und die Elektrode T₂ ππΛ einem positiven Potential beaufschlagt sind. Statt eines ohmsehen Widerstandes kgcnn die Last 2' auch eine Übertragungsleitung oder ein Resonanzkreis sein. Bei der Verwendung der Anordnung zur Erzeugung von Mikrowellen kann der Resonanzkreis ein Koaxialleitungs- oder Hohlleitungsresonator sein, wobei das Halbleiterelement innerhalb des Resonatorhohlraums untergebracht sein kann.

Die Halbleitervorrichtung 1 stellt eine Anordnung dar, bei welcher ein Halbleiterelement mit einem PN- Übergang

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bestehend aus der P- Zone I^ und der N- Zone I»p mit einem Halbleiterelement, bestehend aus der P- Zone L, und der N- Zone L. in Form einer Kaskade hintereinandergeschaltet sind. Wird durch die Vorspannungsquelle 3 eine Sperrspannung an die Übergänge J-« und J,. der beiden Halbleiterelemente angelegt, so erhält man eine elektrische Feldstärkenverteilung e entsprechend der Kurve 4 in Figur 2 mit zwei optimale Werte darstellenden Maximas im Bereich der übergänge J₁₂ und J-IA* Dabei ist als Abszisse der Abstand in Richtung der Zonen L^ bis L. gewählt worden. Die Lagen der Optimalwerte der Feldverteilungskurve 4 mit zwei Maximas kann durch Variation der Dicken der Zonen L- bis L. verändert werden. Darüberhinaus läßt sich der Optimalwert der Kurve 4 durch Ändern der Spannung der Vorspannungsquelle 3 einstellen.

Bei geeigneter Auswaifl. der Lage und Größe der Optimalwerte der Doppelmaximumfildverteilung, wobei z. B. wie in Figur 2 der eine Optimalwert größer sein kann als der andere ₉ erhält man eine Lawinenvervielfachung der Ladungsträger zunächst am Übergang J*g» die sich nach rechts fortsetzt und nach einer gewissen Laufzeit den Optimalwert des elektrischen Feldes am Übergang J-- infolge des Raumladungseffekts der Ladungsträger in die avalanche- Zone erhöht, so daß am Übergang J-. eine Lawinenvervielfältigung induziert wird und Ladungsträger umgekehrter Polarität sich nach links fortpflanzen. Wenn solche Ladungsträger aus der ErSchöpfungszone herausgelangen, steigt die Klemmenspannung wieder an, so daß am Übergang J-« ein erneuter avalanche- Effekt erfolgt, woraufhin sich der gesamte Vorgang wie beschrieben wiederholt· Die Amplitude des im äußeren Kreis induzierten Leitungsstromes nimmt infolge des Beitrags der vom

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induzierten Lawinendurchbruch erzeugten Ladungsträger zu, so daß man an der Last 2 eine starke Oszillationsausgangsspannung erhält. Auch in Piaer üblichen PN- Struktur läßt sich eine Doppelmaximumfeldverteilung zeitweilig erhalten, so daß ein induzierter Lawinendurchbruch entstehen kann_e Um diesen Zustand zu realisieren, benötigt man jedoch eine relativ hohen Ladungsträgerdichte. Bei Beachtung der Wärmeentwicklung erweist es sich jedoch als schwierig, einen kontinuierlichen Betrieb zu bewirken. Bei einer Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, bei welcher unter Zuhilfenahme einer Gleichpotentialvorspannuhg eine Doppelmaximumfeldverteilung gebildet wird, ist es möglich, eine wirksame Modifikation der Feldverteilung zu erzeugen und damit einen induzierten Lawinendurchbruch bei relativ kleinen Stromdichten hervorzurufen, ·

Bei der oben beschriebenen Halbleitervorrichtung 1 erzeugt man beispielsweise die F- Zone L, durch Diffusion in eine Halbleiterschicht mit einem spezifischen Widerstand von 1 Π. cm, welche die N- Zone L. darstellt, die N- Zone L₂ wird durch Diffussion in diese P- Zone L, und die P- Zone L₁ durch Diffussion in die N- Zone L« erzeugt. Die Zonen L,, L„ und L₁ haben eine Dicke von 2 ax, 5 /U und 5 /U und wurden anschließend mäsageätzt, wobei die Querschnittsfläche der Zone L₁ einer Fläche mit einem Durchmesser von 200 /U entspricht (die Fläche entspricht dem Übergang J₁ p)· Die Zonen L₁ und L. werden mit Elektroden T₁ und T« versehen, über eine Last 2 mit einer Vorspannung squelle 3 verbunden und innerhalb einer Wellenleitung montiert. Dabei enthält man Ausgangsoszillationen von 9 GHz mit einem Wirkungsgrad von 26 i* mit einer

■χ ρ durchschnittlichen Stromdichte von 3 · 10^A pro cm ·

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Es sei darauf hingewiesen, daß die Halbleitervorrichtung im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine PN-PH-Struktur aufweist und demzufolge einer Anordnung gleich die unter dem Hamen gesteuerter Halbleitergleichrichter (Pyristor) bekannt ist. Im letzteren Fall wird Jedoch eine variable Vorspannung wechselnder Polarität an die PK- Übergänge angelegt, während bei einer erfinduzigsgemäßen Halbleitervorrichtung 1 eine Vorspannung fester Polarität derart angelegt ist, daß sich unter Gleichpotentialvorspannungsbedingungen eine Doppelmaximumfeldverteilung innerhalb der Halbleitervorrichtung ausbilden kann, so daß eine Ladungsträgervervielfachung und ein Trägerlaufzeiteffekt durch avalanche- Vervielfachung erzielbar ist. Eine erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung wird demzufolge mit Mikrowellenbauelementen in einen Frequenzbereich betrieben, in welchem die laufzeiteffekte nicht mehr vernachlässigbar sind. Die Optimalwerte der tatsächlichen mitwirkenden Querschnittsflächen in den Übergängen J-tp* **23 ^{und J}24 ^{sind so} ausgewählt, daß sie kleiner sind als eine Kreisfläche mit einem Durchmesser von £00 /U, während die Gesamtlänge der Raumladungsschicht kleiner ist als 40 Ai, Sie Beschränkungen hinsichtlich der Querschnittsfläche und der Gesamtlänge beruhen darauf, daß, was die erstere Bedingung anbelangt, ansonsten infolge des Anwachsens der Kapazität zwischen den Elektroden T. und Tp die oben beschriebenen Ausgangsoszillationen nicht mehr erhalten wurden, während die letztere Bedingung deshalb besteht, da ansonsten, die Oszillationsfrequenz auf praktisch unbedeutende Werte reduziert würde. Eine erfin&ungsgemäße Halbleitervorrichtung kann deshalb von einem bekannten Pyristor-bereieh durch die äußeren Abmessungen, d.h. durch, die Querschnittfläche uhS. &Le Gesamtlänge, unterschieden werden.

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Eine Halbleitervorrichtung gemäß vorliegender Erfindung ist somit dadurch gekennzeichnet, daß sie während des Betriebs eine Doppelmaximumfeldverteilung aufweist und mit einem Hochfrequenzgehäuse innerhalb einer Wellenleitung oder Streifenleitung versehen ist und daß die maximalen Querschnittsflächen der Übergänge J₁₂* ^J23 ¹^¹⁴ **34 innerhalb der Halbleitervorrichtung kleiner sind als eine Kreisfläche mit einem Durchmesser von 200 /u, während ihre Gesamtlänge kleiner sein soll als 40 /u.

Im folgenden soll das Ausführungsbeispiel der Figur beschrieben werden. Die Halbleitervorrichtung entspridht dabei der nach Figur 1 mit der Ausnahme, daß zwischen die N- Zone L₀ und die P- Zone L, eine I- Zone L eingefügt ist, so daß sich an Stelle des Übergangs J«, in Figur 1 beim Ausführungsbeispiel nach Figur zwei Übergänge Jp,- und J₁-- ergeben. Aus diesem Grund sind einander entsprechende Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen und sollen auch nicht mehr im einzelnen erläutert werden. Auch bei dieser Struktur ist wiederum ein Halbleite:: element mit einem PN- Übergang aus einer P- Zone L₁ und einer N- Zone lip sowie ein Halbleiterelement aus der P- Zone L, und der N— Zone L. über eine I— Zone L₁- kaskaaengeschaltet. Durch geeignete Auswahl der Dicken der Zonen L- und L. zusammen mit der I- Zone L,- kann man in gleicher Weise Ausgangsoszillationen erzeugen, wie sie anhand des Ausführungsbeispiels nach Figur 1 erläuterx wr len sind. Die Zonen L-j, Lg» L₁-, L, und L. werden in gleicher Weise wie in Figur 1 durch Diffussion erzeugt und anschließend mäsageäzt,wobei ihre Dicke in der angegebenen Reihenfolge 5 /U, 5/U, 20 yu, 3/u und 2 /u beträgt und die Querschnittsfläche der Zone L. der Fläche einer Kreisfläche mit einen Durchmesser von

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150 Ai entspricht. Bringt man diese Anordnung in eine tfellenleitung, so erhält man Ausgangsoszillationen von etwa 2,5 GHz₀

Das Ausführungsbeispiel nach Figur 4 entspricht wiederum dem nach Figur 1 mit der Ausnahme, daß auf einem Teil der P- Zone L₁ eine N- Zone Lg aufgebracht ist, so daß zwischen diesen beiden Zonen ein zusätzlicher Übergang Jg- entsteht. Die N- Zone Lg ist mit einer Elektrode T, versehen und kann an eine Vorspannungsquelle 5 angelegt werden, welche Gleichspannung oder Wechselspannung liefert. Auch die Arbeitsweise entspricht im wesentlichen dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1, wobei jedoch durch Ladungsträgerinjektion von der Vorspannungsquelle 5 über den Übergang Jg.. in die Zone L- der Oszillationszustand gesteuert' werden kann. Durch Anlegen einer Gleichpotentialvorspannung über die Vorspannungsquelle 5 kann man die Größe der Ausgängspszillation steuern, legt man dagegen ein Impulssignal an, so wird die Ausgangsoszillation mit dem Pulssignal synchronisiert, während bei Anlegen eines Gattersignals die Oszillation durch dieses Signal gestaltet oder gestoppt wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 ist an die N- Zone Lp eine P- Zone L₇ angebracht, so daß zwischen der Zone L^ ^und dieser zusätzlichen Zone L₇ ein Übergang J₇₂ entsteht. Die P- Zone L₇ ist mit einer Elektrode T. kontaktiert und mit einer Steuerspannungsquelle 5 analog wie bei der Anordnung nach Figur 4 verbunden. Durch eine Iflinoritätsträgerinjektion von der Spannungsquelle 5 über den Übergang J,™ in die Schicht Lp erhält man die gleichen Betriebscharakteris-tiken wie bei der Anordnung nach Figur 4.

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Die Ausführungsform nach Figur 6 entspricht in ihrem Verhalten exakt der nach Figur 5 und stellt lediglich einen günstigeren geometrischen Aufbau dar, in dem die P- Zone L₁ verkleinert ist und an der dadurch frei werdenden Übergangsfläche zur U- Zone L« eine nunmehr mit L_ß bezeichnete P- Zone angebracht ist. Zwischen dieser Zone L_ß und der Zone Lp entsteht ein PN- Übergang Jg.. über den mit Hilfe der Vorspannungsquelle 5 Minoritätsträger injiziert werden.

Es sind nur einige Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dargestellt. So ist es sofort ersichtlich, daß die zusätzliche Steuerung mit Hilfe einer Minoritätsträgerinjektion, wie sie in den Figuren 4 bis 6 dargestellt ist, auch bei einer Anordnung gemäß Figur 3 verwendet werden kann. Der Hauptpunkt der vorliegenden Erfindung liegt jedoch in der Schaffung einer Anordnung, die in der Lage ist, zwei Maximalwerte der eingeprägten inneren elektrischen Feldstärkeverteilung an zwei Stellen innerhalb der Vorrichtung zu ergeben, so daß man durch bloßes Anlegen eines Gleichpotentials Hochfrequenzschwingungen erzeugen kann.

Aus diesem Grund ist in Figur 7 eine Anordnung dargestellt, bestehend aus einer P- Zone L- , einer N- Zone Lp und einer Metallschicht 7, um einen PN- Übergang J₁P und einen Schottky- Übergang Jp., zu bilden, wobei die Metallschichten 6 und 7 die beiden in den Figuren 1 bis mit T₁ und T₂ bezeichneten Elektroden darstellen. Wie in Figur 8 dargestellt ist, ergibt sich, durch diese Anordnung eine Doppelmaximumfeldverteilung 8, deren Maximalwerte an den Stellen der Übergänge J₁₂ und J₂₇ liegen. Gibt man der Halbleiterschicht L« eine geeignete Länge, so erhält man den gleichen Effekt, •wie er anhand der Figur 2 bis 6 beschrieben wurde.

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In der vorstehenden Beschreibung ist stets davon ausgegangen worden, daß man nur eine Vorspannungsquelle 3 an die Elektroden T^ und Tp anlegt, um die Oszillationen zu erzeugen. Es ist jedoch auch möglich, die Gleichpotentialvorspannung so einzustellen, daß sie gerade unterhalb des Schwellwertes liegt, der zur Erzeugung der Oszillationen notwendig ist_s so daß diese Oszillationen erst dann auftreten, wenn noch eine zweite Steuerspannungsquelle diese Spannung über eine dritte Elektrode überlagert wird, In diesen Fällen kann die Steuerspannungsquelle in Serie mit der G-leichspannungsquelle 3 geschaltet sein. Ebenso kann die Steuerspannungsquelle Impulse liefern.

Des weiteren ist in der obigen Beschreibung stets der Fall behandelt worden, daß die Oszillationen einer kontinuierlichen periodischen Welle gesteuert werden. Legt man jedoch in den oben genannten Beispielen eine Eingangsspannung etwa der halben Breite der Oszillationsperiode an, so erhält man ein dem Eingangsimpüls im Verhältnis 1 : 1 entsprechendes Ausgangssignal an der Last, so daß die Vorrichtung auch als Hochgeschwindigkeitsimpulsverstärker arbeiten kann. In diesem Falle braucht man dem Laufzeiteffekt keine besondere Aufmerksamkeit widmen.

- Patentansprüche -

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Claims

Patentansprüche

Hochfrequenzhalbleitervorrichtung mit zwei beabstandeten Elektroden , an die über eine äußere Last eine Gleichspannungsquelle angelegt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente so ausgebildet sind, daß die eingeprägte innere Feldstärkenverteilung zwei optimale Werte aufweist, wenn keine Raumladungsmodulation bewegter Ladungsträger durch Anlegen der Gleichspannung erfolgt, so daß die Last durch avalanche-Effekte innerhalb der Halbleiterelemente mit einer oszillierenden Ausgangsspannung beaufschlagt wird.

2. Hochfrequenzhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der maximale Wert der wirksamen Querschnittsfläche kleiner ist als eine Fläche mit einem Durchmesser von 200 ,u und $ die Gesamtlänge des Elements der RaumladungsscMchten kleiner ist als 40 Ai,

J>. Hochfrequenzhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine dritte Elektrode, so daß die Ausgangsoszillation durch Anlegen einer Steuerspannungsquelle an die dritte Elektrode steuerbar ist.

4. Hochfrequenzhalbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente PNPN oder PNIPN - Struktur aufweisen, in dem zwei Halbleiterelemente mit jeweils einem PN- Übergang zu einer Kaskadenstruktur verbunden sind und daß die Polarität der Vorspannungsquelle so ausgewählt ist, daß jeder PN-Übergang dieses Halbleiterelements mit einer Sperrspannung beaufschlagt ist.

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Hochfrequenzhalbleitervorrichtung, nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnetι daß auf eine der P— oder N- Zone des Halbleiterelements eine weitere N- oder P- Zone aufgebracht ist, die mit einer .dritten elektrode versehen an eine Steuerspannung anlegbar ist, um die Ausgangsosziliationen zu kontrollieren,

6. Hochfrequenzhalbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement PUL··: oder RPM- Struktur mit einem PN- übergang J^₂ und einem Schottky- Übergang Jp₇ aufweist und daß die Gleichspannungsquelle 3 so gepolt ist, daß sowohl am PIT- Übergang als auch am Schottky- Üuergang eine Sperrspannung liegt.

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