DE1947637C3 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen - Google Patents

Description

an Hand von Zeichnungen.

F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbcispiel einer Schal-

tungsanordnun« gemäß der Erfindung;

35 Fig. 2 zeigt eine Feldverteilung in bei der Schaltungsanordnung nach F ι g. 1 verwendeten pn-Über-

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungs- gangen;

anordnung /ur Erzeugung von Hochfrequenzschwin- Fi j;. 3 bis h /eigen abgewandelte Ausführungsbci-

giingen. mit einem über eine Last an einer Gleich- spiele der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, spannungsquelle angeschlossenen, zwei lii'iterein- 4« In Fig. 1 ist mit 1 ein Halbleiterbauelement beandcrlicgcndc. durt'.i die Spannungsquelle in Sperr- zeichnet, bei dem eine P-Zone L₁. eine N-Zone L₁. richtung vorgespannte pn-Übergange aufweisenden eine P-Zone L. und eine N-Zone L₄ in der genannten Halbleiterbauclement. Reihenfolge aufeinanderfolgen, um Übergänge J₁,.

Im Zu ammenhang mn dem Aufbau von Halb- J._M bzw. J₁₄ zu bilden. Die P-Zone L₁ und die N-Iciter-Bauelementen ist es bereits bekannt (»radio 45 Z~one L, sind mit Elektroden T₁ bzw. T., versehen, mentor«. Heft 4 lWö. S. 245 bis 255), eine Anzahl welche über eine Last 2 an einer eine Gleichspannung von pn-tibergängen je nach Einsatzzweck des jrwei- liefernden Spannungsquelle 3 angeschlossen sind. Die ligen Halbleiter-Bauelements vorzusehen. Über die Last 2 ist beispielsweise ein Widerstand. Die Span-Verwendung derartiger pn-Übergänge in einer nungso/icile 3 ist dabei so an das Halblciterbauele-Schaltungsanordnun« /ur Erzeugung von Hochfre- 50 ment 1 angelegt, daß die Elektrode T₁ mit negativem quenzschvvingungcn ist in diesem Zusammenhang und die Elektrode T, mit positivem Poteniial beaiifjcüoch nichts bekannt. schiaet wird.

Es ist ferner eine strahlungsempfindliche Halb- Bezüglich der Last 2 sei noch oemeri t, duü diese

lciteros/.illatorcinrichlung bekannt (USA.-Patcnt nicht nur durch einen Widerstand bzw. ohmschen 3 16082S). die insgesamt fünf aufeinanderfolgende 55 Widerstand gebildet sein muß. sondern z.B. durch p- und n-Zoi 1 aufweist. Obwohl die betreffende eine Übertragungsleitung oder durch einen Resobckiinnte Halblciteroszillalo.einrichtung einen relanv nanzkreis gebildet sein kann. Bei der Verwendung einfachen Aufbau besitzt, ist jednch ihre Schwing- der beschriebenen Schaltungsanordnung für die Erfrequenz relativ niedrig. Außerdem ist der Wirkungs- Zeugung von Mikrowellen" kann der Resonanzkreis grad hinsichtlich der Schwingungse· -iugung bei der 60 ein Koaxialleitungs- oder Hohlleitungsresonator sein, betreffenden bekannten Einrichtung reiativ gering. in dessen Innern das Halbleiterbauelement unter-

Es ist schließlich auch schon ein aus Festkörper- gebracht sein kann.

Bauelementen aufgebauter Oszillator bekannt (OSA- Das Halbleiterbauelement 1 stellt eine Anordnung

Patent 3 165 710). der Hadurch gebildet ist. daß in dar, bei welcher ein Halbleiterelement mit einem geeigneter Weise die statische negative Widerstands- 65 pn-Übergang. bestehend aus der P-Zone L₁ und der kennlinie eines Thvristors mit der Slrom-Spannungs- N-Zone / .„ mit einem Halbleiterelement, bestehend Kennlinie der Fmitter-Kollektor-Streckc eines Tran- aus der P Zone L_% und der N-Zone L, hintereinander sistors zusammengefaßt ist. Obwohl auch dieser be- geschaltet ist. Wird durch die eine Vorspannung

bewirkende Spannungsquelle 3 eine Sperrspannung an die Übergänge Z₁₂ und J_:ti der beiden Halbleiterclemente angetegU so erhält man eine elektrische Feldstärke^, erteilung E entsprechend der Kurve 4 gemäß F i g- 2. Diese Kurve 4 weist zwei Maxima im Bereich der Übergänge J_vl und J_n auf. AU Abszisse ist in Fig. 2 der Abstand in Richtung der Zonen/.; bis L₁ gewählt worden. Die Lagen der Maximalwerte der Feldverteilungskurve 4 mit den beiden Maximas kann durch Verändern der Dicken der Zonen J-, bis L₄ verändert werr'en. Darüber hinaus läßt sich der Maximalwert dCi Kurve 4 durch Andern der Spannung der Spannungsqi " ■ 3 einstellen.

Bei geeigneter Wühl <_■_. Lage und Größe der Wellenleiter bzw. hohlleiter untergebracht. Mn HiHc dieser Schahunusanordnung wurden in der i.asi _ Auseangsschvvinsunaen mn einer Frequenz von ) U ri.-bei "einem Wirkungsgrad von 26». und be. einer durchschnittlichen Stromdichte von 3 10- A cm- er-

^ZltEs sei darauf hinwiesen, daü das Halbleiterbauelement 1 im \orlieaendcn Ausfiihningsbeispiei eine pnpn-Struktur aufweist und demzufolge einer *norü-Lo nun- entspricht, die als gesteuerter Halble.iergleicnrichter (Thyristor) bekanntgeworden rst. Bei em.-ra «esteuerien'Halbleitergleichrichter wird jedoch eine "variable Vorspannung" wechselnder Polarität an die

<_-.. Lage unu uroae uer pn-Übereäniie angelegt, während bei dem.Halbleiter-Maximalwerte der em -.,ifaches Maxima besitzen- 15 bauelement 1 gemäß der Erfindung eine Vorspannung den Feldverteilun^u. rc, bei der der eine Maximal- fester Polarität angelegt wird, wober auI ururu lu vv -rt hoher sein ^! svn als der andere, erhält man eine Vorspannunssbedingungen eine FeldstarKeverieiiu _r i iwii 'It-S-' i-'iachunü der I.adiinusuäuei nächst mit zweifachem Maximum sich in dem llaiweiK,-dcm übergang/,.. Diese Lawinen-V ervielfaehuHL bauelement 1 ausbilden kann. Aul d.c-c w eise .iiw vctzt sich näcirrechts fort, und nach einer bestimmten 20 also eine Laut gstragorverviellaehiuig unu e I uil/eit steigt der Maxinr tvverl des dcMrisciun Träaeilauf/eitcll.-kt d srch Avalanche V ervjeii.ui.u.ii-Feldes an dem Übernane/. in «Jen Lawinen-Bereich erzielbar. Ein Hdbleiterb u.elcment gem.ib cie^t . ■mi und zwar auf Grund'des Raumladu.iL-selfektes finduni· läßt sich demgemäß mit Mikrowellen-.·.iiider ladungsträger. Auf diese Weise wird bei dem elementen in einem Frequenzbereich ne.reir.cn in ilvvdiv J u eine Lavvinen-Vervielfältigun.· hervor- 25 welchem LauizeitelTekte nicht mein .Ύΐκκ.·|..α«ιμ u. ,.e-ufen "und ein Ladunusträuer entoueneesetzter sind. Die Optimalste der η,κα.-Ι.Ικη m.tvvirken,..

'.·■-'- --"^ -■ -■■ Qucrschnitlslläehen j_n den I bergaiigen 7,.. J,- >inU

/, sind .' gewühlt, daß sie- kleiner sind aK eine Kaslläehe mit einem Durehmesser von 2<io„. w.uil-nd die Gesamtlänge der Raurnladungsseiiieht i-w. der Abstand dei pn-Übeigänge kleiner ist aK 4(1.. Die B.-schränkunuen hinsichtlich der Oueischnitilläche und der genannten Gesamilansie b-w des -,■

des Hcitra-s aer uurcn ueii .ieiv-ge, 11.eiK.-11 i~ ■.,.„.,- nannten Abstands beruhen daraul. daß im erst- η I al, durchbriich erzeugen Laduniisirager zu. so daß man 35 ansonsten inlolge Ansteigens -ler K.ipa/iui z.» ·«. 1. . ,_:n der Last 2 eine Marke 'Schwingunes-AMsgangs den Elektroden T_x und /, d.e oben crw;.h u η Λ η

t-angsschwinszuniien nicht mjhr auttreten wurden inn!

daß" im zweiten Fall die Schwingfrequenz auf praktisch unbedeutende Werte herabgesetzt ware. Lm 4u Hai, leiterbauelement, wie es im Rahm.·!', der LrImdung beschrieben w01 Jen ist. kann deshalb von einem bekannten ThxriMor durch die aiMVren Abmessungen. d.h. durch die QuerschniltslUiche i...d die Gesamt

es s.ch ledocti als sciw.eng. e.nen Konunuienicie·», länge, unterschieden werden Ein bei einer Scha-Be. ieb aulrechtzuerhahen.'Bei einer Schaltungen- 45 tunpsanordnung gemäß de, Lrluulun, f«*^ on· umg gemäß der Erfindung, in-i der unter Zuhilfe- Halbleiterbauelement zeichnet sich also dac.uie,! aus. nähme /iner von einer Glci.'rspannungsquelle gelieferter. Gleichvorspannung eine Feldstärkeverteilim« mit doppeltem Maximum erzielt wird, ist es je-

Polarität ptlanzt sich nach links fort. Wenn derartige Ladungsträger aus der Sperrschicht heraustreten, sieim die Klemmenspannung wieder an so daß am i bergang./,., ein erneuter Lawinen-I iTekt aultritt. Daraufhin wiederholt sich der gesainie Vorgang wie 1-.schrieben erneut. Die Amplitude des in dem äußeien Kreis auftretenden Leilungssiromes nimmt infolge Beitrags der durch den hervorgerufenen L:: vinen-

-junining erhält.

Auch in der üblichen pn-Struktur läl^!l. sich zeitweilig eine Feldstärkcverleilung mit zweifachem Maxima erzielen, so daß ein Lawinendurchbruch entstehen kann. Lm diesen Zustund zu realisie.jn. wird jedoch eine relativ hohe Ladungsirag-.-rdichtc neiiolitit. Bei Beachtung der Wärmeentwicklung erweist es sich jedoch als schwierig, einen kontinuierlichen hhl Bi i Shllan terbauelement zeichnet ic

daß es während des Betriebs eine l-eldstäi keverteiiung mit iluppeltem Maximum aufweist und mit einem Hochfrequenzgehäuse in einem Wellenleiter bzw d i Stifnleitung untergebracht

liin« nut doppeltem Maximum erzien wiru. isi es |e- ,,ν^,,.,ν.^^..,.^..»».- ■ ,,,,,,, ..... ._r„ .I₁. ,,-In

doch möghchUine wirksame Modifikation der Feld- 50 Hohlleiter *L·, «r treHon 1 u g u ^N.kIu

stärkeverteilung vorzunehmen und damit einen Lawiiiei'iuürchbruch bei relativ kleine:¹. Slromdicliten hervorzurufen. _t

Bei dem oben beschriebenen Halbleiteibauelement 1 wird beispielsweise die P-Zone / . durch Diffusion ir» eine Halbleitcrsehicht mit einem -pezifisehen Widerstand von I Ohm cm gebildet, welche die N-Zone L_x darstellt: die N-Zone I... wird durch Dilfusion in die P-Zone/., gebildet, und die P-Zone /. wird durch Diffusion in die N-Zone/., erzemv

Die Zonen L_x. L. und /., weisen eine Dicke von 1 u

bzw 5 μ bzw. 5μ auf; sie werden bzw wurden anschließend musa-geätzt. wobei die OuerschnitisHiu he

der Zone L_x einer Fläche mit einem Durchmesser von - _t.

2Π0 ,. '.-ntspricht (die Fläche entspricht dem Über- 65 zwei Übergänge, nämlich die I

gang/,.,). Die Zonen L_x und /., wurden dünn mit ergeben. Da zwischen der i it.

Elektroden /',. T, versehen, über eine Last 2 an eine

Spannungsi[uelle .1 angcschlosseen und in einem

Hohlleiter oder einer Streg g

sein kann, wobei die maximalen OuerschniUslläehen ili-r i'hergänge J,... J., und J_n innerhalb des Halbleiterbauelements kleider sind als eine Kreisllaclie mit einem Durchmesser von 21)0 n. während ihre (iesamtlänge bzw. der Abstand der pn-Übergänge voneinander kleiner ist als 40 n.

Im folgenden sei das Ausfiih; imnslv ^pj_t·' _vm:iH Fig. 3 näher betrachtet Das in I 1 >.■ < d,n ·,-.!ellie Halbleiterbaueleme¹'! entsprich; w^iimheml iLui m Fig. 1 dargestellten Halbleitei Ιι,ιικ lenuiit. eiiK· Aus nähme besteht jedoch darin, ilai.l /·. i-ebeii tl.-i N-Zone /., und der P-Zone / . eine I-/one / lügt ist, so ilaß sich an Stelle i'c- I b il'.iiii' maß Fig. 1 bei der Austiihriitiiisin;. ,1 ί,κ!ι ι Übä älih di I bMM·.:^ /.·. u

erge c um! J₁ ι

weitgehend Übereinstimmung besieht -.m entsprechende Elemente mit den. hen B^/

I ig 1 emamlei s/eu hen

bezeichnet. Bei dem Halbleiterbauelement gemäß tungsanordnung nach Fig. 4 erläutert worden ist. Fig. 3 ist wie bei dim Halbleiterbauelement gemäß Durch eine Minoritätsträgerinjektion von der Stcucr-F ί g. 1 .ein Halbleiterelement mit einem pn-Übcr- spannungsquellc 5 her über den Übergang J-., in die gang, bestehend aus der P-Zorie L. und der N-Zonc Zone L₂ erhält man die gleichen Bctricbscharaktcri- L^ mit einem Halbleiterelement, bestehend aus der s stiken wie bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 4. !'-ZoneL., und der N-ZoneL_x, über die l-ZoneL, Die in Fig.6 dargestellte Ausführungsform entin Reihe geschaltet. Durch geeignete Wahl der Dicken spricht in ihrem Verhalten genau der Schallungsandcr Zonen L₁ und L₄ in Verbindung mit der I-Zonc Ordnung nach Fig. 5; sie weist lediglich einen gün-L, kann man in gleicher Weise AtlSgangsschwingun- stigeren geometrischen Aufbau auf, indem die gen erzeugen, wie sk* bei der Schaltungsanordnung io P-Zone L_x verkleinert, ist und an der dadurch frei nach Fig I angegeben worden sind. Die Zonen L₁. werdenden Übergangsfläche zur N-Zone L₃ hin eine Lj. L-. L. und L₁ v/crdcn in gleicher Weise wie in nunmehr mit L_M bezeichnete P-Zone angebracht ist. Fi g t durch Ditlusion erzeugt und anschließend Zwischen dieser Zone L_n und der Zone L., entsteht mcsa-gcat/1. wobei ihre Dicke in der angegebenen ein pn-übergang J_HV über den mit Hilfe einer Steuer-Reihenfolge 5 Ii b/w. 5|i bzw. 20)1 bzw. 3 μ bzw. 2 μ is spannungsquellc 5 Minoritätsträger injiziert werden. betragt. Die üucrwlinittsflächc der Zone L₄ cnlspricht Im vorstehenden sind einige Ausführungsbcispielc

der Flache eines Kreises mit einem Durchmesser von der Erfindung erläutert worden. Es dürfte ersichtlich 150 H. Bringt man nun dieses Halbleiterbauelement sein, daß die zusätzliche Steuerung der beschriebenen in einen Wellenleiter bzw. Hohlleiter unter, so erhält Schaltungsanordnungen mit Hilfe einer Minoritätsman Ausganesschwingungcn mil einer Frequenz ton so trägerinjektion. wie sie in den Fig. 4 bis 6 dargestellt etwa 2.5 CiHz. ist. auch hei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3

Das in F i g. 4 dargestellte Ausführungsbci^picl anwendbar ist. Ferner sei noch bemerkt, daß im entsprich! ebenfalls weitgehend dem in Fig. 1 dar- vorstehenden zwar davon ausgegangen worden ist. gestellten Ausführunssbcispiel; eine Ausnahme bc- daß nur eine eine Vorspannung liefernde Spannungssteht jcdijch darin, daß auf einem Teil der P-Zon·.· L₁ as quelle 3 mit den Elektroden T₁ und T₂ verbunden cmc N-Zonc L₆ aufgebracht ist. so daß zwischen ist. um die Schwingungen zu erzeugen. Es ist jedoch diesen beiden Zonen ein zusätzlicher Übergang I₀, auch möglich, eine Gleichvorspannung so zu wählen. vorhanden ist. Die N-Zonc L₆ ist mit einer EIek- daß diese gerade noch unterhalb de Schwellwerk irodc T₃ versehen: sie kann an einer Slcuerspan- liegt, der für die Erzeugung von Schwingungen crfiyngsquellc 5 angeschlossen sein, welche eine Gleich- 30 forderlich ist. In diesem Fall können Schwingungen spannung oder eine Wechselspannung liefert. Die erst dann auftreten, wenn die Spannung einer weitc-Arbcilswcisc der in F: g- 4 dargestellten Schallungs- ren zusätzlichen Steuerspannungsquelle über eine anordnung cnlspricht im wesentlichen der Arbeits- dritte Elektrode zugeführt wird und sich der genannweise der in F1 g. 1 dargestellten Scnailungsanord- «en Vorspannung überlagert. In diesen Fällen kann nung. Durch Ladungsträgerinjektion von der Steuer- 35 die betreffende Steuerspannungsquelle in Reihe zu der spannungsquellc 5 her über den Übergang J₆₁ kann die Vorspannung bzw. Gleichvorspannung liefernden jedoch in der Zone L₁ der Schwingzusland gesteuert Spannungsquelle 3 geschaltet sein. Bezüglich der er-W'crdcfl. Durch Anlegen einer Gleichvorspannung wähnten Steuerspannungsquelle ist noch zu bcdurch die SteucrspannungsqueUe 5 kann die Größe merken, daß diese auch so ausgebildet sein kann, daß der Ausgangsschw.ngung gesteuert werden. Wird da- 40 sie Impulse liefert.

gegen ein Impulssignal an die Elektrode T₃ angelegt. Abschließend sei noch bemerkt, daß im vorstehen-

so erfolgt eine Synchronisierung der Ausgangsschwin- den zwar der Fall behandelt worden ist, daß kongung mit dem Impulssignal; wird ein Verknüpfungs- tinuierlich auftretende Schwingungen gesteuert wcrsignaj der Elektrode T₃ zugeführt, so bewirkt dieses den können. Führt man den oben betrachteten Verknüpiungssignal den Beginn bzw. das Ende des 45 Schaltungsanordnungen jedoch eine Eingangsimpuls-Auftretens von Schwingungen. spannung mit einer Breite zu, die der halben Breite Bei dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbei- der Schwingungsperiode entspricht, so erhält man spiel ist an die N-Zone L₁ eine Ρ-Ζσηε L₇ angebracht. den Eingangsspannungsimpu.^en im Verhältnis 1 :1 so daß zwischen der Zone L_; und der zusätzlichen entsprechende Ausgangsimpulse an der Last. Damit Zone L₇ ein Übergang/₇₂ vorhanden ist. Die P-Zone 50 kann die betreffende Schaltungsanordnung als schnell L_ ist mit einer Elektrode T₄ kontaktiert und an ansprechender Impulsverstärker arbeiten, ohne daß einer SteuerspannungsqueSie 5 ίπ entsprechender man dem Laufzeiteffekt besondere Aufmerksamkeit Weise angeschlossen wie dies bezüglich der Schal- widmen muß.

Hierzu !BlattZeichnungen

Claims (4)

ι 2 kannte Oszillator hinsichtlich seines Halbleiter-Bau- Patentanspp'che- elements einen relativ einfachen Aufbau aufweist, ist jedoch auch hier die Schvvingfrequenz infolge des

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung von ausgenutzten Halbleiter-Mechanisimus relativ niedrig, Hochfrequenzschwingungen, mit einem über eine 5 und außerdem ist auch hier der Wirkungsgrad hin-Last an einer Gleichsparmungsquelle angeschlos- sichtlich der Schwingungserzeugung relativ niedrig,
senem zwei hintereinanderliegende, durch die Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spannungsquelle in Sperrichtüng vorgespannte Schahungsanordnung der eingangs genannten Art so pn-Übergänge aufweisenden Halbleiterbauelc- auszubilden, daß diese bei relativ hohem Wirkungsment. dadurch gekennzeichnet, daß die io grad hinsichtlich der Schwingungserzeugung auch bei wirksame Querschnittsfläche der pn-Übergänge relativ hohen Frequenzen noch Schwingungen zu er-(J₁.., J₃₄) kleiner ist als eine Fläche mit elaem zeugen vermag.

Durchmesser von 200 ;i, daß der Abstand der Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe

pn-Übergänge (J₁.,, J₃₄) voneinander kleiner lsi bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genann-

als 40 u"und daß die sich zwischen den beiden 15 ten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die wirksame

pn-Übergangen {J_y„ J₁₁) ausbildende Raum- Querschnittsfiäche der pn-Übergänge kleiner ist als

ladungsschwingung ausgekoppelt wird. . eine Fläche mit einem Durchmesser von 200 u, daß

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. da- ' der Abstand der pn-Übergänge voneinander kleiner durch ^-kennzeichnet, daß das Halbleiterbau- ist als 4Ou und daß die sich zwischen den beiden element (1) zusätzlich an eine Steuerspannungs- 20 pn-Übergängen ausbildende Raumladungsschwingung quelle (5) angeschlossen ist. * ausgekoppelt wird. Die Erfindung bringt gegenüber

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch ί den oben betrachteten bekannten Schaltungsanord- oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Halb nungen den Vorteil mit sich, daß sie auf relativ leilerbaiielcment eine PNPN- oder PNlPN- einfache Weise eine höhere Hochfrequenzausgangs-Struktur aufweist. 25 leistung zu erzielen »estattet und ferner Hochfre-

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 quen/schwin/ungen mit relativ hohen Frequenzen zu oder 3. di..lurch gekennzeichnet, daß die Steuer- erzeugen gestattet, die im Gieahertzbereich liegen spannuiiijsquelle (5) üb-τ eine zusätzliche N-Zone können.

(L_n) P/w. P-Zone (L₇. L_n) an ein? P-Zonc (L₁) Weitere Merkmale und zweckmäßige Ausgestal-

b/w. N-ZiHIe(L..) des Halbleiterbauelements an- 30 tungen der hifindung ergeben sich aus der nachgcschlii>scn iss. stehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen