DE1962541A1 - Device for generating an electrical function - Google Patents
Device for generating an electrical functionInfo
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Description
Western Electric Company
IncorporatedWestern Electric Company
Incorporated
195, Broadway j-195, Broadway j-
λ 31 432 - sz λ 31 432 - s e.g.
Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen FunktionDevice for generating an electrical function
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer elektrischen Funktion, umfassend einen Volumeneffekt-Halblei tor mit einen Leitfähigkeitsprofil vorgegebenen Verlaufs, eine Anode, eine Kathode, eine mit der Anode und Kathode verbundene Vorspannungsquelle und eine in Serie mit der Vorspannungsquelle und de» Halbleiter geschaltete Abnahme« Vorrichtung.The invention relates to a device for generating an electrical function, comprising a volume effect semi-conductor tor with a given conductivity profile, one anode, one cathode, one with the anode and cathode connected bias source and a series with the bias source and the "semiconductor connected pickup" Contraption.
Ein spezielles Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft die Erzeugung und Formgebung von Impulsen oder Schwingungen, wobei von gewissen Erscheinjiungen bei Volumeneffekt-Halbleitern^Gebrauch gemacht wird. In derartigen Halbleitern treten bei Anlegen einer elektrischen Feldstärke oberhalb eines gewissen Schwellwertes Feldbezirke hoher Intensität - in Folgenden "Domänen" genannt - in Erscheinung, die mit einer gewissen Laufgeschwindigkeit innerhalb des Halb«· leiters fortschreiten„ Die grundlegende Theorie derartigerA special field of application of the invention relates to the generation and shaping of pulses or vibrations, where of certain phenomena in volume effect semiconductors ^ use is made. In such semiconductors, when an electric field strength is applied above of a certain threshold field areas of high intensity - hereinafter referred to as "domains" - in appearance, the with a certain running speed within the half «· ladder progress "The basic theory of such
effecteffect
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Halbleitervorrichtungen findet sich in IEEE Transaction· on Electronic Devices» Januar 1966« Vol. ED-13, Nr. 1, und IEEE Transactions on Electronic Devices, Vol. ED-I4, September 1967, Nr0 9O Danach nimmt der mittlere Strom in einen gleichförmig dotierten Volumeneffekt-Halbleit/er, So B9 bestehend aus n-leitendem Galliumarsenid, «dt zwischen entgegengesetzten Enden des Halbleiterkörpers angelegter Spannung fast linear zu, und zwar bis zu einem kritischen Wert, bei dessen Erreichen der Strom infolge Erzeugung von Domänervder genannten Art im Bereich der Kathode plötzlich auf «inen Wert abnimmt, der sodann für die Laufdauer der Domäne von der Kathode zur Anode im wesentlichen konstant bleibt. Die kritische Spannung, bei der die Domänenbildung einsetzt, wird als Schwellspannung V_ bezeichnet. Nach der Domänenerzeugung kann die angelegte Spannung unter die Schwellspannung abgesenkt werden, und zwar bis oberhalb eines als Domänenerhaltungsspannung V_s bezeichneten Spannungswertes, ohne daß die erzeugte Domäne ausgelöscht wird. Ein weiterer kritfecher Wert der zwischen Anode und Kathode liegenden Spannung ist die Schvingerhaltungsspannung Vn-, unterhalb deren der Halbleiter nach Eintreffen der Domäne an der Anode wieder in einen ohmschen Zustand zurückkehrteSemiconductor devices can be found in IEEE Transactions · on Electronic Devices "January 1966" Vol. ED-13, no. 1, and IEEE Transactions on Electron Devices, Vol. ED-I4, September 1967, No. 0 9 O After taking the average current in a uniformly doped volume effect semiconductor, So B 9, consisting of n-conducting gallium arsenide, which almost linearly increases the voltage applied between opposite ends of the semiconductor body, up to a critical value, when the current is reached due to the generation of domain values mentioned Art suddenly decreases in the region of the cathode to a value which then remains essentially constant for the duration of the domain from the cathode to the anode. The critical voltage at which the domain formation begins is referred to as the threshold voltage V_. After the domain generating the applied voltage can be lowered below the threshold voltage, up above a domain as a sustain voltage V_ s voltage value designated without the domain generated is extinguished. Another critical value of the voltage between the anode and cathode is the oscillation maintenance voltage V n - below which the semiconductor returned to an ohmic state after the domain arrived at the anode
Es wurde nun festgestellt, daß eine Domänenerzeugung nicht nur durch Anlegen einer Anoden-Kathodenspannung oberhalb der Schwellspannung, sondern auch durch Anlegen eines postiven Potentials an eine dritte Elektrode erreicht werden kann, wobei diese dritte Elektrode^ dem Halbleiterkörper zwischen der Anode und der Kathode anzubringen ist. Voraussetzung für diese Domänenerzeugung ist jedoch, dafi die Anoden-Kathodenspannung oberhalb der Domänenerhaltungsspannung liegt. Als dritte Elektrode kommtIt has now been found that a domain generation not only by applying an anode-cathode voltage above the threshold voltage, but also by applying a positive potential to a third electrode can, this third electrode ^ the semiconductor body is to be attached between the anode and the cathode. The prerequisite for this domain creation is, however, dafi the anode-cathode voltage above the domain maintenance voltage lies. Comes as the third electrode
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s.B. ein einficher ohmacher Ketallkontakt in Betracht, der unmittelbar mit den Halbleiterkörper verbunden ieto Andererseits könnt auch ein kapazitiver Kontakt in Betracht, dessen Metallbelag darch eine geeignete Isolierschicht von den Halbleiter getrennt ist, ImJLetstgenannten Fall erfolgt die Steuerung durch kapazitiv eingekoppelte Signale. Unabhängig von der Art der verwendeten Steuerelektrode sind vergleichsweise geringe Spannungen« der dritten Elektrode für «ine Auslösung der Domänenbildung ausreichend. Der Grund hierfür besteht anscheinend darin, daß die zwischen der dritten Elektrode und der Kathode angelegte $annung die der Schwellspannung entsprechende Feldstärke nur auf der entsprechend kürzeren Strecke zwischen diesen beiden Elektroden herzustellen braucht.s.B. a simple ohmic ketallic contact that connected directly to the semiconductor body on the other hand A capacitive contact can also be considered, the metal coating of which is a suitable insulating layer from the Semiconductor is separated, in the latter case takes place the control by capacitive coupled signals. Independent of the type of control electrode used comparatively low voltages of the third electrode are sufficient for triggering the domain formation. Of the This appears to be because the voltage applied between the third electrode and the cathode is the the field strength corresponding to the threshold voltage only on the correspondingly shorter distance between these two electrodes needs to produce.
Es hat sich weiterhin herausgestellt, daB der Stron durch den Volumeneffekt-Halbleit-er von der Dotierungrichte und von der Querschnittefläche an jeweiligen Ort der Domäne abhängig 1st. Der zeitliche Verlauf des Stromes kann daher durch entsprechende Formausbildung bzw. Querschnittebemessung sowie auch durch entsprechende Gestaltung des Verlaufes der Dotierungsdichte Über die von der Domäne durch» laufene Wegstrecke beeinflusst werden. Es lassen sich also Stromverläufe entsprechend den Leitfaigkeitsprofil in Halbleiterkörper verwirklcen« Diese Erscheinung lässt sich z.B. in Iweielektroden^Voluineneffekt-Halbleitervorrichtungen zur Erzeugung von Signalformen ausnutzen, die der Form des Halbleuterkörpers entsprechen.It has also been found that the current passes through the volume effect semiconductors from the doping direction and depends on the cross-sectional area at the respective location of the domain. The time course of the current can therefore through appropriate shape design or cross-section dimensioning as well as by appropriate design of the course of the doping density over the domain through » the distance covered can be influenced. So current curves can be determined according to the conductivity profile in Realizing semiconductor bodies «This phenomenon can be e.g., in white electrode bulk effect semiconductor devices to generate waveforms that take advantage of the shape of the semiconductor body.
Wegen der hohen Arbeitsgeschwindigkeit von Volue\mneffekt-Halbleitervorrichtungen 1st deren Verwendung bei rasch ablaufenden Steuervorgangen und dgl, inBecause of the high operating speed of volume effect semiconductor devices Is their use in rapidly running control processes and the like, in
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komplexen elektronischen Systemen erwünschte Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Volumeneffekt-Halb leitarvorr ich tumf, welche die Ausnutzung der hohen Arbeite- bzw* Schaltgeschwindigkeit bei gleichseitiger VermindAng des Steuerspannungebedarfes ermöglicht.Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art hauptsächlich dadurch, daß eine mit einem Abschnitt des Halbleiters zwischen der Anode und der Kathode verbundene dritte Elektrode sowie eine mit dieser verbundene Spannungsquelle vorgesehen ist und daß die Erzeugung von Feldbezirken hoher Intensität (Domänen) sowie die von der Kathode aus gerechnete Weglänge dieser Feldbezirke mittels der Vorspannung und der an der dritten Elektrode liegenden Spannung steuerbar ist»Complex electronic systems desired object of the invention is therefore to create a volume effect semi-conductive device which enables the use of the high working or switching speed with a simultaneous reduction in the control voltage requirement mainly in that a third electrode connected to a section of the semiconductor between the anode and the cathode and a voltage source connected to this is provided and that the generation of field areas of high intensity (domains) and the path length of these field areas calculated from the cathode by means of the Bias voltage and the voltage applied to the third electrode can be controlled »
Zum Gegenstand der Erfindung gehören im einzelnen Schaltungen zur Signal formung mit Hilfe eines Volumneffekt-Halbleiters von ZoB. konischem oder keilförmigem Leitfähigkeitsprofil zwischen Kathode und Anode, wobei die Domänenerzeugung mit Hilfe des elektrischen Feldes im Bereich der Kathode gesteuert wird. Bei einer Ausführungβform der Erfindung weist der Halbleiterkörper einen Oberflächenabschnitt in Form eines gleichseitigen Trapezes auf, wobei die Kathode an der kürzeren und die Anode an der längeren der beiden parallelen Trapejcseittn angeordnet istο Eine unterhalbThe subject matter of the invention includes circuits for signal shaping with the aid of a volume effect semiconductor by ZoB. conical or wedge-shaped conductivity profile between cathode and anode, the domain being generated with the help of the electric field in the area of the cathode is controlled. In one embodiment of the invention the semiconductor body has a surface section in the form of an equilateral trapezoid, the cathode on the shorter and the anode on the longer of the two parallel Trapejcseittn is arranged o one below
liegende Spannung der Schwingerhaitungsepannung Vos/wird zwischen Anode und Kathode angelegt*, und zwar mit Hilfe einer Gleichspannungsquelfc und einer Steuerspannungsquelle. An die dritte Elektrode, die zwischen Kathode und Anode an der Oberfläche des Halbleiterkörper3 angeordnet ist, wird die zur Domänenerzeugung vorgesehene Steuerapannung gelegte Der The voltage of the oscillator support voltage V os / is applied between the anode and cathode * with the aid of a DC voltage source and a control voltage source. The control voltage provided for domain generation is applied to the third electrode, which is arranged between the cathode and anode on the surface of the semiconductor body 3
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Strom durch den Halbleiter wird wahrend einer durch die Steuerspannung bestimmten Zeitperiode vermindert, *o dafl die Schaltung als Pulslängenvodulator arbeitet. Bei einer anderen Ausführung der Erfindung wird ein in ähnlicher Heise ausgebildeter Halbleiterkörper alt einer festen Vorspannung swischen Anode und Kathode beaufschlagt» wobei diese Vorspannung den Wert der Schwellspannung V_ Oberschreitet· Der dritten Elektrode wird nun eine veränderliche Steuer· spannung zugeführt· Es ergibt sich hierdurch eine Sägezahn-Pulsfolge ait einer duxh die Steuerspannung bestimmten Folgefrequenz.Current through the semiconductor is during one through the Control voltage reduced for a certain period of time, * o dafl the circuit works as a pulse length modulator. At a Another embodiment of the invention is a semiconductor body formed in a similar manner old a fixed bias between anode and cathode applied »whereby this bias voltage exceeds the value of the threshold voltage V_ A variable control voltage is now fed to the third electrode. This results in a sawtooth pulse sequence ait a duxh the control voltage determined repetition frequency.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbelepielen anhand der Seichnungen· Hierin zeigtFurther features and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments based on the drawings · Herein shows
Fig. 1 die grundsätzliche Schaltungsanordnung eines erfindungsgemässen Pulalängensodulatore,1 shows the basic circuit arrangement of a pula length modulator according to the invention,
Fig« 2 ein Puladiagramm zur Wirkungsweise der Schaltung nach FIge 1 und2 shows a pulse diagram for the mode of operation of the circuit according to FIge 1 and
Ag. 3 die grundsätzliche Schaltung eines spannung» .-' gesteuerten Oszillators gemäss der Erfindung·Ag. 3 the basic circuit of a voltage ».- ' controlled oscillator according to the invention
Bei des Pulslängenmodulator gemäss Fig. 1 sind eine Gleichspannungsquelle 10 und eine Modulationsspannungsquelle U in Serie Bit einem Lastwiderstand 12 zwischen der Kathode 13 und der Anode 14 eines Voluneneffekt-Halbleitere 9 angeordnet» welch letzterer die Fora eines gleichseitigen Trapejfzes aufweist, wobei die Kathode 13 an der kürzeren und die Anode 14 an der längeren Parallelseite des Trapezes angeordnet ist. Eine Auslöeepulsquelle 15 ist über einenIn the case of the pulse length modulator according to FIG. 1, there is a direct voltage source 10 and a modulation voltage source U in series bit a load resistor 12 between the cathode 13 and the anode 14 of a volume effect semiconductor 9 arranged »which the latter has the shape of an equilateral trapezoid, with the cathode 13 on the shorter and the anode 14 is arranged on the longer parallel side of the trapezoid. A trigger pulse source 15 is via a
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Kondensator 16 an eine dritte Elektrode 17 ankoppelt. Gegebenenfalls kann anstelle des hler angedeuteten, ohmschen Kontaktes auch eine kapazitive Ankopplung der dritten Elektrode an dem Halbleiterkörper vorgesehen werden« Die Auslösepulsquelle erzeugt positive Pulse für die Beaufschlagung der Elektrode 17, wahrend die Spannungssiuoe der Quellen 10 und 11 zwischen Kathode und Anode die Schwellspannung VT und die Schwingerhaltungsspannung V08 niemals überschreitet. Immer dann, wenn die Auslösepulsquelle 15 einen positiven Puls erzeugt, wird innerhalb des Halbleiterkörper im Bereich der schwächsten Dotierung oder der geringsten Querschnittefläche, d.h. an der Kathode 13, eine Domäne erzeugt. Letztere wächst an bis zu einem Gleichgewichtszustand und bewegt sich zur Anode, trifft dabei jedoch zunehmende Werte des Produkfftee aus Dotierung und Querschnittβfläce an, bis ein Punkt erreicht ist, an welchem die Domäne nicht mehr stabil ist und die Vorichtung in den ohmschen Zustand zurückkehrt. Die von der Domäne von der Kathode aus zurückgelegte Weglänge bis zu der Stelle, an der sie infolge des Gefälles im Leitfähigkeitsprofil nicht mehr aufrecht erhalten bleiben kann, ist eine Punktion der zwischen Anode und Kathode liegenden Vorspannung.Capacitor 16 is coupled to a third electrode 17. Optionally, instead of the counter indicated, ohmic contact and capacitive coupling of the third electrode are provided on the semiconductor body, "The trigger pulse source generates positive pulses for the actuation of the electrode 17, while the Spannungssiuoe of sources 10 and 11 between the cathode and anode, the threshold voltage V T and the oscillation maintenance voltage never exceeds V 08. Whenever the trigger pulse source 15 generates a positive pulse, a domain is generated within the semiconductor body in the area of the weakest doping or the smallest cross-sectional area, ie at the cathode 13. The latter grows up to a state of equilibrium and moves to the anode, but meets increasing values of the product from doping and cross-sectional area until a point is reached at which the domain is no longer stable and the device returns to the ohmic state. The path length covered by the domain from the cathode to the point at which it can no longer be maintained due to the gradient in the conductivity profile is a puncture of the bias voltage between the anode and the cathode.
Die Si^gnalformen gemäsr Fig. 2 veranschaulichen die Abhängigkeit des zeitlichen Signalverlaufes von der Spannung zwischen Anode und Kathode. Zn der feile A von Fig. 2 ist der Spannungeverlauf der Auslösepulse von der Quelle 15 über der Zeit t aufgetragen. In den ZeilesfB, C und D finden sich entsprechende Zeitdiagramne des Stromes durch den Halbleiter. In Zeile B ist der Stromverlauf für eine vergleichsweise hohe Spannungssumme der Quellen 10 undThe signal forms according to FIG. 2 illustrate the Dependence of the signal curve over time on the voltage between anode and cathode. Zn file A from FIG. 2 shows the voltage profile of the triggering pulses from source 15 plotted over time t. In linesfB, C and D there are corresponding time diagrams of the current through the semiconductor. In line B is the current curve for a comparatively high voltage sum of the sources 10 and
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angedeutet, während Zeile C den entsprechenden Verlauf für eine etwas geringere Spannung der Quelle 11 wiedergibt» Es 1st hieraus ersichtlich» daß die Breite der in Gestalt einer Stromverminderung erseugten Impulse geringer ist als in der Xeile B. In Seile D ist endlich der Stromverlauf für eine vergleichsweise niedrige Spannung an der Quelle wiedergegeben, wobei sich la Vergleich su dem Verlauf gemäss Xeile B und C noch geringere Pulslänge ergibt. Infolge dieser Spannungsabhängigkeit arbeitet die Vorrichtung als PuIslängenmodulator· Eine stromgesteuerte Abnahmevorrichtung bzw. ein entsprechender Verbraucher kann unmittelbar in Serie mit der Anoden-Kathodenstrecke geschaltet werden« während für die Umsetzung in Spannungesignale der in Pig. I angedeutete Lastwiderstand in Betracht kommt· An den Klemmen dieses Widerstandes ergeben sich dann entsprechende Spannung*· signale.indicated, while line C shows the corresponding curve for a slightly lower voltage of the source 11 » From this it can be seen that the width of the impulses diffused in the form of a reduction in current is less than in the Xeile B. In rope D is the course of the current finite for a comparatively low voltage at the source, the comparison being based on the curve Xeile B and C result in an even shorter pulse length. As a result of this voltage dependency, the device works as a pulse length modulator A current-controlled tapping device or a corresponding consumer can be directly connected to Be connected in series with the anode-cathode path « while for the conversion into voltage signals the one in Pig. I. indicated load resistance comes into consideration · At the terminals corresponding voltage * signals result from this resistance.
Die Wirkungswelse des spannungsgesteuerten Osslllators gemäss Pig. 3 beruht auf der Erscheinung» daß der Strom durch den Halbleiterkörper während der Domänenlaufseit eine Funktior des Leitfähigkeiteprofile bzw. des Produktes aus Querschnittsfläche und Dotierungsdichte über die Domänenweglänge ist. Bei der dargestellten Ausführung ist ein Halbleiter 29 mit einer Form ähnlich derjenigen gemäss Flg. 1 vorgesehen. Eine Vorspannungequelle 30 liefert einen Spannungewert oberhalb der Schwellepannung V^, wobei die positive Xlemme dieser Spannungequelle an der Anode 31 und die negative Klemme an der Kathode 32 liegte Weiterhin ist eine Steuerspannungsquelle 35 zwischen der negativen Klemme der Spannungsquelle 30 und einer dritten» ohmschen Elektrode am Halbleiterkörper angeschlossen. Hierüber wird die Domänenbildung gesteuert. Nach Erzeugung einer Domäne wandert diese zur Anode» bis das elektrische Feld anThe effects of the voltage-controlled ossifier according to Pig. 3 is based on the phenomenon that the current through the semiconductor body during the domain run has a function of the conductivity profile or the product of cross-sectional area and doping density over the domain path length. In the illustrated embodiment, a semiconductor 29 with a shape similar to that shown in FIG. 1 provided. A bias voltage source 30 supplies a voltage value above the threshold voltage V ^, the positive X terminal This voltage source is connected to the anode 31 and the negative terminal is connected to the cathode 32. Furthermore, there is a control voltage source 35 between the negative terminal of the voltage source 30 and a third "ohmic electrode connected to the semiconductor body. This is used to control the creation of domains. After creating a domain this migrates to the anode »until the electric field
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der Kathode «einen Spitzen-wert erreicht» was die Bildung einer «weiten Domäne zur Folge hat. Diese neue Domäne tritt •odann in Wettlauf alt der bereits bestehenden Domäne und führt UoUc zu deren Auelöschung, bevor die zuerst entstandene Domäne die Anode erreicht hato Die Pulsfolge· bzw. Schwingfrequenz ist eine Funktion der von der Quelle 35 gelieferten Steuerspannungο Wenn diese Steuerspannung zunimmt« so nimmt auch das Feld zwischen der dritten Elektrode 36 und der Kathode 32 zu, was die vorzeitige Erzeugung einer neuen Domäne und damit eiae Zunahme der Pulsfolge· bzw. Schwingfrequenz bedingte Bei abnehmender Steuerspannung der Quelle 35 ni£mntt auch das elektrische Feld im Bereich der Kathode ab, so daß die Donänenerzeugung verzögert und die Pulsfolge- bzwc Schwingfrequenz vermindert wird. Der sich ergebende Ausgangsetrom zeigt eine Sägezahn-Pulaform. Durch Einstellung eines entsprechenden Leitfähigkeitsprofils»und star durch Veränderung der Querochnlttsfläche und/oder des Dotierungsprofils, lässt sich eine breite Vielfalt von unterschiedlichen Funktionen und Kennwerten verwirklichen ο Bei einem PuIsllngenmodulator kann der Einstellbereich durch Verwendung eines Halbleiters mit geringem Gefälle des Produktes aus Querschnittefläche und Dotierungsdichte wesentlich erweitert werdenο Beispielsweise lassen sich auch abgestufte Signalformen durch Verwendung von Halbleitern mit entsprechend stufen-bzwe treppenförmigem Leitfähigkeitsprofil verwirklichenο Im'Falle eines spannungsgesteuerten Oszillators lässt sich ferner der Einstellbereich durch aprupte Verminderung des Produktes aus - Querschnittsfläche und Dotierungsdichte in unmittelbarer Nähe der Kathode bei ansonsten schwachen Gefälle des erwähnten Produktes wesentlich erweitern. Ht Hilfe eines treppenförmigen Leitfähigkeitsprofils lässt sich ferner ein quantifiertar Gleichstrc Frequenz-Signalwandler verwirklichen.the cathode “reaches a peak value”, which results in the formation of a “wide domain. This new domain occurs • o then races old the already existing domain and leads UoUc to its deletion before the first one created Domain has reached the anode o The pulse sequence or oscillation frequency is a function of that supplied by the source 35 Control voltage ο If this control voltage increases «so increases also the field between the third electrode 36 and the cathode 32 too, resulting in the premature generation of a new one Domain and thus an increase in the pulse sequence or oscillation frequency when the control voltage of the source decreases The electric field in the area of the cathode is also negligible so that the Danube generation is delayed and the pulse train or oscillation frequency is reduced. The resulting Output stream shows a sawtooth pula shape. By setting a corresponding conductivity profile »and star through Changing the cross-upper surface and / or the doping profile, a wide variety of different Realize functions and characteristic values ο With a pulse length modulator the setting range can be increased by using a semi-conductor with a slight slope of the product Cross-sectional area and doping density can be expanded significantly ο For example, graduated Signal forms through the use of semiconductors with a corresponding stepped or stepped conductivity profile Realize o In the case of a voltage controlled oscillator the setting range can also be reduced by abrupt reduction of the product of - cross-sectional area and doping density in the immediate vicinity of the cathode, otherwise widen the weak slope of the product mentioned significantly. With the aid of a staircase-shaped conductivity profile, a quantifiable direct current can also be obtained Realize frequency signal converters.
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