DE19757525C2 - Nonlinear electronic component - Google Patents

Nonlinear electronic component

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Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Bauteil mit einer nichtlinearen Kennlinie, vergleichbar mit einer Diode, einem Gleichrichter, einem Frequenzmischer o. ä.The invention relates to an electronic component with a non-linear characteristic, comparable to a diode, a rectifier, a frequency mixer or similar

Solche Bauteile werden heutzutage üblicherweise durch dotierte Halbleiterstrukturen1 realisiert. Bei einer p-n-Diode1, z. B., wird die Raumladungszone2 an der Grenzfläche zwischen einem p-dotierten2 und einem n-dotierten Bereich eines Halbleiters ausgenutzt.Nowadays, such components are usually realized by doped semiconductor structures 1 . With a pn diode 1 , e.g. B., the space charge zone 2 is used at the interface between a p-doped 2 and an n-doped region of a semiconductor.

Eine Anzahl von verschiedenen festkörperphysikalischen Phänomenen werden zur Zeit benutzt, um solche nicht-linearen Kennlinien zu erzeugen1. Allen gemeinsam sind ein oder mehrere der folgenden Merkmale, die sich, je nach Anforderungen an Fabrikation und Einsatzgebiet, als Nachteil erweisen:
A number of different solid-state physical phenomena are currently used to generate such non-linear characteristics 1 . Common to all are one or more of the following features, which may prove to be a disadvantage, depending on the requirements for production and application:

  • A) Eine scharfe Dotier-Grenzschicht oder ein abrupter Wechsel des Materials. Dies ist in sofern ein Nachteil, als daß es hohe Anforderungen an die Qualität des Kristallwachstums des Ausgangsmaterials stellt.A) A sharp doping boundary layer or an abrupt change of material. This is in provided a disadvantage as that there are high demands on the quality of crystal growth of the starting material.
  • B) Ein Strompfad senkrecht zur Kristalloberfläche bzw. -grenzfläche. Dies birgt den Nachteil, daß eine Planar-Technologie, die eine hohe Packungsdichte der Bauteile erlaubt, nicht oder nur mit großen technischen Schwierigkeiten möglich ist.B) A current path perpendicular to the crystal surface or interface. This holds the Disadvantage that a planar technology, which allows a high packing density of the components, is not possible or only with great technical difficulties.
  • C) Eine vorgegebene Schwell- bzw. Arbeitsspannung. Dies hat den Nachteil, daß bei sehr kleinen Signalen die nicht-linearen Anteile der Kennlinie klein sind, was die Arbeitsfähigkeit des Bauteils einschränkt.C) A predetermined threshold or working voltage. This has the disadvantage that at very small signals the non-linear parts of the characteristic are small, what the Restricted work ability of the component.
  • D) Eine Wirkungsweise, die auf festkörperphysikalischen Phänomenen (Bandstruktur, Elektronenaffinität, Lage des Ferminiveaus, etc.) beruht. Damit verbunden ist natürlicher­ weise eine Einschränkung bezüglich möglicher Ausführungsweisen und Einsatzbereiche.D) An mode of action based on physical phenomena (band structure, Electron affinity, location of the Fermini level, etc.). Associated with it is more natural a restriction with regard to possible designs and areas of application.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu beseitigen. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein elektronisches Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The object of the present invention is to overcome the aforementioned disadvantages remove. This task is solved by an electronic component with the Features of claim 1.

Die wesentlichen Bestandteile der Erfindung sind jeweils mindestens ein Emitter (E), ein Kollektor (K) und ein Reflektor (R). Hierbei bezeichne "Emitter" eine Einrichtung zur Emission von elektrischen Strom tragenden Teilchen (T) (z. B. Elektronen, Löcher, Ionen oder allgemein "Ladungsträger"). "Reflektor" bezeichne eine Einrichtung zur Umlenkung dieser Teilchen, z. B. durch Spiegelung, Streuung oder Beugung. Mit "Kollektor" seien alle elektrischen aktiven Einrichtungen bezeichnet, zu denen die Ladungsträger aus dem Emitter fließen können.The essential components of the invention are each at least one emitter (E) Collector (K) and a reflector (R). Here, "Emitter" denotes a device for Emission of particles carrying electricity (T) (e.g. electrons, holes, ions) or more generally "charge carriers"). "Reflector" means a device for deflection of these particles, e.g. B. by reflection, scattering or diffraction. With "collector"  all electrical active devices to which the charge carriers from the Emitters can flow.

In einer erfindungsgemäßen Vorrichtung verlassen die Ladungsträger den (die) Emitter mit einer auf den Reflektor (die Reflektoren) gerichteten Impulsverteilung. Am Reflektor (an den Reflektoren) werden sie in Richtung eines Kollektors (mehrerer Kollektoren) umgelenkt. Dabei wird durch die Anordnung und Ausgestaltung von Emitter(n), Reflektor(en) und Kollektor(en), sowie die Impulsverteilung der emittierten Ladungsträger erreicht, daß bei Umkehr der Stromrichtung die Bewegung der Ladungsträger sich nicht exakt umkehrt und dadurch eine elektronische Kenngröße (z. B. die Strom-Spannungs- Kennlinie) nicht-linear wird. Im Gegensatz zu herkömmlichen nichtlinearen Halbleiterbauelementen wird dabei die Impulsverteilung und somit die Trägheit der Ladungsträger ausgenutzt und nicht festkörperphysikalische Eigenschaften. Es ist daher möglich, daß sich die Erfindung auch außerhalb eines Festkörpers, z. B. durch sich im Vakuum bewegende Elektronen, realisieren läßt. Die Erfindung unterscheidet sich jedoch auch grundlegend von herkömmlichen Vakuumröhren (Diode, Triode)2, bei denen die Nichtlinearität durch eine Asymmetrie der Eigenschaften von Kathode (geheizt) und Anode (kalt) erreicht wird.In a device according to the invention, the charge carriers leave the emitter (s) with a pulse distribution directed at the reflector (s). At the reflector (s) they are deflected in the direction of one collector (several collectors). The arrangement and design of the emitter (s), reflector (s) and collector (s), and the pulse distribution of the emitted charge carriers mean that when the current direction is reversed, the movement of the charge carriers does not reverse exactly and an electronic characteristic ( e.g. the current-voltage characteristic) becomes non-linear. In contrast to conventional nonlinear semiconductor components, the momentum distribution and thus the inertia of the charge carriers are used and not physical properties. It is therefore possible that the invention also outside of a solid, for. B. can be realized by moving electrons in a vacuum. However, the invention also differs fundamentally from conventional vacuum tubes (diode, triode) 2 , in which the non-linearity is achieved by an asymmetry in the properties of the cathode (heated) and anode (cold).

In einer speziellen Ausführungsform (s. u.) wird das Wirkungsprinzip der Erfindung mit Elektronen realisiert, die sich ballistisch in einem kreuzförmig strukturierten zwei­ dimensionalen Elektronengas3 (2DEG) bewegen. Die Physik solcher ballistischer Elektronen ist eingehend untersucht4. Experimente mit ballistischen Elektronen in kreuzförmigen Halbleiter-Mikrostrukturen wurden z. B. von FORD durchgeführt5. Diese Experimente beschränkten sich jedoch auf den Geltungsbereich des linearen Transports, bei dem das elektrische Ausgangssignal eine lineare Funktion des Eingangssignals ist. Der Einsatz eines Reflektors zur gezielten Lenkung ballistischer Elektronen und eine dadurch verursachte nicht-lineare elektrische Charakteristik des Bauteils ist neu und in der Literatur nicht beschrieben.In a special embodiment (see below), the principle of operation of the invention is implemented with electrons that move ballistically in a cruciform structured two-dimensional electron gas 3 (2DEG). The physics of such ballistic electrons has been studied in detail 4 . Experiments with ballistic electrons in cruciform semiconductor microstructures have been carried out e.g. B. carried out by FORD 5 . However, these experiments were limited to the scope of linear transport, in which the electrical output signal is a linear function of the input signal. The use of a reflector for the targeted steering of ballistic electrons and the resulting non-linear electrical characteristic of the component is new and not described in the literature.

Eine mögliche Ausführungsform der Erfindung ist ein kreuzförmiger Vierpol2 (Abb. 1(a)) aus einem Emitter (E) und drei Kollektoren (K1, K2, K3) mit einem Eingangskanal E-K2 und einem Ausgangskanal K1-K3. Der Reflektor (R) befindet sich im Kreuzungspunkt von Ein- und Ausgangskanal und ist in dieser Ausführungsform dreieckig, so daß sich insgesamt ein bzgl. der Achse A symmetrischer Aufbau ergibt (Abb. 1). Diese Geometrie läßt sich beispielsweise durch Strukturierung (gemäß den Ansprüchen 10-14) eines zwei­ dimensionalen Elektronengases (2DEG) an einer Halbleitergrenzfläche (z. B. AlGaAs/GaAs Heterostruktur6 (HS), Metall-Oxid-Halbleiter-Struktur1) realisieren. A possible embodiment of the invention is a cross-shaped four-pole 2 ( Fig. 1 (a)) consisting of an emitter (E) and three collectors (K1, K2, K3) with an input channel E-K2 and an output channel K1-K3. The reflector (R) is located at the intersection of the input and output channels and is triangular in this embodiment, so that overall there is a symmetrical structure with respect to the axis A ( Fig. 1). This geometry can be realized, for example, by structuring (according to claims 10-14) a two-dimensional electron gas (2DEG) at a semiconductor interface (e.g. AlGaAs / GaAs heterostructure 6 (HS), metal-oxide-semiconductor structure 1 ).

Ein experimentellen Nachweis der nichtlinearen Charakteristik dieser Ausführungsform ist in Abb. 2 und 3 dargestellt. Als Ausgangsmaterial diente in diesem Fall eine modulationsdotierte AlGaAs/GaAs Heterostruktur6 (HS) mit einem zweidimensionalen Elektronengas (2DEG). Die Geometrie des Bauteils gemäß Abb. 1 wurde in diesem Bei­ spiel durch naßchemisches Ätzen definiert und ist in Abb. 2 wiedergegeben. Einlegierte metallische Bereiche (M) dienen der elektrischen Kontaktierung. Unter den gewählten Versuchsbedingungen beträgt in der verwendeten Heterostruktur (HS) die mittlere freie Weglänge der Elektronen etwa 6 µm und ist damit größer als alle relevanten Längen im Kreuzungsbereich (Größe des Reflektors, Breite von Emitter und Kollektoren), so daß der Elektronentransport im Kreuzungsbereich als ballistisch angesehen werden kann. Wird ein negativer Strom IE-K2 von E nach K2 geschickt, fällt im Emitter ein elektrisches Feld ab. Dieses Feld ist entlang des Emitter-Kanals gerichtet und treibt die Elektronen aus dem Emitter mit einem mittleren Impuls in Richtung Reflektor. Die Bewegung der Elektronen senkrecht zur Kanalrichtung hingegen ist nur wenig beeinflußt. Daher führt das elektrische Feld im Emitter zu einer Kollimation der Elektronen, die den Emitter verlassen. Mit steigendem Strom wird dieser Kollimationseffekt stärker und erhöht so die Wahrscheinlichkeit der den Emitter verlassenden Elektronen, in Richtung des Kollektors K1 gelenkt zu werden. Entsprechend weniger Elektronen gelangen nach K3. Auf diese Weise baut sich mit zunehmendem Strom einen zunehmende negative Spannung VK1-K3 zwischen K1 und K3 auf (vergl. Meßergebnis, Abb. 3). Für die umgekehrte Stromrichtung vertauschen E und K2 die Rollen, Abb. 1(b). Wegen der geometrischen Symmetrie dieser Ausführungsform gelten nun dieselben Überlegungen wie oben, so daß sich wiederum eine negative Spannung zwischen K1 und K3 einstellt. Insgesamt wird also die in Abb. 3 wiedergegebene Strom-Spannungs-Charakteristik beobachtet. Insbesondere um den Nullpunkt ist die Strom-Spannungs-Charakteristik stark nicht-linear und erfüllt damit die Zielsetzung der Erfindung. In dieser Ausführungsform ergibt sich darüber hinaus VK1-K3(IE-K2) ≈ -VK1-K3(-IE-K2), was der Strom-Spannungs-Charakteristik eines idealen Gleichrichters oder eines idealen Frequenzverdopplers nahekommt.An experimental proof of the nonlinear characteristic of this embodiment is shown in Figs. 2 and 3. In this case, a modulation-doped AlGaAs / GaAs heterostructure 6 (HS) with a two-dimensional electron gas (2DEG) served as the starting material. The geometry of the component according to Fig. 1 was defined in this example by wet chemical etching and is shown in Fig. 2. Alloyed metallic areas (M) are used for electrical contacting. Under the chosen test conditions, the mean free path length of the electrons in the heterostructure (HS) used is about 6 µm and is therefore greater than all relevant lengths in the crossing area (size of the reflector, width of the emitter and collectors), so that the electron transport in the crossing area is can be viewed ballistically. If a negative current I E-K2 is sent from E to K2, an electric field drops in the emitter. This field is directed along the emitter channel and drives the electrons out of the emitter with a medium pulse towards the reflector. The movement of the electrons perpendicular to the channel direction, on the other hand, is only slightly influenced. Therefore, the electric field in the emitter leads to collimation of the electrons that leave the emitter. As the current increases, this collimation effect becomes stronger and thus increases the likelihood of the electrons leaving the emitter to be directed towards the collector K1. Correspondingly fewer electrons reach K3. In this way, with increasing current, an increasing negative voltage V K1-K3 builds up between K1 and K3 (see measurement result, Fig. 3). For the opposite direction of current, E and K2 swap roles, Fig. 1 (b). Because of the geometric symmetry of this embodiment, the same considerations apply as above, so that a negative voltage between K1 and K3 is again established. Overall, the current-voltage characteristic shown in Fig. 3 is observed. In particular around the zero point, the current-voltage characteristic is strongly non-linear and thus fulfills the objective of the invention. In this embodiment there is also V K1-K3 (I E-K2 ) ≈ -V K1-K3 (-I E-K2 ), which approximates the current-voltage characteristic of an ideal rectifier or an ideal frequency doubler.

Gemäß den Ansprüchen 8 und 10 läßt sich der Reflektor (R) (lassen sich die Reflektoren) auch nicht-statisch ausführen. Dies eröffnet zum einen die Möglichkeit, die nichtlinearen Eigenschaften des beschriebenen elektronischen Bauteils zu steuern, optimieren oder ein- und auszuschalten. Zum anderen erlaubt es, äußere physikalisch-chemischen Einflüsse auf den Reflektor (R) (die Reflektoren) in elektrische Signale umzusetzen und auf diese Weise Detektor-artige Bauelemente zu realisieren.According to claims 8 and 10, the reflector (R) (can the reflectors) also execute non-static. On the one hand, this opens up the possibility of nonlinear To control, optimize or implement properties of the described electronic component and turn off. On the other hand, it allows external physical-chemical influences convert the reflector (R) (the reflectors) into electrical signals and on them How to implement detector-like components.

Ausdrücklich sei darauf hingewiesen, daß die oben beschriebene Vierpol-Geometrie nur eine mögliche Ausführungsform der Erfindung ist. Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip ließe sich auch als Zweitor oder anderes Vieltor realisieren. It should be expressly pointed out that the four-pole geometry described above only is a possible embodiment of the invention. The basis of the invention The principle could also be implemented as a two-port or other multiple goal.  

Desweiteren sei betont, daß die in der beschriebenen Ausführungsform erwähnte ballistische Bewegung der einzelnen Ladungsträger keine notwendige Voraussetzung für die Wirkungsweise der Erfindung ist. Ausschlaggebend ist vielmehr eine gerichtete Impulsverteilung der Gesamtheit der aus dem Emitter austretenden Teilchen.Furthermore, it should be emphasized that that mentioned in the described embodiment Ballistic movement of the individual charge carriers is not a necessary prerequisite for is the mode of operation of the invention. The decisive factor is rather a directed one Pulse distribution of all the particles emerging from the emitter.

Literaturangabenreferences

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BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

E Emitter
K, K1, K2, K3 Kollektoren
R Reflektor
T Ladungsträger
2DEG Zweidimensionales Elektronengas
M Ohmscher Kontakt
HS AlGaAs/GaAs Heterostruktur
E emitter
K, K1, K2, K3 collectors
R reflector
T load carriers
2DEG Two-dimensional electron gas
M ohmic contact
HS AlGaAs / GaAs heterostructure

Claims (13)

1. Nichtlineares elektronisches Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitfähiges Material so strukturiert ist, daß zwei Elektroden als Emitter (E) und Kollektor (K2) ausgebildet sind und daß sich zwischen diesen Elektroden ein Reflektor R befindet, der bezüglich der Achse Emitter-Kollektor asymmetrisch ausgebildet ist, dergestalt, daß Ladungsträger (T), die von E zu K2 fließen und eine auf den Reflektor gerichtete Impulsverteilung aufweisen, nachdem sie den Emitter verlassen haben, vom Reflektor bevorzugt in Richtung einer weiteren Elektrode K1 und weg von einer weiteren Elektrode K3 gelenkt werden, so daß sich zwischen K1 und K3 eine elektrische Spannung aufbaut und daß bei Stromumkehr die aus K2 emittierten Ladungsträger durch den Reflektor ebenso in Richtung K1 gelenkt werden, so daß sich bei Umkehr der Stromrichtung die Spannung zwischen K1 und K3 nicht umkehrt und dadurch eine elektronische Kenngröße nicht-linear wird.1. Nonlinear electronic component, characterized in that an electrically conductive material is structured so that two electrodes are formed as emitters (E) and collectors (K2) and that between these electrodes there is a reflector R which is relative to the emitter axis. Collector is asymmetrical, such that charge carriers (T) flowing from E to K2 and having a pulse distribution directed towards the reflector after they have left the emitter preferably from the reflector in the direction of a further electrode K1 and away from a further electrode K3 are directed so that an electrical voltage builds up between K1 and K3 and that when the current is reversed, the charge carriers emitted from K2 are also directed in the direction of K1 by the reflector, so that when the current direction is reversed, the voltage between K1 and K3 does not reverse and this makes an electronic parameter non-linear. 2. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträger (T) Elektronen oder Löcher in einem Festkörper sind.2. Electronic component according to claim 1, characterized in that the charge carriers (T) electrons or holes in one Are solid. 3. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper eine Verbindung aus verschiedenen Halbleitern oder Metallen oder eine Verbindung aus verschiedenen Halbleitern, Isolatoren und Metallen, vorzugsweise epitaktische Schichten, Heterostrukturen, MOS/MIS-Struktu­ ren oder Hybridstrukturen aus genannten Materialien, darstellt.3. Electronic component according to claim 9 characterized in that the solid body is a combination of different Semiconductors or metals or a combination of different semiconductors, insulators and metals, preferably epitaxial layers, heterostructures, MOS / MIS structure Ren or hybrid structures made of materials mentioned. 4. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträger (T) sich in einer sogenannten Quantentopfstruktur an einer Grenzfläche oder zwischen mehreren Grenzflächen aus den genannten Materialien befinden.4. Electronic component according to claim 3, characterized in that the charge carriers (T) are in a so-called Quantum well structure at an interface or between several interfaces from the mentioned materials are. 5. Elektronisches Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträger (T) sich zwischen Emitter (E) und Reflektor (R) (Emittern und Reflektoren) ballistisch bewegen. 5. Electronic component according to one of the preceding claims, characterized in that the charge carriers (T) between emitter (E) and Move the reflector (R) (emitters and reflectors) ballistically.   6. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ladungsträger (T) an dem (den) Reflektor(en) (R) spiegelnd reflektiert werden.6. Electronic component according to claim 5, characterized in that the charge carriers (T) on the reflector (s) (R) be reflected specularly. 7. Elektronisches Bauteil nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der (die) Reflektor(en) (R) durch (eine) geeignet vorgespannte oder geladene Elektrode(n) realisiert ist (sind), an der die Ladungsträger (T) durch elektrische Kräfte umgelenkt werden.7. Electronic component according to one of the preceding claims, characterized in that the reflector (s) (R) is suitable by (one) biased or charged electrode (s) is realized on which the charge carriers (T) be redirected by electrical forces. 8. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Reflektor (die Reflektoren) (R) durch Änderung seines (ihres) Ladungszustands steuern, optimieren oder ein- und ausschalten läßt.8. Electronic component according to claim 7, characterized in that the reflector (s) (R) change can control, optimize or switch its charge state on or off. 9. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (die Reflektoren) (R) aus einem oder mehreren durch Strahlung, Wärmebehandlung, Dotierung, Ätzen oder sonstige chemische, physikalische oder mechanische Behandlung nicht-leitfähig gemachten Bereich (Bereiche) des Festkörpers oder aus einem oder mehreren in den Festkörper geschnittenen (z. B. geätzten) Loch oder Löchern besteht (bestehen).9. Electronic component according to claim 2, characterized in that the reflector (s) (R) consists of one or more by radiation, heat treatment, doping, etching or other chemical, physical or mechanical treatment of non-conductive area (areas) the solid or one or more cut into the solid (e.g. etched) hole or holes. 10. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Reflektor (die Reflektoren) (R) durch Temperatur, Druck, Beleuchtung, Magnetfeld oder andere äußere physikalisch-chemische Einflüsse steuern, optimieren oder ein- und ausschalten läßt (lassen).10. Electronic component according to claim 7, characterized in that the reflector (s) (R) is characterized by temperature, Pressure, lighting, magnetic field or other external physico-chemical influences control, optimize or switch on and off. 11. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (die Reflektoren) (R) aus einem Material besteht (bestehen), das sich in seinen elektronischen Eigenschaften (z. B. Energie des Lei­ tungsbands/Valenzbands, Austrittsarbeit) von dem umgebenden Material unterscheidet11. Electronic component according to claim 1 or 2, characterized in that the reflector (s) (R) are made of one material exists (exist), which is in its electronic properties (e.g. energy of the Lei differentiation bands / valence bands, work function) from the surrounding material 12. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung als 4-Tor mit einem Eingangskanal und einem Ausgangskanal realisiert ist, wobei der Eingangskanal aus mindestens einem Emitter (E) und einem Kollektor (K2), der Ausgangskanal aus mindestens zwei weiteren Kollektoren (K1, K3) besteht.12. Electronic component according to claim 1,  characterized in that the device as a 4-port with an input channel and an output channel is realized, the input channel being composed of at least one Emitter (E) and a collector (K2), the output channel from at least two more Collectors (K1, K3) exists. 13. Elektronisches Bauteil nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der genannten 4-Tore parallel oder seriell verschaltet sind.13. Electronic component according to claim 12, characterized in that several of the 4-ports mentioned are connected in parallel or in series are.
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