DE2002820A1

DE2002820A1 - Solid-state pulse generator

Info

Publication number: DE2002820A1
Application number: DE19702002820
Authority: DE
Inventors: Tohru Hara; Sadahiko Yamashita
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1969-01-23
Filing date: 1970-01-22
Publication date: 1970-07-30
Also published as: GB1275545A; FR2030177A1; FR2030177B1; NL7000913A; DE2002820B2; NL154064B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Festkörper- ■ Impulsgenerator und insbesondere auf einen neuen Halbleiter-Impulsgenerator, der von einem Halbleiter Gebrauch macht,· welcher zwei Minimalwerte in seinem Leiterband der Energiebandstruktur aufweist.The invention relates to a solid-state pulse generator and more particularly to a new semiconductor pulse generator who makes use of a semiconductor which has two minimum values in its conductor band of the energy band structure having.

In diesem Jahrzehnt ist die Technik der Erzeugung ' von Mikrowellen-Schwingungen, bei denen eine Fe st kör ρ er- Ah*- ordnung verwendet wird, bemerkenswert vorangeschritten, um eine Schwingungsquelle im Frequenzbereich von 1 bis 100 GlIz · zu bilden. Eine dieser Anordnungen ist als nach ihrem Frfinder, J*B. Gunn, benannte "Qunn-piade¹¹ bekannt. Eine zusammen-;In this decade, the technique of generating microwave vibrations using a solid particle size Ah * order has made remarkable progress to produce a vibration source in the frequency range from 1 to 100 GlIz ·. One of these orders is as named after its founder, J * B. Gunn, named "Qunn-piade ¹¹ known. One together-;

BAD ORtQINALBAD ORtQINAL

gefaßte Erläuterung der als Gunn-Effekt bekannten berühmten Entdeckung wird folgendermaßen gegeben: Bei Verwendung von Halbleitern, wie n-GaAs, die zwei Täler in ihrem Leiterband aufweisen, wurden kontinuierliche Mikrowellenschwingungen beobachtet. Wenn eine Vorspannung von mehr als 1000 Volt zwischen zwei parallelen "ohm'sehen" Planarelektroden einge- ■ prägt wirdjdie an beiden Seiten eines scheibenförmigen EinzelkristäLls GaAs der η-Leitfähigkeit angeordnet sind, wurden Mikrowellenschwingungen von der Halbleiterplatte bei Frequenzen abgegeben, die sich mit der angelegten Spannung und der Stärke der Halbleiterplatte ändern. Eine mikroskopische Analyse zur Erklärung der Schwingungserscheinung in solchen Halbleitern basiert auf dem "Zwei-Täler-Modell", worin feldinduzierte Elektronenübergänge zwischen energetisch getrennten Minima des Leiterbandes stattfinden. Dies führt unter bestimmten Bedingungen zu einer negativen differentielleh Massenleitfähigkeit. Ein wandernder Bereich hoher Feldstärke wird, als Folge der negativen diff erentiellen Massenleitfähip,- . " keit gebildet. Die Schwingungserscheinung wurde von J.B. Gunn als Ergebnis der Bewegung des Bereiches hoher Feldstärke von der Nachbarschaft der negativen Elektrode zur positiven Elektrode erklärt. Die Geschwindigkeit der Bewegung des Bereichs ist vergleichbar mit äer Drift-Geschwindigkeit der Haupt-Ladungsträger.The most composed explanation of the famous discovery known as the Gunn effect is given as follows: Using Semiconductors such as n-GaAs, which have two valleys in their conductor band, have become continuous microwave oscillations observed. If a bias voltage of more than 1000 volts is applied between two parallel "ohmic" planar electrodes It is embossed on both sides of a disc-shaped single crystal GaAs of η conductivity were arranged, microwave vibrations were from the semiconductor plate at frequencies which change with the applied voltage and the thickness of the semiconductor plate. A microscopic one Analysis to explain the vibration phenomenon in such semiconductors is based on the "two-valley model", in which field-induced Electron transitions take place between energetically separated minima of the conductor strip. This leads under certain conditions lead to a negative differential mass conductivity. A wandering area of high field strength is, as a result of the negative diff erential mass conductivity, -. " educated. The vibration phenomenon was described by J.B. Gunn as a result of moving the high field strength area explained by the neighborhood of the negative electrode to the positive electrode. The speed of movement of the area is comparable to the drift speed of the main charge carriers.

Die frühere, eine Gunn-Diode verwendende Schwingungsanordnung ist praktisch äquivalent dem üblichen Klystron-· The earlier oscillation arrangement using a Gunn diode is practically equivalent to the usual klystron

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BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

Oszillator in Ausgangsleistung und Wirkungsgrad, wobei die Anordnung frequenzmäßig voll stabilisiert sein kann durchVerwendung einer gewöhnlichen Temperatur^Kompensationsanord-' nung. Weiterhin ist der Gunn-Oszillator wichtig ' für die Merkmale, die es möglich machen, einen stabilen Betrieb für sogar 10 Stunden mit einem relativ geringen Rauschen und einem geeigneten einstellbarem Bereich vorzusehen. Es ist'Oscillator in output power and efficiency, whereby the arrangement can be fully stabilized in terms of frequency by using an ordinary temperature compensation arrangement. Furthermore, the Gunn oscillator is important for the Features that make it possible to operate stable for even 10 hours with a relatively low noise and a suitable adjustable range. It is'

" hier zu bemerken, daß die Gunn-Diode im Mikrowellenbereich schwingt und als bloßer Oszillator arbeiten soll. Die an die Gunn-Diode in einer Richtung angelegte Vorspannung ist beschränkt, insbesondere wenn die Diode zum Erreichen eines stabilen Betriebes verwendet wird. Beispielsweise zeigt die Gunn-Diode einen unveränderlichen Widerstand bei Vorspannungen, die kleiner als ihr Schwellenfeidwert sind.Wenn jedoch · die Vorspannung diesen kritischen Wert überschreitet, ist der Ausgangsstrom gesättigt und der Halbleiter beginnt zu"Note here that the Gunn diode is in the microwave range oscillates and should work as a mere oscillator. The bias voltage applied to the Gunn diode in one direction is limited, especially when the diode is used to achieve stable operation. For example, the Gunn diode has an invariable resistance at bias voltages less than its threshold field value. the bias voltage exceeds this critical value, the output current is saturated and the semiconductor begins to

. schwingen. Bei Vorspannungsbedingungen weit oberhalb des* Schwellwertes erreicht der Halbleiter ein lawinenartiges Zusammenbrechen und behält nicht mehr die Betriebsstabilität bei.. swing. With preload conditions far above the * At the threshold value, the semiconductor collapses like an avalanche and no longer maintains its operational stability at.

Andererseits basiert der Betrieb des Gunn-Diodenprinzips auf der Energiebandstruktur des kristallinen Halbleiters und macht es wünschenswert, hochreine kristalline Halbleiter zu bilden, um deren Widerstand innerhalb eines gewünschten Bereichs zu beschränken und dadurch eine verbesserte Betriebsstabilität zu erreichen. Wo es weiterhin On the other hand, the operation of the Gunn diode principle is based on the energy band structure of the crystalline semiconductor and makes it desirable to form high purity crystalline semiconductors in order to reduce their resistance within a to limit the desired range and thereby achieve improved operational stability. Where it continues

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beabsichtigt ist, die Schwankungen der Oszillator-Ausgangssignale zu senken, sollte eine Verunreinigungskonzentration möglichst gleichmäßig in der Halbleitermasse verteilt sein. Diese Material-Inhomogenität hat eine wesentliche Änderung der Betriebsmerkmale zu Folge. Ferner ist die Gunn-Diode extrem empfindlich geg-enüber dem Widerstand der Kontakte zwischen der Halbleitermasse und den Elektroden.Intended to reduce the fluctuation of the oscillator output signals, an impurity concentration should be used be distributed as evenly as possible in the semiconductor mass. This material inhomogeneity has a major change the operational characteristics. Furthermore, the Gunn diode is extremely sensitive to the resistance of the contacts between the semiconductor ground and the electrodes.

Die vorliegende Erfindung wurde aufgrund einer neu entdeckten Erscheinung erarbeitet und schlägt die Ausnutzung des lawinenartigen Zusammenbruchs vor, der für Gunn-Dioden unerwünscht erscheint. Der wandernde Bereich hoher Feldstärke wird ebenfalls aufgrund der negativen differentiellen Massenleitfähigkeit gebildet, die sich durch die Bandübergänge der Elektronen in der Masse der vorstehend beschriebenen Halbleiter ergibt, wenn eine hohe Vorspannung zwischen die Kontaktelektroden des Halbleiters eingeprägt wird. Mit einer weit über dem Schwellenwert liegenden Spannung ist zu beobachten, daß die Lawinenerscheinung in dem wandernden Bereich stattfindet und eine große Anzahl von Elektronen und positiven Löchern erzeugt, die beide als Ladungsträger dienen. In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Inpulsgenerators werden die gleichen Halbleiter wie bei Gunn-Dioden verwendet, beispielsweise Galliumarsenid GaAs, Indiumphosphid InP, Indiumarsenid InAs₁ Cadmiumtellurid CdTe und dergleichen. Diese HalbleiterThe present invention has been made on the basis of a newly discovered phenomenon and proposes the exploitation of the avalanche-like breakdown which appears undesirable for Gunn diodes. The wandering region of high field strength is also formed due to the negative differential mass conductivity which results from the band transitions of the electrons in the mass of the semiconductors described above when a high bias voltage is impressed between the contact electrodes of the semiconductor. With a voltage well above the threshold value, it can be observed that the avalanche phenomenon takes place in the migrating area and generates a large number of electrons and positive holes, both of which serve as charge carriers. In an advantageous embodiment of the pulse generator according to the invention, the same semiconductors are used as in Gunn diodes, for example gallium arsenide GaAs, indium phosphide InP, indium arsenide InAs _1, cadmium telluride CdTe and the like. These semiconductors

sind alle zusammengefaßt in der Gruppe der III-V Verbindungenare all combined in the group of III-V compounds

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, die zwei Täler in ihren Leiterbändern der Ener^ giebandstruktur aufweisen.which have two valleys in their conductor bands of the energy band structure.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators wird jedoch eine zusätzliche Verunreinigung örtlich in der Nachbarschaft der negativen Elektrode des Halbleiters eingeführt. Wenn die angelegte Vorspannung den Schwellenwert überschreitet, wird ein wandernder Bereich hoher Feldstärke in dem Halbleiter aufgrund der .negativen differentiellen Massenleitfähigkeit aufgebaut, die in der Strom-Spannungskurve erscheint. In diesem Augenblick ist es wichtig, daß eine weit über dem kritischen Wert lie- · gende Vorspannung zwischen den beiden Elektrodenkontakten eingeprägt ist. Mit solch einer eingeprägten hohen Spannung tritt die lawinenmäßige Vervielfachung der Ladungsträger in der Halbleitermasse als Folge der Bildung des Bereichs hoher Feldstärke auf. Dann beginnt der Halbleiter mit pulsierenden Schwingungen unter den Bedingungen£ei denen der Bereich hoher Feldstärke gebildet. ·. und.die lawinenmäßige Vervielfachung verursacht wird.In an advantageous embodiment of the pulse generator according to the invention, however, an additional Impurity introduced locally in the vicinity of the negative electrode of the semiconductor. If the created Bias voltage exceeds the threshold value, a wandering area of high field strength in the semiconductor due to the .negative differential mass conductivity built up, the appears in the current-voltage curve. At this moment it is important that a value is well above the critical value. low bias voltage is impressed between the two electrode contacts. With such an impressed high tension the avalanche multiplication of the charge carriers in the semiconductor mass occurs as a result of the formation of the area high field strength. Then the semiconductor begins with pulsating oscillations under the conditions ei those of the area high field strength. ·. and. the avalanche multiplication is caused.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen neuen Impulsgenerator zu bilden, der ein neues Verfahren zur Erzeugung von Impulsen verwendet und einen kristallinen, nleitfähigen Halbleiter besitzt, der zwei Täler in seinem Leiterband der Energiebandstruktur aufweist,ferner ein Paar ohm'scher· Elektroden, " die auf beiden Seiten an* HaIb-It is therefore an object of the invention to form a new pulse generator which uses a new method of generating pulses and a crystalline, nleitfähigen semiconductor has having two valleys in its conduction band of the energy band structure further comprising a pair ohm 'shear · Electrode, " who on both sides at * HaIb-

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8AD8AD

leiters parallel ' zueinander angeordnet sind,conductors are arranged parallel to each other,

sowie eine Gleichspannungsenergiequelle zum Anlegen einer vorbestimmten Vorspannung und schließlich einen . testwiderstand^ der elektrisch in Serie zwischen die Energiequelle und den Halbleiter geschaltet ist. Ein Herk·* mal des neuen Verfahrens liegt darin, die lawinenmäßige Vervielfachung der Ladungsträger zu verwenden. Diese Lawinen-"erscheinung findet in der Halbleitermasse statt als Ergebnis der Bildung eines wandernden Bereichs hoher Feldstärke, wenn eine weit über dem Schwellenwert des Halbleiters liegende Vorspannung zwischen die Elektroden eingeprägt wird. Der erfindungsgemäße Impulsgenerator kann eine große Ausgangsamplitude, eine kurze Anstiegszeit und eine geringe Impulsbreite abgeben.and a DC power source for applying a predetermined preload and finally one. test resistance ^ the electrical in series between the Energy source and the semiconductor is switched. A Herc * times of the new procedure lies in the avalanche multiplication the load carrier to use. This "avalanche" phenomenon takes place in the semiconductor bulk as a result the formation of a wandering area of high field strength, if one is well above the threshold value of the semiconductor Bias voltage is impressed between the electrodes. The pulse generator according to the invention can have a large output amplitude, emit a short rise time and a narrow pulse width.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:The invention is explained in more detail below with reference to schematic drawings of two exemplary embodiments. Show it:

Fig. la ein typisches Diagramm einer Energiebandstruktur eines in dem erfindungsgemäßen Impulsgenerators verwendeten Halbleiters, der gleicher Art wie der in einer Gunn-Diode verwendete ist;Fig. La is a typical diagram of an energy band structure of one in the invention Pulse generator used semiconductor, the same type as that in a Gunn diode used is;

Fig. Ib eine Stromapannungekurve einer üblichen Gunn-DiodejFig. Ib a Stromapannungekurve a conventional Gunn-D iodo ej

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Fig. 2a eine schematische Darstellung der Grundschaltung des erfindungsgemäßen Impulsgenerators mit einer im Querschnitt dargestellten Halbleiterplatte;2a shows a schematic representation of the basic circuit of the pulse generator according to the invention with a semiconductor plate shown in cross section;

Fig. 2b ein schematisches Diagramm, das die Verteilung eines elektrischen Feldes in der Halbleiterplafte nach Fig. 2a darstellt; A FIG. 2b is a schematic diagram showing the distribution of an electric field in the semiconductor plate of FIG. 2a; A.

Fig. 3 eine Strom-$anungslcurve des in Fig. 2a dargestellten Impulsgenerators;FIG. 3 shows a current curve of the curve shown in FIG. 2a illustrated pulse generator;

Fig. Ha eine der in Fig. 2a dargestellten ähnliche weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators;Fig. Ha is similar to that shown in Fig. 2a another embodiment of the pulse generator according to the invention;

Fig. 4b ein schematisches Diagramm, das die Konzentrationsverteilung einer in den Halbleiter der Fig. 4a eingebrachten Verunreinigung zeigt;Fig. 4b is a schematic diagram showing the concentration distribution Figure 4 shows an impurity introduced into the semiconductor of Figure 4a;

Fig. 4c eine der Fig. 4b ähnliche Darstellung, in der die Verteilung des elektrischen Feldes gezeigt ist;4c shows a representation similar to FIG. 4b, in which the distribution of the electric field is shown;

Fig. 5 - eine Strom-^pannungskurve des in Fig. 4a dargestellten Impulsgenerators undFig. 5 - a current ^ voltage curve of the in Fig. 4a shown pulse generator and

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Fig. 6 eine schematische Darstellung einer typischen Wellenform des durch den erfindungsgemäßen Impulsgenerator erhaltenen Ausgangsstroms. Fig. 6 is a schematic representation of a typical waveform of the by the invention Pulse generator received output current.

In Fig. la stellt die obere Kurve ein typisches Leiterband eines Halbleiters, der in dem erfindungsgemäßen •Impulsgenerator verwendet wird, und die untere Kurve dessen Valenzband dar. Der Halbleiter ist gleicher Art wie der in Gunn-Dioden verwendete. Die Ordinate E stellt den Energiepegel und die Abszisse die Gitteranordnung des K-Raums dar. Der verwendete Halbleiter hat, wie dargestellt, zwei Täler I und II längs seines Leitungsbandes. Gemäß den Ausführungen von H. Kroemer befinden sich im Anfangsstadium Elektronen, die in der Halbleitermasse als Ladungsträger arbeiten, in dem unteren Tal I. Mit dem Anwachsen der angelegten Vorspannung verschiebt sich der Energiepegel der Elektronen zu dem oberen Minimalwert II. Die Differenz oder Trennung zwischen diesen beiden Werten liegt bei O,3 5eV für n-GaAs bei Raumtemperatur. Die Elektronen haben unter der Bedingung II geringere Leitfähigkeit als unter der Bedingung I, da ihre effektive Masse bei der letzteren Bedingung einen geringeren Wert einnimmt, wie dies von H. Kroemer festgestellt wurde.In FIG. La, the upper curve represents a typical conductor band of a semiconductor which is used in the pulse generator according to the invention, and the lower curve represents its valence band. The semiconductor is of the same type as that used in Gunn diodes. The ordinate E represents the energy level and the abscissa the lattice arrangement of the k-space. As shown, the semiconductor used has two valleys I and II along its conduction band. According to H. Kroemer's remarks, in the initial stage electrons that work as charge carriers in the semiconductor mass are in the lower valley I. With the increase in the applied bias voltage, the energy level of the electrons shifts to the upper minimum value II. The difference or separation between of these two values is 0.35 eV for n-GaAs at room temperature. The electrons have a lower conductivity under condition II than under condition I, since their effective mass assumes a lower value under the latter condition, as was established by H. Kroemer.

Im Folgenden wird die Beziehung zwischen dem in der 'Halbleitermasse aufgebauten elektrischen Feld und der Stromdichte in der Halbleitermasse betrachtet. H. Kroemer entwickel- In the following, the relationship between the electric field built up in the semiconductor mass and the current density in the semiconductor mass is considered. H. Kroemer develop-

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te seine Erläuterung zur Klärung der negativen differentiellen .Massenleitfähigkeit in dieser Beziehung. Dies ist leicht anhand von Fig. Ib zu verstehen, in der eine Strom-Spannungskurve einer üblichen Gunn-Diode dargestellt ist. In Fig. Ib stellt die Ordinate den Ausgangsstrom i und die Abszisse die angelegte Vorspannung V dar. In der üblichen Gunn-Diode steigt der Ausgangsstrom bekanntlich mit der Vorspannung bis zu dem Schwellenwert V , , wie dargestellt..Wenn die Spannung den ' Schwellenwert V.. jedoch überschreitet, zeigt der Halbleiter ei_ne negative differenzielle _ Leitfähigkeit, wie dies aus Fig. ; Ib hervorgeht. In diesem Augenblick beginnt der Halbleiter mit einer Frequenz zu schwingen, die sich mit der Übergangszeitdauer der Elektronen ändert, die als Haupt-Ladungsträger wirken. Diese Schwingungserscheinung ist in Fig. Ib als senkrecht schraffierte Fläche dargestellt.te his explanation to clarify the negative differential mass conductivity in this relation. This can easily be understood with reference to FIG. 1b, in which a current-voltage curve of a conventional Gunn diode is shown. In Fig. Ib, the ordinate represents the output current i and the abscissa represents the applied bias voltage V. In the usual Gunn diode, as is known, the output current increases with the bias voltage up to the threshold value V, as shown However .. exceeds the semiconductor shows _n e ei negative differential _ conductivity, as shown in FIG. Ib emerges. At this moment the semiconductor begins to vibrate at a frequency that changes with the transition time of the electrons, which act as the main charge carriers. This oscillation phenomenon is shown in Fig. Ib as a vertically hatched area.

Die Fig. 2a und 2b zeigen jeweils die Konstruktions- · anordnung und das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Impulsgenerators, der mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet ist. Ein Halbleiter 11 kann aus den Verbindungen GaAs, InP, InAs und CdTe gewählt werden, wie dies im Vorhergehenden beschrieben wurde. Zur Vereinfachung der Untersuchung wurde ein n-GaAs-Halbleiter als nicht einschränkendes Beispiel der Gruppe III-V der Halbleiterzusammensetzungen gewählt. In dieser Ausführungsform wurde wie im Fall der Gunn-Diode keine Verunreinigung in den kristallinen Halbleiter H eingeführt. Auf beiden Seiten der Halblßiterplatte sind ein Paar ohm¹scher2a and 2b each show the constructional arrangement and the operating principle of the pulse generator according to the invention, which is denoted by the reference number 10. A semiconductor 11 can be selected from the compounds GaAs, InP, InAs and CdTe, as described above. For ease of study, an n-GaAs semiconductor was chosen as a non-limiting example of Group III-V semiconductor compositions. In this embodiment, as in the case of the Gunn diode, no impurity was introduced into the crystalline semiconductor H. On both sides of a pair of Halblßiterplatte ohm ¹ shear

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troden 12 und 13 parallel zur Halbleiterplatte und zueinander angeordnet. Die Halbleiterplatte 11 wird mit einer Vorspannung aus einer Gleichspannungsenergiequelle IU über die Elektroden 12 und 13 versorgt. Ein Lastwiderstand 15 ist in Serie zwischen den Anschluß der Energiequelle m und einer der Elektroden 12 und.13 geschaltet. Ein wandernder Bereich hoher Feldstärke H wird in der Halbleitermasse gebildet, wenn eine ausreichend hohe Vorspannung zwischen die beiden Elektroden 12 und 13 wie im Fall der Gunn-Diode eingeprägt wird. Die Bildung des Bereichs hoher Feldstärke wird aus Fig. 2b verständlich, worin die Ordinate E ein elektrisches Feld und die Abszisse L die Stärke der Halbleiterplatte 11 darstellt. Eine in Fig. 2b erscheinende scharfe Spitze entspricht dem Bereich hoher Feldstärke II und der Rest der Halbleitermasse verbleibt auf einem niedrigen Anfangspotential E . Die scharfe Spitze verschiebt sich in Richtung der Plattenstärke L von der negativen Elektrode 13 zur positiven Elektrode 12mit einer konstanten gesättigten Geschwindigkeit, die von den Merkmalen des verwendeten Halbleitermaterials abhängt. Diese Erscheinung wird im Zusammenhang mit Fig. 3 näher untersucht .trodes 12 and 13 arranged parallel to the semiconductor plate and to each other. The semiconductor plate 11 is preloaded Supplied from a direct voltage energy source IU via the electrodes 12 and 13. A load resistor 15 is in Series connected between the connection of the energy source m and one of the electrodes 12 and 13. A hiking area high field strength H is formed in the semiconductor mass if a sufficiently high bias voltage between the two electrodes 12 and 13 as in the case of the Gunn diode is impressed. The formation of the area of high field strength can be understood from FIG. 2b, where the ordinate E represents an electric field and the abscissa L represents the strength of the semiconductor plate 11. A sharp point appearing in FIG. 2b corresponds to the region of high field strength II and the remainder of the semiconductor mass remains at a low initial potential E. The sharp point shifts in the direction of the plate thickness L. from the negative electrode 13 to the positive electrode 12 at a constant saturated velocity which is determined by the Features of the semiconductor material used depends. This phenomenon is examined in more detail in connection with FIG. 3 .

In Fig." 3 stellt die Ordinate einen Ausgangsstrom i und die Abszisse eine angelegte Vorspannung dar. Wenn das Potential des Bereichs hoher Feldstärke den Wert E über-In Fig. "3, the ordinate represents an output current i and the abscissa represents an applied bias voltage Potential of the area of high field strength exceeds the value E

achreitet, der zur Herbeiführung der Lawinenerscheinung er~ forderlich ist, findet eine lawinenmäßige Vervielfachunga step who is responsible for causing the avalanche phenomenon is required, there is an avalanche multiplication

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- li -- li -

im Spitzenpunkt H in der Halbleitermasse statt, wodurch eine Anzahl von Ladungsträgern erzeugt werden, die Elektronen und positive Löcher umfassen. Wenn die angelegte Spannung den Wert V erreicht, der weit höher als der kritische Schwellenwert V., ist, hat der Halbleiter 11 seinen Arbeitspunkt vom Punkt A zum Punkt B verschoben. Dies schließt ein, daß der Widerstand der Halbleitermasse im wesentlichen auf Null reduziert w.ird,um einen beachtlich hohen Ausgangsstrom zu liefern. Nachdem eine große Stfommenge durch die Schaltung geflossen ist, verschiebt sich nun der Arbeitspunkt von B zum Punkt C, der sich auf einem flachen Teil der Kurve merklich höher als V.., befindet. Mit solch einer ausreichenden Vorspannung arbeitet der Impulsgenerator 10 in einer zyklischen Weise längs der Ortskurve ABC. Die Ortskurve ABC wird in der Strom-Spannungskurve durch Änderung des Lastwiderstandes, der Impedanz, der Kapazität und/oder anderer äußerer Bedingungen bestimmt. Wie im Folgenden im Zusammenhang mit Fig. 6 noch näher untersucht wird, neigen die Elektronen und positiven Löcher dazu, den wandernden Bereich hoher Feldstärke zu neutralisieren und so eine Störung der Potentialverteilung zu bewirken, wenn solch starker Strom durch die Schaltung geflossen ist. Genauer gesagt ist das -Wachsen des Bereichs hoher Feldstärke während der Lebensdauer der Minderheiten-Ladungsträger, zum Beispiel der positiven Löcher, behindert. V/enn die positiven Löcher rekombiniert sind und verschwinden, wind die Potentialverteilung in der Halbleitermasse auf den anfängliche unerregten'Zustand · zurückgeführt. Diese Er-takes place at the peak point H in the semiconductor mass, whereby a number of charge carriers are generated, the electrons and include positive holes. When the applied voltage reaches the value V, which is far higher than the critical threshold value V., is, the semiconductor 11 has shifted its operating point from point A to point B. This includes that the The resistance of the semiconductor mass is reduced to essentially zero in order to provide a considerably high output current. After a large amount of fuel has flowed through the circuit, the operating point is now shifted from B to Point C, which is noticeably higher than V .. on a flat part of the curve. With such a sufficient bias the pulse generator 10 operates in a cyclical manner along the locus ABC. The locus ABC is in the Current-voltage curve due to changes in load resistance, impedance, capacitance and / or other external conditions certainly. As will be examined in more detail below in connection with FIG. 6, the electrons and tend to be positive Holes to neutralize the moving area of high field strength and thus a disturbance of the potential distribution to cause when such a strong current has flowed through the circuit. More precisely, the -growth of the area high field strength during the lifetime of the minority charge carriers, for example the positive holes. When the positive holes are recombined and disappear, the potential distribution in the semiconductor mass winds up on the initial unexcited state returned. This he-

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scheinungen wiederholen sich immer wieder, wenn der Bereich zu einem hohen elektrischen Feld anwuchst, das ausreicht, um die lawinenmäßige Vervielfachung bei hoher Vorspannung herbeizuführen. phenomena repeat themselves again and again when the area grows to a high electric field, which is sufficient to bring about the avalanche-like multiplication with high bias voltage .

In den Fig, Ma, ¹^b und Hc > die eine weitere Ausfüh-In the Fig, Ma, ¹ ^ b and Hc> the one further execution

rungsfcr-i;. oes erf ir.dungsgeinäföen Impulsgenerators darstellen > sind gla.i"; e Elemente η it gleichen Bezugszif fern wie in den Fig. 2a u;: .'■ 2b versehen, ϊ;ι dieser Ausführungsform .ist eine zusätzlich = . V-\.:ru;n: ■.."ϊ νΗ-,urr-r ir.\ die Ilalbleitermasse n-GaAs o.in~· neführt. l··. .· Vi:; η.··..·. \.;f;er; ■■ ' . ::r- solchen Verunreinigung dient dazu, ei'.,·: !je_;-.i".;n,·: r.cr'f Γ ,:■;!.": dor iialhle iferniasse von der n-Le il ■:' '■ ■■-.. .;.,r; .; ^; . i - T.. v:-." ". '"ah .'.;■; '■:- " t wirk'...^-,i;vo 11 u^u'.uwan-rungsfcr-i ;. This embodiment represents a pulse generator> are gla.i "; e elements η with the same reference numerals as in FIGS. .: ru; n: ■ .. "ϊ νΗ-, urr-r ir. \ the semiconductor mass n-GaAs o.in ~ · n leads. l · ·. . · Vi :; η. ·· .. ·. \ .; f; he; ■■ '. :: r- such pollution serves to ei '., ·:! je _; -.i ".; n, ·: r.cr'f Γ,: ■;!.": dor iialhle iferniasse from the n-Le il ■: '' ■ ■■ - ... ;., r; .; ^; . i - T .. v: -. "". '"ah.'.;■;'■:-" t act' ... ^ -, i; vo 11 u ^ u'.uwan-

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Fig. 4c zeigt die Potentialverteilung der Halbleitermasse in Richtung der Stärke, worin die Schicht 11' hohen Widerstandes auf der angelegten hohen Vorspannung gehalten wird, wenn die Spannung V_a zwischen die beiden Elektroden und 13 eingeprägt ist. Dieser Zustand" ist in Fig. kc durch eine durchgehende Linie dargestellt. Wenn die eingeprägte Spannung von V auf V anwächst, verschiebt sich das Bild4c shows the potential distribution of the semiconductor mass in the direction of thickness, in which the layer 11 'of high resistance is kept at the applied high bias voltage when the voltage V _a is impressed between the two electrodes 13 and 13. This state is shown in Fig. Kc by a solid line. When the impressed voltage increases from V to V, the image shifts

el α.el α.

der Potentialverteilung von der durchgehenden Linie zu der gestrichelten Linie. Während dieser Verschiebung findet die Lawinenerscheinung zuerst in der dünnen Schicht 11' statt und die Potentialverteilung in dem Teil 11 überschreitet örtlich den kritischen Schwellenwert, der erforderlich ist, um den Bereich hoher· Feldstärke zu bilden. Genauso wie im Fall der ersten Ausführungsform, bei der keine Verunreinigung verwendet wurde,'ändern die Ladungsträger, die aufgrund der lawinenmäßigen Vervielfachung neu gebildet wurden, die Potentialverteilung der Halbleitermasse in der dargestellten Weise.the potential distribution from the solid line to the dashed line. During this shift, the Avalanche phenomenon first takes place in the thin layer 11 'and the potential distribution in the part 11 exceeds locally the critical threshold value that is required to form the area of high field strength. Just like in the case of the first embodiment, in which no impurity was used, 'change the charge carriers due to the avalanche Multiplication was newly formed, the potential distribution of the semiconductor mass in the manner shown.

Wie in Fig. 5 dargestellt, wächst der Ausgangsstrom mit dem Anwachsen der angelegten Vorspannung längs der sanften Neigung über* die Spannung V_a bis zur Spannung V leicht an.As shown in FIG. 5, as the applied bias voltage increases, the output current increases _{slightly along the gentle slope above the voltage V a} to the voltage V.

Wenn der Strom einen Arbeitspunkt A für die Spannung V' er-If the current has an operating point A for the voltage V '

reicht, beginnt die Lawinenerscheinung, in deris enough, the avalanche begins in which

Schicht II¹ hohen Widerstands,' um den Arbeitspunkt von A nach B zu verschieben, wodurch eine plötzliche Erhöhung des Ausgangsstroms bewirkt wird. Der Punkt B entspricht in anderen Worten der Bedingung, bei der die Widerstandsschicht 11^f Layer II ¹ high resistance, 'to shift the operating point from A to B, causing a sudden increase in the output current. In other words, the point B corresponds to the condition in which the resistance layer 11 ^f

009831/1171 BAO ORiQINAi.009831/1171 BAO ORiQINAi.

als Ergebnis der lawinenmäßigen Vervielfachung kurzgeschlossen ist. In diesem Fall kehrt der Arbeitspunkt ebenfalls zum ' Punkt C zurück, der auf der sanften Neigung nahe eines- anfänglichen Vorspannungslosen Zustande liegt. Es ist hier zu bemerken, daß sich dieser Zyklus ebenfalls längs der Ortskurve ABC unter geeignet gewählten Bedingungen wiederholt.is short-circuited as a result of the avalanche multiplication. In this case the operating point also returns to ' Point C back, the one on the gentle slope near an initial one Pre-stressed states lies. It should be noted here that this cycle is also along the locus ABC repeated under suitably chosen conditions.

Die als Ausgangssignal herausgezogene Strom-Wellenform ist in Fig. 6 dargestellt, die für beide in den Fig. 2a und Ua dargestellte Ausführungsformen gilt. In Fig. 6 istThe current waveform extracted as the output signal is shown in Fig. 6, which applies to both embodiments shown in Figs. 2a and Ua. In Fig. 6 is

der Ausgangsstrom in .Zeitabstände unterteilt. Wie dargestellt, wächst der Strom zu einem spitzen Wert während einer Anstiegsdauer Ti ^. Diese Zeitdauer T:, , die erforderlich ist, um die lawinenmäßige Vervielfachung als augenblickliche Erscheinung ■ eintreten zu lassen, ist extrem kurz, beispielsweise weniger als eine Nano-Sekunde entsprechend durchgeführten Untersuchungen. Als Ergebnis der Rekombination der positiven Löcher sinkt der Ausgangsstrom in einer Abfallzeit X^» ^{um den Λη}~ fangswert einzunehmen. Untersuchungen haben ergeben, daß TT₁ viel kleiner als Tl ist. Die Dauer T jedes Zyklus der pulsierenden Wellenform hängt von der Lebensdauer der Minderheiten-Ladungsträger ab, die eng bezogen ist auf den Verunreinigungsgrad. Demzufolge w.ird, wo der Halbleiter sich auf einem niedrigen Einfangpegel befindet, die Einfang- und Rekombinationsrate der gebildeten Ladungsträger durch die angelegte Vorspannung diktiert. Weiterhin hängt die Breite des Bereichs hoher Feldstärke und die in diesem Bereich vor-the output current is divided into time intervals. As shown, the current increases to a peak during a rise time Ti ^. This period of time T i, which is required in order to allow the avalanche multiplication as an instantaneous phenomenon to occur, is extremely short, for example less than one nano-second according to investigations carried out in accordance with. As a result of the recombination of the positive holes, the output current decreases in a fall time X ^ »in ^{order to assume the Λη} ~ initial value. Studies have shown that TT _{1 is} much smaller than Tl. The duration T of each cycle of the pulsating waveform depends on the lifetime of the minority charge carriers, which is closely related to the level of contamination. Accordingly, where the semiconductor is at a low trapping level, the rate of trapping and recombination of the charge carriers formed is dictated by the applied bias. Furthermore, the width of the area of high field strength and the

00 9 8 31/157100 9 8 31/1571

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vielfachte LadungstrSgerkonzentratio^ spannung ab. Daher hängt die Dauer ~U insbesondere vor. cer an.?·.:".-Braten Span:multiple charge carrier concentration. Therefore the duration ~ U depends in particular before. cer an.?·.:".- Frying Span:

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In Folgt-nd er. wevi Erfindung Beispie';·· ijü '■-""..·: In the following he. wevi invention example '; ·· ijü' ■ - "" .. ·:

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Example 2

Ein n-leitfähiges GaAs von 100 um Stärke wurde als Halbleiterplatte verwendet. Eine Hinzufügung von Eisen als Verunreinigung senkte die Ladungsträgerkonzentration derAn n-type GaAs of 100 µm thick was used as Semiconductor disk used. An addition of iron as Contamination lowered the carrier concentration of the

15 1415 14

gedobter. Schicht von 5 χ 10 auf 10 . Die Oberflächenbehandlung und Anbringung der Kontakte war die gleiche wie in dem vorherigen Beispiel. Mit der Vorspannung von 80 bis Volt begann die Halbleiterplatte pulsierende Schwingungen mitdobed. Shift from 5 χ 10 to 10. The surface treatment and attachment of the contacts was the same as in the previous example. With the bias from 80 to Volt started the semiconductor plate with pulsating vibrations

- 5 -4 der Dauer jedes Zyklus von 10 bis 10 Sekunden und der- 5 -4 the duration of each cycle from 10 to 10 seconds and the

2 3
Ausgangsamplitude von 10 bis 10 rnA mit der Impulsbreite2 3
Output amplitude from 10 to 10 rnA with the pulse width

-9 -8
von 10 bis 10 Sekunden abzugeben.-9 -8
to deliver from 10 to 10 seconds.

Es ist festzustellen, daß der erfindungsgeiruiße Impulsgenerator auf einem neuen Arbeitsprinzip aufbaut und einen großen Anvjencungsbereich als Impulsgenerator einfacher Bauart und erhöhter Leistungsfähigkeit findet. Dieser Impulsgenerator hat eine hervorragende Spannungsabhängigkeit und kann in seiner Zyklusdauer durch Änderung der äußeren Bed indungen, wie zum Beispiel des Lastwiderstandes, der Induktivität, der Kapazität, einfallenden Lichtes und magnetischen Feldes, geregelt werden.It should be noted that the pulse generator according to the invention based on a new working principle and a large scope of application as a pulse generator easier Type and increased performance. This pulse generator has an excellent voltage dependency and can change its cycle time by changing the external conditions, such as load resistance, inductance, capacitance, incident light and magnetic Field to be regulated.

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Claims

Iy pulse generator, characterized by a crystalline, n-conductive semiconductor plate (11) high pure ' with two valleys in the ladder band of the energy band structure e, furthermore by a pair of ohmic electrodes (12,13), which are arranged on both sides of the semiconductor plate parallel to this and to each other, further through a DC power source (14) for applying a predetermined bias voltage ah across the semiconductor plate the electrodes and a load resistor (15) provided between the energy source and the semiconductor plate, where pulsating oscillations with frequencies that change with the bias occur when an avalanche multiplication occurs the charge carriers in the bulk of the semiconductor as a result of the formation of a migrating region high field strength arises, which is caused by a negative differential mass conductivity in the case of a bias voltage, which is far higher than the threshold field value of the half-. conductor is caused.

2. Pulse generator according to claim 1, characterized in that the semiconductor plate (11) in Λνζ- Fvi-hi, rschaft Cicr negat ivon Γ.Ίv.V ^ voue (13) a «Vcr ¹ . ^/."c-λ·; / .. '.

0 0 9 8 3 1 / 15 71 SAD ORIQINAt0 0 9 8 3 1/15 71 SAD ORIQINAt

is added to form a thin layer (II ¹ ) of high resistance with a considerably reduced concentration of charge carriers - and to change this from n-conductivity to i-conductivity, the avalanche multiplication occurring in this layer when the bias is applied to the Electrodes are applied «·

3. Pulse generator according to claim 1, characterized in that the semiconductor consists of one of the n-conductive '· Group III-Y compositions selected from GaAs, InP, InAs and CdTe. exist.

4. Pulse generator according to claim 2, characterized in that the impurity from one of the transition elements which consist of C, M, F, C and N.

5. Pulse generator according to claim 2, characterized in that the impurity is C.

6. Process for the formation of pulsating vibra- " with a high peak value due to a semiconductor that occupies two valleys in the conductor band of the energy band structure.

. seated, characterized by the impression of a bias voltage that is far higher than the threshold field value of the semiconductor is to the formation of a migratory areas high intensity of F. and the occurrence of an avalanche rivory

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to cause the charge carriers in the semiconductor mass to increase.

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