DE2002820C3

DE2002820C3 - Solid-state pulse generator

Info

Publication number: DE2002820C3
Application number: DE19702002820
Authority: DE
Inventors: Sadahiko; Hara Tohru; Kadoma Osaka Yamashita (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1969-01-23
Filing date: 1970-01-22
Publication date: 1978-02-09

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Impulsgenerator mit einer kristallinen n-leitfähigen Halbleiterplatte, einem Paar auf beiden Seiten der Halbleiterplatte angeordneter ohmscher Elektroden und einer Gleichspannungsquelle, von der über einen Lastwiderstand eine Vorspannung an die Halbleiterplatte angelegt wird, wobei in die Halbleiterplatte ein Materialbereich mil verhältnismäßig hohem Widerstand eingefügt ist.The invention relates to a pulse generator with a crystalline n-conductive semiconductor plate, a pair of ohmic electrodes arranged on both sides of the semiconductor plate and a DC voltage source, from which a bias voltage is applied to the semiconductor plate via a load resistor, wherein a material region with a relatively high resistance is inserted into the semiconductor plate.

Es sind bereits Schaltungsanordnungen bekannt (USA.-Patentschriften 33 65 583, 34 22 289), bei denen der sogenannte Gunn-Effekt zur Erzeugung von Mikrowellen ausgenutzt wird. Dabei wird durch Anlegen einer den Schwellenfeldwert des Halbleiters übersteigenden Vorspannung in dem Halbleiter ein örtlich begrenzter Bereich hoher Feldstärke geschaffen, der (mit Drift-Geschwindigkeit der Elektronen) von der Kathode zur Anode wandert. Zur Erhöhung der Feldstärke bei gegebener Vorspannung und damit zur Auslösung der sogenannten Hochfeldzone werden bei dem Halbleiter verschiedene Maßnahmen getroffen. So wird beispielsweise etwa in der Mitte des Halbleiterkörpers eine umlaufende Einkerbung vorgesehen, wobei die dadurch herbeigeführte Querschnittsverengung des Halbleiters eine höhere Feldstärke erzielen läßt In einer anderen Ausführungsform ist ein Materialbereich mit verhältnismäßig hohem Widerstand in den Halbleiterkörper eingefügt, so daß sich über diesen Bereich eine örtlich hohe elektrische Feldstärke ausbildet. Damit wird die effektive Länge des Halbleiterkörpers, die für die Laufzeit der Hochfeldzone maßgebend ist, wesentlich herabgesetzt, wodurch die erreichbare Frequenz erhöht ist.There are already circuit arrangements known (USA patents 33 65 583, 34 22 289) in which the so-called Gunn effect is used to generate microwaves. It is through Applying a bias voltage in the semiconductor which exceeds the threshold field value of the semiconductor locally limited area of high field strength created, which (with drift speed of the electrons) from the Cathode migrates to anode. To increase the field strength with a given bias voltage and thus to When the so-called high field zone is triggered, various measures are taken in the semiconductor. So For example, a circumferential notch is provided approximately in the middle of the semiconductor body, the the resulting narrowing of the cross-section of the semiconductor can achieve a higher field strength Another embodiment is a material region with a relatively high resistance in the semiconductor body inserted so that a locally high electric field strength develops over this area. In order to the effective length of the semiconductor body, which is decisive for the running time of the high field zone, becomes essential decreased, whereby the achievable frequency is increased.

Die mil dieser Anordnung er/ielbare Breite der Impulse ist relativ groß, da für sie die Laufzeit der Hochfeldzone maßgebend ist, die durch die Abmessungen des Halbleiters bestimmt wird. Die zur Verringerung der Laufzeit getroffenen Maßnahmen führen nur zu einer geringen Verkürzung der Impulsbreite und bewirken nachteiligerweise eine Herabsetzung des Ausgangspegels. Die Anstiegszeit der Impulse hängt von der Auslösegeschwindigkeit der Hochfeldzone ab. Diese Auslösegeschwindigkeit wird durch die getroffenen Maßnahmen (Einkerbung, Bereich erhöhten Widerstands) nur unwesentlich erhöht.The width that can be achieved with this arrangement Impulse is relatively large, as the transit time of the high field zone is decisive for it, which is determined by the dimensions of the semiconductor is determined. The measures taken to reduce the running time only lead lead to a slight shortening of the pulse width and disadvantageously cause a reduction in the Output level. The rise time of the impulses depends on the triggering speed of the high field zone. This release speed is determined by the measures taken (notch, area of increased resistance) only marginally increased.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen in vielfältiger Weise steuerbaren Impulsgenerator zu schaffen, der Impulse großer Ausgangsamplitude mitThe invention is based on the object of providing a pulse generator which can be controlled in a variety of ways create the impulses with a large output amplitude

^r> kurzer Anstiegszeit und geringer Breite im Höchstfrequenzbereich (GHz) erzeugt. ^r> short rise time and narrow width in the maximum frequency range (GHz).

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß der Materialbereich verhältnismäßig hohen Widerstandes als dünne Schicht mit verringerter LadungsträgerkonzentrationThis object is achieved in that the material area is relatively high resistance than thin Layer with reduced charge carrier concentration

-" nahe der negativen Elektrode und durch Einfügung einer Verunreinigung gebildet ist, die die n-Leitfähigkeit in eine i-Leitfähigkeit umwandelt, und daß die Vorspannung derart groß gewählt wird, daß eine Lawinenvervielfachung der Ladungsträger erreicht- "is formed near the negative electrode and by the introduction of an impurity which is the n-type conductivity converts into an i-conductivity, and that the bias voltage is selected so large that one Avalanche multiplication of charge carriers reached

-' wird.-' will.

Durch den erfindungsgemäßen Impulsgenerator wird ein Effekt ausgenutzt, der bei der sonst üblichen Nutzung des Gunn-Effektes aus Stabilisationsgründen gerade vermieden werden soll. Dieser Effekt besteht darin, daß bei einer weit über dem Schwellenfeldwert liegenden Spannung eine Lawinenerscheinung in der wandernden Hochfeldzone stattfindet, durch die eine große Anzahl von Elektronen und Defektelektronen erzeugt werden, die beide als Ladungsträger dienen.The pulse generator according to the invention makes use of an effect that is otherwise common Use of the Gunn effect should be avoided for reasons of stabilization. This effect exists in the fact that at a voltage far above the threshold field value an avalanche phenomenon in the wandering high field zone takes place through which a large number of electrons and holes are generated, both of which serve as charge carriers.

'"» Dieser Lawineneffekt wird bei dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator in dem die i-Leitfähigkeit aufweisenden Bereich hohen Widerstandes ausgelöst. Dadurch ist eine äußerst kurze Anstiegszeit der Impulse zu erreichen. Da dieser Lawineneffekt wegen der geringen'"» This avalanche effect is in the invention Pulse generator triggered in the area of high resistance exhibiting i-conductivity. This is to achieve an extremely short rise time of the pulses. Since this avalanche effect because of the low

⁴⁽¹ Stärke des i- Leitfähigkeitsbereichs sehr schnell wieder abklingt, ist auch die Impulsbreite sehr gering. Da bei dem Lawineneffekt das Hochfeld abgebaut wird (der Lawinendurchbruch stellt quasi einen Kurzschluß dar), wird die Frequenz der Impulse nicht durch die ^{4 (1} strength of the i-conductivity range decays again very quickly, the pulse width is also very small. Since the high field is reduced during the avalanche effect (the avalanche breakdown represents a kind of short circuit), the frequency of the pulses is not affected by the

⁴"> Gesamtabmessungen des Halbleiters, sondern durch die Abmessung der i-Leitfähigkeitsschicht bestimmt. Damit ist eine höhere Frequenz als durch Nutzung des Gunn-Effektes zu erreichen. Außerdem ist wegen der Lawinenmultiplikation der Trägerkonzentration die ⁴ "> overall dimensions of the semiconductor, but rather determined by the dimensions of the i-conductivity layer. This means that a higher frequency can be achieved than by using the Gunn effect. In addition, due to the avalanche multiplication of the carrier concentration, the

">'> durch den erfindungsgetiäßen Impulsgenerator erreichbare Ausgangsamplitude weit größer als die durch den Gunn-Effekt erreichbare Amplitude."> '> achievable by the pulse generator according to the invention The output amplitude is far greater than the amplitude that can be achieved by the Gunn effect.

Vorteilhafterweise besteht der Halbleiter des erfindungsgemäßen Impulsgenerators aus den n-leitfähigenThe semiconductor of the pulse generator according to the invention advantageously consists of the n-conductive ones

■■>"' 111-V-Verbindungen GaAs, InP, InAs oder CdTe, wobei es bereits bekannt ist (Internationale elektronische Rundschau 1966, Nr. 10, S. 590 bis 600), für die Nutzung des Gunn-Effektes die Halbleiter GaAs, InP und CdTe zu verwenden. Die bei dem erfindungsgemäßen■■> "'111-V compounds GaAs, InP, InAs or CdTe, where it is already known (International Electronic Rundschau 1966, No. 10, pp. 590 to 600), for the use of the Gunn effect to use the semiconductors GaAs, InP and CdTe. The in the invention

wi Impulsgenerator eingefügte Verunreinigung besteht aus den Übergangselementen Cr, Mn₁ Fe, Co oder Ni. Es kann dafür auch Cu verwendet werden.Impurity inserted in the pulse generator consists of the transition elements Cr, Mn ₁ Fe, Co or Ni. Cu can also be used for this.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen ün zwei AusfühlungsbeispielenThe invention is illustrated below with reference to schematic drawings in two exemplary embodiments

'" näher erläutert. Es zeigl'"explained in more detail. It shows

Fig. la ein typisches Diagramm einer Energicbandstruktur eines in dem erfindungsgemäßen Impulsgenerator verwendeten Halbleiters, der gleicher Art wie derLa is a typical diagram of an energy band structure a semiconductor used in the pulse generator according to the invention, of the same type as that

in einer Gunn-Diode verwendete ist,is used in a Gunn diode,

Fig. Ib eine Stromspannungskurve einer üblichen uunn-Diode,Fig. Ib shows a current-voltage curve of a conventional uunn diode,

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 Halbleiterplatte nach F i g. 2a darstellt, FIG. 2b is a schematic diagram showing the distribution of an electric field in the semiconductor plate according to FIG. 2a represents

Fig.3 eine Strom-Spannungs-Kurve des in Fig.2a dargestellten Impulsgenerators,Fig.3 shows a current-voltage curve of the in Fig.2a shown pulse generator,

Fig.4a eine der in Fig.2a dargestellten ähnliche weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators, Fig.4a one of the one shown in Fig.2a similar further embodiment of the pulse generator according to the invention,

Fig.4b ein schematisches Diagramm, das die Konzentrationsverteilung einer in den Halbleiter der F i g. 4a eingebrachten Verunreinigung zeigt,Fig.4b is a schematic diagram showing the concentration distribution of a in the semiconductor of the F i g. 4a shows introduced contamination,

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

F i g. 5 eine Strom-Spannungs-Kurve des in F i g. 4a dargestellten Impulsgenerators undF i g. 5 shows a current-voltage curve of the in FIG. 4a shown pulse generator and

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 output current obtained by the pulse generator according to the invention.

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 £ 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 0,35 eV für n-GaAs bei Raumtemperatur. Die Elektronen haben unter der Bedingung II geringere Leitfähigkeit als unter der Bedingung I₁ 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 £ represents the energy level and the abscissa the lattice arrangement of the k-space. The semiconductor used has, as shown, 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 ₁ since their effective mass assumes a lower value in the latter condition, as was determined 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 entwickelte seine Erläuterung zur Klärung der negativen differentiellen Massenleitfähigkeit in dieser Beziehung. Dies ist leicht an Hand von Fig. 1 b zu verstehen, in der eine Strom-Spannungs-Kurve einer üblichen Gunn-Diode dargestellt ist. In F i g. Ib stellt die Ordinate den Ausgangsstrom / und die Abz^:sse 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,h jedoch überschreitet, zeigt der Halbleiter eine negative differentielle 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 F i g. Ib als senkrecht schraffierte Fläche dargestellt.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 developed his explanation to clarify the negative differential mass conductivity in this relationship. 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 / and the dec ^: sse 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, if the voltage exceeds the threshold value V, h , the semiconductor exhibits a negative differential conductivity, as can be seen from FIG. 1b. 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 shown as a vertically hatched area.

Die F i g. 2a und 2b /eigen jeweils die Konstruktionanordnung und das Arbeitspiin/ip 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-GäAs-Halbleiter als nicht einschränkendes Beispiel der Gruppe IH-V der Halbleiterzusammensetzungen gewählt In dieser Ausführungsform wurde, wie im Fall der Gunn-Diode, keine Verunreinigung in den kristallinen Halbleiter 11 eingeführt. Auf beiden Seiten der Halbleiterplatte ist ein Paar ohmscher Elektroden 12 und 13 parallel zur Halbleiterplatte und zueinander angeordnet. Die Halbleiterplatte U wird mit einer Vorspannung aus einer Gleichspannungsenergiequelle 14 über die Elektroden 12 und 13 versorgt. Ein Laslwiderstand 15 ist in Serie zwischen den Anschluß der Energiequelle 14 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 F i g. 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 H, und der Rest der Halbleitermasse verbleibt auf einem niedrigen Anfangspotential Eo. Die scharfe Spitze verschiebt sich in Richtung der Plattenstärke L von der negativen Elektrode 13 zur positiven Elektrode 12 mit einer konstanten gesättigten Geschwindigkeit, die von den Merkmalen des verwendeten Halbleitermaterials abhängt. Diese Erscheinung wird im Zusammenhang mit F i g. 3 näher untersucht.The F i g. 2a and 2b / own the construction arrangement and the working pin / ip of the pulse generator according to the invention, which is denoted by the reference numeral 10, respectively. A semiconductor 11 can be selected from the compounds GaAs, InP, InAs and CdTe, as described above. In order to simplify the investigation, an n-GaAs semiconductor was chosen as a non-limiting example of the IH-V group of semiconductor compositions. In this embodiment, as in the case of the Gunn diode, no impurity was introduced into the crystalline semiconductor 11. On both sides of the semiconductor plate, a pair of ohmic electrodes 12 and 13 are arranged parallel to the semiconductor plate and to each other. The semiconductor plate U is supplied with a bias voltage from a direct voltage energy source 14 via the electrodes 12 and 13. A laser resistor 15 is connected in series between the connection of the energy source 14 and one of the electrodes 12 and 13. A wandering area of high field strength H is formed in the semiconductor mass if a sufficiently high bias voltage is impressed between the two electrodes 12 and 13, as in the case of the Gunn diode. The formation of the high field strength region is shown in FIG. 2b understandable, in which the ordinate E represents an electric field and the abscissa L the strength of the semiconductor plate 11. A sharp point appearing in FIG. 2b corresponds to the region of high field strength H, and the rest of the semiconductor mass remains at a low initial potential Eo. The sharp tip shifts in the direction of the plate thickness L from the negative electrode 13 to the positive electrode 12 at a constant saturated speed which depends on the characteristics of the semiconductor material used. This phenomenon is discussed in connection with FIG. 3 examined in more detail.

In F i g. 3 stellt die Ordinate einen Ausgangsstrom i und die Abszisse eine angelegte Vorspannung dar. Wenn das Potential des Bereichs hoher Feldstärke den Wert E_c überschreitet, der zur Herbeiführung der Lawinenerscheinung erforderlich ist, findet eine lawinenmäßige Vervielfachung 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 V₃ erreicht, der weit höher als der kritische Schwellenwert V₁/, 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 wird, um einen beachtlich hohen Ausgangsstrom zu liefern. Nachdem eine große Strommenge 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 V₁/, 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-Spannungs-Kurve 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, /.. B. die positiven Löcher, behindert. Wenn die positiven LöcherIn Fig. 3, the ordinate represents an output current i and the abscissa represents a bias voltage applied. When the potential of the region of high field strength exceeds the value E _c, which is required for bringing about the avalanche phenomenon is an avalanche moderate multiplication in the peak point H in the semiconductor mass, forming a Number of charge carriers are generated, which include electrons and positive holes. When the applied voltage reaches the value V ₃ , which is far higher than the critical threshold value V ₁ /, the semiconductor 11 has shifted its operating point from point A to point B. This implies that the resistance of the semiconductor ground is reduced to substantially zero in order to provide a considerably high output current. After a large amount of current has flowed through the circuit, the operating point now shifts from B to point C, which is noticeably higher than V ₁ / 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 determined in the current-voltage curve by changing the load resistance, the impedance, the capacitance and / or other external conditions. As will be examined in more detail below in connection with FIG. 6, the electrons and positive holes tend to neutralize the migrating area of high field strength and thus cause a disturbance of the potential distribution when such a strong current has flowed through the circuit. More precisely, the growth of the high field strength region is hindered during the lifetime of the minority charge carriers, e.g. the positive holes. If the positive holes

rekombiniert sind und verschwinden, wird die Potentialverteilung in der Halbleitermasse auf den anfänglich unerregten Zustand zurückgeführt. Diese Erscheinungen wiederholen sich immer wieder, wenn der Bereich zu einem hohen elektrischen Feld anwächst, das ausreicht, um die lawinenmäßige Vervielfachung bei hoher Vorspannung herbeizuführen.are recombined and disappear, the potential distribution in the semiconductor mass is reduced to the initial returned to the unexcited state. These phenomena repeat themselves again and again when the area grows to a high electric field that is sufficient to cause the avalanche multiplication bring about high preload.

In den Fig. 4a, 4b und 4c, die eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Impulsgenerators darstellen, sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugsziffern wie in den Fig.2a und 2b versehen. In dieser Ausführungsform ist eine zusätzliche Verunreinigung in die Halbleitermasse n-GaAs eingeführt. Das Hinzufügen einer solchen Verunreinigung dient dazu, einen begrenzten Teil der Halbleitermasse von der η-Leitfähigkeit in die !-Leitfähigkeit wirkungsvoll umzuwandeln. Die dafür verwendbare Verunreinigung ist Eisen Fe, Nickel Ni, Kupfer Cu, Chrom Cr, Kobalt Co und Mangan Mn. In der in Fig. 4a dargestellten Ausführungsform ist eine solcher Verunreinigungen in die Nachbarschaft der negativen Elektrode 13 eingeführt, um eine dünne Schicht W hohen Widerstandes zu bilden. Durch Jie so eingeführte Verunreinigung weist die dünne Schicht 11' eine bemerkenswert verringerte Konzentration von Ladungsträgern auf. In dem in F i g. 4b dargestellten Diagramm gibt die Ordinate η die Ladungsträgerkonzentration, n\ die Ladungsträgerkonzentration im Teil 11', in welchem die Verunreinigung zugeführt wurde, und /72 die Ladungsträgerkonzentration in dem von einer Verunreinigung freien Teil 11 an.In FIGS. 4a, 4b and 4c, which represent a further embodiment of the pulse generator according to the invention, the same elements are provided with the same reference numerals as in FIGS. 2a and 2b. In this embodiment, an additional impurity is introduced into the bulk n-GaAs semiconductor. The purpose of adding such an impurity is to effectively convert a limited part of the semiconductor mass from η conductivity to! Conductivity. The impurities that can be used for this are iron Fe, nickel Ni, copper Cu, chromium Cr, cobalt Co and manganese Mn. In the embodiment shown in Fig. 4a, such an impurity is introduced in the vicinity of the negative electrode 13 to form a thin layer W of high resistance. Due to the contamination thus introduced, the thin layer 11 'has a remarkably reduced concentration of carriers. In the one shown in FIG. 4b, the ordinate η indicates the charge carrier concentration, n \ the charge carrier concentration in the part 11 'in which the impurity was introduced, and / 72 the charge carrier concentration in the part 11 free of impurities.

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 V₃ zwischen die beiden Elektroden 12 und 13 eingeprägt ist. Dieser Zustand ist in Fig. 4c durch eine durchgehende Linie dargestellt. Wenn die eingeprägte Spannung von V₃ auf V₃' anwächst, verschiebt sich das Bild der Potentialverteilung von der durchgehenden Linie zu der gestrichelten Linie. Während dieser Verschiebung findet die Lawinenerscheinung zuerst in der dünnen Schicht W 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 auf Grund der lawinenmäßigen Vervielfachung neu gebildet wurden, die Potentialverteilung der Halbleitermasse in der dargestellten Weise.4c 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 ₃ is impressed between the two electrodes 12 and 13. This state is shown in Fig. 4c by a solid line. When the impressed voltage increases from V ₃ to V ₃ ' , the image of the potential distribution shifts from the solid line to the dashed line. During this shift, the avalanche phenomenon first takes place in the thin layer W , and the potential distribution in the part 11 locally exceeds the critical threshold value required to form the region of high field strength. Just as in the case of the first embodiment, in which no impurity was used, the charge carriers which were newly formed due to the avalanche multiplication change the potential distribution of the semiconductor mass as shown.

Wie in Fi g. 5 dargestellt, wächst der Ausgangsstrom mit dem Anwachsen der angelegten Vorspannung längs der sanften Neigung über die Spannung V₃ bis zur Spannung V₁' leicht an. Wenn der Strom einen Arbeitspunkt A für die Spannung V₂' erreicht, beginnt die Lawinenerscheinung in der Schicht 11' 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' 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 Zustands liegt. Es ist hier zu bemerken, daß sich dieser Zyklus ebenfalls längs der Ortskurve ABC unter geeignet gewählten Bedingungen wiederholt.As in Fig. 5, the output current increases slightly as the applied bias voltage increases along the gentle slope through voltage V ₃ to voltage V ₁ '. When the current reaches an operating point A for the voltage V ₂ ', the avalanche phenomenon begins in the high resistance layer 11' 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 'is short-circuited as a result of the avalanche multiplication. In this case, the operating point also returns to point C , which is on the gentle slope near an initial no-load condition. It should be noted here that this cycle is also repeated along the locus ABC under suitably chosen conditions.

Die als Ausgangssignal herausgezogene Strom-Wellenform ist in Fig.6 dargestellt, die für beide in den Fig. 2a und 4a dargestellte Ausführungsformen gilt. In F i g. 6 ist der Ausgangsstrom in Zeitabstände unterteilt. Wie dargestellt, wächst der Strom zu einem spitzen Wert während einer Anstiegsdauer τ\. Diese Zeitdauer Γι, 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 r_2l um den Anfangswert einzunehmen. Untersuchungen haben ergeben, daß T\ viel kleiner als Γ2 ist. Die Dauer 7 jedes Zyklus der pulsierenden Wellenform hängt von der Lebensdauer der Minderheiten-Ladungsträger ab die eng bezogen ist auf den Verunreinigungsgrad. Demzufolge wird, 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 vervielfachte Ladungsträgerkonzentration ebenfalls von der Vorspannung ab. Daher hängt die Dauer jedes Zyklus dieser Impulse insbesondere von der angelegten Spannung ab.The current waveform extracted as the output signal is shown in FIG. 6, which applies to both embodiments shown in FIGS. 2a and 4a. In Fig. 6 the output current is divided into time intervals. As shown, the current increases to a peak value during a rise time τ \. This period of time Γι, which is required to allow the avalanche multiplication to occur as an instantaneous phenomenon, is extremely short, for example less than a nano-second according to investigations carried out. As a result of the recombination of the positive holes, the output current decreases in a fall time r _{2l in} order to assume the initial value. Investigations have shown that T \ is much smaller than Γ2. The duration 7 of each cycle of the pulsating waveform depends on the lifetime of the minority charge carriers, which is closely related to the degree 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 charge carrier concentration multiplied in this area also depend on the bias voltage. The duration of each cycle of these pulses therefore depends in particular on the voltage applied.

Im folgenden werden zur weiteren Erläuterung der Erfindung Beispiele im einzelnen angegeben.In the following, examples are given in detail to further illustrate the invention.

example 1

Eine aktive Schicht von 10 μιτι wurde durch Vakuum-Epitaxialverfahren auf einen n-leitfähigen Halbleiter GaAs aufgebracht, der eine Stärke von 100 μπι und eine Ladungsträgerkonzentration vor 2 · 10¹⁸/cm³ bei Raumtemperatur aufweist. Die festgestellte Konzentration der aktiven Schicht war bei dei gleichen Temperatur 5 · lO'Vcm³. Nach üblichem Ätzer und Reinigung der Oberflächen des Halbleiterstück! wurden geeignete Metalle durch Vakuumverdampfung auf beiden Seiten der Halbleilerplatte aufgebracht. Dif verwendeten Metalle waren Zinn(Sn)-Legierung unc eutektische Mischung aus Gold (An) und Germanium (Ge).An active layer of 10 μm was applied by vacuum epitaxial processes to an n-conductive semiconductor GaAs, which has a thickness of 100 μm and a charge carrier concentration of 2 · 10 ¹⁸ / cm ³ at room temperature. The found concentration of the active layer at the same temperature was 5 · 10'Vcm ³ . After the usual etching and cleaning of the surfaces of the semiconductor piece! suitable metals were deposited on both sides of the semiconductor plate by vacuum evaporation. The metals used were tin (Sn) alloy and a eutectic mixture of gold (An) and germanium (Ge).

Wenn die an die Halbleiterplatte angelegte Vorspannung 50 Volt überschritt, konnten von der Halbleiterplatte pulsierende Schwingungen abgenommen werden Die festgestellte Dauer jedes Zyklus lag zwischen 10-' und 10"⁶ Sekunden, und die Ausgangsamplitude betrug 12^mA.When the bias voltage applied to the semiconductor board exceeded 50 volts, pulsating vibrations could be detected from the semiconductor board. The observed duration of each cycle was between 10- 'and 10 " ⁶ seconds and the output amplitude was 12 ^ mA.

Example 2

Ein n-leitfähiges GaAs von 100μΐη Stärke wurde als Halbleiterplatte verwendet Eine Gold (An) von Eiser als Verunreinigung senkte die Ladungsträgerkonzentration der gedobten Schicht von 5 - 1O^1S aus 10¹⁴. Die Oberflächenbehandlung und Anbringung der Kontakte war die gleiche wie in dem vorherigen Beispiel. Mit dei Vorspannung von 80 bis 100 Volt begann die Halbleiterplatte pulsierende Schwingungen mit dei Dauer jedes Zyklus von 10~⁵ bis 10~⁴ Sekunden und dei Ausgangsamplitude von ΙΟ² bis 10³ mA mit dei Impulsbreite von 10-⁹bis 10~⁸ Sekunden abzugeben.An n-conductive GaAs with a thickness of 100 μm was used as the semiconductor plate. A gold (An) from Eiser as an impurity lowered the charge carrier concentration of the doped layer from 5 - 10 ^1S from 10 ¹⁴ . The surface treatment and attachment of the contacts was the same as in the previous example. With dei bias voltage of 80 to 100 volts, the semiconductor disk pulsating vibration began dei duration deliver to 10 ^-8 seconds of each cycle of 10 ^-5 to 10 ^-4 seconds, and dei output amplitude of ΙΟ ² to 10 ³ mA with dei pulse width of 10- ⁹ .

Es ist festzustellen, daß der erfindungsgemäße Impulsgenerator auf einem neuen Arbeitsprinzip aufbaut und einen großen Anwendungsbereich al« Impulsgenerator einfacher Bauart und erhöhter Leistungsfähigkeit findet Dieser Impulsgenerator hat eineIt should be noted that the pulse generator according to the invention is based on a new working principle and a wide range of applications as a pulse generator of simple design and increased performance finds this pulse generator has a

hervorragende Spannungsabhängigkeil und kann in seiner Zyklusdauer durch Änderung der äußeren Bedingungen, wie z. B. des Lastwiderstandes, der induktivität, der Kapazität, einfallenden Lichtes und magnetischen Feldes, geregelt werden.excellent voltage-dependent wedge and can change its cycle time by changing the external Conditions such as B. the load resistance, inductance, capacitance, incident light and magnetic field.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Pulse generator with a crystalline n-conductive semiconductor plate, a pair of ohmic electrodes arranged on both sides of the semiconductor plate and a DC voltage source, from which a bias voltage is applied to the semiconductor plate via a load resistor, a material area with a relatively high resistance being inserted into the semiconductor plate , characterized in that the material region (H ') of relatively high resistance is formed as a thin layer with a reduced charge carrier concentration near the negative electrode and by inserting an impurity which converts the η conductivity into an i conductivity, and that the bias voltage is so large it is chosen that an avalanche multiplication of the charge carriers is achieved.

2. Pulse generator according to claim 1, characterized in that the semiconductor from the n-conductive III-V compounds GaAs, InP, InAs or CdTe is made.

3. Pulse generator according to claim 1 or 2, characterized in that the impurity consists of the transition elements Cr, Mn, Fe, Co or Ni.

4. Pulse generator according to claim 1 or 2, characterized in that the impurity is Cu is.