DE2005478A1

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Info

Publication number: DE2005478A1
Application number: DE19702005478
Authority: DE
Priority date: 1969-02-06
Filing date: 1970-02-06
Publication date: 1970-10-15
Also published as: US3601713A; JPS4812673B1; DE2005478B2; FR2033299A1; GB1294119A; BE745531A; FR2033299B1; NL7001615A; DE2005478C3; IL33600A; IL33600A0

Description

Pat entanvä lt ε D ι ? l. -1 κ g . R W?. ι c κ μ α ν ν,

Dipl.-Ing. H. Wv. ic km α ν ν, Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke Dipl.-Ing. F. ΛΛΧΈιckmann, Dipl.-Chem. B. Huber

S MÜNCHEN 86, DEN

POSTFACH S6O82O

MÖHLSTRASSli 22, RUFNUMMER -!8 35 21/22

SCGA

400 Main Street, East Hartford, Connecticut 06108, USA

Schaltungsanordnung zur Erzeugung hochfrequenter Sehv/in-

. gungen

Die Erfindung bezieht sich auf eine SchaltungsanOrdnung F-ur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen mit einem einer Vorspannung unterworfenen Halbleiterelement.

Das Auftreten hochfrequenter Spannungen bei Halbleitern vom n-Leitfähigkeitstyp mit Richtungsverhalten, wie sbwa Galliumarsenid, bei hoher elektrischer Feldstärke wurde zuerst von J. B. Gunn im Jahre 1963 beobachtet, p.errn Gunn-Effekt werden Halbleiterlcristalle instabil, wenn die ele'KtriacfjQ Feldstärke, der sie unterworfen, werden, oberhalb eines Schwellwertes ansteigt. Diese Instabilität eroclieini; "in engen Bereichen sehr hoher elektrischer Fe.iclf.t^rice (Stoßwellen, die sich gleichmäßag durch den Iialbi i· i. l ov i'cr tpflan:;en). Me Instabjj.j t,äfc drückt sich ali; ['f:¹.·;■:·■-:";-:!i,'i.; aes 3tron!O3 raus, v;m·.!· -·η die '.v- ^p dor: ν,ι [·.;,· ''l. ·ο." r" ·.-,".. /.T₁GVJf-;! ο ':; oeheri V(.>;\:-·· .". -^: ο ν¹¹ ': -:t-:. -a-:-..--

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konstante Spannung angelegt wird. Die Wirkungsweise von Anordnungen nach dem Gunn-Prinzip ist "bekannt.

In dem U.S.--Patent 3.414.841 ist eine Betriebsart eines Halbleiters mit zwei Talv/erten offenbart, die im englisch— sprachigen Schrifttum als LSA-Mode bezeichnet wird. Bei diesen Schaltunrrsanordnungen i_st an die ohrcschen Kontaktierungen ein Resonanzschwingungskreis angeschlossen. Der Resonanzscbwingungskreis dient aur Veränderung der elektrischen "Feldstärke im Halbleiter, um die Bildung von wandernden Bereichen hoher elektrischer Feldstärke zu verhindern, während gleichzeitig ungedämpfte Schwingungen aufrechterhalten werden.

Bei einer Reihe von aktiven Festkörpsr-Oszillatoren mit einem Halbleiterkristall als Grundkörper ist es möglich, nicht-lineare Kontaktierungen, wie etwa in enteegengesetzte Richtungen gepolte Dioden, vorzusehen. Die erzielbaren unterschiedlichen Schwingungsmoden hängen vollständig von der Art der Kontaktierungen ab, die auf den Halbleiter-Grundkörper aufgebracht werden. Die durch eine Gleichspannungs-Vorspannung hervorgerufene Feldstärke im Bereich der Kontaktierung an der Kathode eines Halbleiter-Grundkörpers (beim Halbleiter vom η-Typ) ist größer als die elektrische Feldstärke im übrigen Teil des Halbleiter-Grundkörpers. Dies bedingt einen ausgeprägten SchwingungsiDode, hervorgerufen durch Bildung von wandernden Bereichen,, ähnlich denen der G-unn-Schwingungen. Bei einem anderen Schwingungsmode werdendurch Fortpflanzen einer Schicht verminderter Ladungsträgerkonzentration vom Bereich des Übergangs in den Grundkörper des Halbleiters laufzeitab-hängige Schwingungen erzeugt. Bei einem, dritten Schv/ingungsmode führt eine Differenz zwischen der hohen elektrischen Feldstärke, die i"i "Berolohdec '/bor./-in ·*.<·■? :'vr.seho;ι der·

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■ — 3 —

Kontaktierung und dem Halbleitergrundkörper auftritt, und der niedrigen elektrischen Feldstärke der Halbleitei*- subetanz sit den zwei Talwerten zu einer Instabilität bei der Besonansfrequenz eines an die Anordnung angeschlossenen Resonanaschwingungskreises.

Aufgabe der Erfindung ist es, aktive Pestkörper, insbesondere Festkörper-Oszillatoren und -Verstärker zu schaffen, die Schwingungen-erzeugen, wenn sie mit einem Gleichfeld oder einem pulsierenden Gleichfeld beaufschlagt werden.

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Bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Halbleiterelement einen rUuralich begrenzten aktiven Bereich aufweist, von dem eine auf -dem Halbleiterelement angeordnete Kontaktierung räumlich entfernt ist.

Ein bemerkenswertes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Grundkörper, etwa ein Halbleiter nit zwei Talwerten, z, B. Galliumarsenid,in der Weise ausgeformt ist, daß bei Anlegen eines elektrischen Feldes an zwei Korrtaktierungen niedrigen Widerstands der aktive Bereich der Anordnung von dem steuernden elektrischen Feld an den Kontaktierungen ^ räumlich getrennt ist. Die auf den Halbleiter-Grundkörper I aufgebrachten Kontaktierungen weisen einen niedrigen Widerstand auf, der entweder linear oder nicht linear ist. Dem Halbleiterkörper wird eine derartige Form gegeben, daß der aktive Bereich des Materials räumlich von der steuernden Feldstärke an den Kontaktierungen entfernt ist. Die elektrische Feldstärke im aktiven Bereich ist größer als die an*"der .Stelle des Übergangs zwischen dem aktiven und inaktiven Bereich. Wird die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung., in einen Resonanzschwingkreis eingebaut, dann werden bei der Resonanzfrequenz Strosis.-chwinirunnen erzeugt.

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Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden weiter unten beschrieben.

Bei.einer Aüsführungsform der Erfindung werden Schwingungen nach dem Gunn-Effekt mit wandernden Bereichen erzeugt, indem die Feldstärkenverteilung im aktiven Bereich des Halbleiter-Grundkörpers so verändert wird, daß die Feldstärke im Übergangsbereioh. !zwischen dem aktiven Bereich und dem übrigen Teil größer ist als ii die Feldstärke im aktiven Bereich.

Die Erfindung sieht also einen Oszillator und Verstär-. ker aus einem Festkörper vor, dessen Grundkörper etwa ein Halbleiterkristall ist, auf dem Kontaktierungen. von niedrigem Widerstand aufgebracht sind und bei dem der aktive Bereich des Halbleiter-Grundkörpers so ausgebildet ist, daß er von der hohen elektrischen Feldstärke an dem Übergang zwischen dem aktiven Material und den Kontaktierungen unbeeinflusst bleibt.

Die Erfindung schafft eine Reihe von neuen Oszillatoranordnungen, die entweder aus einem quaderförmigen ^ oder aus einer Epitaxialschicht bestehenden Halbleiter gebildet sind, der so geformt ist, daß der aktive Bereich ein geringeres Volumen oder einen geringeren Querschnitt als der Teil des Halbleiter-Grundkörpers hat, der der Steuerkontaktierung benachbart ist, hat. Bei einem Halbleiter von η-Typ ist die Steuerkontaktierung die Kathode. Bei einem Halbleiter vom p-Typ ist die Steuerkontaktierung die Anode.

Auf den Halbleiter-Grundkörper werden auf die Anode und auf die Kathode Kontaktierungen aufgebracht, die

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einen niedrigen Widerstand haben. Diese Kontaktierungen haben ein Strom-Spannungsverhalten, das entweder linear oder nicht linear ist. .

Wird eine Gleichspannung zwischen die Anode und die Kathode gelegt, dann entsteht im aktiven Bereich des Halbleitermaterials eine höhere Feldstärke als die in dem Übergang zwischen dem aktiven und inaktiven Bereich.

Wird die Anordnung in'einen äußeren Resonanzschwingkreis ■ geschaltet und die elektrische Feldstärke so weit erhöht, bis sie im aktiven Bereich des Halbleiter-Grundkörpers einen Schwellwert erreicht, dann tritt eine Instabilität auf und es kommt zu Strömschwingungen, deren Frequenz die Resonanzfrequenz des äußeren Schaltkreises ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung werden aktive Festkorper-Oszillatoren und -Verstärker geschaffen,

die mit Hilfe der Bildung von Domänen, die sich durch den Halbleiter-Grundkörper fortpflanzen, laufζeitabhängige Schwingungen erzeug en.Die laufzeitabhängigen Schwingungen gleichen denjenigen, die bei Anordnungen, die nach dem Gunn-Effekt arbeiten, erzeugt werden.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung ist die Ausbildung des Halbleiter-Grundkörpers mitsamt der Kontaktierung etwas abgewandelt, beispielsweise . indem im aktiven Bereich des Haliileiter-Grundkörpers in der Nähe des Übergangs zur steuernden Kontaktierung ein Einschnitt vorgesehen wird, oder durch Veränderung der geometrischen Form oder des Dotierungsprofiles des aktiven Bereichs des Halbleiter-Grundkörpers. Dies geschieht in der Weiset daß die elektrische Feldstärke in dem tlbergangsbereich zwischen dem aktiven und inaktiven Bereich größer ist als die elek-

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tr&che Feldstärke im aktiven Bereich des Halbleiter-Grundkörpers. Wird an die Anordnung ein elektrisches Gleichfeld gelegt, dann wird ein Schwellwert erreicht, bei dem sich Domänen in der Übergangsschicht zwischen dem aktiven und inaktiven Bereich bilden, so daß laufzeitabhängige Schwingungen auftreten.

Epitaxial-Halbleiter, die die oben beschriebenen Eigenschaften aufweisen,.werden von der Erfindung ebenfalls erfaßt. Das Gleiche gilt für mehrfach zusammengesetzte ft oder aus parallelen Schichten bestehende Oszillatoren. Weitere Merkmale und Ausführungsformen der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung anhand von Zeichnungen hervor.

Fig. 1 zeigt ein Diagramm, bei dem die Stromstärke über die elektrische Feldstärke aufgetragen ist,für einen Halbleiter aus Galliumarsenid (GaAs).

Fig. 2 zeigt schercat.isch eine elektrische Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, bei der als Kontaktierungen Dioden verwendet werden.

Fig. 3 zeigt schematisch eine andere elektrische Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, bei der als Kontaktierungen Widerstände verwendet werden.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 5 zeigt die Feldstärkeverteilung bei einer Anordnung laß Fig. 4. .

Fig. 6 zeigt schematisoh eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Verbraucherkreis.

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tr β r ι

Pig. 7 zeigt ein Diagramm, bei dem der Strom über die ^:- ' " Spannung bei einer AusfUhrungsform der Erfindung aufgetragen ist. Pig· 8 gibt die Wirkungeweise der Erfindung in einem Wi-

derstandssohaltkreis wieder.

Fig. 9 gibt die Wirkungsweise der Erfindung in einem Reso-. nanz-Sohwingkreis wieder.

iig*1O zeigt eine weitere Aueführungsform gemäß der Erfin-

Fig.1OA zeigt einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Flg. 10.

Fig.11 zeigt eine weitere Aueführungeform der Erfindung.

Fig.11A zeigt einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 11. "

Fig. 13 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Fig.H zeigt eine Anzahl von parallel geschalteten Anord- ' nungen geaäß der Erfindung.

Fig.15 zeigt eine Aueführungsform der Erfindung bei einer ■-■".. Epitaxialechicht.

Fig.16 zeigt eine Ausführungsform ebenfalls mit einer Epitaxialschicht·

Fig.16 A zeigt einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. T6.

Flg. 17 zeigt schematisch eine Ausiührüngsfb rm der Brfindung/ mit der laufzeitabhängige Schwingungen erzeugt werden.

Pig. 18 zeigt den Spannungsverlauf bei der Anordnung gemäß Pig. 17.

In Fig. 1 ist der Verlauf der Stromstärke j über die elektrische Feldstärke E für Halbleiter mit zwei Talwerten, wie Galliumarsenid,aufgetragen.-Die Stromstärke j ist gleich der Produkt aus Trägerdichte n, Trägerladung e und Trägergeschwindigkeit v. Bei Werkstoff vom η-Typ bezieht sich die Trägergeschwindigkeit ν auf die Elektronengeschwindigkeit im Halbleiterkristall. Beim Material vom p-Typ entspricht die Trägergeschwindigkeit der Löchergeschwindigkeit.

Wie aus dem Kurvenverlauf in Fig. 1 zu ersehen, steigt die Stromstärke im Grundkörper im wesentlichen linear mit größer werdender Feldstärke, und zwar bis zu einem

Schwellwert E, der elektrischen Feldstärke. Die Stromstär-χ

ke ist in diesem Punkt mit j. bezeichnet. Ab diesem Punkt beginnt die Feldstärke kleiner zu werden und nähert sich

einem Wert j . der kleiner als j. ist. Die Feldstärke s χ

oberhalb der Scliwellwertfeidstärke E₊, bei der die Ände-

rung der Stromstärke Null oder vernachlässigbar klein wird, ist die Feldstärke E_. Die Steigung der Kurve zwi-

el

sehen den beiden Werten E₊ und E ist negativ und be-

u St

schreibt den charakteristischen Bereich negativer Leitfähigkeit oder negativen Widerstands.

Es wird angemerkt, daß für Stromstärken von der Größe J₈ der Halbleiterkristall eine Feldstärke E zuläßt, die gleich E_ ist, und jede Feldstärke oberhalb E„. Die Stromstärke j ist somit sowohl durch die niedrige Feldstärke E₈ als auch durch höhere Feldstärken charak* terisiert.

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JDa die in Pig. 1 dargestellte Kurve für sämtliche Pro-• ben aus Galliumarsenid und ähnlichen Halbleiter elementen mit zv/ei Talwerten gilt, wird der genaue Verlauf der ein-'zelneri Kurven etwas unterschiedlich sein, was von der Dotierung, von Unreinheiten, von Trägerbeweglichkeit, usw. der einzelnen Probe abhängt. Es ist ferner unwesentlich, ob die Kurve oberhalb der elektrischen Feldstärke E kon- ■ stant verläuft, wie in Pig. 1, oder ansteigt oder abfällt.

Die Figuren 2 und 3 geben schematisch den körperlichen Aufbau der Erfindung wieder. Ein Grundkörper eines HaIbleiterkristalls aus Galliumarsenid 10 liegt in einem Schaltkreis, der von einerGleichspannungsqueile 12' gespeist ist. Ebenso gut 'kann eine Wechselspannungsquelle oder pulsierende Gleichspannungsquelle verwendet werden. Auf beiden Seiten des Halbleiter-Grundkörpers sind Kontaktierungen aufgebracht. In Pig. 2 sind die·Kontaktierungen als Dioden 14 und 14' dargestellt. In Pig. 3 sind die Kontaktierungen als Widerstände 16 und 16* wiedergegeben.

Aus den Figuren 2 und 3 geht hervor, daß die auf_den Grundkörper des Halbleiters aufgebrachten Kontäfc tiermagen entweder ohmsche Kontakte sein können, in Pig. 3 als Widerstände 16 und 16' wiedergegeben, oder Dioden sind mit nichtlinearer Kennlinie, wie es durch die Dioden 14 und 14* in Pig. 2 dargestellt ist. Verfahren zum Aufbringen von Kontaktierungen gehören zum Stand der Technik und werden nicht in Einzelheiten beschrieben.

Wie weiter oben bereits beschrieben, ist bei einem Halbleiter vom η-Typ die.Steuerkontaktierung an der Kathode, die, wie in den Figuren 2 und 3 gezeigt, die negative Elektrode ist. In der Beschreibung werden die einzelnen Ausf ührungsfor:nen' anhand- von Halbleitern vor! η-Typ be-;

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schrieben, wobei die Stauerelektrode die Kathode ist. Brim Halbleiter vom p-Typ ist die Anode die Steuerelektrode.

Fig. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Der Halbleiter-Grundkörper 18 ist in der Weise ausgebildet, daß sioh die Vertei3.ung der elektrischen Feldstärke im quaderförmigen Grundkörper ändert. Ein Teil des Grxindkörpers ist entweder herausgesagt, wegerodiert, weggeschliffen, weggeätzt oder auf sonstige Weise ent,-

Wt fernt, um den aktiven Bereich 20 des Grundkörpers zu bilden, der einen kleineren Querschnitt aufweist, als der übrige Grundkörper. Eine Kathodenkontaktierung 22 ' und eine Anodenkontaktierung 24 sind, wie geneigt, auf dem Grundkörper aufgebracht. Wird eine Gleichspannungacuielle an die Anoden- und Kathodenkontaktierung gelegt, dann ergibt sich in der gesamten Anordnung eine Feldstärkeverteilung, wie sie in Fig. 5 wiedergegeben ist. Wenn angenommen wird, daß die Kathodenkontaktierung eine Diode ist, wie in Fig. ,2, dann ergibt sich an der Diode eine sehr große Feldstärke E. Im Bereich 18 größeren Querschnitts des Grundkörpers ergibt sich nahe der

Wk Kathode, die ebenfalls eine Diode ist, eine viel kleinere Feldstärke. Im aktiven Bereich 20 des Grundkörpers steigt die Feldstärke wieder bis zu einem Wert an, der zumindest oberhalb des Feldstärke-Schwellwertes E^ liegt. Die in Durchlassrichtung vorgespannte Anodendiode weist eine sehr geringe Impedanz auf, und die elektrische Feldstärke ist in ihrem Bereich sehr klein.

Dia theoretische Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. ist wie folgt. Es wurde gezeigt, daß der Gunn-Effekt Kristallisationsorte erfordert, z. B. durch Veränderung

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der Dotierung, durch¹ einen Einschnitt, in den aktiven Bereich des Halbleitermaterials oder durch eine hohe elektrische Feldstärke an der Kontaktkathode. Werden diese für den Gunn-Effekt typischen Bereiche entfernt, dann weist die Anordnung keine Giinn-Bereiehe mehr auf. Sowohl. Experimente wie die"■ Nachtfl.dung durch einen Computer führen zu diesem Ergeb-, · nie. Die Nachbildung in einen Computer zeigt, daß bei einer Ausschaltung dieser Bereiche neue Arten von Schwingungen entstehen. Die Schwingungen ergehen sich bei zwei verschiedenen Betriebsbedingungen. Bei den Betriebsbedingungen I besteht an der Anode ein Bereich hoher elektrischer Feldstärke, der in einem Resonanzschwingungskreis von niedriger Frequenz instabil ist. Bei den Betriebsbedingungen II stellt sich eine einheitliche Schwingung der elektrischen Feldstärke entlang der Probe, ein, wenn die Anordnung in einen Resonanzschwingungskreis hoher Frequenz geschaltet ist. In beiden Fällen macht die Anordnung Gebrauch von den verschiedenen Schwingungsmoden, um einen Wechselstrom zu erzeugen.

Wenn wie in Fig. 6 die Gesamtanordnung in einen äußeren Resonanzschwingungskreis geschaltet wird, "werden bei beiden Betriebsbedingungen I und II Stromschwingungen erzeugt. In Fig. 6 hat der Kristall 26 aus Galliumarsenid zwei Kontaktierungen 28 und'28'.." Die Kontakt ie rung en sind als Dioden ausgebildet. Der Halbleiter iA in einen Resonanzschwingungskreis eingebaut. Eine Gieichspannungsbatterie 32 speist die Anordnung, und das Ax^angssignal wird von den Elektroden 34 abgenommen. Ebenso gut kann pulsierende Gleichspannung oder Wechselspannung verwendet werden.

Wird die Anordnung in einem Resonanzschwingungskreis von

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verhältnismäßig niedriger Frequenz eingebaut, werden Schwingungen nach dem ersten Betriebszustand I erzeugt. Bei einem Resonanzschwingungskreis von hoher Frequenz ergeben sich, wie beschrieben, Schwingungen nach den Betriebsbedingungen II. Bei einer Schaltung in einem Widerstandskreis ergibt sich zwar eine Feldstärkeverteilung nach den Betriebsbedingungen I, eine Schwingung wird jedoch nicht erzeugt.

Die physikalische Erklärung für die Konfiguration liegt darin, daß der aktive Bereich 20 des Grundkörpers in Fig. eine elektrische Feldstärke E zuläßt, die nahe dem FeIdstärken-Schwellwert E₊ liegt, während die elektrische Feldstärke außerhalb des aktiven Bereichs kleiner ale E₊ ist. Der aktive Bereich ist räumlich von der Kathode getrennt, indem durch einen Bereich niedriger Feldstärke eine hohe Feldstärke erzeugt wird. Mit anderen Worten, wenn die Feldstärke im aktiven Bereich etwa den Wert E₊ hat, dann sind die Feldstärken in den an den aktiven Bereich angrenzenden Bereichen unterhalb E.. ' -

In den Figuren 7» 8 und 9 sind typische Strom-Spannungsverläufe der Anordnung dargestellt. In Fig. 7 ist der Strom über der Spannung aufgetragen, und zwar für die gesarate Anordnung gemäß Fig. 4, d. h., wenn die Anordnung asymmetrisch ist. Wenn die Anordnung ,gemäß Fig. 4 in eine äußere Widerstands-Schaltungseinrichtung (nicht gezeigt) geschaltet wird und durch eJne Gleichspannungsquelle vorgespannt ist, dann ergibt sich eine Instabilität in Form der Betriebsbedingung I, wenn die Feldstärke E₊ erreicht wird. Dies ist in Fig. 8 wiedergegeben. Die auftretende Instabilität ist nicht von der Art wie bei Schwingern nach dem Gunn-Effekt. Es liegen keine Stromabnahme oder periodische Stromschwankungen vor. Auch werden keine elektrischen Schockwellen

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erzeugt. Die Strominstabilität ergibt einen mittleren Strom, der annähernd dem Strom der Anordnung entspricht, , der bei dem Schwellwert der Anordnung auftritt, d. h., " wenn die Instabilität auftritt. Die Stromsättigung wird durch Bildung einer hohen elektrischen Feldstärke an der Anode hervorgerufen.

Wird die Anordnung, wie in Pig. 6 dargestellt, in einen äußeren Resonanzschwingungskreis geschaltet, ergeben sich Stromschwingungen, die in "Pig. 9 gezeigt-sind. Wie bereits weiter oben bemerkt, ist die Prequenz dieser Schwingungen hoch, wenn die Resonanzfrequenz des Schaltkreises hoch ist. In diesem Pail werden Schwingungen gemäß den Betriebsbedingungen II erzeugt. Ist die Resonanzfrequenz des Schaltkreises, niedriger, dann werden gemäß den Betriebsbedingungen I Schwingungen erzeugt, deren Prequenz niedriger ist» In Pig, 9 sind die Stroroschwingungen über eine Zeitachse'aufgetragen, die der Strom-Spannungscharakteristik der gesaraten Anordnung überlagert ist. Die Stromschwingungen "weisen einen Mittelwert auf, der annähernd gleich dem Strom durch die Probe beim Schwellwert ist. Die Schwingungen stellen sich bei einer Vorspannung V, über den aktiven Bereich der Anordnung ein. Die Schwingungen sind kohärent und werden bei der Resonanzfrequenz des äußeren Schaltkreises erzeugt. Das gilt für beide Betriebsbedingungen I und II. -

Bei den Betriebsbedingungen II haben Versuchsmessungen ergeben, daß die Vorspannung V, gegeben ist, wenn die durchschnittliche e.-lektrische Feldstärke des aktiven Bereichs etwa in der Nähe, jedoch ein wenig unterhalb des Wertes E₊ liegt.

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Eine Probe au3 Galliumarsenid vom η-Typ ist in einem Computer nachgebildet worden. Die Probe hatte eine Dotierungsdichte von 10 /cm , eine Länge von 10" cm

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und einyn Querschnitt von 10 cm . Die Kurve der Wanderungsgeschv/indigkeit über elektrischem Feld für Galliumarsenid vom η-Typ wurde den Berechnungen von Butcher und Fawsett entnommen. Schwankungen in der Dotierungsdichte beim Galliumarsenid wurden bei der Nachbildung im Computer bertcksichtigt, wobei die größte Schwankung bei 10 $> lag'. '■ .

Bei der Nachbildung wurden die Feldstärken an Kathode und Anode au Null angenommen. Die Feldstärken in den anderen Bereichen wurden errechnet. Bei einer Kapazität der Anordnung von "9,8 χ 10" ^ Farad und einer Induktivitat von 10 bis 10 Henry lieferte die Anordnung abstimrabare Schwingungen, wenn sie in einen Resonanzschwingungskreis eingebaut wurde. Bei der Nachbildung wu /de beobachtet, daß die Feldstärke im Verlauf über die gesamte Probe bei der Resonanzfrequenz sich gleichmäßig auf und ab bewegt. Sich fortpflanzende Bereiche wurden nicht beobachtet. In einem Wideustandskreis bildete sich eine Bi hohe Feldstärke an der Anode,und der Strom blieb konstant.

Die Schwingungsanordnung gemäß der Erfindung braucht nicht die genaue Form aufzuweisen, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, sondern kann andere Ausbildungen aufweisen. Bei allen Ausführungsforraen ist jedoch notwendig, daß der aktive Bereich des Halbleiter-Grundkörpers so ausgebildet oder so dotiert ist, daß die elektrische Feldstärke E im aktiven Bereich größer als die Schwellwert-Feldstärke E. ist, während die Feldstärke außerhalb

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des aktiven Bereichs kleiner als E^. sein muß.

In den Figuren 10 und 1OA ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der sich der größere Abschnitt 36 des Halbleiter-Grundkörpers, der der Kathode 38 benachbart ist, in einer sanften Kurve in Richtung der kleineren Anode 40 verjüngt. Dadurch wird ein aktiver Bereich 42 erzeugt, dessen Querschnitt sich exponentiell von der Kathode zur Anode verkleinert. ·

Bei der Ausführungsform nach den Figuren 11 und 11A %

nimmt der aktive Bereich 44 von dem größeren ouaderförmigen Teil des Halbleiter-Grundkörpers 46, der der Kathode 48benachbart ist^ linear in Richtung der kleineren Anode 50 ab. . ■. _

Fig.12 zeigt eine symmetrische Ausführungsform, deren Gestalt einer Hantel ähnlich ist. Der Querschnitt des Grundkörpers ist in den an die beiden Kontaktierungen 52» 52' anschließenden Bereichen wesentlich größer als in dem dünnen aktiven Bereich 54 dazwischen. Aufgrund des symmetrischen Aufbaue ist auch das elektrische Verhalten des Elements symmetrisch und von dem Vorzeichen * der angelegten Vorspannung unabhängig.

· 13 zeigt den Querschnitt einer Ausführungsform, bei der der Grundkörper 56 als flacher Kristall ausgebildet ist, dessen eine Seite glatt geschliffen ist, während die andere Seite rauh ist. Die Anodenkontaktie rung 58 ist auf die glatte Fläche aufgebracht* und die Kathodenkontaktierung 60 ist auf die rauhe Fläche aufgebracht. Ss ist zu ersehen, daß der Kontakt "bereich zwischen άβτη Grundkörper und der Kathode größer ist ' als der awischen dem Grundkörper und der Anode.

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Fig. 14 zeigt schematisch ein Verfahren zur Erzeugung einer Vielzahl von parallen aktiven Bereichen. Bei dieser Ausführungsform ist die Anodenseite des Halbleiter-Grundkörpers sowohl in horizontäLer als auch vertikaler Richti;ng mit Einschnitten versehen, um eine Vielzahl von Abschnitten 62 zu bilden, deren Querschnitt Jeweils kleiner sein muß als der Querschnitt des quaderförrcigen Qrundkörpers 64 im Bereich der

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■Kathode 66. Die Kathodenkontaktierung ist auf die. unbearbeitete Seite des Halbleiter-Crrundkörpers 64 aufgebracht, während eine Vielzahl von Anodenkontaktierungen 68.auf die andere Seite des Grundkörpers aufgebracht ist. .Jede Anode arbeitet unabhängig und " · stellt eine selbständige Schwingungseinrichtung dar.

Fig. 15 zeigt eine weitere Ausfühnmgsform gemäß der Erfindung, bei der eine n-Epitaxialschicht 70

auf ein η -Substrat aufgebracht ist. Die Epitaxialschicht ist stufenförmig aufgebracht, wobei die eine Seite der Schicht höher ist als · die · andere Seite., Die Anodenkontaktierung 74 "nimmt einen kleineren Bereich ein, während die.Kathodenkontaktierung 76 einen größeren Bereich umfaßt. Auf diese Weise ist der Querschnitt und das Volumen der halbleitenden n-Epitaxialschicht ishe der Anode kleiner als das im der Kathode benachbarten Bereich der Pail ist. Auf diese Weise wird der erwünschte FeIdstärkenverlauf erzielt. ■ "

Die Figuren 16 und 16A zeigen eine abgewandelte Ausführungsform, bei der eine n-Epitaxialschicht 78 auf ein n⁺-Substrat 80 aufgebracht ist, wobei die Epitaxial- j|

schicht in bestimmter Weise auszuformen ist. Die Anodenkontakt ie rung 82 befindet sich im kleineren Querschnittsbereich der n-Epitaxialschicht, während die Kathodenkontaktierung 84 auf dem n⁺-Substrat aufgebracht ist. Auch bei dieser Ausführungsform ist der aktive Bereich 86 so ausgebildet, daß die elektrische Feldstärke darin größer ist als in den benachbarten Bereichen, wobei die elektrische Feldstärke an der

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Kathode wieder ansteigt.

Andere Ausbildungsmöglichkeiten und Verfahren zur Herstellung einer für den Betrieb dieser Anordnungen erforderlichen Feld3tärkervertellung sind denkbar. Beispielsweise kann eine präzise Steuerung der Dotierung verwendet werden, um die Feldstärkeverteilung zu beeinflussen.

Sämtliche oben beschriebenen Anordnungen können in der Weise abgewandelt werden, daß aie als Schwingun<isvorrichtung nach dem Gunn-Effekt arbeiten. Dazu ist lediglich erforderlich, ihre geometrische Form, das Dotierungsprofil oder andere Charakteristiken etwas zu ändern. In Pig. 17 ist eine Ausgestaltung ähnlich der gemäß Pig. 12 gezeigt, bei der eine Ausnehmung 88 im aktiven Bereich 90 de3 Halbleiter-Grundkörpers vorgesehen ist, die näher an der Kathode 92 liegt. Die Ausnehmung ändert den .Feldstärkeverlauf innerhalb der Anordnung, so daß die elektrische Feldstärke in dem Teil des aktiven Bereichs, der auf der Seite der Kathode liegt, größer ist als der Schwellwert E. . Mit anderen Worten, der Verlauf der elektrischen Feldstärke im Übergangsbereich zwischen dem aktiven Bereich und der steuernden Kathode i&t derart, daß die elektrische feldstärke E außerhalb des aktiven Bereichs auf der Seite der Kathode größer ist als die elektrische Feldstärke innerhalb des aktiven Bereihs. Ist dies der Fall, dann bilden sich in dem Übergangsbereich auf der Kathodenseite des aktiven Bereichs Domänen, die sich in Richtung der Anode durch den aktiven Bereich weiter fortpflanzen. Wird die Anordnung in einem Widerstandskreis geschaltet, dann werden während der Durchlaufzeit der Domänen Schwingungen erzeugt.

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Wird die Anordnung nach Pig. 17 in einen Resonanzschwingkreis geschaltet und mit Impulsen betrieben, wie sie in . Fig. 18 dargestellt sind, liefert die Anordnung die natürlichen laufzeitabhängigen Schwingungen, wie sie Gunn für negative Impulse beschreibt, und die normalen Schwingungen bei Resonanzfrequenz, wie bei der Anordnung nach Fig. 12, während der positiven Impulse nach Pig. 18.

Diese Anordnung kann in verschiedener Weise in Abhängigkeit von der absoluten Amplitude der positiven und negativen Impulse, von deren relativen Amplituden und den Schwellwertspannungen der Instabilitäten betrieben werden.

Pur alle beschriebenen Anordnungen i'st es wichtig, daß die elektrische Feldstärke an der SteuereleK"crod<^v axe für den Betrieb der Anordnung schädlich sind. So sollte beispielsweise die Feldstärke an der steuernden Kontaktierung entweder unterhalb der Schwellwert-Feldstärke E₊ oder oberhalb E₀ liegen, wenn im aktiven Bereich die Schwellwert-Feldstärke erreicht wird.

Sämtliche Anordnungen sprechen äußerst empfindlich auf Veränderungen im Querschnitt¹entlang des aktiven Bereiehes oder in dessen Nähe an. Ungleichmäßige Veränderungen können zu hohen elektrischen Feldstärken führen, wodurch Störerscheinungen, trie zufällige Bildung von Xristallisationskernen von Domänen nach dem Gunn-Effekt, verursp,oht werden. .

Die seitlichen Oberflächen sollten so glatt wie möglich sein, und es sollte dafür Sorge getragen werden* Gleichmäßigkeit zu erzielen. ■ ..-"

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Grobe Schwankungen in der Dotierung des Halbleiter-Grundkörpers können ebenfalls zur Bildung von Kristallisationskernen und zu B tor schwingungen führen. Daher mui3 die Homogenität der Anordnung überwacht werden. Verfahren hierzu sind aus dem Stand der Technik bekannt.

Mit Hilfe der offenbarten Anordnungen sind mit Hilfe von Impulsen Stromsohwingungen erzeugt worden in einem Bereich von 60 MHz bis 8,2 GHz mit einer Spitzenleistung von 0,6 Watt bei 8,2 GHz. Dies ist der Bereich, der zur Zeit .untersucht ψξ worden ist. Es wird jedoch angenommen, daß der Frequenzbereich ausgedehnt werden kann, möglicherweise bis zu der durch die beiden Talwerte bestimmte Relaxationszeit. Die Erzeugung von ungedämpften Schwingungen erfordert lediglich eine gute Abführung der Wärme.

Obwohl die Erfindung anhand von besonders bevorzugten und vorteilhaften Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, versteht sich, daß verschiedene Änderungen und Weglassungen der Ausgestaltung und der Einzelheiten vom Wesen und vom Umfang der Erfindung mit erfaßt sind.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

it. )schaltungsanordnung zur Erzeugung hochfrequenter Spannungen mit einem einer Vorspannung unterworfenen Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (18) einen räumlich begrenzten aktiven Bereich (20) aufweist, von dem eine auf dem Halbleiterelement (18) angeordnete Kontaktierung (22) räumlich entfernt ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit einem mit •dieser gekoppelten Resonanzschwingkreis, dadurch ge- ' kennzeichnet,, .daß das Halbleiterelement (18) aus einem Halbleitermaterial eines· einzigen leitfähigkeittyps mit zwei Talwerten besteht, das eine hestimmte elektrische Feldstärke zuläßt,· daß das Halbleiterelement einen aktiven Bereich (20) aufweist, der gegenüber den übrigen Teilen des Halbleiterelements (18) eine höhere elektrische Feldstärke zuläßt, und daß auf das Halbleitermaterial außerhalb des aktiven Bereichs (20) eine Kontaktierung (22) aufgebracht ist, so daß zwischen der Kontaktierung (22) und dem aktiven Bereich (20) ein TrennbaBich liegt, der eine geringere elektrische Feldstärke als der aktive Bereich (20) zuläßt.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit einem einer Vorspannung unterworfenen, in einer Richtung stroindurchflossenen Halbleiterelement und einem mit diesem gekoppelten. Resonanzschwingkreis, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement aus einem Halbleitermaterial eines einzigen Leitfähigkeittyps besteht und einen ak-

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tiven Bareich aufweint, der zumindest in einem Teilbereich eine gegenüber dem unmittelbar benachbarten Bereich höhere elektrische Feldstärke zuläi3t, und daß die Vorspannung so hoch gewählt ist, daß Schwingungen des das Halbleiterelement durchfließenden Stromes auftreten.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teilbereich des aktiven Bereichs (20) einen geringeren Querschnitt als der unmittelbar benachbarte Bereich (18) aufweist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial zwei Talwerte aufweist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Galliumarsenid ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Halbleiterelement außerhalb des aktiven Bereichs (20) eine Kontaktierung (22) aufgebracht ist.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Halbleiterelement aufge~ brachten Kontaktierungen eine lineare Abhängigkeit zwischen Strom und Spannung aufweisen.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das Halbleiterelement aufgebrachten Kontakt!erun^en eine nicht-lineare /\.bhnn<?ii*-

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keit zwischen Strom und Spannung aufweisen*
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktierungen Dioden (28, 28') bilden.
11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement einen Bereich aufweist, dessen Querschnitt geringer ist als derjenige des gesamten übrigen Halbleitereletnentes, und daß dieser Bereich verringerten Querschnitts- den aktiven Bereich bildet.
12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Kontaktierung (22) außerhalb des aktiven Bereichs (20) und eine zweite Kontaktierung(24) auf den aktiven Bereich (20) des Halbleiterelements (18) aufgebracht ist.
13>. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (18) auf der gesamten Länge des aktiven Bereichs (20) einen praktisch konstanten Querschnitt aufweist.
14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,' daß sich das Halbleiterelement (36) im aktiven Bereich zwischen einem inaktiven Bereich und der zweiten Kontaktierung derart verändert, daß sieh ein Umriss (42) von vorgegebener geometrischer Gestalt ergibt (?ig. 10).
15. Schaltungsanordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Halbleiterelement (36) im aktiven Bereich (72) verjüngt.

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IH
16". Schaltungsanordnung nach Anspruch 15» dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Halbleiterelements (46) im aktiven Bereich (44) praktisch linear abnimmt.
17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Kontakt!erungen (52, 52·) außerhalb des aktiven Bereiches aufgebracht" sind, so daß zwischen dem aktiven Bereich (54) und den Kontaktierungen (52, 52*j jeweils ein nicht aktiver Trennbereich liegt (Fig.
18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 11', dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement aus einem Substrat (72) und einer darauf aufgebrachten Epitaxialschicht (70) besteht(Fig. 15).
19. Schaltungsanordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Epitaxialschicht (70) eine Kontaktierung (74, 76) aufgebracht ist.
20. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (56)

fc eine glatte und eine rauhe Fläche aufweist, auf die jeweils eine Kontaktierung (58), (60) aufgebracht ist, und daß die rauhe Oberfläche_fgrößer ist als die der glatten Fläche (Fig. 13).
21. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement eine ebene Fläche und eine weitere, unterteilte Fläche aufweist, daß die durch die Unterteilung gebildeten Teilflächen kleiner als die ebene Fläche sind und jeweils einen aktiven Bereich begrenzen, und daß auf die ebene Fläche und ;^:ede Teuflische Kontaktierungen aufgebracht sind.

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nach Anspruch 1
22. Schaltungsanordnung/ zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen mit einem einer Vorspannung unterworfenen, - in einer Richtung stromdurchflossenen Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement aus einem Halbleitermaterial eines einzigen Leitfähigkeitstyps besteht und einen aktiven Bereich aufweist, dessen Querschnitt geringer ist als derjenige des gesamten übrigen Halbleiterelements und der zumindest in einem Teilbereich eine höhere elektrische Feldstärke zuläßt als der unmittelbar benachbarte Bereich größeren Querschnitte, und daß weiter am Übergang zwischen dem aktiven Bereich und dem übrigen Teil des Halbleiterelements ein Bereich gebildet ist, der eine höhere elektrische Feldstärke als der aktive Bereich zuläßt (Fig. 17).
■25. Schaltungsanordnung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der eine höhere elektrische Feldstärke als der aktive Bereich (90) zulassende Bereich am Übergang zwischen dem aktiven Bereich (90) und dem/Teil durch einen im aktiven Bereich nächst dem Übergang vorgesehenen Einschnitt (88) gebildet ist.
24. Schaltungsanordnung zur Erzeugung hochfrequenter Schwingungen mit einem Halbleiterelement, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement einen aktiven Bereich . (90) von geringem Querschnitt, zwei daran beidseitig anschließende Bereiche größeren Querschnitts, auf die Bereiche größeren Querschnitts auf von dem aktiven Bereich entfernten Flächen aufgebrachte Kontaktierungen (92) und einen im aktiven Bereich nächst dem Übergang zu einem der Bereiche größeren Querschnitts vorgesehenen Einschnitt. (88) aufweist.

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25. Schaltungsanordnung nach Anspruch 24_t dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement an den Kontaktierungen (92) über eine ohmsche Schaltung mit' einer so hohen Vorspannung gespeist ist, daß die in dem Halbleiterelement herrschenden elektrischen Feldstärken zur Erzeugung laufzeitabhängiger Stromschwingungen ausreichen.
26. Schaltungsanordnung nach Anspruch. 24« dadurch gekennzeichnet, daß das das Halbleiterelement an den Kontaktierungen (92) über einen Resonanzschwingkreis mit einer Torspannung wechselnden Vorzeichens gespeist ist (Pig. 18), deren Amplituden genügend groß sind, um in dem Halbleiterelement abwechselnd je nach Vorzeichen laufzeitabhängige Stromschwingungen und Schwingungen mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises aus· zulösen.

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