DE2005478B2 - Schaltungsanordnung zur erzeugung kohaerenter hochfrequenter schwingungen - Google Patents
Schaltungsanordnung zur erzeugung kohaerenter hochfrequenter schwingungenInfo
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- H—ELECTRICITY
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Description
Die I rliiultinv iv/ieli! sieh aiii eine Schaltung-,iii'iiiliHiiiL'
/111 I ; -.11'.MiIIi! kohärenter hochl rcqucnler
Schwingungen. uir.ias-.eml ein einer Vorspanniiim
ir.. Tw orlcncv ni:i einem Schwingkreis in Reihe :e
schaltetes, aus einem Halbleitermaterial eines einzigen Leitfähigkeitstyps mit zwei Talwertcn bestehendes
Halbleiterelement mit zwei Kontaktierungen.
Eine derartige Schaltungsanordnung ist bekannt (USA.-Patentschrift 3 414 841). Sie weist ein Halbleiterelement
von gleichbleibendem Querschnitt auf. auf dessen Grundkörper ohmsche Kontüktierungen
aufgebracht sind. Hierbei werden im Halbleiterelement mittels des in Reihe geschalteten Resonanzschwingkreises
periodische Veränderungen der elektrischen Feldstärke erzeugt, wodurch Schwingungen
auftreten, die als LSA-Mode bezeichnet werden. Durch die von dem Schwingkreis in ihrer Frequenz
vorgegebenen Schwingungen wird die Bildung ν cm wandernden Domänen hoher elektrischer Feldstärke
nach Art des Gunn-Effekts verhindert. Trotzdem sind eic im Halbleiterelement ablaufenden Schwini!uiii!s\
ornäime ähnlich wie beim Gunn-Effekt durch
eine von tier geometrischen Gestalt des Halbleite! elements
abhängige Laufzeit in ihrer erzielbaren Frequenz beschränkt.
Ls isl auch bekannt, bei Gunn-Schvvingein daverwendete
Halbleiterelement derart trompeten oder hanlelförmig. auszubilden, daß es einen aktiv ei;
Bereich gleichbleibenden Querschnitts, in dem zumindest annähernd die sich aus der Strom-Fcldstäike-Kennlinie
des Halbleitermaterials ergebend. kritische Feldstärke herrscht, und mindestens einen
an den aktiven Bereich anschließenden Trennber·-ich umfaß:, der einen gegenüber dem aktiven Bei eich
größeren Querschnitt aufweist und in dem eine geringere Feldstärke als in dem aktiven Bereie,
herrscht (--Zeitschrift für angewandte Physik Bd. 22, |M(,7. H. 6. S. 553 bis 562: »IEEE 'fraiisactions
on Electron Devices«. Bd. ED-14. I ')(>'
11.9. S. 552 bis 562). Hierbei sind auf den Grund körper de? Halbleiterelements ohmsche Kontakt!·.,
rungen aufgebracht. Soweit kohärente Schwingungen erzeug! werden, sind diese abhängig von der I.aul/eii
der den aktiven Bereich des Halbleiterelementdurchlaufenden Hoclifelddoniänen und könrjii daher
nur unter Verschlechterung des Wirkungsgrads uη■'
nur in engen Grenzen durch die Frequenz eine angeschlossenen Schwingkreises und die Höhe de;
gewählten Vorspannung verändert v/erden. Bei derartiger Vorspannung der Kontaktierungen. daß die
Domänen am Übergang zwischen aktivem Bereich u;.d Trennbereich entstehen, ergeben sich nichtkohärente Schwingungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung kohärenter
hochfrequenter Schwingungen der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die Schwinguimsfrequen/
unabhängig von der Ausbildung des HalWeiterelemenis
in weiten Grenzen und bis /u sehr hohen Werten frei wählbar isl.
Die .Aufgabe wird bei einer Schaltungsanordnung dei eingangs genannten Art gemäß der Erlinduim
dadurch gelöst, daß das Halbleiterelement einen aktiven Bereich, in dem zumindest annähernd
die sich aus der Strom-Feldslärke-Kennlinie des
llalblenermaterials ergebende kritische Feldstärke herrscht, und einen an den aktiven Bereich anschließenden
Tiennbereieh umfaßt, der einen gegenüber dem aktiven Bereich größeren Querschnitt aufweist
u\\i.\ in dem eine geringere Feldstärke als in
dem aktiven Bereich herrscht, daß die Kontaktierungen entgegengesetzt gepolte Dioden sind und daß
f005 478
3 τ 4
3 τ 4
die Polarität der Vorspannung derart ist, daß die Elektronengeschwindigkeit im Halbleitermaterial. Bei
auf den aktiven Bereich aufgebrachte Diode in einem Material vom p-Leitfähiekeitslyp entspricht
Durchlaßrichtung gepolt ,st. die Trägeraeschwindigkeit der Eüchergeschwindig-
Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfin- keil.
dung ist der aktive Bereich des Haibleilerelements 5 Wie aus dem Verlauf der Kennlinie in Fi2J zu
von der in Spernchtung gepolten Diode durch den ersehen ist, steigt die Stromdichte / im Grundkörper
Trennbereich getrennt, der wegen der in ihm herr- im wesentlichen linear mit größer werdender elek-
schendeii geringen Feldstarke nicht von Hochfeld- irischer Feldstärke E, und zwar bis zu einem kri-
dom^nen durchlauten werden kann. Andererseits tischen Schwellwert E1 der Feldstärke. Die Strom-
köiiü.-n auch an dem Übergang zwischen der in 10 dichte ist in diesem Punkt mit /, bezeichnet. Ab
Dinchiaßrichtiing gepolien Diode und dem aktiven diesem Punkt beginnt die Stromdichte/ kleiner zu
Bereu h keine riochlelddomanen entstehen, da hier werden und nähert sich einem Wert/., der kleiner
nur eine geringe Feldstärke herrscht. Es wird so als /. ist. Die Feldstärke oberhalb der kritischen FeId-
jede l'.ildung von Hochtelddomänen vermieden, die stärke/:,, bei der die Änderung der Stromdichte/
zu k.ü-./citabhangigen Schwingungen des Gunn-Typs 15 Null oder vernachlässigbar kiein wird, ist die FeId-
jul: -. -MirdvMi. Statt dessen ist die Sehvviru.1uru.1s- stUri ■ /·.".,. Die Steiiiung der Kennlinie zwischen den
fiv : .·■..· der Schaltungsanordnung lediglich durch beiden Werten/:, und'/:, ist negativ und beschreibt
cli, : wählbare Eigenfrequenz des mit dem Halb- den Hereich negativer Eeitft,..igkeit oder negativen
1 ^nw.n m Reihe geschalteten Sc'.wingkreises Widerstands. Die Str.'iiidiclite/\ kann sowohl bei der
Κ·····ηί. Da diese in ihrer Höhe frei wählbar ist. 20 niedrigen Feldstärke/:, als auch bei höheren FeId-
V.ö ι:': leiclil sehr hohe Schwingungsfrei|uenzen bei stärken von /:,. an aufwärts vorkommen. Enispre-
j;u· ■■:■ Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung er- eilendes gill bei einem gegebenen Halbleiterelement
iei. : v.eulen. für den Strom /: die Kennlinie der F'i g. 1 kann
i ■■ ..· i ilindung wird im folgenden an Hand der somit auch als Slrom-Feldstäi ke-Kennlinie intcr-
7e.. sengen näher erläutert, in denen Ausführungs- 25 preller! werden.
be ; ..',. dargestellt sind. Hierbei ist einfachheits- Bei verschiedenen Flalbleite-elenienten wird der
ha- : -lets davon ausgegangen, daß der den aktiven genaue Verlauf der Kennlinien etwas unte^.'iied-
Vj.jü. ■..·:■. und den l'rennbereich bildende Grundkörper lieh sein, was von der Dotierung, von Unreinheiten.
de·· '. !.ilbleiierelements aus einem Halbleitermaterial von Trägerbeweglichkeil usw. des ein/einen HaIb-
de·- r I eittahigkeitstyps besteht. F.s zeigt 30 leiterelements abhänut. Auch kann die Kennlinie
Fig. 1 die Stromdichte-Feldstärke-Kennlinie von oberhalb der Feldstärke/:,, entsprechend einer kon-
(',■/:·,,: marsenid. das als Material des Grundkörners stauten Stromdichte / oder eines konstanten Stromes /
de- 1 lalbleiterelemenls einer Schaltungsanordnung verlaufen, wie in [-'in. I dargestellt, oder ansteigen
«eiuäi.'i der Erfindung verwendbar ist. oder abfallen.
Fi1.:. 2 ein Halbleiterelement einer Schallungs- 35 F i u. 2 zeim eine bevorzugte AusiLJhrunusform
anordnung gemäß tier Erfindung. eines Halbleiterelements 26. Es weist einen firund-
1 i g. 3 die Feldstärkeverteilung in dem Halbleiter- körper 18 aus einem Haibleilermaterial mit zwei
element gemäß F i g. 2. Talwerten auf. Ein Teil des Grundkörpers 18 is!
F1 g. 4 schematisch eine Schaltungsanordnung ge- entweder herausgesagt, wegerodiert. weggeschlilTen.
maß der Erfindung mit einem Halbleiterelement 40 weuccäizt oder auf sonst''e Weise entfernt, um einen
gen1'.iß Fig.?. aktiven Bereich 20 zu bilden, der einen kleineren
F'ig. "; ein Schaubild zur Verdeutlichung der Wir- Querschnitt aufweist als der Rest des Grundkörpers
kungsweise der SchalUiiigsano; dnung gemäß F i g. 4. 18. der einen Trennbereich 28 bildet. Eine Kathoden-
F i g. (1 perspektivisch eine weitere Ausführungs- Kontaktierung und eine Anoden-Koniaktierung
form eines Halblei.M'clemenls. das in F i g. 4 an 45 sind auf den Grundkörper 18 aufgebracht. Die
Stelle des Halbleiterelements gemäß F i g. 2 verwend- Koniaktierungen bilden entgegengesetzt gepolte
bar ist. Dioden 22. 24.
Fig.7 eine Seitenansicht des Halbleiterelements Wird eine Gleichspannungsquelle derart an die
gemäß F'ig. 6. Oioden 22. 24 gelegt, daß die auf den aktiven Be-
F" ig. S perspektivisch eine weitere Ausführungs- 50 reich 20 aufgebrachte Diode 24 in Durchlaßrichtung
form eines Halbleiterelements. gepolt ist. so ergibt sich im Halbleiterelement 26 eine
F i g. (> eine Seitenansicht des Halbleiterelements Feldstärkeverteilung, wie sie in Fig. 3 wiedergegeben
gemäß I- i g. 8, ist. An der die Kathoden-Kontaktierung bildenden
Fi ü. K) perspektivisch eine Ausführungsform eines Diode 22 t .gibt sich eine Feldstärke von großem
Halbleiterelements mit mehreren parallel angeord- 55 Betrag /:' . Im Trennbereich 28 größeren Quer-
neten aktiven Bereichen zur Verwendung in meh- Schnitts ergibt sich eine viel kleinere Feldstärke. Im
reren voneinander unabhängigen Schaltungsanord- aktiven Bereich 20 steigt die Feldstärke wieder bis
innigen gemäß der Erfindung. zu einem Wert an, der oberhalb des kritischen FeId-
F ig. H im Querschnitt ein Halbleiterelement in stärke-Schwellwerlcs E, liegt. Die in Durchlaßrich-
einer Bauweise als Epitaxialschicht. 60 lung gepolte Anoden-Diode 24 weist eine sehr ge-
In Fig. 1 ist df- Verlauf der Stromdichte/ im ringe Impedanz auf. so daß die elektrische Feld-Grundkörper
eines Halbleiterelemenls über der elek- stärke in ihrem Bereich sehr klein ist. Es gibt somit
frischen Feldstärke E für ein Halbleitermaterial mit keine an den aktiven Bereich 20 angrenzenden Be-/wei
Talwerten. \νλ· Galliumarsenid, aufgetragen. reiche sehr hoher Feldstärke, in denen Hochfeld-Die
Stromdichte /' entspricht dem Produkt aus 65 domänen entstehen könnten, die zu Schwingungen
Trägerdichte /1. Trägerladung e und Trägergeschwin- nach Art des Gunn-EITekts führen würden. Vielmehr
digkeit r. Bei einem Halbleitermaterial vom n-Leit- können in dem Halbleiterelement 26 lediglich
fäliigkeitslyp ist die Trägergcschwindigkeit ν die Schwingungen aufrechterhalten werden, die durch
einen angeschlossenen äußeren Schwingkreis auf- bildete sich eine hohe Feldstärke an der Anode, und
geprägt sind. Hierbei stellt sich bei höheren Fre- der Strom blieb konstant.
quenzen eine einheitliche Schwingung der elek- Das Halbleiterelement einer Schaltungsanordnung
irischen Feldstärke entlang des Grundkörpers 18 gemäß der Erfindung muß nicht notwendig die Form
ein. 5 aufweisen, wie sie in F i g. 2 dargestellt ist, sondern
Wenn gemäß der in F i g. 4 schematisch dargestell- kann andere Ausbildungen erfahren. Bei allen Aus-
tcn Schallungsanordnung das Halbleiterelement 26 führungsformcn ist jedoch notwendig, daß der aktive
in einen äußeren Resonanzschwingkreis geschaltet Bereich des Halbleiter-Grundkörpers geometrisch so
wird, werden Stromschwingungen erzeugt. Hierbei ausgebildet oder auch so dotiert ist, daß die elek-
wird dem Halbleiterelement 26 von einer Gleich- io tusche Feldstärke E im aktiven Bereich größer als
Spannungsquelle 32 eine Vorspannung zugeführt. die kritische Schwellwert-Feldstärke E1 ist, während
Ebensogut kann eine Wechselspannungsquelle oder die Feldstärke E angrenzend an den aktiven Bereich
eine pulsierende Gleichspannungsquelle verwendet kleiner als E, sein muß.
werden. Das Ausgangssignal wird von den Elek- In den Fig. 6 und 7 ist eine Ausführungsform
troden 34 abgenommen. Die Stromschwingungen im 15 eines Halbleiterelements 35 gezeigt, bei der sich an-Halbleiterelement
26 bei der Schallungsanordnung schließend an den Trennbereich 36, der der Kagemäß
F i g. 4 sind in F i g. 5 dargestellt. Hierbei thoden-Diode 38 benachbart ist, der Halbleitersind
die Stromschwingungen, die nach dem Er- Grundkörper 37 in einer sanften Kurve in Richtung
reichen eines kritischen Schwellwerts V1 der Vor- der kleineren Anoden-Diode 40 verjüngt. Dadurch
spannung auftreten, in ihrem zeitlichen Verlauf auf- 20 wird ein aktiver Bereich 42 erzeugt, dessen Quergetragen, während das Diagramm im übrigen die schnitt sich exponentiell zur Anode hin verkleinert.
Strom-Spannungs-Kennlinie des Halbleiterelements Bei der Ausführungsform eines Halbleiterelements
26 darstellt. Die Stromschwingungen weisen einen 45 nach den F i g. 8 und 9 nimmt der aktive Bereich
Mittelwert auf, der annähernd gleich dem Strom/ 44, aussäend von dem größeren quaderförmigen
durch das Halbleiterelement 26 beim kritischen 25 Trennbereich 46 des Halbleiter-Grundkörpers 47, der
Schwellwert V1 der Vorspannung V ist. Die Schwin- der Kathoden-Diode 48 benachbart ist, linear in
gungen sind kohärent, und ihre Frequenz ist gleich Richtung der kleineren Anoden-Diode 50 ab.
der Resonanzfrequenz des äußeren Schwingkreises. Fig. 10 zeigt ein Halbleiterclement 55 mit einer Versuchsmessungen haben ergeben, daß die kritische Vielzahl von parallelen aktiven Bereichen 62. Bei Vorspannung V1 erreicht ist, wenn die durchschnitt- 30 dieser Ausführungsform ist die Anodenseite des liehe elektrische Feldstärke des aktiven Bereichs 20 Halbleiter-Grundkörpers 64 sowohl in horizontaler etwa in der Nähe, jedoch ein wenig unterhalb des als auch in vertikaler Richtung mit sich kreuzenden kritischen Wertes E1 der Feldstärke liegt. Einschnitten versehen, zwischen denen so die aktiven
der Resonanzfrequenz des äußeren Schwingkreises. Fig. 10 zeigt ein Halbleiterclement 55 mit einer Versuchsmessungen haben ergeben, daß die kritische Vielzahl von parallelen aktiven Bereichen 62. Bei Vorspannung V1 erreicht ist, wenn die durchschnitt- 30 dieser Ausführungsform ist die Anodenseite des liehe elektrische Feldstärke des aktiven Bereichs 20 Halbleiter-Grundkörpers 64 sowohl in horizontaler etwa in der Nähe, jedoch ein wenig unterhalb des als auch in vertikaler Richtung mit sich kreuzenden kritischen Wertes E1 der Feldstärke liegt. Einschnitten versehen, zwischen denen so die aktiven
Das Verhalten eines Halbleiterelements gemäß Bereiche 62 stehengelassen sind. Deren Querschnitt
F i g. 2 aus Galliumarsenid vom n-Leitfähigkeitstyp 35 ist jeweils kleiner als der Querschnitt des quaderwurdc
mittels eines Computers simuliert. Der Grund- förmigen Grundkörpers 64 im Bereich der allen
körper 18 hatte eine Dotierungsdichte von 1015/cm3, aktiven Bereichen 62 gemeinsamen Trennschicht 67,
eine Länge von 10~s cm und einen Querschnitt von die von dem nicht eingeschnittenen Rest des Grundlosem-.
Die Abhängigkeit der Wanderungsgeschwin- körpers 64 gebildet ist und auf die die Kathodendigkeit
von der elektrischen Feldstärke für Gallium- 40 Diode 66 aufgebracht ist. Die der gemeinsamen
arsenid vom n-Leitfähigkeitstyp wurde den Berech- Kathoden-Diode 66 zugewandte Seite des Grundnungen
von Butcher und Fawsett entnommen. körpers 64 kann unbearbeitet sein. Jede Anoden-Schwankungen
in der Dotierungsdichte wurden bei Diode 68 arbeitet unabhängig und kann Schwingunder
Nachbildung berücksichtigt, wobei die größte gen leiten, die von denjenigen der übrigen Dioden
Schwankung bei 1O0O lag. Die Feldstärken an Ka- 45 68 verschieden sind.
thodc und Anode wurden zu Null angenommen. Die Fig. 11 zeigt eine weitere Ausführungsforin eines
Feldstärken in den anderen Bereichen wurden er- Halbleiterelements 75, dessen Grundkörper 77 als
rechnet. Bei einer Kapazität des Halbleiterelements n-Epitaxialschicht auf ein η+-Substrat 72 auf-
26 von 9,8 · 10-14 Farad und einer Induktivität von gebracht ist. Der Grundkörper 77 ist stufenförmig
10~9 bis 1O-10 Henry lieferte die Schaltungsanord- 50 ausgebildet, wobei seine eine Seite als Trennbereicli
nung abstimmbare Schwingungen entsprechend der 70 dient und höher ist als seine andere, als aktivei
Eigenfrequenz des angeschlossenen Resonanz- Bereich 74 dienende Seite. Die Anoden-Diode 74
Schwingkreises. Hierbei wurde beobachtet, daß die kann eine geringere Ausdehnung haben als die Ka-
Feldstärke im Verlauf über die gesamte Probe bei thoden-Diode 76. Auf diese Weise sind der Quer
der Resonanzfrequenz sich gleichmäßig auf und ab 55 schnitt und das Volumen des Gmndkörpers 77 irr
bewegt. Sich fortpflanzende Domänen wurden nicht aktiven Bereich 74 kleiner als im Trennbereich 70
beobachtet. Wurde dagegen der Schwingkreis durch so daß der erwünschte Feldstärkenverlauf erziel
einen angeschlossenen Widerstandskreis ersetzt, so wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
- Patentansprüche:I. Schaltungsanordnung zur Erzeugung kohärenter hochfrequenter Schwingungen, umfassend ein einer Vorspannung unterworfenes, mit einem Schwingkreis in Reihe geschaltetes, aus einem Halbleitermaterial eines einzigen Leitfähigkeitstyps mit zwei Taxwerten bestehendes Halbleiterelement mit zwei Kontaktierungen, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (26. 35. 45, 55, 75) einen aktiven Bereich (20. 42, 44. 62, 74). in dem zumindest annähernd die sich aus der Strom-Feldstärke-Kennlinie des Halbleitermaterials ergebende kritische Feldstärke herrscht, und einen an den aktiven Bereich anschließenden Trenubereich .28. 36. 46. o7. 70) umfaßt, der einen gegenüber dem aktiven Bereich größeren Querschnitt aufweist und in dem eine geringere Feldstärke als in dem aktiven Bereich herrscht, daß die Kontaktieri.mgcn entgegengesetzt epohe Dioden (22. 24: 38. 40: 48. 50:""66." 68: 76, 78) sind und daß die Polarität der Vorspannung derart ist. daß die auf den aktiven Bereich aufgebrachte Diode (24. 40. 50. 68. 78) in Durchlaßrichtune »epolt ist (Fig. 2. 4 his 11).
- 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß d-s Halbleiterelement (26. 35. 45. 55. 75) aus Galliumarsenid besteht.
- 3. Schaltungsanordnung r ich Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (26. 55) auf der gesamten Länge des aktiven Bereichs (20. 52) einen praktisch konstanten Querschnitt aufweist (Fig. 2. 10).
- 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß sich das Halbleiterelement (35. 45) im aktiven Bereich (42. 44) zu der auf diesem aufgebrachten Diode (40. 50) hin verjüngt (Fig. 6 bis '').
- 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des 1 lalbleiteielements (45) im aktiven Bereich (44) praktisch linear abnimmt (Fig. 8, 9).
- 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der quaderförmige Cirundkörper (64) des Halbieiterelements (55) kreuzweise verlaufende Einschnitte aufweist, /.wischen denen eine Vielzahl von aktixen Bereichen (62) stehengelassen ist. auf die jeweils eine Diode (68) aufgebracht ist. und daß der nicht eingeschnittene Rest des Grundkörpers als allen aktiven Bereichen gemeinsamer Trennbereich (67) dient (Fig. 10).
- 7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüclie I bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (75) als Epilaxialschicht auf ein Substrat (72) aufgebracht ist (Fig. II).
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1970
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