DE2005478C3

DE2005478C3 - Schaltungsanordnung zur Erzeugung kohärenter hochfrequenter Schwingungen

Info

Publication number: DE2005478C3
Application number: DE2005478A
Authority: DE
Inventors: Harold Lewis Bloomfield Grubin; Melvin Philip Shaw; Peter Robert Solomon
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1969-02-06
Filing date: 1970-02-06
Publication date: 1973-12-20
Also published as: JPS4812673B1; US3601713A; DE2005478B2; FR2033299B1; IL33600A; FR2033299A1; NL7001615A; DE2005478A1; GB1294119A; IL33600A0; BE745531A

Description

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Die Erfindung bezieht sieh auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung kohärenter hochfrequenter Schwingungen, umfassend ein einer Vorspannung unteivvoifenes. mit einem Schwingkreis in Reihe geschaltetes, aus einem Halbleitermaterial eines einzigen l.citlähigkeilsiyps mit zwei ialwerten bestehendes Halbleiterelement mit zwei Kontaktierungen.

!line derartige Schallungsanordnung ist bekannt (USA.-Patentschrift 3 414 841). Sie weist ein Halbleiterelement von gleichbleibendem Querschnitt auf, au! dessen Grundkörper ohmsche Kontaktierungen aufgebracht sind. Hierbei werden im Halbleiterelement mittels des in Reihe geschalteten Resonanzschwingkreises periodische Veränderungen der elektrischen Feldstürke erzeugt, wodurch Schwingungen auftreten, die als LSA-Mode bezeichnet werden. Durch die von dem Schwingkreis in ihrer Frequenz vorgegebenen Schwingungen wird die Bildung von wandernden Domänen hoher elektrischer Feldstarke nach Art des Gunn-F.ITekts verhindert. Trotzdem sind die im Halbleiterelement ablaufenden Schwingungsvorgänge ahnlich wie beim Gunn-Effekt durch eine von der geometrischen Gestalt des Halbleiterelements abhängige Laufzeit in ihrer erzielbaren Frequenz beschränkt.

Es ist auch bekannt, bei Gunn-Schwingern das verwendete Halbleiterelement derart trompeten- oder hanteiförmig auszubilden, daß es einen aktiven Bereich gleichbleibenden Querschnitts, in dem zumindest annähernd die sich aus der Strom-Feldstärke-Kennlinie des Halbleitermaterial ergebende kritische Feldstärke herrscht, und mindestens einen an den aktiven Bereich anschließenden Trennbereich umfaßt, der einen gegenüber dem aktiven Bereich größeren Querschnitt aufweist und in dem eine geringere Feldstärke als in dem aktiven Bereich herrscht (»Zeitschrift für angewandte Physik«. Bd. 22. 1967. H. 6, S. 553 bis 563; »IEEE Transactions on Electron Devices«. Bd. ED-14, 1967. H. 9. S. 552 bis 562). Hierbei sind auf den Grundkörper des Halbleiierelcments ohmsche Kontaktierungen aufgebracht. Soweit kohärente Schwingungen erzeugt werden, sind diese abhängig von der Laufzeit der den aktiven Bereich des Halbleiterelements durchlaufenden Hochfelddomänen und können daher nur unter Verschlechterung des Wirkungsgrads und nur in engen Grenzen durch die Frequenz eines angeschlossenen Schwingkreises und die Höhe der gewählten Vorspannung verändert werden. Bei derartiger Vorspannung dor Kontaktierungen, daß die Domänen am Übergang zwischen aktivem Bereich und Trennhereich 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 Schwingungsfrequenz unabhängig von der Ausbildung des Halbieiterelements in weiten Grenzen und bis zu sehr hohen Werten frei wählbar ist.

Die Aufgabe wiird hei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Halbleiterelement einen aktiven Bereich, in dem zumindest annähernd die sich aus der Strom-Fcldstärke-Kennlinic des Halbleitcrmatcrials ergebende kritische Feldstärke herrscht, und einen an den aktiven Bereich anschließenden Trennbereich umfaßt, der einen gegenüber dem aktiven Bereich größeren Querschnitt aufweist und in dem eine geringere Feldstärke als in dem aktiven Bereich herrscht, daß die Kontaktierungen entgegengesetzt »epolte Dioden sind und daß

ti ie Polarität tier Vorspannung derart ist, Uuü die auf dim aktiv en Ikieieh aufgebrachte Diode in rhiiehlaüriehlung gepult ist.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung ist der aktive Bereich des Halhleiterelemenls von der in Spernehtung gepolten Diode durch den Trennbereich getrennt, der wegen der in ihm herrschenden geringen Feldstärke nicht von Hochfeldclomiinen durchlaufen werden kann. Andererseits können auch an dem Ühergang /wischen der in in Durchlaßrichtung gepolten Dkide und dem aktiven Bereich keine Hochfelddomünen entstehen, da hier nur eine geringe Feldstärke herrscht. F.s wird so jede Bildung von Hochfelddomänen vermieden, die zu laulzeitahhängigen Schwingungen des Gunn-Typs führen wurden. Statt dessen' ist" die Schwingungs-(requeiu der Schaltungsanordnung lediglich durch ilic frei wählbare Eigenfrequenz des mit dem Halbleiterelement in Reihe geschalteten Schwingkreises bestimmt. Da diese in ihrer Höhe frei wählbar ist, können leicht sehr hohe Schwingungsfrequenzen bei gutem Wirkungsgrad der Schaltungsanordnung erreicht werden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert, in denen Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Hierbei ist einfachheitshalber stets davon ausgegangen, daß der den aktiven Bereich und den Trennbereich bildende Grundkörper des Halbleiterelcments aus einem Halbleitermaterial des n-Leitfähigkcitstyps besteht. Es zeigt

F i g. 1 die Stromdichte-Feldstärke-Kennlinie von Galliumarsenid, das als Material des Grundkörpers des Halbleiterelements einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung verwendbar ist,

F i g. 2 ein Halbleiterelement einer Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung,

F i g. 3 die Feldstärkeverteilung in dem Halbleiterelement gemäß Fig. 2.

F i g. 4 schematisch eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung mit einem Halbleiterelement 4» gemäß F i g. 3.

F i g. 5 ein Schaubild zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 4,

F i c. 6 perspektivisch eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterelements, das in F i g. 4 an Stelle des Halblciterelements gemäß Fig. 2 verwendbar ist.

F i g. 7 eine Seitenansicht des Halbleiterelements gemäß F i g. 6.

F i 3. 8 perspektivisch eine weitere Ausführungsform eines Halbleiterelements,

F i g. 9 eine Seitenansicht des Halbleiterelements gemäß Fig. 8,

Fig. 10 perspektivisch eine Ausführungsform eines Halbleitcrelements mit mehreren parallel angeordrieten aktiven Bereichen zur Verwendung in mehreren voneinander unabhängigen Schaltungsanordnungen gemäß der Erfindung,

Fig. Il im Querschnitt ein Halbleiterelement in einer Bauweise als Epitaxialschicht.

In Fig. 1 ist der Verlauf der Stromdichte / im Grundkörper eines Halbleiterelements über der elektrischen Feldstärke E für ein Halbleitermaterial mit zwei Talwerten, wie Galliumarsenid, aufgetragen. Die Stromdichte / entspricht dem Produkt aus Trägerdichte /1. Trögerladung e und Trägergeschvvindigkeit v. Bei einem Halbleitermaterial vom n-Leitfähigkeitstyp ist die Trägergeschwindigkeit ν die F.leklronengeschwindigkeit im Halbleitermaterial. Bei einem Material vom p-Leitfähigkeitstyp entspricht die Trägergeschwindigkeit der Löchergesehwindigkeil.

Wie aus dem Verlauf der Kennlinie in F i g. 1 zu ersehen ist, steigt die Stromdichte j im Grundkörper im wesentlichen linear mit größer werdender elektrischer Feldstärke /:. und zwar bis zu einem kritischen Schwellwert /:', der Feldstärke. Die Stromdichte iM in diesem Punkt mit /, bezeichnet. Ab diesem funkt beginnt die Stromdichte /' kleiner zu werden und nähert sich einem Wert /,, der kleiner als /, ist. Die Feldstärke oberhalb der kritischen Feldstärke /:,, bei der die Änderung der Stromdichte j Null oder vernachlässigbar klein wird, ist die Feldstärke £"„. Die Steigung der Kennlinie zwischen den beiden Werten /:", und E₁₁ ist negativ und beschreibt den Bereich negativer Leitfähigkeit oder negativen Widerstands. Die Stromdichte/, kann sowohl bei der niedrigen Feldstärke E, al· auch bei höheren Feldstärken von /:', an aufwärts vorkommen. Entsprechendes gilt bei einem gegebenen Halbleiterelement für den Strom /; die Kennlinie di.r Fig. I kann somit auch als Strom-Feldstärke-Kennlinie interpretiert werden.

Bei verschiedenen Halbleiterelementen wird der genaue Verlauf der Kennlinien etwas unterschiedlich sein, was von der Dotierung, von Unreinheiten, von Trägerbeweglichkeit us^v. des einzelnen Halbleiterelements abhängt. Auch kann die Kennlinie oberhalb der Feldstärke E₁ entsprechend einer konstanten Stromdichte / oder eines konstanten Stromes / verlaufen, wie in F i g. I dargestellt, oder ansteigen oder abfallen.

F i g. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines Halbleitereiements 26. Es weist einen Grundkörper 18 aus einem Halbleitermaterial mit zwei Talwerten auf. Ein Teil des Grundkörpers 18 ist entweder herausgesägt, wegerodiert, weggeschliffen, weggeätzt oder auf sonstige Weise entfeint, um einen aktiven Bereich 20 zu bilden, der einen kleineren Querschnitt aufweist als der Re,i des Grundkörpers 18. der einen Trennbereich 23 bildet. Eine Kathoden-Kontaktierung und eine Anoden-Kontaktierung sind auf den Grundkörper 18 aufgebracht. Die Kontaktierungen bilden entgegengesetzt gepolte Dioden 22, 24.

Wird eine Gleichspannungsquelle derart an die Dioden 22. 24 gelegt, daß die auf den aktiven Bereich 20 aufgebrachte Diode 24 in Durchlaßrichtung gepolt ist. so ergibt sich im Halbleiterelement 26 eine Fcldstärkeverteilung. wie sie in Fig. 3 wiedergegeben ist. An de die Kathoden-Kontaktierung bildenden Diode 22 ergibt sich eine Feldstärke von großem Betrag E . Im Trennbereich 28 größeren Querschnitts ergibt sich eine viel kleinere Feldstärke. Im aktiven Bereich 20 steigt die Feldstärke wieder bis zu einem Wert an, der oberhalb des kritischen FcIdstärke-Schwellvvertes E, liegt. Die in Durchlaßrichtung gepolte Anoden-Diode 24 weist eine sehr geringe Impedanz auf, so daß die elektrische Feldstärke in ihrem Bereich sehr klein ist. Es gibt somit keine an den aktiven Bereich 20 angrenzenden Bereiche sehr hoher Feldstärke, in denen Hochfelddomänen entstehen könnten, die zu Schwingungen nach Art des Gunn-Effekts führen würden. Vielmehr können in dem Halbleiterelement 26 lediglich Schwingungen aufrechterhalten werden, die durch

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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.

qucnzen eine einheitliehe Schwingung der elek- Das Halbleiterelement einer Schaltungsanordnung

irischen Feldstärke entlang des Grundkörpers 18 gemäß der Frfindung muß nicht notwendig die Form ^cin· 5 aufweisen, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist. sondern

Wenn gemäß der in Fig. 4 schematisch dargestcll- kann andere Ausbildungen erfahren. Bei allen Allsten Schaltungsanordnung das Halbleiterelement 26 führungsformcn ist jedoch notwendig, daß der aktive in einen äußeren Resonanzschwingkreis geschaltet Bereich des Halbleiter-Grundkörpers geometrisch so wird, werden Stromschwingungcn erzeugt. Hierbei ausgebildet oder auch so dotiert ist. daß die c'ekwird dem Halbleiterelement 26 von einer Gleich- io irische Feldstärke E im aktiven Bereich größer als

spannungsquclle 32 eine Vorspannung zugeführt. die kritische Schwcllwert-Fcldstärke E₁ ist. während

Fbcnsogut kann eine Wechsclspannungsquellc oder die Feldstärke /: angrenzend an den aktiven Bereich

eine pulsierende Gleiehspannungsquelle verwendet kleiner als /;, sein muß.

werden. Das Ausgangssignal wird von den Lick- In den Fig. 6 und 7 ist eine Ausführungsform

Iroden 34 abgenommen. Die Slromschwingungen im 15 eines Halbleitcrelemenls 35 gezeigt, bei der sich an-

llalbleiterelemenl 26 bei der Schaltungsanordnung schließend an den Trennbereich 36. der der Ka-

gemäß Fig. 4 sind in F i μ. 5 dargestellt. Hierbei thoden-Diode 38 benachbart ist. der Halbleiter-

sind die Stronischwingungen. die nach dem Lr- ( nundkorper 37 in einer sanlten knive 111 Ri> ί -. t::! 1 ■_·.

reichen eines kritischen Schwellwerk I'. dei Vor- der kleineren Anoden-Diode 40 \eiiuni:t. Dadi.^'i

spannung auftreten, in ihrem zeitlichen Verlauf auf- m wird ein aktiver Bereich 42 ci/cuut. dessen Hue

getragen, während das Diagramm im übrigen die schnitt sich exponentiell zur Anode Inn \:ikhm.ii Strom-Spanmmgs-Kennlinie des Halbleiterelements Bei der Auslülmingsforni eine- H.ilbleiterelenients

26 darstellt. Die Stronischwingungen weisen einen 45 nach ilen Fig. H und ') niinnu der aktive Bench

Mittelwert auf. der annähernd gleich dem Strom/ 44. ausgehend \on dem größeren quadci l· miiiii :■. η

durch das Halbleiterelement 26 beim kritischen _3S Tien bereich 46 des Halbleiter^ nur.dkoi peis 47. d τ

Schwellwert F, der Vorspannung F ist. Die Schwin- der Kathoden-Diode 48 benachbart ist. Imeai in

gungen sind kohärent, und ihre Frequenz i-t gleich Richtung der kleineren Anoden-Diode 50 .ib. der Resonanzfrequenz des äußeren Schwingkreises. Fin. Id /eici ein 1 lalbictcivL ment 55 mn euiei

Versuchsmcssungcn haben ergeben, daß die kriti-che Viel/.i'hl \on parallelen a!.li\eii Bcic:i !·■■ η 62 H₁ i

\ orspamning F. erreicht ist. wenn die durchschnitt- j_P dieser Ausfülmingslorm ist du- \n<\lc:r.ciu des

üche elektrische Feldstärke des aktiven Beteichs 20 Halblciter-f iriindkorpcrs 64 sowohl in ii. ^; 1 .·,.; 1 -.-. i _L-1

etwa in der Nahe, jedoch ein wenig unterhalb des als auch in vertikaler Richtung nut sich 'Meii/eiv.len

kritischen Wertes/-., der Feldstärke liegt. I inschmtien veisehen. zwischen denen m> die aktiven

Das Veihaltcu eines HalMeitcrclements gemäß Bereiche 62 stehengelassen sind Dem Hu^ i^i hnitt

Fig..! aus Cialüumarscnid vom n-l eitlähigkeitsup ^ ist jeweils kleiner aK dei (J)uerschiii:t J..- ..uiad.'

wurde mittels eines Computers simuliert. Der (iiund- föiniigen Citundkörpers 64 im Beuich da allen

kötper 18 halte eine Dt tiei ung-dichtc \on 111''¹CnV¹. aktiven Ber-ichen 62 gemeinsamen I iennschicht 67.

eine Länge von IC -cm und einen Querschnitt von die von dem nicht eingeschnittenen Rest des (ium.l-

K' ¹CnV-'. Die Abhängigkeit der Wandcrungsgcsehw in- kotp-..is64 gebildet ist und au! die die kail^nL-i

digkeit von der elektrischen F'eldstärke für (ialliuni- 4 η Diode 66 aufgebracht ist. Die de: 1:. mcni-amcn

arsenic! vom n-Leilfähigkeitstvp wurde den Berech-- Kathoden-Diode 66 zugewandte Seite eic- (iriind-

nungen von Butcher und Fawseit entnommen. körpers 64 kann unbearbeitet ^ein. Jede Aiu'den-

Schvvanklingen in der Dotierungsdichte wurden bei Diode 68 arbeitet unabhängig und kann Scimniiiun-

der Nachbildung berücksichtigt, wobei die größte gen leiten, die von denjenigen der iibrisien Dioden

Schwankung bei 10",, lag. Die Feldstärken an Ka- .-.-- 68 verschieden sind.

thode und Anode wurden /u Null angenommen. Die Fig. I 1 zeigt eine weitere Ausfuhrunesform eines

Feldstäiken in den anderen Bereichen wurden er- Halbleiterelements 75, dessen tinindkörper 77 aK

rechnet. Bei einer Kapazität des Halbleiterclements n-Lpita\ial>chiclit auf ein η -Substrat 72 aui-

26 von 4.8 ■; 0~ ^u Farad und einer Induktivität von gebracht ist. Der Grundkörper 77 ist stufenförmis

1()"^!1 bis 10~'"FIenry lieferte die Schaltungsanord- 50 ausgebildet, wobei seine eine Seite als Trennbereicf

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 7-1

Schwingkreises. Hierbei wurde beobachtet, daß die kann eine geringere Ausdehnung nahen 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 Grundkörpers 77 in

bewegt. Sich fortpflanzende Domänen wurden nicht aktiven Bereich 74 kleiner als im Trennbereich 70

beobachtet. Wurde dagegen der Schwingkreis durch so daß der erwünschte FeldMärkenverlauf erziel

einen angeschlossenen Widerstandskreis ersetzt, so wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

l'alcnumsprüehe:

1. Schaltungsanordnung zur Urzeugung kohärenter hochfrequenter Schwingungen, umfassend ein einer Vorspannung unterworfenes, mil einem Schwingkreis in Reihe geschaltetes, aus einem Halbleitermaterial eines einzigen Leitl'ähiukeitstvps mil zwei Talwerten bestehendes Halbleiterelement mit zwei Kontakiicrungcn. d a d u r c h g e k e η η ζ e i c h net. 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-Kennl'mie des Halhleitermatcrials ergebende kritische Feldstärke herrscht, und einen an den aktiven Bereich anschließenden Trennbereich (28, 36. 46. 67. 70) umfaßt, der einen gegenüber dem aktiver Bereich größeren Querschnitt aufweist und in Jem eine geringere Feldstärke als in dem aktiven Bereich herrscht, daß die Kontaklierungcn entgegengesetzt gepolte 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 Durchlaßrichtung gepult ist (Fig. 2. 4 bis II).

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (26. 35. 45. 55. 75) aus Galliumarsenid besteht.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (26. 55) auf d.r gesamten Länge des aktiven Bereichs (20. 52) einen praktisch konstanten Querschnitt aufweist (Fig. 2, 10).

4 Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 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 9).

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß der Querschnitt des Halbleiterelements (45) im aktiven Bereich (44) praktisch linear abnimmt (Fig. 8, 9).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der quaderförmige Grundkörper (64) des Halbleäterelements (55) kreuzweise verlaufende Einschnitte aufweist, zwischen denen eine Vielzahl von aktiven 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 Anspriiclv-1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement (75) als Epitaxialschicht auf ein Substrat (72) aufgebracht ist (Fig. II).