DE2008043A1 - - Google Patents

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DE2008043A1
DE2008043A1 DE19702008043 DE2008043A DE2008043A1 DE 2008043 A1 DE2008043 A1 DE 2008043A1 DE 19702008043 DE19702008043 DE 19702008043 DE 2008043 A DE2008043 A DE 2008043A DE 2008043 A1 DE2008043 A1 DE 2008043A1
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Description

200804
IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen Gesellschaft mbH
Böblingen, 16. Februar 1970.' bu/du
Anmelderin: , International Business Machines
Corporation, Armonk., N."Y. 10504
Amtl„ Aktenzeichen: Neuanmel.dung
Aktenzeichen der Anmelderins Docket YO 969 022
Halbleiter-Festkörper-Qszillator
Die Erfindung betrifft einen Halbleiter-Festkörper-Oszillator mit einem durch Ladungsträgerbewegung hervorgerufenen negativen Widerstandsbereich der Stromspannungs-Charakteristik, welcher unter Einwirken einer unmittelbar angelegten, oberhalb eines Grenzwertes liegenden Betriebsgleichspannung zur direkten Schwingungsabgabe dient.
Die.Entwicklung von Halbleiter-Festkörper-Oszillatoren der oben beschriebenen Art ist in den vergangenen Jahren energisch vorangetrieben worden, insbesondere ist das Bestreben dahin gegangen, den Frequenzbereich der hiermit erzeugten Schwingungen möglichst weit
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nach oben zu verlegene
Befriedigende Lösungen sind bisher aber nicht erzielt worden, da der hierfür erforderliche Aufwand in keinem Verhältnis zum Ergebnis lag; insbesondere wenn der Wellenbereich sich auf den Infrarotbereich zu erstreckte.
In vorteilhafter Weise läßt sich aber eine Lösung der gestellten Aufgabe unter geringem Aufwand lösen, wenn gemäß der i-rfindung der Halbleiter ein sich in Richtung des Stromflusses durch den Halbleiter erstreckendes übergitter enthält, das eine periodische Änderung der Bandkanten-Energie in der genannten Richtung über mehrere, eine Übergitterzone im Halbleiter bildende, räumliche Perioden hinweg aufweist, die jeweils· mindestens fünfmal kleiner als die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger sind, so daß sich Minizonen in Richtung des V/eiienzahlvektors ausbilden, die wesentlich kleiner sind als die Briilouinzone des Halbleiters und daß die Betriebsgleichspannung mindestens nahezu im Bereich des Talpunktes der Strom-Spannungs-Charakteristik zu liegen kommt.
Es wird also hier die Wechselwirkung der Ladungsträger mit dem periodisch auftretenden Potential des Übergitters ausgenutzt, so daß eine inhärente Strom-Instabilität im Halbleiter hervorgerufen wird.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist durch ein Halbleiterbauelement gekennzeichnet, wovon mindestens ein Anschluß
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* ? Π Π Q Π /, ο
L· U L1 O <> 4 O
an der Elektrode einer ersten Halbleiterzone liegt, an die sich eine zweite Zone unterschiedlicher Leitfähigkeit mit hieran seinerseits anschließender dritter Zone mit der Leitfähigkeit der ersten Zone anschließt, indem die zweite und die dritte Zone die räum-
o liehe Periode bilden, deren Wert vorzugsweise zwischen 100 A und
ο
500 A liegtfund daß sich hieran mindestens zehn solcher räumlicher Perioden zur Bildung der Ubergitterzone anschließen, indem die letzte räumliche Periode mit einem weiteren Halbleiterbauelement-Anschluß gekoppelt ist.
In einer solchen räumlichen Periode besitzen die beiden Zonen somit unterschiedliche Bandkanten-Energien. Die räumlichen Perioden lassen sich in ihrer Schichtung durch bekannte Verfahren des Dotierens oder Legierens in epitaxialer Technik bilden. Da die Ladungsträger, mit der sich variierenden Energiestruktur in Wechselwirkung treten sollen, muß die Periode der räumlichen Änderung geringer als die mittlere freie Weglänge .der Ladungsträger im Halbleiter sein.
Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken sind mindestens zehn solcher räumlicher Perioden vorgesehen, wobei sich eine optimale Wirkung bei einem Halbleiterbauelement mit etwa 20 solcher räumlicher Perioden ergibt.
Die obengenannten Minizonen weisen eine periodische Änderung der Energie in bezug auf die Wellenzahlvektoraehse des Bändermodells auf, so daß f wenn eine ausreichende Energie zur Steigerung des
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Impulses eines Elektrons beteiligt ist, so daß es eine Anzahl
solcher Minizonen überqueren kann, inhärente Schwingungen im
Halbleiter hervorgerufen werden.
Zur Förderung der Schwingungsneigung oder zur vorteilhaften Aufrechterhaltung der angefachten Schwingungen ist ein Resonator
vorgesehen, der nach Art eines Fabry-Perot-Interferometers angebracht iüix kann. Hierbei kann dann eine direkte Ausgangsstrahlung aus dem Halbleiterkörper in einer zur Stromrichtung sei Jauchten φ Richtung ausgekoppelt bzw. abgestrahlt werden.
Um die Abmessungen der räumlichen Periode in ausreichender Größe halten zu können, #ird die erfindungsgemäße Anordnung zweckmäßigerweise bei der Temperatur des flüssiger1 Stickstoffes bzw. der des flüssigen Heliums bet.^eben, da hiermit in an sich bekannter Weise die freie Weglänge der Ladungsträger erneut werden kann.
Weitere Vorteile und Teilaufgaben der Erfindung ergeben sich at a der nachfolgenden Beschreibung, die anhand von AusführungäbeiS" ".slen mit Hilfe der aufgeführten Zeichnungen die Erfindung näher erläutert, und aus den Patentansprüchen.
Es zeigen:
Fig. 1 Die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Halbleiterbauelements.
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BAD ORIGINAL
\J -J
Fig. IA Eine vergrößerte Darstellung der geschichteten
Struktur im übergitterbereich des Halbleiterbauelements .
Fig. 2 Eine graphische Darstellung des Energiediagramms des ubergitterbereichs, wenn die einander benachbarten Schichten durch entsprechende Dotierung gebildet sind.
Fig. 3 Eine graphische Darstellung des Energiediagramms m des ubergitterbereichs, wenn die einander benachbarten Schichten im Legierungsverfahren gebildet sind.
Fig. 4 Eine graphische Darstellung bei der die Energie in Abhängigkeit vom Kristallmoment oder Wellenvektor (k) dargestellt ist? um die Bandstruktur und die dem Kristallgitter zugeordnete Brillouin·= Zone im Vergleich zur periodischen Bandstruktur M für die Minizonen eines übefgitters zu veranschau*» liehen.
Fig. 5 Eine graphische Darstellung bei der die Gruppenge-
schwindigkeit (V ) eines Ladungsträgers in Abhängigkeit vom Wellenvektor (k) aufgetragen -ist* in dem sowohl der Kurvenverlauf für normale Kristallgitter als auch der periodische Kurvenverlauf für über-
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gitterstrukturen dargestellt ist. Im übrigen stellen diese Kurven die ersten Ableitungen der Kurven nach Fig. 4 dar.
Fig. 6 Eine graphische Darstellung für die zweite Ableitung der Energiekurven nach Fig. 4? auch hier wiederum ist ein Vergleich der Charakteristiken für normales Kristallgitter und für übergitter gebracht.
Fig. 7 Eine Kurvenschar zur Darstellung des Stromes in Abhängigkeit von der Spannung,
Fig. S Ein zweites Ausführungsbeispiel gemäu der Erfindung.
Fig. 9 Eine Schaltungsanordnung für ein Betriebsbeispiel des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements.
Fig. 10 Eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, das zur Abgabe hochfrequenter Ausgangsstrahlung geeignet ist.
Das Halbleiterbauelement 10 gemäß Fig* 1 weist an seinen Enden je eine N-Zone 12 und 14 auf, die durch eine Mittelzone 16 voneinander getrennt sind,welche die Übergitterstruktur enthält. An den Endzonen 12 und 14 sind die Elektroden 18 und 20 angebracht, die
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C U U ü-U t O
ihrerseits je mit einem Anschluß verbunden sind. Die das übergitter enthaltende Mittelzone 16 weicht insofern von üblichen Halbleitern ab, als in einer solchen Halbleiterzone eine eindimensionale räumliche Variation der Bandkanten-Energie auftritt. Diese Variation tritt in Längsrichtung des Halbleiters zwischen den Elektroden 18 und 20 auf, wobei die Bandkanten-Energie ^ in der Ubergitterzone 16 in den beiden anderen Dimensionen nicht variiert.
Die physikalische Struktur innerhalb der ubergitterzone 16 ist genauer in Fig. IA gezeigt, wohingegen die Bandkanten-Enefgie-Variationen, hervorgerufen durch Dotieren und durch ein Legierungsverfahren, in den Fign. 2 bzw. 3 dargestellt sind. Zurückkommend
auf die Fig. IA besteht die Ubergitterzone 16 aus einer Anzahl aufeinanderfolgender Schichten. Die erste und die jeweils übernächsten Schichten sind mit 16a und die zweite und jeweils übernächsten Schichten mit 16b bezeichnet. Diese Schichten 16a und 16b bilden zusammen mit den Endzonen 12 und 14 einen monokristallinen Halbleiter. Es gibt jedoch Unterschiede in den Energiebandstrukturen der aufeinanderfolgenden Schichten 16a und 16b; dies wird nämlich erzielt durch aufeinanderfolgendes\epitaxiales Aufwachsen dieser unterschiedlichen Schichten.
Wie bereits ausgeführt, ist die geschichtete Übergitter-Struktur des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements durch Dotieren oder durch ein Legierungsverfahren gebildet. Zur Erläuterung der Dotierungsmethode wird Germanium als typisches Halbleitermaterial herausgegriffen, um das Herstellungsverfahren zu erläutern. Die
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eine Endzone des Halbleiters in Fig. IA wird durch die N-Zone 12 gebildet, die entweder einen Teil des ursprünglichen Germaniumsubstrats bildet, auf das der übrige Halbleiter epitaxial aufgewachsen ist, oder diese N-Zone ist selbst auf einem Substrat aufgewachsen, das nach Ausbildung des epitaxial geformten Halbleiters wieder entfarnt werden ist. In allen Fällen jedoch ist die N-Zone 12 z.B. mit Phosphor, Antimon oder Arsen dotiert, die alle Donatorfremdatüiae für Gerrmanium darstellen. Im v/eiteren Verlauf biluen
.14 17 alle Schichten 16a epitaxial aufgewachsene N-Zonen (10"" - 10 Atome pro cm ) und alle epitaxial aufgewachsenen Schichten 16b eigenleitende Kalbleiterzonen. Mit anderen Körten, die über-;itterzone 16 besteh-.·, ihrerseits aus einer Anzahl von Zonen, die zwischen N-Leitung und Ligenleitung abwechseln. Alle Zonen 16a und 16b haben jeweils die gleiche Dicke und j?;des dieser so gebildeten Zonenpaare stellt sozusagen eine vollständige räumliche Periode der Wechselschichtstruktur dar* Diese räualiche Periode ist in Fig. IA mit d bezeichnet. Der Wert dieser räumlichen Periode d liegt vorzugsweise zwischen 50 und 500 A und ist von entscheidender Bedeutung für die Charakteristik des Übergitters, wie es r'is der Eeschreibung im Zusammenhang »it den Fign. 4,5 und 6 hervcgeht. Aus den angegebenen Werten ergibt sich, daß die Dicke der Zonen 16a und 16b Vierte von 25 bis 250 8 einnehmen kann.
Wenn die Zonen 16a und 16b mit Hilfe eines Dotierverfahrens gebildet werden, dann ist es nicht unbedii gt erforderlich, daß ii-Zonen und Sigenleitungszonen abwechselnd aufeinanderfolgen, sondern es kc> α ebensogut auch H+-Zonen mit N-Zonen abwechseln.
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Die abwechselnd aufeinanderfolgenden Zonen können auch durch ; !»Zonen und P-Zonen gebildet sein. Allein von Bedeutung ist grundsätzlich der periodische Verlauf der Bandkanten-Energie wie er in Fig. 2, gezeigt ist. Hierin ist sowohl der Energieverlauf für die Kante des Valenzbandes als auch der Energieverlauf für das niedrigste Leitungsband gezeigt. Die voll ausgezogenen und zumindest sinusartig verlaufenden Kurven 22 und 24 geben eine Art des Energieverlaufs-Profils und die gestrichelt gezeich- ^ neten Kurven 26 und 28( nach Art einer Rechteckwelle, eine andere Profilart wider. Die Ordinate der graphischen Darstellung nach Fig. 2 zeigt den Abstand in der übergitterzone 16 gemessen in der räumlichen Periode d. Wie bereits gesagt ist d die Dicke der beiden Zonen 16a und 16b zusamme»o Für jede räumliche Periode d ergibt sich also ein kompletter Zyklus iß der Bandkanten-Energieänderung. So ist die erste durch dia untersten Zonen 16a und 16b gebildete räumliche Periode, wie aus Fig. IA hervorgeht, in Fig. 2 mit d-^ bezeichnet. Die Rechteckwellenkurven 26 und 28 setzen voraus, daß jede Zone 16a und 16b bezüglich der hier in % Betracht kommenden Eigenschaft homogen ist, so daß sich jeweils ein abrupter Wechsel beim übergang von der einen Zone zur anderen Zone ergibt. In der Praxis jedoch ergibt sich,obwohl die Temperatur, bei der der Halbleiter wächst,so gering wie möglich gehalten wird, um eine Diffusion zwischen den Zonen zu verhindern, daß die vollausgezogenen Kurven 22 und 24 besser dem tatsächlichen Verlauf entsprechen oder anders ausgedrückt, einfacher herbeigeführt werden können. ,
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Das Bandkanten-Energiediagramm nach Fig. 2 ist charakteristisch für den Übergitter-Halbleiter. Wie hieraus weiterhin zu ersehen ist, variiert die Bandkanten-Energie für das Leitungsband periodisch mit dem Abstand im Übergitter-Halbleiterbereich. Diese periodische Variation ist dabei eindimensional und zwar nur in der Längserstreckung, so daß also keine Variation in den anderen Richtungen innerhalb der Zone auftritt. Außerdem wird darauf hingewiesen, daß der Bandabstand E„ in Fig. 2 innerhalb der übergitterzone im wesentlichen immer der gleiche ist und daß sich die periodische Variation im Elektronenpotential ergibt* Wie bereits erwähnt« kann die durch die abwechselnden 2onen 16a und 16b gebildete Übergitterzone außerdem durch ein Legierungsverfahren gebildet werden. Wird hierin wie zuvor Germanium als Substrat verwendet und werden die Endsonen 12 und 14 wie in den Fign. 1 und IA gezeigt, stark mit Donatorfremdatomen dotiert, dann werden die abwechselnd aufeinanderfolgenden Zonen 16a und 16b in typischer Weise durch Germanium und einer Legierung von Germanium und SiIizium gebildet. Hierbei werden die erste und alle abwechselnd aufeinanderfolgenden Zonen 16a vom N-leitenden Germanium und die zweite, sowie alle abwechselnd aufeinanderfolgenden Zonen 16b durch eine Legierung von Germanium und Silizis; \ dargestellt, wobei die Legierung durch die Besiehung Ge^xSix ausgedrückt werden kann. Die Gerraanium-Silizium-Legierung besitzt einen größeren Bandabstand als Germanium allein, so daß der gewünschte periodische Verlauf in der Energieband-Struktur gemäß den Kurven 22A, 24A, 26A und 28A in Fig. 3 anzusetzen ist.
Docket YO 969 022 0 0 9 8 4 2/1092
Werden Germanium- und Germanium-Silizium-Legierüngszonen verwendet, dann liegt ein typischer Wert für χ zwischen 0,1 und 0,2 in der Legierung. Andere Beispiele die für Legierungen Verwendung finden können sind solche zwischen IU-V und H-VI Verbindungen» So kann z.B. der Halbleiter aus Galliumarsenid bestehen wo die Endzonen 11 und 14 entartet dotiert sind, die Zone 16a durch N-leitendes Galliumarsenid und die Zone 16b durch die Legierung Ga1 Al As gebildet sein kann, wo für χ in typischer Weise ein Wert zwischen 0,1 und 0,4 eingesetzt werden kann. Die Gallium-Aluminium-Arsen-Legierung besitzt, einen größeren Bandabstand als Galliumarsenid allein, so daß hierdurch die gewünschte periodische Struktur erreicht wird. Je größer der Wert χ in einer solchen Struktur ist, umso größer ist die Fluktuation in der Energie-Bandkante. Ein anderes typisches System ist. Indiumarsenid und Inl-xGaxAs wor^n x *n einem weiten Bereich gelnäesrt w&sa®n kann, sogar so weit, daß die Zwischenschicht völlig aus Galliumarsenid besteht und χ gleich 1,0 ist.
Wenn die Struktur der Fig. IA zur Erläuterung des Energiediagramms nach Fig. 3 herangezogen wird, dann bilden die ersten zwei Zonen 16a und 16b unmittelbar oberhalb der N -Zone 12 eine räumliche Periode der Übergitterstruktur, was im Energiediagramm nach Fig. durch den Bereich d, angedeutet ist. Weiterhin bedeuten Eg. den Bandabstand der in den Zonen 16a verwendeten Elemente und Eg- den größeren Bandabstand der Legierungen in den Zonen 16b. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß der Legierungsvorgang während des epitaxialen Aufwachsens in der Weise durchgeführt werden sollte,
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daß jede der Zonen 16a eine Legierung ist, ebenso wie bei den Zonen 16b. In einem solchen Falle ist der Wert χ in der Zone 16a geringer als es für die Legierung in der Zone 16b der Fall ist.
Bisher ist hauptsächlich die räumliche Struktur des Übergitters behandelt worden, d.h., die Struktur der aufeinanderfolgenden Zonen und die hiermit verbundenen Energieänderungen längs der Ubergitterstruktur. Es ist jedoch von' entscheidender Bedeutung in welcher Anzahl die genannten Zonenpaare bzw. die räumlichen Perioden jeweils Verwendung finden. Ganz allgemein gesagt sollte die Mindestanzahl IO sein und vorzugsweise aber mindestens 20 betragen. 20 Zonen entsprechend 10 räumlichen Perioden ergeben eine ausreichende Hechseiwirkung zwischen den Ladungsträgern und der Ubergitterstruktur, um die gewünschten Leitwerteigenschaften zu erhalten, die zur Ausübung der Erfindung dienlich sind.
Es wird weiterhin daraufhingewiesen, daß obgleich epitaxiale Halbleiterherstellungsverfahren angewendet werden, große Sorgfalt beim Aufwachsen der Zonen 16a und 16b ausgeübt werden muß; was deshalb von besonderer Schwierigkeit ist, weil einzelne Schichten nur 25 A dick sein können. Obgleich dann normale Epitaxie-Verfahren aus der festen Phase oder Dampfphase angewendet werden können, dürfte es doch vorzuziehen sein, diese Epitaxialschichten in einem Hochvakuumsystem aufbringen zu lassen. Im letzteren Falle werden die verschiedenen zur Bildung dieser Schichten benötigten Bestandteile jeweils in einem besonderen Schiffchen untergebracht, in dem eine Art Schalungssystem angewendet wird,
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von die Schichten epitaxial mit den gewünschten Eigenschaften auf dem Substrat aufwachsen zu lassen. ·
Wie bereits erwähnt, wird das Übergitter durch eine periodische Änderung der Bandkanten-Energiestruktur längs der Übergitterzone des Halbleiterbauelements gebildet« Weiterhin ist gesagt, daß die räumliche Perlode d in ihrer Länge vorzugsweise zwischen 50 und
ο
500 Ά liegt. Um jedoch die Energiewellenvektor-Beziehungen, die für die Erzeugung von Festkörperschwingungen bedeutsam sind, zu erläutern, werden die graphischen Darstellungen nach den Fign. 4,5 und 6 herangezogen. Hierin sind gewisse Eigenschaften des Übergitters in Abhängigkeit vom Kristallmoment, d.h. vom Wellenvektor (k) des Halbleiters aufgetragen. Der Wert für k ist umgekehrt proportional der wirksamen Elektronenwellenlänge im Raum. In den genannten graphischen Darstellungen befindet sich der Abszissennullpunkt jeweils in der Mitte, wobei k in π/d-Beträgen aufgetragen ist. An den äußersten Enden der Abszisse ist der Wert π/a aufgetragen, worin a den normalen Gitterabstand des Halbleiters darstellt. Für die oben erwähnten Halbleiter wie Germanium, Galliumarsenid usw. beträgt in typischer Weise der normale
ο
Gitterabstand etwa 5 A. In den graphischen Darstellungen beträgt der Wert d etwa 30 A, so daß sich für π/d etwa ein Sechstel von π/a ergibt. Für die Wahl des Wertes d zu 30 A war maßgebend, zu versuchen die Beziehungen im Impulsraum zwischen der übergitterstruktur und der natürlichen Gitterstruktur graphisch zu veranschaulichen· Letzteres steht etwas im Widerspruch zur praktischen Ausbildung des erfindungsgemäßen Halblerbauelements, wo wie oben
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festgestellt, die bevorzugte minimale räumliche Periode d etwa
ο 100 A betragen soll.
Die graphische Darstellung nach Fig. 4 zeigt die Energie E der Bandstruktur, sowohl für eine normale Kristallstruktur ohne übergitter als auch für eine Kristallstruktur mit einem übergitter, die gemäß den oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Die lediglich an einigen Stellen gestrichelt gezeichnete Kurve 30 gilt für das natürliche Gitter und erstreckt sich vom oberen linken Rand der graphischen Darstellung über den Wert O in der Mitte bis zum oberen rechten Rand der graphischen Darstellung; hiermit wird die normale Energiestruktur dargestellt. Außerdem ist dies der typische Kurvenverlauf für die sonst mit Brillouinzone bezeichnete Zone, die sich von ir/-a bis */+a erstreckt.
Wird ein übergitter der oben beschriebenen Struktur überlagert, wobei der Wert d sechsmal größer ist als der Wert a, dann wird tatsächlich eine größere Anzahl sogenannter Minizonen im Halbleiter hervorgerufen. Der Kurvenabschnitt 32 der beiden mittleren Minizonen stellt die Energiebandstruktur tür das niedrigste Energieband im Übergitter dar. Für den Energiekurvenverlauf in jeder Minizone ergeben sich Unterbrechungen in Form von Unstetigkeitsstellen für ganze Vielfache von π/d, so daß sich jeweils in der benachbarten Minizone, vom Nullpunkt her gesehen, eine neue Energiebandstruktur auf einem gewissermaßen höheren Energieniveau ergibt. Durch die gestrichelten Kurventeilen, die die MiniZonengrenzen kreuzen, soll der eigentlich kontinuierliche
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Kurvenverlauf für ein normales Kristallgitter ohne Ubergitteratruktur angedeutet werden. Jedoch läßt sich der gleiche Niedrigenergie-Kurvenverlauf 32 zyklisch wiederholt für jede Minizone darstellen* wie es durch die periodisch verlaufenden Kurventeile 32A angedeutet ist« Wie bereits gesagt» ergeben sich jeweils an den Minizonengrenzen Unstetigkeitsstellen, wenn zusätzlich eine Ubergitteratruktur berücksichtigt werden muß. Die Größe des durch die Unstetigkeitsstelle an der Grenze der ersten Minizone hervorgerufenen' Energiesprunge, wie er sich aus dem Abstand zwischen dem Kurventeil 32 und den Kurventeilen 34 und 36 in der zweiten Minizone ergibt, wird bei der Ausübung der Erfindung berücksichtigt. Die Größe dieser Energielücke ergibt sich aus der Änderungsaraplitude an den Bandkanten wie in den graphischen Darstellungen nach Fig. 2 und 3 gezeigt* Erhöht sich die Amplitude der periodischen linde rung, dann erhöht sich ebenfalls die Energielücke zwischen dem Oberen Energiezustand des Kurventeils 32 und den Energiebandern, wie sie durch die Kurventeile 34 und 36 angedeutet sind. Dies hat aber eine Abnahme in der Tunnelwahrscheinlichkeit von dem niedrigeren Energieband, entsprechend dem Kurventeil 32, zu den höheren Energiebändern, entsprechend den Kurventeilen 34 und 36, zur Folge. Gerade diese Art von Tunneleffekt wird in den erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen verhindert.
Aus der graphischen Darstellung nach Fig. 4 ergibt sich weiterhin, daß infolge der Wirkung der Ubergitterstruktur, im. Impulsraum anstelle einer Brillouinzone eine größere Anzahl sehr viel kleinerer Minizonen auftritt. Weiterhin ist offensichtlich, daß bei
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größeren Werten von d eine entsprechend größere Anzahl von Minizonen innerhalb einer Brillouinzone in Erscheintang tritt. Da d mit der Dicke der Zonen 16a und 16b (Fig. IA) anwächst, läßt sich annehmen, daß d relativ groß sein kann. Jedoch hat sich gezeigt, daß d nicht sehr viel größer sein kann als die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger,und tatsächlich sollte zur Erzeugung von Festkörperschwingungen der Wert d beträchtlich kleiner als die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger sein, z.B. mindestens um einen φ Faktor 5 von aller Wahrscheinlichkeit nach sogar um den Faktor 10. Diese Bedingungen lassen sich heutzutage leicht bei entsprechend niedrigen Temperaturen herbeiführen. Ein Betrieb bei der Temperatur flüssigen Stickstoffs oder sogar flüssigen Heliums stellt keine außergewöhnliche Schwierigkeit dar.
Die Grundlage für das Entstehen und Aufrechterhalten der Festkörperschwingungen wird klar, wenn den Erläuterungen die graphischen Darstellungen nach den Fign. 5 und 6 zugrundegelegt werden. In der graphischen Darstellung nach Fig. 5 ist die Gruppengeschwindigkeit V eines Ladungsträgers in Abhängigkeit vom Wellenvektor k aufgetragen. Auch hier wiederum gilt die gestrichelt gezeichnete Kurve 40 für eine normale Gitterstruktur, während die voll ausgezogene Kurve 42 für die Übergitterstruktur gültig ist. Die Kurven 40 und 42 sind effektiv die erste Ableitungen der in Fig. 4 gezeigten Kurve für die Brillouin- und Minizonen. Ähnlich wie in Fig. 4 ist in Fig. 5 die Gruppengeschwindigkeitskurve 42 der ersten Minizone periodisch durch die Kurventeile 42A wiederholt, so daß die Periodizität klar in Erscheinung tritt. Die zweiten
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Ableitungen der Kurven in der graphischen Darstellung nach Fig. sind in der graphischen Darstellung nach Fig. 6 aufgetragen. Die zweite Ableitung ist umgekehrt proportional, der effektiven Masse (u) der Ladungsträger. In der graphischen Darstellung nach Fig. 6 gilt die Kurve 44 und 44A als Charakteristik für die Minizonen, wo hingegen die gestrichelt gezeichnete Kurve 46 die zum Zwecke des Vergleichs eingezeichnet ist, die reziproke Massencharakteristik für die Brillouinzone in einem normalen Kristallgitter darstellt.
Ein Vergleich der Kurven in den graphischen Darstellungen 4,5 und 6 läßt eine Anzahl Unterschiede zwischen den tatsächlichen Kristallcharakteristiken und den Übergittercharakteristiken erkennen. Als erstes ergibt sich, daß für das übergitter die Periode 2Tr/d der k-Achse sehr viel kleiner ist, als die Periode 2ir/a für das natürliche Kristallgitter. Weiterhin treten die Maximumcharakteristiken für das übergitter in der Energie E (Fig. 4) und in der Gruppengeschwindigkeit V (Fig. 5) bei sehr viel geringeren
Werten auf.Wie sich weiterhin aus der graphischen Darstellung nach Fig. β ergibt, wächst die Masse der Ladungsträger, im vorliegenden Falle also; der Elektronen, im übergitter sehr viel rascher mit Bezug auf die k-Ächse an als im natürlichen Kristallgittter, wobei die Masse jeweils in den Minizohen effektiv negativ wird. Da sich die Elektronen im übergitter, wie durch den Kurvenabschnitt 32 in der graphischen Darstellung nach Fig. 4 gezeigt, im untersten Energieband befinden und soweit die Wechselwirkung der Elektronen betroffen ist, kann dieser Kurvenabschnitt als 'sich wiederholend
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angesehen werden, wie es durch die weiteren Kurvenabschnitte 32A angedeutet ist· Die Energie E1 des höchsten Energiezustandes im Band des übergitters (Kurvenabschnitt 32) ist dabei sehr viel geringer als die maximale Energie E2 des höchsten Energiezustandes im Band des natürlichen Gitters wie durch Kurve 30 angedeutet. Für die praktische Realisierung der Charakteristiken eines natürlichen Kristallgitters, wie es durch die entsprechenden Kurven in den graphischen Darstellungen 4, 5 und 6 vorgegeben ist, besteht ein einsthafter Hinderungsgrund darin, daß die Elektronenstreuungszeit im Halbleiter hinreichend begrenzt wird, da nämlich die Elektronen tatsächlich streuen, bevor die Energiezustände eingenommen sind, die die gewünschten Charakteristiken herbeiführen würden. Diese ZerstreuungsZeitbegrenzung wird überwunden, indem erfindungsgemäfi die Übergitter-Struktur zur Wirkung kommt, indem» obgleich die Zerstreuungszeit im großen gesehen die gleiche ist, das Auftreten der Minizonen es ermöglicht, die gewünschten Charakteristiken innerhalb der Zerstreuungszeit der Ladungsträger einnehmen zu lassen«
Wenn auf diese Weise ein elektrisches Feld an das Halbleiterbauelement 10 (Fig. 1) angelegt wird, dann steigt zunächst die Elektronengruppengeschwindigkeit, wie durch den Kurvenabschnitt 42 in der graphischen Darstellung nach Fig. 5 gezeigt, in roher An- ' näherung linear an. Nach Erreichen einer maximalen Geschwindigkeit im Punkte k. entsteht eine Geschwindigkeitsabnahme, die sich bis zum Punkt kfl fortsetzt. Diese Geschwindigkeitsabnahme ist, wie durch den Kurvenabschnitt 44 in Fig. 6 gezeigt, von einem Wechsel.
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in der Elektronenmasse von positiven zu negativen Werten begleitet· Diese Wechsel bilden die Grundlage für den negativen Gleichstrom» widerstand wie er sich bei einem Halbleiterbauelement mit Übergitter zeigt· Das Prinzip für die Festkörperschwingungen läßt sich leicht anhand der Kurvenabschnitte 42 und 42A in der graphischen Darstellung nach Fig· 5 erläutern. Wie dort gezeigt wird die Elektronengruppengeschwindigkeit über den Punkt kd hinaus negativ was bedeutet, daß das Elektron tatsächlich in entgegengesetzter Richtung zu der des angelegten Feldes bewegt wird. Dieser Wechsel in der Elektronengruppengeschwindigkeit setzt sich weiterhin periodisch fort mit zunehmendem k, wodurch dann jeweils die Gruppengeschwindigkeit zunächst ein Maximum in der einen Richtung einnimmt, dann auf O absinkt und dann wiederum ein Maximum in der entgegengesetzten Richtung einnimmt. Damit ist dann aber offensichtlich, daß eine Anzahl von Elektronen,die diesem periodischen Richtungswechsel unterworfen sind, unter diesen Bedingungen eine dem Kristall inhärente Schwingung erzeugen,die durch entsprechende Stromänderungen in Erscheinung treten. Om nun jedoch nennenswerte Stromschwingungen zu erhalten, ist es notwendig, daß.die Streuungezeit ausreicht, um zu gewährleisten, daß die Elektronen im Mittel einige wenige komplette Schwingungen ausführen, bevor eine Streuung wirksam wird.
Wird die Streuungszeit mit τ und die Kreisfrequenz ω wie üblich durch 2* mal Frequenz dieser Schwingungen ausgedrückt, dann muß also das Produkt nt nicht unbeträchtlich größer sein als 2t .Für den Wert et*2* vollführt ein Elektron im Mittel eine Schwingung
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bevor es gestreut wird. Die Frequenz dieser Schwingung und damit der Wert für ω hängt vom über dem übergitter angelegten elektrischen Feld ab. Dabei ergeben sich folgende Bedingungen:
eFd
ω m wo
e = Elektronenladung
F β angelegtes Feld
d « räumliche Periode
E = Plank»sehe Konetante/2*
Daraus ergibt sich, daß die Frequenz mit der Größe des elektrischen Feldes anwächst. Weiterhin läßt sich die Bedingung für das Anschwingen» nämlich ωτ<2* in Termen der gleichen Parameter ausdrücken und zwar:
eFT d
> 2π
In Fig. 7 ist eine Anzahl von Stromspannungscharakteristiken dargestellt, um die Wirkung der Streuungszeit τ auf die Charakter!s-
tiken des Halbleiterbauelementes aufzuzeigen. In dieser graphischen Darstellung zeigen die drei Kurven 50, 5 2 und 54 Stromspannungscharakteristiken für drei unterschiedliche V7erte der Streuungszeit T1, T2, und T3, wobei τΐ < τ2 < τ3. Weiterhin lassen sich
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aus den hier gezeigten Charakteristiken die Betriebsbedingungen ableiten. Die Kurve 50 (τ ) zeigt die Stromspannungscharakteristik für einen niedrigen Wert von τ, d.h. für eine so geringe Streuungszeit, daß sich kein nennenswerter negativer Widerstand einstellen kann. Die Kurve 52 (T2) gilt für einen Wert τ, der ausreichend für die Ausbildung eines negativen Widerstandes ist, aber noch nicht die Ausbildung inhärenter Festkörperschwingungen zu gewährleisten vermag. Kurve 54 (T3) zeigt die Stromspannungscharkateristik für einen größeren Wert der Streuungszeit τ, bei dem sich kräftige Festkörperschwingungen, wie sie erfindungsgemäß ausgenutzt werden, ausbilden können. Diese Kurven zeigen deutlich, daß mit höherem τ der Schwellenwert in der Spannung zum Einsatz des negativen Widerstandes herabgesetzt wird. Weiterhin ergibt sich, daß der Spannungswert im höheren Spannungsbereich, in welchem die Streuung und damit die Effekte der heißen Elektronen vorherrschend werden, so daß dann das Halbleiterbauelement wiederum in einem positiven Widerstandsbereich gelangt, ebenfalls mit steigendem Wert von τ anwächst. Außerdem zeigt die Kurve 54 (Tg) für den höheren Wert von τ einen relativ weiten Spannungsbereich (Kurvenbereich V1) in welchem der Strom, relativ unverändert bleibt. In diesem Bereich nun wird das, Halbleiterbauelement erfindungsgemäß betrieben; vorzugsweise jedoch im höheren Ende des Bereichs, da ja die Frequenz der Schwingungen und damit die Kreisfrequenz ωτ mit steigender Spannung anwächst. Jedoch ist dabei zu beachten, daß die Spannung nicht so hoch gewählt wird, daß der Einfluß der Tunnelwirkung so groß wird, daß die Schwingungen behindert oder sogar gelöscht werden. Die Streuungszeit T läßt sich durch Ab-
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senken der Temperatur anheben, indem beispielsweise das Halbleiterbauelement bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs oder sogar des flüssigen Heliums betrieben wird. Wird das Halbleiterbauelement im mit V bezeichneten Spannungsbereich der graphischen Darstellung nach Fig. 7 betrieben, dann ergibt sich eine inhärente Stromschwingung um den eingestellten Gleichstromwert. Diese Stromschwingung ergibt sich aus der inhärenten Instabilität des verwendeten Halbleiters, hervorgerufen durch die Wechselwirkung der Ladungsträger mit dem periodisch sich ändernden Potential des Übergitters; dies ist jedoch nicht abhängig von einer Rückkopplung oder einem Belastungswiderstand, wie es sonst bei Oszillatoren der Fall ist, die einen negativen Widerstandsbereich einer Charakteristik ausnutzen.
Die oben beschriebene Kurve in der graphischen Darstellung nach Fig. 7 trägt somit zur Erläuterung bei, in welchem Spannungsbereich der erfindungsgemäße Festkörper-Oszillator betrieben werden soll; die Veranschaulichung ist jedoch dadurch beschränkt, daß lediglich statische Verhältnisse angegeben sind. So wird z.B. die Größe der angelegten Spannung so gewählt, daß sie in der Mitte des Spannungsbereiches V. zu liegen kommen. Wird die Spannung angelegt, dann entstehen Stromschwingungen bei einer Frequenz, die durch die Charakteristiken des Übergitters festgelegt ist (z.B. Größe der räumlichen Periode) und von der Stärke des über dem übergitter angelegten elektrischen Feldes. Aufgrund der Streuungsund Tunneleffekte wächst der Gleichstromwert des Stromes mit der Zeit an. Der Strom oszilliert dabei um diesen langsam ansteigenden
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Gleichstromwert. Die Frequenz dieser Schwingungen liegt im Bereich' von 1O11 bis lo13 Hz. Dabei ergibt sich, daß die Schwingungen aufgrund der Streuungs- und Tunneleffekte schwächer werden, so daß gleichzeitig eine Auflösung der Kohärenz einsetzt. Die Beibehaltungsfähigkeit für die Kohärenz läßt sich dadurch verbessern, daß das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement in einen Resonator eingesetzt wird.
In Fig. 8 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung gezeigt, um Impulsbetrieb zu ermöglichen. Hierbei bilden die Zonen 18A und 12A einen sperrenden Kontakt zur Ubergitterzone 16. Dies bildet eine spezielle Ausbildung für den Impulsbetrieb bei hoher Kohärenz. Die Wirkung dieses Sperrkontaktes besteht darin, daß eine kontinuierliche Injektion von Elektronen nach Betriebseinsatz verhindert wird. Eine kontinuierliche Ladungsträgerinjektion kann nämlich unter bestimmten Voraussetzungen Außer-Phase-Bedingungen herbeiführen. Der Sperrkontakt zur Ubergitterzone kann als MOS-Struktur ausgebildet sein, wobei dann die Zone 12A als Isolator ausgebildet ist. Die gleiche Wirkung läßt sich bei Elimination der Zone 12A herbeiführen, indem dann die Zone 18A direkt an der Übergitterzone anliegt und hiermit aber einen gleichrichtenden Kontakt bildet. Schließlich läßt sich auch ein P-N Übergang als Sperrkontakt verwenden. In allen Ausführungsbeispielen eines solchen Sperrkontakts jedoch kann eine dünne N -Zone zwischen der Ubergitterzone und der Sperrkontaktzone vorgesehen sein, z.B. in der Anordnung nach Fig. 8 an der Grenzfläche zwischen der Zone 12A und der Ubergitterzone 16. Die Wirkung dieser !!-Zone ist derart, daß beim
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Anlegen des Impulses eine wirksame Elektronenquelle für die anfängliche Ladungsträgerinjektion vorhanden ist. Bei Verwendung des beschriebenen Sperrkontakts liegt jeweils negatives Potential an der Sperrkontaktseite des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements .
In Fig. 9 ist eine Schaltungsanordnung gezeigt» die eine Schwingschaltung unter Anwendung eines Festkörper-Oszillators 10 gemäß der Erfindung darstellt. Der Spannungsimpuls zur Erzeugung der Schwingung wird von einer Impulsquelle 70 über eine Spule 72 der Klemme einer Rückkopplungsschleife zugeführt, die den Festkörper-Oszillator 10 neben einem Kondensator 74 und einer zweiten Spule enthält, über eine induktive Kopplung mit der Spule 76 wird die Schwingung ausgekoppelt, so daß sie an den Klemmen 78 zur Verfügung steht. Obgleich in dieser Schaltungsanordnung die einzelnen Bauelemente als diskrete Anordnungen gezeigt sind, ist der Schaltkreis in der Praxis vorzugsweise in Mikrowellenbauweise ausgeführt, so daß sich die Kapazität 74 und die Induktivität 76 in Form von verteilten Parametern auswirkt. Wird nun durch die Impulsquelle 70 ein Spannungsimpuls angelegt, dann gelangt der Impuls über die Spule
auf den Festkörper-Oszillator 10. Dabei setzen hochfrequente Stromschwingungen ein, die dank der Wirkung der Spule 72 nicht auf die Impulsquelle 70 übertragen werden.
Schließlich ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung in Fig. 10 gezeigt, bei der die Ausgangsschwingung senkrecht zur · Stromrichtung abgenommen wird. In diesem Falle wird ein Spannungs-
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impuls den beiden Anschlüssen 80 der Elektroden 18 und 20 zugeführt/ um Stromschwingungen in der gleichen Weise wie oben beschrieben herbeizuführen. Diese Schwingungen ergeben magnetische und elektrische Feldschwingungen senkrecht zur Richtung des Stromflusses, so daß diese Feldschwingungen an den Seitenflächen des Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung, wie durch den Fall 82 angedeutet, abgestrahlt werden und dann durch eine strahlenempfindliche Vorrichtung 84 erfaßt werden können. Diese Ausgangs-" strahlung, gleichgültig ob die Wellenlänge im niedrigen Mikrowellenbereich oder ,im Infrarotbere ich liegt, kann durch geeignete Auskopplungsmaßnahmen, wie z.B. Wellenleiter oder Fiberoptik ausgekoppelt werden. Die Ausgangsstrahlung ergibt sich in der gleichen Weise wie beim Injektionslaser oder bei einer Elektroluminescent-Diode insbesondere dann, wenn die Ausgangswellehlänge im Infrarotbereich liegt. Es können auch ebensogut, wie bei Lasern bekannt, Fabry-Perot-Interferometer-Anordnungen verwendet werden unter Verwendung von reflektiven und Antireflex-Beschichtungen an den Oberflächen der Übergitterzone um die Ausgangsstrahlung in einer Vorzugsrichtung zu fördern. Hiermit läßt sich außerdem er- . reichen, daß die Energie in die Übergitterzone zurückgeleitet wird, um so die Kohärenz der Schwingungen aufrechtzuerhalten·
Oben stehende Ausführungen beziehen sich auf N-Leitungen, wo die Überschußladungsträger durch Elektronen gebildet werden· Die Erfindung läßt sich auch unter Ausnutzung der P-Leitung betreiben, wo dann die Ladung»träger durch Löcher gebildet werden.
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Claims (1)

  1. 2003043
    - 26 PATENTANSPRÜCHE
    Halbleiter-Festkörper-Oszillator mit einem durch Ladungsträgerbewegung hervorgerufenen negativen Widerstandsbereich der Stromspannungs-Charakteristik, welcher unter Einwirken einer unmittelbar angelegten, oberhalb eines Grenzwertes liegenden Betriebsgleichspannung zur direkten Schwingungsabgabe dient, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter (10) ein sich in Richtung des Stromflusses durch den Halbleiter erstreckendes Übergitter enthält, das eine periodische Änderung der Bandkantentnergie in der genannten Richtung über mehrere, eine Übergitterzone (16) im Halbleiter (10) bildende, räumliche Periode (d) hinweg aufweist, die jeweils mindestens fünfmal kleiner als die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger ist, so daß sich Minizonen (W/d) in Richtung des Wellenzahlvektors (k) ausbilden, die
    ^ wesentlich kleiner sind, als die Brillouinzone des Halb
    leiters (10) und daß die Betriebsgleichspannung mindestens nahezu im Bereich (V1) des Talpunktes der Strom-Spannungscharakteristik (Fig. 7) zu liegen kommt.
    2· Anordnung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch ein Halbleiterbauelement, wovon mindestens ein Anschluß an der Elektrode (18) einer ersten halbleitenden Zone (12) liegt, an die sich eine zweite Zone (16b) unterschiedlicher Leitfähigkeit mit hieran seinerseits anschließender
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    20Ö8043
    dritter Zone (16a) mit der Leitfähigkeit der ersten Zone (12) anschließt, indem die zweite (16b) und die dritte Zone (16a) die räumliche Periode (d) bilden, deren Wert
    -."■--■""■ O O
    vorzugsweise zwischen 100 A und 500 A liegt, und daß sich hieran mindestens 10, vorzugsweise aber 20 solcher räumlicher Perioden (d) zur Bildung der Übergitterzone (16) anschließen, indem die letzte räumliche Periode (d) mit einem weiteren Halbleiterbaueleraent-Anschluß (20) gekoppelt 1st. M
    3. Anordnung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dem zweitenAnschluß (20) benachbarte Zone (14) die gleiche Leitfähigkeit wie die dem ersten Anschluß (18) benachbarte Zone (12) besitzt.
    4· Anordnung mindestens nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (16b) aus N-leitendem und die dritte Zone (16a) aus eigenleitendem
    ■■-'■' ■"■■-■ ■■"■■■' · i
    Halbleitermaterial gebildet ist. ^
    5. Anordnung nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (16b) aus N-leitendem Galliumarsenid und die dritte Zone (16a) aus der Legierung Ga, Al As gebildet ist, worin χ zwischen 0,1
    A-Jw X
    -.-■■-- ■■■·-.- ■■"■■' ■■'"-.-■ . v
    und 0,4 liegt.
    6. Anordnung nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (16b) aus InAs und
    Docket YO 969 022 0 0 9 ^2V 1 ί)3^3 >i " ; ; ;:'
    die dritte Zone (16a) aus der Legierung In, Ga As gebildet ist, worin χ bis zum Wert 1,0 eingestellt sein kann ·
    7. Anordnung mindestens nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Anschlüssen (18, 20) in Verbindung stehenden Zonen (12, 14) entartet dotiert sind.
    8. Anordnung nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone (16b) aus N-leitendem Germanium und die dritte Zone (16a) aus der Legierung Ge1- Si gebildet wird.
    9. Anordnung mindestens nach Anspruch 1 und Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsgleichspannung in Form von Impulsen zugeführt ist.
    10. Anordnung nach Anspruch 2 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Anschluß (18a) mit einem gleichrichtenden Kontakt (12a) des Halbleiterbauelements (10) verbunden ist.
    11. Anordnung nach Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den mit den Anschlüssen (18, 20) in Verbindung stehenden Zonen (12A, 14) und der Übergitterzone (16) je eine entartet dotierte übergangs-
    Docket YO 969 022 009842/1092
    ORIGINAL INSPECTED
    2003043
    zone vorgesehen ist.
    12. Anordnung mindestens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Betrieb in einem Resonator, wie z.B. in einem Fabry-Perot-Interferometer.
    m,969 022 009 8 42/1092
    SO
    Leerseite
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