DE2008043C3

DE2008043C3 - Halbleiteroszillatorelement mit Übergitter

Info

Publication number: DE2008043C3
Application number: DE2008043A
Authority: DE
Inventors: Leo Chappaqua Esaki; Webster Eugene Howard Jun.; Raphael Tsu
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-04-01
Filing date: 1970-02-21
Publication date: 1979-02-15
Also published as: DE2008043A1; DE2008043B2; US3626328A

Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiteroszillatorelement, wie es dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist.

Die Entwicklung von Halbleiter-Oszillatorelementen 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 nach oben zu verlegen.

Ein Beispiel hierfür ist der französischen Patentschrift 14 97 937 zu entnehmen, die zur Ausnutzung des Gunneffektes einen Halbleiter-Oszillator mit geschichteter Zonenstruktur beschreibt, um innerhalb des Halbleiters Instabilitäten des für die Ladungsträgerbewegung erforderlichen elektrischen Feldes herbeizuführen. Dits hat die Wirkung, daß der sonst zur Schwingungserzeugung zu übersteigende Schwellenwert des jlektrischen Feldes herabgesetzt wird. Unter Zuhilfenahme zusätzlicher Maßnahmen ist ein derartiges Halbleiter-Bauelement vorzüglich zur Modulation der abgegebenen Schwingungen geeignet.

Jedoch auch einem solchen Halbleiter-Bauelement können Höchstfrequenzen mit einem vertretbaren Aufwand nicht ohne weiteres erhalten werden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Halbleiter-Oszillatorelement mit Schichtstruktur bereitzustellen, das zur Schwingungserzeugung bei Höchstfrequenzen, d. h. der beim höheren Ende des Mikrowellenbereichs und beim unteren Ende des Infrarotbereichs liegenden Frequenzen, geeignet ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, wie es dem Kennzeichen des Patentanspruchs 1 zu entnehmen ist. Während die Überstruktur der bekannten Anordnung nach der französischen Patentschrift 14 97 937 eine Schwingungserzeugung bei Frequenzen in der Größenordnung von GHz ermöglicht, lassen sich mit Hilfe der Erfindung jedoch Frequenzen im Bereich von THz dank dem das Kristallgitter überlagernden Übergitter erzielen.

Dabei ist es für die Erfindung unbeachtlich, ob die räumlichen Perioden durch abwechselnde Halbleiter-Zonen hoher Leitfähigkeit und niedriger Leitfähigkeit, Eigenleitung und Fremdleilung oder N-Leitfähigkeit und P-Leitfähigkeit dargestellt werden.

Bedeutsam ist, daß die Wechselwirkung der Ladungsträger mit dem periodischen auftretenden Potential des Übergitters ausgenutzt wird, so daß eine inhärente Strom-Instabilität im Halbleiter entsteht.

Zur Förderung der Schwingungsneigung oder zur Aufrechterhaltung angefachter Schwingungen im HaIbleiter-Oszülator läßt sich ein Resonator vorsehen, der nach Art eines Fabry-Perot-Interferometers angeordnet ist.

Um die Abmessungen der periodisch abwechselnden, unterschiedlichen Halbleiterzonen in leicht handlicher Größe halten zu können, kann der erfindungsgernäße Halbleiter-Oszillator bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs bzw. des flüssigen Heliums betrieben werden, um die freie Weglänge der Ladungsträger ebenfalls zu erhöhen.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird mit Hilfe der Zeichnungen die Erfindung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 die schematische Darstellung des jrfindungsgemäßen Halbleiter-Oszillatorelements,

Fig. IA das Übergitter des Halbleiter-Oszillatorelements,

F i g. 2 das Energiediagramm des Übergitters, wenn die einander benachbarten Schichten durch entsprechende Dotierung gebildet sind,

F i g. 3 das Energiediagramm des Übergitters, wenn die einander benachbarten Schichten im Legierungsverfahren gebildet sind,

Fig.4 die Bandstruktur und die dem Kristallgitter zugeordnete Brillouin-Zone im Vergleich zur periodisehen Bandstruktur für die Minizonen eines Übergitters in Abhängigkeit vom Wellenvektor (k),

F i g. 5 die Gruppengeschwindigkeit (V_g) eines Ladungsträgers in Abhängigkeit vom Wellenvektor (k),

Fi g. 6 die zweite Ableitung der Energiekurven nach Fig. 4,

F i g. 7 eine Kurvenschar zur Darstellung des Stromes in Abhängigkeit von der Spannung,

Fig. 8 ein zweites Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung.

Das Halbleiter-Oszillatorelement 10 gemäß Fig. 1 weist an seinen Enden je eine N-7one 12 und 14 auf, die durch eine Mittelzone 16 voneinander getrennt sind, welche das Übergitter enthält. An den Endzonen 12 und 14 sind die Elektroden 18 und 20 angebracht, die 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 Bandkantenenergie auftritt. Diese Variation tritt in Längsrichtung des Halbleiters zwischen den Elektroden 18 und 20 auf, wobei die Bandkantenenergie in der Übergitterzone 16 in den beiden anderen Dimensionen nicht variiert.

Die Struktur innerhalb der Übergitterzone 16 ist genauer in Fig. IA gezeigt. Die Übergitterzone 16 besteht aus einer Anzahl aufeinanderfolgender Schichten. Die erste und die jeweils übernächsten Schichten sind mit 16a und die zweite und jeweils übernächsten Schichten mit 160 bezeichnet. Diese Schichten 16a und 166 bilden zusammen mit den Endzonen 12 und 14 einen monokristallinen Halbleiterkörper. Es gibt jedoch Unterschiede in den Energiebandslrukluren der aufeinanderfolgenden Schichten 16a und 16£>.

Wie bereits ausgeführt, ist die geschichtete Übergitter-Struktur des erfindungsgemäßen Halbleiter-Oszillatorelements durch Dotieren oder durch ein Legierungsverfahren gebildet. Zur Erläuterung der Dotierungsmethode wird Gemanium als typisches Halbleitermaterial herausgegriffen, um das Herstellungsverfahren zu erläutern. Die eine Endzone des Halbleiters in F i g. 1A wird durch die N-Zone 12 gebildet, die z. B. mit Phosphor, Antimon oder Arsen dotiert ist. Im weiteren Verlauf bilden alle Schichten 16a epitaxial aufgewachsene N-Zonen (10¹⁴—10¹⁷ Atome pro cm³) und alle epitaxial aufgewachsenen Schichten \Sb eigenleitende Halbleiterzonen. Mit anderen Worten, die Übergitterzone 16 besteht ihrerseits aus einer Anzahl von Zonen, die zwischen N-Leitung und Eigenleitung abwechseln. Alle Zonen 16a und 160 haben jeweils die gleiche Dicke, und jedes dieser so gebildeten Zonenpaare stellt sozusagen eine vollständige räumliche Periode der Wechselschichtstruktur dar. Diese räumliche Periode ist in Fig. IA mit d bezeichnet Der Wert dieser räumlichen Periode rfliegt vorzugsweise zwischen 5 und 50 nm und ist von entscheidender Bedeutung für die Charakteristik des Übergitters, wie es aus der Beschreibung im Zusammenhang mit den F i g. 4,5 und 6 hervorgeht. Aus den angegebenen Werten ergibt sich, daß die Dicke der Zonen 16a und 166 Werte von 2,5 bis 25 nm einnehmen kann.

Wenn die Zonen 16a und 16ύ mit Hilfe eines Dotierverfahrens gebildet werden, dann ist es nicht unbedingt erforderlich,daß N-Zonen und Eigenleilungszonen abwechselnd aufeinanderfolgen, sondern es können ebensogut auch N*-Zonen mit N-Zonen abwechseln.

Die abwechselnd aufeinanderfolgenden Zonen können auch durch N-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 sinusartig verlaufenden Kurven 22 und 24 geben eine Art des Energieverlaufs-Profils und die gestrichelt gezeichneten Kurven 26 und 28, nach Art einer Rechteckwelle, eine andere Profilart wieder. Die Abszisse der graphischen Darstellung nach F i g 2 zeigt den Abstand in der Übergitterzone 16, gemessen in der räumlichen Periode d. Wie bereits erwähnt, ist d die Dicke der beiden Zonen 16a und 16i> zusammen. Für jede räumliche Periode dergibt sich also ein kompletter Zyklus in der Bandkantenenergieänderung. So ist die erste durch die untersten Zonen 16a und 16£> gebildete räumliche Periode, wie aus Fig. IA hervorgeht, in Fig. 2 mit dbezeichnet. Die Rechteckwellenkurven 26 und 28 setzen voraus, daß jede Zone 16a und 166 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 bzw. einfacher herbeigeführt werden können.

Das Bandkantenenergiediagrainm nach F i g. 2 ist charakteristisch für den Übergitter-Halbleiter. Wie hieraus weiterhin zu ersehen ist, variiert die Bandkantenenergie für das Leitungsband periodisch mit dem Abstand im Übergitter-Halbleiterbereich. Diese periodische Variation ist 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 Bandab-

stand Eg in Fig. 2 innerhalb der Übergitterzone im wesentlichen immer der gleiche ist und daß sich die periodische Variation im Elektroncnpotential ergibt. Wie bereits erwähnt, kann die durch die abwechselnden Zonen t6a und 166 gebildete Übergitterzone außerdem durch ein Legierungsverfahren gebildet werden. Wird hierzu wie zuvor Germanium als Substrat verwendet und werden die Endzonen 12 und 14 wie in den Fi g. 1 und IA gezeigt, stark mit Donatorfremdatomen dotiert, dann'werden die abwechselnd aufeinanderfolgenden ίο Zonen 16a und 16b in typischer Weise durch Germanium und einer Legierung von Germanium und Silizium gebildet. Hierbei werden die erste und alle abwechselnd aufeinanderfolgenden Zonen 16a vom N-leitenden Germanium und die zweite sowie alle abwechselnd aufeinanderfolgenden Zonen 166 durch eine Legierung von Germanium und Silizium dargestellt, wobei die Legierung durch die Beziehung Gei _ »Si» ausgedrückt werden kann. Die Germanium-Si-Hziu.Ti-Legierung besitzt einen größeren Bandabstand als Germanium allein, so daß der gewünschte periodische Verlauf in der Energieband-Struktur gemäß den Kurven 22A 24/4,26/4 und 28/4 in F i g. 3 anzusetzen ist.

Werden Germanium- und Germanium-Silizium-Legierungszonen 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 III —V und II—VI Verbindungen. So kann z. B. der Halbleiter aus Galliumarsenid bestehen, wobei die Endzonen 1 ί und 14 entartet dotiert sind, die Zone 16a durch N-leitendes Galliumarsenid und die Zone 166 durch die Legierung Gai-_tAl»As gebildet sein kann, wobei für χ 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, um so größer ist die Differenz der Energien an der Bandkante. Ein anderes typisches System ist Indiumarsenid und In, ,Ga₁As, worin * in einem weiten Bereich geändert werden kann, sogar so weit, daß die Zwischenschicht völlig aus Galliumarsenid besteht und χ gleich 1,0 ist.

Die ersten zwei Zonen 16a und 166 nach Fig. IA bilden unmittelbar oberhalb der N*-Zone 12 eine räumliche Periode des Übergitters, was im Energiediagramm nach F i g. 3 durch den Bereich t/i angedeutet ist. Weiterhin bedeuten Eg\ den Bandabstand der in den Zonen 16a verwendeten Elemente und Eg: den größeren Bandabstand der Legierungen in den Zonen 166. Weiterhin ist darauf hinzuweisen, daß der Legierungsvorgang während des epitaxialen Aufwachsens in der Weise durchgeführt werden sollte, daß jede der Zonen 16a eine Legierung ist, ebenso wie bei den Zonen 166. In einem solchen Falle ist der Wert χ in der Zone 16a geringer als in der Zone 166.

Bisher ist hauptsächlich die räumliche Struktur des Übergitters behandelt worden, d h. die Struktur der aufeinanderfolgenden Zonen und die hiermit verbündenen Energieänderungen längs der Übergitterstruktur. Es ist jedoch von entscheidender Bedeutung, in welcher Anzahl die genannten Zonenpaare bzw. die räumlichen Perioden jeweils Verwendung Finden. Ganz allgemein gesagt sollte die Mindestzahl 10 sein und vorzugsweise aber mindestens 20 betragen. 20 Zonen entsprechend 10 räumlichen Perioden ergeben eine ausreichende Wechselwirkung zwischen den Ladungsträgern und der Übergitterstruklur, um den gewünschten negativen, differeptieüen Widerstand zu erhalten.

Um die Wellenvektor-Beziehungen, die für die Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen bedeutsam sind, zu erläutern, werden die graphischen Darstellungen nach den F i g. 4,5 und 6 herangezogen. Hierin sind Eigenschaften des Übergitters in Abhängigkeit vom Wellenvektor (k) des Halbleiters aufgetragen. In den genannten graphischen Darstellungen befindet sich der Abszissennullpunkt jeweils in der Mitte, wobei k in ;t/c/-Beträgen aufgetragen ist. An den äußersten Enden dei Abszisse ist der Wert π!a aufgetragen, worin a den normalen Gitterabstand des Halbleiters darstellt. Fur die obenerwähnten Halbleiter wie Germanium, Galliumarsenid usw. beträgt der normale Gitterabsiand etwa 0,5 run. In den graphischen Darstellungen beträgt der Wert d etwa 3 nm, so daß sich für nid etwa ein Sechstel von stla ergibt. Für die Wahl des Wertes d zu 3 nm war maßgebend, zu versuchen, die Beziehungen im Impulsraum zwischen der Übergitterstruktur und der natürlichen Gitterstruktur graphisch zu veranschaulichen. Dieser Wert steht im Widerspruch zur praktischen Ausbildung des erfindungsgemäßen Halbleiter-Oszillatorelements, wo wie oben festgestellt, die bevorzugte minima'e räumliche Periode if etwa 10 nm betragen soll.

Die F i g. 4 zeigt die Energie E der Bandstruktur, sowohl für eine normale Kristallstruktur ohne Übergitter 30 als auch für eine Kristallstruktur mit einem Übergitter. 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 0 in der Mitte bis zum oberen rechten Rand der graphischen Darstellung. Dies ist der typische Kurvenverlauf für die sonst mit Brillouinzone bezeichnete Zone, die sich von πΙ-a bis π/ +a erstreckt.

Wird ein Übergitter der oben beschriebenen Struktur überlagert, wobei der Wert d sechsmal größer ist als der Wert a, dann werden tatsächlich zwölf sogenannte Minizonen im Halbleiter hervorgerufen. Der Kurvenabschnitt 32 der beiden mittleren Minizonen stellt die Energiebandstruktur für das niedrigste Energieband im Übergitter dar. Für den Energiekurvenverlauf in jeder Minizone ergeben sich Unterbrechungen in Form von Unstetigkeitsstellen für ganze Vielfache von it/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 Kurventeile, die die Minizonengrenzen kreuzen, soll der eigentlich kontinuierliche Kurvenverlauf für ein normales Kristallgitter ohne Übergitterstruktur abgedeutet werden. Jedoch läßt sich der gleiche Niedrigenergie-Kurvenverlauf 32 zyklisch wiederholt für jede Minizone darstellen, wie es durch die periodisch verlaufenden Kurventeile 32Λ angedeutet ist Der durch die Unstetigkeitsstelle an der Grenze der ersten Minizone hervorgerufenen Energiesprung, wie er sich aus dem Abstand zwischen dem Kurventeil 32 und den Kurventeilen 34 und 36 in der zweiten Minizone ergibt, wird bei der Erfindung benutzt Die Größe dieser Energielücke ergibt sich aus der Änderungsamplitude an den Bandkanten wie in den graphischen Darstellungen nach F i g. 2 und 3 gezeigt Erhöht sich die Amplitude der periodischen Änderung, dann erhöht sich ebenfalls die Energielücke zwischen dem oberen Energiezustand des Kurventeils 32 und den Energiebändern, wie sie durch die Kurventeile 34 und 36 angedeutet sind. Dies hat aber eine Abnahme in der

Tunnelwahrscheinlichkeil 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 Halbleiterbauelementcn verhindert.

Aus der Fig.4 ergibt sich weiterhin, daß infolge der Wirkung des Übergitters im Impulsraum anstelle einer Brillouinzone eine größere Anzahl sehr viel kleinerer Minizonen auftritt. Weilerhin ist offensichtlich, daß bei ^|0 größeren Werten von d eine entsprechend größere Anzahl von Minizonen innerhalb einer Brillouinzone in Erscheinung tritt. Da dmil 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 ¹^ nicht sehr viel größer sein kann als die mittlere Ireic Weglänge der Ladungsträger, und tatsächlich sollte zur Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen der Wert d beträchtlich kleiner als die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger sein, z. B. mindestens um einen Faktor 5 oder sogar um den Faktor 10.

Die Grundlage für das Entstehen und Aufrechterhalten der Hochfrequenzschwingungen wird klar, wenn den Erläuterungen die graphischen Darstellungen nach den F i g. 5 und 6 zugrunde gelegt werden. In der F i g. 5 ist die Gruppengeschwindigkeit V₁, 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 Obergitterstruktur gültig ist. Die Kurven 40 und 42 sind die ersten Ableitungen der in Fig.4 gezeigten Kurve für die Brillouin- und Minizonen. Ähnlich wie in Fig.4 ist in F i g. 5 die Gruppengeschwindigkeitskurve 42 der ersten Minizone periodisch durch die Kurventeile 42A wiederholt, so daß die Periodi/ität klar in Erscheinung tritt. Die zweiten Ableitungen der Kurven nach F i g. 4 sind in der F i g. 6 aufgetragen. Die zweite Ableitung ist umgekehrt proportional der effektiven Masse (μ ~') der Ladungsträger. In der F i g. 6 gilt die Kurve 44 und 44,4 für die Minizonen, während die gestrichelt gezeichnete Kurve 46 die reziproke Masse in einem normalen Kristallgitter für die 1. Brillouinzone darstellt.

Ein Vergleich der Kurven in den F i g. 4, 5 und 6 läßt eine Anzahl Unterschiede zwischen den üblichen Kristallgittern und den Übergittern erkennen. Als erstes ergibt sich, daß für das Übergitter die Periode 2;r/of der fc-Achse sehr viel kleiner ist als die Periode 2nla für das wo natürliche Kristallgitter. Weiterhin treten die Maximumcharakteristiken für das Übergitter in der Energie E fF i g. 4) und in der Gruppengeschwindigkeit V_f (F i g. 5) bei sehr viel geringeren Werten auf. Wie sich weiterhin aus F i g. 6 ergibt, wächst die Masse der Ladungsträger, im vorliegenden Falle also der Elektronen, im Übergitter sehr viel rasche- mit Bezug auf die '"· £-Achse an als im natürlichen Kristallgitter, wobei die Masse jeweils an den Rändern der Minizonen effektiv negativ wird. Da sich die Elektronen im Übergitter, wie durch den Kurvenabschnitt 32 in der graphischen Darstellung nach F i g. 4 gezeigt im untersten Energieband befinden und soweit die Wechselwirkung der Elektronen betroffen ist, kann dieser Kurvenabschnitt als sich wiederholend angesehen werden, wie es durch die weiteren Kurvenabschnitte 32/4 angedeutet ist Die Energie E\ des höchsten Energiezustands im Band des Obergitters (Kurvenabschnitt 32) ist dabei sehr viel geringer als die maximale Energie £₂ des höchsten Energiezustandes im Band des natürlichen Gitters.

Wenn ein elektrisches Feld an das Halbleiterbauelement 10 (Fig. 1)angelegt wird,dann steigt zunächst die Elektronengruppengeschwindigkeil, wie durch den Kurvenabschnitt 42 in der Fig.5 gezeigt, in roher Annäherung linear an. Nach Erreichen einer maximalen Geschwindigkeit im Punkte k; entsteht eine Geschwindigkeitsabnahme, die sich bis zum Punkt k_d fortsetzt. Diese Geschwindigkeitsabnahme ist, wie durch den Kurvenabschnitt 44 in Fig.6 gezeigt, von einem Wechsel in der Elektronenmasse von positiven zu negativen Werten begleitet. Diese Wechsel bilden die Grundlage für den negativen, differentiellen Gleichslromwiderstand, wie er sich bei einem Halbleiterbauelement mit Übergitter zeigt Das Entstehen der Hivhtrequenzschwingungen läßt sich anhand dcr Kurvenabschnitte 42 und 42/4 erläutern. Da die Elektronengruppengeschwindigkeit über den Punkt ka hinaus negativ ist, wird das Elektron tatsächlich in entgegengesetzter Richtung zu der des angelegten Feldes bewegt. Dieser Wechsel in der Elektronengruppenpeschwindigkeit setzt sich weiterhin mit zunehmendem k periodisch fort, wodurch dann jeweils die Giuppengeschwindigkeit zunächst ein Maximum in der einen Richtung einnimmt, dann auf 0 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 tritt. Um nun jedoch nennenswerte Schwingungen zu erhalten, ist es notwendig, daß die Streuungszeit ausreicht, um zu gewährleisten, daß die Elektronen im Mittel einige wenige komplette Schwingungen ausführen, bevor eine Steuung wirksam wird.

Wird die Streuungszeit mit τ und die Kreisfrequenz ω wie üblich durch 2π mal Frequenz dieser Schwingungen ausgedrückt, dann muß also das Produkt ωτ wesentlich größer sein als 2π. Für den Wert ωτ = 2π vollführt ein Elektron im Mittel eine Schwingung 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

c = Elektronenladung

F — angelegtes Feld

d_ = räumliche Periode

h = Plancksche Konstante/2;r

Daraus ergibt sich, daß die Frequenz mit der Größe des elektrischen Feldes anwächst. Weiterhin läßt sich die Bedingung für das Anschwingen, nämlich ωτ<2π in Termen der gleichen Parameter ausdrücken und zwar:

eFrd

> 2.-7

In F i g. 7 ist eine Anzahl von Stromspannungskennlinien dargestellt, um die Wirkung der Streuungszeit τ auf die Kennlinien des Halbleiter-Osziilatorelements aufzuzeigen. In dieser Darstellung zeigen die drei Kurven 50, 52 und 54 Stromspannungskennlinien für drei unterschiedliche Werte der Slreuungszeit τι, Τ2 und τ 3, wobei Tl <t2<tt3. Weiterhin lassen sich aus den hier

gezeigten Kennlinien die Betriebsbedingungen ableiten. Die Kurve 50 (n) zeigt die Stromspannungskennlinie für einen niedrigen Wert von v, d. h. für eine so geringe Streuungszeit, daß sich kein nennenswerter negativer differentieller Widerstand einstellen kann. Die Kurve 52 (τ?) gilt für einen Wert τ, der ausreichend für die Ausbildung eines negativen differentiellen Widerstandes ist, aber noch nicht die Ausbildung inhärenter Hochfrequenzschwingungen zu gewährleisten vermag. Kurve 54 (τ₃) zeigt die Stromspannungskennlinie für einen größeren Wert der Streuungszeil τ, bei dem sich kräftige Hochfrequenzschwingungen ausbilden können. Diese Kurven zeigen deutlich, daß mit höherem r der Schwellenwert für die zur Erreichung des negativen differentiellen Widerslandes erforderliche Spannung herabgesetzt wird. Außerdem zeigt die Kurve 54 (rj) für den höheren Wert von τ einen relativ weiten Spannungsbereich (Kurvenbereich Vi), in welchem der Strom relativ unverändert bleibt. In diesem Bereich nun wird das Halbleiter-Oszillatorelement 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 so&ar gelöscht werden. Die Streutingszeii ν läßt sich durch Absenken der Temperatur anheben, inden beispielsweise das Halbleiter-Oszillatorelement bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs oder sogar des flüssigen Heliums betrieben wird. Wird das Halbleiter-Oszillatorelement im mit Vj bezeichneten Spannungsbereich der graphischen Darstellung nach F i g. 7 betrieben, dann ergibt sich eine inhärente Schwingung um den eingestellten Gleichstromwert Diese Schwingung ergibt sich aus der 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 Bereich negativen differentiellen Widerstands einer Kennlinie ausnutzen.
Wird die Spannung angelegt, dann entstehen Schwingungen bei einer Frequenz, die durch die Charakteristiken des Übergitters festgelegt ist (z. B. Größe der räumlichen Periode) und von der Strake des über dem Übergitter angelegten elektrischen Feldes.

Aufgrund der Streuungs- und Tunneleffekte wächst der Gleichstromwert des Stromes mit der Zeit an. Der Strom oszilliert dabei um diesen langsam ansteigenden

" Gleichstromwert. Die Frequenz dieser Schwingungen liegt im Bereich von 10" bis 10^1J Hz. Dabei ergibt sich, daß die Schwingungen aufgrund der Streuungs- und Tunneleffekte schwächer werden, so daß gleichzeitig eine Auflösung der Kohärenz einsetzt.

In Fig. 8 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Erfindung gezeigt, welches Impulsbetrieb ermöglicht. Hierbei bilden die Zonen isA und Ί2Α einen sperrenden Kontakt zur Übergitterzone 16. Dies bildet eine spezielle Ausbildung für den Impulsbelrieb bei hoher Kohärenz. Die Wirkung dieses Sperrkoniaktes besteht darin, daß eine kontinuierliche Injektion von Elektronen nach Betriebseinsatz verhindert wird. Eine kontinuierliche Ladungsträgerinjektion kann nämlich unter bestimmten Vorausetzungen Außer-Phase-Bedingungen herbeiführen. Der Sperrkontakt zur Hbergitterzone kann als MOS-Struktur ausgebildet sein, wobei dann die Zone 12A als Isolator ausgebildet ist. Die gleiche Wirkung läßt sich bei Rumination der Zone 12/4 herbeiführen, indem dann die Zone 18a direkt an der Übergitterzone anliegt u.id 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 Übergitterzone und der Sperrkontaktzone vorgesehen sein, z. B. an der Grenzfläche zwischen der Zone 12Λ und der Übergitterzone 16. Die Wirkung dieser N+ -Zone ist derart, daß beim Anlegen eines Impulses eine wirksame Elektronenquelle für die anfängliche Ladungsträgerinjektion vorhanden ist. Bei Verwendung des beschriebenen Sperrkontakts liegt jeweils negatives Potential an der Sperrkontaktseite des Halbleiter-Oszillatorelements.

Obenstehende Ausführungen beziehen sich auf N-Ieitende Halbleiterkörper. Die Erfindung läßt sich auch unter Ausnutzung der P-Leitung betreiben.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiter-Oszillatorelement, bestehend aus einem Halbleiterkristall, zwischen dessen Elektroden eine Schichtstruktur aus periodisch abwechselnden, unterschiedlichen Halbleiterzonen senkrecht zur Richtung der Ladungsträgerbewegung liegt, die bei Betrieb einen Bereich negativen differentiellen Widerstands der Strom-Spannungs-Kennlinie des ι ο Halbleiter-Oszillatorelements aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtstruktur als ein dem Kristallgitter des Halbleiters (10) überlagertes, eindimensionales Übergitter ausgebildet ist, das eine entsprechende periodische Änderung der Bandkantenenergie in Richtung der Ladungsträgerbewegung 3ber mehrere, durch die Halbleitetzonen (l&A t6B) gebildete, räumliche, jeweils als Vielfaches der Kristallgitterperiode auftretende Perioden (d) aufweist, die jeweils mindestens fünfmal kleiner als die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger sind.

2. Halbleiter-Oszillatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode (d) mindestens zehnmal kleiner ist als die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger.

3. Halbleiter-Oszillatorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Elektrode (18) an einer ersten halbleitenden Zone (12) liegt, an die sich eine Folge zweiter Zonen (16SJ unterschiedlicher Leitfähigkeit und/oder Leitungstyps mit jeweils abwechselnd hieran ihrerseits anschließenden dritten Zonen (16AJ mit der Leitfähigkeit und/oder mit dem Leitungstyp der ersten Zone (12) anschließt, indem die zweite (16ßjund dritte Zone (16AJ jeweils zusammen die räumliche Periode (d) bilden, deren Länge zwischen 5 und 50 nm vorzugsweise jedoch bei 10 nm liegt, und daß die Folge mindestens aus 10, insbesondere aus 20, solcher räumlicher Perioden (d) jeweils gleicher Ausdehnung zur Bildung des Übergitters (16) besteht und daß die letzte räumliche Periode (d) mit einer zweiten Elektrode (20) gekoppelt ist.

4. Halbleiter-Oszillatorelement nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die der zweiten Elektrode (20) benachbarte Zone (14) die gleiche Leitfähigkeit bzw. den gleichen Leitungstyp wie die der ersten Elektrode (18) benachbarte Zone (12) besitzt.

5. Halbleiter-Oszillatorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die zweiten Zonen [XdB) aus N-leitendem und jeweils die dritten Zonen (16AJaUS eigenleitendem Halbleitermaterial gebildet sind.

6. Halbleiter-Oszillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die zweiten Zonen (16Z?J aus N-leitendem Galliumarsenid und jeweils die dritten Zonen (16AJ aus der Legierung Gai ,Al,As gebildet sind, worin χ zwischen 0,1 und 0,4 liegt.

7. Halbleiter-Oszillatorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die zweiten Zonen (16ßjaus InAs und jeweils die dritten Zonen (16AJ aus der Legierung In, -_vGa»As gebildet sind, worin χ bis zum Wert 1,0 eingestellt sein kann.

8. Halbleiter-Oszillatoreiement nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Elektroden (18, 20) in Verbindung stehenden Zonen (12,14) entartet dotiert sind.

9. Halbleiter-Oszillatorelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die zweiten Zonen (16SJ aus N-leitendem Germanium und jeweils die dritten Zonen (i6A) aus der Legierung Gei -_vSi» gebildet sind, worin die Ungleichung 0,1 < χ < 0,2 gilt

10. Halbleiter-Oszillatorelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Elektrode (18AJ über einen gleichrichtenden Kontakt (12AJmit dem Übergitter (16) gekoppelt ist.

11. Halbleiter-Oszillatorelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den mit den Elektroden [ISA, 20) in Verbindung stehenden, jeweils den gleichrichtenden Kontakt bildenden Zonen (12A, 14) und der Übergitterzone (16) je eine entartet dotierte Übergangszone vorgesehen ist.