DE2009142C

DE2009142C - Halbleiteranordnung zur nichtrezipro ken Verstärkung oder Schwingungserzeugung

Info

Publication number: DE2009142C
Application number: DE19702009142
Authority: DE
Inventors: Reinhart Dipl Phys Dr rer nat 7900 Ulm Engelmann
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH, 6000 Frankfurt
Filing date: 1970-02-27
Publication date: 1972-12-28

Description

A,_r

b > > d,

d die Dicke des Halbleiterkörper" in Richtung seiner transversalen negativen differentiellen Beweglichkeit — Y-Richtung — nd
A_n. die transversale Wellenlänge der Raumladungswellen im Halbleiterkörper bedeutet, entsprechend Palenl 1 943 676, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- bzw. Auskopplung in Richtung der negativen differentiellen Beweglichkeit antimetrisch erfolgt und daß folgende Bedingung für die Dicke d erfüllt ist:

In- 1

A_n. > i > W > (n - 1) A,_r

k' tu -^- arc tg (-f-■

, wobei

samen leitenden Grundplatte (9-10) erfolgt, welche über eine dielektrische Schicht (7) die Halbleiterschicht (1) trägt.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen (/„, /„) der kapazitiven Ankopplung (6a, 6b) kleiner als λ,/2 gewählt sind.

Gegenstand des Hauplpatenls 1 943 676 ist eine Haibleileranordnung zur nichtreziproken Verstärkung oder zur Schwingungserzeugung. Sie besteht aus einem relativ langen und breiten Halbleiterkörper in Schichtform, der auf einem Dielektrikum angebracht ist, das seinerseits eine leitende Grundplatte aufweist. In dem Halbleiterkörper bewegen sich auf Grund eines über ohmsche Kontakte angelegten Driftfeldes Ladungsträger. Am Halbleiterkörper sind Mittel vorhanden zur Ein- und/oder Auskopplung elektromagnetischer Wellen, wobei der Halbleiterkörper eine senkrecht zum Driftfeld verlaufende, d. h. transversale, negative differentielle Beweglichkeit besitzt. In Richtung dieser negativen Beweglichkeit weist er eine bestimmte Schichtdicke auf. Die Halbleiteranordnung ist in Richtung der negativen Beweglichkeil — in Y-Richtung — symmetrisch ausgeführt, und es gelten folgende Bedingungen:

k < d <

40

H T	A_n. <
I :	» A_n.,
b	» d,
k	«A
wobei

45

A, die longitudinal Wellenlänge,

ejfl eine effektive Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums (8), das den Halbleiterkörper umgibt,
% die Dielektrizitätskonstante des Halbleiterkörpers,

/ die Länge des Halbleiterkörpers in Driftrichtung — Z-Richtung —,

b die Breite des Halbleiterkörpers senkrecht zur Driftrichtung und senkrecht zur negativen Beweglichkeit — in ^"-Richtung — und

π eine ganze positive Zahl bedeutet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mindestens einseitig mit einer dielektrischen Schicht (7 bzw. 8) belastet ist, an deren Enden der Eingangswellenleiter (4, 9) und der Ausgangswellenleiter (5, 10) bezüglich des Halbleiterkörpers 1 kapazitiv angekoppelt sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nntimctrische Ein- bzw. Au;kopplung (4 bzw. 5) mit Hilfe einer gemein- d die Dicke des Halbleiterkörpers in Richtung seiner transversalen negativen differentiellen Beweglichkeit — Y-Richtung —,
A_rr die transversale Wellenlänge der Raumladungswellen im Halbleiterkörper,
A, die longitudinale Wellenlänge,
ε% die effektive Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums 8, das den Halbleiterkörper umgibt, ε_Η die Dielektrizitätskonstante des Halbleiterkörpers, / die Länge des Halbleiterkörpers in Driftrichtung — Z-Richtung —,

b die Breite des Halbleiterkörpers senkrecht zur Driftrichtung und senkrecht zur negativen^eweglichkeit — in X-Richtung — und
η eine ganze positive Zahl bedeutet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine entsprechende Anordnung mit antimetrischer Spannungsein- bzw. Spannungsauskopplung aufzuzeigen.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Anordnung gelöst.

In der F i g. 1 ist eine gemäß der Erfindung aufgebaute Anordnung im Schnitt dargestellt, welche zwar geometrisch in Y-Richtung symmetrisch ausgeführt ist, bei welcher aber die Koppiungsausführung in Y-Richtung eine antimetrische HF-Potentialverteilung erzeugt. Bei dieser Ausführungsform müssen

abweichend vom Gegenstand des Hauptpatents folgende Bedingungen eingehalten werden:

k' ~ ——

Im_x Ausführungsbeispiel besitzt der Halbleiterkörper 1 eine streifenförmige Gestalt, wobei seine >° Dicke d in Y-Richtung, d. h. in Richtung seiner transversalen negativen Beweglichkeit, so gewählt ist, daß im verwendeten Halbleitermaterial entsprechend obiger Beziehung die transversale negative Beweglichkeit von den mit den driftenden Ladungsträgern der Geschwindigkeit V₀ gekoppelten antimetrischen Raumladungswellen ausgenutzt werden kann. Die Dimension des Halbleiterkörpers in X-Richtung, d h. senkrecht zur Zeichenebene der Fig. 1, soll dabei groß gegen die Dicke d des Halbleiterkörpern sein, während sie ansonsten beliebig gewählt werden kann. Außerdem ist die Länge / des Halbleiterkörpers in Driftrichtung zwischen den beiden ohmschen Kontakten la und 2 b wesentlich größer gewählt als die transversale Wellenlänge k_tr. über die Kontakte 2 a und 2b wird ein externes elektrisches Feld von der Vorspannungsqv.elle 3 so angelegt, daß die Ladimgslräger innerhalb des Halbleiterkörpers 1 vom Kontakt la zum Kontakt Ib driften. Das Dielektrikum 8 bildet die tragende Grundplatte der Anordnung. Die Halbleiterschicht wird darauf vorzugsweise epitaxial hergestellt. Zum Ein- und/oder Auskoppeln elektromagnetischer Schwingungen sind Koppelmittel 4, 9 und 5, 10 vorgesehen, welche die HF-mäßige Verbindung mit dem Halbleiterkörper 1 bewirken. Beim Ausführungsbeispiel wird dies durch jeweils gegenüberliegende leitende beläge 4, 9 bzw. 5, 10 verwirklicht.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist so aufgebaut, daß die Koppelmittel 4,9 und 5,10 einen Wellenleiter bilden für die Hochfrequenz, z. B. in Form einer Paralleldrahtleitung oder vorzugsweise in Form eines Streifenleiters.

Sowohl der eingangsseitige Wellenleiter 4, 9 als auch der ausgangsseitige Wellenleiter 5, 10 ν erden kapazitiv an den Halbleiterkörper 1 angekuppelt. Beim Ausführungsbeispiel ist der Halbleiterkörper 1 beidseitig von einem Dielektrikum 7 und 8 umgeben, v/elches im dargestellten Fall gleich dimensioniert ist. An den Enden nahe den galvanischen Kontakten 2 a und 2b des Halbleiterkörpers ist das Dielektrikum 7 und 8 relativ dünn, um die erforderliche Ankoppelkapazität zu bilden, die zwischen dem jeweiligen Leiterelement 4 bzw. 5 und dem eng gegenüberliegenden Teil des Halbleiterkörpers 1 entsteht. In der Fig. 1 sind die beiden dünn ausgebildeten Bereiche des Dielektrikums 8 eingangsseitig mit 6a und ausgangsseitig mit 6b bezeichnet. Das Dielektrikum 7 ist in gleicher Weise ausgebildet. Dabei sind die Längen !„ und l_b, über welche die kapazitive Kopplung erfolgt, vorteilb"^pt kleiner als /,/2 zu wählen.

In der F i g. 2 ist die erfindungsgemäße Wechselfeldverteilung im Halbleiterkörper für eine verstärkte Raumladungswelle für die unterste antimetrische CMnung bei transversaler negativer Beweglichkeit dargestellt.

Die erfindungsgemäße Anordnung hat gegenüber der Ausführungsform des Hauptpatentes den Vorteil, daß die gewünschte Welle im Halbleiterkörper leichter erregbar ist. Darüber hinaus ist die Gesamtanordniing einfach herstellbar und auch der Anschluß der Vorspannungsquelle bedarf keiner zusätzlichen Entkop_: pelglieder.

Abweichend von der dargestellten Form können die beiden dielektrischen Beläge 7 und 8 auch verschieden dimensioniert werden. Außerdem könnten die leitenden Beläge 9 und 10 auch zu einer gemeinsamen Grundplatte vereinigt werden, ähnlich der Ausführung nach dem Hauptpatent. Allerdings ist bei geometrisch unsymmetrischer Ausführung in Y-Richtung zu beachten, daß die vorbestimmte Schichtdecke d geringfügig von dem oben angegebenen Kriterium abweichen kann, wie ein Fachmann leicht errechnet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiteranordnung zur nichtreziproken Verstärkung oder zur Schwingungserzeugung, bestehend aus einem relativ langen und breiten Halbleiterkörper in Schichtform, der auf einem Dielektrikum angebracht ist, das seinerseits eine leitende Grundplatte aufweist, wobei sich in dem Halbleiterkörper Ladungsträger auf Grund eines über ohmsche Kontakte angelegten Driftfeldes bewegen und daß am Halbleiterkörper Mittel vorhanden sind zur Ein- und/oder Auskopplung elektromagnetischer Wellen, wobei der Halbleiterkörper eine senkrecht zum Driftfeld verlaufende, d. h. transversale negative diffeTenüelle Beweglichkeit besitzt, und in Richtung dieser negativen Beweglichkeit ^ine vorbestimmte Schichtdecke (rf) aufweist, daß die Halbleiteranordnung in Richtung der negativen Beweglichkeit — in Y-Richtung — symmetrisch ausgeführt ist und folgende Bedingungen gelten: