DE2022044A1 - Oszillator mit einem Masseneffekt-Halbleiter - Google Patents

Description

Western Electric Company Ino·
195 Broadway

New York, IT. Y. 10007/USA 5. Mai 1970

A 51 709

Oszillator ^

Halbleiter

Die Erfindung betrifft einen Oszillator mit Masseneffekt-Halbleitereinrichtungen, insbesondere Einrichtungen mit begrenzter Raumladungsansammlung, welche als Oszillatoren verwendet werden können.

Aus der USA-Patentschrift 3 365 583 ist bereits eine Gruppe von Masseneffekt-Einrichtungen bekannt, von denen jede einen Wafer aus entsprechend halbleitendem Material umfaßt, beispielsweise Galliumarsenid, in dem wandernde Gebietsschwingungen (domainoscillations) durch Anlegung einer Vorspannung über einen vorgeschriebenen Schwellwertbereich angeregt werden können. Diese wandernden Gebiete ergeben sich aus einem bekannten Mechanismus der Elektronenübertragung zwischen leitenden Tälern, wodurch ein negativer Differenzwiderstand für innere Ströme in dem Wafer aufgebaut wird, und äußern sich durch Oszillationsströme an den Ausgangsanschlussen, die nunmehr allgemein als Gunn-Effekt-Schwingungen bezeichnet werden.

In dem Artikel von J, A. Copeland III, "LSA Oscillator-Diode Theory", in Journal of Applied Physics, Band 38, Nr. 8, Juli 1967, Seiten 3096 bis 3101 ist eine neue Schwingungsart beschrieben, als "LSA"-Betrlebsart bezeichnet (limited spacecharge accumulation). Der Gedanke der vorliegenden Erfindung kann bei Masseneffekt-Dioden verwendet werden, wie sie allgemein in der oben erwähnten Patentschrift beschrieben sind. Die-

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BAD ORIQfNAt.

se Schwingungsart hängt niclt von der Ausbildung von Gebietsschwingungen ab, die Frequenz ist unabhängig von der Länge des Wafers, und der Oszillator hat im Ergebnis nicht die Beschränkungen hinsichtlich Frequenz und Leistung des Oszillators nach der vorangehend erwähnten Patentschrift. Der LSA-Oszillator umfaßt eine Massen-Halbleiterdiode, eine Resonanzschaltung sowie einen Verbraucher, dessen verschiedene Parameter so eingestellt sind, daß die elektrische Feldstärke innerhalb der Diode zwischen einem hohen Wert, bei welcher ein negativer Widerstand auftritt, sowie einem niedrigen Wert wechselt, bei welchem die Diode einen positiven Widerstand zeigt. Durch geeignete Einstellung der Dauer der Verlagerungen des elektrischen Feldes in positive und negative Widerstandsbereiche der Diode kann man die Ausbildung wandernder Gebiete verhindern, welche für die Schwingungen nach dem Gunn-Effekt verantwortlich sind, während noch der erforderliche negative Widerstand für die Aufrechterhaltung der Schwingungen erzielt wird.

Zur wesentlichen Steigerung des Wirkungsgrad«9 von LSA-Einrichtungen geht die Erfindung aus von einem Oszillator mit einer Masseneffekt-Halbleiterdiode, weiche mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, einem Lagewiderstand sowie einen Parallelschwingkreis mit einer Resonanzfrequnez f , dessen Parameter im Sinne der Anregung von Schwingungen in der Diode in der begrenzten Raumladungs-Ansammlungs-Betriebsart bei einer Frequenz f ausgelegt sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein zusätzlicher Schwingkreis mit der Diodö gekoppelt ist, dessen Resonanzfrequenz in harmonischer Zuordnung zu der ersterwähnten Resonanzfrequenz f steht.

Vorzugsweise ist ein äußerer Parallelschwingkreis vorgesehen, der auf die zweite harmonische Frequenz abgestimmt ist, aowie ein Serienschwingkreis, der auf die dritte harmonische Frequenz abgestimmt ist. Der Parallelwiderstand Ro bei der zweiten harmonischen Frequenz ist verhältnismäßig groß, während der Serienwidorstand R, bei der dritten harmonischen Frequenz verhältnis-

O O 9 8 h 7 / 1 2 O 7

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mäßig gering ist. Die Wirkung dieser harmonischen Resonanzen besteht in der Hinzufügung einer wesentlichen zweiten harmonischen Komponente zu der Spannung an der Diode sowie einer wesentlichen dritten harmoniechen Komponente zu dem Strom durch die Diode. Wie nachfolgend erläutert wird, steigert die Zufügung dieser harmonischen Komponenten den Wirkungsgrad bei der Grundfrequenz,oder ersten harmonischen Frequenz, bei welcher die Ausgangsleistung verwendet wird, .indem tatsächlich der Grundfrequenzstrom gesteigert wird, welcher in Verträglichkeit mit der LSA-Betriebsform zulässigerweise durch die Diode verlaufen kann.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind alle äußeren Resonanzen durch symmetrische Anbringung der Diode in einer Hohlreumresonator-Iris vorgesehen« Die Iris hat eine Dicke von X /6 in der Wellenfortpflanzungsrichtung, wobei X die Wellenlänge der Grundfrequenz ist. Diese Dickenabmessung ergibt die erforderliche Resonanz bei der dritten Harmonischen mit einem angemessen niedrigen Serienwiderstand. Die längsdimension der Iris ist in vier Abschnitte unterteilt, von denen jeder eine Länge von Λ/6. aufweist. Die beiden Endabschnitte neben benachbarten entgegengesetzten Vertikalwandungen weisen jeweils eine charakteristische Impedanz Z/3 auf? diejenigen neben der Diode eine charakteristiscbe Impedanz Z. Die übergangslosen Änderungen der Impedanz können beispielsweise durch übergangslose Änderung der Höhe der Iris erzielt werden. Diese Struktur ergibt Betriebsarten in der Iris bei der Grundfrequenz und der zweiten harmonischen Frequenz mit einem angemessen hohen Parallelwiderstand Rp bei der zweiten Harmonischen, wie dies nachfolgend noch näher erläutert ist.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen LSA-Oszillator nach dem Stand der (Technik,

Fig. 2 die Elektronengeschwindigkeit als Punktion des elek-

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trischen Feldes sowie ferner die Zeit als Punktion des elektrischen Feldes in der Diode nach Fig. 1,

Fig. 3 eine der Schaltung nach Fig. 1 ähnliche Anordnung gemäß einem AusfUhrungsbeispiel nach der Erfindung,

Fig. 4 die Spannung sowie den durch die Masseneffekt-Diode in der Schaltung nach Fig. 3 verlaufenden Strom,

Fig. 5 ein AusfUhrungsbeispiel einer erfindungsgemäßen LSA-Oszillatorschaltung im Schnitt sowie in abgebrochener Darstellung,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie 6-6 von Fig. 5»

Fig. 7 einen Schnitt längs der Linie 7 - 7 von Fig, 6 nebat einem Schaubild zur Darstellung der elektrischen Feldverteilung,

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung ähnlich Fig. 5, 6.

D?e zum Stande der Technik gehörige LSA-Oszillatorschaltung nrr" Fig. 1 umfaßt eine Masseneffekt-Diode 8, die durch eine Spannung quelle 9 vorgespannt ist. Die Diode 8 umfaßt einen Wafer aus einem Masseneffekt-Halbleitermaterial, beispielsweise n-leitendem Galliumarsenid, das zwischen gegenüberliegenden Ohm'schen Kontakten enthalten ist. Mit der Diode ist ein Parallelschwingkreis mit einem Kondensator G, einer Induktivität L sowie einom Ladewiderstand IL. verbunden. Der Zweck des LSA-Betriebes besteh' darin, den Vorteil des negativen Widerstandes der Masseneffekt-PIo^e auszunützen, um Hochfrequenzschwingungen an dem Ladewiderstand IL zu erzeugen, ohne daß wandernde Gebiete innerhalb des Diodenwafers ausgebildet werden, wie dies für den Betrieb nach Gunn charakteristisch ist. Auf diese Weise werden wesentliche Vorteile hinsichtlich der erzielbaren Frequenz und der Leistung erzielt.

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Ein Erfordernis des ISA-Betriebes besteht darin, daß die Diodf von wesentlich gleichförmiger Zusammensetzung und in bekannter Weise dotiert ist, um eine negative Widerstandscharakteristik gemäß einer Kurve 10'nach Fig. 2 zu erzielen. Zu diesem Zwick ist unter dem Ausdruck "Masseneffekt-Einrichtung" jede Halbleitereinrichtung zu verstehen, bei welcher eine Trägergesohwindigkeit gegenüber der elektrischen Feldcharakteristik in der all« gemeinen Art gemäß der Kurve 10 verläuft. Für η-leitende Stoff9 bezieht sich die Trägergeschwindigkeit auf die Elektronengesöhwindigkeit, für p-leitende Stoffe auf die LöchergeschwindJLgkeit. Bei angelegten Vorspannungsfeldern, welche diese Schwellwertspannung E, übersteigen, zeigt die Probe einen negativen Widerstand, während bei Feldstärken unter E, ein positiver Widerstand entsteht. Wenn eine ständige Gleichspannung b E, an der Probe liegt, werden wandernde G-ebietsschwingungen zeugt, wie dies von G-unn beschrieben wurde.

Während das elektrische (rleichspannungsfeld E,_c, das afi Probe durch die Grleiehspannungsquelle 9 liegt, die Schwellwertspannung E, überschreitet, verursachen der äußere Schwingkreis sewie der ladewiderstand R^., daß das tatsächliche elektri&öhe Feld E in der Probe gemäß einer Kurve 11 nach Fig. 2 Bohwingt, Während des ZeitIntervalls t_i jedes Zyklus von E erstreckt sich das elektrische Feld in der Diode unter die Schwel]yertspannung E. in den positiven Widerstandsbereich der Diode, während sioh das elektrische Feld im Verlauf des verbleibenden Teil^Ö den Zyklus to in den negativen Widerstandsbereich oberhalb E, 9r~ streckt/ Die Fre'quenz von E wird durch die Oszillator-RescjnanE<r. schaltung bestimmt, während die Amplitude eine Funktion def ^v Ladewiderstandes R-r der Schaltung ist.

Während der Periode des negativen Widerstandes wächst die HP-Energie exponentiell bei der Fortpflanzung durch die Diode, was die Abschwächung während des Abschnittes mit positivem Widerstand mehr als kompensiert, so daß sich eine reine Verstärkung ergibt. Wie Torangehend in der Literatur beschrieben

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wurde, überschreitet die Verstärkung der Einrichtung deren Dämpfung, wenn die folgende Beziehung erfüllt wird:

(t₁₊t₂)

^Evdt<^Ev <¹>

Hierbei ist das Integral über eine Schwingung erstreckt, E ist das elektrische Feld, ν die Trägergeschwindlglreit, v_ die durchschnittliche Trägerdriftgeschwindigkeit in dem Wafer während der Schwingung, t- das Zeitintervall während eines Zyklus, in welchem die Diode einen Zustand positiven Widerstandes aufweist, t« das Zeitintervall während jedes Zyklus, in welchem die Diode sich in einem Zustand negativen Widerstandes befindet, und E, das Verspannüngs-Gleichspannungsfeld. Wandernde Gebiete i dem Wafer werden verhindert, indem das Zeitintervall t« klein genug gemacht wird, so daß die' Raumladungs-Ansainmluiig nicht in diesem Zeitintervall auftreten kann, sowie ferner dadurch, daß t- lang genug gemacht wird, um die Raumladungs-Ansammlung abzuschwächen und zu verhindern, daß diese mit aufeinanderfolgenden Schwingungen wächst. Um diese Erfordernisse zu erfüllen, muß folgenden Beziehungen genüge geleistet werden:

J l/il dt < 10 (2)

[Ct₁

ψ J

l^ldfc > ^ne- J N dt (3)

Hierbei stellt J- 2' das Integral über die Zeitperiode to dar,£ die Dielektrizitätskonstante des Wafers, ja die differentielle Beweglichkeit des Wafers, e die Ladung an einem Majoritätaträger und J^ 1' das Integral über die Zeitperiode t^_#

Um dem schwingenden PeId E eine genügende Amplitude zu verleihen, eine Ausdehnung in den positiven Widerstands bereich sowie einen scharfen Anstieg in den negativen Widerstandsbereich zu erzielen, wurde nach dem Stand der Teohnik angestrebt, den Ladewiderstand genügend hoch zu halten. In der Schaltung nach Pig. 1 soll demgemäß der Ladewiderstand R^. der folgenden Bedingung genügen:

009847 Γ1 207 -7-

BAD

-I₀ j JuI₂I β Α

Hierbei bedeuten JL die Länge des Wafers zwischen den gegenüberliegenden Kontakten, η das Dotierungsniveau oder die durchschnittliche Trägerkonzentration des Wafers, A den Bereich dor Probe in der Querebene zu dem Driftstrom und -μ- die durchschnittliche negative Beweglichkeit in dem negativen Widerstandsbereich, welche durch folgenden Ausdruck gegeben istί

Durch Erfüllung der obigen Bedingungen arbeitet der Oszillator nach Pig. 1 in der iSA-Betriebsart und ergibt deren bekannte Vorteile.

τ . - ■ .■■■■-■

Es ist bekannt, daß Schwingungen entweder durch Übergangseffekte oder durch Anlegung eines HF-Impulses eingeleitet werden können*

Aus Pig. 2 ergibt sich darstellungsweise eine äquivalente/Oszillatorschaltung nach der Erfindung mit einer Masseneffekt-Diode 12, welche durch eine Spannungs^uelle 13 vorgespannt ist, Mit der Diode sind zwei Paxallel^esönfttoreu 14·, 15 und ein Serienresonator 16 gekoppelt. Der Resonator 14 spricht auf die Grundfrequenz oder LSA-Prequenz f an, während die Resonatoren 15, 16 auf die zweite harmonische Frequenz 2f bzw« dritte harmonische Frequenz 3f ansprechen. Die Indizes bei den Induktivitäten, Kondensatoren und Widerständen sind der ersten, zweiten und dritten harmonischen Frequenz zugeordnet*

Bei dem klassischen ISA-Oszillator nach Fig. 1 iet lediglich ein einzelner, auf die Grundfreque-nz abgestimmter äußerer Resonator verwendet* Somit ist die HF-Spannung an der Diode gemäß der Kurve 1T sinusförmig. Im Ergebnis beruht die vorliegende Erfindung auf einer Kombination der Resonatoren 15, 16.·, Der Zweck des ResOna-

. .zwezten

tors 15 ist eine Zufügung einer star keif) harmonischen Komponente zu der Spannung au der Diode 12, während der Resonator 16 verwendet wird, um dem Strom durch die Diode eine starke dritte / 0098U7 1 207 ~ ⁸ "

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harmonische Komponente zuzufügen« Demgemäß wird R₂ so groß gemacht, wie dies zweckmäßig ist, während R, klein gemacht wird» Es gilt also:

Wie sich nachfolgend noch näher ergibt, können R, unbegrenzt klein und Rp unbegrenzt groß gemacht werden.

Die harmonischen Komponenten addieren sich zu der Grundfrequenz, um eine Diodenspannungscharakteristik gemäß der Kurve 18 und die Diodenstromcharakteristik gemäß der Kurve 19 nach Fig. 4 zu erhalten. Zur Erzielung eines hohen erfindungsgemäßen Wirkungsgrades kann die Kurve 18 typischerweise au» einer Gleiohapannungskomponente und den Spannungskomponenten der Grundschwingung sowie der zweiten Harmonischen zusammengesetzt sein, und zwar entsprechend Feldstärken 11,0, 11,2 bzw. 4,0 KV/cm. An dem Resone«- tor 16 wird eine geringe Spannung der dritten Harmonischen öder überhaupt keine solche Spannung erzeugt, und zwar wegen den geringen Wertes des Widerstandes R,. Diese Wellenform ergibt einen größeren Wirkungsgrad als eine Sinuswellenform oder Wellenform mit einer einzigen Frequenz, weil diese Wellenform ungleich einer Sinuswellenform nicht unter die Schwellwertspannung V_m abfallen muli, um ein Zeitintervall t^ von genügender Höhe zweoks Erfüllung der Gleichung (4) zu ergeben.

Die Kurve der elektrischen Feldstärke gemäß Fig. 2 wird, wie sich versteht, durch die zweite harmonische Komponente abgewandelt, um eine Indentität mit der Spannungskurve 18 nach Fig. herbeizuführen. Statt in einen positiven·Widerstandsbereich entsprechend einer starken Steigung der die Elektronengeschwindigkeit als Funktion des elektrischen Feldes wiedergebenden Kurve 10 zu verlaufen, verbleibt das elektrische Feld während der Zeit t. in einem Bereich hoher Elektronengeschwindigkeit y. Somit werden wesentliche Verminderungen des Diodenstromes vermieden, während noch die Bedingungen für den LSA-Betrieb er-

0 0 0 0 /, 7 / 1 2 Q 7

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füllt werden. Der Wirkungsgrad wird auch gesteigert, weil die Spannung der Kurve 18 schneller durch den Spannungsbereich gerade oberhalb des Schwellwertes verläuft, wo das Raumladungswachstum sehr schnell ist. Die Kurve 20 zeigt auf der gleichen Zeitbasis die Raumladungs-Wachstumsgeschwindigkeit in der Diode,

Die Kurve 19 zeigt die Stromwellanform, die sich aus der Hinzufügung der dritten harmonischen Stromkomponente zu der Grundfrequenz ergibt. Wegen des hohen Wertes von R₂ wird eine geringe oder keine zweite harmonische Komponente der Stromwellenform zugefügt. -

Um mit den bekannten LSA-Bedingungen verträglich zu sein, muß der '* Strom zwischen Maximal- und Minimalwerten schwingen, wie dies bekannt ist. Es kann ferner gezeigt werden, daß eine Rechteckwelle eine Grundschwingungskomponente von größerer Amplitude als irgendeine andere Wellenform enthält, welche zwischen entsprechenden Maxima und Minima schwingt. Wie sich aus Pig. 19 ergibt, trägt die Zugabe einer dritten Harmonischen wesentlich zu der Annäherung an eine Rechteckwellenform bei. Die Zufügung der dritten her- · monischen Komponente ermöglicht die Verwendung einer stärkeren Fundamental-Sehwingungskomponente als dies normalerweise zulässig wäre, was wiederum den Wirkungsgrad der Einrichtung steigert.

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Um die Wellenform 18, 19 zu erzeugen, müssen die Frequenzen, wie sich versteht, in richtiger Phase zu der Grundschwingung zugegeben werden. Studien an Rechnern zeigen jedoch, daß die Schal-tung nach iig. 3 von sich aus die gewünschten PhasenbeZiehungen herstellt, zumindest dann, wenn eine Galliumarseniddiode verwendet wird, welche bei irgendeiner geeigneten Vorspannung unter etwa 12 KV/cm vorgespannt ist. Oberhalb 10 KV,/cm Vorspannung ändert sich die PhasenbeZiehung, wobei die Vorteile des Wirkungsgrades vermindert werden.

Fig. 5 - 7 zeigen eine Mikrowellenfrequenz-Ausführung der Oszilla-■■ ■,'. . ^:; ■ ' ^: ■■-■■■■.: V- : - 10 - ■'

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- ίο -

torschaltung nach Pig. 3 mit einem Hohlraumresonator 22 zur Übertragung der Mikrowellenenergie zu einem Verbraucher 23. Der Hohlraumresonator umfaßt eine Iris 24-, in welcher eine Masseneffekt-Diode 25 symmetrisch angebracht ist. Ein E/H-Abatimmelement 27 in Verbindung mit einem Abstimmkolben 28 wiyd ver~ wendet, um die Impedanzen zur richtigen Übertragung auf den Verbraucher bei der LSA-Grundbetriebsfrequenz anzupassen. Gemäß Pig. 6 weist die Iria eine Höhe h zwischen der Diode 25 sowie Punkten P₁ Sowie Pp auf, und zwar jeweils in einem Abstand/,/6 von der Diode, wobeiXdie Wellenlänge der Grundfrequenz ist. Die Irishöhe von den Punkten P*, Ppzu den benachbarten vertikalen Iriswandungen 26, 29 beträgt jeweils h/3. Gemäß Pig. 7 beträgt die Dioke der Iris X/6,

Es kann gezeigt werden, daß die beschriebene Irisausbildung eine Grundschwingungs-Betriebsart der Frequenz f und Wellenlänge X* , eine Schwingungsbetriebsart bei der zweiten Harmonischen eowie einer Frequenz 2f und eine Schwingungsbetriebsart bei der dritten Harmonischen sowie einer Frequenz 3f ermöglicht. Die elektrische Peldverteilung für die Grundschwingungs-Betriebsart ergibt sich aus der Kurve 30 von Pig. 7, diejenige für die zweite Harmonische durch die Kurve 31 und diejenige für die dritte Harmonische durch die Kurve 32. Die Irisdicke von χ /6 ist geeignet zur Herstellung einer Resonanz einer dritten Harmonischen in Reihe mit der Diode. Die Irislänge sowie die Impedenzänderung an den Punkten P entspricht einer Herstellung der Irallelresonanzen bei der Grundfrequenz sowie der zweiten harmonischen Frequenz.

Um eine Parallelresonanz bei der Grundfrequenz sowie d«r zweiten Harmonisohen und eine Serienresonanz bei der dritten Harmonischen zu erreichen, sollten folgende Bedingungen erfüllt werden: Die Diode sollte bei einem elektrischen Feldmaximum der Grundfrequenz-Betriebsart und bei einem elektrischen Feldmaximum aller Betriebsarten angeordnet eein, die ©ine Resonanz bei der zweiten Harmonischen aufweisen. Typischerweise wird mehr als

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eine'Betriebsart bei der zweiten Harmonischen bewirkt. Die Diode sollte bei einem magnetischen Feldmaximum einer Betriebsari; angeordnet sein, die eine Resonanz bei der dritten Harmonischen aufweist. Die elektrische Feldverteilung gemäß den Darstellungen nach Fig. 7 zeigt, daß diese Kriterien erfüllt sind, TJm die Er» fordernisse hinsichtlich des Widerstandes gemäß der Ungleichung (6) zu erfüllen, sollte die Iris in allen Betriebsarten mit Aus»*■■' nähme der örundbetriebsart leicht geladen sein.

Ein genaueres äquivalentes Schaltbild ergibt sich aus Fig. 8, wc— ,bei ein Kasten 24' die verschiedenen Resonanzkreise innerhalb der Iris 24 nach Fig. 6 darstellt. Die E-H-Abstimmeinheit 2? nach Fig. 5 entspracht einem Bandpaßfilter 27' nach Fig. 8, welches lediglich die (xrundfrequenz f zu einem Verbraucher 23' durchläßt« Der Verbraucher 23* entspricht wiederum dem Äquivalent des Widerstandes R^ von Fig. 3. Das Fehlen eines ParÄllelwiderstandes Rg sowie eines Reihenwiderstandes R, ist äquivalent einem unbegrenzt hohen Widerstand Rrt nach Fig. 3 und einem unbegrenzt niedrigen Widerstand R^, Die Abstufung der Höhe der Iris, an den Punkten P-, Pp nach Fig. 6 stellt lediglich ein Beispiel einer Einrichtung zur Änderung der ÜbertragungBleitüngs-Impedanz an desen Punkten dar. Es kann gezeigt werden^ daß zur Schaffung der beiden Sehwingungsbetriebsarten. gemäß den Kurven 30, 31 lediglich die Botwendigkeit besteht, daß die Irisimpedanz zwischen der Diode und den Punkten P-, Pp gleich der dreifachen Impedanz zwischen den Punkten P-, Ppund den benaohbarten vertikalen Iriswandungen 26, 29 ist. Dies bedeutet, daß die Impedanz zwischen der Diode 25 sowie dem Punkt Pp dem Wert Z entspricht und diejenigen zwischen den Punkten P« sowie der Wandung 29 dem Wert Z/3.

Auf Wunsch kann die Iris nach Fig. 4 durch eine Iris von kon-'^; stanter physikalischer Höhe h ersetzt werden, wenn andere Mittel verwendet v/erden, um die Ir ie impedanz zu ändern. Beispielsweise kann die Impedanz der Iris geändert Werden, indem die. Iris zwischen dem Punkt P- sowie der Wandung 26 und zwischen dem

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Punkt P₉ sowie der Wandung 29 eingesetzt wird, und zwar mit einein Material von einer Dielektrizitätekonstanten, welche der neunfachen Dielektrizitätskonstanten zwischen den Punkten P^, Pp entspricht» Da die charakteristische Übergangsleitungs-Impedanz sich wie die Quadratwurzel der Dielektrizitätskonstante ändert, wäre die Irisimpedanz; zwischen der Diode sowie dem Punkt Pp gleich Z, während die Impedanz zwischen dem Punkt P« sowie der vertikalen Wandung 29 dem Wert Z/3 entspräche, Es versteht sich, daß die Irlsübertragungsleitungs-Impedanz bestimmt wird, indem die Iris als eine Übertragungsleitung zwischen der Diode sowie irgendeiner dex¹ vertikalen Iriswandungen betrachtet wird«

ZiJ.sammenfas.send wurde gezeigt, daß der Wirkungsgrad eines LSÄ~ OoEillators wesentlich verbessert v/erden kann, indem eine zweite harmonische Komponente zu der Diodenspannung und eine dritte harmoniBche Komponente zu dem Diodenstrom zugefügt werden« Dies wird am beaten erreicht;, indem mit der Diode ein Parallelechwingl-jeis gekoppelt wird,dessen Resonanz bei der zweiten harmoni-Bcliüii Prequens liegt_f sowie mit einem Serienschwingkreis, dessen Resonanz boi der dritten harmonischen Frequenz liegt, Eb wurde οjiie Mikrowellenschnltung beschrieben, bei welcher die LSA-Diodo symmetrisch in einer Hohlraumresonator-Iris angeordnet int« DIo Dicke der Iris ist gleich X /6_f so daß sich ein An— siiUg zu der dritten harmonischen !Resonanzfrequenz ergibt, wäh-

;.nd dif; Übertragungaleitungs-Impedanz der Iris üb er gangs los von u zu a/5 swisehen der Diode und den gegenüberliegenden vertikalen Iriswandungen geändert wird, um Resonanzen bei der Grundfrequenz sowie der zweiten harmonischen Frequenz zu erzielen«

Der Wirkungsgrad eines LSA-Oszillators wird demnach gesteigert, indem eine zweite harmonische Komponente zu der Spannung an der Diode sowie eine dritte harmonische Komponente zu dem Diodenstrom hinzugefügt werden, vorzugsweise durch Hinzufügung eines äußerem Pnrallo'l i^hwingkreises, dessen Resonanz bei der zweiten liariuoniκιJien Pi'e^uonp; liegt, sowie eines Serieuöchwingkreispn,. donfsoii RefHHianK bed der dritten harmonischen Prequenn liegt. In

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einer Mikrowellenschaltungsanordnung ist die LSA-Diode in einer entsprechend gestalteten Hohlraumresonatoriris angeordnet.

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Claims (1)

1. Ansprüche

   1,) Oszillator mit einer Masseneffekt-Halbleiterdiode, welche mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, einem Ladewiderstand sowie einem Parallelschwingkreis mit einer Resonanzfrequenz JT, dessen Parameter im Sinne der Anregung von Schwingungen in der Diode in der begrenzten RaumladungS-Ansammlungs-Betriebsart bei einer Frequenz f ausgelegt sind, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein zusätzlicher Schwingkreis (15) mit der Diode gekoppelt iet, dessen Resonanzfrequenz in harmonischer Zuordnung zu der ersterwähnten Resonanzfrequenz!; f steht.

   2, Oszillator nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zweiten Parallelsehwingkreia (15), welcher mit der Diode gekoppelt ist und eine Resonanzfrequenz 2f aufweist.

   3. Oszillator nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Serienschwingkreis (16), welcher mit der Diode gekoppelt ist und bei einer Frequenz 3f schwingt.

   4* Oszillator nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Parallelsehwingkreis Bauelemente zur Zufügung einer wesentlich hohen zweiten harmonischen Komponente zu der Spannung an der Diode darstellt.

   5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Serienschwingkreis zur Zufügung einer wesentlichen hohen dritten harmonischen Komponente zu dem durch die Diode fliessenden Strom ausgebildet ist.

   6, Oszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Parallelsehwingkreis vermöge entsprechender Ausbildung zur Zufügung einer geringfügigen zweiten harmonisohen Komponente ziu dem durch die Diode fließenden Strom ausgebildet i3t.

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   7. Oszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Serienschwingkreis vermöge entsprechender Auslegung zur Zufügung einer unbedeutenden dritten harmonischen Komponente zu der an der Diode liegenden Spannung ausgebildet ist,

   8. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet _f daß die Diode (25) in einer Hohlraumresonator-Iris (24) angebracht ist, welche den ersten, zweiten und dritten Schwingkreis bildet.

   9. Oszillator nach Anspruch O, dadurch -gekennzeichnet-, daß die Iris auf Schwingfeüetriebsarten bei der Grundfrequenz■ f, der zweiten harmonischen !Frequenz 2f sowie der dritten harmonischen Frequenz 3f ausgebildet ist und daß die Diode zwischen gegenüberliegenden Wandungen -der Iris ^n einer Stelle angebracht ist, die einem elektrischen Feldmaximum der Grrundfre<quenz-Schwingungsbetriä)Bart (30)"_p einem■'■ elektrischen 'PeId-.' maximum der zweiten harmonischen Betriebsart (31) sowie einqm magnetischen Peldmaximum der-.dritton harmonischen Betriebsart (32)' entspricht, .

   10« Oszillator nach Anspruch.'9, dadurch gekennzeichnet> daß die Diode mit gegenüberliegenden horizontalen iriswandungen verbunden und im wesentlichen in der Mitte zwischen gegenüberliegenden vertikalen Iriswandungen (26, 2g) angeordnet ist^ wobei sich die Übertragungsleitungs-Impedanz der Iris an zwei Stellen (P₁, Pp) ändert., von denen jede im wesentlichen auf halbem Weg zwischen der Diode sowie einer vertikalen Iriswandurig liegt, und daß die Übertragungsleitungs-Impedanz der Iris zwischen jedem Punkt (P-, Pg) sowie der Diode im wesentlichen der dreifachen Übertragungsleitungs-Impedanz der Iris zwischen jedem Punkt '.('P--, Pp) sowie der benachbarten vertikalen Iriswandung entspricht«

   1T. Oszillator nach Anspruch 10, dadurch gokennzGichnet, daß rier Abatnnd zw loch on der Diofle oov/ie jeder vertikalen ir-iMW^M

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   : fj(j^fj8:U' / 1 2 07 ;

   im wesentlichen einem Drittel der Wellenlänge bei der Frequenz f und der Abstand zwischen der Diode sowie jedem Punkt (P) im wesentlichen einem Sechstel der Wellenlänge bei der Frequenz f entsprechen.

   12» Oszillator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Iris (25 in Fig.' 7) im wesentlichen einem Sechstel der Wellenlänge bei der G-rundfrequenz f entspricht und die Diode symmetrisch innerhalb der Iris angebracht ist.

   13» Oszillator nach Anspruch 12* dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Iris zwischen den Stellen (P.. und Pp) sowie den benachbarten vertikalen Iriswandungen im wesentlichen einem Drittel der Höhe (h) der Iris zwischen den Stellen (P^ und Pp) sowie der Diode entspricht.

   14» Oszillator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Schwingkreise zur Übertragung eines elektrischen Feldes auf die Diode ausgebildet sind, das zwischen Werten wechselt, welche den differentiellen Widerstand des Wafers positiv machen, und Werten, welche den differentiellen Widerstand negativ machen, wobei das elektrische Feld derart wechselt, daß sich keine Raumladung ansammelt und eine übermäßige Verzerrung des inneren elektrischen Feldes hervorruft.

   15. Oszillator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dafl der erste Schwingkreis, der zweite Schwingkreis sowie der Serienschwingkreis dem Diodenstrom der Frequenz f einen Widerstand R.-Jazw... dem Diodenatrom der JF.reguenz.2f einen -D₀ DgW. üem 1 Diodenslrom aer Frequenz 5Ϊ einen AuBenwiderstand aütsenwiaerstanüVE., darbieten, wobei der Widerstand K₂ größer als der Widerstand R. und der Widerstand R, kleiner als dor Widerstand R. sind.

   16. Oszillator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand E." folgender Bedingung genügt:

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   R₁ > ~* I μ₂ j e A,

   wobei 1 die Länge der Diode, η die Trägerkonzentration der Diode, ja« die durchschnittliche negative Ladungsbeweglichkeit der Diode, e die Ladung an dom Majoritätsträger und A den Querschnitt'sbereich der Diode in einer Querrichtung zu dsm Waferstrom bedeuten.

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