DE2059445A1 - Hochfrequenzoszillator mit einer Halbleiter-Grenzflaechendiode - Google Patents

Description

l'iuomanwatt . ;

Dipl.-lng. Walter JackJsdf» 4 059445

7 Stuttgart N, Menzelstraße 40

-1. Dez, 1970

Western Electric Company Inc.

195 Broadway

New York, N.Y. 10007 / TJSA 32 009

Grenzflächendiode

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenzoszillator mit einer Halbleiter-Grenzflächendiode, Bauelementen zur Umkehrvorspannung der Diode auf einen lawinendurchbruoh und Bauelementen zur Bildung eines Halbleiter-StromÜbergangsbereiches, wobei die Diode in einer Oszillatorschaltung angeordnet ist, die bei einer Frequenz schwingt, welche in Zuordnung zu der Übergangszeit des Übergangsbereiches steht.

Die USA-Patentschrift 2 899 652 (Erfinder: Read) beschreibt, wie eine Vielschicht-Lawinendurchbruchsdiode mit einem negativen Widerstand versehen werden kann und bei Anordnung in einer geeigneten Resonanzschaltung Mikrowellen erzeugt. Eine angelegte Gleichspannung spannt periodisch eine pn-Grenzfläche auf den Lawinendurchbruch vor, wobei Stromimpulse erzeugt werden, von denen jeder innerhalb einer bestimmten Zeitperiode quer zu einem Übergangsbereich verläuft. Diese Übergangszeit ist gegenüber der Resonanzfrequenz des äußeren Resonators so eingestellt, daß die HF-Spannungen an den Diodenanschlüssen sich außer Phase mit Stromimpulsen in der Diode befinden. Mit einer geeignet' eingestellten Phasenverschiebung steigt der Strom durch die Anschlüsse, wenn die Spannung an den Anschlüssen abnimmt, wobei

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auf diese Weise ein negativer Widerstand aufgebaut wird. Letztlich wird ein Teil der zu der Diode geführten Gleichstromenergie in dem Resonator in HP-Energie umgewandelt, so daß die Schaltung eine Pestkörper-Mikrowellenstromquelle darstellt.

Lawinendurchbruchsdioden für einen Mikrowellenoszillator, nunmehr als IMPATT-Diοden bekannt, sind in den Artikeln "The IMPATT Diode — A Solid State Microwave Generator", Bell Labs Record von K.D. Smith, Band 45, Mai 1967, Seite 144 und "Microwave Si Avalanche Diode with Nearly Abrupt Type Junction", von T. Misawa, IEEE-Transactions on Electron Devices, Band ED-H, September 1967, Seite 580 sowie ferner der USA-Patentschrift 3 270 293 beschrieben. Während die Read-Diode eine Vierschichteinrichtung ist, weist die neu entwickelte IMPATT-Diode typiacherweise drei Schichten in der Anordnung p+vn+ oder η+ϊρ+ auf. Die neueren IMPATT-Dioden besitzen normalerweise einen höheren Wirkungsgrad als die IMPATT-Dioden nach Read.

Es ist auch bekannt, wie sogar noch höhere Wirkungsgrade unter Verwendung einer IMPATT-Diode innerhalb eines Hohlraumresonators mit einer Resonanz bei der normalen IMPATT-Frequenz f. sowie einer hohen Q-Resonanz bei einer Ausgangsfrequenz f./n erzielt werden können, wobei η eine ganze Zahl ist. Diese Oszillatorbetriebsart ist als TRAPATT-Betriebsart bekannt, was eine Abkürzung für "Trapped Plasma Avalanche Triggered Transit" darstellt.

Unbeschadet der Betriebsart ist die Auegangsschvingungaleistung der Lawinendurchbruchsdiode im Dauerbetrieb hauptsächlich durch die erzeugte Wärme begrenzt. Wenn die Betriebsfrequenz gesteigert wird, muß der Waferdurchmesser unvermeidlich abnehmen, wobei der Wafer für Wärme empfindlich und die Leistung reduziert werden. Der Wirkungsgrad ergibt sich ebenfalls alB Hauptkriterium, wobei zur Reduzierung des Serienwiderstandea die Kontakte der Diode unvermeidlich Ohm'ache Kontakte werden. Um einen Ohm'sehen oder nicht gleichrichtenden Kontakt herzu-

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stellen, ist es allgemein erforderlich, einenhohe Leitfähigkeit aufweisenden Halbleiter in einem Übergangsbereich zwischen dem MetalIkontakt sowie dem unteren leitenden aktiven Bereich der Diode zu verwenden.

Zur Beseitigung der vorangehenden Schwierigkeiten umfaßt eine erfindungsgemäße Mode einen Wafer aus Halbleitermaterial zwischen einem ersten und zweiten Kontakt, wobei der erste und zweite Kontakt jeweils eine Schottky-Schranke mit dem Halbleiterwafer bilden.

Is wurde gefunden, daß eine negptiven Widerstand aufweisende Lawinendurchbruchsdiode hergestellt werden kann, indem lediglich Schottky-Schrankenkontakte auf entgegengesetzte Seiten eines Block-Halbleiterwafers von konstanter homogener Leitfähigkeit aufgesetzt werden. Bekanntlich ist ein Schottky-Schrankenkontakt ein von einem Metall zu einem Halbleiter verlaufender Kontakt, welcher eine gleichrichtende Schranke oder Grenzfläche bildet, im Gegensatz zu einem Ohm'sehen oder nicht gleichrichtenden Kontakt. Die erfindungsgemäße Diode arbeitet in der gleichen Weise wie bekannte Lawinendurchbruchsdioden, mit der Ausnahme, daß der gesamte Halbleiterwafer zwischen entgegengesetzten Metallkontakten den aktiven Bereich oder Stromübergangsbereich darstellt. Die Diode wird mit im wesentlichen der gleichen äußeren Schaltung verwendet, wie dies für Dioden nach dem Stand der Technik zutrifft.

Die Gleichstromvorspannung über die erfindungsgemäße Schottky-Schranken-Lawinendurchbruchsdiode bewirkt eine Rückwärtsvorspannung einer der Schottky-Schrankengrenzflachen, welche als vorderer Kontakt bekannt ist* und spannt die andere nach vor-•wärts vor, welche den rückwärtigen Kontakt darstellt. Der vordere Kontakt ist über den Lawinendurchbruch nach rückwärts vorgespannt; gemäß der vorangehenden Beschreibung wird ein Stromimpuls gebildet, welcher quer zu dem WaferÜbergangsbereich innerhalb einer bestimmten Zeitperiode verläuft. Der rückwärtige Kontakt ist, wie sich versteht_s ein Gleichrichter und nicht ein

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Ohm¹scher Kontakt, jedoch zeigte sich im Versuch und in der Theorie, daß dies den Serienwiderstand der Diode nicht wesentlich steigert. Somit ist der Wirkungsgrad der Einrichtung mit demjenigen bekannter Lawinendurchbruchsdioden von negativem Widerstand vergleichbar. Die Untersuchungen zeigten auch, daß die erfindungsgemäße Diode in verschiedenen Schaltungen verwendet werden kann, um eine Anzahl gewünschter Betriebsarten zu erreichen, beispielsweise als TRAPATT-Betriebsart, wie sich dies für einen Fachmann ohne weiteres ergibt.

Der Hauptvorteil des erfindungsgemäßen Diodenaufbaues liegt darin, daß die Verwendung von Blockhalbleitern konstanter Leitfähigkeit ermöglicht wird, anstatt daß epitaxiale Schichten oder diffundierte oder ionenimplantierte PlJ-Grenzflächen erforderlich sind. Dies ermöglicht in idealer Weise die Verwendung von Halbleitern, beispielsweise Diamant, welche eine günstig hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, in denen jedoch PN-Grenzflachen nicht leicht gebildet werden können. Auch erzielt man offensichtlich Vorteile hinsichtlich günstiger Herstellung und Steuerung sowohl der Dicke als auch der Verunreinigungsdichte des Wafers, Ferner kann Wärme von beiden Seiten des aktiven Halbleiterbereiches abgeführt werden, wobei der Wärmeweg zu beiden Metallkontakten auf ein Minimum reduziert wird.

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

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Oszillatorschaltung mit einer einen negativen Widerstand aufweisenden Lawinendurchbruchsdiode in Schaltbilddarstellung,

Fig. 2 die den negativen Widerstand aufweisende Lawinendurchbruchsdiode von Fig. 1 im Schnitt.

Gemäß Fig. 1 weist eine Oszillatorschaltung eine Lawinendurchbruchsdiode 11 mit negativem Widerstand auf, die mit einer In-

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duktivität 12, einer Kapazität 13, einer Batterie 14 Bowie einem Verbraucher 15 verbunden ist. Die Induktivität 12 sowie die Kapazität 13 bilden zusammen eine Resonanzschaltung, welche die Erzeugung einer dem Verbraucher? 15 zuzuführenden Ausgangsfrequenz durch die Diode 11 ermöglicht. Eine HP-Drossel 16 isoliert die Batterie von dem hochfrequenten Ausgangsstrom.

Die Diode 11 arbeitet als IMPATT-Diode. Dies bedeutet, daß eine gleichrichtende Grenzfläche in der Diode in Umkehrrichtung durch die Batterie 14 im Sinne eines Lawinendurchbruchs vorgespannt ist, wobei auf diese Weise ein Stromimpuls erzeugt wird, welcher innerhalb einer bestimmten Zeitperiode quer zu einem Halbleiter-Übergangs bereich verläuft. Nachdem der Stromimpuls seinen Übergang vollendet hat, wird die Grenzfläche wiederum auf Lawinendur chbruch vorgespannt, ein anderer Stromimpuls wird gebildet, und der Vorgang wiederholt sich von selbst. Die Übergangszeit ist gegenüber der Resonanzfrequenz des äußeren Resonators so gewählt, daß die HP-Spannungen an den Diodenanschlüssen sich außer Phase mit den StromimpulBen in der Diode befinden. Dies ermöglicht die Erzielung eines negativen Widerstandes, so daß Gleichstromenergie von der Batterie in HP-Energie umgewandelt werden kann, wie dies in jedem Oszillator erforderlich ist.

Gemäß Pig. 2 umfaßt die Diode 11 einen Wafer 18 aus einem Halbleiterblock und zwei Schottky-Schranken-Kontakte 19» 20. Da die Kontakte als Schottky-Schranken-Kontakte ausgebildet sind, ergeben diese gleichrichtende Grenzflächen 21, 22 mit dem Wafer. Bei einer Schaltung nach Pig. 1 ist der Wafer 18 n-leitend, und die Batterie 14 spannt die Grenzfläche 21 in Umkehrrichtung sowie die Grenzfläche 22 in Vorwärtsrichtung vor. Die Umkehrvorspannung reicht aus, um einen periodischen Lawinendurchbruch und einen daraus reaultierenden negativen Übergangszeit-Widerstand gemäß der vorangehenden Beschreibung zu schaffen. Der gesamte Wafer 18 stellt den aktiven Übergangsbereich der Diode dar, wobei Stromimpulse von dem vorderen Kontakt 19 zu dem rückwärtigen Kontakt 20 verlaufen,

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Der Hauptvorteil des Diodenaufbaus nach Fig. 2 liegt darin, daß der Wafer 18 ein Blockhalbleiter von konstanter Leitfähigkeit ist. Da keine pn-Grenzflache in dem Wafer erforderlich ist» ermöglicht die Erfindung die Verwendung neuer Halbleiter, beispielsweise Diamant und Kadmiumsulfid. Auch ergeben eich offensichtliche Vorteile hinsichtlich der Zweckmäßigkeit der Herstellung sowie der Steuerung sowohl der Dicke als auch der Verunreinigungsdichte des Wafers.

Die Art, in welcher die Schottky-Schranken-Kontakte 19, 20 an der Diode gebildet werden, liegt im normalen fachmännischen Können. Der Wafer kann aus bekannten Halbleiterstoffen bestehen, beispielsweise aus Silizium, Germanium oder Galliumarsenid 5 die Kontakte können aus einer Anzahl geeigneter Stoffe hergestellt sein, sollten, wie sich versteht, gleichförmig und nicht "leckend" sein und im übrigen einer guten fachmännischen Ausbildung entsprechen. Der rückwärtige Kontakt 20 bildet keinen großen Serienwiderstand mit dem Diodenstrom und verschlechtert nicht wesentlich den Wirkungsgrad. Der HF-Widerstand ist gering, weil die Kapazität pro Flächeneinheit einer vorwärts vorgespannten Schottky-Schranken-Grenzfläche groß ist und fast völlig den Grenzflächenwiderstand kurzschließt. Der Gleichstromwiderstand ist gering, weil die Gleichspannung an einer nach vorwärts vorgespannten Schottky-Schranken-Grenzfläche gering ist. Wie vorangehend erwähnt wurde, kann die erfindungsgemäße Diode in anderen Schaltungen als derjenigen nach Fig. 1 verwendet werden und ist besonders gut geeignet zur Verwendung in einer TRAPATT-Oszillatorschaltung.

Eine typische η-leitende Siliziumdiode mit Schottky-Schranken-Kontakten aus Platinsilizid kann mit folgenden Parametern hergestellt werden:

Waferdicke = 7 Mikron

Kontaktdurchmesser ^=" 250 Mikron Waferdotierungsniveau ^ 3 σ 10 Träger/am

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Betriebsfrequenz ^ 9GHz.

Siliziumkarbid als Wafermaterial verspricht ebenfalls Erfolg, weil es eine hohe Wärmeleitfähigkeit und andere günstige Parameter aufweist.

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Claims (4)

1. Ansprüche;

   Π. kochfrequenzoszillator mit einer Halbleiter-Grenzflächendiode, Bauelementen zur Umkehrvorspannung der Diode auf einen Lawinendurchbruch und Bauelementen zur Bildung eines Halbleiter-Stromübergangsbereiches, wobei die Diode in einer Oszillatorschaltung angeordnet ist, die bei einer Frequenz schwingt, welche in Zuordnung zu der Übergangszeit des Übergangsbereiches steht, gekennzeichnet durch einen die Diode bildenden Wafer (18 aus Halbleitermaterial zwischen einem ersten und zweiten Kontakt (19, 20)j wobei der erste und zweite Kontakt jeweils eine Schotitky-Schranke mit dem Halbleiterwafer bilden.
2. 2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (18) aus blockförmigem Halbleitermaterial von im wesentlichen konstanter Leitfähigkeit ohne pn-G-renzflächen besteht.
3. 3. Oszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (18) aus einem Material besteht, in welchem die Bildung einer pn-Grenzflache unmöglich ist.
4. 4. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wafer (18) aus Diamant hergestellt ist.

   1098?R/18/,