DE2059445C2 - Hochfrequenzoszillator mit einer Halbleiter-Grenzschichtdiode - Google Patents
Hochfrequenzoszillator mit einer Halbleiter-GrenzschichtdiodeInfo
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Description
25
Die Erfindung bezieht sich ajjf einen Hochfrequenzoszillator
der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Art Ein derartiger Hochfrequenzoszillator
ist aus der GB-PS 11 23 389 und der Zeitschrift »Proceedings
of the IEEE«, Bd. 57, Nr. 11, Nov. 1969, Seiten 2088 und 2089 bikannt
Zur Erzeugung von Mikrowellen ist es bekannt (US-PS 28 99 652), eine aus mehreren Zonen aufgebaute Lawinendurchbruchsdiode
mit negativem dynamischen Widerstand in einer geeigneten Resonanzschaltung anzuordnen.
Durch periodische Vorspannung des pn-Übergangs der Diode bis zum Lawinendurchbruch mittels
einer von außen angelegten Gleichspannung lassen sich Stromimpulse erzeugen, welche innerhalb einer bestimmten
Laufzeit einen Driftbereich innerhalb der Diode durchlaufen. Diese Laufzeit ist gegenüber der Resonanzfrequenz
der Resonanzschaltung so eingestellt, daß die HF-Spannungen an den Diodenanschlüssen ungleichphasig
zu den Stromimpulsen innerhalb der Diode sind. Bei einer geeignet eingestellten Phasenverschiebung
steigt der Strom bei sinkender HF-Spannung, wodurch sich ein negativer dynamischer Widerstand ergibt.
Dieser negative Widerstandseffekt bedeutet, daß ein Teil der der Diode zugeführten Gleichstromenergie in
HF-Energie umgewandelt wird, wodurch die Diode mit der Resonanzschaltung einen Festkörper-Mikrowellenoszillator
darstellt.
Unabhängig von der jeweiligen Schwingungsart derartiger, als IMPATT-Dioden bezeichneter Lawinendurchbruchsdioden
für Mikrowellenoszillatoren ist deren Ausgangs-HF-Leistung im Dauerbetrieb hauptsächlich
durch die erzeugte Wärme begrenzt. Soll die Betriebsfrequenz des Oszillators erhöht werden, muß der
Durchmesser des Halbleiter-Grundkörpers der Diode notwendigerweise kleiner werden, wodurch der Grundkörper
wärmeempfindlicher wird und somit die HF-Leistung geringer wird.
Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr aus dem HaIbleiter-Grundkörper
einer IMPATT-Diode ist es bereits bekannt (GB-PS 1123 389 und »Proceedings of the
IEEE«, Bd. 57, Nr. 11, Nov. 1969, S. 2088 und 2089), an
einen der beiden Metallkontakte auF der Vorder- und Rückseite des Halbleiter-Grundkörpers eine Wärmesenke
aus Kupfer anzulöten. Bei diesen bekannten Dioden bildet der Metallkontakt auf der Vorderseite des
Halbleiter-Grundkörpers einen in Sperrichtung bis zum Lawinendurchbruch vorgespannten Schottky-Sperrschichtkontakt
während der Metallkontakt auf der Rückseite des Halbleiter-Grundkörpers einen in Durchlaßrichtung
vorgespannten ohmschen Kontakt bildet Die Wärmesenke ist bei der aus der GB-PS 11 23 389
bekannten IMPATT-Diode auf der Grundköt per-Rückseite am ohmschen Kontakt angebracht was jedoch ungünstig
ist da der relativ stark dotierte, inaktive Halbleiterbereich eines ohmschen Kontaktes eine schlechte
Wärmeleitung besitzt und daher ein Hindernis für eine wirksame Wärmeübertragung von dem aktiven Halbleiterbereich
der Diode zu der Wärmesenke darstellt Aus diesem Grund ist bei der aus »Proceedings of the
IEEE« bekannten IMPATT-Diode die Wärmesenke auf der Grundkörper-Vorderseite an dem Sch&ttky-Sperrschichtkontakt
angebracht bei dem der relativ stark dotierte Halbleiterbereich eines ohmschen Kontaktes
durch gut wärmeleitendes Material ersetzt ist welches unmittelbar an den relativ schwach dotierten, aktiven
Halbleiterbereich des Halbleiter-Grundkörpers angrenzt Die Wärmeübertragung von dem aktiven Halbleiterbereich
über den Schottky-Sperrschichtkontakt zu der Wärmesenke ist damit deutlich beser als über einen
ohmschen Kontaki. Der auf der Rückseite des Grundkörpers der zuletzt erwähnten Diode nach wie vor vorhandene
ohmsche Kontakt führt wegen seiner schlechten Wärmeleitung dazu, daß die als Wärme anfallende
H F-Verlustleistung im wesentlichen über den Schottky-Sperrschichtkontaki
und die Wärmesenke abgeführt wird. Die HF-Leistung der aus »Proceedings of the IEEE« bekannten Diode wird damit im wesentlichen
von der Wärmetransportkapazität des Schottky-Sperrschichtkontaktes bestimmt und begrenzt
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, bei einem Hochfrequenzoszillator der eingangs
erwähnten Art eine weitere Verbesserung der Wärmeabfuhr
aus der Diode und damit eine noch höhere HF-Ausgangsleistung zu erzielen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Hochfrequenzoszillators nach Patentanspruch 1 ergibt sich aus dem Unteranspruch.
Bei dem erfindungsgemäßen Hochfrequenzoszillator ist der bei allen bekannten IMPATT-Dioden auf deren
Rückseite vorgesehene ohmsche Kontakt durch einen Schottky-Sperrschichtkontakt ersetzt so daß von beiden
Seiten des aktiven Halbleiterbereichs Wärme an die Umgebung bzw. an einen gegebenenfalls vorhandenen
Kühlkörper mit gutem Übertragungswirkungsgrad abgeführt werden kann. Hinzu kommt, daß der Halbleiter-Grundkörper
der erfindungsgemäß vorgesehenen Diode infolge der beiden Schottky-Sperrschichten keine
epitaktischen Schichten oder einen diffundierten bzw. tonenimplantierten pn-Übergang, sondern eine konstante
Leitfähigkeit aufweist Hierdurch lassen sich bestimmte Halbleiterwerkstoffe, wie z. B. Diamant, für den
Grundkörper verwenden, welche eine gegenüber Silicium wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen, jedoch
wegen ihrer fehlenden oder schlechten Dotierbarkeit für die bekannten, diffundierten Dioden nicht zur
Verfugung stehen. Damit weist die erfindungsgemäß vorgesehene IMPATT-Diode auch ohne Verwendung
eines Kühlkörpers eine im Vergleich zum Stand der Technik wesentlich bessere Wärmeabfuhr und damit eine
entsprechend erhöhte H F-Ausgangsleistung auf.
Die Verwendung zweier Schottky-Sperrschichtkontakte auf Vorder- und Rückseite des Halbleiter-Grundkörpers
ermöglicht ferner herstellungstechnische Vereinfachungen, da keine Einbringung von Dotierstoffen
in den Grundkörper erforderlich ist, wie dies zur Herstellung
der ohmschen Kontakte bei den eingangs erläuterten IMPATT-Dioden erforderlich ist
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt
F i g. 1 ein elektrisches Schaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzoszillators
mit einer einen negativen dynamischen Widerstand aufweisenden Lawinendurchbruchsdiode und
F i g. 2 einen Schnitt durch die Lawinendurchbruchsdiode nach Fig. 1.
Der in F i g. 1 dargestellte Hochfrequenzoszillator umfaßt eine Lawinendurchbruchsdiode 11 mit negativem
dynamischen Widerstand, die mit einer Induktivität 12, einer Kapazität 13, einer Battterie 14 sowie einem
Verbraucher 15 verbunden ist Die InduktiviUt 12 sowie die Kapazität 13 bilden zusammen eine Resonanzschaltung,
welche die Erzeugung einer dem Verbraucher 15 zuzuführenden Ausgangsfrequenz durch die Diode 11
ermöglicht Eine HF-Drossel 16 trennt die Batterie 14 von dem hochfrequenten Ausgangsstrom.
Die Diode 11 arbeitet im dargestellten Beispielsfall in der IMPATT-Schwingungsart. Dies bedeutet, daß eine
gleichrichtende Grenzschicht in der Diode durch die Batterie 14 in Sperrichtung bis zum Lawinendurchbruch
vorgespannt ist, wodurch ein Stromimpuls erzeugt wird, welcher innerhalb einer bestimmten Laufzeit einen
Halbleiterdriftbereich durchläuft Anschließend wird die Grenzschicht wiederum bis zum Lawinendurchbruch
vorgespannt, wodurch sich ein neuer Stromimpuls bildet und sich der Vorgang von selbst wiederholt.
Die Stromlaufzeit ist gegenüber der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung so gewählt, daß die HF-Spannungen
an den Diodenanschlüssen ungleichphasig zu den Stromimpulsen innerhalb der Diode sind. Hierdurch
ergibt sich ein negativer dynamischer Widerstand, wodurch Gleichstromenergie der Batterie 14 in HF-Energie
umgewandelt wird.
Wie aus F i g. 2 näher ersichtlich ist, besteht die Diode 11 aus einem blockförmigen Halbleiter-Grundkörper 18
und zwei Schottky-Sperrschichtkontakten 19,20. Durch die Schottky-Sperrschichtkontakte 19, 20 ergeben sich
gleichrichtende Grenzschichten 21, 22 mit dem Grundkörper 18. Bei der Schalung nach F i g. 1 ist der Grundkörper
18 η-leitend, wobei die Batterie 14 die Grenzschicht 2ΐ in Sperrichtung und die Grenzschicht 22 in
Durchlaßrichtung vorspannt. Die Vorspannung in Sperrrichtung ist ausreichend groß, um einen periodischen
Lawinendurchbruch und einen daraus resultierenden negativen dynamischen Widerstand gemäß den vorangehenden
Ausführungen zu erzielen. Der gesamte Grundkörper 18 stellt den aktiven Driftbereich der Diode
dar, wobei die Stromimpulse von dem in Sperrichtung vorgespannten Kontakt 19 zu dem in Durchlaßrichtung
vorgespannten Kontakt 20 verlaufen.
Der Hauptvorteil der Diodenstruktur nach Fig.2
Der Hauptvorteil der Diodenstruktur nach Fig.2
ίο liegt darin, daß der Grundkörper 18 ein blockförmiger
Halbleiter von konstanter Leitfähigkeit ist Da in dem Grundkorper 18 kein PN-Übergang erforderlich ist
können bisher nicht einsetzbare Halbleiter, wie beispielsweise Diamant und Kadmiumsulfid, verwendet
werden. Auch ergeben sich herstellungstechnische Vorteile bezüglich der Dickenkontrolle und der Kontrolle
der Verunreinigungsdichte des Grundkörpers.
Die Bildung der Schottky-Sperrschichtkontakte 19, 20 erfolgt auf an sich bekannte Weise. Der Grundkörper
18 kann aus bekannten Halbleiterwerkstoffen, wie beispielsweise Silizium, Germanium crler Galliumarsenid
bestehen. Die Kontakte !9,20 können aus einer Anzahl
geeigneter Werkstoffe bestehen und sollten möglichst gleichförmig und ohne Gitterfehlstellen sein. Der Kontakt
20 stellt für den Diodenstrom keinen großen Serienwiderstand
dar und verschlechtert daher den Wirkungsgrad nicht wesentlich. Der H F-Widerstand ist gering,
da die Kapazität pro Flächeneinheit einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Schottky-Sperrschicht
bekanntlich groß ist und den. Grenzschichtwiderstand fast vollständig kurzschließt Der Gleichstromwiderstand
ist ebenfalls gering, da die Gleichspannung an einer in Durchlaßrichtung vorgespannten Schottky-Sperrschicht
bekanntlich gering ist Wie vorstehend bereits erwähnt ist, kann die Diode 11 auch in anderen
Schaltungen als nach F i g. 1 verwendet werden und ist besonders gut zur Verwendung in einer TRAPATT-Oszillatorschaltung
geeignet.
Eine typische η-leitende Siliziumdiode mit S?hottky-Sperrschichtkontakten
aus Platinsilizid kann mit folgenden Parametern hergestellt werden:
Grundkörperdicke
Kontaktdurchmesser
Grundkörperdotierungskonzentration
Kontaktdurchmesser
Grundkörperdotierungskonzentration
Betriebsfrequenz
7 μπι
250 μιη
250 μιη
3 χ ΙΟ15
crm
crm
9GHz.
Träger/
Als Grundkörpermaterial kann unter anderem auch Siliziumkarbid verwendet werden, welches in günstiger
Weise eine hohe Wärmeleitfähigkeit und andere vorteilhafte Parameter aufweist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (2)
1. Hochfrequenzoszillator mit einer Halbleiter-Grenzschichtdiode, welche zusammen mit einem
Resonator und einer Vorspannschaltung in einer Oszillatorschaltung angeordnet ist, wobei der Grundkörper
der Halbleiter-Grenzschichtdiode einen Driftbereich bildet und zwischen zwei Metallkontakten
angebracht ist von denen der eine Kontakt auf der Vorderseite des Halbleiter-Grundkörpers
ein in Sperrichtung bis zum Lawinendurchbruch der Diode vorgespannter Schottky-Sperrschichtkontakt
ist, während der andere Kontakt auf der Rückseite des Halbleiter-Grundkörpers in Durchlaßrichtung
vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, daß auch der Kontakt auf der Rückseite des Halbleiter-Grundkörpers
(18) durch einen Schottky-Sperrschichtkontakt (20) gebildet ist
2. Hochfrequenzoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Halbleiter-Grundkörper(lo)
aus Diamant besteht
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| D2 | Grant after examination | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition |