DE2059446A1

DE2059446A1 - Read-Dioden-Oszillatoranordnung

Info

Publication number: DE2059446A1
Application number: DE19702059446
Authority: DE
Inventors: Toshio Misawa
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1969-12-10
Filing date: 1970-12-03
Publication date: 1971-07-01
Also published as: FR2070794A1; SE361981B; DE2059446C2; FR2070794B1; CH527516A; IE34725B1; JPS4823715B1; IE34725L; GB1319796A; US3621466A; ES386672A1; NL7017828A; BE760007A

Description

7 Stuttgart N, M.:n.,e!straß_a 40 2059446

Western Electric Company Inc. " '· ^ίίΖ> 1970

195 Broadway

New Yoiis N. Y. 10007 / USA A 32 002

Read-Dioden-Oszillatoranordnung

Die Erfindung betrifft eine Read-Dioden-Oszillatüranordnung mit einem zwischen einem ersten und zweiten Kontakt enthaltenen und innerhalb eines Resonators angeordneten Halbleiter, welcher aufeinanderfolgend eine gleichrichtende Grenzfläche, einen verhältnismäfäg dünnen Lawinendurchbruchbereich von hoher Leitfähigkeit sowie einen verhältnismäßig dicken Übergangsbereich geringer Leitfähigkeit aufweist, wobei die Frequenz des Resonators in Zuordnung zu der Übergangszeit des Übergangsbereiches steht, Bauelementen zur in Umkehrrichtung erfolgenden Vorspannung der Grenzfläche zur Bewirkung eines zeitweiligen Lawinondurchbruchs dortseibst mit einer sich hieraus ergebenden Ausbildung einer Konzentration von Mehrheitsträgern, wobei die Mehrheitsträger durch die Umkehrvorspannungselemente zum Wandern durch den Übergangsbereich zu dem zweiten Kontakt veranlaßt werden, worauf daa elektrische Feld in der Diode erneut ausreichend wiederverteilt wird, um einen anderen Tjawinendurchbruch an der Grenzfläche hervorzurufen, wobei sich der vorangehende Vorgang wiederholt.

Die UfJA-Pa tentoehrift 2 899 652 von Read beschreibt, wie Vielschicht-Lawinendiodon hergontollt werden können, um einen negativen Widerntand darzubieton und bei Anordnung in einer geeigneten Resonanzschaltung Mikrowollonachwingungen erzeugen. Eine angeloßtc Gleichspannung «pnnnt eine pn-Gronzf Llicho im Ginno eines Ijnwimmdurchbruohoo vor, wobei ii t;romimpulse erzeugt worden, deren jodor quer υλχ olnom Übor^angfJboreich innerhalb einer vorgenchriobonem Zoitporiodrj verläuft. Di. en ο iiborgangoi'.ei t ntoht in Zuordnung y.u dor R nonarizfroqiumz (lon äußoron Hononatorn in dor

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Weise, daß Hochfrequenzspannungen an den Diodenanschlüssen sich außer Phase mit Stromimpulsen in der Diode befinden. Mit einer geeignet ausgelegten Phasenverschiebung steigt der Strom durch die Anschlüsse, wenn die Spannung an den Anschlüssen abnimmt, wobei auf diese Weise ein negativer Widerstand hergestellt wird. Schließlich wird ein Teil der zu der Diode geführten jleichstromenergie in dem Resonator in Hochfrequenaenergie umgewandelt, und die Schaltung stellt eine Pestkörper-Mikrowellenquelle dar.

Die Read-Diode gehört zu einer Klasse von Dioden, die nunmehr allgemein als IMPATT-Dioden bekannt sind (Abkürzung von "Impact Avalanche and Transit Time")« Die Read-Diode ist ein Vierschichtgebilde, beispielsweise ein (p+nin+)-Gebilde, bei dem die pn-Grenzfläehe zu der Lawine umgekehrt vorgespannt ist. Der η-Bereich ist gegenüber der i-Schicht dünn, so daß der Stromimpuls gut begrenzt ist, wie dies für einen hohen Wirkungsgrad günstig ist. Der beste Wirkungsgrad wird erzielt, wenn die Stromdichte in dem Stromimpuls hoch und der Strom um 180 außer Phase mit der äußeren Spannung ist. Das komplementäre Gebilde, ein (n+pip+)-Gebilde> arbeitet in der gleichen Weise.

Obgleich Read-Dioden in zufriedenstellender Weise betrieben wurden, erzeugten sie keine Mikrowellen mit dem in der vorangehend erwähnten Druckschrift vorausgesagten Wirkungsgrad. Es wurde gefunden, daß der Hauptgrund für diesen schlechten Wirkungsgrad die "Rückdiffusion" von Mehrheits trägern in dem Stromimpuls ist, welcher auftritt, bevor diese durch die eigentliche oder i-Schicht verlaufen i3t. Elektronen des Stromimpulses zeigen das Bestreben, quer zu der pn-Grenzfläche zu diffundieren und werden in der (pt) -Schicht eingeschlossen, wenn der Rest den Stromimpulsen durch den Übergangsbore ich übertragen wird. Diese eingfjnchloüsenen Träger diffundieren alndnnn quer zu dor pn-Gron:;fläch:; r-uriick und tx-diu·, ioron die Zeit für die Bildung dea folgenden StromimpuLnon. Pion unterbricht die Synchron in ie rung dor? Li tromImpulsen mit der äußerem Spannung,

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BAO ORIGINAL

Erfindungsgemäß sind nun Bauelemente zur Verhinderung der Ein-Schließung von Mehrhoitsträgern zwischen dem ersten Kontakt sowie der Grenzfläche vorgesehen^ wobei der Wirkungsgrad des Oszillators verbessert v/ird. Pei einem Ausführungsbeispiel ist eine p-leitende Schicht zwischen die (p+) -Schicht und die n-Schicht eingefügt, um ein (p+pnin+) -Gebilde zu erzielen. Die p-Schicht weist eine beachtlich niedrigere Leitfähigkeit als die (p+) -Schicht auf und muß notwendigerweise einem beachtlichen elektrischen Feld unterworfen werden, selbst wenn der Stromimpuls quer zu dem Übergangsbereich verläuft. Dieses elektrische Feld verhindert, daß Elektronen in der p-Schicht eingeschlossen v/erden und treibt diese stattdessen gegen den positiv vorgespannten Kontakt- Durch dickere Ausbildung der p-Schicht gegenüber der Diffusionslänge eines Mehrheitsträgers kann sichergestellt werden, daß die Diffusion zu der (p+) Schicht im wesentlichen ausgeschlossen wird.

Gemäß einem anderen Ausführungnbeispiel der Erfindung wird ein Schottky-Schrankenkontakt verwendet, um die Lawinengrenzfläche zu bilden. Dies bedeutet, daß die Diode eine metallische (nin+) Ausbildung aufweist. Die Diode wirkt in der gleichen Weise wie vorangehend beschrieben, wobei die Spannungsquelle die Schottky-Schrankengrenzfläche zwischen dem Metall sowie der η-Schicht in Umkehrrichtung vorspannt. Für die Schottky-Schranke ist es charakteristisch, daß die Elektronendiffusion von dem Metallkontakt quer zu der Grenzfläche im wesentlichen verhindert wird. Auch kann Metall nicht Elektronen einschließen, da es Elektronen frei leitet. Auf diese Weise steigert der metallische Schottky-Schrankenkontakt wesentlich den Wirkungsgrad der Diode nach der eingangs erwähnten Druckschrift, indem das vorangehend beschriebene Problem beseitigt wird.

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

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Diodenoszillatorschaltung nach Read gemäß dom Stand der Technik,

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Fig. 2 die elektrische Feldverteilung in der Read-Diode gemäß Fig. 1 in einem bestimmten Augenblick als Funktion des Ortes,

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß abgewandelten Read-Diode in schematiBcher Schnittdarstellung,

Fig. 4 die Feldverteilung der Diode nach Fig. 3 in einer Darstellung ähnlich Fig. 2,

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß abgewandelten Read-Diode in einer Darstellung ähnlich Fig. 3.

Die Oszillatorschaltung gemäß Fig. 1 umfaßt eine Read-Diode 11, eine Induktivität 12, eine Kapazität 13, eine Vorspannungsquelle 14 sowie einen Verbraucher 15. Die Read-Diode 11 umfaßt einen Wafer mit aufeinanderfolgenden Schichten 16, 17, 18_S 19 von (p+)-> (n)-, (i)- bzw. (n+)-Leitfähigkeit/ Die Diode befindet sich in einem Mikrowellenresonator, der schematisch durch die Induktivität 12 sowie die Kapazität 13 dargestellt ist. Die gleichrichtende pn-Grenzflache zwischen den Schichten 16, 17 ist durch die Spannungsquelle 14 in Umkehrrichtung vorgespannt. Die Oszillatorschaltung erzeugt Mikrowellenschwingungen, die zur Auswertung auf den Verbraucher 15 übertragen werden.

Die Kurve 21 von Fig. 2 zeigt die Verteilung der elektrischen Feldstärke als Funktion des Ortes bzw. Abstandes in der Read-Diode 11. Wenn die Umkehrvorspannung anfänglich angelegt ist₅ stellt sich das elektrische Feld an der pn-Grenzfläche zwischen den Schichten 16, 17 ausreichend hoch ein, um einen Lawinendurchbruch zu verursachen. Dies wiederum erzeugt eine Konzentration von Mehrheitsträgerelektronen in der Schicht 17, welche sich als Stromimpuls über die tatsächliche Schicht 18 auf den positiven Diodenkontakt fortpflanzt. Die Frequenz des äußeren Mikrowellenresonators ist gegenüber der Übergangszeit des Stromimpulses sowie der für dia Stromimpulsausbildung anzusetzenden Zeit so gewählt, daß der Strom in der Diode sich um 180° außer Phase gegenüber der äußeren Diodenspannung befindet j die durch

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den Resonator angelegt ^ird. Die n-Schieht 17 ist günstigerweise dünn gegenüber der i-Schicht 18, um eine scharfe Spitze des elektrischen Feldes an der Grenzfläche sowie einen scharf definierten Stromimpuls zu erzielen. Wenn sich der Stromimpuls über den Übergangsbereich fortpflanzt, welcher durch die tatsächliche Schicht 18 definiert ist, fällt daa elektrische PeId an der pn-G-renzflache unter den Lawinendurchbruchwert. Nachdem der Stromimpuls den positiven Kontakt erreicht hat, erreicht das elektrische Feld an der pn-Grenzfläche wiederum den Lawinendurchbruch, wobei ein anderer Stromimpuls gebildet wird; der Vorgang wiederholt sich auf diese Weise von selbst.

Die n-Schicht 17 ist dünn gegenüber dem Übergangsbereich hergestellt, der durch die Schicht 18 definiert ist, um einen beschränkten Lawinendurchbruch zu erzielen, wie dies in Fig. 2 angegeben ist, wobei sich hieraus ein begrenzter bzw. abgeschlossener Stromimpuls von hoher Stromdichte ergibt. Theoretisch ermöglicht dies eine Ausbildung der Diode im Hinblick auf dje Erzielung einer Phasenverschiebung um 180° zwischen dem Stromimpuls sowie der äußeren Spannung zum Zwecke der Erzielung eines maximalen negativen Widerstandes und Wirkungsgrades. Tatsächlich ist es bereits seit Jahren bekannt, daß das Gebilde nach Fig. 1 nicht in der Lage ist, eine Mikrowellen-Ausgangsgröße mit Wirkungsgraden zu erzeugen, welche diejenigen gemäß den Voraussagen der Theorie erreichen.

Es wurde gefunden_s daß sich dor niedrige Wirkungsgrad aus der Rückdiffusion von Elektronen in dem Stromimpuls ergibt. Jede hohe Stromdichtenkonzentration in einem Halbleiter zeigt das Bestreben, in beiden Richtungen von dem Mittelpunkt der Konzentration zu,, diffundieren. Bgi dor Einrichtung nach Fig. 1 ergibt sich, obgleich dan olelctriaohe Feld den Stromimpuls als eine Einheit go^on don ponitivon Kontakt anzieht, ein wesentlicher Di f funionnrjfcrom In Richtung des nogn t L /on Kontakten quer zu der pn-GronzfLache, Genriß ?\r.. 2 liegt im wesentlichen kein elektrischer) Pr-Ld in dor (ρ+) -,'!chicht 16 wegon flor hohen

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Leitfähigkeit dieser Schicht vor. Auf diese Weise werden Elektronen, welche in die Schicht 16 diffundieren können, dort eingeschlossen, weilsie nicht durch irgendein wesentliches elektrisches Feld beeinflußt werden.

Nachdem sich der Stromimpuls in die Schicht 18 gegen den positiven Kontakt bewegt hat, zeigen die Elektronen in der Schicht 16 das Bestreben, wiederum quer zu der pn-G-ronzflache zurück in die Schicht 17 zu diffundieren. Diese Elektronen reduzieren die erforderliche Zeit zur Ausbildung folgender Stromimpulse, 30 daß der Wirkungsgrad der Einrichtung reduziert wird.

Fig. 3 zeigt eine Diode 23 nach der Erfindung, welche in der Schaltung nach Fig. 1 verwendbar ist und Schichten 24, 25, 26, 27, 28 vom (p+)-> (p)-, (n)-., (i)- bzw. (n+) -leitenden Typ umfaßt. Die Diode unterscheidet sich von der Diode 11 im wesentlichen durch die Einfügung der p~leitenden Schicht 25 zwischen die (p+) -leitende Schicht 24 sowie die n-leitende Schicht 26. Die (p+) -leitende Schicht 24 ermöglicht einen guten Ohm'sehen Kontakt zu dem Wafer, während die (p) -leitende Schicht 25 die. Ausbildung einen wesentlichen elektrischen Feldes zwischen der (p+) -leitenden Schicht 24 sowie der pn-Grenzfläche der Schichten 25_s 26 sicherstellt.

Die Kurve 29 gemäß Fig. 4 zeigt Λα.3 in der Diode 23 zum Zeitpunkt den anfänglichen Lawinendurchbruches an der pn-Grenzfläche aufgebaute elektrische Feld. Wegen der verhältnismäßig niedrigen Leitfähigkeit der p-Schicht 25 verläuft das elektrische Feld durch die p-Sohicht, anstatt plötzlich an der pn-Grenzfläche gemäß B¹Ig. 2 abzufallen. Ein hochkonzentrierter Stromimpuls wird in der η-leitenden Schicht 26 ausgebildet; dot· Ete trieb der Diode entspricht im wesentL iohen demjenigen gemäß Fig. 1. Jedoch werden Elektronen, die <[uor :;u der pn-(irena f Lache in die Schicht 25 diffundiert, werdon, nicht eingeschlossen, weil πio untor dom Kirifiuß dos (-¹L > let,r:iriehen vorbleiben. Hierbei v/ordoti die l'loktnmon gegen den

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BAD ORIGINAL

positiven Kontakt unmittelbar angezogen und bewirken keine Störung bei der Ausbildung eines folgenden Stromimpulses. Auf diese Weise wird vor der Bildung deB darauffolgenden Lawinendurchbruches an der pn-G-renzfläche eine η-leitende Schicht 26 zu einem "ausgespülten" oder entleerten Bereich, welcher frei von Mehrheitsträgerelektronen ist> wie dies bei einer richtigen Ausbildung der Read-Diode zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades angenommen wird.

Die Diode 23 kann typischerweise durch epitaxiale oder diffundierte Schicht 24 - 27 gebildet sein, die auf einem Siliziumunterlagematerial 28 ausgebildet sind. Typische Abmessungen ergeben sich gemäß der folgenden Zusammenstellung:

Schicht 24 0,5 Mikron

» 25 0,4 "

» 26 0,6 »

" 27 4,0 "

» 28 50,0 »

Die Leitfähigkeit der Schichten in Trägern pro cm ergeben sich gemäß der folgenden Zusammenstellung:

Schicht 24
25
¹¹ 26 3 x 10

27 we

28 10

"25 6 χ 10¹⁶

Ι6

" 27 weniger als 10 ^J

\\ no «ι η¹— w

Komplementäre Siliziumdioden mit entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen können mit im wesentlichen gleichen Abmessungen und Trägerkonzentrationen gemäß den vorangehenden Angaben hergestellt werden. Dies bedeutet, daß die Diode in der Form n+npip+ aufgebaut ist. Die Diode kann auch aus anderen bekannten Halbleiterstoffen hergestellt sein, beispielsweise aus Germanium, und auch in verschiedenen anderen Formen abgewandelt werden, wie sich dies aus dem Stand der Technik ergibt.

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Ein anderes Gebilde zur Lösung dee Problems des Einschlusses von Trägern ergibt sich auB Pig. 5. Der Halbleiterwafer der Diode umfaßt Schichten 32, 33, 34 von (n)-, (i)- bzw. (n+) -Leitfähigkeit. Ein positiver Kontakt 35 ist der übliche Ohm'sche Kontakt, jedoch bildet ein Kontakt 36 eine Schottky-Schrenke mit der η-leitenden Schicht 32. Eine Grenzfläche 37 ist in Umkehrrichtung durch die äußere Spannung auf einen Lawinendurchbruch vorgespannt, und die Diode arbeitet in der gleichen Weise wie gemäß Pig. 1.

Eine Rückdiffusion von Elektronen an der Grenzfläche 37 tritt wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 auf _s mit der Ausnahme, daß der Metallkontakt 36 unfähig zum Einschluß der Elektronen ist. Dies bedeutet, daß freie Elektronen nicht das Atomgleichgewicht des Metalls beeinflussen; nachdem der Stromimpuls die Schicht 32 in seinem Übergang quer zu den Schichten 33, 34 verläßt, kann keine wesentliche Diffusion quer zu der Grenzfläche 37 als Ergebnis gespeicherter Elektronen in dem Metallkontakt 36 auftreten. Wenn somit die Schottky-Schranken^- grenzflache 37 mit einer minimalen "Lässigkeit" gut ausgebildet ist, kann die n-Schicht 32 im wesentlichen die Elektronen vor der Bildung des darauffolgenden Stromimpulses abgeben, und die Diode vermag mit hohem Wirkungsgrad zu arbeiten.

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Claims

An s pr ü c h

1.yRead-Dioden-Oszillatoranordnung mit einem zwischen einem ersten und zweiten Kontakt enthaltenen und innerhalb eines Resonators angeordneten Halbleiter, welcher aufeinanderfolgend eine gleichrichtende Grenzfläche, einen relativ* dünnen Lawinendurchbruchbereich von hoher Leitfähigkeit sowie einen verhältnismäßig dicken Übergangsbereich geringer Leitfähigkeit aufweist, wobei die Frequenz des Resonators in Zuordnung zu der Übergangszeit des Übergangsbereiches steht, Bauelementen zur in Umkehrrichtung erfolgenden Vorspannung der Grenzfläche zur Bewirkung eines zeitweiligen Lawinendurchbruchs dortselbst mit einer sich hieraus ergebenden Ausbildung einer Konzentration von Mehrheitsträgern, wobei die Mehrheitsträger durch die Umkehrvorspannungselemente zum Wandern durch den Übergangebereich zu dem zweiten Kontakt veranlaßt werden, worauf das elektrische Feld in der Diode erneut ausreichend wiederverteilt wird;, um einen anderen Lawinendurchbruch an der Grenzfläche hervorzurufen, wobei sich der vorangehende Vorgang wiederholt, gekennzeichnet durch Mittel (25) zur Verhinderung des Einschlusses von Mehrheitsträgern zwischen dem ersten Kontakt sowie der Grenzfläche, entsprechend einem verbesserten Wirkungsgrad des Oszillators.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Verhinderung eines Elektroneneinschlusses eine er3te HalbleiterDchicht (24) sowie eine zweite Halbleiterschicht (25) umfassen, welche zwischen dem ersten Kontakt sowie dem Lawinenbereich (26) enthalten ist, und daß die zweite Schicht (25) die gleichrichtende Grenzfläche mit dem Lawinenbereich bildet und eine wesentlich geringere Leitfähigkeit als die erste Halbleiterschicht aufweist, wobei ein wesentliches elektrisches Feld durch dio zweite Schicht verläuft, wenn die Diode rückwärts vorgespannt ist, so daß der Einschluß von Mehrheitsträgern in der zweiten Schicht verhindert wird.

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3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (25) dicker als die Diffusionslänge eines Mehrheitsträgers in dem Lawinenbereich (26) ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 - 3_S dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (36) zUr Verhinderung eines Einschlusses einen Metallkontakt von einer Schottky-Schrankengrenzfläche (37) mit dem Lawinenbereich (32) umfassen.

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