DE2059446C2

DE2059446C2 - Read-Dioden-Oszillatoranordnung

Info

Publication number: DE2059446C2
Application number: DE2059446A
Authority: DE
Inventors: Toshio New Providence N.J. Misawa
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1969-12-10
Filing date: 1970-12-03
Publication date: 1982-05-19
Also published as: FR2070794A1; SE361981B; FR2070794B1; CH527516A; IE34725B1; JPS4823715B1; IE34725L; GB1319796A; US3621466A; ES386672A1; NL7017828A; BE760007A; DE2059446A1

Description

Aus der US-PS 28 99 652 ist bereits eine Oszillatoranordnung zum Erzeugen von Mikrowellenschwingungen mit einer Read-Diode bekannt. Die Read-Diode wird an eine Gleichspannung gelegt, welche eine pn-Grenzfläehe im Sinne eines Lawinendurchbruches vorspannt. Dabei werden Stromimpulse erzeugt, die jeweils quer zu einem Übergangsbereich innerhalb einer vorgeschriebenen Zeitperiode verlaufen. Diese Übergangszeit steht derart in Zuordnung zu der Resonanzfrequenz des äußeren Resonators, daß sich Hochfrequenzspannungen an den Diodenanschlüssen außer Phase mit Stromimpulsen in der Diode befinden. Bei einer geeignet gewählten Phasenverschiebung steigt der über die Anschlüsse fließende Strom bei abnehmender Spannung an den Anschlüssen, so daß sich auf diese Weise ein negativer Widerstand ergibt. Ein Teil der der Diode zugeführten Gleichstronienergie wird in dem Resonator in Hochfrequenzenergie umgewandelt, womit die bekannte Anordnung eine Festkörper-Mikrowellenquelle darstellt.

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-Grenzfläche bezüglich des Lawinendurchbruchbereichs in Sperrichtung 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 im Stromimpuls hoch und der Strom gegenphasig zu der äußeren angelegten Spannung ist Das komplementäre (n + pip+)-Gebilde arbeitet in der gleichen Weise. Der Nachteil von Read-Dioden besteht jedoch in ihrem unzureichenden Wirkungsgrad bezüglich der Erzeugung von Mikrowellen.
is Der in den Ansprüchen 1 und 3 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Read-Dioden-Oszillatoranordnung der eingangs erwähnten Art einen höheren Wirkungsgrad zu erzielen. Eine bevorzugte Weiterbildung der Anordnung nach Anspruch 1 ergibt sich aus dem Anspruch 2.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß der Hauptgrund für diesen schlechten Wirkungsgrad die »Rückdiffusion« von Majoritätsträgern in dem Stromimpuls ist die auftritt bevor der Stromimpuls die eigenleitende i-Schicht passiert hat

Elektronen des Stromimpulses zeigen das Bestreben, quer zu der pn-Grenzfläche zu diffundieren und werden in der (p + )-Schicht eingefangen, wenn der Rest des Stroinimpulses durch den Übergangsbereich übertragen wird. Diese eingefangenen Träger diffundieren sodann quer zu der pn-Grenzfläche zurück und reduzieren die Zeit für die Bildung des folgenden Stromimpulses. Hierdurch wird die Synchronisierung des Stromimpulses mit der äußeren Spannung unterbrochen. Dementsprechend ist bei der Anordnung nach Anspruch 1 eine p-leitende Schicht zwischen die (p + )-Schicht und die η-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 derr. Übergangsbereich verläuft. Dieses elektrische Feld verhindert, daß Elektronen in der p-Schicht eingefangen werden und treibt diese statt dessen gegen

⁴^ den positiv vorgespannten Kontakt. Durch die gemäß Anspruch 2 vorgesehene dickere Ausbildung der p-Schicht gegenüber der Diffusionslänge eines Majoritätssträgers kann sichergestellt werden, daß die Diffusion zu der (p + )-Schicht im wesentlichen ausge-

■><· schlossen wird.

Bei der Anordnung nach Anspruch 3 wird dagegen ein Metall-Halbleiter-Übergang mit Schottkybarriere verwendet, um die Lawinengrenzfläche zu bilden. Dies bedeutet, daß die Diode eine metallische (nin + )-Ausbil·

" dung aufweist. Die Diode wirkt in der gleichen Weise wie vorangehend beschrieben, wobei die Spannungsquelle den Metall-Halbleiterübergang zwischen dem Metall und der η-Schicht in Sperrichtung vorspannt. Für die Schottkybarriere ist es charakteristisch, daß die Elektronendiffusion von dem Metallkontakt quer zu der Grenzfläche im wesentlichen verhindert wird. Auch ist Metall nicht in der Lage, Elektronen einzufangen, da es Elektronen frei leitet. Auf diese Weise erhöht der Metall-Halbleiter-Übergang wesentlicn den Wirkungs-

^b=> grad der Diode gegenüber der eingangs erwähnten bekannten Read-Diode.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Read-Dioden-Oszillatoranordnung nach dem Stand der Technik,

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

Fig.3 einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß abgewandelten Read-Diode,

F i g. 4 ein Diagramm ähnlich wie F i g. 2 für die Diode nach F iß 3, und

Fig.5 einen schematischen Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß abgewandelten Read-Diode.

Die bekannte Oszillatoranordnung gemäß F i g. 1 umfaßt eine Read-Diode 11, eine Induktivität 12, eine Kapazität 13, eine Vorspannungsquelle 14 sowie einen Verbraucher 15. Die Read-Diode 11 umfaßt eine Halbleiterscheibe mit aufeinanderfolgenden Schichten 16,17,18,19 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-Grenzfläche zwischen den Schichten 16,17 ist durch die Spannungsquelle 14 in Sperrichtung vorgespannt Die Oszillatorschaltung erzeugt Mikrowellenschwingungen, die zur Auswertung auf den Verbraucher 15 übertragen werden.

Die Kurve 21 von F i g. 2 zeigt die Verteilung der elektrischen Feldstärke als Funktion des Ortes bzw. Abstandes in der Read-Diode 11. Sobald die Vorspannung in Sperrichtung angelegt ist, stellt sich das elektrische Feld an der pn-Grenzfläche zwischen den Schichten 16, 17 ausreichend hoch ein, um einen Lawinendurchbruch hervorzurufen. Dies wiederum erzeugt eine Konzentration von Majoritätsträgerelektronen in der Schicht 17, welche sich als Stromimpuls über die eigenieitende i-Schicht 18 in Richtung auf den positiven Diodenkontakt fortpflanzen. Die Frequenz des äußeren Mikrowellenresonators ist gegenüber der Übergangszeit des Stromimpulses sowie der für die Stromimpulsausbildung anzusetzenden Zeit so gewählt, daß der Strom in der Diode gegenphasig zu der äußeren Diodenspannung ist, die durch den Resonator angelegt wird. Die n-Schicht 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 eigenleilende Schicht 18 definiert ist, fällt das elektrische Feld an der pn-Grenzfläche unter den Lawinendurchsbruchwert. Nachdem der Stromimpuls den positiven Kontakt erreicht hat, erreicht das elektrische Feld an der pn-Grenzfläche wiederum den Lawinendurchbruchswert, wobei ein anderer Stromimpuls gebildet wird; der Vorgang wiederholt sich auf diese Weise von selbst.

Die n-Schichl 17 ist dünn im Vergleich zu dem Übergangsbereich, der durch die Schicht 18 definiert ist. um einen beschränkten Lawinendurchbruch zu erzielen, wie dies in F i g. 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 die Erzielung einer Phasenverschiebung um 180° zwischen dem Stromimpuls und der äußeren Spannung, um einen maximalen negativen Widerstand und Wirkungsgrad zu erzielen. Tatsächlich ist jedoch die Anordnung nach Fig. 1 nicht in der Lage, eine Mikrowellen-Ausgangsgröße mit dem theoretisch erwarteten Wirkungsgrad zu erzeugen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis beruht darauf, daß sich der niedrige Wirkungsgrad aus der Rückdiffusion von Elektronen in dem Stromimpuls ergibt Jede hohe Stromdichtenkonzentration in einem Halbleiter zeigt das Bestreben, in beiden Richtungen vom Mittelpunkt der Konzentration au diffundieren. Bei der Anordnung nach F i g. 1 ergibt sich trotz der

to Anziehung des Stromimpulses gegen den positiven Kontakt ein wesentlicher Diffusionsstrom in Richtung des negativen Kontaktes quer zu der pn-Grenzfläche. Gemäß F i g. 2 liegt im wesentlichen kein elektrisches Feld in der (p + )-Schicht 16 wegen der hohen Leitfähigkeit dieser Schicht vor. Auf diese Weise werden Elektronen, welche in die Schicht 16 diffundieren können, dort eingefangen, weil sie 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-Grenzfläche zurück in die Schicht 17 zu diffundieren. Diese Elektronen reduzieren die erforderliehe Zeit zur Ausbildung nachfolgender Stromimpulse, so daß im Ergebnis der Wirkungsgrad der Anordnung verringert wird.

F i g. 3 zeigt eine Diode 23 nach der Erfindung, welche in der Schaltung nach F i g. 1 verwendbar ist und

JO Schichten 24, 25, 26, 27, 28 vom (p +)-, (p)-, (n)-, (i)- bzw. (n +gleitenden Typ umfaßt. Die Diode unterscheidet sich von der Diode 11 im wesentlichen durch die Einfügung der p-leitenden Schicht 25 zwischen der (p +gleitenden Schicht 24 und der η-leitenden Schicht

J5 26. Die (p + gleitende Schicht 24 ermöglicht einen guten ohmschen Kontakt zu der Halbleiterscheibe, während die (p)-leitende Schicht 25 die Ausbildung eines wesentlichen elektrischen Feldes zwischen der (p + )-leitenden Schicht 24 und der pn-Grenzfläche der

4« Schichten 25,26 sicherstellt.

Die Kurve 29 gemäß F i g. 4 zeigt das in der Diode 23 zum Zeitpunkt des anfänglichen Lawinendurchbruches an der pn-Grenzfläche aufgebaute elektrische Feld. Wegen de^r verhältnismäßig niedrigen Leitfähigkeit der

4) p-Schicht 25 verläuft das elektrische Feld durch die p-Schicht, anstatt plötzlich an der pn-Grenzfläche gemäß F i g. 2 abzufallen. In der η-leitenden Schicht 26 wird ein hochkonzentrierter Stromimpuls ausgebildet; der Betrieb der Diode entspricht im wesentlichen

ν. demjenigen gemäß Fig. 1. Jedoch werden Elektronen, die quer zu der pn-Grenzfläche in die Schicht 25 diffundiert werden, nicht eingefangen, weil sie unter dem Einfluß des elektrischen Feldes verbleiben. Hierbei werden die Elektronen gegen den positiven Kontakt

■v, unmittelbar angezogen und bewirken keine Störung bei der Ausbildung eines nachfolgenden Stromimpulses. Auf diese Weise wird vor der Bildung des. darauffolgenden Lawinendurchbruches an der pn-Grenzfläche eine η-leitende Schicht 26 zu einem Verarmungsbereich,

bo welcher frei von Majoritätsträgerelektronen ist, wie dies bei einer richtigen Ausbildung der Read-Diode zur Erzielung eines optimalen Wirkungsgrades angenommen wird.

Die Diode 23 kann üblicherweise durch epitaxiale

t>; oder diffundierte Schichten 24 bis 27 gebildet sein, die auf einem Siliziumsubstratmaterial 28 ausgebildet sind. Typische Abmessungen ergeben sich wie folgt:
Schicht 24 0,5 Mikrometer

Schicht 25 Schicht 26 Schicht 27 Schicht 28

0,4 Mikrometer

0,6 Mikrometer

4,0 Mikrometer

50,0 Mikrometer

Die Dotierungen der Schichten in Trägern pro cm³ ergeben sich wie folgt:

Schicht 24 Schicht 25 Schicht 26 Schicht 27 Schicht 28

1020

6x10¹⁶

3 xlO'⁶

weniger als ΙΟ¹⁵

102°

Komplementäre Siliziumdioden mit entgegengesetzten Leitfähigkcitsiypcn 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.

Eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemaß abgewandelten Read-Diode ergibt sich aus Fig. 5. Die Halbleiterscheibe der Diode umfaßt Schichten 32, 33, 34 mit (n)-, (i)- bzw. (n + )-Leitfähigkeit und ist mit äußeren Kontakten 35, 36 versehen. Der positive Kontakt 35 ist ein üblicher ohmscher Kontakt, während der Kontakt 36 eine Schottkybarriere 37 mit der η-leitenden Schicht 32 bildet. Eine Grenzfläche 37 ist durch die äußere Spannung in Sperrichtung bis zu einem Lawinendurchbruch vorgespannt. Die Diode gemäß F i g. 5 arbeitet in gleicher Weise wie die Diode gemäß Fig. 1. Dabei tritt ebenfalls eine Rückdiffusion von Elektronen an der Grenzfläche 37 auf, jedoch mit dem Unterschied, daß der Metallkontakt 36 zum Einfangen der Elektronen nicht in der Lage ist. Dies bedeutet, daß freie Elektronen das Atomgleichgewicht des Metallkontaktes 36 nicht beeinflussen. Sobald der Stromimpuls die Schicht 32 quer zu den Schichten 33, 34 passiert hat, kann keine wesentliche Diffusion mehr quer zu der Grenzfläche 37 aufgrund gespeicherter Elektronen in dem Metallkontakt 36 auftreten. Wenn somit der Metall-Halbleiter-Übergang 37 für einen minimalen Stromverlust ausgebildet ist, kann die n-Schicht 32 im wesentlichen die Elektronen vor der Bildung des darauffolgenden Stromimpulses abgeben, wodurch die Diode mit hohem Wirkungsgrad zu arbeiten vermag.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Read-Dioden-Oszillatoranordnung mit einem zwischen einem ersten und zweiten Kontakt enthaltenen und innerhalb eines Resonators angeordneten, eine gleichrichtende Grenzfläche aufweisenden Halbleiter, welcher eine erste Halbleiterschicht, einen relativ dünnen Lawinendurchbruchbereich von hoher Leitfähigkeit sowie einen verhältnismäßig dicken Obergangsbereich geringer Leitfähigkeit aufweist wobei die Frequenz des Resonators in Zuordnung zu der Übergangszeit des Übergangsbereiches steht mit einer Schaltungsanordnung zur Vorspannung der Grenzfläche in Sperrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Halbleiterschicht (25) zwischen dem ersten Kontakt and dem Lawinenbereich (26) angeordnet ist welche die gleichrichtende Grenzfläche mit dem Lawinenbereich (26) bildet und eine wesentlich geringere Leitfähigkeit als die erste Halbleiterschicht aufweist so daß ein wesentliches elekrisches Feld durch die zweite Schicht verläuft, wenn die Diode in Sperrichtung vorgespannt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schicht (25) dicker als die Diffusionslänge eines Majoritätsträgers in dem Lawinenbereich (26) ist.

3. Read-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, mit einer Schaltungsanordnung zur Vorspannung der Grenzfläche in Sperrichlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfläche durch einen Metall-Halbleiter-Übergang mit Schottkybarriere (37) gebildet ist.