DE2063242A1 - Mikrowellen Bauelement - Google Patents

Description

RCA 58,311/62,726

U.S. Ser.Uo. 887,709/887,521

filed: 23. Dezember 1969

EGA Corporation, Hew York, N.Y. (Y.St.A.)

Mikrowellen-Bauelement

Die Erfindung betrifft ein Mikrowellen-Bauelement zur Verwendung als Verstärker oder Oszillator, mit einem in Längsverteilung angeordneten Halbleitermaterial einer vorgegebenen Konzentration von Ladungsträgern, welche bei Anlegen eines elektrischen Feldes von einem bestimmter Werte eine negative differentielle Beweglichkeit zeigen, ferner mit einer Elektrodenanordnung zum Anlegen eines eine bestimmte mittlere Trägerdriftgeschwindigkeit hervorrufenden Gleichfeldes eines der bestimmten Werte an das Halbleitermaterial und zum Erzenen eines wandernden Mikrowellen-Wechselfeldes.

In dem Aufsatz "Coupling Between Slow-Waves and Convective Instabilities in Solids", von J.M, Hammer in der Zeitschrift "Applied Physics Letters", Band 10, Hr. 12 vom 15. Juni 1967 auf den Seiten 358 bis 360, ist ein in Pestkörperbauweise ausgeführtes Analogon einer üblichen Wanderwellenröhre beschrieben, in welchem eine Driftbewegung ausführende Ladungsträger in Halbleitermaterialien, welche eine negative differentielle Beweglichkeit aufweisen, wie beispielsweise Galliumarsenid, mit elektromagnetischen Wellen in Wechselwirkung treten, die von Wellenverzögerungsanordnungen geführt werden und Phaaengeschwindigkeiten haben, die vergleichbar mit der Geschwindigkeit der driftenden Ladungsträger sind. In diesem Aufsatz Ist die Hede davon, daß dann, wenn die Phasengeschwindigkeit der Welle etwas höher als die,

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aber noch, vergleichbar mit der Elektronendriftgeschwind!gkeit in einem Halbleitermaterial, wie Galliumarsenid ist, das Auftreten einer negativen differentiellen Beweglichkeit durch einen Vorgang, welcher analog zu den Verhältnissen in einer Wanderwellenröhre ist, zu einem Verstärkungseffekt führt. !Dieser Vorgang erfordert jedoch, daß zwischen der Phasengeschwindigkeit und der iadungsträgerdriftgeschwindigkeit im wesentlichen Synchronismus vorliegt.

Da die Ladungsträgerdriftgeschwindigkeiten in Halbleitern in der Größenordnung von 2 χ 10' cm/see liegen, während die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen die Grossenordnung von 3 x 10 cm/sec erreicht (die genaue Geschwindigkeit hängt von der Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials ab), ist ein großes Maß von Verzögerung erforderlich , um Phasengeschwindigkeiten in der Größenordnung der Ladungsträgerdriftgeschwindigkeiten in Halbleitern zu erhalten. In dem Aufsatz ist weiter ausgeführt, daß Anordnungen^ welche so starke Verzögerungen bewirken können, daß die Phasengeschwindigkeit vergleichbar mit der Ladungsträgerdriftgeschwindigkeit wird, neue Probleme hinsichtlich Wellenausbreitung und des Entwurfs der Schaltung mit sich bringen» Um Verzögerungen der Größenordnung von 1000 zu erreichen, welche hierzu erforderlich ist, müssen die Verzögerungsanordnungen sehr genaue Abstände zwischen benachbarten Elementen einer Elementenreihe, wie ineinandergreifende Elemente, von nur ein oder zwei Mikron haben. Derartige Abmessungen sind aber derzeit nur außerordentlich schwierig, wenn nicht überhaupt nicht zu realisieren.

Die vorliegende Erfindung hat mit dem erwähnten Aufsatz von Hammer nur soviel gemeinsam, daS sie auf die Ausnutzung des · Vorteils der negativen differentiellen Trägerbeweglichkeit gerichtet ist, welche die driftenden Ladungsträger im HaIb-

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leitermaterial, wie Galliumarsenid, zeigen, so daß eine Verstärkung einer elektromagnetischen Welle auftritt, welche in Wechselwirkung mit den die negative differentielle Beweglichkeit zeigenden driftenden Ladungsträgern tritt. Im Gegensatz zu dem Aufsatz von Hammer handelt es sich bei der Erfindung aber nicht um ein in Pestkörperbauweise ausgeführtes Analogon einer üblichen Wanderwellenröhre. Weiterhin ist es bei der Erfindung nicht notwendig, daß die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle mit der Trägerdriftgeschwindigkeit vergleichbar ist, weil hier kein Synchronismus zwischen diesen beiden Geschwindigkeiten erforderlich ist. Vielmehr ist die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle bei der Erfindung viele Male grosser als die Ladungsträgerdriftgeschwindigkeit, wenn sie auch durch den Wellenverzögerungsaufbau noch etwas verlangsamt wird, dessen Elementabmessungen wesentlich größer als ein oder zwei Mikron sind, so daß er sich ohne weiteres praktisch herstellen läßt.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Sicherstellung einer Wechselwirkung zwischen einem Wellenverzögerungsaufbau und einem Halbleitermaterial negativen Widerstandes, wodurch eine wesentliche Leistungsverstärkung und/oder ein Leistungsausgangssignal mit Phasengeschwindigkeiten, die wesentlich größer als die Elektronendriftgeschwindigkeit sind, erzielt werden soll.

Diese Aufgabe wird bei einem Mikrowellen-Bauelement der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Elektrodenanordnung einen sich wiederholenden Wellenverzögerungsaufbau in Wechselwirkungsanordnung Über die Länge des verteilten Halbleitermaterials zur Erzielung einer Longitudinalwellen-Phasengeschwindigkeit des Wechselfeldes,

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welche um ein Mehrfaches größer als die vorgegebene Driftgeschwindigkeit und asynchron zu dieser ist, aufweist, und daß die vorgegebene Ladungsträgerkonzentration, die interessierenden Abmessungen und die Verteilung des Halbleitermaterials sowie die Abmessungen und Stellen der Anbringung der Elektrodenanordnung einschließlich der Elemente des Wellenverzögerungsauf baus so gewählt sind, daß die Bildung jeglicher Ladungsträgerbereiche im verteilten Halbleitermaterial verhindert wird, derart, daß dieses als negativer Widerstand zur Verstärkung einer infolge des Wellenverzögerungsauf baus sich ausbreitenden Welle wirkt.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Darstellungen einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Pig. 1a und Ib eine Draufsicht bzw. eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausfuhrungsform eines Mikrowellen-Bauelementes, welches als Mikrowellen-Oszillator arbeitet;

Pig. 2 eine Abwandlung der in den Pig. 1a und 1b dargestellten Ausführungsform, welche als Mikrowellen-Verstärker arbeitet;

Pig. 3a und 3b eine Draufsicht bzw. Seitenansicht einer zweiten, als Mikrowellen-Oszillator arbeitenden Ausführungsform und

Pig. 4a und 4b eine Draufsicht und teilweise vergrößerte Schnittansicht einer dritten Ausführungsform, welche ebenfalls als Mikrowellen-Oszillator arbeitet.

Ein mit einem negativen Widerstand belasteter Wellenverzögerungsaufbau erfüllt zwei unterschiedliche Punktionen. Erstens

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bewirkt er, daß das Wechselfeld der Welle in das Halbleitermaterial eintritt und daß die Zeit vergrößert wird, in welcher das Wechselfeld von jeglichem Abschnitt der elektromagnetischen Weile in Wechselwirkung mit den driftenden Ladungsträger im Halbleitermaterial tritt. Dadurch wird der Grad der Wechselwirkung zwischen PeId und Ladungsträger vergrößert. Da ferner der negative Widerstand, welcher durch eine negative differentielle Beweglichkeit in Materialien wie GaAs auftritt, nur bei bestimmten Frequenzen vorhanden ist, welche in einer Beziehung zum Kehrwert der Ladungsträgerübergangszeiten steht (siehe "Microwave Negative Conductance of Bulk GaAs", von Hakki, in Proc. I.E.E.E., Band 54 vom Juni 1966, Seiten 916 ff) hat zweitens der Wellenverzögerungsaufbau, welcher bei dem Material negativen Widerstands verwendet wird, derartige Abmessungen, daß der Aufbau selbst bei bestimmten Ausführungsformen die richtigen Begrenzungen für das Material bildet, so daß ein Betrieb bei einer dieser bestimmten Frequenzen, bei welcher der negative Widerstand und die gewünschte Verstärkung auftreten und vorzugsweise ein Maximum haben, sichergestellt ist.

In den Pig. 1a und 1b ist ein Mikrowellen-Bauelement 100 dargestellt, welches ein in geeigneter Weise dotiertes aktives Halbleitermaterial 102 aufweist, welches eine negative differentielle Trägerbeweglichkeit aufweist, wie beispielsweise GaAs, und in der dargestellten Weise in einer Längsverteilung ausgebildet ist, nämlich in Form einer Mehrzahl von einander getrennter Segmente.

Das Mikrowellen-Bauelement 100 hat ferner einen am Ende offenen verzahnten Wellenverzögerungsaufbau, welcher in einer Wechselwirkungeanordnung mit dem längs verteilten Halbleitermaterial 102 steht. Der verzahnte Aufbau enthält einen ersten und einen zweiten Satz ineinandergreifender Pingerelektroden

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104 bzw. 106, die aus einem leitenden Material, beispielsweise Metall, bestehen.

Das Mikrowellen-Bauelement 100 weist ferner eine Isoliermatrix 108 auf, die aus einem hochohmigen, eigenleitendem Halbleitermaterial wie GaAs, Plastik oder beispielsweise Glas bestehen kann. Die Matrix 108 trägt das aktive Halbleitermaterial 102, sowie die 3?ingerelektroden 104 und 106 in geeigneter räumlicher Zuordnung zueinander. Weiterhin enthält das Mikrowellen-Bauelement 100 eine linke Endelektrode 110 und eine rechte Endelektrode 112.

Gemäß Pig. 1a ist die Länge jedes Segmentes des aktiven Halbleitermaterials 102 zwischen jedem Paar Pingerelektroden 104 und 106 gleich ein und demselben Wert W. Die Breite jeder Pingerelektrode ist S. Der Gesamtabstand zwischen entsprechenden Punkten aufeinanderfolgender Pingerelektroden desselben Satzes, also die Wiederholungslänge des Wellenverzögerungsaufbaus, hat den Wert D, welcher gleich 2W + 2S ist.

Zwischen die linke Endelektrode 110 und die rechte Endelektrode 112 des Mikrowellen-Bauelementes 100 wird eine Gleichspannung eines vorbestimmten Wertes von der Gleichspannungsquelle 114 (welche entweder eine kontinuierliche oder eine pulsierende Gleichspannung liefern kann) angelegt. Der Wert dieser Spannung wird so gewählt, daß ein elektrisches PeId zwischen jedem Paar benachbarter Pingerelektroden 104 und _; 106 entsteht, welches genügend groß ist, um jedes dazwischen-t liegende Segment des aktiven Halbleitermaterials 102 in einen Zustand negativer differentieller Beweglichkeit vorzuspannen« Gleichzeitig ist es für den Zweck der Erfindung notwendig, daß Gunn-Effekt-Schwingungen, welche durch Bereichsbildungen *-, verursacht werden, verhindert werden. Derartige Bereiche bilden, eich in bekannter Weise, wenn daa Produkt der Ladungs-: trägerkonzentration im aktiven Halbleitermaterial 102 mit \

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-7-dem Abstand W zwischen jedem Paar benachbarter Fingerelek-

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troden mindestens gleich 1,6 χ 10 /cm ist. Zur Vermeidung solcher Bereichsbildungen wird daher die Ladungsträgerkonzentration des aktiven Halbleitermaterials 102 so gewählt, daß das Produkt dieser Konzentration mit der Abmessung ¥ kleiner als 1,6 χ 10¹Vcm² ist.

Die niedrigste Frequenz, bei welcher die negative Leitfähigkeit ein Maximum hat, hängt von der Abmessung ¥ über die Laufzeit der Ladungsträger ab, weiche mit einer vorbestimmten mittleren Driftgeschwindigkeit wandern. Die Abmessung ¥ wird gleich dem Quotienten aus dieser mittleren Driftgeschwindigkeit und einer ausgewählten Frequenz gewählt, bei welcher das Mikrowellen-Bauelement 100 als Mikrowellen-Oszillator arbeiten soll.

Beispielsweise sei angenommen, daß die Betriebsfrequenz mit 10 Hz (X-Band) gewählt sei. ¥enn die von der Gleiehspannungsquelle 114 gelieferte Spannung ausreichender Höhe dem Mikrowellen-Bauelement 100 zugeführt wird, so daß ein elektrisches Feld ausreichender Höhe entsteht, weiches die negative differentielle Beweglichkeit erzeugt, dann erhält man eine mittlere Driftgeschwindigkeit in GaAs von etwa 2 χ 10 cm/see. Dividiert man diese mittlere Driftgeschwindigkeit durch die gewählte Frequenz von 10 Hz, dann erhält man die Abmessung ¥ zu 2 χ 10■ cm. ¥ählt man ferner die Abmessung S gleich der Abmessung ¥, dann wird die Abmessung D gleich 4¥, d. h. 8 χ 10"' cm.

Im freien Raum, wo die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer ¥ellen 3 x 10 cm/sec beträgt, entspricht eine ¥ellenlänge von 3 cm der Frequenz von 10 Hs. Jedoch wird die Geschwindigkeit und ¥ellenlänge der elektromagnetischen ¥ellen innerhalb des Halbleiters, wie GaAs, um einen Faktor

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herabgesetzt, welcher gleich dem Kehrwert der Wurzel aus der Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials ist. Die Dielektrizitätskonstante von GaAs liegt bei 13,5. Daher beträgt die W
nur etwa 0,82 cm.

her beträgt die Wellenlänge der 10 Hz Schwingung im GaAs

Es läßt sich zeigen, daß die Bandbreite einer verschachtelten Leitung der in den Fig. 1a und 1b dargestellten Ausführungsform durch die Gleichung

2 A + D < A < 4 A +2 D (1)

gegeben ist, wobei A bzw. D die in Fig. 1a dargestellten Abmessungen des Verzahnungsaufbaus des Mikrowellen-Bauelements 100, und die Wellenlänge der entsprechend der gewählten Frequenz innerhalb des aktiven Halbleitermaterials vorhandenen elektromagnetischen Welle sind. Gemäß Fig. 1a ist die Gesamthöhe der Fingerelektrode jedes Satzes gleich der Summe eines ersten Abschnittes mit einer Dimension A, welcher den ersten Abschnitt der FingezELektroden des anderen Satzes überlappt, und eines Fortsatzteils mit der Abmessung A/4, welcher über das Ende der Fingerelektrode des anderen Satzes hinausragt. In dem oben angeführten Beispiel, wo A etwa gleich 0,82 cm ist, beträgt die Länge jedes Λ/4 Fortsatzes 0,205 cm, und entsprechend der oben angeführten Formel kann die Abmessung A etwa Λ/3 bzw. 0,27 cm gewählt werden, welches die mittlere Wellenlänge des Bandbereiches ist.

Die Fingerelektroden 104 und 106 des Mikrowellen-Bauelements 100 bilden eine Wellenleitung, welche die Wellengeschwindigkeit verzögert und durch den negativen Widerstand des HaIbleitermaterials 102 belastet ist, wenn dieses in der geeigneten Weise vorgespannt ist. Da gemäß dem vorstehenden Beispiel die Wellenlänge A= 0,82 cm ist und die Wiederholungs-

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-¹^ ■ ■

länge D = 8 χ 10 ^ cm ist, ergibt sich, daß der Aufbau, die Ausbreitungsgesehwindigkeit der Welle um einen !faktor 100 verlangsamt* Dies führt zu einer effektiven Phasengeschwindigkeit von 8,2 χ 10 cm/sec für die sich längs des Aufbaus ausbreitende Welle. Diese Phasengeschwindigkeit ist mehr als viermal so groß wie die durchschnittliche ladungsträgerdrift~ geschwindigkeit von 2 χ 10' cm/sec und ist damit nicht mehr mit dieser vergleichbar oder in Synchronismus mit ihr. Daher ist in dem Mikrowellen-Bauelement 100 eine Wellenausbreitung von links nach rechts ebenso wie in der entgegengesetzten Richtung von rechts nach links möglich. Ferner erfährt jede Welle der Wellenlänge λ., welche sich in einer dieser Richtungen ausbreitet, eine negative Dämpfung, d. h. also eine Verstärkung, infolge der Wechselwirkung mit dem negativen Widerstand des geeignet vorgespannten aktiven Halbleitermaterials, welches als Belastung für den Wellenverzögerungsaufbau wirkt. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer solchen Welle durch Reflektion an jedem Ende des Mikrowellen-Bauelements 100 umgekehrt wird, arbeitet das Bauelement als Mikrowellen-Oszillator und erzeugt Schwingungen der Wellenlänge Λ entsprechend einer Frequenz von etwa 10 Hz gemäß dem oben angeführten Beispiel. Geeignete Mikrowellen-Koppeleinrichtungen, welche nicht eigens dargestellt sind, lassen sich an eine der Pingerelektroden ankoppeln, so daß man einen in den Fig. la und 1b schematisch angedeuteten Mikrowellenausgang erhält.

Die Eigenschaft der Wellenumkehr des in den Fig. 1a und 1b dargestellten Mikrowellen-Bauelements 100 macht dieses für den Betrieb als Mikrowellen-Oszillator in der beschriebenen Weise geeignet. Diese ümkehreigenachaften schließen jedoch aus, daß das Mikrowellen-Bauelement 100 als Mikrowellen-Verstärker arbeitet, da ein solcher Verstärker eine reflektionsfreie Wellenausbreitung, also eine Ausbreitung nur in Richtung vom Eingang zum Ausgang,erfordert.

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Pig. 2 zeigt eine Abwandlung der in den Pig. la und 1b dargestellten Ausfiihrungsform, welche als Mikrowellen-Verstärker arbeitet. Der Aufbau gleicht sich in beiden Fällen mit der Ausnahme, daß das Bauelement 200 gemäß Pig. 2 ein Plachteil 216 aus magne.tisiertem Perritmaterial aufweist, welches mit dem mit dem negativen Widerstand belasteten Wellenverzögerungsaufbau zusammenwirkt. Die Magnetisierungsrichtung im Perritmaterial des Plachteils 216 ist so gewählt, daß,die Übertragungseigenschaften des Wellenverzögerungsaufbaus nichtreziprok sind, so daß eine Welle nur in der Richtung von links nach rechts, nicht aber von rechts nach links, laufen kann. Anstelle des magnetisieren Perritflachteils, welches in Pig. 2 dargestellt ist, können auch andere, in der Mikrowellentechnik bekannte Mittel angewandt werden, um die Übertragungsrichtung nichtreziprok zu machen.

Gemäß Pig. 2 wird die am Hochfrequenzeingang eingespeiste und zu verstärkende Mikrowellenenergie einer Prequenz, welcher einen Wellenlänge innerhalb des in Gleichung 1 angegebe-, nen Bandbereiches entspricht, an der linken Pingerelektrode des Bauelementes durch nicht dargestellte geeignete Koppelmittel eingeführt. Die Welle wandert dann von links nach rechts über den Wellenverzögerungsaufbau und erfährt dabei eine Verstärkung, Auf diese Weise erscheint an der rechten Pingerelektrode ein verstärktes Hoohfrequenzausgangssignal dieser Welle„ welches durch nicht dargestellte Auskoppelmittel abgenommen werden kann. '■

Die Pig. 5a und 3b zeigen eine weitere Abwandlung der in den Pig. 1a und 1b veranschaulichten Ausführungsform. Insbesondere besteht das Mikrowellen-Bauelement 300 aus einer meanderförmigen Metalleitung 302, welche durch ein aktives Halbleitermaterial 306, wie GaAa, von einer gut leitenden Masseplatte 304 getrennt ist. Der Abstand zwischen der Mean-

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derleitung 302 und der Grundplatte 304 ist gleich der Dicke des aktiven Halbleitermaterials 306, welche durch die Abmessung t gegeben ist. Die Periodizität der Meanderleitung 302 erfolgt mit der Abmessung D, die Breite der Meanderleitung ist s, ihr Längsabstand zwischen aufeinanderfolgenden Querstücken ist ¥ und die Höhe jedes Querstückes beträgt A. All diese Abmessungen sind in Fig. 3a dargestellt.

Eine der Spannungsquelle 114 entsprechende Gleichspannungsquelle 308 legt eine vorbestimmte Gleichspannung zwischen die I metallische Meanderleitung 302 und die gut leitende Grundplatte 304, so daß ein elektrisches Feld innerhalb der dicken Abmessung des aktiven Halbleitermaterials 306 entsteht, welches dieses in einem Maße vorspannt, daß bei der Betriebsfrequenz eine negative differentielle Trägerbeweglichkeit auftritt, wodurch der Meanderleitungs-Wellenverzögerungsaufbau mit einem negativen Widerstand belastet ist. Weiterhin ist die Ladungsträgerkonzentration im aktiven Halbleitermaterial 306 so gewählt, daß ihr Produkt mit der Dicke t kleiner als 1,6 χ 10 /cm ist, so daß die unerwünschte Bereichsbildung im Mikrowellen-Bauelement 300 unterbleibt. Die Abmessungen D, S, W und A aus den Fig. 3a und 3b sind so ge- ^ wählt, daß sich Schwingungen der gewählten Mikrowellen-*Fre- ■ quenz in Längsrichtung von links nach rechts oder von rechts nach links ausbreiten können, wie dies anhand der Fig. 1a und 1b beschrieben worden ist.

Der grundlegende Unterschied zwischen den Mikrowellen-Bauelementen 100 und 300 besteht darin, daß im Bauelement 100 sowohl das angelegte Gleichfeld als auch die Ausbreitungsrichtung der Wechselfeldschwingungen longitudinal verlaufen, während beim Bauelement 300 das Gleichfeld in Querrichtung verläuft und nur die Mikrowellenschwingungen sich in Längsrichtung ausbreiten. Gleich ist beiden Mikrowellen-Bauele-

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menten, daß dieselben Elektroden die Begrenzungsbedingungen sowohl für das angelegte Gleichfeld als auch für die Ausbreitung der Wechselfeldenergie ergeben.

Bei geeigneter Vorspannung zeigt der mit dem negativen Widerstand belastete Wellenverzögerungsaufbau eine negative Dämpfung, d. h. eine Verstärkung, für eine Welle geeigneter Frequenz, welche in einer beliebigen Richtung zwischen dem rechten und linken Ende wandert.

Das Mikrowellen-Bauelement 500 kann so abgewandelt werden, daß es die Wellen nur in einer Richtung wandern läßt, indem man ein magnetisiertes Jerritflachteil in einer der Fig. 2 entsprechenden Weise verwendet, so daß dieses Bauelement als Mikrowellen-Verstärker arbeitet.

Die in den Pig. 4a und 4b veranschaulichte abgewandelte Ausführungsform des Bauelementes 400 enthält einen Isolierträger 402 aus GaAs, auf dem ein Mesa 404 aus epitaktisch gewachsenem halbleitenden n-GaAs von seinem Mittelteil abwärts aufgewachsen ist. Die Dicke der Halbleiterschicht beträgt gemäß Pig. 4b d. Die Dicke d und die Elektronendichte η der epitaktischen GaAs-Schicht sind so gewählt, daß das Produkt aus η und d nicht größer als 1,6 χ 10 /cm sind, damit die vorerwähnte Bereichsbildung verhindert wird, wenn das GaAs in seinen Zustand negativen Widerstands vorgespannt wird.

Sowohl der isolierende GaAs-Träger 402 als auch der halbleitende GaAs-Mesa 404 sind mit einer dünnen Isolierschicht 406 aus Al₂O, einer Dicke in der Größenordnung von 1 oder 2 Mikron überdeckt.

Auf der Aluminiumoxidschicht ist durch Dampfablagerung und

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mit Hilfe von Photoätztechniken eine Chrom-Gold-Meanderleitung 408 mit der Periodizitätslänge D ausgebildet. Der halbleitende GaAs-Mesa 404, welcher von der Meanderleitung 408 durch die dünne Aluminiumoxidschicht getrennt ist, bildet einen Mittelstreifen unter der Achse des durch die Meanderleitung 408 gebildeten Wellenverzögerungsaufbaus.

Eine Klemme einer Gleichspannungsquelle 410 ist mit einem Kontakt 412 am linken Ende des halbleitenden G-aAs-Mesa 404 verbunden, die andere Klemme ist an den Kontakt 414 am rech- (( ten Ende des Mesa 404 angeschlossen. Die Gleichspannungsquelle 410 liefert eine Spannung, welche zur Vorspannung des halbleitenden GaAs-Mesa 404 in seinem Zustand negativen Widerstands ausreicht. Praktisch wird hierzu ein Schwellenfeld von mindestens 3 kV/cm benötigt. Die Periodi-zitätslänge D kann 50 Mikron betragen, wobei benachbarte Querteile der Meanderleitung 408 einen Abstand von 25 Mikron haben. Dies läßt sich mit den derzeit üblichen Photoätztechniken leicht erreichen.

1 R

Die Elektronendichte η kann größenordnungsmäßig 1,6 χ 10 V cm betragen. Die Ladungsträgerdriftgeschwindigkeit kann bei _Λ 2 χ 10' cm/sec liegen. Die länge jedes Querteiles 416 hängt von der gewünschten Grenzfrequenz ab. Für eine länge von 1,34 Μ» beträgt die Grenzfrequenz 50 GHz, bei einer länge von 0,835 mm beträgt die Grenzfrequenz 80 GHz. Weiterhin liegt die Abmessung der Meanderleitung 408 entsprechend dem Wert s der Meanderleitung 302 des Mikrowellen-Bauelementes 300 gemäß Fig. 3a in der Größenordnung von 2 Mikron.

Das Bauelement 400 kann als Mikrowellen-Oszillator betrieben werden, wobei das Ausgangssignal in der Weise abgenommen wird, wie es im Zusammenhang mit den Mikrowellen-Bauelementen 300 beschrieben ist. Man kann es auch als Mikrowellen-Verstärker

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ausbilden, wenn man, wie anhand von !ig. 2 beschrieben, ein magnetisiertes Perritflachteil verwendet.

Vorstehend sind zwar nur drei unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben, jedoch sind noch weitere Abwandlungen möglich. Beispielsweise kann anstelle der offenen Enden beim Aufbau nach den Mg. 1a oder 1b eine in üblicher Weise an beiden Enden abgeschlossene verzahnte Leitung verwendet werden (wo alle Pingerelektroden eines Satzes parallel an einen Anschluß der Gleichspannungsquelle geschaltet sind, während alle Fingerelektroden des anderen Satzes unmittelbar parallelgeschaltet und mit dem anderen Anschluß der G-leichspannungsquelle verbunden sind).

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Claims (1)

1. -15-

   Patentansprüohe

   Mikrowellen-Bauelement zur Verwendung als Verstärker oder Oszillator, mit einem in Längsverteilung angeordneten Halbleitermaterial einer vorgegebenen Konzentration von Ladungsträgern, welche bei Anlegen eines elektrischen Feldes von einem bestimmter Werte eine negative differentielle Beweglichkeit zeigen, ferner mit einer Elektrodenanordnung zum Anlegen eines eine bestimmte mittlere Trä- ä gerdriftgeschwindigkeit hervorrufenden Gleichfeldes eines der bestimmten Werte an das Halbleitermaterial und zum Erzeugen eines wandernden Mikrowellen-Wechselfeldes, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung einen sich wiederholenden Wellenverzögerungsaufbau (Pingerelektroden 104,106) in Wechselwirkungsanordnung über die Länge des verteilten Halbleitermaterials zur Erzielung einer Longitudinalwellen-Phasengeschwindigkeit des Wechselfeldes, welche um ein Mehrfaches größer als die vorgegebene Driftgeschwindigkeit und asynchron zu dieser ist, aufweist, und daß die vorgegebene Ladungsträgerkonzentration, die interessierenden Abmessungen (A,D,S) und die Verteilung des Halbleitermaterials (102) sowie die Abmessungen und % Stellen der Anbringung der Elektrodenanordnung einschließlich der Elemente des Wellenverzögerungsaufbaus so gewählt sind, daß die Bildung jeglicher Ladungsträgerbereiche im verteilten Halbleitermaterial verhindert wird, derart, daß dieses als negativer Widerstand zur Verstärkung einer infolge des Wellenverzögerungsaufbaus sich ausbreitenden Welle wirkt.

   2. Mikrowellen-Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenverzögerungsaufbau (104,106) der Elektrodenanordnung die betreffenden Begrenzungsbedingungen, sowohl für das Vorspannungsgleichfeld als auch für das

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   Mikrowellen-Wechselfeld darstellt, welche dem Halbleitermaterial (102) zugeführt werden»

   Bauelement nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung ferner eine erste ohmsche Elektrode (110) an einem Ende des Bauelementes und eine zweite ohmsche Elektrode (112) am anderen Ende des Bauelementes und eine beidseitig offene verschachtelte Leitung mit einem ersten und einem zweiten Satz von mit Längsabstand ineinandergeschachtelten ohmschen parallelen Fingerelektroden (104 bzw. 106) aufweist, daß jede Elektrode von einer ihr benachbarten Elektrode praktisch den gleichen festen Abstand (W) hat, daß die Fingerelektroden (104,106) im wesentlichen die gleiche vorgegebene Größe (S) in Längsrichtung haben, daß jede Fingerelektrode des e'reten Satzes sich in Querrichtung von einem ersten Punkt zu einem zweiten Punkt erstreckt und sich jede Fingerelektrode (106) des zweiten Satzes in Querrichtung von einem dritten Punkt zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt zu einem vierten Punkt jenseits des zweiten Punktes hinsichtlich des ersten Punktes erstreckt.

   4. Bauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Elektrode (110,112) an eine Spannungsquelle (114) zum Anlegen eines Gleichvorspannungsfeldes eines von mehreren bestimmten Werten verbunden ist» und daß die beiden Sätze von Fingerelektroden (104,106) einen periodischen aus einer Vielzahl von Elementen bestehenden Wellenverzögerungsaufbau bilden.

   5. Bauelement nach Anspruch 3 oder 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (W) zwischen jedem Paar benachbarter Fingerelektroden (104,106) im wesentlichen gleich der durchschnittlichen Trägerdriftgeschwindigkeit geteilt durch die Mittenfrequenz des angelegten Mikrowellen-Wechselfeldes

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   ist, daß die der Mittenfrequenz entsprechende Wellenlänge des angelegten Mikrowellen-Wechselfeldes nicht kleiner als die Summe des doppelten Querrichtungsabstandes (A) zwischen dem zweiten und dem dritten Punkt und dem Längsabstand (D) zwischen aufeinanderfolgenden Fingerelektroden des gleichen Satzes und nicht größer als die Summe des vierfachen Querabstandes (A) zwischen dem zweiten und dritten Punkt und dem doppelten Längsabstand (D) zwischen aufeinanderfolgenden Fingerelektroden des gleichen Satzes ist.

   6. Bauelement nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Querabstand zwischen dem ersten Punkt und dem dritten Punkt und der Querabstand zwischen dem zweiten Punkt und dem vierten Punkt jeweils gleich einem Viertel der Mittenwellenlänge ist.

   7. Bauelement nach den Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung der Fingerelektroden (104,106) in Längsrichtung im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen benachbarten j?ingerelektroden ist,

   8. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das halbleitermaterial (306) eine vorgegebene Dicke (t) hat, daß die Elektrodenanordnung eine leitende Grundplatte (304) auf einer Seite des Halbleitermaterials und eine leitende Meanderleitung (302) auf der anderen Seite des Halbleitermaterials umfaßt, daß die Meanderleitung (302). eine Mehrzahl paralleler mit gegenseitigem Längsabatand angeordneter quer verlaufender leitender Elemente aufweist, bei welcher jedes aufeinanderfolgende Paar benachbarter quer verlaufender Elemente durch ein längs verlaufendes leitendes Elemente verbunden ist und jedes längs verlaufende leitende Element an gegenüberliegenden Enden

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   des ihm zugeordneten Paares quer verlaufender Elemente angeordnet ist und zwar von einer Stelle des längs verlaufenden leitenden Elementes, welche das vorangehende Paar quer verlaufender Elemente verbindet, und daß das Vorspannungsgleichfeld zwischen die Meanderleitung (302) und die Grundplatte (304) angelegt wird und das Mikrowellen-Wechselfeld durch die Meanderleitung fortgeleitet wird.

   9. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Wellenverzögerungsaufbau zusammenwirkende Bauteile (Plachteile 216) vorgesehen sind, um die Wellenleitereigenschaften des Wellenverzögerungsaufbaus nichtreziprok zu machen, derart, daß der Aufbau eine Ausbreitung des Mikrowellen-Wechselfeldes von einem vorgegebenen Ende zum anderen Ende ermöglicht, eine umgekehrte Wanderungsrichtung des Mikrowellen-Wechselfeldes jedoch ausschließt, so daß am Ausgangsende des Aufbaus ein verstärktes Ausgangssignal bei Anlegen eines Eingangs-Mikrowellen-Wechselfeldes an sein eines Ende abnehmbar ist.

   10, Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein JPlachteil (404) mit einer Oberfläche vorgegebener Abmessungen parallel zur Länge und Breite des Flachteils vorgesehen ist, daß das Elachteil einen längs gerichteten Mittelteil vorgegebener Dicke, welcher das Halbleitermaterial umfaßt, aufweist, daß das Produkt der Dicke (d) mit der Iiadungsträgerdichte (n) innerhalb des Halbleitermaterials unterhalb desjenigen Schwellwertes liegt, von welchem an sich im Halbleitermaterial bei Anlegen des Vorspannüngsfeldes ladungsträgerbereiche bilden können, daß das IPlachteil (216) ferner längs gerichtete Außenab- · schnitte aufweist, welche benaohbart beiden Seiten des Mittelabschnittes gelegen sind und auf einem Isolier-

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   material bestehen, daß der WellenverzögerungBaufbau eine leitende Mäanderleitung (416) vorbestimmter Periodizitat aufweist, welche in der Nachbarschaft der Oberfläche des Flachteiles in Wechselwirkungsanordnung mit dem Halbleitermaterial (404) angeordnet ist, und daß beiderseitig des Flachteiles Elektroden (412,414) zum Anlegen eines Vorspannungslängsfeldes an das Halbleitermaterial (404) vorgesehen sind.

   11. Bauelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Flachteil (404) einen isolierten Träger (406) aufweist, von dessen Mittenfläche ein Mesa aus einer epitaktisch aufgewachsenen n-halbleitenden GaAs-Schicht

   (404) nach unten ragt.

   12. Bauelement nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Mäanderleitung (416) von der Oberfläche des Flachteiles (404) durch eine dünne isolierende Schicht aus AIpO, getrennt ist, welche in Kontakt sowohl mit der Oberfläche dee Flachteiles als auch der Mäanderleitung steht.

   13. Bauelement nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekenn- * zeichnet, daß die Mäanderleitung (416) eine Mehrzahl paralleler, in gegenseitigem Abstand und parallel zur Breite der Oberfläche angeordneter Querteile aufweist, welche sich von einem der Außenteile über den Mittelteil zum anderen Außenteil des Flachteils (404) erstrecken, daß ein Ende ;jedes der Querteile leitend mit einem anderen Ende des nächstfolgenden Querteiles über ein in der Nähe eines der äußeren Teile des Flachteiles angeordnetes leitendes Teil verbunden ist und daß das andere der Querteile mit dem anderen Ende des nächstfolgenden Querteils in der Nähe des anderen Außenteils des

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   Flachteiles über ein weiteres leitendes Teil verbunden ist.

   14. Bauelement nach Anspruch. 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen benachbarten Querteilen der Mäanderleitung (416) im wesentlichen gleich 25 Mikron ist.

   15. Bauelement nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Länge jedes Querteils zwischen 0,835 und 1,34 mm und die Breite jedes Querteils bei etwa 2 Mikron liegt.

   16. Bauelement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mäanderleitung aus Chrom-G-old besteht.

   10 9 8 27/ 1 U39

   L.-rHlt.