DE2112001B2 - Schaltung zum betrieb eines halbleiterbauelements zur steuerung der ladungstraegerreflexion und dafuer geeignete halbleiterbauelemente - Google Patents

Description

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und die Reflektierbarkeit

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung zum Betrieb eines Halbleiterbauelements zur Steuerung der Ladungsträgerrefiexion an der Grenzfläche eines Paares von Halbleiterkristallzonei) mit verschiedener Effektivmasse der Ladungsträger, mit einem Halbleiterkörper mit wenigstens einem Paar von miteinander verbundenen Zonen, von denen jede aus einem Halbleiterkristall besteht, die so ausgewählt und angeordnet sind, daß die durch die Grenzfläche der verbundenen Zonen tretenden Ladungsträger verschiedene Effektivmassen in den beiden Zonen haben, wie sie aus »Solid-State Electronics«, Bd. 7, 1964, S. 911 bis 923, insbesondere S. 915 und 923, bekannt ist, sowie auf dafür geeignete Halbleiterbauelemente.

Früher wurden solche hochfrequenten Halbleiterbauelemente für Schwingung, Verstärkung, Schalten usw. als Bauelemente mit einem PN-Übergang wie Transistoren oder Dioden, Bauelemente mit negativer Volumenleitfähigkeit oder Gunn-Bauelement, und als Bauelemente mit Hetcroübergängen wie einem Metall-Halbleiter-Übergang, Metall-Isolalor-Halbleiter-(MIS) Aufbau usw. entwickelt.

Indessen haben Bauelemente mit PN-Übergängen den Nachteil, daß die obere Grenze der ausnutzbaren Frequenz durch die Übergangskapazität und tue Lebensdauer der Minoritätsladungsträger begrenzt ist. In Bauelementen mit negativer Volumenleitfähigkeit ruft, da die Konfiguration des in der Masse gebildeten elektrischen Feldes den Betrieb des Bauelements beherrscht, eine geringe Unvollkommenheit oder Inhomogenität einen Abfall in der Ausbeute und oder ein Streuen der Eigenschaften hervor. Da außerdem diese Bauelemente allgemein die aktiven Eigenschaften erst unter äußerst hohen elektrischen Feldern zeigen, sind ihre Ausgangsleistungen durch Wärmeentwicklung begrenzt, und sie haben auch einen niedrigen Wirkungsgrad.

ist. Und zwar werden entsprechend der Reflexion elektromagnetischer Wellen an einer Grenzfläche von Medien verschiedener Dielektrizitätskonstante Elektronen als Elektronenwellen an einer Grenzfläche von Krislallen verschiedener Effektivmasse reflektiert.

Aus dem Vorstehenden ist es theoretisch klar, daß Ladungsträger an einer Grenzfläche zwischen Zonen verschiedener Effektivmasse wie klassische Teilchen und als Teilchenwelle reflektiert werden. Weiter wird die Reflexion an einer solchen Grenzfläche auch durch Experimente bestätigt. Entsprechende Versuche wurden beispielsweise mit Ge-GaAs-Grenzflächen durchgeführt. Besondere .Schaltungsmaßnahmen wurden in diesem Rahmen noch nicht entwickelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Schaltung so auszubilden, daß die Steuerung der Ladungsträgerrefiexion eine Vielfalt von Funktionen erfüllbar macht und ein Arbeiten im äußerst hohen Frequenzbereich ermöglicht und die für die Schaltung geeigneten Halbleiterbauelemente einen einfachen, soliden und leicht herstellbaren Aufbau haben sowie eine relativ einfache Schaltungsanordnung zulassen.

Diese Aufgabe wird ciTmdimgsgemäß dadurch gelöst, daß eine Schallung der eingangs genannten Art gekennzeichnet ist durch einen ersten Schaltkreis zur Bildung eines Strompfades für die durch die Grenzfläche tretenden Ladungsträger, einen zweiten Schaltkreis zur Bildung eines Strompfades für die Ladungsträger, die an der Grenzfläche reflektiert werden und

So nur in einer Zone mit tier größeren Effektivmasse der Ladung .iiäger wandern, Mittel zur Erzeugung einer Mehrzahl von elektrischen Feldern im Halbleiterkörper, wovon wenigstens ein Feld eine gegenüber dem Rest verschiedene Richtung aufweist und wobei die Feldstärke wenigstens eines der elektrischen Felder so variabel ist, daß ein resultierendes Feld dieser Felder die Richtung erhalten kann, bei der sich die Totalreflexion (Irr I IlllllniTclröm^i- ....Γ /~- I -'— "-¹"

schiedes der Effektivmassen an der Grenzfiäclie ergibt, was zu einer plötzlichen Änderung des elektrischen Strums in den Strompfaden führt.

Die Erfindung wird an Hand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele näher erläutert : darin zeigt

F ι g. I einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des grundsätzlichen Aufbaues der Schaltung,

F i g. 2 und 3 Kurven zur Erläuterung der Strom-Spannungs-Eigenschaften längs der verschiedenen St rom pf ade,

F i g. 4 einen Querschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels des grundsätzlichen Aufbaues der Schaltung,

Fig. 5 ein Blockdiagramm der elektrischen Schaltung eines [mpulshöhendiskriminators,

Fig. 6 ein Bloekdiagramm zur Erläuterung der elektrischen Schaltung eines Impulshöhenanalysators und eines Impulssignalseparators,

Fig. 7a, 7b und 7c ein elektrisches Schaltungsdiagramm und Wellenformen des elektrischen Feldes und Stromes eines Ausführungsbeispiels eines Strombegrenzers,

F i g. 8 ein elektrisches Schaltungsdiagramm einer Negativwiderstandsschaltung,

F i g. 9 eine Kurve des Strom-Spannungs-Verhaltens der Schaltung nach F i g. 8.

Fig. 10 ein Bloekdiagramm eines Mikrowellengenerators mit Ausnutzung der Negativwiderstandsschaltung nach Fig. S,

F i g. 11 ein elektrisches Schaltungsdiagramm eines Ausführungsbeispiels, bei dem ein inneres elektrisches Feld im Bauelement gebildet wird,

F i g. 12 und 13 Kurven des Strom-Spannungs-Verhaltens der beiden Ausführungsbeispiele der Negativwiderstandsschaltung und

F i g. 14 einen Querschnitt durch eine Schaltung mit Ausnutzung eines magnetischen Feldes.

Wie bekannt ist. wird in einem Halblciterkrisiälikörper, an den ein elektrisches Feld angelegt ist, auf Ladungsträger im Kristall durch das periodische Potentialfeld des Kristalls sowie durch das äußere elektrische Feld eingewirkt. So zeigen die Ladungsträger ein verschiedenes Ansprechen auf das angelegte Feld einerseits und auf das einer freien Ladung anderfsr^i^itc \ 'rn A\<* PT!\^v!^rkün^<Teⁿ der beiden Felder gegenüber den Ladungsträgern zu trennen, wird die Konzeption der »Effektivmasse« der Ladungsträger eingeführt, und die Einwirkung des periodischen Feldes des Kristallgitters auf die Ladungsträger wird durch diese Konzeption ersetzt. Und zwar verhält sich ein Ladungsträger in einem Kristall aJs eine freie Ladung mit der Effektivmasse. Daher unterscheidet sich die Effektivmasse der Ladungsträger je nach dem Kristall, und außerdem hat ein Ladungsträger in einem anisotropen Kristall je nach der Bewegungsrichtung eine verschiedene Effektivmasse.

Beim grundsätzlichen Aufbau wird ein Übergang zwischen zwei Halbleiterzonen gebildet, in denen Ladungsträger verschiedene Effektivmassen haben, und man bringt zwei Paare von Elektroden zur Erzeugung zweier elektrischer Felder senkrecht und parallel zur Obergangsfläche und zum Ableiten von Strömen an, die durch die und längs der Übergangsfiäche fließen. Ein elektrischer Kreis mit einer Quelle variabler Spannung wird an dieses Bauelement angeschlossen. Die Reflexion der Ladungsträger an der Übergangsfläche auf Grund des Effektivmassenunterschieds läßt sich durch die variable Spannung steuern, um ein besonderes Strom-Spannungs-Verhalten auf Grund der Trägerreflexion an der Übergangsgrenzfläche zu erzeugen. Die vorliegende Schaltung übt eine Anzahl von Funktionen aus, wobei sie diese besonderen und bemerkenswerten Eigenschaften ausnutzt. Die Prinzipien und der Funktionsmechanismus der vorstehend beschriebenen Schaltung soll nun an Hand der F i g. I erläutert werden. In Fig. 1 bildet eine n-Halbleiterkristallzone 1, in der die Effektivmnsse eines Lcittingselektrons/ίϊ, ist. an einer Grenzfläche 3 einen Übergang zu einer Halbleiterkrislallzone 2, in der die Effektivmasse eines Leitiingselektrons in., geringer als die in der Zone 1 ist, das heißt ni., >?/,. Ein Paar von

is Elektroden 4 und 5 wird ohmisch an den Endflächen der Zonen 1 und 2 parallel zu der Grenzfläche 3 angebracht. Ein weiteres Paar von Elektroden 6 und 7 wird ohmisch an den gegenseitig parallelen Endflächen der Zone 1 angebracht, uie unier rechtem Winkel /ur Grenzfläche 3 liegen. Ansehlußdiühle 8, 9. 10 und Il werden an diese Elektroden 4. 5, 6 und 7 angeschlossen. Eine variable Gleichspannungsquelle F, und ein Lasiwiderstand R,- werden zwischen den Elekii oder· ■* οι,Λ 5 an den Anschlußdrählen 8 und 9 mit -.>ΥΛ·.·\- :'<>!.·: liii angeschlossen, daß cm elektrisches i id / ■. >.n der Elektrode 5 zur Elektrode 4 geriet'··; im. W euer wird eine andere variable Gleichsp.-n··. ■■: ,i.:e!ie /.'- und ein Lastwiderstand Ri, /wischer ^: ■ ;■ v!· i. · ··.ι..-;ι <. und" an den Anschlußdrähten IO und 1Ϊ angeschissen, um ein elektrisches Feld /-",, in der Krislallzone 1 senk recht zum Feld F, zu erzeugen. In dem vorstehend erläuterten Kreis wird die durch die Spannungsquelle F.,- zwischen den Elektroden 4 und 5 anüelet'ie Spannung V₁. genügend hoch eingestellt, und die I eldsiärke .'·',■ im Element wird auf einen genügend hohen Wer: fixiert. Wenn die Spannung der Quelle /·'., schrittweise von 0 V gesteigert wird, fließt ein fast konstanter und scringe; Strom //,„ durch £>, unter einer lv>!iiiii!iie:i I eldsiärke Ff_1n. Wenn die Stärke/·/, diesen \\ei; .., ^herstellu steigt der Strom //, plöi/lich iiiui i.n'iiie ms /u /,,,. be der Feldstärke Fj₁, an. L her det ! eUi-.uu ke ,' ., ste^i der Strom Λ, fast linear mit Jei > ek'.sLn ke / ·,. i-.m ähnliches Verhalten wird nanu !κ !1 .uk'! iwhaehiet. wenn die Polarität der Sparuuiües.pu-iU· :',, >im>.'ekehi.

wird. F 1 g. 2 zeigt die />,-/■'..,-He ü-!';:üj .<:,· wrstehc··■'

UPlLl S \ i ' i 1

die Intensität F,- variiert uik! .ml .':iu··! .m..ve:'. W erfixiert wird, verschiebt sieh J;e ;V '■■ ■. Kn-.\c -.-,v.d .\\ Werte Fh_n. Fhr. If_1n. //,,· ändei ;i su. h

Weiter ist bei der \orsteheiulei: Xi'-.'ui';·.;·^·. uen man die Spannung K^. die von der Quelle ti, /wischet" den Elektroden 6 und 7 angelegt wird, so einstellt, da,-ein elektrisches Feld oberhalb F_h,- im Kristall 1 erzeuei wird, wenn die Spannung l·',, zwischen den Elektroden 4 und 5 von OV zum schrittweisen Steigern deFeldstärke Ft senkrecht zur Grenzfläche 3 erhöht wird. bei F₁- unter F_t._o der Strom /,., der durch E,- fließt, fast G. jedoch über F_CG, wächst der Strom /.· rapide bis zu den· Wert von /,-, bei F_ir. Für F_r über F_1x ändert sich der Strom I_v fast linear mit der Feldstärke F... Die ausgezogene Linie in F i g. 3 zeigt die I₁-F,-Beziehung, die vorstehend beschrieben wurde. Diese besondere /.-F.Beziehung tritt nicht auf, wenn die Polarität der Spannung Ev umgekehrt wird und eine lineare /,-F₁-Beziehung auftritt.

Wenn weiter die Feldstärke Fn variiert und auf einen anderen Wert fixiert wird, verschiebt sich die /,-F,-Beziehung in gewissem Ausmaß.

F i g. 4 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel des grundsätzlichen Aufbaues, in dem der Aufbau nach Fig.! teilweise geändert ist, so daß eine Kristallzone2' entsprechend der Kristallzone 2 zwischen dem Kristall 1 und der Elektrode 4 eingefügt ist, wobei eine Übergangsgrenzfläche 3' zwischen den Kristallzonen 2' und 1 gebildet wird, so daß sich eine Laminat-Struktur ergibt. An diesem Bauelement werden ähnliche elektrische Anschlüsse wie bei dem in F i g. 1 vorgenommen.

Dieses Ausführungsbeispiel zeigt ein ähnliches //,-rVVerhalten wie das im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und außerdem ein symmetrisches /,-/•"",-Verhalten bei Polaritälsumkehr der Spannung /:,·, wie in den ausgezogenen und den unterbrochenen Linien in F i g. 3 gezeigt ist.

Man kann annehmen, daß sich diese beiden Arten von //,-/·/,- und /,-F,-Verhaltensweisen auf Grund des folgenden Mechanismus ergeben.

In einem ZuM. nd, in dem ein genügend starkes elektrisches Feld /·, senkrecht zur Grenzfläche im Bauelement erzeugt wird und ein schwaches elektrisches Feld/"/, senkrecht zu diesem Feld/-",· im Kristall 1 existiert, ist die Richtung des resultierenden elektrischen Feldes von F, und / /, im Kristall I senkrecht zur Grenzfläche 3 oder etwas zu dieser Normalrichtung geneigt. Die Leitungselektronen im Kristall I wandern in entgegengesetzter Richtung zu diesem resultierenden elektrischen Feld und dringen zur Grenzfläche 3 Mir. Beim Vordringen in solcher Richtung ist die Rclicxion auf Grund des Fffektivmasscnunterschiedes der lilektroncn an der Grenzfläche 3 sehr gering, und daher dringen f.ist ;,!lc Elektroden durch ('.ic Grenzfläche in die Krislallzonc 2 vor und bilden so einen Strom /, durch /;',·. Nur ein geringer Anteil der Elektronen bewegt sich längs der Grenzfläche 3 im Kristall 1 durch die Reflexion an der Grenzfläche 3. wodurch ein durch Fh fließender Strom //, gebildet wird. In F i g. 2 entspricht der Strom //,„ für F)₁ unter F/,_n diesem sehr kleinen Abtriebstrom.

Wenn die Feldstärke /·"/, größer wird unci daher der Auftreffwinkel der Elektronen, die vom Kristall 1 in der umgekehrten Richtung zum resultierenden elektrischen Feld von /'/, und F, zur Grenzfläche 3 vordringen, größer wird, um sich dann dem kritischen Winkel für die Totalreflexion zu nähern, wächst die Reflexion an der Grenzfläche rapide, und dementsprechend wächst der Hori/^ntnlstrom /,>,·. und der Wriik^ktroni /, geht zurück. Der Wert /·""/,„ in F i g. 2 ist das elektrische Feld, über dem die Reflexion rapide wächst, und Fii,■ ist das Feld, über dem Totalreflexion auftritt und bei dem der Strom //,,· ist. Wenn das Feld /';, über Fiir ist, werden die Elektronen im Kristall I an der Grenzfläche 3 total reflektiert, und es wird verhindert, daß sie in die Kristallzone 2 eindringen, und daher ist der Vertikalstrom /,· im wesentlichen 0. Die an der Grenzfläche 3 total in die Kristallzone 1 reflektierten Elektronen wandern längs der Grenzfläche unter der Wirkung des elektrischen Feldes unter wiederholter Totalreflexion an der Grenzfläche und bilden den Horizontalstrom h- Ein Anstieg des Feldes F_h in diesem Totalreflexionszustand steigert die Wanderungsgeschwindigkeit der Elektronen längs der Grenztäche, und der Strom /_Ä bleibt bei einer im wesentlichen linearen Beziehung zum Feld Fh-

Wie aus der vorstehenden Beschreibung offenbar %vird, dringen bei einem Feld Ft, unter Fh₀ die Elektronen in der Kristallzone 1 in der Mehrzahl durch die trenzfläche 3 in die Kristallzone 2 ein, um einen Vertikalstrom /,. durch den äußeren Kreis zu bilden. Der Horizontalstrom /,,„, der als I)₁ abgeleitet wird unter den vorstehenden Bedingungen nach dem Wandern längs der Grenzfläche 3 im Kristall 1, ist sehr klein.
Andererseits ist bei F)₁ über F),_c, da die Elektronen im Kristall 1 an der Grenzfläche 3 total reflektiert werden, der in den Krislall 2 eindringende und durch den äußeren Stromkreis als /,· fließende Strom im wesentlichen 0. Und die Elektronen im Kristall I wandern

ίο längs der Grenzfläche 3, ergeben eine vielfache Zahl von Grenzflächenreflexionen und strömen durch den äußeren Stromkreis als //,. Die Existenz von zwei symmetrischen /"/,-Bereichen hinsichtlich des Stromes //, ist im //,-/-'/,-Verhalten nach F i g. 2 dargestellt.

Der Bereich des elektrischen Feldes zwischen den Werten F/,„ und /■"/,,■ ist ein Übergangsbercich, in dem der Hori/ontalstrom //, rapide wächst und der Vertikalstrom /,· entsprechend dem schnellen Anstieg der Reflckticrbarkeit der Elektronen an der Grenzfläche zugleich mit dem Anstieg von Fi, rapide sinkt, da sich das resultierende elektrische Feld von /■"/, und /> in die Nähe des kritischen Winkels für die Totalreflexion richtet. Dieser vorstehende Übergang tritt auf. wenn das resultierende elektrische leid der unter rechtem Winkel stehenden beiden elektrischen Felder /■"/, ;t.J /', in eine bestimmte Richtung gelenkt wird.

Im Horizontalfeld-F/rBercich unter /-"/,„ ruft eine Änderung des Feldes Fi, keine wesentliche Änderung des 1 lorizontalsiroms //,. sondern eine lineare Anderung des Vcrtikalstroms /,. hervor, während im /"/,-Bereich über /'/,,■ der Horizontalstrom //, einer linearen Änderung mit der Änderung \on /■/, unterliegt, der Vertikalstrom /.jedoch im wesentlichen auf 0 gehalten wird und sich nicht ändert. Eine Schaltung, die auf einen impuls anspricht, oder ein Impulshöhendkkriminator läßt sich unter Ausnutzung der vorstellenden Eigenschaften herstellen. F i g. 5 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung eines Irnpulshöhendiskriminalors. wobei eine Impulsquclle in Reihe zur oder an Stelle der Spannunnsquellc des elektrischen Kreises nach Fig. 1 geschaltet ist. Wenn das elektrische Feld /"/,. das durch den Impuls und oder die Spannunsisquelle gebildet ist. Meiner als /"/..■ ist. laß! sich irgendein bemerkenswerter Ausgang nur als eine ,Änderung des Vertikalslroms /,. ableiten. Wenn das I-old /·"/, den Wert Ft,,· übersteigt, läßt sich ein Signal zu einem anderen äußeren Kreis nur als Andei^; ■;! des I lori/ontaktrmns //, ableiten. Weiter wird, wenn man das elektrische FcUl Ft, durch die Spannungsquelle F), auf F)₁,-einstellt und das resultierende Feld Fh durch die Spannung /:"/, und einen Impuls über /■";,,. einrichtet, eine Schaltfunkiion erzielt. Und zwar liefert das Verhalten nach Fig. 2 Funktionen einer Signaltrennung und Schaltung.

Der elektrische Feldbereich, in dem sich eine niedrige Reflektierbarkeit zur Totalreflexion ändert, also der Feldunterschied von F>,₀ und F),_r. wird durch die Kombination der Kristalle 1 und 2 und die Gestalt sowie Abmessung des Bauelements bestimmt. Dadurch läßt sich der Feldunterschied etwas durch den Bauelementaufbau verringern, so daß F)₁₀ ~ F)₁₀ erreicht wird. Daher lassen sich eine scharfe Signaltrennung und ein schnelles Schalten gemäß dem vorstehenden Aufbau erzielen.

Da sich weiter das /ft-F/rVerhalten nach F i g. 2 durch Einstellen des Senkrechtfeldes F₁,, wie vorstehend beschrieben, variieren läßt, kann man beim Trennen von Impulssignalen das Trenn-Niveau oder das

309 510/278

2 1 12 0Oi

ίο

Schaltniveau Fa₀ ~ F_hi: durch die Steuerung von F/, variieren.

Obwohl das vorstehende Beispiel die Impulssignaltrennung durch den Kreis mit einem Bauelement ist, läßt sich ein Vielkanal-lmpulshöhenanalysator von äußerst einfachem Aufbau durch Kaskadenschaltung einer Mehrzahl solcher Kreise bilden. Fig. 6 ist ein Blockdiagramm eines solchen Vielstufenkreises, in dem an η Elemente elektrische Felder F_n, />₂ ... F_n, von entsprechenden Gleichspannungsquellen £,.,, AV₂- · ■ E_n, angelegt werden. Diese elektrischen Felder sind so eingerichtet, daß sie nach und nach das Trenniingsnivcau steigern, d. h.

(Fi_1n ~ F_11n

(1/I₁₁I, — l'lirn)-

Wenn ein Impulsziig mit verschiedenen Impulshöhcn einem solchen Kreis mit Kaskaden-Schaltung von einer Signalquelle zugeführt wird, werden Impuke.. 'lic F/,, unterhalb F/,_o, bilden, durch den ersten Impulsdetektor erfaßt, der an die Gleichspannungsquelle E_n angeschlossen ist, und dann durch einen Impulszähler gezählt. Impulse, die ein FeIdF/,, über Fi_11n bilden, läßt man durch das erste Bauelement hindurchtreicn und zum zweiten Element gelangen. Unter diesen Impulsen werden diejenigen, die ein Feld !),., unterhalb Fh„₂ in dem zweiten Bauelement bilden, durch den zweiten Impulsdetektor erlaßt, der an die zweite Gleichspannungsquelle E₁-, angeschlossen ist, und durch einen Impulszähler gezählt. In entsprechender Weise werden Impulse durch η Elemente klassifiziert und gezählt, und nur diejenigen, die ein Feld Fn über Fin·,, in dem «-ten Bauelement bilden, läßt man durch das /7-te Bauelement durchgehen und durch den let/ten Impulsdetektor und Zähler erfassen.

Der Aufbau eines Vielkanal-lmpulshöhenanalysators ist vorstehend beschrieben, doch läßt sich diese VielsUifcnschaltung auf einem weiteren Gebiet anwenden. Wenn man z. B. dieser Signalqueüe überlagerte !mpulssignale einschließlich eines Impulszuges mit einer konstanten Impulshöhe und gemäß dem Signal modulierten Impulsintervallen eines aiuieren Impulszuges mit einer unterschiedlichen konstanten Impulshöhe und gemäß dem Signal modulierten Impiilsinlervallen usw. zuführt, um Impulse je nach der Impulshöh' zu trenne!'!, lassen sieh entsprechende Signnlzüge durch Demodulation in Einrichtungen erfassen, die die an die Impulsdctektnren angeschlossenen A usnutzungs vorrichtungen sind.

Ausführungsheispiele zur Ausnutzung des Mechanismus zur Erzeugung des //,-/^-Verhaltens nach F i g. 2 und dieses Veihalten sind in der vorangehenden Beschreibung beschrieben. Das in F i g. 3 dargestellte I,-F₁ -Verhalten läßt sich ähnlich durch die Grenzflächenreflexion von Elektronen erklären.

Und zwar richtet sich, da das Verhalten nach F i g. 3 auftritt, wenn ein ausreichend starkes Horizontalfeld an das Element angelegt wird, das resultierende elektrische Feld bei einem schwachen Vertikalfeld F₁. unter F,„ in eine geringe Neigung von der Tangente der Grenzfläche 3 aus, und bei diesen Winkeln werden alle Elektronen im Kristall 1 an der Grenzfläche total reflektiert. Daher ist der in den Kristall 2 eindringende und durch den äußeren Kreis als /,· fließende Strom im wesentlichen 0. Bei einem Feld F_v etwas über F_vc entsprechend der Totalreflexion wächst die Zahl der vom Kristall 1 durch die Grenzfläche 3 zum Kristall 2 fließenden Elektronen rapide an. So wird der Strom /_rc bei F_IT, wie F i g. 3 zeigt. Dann steigert ein Anstieg des Vertikalfeldes F,_; die Konzentration und die Wanderungsgeschwindigkeil der Elektronen, die vom Kristall 1 zum Kristall 2 vordringen, und der Strom/,. wächst linear mit dem F^rcld F₁-.

Wenn man auch dieses Verhalten^ berücksichtigt, werden die Werte F_n, und F_n- einer Änderung unterworfen, wenn der eingestellte Wert von /·"/, geändert wird.

ίο Da der Verlikalstrom /,. im Bereich des Vertikalfeldes /,■ unter /Y_n. wie oben beschrieben, im wesentlichen 0 ist, läßt sich dieses Merkmal zur Strombegrenzung ausnutzen. Die F ι g. 7a, 7b und 7c zeigen die elektrische Schaltung, die Feldwellenform und die Stromwellenform einer StrmnhegrenzungsvorrichUing. In F i g. 7a ist eine gleichgerichtete Wcchsclstmmquelle an Stelle einer Gleichspannungsquelle nach den obigen Ausführungsbcispielcn angeschlossen. Wenn der Glp'chrii-htpr ein F.inweggleichrichter ist. wird im Bauelement ein elektrisches Wechsclfeld Fr erzeugt, wie durch die ausgezogene Linie in F i g. 7b gezeigt i^t. Da ein ausreichend starkes Horizontalfeld Fi, im Hement erzeugt wird, ist der Vertikalstrom /,· so lange 0, wie der Momentanwert des Wechselfeldes F₁. (für die Zeitperiode I₀) unter F,.„ ist, steigt plötzlich an. wenn der Momentanwert F₁. F₁₀ übersteigt, und ändert Meh sinusförmig, solange der Momentanwcrl F₁. (für die Zeitperiode I₂) /·",·„ übersteigt (s. ausgezogene Linie in F i g. 7c). Und zwar funktioniert diese Schaltung /'.ir Begrenzung des Slromflusses gegen einen sinu^'i^Tiiigcn Wechselstromeingang. Hier deuten in 1 i . ^h und 7c die gestrichelten Linien den Fall an. in tie* .Lt Gleichrichter ein Vollwellengleichrichtcr ist un<i .^;-s Bauelement in F i g. 7a durch eines mit einem y

trischen Aufbau entsprechend F i g. 4 ersetzt wi'v
Da weiter der Wert von F_ro durch den Wen 1.' ■
gelegten Feldes F/, im Bauelement geändert ■>■'-■■ ·■-"' kann, läßt sich das Verhältnis der Untcrbrec ■■ pcriode ■'„ zur Einschaltpcriodc r, leicht durch F

durch die Einstellung der variablen Gleichspan"
quellen En steuern, die an die Elektroden 6 unu '· ■■·'< Bauelements angeschlossen ist.

Wie die vorstehende Beschreibung zeigt, Y.v' ' ein Strombegrenzer bilden, der einfach im ΛιιΠν · >■' leicht einzustellen ist.

In der vorstehenden Beschreibung wenJ^'^{1 v}
Ausführungsbeispiele vorgeschlagen, bei denen ' ■ ■ kreise zur Ausnutzung von /,· und //, gelrenn: π

Bauelement angeschlossen sind. Es sollen mi't ■.■■■ ^; türen mit einer von diesem Bauelement abgc^;. 1 Kombination von //, und Iv und Erzielung bcsv■..-.■■■ '■'-' Schaltkreiseigenschaften im folgenden bescli: !·:'·-"

werden.

F i g. 8 zeigt ein elektrisches SchaltungsdÜL/^m

eines Ausführungsbeispiels eines Bauelement- η it negativem Widerstand. Tn F i g. 8 sind Elektr^cn 4 und 6 über Anschlußdrähte 8 und 10 an eine Verbindungsstelle 12 angeschlossen. Eine Elektrode 5 is· mit der Anode einer variablen Gleichspannungsquei-c £V

verbunden, deren Kathode an eine Verbindung¹. -He 13 angeschlossen ist. Eine Elektrode 7 ist über einen Anschlußdraht 11 mit einem Ende eines Widei v.andes /?/, verbunden, dessen anderes Ende mit der Anode der variablen Gleichspannungsquelle Eh verbunden ist.

Die Kathode dieser Gleichspannungsquelle En ist mit der Verbindungsstelle 13 verbunden. Zwischen den Verbindungsstellen 12 und 13 ist ein Stromverbraucher Rv angeschlossen, und ein Strom / = I_h + h- fli^eßt

durch diesen Verbraucher R₁. In Fig. 8 bezeichnen mit dem Bauelement zusammenhängende Bczugsziffern gleiche Teile wie in F i g. 1.

Bei dieser elektrischen Schaltung wächst, wenn die Spannung der Gleichspannungsquelle /:',. von 0 V nach und nach steigt und die Spannung der Gleichspannungsquelle /-.'/, auf 0 V eingestellt ist, der Vertikalstrom /,', der durch die Übergangsgrenzflächc 3 Hießt, schrittweise an, und der Strom /, der durch den Verbraucher /v_r Hießt, wächst. Wenn die Spannung, die von Ev zwischen den Elektroden 4 und 5 angelegt ist, auf eine bestimmte Spannung I⁷,/ fixiert wird, wächst, wenn die Spannung/:/, \on OV nach und nach gesteigert wird, der Strom /,,, der durch die Grenzfläche 3 fließt, wie oben beschrieben ist, und daher wächst der resultierende Strom / noch. Dieser Anstieg des Stromes / sel/t sich fort, bis die von der Quelle Ei, zwischen den Elektroden 6 und 7 angelegte Spannung Vum erreicht und der Snom / l_mai in F i g. 9 wird. Wenn die Spannung Ei, noch weiter gesteigert wird. sinkt der Strom / mit dem Anstieg der Spannung und fällt auf den Minimalstrom /„„■„ bei I)₁₁₁, ab. Wenn die Spannung von Ei, weiter gesteigert wird, wächst der Strom / fast linear. Das Auftreten dieses negativen Widerstandes läßt sich folgendermaßen erklären. Wenn die Spannung Vi, Vi_11n wird, beginnt die Reflexion der Elektronen an der Grenzflüche 3 rapide zu steigen. In diesem Stadium kann nur ein Teil der Elektronen im Kristall 1 durch die Grenzfläche in den Kristall 2 eindringen, um einen Vertikalstrom /,· zu bilden, und der Rest der Elektronen ist durch die Reflexion an der Grenzfläche am Eindringen durch die Grenzfläche 3 in den Kristall 2 verhindert und wandert im Kristall 1 unter Bildung eines Hori/ontalstroms //,. Die Flektronen, die //, bilden, wandern jedoch auf Grund der geometrischen Gestaltung des Bauelements durch eine relativ dickere Zone als die für die Elektronen, die I_n bilden, und daher läßt sich der Abfall des Stromes /,· der durch die Grenzfläche dringenden Elektronen durch den Anstieg des Stromes //, nicht kompensieren. Also tritt ein Abfall des resultierenden Stromes / = //, ■- /,■ auf. Im Bereich eines solchen ncgamcn Widerstandes wächst die Zahl der reflektierten Elek tronen mit einem Anstieg der Spannung Ei,, und der resultierende Strom / nimmt weiter ab.

Wenn die Spannung V₁, zwischen den Elektroden 6 und 7 V'iu, wird, werden die Elektronen im Kristall 1 total an der Grenzfläche 3 reflektiert, und daher verschwindet der Strom/r, der durch die Grenzfläche fließt, so daß sich der Minimalresultierstrom, der allein 5^r~> h entspricht, ergibt. Bei einer Spannungsanlegung über ft,,, steigt die Geschwindigkeit der Elektronen, die im Kristall 1 längs der Grenzfläche v.ainitin. entsprechend der angelegten Spannung, und daher steigt der Strom It₁, d. h. auch /, fast linear mit der Spannung. F i g. 9 zeigt die Kurve der Beziehung dieses Stromes / zu den Spannungen V_v und Vn- Wie diese Figur zeigt, tritt ein negativer Widerstand im Spannungsbereich zwischen V_hm und V_hn auf.

Wie sich aus dieser Figur entnehmen läßt, entspricht das Auftreten des negativen Widerstandes der Übergangszone, in der die Reflexion der Elektronen im Kristall 1 an der Grenzfläche 3 stark wächst und dann zur Totalreflexion führt. Weiter läßt sich feststellen, daß eine solche Reflexion von der Richtung des resultierenden elektrischen Feldes abhängt, das im Bauelement erzeugt ist. Wenn daher die Einstellspannung Vtif geändert wird, werden die Spannungen Vj_11n und I'/,/,, bei denen ein negativer Widersland auftritt und verschwindet, der Maximalstrom l_max und der Minimalstrom l_mi„ ebenfalls einer Änderung unterworfen. So läßt sich das Gebiet des negativen Widerstandes und der negativen Leitfähigkeit leicht verlieren.

Wenn weiter das Bauelement so ausgelegt ist, daß der Abstand zwischen den Elektroden 6 und 7 groß wird, wird die Änderung der elektrischen Feldkomponenle Fi, entsprechend der Änderung der angelegten Spannung V₁, natürlich klein, und daher wird der Unterschied zwischen den Spannungen Vi,,,, und V),„, bei denen der schnelle Anstieg der Reflexion beginnt und die Totalreflexion auftritt, groß. So läßt sich der .Spannungsbereich des negativen Widerstandes erweitern.

Fine Schaltung mit negativem Widerstand mit den vorstehenden Eigenschaften kann eine solche Funktion wie Verstärkung und Schwingung durch eine geeignete Abwandlung oder Modifikation des Kreises ausüben.

Fig. 10 zeigt ein Blockdiagramm eines Mikroweiiengeneralors mit Ausnutzung der vorstehenden Schaltung, bei dem ein Bauelement mit einer elektrischen Schaltung nach Fig. 8 in einem Hohlraumresonator enthalten ist. wobei die Spannungsquellen E,- und Ε/, in den Negativwiderstandsbereich eingestellt sind. In einem solchen System und unter solchen Bedingungen bewirken die Elektronen im Bauelement eine Wechselwirkung mit dem elektrischen Hochfrequenzfeld der Resonanzfrequenz, die in das Bauelement eingedrungen ist, und erzeugen Mikrowellen. Die erzeugten Mikrowellen werden durch eine Ausnutzungsvorriehlung abgeleitet, die an den Resonator angeschlossen ist, erfaßt und moduliert.

Obwohl der vorstehende Mikrowellengenerator eine übliche Schaltkreisstruktur verwendet, in der ein Bauelement mit negativem Widerstand in einem Hohlraumresonator enthalten ist. kann er Mikrowellen von extrem hoher Frequenz erzeugen, da er einen negativen Widerstand auf Grund der Elcktronenreflexion ausnutzt, die durch das elektrische Feld steuerbar ist.

Da sich weiter das Negativwiderstandsverhalten je nach dem Einstellwcrt von E₁- ändert und die negative Leitfähigkeit leicht variiert werden kann, hat dieser Mikrowcllengeneraior derartige Vorteile, daß die Einstellung des Beginns der Schwingung durch die Änderung der negativen Leitfähigkeit und das Zusammenpassen dieser Leitfähigkeit mit der VerbraucherleitfÜMigkcii einer Vi ikroweiienausn übungsvorrichtung leicht erreichbar sind.

Ein Bauelementaufbau mit Halbleiterzonen verschiedener Effektivmasse mit einem ÜLjrgang dazwischen läßt sich erreichen, indem man ein Halbleitermaterial verwendet, in dem das Leitungsband für Elektronen und das Valenzband für positive Löcher usw. eine zusammengesetzte Bandstruktur bilden, und das Material so dotiert, daß man eine Halbleiterzone hohen Widerstandes und die andere Halbleiterzone niedrigen Widerstandes bildet. Bei einem solchen Aufbau wird, wenn man an das Bauelement eine Spannung anlegt, ein starkes Feld in der Zone des größeren Widerstandes erzeugt, und die meisten Ladungsträger werden durch die starke Felderregung zum Untereneigieband bewegt. In der Zone des schwachen elektrischen Feldes bleiben die meisten Ladungsträger gegen die schwache Felderregung im Hauptenergieband. Dann tritt auf Grund des Unterschiedes der Effektivmasse in diesen beiden Bändern eine Ladungsträgerreflexion an der Grenzfläche der Halbleiterkristallzonen auf.

Weiter läßt sich das vorliegende Bauelement auch herstellen, indem man einen Halbleiterkristall erheblicher Anisotropie verwendet. Dabei wird ein solcher Kristallkörper 1 so geschnitten, daß eine Übergangsoberfläche senkrecht zur Richtung der geringsten Effektivmasse entsteht. Auf einer solchen Oberfläche läßt man einen Halbleiterkristall 2 hohen Widerstandes epitaxial aufwachsen.

Bei diesem Aufbau legt man eine elektrische Spannung senkrecht zur Grenzfläche an, um ein Feld F_v in den Halbleiterkristallen 1 und 2 zu erzeugen. Der Kristall 2 zeigt einen äußerst hohen Widerstand gegen die über die Elektroden 6 und 7 parallel zur Grenzfläche angelegte Spannung. So tritt die Wirkung dieser Spannung nicht in den Kristall 2 ein. Daher existiert in der Kristallzone 2 nur das elektrische Feld senkrecht zur Grenzfläche, und so ist die Effektivmasse der Ladungsträger in dieser Richtung minimal. In der Kristallzone ί wird ein resultierendes Feld erzeugt, und die Ladungsträger haben die Effektivmasse entsprechend der Richtung dieses resultierenden Feldes. Dtc.v

Tcktivmassc

ist natürlich größer als die minimale Effektivmasse in der Zone 2. So bildet die Grenzflüche 3 eine Grenzfläche /.wischer Zonen verschiedener Effektivmasse, und daher stellt sie eine Reflexionsfläche für die Ladungsträger dar, die von der Zone 1 zur Zone 2 vordringen.

Weiter läßt sich eine Grenzfläche verschiedener Effektiv masse auch herstellen, indem man HeteroÜbergänge verwendet, in denen verschiedene Arten von Halbleiterkrislallen eine Grenzfläche bilden. In einem HeteroÜbergang, der aus einem n-Halbleilermaterial 1 der größeren Effektivmasse»;, und einem anderen !!-Halbleitermaterial 2 der geringeren Effektivmasse nu gebildet wird, kann jedoch, wenn die Anode der Gleichspannungsquelle/:, mit der Zone 2 verbunden ist. eine Sperrwirkung entsprechend einer Sperrspannung eines pn-Übcrganges eines gewöhnlichen homogenen Überganges in einigen Materialkombinationen auftreten. In Fällen solcher Kombination wird vorzugsweise ein pn-Übergang an Stelle eines n-n-Übcrganges zur Verbesserung der Stromsteuerung verwendet.

Es ist aus der vorstehenden Beschreibung klar, daß zwei elektrische Felder verschiedener Orientierung in einem zusammengesetzten Halblcitcrkristall mit einer Übergangsgrenzfläche verschiedener Effektivmassen erzeugt werden und eine der Feldstärken durch eine variable Spannungsquelle gesteuert wird, um die Richtung des resultierenden elektrischen Feldes und die entsprechende Reflexion an der Grenzfläche zu steuern. So lassen sich einzigartige elektrische Eigenschaften erreichen. Um ein empfindliches Ansprechen der Grenzflächenreflexion auf das Steuerfeld zu erreichen, isv es erforderlich, eine im wesentlichen gleichmäßige Feldverteilung im Bauelement zu sichern. Hierzu ist es nötig, den Randfeldeffekt zu unterdrücken, der sich an den Endteilcn bildet, indem man in geeigneter Weise die Gestalt, Abmessungen und den Widerstand der beiden Krislallzoncn und die Formen und Lagen der angeschlossenen Elektroden auswählt.

In den bisherigen Aufbaubeispielen werden beide elektrische Felder durch Anlegen äußerer Spannungen erzeugt. Indessen ist auch der folgende Aufbau möglich, bei dem ein elektrisches Feld vorher im Bauelement als ein inneres Feld und das andere elektrische ^ch eine Stcucrspannungsquelle erzeugt werden, n«u\ an das Bauelement anschließt, und das resultierende Feld durch die Steuerspannungsquelle gesteuert wird.

Zum Beispiel fertigt man den Kristall 1 aus einem Mischkristall, in dem das Zusammensetzungsverhältnis kontinuierlich längs der Dickenrichtung variiert wird. In einem solchen Kristall 1 wird ein inneres Feld F_iv in der Dickenrichtung erzeugt (F i g. 11). Ein anderes elektrisches Feld F_h wird durch eine Steuerspannungsquelle E), über die Elektroden 5 und 6 erzeugt. Bei

ίο einem solchen Feldaufbau ist die an eine äußere Spannungsquelle anzuschließende Elektrode 4 zur Bildung eines Vertikalfeldes F_v nicht erforderlich und kann daher ausgelassen werden. Und ein Vertikalstrom /,. kann über die Elektroden S und 7 abgenommen werden. So hat das Bauelement in diesem Fall drei Anschlüsse. Fig. 11 zeigt die elektrische Schaltung mit einem Bauelement, das ein inneres Feld enthält. Gemäß Fig. Π wird ein inneres Feld Fi, in dem Bauelement erzeugt, und die elektrischen Schah ungsverbindungen werden über die drei Anschlüsse vorgenommen.

Weiter wird bei einem anderen Ausführungsbeispiel ein Steuermagnetfeld an das Bauelement angelegt, um das induzierte elektrische Hall-Feld einem der beiden elektrischen Felder zu überlagern und die Grenzflächenreflexion zu steuern.

Der Aufbau, Betrieb usw. der grundsätzlichen Ausführungsbeispiele der Erfindung wurden bisher im einzelnen beschrieben. Nun sollen die Herstellung und der Aufbau der Bauelemente und die Eigenschaften der Schaltungen an Hand von Zahlenbeispielen dargelegt werden.

Beispiel 1

Die (lOO)-Fläche eines n-GaSb-Einkristalls mit einem Widerstand von 8 Ohm · cm wird geschliffen und auf Spiegelgüle poliert und dann zur Entfernung mechanischer Spannungen geätzt. Unter Verwendung dieses Kristalls als Unterlage läßt man GaSb auf dieser Fläche nach dem Dampfepkaxialverfahren unter Zugabe von Sn bis zu einer Dicke von 1 bis 2 μ aufwachsen, um eine Aufwachsschicht mit einem Widerstand von 0,6 Ohm · cm zu schaffen.

Die Rückseite des Unterlagekrislalls wird geschliffen und poliert, um die Dicke der Unterlage auf etwa 150 μ zu bringen. Auf diese polierte Fläche und die Fläche mit der aufgewachsenen Schicht wird Gc-haltiges Au aufgedampft und wärmebehandelt, um ohmsch angeschlossene Elektrodenschichten zu schaffen. Ein Plättchen von 2 · 0,5 mm wird aus diesem Kristall herausgeschnitten. Auf die parallelen Endflächen des Unterlagekristalls dieses Plättchens, die in einem Abstand von 2 mm sind, wird Ge-haltiges Au aufgedampft und wärmebehandclt, um ein Paar von ohmsch angeschlossenen Elektroden an den Unterlage Endflächen auszubilden. Weiter werden Au-Drähte an diesen Elektroden und Elektrodenschichten angebracht, um Anschlußdrähte darzustellen.

Durch diese Herstellungsschritte wird ein Bauelement mit einem in F i g. 1 dargestellten Aufbau hergcstellt. Hier ist der Kristall 1 der n-GaSb-Kristall mi einem Widerstand von 8 Ohm · cm, und der Krislall ί ist die aufgewachsene n-GaSb-Schicht mit einen Widersland von 0.6 Ohm · cm.

Das Leitungsband des GaSb-Kristalls hat eine zu sammengesetzte Bandstruktur. Wenn eine Spannunj von außen an das Element in der zur Übergangsfläch senkrechten Richtung angelegt wird, werden eil starkes elektrisches Feld in dem Kristall 1 höhet

Widerstandes und ein schwaches elektrisches Feld in di:-!i Kristall 2 niedrigen Widerstandes erzeugt. Wenn diese angelegten Spannungen in geeigneten Bereichen b!e:ben. werden einerseits die meisten Elektronen im Kristall 1 erregt und zum Unterenergieband größerer EITektivmasse angehoben, und andererseits bleiben die n-eiiten Elektronen im Kristall 2 auf Grund unzureichender Felderregung im Hauptenergieband gerin- £C!v?r EfTektivmasse, und so bildet dieOrenzfläche 3 c!:-:e Grenzfläche verschiedener Effektivmasse für Elektronen.

Dann wird dieses Element angeschlossen, wie in ":-' i tr. S dargestellt ist, um eine Schaltung zu bilden. } :·! diesem Schritt werden Widerstände von 1 kD und :. Ω als R_h bzw. R₁ der F i g. 8 angeschlossen.

In der vorstehenden Schaltung steigt, wenn die -, .'i Lible Gleichspannungsquelle E_h auf 0 V eingestellt wird und man die andere Spannungsquelle £₍. schrittweise von OV ansteigen läßt, der durch den Widerstand R₁ fließende Strom /, wie in F i g. 12 dargestellt Wi. und erreicht 10,7 mA, wenn die Spannung V,-.Y-.ischer. den Elektroder, 4 und 5 0.15 V wird. Bei Festlegen der Spannung Γ,- auf diesen Wert in diesem betriebszustand wird die Spannung \'_h zwischen den Elektroden 6 und 7 von OV schrittweise gesteigert. Dann wächst der Strom/ ständig und erreicht "den Maximalwert 32 mA bei V_h =.- 5,2 V. Bei einer Spannung V_h über diesen Wert zeigt das /-Κ/,-Verhalten einen negativen Widerstand, und der Strom / erreicht den Minimalwert 0,4 mA bei V_h = 5,5 V. Wenn die Spannung Y\ weiter steigt, steigt der Strom wieder in nahezu linearer Abhängigkeit.

Das Vorstehende ist ein Beispiel der Eigenschaften dieser Schaltung. Wenn die eingestellte Spannung E, variiert wird, ändert sich das vorstehende Verhalten gleichfalls entsprechend der Variation. Bei einer größeren Spannung E,- wird der negative Widerstand kleiner.

Eine Gleichspannung K₁- — 0,15 V wird zwischen den Elektroden 4 und 5 des obigen Bauelements angelegt, und eine Impulssignalquelle, die eine Impulsreihe einer Wellenhöhe 4 V und eine andere Impulsreihe einer Wellenhöhe 8 V erzeugt, wird mit der Elektrode 7 verbunden, um die Schaltung nach Fig. 5 zu bilden. Bei dieser Schaltungsanordnung erzeugt die Impulsreihe der Wellenhöhe 4 V eine Impulsreihe entsprechend dem Strom /,-, der durch den Stromkreis fließt, der die Elektroden 4 und 5 verbindet, und die andere Impulsreihe der Wellenhöhe 8 V erzeugt eine Impulsreine entsprechend dem Strom In, der durch den Stromkreis fließt, der die Elektroden 6 und 7 verbindet. So wird die Trennung der Impulssignale erreicht. Weiter werden bei den Herstellungsschritten dieses Bauelements in einem weiteren Beispiel die Dimensionen des Plättchens, das auszuschneiden ist, zu 1,5 · 6 mm gemacht, und die aufgedampfte Elektrode dieses Plättchens wird mit einem Kupferblock großer Wärmekapazität verbunden, um diesen als Wärmeableiter zu verwenden. Mit Ausnahme dieser Punkte wird ein Bauelement nach den gleichen Schritten wie oben hergestellt. Wenn eine Gleichspannung von 16,5 V zwischen den Elektroden 6 und 7 angelegt wird und man die Elektrode 5 mit der Wechselspannungsquelle von 0,3 V mit Einweggleichrichtung verbindet, ist der Strom /,. für Spannungen unter 0,15 V 0 A und beginnt erst bei dier^r Spannung zu fließen. Der Maximalstrom ist 0,41 A. Und zwar sind dk Phasenwinkelberciche der angelegten Wechselspannung, bei denen

der Strom /,. am Fließen verhindert wird, 0° «9<30 und 150⁼ < Θ < 180% und der Phasenwinkelbereich in dem der Strom I₁. fließen kann, ist 30° < Θ < 150° Diese Phasenwinkel ändern sich ebenfalls, wenn dei Spitzenwert der angelegten Wechselspannung variier wird. Zum Beispiel wird bei einer Wechselspannung mit einem Spitzenwert von 0,16 V der Maximalstrorr 0,33 A, und der Phasenwinkelbereich, in dem dei Strom /,· am Fließen verhindert wird, ist

0° < Θ < 69,40°

und 110,20^c < Θ < 180°. Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, läßt sich mit einer solchen Vorrichtung eine Stromsteuerung erreichen.

Beispiel 2

Die (lll)-Fläche eines n-GaP-Einkristalls mit einei Ladungsträgerkonzentration von 7 · 10¹⁵ cm"³ und einer Elektronenbeweglichkeit von 100 cm²/Vsec wird geschliffen und poliert und dann mit einem Ätzmittel behandelt. Beim Verwenden dieses Kristalls als Unterlage läßt man eine n-GaAs-Schicht mit einer Trägcrkonzentration von 5 · 10¹⁵ era"³ und einem Widerstand von 0.1 Ohm ■ cm epitaxial auf die Oberfläche bis zu einer Dicke von 3 μ durch Gasphasenreaktion des Ga-AsCl₃-H,-Systems aufwachsen.

Die Rückseite der Unterlage aus diesem Kristallkörper wird geschliffen, um die Dicke der Unterlage auf etwa 300 μ zu bringen. Auf diese geschliffene Seite und die Seite mit der aufgewachsenen GaAs-Schicht wird Ge-haltiges Au aufgedampft und dann wärmebehandelt, um ein Paar von ohmsch angeschlossenen Elektrodenschichten am Kristallkörper zu bilden. Aus diesem Kristallkörper wird ein Plättchen von 0,5-2 mm ausgeschnitten, und die Schnittflächen werden geschliffen und geätzt. Dann wird auf den entgegengesetzten Endseiten der Unterlage, die einen Abstand von 2 mm haben, Ge-haltiges Au aufgedampft und wärmebehandelt, um ein Paar von ohmsch angeschlossenen Elektroden an diesen Endseiten der Unterlage zu bilden. An diesem Paar von Elektroden und dem Paar von Elektrodenschichten werden Au-Drähte als Anschlußdrähte angebracht. Es ist klar, daß dieses Element einen ähnlichen Aufbau wie den nach F i g. 1 hat, wo der Kristall 1 der GaP-Kristall und der Kristall 2 der GaAs-Kristall sind. So ist das Bauelemenl offensichtlich ein Bauelement mit HeteroÜbergang. In GaP- und GaAs-Kristallen ist die Effektivmasse eines Leitungselektrons im ersteren größer. So bildet die Übergangsgrenzfläche 3 zwischen diesen Kristallen eine Grenzfläche verschiedener Effektivmasse, die sich für die Reflexion von Elektronen auswirkt.

Als das Spannungs-Strom-Verhalten des vorstehenden Elements beim Anlegen einer Gleichspannung zwischen dem Paar von Elektroden 4 und 5, wobei dei GaAs-Krislall mit der Anode der Spannungsquelle verbunden wurde, gemessen wurde, zeigt das Bauelement ein Verhallen entsprechend dem Durchlaßverhalten eines üblichen pn-Übergangs mit einer Anstiegsspannung bei 0,6 V, beim Verbinden des GaAs-Kristalls mit der Kathode der Stromquelle dagegen ein sogenanntes Sperrverhalten und ein langsames Isolationsdurchschlagsverhalten bei einer Durchschlagsspannung von etwa 7 V.

Widerstände von 300 und 2 Ω werden als R)₁ und R, in der Schallung nach F i g. 8 verwendet, um einer negativen Widerstand zu schaffen.

Die Spannung Eh der Figur wird zunächst auf O V eingestellt, und die Spannung E₀ läßt man schrittweise ansteigen. Dann steigt der durch den Widerstand Ri fließende Strom /, wie F i g. 13 zeigt, an und erreicht einen Wert von 23 mA bei V_v = 1,2 V. Man fixiert die Spannung V_v auf 1,2 V und steigert die Spannung I-'a der Quelle E_h schrittweise. Dann steigt der Strom /

element ein Negativwiderstandsverhalten, und der Strom nimmt auf 2,4 mA bei V_h = 10,8 V ab. Wenn die Spannung V\ weiter gesteigert wird, steigt der Strom im wesentlichen linear dazu an.

Bei der vorstehenden Anordnung kann, wenn der Wert der eingestellten Spannung V₁. von 1,2 V auf 0,8 V geändert wird, der Maximalstrom von 36 mA bei V₁₁ = 6,7 V fließen, und der Minimalstrom von 1,6 mA kann bei V₁₁ = 7,2 V fließen. So werden der er Wert des negativen Wider-

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Wegen des Auftretens eines solchen negativen Widerstandes können ein Impulssignalseparator und ein St rom begrenzer unter Verwendung dieses Bauelements geschaffen werden.

Beispiel 3

Bei den Herstellungsschrittcn nach Beispiel 2 wird die Unterlage auf eine Dicke von 150 μ geschliffen. während alle anderen Einzelheiten beibehalten werden. um ein Bauelement nach Beispiel 3 zu bilden. Ein Schaltelement, das durch ein Magnetfeld steuerbar ist, läßt sieh unter Verwendung dieses Bauelements herstellen. F i g. 14 zeigt eine elektrische Schaltung einer solchen Schaltvorrichtung, bei der das Bauelement in einer ähnlichen Schaltungsanordnung wie der nach F i g. 8 angeschlossen und außerdem zwischen einem Paar von Elekiromagnetpolen 14 angeordnet ist. liier sind die Magnetpole 14 so angeordnet, daß ein magnetisches Feld 15 parallel zur Grenzfläche 3 und den Elektroden 4 und 5 und senkrecht zur Verbindungslinie der Elektroden 6 und 7 gerichtet ist.

Bei der vorstehenden Schaltung kann, wenn die Spannung V₁. zwischen den Elektroden 4 und 5 auf 0.8 V eingestellt wird und man die Spannung Vi, zwisehen den Elektroden 6 und 7 von 0 V steigert, der Maximalstrom von (18 mA bei Vi, ■■--■■- 13,3 V fließen, und ein negativer Widerstand tritt bei V/, "> 13.3 V auf. Wenn man hier den Wert von Vi, bei oder etwas unter 13,3V fixiert, sinkt, wenn die Elektromagnete erregt werden, um ein Magnetfeld 15 von etwa iß zwischen den Magnetpolen in der Richtung von der Vorderseite zur Rückseite des Papiers entsprechend F i g. 14 zu bilden, dieser Strom sehr schneU

^aUl ' ■ -' · , durch ein Magnetfeld ein Um-

iicii z-wei Strömen erreichen. Diese Erwird angenommen, ergibt sich, da die τ die durch das angelegte Magnetfeld

,„__ _ in weitem

Maß durch Mitverwendung der Magnetfeldar.legung zugleich mit dem /-(^-Verhalten der Schaltung variiert werden. Und zwar tritt gemäß F 1 g. 14 beim Fixieren d-'s anceleeten Magnetfelds 15 auf eine bestimmte Stärke "ein "negativer Widerstand bei einem anderen Wert von V_n als in dem Fall, daß kein Magnetfeld vorliegt auf, wenn die Quellenspannung E_h \ariien wird.

If ist.' obwohl als Beispiele n-IH-V-Halbleiierkristalle als Material der Bauelemente der Ausführungsbeispiele anneceben sind, auch möglich, p-Krisiaile zu verwenden und einen Elementaufbau anzuwenden, bei dem eine Grenzfläche verschiedener Effcklivmasse für positive Locher gebildet wird, oder auch andeu- I IaIblciterkristalle als solche der Ill-V-Gruppe i. verwenden.

Da die criinduncsgemäße Schaltung auf der Steuerung der Reflexion der Majoritätsladungstrügcr an cine'r Grenzfläche verschiedener Effektivmasse durch das aneelcme elektromagnetische Feld basiert, ist das Ansprechen der Ladungsträger auf das Steuersignal schneller als d;is der bekannten Halbleiierelcniente mit Cii-ÜbeiJÜngcn und kann ausreichend den Ihvhfrequcnzsitinalcn folgen und damit dem Stand der Technik überlegene liochfrequcnzcigcnsehal'ten liefern.

Da weiter das elektrische Feld im Bauelement /ur Steuerung der Wanderbett cgungsrichtung von Laduncslräeern dient, ist ein. starkes Feld wie im Fall eines Halblcitcrclcmcnts mit negativer Voh.menleitfähiükeit nicht erforderlich. So verbraucht die erfindunl'Sücmäße Schaltung sehr wenig elektrische Energie im Ycr<ilcich zu diesem Halbleiterbauelement und crmöülieht einen aktiven Betrieb mit höherem Wirkungsgrad.

Da außerdem die elektrischen Eigenschaften der cifmdunüssiemäßcn Schaltung durch die Einstellbedinuunsen leicht variiert werden können, ist nicht nur die Einstellung oder die Steuerung des Betriebs leicht, sondern läßt sich auch eine weite Auswahl von Funktionen erreichen, indem man einen bestimmten Auswertungskreis anschließt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Schaltung zum Betrieb eines Halbleiterbauelements zur Steuerung der Ladungsträgerreflexion an der Grenzfläche eines Paares von Halbleiterkristallzonen mit verschiedener Effektivmasse der Ladungsträger, mit einem Halbleiterkörper mit wenigstens einem Paar von miteinander verbundenen Zonen, von denen jede aus einem Halbleiter- xo kristall besteht, die so ausgewählt und angeordnet sind, daß die durch die Grenzfläche der verbundenen Zonen tretenden Ladungsträger verschiedene Effektivmassen in den beiden Zonen haben, gekennzeichnet durch einen ersten Schaltkreis (8, 9) zur Bildung eines Strompfades für die durch die Grenzfläche tretenden Ladungsträger; einen zweiten Schaltkreis (10,11) zur Bildung eines Strompfades für die Ladungsträger, die an der Grenzfläche reflektiert werden und nur in einer Zone (z. B. 1) mit der größeren Effektivmasse der Ladungsträger wandern; Mittel (E,., E_h) 7\\x Erzeugung einer Mehrzahl von elektrischen Feldern im Halbleiterkörper, wovon wenigstens ein Feld eine gegenüber dem Rest verschiedene Richtung aufweist und wobei die Feldstärke wenigstens eines der elektrischen Felder so variabel ist, daß ein resultierendes Feld dieser Felder die Richtung erhalten kann, bei der sich die Totalreflexion der Ladungsträger auf Grund des Unterschiedes der Effektivmassen an der Grenzfläche (3, 3') ergibt, was /M einer plötzlichen Änderung des elektrischen Stroms in den Strompfaden führt.

2. Halbleiterbauelement für eine Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper nur ein Paar von Zonen (1,2) aufweist.

3. Halbleiterbauelement für eine Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper drei schichtförmig aufeinanderfolgende Zonen (1, 2, 2') mit zwei parallelen Grenzflächen (3, 3') aufweist, daß die beiden äußeren Zonen (2, 2') aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen und symmetrisch angeordnet sind und daß der Halbleiterkristall für die mittlere Zone (1) so gewählt und angeordnet ist, daß sie eine größere Effektivmasse der Ladungsträger als die beiden äußeren Zonen (2, 2') aufweist (Fig. 4).

4. Halbleiterbauelement für eine Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den entgegengesetzten Endflächen des Halbleiterköripers, die parallel zur Grenzfläche (3) eines Paares von Zonen (1,2) liegen, ein Paar von Elektroden «4, 5) für den ersten Schaltkreis (8, 9) vorgesehen ist und daß an den entgegengesetzten, zu dieser Grenzfläche (3) senkrechten Endflächen der Zone (1) tnit größerer Effektivmasse der Ladungsträger ein Zweites Paar von Elektroden (6, 7) für den zweiten Schaltkreis (10, 11) vorgesehen ist.

5. Schaltung nach Anspruch 1 zum Betrieb eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der felderzcugenden Mittel eine erste Spannuiigsquelle [E₁) ist, die im ersten Schaltkreis (8, 9) angeschlossen ist, und das andere der felderzeugenden Mittel eine zweite Spannungsquellc (Eh) ist, die in dem zweiten Schaltkreis (10, 11) angeschlossen ist.

6. Schallung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Spannungsquelle eine Im pulsquelle zur Erzeugung von Impulsen mit verschiedener Impulshöhe unifaßt und die erste Spannungsquelle (E_v) eine variable Gleichspannungsquelle ist, derart, daß die Impulse mit einer Impulshöhe über einem einer gegebenen Spannung der Gleichspannungsquelle entsprechenden Wert das resultierende Feld bilden, das die Totalreflexion ergibt, und ein Ansprechen im zweiten Schaltkreis bewirken und die Impulse mit einer Impulshöhe unter diesem Wert ein Ansprechen im ersten Schaltkreis hervorrufen.

7. Schaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen vorgesehen ist, die in Kaskadenschaltung derart verbunden sind, daß ihre zweiten Schaltkreise in Reihe geschaltet sind, und daß die Halbleiterbauelemente so ausgebildet sind, daß die Impufshöhe, bei der die Totalreflexion bewirkt wird, in jedem dieser Halbleiterbauelemente verschieden ist, so daß eine Impulshöhenunterscheidung durch die Reihe der Halbleiterbauelemente erzielbar ist (F i g. 6).

8. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannungrquelle einen Wechselspannungsgenerator mit einem Gleichrichter umfaßt und die zweite Spannungsquelle (E/,) eine variable Gleichspannungsquelle ist, so daß die Wechselspannung einen Strom im ersten Schaltkreis erzeugt, der bei Spannungswerten im Bereich über einem einer gegebenen Spannung der Gleichspannungsquelle entsprechenden Wert begrenzt ist (F i g. 7).

9. Schaltung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Spannungsquelle variable Gleichspannungsquellen (£,·, E_h) sind und der erste und der zweite Schaltkreis über einen gemeinsamen Widerstand verbunden sind, so daß bei einer gegebenen Spannung der ersten Spannungsquelle der durch den Widerstand fließende Strom negatives Widerstandsverhalten gegen die Spannungen der zweiten Spannungsquelle auf Grund der Totalreflexion der Ladungsträger aufweist (Fig. 8).

10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eir. Hohlraumresonator vorgesehen ist, in dem sich das Halbleiterbauelement befindet, und eine Mikrowellenausnutzungsvorrichtung mit dem Resonator gekoppelt ist, so daß die auf Grund des negativen Widerstands erzeugten Mikrowellen zu der Ausnutzungsvorrichtung übertragen und dort ausgenutzt werden (Fig. 10).

11. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (14) zum Anlegen eines Magnetfeldes (15) an das Halbleiterbauelement in der zur Grenzfläche (3) parallelen und zu der die zur Grenzfläche (3) parallelen Elektroden (4, 5) verbindenden Linie senkrechten Richtung vorgesehen sind und daß bei einem gegebenen Spannungswert der ersten Spannungsquelle (E₁) die Spannung der zweiten Spannungsquelle (Ei,) auf einen Wert etwas unterhalb des Einsetzens der Ncgativwiderstandscigcnschaflcn einstellbar ist, so daß eine durch das Magnetfeld induzierte Hall-Spannung die Totalreflexion der Ladungsträger hervorruft und die plötzliche Verminderung des Stroms bewirkt, der durch den gemeinsamen Widerstand fließt (F i g. 14).

J 2. Halbleiterbauelement für eine Schall uno n.-irii

Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zone (1) größerer Effektivmasse der Ladungsträger aus einem Mischkristall besteht, dessen Zusammensetzung graduell in der Richtung senkrecht zur Grenzfläche (3) eines Paares von Zonen (1,2) derart variiert, daß ein inneres elektrisches Feld in dem Mischkristall gebildet und pJs eines der elektrischen Felder ausgenutzt wird.

13. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Anlegen eines Magnetfelds an das Halbleiterbauelement zur Erzeugung eines Hall-Feldes im Halbleiterbauelement vorgesehen ist und daß diese Magnetfeldeinrichtung eines der Mittel zur Erzeugung der elektrischen Felder ist.

14. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zone (1) größerer Effektivmasse der Ladungsträger aus n-GaSb höheren Widerstands und eine Zone (2) kleinerer Effektivmasse der Ladungsträger aus n-GaSb niedrigeren Widerstands besteht.

15. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zone (1) größerer Effektivmaf^w der Ladungsträger aus n-GaP besteht und eine Zone (2) geringerer Effektivmasse der Ladungsträger aus n-GaAs besteht.

Weiter wird bei allen Bauelementen mit PN-Übergängen, negativer Volumenleitfähigkeit und HeteroÜbergängen das Strom-Spannungsfl V)-Verhalten durch die Art, Eigenschaften, Gestalt und Abmessungen des HalbleitermateriaJs bestimmt, und daher ist ein willkürlich variabler Betrieb bei einer Vorrichtung mit diesen Bauelementen nicht zu erwarten.

Nach der eingangs genannten Veröffentlichung ist es bekannt, daß Ladungsträger an einer Grenzfläche zwischen Halbleiterkristallzonen mit verschiedener Effektivmasse /H₁ und m, der Ladungsträger nur reflektiert werden, wenn sie in der Richtung abnehmender Effektivmasse fließen. Weiter läßt sich aus der Wellengleichung für Elektronen, die sich in einem festen Körper ausbreiten, leicht ableiten, daß die Durchlässigkeit der Elektronenwelle, die zu einer Grenzfläche vordringt, normalerweise