DE2114918B2 - Mikrowellenoszillator vom lawinenlaufzeittyp - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Mikrowellenoszillator vom Lawinenlaufzeittyp unter Verwendung einer Halbleiterdiode mit negativem Widerstand.

Unter den vielversprechendsten Festkörperschaltelementen für Mikrowellenoszillatoren der bekannten Art zählen die sogenannten »IMPATTÄ-Typen, wobei dieses Wort von dem englischsprachigen Begriff »Impact Ionization Avalanche Transit Time« hergeleitet ist was vielleicht am besten mit dem Begriff Lawinenlaufzeittyp mit Aufschlagionisation übersetzt ist. Das Charakteristische an solchen Oszillatoren ist, daß sie als aktives Element eine Halbleiterdiode verwenden, welche ein Lawinengebiet und ein Driftgebiet zwischen den beiden Kathoden und anodenseitigen Endteilen aufweist und wobei durch Einführung einer geeigneten Laufzeit der lawinenartigen Ladungsträger in ihrem Weg über das Driftgebiet ein dynamischer negativer Widerstand erreicht wird.

Dabei haben sich zwei Diodenarten als zweckvoll bei ihrer Verwendung als aktive Elemente in Mikrowellenoszillatoren dieser Art herausgestellt. Die eine verwendet eine PNlN- (oder NPIP-) Struktur und ist in der USA.-Patentschrift 2 899 646 beschrieben, die andere Diode weist eine P+ PN+- (oder N+NP + -) Struktur auf und ist in der USA.-Patentschrift 270 293 beschrieben.

In dem Versuch Mikrowellenerzeuger mit größerer

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Ausgangsleistung herzustellen, sind schon verschie- Avalanche [Triggered Transit«. Dieser Begriff könnte dune Vorschlüge zur Erhöhung der Wirksamkeit etwa als Schwingungsart einer eingefangenen bzw. solcher Oszillatoren gemacht worden. So ist insbe- angelagerten Plosmalawine bei getriggerler Laufzeit sondere beispielsweise In der USA.-Putentschrift bezeichnet werden. Es handelt sich hierbei um eine 3 356 866 vorgeschlagen worden, eine Diode zu ver- c hochwirksame Schwingungsart eines »IMPATT«- wisiiden, welche ein PIPININ-Widerstandsprofil auf- Oszillators und schließt das Vorhandensein eines zuweist. Eine solche Diode arbeitet mit einem Lawinen- geordneten Schaltkreises mit einer zusätzlichen Resogebiet und einem Paar Driftgebiete und ist so entwor- nanz bei mindestens einer Subharmonischen der fen, daß sie beide Arten von Ladungsträgern verwen- »IMPATT«-Frequenz und die ausgangsseitige Entdet, um den negativen Widerstandseffekt vorzusehen. io nähme von Leistung bei dieser Subharmonischen ein. Insbesondere dadurch, daß man die Laufzeiten beider Darüber hinaus konnte noch festgestellt werden, daß Arten von Ladungsträgern durch die getrennten eine optimale Betriebsweise in der »TRAPATT«- Driftgebtete im wesentlichen gleich macht, trägt jeder Schwingungsart dann erreicht wird, wenn eine Ladungstyp zu dem negativen Widerstandseffekt bei, P 4- PNN + -Diode verwendet wird, die so entworfen so daß die Gesamtwirksamkeit verbessert wird. Es 15 ist, daß sie asymmetrisch ist, so daß ein Driftabschnitt scheint wichtig, darauf hinzuweisen, daß, um dieser in der »IMPATTe-Schwingungsart und der andere letzten Bedingung zu entsprechen, eino genaue Kon- Driftabschnitt in der »TRAPATIVSchwingungsart trolle der verschiedenen Schichten von entscheiden- gleichzeitig arbeitet,
der Bedeutung ist. Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise

Dabei hat es sich in der Praxis als schwierig her- 20 von Ausführungsbeispielen der Erfindung sowie Anausgestellt, diese Kontrolle dort durchzuführen und gaben zur Herstellung solcher Dioden an Hand der zu erreichen, wo Strukturen bei sehr hohen Frequen- Figuren im einzelnen naher erläutert, dabei zeigt
zen eingesetzt werden und wo die verschiedenen Fig. 1 in nicht maßstabgerechter Darstellung eine Zonen sehr dünn sein müssen, um angemessene kurze P+ PNN+ -Diode der für die vorliegende Erfindung Laufzeiten zu erreichen. Insbesondere bei Frequen- 25 verwendeten Art,

zen, bei denen diese Anordnungen besonders attrak- F i g. 2 eine Mikrowellenquelle unter Verwendung

Uv sind, werden Driftgebiete von etwa 1 Mikron oder der in Fig. 1 gezeigten Diode, wobei die Anordnung

weniger benötigt. so aufgebaut ist, daß sie geeignet ist, in der

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die »IMPATT«-Schwingungsart zu schwingen,

dem Stand der Technik innewohnenden Schwierig- 30 F i g. 3 eine Mikrowellenquelle unter Verwendung

keilen zu beseitigen und Halbleiterclemente zur Ver- der in F i g. 1 dargestellten Diode und ist geeignet,

i'ügung zu stellen, die geeignet sind, auch noch bei entweder in einer reinen »TRAPATT«-Schwingungs-

sehr hohen Frequenzen verwendet zu werden. Dabei art zu arbeiten oder derart, daß ein Abschnitt der

hat sich herausgestellt, daß die gewünschte Verstär- Diode in der »TRAPATT«- Schwingungsart und der

kung hinsichtlich der Wirksamkeit unter Verwendung 35 andere Abschnitt in der »IMPATTe-Schwingungsart

beider Ladungsträgerarten auch mit einer einfacheren schwingt; die

Struktur erreicht werden kann, wobei im folgenden Fig. 4A und 4B zeigen verschiedene Störslellen-

auch Angaben über die Fabrikationstechniken zur Verteilungen, die für die in F i g. 1 gezeigte Diode

Herstellung einer solchen betriebssicheren vereinfach- für verschiedene Schwingungsarten benötigt werden,

ten Struktur gemacht werden. Insbesondere hat es 40 während die

sich als durchführbar herausgestellt, die gewünschten F i g. 5 A und 5 B für verschiedene Schwingungs-

Resultate mit einer solchen einfacheren Struktur zu arten die in der Diode nach Fig. 1 benötigten elek-

erreichen, wobei ein zentral lokalisiertes Lawinen- trischen Feldverteilungen zeigen,

gebiet beiden Driftgebielen dient. Das in F i g. 1 dargestellte Halbleiterelement be-

Zur Lösung der Aufgabe geht die Erfindung aus 45 steht aus einem Einkristall-Siliziumgrundkörper 10, von einem Mikrowellenoszillator vom Laufzeittyp die aufeinanderfolgend aus einem relativ stark dotiergemäß der eingangs beschriebenen Art und besteht ten η-Typ Endgebiet 11 aus einem relativ schwach darin, daß die Diode ein P+ PNN+ -Widerstands- dotierten η-Typ Zwischengebiei 12 und einem relativ profil hat, wodurch ein Paar Driftgebicle vorgesehen schwach dotierten p-Typ Zwischengebiet 13 und aus sind, die bei Erzeugung des negativen Widerstandes 50 einem relativ stark dotierten p-Typ Endgebiet 14 die Verwendung sowohl von Löchern als auch von aufgebaut ist. In Übereinstimmung mit üblichen GeElektronen erlauben. pflogenheiten wird im folgenden eine Anordnung bc-

Insbesondere hat es sich dabei herausgestellt, daß schrieben, die eine N+ NPP+-Widerstandsverteilung als aktives Element eine P+ PNN+ -Diode geeig- aufweist, wobei das +-Zeichen verwendet ist, um neter Parameter verwendet werden kann und daß 55 einen relativ geringen Widerstand zu kennzeichnen, diese umgehend von einem Substrat mit geeignetem Die relativ breiten Oberflächen der Endgebiete 11 Parameter leicht unter Verwendung von Ionen- und 14 sind mit einen geringen Widerstand aufwei-Implantationstechniken hergestellt werden kann. senden Verbindungen 15 und 16 verbunden, die ein-Eine Diode dieser Art schließt zwei Driftgebiete ein, fach aus einem plattierten Film eines Metalls, beidie sich ein einziges zentral lokalisiertes Lawinengebiet 60 spielsweise aus Gold, bestehen können, um die Verhoher Feldstärke in einer Struktur teilen, die leicht bindung mit dem Grundkörper zu erleichtern,
herzustellen ist. Darüber hinaus konnte festgestellt üblicherweise weisen die mit ( + ) bezeichneter werden, daß eine Diode dieser Art insbesondere für Gebiete ein Dotierungsniveau auf, das mindesten; den Betrieb als Lawinendiode in einer Schwingungs- um zwei Größenordnungen größer als die nicht be art geeignet ist, die zur Zeit oft als die sogenannte 65 zeichneten Gebiete ist.

»TRAPATT« - Schwingungsart beschrieben worden Es entspricht üblichem Vorgehen bei der Herstel

ist; diese Bezeichnung ist hergeleitet aus dem englisch- lung eines solchen Elementes von einem Substra

sprachigen Begriü »TRAPATT Trapped Plasma auszugehen, welches aus einem stark dotierten n-Typ

Substrat besteht, auf deren einer Oberfläche eine siertes Gebiet hoher Feldstärke auf, welches dem

leicht dotierte n-Typ-Epitaxialschicht gezogen wird. Gebiet der PN-Verbindung und den beiden Drift-

Danach wird eine Ionenimplantation eines geeigneten räumen entspricht, wobei einer für die Löcher und

Akzeptors verwendet, ein inneres Gebiet der Epit- einer für die Elektronen bestimmt ist und die im

axialschicht in ein leicht dotiertes p-Typ-Gebiet um- 5 wesentlichen jeweils dem N- und P-Gebiet entspre-

zuformen. Dann wird entweder Ionenimplantation chen. Für maximale Wirksamkeit sollte die Dotierung

oder Diffusion durch Aufdampfen verwendet, um die zu einem elektrischen Feldprofil führen, derart, wie

stärker dotierte p-Typ-Endzone zu bilden. Danach in Fig. 5 dargestellt, wobei das elektrische Feld ein

wird ein lokalisierter Ätzvorgang angewendet, um Maximum an der PN-Verbindung aufweist und das

eine Mesaform zu schaffen, darin eingeschlossen io symmetrisch im wesentlichen auf Null an den beiden

einen Teil des ursprünglichen Substrats, während die Grenzschichten zwischen den stark dotierten und den

anderen Gebiete, wie dargestellt, in F i g. 1 gebildet leicht dotierten Gebieten abfällt, so daß die gesamte

werden, um den Querschnitt auf eine für Mikro- Breite der Raumladungsschicht der gesamten Breite

Wellenanwendung geeignete Form zu reduzieren der beiden leicht dotierten Gebiete entspricht. Zu

In Verbindung mit einem speziellen Oszillator- 15 diesem Zweck entspricht das Dotierungsprofil des

Ausführungsbeispiel werden im folgenden spezielle Elementes vorteilhafterweise der in Fig. 4A darge-

Entwürfe geeigneter P+ PNN+ -Waffeln beschrieben. stellten Art mit einer relativ gleichen und gleichför-

In F i g. 2 ist ein für Hochfrequenzanwendungen, migen Dotierung in jedem der beiden Zwischen-

üblicherweise bei 50 GHz bestimmter »IMPATT«- gebiete von der Größenordnung von etwa 6· 10^lß Ionen

Oszillator 20 dargestellt, der als aktives Element eine 20 pro cm³ für einen weiter unten noch zu beschreiben-

P+ PNN+ -Diode der im wesentlichen in Fig. 1 den besonderen Entwurf. Es ist wünschenswert, daß

beschriebenen Art verwendet. für eine optimale »IMPATT«-Wirkungsweise die der

Gemäß dem speziellen Ausführungsbeispiel der PN-Verbindung zugeordnete Verarmungsschicht bis

Fig. 2 ist eine Diode 10 der beschriebenen Art in zu den Rändern der NN + - und PP + -Grenzschich-

einem Abschnitt eines rechteckförmigen Wellen- 25 ten vordringt und daß die Dotierung und die Dicke

leiters 21 angebracht, um als negative Widerstands- der schwach dotierten Schichten so ist. daß kein un-

diode in der für »IMPATT«-Oszillatoren charak- dotiertes Hochwiderstandsmaterial übrigbleibt und

teristischen Weise verwendet zu werden. Die Diode ein Durchschlagen zu den hochdotierten Endgebieten

10 ist in dem Zentralteil eines der Breitenwand- vermieden wird.

abschnitte des Wellenleiters gelagert, so daß eine 30 Ein Element, welches zur Erzeugung einer unge-

ihrer Endgebiete einen guten elektrischen und ther- dämpften Leistungsabgabe von 640 mW bei 50 GHz

mischen Kontakt mit dem Wellenleiter herstellt. Bei in einer Schaltung der beschriebenen Art betrieben

manchen Anwendungsbeispielen mag es wünschens- wurde, wurde im wesentlichen wie folgt hergestellt,

wert sein, das Substrat zunächst auf einem leitenden Auf einem N +-Siliziumsubstrat wurde eineEpitaxial-

Wärmcblech zu montieren und das Wärmeblech 35 schicht mit einer Dicke von etwa 1,2 Mikron gebildet,

dann als Teil der Wand des Wellenleiters zu verwen- in welcher der Überschuß an Donatoren annähernd

den. Um den anderen Anschluß der Diode herzustel- 6 · 10^ie/cm³ betrug.

len, ist ein leitendes Kappenteil 23 vorgesehen, wel- Dann wurden Bor-Implantationen vorgenommen, ches einen, einen geringen Widerstand aufweisenden um eine Schicht von etwa 0,6 Mikron Dicke zu kom-Druckkontakt mit dem gegenüberliegenden Endgebiet 40 pensieren und gegenzudotieren und um eine Bordes Halbleiterelementes herstellt. Das Kappenteil 23 Konzentration im Überschuß \on etwa 6 · 10¹⁽ⁱ/cm³ ist im Inneren des Wellenleiters von einem leitenden vorzusehen. Dann erfolgte eine oberflächliche Bor-Stift 24 getragen, der sich von der gegenüberliegen- Diffusion von etwa 0,15 Mikron Dicke, um das P--den breiten Wellenleiterwand erstreckt, von diesem Gebiet zu bilden und um das eingebrachte bzw. imjedoch gleichstrommäßig durch eine dielektrische 45 plantierte Bor zu kompensieren. Der Körper wurde Buchse 25 isoliert ist. Dies erlaubt das Anbringen der geätzt, um einen Mesa von etwa 1.5 mil (0,0375 Millinotwendigen Spcrr-Vorspannung für das Halbleiter- meter) Durchmesser an der PN-Verbindung zu bilelement. indem man eine geeignete Gleichspannungs- den. Die Höhe des Körpers betrug etwa 1 mil quelle 22 zwischen dem Stift 24 und der Wellenleiter- (0,025 Millimeter). Die Lawinendurchbbruchsspanwand anschließt. Die Länge in Richtung der Leiter- 50 ^nun£ dieser Diode betrug etwa 26 Volt, achse des Kappenteils ist so eingestellt, daß ein für Insbesondere für optimale »IMPATT«-Arbeitseine halbe Wellenlänge geeigneter Radialschwin- weise auf dem Frequenzband zwischen 25 GHz und gungshohlraum gebildet wird, wobei die Diode darin 150GHz. wo gegenwärtig solche Anordnungen verzentral angeordnet ist. Die verschiedenen Schaltimpc- glichen mit bekannten Elementen in ihrer Anwendanzen werden für eine optimale Arbeitsweise einge- 55 dung attraktiv erscheinen, ist es wichtig, daß für jede stellt, indem ein einstellbares Verkürzungselement 26 der Zwischenschichten Dicken zwischen 1.2 Mikron vorgesehen ist, welches ein Ende der Wellenleiter- und 0.2 Mikron jeweils erreicht werden, und daß die Sektion abschließt, und wobei ein E-H-Tuner entlang Dotierung so vorgenommen wird, daß das Produkt dem Wellenleiter an der gegenüberliegenden Seite aus Raumladung und Dicke im Bereich zwischen des Verkürzungselementes vorgesehen ist. Die Aus- 60 2 10¹⁸ und 6 10¹⁸ ionisierter Atome pro cm⁸ liegt, gangsleislung wird am offenen Ende 28 des Wellen- Die Ionen-Implantation ist insbesondere zur Herstelleiters abgenommen. Der gesamte Schaltkreis ist so lung solcher Gebiete vorteilhaft, da sie eine enge abgestimmt, daß ei eine Resonanzfrequenz hat, die Kontrolle der Anzahl der ionisierten, pro ein⁸ eingeannähernd der Hälfte des Reziprokwertes der in La- führten Atome erlaubt.

winenform sich fortpflanzenden Trägerlaufzeit über 65 Dabei kann ein P 4 PNN \ -Element im wcsent-

jedc der beiden Driftgebiete entspricht. liehen als zwei komplementäre Avalanche-Dioden in

Legt man eine geeignete Sperr-Vorspannung an, Reihe angeschen werden. Insofern sind sowohl die

weist die P ( PNN I-Einheit ein zentral lokali- Leistungsabgabe pro Einhcitsfläche und die Impe-

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j danz auf einer Einheitsflächenbasis beide im wesent- in bekannter Weise durch eine Reihe von zueinander

j liehen verdoppelt, und dementsprechend ist das Pro- im Abstand gehaltenen koaxialen leitenden Hülsen

dukt der Leistungsimpedanz im wesentlichen vervier- bzw. Buchsen gebildet sein, welche teilweise den

facht. Darüber hinaus kann verbesserte Wirksam- Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter

■ keit aus mindestens zwei Gründen erwartet werden. 5 der Koaxialleitung ausfüllen. Die Aufgabe des FiI-

: Einmal braucht die Gleichspannung nur so weit ver- ters ist es, die »TRAPATT«-Frequenz durchzulas-

ί größert zu werden, daß sie den Spannungsabfall in sen, während es eine Kurzschlußebene für die Har-

! dem hinzugefügten bzw. zweiten Driftgebiet korn- monischen dieser Frequenz bildet. An der Lastseite

j pensieren kann. Da der Spannungsabfall in dem La- des Filters kann üblicherweise Vorsorge getroffen

! winengebiet und in dem Drit'tgebiet im wesentlichen io sein zur Einstellung bzw. zum Tunen der

j für eine Silizium-P- bzw. -N-Struktur gleich ist, ist »TRAPATT«-Frequenz.

die gesamte für die doppelte Drifteinheit benötigte Das Tiefpaßfilter 35 stellt einen Hochfrequenzj Gleichspannung lediglich um 5O°/o größer als für kurzschluß für einen Triggerimpuls dar, der notwen- ! eine einzige Driftgebieteinheit. Zweitens reduziert die dig ist, um die Arbeitsweise in der »TRAPATT«- zentrale Lage des Lawinen-Gebietes, weg von dem 15 Schwingungsart zu unterstützen. Dieser Triggerstark dotierten Kontaktgebiet wesentlich Minoritäts- impuls wird durch den blitzschnellen Spannungsabj träger-Speichereffekte; diese Reduzierung verbessert fall erzeugt, wenn in der Diode der Plasmazustand die Wirksamkeit der »ΙΜΡΑΤΤκ-Arbeitsweise. Dar- erzeugt wird. Dieser Abfall in der Diodenspannung, über hinaus hat sich herausgestellt, daß der doppelten von annähernd dem Zusammenbruchswert der Span-Driftgebiet-Struktur eine beträchtliche Verbesserung 20 nung bis Null, läuft die Übertragungsleitung entlang hinsichtlich kleiner Signale bei negativem Gütefaktor und wird an dem Hochfrequenzkurzschluß mit einem innewohnt. Reflexionskoeffizienten von etwa — 1 reflektiert. Auf j Die verbesserte »IMPATT«-Arbeitsweise doppel- diese Weise wird ein positiver Spannungsimpuls zuter Driftgebiet-Strukturen dient weiterhin dazu, die rück auf die Diode reflektiert mit einer Amplitude Arbeitsweise von »TRAPATT«-Schwingungsarten zu 25 in der Größenordnung der doppelten Zusammenverbessern, da jetzt bekannt ist, daß die »TRAPATT«- bruchsspannung. Somit ist die maximale »Überspan-Schwingungsart das Vorhandensein einer Großsignal- nung:-, welche von dem Schaltkreis entwickelt wer-IMPATT-Schwingung benötigt. Insbesondere müs- den kann, etwa 2mal die Zusammenbruchsspannung, sen, um selbststartende »TRAPATT«-Schwingungen was normalerweise angemessen ist, um zu der zu erhalten, große, nach der »IMPATT«-Schwin- 30 »TRAPATT«-Wirkungsweise im unteren Bereich gungsart erzeugte Spannungsschwankungen erzeugt der Mikrowellenfrequenzen zu führen,
werden, und zwar durch Einfangen (trapping) der Wenn jedoch die Eigenfrequenz der »IMPATT«- »TMPATT«-Schwingungen in einem Hohlraum mit Diode vergrößert wird, dann überschreitet die behohem Gütefaktor, nötigte Überspannung für die »TRAPATT«-Wir-F i g. 3 zeigt eine Gesamtanordnung eines 35 kungsweise die doppelte Zusammenbruchsspannung, »TRAPATT«-Oszillators 30, bei welchem die P+ und die konventionelle Diode und die Schaltung sind PNN J -Diode der beschriebenen Art Verwendung nicht langer in der Lage, die »TRAPATT«-Wirfinden kann. Die Schaltung besteht aus einem Ab- kungsweise aufrechtzuerhalten. Dieses Problem kann schnitt einer koaxialen Übertragungsleitung 31, die dadurch gelöst werden, daß man eine Diode verwenan ihrem einen Ende durch ein Abschlußelement 32 40 det, welche vor dem Zusammenbruch durchbricht, abgeschlossen ist und wobei eine Diode 10 vorge- beispielsweise also eine Diode, die eher einer PIN-sehen ist. die in Reihe mit dem zentralen Leiter 33 Diode ähnlich ist und die ein relativ weites Gebiet : des Koaxialkabels an diesem Ende eingesetzt ist, der- niedriger Dotierung zwischen zwei Endzonen auf- ; art, daß ein Endgebiet der Diode den Mittelpunkt weist. Das zieht den Nachteil nach sich, daß der des Abschlußelementes kontaktiert und daß das an- 45 negative Widerstand bei der »1MPATT«-Frequenz dere Endgebiet der Diode das Ende des zentralen für einen gegebenen Strom verringert ist. Dement-Leiters berührt. Ein leitendes, radiales scheibcnför- sprechend divergieren, wenn die Arbeitsfrequenz miges Element 34 erstreckt sich von dem zentralen vergrößert wird, die Notwendigkeiten für die Leiter am Verbindungspunkt der Diode mit diesem »TRAPATT«-Optimierung (geringe Überspannung] und dient dazu, die Diode auf die der IMPATT- 5° und für die »IMPATT«-Optimierung (maximaler ne-Schwingungsart entsprechende Arbeitsfrequenz auf gativer Leitwert bei einem vorgegebenen Vorspan-Resonanz abzustimmen. Weiterhin sind Vorkehrun- nungsstrom).

gen getroffen, um über das geschlossene Ende der Dieses Dilemma konnte vorwiegend mit einei

Koaxialleitung der Diode die gewünschte Gleich- P + PNN + -Diode gelöst werden, bei welcher P -t- P-

Vorspannung zuzuführen. Das geschlossene Ende 55 Abschnitt für die »IMPATTe-Betriebsweise optimier

dient weiterhin dazu, eine punktförmig verteilte Ka- ist, wobei dieser genau am Zusammenbruch durch

pazität vorzusehen, die dazu nutzbar verwendet bricht, wohingegen der N -f N-Abschnitt ausreichem

wird, die Extraladung vorzusehen, die für die Hoch- vor dem Zusammenbruch durchbricht und eine Über

strom-Zustandseigenschaft der »TRAPATT«-Schwin- spannung von weniger als 2mal der Zusammen

gungsart notwendig ist. Weiterhin ist noch ein Tief- 60 bruchsspannung für eine wirkungsvolle »TRAPATT«

paßfilter 35 in Längsrichtung der Leitung angeord- Betriebsweise benötigt. Eine elektrische Feldvertei

net, und zwar in einem solchen Abstand zu der Di- lung, die diesen Vorschriften genügt, ist in F i g. 51

ode. der einer halben Wellenlänge der gewünschten, dargestellt.

am Ausgang abzunehmenden xTRAPATT«-Frequenz Eine geeignete Diodenstruktur wurde unter Vei

entspricht; diese Frequenz ist eine Subharmonischc 65 Wendung von Ionen-Implantationsteehniken herge

der »IMPATTe-Schwingungsart-Frequenz, beispiels- stellt. Zunächst wurde auf einen einkristallinen n +

weise ein Zehntel entsprechend 5 GHz für eine Typ Siliziumsubstrat eine 1,2 Mikron dicke epitaxial

»1MPATT«-Frequenz von 50 GHz. Das Filter kann n-Typ-Schicht gezogen, die mit 5 10¹⁽¹Donor/crr

dotiert war. Dann wurde bis auf eine Tiefe von 0,6 Mikron eine Bor-Implantation angewendet, um die Schicht zu kompensieren und ein p-Typ-Gebiet zu bilden mit einem Überschuß an Akzeptorkonzentration von etwa 1 · 10¹⁽ⁱ/cm³. Ein Gebiet von etwa 0,1 Mikron Dicke, welches vom ρ+ -Typ war, wurde durch Diffusion gebildet. In Fig. 4B ist ein typisches Dotierprofil dargestellt. Dann wurde lokalisiertes Ätzen vorgenommen, um einen Nesa zu bilden von etwa 1,5 mil (0,0375 Millimeter) Durchmesser. Diese Struktur hat eine Zusammenbruchsspannung von etwa 27 Volt. In dem »TRAPATIV-Abschnitt ist das Produkt aus der Raumladung und der Dicke etwa ein Fünftel desjenigen in dem »IMPATT«-Abschnitt.

Die »IMPATT«-Frequenz dieser Diode liegt bei annähernd 50 GHz und es konnte eine kontinuierliche Wellenform bei der »TRAPATT«-Arbeitsweise mit lO°/o Wirksamkeit von 4 bis 6 GHz ohne Schwierigkeit erhalten werden, selbst in einem Schaltkreis, welcher hinsichtlich seines Wirkungsgrades nicht maximiert war.

Bei geringeren Frequenzen kann es weniger vorteilhaft sein, eine asymmetrische Diodenstruktur zu verwenden, in einigen Ausführungsbeispielen kann es sogar vorteilhafter sein, eine symmetrische Diode anzuwenden. Beispielsweise ist es durchführbar, eine symmetrische Diode zu verwenden, bei welcher jede Seite bei etwa der Hälfte der Zusammenbruchsspannung durchbricht. Die Seiten, einzeln gesehen, haben dabei ein größeres als das optimale, negative »IMPATT«-<2, jedoch haben beide Seiten in Reihe ein genügend niedriges negatives Q, um den »TRAPATT«-Oszillator zu starten.

Es versteht sich, daß die speziellen Ausführungsbeispiele, die hier beschrieben sind, lediglich aus Gründen der Erläuterung des allgemeinen Erfindungsprinzips gegeben worden sind. Es sind verschiedene Abwandlungen und Veränderungen möglich, beispielsweise kann die Diode aus Germanium oder aus Galliumarsenid oder aus einem anderen geeigneten Halbleitermaterial hergestellt sein. Auch der Schaltkreis kann eine große Vielzahl von Formen annehmen, insbesondere im Hinblick auf die Art, auf welche die gewünschten Resonanzen erreicht werden. Weiterhin kann Vorsorge für eine Kühlung der Diode getroffen werden, Beispielsweise durch die Verwendung spezieller Kühlbleche oder

ίο Kühlflüssigkeiten. Die Diodenausgangsplatte kann ultradünn, insbesondere im Hinblick auf die stark dotierten Endschichten gemacht werden, deren Endschichten vorteilhafterweise so dünn wie praktisch vertretbar gemacht werden können.

Eine allgemeine Besprechung von »IMPATT« und »TRAPATT« kann dem Aufsatz »Avalanche and Gunn Effect Microwave Oscillators« in der Veröffentlichung »Solid State Technology«, vom Februar 1970 auf den S. 37 bis 48 entnommen werden.

Insbesondere erscheint es, daß die Arbeitsweise derart, wie sie hier als »TRAPATT«-Arbeits\veise beschrieben worden ist, in der Literatur manchmal als die anomale Lawinenarbeitsweise beschrieben ist.

Darüber hinaus ist es als im Rahmen der vorliegenden Erfindung anzusehen, Oszillatoren der beschriebenen Art mit einem schwachen von einer externen Frequenz modulierten Signal zu betreiben, wobei am Ausgang eine verstärkte Version des treibenden Signals abgeleitet wird. Ein Verstärker dieser Art ist in dem Aufsatz »A New Microwave Amplifier for Multichannel FM Signals Using a Synchronized Oscillator« in der Dezemberausgabe 196S der Zeitschrift »IEE Journal of Solid State Circuits« auf den S. 400 bis 408 beschrieben.

In diesem Fall müssen lediglich Vorkehrungen füi die Einführung des zu verstärkenden Signals in die Resonanzstruktur getroffen werden, und zwar durcl Hinzufügen eines Eingangs bzw. einer öffnung durch welche dieses Signal eingeführt werden kann

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (12)

Patentansprüche:

1. Mikrowellenoszlllator vom Lawinenlau Czeittyp unter Verwendung einer Halbleiterdiode mit negativem Widerstand, dadurch gekenn-ζ e■ i c h η e t, daß die Diode (10) ein P+PNN H- Widerstandsprofil aufweist, mit dem ein Paar Driftgebiete vorgesehen sind, die bei der Erzeugung des negativen WiclerstandsefEektes clie Verwendung sowohl von Löchern als auch von Elektronen erlauben.

2. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode in einer Resonanzstruktur (21) eingesetzt iit und so bemessen ist, daß sie nach der Schwingungsart der Stoßionisierung beim Lawinenlaufzeittyp (IMPATT) arbeitet.

3. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode in einer Resonanzstruktur (31) eingesetzt ist, die so be- zo messen ist, daß sie in der Schwingungsart mit eingeschlossenem Plasma bei getriggerter Lawinenlaufzeit (TRAPATT) arbeitet.

4. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode in einer Resonanzstruktur (31) eingesetzt ist und asymmetrisch ausgeführt ist, um teilweise in der Schwingungsart des Lawinenlaufzeittyps mit Stoßionisierung und teilweise nach der Schwingungsart mit eingeschlossenem Plasma und getriggerter Lawinenlaufzeit zu arbeiten.

5. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die Diode Vorspannungsanordnungen (22) vorgesehen sind, derart, daß zwischen einem Paar von Driftgebieten zentral lokalisiert ein Lawinengebiet erzeugbar ist und daß mit der Diode eine Resonanzanordnung (21) gekoppelt ist mit einer Resonanzfrequenz, die annähernd die Hälfte des Reziprokwertes der Laufzeit der Lawinenladungsträger über jedes der Driftgebiete beträgt.

6. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf eine Subharmonische der zuerst erwähnten Resonanzfrequenz abgestimmte Resonanzstruktur (31) und Mittel (35) zur selektiven Leistungsentnahme aus der Quelle bei der Frequenz der Subharmonischen vorgesehen sind, während innerhalb der Quelle Leistung bei der Resonanzfrequenz erhalten bleibt.

7. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung aus einem Abschnitt einer koaxialen Übertragungsleitung (31) besteht, daß die Diode in Reihe mit dem inneren Leiter an einem Ende der Leitung angeschaltet ist, daß angrenzend an die Diode längs der Leitung Mittel (32) vorgesehen sind, die eine punktförmig verteilte Kapazität darstellen und mit der Diode bei einer Mikrowellenfrequenz einen Resonanzkreis bilden, und daß die Anordnungen (35), die in Längsrichtung der Leitung im Abstand zu der Diode zur Bildung eines Tiefpaßfilters vorgesehen sind, Leistung auf dieser Mikrowellenfrequenz reflektieren, jedoch auf einer gewünschten Subharmonischen der Mikrowellenfrequenz Leistung durchlassen, wobei der Abstand dieser Anordnungen von der Diode einer halben Wellenlänge der gewünschten Subharmonischen entspricht.

8. Mikrowellenoszillator mich Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode asymmetrisch ausgeführt ist, insofern, daß sie ein Zwischengebi&t geringerer Dotierung (Fig.4B) als das andere Zwischengebiet vom entgegengesetzten Leitungstyp aufweist.

9. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung (Fig. 4A) und die Dicke jeder der beiden Zwischengebiete der Diode so bemessen sind, daß bei dem Lawinenzusammenbruch das elektrische Feld an jeder der beiden Zwischenflächen zwischen den Gebieten relativ hohen Widerstandes und relativ geringen Widerstandes im wesentlichen auf Null abfüllt.

10. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung und die Dicke jeder der beiden Zwischenzonen der Diode so bemessen ist, daß beim Lawinenzusammenbruch das elektrische Feld an einer der Zwischenflächen zwischen den Zonen relativ hohen Widerstandes und relativ geringen Widerstandes im wesentlichen auf Null abfällt und an der anderen Zwischenfläche noch einen bestimmten Wert aufweist.

11. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 9, zum Betrieb in einem Frequenzbereich zwischen 25 und 150GHz, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung so vorgenommen ist, daß das Produkt aus der Raumladung und der Dicke im Bereich zwischen 2 · 10^lä und 6 · 10¹² ionisierter Atome pro cm² liegt und daß die Zwischenzonen eine Dicke zwischen 1,2 Mikron und 0,2 Mikron aufweisen.

12. Mikrowellenoszillator nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Raumladung und Dicke für eine der Zwischenzonen der Diode etwa ein Fünftel der der anderen Zone ausmacht.