DE2148379B2 - Negative impedance oscillator for the generation of very high-frequency electromagnetic voltages - Google Patents
Negative impedance oscillator for the generation of very high-frequency electromagnetic voltagesInfo
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Description
zwei Elektroden HF-Spannungen führen und in die ein Halbleitermaterial notwendig ist, bekannt, intwo electrodes carry HF voltages and in which a semiconductor material is necessary, known in
wenigstens einem Bereich dieses Gebietes auf dem erlaubte Zustand.: verschieden hoher Träger-at least one area of this area in the permitted state .: different levels of carrier
der Oberfläche eine gegenüber dem Material des oeweglichkeit einer Ladungsträgerart vorliegen undthe surface has a possibility of a type of charge carrier compared to the material and
Gebietes elektrisch isolierte Elektrode angeordnet 15 Übergänge zwischen diesen Zuständen auftreten. EinArea electrically isolated electrode arranged 15 transitions between these states occur. A
ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese solches Material ist beispielsweise Galliumarsenid,is characterized in that this such material is, for example, gallium arsenide,
elektrisch isolierte Elektrode (10) und eine weitere Silizium hat diese Eigenschaft nicht und gilt daher zuelectrically insulated electrode (10) and another silicon do not have this property and therefore apply
vorgesehene Elektrode (2 bzw. 3) räumlich der- Recht als für Gunn-Oszillatoren nicht verwendbar,provided electrode (2 or 3) spatially right as not usable for Gunn oscillators,
art zueinander angeordnet sind, daß eine zwischen Nähere Einzelheiten sind aus der Veröffentlichungart are arranged to each other that one between More details are from the publication
der elektrisch isolierten Elektrode und dieser ao »Zeitschrift für angewandte Physik«, Bd. 22 (1967),the electrically isolated electrode and this ao "Journal for Applied Physics", Vol. 22 (1967),
weiteren Elektrode (an 11 und 3) abgeschlossene S. 553 bis 562, bekannt.further electrode (at 11 and 3) completed pp. 553 to 562, known.
elektrische Spannungsquelle in dem Bereich (8) In anderem Zusammenhang als mit Gunn-Oszil-electrical voltage source in the area (8) In other context than with Gunn oscil-
ein elektrisches Querfeld mit einer Feldstärke, latoren ist in »Phys. Rev.«, Bd. 163 (1967), S. 816an electrical cross field with a field strength, lators is in »Phys. Rev. ", Vol. 163 (1967), p. 816
die eine Bandaufspaltung in Subbänder bewirkt, bis 835, und in der Veröffentlichung des Erfinders inwhich causes a band split into subbands, up to 835, and in the inventor's publication in
erzeugt. a5 »Journal of Appl. Phys.«, Bd. 42 (1971), S. 2053 bisgenerated. a 5 "Journal of Appl. Phys. ", Vol. 42 (1971), pp. 2053 bis
2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 2060, die Möglichkeit der Aufspaltung eines Bandes zeichnet, daß das Material des Gebietes Silizium in Subbänder unter der Einwirkung eines hohen ist. elektrischen Feldes beschrieben. Eine solche Auf-2. Oscillator according to claim 1, characterized in 2060, the possibility of splitting a band draws that the material of the field silicon in sub-bands under the action of a high is. electric field described. Such a
3. Oszillator nach Anspruch !,dadurch gekenn- spaltung liegt an der Oberfläche dieses Halbleiterzeichnet, daß das Material des Gebietes Ger- 30 materials.3. oscillator according to claim!, Characterized by the characteristic cleavage is on the surface of this semiconductor that the material of the area Ger- 30 materials.
manium ist. Aus »Intern, elektronische Rundschau« (Heft 10/manium is. From "Internal, electronic review" (Issue 10 /
4. Oszillator nach einun der Ansprüche 1 bis 3, 1966), S. 598, Fig. 19, ist ein Vorschlag bekannt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem durch Anlegen einer elektrischen Steuerspannung Material des Bereiches und den« darauf befind- zwischen einer der für den Driftstrom vorgesehenen liehen Isolatormaterial eine mechanische Span- 35 Elektrode und einer zusätzlich anzubringenden, eleknung im Gebiet der Grenzfläche zwischen dem trisch isolierten Steuerelektrode das Einsetzen und Material des Bereiches und dem Isolator vorliegt. Abbrechen der Schwingung zu steuern. Die anzu-4. Oscillator according to one of claims 1 to 3, 1966), p. 598, Fig. 19, a proposal is known, characterized in that between the material of the area and the "located on it" between one of the a mechanical chip for the drift current provided loan insulator material 35 and an additional electrode to be attached, eleknung insertion and material of the area in the area of the interface between the trically insulated control electrode and the insulator is present. Cancel the vibration control. The to-
5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekenn- legende Steuerspannung soll unter tiinfluß eines auszeichnet, daß eine mechanische Spannung eines reichend hohen Innenwiderstandes der für den Driftsolchen Vorzeichens vorliegt, wie sie durch star- +0 strom anzulegenden Spannungsquelle bewirken, daß kere chermische Kontraktion des Isoliermaterials zwischen den für den Driftstrom vorgesehenen Elekgegenüber dem Halbleitermaterial erzeugt wird. troden eine Spannungsschwankung auftritt, die die5. Oscillator according to claim 4, characterized in that the control voltage should be characterized under the influence of a mechanical stress of a sufficiently high internal resistance of the sign for the drift, such as that caused by a voltage source to be applied by star- +0 current that kere chemical contraction of the Isolation material is generated between the intended for the drift current Elek opposite the semiconductor material. troden a voltage fluctuation occurs that the
6. Oszillator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch Driftfeldstärke unter den Wert der kritischen Feldgekennzeichnet, daß als Isoliermaterial Alu- stärke absinken läßt. Dieser Effekt könnte an sich tniniumoxid auf Silizium verwendet ist. 45 durch Ein- und Ausschalten der für das Driftfeld not-6. Oscillator according to claim 4 or 5, characterized in that the drift field strength is below the value of the critical field in that aluminum can be used as an insulating material. This effect could in itself Tinium oxide on silicon is used. 45 by switching the necessary for the drift field on and off
7. Oszillator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch wendigen elektrischen Spannung erreicht werden, gekennzeichnet, daß als Isoliermaterial Silizium- jedoch soll entsprechend dem dort gemachten Vornitrid auf Silizium verwendet ist. schlag eine leistungslose Steuerung erreicht werden.7. oscillator according to claim 4 or 5, thereby agile electrical voltage can be achieved, characterized in that silicon should be used as the insulating material, however, according to the prenitride made there is used on silicon. impact a powerless control can be achieved.
8. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, Aus »Nachrichtentechnik« (Heft 11/1966), S. 429, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit 50 sind Einzelheiten bezüglich eines Feldeffekttransistors (110) Orientierung vorliegt. bekannt. Aus derselben Veröffentlichung sind auf8. Oscillator according to one of claims 1 to 7, from "communications engineering" (Issue 11/1966), p. 429, characterized in that the material with 50 are details with respect to a field effect transistor (110) orientation is present. known. From the same publication are on
9. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekenn- S. 431 Einzelheiten über den Gunn-Oszillator beteichnet, daß der Kanal in Richtung (110) aus- kannt, die über die eingangs zitierte Veröffentlichung gerichtet ist. hinausgehen.9. Oscillator according to claim 3, characterized in p. 431 details about the Gunn oscillator beeichnet, that the channel is familiar with the direction (110), which is based on the publication cited at the beginning is directed. go out.
10. Oszillator, der nach einem der Ansprüche 1 55 Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen bis 9 als Teil einer integrierten Schaltung auf Oszillator anzugeben, der als Schwingungserzeuger einem Siliziumsubstrat aufgebaut ist. mit einem Gunn-Oszillator vergleichbar ist und der10. Oscillator, which according to one of claims 1 55 It is an object of the invention to specify a new to 9 as part of an integrated circuit on an oscillator, which is constructed as a vibration generator on a silicon substrate. is comparable to a Gunn oscillator and the
11. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 nach den herkömmlichen Verfahren der Halbleiterbis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszil- technik hergestellt werden kann. Insbesondere soll lator in einem Resonator für eine vorgegebene 6o dieser Oszillator als Bestandteil einer integrierten Frequenz der hochfrequenten Schwingung ein- Schaltung, und zwar vorzugsweise in einem Substrat gebaut ist (F i g. 2). aus Silizium,, realisierbar sein, weil sich integrierte11. Oscillator according to one of claims 1 according to the conventional method of semiconductors to 10, characterized in that the oscilloscope technology can be produced. In particular, this oscillator should be built in a resonator for a given 60 as a component of an integrated frequency of the high-frequency oscillation, preferably in a substrate (FIG. 2). made of silicon ,, be feasible because it is integrated
Schaltungen in bzw. auf Silizium zumindest beson-Circuits in or on silicon at least particularly
ders vorteilhaft herstellen lassen. Insbesondere sollders can be produced advantageously. In particular, should
65 dieser Oszillator bei einer Temperatur möglichst nahe6 5 this oscillator at a temperature as close as possible
Die Erfindung bezieht sich auf einen Negativ- der Zimmertemperatur oder sogar bei Temperaturen
Impedanz-Oszillator für die Erzeugung sehr hoch- darüber betriebsfähig sein,
frequenter elektromagnetischer Spannungen mit Diese Aufgabe wird durch einen Oszillator gelöst,The invention relates to a negative - the room temperature or even at temperatures impedance oscillator for the generation of very high - be operable above,
frequency electromagnetic voltages with This task is solved by an oscillator,
der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß diese elektrisch isolierte Elektrode und eine weitere vorgesehene Elektrode räumlich derart zueinander angeordnet sind, daß eine zwischen der elektrisch isolierten Elektrode und dieser weiteren Elektrode angeschlossene elektrische Spannungsquelle in dem Bereich ein elektrisches Querfeld mit einer Feldstärke, die eine Bandaufspaltung in Subbänder bewirkt, erzeugt.which is characterized according to the invention in that this electrically insulated electrode and another provided electrode are spatially arranged to each other that one between the electrically insulated electrode and this further electrode connected electrical voltage source in the Area: an electrical transverse field with a field strength that causes a band to be split into sub-bands, generated.
Vorzugsweise ist der Oszillator aus Silizium oder Germanium aufgebaut. Geeignet sind aber auch Α,ηΒν-Verbindungshalbleiter, insbesondere Indiumantimonid, Galliumphosphid sowie Galliumarsenid.The oscillator is preferably made of silicon or germanium. But are also suitable Α, ηΒν compound semiconductors, especially indium antimonide, Gallium phosphide and gallium arsenide.
Der Erfindung liegt die in anderem Zusammenhang als mit der Erzeugung hochfrequenter Spannungen gewonnene Erkenntnis zugrunde, daß in einem p-Kanal eines Feldeffekttransistors unter der Wirkung eines elektrischen Querfeldes einer zwischen dem Gate und dem Substrat anliegenden elektrischen Spannung im Halbleitermaterial eine Aufspaltung des Valenzbandes in Subbänder auftritt. Es wurde festgestellt, daß mit zunehmender Querfeldctärke im Kanal, verursacht durch das quergerichete elektrische Feld, eine zunehmende Besetzung des Subbandes eintritt, wobei die Löcher in diesem Subband eine höhere Beweglichkeit haben (leichte Löcher). Dabei tritt eine Abnahme der Besetzung des Subbandes mit schweren Löchern auf. Außerdem wurde erkannt, daß zwischen den Zuständen der leichten Löcher und den Zuständen der schweren Löcher eine energetische Aufspaltung vorliegt. Es wurde festgestellt, daß diese energetische Aufspaltung mit steigender Feldstärke zunimmt.The invention is related in a different way than with the generation of high-frequency voltages The knowledge gained is based on the fact that in a p-channel of a field effect transistor under the effect an electrical transverse field of an electrical field applied between the gate and the substrate Stress in the semiconductor material causes a splitting of the valence band into sub-bands. It was determined, that with increasing cross-field strength in the canal, caused by the cross-directed electrical Field, an increasing occupation of the subband occurs, with the holes in this subband being a have greater mobility (light holes). There is also a decrease in the occupation of the subband heavy holes. In addition, it was recognized that between the states of the light holes and there is an energetic split in the states of the heavy holes. It was determined, that this energetic splitting increases with increasing field strength.
Bisher wurde angenommen, daß an dem Leitungsmechanismus der Löcher praktisch ausschließlich nur schwere Löcher beteiligt sind. Die Erfindung baut auf dieser neuen Erkenntnis der feldabhängigen Zunahme der Dichte der leichten Löcher auf und verwertet diese Erkenntnis zur Realisierung eines Oszillators zur E.zeugung sehr hochfrequenter elektromagnetischer Schwingungen, wobei ein technologischer Aufbau verwendet wird, wie er von Feldeffekttransistoren her bekannt ist.So far it has been assumed that the holes in the piping mechanism are practically only heavy holes are involved. The invention builds on this new knowledge of the field-dependent increase the density of the light holes and uses this knowledge to create an oscillator for generating very high-frequency electromagnetic oscillations, with a technological one Structure is used, as it is known from field effect transistors.
Dem erfindungsgemäßen Oszillator, vorzugsweise mit einem Aufbau gemäß einem p-Kanal-Feldeffekttransiftor, liegt die gewonnene Erkenntnis zugrunde, daß leichte Löcher in das energetisch höher gelegene Subband übergehen, wo sie sich wie schwere Löcher verhalten. Dabei ist das elektrische Feld der zwischen der Gateelektrodt und dem Substrat angelegten Spannung und die Höhe des so erzeugten elektrischen Querfoldes im p-Kanal in zweifacher Weise wirksam, nämlich einmal entsteht durch dieses Feld der energetische Abstand zwischen leichten und schweren Löchern, und zum anderen wird durch dieses Querfeld eine derart große Anzahl von leichten Löchern im Material des p-Kanals erzeugt, daß eine für einen Oszillator genügend hohe Verstärkung erreicht wird. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zwischen dem Halbleitermaterial des Kanals und dem darauf befindlichen Isolatcrmaterial eine mechanische Spannung im Gebiet der Grenzfläche zwischen Halbleitermaterial und Isolatormaterial vorliegt. Eine derartige mechanische Spannung kann bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Oszillators infolge verschieden hoher thermischerThe oscillator according to the invention, preferably with a structure according to a p-channel field effect transformer, is based on the knowledge gained that light holes in the energetically higher location Skip subband where they behave like heavy holes. The electric field is the one between the voltage applied to the gate electrode and the substrate and the level of the electrical generated in this way Transverse folds in the p-channel have a twofold effect, namely on the one hand the energetic one arises through this field Distance between light and heavy holes, and the other is determined by this cross-field creates such a large number of light holes in the p-channel material that one for one Oscillator sufficiently high gain is achieved. According to a further development of the invention, it is provided that between the semiconductor material of the channel and the insulating material thereon a mechanical stress is present in the area of the interface between semiconductor material and insulator material. Such a mechanical tension can in the manufacture of the oscillator according to the invention as a result of different levels of thermal
ίο Ausdehnung von Isolatormaterial und Halbleitermaterial bewirkt werden. Insbesondere ist es von Vorteil, wenn eine mechanische Spannung eines solchen Vorzeichens vorliegt, wie sie durch starke thermische Kontraktion des Isoliermaterials gegen-ίο Expansion of insulator material and semiconductor material be effected. In particular, it is advantageous if a mechanical tension is a such a sign is present as it is countered by strong thermal contraction of the insulating material
über dem Halbleitermaterial erzeugt wird.is generated over the semiconductor material.
Als besonders günstig haben sich die Kombinationen Aluminiumoxid und Silizium sowie Siliziumnitrid und Silizium erwiesen. Die vorteilhafte Wirkung der gemäß dieser Weiterbildung der ErfindungThe combinations of aluminum oxide and silicon as well as silicon nitride have proven to be particularly favorable and silicon proved. The advantageous effect of the according to this development of the invention
ao ausgenutzten mechanischen Spannung hat ihre Ursache in dem Umstand, daß durch diese mechanische Spannung eine energetische Aufspaltung zwischen leichten und schweren Löchern auftritt, und zwar zusätzlich zu derjenigen, die durch das elek-ao exploited mechanical tension has its cause in the fact that through this mechanical Stress an energetic split occurs between light and heavy holes, and in addition to those caused by the elec-
trische Feld erfindungsgemäß erreicht wird.tric field is achieved according to the invention.
Es ist von Vorteil, wenn für das Halbleitermaterial in bezug auf die Isolationsschicht eine (HO) Orientierung gewählt wird. Bei dieser Orientierung bat sich eine Ausrichtung des Kanals des FeldeffekttransistorsIt is advantageous if the semiconductor material has an (HO) orientation with respect to the insulation layer is chosen. With this orientation, an alignment of the channel of the field effect transistor was required
in der Richtung (HO) als besonders günstig erwiesen. Für den Betrieb des erfindungsgemäßen Oszillators ist es vorteilhaft, eine Kühlung vorzusehen.in the direction (HO) proved to be particularly favorable. For the operation of the oscillator according to the invention it is advantageous to provide cooling.
F i g. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Oszillator 1 in der Ausführung eines Feldeffekttransistors. Mit 2F i g. 1 shows an oscillator 1 according to the invention in the form of a field effect transistor. With 2
ist ein Halbleiterkörper aus η-leitendem Silizium als Substrat für den Oszillator bezeichnet. Der Halbleiterkörper kann aber auch hochohmig p-leitend sein. Mit 4 und 6 sind die Elekt'oden zum Anlegen einer elektrischen Spannung bezeichnet Eine an dena semiconductor body made of η-conductive silicon is referred to as the substrate for the oscillator. The semiconductor body but can also be p-conductive with high resistance. With 4 and 6 the electrodes are to be applied an electrical voltage denotes one to the
Elektroden angelegte elektrische Spannung erzeugt in einem oberflächenbenachbarten Bereich 8 ein Driftfeld für Ladungsträger. Mit 10 ist eine Gateelektrode bezeichnet, die zusammen mit der Isolationsschicht 12 und dem als Gegenelektrode wirksamen Halbleiterkö. jer 2 die Mittel zur Aufrechterhaltung eines erfindungsgemäßen elektrischen Querfeldes in wenigstens einem Teil des Bereiches 8 bildet. Durch das Querfeld werden im Betrieb des Oszillators Löcher in diesem Teil des Bereiches 8 erzeugt. Es bildet sich ein p-Kanal aus. Mit 3, 5, 7 und 11 sind elektrische Anschlüsse bezeichnet, an die die erforderlichen elektrischen Spannungen angeschlossen werden.Electrical voltage applied to electrodes generates an area 8 adjacent to the surface Drift field for load carriers. 10 with a gate electrode is referred to, which together with the insulation layer 12 and the effective as a counter electrode semiconductor core. jer 2 the means of maintaining it an electrical transverse field according to the invention in at least a part of the area 8 forms. When the oscillator is in operation, the transverse field causes holes in this part of the area 8 generated. A p-channel is formed. With 3, 5, 7 and 11 electrical connections are designated to the the required electrical voltages are connected.
F i g. 2 zeigt einen Oszillator 1 gemäß F i g. 1 inF i g. 2 shows an oscillator 1 according to FIG. 1 in
einem Hohüeiterresonator 21. Die mit Fig. 1 übereinstimmenden Bezeichnungen sind in die Fig. 2 übernommen worden.a high-frequency resonator 21. Those corresponding to FIG Designations have been adopted in FIG. 2.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
Claims (1)
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