DE2209783A1 - Halbleiteranordnung zum Erzeugen elektrischer Hochfrequenzschwingungen - Google Patents
Halbleiteranordnung zum Erzeugen elektrischer HochfrequenzschwingungenInfo
- Publication number
- DE2209783A1 DE2209783A1 DE19722209783 DE2209783A DE2209783A1 DE 2209783 A1 DE2209783 A1 DE 2209783A1 DE 19722209783 DE19722209783 DE 19722209783 DE 2209783 A DE2209783 A DE 2209783A DE 2209783 A1 DE2209783 A1 DE 2209783A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- region
- area
- junction
- diode
- semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Ceased
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 37
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 title claims description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 22
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims description 16
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 12
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 claims description 11
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 11
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 11
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 11
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 8
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N AsGa Chemical compound [As]#[Ga] JBRZTFJDHDCESZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910001218 Gallium arsenide Inorganic materials 0.000 claims description 4
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 5
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 5
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N Boron Chemical compound [B] ZOXJGFHDIHLPTG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical group [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052796 boron Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 2
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 2
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 2
- 101100190472 Mus musculus Pigt gene Proteins 0.000 description 1
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000001143 conditioned effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001879 copper Chemical class 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005468 ion implantation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000000873 masking effect Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 125000004437 phosphorous atom Chemical group 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03B—GENERATION OF OSCILLATIONS, DIRECTLY OR BY FREQUENCY-CHANGING, BY CIRCUITS EMPLOYING ACTIVE ELEMENTS WHICH OPERATE IN A NON-SWITCHING MANNER; GENERATION OF NOISE BY SUCH CIRCUITS
- H03B9/00—Generation of oscillations using transit-time effects
- H03B9/12—Generation of oscillations using transit-time effects using solid state devices, e.g. Gunn-effect devices
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T50/00—Aeronautics or air transport
- Y02T50/10—Drag reduction
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Bipolar Transistors (AREA)
Description
Günther μ. david
Patentassessor
ΛμμΜιτ: N.y.
5*78
28# 2. 1972
Halbleiteranordnung zum Ersetzen elektrischer Hochfrequens-β chwlngungen ·
Dl·"Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung am· Erseue«n elektrischer Hoohfrequensschwingungen,
dl· eine L*wi»enlaufseitdiode mit einem Körper entbJllt, der
ein erstes Gebiet aus einem Halbleitermaterial von einem ersten Leitfähigkeitβtyp und ein zweite» Gebiet aus einem
anderen Material aufweist, das mit dem ersten Gebiet einen schroffen gleiehriohtenden üebergang bildet, wobei das
erste und das zweite Gebiet mit Anschlussleitern versehen
«lud, Ober die eine derart hohe Spannung in dor Sparrichtiing
an den gleichrichtenden Üebergang angelegt wird, dass an
dieaaiB Uebergang Lawinenvervielfachung von Ladungeträgern
auftritt, zwischen welchen Anechlusaleitern ein Ausgangesignal einer bestimmten Frequenz entnommen werden kann«
209838/0794 bad
- 2 - PHN.5^78.
Unter einem schroffen gleichrichtenden Uebergang iat hler ein derartiger asymmetrischer Uebergang zu verstehen, dass bein Anlegen einer Spannung in der Sperrichtung
an diesen Uebergang sich die Erschopfungszone praktisch
nur in dem erwähnten ersten Gebiet erstreckt«
Halbleiteranordnungen mit Lawinenlaufzeitdioden %
(impatt»Dioden) der beschriebenen Art sind bekannt. Dabei
wird sum Erzeugen elektrischer Schwingungen der negative
Differentialwiderstand benutzt, der in einer Lawinenlaufzeltdiode durch Lawinenvervielfachung Innerhalb eines
Lawinengebiets in der Nthe des gleichrichtenden Uebergangs
hervorgerufen wird, welche Vervielfachung durch Stoesionisation in dem Halbleitermaterial in Verbindung mit der
Laufzeit der Majoritätsladungsträger durch das Driftgebiet herbeigeführt wird, wobei unter dem Driftgebiet das Gebiet
su verstehen ist, das ausserhalb des Lawinengebietes liegt
und in dem die Feldstärke wenigstens gleich der Stttigungsfeldstlrke ist, so dass die Ladungsträger dieses-Gebiet
mit einer für die betreffende Art Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) und für das verwendete Halbleitermaterial
charakteristischen Sättigungsdriftgaachwindigkeit durchlaufen.
Die Schwingungsfrequenz (f) der Lawinenlaufzeitdiode wird dabei durch die Diodenpararaeter (Struktur,
Dotierung, Abmeseungen) und durch die Wahl der in der
verwendeten Schaltung über der Diode auftretenden Suflseren
Impedanz bestimmt.
Ferner ist es bekannt, dass die zwischen den
Anachlussleitern maximal entnehmbare Ausgangsleistung einer
209838/0794
Lawlnenlaufzeitdlode «It einer bestimmten Struktur und
Bemessung stark von der gewählten Schwingungβfrequenz
abhlngig ist· Ib Zusammenhang mit dieser Abhängigkeit wird
im al1;·«·inen für eine bestimmt· Lawinenlaufzeitdlode
die Schwingungsfrequenz in bezug auf die Diodenparameter χ
derart gewlhlt, dass die erhaltene Ausgangsleistung maximal ist. Es lSsst sich errechnen (siehe Delagebeaudeuf,
l«Onde Electrique, Heft kB, 1968, S. 724, Formel (2)), dass
dies der Fall ist, wenn der Laufwinkel
etwa ' *· m 2,4 rad betrlgt, wobei f die Schwingungsfrequenz,
▼ die Stttigungsdriftgesohwindigkeit der MajoritlteladungstrSger und ld die LBnge des erwähnten Driftgebietes darstellt·
Auf Grund dieser Erwlgung wird in der Praxis eine bestimmte Lawinealaufsseitdiode praktisch stets innerhalb eines bestimmten Frequenzbereicheβ verwendet, in dem die Ausgangs*
leistung optimal ist.
Ein bekannter Nachteil der beschriebenen Anordnung 1st aber der verhSltnlsmlsslg hohe Pegel des Oszillatorrausohens, der insbesondere durch die starke Stossionisation
herbeigeführt wird· Von diesem Rauschen, das in AM-(Amplituden
modulations)- und FM-(Frequenzmodulations)-Rauschen unterschieden werden kann, 1st insbesondere das FM-Rauschen
für viele Anwendungen» z.B. bei Ortsoszillatoren ("local
peculators"") oder Messendem, besonders nachteilig·
Die Erfindung bezweckt u.a., eine Anordnung zu schliffen, deren Struktur und Bemessung tont er den gewfihlten
Betriebsbedingungen einen möglichst niedrigen FM-Rauschpegel
veranlaßβen.
209638/0794
Die vorliegende Erfindung gründet sich u.a. auf die Erkenntnis, dass für Anwendungen, für die es sehr
wichtig ist, dass ein möglichst niedriger FM-Rauschpegel
erreicht wird, vorteilhaft eine Schwingungsfrequenz gewählt wird, die von der Frequenz verschieden ist, bei der
eine möglichst hohe Ausgangsleistung erhalten wird.
Ferner liegt der Erfindung die Erkenntnis zugrunde, dass für eine bestimmte Lawinenlaufzeitdiode der FM-Rauschpegel bei einer bestimmten optimalen Schwingungsfrequenz,
die durch die Diodenparameter bedingt wird, ein Minimum aufweist, wobei dennoch die Ausgangsleistung, wenn auch
nicht maximal, einen für viele Anwendungen akzeptablen Wert aufweist.
Eine Halbleiteranordnung der in der Einleitung erwähnten Art ist naoh der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
dass die Schwingungsfrequenz in bezug auf die Diodenparameter
derart gewählt wird, dass der Wert des Laufwinkels
2 X i ld
ν '
mindestens k rad und höchstens 5t2 rad beträgt, wobei
f die Schwingungsfrequenz der Lawinenlaufzeitdiode, ν die Sättigungsdriftgeschwindigkeit von Majoritätsladungsträgern
in dem ersten Gebiet, und 1. die Länge des von diesen Ladungsträgern mit der Sättigungsdriftgeschwindigkeit
durchlaufenen Teiles des ersten Gebietes (des Driftgebietes) darstellt*
Es stellt sich heraus, dass bei Werten des oben definierten Laufwinkels zwisohen den angegebenen Grenzen
das FM-Rauschen für die bei der Herstellung von Lawinen-
209838/0794
- 5 - PHN.5^78.
laufzeitdioden üblichen Halbleitermaterialien, z.B. Silicium,
Germanium und Galliumarsenid., einen verhältnismässig sehr niedrigen Wert und ausserdem zwischen den angegebenen
Grenzen des Laufwinkels einen Mindestwert aufweist. Es stellt
sich heraus, dass dieser Mindestwert bei einem Laufwinkelwert von etwa k,6 rad auftritt, so dass die Beziehung
zwischen f, ld und ν vorzugsweise derart gewählt wird, dass
praktisch gleich kt6 rad ist.
Die Sättigungsdriftgeschwindigkeit ν hat für eine bestimmte Art Ladungsträger (Elektronen oder Löcher) und
für ein bestimmtes Halbleitermaterial einen bestimmten Wert und beträgt z.B. für Elektronen in Germanium etwa 6.10 cm.see"
7 -1
und für Silicium 10 cm.see bei Feldstärken, die grosser
und für Silicium 10 cm.see bei Feldstärken, die grosser
als die Sättigungsfeldstärke sind, die für Germanium etwa
3.1O3 V.cm"1 und für Silicium etwa 2.10 V.cm"1 beträgt.
Die Länge 1, des Driftgebietes lässt sich für eine beliebige Lawinendiode aus dem Dotierungsprofil der
Diode und der Durchschlagspannung des gleichrichtenden Uebergangs errechnen. Bei den üblichen Typen von Lawinenlauf
zeitdioden der beschriebenen Art hängt die Länge 1.
auf einfache Weise mit den anderen, direkt an der Diode ssu messenden GrSssen zusammen.
Bei einem bekannten Typ einer Lawinenlaufzeitdiode,
der sogenannten "Read"-Diode, enthält das erste Gebiet
eine an den gleichrichtenden Uebergang grenzende hochdotierte
Zone (das Lawinengebiet), innerhalb deren Lawinenvervielfachung auftritt, und ein an diese Z*me grenzendes niedrig
209838/0794
- 6 - PHN.5^78.
dotiertes Driftgebiet, in dem die Dotierung derart niedrig
ist, dass die elektrische Feldstärke innerhalb dieses
Driftgebietee beim Anlegen einer Sperrspannung gleich der Durchschlagspannung an den gleichrichtenden Uebergang
oberhalb der SSttigungsfeldstSrke liegt« Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist daher die Lawinenlaufzeitdiode eine "Read"-Diode, bei der das erste Gebiet ein an den gleichrichtenden Uebergang grenzendes hochdotiertes
Lawinengebiet und ein an diese Zone grenzendes niedriger dotiertes Driftgebiet enthalt.
Driftgebietee beim Anlegen einer Sperrspannung gleich der Durchschlagspannung an den gleichrichtenden Uebergang
oberhalb der SSttigungsfeldstSrke liegt« Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist daher die Lawinenlaufzeitdiode eine "Read"-Diode, bei der das erste Gebiet ein an den gleichrichtenden Uebergang grenzendes hochdotiertes
Lawinengebiet und ein an diese Zone grenzendes niedriger dotiertes Driftgebiet enthalt.
Bei einem anderen bekannten Typ einer Lawinenlauf zeitdiode weist wenigstens eine an den gleichrichtenden
Uebergang grenzende Zone des ersten Gebietes eine Dotierung auf, die praktisch homogen ist und einen derartigen Wert
hat, dass die zu dem gleichrichtenden Uebergang gehörige Erschöpfungszone sich beim Anlegen der Sperrspannung an
den gleichrichtenden Uebergang, welche Spannung gleich oder etwas grOsser als die Durchschlagspannung ist, innerhalb des ersten Gebietes nicht weiter als die erwBhnte homogen dotierte Zone erstreckt. Messungen haben in diesem Falle ergeben, dass die Lange 1. des Driftgebietes etwa gleich 2/3 der Dicke der bei der Durchschlagspannung des gleichrichtenden Uebergangs gebildeten ErschBpfungszone ist.
Es lftsst sich errechnen, dass die Dicke dieser ErschBpfungszone (in m) gleicht
den gleichrichtenden Uebergang, welche Spannung gleich oder etwas grOsser als die Durchschlagspannung ist, innerhalb des ersten Gebietes nicht weiter als die erwBhnte homogen dotierte Zone erstreckt. Messungen haben in diesem Falle ergeben, dass die Lange 1. des Driftgebietes etwa gleich 2/3 der Dicke der bei der Durchschlagspannung des gleichrichtenden Uebergangs gebildeten ErschBpfungszone ist.
Es lftsst sich errechnen, dass die Dicke dieser ErschBpfungszone (in m) gleicht
qN» B
ist, wobei ζ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums =
ist, wobei ζ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums =
8,854.10~12 Farad/m"1, £ die relative DielektrizitHts-
209838/0794
- 7 - PHN.5^78.
konstante des Halbleitermaterials, q die Ladung eines
— 19 Elektrons = 1,6.10 Coulomb, N' die Dotierung der er
wähnten homogenen Zone in Atomen.m und V„ die Durchschlagspannung
am gleichrichtenden Uebergang in Volts darstellt.
Dabei ist nach Obenstehendem:
2 C & !
wobei d1 die Dicke der homogen, dotierten Zone (in m) und
°i^VB, (2)
ist, wahrend nach der Erfindung«
5,2 (3)
2\ /
5 V
ist. Aus den Gleichungen (2) und (3) folgt, unter Berücksichtigung
der obenstehenden Zahlenwerte für £ und q, dass
wobei ν = die sattigungsdriftgeschwindigkeit der Majoritats-
ladungstrager im Halbleitermaterial in cm.see" und
N s die Dotierungskonzentration in Atomen.cm ist.
Aus Gleichung (1) folgt ferner, dass
~ 1 , € _ V, d ^1,05.10"-*
ist (d in cm, N in Atomen.cm" J ),
Daher ist eine weitere besondere Ausführungsform nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das erste
Gebiet eine an den gleichrichtenden Uebergang grenzende praktisch homogen dotierte Zone enthalt, deren Dicke in cm
209838/0794
- 8 - PHN.5^78
mindestens gleich
ist, wflhrend die Schwingungsfrequenz mindestens gleich
VB
und höchstens gleich 1,18.10"*3 v
V εΓνΒ ·
und vorzugsweise praktisch gleich
1.O5.1CT3 ν\, e v
ist.
ist.
Der gleichrichtende Uebergang kann auf verschiedene
Weise erhalten werden. Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der gleichrichtende Uebergang ein pn-Uebergang zwischen
dem ersten Gebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp und dem
zweiten Gebiet aus einem Halbleitermaterial vom zweiten, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp mit einer höheren
Dotierungskonzentration als der an den pn-Uebergang grenzende Teil des ersten Gebietes. Dabei können das erste und das
zweite Gebiet aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen, wobei der gleichrichtende Uebergang ein sogenannter
Hetero-Uebergang ist.
Nach einer besonderen Ausführungsform der Erfindung bestehen jedoch das erste und das zweite Gebiet aus dem
gleichen Halbleitermaterial, aber weisen entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen auf.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
besteht das zweite Gebiet aus einem Metall, das mit dem
209838/0794
22097S3
ersten Gebiet einen gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Uebergang
(Schottky-Uebergang) bildet.
Das Halbleitermaterial wenigstens des ersten
^ebietes besteht vorzugsweise aus Silicium, Germanium oder
Galliumarsenid, obgleich unter Umstanden auch andere Halbleitermaterialien Anwendung finden können.
Eine Lawinenlaufzeitdiode zur Anwendung in einer
Anordnung nach der Erfindung kann selbstverständlich jede bei bekannten Lawinenlaufzeitdioden übliche Bauart aufweisen
und z.B. durch bekannte MESA» oder Planartechniken unter Verwendung bekannter Techniken, wie Legierungs-,
Diffusions- oder Ionenimplantationstechniken, hergestellt
werden, wobei gegebenenfalls ein epitaktisches Anwachsverfahren verwendet wird.
Einige Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher
beschrieben. Es zeigern
Fig. 1 eine Anordnung nach der Erfindung,
Pig. 2 eine andere Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung und
Pigt 3 den Verlauf der Halbw©rtsbreite 2Au)
der Kreisfrequenz als Funktion des Laufwinkels © für ©ine
Ausgangsleistung von 18 mW und für zwei verschiedene Halbleitermaterialien »
Die Figuren sind achematlsch und nicht masstSblieh.
gezeichnet. Entsprechende Teile sind in den Figuren im der
Regel mit den gleichen Rezugsseichen bezeichnet a
209838/079
Fig, 1 zeigt schematise!!, mit der Lawinenlauf zeitdiode
im Querschnitt, eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung zum Erzeugen elektrischer Hochfrequenzschwingungen.
Die Anordnung enthalt eine Lawinenlaufzeitdiode mit einem Körper, der ein erstes Gebiet (1, 2) aus η-leitendem Silicium
aufweist, das aus einer epitaktischen Schicht 1 mit einer Dicke von 7/um und einer Dotierung von 5«10 Phosphoratomen/cm
(spezifischer Widerstand 1,1 α.cm) besteht, die auf einem Substrat 2 mit einer Dicke von 50/um und
einem spezifischen Widerstand von 0,008 n.cm (Dotierung 8.10 Antimonatome/cm ) angebracht ist. Ferner enthalt
die Diode ein zweites Gebiet in Form einer Metallschicht, die aus einer Palladiumschicht 3 mit einer Dicke von 0,1 /um
und einer Goldschicht h mit einer Dicke von 0,5 /um besteht.
Die Palladiumschicht 3 bildet einen schroffen, gleichrichtenden Schottky-Uebergang mit dem Teil 1 des ersten
Gebietes, Der Teil 2 des ersten Gebietes ist mit einem Anschlussleiter 6 versehen, der mittels einer Goldschicht 7
und einer Palladiumschicht 8 der gleichen Dicke wie die Schichten k und 3 mit dem Substrat 2 in Verbindung steht.
Das zweite Gebiet, das aus der Metallschicht (3· Ό besteht, ist mit einem Anschlussleiter in Form einer kupfernen Kühlplatte
9 versehen, auf der die Schichten 3 und k angebracht sind.
Mittels einer Gleichspannungsquelle E mit einem hohen Innenwiderstand R1 ist Ober die Anschlussleiter 6 und
an den gleichrichtenden Uebergang 5 eine Spannung in der
Sperrichtung angelegt, die gleich oder etwas grosser als
20Θ838/079/»
- 11 - PHIi. 5^78.
die Durchschlag spannung ΥΏ des (JeT^ergangs ist. Diese
±3
Spannung beträgt im vorliegenden Falle atwa 100 V,
Durch das Anlegen dieser Gleichspannung tritt in der Nähe des Uebergangs 5 in der Schicht 1 Lawinenvervielfachung
auf, wodurch Elektronen und Löcher gebildet werden. Dabei bewegen sich die Elektronen durch die Schicht
von der Palladiumschicht 3 zu der n+-Schicht 2 unter der
Einwirkung des elektrischen Feldes.
In der Schaltungsanordnung sind ferner ein veränderlicher
Widerstand R2 und eine veränderliche Impedanz
(mit einem reellen und einem induktiven imaginären Teil) aufgenommen, die zwischen den Anschlussleitern 6 und 9 in
Reihe angeordnet sind. Indem R2 und Z derart geregelt
werden, dass Rd + JX, + R„ + Z = 0 ist, wobei R, + jX, die
Innenimpedanz der Lawinenlaufzeitdiode zwischen den Leitern und 9 darstellt, kann die Diode durch die bekannte Wechselwirkung
zwischen Stossionisation und Elektronenläufzeit
in Schwingung versetzt werden, wobei ein Ausgangssignal U
über dem Widerstand Rp zwischen den Klemmen 12 und 13 entnommen
wird. Indem R2 und 2 unter Berücksichtigung der
obenerwähnten Bedingung geändert werden, kann die Frequenz f des Signals U geändert werden*
Für Silicium ist ξ = 12, während die Sättigungs-
7 -1 driftgeschwindlgkeit von Elektronen in Silicium 10 cm»see
beträgt. Die Dicke der homogenen dotierten, an den Uebergang
grenzenden Zone 1 des ersten Gebietes ist 7»10 cm, was
mehr als
1.Ο5.1Ο3
ist, d.h. die Dicke der ErschBpftmgszone '-bei der Burehseüilag-
ist, d.h. die Dicke der ErschBpftmgszone '-bei der Burehseüilag-
209838/0794
spannung am Uebergang 5· Die Grenze dieser Erschöpfungszone
ist in Fig, 1 durch die gestrichelte Linie 10 angedeutet. Nach der Erfindung wird nun die Frequenz f derart
gewählt ι dass der Laufwinkel
2X f L
mindestens k und höchstens 5,2 rad und vorzugsweise 4,6 rad
betrBgt. Für die beschriebene Diode ist mit guter Annäherung
die LBnge ld des Driftgebietes gleich 2/3 der Dicke der
ErschSpfungszone, alsot t
. 1,05.10-* \j ~
= -r · iiUi.iu \i rt
= j.hh.iu cm,
Das Driftgebiet liegt in Fig. 1 zwischen den gestrichelten Linien 10 und 11. Aus der erwähnten Bedingung für θ folgt
daher, dass
1.86.1Ο10 see"1 = 9.1.10"1* ν \ / X f <
1,18.1O"3 v.
, ■ V r B
■ 2.41.1010 see"1
Y vr B
und vorzugsweise (Oe
und vorzugsweise (Oe
f - 1,05.103 ν
.1O10 see"1, ist.
In Fig. 3 ist der Verlauf des FM-Rauschpegels
über dem Laufwinkel 0 für eine Gesamtausgangsleistung (über R2 + 2) von 18 mW für eine Germanium-n+p-Diode und
für eine Silicium-p+n- (bzw. Metall-η)-Diode aufgetragen.
Dabei ist als ein Mass für das Geräusch die Halbwertsbreite 2 A co0 der Schwingungskreisfrequenz in rad/sec als
Ordinate und der Laufwinkel in rad als Abszisse aufgetragen·
209838/0794
Aus Pig. 3 ist ersichtlich, dass das FM-Geräusch zwischen
den gewählten Grenzen bei θ ·= 4,6 ein Mininram aufweist.
Um eine maximale Ausgangsleistung zu erhalten, müsste der zu wählende Laufwinkel θ = ■ sein, was einer Frequenz
f = 4,65·10 see" entspricht. Es geht aber aus Fig. 3
hervor, dass für diese Frequenz der Rauschpegel, in der Halbwertsbreite ausgedrückt, um mehr als einen Faktor 20 höher
als bei der optimalen Frequenz nach der Erfindung liegt.
Die Diode nach Fig. 1 kann durch allgemein übliche Techniken hergestellt werden, wobei die Schicht 1 auf dem
Substrat 2 durch epitaktisches Anwachsen angebracht wird, wonach die Palladium- und Goldschichten 3, 4, 7 und 8 aufgedampft
werden und die so erhaltene Platte durch Maskierung und Aetzung in gesonderte Dioden unterteilt wird. Dabei
wird während des Aetzvorganges das zum Erhalten einer
möglichst hohen Durchschlagspannung günstige Profil des Randes 14 (siehe Fig. 1) erzielt. Die Herstellung einer
derartigen Lawinenlaufzeitdiode wird im Detail in der niederländischen Patentanmeldung Nr. 7.012.831 (PHN.5127)
der Anmelderin beschrieben.
Statt durch die Palladium-Goldschicht (3* 4) kann der gleichrichtende Uebergang auch durch eine an die
Schicht 1 grenzende, stark p-dotierte Schicht gebildet werden, wie z.B. in "Electronics Letters", 27.Dezember 1969»
vS. 693-69^, beschrieben ist.
Fig. 2 zeigt schematisch im Querschnitt eine andere Ausführungsform einer Anordnung nach der Erfindung
mit einer Lawinenlaufzeitdiode vom "Read"-Typ, die ferner
209838/0794
PHN.5^78.
auf die bereits im vorangehenden Beispiel beschriebene Weise in einer Schaltungsanordnung aufgenommen ist. Die
Diode enthalt einen Siliciumhalbleiterkörper mit einem
ersten η-leitenden Gebiet, das ein praktisch homogen dotiertes Driftgebiet 21 mit einer Dotierung von 7.10 Anti-
3
monatomen.cm und einer Dicke 1. »
monatomen.cm und einer Dicke 1. »
enthalt, das in
Form einer epitaktischen Schicht auf einem Substrat 22 mit
* 1 ft *\
einer Dotierung von 10 Antimonatomen.cm" angebracht ist.
Ferner enthalt das erste Gebiet noch eine hochdotierte η-leitende Schicht 23 (das Lawinengebiet), die durch eine
Phosphordiffusion in der epitaktischen Schicht 21 angebracht ist und eine Dicke von 2,U/um aufweist. Das zweite
Gebiet Zk besteht aus einer durch eine Bordiffusion angebrachten p-leitenden Schicht mit einer Dicke von 5t3/um,
die mit der Schicht 23 einen gleichrichtenden pn-Uebergang
bildet. Die Oberflachenkonzentration der Phosphordiffusion
17 —3 an der Stelle der Oberflache Zh betragt 10 ' Atome.cm
20 —3 und die der Bordiffusion U,10 Atome.cm .
Die Gebiete 2^ und 25 sind mittels Metallschichten
und 29 und Anschlussleiter 26 und 27 mit Anschlusskontakten versehen, wobei die Schicht 28 vorzugsweise auf einer
Kühlplatte angebracht ist. Die Struktur der Diode ist in der Figur sehr schematisch dargestellt, weil nur die Reihenfolge
und die Dicken der Schichten fUr die Erfindung von wesentlicher Bedeutung sind. Die Diode kann z.B. eine der
der Fig. 1 entsprechende Form aufweisen. Die Durchschlagspannung
des pn-Ueberganges 25 betragt 50 V.
209838/079A
Nach der Erf inching" wird die Frequenz auf die im
vorangehenden Beispiel beschriebene Weise derart geregelt,
2* f 1.
ν ν ν ■"
und vorzugsweise derart, dass
- £ 4,6 ist.
Bei einer Diode dieser Art ist 1. praktisch gleich der Dicke der Schicht 21, so dass die zu wählende Frequenz
von der Dotierung der verschiedenen Schichten nahezu unabhängig
ist, vorausgesetzt, dass nur die an jede wReadw-Diode
zu stellenden Bedingungen erfüllt sind, und zwar dass der pn-Uebergang 25 schroff verläuft und dass sich das Raumladungsgebiet
bei der Durchschlagspannung am Uebergang 25
mindestens bis zu der Schicht 22 erstreckt, während dabei in dem Gebiet 21 die Feldstärke grosser als die Sättigungsfeldstärke ist· Es stellt sich heraus, dass die Bedingungen
bei dem beschriebenen Dotierungsprofil erfüllt werden*
Da 1. m 9,3.10 cm ist, folgt aus Obenstehendem,dass
6,8.ΊΟ9 sec"1 ^ f ^ 8,9.1O9 sec"1
und vorzugsweise
f = 7,9.109 see"1 ist.
Es ist einleuchtend, dass sich die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt,
sondern dass im Rahmen der Erfindung für den Fachmann viele Abarten möglich sind. So kann in der Lawinenlaufzeitdiode
nach Fig. 2 die p-leitende Schicht Zk auch durch eine Metallschicht
ersetzt werden, die mit der Schicht 23 einen gleichrichtenden
Schottky-Uebergang bildet. Ferner können statt
20Θ838/079Α
Silicium andere Halbleitermaterialien, z.B. Germanium oder Galliumarsenid, Anwendung finden. Die Leitfähigkeitstypen
der Halbleiterschichten können durch die entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen ersetzt werden, wobei die der
Erfindung zugrunde liegenden Bedingungen berücksichtigt werden sollen. Auch, können andere geeignete Metalle zur
Bildung von Schottky-Uebergängen verwendet werden, während
die äussere Schaltungsanordnung auch in Einzelheiten von der in den Beispielen angegebenen Schaltungsanordnung
verschieden sein kann und für die Lawinenlaufzeitdiode
andere Strukturen als MESA-Strukturen, z.B. völlig oder
teilweise planare Strukturen, angewandt werden können.
Es sei weiter noch bemerkt, dass, obwohl oben von einer gegebenen Lawinenlaufzeitdiode ausgegangen wurde,
von der danach die Schwingungsfrequenz gemäss der Laufwiiikelbedingung
der Erfindung gewählt wurde, statt dessen auch -vm edner gegebenen erwünschten
Schwingungsfrequenz ausgegangen werden kann, auf Basis welcher Frequenz eine Lawinenlaufzeitdiode einer
derartigen Struktur verwendet wird, dass die Sättigungsdrift geschwindigkeit ν und die Länge 1. des Driftgebietes
mit den gemäss der Erfindung an den Laufwinkel gestellten Bedingungen in Uebereinstimmung sind. Für ein bestimmtes
Halbleitermaterial des ersten Gebietes bedeutet die Massnahme nach der Erfindung dann u.a., dass zum Erhalten
eines möglichst niedrigen FM-Rauschens für eine bestimmte Schwingungsfrequenz eine Diode mit einem längeren Driftgebiet
oder aber einer höheren Durchschlagspannung gewählt wird als bisher zum Erhalten einer optimalen Ausgangsleistung
üblich war,
209838/0794
Claims (1)
- PATENTANSPRUECHE:1 ,J Halbleiteranordnung zum Erzeugen elektrischer Hochfrequenzschwingungen mit einer Lawinenlaufzeitdiode, die einen Körper enthält, der ein erstes Gebiet aus einem Halbleitermaterial von einem ersten Leitfähigkeitstyp und ein zweites Gebiet aus einem anderen Material aufweist, das mit dem ersten Gebiet einen schroffen gleichrichtenden Uebergang bildet, wobei das erste und das zweite Gebiet mit Anschlussleitern versehen sind, mit deren Hilfe eine derart hohe Spannung in der Sperrichtung fen den gleichrichtenden Uebergang angelegt wird, dass an diesem Übergang Lawinenvervielfachung von Ladungsträgern auftritt, zwischen welchen Anschlussleitern ein Ausgangssignal einer bestimmten Frequenz entnommen werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingungsfrequenz in bezug auf die Diodenparameter derart gewählt wird, dass der Wert des Laufwinkels:2%tlamindestens h rad und höchstens 5»2 rad beträgt, wobei f die Schwingungsfrequenz der Lawinenlaufzeitdiode, ν die Sättigungsdriftgeschwindigkeit von Majoritätsladungsträgern in dem ersten Gebiet, und1. die Länge des von diesen Ladungsträgern mit der Sättigungsdi iftgeschwindigkeit durchlaufenen Teiles des ersten Gebietes (due Driftgebietes) darstellt*'· „ Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch geki;!i(V.'c:L<;hjiet, dass der Wert des Laufwinkels!e. flüa.praktisch gleich kt6 rad ist.209838/07943. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lawinenlaufzeitdiode eine "Readw-Diode ist, wobei das erste Gebiet ein an den gleichrichtenden Uebergang grenzendes hochdotiertes Lawinengebiet und ein an diese Zone grenzendes niedrigdotiertes Driftgebiet enthalt.h. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Gebiet eine an den gleichrichtenden Uebergang grenzende praktisch homogen dotierte Zone enthalt, deren Dicke in cm mindestens gleichist, während die Schwingungsfrequenz mindestens gleich:und höchstens gleicht 1,18.10" ν \VrB und vorzugsweise praktisch gleich:VrVV ''-n T1 f('r 'Bist, wobei ν die sattigungsdriftgeschwindigkeit der Majoritats-Iadungstr8ger in dieser Zone in cm.see , N die Dotierung der Zone in Atomen.cm , £ die relative DielektrizitSts-konstante des Halbleitermaterials der Zone und V die Durchschlagspannung des gleichrichtenden Uebergangs in Volts darstellt.5, Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gleichrichtende Uebergang ein pn-Uebergang zwischen dem209838/0794- 19 - PHN.5^78.ersten Gebiet vom ersten Leitfähigkeitstyp und einem zweiten Gebiet aus einem Halbmaterial vom zweiten, entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp mit einer höheren Dotierungskonzentration als der an den pn-Uebergang grenzende Teil des ersten Gebietes ist.6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Gebiet aus dem gleichen Halbleitermaterial bestehen, aber entgegengesetzte Leitfähigkeitstypen aufweisen.7. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gebiet aus einem Metall besteht, das mit dem ersten Gebiet einen gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Uebergang (Schottky-Uebergang) bildet·8. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial wenigstens des ersten Gebietes aus Silicium, Germanium oder Galliumarsenid besteht.209838/0794
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| NL7103156A NL7103156A (de) | 1971-03-10 | 1971-03-10 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE2209783A1 true DE2209783A1 (de) | 1972-09-14 |
Family
ID=19812649
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19722209783 Ceased DE2209783A1 (de) | 1971-03-10 | 1972-03-01 | Halbleiteranordnung zum Erzeugen elektrischer Hochfrequenzschwingungen |
Country Status (12)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US3808555A (de) |
| JP (1) | JPS5221873B1 (de) |
| AT (1) | AT354517B (de) |
| AU (1) | AU469438B2 (de) |
| CA (1) | CA953431A (de) |
| CH (1) | CH539979A (de) |
| DE (1) | DE2209783A1 (de) |
| FR (1) | FR2128768B1 (de) |
| GB (1) | GB1379274A (de) |
| IT (1) | IT949966B (de) |
| NL (1) | NL7103156A (de) |
| SE (1) | SE374985B (de) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3743905A1 (de) * | 1986-12-23 | 1988-07-07 | Kone Oy | Elektromechanische antriebseinrichtung |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB1485015A (en) * | 1974-10-29 | 1977-09-08 | Mullard Ltd | Semi-conductor device manufacture |
| US3986192A (en) * | 1975-01-02 | 1976-10-12 | Bell Telephone Laboratories, Incorporated | High efficiency gallium arsenide impatt diodes |
| US10352970B2 (en) | 2011-12-21 | 2019-07-16 | Sony Corporation | Detection apparatus, power receiving apparatus, non-contact power transmission system and detection method |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE1932842B2 (de) * | 1968-08-01 | 1972-08-17 | Semiconductor Research Foundation, Sendai, Miyagi (Japan) | Laufzeitdiodenoszillator |
-
1971
- 1971-03-10 NL NL7103156A patent/NL7103156A/xx unknown
-
1972
- 1972-02-24 US US00229148A patent/US3808555A/en not_active Expired - Lifetime
- 1972-03-01 DE DE19722209783 patent/DE2209783A1/de not_active Ceased
- 1972-03-06 AU AU39671/72A patent/AU469438B2/en not_active Expired
- 1972-03-07 SE SE7202895A patent/SE374985B/xx unknown
- 1972-03-07 IT IT21543/72A patent/IT949966B/it active
- 1972-03-07 AT AT188572A patent/AT354517B/de not_active IP Right Cessation
- 1972-03-07 GB GB1052772A patent/GB1379274A/en not_active Expired
- 1972-03-07 CH CH333172A patent/CH539979A/de not_active IP Right Cessation
- 1972-03-07 JP JP47023526A patent/JPS5221873B1/ja active Pending
- 1972-03-08 CA CA136,518A patent/CA953431A/en not_active Expired
- 1972-03-09 FR FR7208203A patent/FR2128768B1/fr not_active Expired
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3743905A1 (de) * | 1986-12-23 | 1988-07-07 | Kone Oy | Elektromechanische antriebseinrichtung |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| NL7103156A (de) | 1972-09-12 |
| AT354517B (de) | 1979-01-10 |
| JPS5221873B1 (de) | 1977-06-14 |
| FR2128768A1 (de) | 1972-10-20 |
| IT949966B (it) | 1973-06-11 |
| CA953431A (en) | 1974-08-20 |
| GB1379274A (en) | 1975-01-02 |
| FR2128768B1 (de) | 1977-07-15 |
| SE374985B (de) | 1975-03-24 |
| CH539979A (de) | 1973-07-31 |
| AU469438B2 (en) | 1973-09-13 |
| AU3967172A (en) | 1973-09-13 |
| US3808555A (en) | 1974-04-30 |
| ATA188572A (de) | 1979-06-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE69127314T2 (de) | Diamant-Halbleiteranordnung | |
| DE2611338C3 (de) | Feldeffekttransistor mit sehr kurzer Kanallange | |
| DE3047738C2 (de) | Halbleiteranordnung | |
| DE2913068A1 (de) | Heterostruktur-halbleiterkoerper und verwendung hierfuer | |
| DE1162488B (de) | Halbleiterbauelement mit zwei Elektroden an einer Zone und Verfahren zum Betrieb | |
| DE19947020A1 (de) | Kompensationsbauelement mit variabler Ladungsbilanz | |
| DE1614300B2 (de) | Feldeffekttransistor mit isolierter Steuerelektrode | |
| DE2847451C2 (de) | Halbleiterbauelement und Verfahren zum Herstellen | |
| DE2414142A1 (de) | Spannungsveraenderliche kondensatoranordnung | |
| DE2165417A1 (de) | Elektronische Schaltung | |
| DE2209783A1 (de) | Halbleiteranordnung zum Erzeugen elektrischer Hochfrequenzschwingungen | |
| DE2061689C3 (de) | Tunnel-Laufzeitdiode mit Schottky-Kontakt | |
| DE2833543A1 (de) | Lawinendiode mit hetero-uebergang | |
| DE1564940B1 (de) | Verfahren zur Herstellung einer Halb leiteranordnung sowie danach hergestellte Anordnung, insbesondere Transistor | |
| DE1950478A1 (de) | Halbleiterbauelement mit steuerbarer Kapazitaet | |
| DE2540354A1 (de) | Als thermoionische injektionsdiode geeignete halbleiterstruktur | |
| DE1639041A1 (de) | Halbleiter-Verstaerker unter Verwendung einer Feldeffekt-Modulierung der Tunnelwirkung | |
| DE2725115A1 (de) | Vorrichtung zum mischen von signalen | |
| DE2209979C3 (de) | Halbleiterbauelement | |
| DE2417933A1 (de) | Lawinendiode | |
| DE2357640A1 (de) | Halbleiteranordnung mit elektronenuebertragung | |
| DE3686087T2 (de) | Feldeffekttransistor. | |
| DE1154879B (de) | Verfahren zum Erzeugen eines negativen Widerstandes in einem Halbleiterbauelement | |
| DE2229717C3 (de) | Gunndiode zum Erzeugen elektromagnetischer Hochfrequenzschwingungen | |
| DE1015153B (de) | Halbleiter-Verstaerker mit einem Koerper aus Einkristall-Halbleitermaterial |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OD | Request for examination | ||
| 8131 | Rejection |