DE2220485B2 - Mikrowellen-halbleitergeraet und dessen verwendung - Google Patents
Mikrowellen-halbleitergeraet und dessen verwendungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Mikrowellen-Halbleitergerät
mit zwei Halbleiterdioden, welche auf einer als Wärmesenke dienenden Metallbasisplatte gelegen und
in symmetrischer Anordnung in Reihe geschaltet sind und mit zu den Halbleiterdioden führenden Anschlußelektrodenanordnungen.
Mikrowellen-Halbleitergeräte stellen im allgemeinen für die Energiequelle Verbraucher niedriger Impedanz
dar und bei Mikrowellen-Halbleitergeräten hoher Leistung ist die Eingangskapazität in unerwünschter
Weise sehr hoch, da diese Kapazität die Geschwindigkeit der Veränderung der Gleichstrom-Eingangsleistung
beispielsweise für den Impulsbetrieb oder die Modulation solcher Geräte vermindert.
Wurden Mikrowellen-Halbleilergeräte in der Weise hergestellt, daß man eine Schicht eines Halbleiterwerkstoffes
hohen Widerstandes durch Epitaxie auf ein Chip eines Halbleiterwerkstoffes geringen Widerstandes und
gleichen Leitfähigkeitstyps aufwachsen läßt, so war zu beobachten, daß bei Verwendung solcher Geräte als
des Dotierungs- oder Verunreinigungsgradienten in dem betreffenden Bereich und/oder auf Störungen in
dem Aüsgangsmaterial beruhen mag. welche in mehrere
epitaktisch aufgewachsene Schichten des Kristaligitierbaues einzuwandern vermögen.
ίο Ein Mikrowellen-Haibleitergerät gemäß dem einleitenden
Beschreibungsabsatz ist vor dem Prioritäistage. z. B. durch die DT-OS 19 50 937, bekannt gewesen. Bei
diesem Mikrowellen-Halbieitergeräi werden die voneinander
getrennten Halbleiterdioden unter Zwischenschaltung einer Metallelektrode über eine als Wärmesenke
wirkende Metallplatte elektrisch miteinander verbunden. Die Halbleiterdioden besitzen jeweils nur
einen, sich aus n- und p-ieitendeii Halbieiierschichter,
zusammensetzenden Halbleiterbereich. Jeder dieser Halbleiterbereiche ist über ^pannungsanschiuljleiiungen
an je eine Spannungsquelle angeschlossen. D;is Verhältnis Halbieiierbereiclibreiie zu HalbieiterDcreichdicke
ist größer als 10.
Aus der LS-PS 34 43 Ib9 ist es darüber hinaus
bekannt gewesen, bei einem Gunn-Efteki-Halblenei bauelement
dessen Anschlußleitungen ah Hoch:ic quenzijbertragungslcitungen auszubilden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, cm
Mikrowellen-Halbleitergerat der eingangs erwärmten
Art so auszugestalten, daü die Belastung der ein
derartiges Mikrowellen-Halbleiiergcrat speisenden
Energiequelle verringert und gleichzeitig die Ausgangsleistung des Mikrowellen-Halbieitergerates erhom
werden kann.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die voneinander getrennten Halbleiterdioden
unmittelbar über die Metallbasisplatte elektrisch miteinander verbunden sind und jeweils aus einer
Gruppe langgestreckter Halbleitenibschnitie mit einer
Breite von weniger und einer Länge von mehr als dem Zehnfachen ihrer Dicke bestehen.
Durch die großflächige, gute thermische und eiexinsche
Eigenschaften aufweisende Metallbasispiatte, die in
unmittelbarem Kontakt mit den Haibleiterabschnitien
steht, wird ein ausgezeichneter Strom- und Wärmeübergang gewährleistet, der zu einer geringen Belastung der
Energiequelle lührt. Dieser Effekt wird noch dadurch verbessert, daß durch die langgestreckten Halbleiterbereiche
eine Wärmeableitkomponente auch parallel zur Oberfläche der Metailbasiselektrode erzielt wird,
wodurch der gesamte abzuführende Wärmestau zwischen den Halbleiterabschnitten und der Metallbasiselektrode
bei einem gegebenen Temperaturgradienten noch verbessert werden kann.
Das Ausgangsleistungsniveau eines Mikroweiien-Halbleitergerätes
der erfindungsgemäßen Art wird dadurch wesentlich erhöht, daß mehrere Halbleiterdioden
in einer Anordnung von gleichsam Rücken an Rücken oder symmetrisch geschalteten Übergangen
vorgesehen sind, welche über eine gemeinsame Wärmesenke einen gemeinsamen elektrischen Anschluß
besitzen. Geräte dieser Art verhalten sich vorzugsweise insofern elektrisch symmetrisch, als sie
eine Mikrowellenverstärkung und/oder Schwingungser- <>5 zeugung bei jeder Polung der an das betreffende Gerät
angelegten Speisespannung bewirken. Ein weiterer Vorteil von Mikrowellen-Halbleitergeräten mit symmetrisch
geschalteten Übergängen ist es, daß ihr
Halbleiterkörper unmittelbar aurch entsprechendes
Abtragen eines Chips eines gezogenen Halbleicerkn-
«afies gebiidet werden kann, ohne daü die Herstellung
einer epitaktischen Schicht erforderlich ist, wodurch die
Kosten herabgesetzt und die Reproduzierbarkeit des betreffenden Bauelementes verbessert werden.
Im folgenden wird die Erfindung durch d;e Beschreibung
von Ausführungsbeispielen »,nter Bezugnahme auf die Zeichnung erläuten. Es stellen dar
Fig.! einen Schnitt durch eine Ausi'">.h.-ungsform der
Erfindung entsprechend der in Fig. 2 angedeuteten Schnittebene 1-1.
Fig. 2 einen Venikaiscnnitt euren das Gerat nach
Fig. I längs der in Fig. i angedeuteten Schnittebene
2-2.
Fig. 3 ein.: vergröbert wieaergegebene Querichnittsdarsteiiung
eines Teiles ücs Hälbieiter-Eiektrodenbereiches
eines Gerätes entsprechend den F i g. i unß 2,
F ig.4 ein Anwenaungsbeispiet eines Gerätes nach
<er Erfindung entsprechend den F 1 g. 1 dis i ais an einen
VerDraucher angekoppelter Oszillator und
F 1 g. 5 ein Anwendungsbeispiei eines Gerätes nach
lien Fig! Dis i in einer Einrichtung zur Verstärkung
»on Signalen einer äußeren Mikrow eiiencueile.
In den Fig.! bis i isi eine als flaches Plättchen
tusgebiidcte Meiallbasisplane 10 aus einem Werks!· ■■'
mit ^'jten thermischen und elektrischen l.eiteiaenschailen.
beispielsweise aus Gold, dargestellt. Die Metallbatispiatte
10 hat eine bestimmte Große und trag! bei dem
vorliegenden Ausfunrungsbeispiel zwei Halbieiterberei
the oder -abschnitte 11 aus durcngenend miteinander in
VerDindung stehendem Halbleitermaterial. Die Meiallbasisplatte
10 kann beispielsweise eine Breite vo·
I.t>5 mm und eine Lange von 3.3 mm aufweisen und eine
Dicke von 0,178 mm bis 0.254 mm besitzen
Ijie aus Halbleiterwerkstoff bestehenden Halbleiterbereicne
11 können beispielsweise aus Galliumarsenid. SiM/ium oder Indiumphosphid oder einem anderen
geeigneten Halbleiterwerkstoff gefertigt sein und haben die Gestalt einer Reihe langgestreckter Abschnitte mit
einer Breite von weniger als dem Zehnfachen ihrer Dicke und einer Länge, die größer als das Zehnfache
ihrer Dicke ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel
werden die Halbleiterbereiche 11 jeweils von zwei
Gruppen von je vier langgestreckten Teilen gebildet, welche sich rechtwinklig überkreuzen 'ind sich in Form
eines Gitters durchsetzen. In der Nähe der Metallbasiselektrode 10 hat jeder der langgestreckten Teile der
Halbleiterbereiche 11 eine Breite von annähernd 0,05 mm und eine Länge von etwa 0,75 mm, so daß nur
ein kleiner Bruchteil der Gesamtobertläche der Metallbasiselektrode 10 mit aktivem Halbleitermaterial
der Halbleiterbereiche 11 abgedeckt ist.
jede der beiden Halbleiterdioden enthält zumindest zwei leweils zusammenhängende Halbleiterbereiche 11,
die voneinander mit Ausnahme der Verbindung über die Metallbasiselektrode 10 isoliert sind.
Die Metallbasiselektrode 10 wirkt als Wärmesenke für die Ha'bleiterdioden. Aufgrund der langgestreckten
Gestalt der Halbleiterbereiche 11 oder ihrer Teile fließt ein wesentlicher Anteil der Wärme, die sonst im
wesentlichen vollständig in Richtung senkrecht zur Oberfläche der Metallbasiselektrode 10 strömen würde,
in einer Richtung ab, die eine Komponente parallel zur Oberfläche der Metallbasiselektrode 10 hat, wodurch
der Gesamt-Wärmcstrom bei einem gegebenen Temperatureradienten
zwischen den Halbleiterbereichen 11 und der Metallbasiselektrode 10 vergrößert werden
kann.
Zwischen den Halbleiterbereichen 11 und der
MetalSbasisetektrode 10 befindet sich eine beispielsweise
aus Platin bestehende Metallschicht 12. welche
einerseits bei der Herstellung der Meiaübasiselektrode
10 durch Elektroplattieren als Elektrode verwendet werden kann und andererseits als eine Sperrschicht
wirksam ist. welche ein Diffundieren des Goldes von der
als Wärmesenke wirkenden MetaUbasiseiektrode 10 in
die Haibieiterbereiche 11 hinein, verhindert, iaih άι·>
Bauelement erhöhten Temperaturen entweder wahrend des Herstellungsvorganges oder während des Betriebes
ausgesetzt ist- Auf der von der Metailbasiselektrode 10
bzw. der Metallschicht 12 abgewandter- Seite dc
Haibieiterbereiche 11 befindet sich eine weisere, au-,
Platin bestehende Sperrschicht 13. auf weicher eine Js
Anscnlußeiektrodenar- · jrsung 14 .virkendv tlek'.r.-denschicht
aufgebra^r.. ist.
Das für die Halbleite-öereiche Il verwendete
Halbleitermaterial kann be -Dieisweise ?■-'eilendes Galliumarsenid
mit einer Ak/epT.orkon/erHrjtiiin i" Bereich
von 10:4 bis 5 - 10'" Akzeptoren je kubikzer :.:r:e-
'QT sein. Wenn die Bereiche 11 aus einem Chip \oreinem
gezogenen Galliumarsenid-Emkrisiaii hergesteik
werden, so ist das Dotierungsmute! oder üas die
Akzeptoren erzeugende Verunrein^un^sm "te! vorzugsweise
Schwefel, während bei Herstellung de
Halbleiterschicht durch Epitaxie auf einem derartiger;
Chip die Dotierung vorzugsweise Tellur ist. Es se;
jedoch bemerkt, daß beliebige Dotierungsmittei verwendet
werden können, um die gewünschte Tragerk>.>:v
/entration zu erzeugen.
An die Haibieiterbereiche 11 können über die
Bauelementeteile 14, 10, 15, 16 Spannungen solcher GroBe angelegt werden, daß in ihnen periodisch
räumliche Veränderungen der Ladungstragerdichte auftreten. Hierbei können die Halbleiterbereiche 11 so
betrieben werden, daß eine Tragen ervielfdchun*: in den
Bereichen in der Nähe derjenigen Übergange stattfindet,
die in Spernchiung vorgespannt sind.
Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist. wird die Metallbasiselektrode
10 auf einer isolierenden Basisplatte 15 befestigt, welche eine gute thermische Leitfähigkeit
besitzt und beispielsweise aus Bervlliumdioxid besteht
und sich über die Ränder der Metallbasiseiektrode 10 hinaus erstreckt. Die isolierende Basisplatte 15 ist in
ihrer Dicke abhängig von den gewünschten Mikrowellen-Impedanzeigenschaften
ausgebildet und hat vorzugsweise eine Dicke zwischen 1.27 mm und 12.7 mm.
Die Basisplatte 15 ist an dem Boden 16 einer aus Leiterwerkstoff bestehenden Kammer oder eines
Gehäuses befestigt, das Abschlußwände 17. eine obere Wand 18 und Seitenwände 19 aufweist. Koaxiale
Eingangsleitungen 20 sind an den Abschlußwänden befestigt und enthalten e nen Innenleiter 21. der in die
Kammer oder das Gehäuse hineinreicht. Zwischen innenleiter und Außenleiter befindet sich ein Feststoff-Dielektrikum
22.
Finer der beiden Innenleiter 21 ist mit einer der Anschlußelektrodenanordnungen 14 über einen dünnen
Draht 23. beispielsweise durch eine Verbindungstechnik unter Anwendung von Temperatur und Druck oder in
irgendeiner anderen Kohtaktierungstechnik mit dem einen Halbleiterbereich 11 verbunden, während der
andere Innenleiter 21 in entsprechender Weise ebenfalls über einen dünnen Draht 23 über eine weitere
Anschlußelektrodenanordnung 14 mit dem anderen
Halbleiterbereich 11 verbunden ist. Die obere Wand oder der Deckel 18, welcher gegebenenfalls entfernbar
ausgeführt sein kann, ist beispielsweise mit den Abschlußwänden 17 und den Scitenwänden 19 verlötet.
Der Raum oberhalb der Halbleiter-Bauelemente kann mit einem Isolierstoff, beispielsweise mit Epoxidharz,
oder mit einem Gas gefüllt werden. Dieser Raum kann aber auch evakuiert werden.
In F i g. 4 ist ein Oszillator dargestellt, in welchem ein
Halbleiter-Bauelement 30 der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Art verwendet ist, wobei wieder die
Innenleiter 2! von Koaxialleitungen 20 mit den Anschlußelektrodenanordnungen 14 des Halbleiter-Bauelementes
verbunden sind. Eine der Koaxialleitungen dient zur Speisung eines Verbrauchers 31, der
beispielsweise von einer Antenne oder einem Raum gebildet sein kann, in welchen ein zu erhitzendes Gut
gesetzt wird.
Mit dem Innenleiter 21 ist ein Leiter 32 verbunden, der aus der Koaxialleitung 20 über eine Hochfrequenz-Drosselanordnung
herausführt, welche beispielsweise von einem Koaxialleitungsabschnitt von einem Viertel
der Wellenlänge gebildet sein kann. Die Leitung 32 ist an eine Energiequelle 33 angeschlossen, die vorzugsweise
so ausgebildet ist, daß sie einen konstanten Strom zu liefern vermag und einstellbar ist, um die Ausgangsleistung
des Gerätes einstellen zu können.
Die andere Klemme der Energiequelle 33 ist mit dem Außenleiter 20 der jeweils anderen Koaxialleitung
verbunden, die eine Länge von annähernd einem Viertel der Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz des Gerätes
aufweist und deren Innenleiter 21 am Ende der Leitung 20 vermittels einer Kurzschlußplatte 34 mit dem
Außenleiter kurzgeschlossen ist. Aufgrund der Fehlanpassung der Energiezufuhr, welche in dem System
vorkommt, treten Reflexionen von dem Verbraucher 31 her zurück durch eine Verstärkeranordnung auf, welche
die Halbleiterbcreiche 11 enthält und diese Reflexionen
werden im wesentlichen vollständig durch die kurzgeschlossene Koaxialleitung, welche eine Länge entsprcchcnd
einem Viertel der Wellenlänge besitzt, reflektiert. Als Folge davon schwingt die Einrichtung mit einer
Frequenz, die durch die Länge der kurzgeschlossenen Koaxialleitung bestimmt ist, welche in ihrer Länge in
der angedeuteten Weise einstellbar ausgeführt sein kann. Die Schwingungen treten mit der Gesamt-Resonanzfrequenz
des Systems auf und die tatsächliche Länge des kurzgeschlossenen Koaxialleitungsabschnittes
kann etwas verschieden von dem genauen Viertel der Wellenlänge sein, so daß sich das Halbleiter-Bauelement
einer effektiven elektrischen Viertelwelienlänge gegenübersieht, wenn es gleichsam durch die Koaxialleitung
20 in Richtung auf die Kurzschlußplatte 34 blickt Die Dicke der isolierenden Basisplattc 15 ist so
gewählt, daß die als Wärmesenke wirkende Metü11 busi^-
elektrode 10 und die Bodenwandung 16. welche ;ils Kühlplatte wirksam sein kann, eine Parallelplatten-Übertragungslcilung
bilden, deren charakteristische Impedanz oder deren Wellenwiderstand dem Wellenwiderstand
der Koaxiallcitungcn im wesentlichen gleich ist. Es ist aber auch möglich, bei Verwendung des
Systems als Oszillator in der hier angegebenen Weise eine Impcdan/.-Fehlanpassung der Koaxialleitungen
vorzusehen. Die resultierende Fehlanpassung der Impedanz zwischen den Halbleiterbereichen 11 und
dem Verbraucher 31 hat vorzugsweise den Minimalwert, bei welchem vom verbrauchcrseitigen Ende des
Halbleiter-Bauelementes 30 reflektierte Energie in dem Bauelement 30 verstärkt, an der Kurzschlußplatte 34
abermals reflektiert und wieder von dem Bauelement 30 verstärkt wird, so daß ein Gesamt-Verstärkungsgewinn
der Schleife erhalten wird, welcher größer als Eins ist. Mit Vorteil wirkt die zweite Hochfrequenz-Übertragungsleitung
mit den Halbleiterbereichen 11 als frequenzbestimmende Reaktanz 20,34 zusammen.
In Fig. 5 ist ein Verstärkungssystem gezeigt, bei
welchem eine Signalquelle 40 über eine Leitung 41 mit einem Eingang 51 eines drei Anschlüsse aufweisenden
Zirkulators 42 an sich bekannter Bauart derart gekoppelt ist, daß ein von der Signalquelle 40
eintretendes Signal über einen zweiten Anschluß 52 des Zirkulators zur koaxialen Eingangsleitung 48 eines
Verstärkers 43 ausgekoppelt werden kann, welcher von einem Gerät entsprechend den F i g. 1 bis j gebildet sein
kann. Der Verstärker 43 wird von einer einen einstellbaren, konstanten Strom liefernden Energiequelle
44 aus gespeist und ist mit seinem Mikrowcllenencrgie liefernden Ausgang über eine Koaxialleitung 45 mit
einem die Ausgangssignale aufnehmenden Verbraucher 46. beispielsweise mit einer Antenne oder einer
weiteren Verstärkungsstule. gekoppelt. Wellenenergie.
weiche von dem Signale aufnehmenden Verbraucher 46 und/oder vom Verstärker 43 oder den Koaxialleitungen
48 oder 45 reflektiert wird, gelangt über den dritten Anschluß 53 des Zirkulators 42 zu einer Koaxialleitung
49. die an eine angepaßte Belastung 47 angeschlossen ist, so daß weitere Reflexionen nach dem Verstärker 43
hin verhindert werden. Für den vorliegenden Anwendungsfall sind der Eingang und der Ausgang zum
Verstärker 43 in dem gewünschten Bereich von Betriebsfrequenzen so gut wie möglich impedanzangepaßt,
wobei die Energiequelle 44 zweckmäßig auf einen Stromwert eingestellt ist. der etwas unterhalb demjenigen
liegt, bei welchem Schwingungen angeregt werden so daß der optimale Verstärkungsgrad des System;
erzielt wird.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Mikrowellen-Haibieitergeräi mit zwei Halbleiterdioden,
welche auf einer als Wärmesenke dienenden Metallbasisplatte gelegen und in symmetrischer
Anordnung in Reihe geschaltet sind und mit zu den Halbleiterdioden führenden Anschlußelektrodenanordnungen,
dadurch gekennzeichnet, daß die voneinander getrennten Halbleiterdioden
unmittelbar über die Me'allbasisplatte (10) elektrisch miteinander verbunden sind und jeweils
aus einer Gruppe langgestreckter Halbleiterabschnitte (II) mit einer Breite von weniger und einer
Länge von mehr als dem Zehnfachen ihrer Dicke bestehen.
2. Mikrowe'len-Halbleitergerä* nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterabschnitte (11) einer Halbleiterdiode sich jeweils rechtwinklig
überkreuzen.
3. Mikrowellen-Halbleitergerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußelektrodenanordnungen
(14) und die Metallbasisplatte (10) jeweils Schottky-Übergänge zu den
Haibleiterabschniucii(i 1) bilden.
4. Mikrowcllcn-Halbicitergerät nach einem der
Ansprüche 1 bib J, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermateria! der Halbleiierabschnitte (II)
Galliumarsenid enthalt.
5. Mikrowellen-Halbleitergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ansehliißelektrodenanordnungcn (14) Platin enthalten.
6. Mikrowellen-Halbleitergerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Metallbüsisplatte (10) Gold enthält.
7. Verwendung eines Mikrouellen-Halbleiiergerätes
nach einem oder mehreren der Ansprüche ί bis 6 für einen du einem Verbraucher angekoppdien
Oszillator.
8. Verwendung eines Mikrowelien-Haibleitergerätes
nach einem oder mehreren der Ansprüche I bis 6 zur Verstärkung von Signalen einer äußeren
Mikrowellcnquclle.
Lawineneffeki-Dioden oder Gunneffekt-Oszillaioren
die Trennfläche der epitaktisch erzeugten Schicht zum ursprünglichen Halbleiter-Chip hin ein Rauschen
verursacht, welches auf unregelmäßigen Schwankungen
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US13737371A | 1971-04-26 | 1971-04-26 | |
US13737371 | 1971-04-26 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2220485A1 DE2220485A1 (de) | 1972-11-16 |
DE2220485B2 true DE2220485B2 (de) | 1976-10-14 |
DE2220485C3 DE2220485C3 (de) | 1977-05-26 |
Family
ID=
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CH560464A5 (de) | 1975-03-27 |
US3755752A (en) | 1973-08-28 |
GB1380811A (en) | 1975-01-15 |
IT952392B (it) | 1973-07-20 |
DE2220485A1 (de) | 1972-11-16 |
FR2134473A1 (de) | 1972-12-08 |
CA962785A (en) | 1975-02-11 |
FR2134473B1 (de) | 1978-03-03 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |