DE2220485B2 - Mikrowellen-halbleitergeraet und dessen verwendung - Google Patents

Mikrowellen-halbleitergeraet und dessen verwendung

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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)

Pateniansprüche:
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
DE19722220485 1971-04-26 1972-04-26 Mikrowellen-Halbleitergerät und dessen Verwendung Expired DE2220485C3 (de)

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