DE2612807A1 - Unter ausnutzung der ladungstraeger- laufzeit arbeitende hoechstfrequenz- halbleitervorrichtung - Google Patents

Unter ausnutzung der ladungstraeger- laufzeit arbeitende hoechstfrequenz- halbleitervorrichtung

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DE2612807A1
DE2612807A1 DE19762612807 DE2612807A DE2612807A1 DE 2612807 A1 DE2612807 A1 DE 2612807A1 DE 19762612807 DE19762612807 DE 19762612807 DE 2612807 A DE2612807 A DE 2612807A DE 2612807 A1 DE2612807 A1 DE 2612807A1
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emitter
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Marc Armand
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Description

Unter Ausnutzung der Ladungsträger-Laufzeit arbeitende Höchstfrequenz-Halbleitervorrichtung.
Die Entwicklung von Vorrichtungen, die unter Ausnutzung der Laufzeit arbeiten, ermöglichte eine beträchtliche Erweiterung des Bereichs der auf direktem Wege mit Hilfe von Halbleiter-Bauelementen erzeugten Frequenzen. Diese Erweiterung resultiert aus der Ausnutzung des negativen Widerstandes, der sich aus dem Laufzeitwinkel der Ladungsträger im Halbleiter ergibt, wenn dieser Winkel in der Größenordnung von 180° liegt.
Es ist bekannt, daß bei einer Ladungsträger-Laufzeit τ die Möglichkeiten zur Erhöhung der Frequenz f eines herkömmlichen bipolaren Transistors durch die Bedingung
2 rr f τ «2 π
(D
begrenzt sindy wobei das erste Glied dieser Ungleichung (1) den Laufzeitwinkel darstellt. Es ist jedoch zu erkennen, daß bei einem Laufzeitwinkel in der Größenordnung von π die Phasen-Schw/Ba
60984-1 /U779
7 6 1 7 8 Ο
umkehr des injizierten Stroms im Fall des Transistors ausgenutzt werden könnte.
Die durch die Basis eingeführte Phasenverschiebung ist stets von einer beträchtlichen Dämpfung begleitet. Der negative Widerstand würde daher gering sein, und er könnte von verschiedenen Störelementen verdeckt sein.
Von G.T.WRIGHT in Electronics Letters, Juni 1967, Band 3, Nr.6, Seite 234 ist vorgeschlagen worden, die von der Basis herbeigeführte Verzögerung mit einer Verzögerung zu kombinieren, die von einerRaumladungszone herbeigeführt wird, die sich in einem von" der Basis zum Kollektor reichenden Bereich befindet, also einer Zone, in der sich die Ladungsträger mit einer begrenzten Geschwindigkeit, einer sogenannten gesättigten Geschwindigkeit bewegen. In diesem Fall zeigt die Halbleitervorrichtung immer noch eine Transistorstruktur mit einer Verzögerung in der Größenordnung von ττ/2, die von der Basis eingeführt wird, und einer Verzögerung in der Größenordnung von π , die von der Raumladungszone eingeführt wird. Die an dieser Struktur ausgeführten Berechnungen zeigen, daß ein wesEntlich höherer negativer Widerstand als in Abwesenheit dieser Zone erwartet werden kann. Außerdem.gestattet die Dicke der Raumladungszone die Anwendung eines niedrigeren elektrischen Feldes, so daß die Leistung ohne Durchschlag erhöht werden kann. Tatsächlich wird der negative Widerstand zwischen dem Emitter und dem Kollektor ausgenutzt, wobei eine Basis gleichspannungsmässig vorgespannt und nicht von der Hochfrequenz durchlaufen ist. In der Praxis führt jedoch die Basis-Kollektor-Streukapazität zu einer beträchtlichen Störung der Arbeitsweise durch Kurzschliessen des Bauelements.
Die Erfindung beseitigt diesen Nachteil.
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Nach der Erfindung ist eine unter Ausnutzung der Ladungsträger-Laufzeit arbeitende Höchstfrequenz-Halbleitervorrichtung mit einer Halbleiterstruktur mit einer stark dotierten ersten Zone, einer sogenannten Emitterzone, einer stark dotierten zweiten Zone, einer sogenannten Basiszone, einer schwach dotierten dritten Zone, einer sogenannten Raumladungszone, und einer stark dotierten vierten Zone, einer sogenannten Kollektorzone, wobei die erste, dritte und vierte Zone einen ersten Leitungstyp und die zweite Zone den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen, gekennzeichnet durch eine Übertragungsleitung mit einstellbarer Länge, die' ein zwischen die Basiszone und die Kollektorzone eingeschaltetes erstes Ende und ein von einer bei hohen Frequenzen den Wert 0 aufweisenden Impedanz abgeschlossenes zweites Ende enthält.
Die Erfindung wird nun an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Es zeigen:
Fig.1 eine Schnittansicht einer bekannten Halbleitervorrichtung,
Fig.2 eine Transistor-Laufzeitoszillatorschaltung mit der Halbleitervorrichtung von Fig.1,
Fig.3 ©in Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
Fig.4, 5, 6, und 7 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Fig.8 eine Teilansicht der Ausführungsform der Vorrichtung von Fig.7.
In Fig.1 ist ein Teil eines Laufzeit-Transistors im Schnitt dargestellt. Auf einem aus Kupfer bestehenden Sockel 10, der einen ohmschen Kollektorkontakt bildet, ist ein aus Silizium be-
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stehendes Substrat 11 mit starker N-Dotierung (N+) befestigt. Auf diesem Substrat ist eine Siliziumschicht mit schwacher N-Dotierung (N") epitaktisch aufgebracht, die beispielsweise einen N-Störstoff mit einer Konzentration von 2·10 Atome/cnr enthält; darauf befindet sich eine Schicht 13 mit starker P-Dotierung (P+). In diese Schicht sind von der freien Oberfläche aus in eine Zone 14 N-Störstoffe so eindiffundiert worden, daß eine starke Dotierung (N+) erhalten wird. Die Schicht 13 und die Zone 14 bilden die Basis bzw. den Emitter des Transistors. Ohmsche Kontakte 15 (B) und 16 (E), die die Basis-bzw. Emitter-Anschlüsse bilden, sind auf der freien Oberfläche der Basis und des Emitters implantiert. Es sei bemerkt, daß in der Praxis zur Vermeidung einer Inhomogenität des Kollektorstroms die Zone 14 in Form eines Kamms mit mehreren Zähnen ausgebildet wird, auf dem ein Kontakt mit der gleichen Form implantiert ist. Der Kontakt 15 wird dann in Form eines Kamms implantiert, dessen Zähne mit den Zähnen des Kontakts 16 verzahnt sind.
In der in Fig.2 dargestellten Schaltung wird über eine Stoßinduktivität 24 zwischen dem Emitter E und dem Kollektor C eines Laufzeit-Transistors gemäß dem Transistor von Fig.1 eine Gleichspannung aus der Quelle 23 angelegt. An die Basis wird über eine Stoßinduktivität 26 eine Vorspannung aus der Quelle 25 angelegt. Mit gestrichelten Linien ist die Basis-Kollektor-Kapazität 27 angegeben. Es ist bekannt, daß auf Grund des negativen Widerstandes zwischen dem Emitter und dem Kollektor eine Hochfrequenzverstärkung zwischen den Klemmen 21 und 22 möglich ist. Der Wirkungsgrad der Verstärkung ist jedoch wegen der Anwesenheit der Streukapazität 27 gering, die den negativen Widerstand kurzschließt. '
Gemäß der Erfindung wird zwischen die Basis und den Kollektor ein Ende einer (bifilaren oder auf andere Weise ausgebildeten)
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Übertragungsleitung eingeschaltet. Das andere Ende dieser Leitung ist bei hohen Frequenzen in einem veränderlichen Abstand vom Transistor mit Hilfe einer in Fig.4 symbolisch dargestellten Vorrichtung 31 kurzgeschlossen. Die bereits in Fig.2 dargestellten Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen angegeben, wobei der Widerstand R^1 hinzugefügt ist, der mit der Streukapazität 27 das Ersatzschaltbild der Basis-Kollektor-Impedanz ergibt. Bei einer Länge, die gleich der Wellenlänge der Schwingungsfrequenz ist, hat eine Leitung, die von einer bei hohen Frequenzen den ¥ert 0 aufweisenden Impedanz abgeschlossen ist, bekanntlich an ihrem Eingang eine Impedanz mit dem Wert Unendlich. Wenn die Länge der Leitung unter einer Viertelwellenlänge liegt, ist die Eingangsimpedanz induktiv. Wenn zwischen den Eingangsklemmen der Leitung eine kleine Kapazität liegt, wie es in der Schaltung von Fig.3 der Fall ist, dann kann durch Einwirken auf die Länge der Leitung die Resonanz zwischen der Induktivität und der Kapazität erhalten werden, so daß folglich die unerwünschte Wirkung der Basis-Kollektor-Kapazität eliminiert werden kann.
Ein in Fig.4 dargestelltes erstes Ausführungsbeispiel enthält eine Mikrostrip-Leitung, die zwischen zwei Koaxialleitungen eingefügt ist. Die Mikrostrip-Leitung enthält einen leitenden Träger 41, der beispielsweise aus Kupfer besteht, und als Masseleiter sowie als mechanische Halterung dient; ferner enthält diese Leitung einen isolierenden Strei-1 fen 42, auf dem ein Streifen 43 aus Leitermetall aufgebracht ist, der als Leiterelement der Leitung dient. Die Streifen und 43 sind unterbrochen, damit ein Abstand entsteht, in dem der Kupfersockel eines Transistors 40 des oben beschriebenen Typs mit dem Träger 41 verschweißt ist. Anschlußdrähte, die beispielsweise aus Gold bestehen, sind mittels Thermokompression an den Emitter- und Basis-Kontakten angeschweißt; dies sind die Drähte 160 (E) und 150 (B), die die Elektroden mit den Innenleitern der.Koaxialleitungen 44 und 45 verbinden,
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deren Außenleiter 441 und 451 in Blöcke geschnitten sind, die mit den Enden des Trägers 41 verschweißt sind. Die Quelle 23 versorgt über die Stoßinduktivität 24 den Emitter über den Innenleiter 442, und die Quelle 25 bewirkt die Vorspannung der Basis über die Stoßinduktivität 26 und den Innenleiter 452. Am Ende der Koaxialleitung 45 befindet sich auf der Basisseite ein aus Leitermetall bestehender Schieber 46, der eine beträchtliche Länge der Koaxialleitung einnimmt; er ist mit einer Betätigungsstange 461 versehen, mit deren Hilfe er verschoben v/erden kann. Dieser Schieber ist sowohl von dem an Masse liegenden Außenleiter 451 als auch vom Innenleiter 452 mittels eines Sicherheitsabstandes elektrisch isoliert, so daß der Hochfrequenzkurzschluß ohne metallischen Kontakt ermöglicht wird. Der Mikrostrip-Abschnitt der Übertragungsleitung muß natürlich wesentlich kleiner als ein Viertel der Wellenlänge sein.
In einer in Fig.5 dargestellten ersten abgewandelten Ausführungsform vereinigen sich die Koaxialleitungen 44 und in einem rechten Winkel ohne Zwischenschaltung der Mikrostrip-Leitung. Das Ende der Koaxialleitung 45 mündet in einer seitlichen Öffnung des Außenleiters 441 , wobei der Innenleiter 442 am theoretischen Treffpunkt der Achsen der beiden Leitungen abgeschnitten ist« An dieser Stelle befindet sich ein verfestigter Schweißtropfen 51, der mit einer Stirnfläche eines aus Aluminiumoxid bestehenden Quaders 52 verklebt ist, der seinerseits an einem die Koaxialleitung 44 abschließenden metallischen Boden 53 festgeklebt ist. Der Transistor 40 ist mit seinem Sockel an diesem Boden festgeschweißt. Die Anschlußdrähte 150 und 16O (mit dem Tropfen 51 verschweißt) verbinden die Basis und den Emitter mit dem jeweiligen Ende des Innenleiters.
In einer in Fig.6 dargestellten zweiten Variante ist die Koaxialleitung 44 durch einen rechtwinkligen Wellenleiter
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ersetzt. Mit einerWand 61 dieses Wellenleiters sind der Sockel des Transistors 40 und ein einen Schweißtropfen tragender Quader 63 aus Aluminiumoxid verschweißt. In der der Wand 61 gegenüberliegenden Wand 62 mündet ein Zylinder 65, in dem der Schieber 66 eines scheibenförmigen Anpassungsglieds 67 gleitet, dessen Scheibe 671 in Anlage an den Tropfen 64 kommt. Der Emitteranschluß 2ä der in Fig.3 dargestellten Vorrichtung befindet sich am freien Ende der Stange des Schiebers 46. In der Wand 61 mündet dicht beim Transistor 40 eine Koaxialleitung 45 wie in den Figuren 4 und 5, die insbesondere einen Schieber 46 enthält.
In der in Fig.7 dargestellten dritten Variante werden wieder ein Wellenleiter 60 mit rechtwinkligem Querschnitt, ein in der Wand 62 mündender Zylinder 65 und eine in der gegenüberliegenden Wand 61 mündende Koaxialleitung verwendet. In diesem Fall befindet sich die Achse der Koaxialleitung jedoch in der Verlängerung der Achse des Zylinders 65. Außerdem ist zwischen der Wand 61 und dem Ende der Koaxialleitung 45 eine zylindrische Vorkammer 71 angebracht. Der im Zylinder 65 gleitende Schieber 66 ist von einerBetätigungsstange 73 durchdrungen, die an einem in die Vorkammer 71 eindringenden Schieber72 befestigt ist. Am Boden dieser Vorkammer befindet sich eine metallisierte Aluminiumoxidscheibe 74, die den Transistor 40 und einen aus Aluminiumoxid bestehenden Quader 75 trägt. In Fig.8 sind in einer vergrößerten perspektivischen Ansicht die Scheibe 74 und die von ihr getragenen Teile dargestellt. Diese Scheibe ist in der Mitte von einer Stange 76 aus Kupfer durchdrungen, die den Basisanschluß 150 mit dem Mittelleiter 452 verbindet. Der Transistor 40 ist mit seinem Sockel auf der Scheibe 74 festgeschweißt, die den metallisierten Boden der Vorkammer 71 bildet.
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In allen Ausführungsformen kann die Länge der Übertragungsleitung um ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlängen verändert werden, ohne daß sich die Eingangsimpedanz dabei ändert.
Ausgehend von der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es einfach, Höchstfrequenzverstärker und Höchstfrequenzgeneratoren zu verwirklichen.
Dabei ist jedoch darauf hinzuweisen
- daß im ersten Fall die Verstärkung zwischen den Klemmen 21 und 22 der Schaltung von Fig.4 durch Auftreten eines negativen Widerstandes stattfindet. Dieser negative Widerstand erscheint zwischen den Leitern des Koaxialkabels 44 der Figuren 4 und 5; beim Wellenleiter 60 der Figuren 6 und 7 erfolgt ein Abschließen eines seiner Enden mit Hilfe eines (nicht dargestellten) beweglichen Schiebers, und eine Verstärkung wird durch Einwirkung auf den Wellenleiter am anderen Ende erhalten;
- daß im zweiten Fall wie für die Verstärkung vorgegangen wird, vobei die den negativen Widerstand veranlassenden Parameter. (Versorgungsspannung oder Versorgungsstrom , Ladungsbedingungen der Leitung oder des Hellenleiters ) verändert werden, bis der Reflexionskoeffizient negativ wird, ( bei einem wesentlich Jäheren Absolutwert als 1), was zu einem Schwingen des Systems führt.
Die Erfindung bezieht sich auf alle Systeme mit kleinen und mittleren Höchstfrequenzleistungen.
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Claims (12)

7 6 1 7 H Π Patentansprüche
1./Unter Ausnutzung der Ladungsträger-Laufzeit arbeitende - Höchstfrequenz-Halbleitervorrichtung, mit einer Halbleiterstruktur mit einer stark dotierten ersten Zone, einer sogenannten Emitterzone, einer stark dotierten zweiten Zone, einer sogenannten Basiszone, einer schwachdotierten dritten Zone, einer sogenannten Raumladungszone, und einer^stark dotierten vierten Zone, einer sogenannten Kollektorζone, wobei die erste, dritte und vierte Zone einen ersten Leitungstyp und die zweite Zone den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen, gekennzeichnet durch eine Übertragungsleitung mit einstellbarer Länge, die ein zwischen die Basiszone und die Kollektorzone eingeschaltetes erstes Ende und ein von einer bei hohen Frequenzen den Wert aufweisenden Impedanz abgeschlossenes zweites Ende enthält.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende von einem Koaxialleitungselement gebildet ist, das einen aus leitendem Metall bestehenden Schieber enthält, der im Zwischenraum zwischen seinem Innenleiter und seinem Außenleiter gleitet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur am Ende eines Abschnitts einer Koaxialleitung angebracht ist, deren Außenleiter mit dem Außenleiter des Koaxialleitungselements verbunden ist, und deren Innenleiter zum Einfügen der Halbleiterstruktur unterbrochen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Koaxialleitungsabschnitt senkrecht zur Achse des Koaxialleitungselements verläuft, daß der Kollektor der Halbleiterstruktur am Verbindungspunkt der Außenleiter angeschlossen ist, und daß die Basis und der Emitter der Halbleiterstruktur an die jeweiligen Innenleiter des Koaxialleitungselements
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bzw. des Koaxialleitungsabschnitts angeschlossen sind.
5. Vorrichtung nach Zuspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen das erste Ende und das Koaxialleitungselement ein Abschnitt einer Mikrostrip-Leitung eingefügt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt der Mikrostrip-Leitung auf der Seite des Emitters mittels eines zusätzlichen Mikrostrip-Leitungsabschnitts verlängert ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6,dadurch gekennzeichnet, daß der zusätzliche Mikrostrip-Leitungsabschnitt mit einem zusätzlichen Koaxialleitungselement verbunden ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur an einerstelle in einem Wellenleiter angebracht ist, an der das Koaxialleitungselement und ein scheibenförmiges Anpassungsglied münden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur in einer in der Wand eines Wellenleiters angebrachten Vorkammer zum Anpassen des Wellenleiters an das Koaxialleitungselement angebracht ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitterkontakt der Halbleiterstruktur an einen in der Vorkammer gleitenden Schieber angeschlossen ist, der mit Hilfe einer Stange betätigt werden kann, die einen in der der Vorkammer gegenüberliegenden Wand mündenden Zylinder durchläuft.
11.Vorrichtung * nach einem der .Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Höchstfrequenzwellenverstärker verwendet ist.
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12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Höchstfrequenzwellengenerator verwendet ist.
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