DE2918921A1 - PLANPARALLEL TRANSMISSION LINE, DAMPING AND SWITCHING DEVICE - Google Patents

PLANPARALLEL TRANSMISSION LINE, DAMPING AND SWITCHING DEVICE

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DE2918921A1
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transmission line
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Paul Lawrence Fleming
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Description

HOFJP1AIAJiN · IiITLK & PARTNERHOFJP 1 AIAJiN · IiITLK & PARTNER

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . D IPL.-! N G. W. EITLE · D R. RE R. N AT. K. H O FFMAN N . D I PL.-1 N G. W. LEH NDR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976). D IPL.-! N G. W. EITLE D R. RE R. N AT. K. HOFFMAN N. D I PL.-1 N G. W. LEH N

DIPl.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-8000 MD N CH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATH E)DIPl.-ING. K. FDCHSLE DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) D-8000 MD N CH EN 81 TELEFON (089) 911087 TELEX 05-29619 (PATH E)

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Planparallele übertragungsleitungS-Dämpfungs-und SchaltvorrichtungPlane-parallel transmission line S-attenuation and Switching device

Die Erfindung bezieht sich im wesentlichen auf Hochfrequenz-Schaltvorrichtungen und insbesondere .auf Hochfrequenzschaltvorrichtungen, die durch Abschnitte von tibertragungsleitungen gebildet werden, in denen die Dämpfung von hohen Werten, wie 6OdB, auf niedrige Werte, wie 5dB oder OdB,umgeschaltet werden kann. Die Erfindung bezieht sich ferner auf die Verwendung derartiger Übertragungsleitungsschalter in Netzwerken mit mehrfachen Ein- oder Ausgängen, wie Mikrowellen - Querstab-Schaltern und β - Schaltungvorrichtungen.The invention relates essentially to high-frequency switching devices and in particular to high-frequency switching devices which are formed by sections of transmission lines in which the attenuation can be switched from high values such as 6OdB to low values such as 5dB or OdB. The invention also relates to the use of such transmission line switches in networks with multiple inputs or outputs, such as microwave cross-bar switches and β -switching devices.

Gegenwärtig erfolgt ein Schalten bei Mikrowellen hauptsächlich mittels PIN-Dioden, welche mittels Änderung ihrer Kapazität abhängig von der Änderung einer Vorspannung arbeiten. Um als Schalter zu arbeiten, müssen PiN-Dioden mit passiven Bauelementen in einer Schaltung kombiniert werden, die in irgendeiner Weise mit einer Übertragungsleitung verbunden ist. Die.At present, switching in microwaves takes place mainly by means of PIN diodes, which change their capacitance work depending on the change in a preload. To work as a switch, PiN diodes must have passive components can be combined in a circuit which is in some way connected to a transmission line. The.

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Schaltung muß sorgfältig entworfen sein, um die gewünschte Dämpfung und den gewünschten Welligkeitsfaktor im ausgeschalteten und eingeschalteten Zustand zu ergeben. Die Hauptnachteile dieser Bauart eines Schaltelements liegen in dem verhältnismäßig komplexen Aufbau und der engen Bandbreite. Die Bandbreite ist naturgemäß begrenzt, da eine Änderung des Blindwiderstands in der PIN-Diode verwendet wird, um die Schaltfunktion vorzunehmen.Circuitry must be carefully designed to provide the desired attenuation and the desired ripple factor when switched off and switched on State to surrender. The main disadvantages of this type of switching element are that it is relatively complex Structure and the narrow bandwidth. The bandwidth is naturally limited because of a change in the reactance in the PIN diode is used to perform the switching function.

Die planparallele übertragungsleitungs-Dämpungs-und Schaltvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist gewisse bauliche Ähnlichkeiten mit der Vorrichtung gemäß der US-PS 3 975 690 von Paul L. Fleming auf, der einer der Miterfinder der vorliegenden Anordnung ist. Diese Patentschrift zeigt eine planparallele übertragungsleitung f die einen mit Gunn-Effekt arbeitenden Halbleiter aufweist, auf dem die Leiterelemente der übertragungsleitung aufgebracht sind. Diese Vorrichtung kann entweder zur Verstärkung oder zum Schalten von Hochfrequenzsignalen verwendet werden. Bei Verwendung als Schalter wird die Vorrichtung unter solchen Betriebsbedingungen verwendet, daß keine Verstärkung vorhanden ist. Eine Dämpfung in der Nähe von null wird auf zweierlei Ifeise erreicht. Das Produkt aus Trägekonzentration N, multipliziert mit der elektrischen Feldlänge L zwischen den Leitern,wird hoch genug bemessen, so daß bei der Einschaltvorspannung die Feldform in der Nähe des Schwellenwertfeldes liegt. Dies ist jenes Feld, bei welchem die differentiell» Beweglichkeitμ, , des Anstiegs der Geschwindigkeit über dem Feldverlauf (siehe Fig. 2 der Patentschrift) null ist. Ein kurzer Abschnitt des Stromwegs weist ein viel höheres Feld auf, falls P*. ebenfalls in der Nähe von null liegt. In dem kurzen Übergangsbereich zwischen diesen beiden Bereichen ist U' nscrativ so dsß infolgedessen die Nebenschluß-Leitfähigkeit je Längeneinheit G für einige Frequenzen negativ sein kann, jedoch nicht ausreichend groß ist, um die Serienwiderstandsverluste in den metallischen Leitern auszugleichen. Das Produkt N · t, in welchem t die Stärke der leitenden Halbleiterschicht darstellt, muß unter etwa 5· 10 gehalten werden,The plane-parallel transmission line attenuation and switching device according to the present invention has certain structural similarities with the device according to US Pat. No. 3,975,690 to Paul L. Fleming, who is one of the co-inventors of the present arrangement. This patent specification shows a plane-parallel transmission line f which has a semiconductor operating with the Gunn effect, on which the conductor elements of the transmission line are applied. This device can be used either for amplifying or for switching high frequency signals. When used as a switch, the device is used under such operating conditions that there is no gain. Attenuation near zero is achieved in two ways. The product of the inertia concentration N, multiplied by the electric field length L between the conductors, is dimensioned high enough so that the field shape is close to the threshold value field at the turn-on bias voltage. This is the field in which the differential »mobilityμ,, of the increase in speed over the course of the field (see FIG. 2 of the patent specification) is zero. A short section of the current path has a much higher field if P *. is also close to zero. In the short transition region between these two regions, U is negative so that as a result the shunt conductivity per unit length G can be negative for some frequencies, but is not sufficiently large to compensate for the series resistance losses in the metallic conductors. The product N · t, in which t represents the thickness of the conductive semiconductor layer, must be kept below about 5 · 10,

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damit eine geringe Signalinstabilität nicht zu einer spontanen Schwingungsausbildung führt. Die andere Art der Ausnützung des Gunn-Effekts besteht darin, einen merklichen Wert von LL über den größten Teil des Stromwegs zuzulassen, jedoch die resultierende negative Leitfähigkeit klein zu machen, indem die Stärke-oder die Trägerkonzentration der leitenden Halbleiterschicht klein gemacht wird. Der Wert der Leitfähigkeit G könnte derart eingestellt werden, um bei einer jeweiligen Betriebsfrequenz exakt eine Null-Dämpfung zu erhalten. Die Vorrichtung gemäß dem Flemingpatent kann zwar bei gewissen Anwendungen ausgezeichnete Schaltergebnisse liefern, hat jedoch den Nachteil, einer hohen Gleichstromverlustleistung. Dies wird ein ernstes Problem, wenn eine große Anzahl dieser Vorrichtungen in einer Matrix angeordnet sind, um beispielsweise eine Querstab - Schaltvorrichtung zu bilden.so that a slight signal instability does not lead to spontaneous oscillation formation. The other way of exploiting the Gunn effect is to allow a significant value of LL over most of the current path but make the resulting negative conductivity small by making the thickness or carrier concentration of the conductive semiconductor layer small. The value of the conductivity G could be set in such a way as to obtain exactly zero attenuation at a particular operating frequency. Although the device according to the Fleming patent can provide excellent switching results in certain applications, it has the disadvantage of having a high DC power loss. This becomes a serious problem when a large number of these devices are arranged in a matrix to form, for example, a cross-bar switching device.

Die Übertragungsleitungs-Dämpfungs-und Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung weist einen breiten Dämpfungsbereich über einen sehr großen Bandbreitebereich auf, wobei dies mit einem sehr einfachen Aufbau erzielt wird. Somit hat die erfindungsgemäße übertragungsleitungs-Dämpfungs- und Schaltvorrichtung weder den komplexen Aufbau noch die enge Bandbreite, die in mit PIN-Dioden arbeitenden Mikrowellen - Schaltvorrichtungen zwangsläufig vorliegen. Dabei unterscheidet sich die erfindungsgemäße übertragungsleitungs-Dämpfungs- und Schaltvorrichtung von der Vorrichtung des Flemingpatents dadurch, daß einer der metallischen Leiter oder mehrere derselben einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt mit dem Halbleitersubstrat bildet. Es wird die Änderung in der Verarmungsschichtbreite abhängig von der Vorspannung an der Schottky-Sperrschicht ausgenützt, um die Leitfähigkeit in der leitenden Halbleiterschicht zu verändern. Die Verarmungsschicht ist dabei als eine Schicht im Halbleiter neben dem Metallkontakt definiert und enthält keine freien Elektronen, weswegen sie als verarmt bezeichnet wird. Ist die Vorspannung an der Verarmungsschicht null, so ist die Breite der Verarmungsschicht klein. Eine positive Vorspannung verringert die Breite der Verarmungsschicht, während eineThe transmission line attenuation and switching device according to FIG of the invention has a wide attenuation range over a very large bandwidth range, with a very simple one Construction is achieved. Thus, the transmission line attenuation according to the invention and switching device neither the complex structure nor the narrow bandwidth that goes into with PIN diodes working microwave switching devices are inevitably present. The transmission line attenuation according to the invention differs and switching device from the device of the Fleming patent in that one of the metallic conductors or a plurality of these forms a Schottky barrier layer contact with the semiconductor substrate. It becomes the change in the depletion layer width depending on the bias voltage at the Schottky barrier layer used to increase the conductivity in the conductive To change semiconductor layer. The depletion layer is defined as a layer in the semiconductor next to the metal contact and does not contain any free electrons, which is why it is called depleted. If the bias at the depletion layer is zero, so the width of the depletion layer is small. A positive bias reduces the width of the depletion layer, while a

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negative Vorspannung dieselbe vergrößert. Die Trägerkonzentration und die Länge des elektrischen Nebenschlusses werden derart gewählt, daß bei einer Vorspannung null der größte Teil des elektrischen Nebenschlusses über den nicht verarmten Halbleiter erfolgt, während bei einer geeigneten negativen Vorspannung der größte Teil dieses elektrischen Nebenschlusses durch die Verarmungsschicht erfolgt. Damit wird eine hohe Dämpfung bei einer geringen Vorspannung in Vorwärtsrichtung und eine viel geringere Dämpfung bei einer negativen Vorspannung erzielt.negative bias the same enlarged. The carrier concentration and the length of the electrical shunt are chosen in such a way that that with zero bias most of the electrical shunt occurs via the non-depleted semiconductor, while with a suitable negative bias, most of this electrical shunt is through the depletion layer he follows. This results in a high damping with a low pre-tension in the forward direction and a much lower one Attenuation achieved with a negative bias.

Die Erfindung wird anschließend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:The invention will then be explained with reference to the drawing. Show it:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer planparallelen Ubertragungsleitungs-Dämpfungs-und Schaltvorrichtung gemäß der Erfindung,1 shows a perspective illustration of a plane-parallel transmission line damping and switching device according to the invention,

Fig.2 bis 6 schematische Grundrisse mehrerer unterschiedlicher Ausführungsformen der erfindungsgemäßen übertragungsleitungs-Dämpfungs-und Schaltvorrichtung undFig. 2 to 6 are schematic floor plans of several different ones Embodiments of the transmission line attenuation and transmission line according to the invention Switching device and

Fig. 7 einen schematischen Grundriß, aus welcher der Aufbau eines ρ -Schaltelements hervorgeht, bei welchem die erfindungsgemäße übertragungsleitungs-Dämpfungs- und Schaltvorrichtung verwendet wird.Fig. 7 is a schematic plan view from which the structure of a ρ -switching element emerges in which the transmission line attenuation according to the invention and switching device is used.

Gemäß der Fig. 1 weist die übertragungsleitungs-Dämpfungs- und Schaltvorrichtung ein Halbleitersubstrat mit einer planparallelen Oberfläche auf, das aus einem Halbleiterwerkstoff 10 mit hohem spezifischem Widerstand besteht und auf dem eine dünne leitende Halbleiterschicht 12 aufgebracht ist. Die Halbleiterschicht 12 besitzt eine Trägerkonzentration N, Trägerbeweglichkeit U> und eine Stärke t. Der Halbleiterwerkstoff 10 hat einen spezifischen Widerstand,der gegenüber jenem der Halbleiterschicht 12 sehr hoch ist, so daß elektrische Ströme nur in der Halbleiterschicht fließerAccording to FIG. 1, the transmission line damping and switching device has a semiconductor substrate with a plane-parallel surface, which consists of a semiconductor material 10 with a high specific resistance and on which a thin conductive semiconductor layer 12 is applied. The semiconductor layer 12 has a carrier concentration N, carrier mobility U> and a thickness t. The semiconductor material 10 has a specific resistance which is very high compared to that of the semiconductor layer 12, so that electrical currents flow only in the semiconductor layer

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Galliumarsenid ist ein bevorzugter Halbleiterwerkstoff, jedoch kann zusätzlich zu den im vorausgehend erwähnten Flemingpatent genannten Halbleiterwerkstoffen auch Silicium verwendet werden. Die Halbleiterschicht 12 wird vorzugsweise durch epitaxiales Wachstum auf dem Basis-Substratwerkstoff 10 hergestellt.Gallium arsenide is a preferred semiconductor material, but in addition to the previously mentioned Fleming patent Semiconductor materials called silicon can also be used. The semiconductor layer 12 is preferably made by epitaxial Growth produced on the base substrate material 10.

Die in Fig. 1 dargestellte übertragungsleitung ist eine übertragungs leitung mit drei Leitern, die geschliffene Ebenen 14 und einen Mittelleiter 16 enthält. Diese metallischen Leiter sind auf der planparallelen Oberfläche des Halbleitersubstrats derart aufgebracht daß s.ie einen gleichförmigen Spalt 18 zwischen den geschliffenen ebenen Leitern 14 und dem Mittelleiter 16 bilden. Der Spalt 18 bestimmt eine elektrische Feldlänge L zwischen dem Mittelleiter 16 und den geschliffenen ebenen .IeLtern 14. Der Halbleiter 12 weist e;ne Nebenschluß-Leitfähigkeit je Längeneinheit der Größe G auf, die proportional der Leitfähigkeit der Schicht Nii et,geteilt durchThe transmission line shown in Fig. 1 is a transmission Line with three conductors, the ground planes 14 and a center conductor 16 contains. These metallic conductors are on the plane-parallel surface of the semiconductor substrate applied in such a way that s.ie a uniform gap 18 between the ground flat conductors 14 and the center conductor 16 form. The gap 18 determines an electric field length L between the center conductor 16 and the ground flat .IeLtern 14. The semiconductor 12 has e; ne shunt conductivity per unit length of size G, which is proportional to the conductivity of the layer Nii et, divided by

ν die Entfernung L ist (zwischen welche:.ein Driftstrom zwischen den ν is the distance L (between which:. a drift current between the

Leitern fließt).Ladders flowing).

Diese Nebenschlußleitfähigkeit verursacht eine Dämpfung pro Längeneinheit, die groß sein kann im Vergleich zu jener, die als Folge des Reihenwiderstands der metallischen Leiter erhalten wird.This shunt conductivity causes attenuation per unit length, which can be large compared to that obtained as a result of the series resistance of the metallic conductors.

Um den Wert G auf null oder in die Nähe von null zu bringen, und somit die Dämpfung je Längeneinheit erheblich zu verringern, bildet einer der metallischen Leiter 14 und 16 oder mehrere derselben einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt mit dem Halbleitersubstrat. Gemäß Fig. 2 kann der Mittelleiter 16 zur Ausbildung der Schottky-Sperrschicht verwendet werden, während die geschliffenen ebenen Leiter 14 einen Ohm1sehen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat bilden können. Gemäß einer alternativen Ausführung kann der Mittelleiter 16 den Olim'sehen Kontakt bilden und die geschliffenen ebenen Leiter stellen gemäß Fig. 3 Schottky-Sperrschichten dar. Es ist ferner möglich, daß alle drei Leiter einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt gemäß Fig. 4 bilden. Ferner ist die Erfindung nicht aufIn order to bring the value G to zero or in the vicinity of zero, and thus to reduce the attenuation per unit length considerably, one or more of the metallic conductors 14 and 16 forms a Schottky barrier layer contact with the semiconductor substrate. According to FIG. 2, the center conductor 16 can be used to form the Schottky barrier layer, while the ground planar conductors 14 can form an ohmic 1 contact with the semiconductor substrate. According to an alternative embodiment, the center conductor 16 can form the Olim's contact and the ground planar conductors represent Schottky barrier layers as shown in FIG. 3. It is also possible for all three conductors to form a Schottky barrier layer contact as shown in FIG. Furthermore, the invention does not apply

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Ubertragungsleitungen mit drei Leitern begrenzt, sondern kann auch als Schlitz-Leitungsanordnung ausgebildet sein, wie dies scheraatisch in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist. Gemäß diesen Figuren sind metallische Leiter 20 und 22 auf einem Halbleitersubstrat aufgebracht und bilden einen einzigen Spalt 18. Gemäß Fig. 5 bildet der metallische Leiter 20 eine Schottky-Sperrschicht, währe der metallische Leiter 22 einen Ohm1sehen Kontakt mit dem Halbleiter aufweist. Andererseits bilden gemäß Fig. 6 beide metallisch Leiter 20 und 22 Schottky-Sperrschichten mit dem HalbleitersubstrTransmission lines limited by three conductors, but can also be designed as a slot line arrangement, as is shown schematically in FIGS. 5 and 6. In these figures, metallic conductors 20 and 22 are applied to a semiconductor substrate to form a single gap 18. According to Fig. 5 20 forms the metallic conductor, a Schottky barrier layer Währe the metallic conductor 22 a Ohm 1 see having contact with the semiconductor. On the other hand, as shown in Fig. 6, both metallic conductors 20 and 22 form Schottky barrier layers with the semiconductor substrate

Der Mechanismus,aufgrund dessen die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet, besteht aus einer Änderung der Verarmungsschicht abhängig von der Vorspannung an der Schottky-Sperrschicht. Die Verarmungsschicht ist eine Schicht im Halbleiter neben dem Metallkontakt, die keine freien Träger enthält und daher als verarmt bezeichnet wird. Da die Verarmungsschicht keine freien Träger enthält, führt eine Vergrößerung der Verarmungsschicht zu einer Verringerung der Dämpfung eines sich auf der übertragungsleitung ausbreitenden Hochfrequenzsignals. Anders ausgedrückt, es wird eine geringste Dämpfung erhalten, wenn am Schottky-Sperrschicht-Kontakt eine negative Vorspannung liegt, weil dann keine freien Träger vorhanden sind, um das auf der Übertragungsleitung vorhandene Hoch frequenzsignal zu absorbieren. Ist dagegen die Vorspannung geringfügig positiv, so ist die Verarmungsschicht nicht mehr vorhanden, womit eine hohe Dämpfung erzielt wird, bedingt durch die Absorptio des Hochfrequenzsignals als Folge der hohen Nebenschluß-Leitfähigkeit in der Halbleiterschicht 12.The mechanism by which the device according to the invention works consists of a change in the depletion layer depending on the bias on the Schottky barrier layer. The impoverishment layer is a layer in the semiconductor next to the metal contact, which does not contain free carriers and is therefore referred to as depleted. Since the depletion layer does not contain free carriers, an enlargement of the depletion layer leads to a reduction in the attenuation of a propagating on the transmission line High frequency signal. In other words, it becomes one lowest attenuation obtained when at the Schottky barrier contact a negative bias is because then there are no free carriers to the high present on the transmission line absorb frequency signal. On the other hand, if the preload is slight positive, the depletion layer is no longer present, which results in a high level of attenuation due to the absorption of the high frequency signal as a result of the high shunt conductivity in the semiconductor layer 12.

Bei einer Versuchsanordnung mit L = 5Mm und 1 = 1550 /^m wurde die Dämpfung von einem hohen Viert wie 18dB, bei einer in Vorwärtsrichtung wirkenden Vorspannung von 0,6 V^ auf einen niedrigen Wert, ::4dB bei einer in Sperr ich tung wirkenden Vorspannung von ·<\ ■2Q Volt geschaltet. Da die Breite der Verarmungsschicht durch Anlegen einer Vorspannung an den Schottky-Sperrschicht-Kontakt gesteuert werden kann, gestattet die erfindungsgemäße Ubertragungs-In a test arrangement with L = 5Mm and 1 = 1550 / ^ m, the attenuation was from a high fourth such as 18dB, with a forward bias of 0.6 V ^ to a low value, :: 4dB with a blocked direction acting bias voltage of · <\ ■ 2Q volts switched. Since the width of the depletion layer can be controlled by applying a bias voltage to the Schottky barrier layer contact, the transmission according to the invention allows

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leitung eine Steuerung der Dämpfung eines Hochfrequenzsignals Über einen sehr breiten Bereich.control of the attenuation of a high frequency signal over a very wide range.

Der geringere Leistungsverbrauch der Übertragungsleitungs-Schaltvorrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung macht diese besonders attraktiv, wenn sie in Netzwerken mit mehrfachen Eingängen oder Ausgängen verwendet werden. Eine wichtige Anwendung ist ein Mikrowellen- Querstab-Schalter, der beispielsweise in einem Nachrichtensatelliten verwendet werden kann. Ein derartiger Quersta.b-Schalter wird durch Anordnung einer Matrix von ubertragungsleitungs-Schaltvorrichtungen gemäß Fig. 1 erhalten. Jede dieser tJbertragungsleitungs-Schaltvorrichtungen ist durch selektive Zuführung von Vorspannungen schaltbar, wobei entsprechende Zeilen und Spalten des Querstabschalters angeschlossen werden.The lower power consumption of the transmission line switching devices according to the present invention makes this special attractive when used in networks with multiple inputs or outputs. An important application is a Microwave crossbar switch that can be used in a communications satellite, for example. Such a crossbar switch is made by arranging a matrix of transmission line switching devices obtained according to FIG. Each of these transmission line switching devices is selective by The supply of bias voltages is switchable, with corresponding rows and columns of the crossbar switch being connected.

Ein anderes Netzwerk mit mehrfach Eingängen oder Ausgängen, welches mit Vorteil mittels der vorliegenden Erfindung erhalten wird, ist ein P *- Schaltelement. Ein derartiges Element ist in Fig. 7 dargestellt, und enthält fünf metallische Leiter auf einem Halbleitersubstrat. Der Mittelleiter 24 hat im wesentlichen .quadratische Forio =.:... und bildet einen Ohm1 sehen Kontakt mit dem Substrat. Dieser Leiter ist üblicherweise geerdet. . Die übrigen Leiter 26, 23, 3Q und 32 sind symmetrisch um den Mittelleiter 24 angeordnet. Jeder dieser Leiter hat im wesentlichen Trapezform und die Leiter liegen im Abstand voneinander und vom Mittelleiter, wobei ein Spalt gleichförmiger Breite erhalten wird. Jeder der Leiter 26,28,30 und 32 bildet einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt mit dem Halbleitersubstrat. Die Spalte zwischen benachbarten Enden der Leiter 26,28, 30 und 32 bilden Eingänge oder Ausgänge der durch die fünf metallischen Leiter gebildeten Hochfrequenz-Übertragungsleitungen. Insbesondere kann der Spalt 34 zwischen den Leitern 26 und 32 als ein Eingang festgelegt werden und desgleichen der Spalt 36 zwischen den Leitern 28 und 30. Die Ausgänge können als Spalt 38 bzw. 40 zwischen den Leitern 30 und 32 bzw. 26 und 28 festgelegt werden. Negative Vorspannungen werden selektiv an die Leiter 26,Another network with multiple inputs or outputs, which is advantageously obtained by means of the present invention, is a P * switching element. Such an element is shown in Fig. 7 and comprises five metallic conductors on a semiconductor substrate. The center conductor 24 essentially has a square shape =.: ... and forms an ohm 1 contact with the substrate. This conductor is usually earthed. . The remaining conductors 26, 23, 3Q and 32 are arranged symmetrically around the center conductor 24. Each of these conductors is substantially trapezoidal in shape and the conductors are spaced from each other and from the center conductor, leaving a gap of uniform width. Each of the conductors 26, 28, 30 and 32 forms a Schottky barrier contact with the semiconductor substrate. The gaps between adjacent ends of the conductors 26, 28, 30 and 32 form inputs or outputs of the high-frequency transmission lines formed by the five metallic conductors. In particular, the gap 34 between the conductors 26 and 32 can be defined as an entrance and likewise the gap 36 between the conductors 28 and 30. The outputs can be defined as a gap 38 and 40, respectively, between the conductors 30 and 32 and 26 and 28, respectively . Negative biases are selectively applied to conductors 26,

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28, 30 und 32 angelegt, um die Kopplung der eingangsseitigen HQchfrequenzsignale an den Eingängen 34 und 36 mit den Ausgängen 38 und 40 zu steuern. Werden beispielsweise negative Spannungen an die Leiter 26 und 30 angelegt, während eine geringe Vorspannung in Vorwärtsrichtung den Leitern 28 und 32 zugeführt wird, so läuft ein mit dem Eingang 34 gekoppeltes Hochfrequenzsignal zum Ausgang 40, während ein mit dem Eingang 3 6 gekoppeltes Hochfrequenzsignal zum Ausgang 38 übertragen wird. Werden andererseits negative Vorspannungen an die Leiter 28 und 32 gelegt, während eine geringe Vorspannung in Vorwärtsrichtung den Leitern 26 und 30 zugeführt w.ird, so läuft ein mit dem Eingang gekoppeltes Hochfrequenzsignal zum Ausgang 38, während ein mit dem Eingang 36 gekoppeltes Hochfrequenzsignal zum Ausgang 40 gelangt.28, 30 and 32 applied to the coupling of the input side High frequency signals at inputs 34 and 36 with the outputs 38 and 40 control. For example, negative voltages are applied to conductors 26 and 30 while a low bias is fed to the conductors 28 and 32 in the forward direction, a high-frequency signal coupled to the input 34 runs to the output 40, while a high-frequency signal coupled to the input 36 is transmitted to the output 38. On the other hand negative biases applied to conductors 28 and 32, while a low forward bias applied to conductors 26 and 30 w.ird, a high-frequency signal coupled to the input runs to the output 38, while a high-frequency signal coupled to the input 36 High frequency signal reaches output 40.

Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine planparallele übertragungsleitung-Dämpfungs und Schaltvorrichtung, die auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, das aus einem Halbleiterwerk-Stoff mit hohem spezifischem Widerstand und einer dünnen leitenden Halbleiterschicht besteht. Die metallischen Leiter der übertragungsleitung sind auf der leitenden Halbleiterschicht aufgebracht und mindestens einer der metallischen Leiter bildet einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt mit dem Halbleitersubstrat. Der Spalt zwischen dem metallischen Leitern bildet einen elektrischen Nebenschluß durch die Halbleiterschicht. Durch Anlegen einer Vorspannung am metallisch Leiter,der den Schottky-Sperrschicht-Kontakt bildet,kann die Leitfähigkeit des elektrischen Nebenschlusses gesteuert werden, indem die Breite der Verarmungsschicht durch die Schottky-Sperrschicht geändert wird. Eine Anzahl von planparallelen Übertragungsleitungs-Schaltvorrichtungen können in ein Netzwerk mit mehrfachen Ein- oder Ausgängen kombiniert werden, wobei Ausführungsbeispiele durch Querstab- Schaltvorrichtungen und j? -Element- Schaltvorrichtungen gebildet werden.In summary, the invention relates to a plane-parallel transmission line attenuation and switching device formed on a semiconductor substrate made of a semiconductor fabric with high resistivity and a thin conductive semiconductor layer. The metallic conductors of the transmission line are applied to the conductive semiconductor layer and at least one of the metallic conductors forms a Schottky barrier layer contact with the semiconductor substrate. The gap between the metallic conductors forms an electrical shunt the semiconductor layer. By applying a bias to the metallic Conductor that forms the Schottky barrier layer contact can be used for conductivity The electrical shunt can be controlled by increasing the width of the depletion layer through the Schottky barrier layer will be changed. A number of coplanar transmission line switching devices can be combined in a network with multiple inputs or outputs, with embodiments using crossbars Switching devices and j? -Element- switching devices are formed.

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Claims (9)

HOFFMANN ■ EITIJS- dk PAKTNERHOFFMANN ■ EITIJS- dk PAKTNER PATENTANWÄLTE 29 1892 IPATENT LAWYERS 29 1892 I. DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · Dl PL.-I NG. W. EITLE ■ D R. RER. NAT. K. HOFFMANN · D IPL.-ING. W. LEH NDR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) Dl PL.-I NG. W. EITLE ■ D R. RER. NAT. K. HOFFMANN · D IPL.-ING. W. LEH N DIPL.-ING. K. FDCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-8000 MO N CH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29019 (PATH E)DIPL.-ING. K. FDCHSLE DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) D-8000 MO N CH EN 81 TELEPHONE (089) 911087 TELEX 05-29019 (PATH E) 32 11032 110 Communications Satellite Corporation, Washington P.C. / USACommunications Satellite Corporation, Washington P.C. / UNITED STATES Planparallele Übertragungsleitungy- Dämpfungs- und 'Schaltvorrichtung Plane-parallel transmission line - attenuation and switching device P a tent 'a ns ρ r ü c he' : P a tent 'a ns ρ r ü c he': planparallele übertragungsleitungsdämpfungs- und Schaltvorrichtung, ge kenn ζ e ic h η e t durch ein Halbleitersubstrat mit einer planparailelen Oberfläche, das aus einem Halbleiterwerkstoff (10) mit hohem Widerstand besteht und auf dem eine dünne,-leitende Halbleiterschicht (12) ausgebildet ist, die die planparallele Oberfläche bildet, wobei der Widerstand des Halbleiterwerkstoffs (10) sehr hoch gegenüber jenen der Halbleiterschicht (12) ist, so daß elektrische Ströme nur in dar Halbleiterschicht fließen, mindestens zwei metallische, auf der planparallelen Oberfläche aufgebrachte Leiter (14), dieplane-parallel transmission line damping and switching device, ge ζ e ic h η et by a semiconductor substrate with a plane-parallel surface , which consists of a semiconductor material (10) with high resistance and on which a thin, conductive semiconductor layer (12) is formed, which the forms plane-parallel surface, the resistance of the semiconductor material (10) being very high compared to that of the semiconductor layer (12), so that electrical currents only flow in the semiconductor layer, at least two metallic conductors (14) applied to the plane-parallel surface , which 9098A7/Ö72Ö - 2 -9098A7 / Ö72Ö - 2 - ORIGINAL INSPECTEDORIGINAL INSPECTED im Abstand voneinander angeordnet sind und einen gleichförmigen Spalt (18) zwischen sich bilden, der einen elektrischen Nebenschluß zwischen den Leitern durch die Halbleiterschicht bildet, wobei mindestens einer der metallischen Leiter einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt mit dem Halbleitersubstrat bildet, und die vorgesehenen mindestens zwei metallischen Leiter eine Hochfrequenz übertragungsleitung mit Eingangsöffriungen und Ausgangsöffnungen bilden, eine Einrichtung zur Zuführung eines Hochfrequenzsignals zur Eingangsöffnung der Übertragungsleitung zwecks Übertragung zur Ausgangsöffnung der Übertragungsleitung, und eine Vorspannungseinrichtung, die mit mindestens einer der eine Schottky-Sperrschicht bildenden Leiter verbunden ist, um die Leitfähigkeit des elektrischen Nebenschlusses zu steuern.are spaced apart and a uniform Form gap (18) between them which forms an electrical shunt between the conductors through the semiconductor layer, wherein at least one of the metallic conductors is a Schottky barrier contact forms with the semiconductor substrate, and the provided at least two metallic conductors have a high frequency transmission line with inlet openings and outlet openings form, a device for supplying a high frequency signal to the input port of the transmission line for the purpose of transmission to the output port of the transmission line, and a biasing device associated with at least one of the one Schottky barrier layer forming conductor is connected to control the conductivity of the electrical shunt. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide metallische Leiter (14) einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt mit dem Halbleitersubstrat bilden.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that both metallic conductors (14) have a Schottky barrier layer contact form with the semiconductor substrate. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei metallische Leiter auf der planparallelen Oberfläche angeordnet sind, um eine Hochfrequenzübertragungsleitung zu bilden, die einen Mittelleiter (16) aufweist, der gleichförmig zwis.chen zwei geschliffenen Platten angeordnet ist.3. Apparatus according to claim 1, characterized in that three metallic conductors on the plane-parallel Surface are arranged around a high frequency transmission line to form, which has a central conductor (16) which is arranged uniformly between two ground plates. 4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelleiter (16) einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt mit dem Halbleitersubstrat bildet.4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the center conductor (16) has a Schottky barrier layer contact forms with the semiconductor substrate. 5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Leiter (14), die die geschliffenen Ebenen bilden, Schottky-Sperrschicht-Kontakte mit dem Halbleitersubstrat bilden.5. Apparatus according to claim 3, characterized in that the metallic conductors (14) which the ground Form planes, form Schottky barrier layer contacts with the semiconductor substrate. 6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e k e η η -6. The device according to claim 3, characterized in that g e k e η η - 909847/0720 " 3 "909847/0720 " 3 " COPYCOPY zeichnet, daß jeder der drei metallischen Leiter (14 , 16) einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt mit dem Halbleitersubstrat bildet.shows that each of the three metallic conductors (14, 16) Schottky barrier contact with the semiconductor substrate forms. 7. Querstab-Schaltvorrichtung mit einer Anzahl von Schaltern, die derart in einer Matrix angeordnet sind, daß die selektive Betätigung der Schalter die Verbindung einer beliebigen, aus einer Anzahl von Eingangs leitungen ausgewählten Leitung mit einer beliebigen,aus einer Anzahl von Ausgangsleitungen ausgewählten Ausgangsleitung gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schalter ein Halbleitersubstrat mit einer planparallelen Oberfläche aufweist, das aus einem Halbleiterwerkstoff mit hohem spezifischem Widerstand besteht, über dem eine dünne leitende Halbleiterschicht (12) ausgebildet ist, die die planparallele Oberfläche bildet, wobei der spezifische Widerstand des Halbleiterwerkstoffs sehr hoch gegenüber jenem der Halbleiterschicht ist, so daß elektrische Ströme nur in der Halbleiterschicht fließen, mindestens zwei auf der planparallelen Oberfläche aufgebrachte metallische Leiter (14), die im Abstand voneinander liegen und einen gleichförmigen Spalt zwischen sich bilden, der einen elektrischen Nebenschluß zwischen den Leitern durch die Halbleiterschicht darstellt, wobei mindestens einer der metallischen Leiter einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt mit dem Halbleitersubstrat bildet und mindestens zwei metallische Leiter eine Hochfrequenzübertragungsleitung mit Eingangsöffnungen und Ausgangsöffnungen bilden, eine Einrichtung zur Zuführung eines Hochfrequenzsignals zur Eingangsöffnung der Übertragungsleitung zwecks Ausbreitung des Hochfrequenzsignals gegen die Ausgangsöffnung der übertragungsleitung hin und eine Vorspannungseinrichtung, die mit mindestens einem der Leiter verbunden ist, der einen Schottky-Sperrschicht-Kontakt bildet, um die Leitfähigkeit des elektrischen Nebenschlusses zu steuern.7. Cross bar switching device with a number of switches which are arranged in a matrix that the selective actuation of the switch to connect any line selected from a number of input lines any one selected from a number of output lines Output line allowed, characterized in that each of the switches has a semiconductor substrate with a having plane-parallel surface, which consists of a semiconductor material with high specific resistance, over which a thin conductive semiconductor layer (12) is formed, which forms the plane-parallel surface, the specific resistance of the semiconductor material is very high compared to that of the semiconductor layer is, so that electrical currents flow only in the semiconductor layer, at least two applied to the plane-parallel surface metallic conductors (14) which are spaced from one another and form a uniform gap between them, the one represents electrical shunt between the conductors through the semiconductor layer, wherein at least one of the metallic conductors forms a Schottky barrier layer contact with the semiconductor substrate; and at least two metallic conductors form a high-frequency transmission line with input openings and output openings form, means for supplying a high frequency signal to the input port of the transmission line for the purpose of propagation of the high frequency signal against the output port of the transmission line and a biasing device connected to at least one of the conductors having a Schottky barrier contact forms to control the conductivity of the electrical shunt. 8. Querstab-Schaltvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Schalter drei metallische8. cross bar switching device according to claim 1, characterized in that each of the switches three metallic 909847/0720 " 4 "909847/0720 " 4 " Leiter (14,18) auf der planparallelen Oberfläche des Halbleitersubstrats angeordnet hat, um eine Hochfrequenz-übertragungsleitung mit einem Mittelleiter zu bilden, der im gleichmäßigen Abstand zwischen zwei geschliffenen Ebenen liegt.Conductor (14, 18) on the plane-parallel surface of the semiconductor substrate has arranged to have a high frequency transmission line with a central conductor that is evenly spaced between two ground planes. 9. Betaf-Element-Schaltvorrichtung, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat mit einer planparallelen Oberfläche das aus einem Halbleiterwerkstoff mit hohem spezifischem Widerstand gebildet ist und auf dem eine dünne leitende HaIbleiterschicht aufgebracht ist, die die planparallele Oberfläche bildet, wobei der spezifische Widerstand des Halbleiterwerkstoffs sehr hoch gegenüber jenem der Halbleiterschicht ist, so daß elektrische Ströme nur in der Halbleiterschicht fließen, fünf auf. der planparallelen Oberfläche angeordnete metallische Leiter die ±jn Abstand voneinander liegen und einen gleichförmigen Spalt zwischen sich aufweisen, wobei einer der metallischen Leiter eine im wesentlichen quadratische Form aufweist, während die anderen vier metallischen Leiter eine im wesentlichen trapezförmige Form haben und symmetrisch um den einen der metallischen Leiter angeordnet sind, und die Abstände zwischen benachbarten Leitern elektrische Nebenschlüsse zwischen benachbarten Leitern durch die Halbleiterschicht bilden, der eine der metallischen Leiter einen Ohm'sehen Kontakt mit dem Halbleitersubstrat bildet, während die übrigen vier metallischen Leiter Schottky-Sperrschicht-Kontakte mit dem Halbleitersubstrat bilden, und benachbarte Enden der anderen vier metallischen Leiter Eingangsöffnungen oder Ausgangsöffnungen der Hpchfrequenz-übertragungsleitungen darstellen, die durch die fünf metallischen Leitern gebildet werden, eine Einrichtung zur Zuführung eines Hochfrequenzsignals an mindestens eine Eingangsöffnung, um eine Ausbreitung des Hochfrequenzsignals gegen mindestens zwei Ausgangsöffnungon hin zu veranlassen, und eine Vorspannungseinrichtung, die mit jedem der vier anderen metallischen Leiter verbunden ist, um selektiv die Leitfähigkeit der elektrischen Nebenschlüsse zu steuern.9. Betaf element switching device, marked by a semiconductor substrate with a plane-parallel surface that made of a semiconductor material with a high specificity Resistance is formed and on which a thin conductive semiconducting layer is applied, which forms the plane-parallel surface, the specific resistance of the semiconductor material is very high compared to that of the semiconductor layer, so that electric currents only flow in the semiconductor layer, five on. the plane-parallel surface arranged metallic conductors which are ± jn distance from each other and a uniform gap have between them, one of the metallic conductors having a substantially square shape, while the other four metallic conductors have a substantially trapezoidal shape and are arranged symmetrically around one of the metallic conductors and the spacing between adjacent conductors results in electrical shunts between adjacent conductors forming the semiconductor layer, while one of the metallic conductors forms an ohmic contact with the semiconductor substrate the remaining four metallic conductors form Schottky barrier contacts with the semiconductor substrate, and adjacent ends of the others four metallic conductor inlet openings or outlet openings of the high frequency transmission lines, which are carried by the five metallic conductors are formed, a device for supplying a high-frequency signal to at least one input opening in order to prevent the high-frequency signal from propagating to cause at least two exit openings, and one Biasing device connected to each of the other four metallic conductors to selectively reduce the conductivity of the electrical Control shunts. — 5 —- 5 - 909847/0720909847/0720
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