DE3211239C2 - Hochfrequenz-Schalteranordnung mit einer Anzahl von zwischen einem Eingangsteil für Hochfrequenzenergie und einem an einen Verbraucher angeschlossenen Ausgangsteil befindlichen Schalterelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Hochfrequenz-Schalteran­ ordnung mit den im Oberbegriff von Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.

Hochfrequenz-Schalteranordnungen dieser Art sind aus der deutschen Auslegeschrift 1 298 591 bekannt. Die dort be­ schriebene Schalteranordnung dient zur wahlweisen Ankopplung einer Mehrzahl von Oszillatoren unter Verwendung von mit Vorspannung beaufschlagten Schaltdioden oder von analogen elektronischen Schaltern, etwa Transistoren, wobei den einzelnen elektronischen Schaltern Blindwiderstände zur Bildung eines zwischen den Oszillatoren und dem Verbraucher wirksamen Kettelleiters zugeordnet sind, der beidseitig mit seinem durch die Kapazität der gesperrten elektronischen Schalter und die Blindwiderstände festgelegten Wellenwider­ stand abgeschlossen ist.

Gegenüber dieser Anordnung soll durch die Erfindung die Aufgabe gelöst werden, eine Hochfrequenz-Schalteranord­ nung mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1 so auszugestalten, daß die Verbindung zwischen einer Hochfre­ quenzquelle und einem Verbraucher in einem vergleichsweise breiten Mikrowellenfrequenzband bei hohen Mikrowellenleistun­ gen steuerbar ist.

Zum besseren Verständnis der Erfindung seien folgende allge­ meine Gedankengänge vorausgeschickt.

Bekanntermaßen werden Feldeffekttransistoren auf einer Viel­ zahl von Gebieten verwendet. In vielen Anwendungsfällen der Mikrowellentechnik ist es wünschenswert, eine Mikrowellen-Über­ tragungsleitung und einen Feldeffekttransistor auf einem gemeinsamen Substrat aus Galliumarsenid-Halbleitermaterial in isolierender Qualität herzustellen. Dieses Material wird nach­ folgend als halbisolierend bezeichnet. Im allgemeinen ist die Mikrowellen-Übertragungsleitung eine Mikrostreifen-Übertra­ gungsleitung, wobei der Streifenleiter und der Erdungsbelag oder Bezugsbelag sich auf der Oberseite bzw. der Unterseite des halbisolierenden Substrates befinden. Das Substrat bildet das Dielektrikum für die Mikrostreifen-Übertragungsleitung. Zur Herstellung des Feldeffekttransistors wird eine aktive Schicht aus Galliumarsenid-Halbleitermaterial gewöhnlich auf der Oberseite des Substrates abgelagert. Diese aktive Schicht kann entweder durch Epitaxie oder durch Ionenimplantation er­ zeugt werden. Erfolgt die Herstellung der aktiven Schicht durch Epitaxie, so wird eine dotierte Einkristall-Halbleiter­ schicht beispielsweise auf dem halbisolierenden Substrat abge­ lagert, wobei im allgemeinen eine durch Epitaxie aufgebrachte Pufferschicht hohen Widerstandes zwischengeschaltet wird, um das Eindiffundieren von Verunreinigungen vom Substrat her während des Aufwachsens der aktiven Schicht zu verhindern. Er­ folgt die Bildung der aktiven Schicht durch Ionenimplantation, so werden Dotierungsatome unmittelbar in die Oberfläche eines halbisolierenden Galliumarsenidsubstrates durch Implantation eingebracht.

In einem Anwendungsfall dient der Feldeffekttransistor als Schalter zum elektrischen Ankoppeln oder Abkoppeln einer Mikrowellenenergiequelle mit Bezug auf einen Verbraucher ent­ sprechend einem Schaltbefehlssignal. In solchen Anwendungsfäl­ len wird eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung hergestellt, bei der der Streifenleiter der Übertragungsleitung sich seit­ lich über einen Teil der Oberfläche des Substrates hin er­ streckt. Ein Ende des Streifenleiters bildet den Eingangsan­ schluß zum Ankoppeln bzw. Anschließen der Mikrowellenenergie­ quelle, während das andere Ende des Streifenleiters den Aus­ gangsanschluß zum Verbraucher hin darstellt. Der Feldeffekt­ transistor wird in einem Bereich der Oberfläche der aktiven Halbleiterschicht gebildet, die neben dem Streifenleiter liegt und sich zwischen dem Eingangsanschluß und dem Ausgangsan­ schluß befindet, welche durch die jeweiligen Enden des Strei­ fenleiters gebildet sind. Im einzelnen ist die Anordnung so getroffen, daß beispielsweise die Drainelektrode des Feld­ effekttransistors mit dem Streifenleiter an einem Punkt ver­ bunden ist, der zwischen den Streifenleiterenden gelegen ist. Die Gateelektrode wird mit einem Schaltbefehlssignal von einer Schaltbefehlssignalquelle her gespeist. Die Sourceelektrode ist an den Erdungsbelag der Mikrostreifen-Übertragungsleitung angeschlossen. Bei dieser Anordnung wird die von der Mikrowel­ lenquelle her bezogene Mikrowellenenergie entweder zum Ver­ braucher durchgelassen oder sie wird zur Mikrowellenquelle hin reflektiert, je nachdem, in welchem Zustand sich der Feld­ effekttransistor aufgrund der Eingabe des Schaltbefehlssignals an der Steuerelektrode befindet.

In Anwendungsfällen, in denen eine große Leistung zu handhaben ist, ist es manchmal notwendig, einen Feldeffekttransistor vor­ zusehen, der eine Mehrzahl elektrisch miteinander verbundener Zellen aufweist. In diesem Falle weist die auf der Substratober­ fläche gebildete aktive Schicht eine Mehrzahl von Sourceelektro­ den und eine Mehrzahl von Drainelektroden auf, welche in demje­ nigen Bereich, in welchem sich der Feldeffekttransistor befindet, in seitlicher Richtung über die aktive Halbleiterschicht hin abwechselnd aufeinanderfolgen. Zwischen jedem Sourceelektroden-/ Drainelektrodenpaar befindet sich jeweils eine Gateelektrode. Findet das Bauelement in einem Schaltstromkreis Verwendung, so sind die Gateelektroden über einen gemeinsamen Steuerelektroden­ anschluß zusammengeschaltet, welchem ein Signal einer Schalt­ befehlssignalquelle in der beschriebenen Weise zugeführt wird. In entsprechender Weise sind die Drainelektroden elektrisch über einen gemeinsamen Drainelektrodenanschluß zusammengeschal­ tet, der beispielsweise an einem Punkt zwischen den Enden des erwähnten Streifenleiters mit diesem Verbindung hat. Schließlich sind die Sourceelektroden ebenfalls zusammengeschaltet und haben Verbindung zum Erdungsbelag der Mikrostreifen-Übertragungsleitung. Gemäß einer Verbindungskonfiguration sind beispielsweise die Sourceelektroden über eine Metallisierungsschicht miteinander verbunden, welche unter Zwischenlage einer entsprechenden Isola­ tion die Gateelektroden und die Drainelektroden überdeckt, wobei die genannte übergreifende Metallisierungsschicht mit ihren Enden zu einem Paar von Kontaktbereichen auf jeder Seite des von dem Feldeffekttransistor eingenommenen Bereiches führt. Die Kontakt­ bereiche oder Kontakt-Belagabschnitte sind mit dem Erdungsbelag über Durchbrüche oder Bohrungen verbunden, die durch das Substrat und die aktive Halbleiterschicht hindurchführen.

Gemäß einer anderen Verbindungskonfiguration ist jede einzelne Sourceelektrode mit dem Erdungsbelag über eine der betreffenden Elektrode zugeordnete Bohrung verbunden, die sich durch das Substrat erstreckt.

Es ist bekannt, daß Reaktanzen oder Blindwiderstände des Tran­ sistors, welche für die Wirkungsweise des Feldeffekttransistors selbst nicht bedeutsam sind, die Eigenschaften der Schaltung begrenzend beeinflussen. Beispielsweise ist jedem Feldeffekttran­ sistor eine Kapazität C_ds zwischen der jeweiligen Drainelektrode und der geerdeten Sourceelektrode zugeordnet. In gleicher Weise ist eine Kapazität C_gs zwischen jeder Gateelektrode und der geerdeten Sourceelektrode festzustellen. Wird ein Feldeffekttran­ sistor aus einer Mehrzahl von Zellen gebildet, so ist die ins­ gesamt wirksame Kapazität zwischen Sourceelektrode und Drain­ elektrode die Parallelschaltung der jeweiligen Kapazitäten mit Bezug auf die einzelnen Drainelektroden, und die gesamte effek­ tive Kapazität zwischen Gateelektrodenanschluß und Sourceelek­ trodenanschluß ist die Parallelschaltung der einzelnen Kapazi­ täten zwischen den Gateelektroden und den Sourceelektroden. In dem oben beschriebenen Schaltkreis ist also während des nicht­ leitenden Zustandes des Feldeffekttransistors, wenn gewünscht wird, daß die Mikrowellenenergie von der Mikrowellenquelle nicht zu dem Verbraucher gelangt, festzustellen, daß die genannten Kapazitäten die Impedanz des Feldeffekttransistors wesentlich herabsetzen und dadurch seine Wirksamkeit vermindern. Während es zumindest theoretisch möglich ist, die Wirkung der genannten parasitären Kapazitäten herabzusetzen, beispielsweise durch Herstellung von induktiven Elementen, welche parallel zu den parasitären Kapazitäten liegen, so daß sich Resonanzkreise hoher Impedanz ergeben, ist eine solche Kompensationstechnik im allge­ meinen nur in einem verhältnismäßig schmalen Frequenzband wirk­ sam. Wenn weiter die Sourceelektroden in der oben beschriebenen Weise durch Verwendung einer darüber gelagerten Metallisierungs­ schicht zusammengeschaltet werden, so wird, um eine ausreichende Trennung zwischen den Sourceelektrodenanschlüssen und dem Strei­ fenleiter vorzusehen, ein kurzer Leiter gebildet, um den Drain­ elektrodenanschluß und den Streifenleiter miteinander zu ver­ binden. Dieser kurze Verbindungsleiter bildet jedoch einen kleinen Übertragungsleitungsabschnitt, welcher während des Lei­ tungszustandes des Feldeffekttransistors ein frequenzabhängiges Reaktanzelement darstellt, wodurch die wirksame Bandbreite der Arbeitsfrequenz der Schaltung begrenzt wird.

Die oben angegebene Aufgabe wird nun erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Hochfrequenz-Schalteranordnung ist in Anspruch 2 gekennzeichnet.

Eine Hochfrequenz-Schalteranordnung der hier vorgeschlagenen Art enthält also eine Mehrzahl von Feldeffekttransistorzellen, wobei die einzelnen Zellen ein Reaktanzelement aufweisen, sowie Kopp­ lungsmittel zum elektrischen Verbinden der Feldeffekttransistor­ zellen. Die Kopplungsmittel weisen eine Impedanz entsprechend der Reaktanz der Reaktanzelemente der Feldeffekttransistor­ zellen auf, so daß sich ein Hochfrequenz-Schaltungsnetzwerk mit einem vorbestimmten Wellenwiderstand ergibt. In dieser Schaltung bilden die Kopplungsmittel und die Feldeffekttransistorzellen das Hochfrequenz-Schaltungsnetzwerk vorbestimmten Wellenwider­ standes, welcher an die Impedanz einer Eingangsschaltung angepaßt ist, die die Hochfrequenzenergie in die eingangsseitige Feldef­ fekttransistorzelle der genannten Anzahl von Feldeffekttransistor­ zellen ergibt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Aufsicht auf ein Hochfrequenz- Schaltungsnetzwerk mit einer Mehrzahl elektrisch miteinander verbundener Feldeffekttransistorzel­ len entsprechend dem hier angegebenen Prinzip,

Fig. 2 einen Schnitt durch das Schaltungsnetzwerk gemäß Fig. 1 entsprechend der in Fig. 1 angedeuteten Schnittebene 2-2,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Schaltungsnetzwerk gemäß Fig. 1 entsprechend der in Fig. 1 angedeuteten Schnittebene 3-3,

Fig. 4 ein Ersatzschaltbild des Schaltungsnetzwerkes gemäß Fig. 1,

Fig. 5 eine schematische Aufsicht auf ein Hochfrequenz- Schaltungsnetzwerk mit einer Mehrzahl elektrisch miteinander verbundene Feldeffekttransistorzellen entsprechend einer anderen Ausführungsform,

Fig. 6 einen Schnitt durch das Schaltungsnetzwerk gemäß Fig. 5 entsprechend der in dieser Zeichnungsfigur angedeuteten Schnittebene 6-6,

Fig. 7 einen Schnitt durch das Schaltungsnetzwerk gemäß Fig. 5 entsprechend der in Fig. 5 angedeuteten Schnittebene 7-7,

Fig. 8 ein Ersatzschaltbild des Schaltungsnetzwerkes gemäß Fig. 5,

Fig. 9 eine schematische Aufsicht auf ein Hochfrequenz- Schaltungsnetzwerk mit einer Mehrzahl elektrisch miteinander verbundener Feldeffekttransistor­ zellen entsprechend einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 10 einen Schnitt entsprechend der in Fig. 9 ange­ deuteten Schnittebene 10-10,

Fig. 11 einen Schnitt durch das Schaltungsnetzwerk gemäß Fig. 9 entsprechend der in Fig. 9 angedeuteten Schnittebene 11-11 und

Fig. 12 ein Ersatzschaltbild des Schaltungsnetzwerkes nach Fig. 9.

Zunächst sei auf die Fig. 1 bis 3 der Zeichnung Bezug genommen. Ein Mikrowellen-Schaltungsnetzwerk 10 enthält eine Anzahl von vorliegend sechs Feldeffekttransistorzellen 12a bis 12f und Kopp­ lungsmittel, hier in Gestalt einer Metallisierungsschicht 13, zur elektrischen Verbindung jeweils gleichartiger der Sourceelektroden 14a bis 14c oder der Drainelektroden 15a bis 15d oder der Gate­ elektroden 16a bis 16f, im vorliegenden Falle zur elektrischen Verbindung der Drainelektroden 15a bis 15d, wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Mikro­ wellen-Schaltungsnetzwerk 10 eine Serie von in Kaskade geschalte­ ten Feldeffekttransistorzellen 12a bis 12f aufweist, worauf nach­ folgend noch näher eingegangen wird. Es genügt hier die Fest­ stellung, daß die Metallisierungsschicht 13 so dimensioniert und gestaltet ist, daß sie eine Impedanz besitzt, die entsprechend der Reaktanz von Reaktanzgebilden gewählt ist, die den Feld­ effekttransistorzellen 12a bis 12f eigen sind (vorliegend handelt es sich um die Kapazitäten zwischen den Sourceelektroden und den Drainelektroden der Transistorzellen 12a bis 12f), um ein Mikro­ wellen-Schaltungsnetzwerk 10 zu schaffen, dessen Wellenwider­ stand Zn abhängig von und vorliegend vorzugsweise gleich ist dem Wellenwiderstand Z_o einer Eingangsschaltung 17, welche Mikro­ wellenenergie in das Mikrowellen-Schaltungsnetzwerk 10 einspeist, sowie einer Ausgangsschaltung 18, welche zu einem Verbraucher führt. Das Mikrowellen-Schaltungsnetzwerk 10, die Eingangsschal­ tung 17 und die Ausgangsschaltung 18 sind auf einem dielektri­ schen Substrat 22, vorliegend aus halbisolierendem Galliumar­ senid, gebildet, welches einen spezifischen Widerstand von 10⁷ Ohm cm hat. Ein Erdungs-Leiterbelag 11 ist in der dargestell­ ten Weise auf der Unterseite des Substrates 22 angeordnet. Auf der Oberseite des Substrates 22 befindet sich ein aktiver Halb­ leiterbereich 24, wie aus der Zeichnung zu erkennen ist. In dem aktiven Halbleiterbereich oder der aktiven Halbleiterschicht 24 ist eine Anzahl von Feldeffekttransistorzellen 12a bis 12f her­ gestellt. Die aktive Halbleiterschicht 24 hat vorliegend die Gestalt einer n-leitenden Schicht von epitaktisch aufgewach­ senem Galliumarsenid, das vorliegend eine Dotierungskonzentra­ tion von 10¹⁷ Atomen je cm³ aufweist. In ohmischem Kontakt mit n⁺-leitenden Kontaktbereichen 25 ist eine Anzahl von Drain­ elektroden 15a bis 15d und eine Anzahl von Sourceelektro­ den 14a bis 14c gebildet. Die Kontaktbereiche 25 haben hier eine Dotierungskonzentration von 10¹⁸ Atomen je cm³ und sind durch eine zweite epitaktisch aufgewachsene Schicht herge­ stellt. Gemäß einer anderen Ausführungsform können die Kontakt­ bereiche 25 auch durch Ionenimplantation in ausgewählte Berei­ che der epitaktisch aufgewachsenen Schicht 24 hergestellt sein. Zwischen den Elektroden je eines Paares von Sourceelektroden 14a bis 14c und Drainelektroden 15a bis 15c sind Gateelek­ troden 16a bis 16f in der dargestellten Weise vorgesehen. Jede der Gateelektroden 16a bis 16f ist in konventioneller Weise als gleichrichtender Metall-/Halbleiterübergang oder Schottky-Übergang mit Bezug auf die aktive epitaktisch aufgewachsene Schicht 24 gebildet, so daß eine Anzahl von sechs Transistor­ zellen 12a bis 12f mit einer Gateelektrode entsteht, wobei jede der Transistorzellen ein Schaltungselement mit Verarmungs­ modus ist. Die Gateelektroden 16a bis 16f reichen über die epitaktisch aufgewachsene Schicht 24 hinaus bis auf die Ober­ fläche des Substrates 22, wo sie elektrisch durch einen gemein­ samen Steueranschluß 32 miteinander verbunden sind, wie aus Fig. 1 ohne weiteres hervorgeht. In gleicher Weise reichen die Sourceelektroden 14a bis 14c über die epitaktische Schicht 24 hinaus auf die Oberfläche des Substrates 22, wo sie elektrisch über einen gemeinsamen Quellenanschluß 35 in der dargestellten Weise zusammengeschlossen sind. Der Quellenanschluß 35 ist elek­ trisch mit dem Erdungs-Leiterbelag 11 durch ein Paar von Öff­ nungen 37 und 39 verbunden, in welchen sich Leitermaterial 41 befindet, das die elektrische Verbindung durch das Substrat hindurch darstellt, wie man Fig. 3 entnimmt. Die Drainelektro­ den 15a bis 15d sind durch eine Metallisierungsschicht 13 zu­ sammengeschaltet, welche die Gateelektroden 16a bis 16f und die Sourceelektroden 14a bis 14c in der dargestellten Weise überlagert oder überbrückt. Es sei bemerkt, daß die Source­ elektroden 14a bis 14c und die Gateelektroden 16a bis 16f von der Schicht 13 durch Luftzwischenräume 19 getrennt sind, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Die Eingangsschaltung 17 und die Aus­ gangsschaltung 18 haben im vorliegenden Falle die Gestalt eines Paares von Mikrostreifen-Übertragungsleitungen. Die Eingangs-Mi­ krostreifenübertragungsleitung 17 und die Ausgangs-Mikrostrei­ fenübertragungsleitung 18 weisen Streifenleiter 48 bzw. 50 auf, welche einstückig mit der Metallisierungsschicht 13 gebildet sind, und enthalten als Bestandteil weiter den geerdeten Lei­ terbelag 11, wobei das zwischengelagerte Dielektrikum von Tei­ len des Substrates 22 gebildet ist, das sich zwischen den er­ wähnten Leiterteilen befindet. Die Abmessungen der Mikrostrei­ fen-Übertragungsleitung 17, welche den Streifenleiter 48 auf­ weist, und die Dicke des zwischengelagerten dielektrischen Sub­ strates 22 aus Halbleitermaterial sind so gewählt, daß die Mi­ krostreifen-Übertragungsleitung 17 einen bestimmten Wellenwider­ stand Z_o von beispielsweise 50 Ohm aufweist. In gleicher Weise ist die Mikrostreifen-Übertragungsleitung 18 so ausgebildet, daß sich ein bestimmter Wellenwiderstand Z_o von ebenfalls 50 Ohm er­ gibt. Es sei hier erwähnt, daß die Metallisierungsschicht 13, welche die Drainelektroden 15a bis 15d zusammenschaltet, in ihrer Breite W und in ihrer Länge B, sowie in ihrer Dicke so be­ messen ist, daß sich konzentrierte Induktionen zwischen mitein­ ander verbundenen Paaren von Drainelektroden 15a bis 15d er­ geben, welche zusammen mit der konzentrierten Kapazität der noch zu beschreibenden charakteristischen parasitären Kapazi­ tätselemente der Feldeffekttransistorzellen 12a bis 12f das Mi­ krowellen-Schaltungsnetzwerk 10 als eine künstliche Leitung ge­ stalten, die einen vorbestimmten Wellenwiderstand Z_n aufweist. Im vorliegenden Falle wird dieser Wellenwiderstand Z_n vorzugs­ weise dem Wellenwiderstand Z_o der Mikrostreifen-Übertragungs­ leitungen 17 und 18 angepaßt oder gleichgemacht. Das bedeutet, daß das Mikrowellen-Schaltungsnetzwerk 10 eine künstliche Lei­ tung ist, welche einen Wellenwiderstand Z_n von vorliegend bei­ spielsweise 50 Ohm hat und welche aus einer Kaskadenschaltung der Feldeffekttransistorzellen 12a bis 12f aufgebaut ist, die in dieser Kaskadenschaltung durch die Metallisierungsschicht 13 miteinander verbunden sind. Die Metallisierungsschicht bil­ det in Serie liegende konzentrierte Induktivitäten der künst­ lichen Leitung, während die konzentrierten Parallelkapazitäten der künstlichen Leitung durch die parasitären oder inhärenten Kapazitäten zwischen den Drainelektroden und den Sourceelek­ troden gebildet sind.

In Fig. 4 ist ein Ersatzschaltbild des Mikrowellen-Schaltungs­ netzwerkes 10 nach den Fig. 1 bis 3 gezeigt, welches den Auf­ bau einer künstlichen Leitung erkennen läßt. Die überbrückende Metallisierungsschicht 13 nach den Fig. 1 bis 3 ist in Fig. 4 als eine Serienschaltung konzentrierter Induktivitäten L dar­ gestellt, während die wirksamen Kapazitäten zwischen den Sour­ ceelektroden und Drainelektroden der Feldeffekttransistor­ zellen 12a bis 12f als Parallelkapazitäten C eingezeichnet sind. Die Kapazitäten C stellen die inhärenten, in Parallelschaltung liegenden Kapazitäten zwischen je einer der Drainelektroden 15a bis 15d und der benachbarten geerdeten Sourceelektroden 14a bis 14c dar. Die in Serie geschalteten Induktivitäten L stellen die konzentrierten Induktivitäten dar, welche durch die Ab­ schnitte 52a, 52b und 52c der überbrückenden Metallisierungs­ schicht 13 gebildet sind, die jeweils zwischen benachbarten Paaren miteinander verbundener Drainelektroden 15a, 15b bzw. 15b, 15c bzw. 15c, 15d, verlaufen. Es ist festzustellen, daß das Mikrowellen-Schaltungsnetzwerk 10 einen Wellenwiderstand Z_n auf­ weist, welcher durch den Ausdruck unabhängig von der Fre­ quenz angenähert werden kann, wenn die Länge B der überbrücken­ den Metallisierungsschicht 13 im Vergleich zur kürzesten Wellen­ länge der Betriebsfrequenz der Schaltung 10 klein ist. Durch ent­ sprechende Bemessung und Gestaltung der die Drainelektroden mit­ einander verbindenden Metallisierungsschicht 13 in Abhängigkeit von der Reaktanz (vorliegend der Kapazität zwischen Sourceelek­ troden und Drainelektroden) der Reaktanzgebilde, welche von den Feldeffekttransistorzellen 12a bis 12f repräsentiert werden, wird das Schaltungsnetzwerk 10 als eine künstliche Leitung ausge­ staltet, welche einen Wellenwiderstand Z_n hat, der zum Wellenwi­ derstand Z_o der Mikrostreifen-Übertragungsleitungen 17 und 18 über einen extrem weiten Frequenzbandbereich in Beziehung ge­ setzt ist und vorzugsweise gleichgemacht ist, d. h., Z_n ≈ Z_o. Im Betrieb speist also eine Mikrowellenquelle V_S die Mikrostreifen-Über­ tragungsleitung 17 mit Mikrowellenenergie. Wenn ein Steuer­ signal an den Steuersignalanschluß 32 gelangt und die Feld­ effekttransistorzellen 12a bis 12f im nichtleitenden Zustand vor­ spannt, so daß ein vergleichsweise hoher Widerstand (in Fig. 4 durch den veränderlichen Widerstand R dargestellt) den Trägern in der aktiven Halbleiterschicht 24 auf ihrem Weg zwischen den Sourceelektroden und den Drainelektroden dargeboten wird, so läßt die mit Mikrowellenenergie gespeiste Eingangsmikrostreifen-Über­ tragungsleitung 17 die Mikrowellenenergie durch die künst­ liche Leitung, d. h., das Schaltungsnetzwerk 10, durch, so daß die Energie zu einem Verbraucher R_L gelangt, der an die Aus­ gangs-Übertragungsleitung 18 angeschlossen ist. Um eine maxi­ male Leistungsübertragung zum Verbraucher zu erreichen, ist da­ für Sorge getragen, daß die Mikrostreifen-Übertragungsleitungen 17 und 18 und das Schaltungsnetzwerk 10 ebenso wie der Verbrau­ cher sämtlich denselben Wellenwiderstand Z_o von beispielsweise 50 Ohm aufweisen. Durch richtige Auswahl der Dicke, Breite und Länge der Metallisierungsschicht 13 und durch richtige Auswahl der Größe der Berandung und des Abstandes der Drainelektroden, Gateelektroden und Sourceelektroden der Transistorzellen 12a bis 12f erhält das Schaltungsnetzwerk 10 einen Wellenwiderstand Z_n, der vorzugsweise an den Wellenwiderstand der anderen Mikro­ wellen-Schaltungsteile angepaßt ist, die ebenfalls auf dem Sub­ strat 22 hergestellt sind. Wenn das Schaltbefehlssignal oder Steuersignal zu dem Steueranschluß 32 gelangt und die Feld­ effekttransistorzellen 12a bis 12f in den Leitungszustand vor­ spannt, so daß ein verhältnismäßig niedriger Widerstand R den Trägern dargeboten wird, die zwischen den Sourceelektroden und den Drainelektroden wandern, so bildet das Schaltungsnetzwerk 10 einen Kurzschluß zur Erde und die Hochfrequenzenergie von der Hochfrequenzquelle V_S wird zur Quelle zurückreflektiert, so daß das Schaltungsnetzwerk so wirkt, als handele es sich um einen Schalter in Öffnungsstellung, welcher den Energiezustrom von der Energiequelle V_S zum Verbraucher R_L verhindert.

Anhand der Fig. 5, 6 und 7 sei nun eine andere Ausführungsform beschrieben, bei der ein Mikrowellen-Schaltungsnetzwerk 10′ wie­ der eine Anzahl von Feldeffekttransistorzellen 12a′ bis 12f′ ent­ hält. Die Sourceelektroden 14a′, 14b′ und 14c′ sind über sich durch Öffnungen 37′ erstreckende Leiterelemente 41 mit dem Er­ dungsbelag 11 verbunden, wobei die Öffnungen 37′ durch das Gal­ liumarsenidsubstrat 22 und die epitaktische Schicht 24 reichen, wie aus Fig. 6 zu ersehen ist. Hier jedoch sind die Drainelek­ troden 15a′, 15b′, 15c′ und 15d′ elektrisch miteinander über Verbindungsmittel oder Kopplungsmittel 13′ zusammengeschaltet, die auf der Oberfläche des Substrates 22 angeordnet sind, wie aus den Fig. 5 und 7 hervorgeht. Jede der Feldeffekttransistor­ zellen 12a′ bis 12f′ enthält eine jeweils zugehörige Gateelek­ trode 16a′ bis 16f′, wobei diese Gateelektroden über den Steueranschluß 32′ zusammengeschaltet sind. Es sei festgestellt, daß die Länge, Breite und Dicke der Verbindungsmittel oder Kopp­ lungsmittel 13′ so gewählt sind, daß im Ersatzschaltbild nach Fig. 8 konzentrierte Induktionen L′ zwischen den Drainelektro­ den 15a′, 15b′, 15c′ und 15d′ entstehen, so daß zusammen mit den inhärenten Kapazitäten C′ zwischen miteinander verbundenen Paaren von Drainelektroden 15a′ bis 15d′ und den benachbarten geerde­ ten Sourceelektroden 14a′ bis 14c′ das Schaltungsnetzwerk 10′ in Gestalt einer künstlichen Leitung entsteht, wie aus Fig. 8 hervorgeht. Vorliegend sind es die Abschnitte 52a′, 52b′ und 52c′ der verbindenden Metallisierungsschicht 13′, welche zur elektrischen Verbindung der Paare von Sourceelektroden 15a′ und 15b′, 15b′ und 15c′, 15c′ und 15d′, dienen und welche so dimensioniert und gestaltet sind, daß sich annähernd die kon­ zentrierten Induktivitäten L′ verwirklichen lassen. Der Wert der Induktivität L′ ist so gewählt, daß der Wellenwiderstand des Schaltungsnetzwerkes 10′ und damit der Wellenwiderstand der künstlichen Leitung Z_n annähernd gleich dem Ausdruck ist und abhängig von, vorzugsweise gleich dem Wellenwiderstand Z_o der beiden Mikrostreifen-Übertragungsleitungen 17′ und 18′ ist, welcher vorliegend beispielsweise 50 Ohm beträgt (d. h. Z_n ≈ Z_o = 50 Ohm).

Es sei nun auf die Fig. 9, 10 und 11 Bezug genommen. Hier ist ein Mikrowellen-Schaltungsnetzwerk 10′′ gezeigt welches mehrere Feldeffekttransistorzellen 12a′′ bis 12d′′ enthält, die zwischen zwei Mikrostreifen-Übertragungsleitungen 17′′ und 18′′ gelegen sind. Die Feldeffekttransistorzellen 12a′′ bis 12d′′ sind in der epitaktisch aufgewachsenen Schicht 24 hergestellt, die sich auf einem einzigen Galliumarsenidsubstrat 22 befindet. Die Feld­ effekttransistorstellen 12a′′ bis 12d′′ weisen Drainelektroden 15a′′ bis 15d′′ auf, die sich in ohmischem Kontakt mit Kontaktbe­ reichen 25′ der epitaktischen Galliumarsenidschicht 24 befinden. Die Drainelektroden 15a′′ und 15d′′ sind einstückig mit den End­ abschnitten der Streifenleiter 48′′ und 50′′ der Mikrostreifen-Über­ tragungsleitungen 17′′ und 18′′ gebildet, wie aus den Fig. 9 und 10 zu ersehen ist. Die Drainelektroden 15a′′ und 15d′′ sind mit den Drainelektroden 15b′′ und 15c′′ durch Leiterelemente 40a bzw. 40b elektrisch verbunden, wie aus der Zeichnung hervorgeht. Es ist festzustellen, daß vorliegend die Leiterelemente 40a und 40b verhältnismäßig kurz sind und vernachlässigbare Induktivitä­ ten im Vergleich zu einer Mikrostreifen-Übertragungsleitung 42 haben, die zur elektrischen Verbindung der Drainelektrode 15b mit der Drainelektrode 15c verwendet wird. Die Mikrostreifen-Über­ tragungsleitung 42 enthält hier einen Streifenleiter 44, der auf einen Teil der Oberfläche des Substrates 22 angeordnet ist. Der Erdungsbelag der Mikrostreifen-Übertragungsleitung 42 wird von dem geerdeten Leiterbelag 11 auf der Unterseite des Substrates 22 gebildet. Die Sourceelektroden 14a′′ und 14b′′ der Feldeffekttransistorzellen 12a′′ bis 12d′′, sind elektrisch an einen Quellenanschluß 35′′ gelegt, der mit dem Erdungsleiterbe­ lag 11 auf der Unterseite des Substrates 22 über ein Leiter­ element 41′′ Verbindung hat, das sich durch die Öffnung 37′′ er­ streckt. Die Gateelektroden 16a′′, 16b′′, 16c′′ und 16d′′ sind jeweils zwischen Paaren von Source- und Drainelektroden gele­ gen, wie aus der Zeichnung zu ersehen ist. Die Gateelektroden 16a′′ bis 16d′′ sind elektrisch durch den Steueranschluß 32′′ zu­ sammengeschaltet.

Das Ersatzschaltbild des Mikrowellen-Schaltungsnetzwerkes 10′′ ist in Fig. 12 dargestellt. C′′ ist die inhärente Kapazität zwischen jeweils einer der Drainelektroden 15a′′ bis 15d′′ und der jeweils benachbarten geerdeten Sourceelektrode 14a′′ bzw. 14b′′. Die Wi­ derstände zwischen den Sourceelektroden und Drainelektroden in der aktiven Schicht 24 sind durch die veränderbaren Wider­ stände R im Ersatzschaltbild wiedergegeben, wobei die Wider­ standswerte durch ein Steuersignal gesteuert werden, das den Gateelektroden 16a′′ bis 16d′′ über den Steueranschluß 32′′ zuge­ führt wird. Die Mikrostreifen-Übertragungsleitung 42 ist so aus­ gebildet und dimensioniert, daß sie einen Wellenwiderstand

hat, worin L_L die verteilte, in Serie liegende Induktivität je Längeneinheit der Mikrostreifen-Übertragungsleitung 42 ist und C_L die verteilte, parallel liegende Kapazität je Längeneinheit der Mikrostreifen-Übertragungsleitung bedeutet (Induktivitätsbelag und Kapazitätsbelag). Die Mikrostreifen-Übertragungsleitung 42 ist so ausgebildet, daß der Wellenwiderstand des Schaltungsnetzwerkes 10′′, nämlich Z_n vom Wellenwiderstand der Mikrostreifen-Übertragungsleitungen 17′′, 18′′, d. h. dem Wellenwiderstand Z₀, welcher hier 50 Ohm beträgt, abhängt und vorzugsweise gleich diesem ist. Das bedeutet, daß im vorliegenden Falle der Wellenwiderstand des Schaltungsnetzwerkes 10′′ annähernd

beträgt, worin D die Länge der Mikrostreifen-Übertragungsleitung 42 ist, wie dies in Fig. 9 eingezeichnet ist, während C′′ die Kapazität zwischen einer der Quellenelektroden 15a′′ bis 15d′′ und der jeweils benachbarten Abzugselektrode 14a′′ bzw. 14b′′ ist. Die Mikrostreifen-Übertra­ gungsleitung 42 enthält also vorliegend solche Gestalt, daß der Wellenwiderstand Z_L eine derartige Größe erhält, daß der Wellenwiderstand des Schaltungsnetzwerkes 10′′, also der Wellenwiderstand Z_n, vom Wellenwiderstand Z₀ der beiden Mikrostreifen-Übertragungsleitungen 17′′ und 18′′ abhängt und vorzugsweise diesem gleich ist und außerdem gleich ist der Impedanz des Verbrauchers R_L (d. h. Z_n ≈ Z_o = R_L).

Claims (2)

1. Hochfrequenz-Schalteranordnung mit einer Anzahl von zwischen einem Eingangsteil (17) für Hochfrequenzenergie und einem an einen Verbraucher angeschlossenen Ausgangsteil (18) befindlichen Schalterelementen (12a, b, c . . . ), die über Reak­ tanzelemente miteinander verbunden sind, deren Reaktanzwert auf die wirksame Impedanz der Schalterelemente zur Einstel­ lung eines bestimmten Wellenwiderstandes abgestimmt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schalterelemente von parallel angeordneten Transistorzellen (12a, b . . . ) eines mehrzelligen Feldeffekttransistors gebildet sind, der auf einem Substrat (22) abwechselnd und jeweils durch Gate-Zellenelektroden getrennt, Drain- und Source-Zellenelektroden (15a, b, . . ; 14a, b . . . ) trägt, daß die Gate-Zellenelektroden, die Drain- Zellenelektroden und die Source-Zellenelektroden über die Reaktanzelemente bildende Kopplungsmittel zum Parallelschal­ ten der Transistorzellen jeweils zusammengeschaltet sind und daß diejenigen Kopplungsmittel, die Verbindung zu dem Ein­ gangsteil und dem Ausgangsteil haben, zwischen den zusammen­ geschalteten Transistorzellenelektroden Reaktanzwerte auf­ weisen, die mit der resultierenden Impedanz der parallel­ geschalteten Transistorzellen einen Wellenwiderstand der Schalteranordnung ergeben, der zu dem Wellenwiderstand des Eingangsteiles und Ausgangsteiles in einem bestimmten Ver­ hältnis steht.

2. Schalteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bestimmte Verhältnis eins ist.