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Vorrichtuns zur Erzeusunq einer Gate-Vorspannunq an Feld-
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effekttransistoren Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung
einer Gate-Vorspannung an Feldeffekttransistoren.
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Beim Betreiben von Feldeffekttransistoren ist außer einer Betriebsspannung,
die zwischen Source und Drain angelegt ist eine weitere Spannung zwischen Gate und
Substrat bzw.
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zwischen Gate und Kanal oder zwischen Gate und Source oder Drain erforderlich.
Beispielsweise werden Feldeffekttransistoren vom Verarmungstyp in der Regel so beschaltet,
daß neben einer Betriebsspannung zwischen Source und Drain eine der Betriebsspannung
entgegengesetzte Spannung zwischen Gate und Source angelegt wird.
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Bei derartigen n-Kanal Feldeffekttransistoren ist somit neben einer
positiven Betriebsspannung eine negative Gate-Vorspannung erforderlich. Eine solche
negative Gate-Vorspannung kann beispielsweise über eine zusätzliche externe Spannungsquelle
zugeführt werden.
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Externe Spannungsquellen sind abgesehen von deren Aufwand in verschiedenen
Anwendungsbereichen nicht praktikabel.
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Eine weitere Möglichkeit besteht mittels Spannungswandlern aus der
vorgegebenen Betriebsspannung durch Umladung energiespeichernder Elemente eine negative
Gate-Vorspannung zu erzeugen. Eine derartige Erzeugung der Gate-Vorspannung ist
aufwendig und daher unvorteilhaft.
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Weiterhin läßt sich eine negative Gate-Vorspannnung durch eine Sourcepotentialanhebung
gegen Masse erreichen wobei die Sourceelektrode mit einem Kondensator hochfrequenzmäßig
gegen die Bezugsmasse zu blockieren ist. Die Impedanzverhältnisse für die hochfrequenzmäßige
Sourceerdung werden jedoch durch einen zwischengeschalteten Kondensator erheblich
gestört, weshalb eine derartige Gatevorspannungserzeugung für Feldeffekttransistoren
nicht akzeptabel ist die in einem Frequenzbereich von ca. 3 bis 5 GHz, wie z.B.
Galliumarsenid Feldeffekttranistoren,arbeiten.
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In vielen Fällen in der Mikrowellentechnik ist eine unmittelbare
Sourceerdung unumgänglich, so daß eine zweite negative Bettriebsspannung zur Einstellung
des Drainstroms notwendig wird. Eine Einstellung oder Regelung des Drainstromes
in Abhängigkeit von der Gate-Vorspannung ist bei Feldeffekttransistoren z.B. in
Hinblick auf eine Arbeitspunkteinstellung oder -Regelung von Bedeutung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Vorrichtung zur Erzeugung
einer Gate-Vorspannung an Feldeffekttransistoren anzugeben, die aus einer vorgegebenen
Betriebsspannung eine weitere Spannung erzeugt, die galvanisch getrennt oder galvanisch
gekoppelt außerhalb dem vorgegebenen Betriebsspannungsbereich liegt und zur Gate-Vorspannungserzeugung
und/oder zur Einstellung oder Regelung des Kanalstroms für Feldeffekttransistoren
dient.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil
des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind
in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung und von Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es zeigen: Fig, 1 den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels Fig. 3 eine perspektivische
Darstellung eines ersten Halbleiterplättchens mit eingebrachtem Thermoelement und
Wärmequelle Fig. 4 perspektivische Darstellung eines zweiten Halbleiterplättchens
mit eingebrachtem Thermoelement.
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Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In der Fig. 1 ist ein Feldeffekttransistor 1
dargestellt, desse#n Source 2 geerdet ist und dessen Drain 3 an den Eingang mindestens
einer elektrisch betriebenen Wärmequelle 4 angeschlossen ist, während der Ausgang
der Wärmequelle 4 an der Betriebsspannung des Feldeffkttransistors, der Drain-Spannung
UDD anliegt. Parallelgeschaltet zum Kanal des Feldeffekttransistors 1 befindet sich
ein Potentiometer 5 zur Einstellung des Zusatzstromes der Wärmequelle 4.
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Der den Feldeffekttransistor 1 durchsetzende Drainstrom ID bewirkt
zusätzlich auch zumindest einen Teil des Heizstromes der Wärmequelle 4. Ein zusätzlicher,
regelbarer Heizstrom kann der Wärmequelle 4 über das Potentiometer 5 zugeführt werden.
Die Wärmequelle 4 heizt bei ausreichendem Heizstrom und geeigneter örtlicher Anordnung
der pn-Übergänge an der Stelle 10 ein Halbleiterthermoelementes 6 auf, während die
Stelle 11 des Halbleiterthermoelementes 6 auf
einer niedrigeren
Temperatur z.B. auf Zimmertemperatur gehalten wird. Das Halbleiterthermoelement
6 kann dabei aus einer oder mehreren hintereinander geschalteten pn-Dioden bestehen.
Die pn-Dioden sind so angeordnet, daß an einem freien Kontakt 7 des Halbleiterthermoelementes
6 ein höheres Potential anliegt, während an dem anderen freien Kontakt 8 ein niedrigeres
Potential anliegt. Wird der Kontakt 7 geerdet und der Kontakt 8 an das Gate 9 des
Feldeffekttransistors 1 angelegt, so wird dem Gate 9 eine negative Vorspannung zugeführt.
Da die negative Gate-Vorspannung dem Drain-Strom, durch den sie möglicher Weise
unter Mitwirkung eines Zusatzstromes entstanden ist, entgegenwirkt, wird mit dieser
Schaltung eine Drain-Stromregelung bewirkt.
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Fig. 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Einander entsprechende Gegenstände von Fig. 1 und 2 sind mit den gleichen
Bezugszeichen belegt und werden nicht nochmals beschrieben. Fig. 2 unterscheidet
sich von Fig. 1 dadurch, daß mit einer Schaltung nach Fig. 2 lediglich eine Steuerung
der Gate-Vorspannung erreicht wird. Im Gegensatz zu Fig. 1 wird die Wärmequelle
4 nicht vom Drainstromdurchsetzt. Das Potentiometer 5 und die Wärmequelle 4 sind
hintereinander geschaltet und werden mittels einer Versorgungsspannung betrieben.
Diese Versorgungsspannung wird nach Fig. 2 z.B. durch die Drain-Spannung UDD einerseits
und Masse andererseits verwirklicht.
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Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung eines halbleitenden
Thermoelementes 6 sowie einer Wärmequelle 4, die gemeinsam in ein Halbleiterplättchen
12 eingebracht sind.
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Das Halbleiterthermoelement 6 besteht aus mehreren pn-Dioden 13, deren
pn-Übergänge sich auf der einen Seite des
Halbleierplättchens 12
an der Stelle 10 befinden. Die p-Zonen 14 und die n-Zonen 15 sind langgestreckte
Gebilde, die an der Stelle 11 kaskadiert sind, was ein Hintereinanderschalten der
Einzelelemente bewirkt. Benachbart zu der Stelle 10 des Halbleiterplättchens 12
ist eine elektrische Wärmequelle 4 z.B. in form eines Widerstandes in das Halbleiterplättchen
12 eingebracht. Die Wärmequelle 4 kann jedoch auch durch in das Halbleiterplättchen
eingebrachte Dioden oder Transistoren verwirklicht werden. Die elektrischen Anschlüsse
20 und 21 der Wärmequelle 4 sind bis zur Stelle 11 auf dem Halbleiterplättchen hinausgeführt,
so daß diese in unmittelbarer Nachbarschaft der Kontakte 7 und 8 des Halbleiterthermoelementes
sowie der kaskadierten Stellen 16 liegen. Das Halbleiterplättchen 12 weist an der
Stelle 11 eine Wärmesenke 17 auf, die z.B. an der Rückseite des Halbleiterplättchens
12 angebracht sein kann. Falls das Substrat 18 nicht hinreichend ther- misch isolierend
wirkt, kann an der Rückseite des Halbleiterplättchens 12 außerhalb der Wärmesenke
17 eine zusätzliche thermisch isolierende Schicht 19 angebracht sein, die einen
dirketen Wärmefluß von der Wärmequelle 4 zur Wärmesenke 17 verhindert.
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Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein halbleiterthermoelement
6 in perspektivischer Darstellung Im Gegensatz zu dem in Fig. 3 dargestellten Halbleiter.-thermoelement,
bei dem die p-Zonen 14 und die n-Zonen 15 nebeneinander auf dem Halbleiterplättchen
12 angebracht sind, zeigt Fig. 4 ein Halbleiterthermoelement 6, bei dem die p-Zonen
14 und die ~n-Zonen 15 übereinander angebracht sind. Verwirklichen läßt sich ein
solches Halbleiterthermoelement 6,indem auf einem in der Zeichnung nicht dargestellten
Substrat polykristalline p-Schichten 14 und polykristalline n-schichten 15 so übereinander
abgeschieden
sind, daß zwischen der p-Zone 14 und der n-Zone 15
eine Isolatorzwischenschicht 20 so angebracht ist, daß im Bereich der pn-iibergänge
an der Stelle 10 am Halbleiterplättchen keine Isolatorzwischenschicht 20 abgeschieden
ist. Die kaskadierten Stellen 16 weisen bei diesem Ausführungsbeispiel eine stufenförmige
Metallbrücke auf, die die an der Oberfläche befindliche n-Zone 15 mit der unterhalb
der Isolatorschicht befindlichen p-Zone 14 der nächstfolgenden Diode 13 verbindet.
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Die an den Kontakten 7 und 8 entstehende Spannungsdifferenz der kaskadierten
Dioden steht als galvanisch getrennte Spannung entweder zur Steuerung der Gate-Spannung
bei Feldeffekttransistoren, wie in Fig. 2 angedeutet, oder zur Regelung der Gate-Spannung
von Feldeffekttransistoren, wie in Fig. 1 angedeutet, zur Verfügung.
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Der Vorteil einer Anordnung z.B. nach Fig. 3 oder Fig. 4 besteht darin,
daß die Wärmequelle 4 und das halbleitende Thermoelement 6 in einem Herstellungsgang
auf dem selben Substrat angebracht werden können.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann vorteilhaft zur Erzeugung einer
Gate-Vorspannung bei Galliumarsenid Feldeffekttransistoren verwendet werden. In
der Regel werden zur Gate-Vorspannungseinstellung Ströme benötigt, die kleiner als
10 #A, insbesondere kleiner als 1 pA, sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann bei einer Schaltung wie sie
in Fig. 1 dargestellt und beschrieben ist zur Regelung der Gate-Vorspannung eingesetzt
werden, während eine Vorrichtung nach der Schaltung wie sie in Fig. 2 dargestellt
und beschrieben ist, zur Steuerung einer Gate-Vorspannung bei beliebigen Feldeffekttransistoren
einge-
setzt werden kann. Prinzipiell lassen sich die in den Fig.
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1 und 2 dargestellten Vorrichtungen auch zur Erzeugung positiver Gate-Vorspannungen
verwenden. In diesem Fall sind die Kontakte 7 und 8 miteinander zu vertauschen.
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Anstelle von Halbleiterthermoelementen können auch andere geeignete
thermoelektrische Wandler verwendet werden.
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Erfindungsgemäße Vorrichtungen eigenen sich insbesondere für die Anwendung
in der Mikrowellentechnik.
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