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Schwingungserzeuger mit einem Resonanzkreis und einem mit drei Elektroden
ausgerüsteten Halbleiter Die Erfindung bezieht sich auf einen Schwingungserzeuger,
der einen Resonanzkreis enthält und insbesondere auf einen Sinuswellengenerator
oder einen harmonischen Generator mit einer Dreielektrodenhalbleitervorrichtung.
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Der Dreielektrodenhalbleiter ist eine neuere Entwicklung auf dem Gebiet
der elektronischen Verstärker. Diese Vorrichtung ist gegenwärtig unter dem Namen
»Transistor« bekannt. Der neue Verstärker enthält ein Stück eines halbleitenden
Materials, z. B. Silizium oder Germanium, welches auf einer seiner Flächen mit zwei
nahe benachbarten Punktelektroden versehen ist, die »Sendeelektrode« (ein dem englischen
Ausdruck »emitter« oder »emitter electrode« nachgebildeter Ausdruck) und »Kollektorelektrode«
(ein dem englischen Ausdruck »collector« oder »collector electrode« nachgebildeter
Ausdruck) genannt werden und ferner noch mit einer dritten Elektrode, genannt »Basiselektrode«,
(entsprechend dem englischen Ausdruck »base electrode«), die einen großflächigen
Kontakt geringen Widerstandes mit einer anderen Fläche des Halbleiters bildet. Der
Eingangskreis des bekannten Verstärkers liegt zwischen der Sendeelektrode und der
Basiselektrode, während der Ausgangskreis zwischen der Kollektorelektrode und der
Basiselektrode liegt. Die Basiselektrode ist in dieser Schaltung dem Eingangs- und
dem Ausgangskreis gemeinsam und kann daher geerdet werden.
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Wie an anderer Stelle beschrieben, kann ein Dreielektrodenhalbleiter
auch als Schwingungserzeuger geschaltet werden. Der bekannte Schwingungserzeugers
hat eine äußere Rückkopplungsleitung. Gemäß der vorliegenden Erfindung soll bei
einem Sinuswellengenerator
von dem negativen Widerstand einer Halbleitervorrichtung
Gebrauch gemacht werden, der unter bestimmten Betriebsbedingungen auftritt. Der
Sinuswellengenerator gemäß der Erfindung erfordert also keine äußere Rückkopplungsleitung.
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Der Hauptzweck der Erfindung besteht daher darin, einen neuen Sinuswellengenerator
von einfacher Schaltung anzugeben, der einen Dreielektrodenhalbleiter benutzt.
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Weiterhin bezweckt die Erfindung die Herstellung eines Schwingungserzeugers
mit einem Halbleiter, der eine Sinuskurve guter Kurvenform liefert und innerhalb
eines weiten Frequenzbereiches arbeiten kann, Ter nach oben eine Grenze bei
besitzt.
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Schließli`f`-bezwe`ckl`--die` Erfindung noch die Schaffung eines selbstschwingenden,
Oberwellen erzeugenden Generators, der eine Dreielektrodenhalbleitervorrichtung
enthält und dem eine sinusförmige Ausgangsspannung entnommen werden kann.
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Ein Sa üswellengenerator nach der Erfindung geht aus von einem Halbleiter
mit einer Basiselektrode, einer Kollektorelektrode und einer Sendeelektrode. Die
Basiselektrode hat eine verhältnismäßig große Kontaktfläche, während die Sendeelektrode
und die Kollektorelektrode im Vergleich zur Basiselektrode verhältnismäßig kleine
Kontaktflächen besitzen. Die Basis- und die Kollektorelektrode liegen an einer derartigen
Spannung, daß zwischen diesen beiden-' Elektroden praktisch kein Strom übergeht.
Die Basis-; und die Sendeelektrode sind über eine Spannungsquelle @° solcher Polarität
miteinander verbunden, daß zwischen diesen Elektroden ein nennenswerter Strom fließt.
Erfindungsgemäß wird zwischen die Basiselektrode und einen Punkt festen Potentials,
z. B. Erde, ein Resonanzkreis, z. B. ein Parallelresonanzkreis eingeschaltet. Außerdem
sind die Sende- und Kollektorelektrode so vorgespannt, daß der Halbleiter in- einem
Bereich negativen Widerstandes arbeitet. Eine solche Schaltung erzeugt Schwingungen
von der. Resonanz-Frequenz des Parallelresonanzkreises. Wenn jedoch die Basis- und
die Sendeelektrode über eine Spannung solcher Polarität miteinander verbunden sind,
daß der Halbleiter praktisch keinen Strom zwischen diesen Elektroden führt, liefert
der Generator keine Schwingspannung und kann zur Schwingungserzeugung dadurch veranlaßt
werden, daß zwischen die Basis- und die Sendeelektrode eine. Signalspannung gelegt
wird, die einen Strom zwischen diesen beiden Elektroden übertreten läßt: Fig. i
ist ein Schaltbild eines bekannten Dreielektrodenhalbleiterverstärkers, Fig.2 ein
Schaltbild eines Sinuswellengenerators mit einem Dreielektrodenhalbleiter gemäß
der Erfindung Fig. 3 ist eine Darstellung des inneren Widerstandes des Dreielektrodenhalbleiters
in Abhängigkeit von der Spannung zwischen der Basis- und der Sendeelektrode; Fig.4
ist ein Schaltbild eines Dreielektrodenhalbleiters zur Messung des in Fig. 3 dargestellten
Widerstandes; Fig. 5 ist ein Schaltbild eines abgeänderten Sinus wellengenerators,
der durch äußere Spannungen gesteuert werden kann .und eine bessere Widerstandsanpassung
besitzt und daher auch einen höheren Q-Wert; Fig. 6 ist ein Schaltbild eines abgeänderten
Sinuswellengenerators zur Erzeugung einer höheren Ausgangsspannung als sie in Fig.
2 und 5 auftritt; Fig. 7 ist ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform eines
Sinuswellengenerators für Frequenzen von einigen Megaherz, und Fig. 8 und g sind
Schaltbilder anderer Ausführungsformen, wobei die Schaltung nach Fig. g als selbstschwingender
oberwellenhaltiger Generator dargestellt ist.
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Fig. i zeigt einen bekannten Dreielektrodenhalbleiter in Verstärkerschaltung.
Der Verstärker enthält ein Stück i eines halbleitenden Materials, z. B. Germanium
oder Silizium, das eine kleine, aber ausreichende Anzahl von atomaren Verunreinigungen
oder Fehlstellen im Kristallgitter besitzt, wie sie zur Erzielung der besten Resultate
in anderen Halbleitervorrichtungen, z. B. Kristallgleichrichtern, benutzt werden.
Vorzugsweise soll der Halbleiter aus Germanium bestehen und gemäß den weiter unten
gegebenen Erklärungen so behandelt werden, daß er einen elektronischen Halbleiter
vom N-Typus darstellt. Die Oberfläche eines Halbleiterstückes x kann poliert und
geätzt werden, wie es in einerArbeit von B a r d e e n und B r a t t a i n beschrieben
ist. Man kann auch ein Stück Germanium aus einem handelsüblichen Germaniumgleichrichter
von hoher Sperrspannung verwenden, z. B. von der Type i N 34. In diesem Falle ist
keine weitere Oberflächenbehandlung mehr notwendig.
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Der Halbleiter i ist mit drei Elektroden versehen, nämlich der Sendeelektrode
2, der Kollektorelektrode3 und der Basiselektrode 4 in Fig. i. Die Sendeelektrode
2 und die Kollektorelektrode 3 können punktförmige Kontakte beispielsweise aus Wolfram-
oder Phosphorbronzedrähten mit einem Durchmesser von der Größenordnung zwei- bis
Fünftausendstel Zoll besitzen. Die Sendeelektrode und die Kollektorelektrode werden
gewöhnlich nahe beieinander angebracht und . können einen Abstand von zwei- bis
zehntausendstet Zoll aufweisen. Die Basiselektrode 4 bildet mit dem Halbleiterstück
einen großflächigen Kontakt von geringem Widerstand.
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Eine geeignete Spannungsquelle, z. B. die Batterie 5, liegt zwischen
der Sendeelektrode 2 und der Basis- j elektrode und hat eine solche Polarität, daß
der Halbleiter zwischen diesen beiden Elektroden Strom führt, d. h. daß die Elektroden
gegeneinander mit einer einen Stromfluß zulassenden Polarität vorgespannt sind.
Wenn der Halbleiter vom N-Typus ist, muß dementsprechend die Elektrode?, ein positives
Potential zur Basiselektrode erhalten. Eine andere Spannungsquelle, z. B. die Batterie
6, liegt zwischen der Kollektorelektrode und der Basiselektrode mit solcher Polarität,
daß zwischen ihnen kein Strom übergeht. Wenn man also in Fig. i einen Halbleiter
vom N-Typus benutzt, muß die Kollektorelektrode negativ zur Basiselektrode gemacht
werden. Eine Eingangssignalquelle 8 ist in die Zuleitung zur Sendeelektrode eingeschaltet
und liegt also zwischen Sendeelektrode und Basiselektrode: Die Ausgangsbelastung
R2, die durch
den Widerstand io gegeben ist, liegt zwischen der
Kollektorelektrode und der Basiselektrode in Reihe mit der Batterie 6. Das Ausgangssignal
kann von den Ausgangsklemmen ii am Widerstand io abgenommen werden.
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Es ist heute noch nicht möglich, eine endgültige Theorie eines solchen
Halbleiterverstärkers, die alle #Betriebseinzelheiten wiedergeben würde, anzugeben.
Jedoch dürfte die folgende Erklärung zu einem besseren Verständnis der Erfindung
beitragen. Ein Halbleiter ist ein Material, dessen elektrische Leitfähigkeit zwischen
der Leitfähigkeit guter Leiter und derjenigen guter Isolatoren liegt. Die in weitem
Umfang bei Kristallgleichrichtern benutzten Materialien, die auch bei Dreielektrodenhalbleiterverstärkern
benutzt werden, sind von einem kristallinen Typus und bestehen vorzugsweise aus
einer Anhäufung kleiner Kristalle. Wenn auch die Stromleitung in diesen Materialien
ionischer Natur ist, der Stromdurchgang also auf einer Bewegung elektrisch geladener
Atome beruht, ist die Erfindung doch von besonderem Wert bei denjenigen Materialien,
bei welchen die Atome praktisch feststehen und Elektronen die Stromleitung übernehmen.
Diese letzteren Stoffe sind elektronische Halbleiter genannt worden. Man muß dabei
bedenken, daß ionische Leiter für Verstärker ebenfalls Bedeutung besitzen, so daß,
wenn die im folgenden gegebene Erklärung sich auch auf elektronische Halbleiter
vom Typ Silizium oder Germanium bezieht, der Erfindungsgedanke nicht darauf beschränkt
ist.
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Zeitweise wurde angenommen, daß zwei Arten von elektronischen Halbleitern
existieren, die der N-Typus (negativer Typus) und der P-Typus (positiver Typus)
genannt werden. Ein Halbleiter vom N-Typus verhält sich, wie wenn eine kleine Anzahl
freier negativer Ladungen oder Elektronen vorhanden wäre, welche den Strom in ähnlicher
Weise leiten, wie in einem Metall. Ein solches Material dürfte aber in einem wohigeordneten
Kristallgitter nicht viele freie Elektronen besitzen. Es wird daher angenommen,
daß die freien Elektronen, welche für die Stromleitung verantwortlich sind, durch
Verunreinigungen oder Fehlstellen im Kristallgitter dargestellt werden, die »Donatoren«
genannt werden können. In einem Siliziumkristall vom N-Typus können die Donatoren
aus geringen Verunreinigungen von Phosphor bestehen. Da Silizium vier Valenzelektronen
hat, Phosphor aber fünf, werden die überschüssigen Valenzelektronen der eingestreuten
Phosphoratome nicht für den tetraederischen Aufbau an die benachbarten Siliziumatome
im Kristall benötigt und können sich daher frei bewegen. In einem Halbleiter vom
N-Typus fließt also ein Strom, wie wenn er von negativen Ladungen (Elektronen) gebildet
werden würde.
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In einem Halbleiter vom P-Typus dagegen scheint der Strom durch positive
Ladungen transportiert zu werden. Zu dieser Annahme ist man deshalb gekommen, weil
die vorhandenen Verunreinigungen ein Elektron eines Halbleiteratoms binden. So kann
z. B. ein Siliziumkristall vom P Typus einige Boratome enthalten, die eine Elektronenbindung
zeigen. Bor bindet ein Elektron eines Siliziumatoms zur Vervollständigung seines
Atomverbandes, da es nur drei Valenzelektronen besitzt. Im Kristallaufbau entsteht
somit eine Fehlstelle, die als eine virtuelle positive Ladung betrachtet werden
kann. Eine . oder mehrere Fehlstellen dieser Art wandern unter dem Einfluß eines
äußeren elektrischen Feldes in der Richtung, in der es auch eine positive Ladung
tun würde.
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Wenn auf einem elektronischen Halbleiter vom N- oder P-Typus zwei
Kontakte aus ähnlichem Material und von gleicher Fläche hergestellt werden, führt
eine äußere Spannung bei jeder Polarität etwa zu einem gleich großen Strom. Jedoch
besteht bei zunehmender Spannung ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen Strom und
Spannung. Dieser wurde zuerst damit erklärt, daß die inneren Elektronenenergieniveaus
des Kristallgitters durch die Anwesenheit des Metallkontaktes gestört seien, dem
man die Erzeugung einer sogenannten Sperrschicht oder Energieschwelle zugeschrieben
hat. Bei einem Kristall vom N-Typus verursachte eine zunehmende positive Spannung
des Metallkontaktes eine Änderung der Energieschwelle der Sperrschicht in solcher
Richtung, daß die Elektronen ungehindert in das Metall übertreten konnten. Durch
einen Metallkontakt, der ein negatives Potential hat, würde jedoch das Feld so geändert
werden, daß die inneren Leitfähigkeitselektronen abgebremst werden, und der dann
fließende Strom würde auf das Entweichen von Elektronen aus dem Metall über die
Energieschwelle der Sperrschicht zurückzuführen sein, wobei der Strom ziemlich klein
ausfallen würde. Diese Erklärung war ausreichend, um die beobachteten Erscheinungen
auch bei einem Material vom P-Typus, bei dem ähnliche Effekte aber bei entgegengesetzter
Polarität des Metallkontaktes auftreten, wenigstens im großen und ganzen zu erklären.
Obwohl, wie dargelegt, ein hypothetischer Gleichrichtereffekt an der Kontaktstelle
sowohl beim Material vom N-Typus als auch vom .P-Typus besteht, hebt sich dieser
Effekt bei zwei gleich großen Kontakten aber auf und der Stromfluß ist unabhängig
von der Polarität und im übrigen recht klein.
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Bei praktisch ausgeführten Zweielektrodengleichrichtern (Kristalldioden)
hat ein Kontakt am Kristallkörper eine so große Fläche, daß sein Widerstand für
beide Stromrichtungen sehr niedrig ist. An dieser Kontaktstelle sind also Nichtlinearitätseffekte
nur von geringer Bedeutung im Vergleich mit denen an der zweiten Kontaktstelle,
die sehr klein ist und z. B. aus einem Draht mit einer feinen Spitze besteht. Bei
dieser Anordnung kann also die hypothetische Sperrschicht an der Kristalloberfläche
in der Nähe des kleinflächigen Kontaktes tatsächlich eine Gleichrichtung hervorrufen.
Wie bereits bemerkt, tritt bei derart ungleich großen Kontaktflächen an einem N-Typus-Halbleiter
ein Strom auf, wenn der kleinflächige Kontakt positiv, dagegen kein Strom auf, wenn
er negativ ist. Bei Zweielektrodengleichrichtern vom P-Typus liegt der Fall umgekehrt.
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Beim Halbleiterverstärker mit drei Elektroden wird der großflächige
Kontakt ebenfalls mit dem Kristallkörper hergestellt und zwei andere Kontakte kleinerer
Fläche nahe aneinander auf einer anderen Fläche des Kristalls. Nun existieren also
zwei mögliche Sperrschichten und - was noch wichtiger ist - es kann
angenommen
werden, daB der Strom jetzt von einem kleinflächigen Kontakt zum anderen in einer
Weise übergeht, die eine vollständigere Erklärung des Sperrschichteffektes nötig
macht, als die Theorie, in der nur die Anwesenheit des Metallkontaktes berücksichtigt
wird. Dies wird weiter unten für ein Material vom N-Typus erläutert, jedoch muß
beachtet werden, daß ähnliche Effekte bei Materialien vom P-Typus bei geeigneter
Umkehrung der Spannungen ebenso wie im Gleichrichterfall auftreten können.
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Die kürzlich entdeckten Verstärkereigenschaften des Dreielektrodenhalbleiters
können durch die folgende Erweiterung der gegebenen Theorie erklärt werden. Es sei
angenommen, daß der Germanium- oder Siliziumkristall durch und durch einen Halbleiter
vom N-Typus darstellt. Jedoch besteht jetzt die Annahme, daß eine dünne Oberflächenschicht
des Kristalls, die nahe der obenerwähnten Sperrschicht liegt, sich wie ein Halbleiter
vom P-Typus verhält. Diese dünne P-Typusschicht, d. h. eine Leitfähigkeit durch
Fehlstellenwanderung, kann durch einen chemischen oder physikalischen Unterschied
im Verhalten der Verunreinigungen auf der Kristalloberfläche hervorgerufen werden
oder auch durch eine Änderung des Energieniveaus der Oberflächenatome, die mit der
Diskontinuität der Kristallstruktur an der Oberfläche zusammenhängt. Jedenfalls
tritt in dieser Oberflächen---schicht ein Überschuß an Fehlstellen auf.
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Auch für Gleichrichter ist die neue Theorie von Bedeutung, da die
ursprüngliche, ohne die Annahme einer P-Schicht, das Fehlen eines Unterschiedes
in der Gleichrichtung zwischen verschiedenen Metallen nicht erklären konnte und
außerdem einen höheren Widerstand in der Durchlaßrichtung von Gleichrichtern vorhersagte,
als er tatsächlich zu beobachten war. Die frühere Erklärung der Wirkungsweise von
Gleichrichtern ist jetzt durch die Annahme dieser Oberflächen--P-Schicht auf dem
Kristall abgeändert worden und es sieht nur so aus, als wenn die gleichrichtende
Sperrschicht in der Nähe der Oberfläche an der Übergangsstelle von den P- zu den
N-Atomen liegt. Daher spielen die Unterschiede zwischen verschiedenen Materialien
der Metallspitzen eine vernachlässigbare Rolle bei der Gleichrichtung, und die verhältnismäßig
große Sperrschichtfläche nach der neuen Theorie ist für den niedrigen Widerstand
des Kristalls in der Durchlaßrichtung verantwortlich. Außerdem wird jetzt angenommen,
daß die Leitfähigkeit in der Nähe des Punktkontaktes auf die Fehlstellen zurückzuführen
ist,- also den Typus der Wanderung virtueller positiver Ladungen besitzt; während
innerhalb des Kristalls der Elektrizitätstransport auf Elektronenwanderung beruht.
Beim Dreielektrodenhalbleiterverstärker der hier interessierenden Art ist die neue
Theorie insofern sehr wichtig, als das Verhalten dieser Verstärker hauptsächlich
durch den Fehlstellenstrom auf der Kristalloberfläche zwischen den beiden Punktkontakten
beherrscht wird.
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Da der Punktkontakt 2 (Fig. i), d. h. die Sendeelektrode gegenüber
dem Kristall i positiv gemacht wird, findet ein Stromdurchgang zur Basiselektrode
durch die Sperrschicht hindurch statt, wobei die Fehlstellen oder die virtuellen
positiven Ladungen in der Kristalloberfläche wandern, während im Kristallinnern
der Strom durch Elektronen transportiert wird. Da jedoch die benachbarte Kollektorelektrode
wegen ihres negativen Potentials ein elektrisches Feld erzeugt und die positiven
Fehlstellen bindet, kommt keine Wanderung der Fehlstellen in die Sperrschicht hinein
oder durch sie hindurch zustande, sondern die Fehlstellen wandern unmittelbar von
der Sendeelektrode .an der Kristalloberfläche entlang zur Kollektorelektrode. Die
Kollektorelektrodensperrschicht würde diesen Strom normalerweise verhindern, wenn
die Fehlstellen nicht von der Sendeelektrode geliefert würden. Bei einer Änderung
der- Spannung zwischen der Sendeelektrode und dem Kristallkörper vergrößert oder
verkleinert sich der Sendeelektrodenstrom, der für den Übergang in der P-Typus-Oberflächenschicht
zur Kollektorelektrode zur Verfügung steht.
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Ein Sinuswellengenerator mit Halbleiter enthält nach Fig. 2 einen
Halbleiter x mit Sendeelektrode 2, Kollektorelektrode 3 und Basiselektrode 4. Mittels
einer Batterie 5 können die Elektroden 2 und 4 mit einer Spannung solcher Polarität
versorgt werden, daß zwischen ihnen ein Stromübergang stattfindet. Der Batterie
5 kann ein Nebenschlußkondensator 12 für Schwingfrequenzen parallel geschaltet werden.
Die Batterie 6 liegt zwischen der Elektrode 3 und der Basiselektrode mit solcher
Polarität, da,ß zwischen ihnen kein Strom fließt. Auch die Batterie 6 kann mit einem
Parallelkondensator 13 für die Schwingströme versehen sein. Der Parallelresonanzkreis
14 mit der Induktivität 15 und der Kapazität 16 liegt zwischen der Basiselektrode
und Erde, d. h. zwischen der Basiselektrode und den Klemmen der Batterien 5 und
6. Die am Resonanzkreis 14 entstehende Sinuswelle kann von den Klemmen 18 der magnetisch
mit der Spule 15 gekoppelten Ausgangsspule 17 abgenommen werden.
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Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. z sei an Hand der Fig. 3
erläutert. Diese zeigt einen Widerstand Rb, d. h. den inneren Widerstand des Halbleiters.
von der Basiselektrode aus gesehen in Abhängigkeit von der Vorspannung eb, welche
eine Gleichspannung ist. Der innere Widerstand Rb kann mit der Schaltung nach Fig.
4 gemessen werden.
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Eine Betrachtung von Fig. 3 zeigt, daß der innere Basiswiderstand
Rb für kleine Werte eeb negativ ist und mit einer Zunahme der Vorspannüng eeb in
negativer Richtung zunimmt. Wenn eine kleine Zunahme der Spannung an einem Widerstand
eine Abnahme des Stromes durch diesen Widerstand zur Folge hat, besitzt der betrachtete
Widerstand einen negativen Widerstandswert. Die Größe - Rb wird sogar unendlich
und wird bei einer weiteren Zunahme von eeb plötzlich positiv. Bei noch weiterer
Zunahme von eeb nimmt der positive Widerstand wieder ab. Der in Fig. 3 dargestellte
Teil der Widerstandskurve bezieht sich auf einen Spannungsbereich von eeb von etwa
einem halben Volt. Der Widerstand R'b in Fig. 3 zeigt den äußeren Widerstand im
Basisstromkreis, nämlich den Scheinwiderstand des Kreises 14 bei der Resonanzfrequenz.
Der Wert dieses Widerstandes R'b begrenzt den Strom, der den Halbleiter durchsetzen
kann.
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Der Sinuswellengenerator nach Fig.2 arbeitet normalerweise in einem
Spannungsbereich, der durch
die Klammer ig angegeben ist. Der Generator
nach Fig. 2 dürfte folgendermaßen arbeiten: Es ist bekannt, daß ein negativer Widerstand,
wie der Widerstand -Rb, die Verluste in einem Resonanzkreis, wie dem Kreis 1q.,
decken kann. In einem bestimmten Augenblick einer vollständigen Arbeitsperiode wird
Strom, d. h. Energie von der Halbleitervorrichtung an den Resonanzkreis 1q. geliefert.
Hierdurch wird dieser erregt und ruft eine sinusförmige Änderung der Basiselektrodenspannung
gegenüber Erde hervor. Der Augenblickswert der Spannung zwischen der Sendeelektrode
2 und der Basiselektrode q. ist also veränderlich. Die Größe dieser Spannungsänderung
und daher die Schwingungsamplitude ist sowohl durch die Eigenschaften des Transistors
als auch durch den äußeren Widerstand R'b begrenzt.
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Der innere Basiswiderstand Rb läßt sich mit der Schaltung nach Fig.
q. messen, wenn die Basiselektrode q. über die Widerstände 2o und 21 an Erde gelegt
ist. Die Größe des Widerstandes 2o ist mit R bezeichnet und übertrifft diejenige
des Widerstandes 21. Ein Wechselstromeingangssignal ei wird dem Widerstand 21 aufgedrückt
und zwischen der Basiselektrode und Erde erscheint daher nach Fig. q. eine Spannung
ei'.
An der Kollektorelektrode 3 liegt die Batterie 6 mit ihrem Parallelkondensator
13. Zwischen dieser Batterie und dieser Elektrode ist der Widerstand io eingeschaltet.
Die Sendeelektrode wird durch die Batterie 5 vorgespannt, welcher der Kondensator
12 parallel liegt. Zwischen der Sendeelektrode und der Batterie 5 liegt der verstellbare
Widerstand 22.
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Die Schaltung nach Fig. q. entspricht im wesentlichen dem Generator
nach Fig. 2, da das Eingangssignal ei an der Basiselektrode q. eingeführt
ist. Der innere Basiswiderstand R,, in Fig. 3 kann nach der Gleichung
berechnet werden. Die Ablesungen von ei und ei' werden für verschiedene Werte
von eeb genommen, ug zu der Kurve in Fig. 3 zu gelangen, wobei R in Fig. q. eingezeichnet
ist.
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Die Vorrichtung nach Fig. 2 schwingt mit einer von der Resonanzfrequenz
des Kreises 1q. abhängigen Frequenz, die bis zu 5oo kHz betragen kann.
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Die Amplitude der Schwingungen ist durch die Eigenschaften der Halbleitervorrichtung
und durch den äußeren Widerstand Rb' des Schwingungskreises 1q. begrenzt. Der Sinusoszillator
nach Fig. 5 unterscheidet sich von demjenigen nach Fig. 2 dadurch, daß die Basiselektrode
q. über den Anzapfkontakt 25 an die Induktivität 15 angeschlossen ist. Dadurch kann
der Resonanzkreis 1q. mit einem höheren Q-Wert arbeiten, wobei Q das Verhältnis
der im Resonanzkreis gespeicherten Energie zu der pro Schwingungsperiode verbrauchten
Schwingungsenergie ist. Mathematisch ausgedrückt beläuft sich der Wert
Q auf aoL/R, worin co die Kreisfrequenz der Schwingung ist, L die Induktivität
und R der Widerstand des Resonanzkreises. Der Scheinwiderstand, in die Basiselektrode
q. hinein gesehen, ändert sich mit den Betriebsbedingungen der Schaltung nach Fig.
5 innerhalb eines weiten Bereiches von Werten, wie es sich aus Fig. 3 ergibt und
kann bei den Spitzenwerten des überlagerten Wechselstromes recht niedrig werden.
Dieser niedrige Widerstand kann durch Verstellung des Anzapfkontaktes 25 an den
höheren Resonanzwiderstand des Kreises 1q. angepaßt werden. Der Schiebekontakt 25
wird im allgemeinen so eingestellt, daß ungefähr ein. Fünftel bis die Hälfte der
Wicklung der Spule 15 zwischen dem Schiebekontakt und Erde liegt.
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Parallel zur Batterie 5 liegt das Potentiometer 23, von welchem ein
Abgriff geerdet ist. Sein weiterer Anzapfkontakt 24 kann sich in der in Fig. 5 dargestellten
Lage befinden, um über den Widerstand 22 der Sendeelektrode 2 eine positive Spannung
zuzuführen. Der Nebenschlußkondensator 12 liegt zwischen dem Abgriff 24 und Erde.
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Für den Betrieb des Sinusgenerators ist der Widerstand 22 nicht unbedingt
notwendig; er trägt jedoch zur Begrenzung des Stromes Ie bei. Somit hat dieser Widerstand
einen degenerativen Effekt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Amplitude der Sinuskurve,
d. h. die Größe der Ströme I", I, und I b, durch die Eigenschaften des Dreielektrodenhalbleiters
und außerdem durch den äußeren Widerstand des Schwingungskreises begrenzt ist.
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Der Widerstand 22 kann beispielsweise 48 Ohm betragen, der Kondensator
16 o,oi Mikrofarad und die Induktivität 15 359 Mikrohenry. Der Q-Wert des Resonanzkreises
1q. kann bei q.oo kHz die Größe 87 haben. Die Schaltung nach Fig. 5 arbeitet bei
dieser Bemessung mit 7o kHz. Die Resonanzfrequenz des Kreises 1q. beträgt 87 kHz.
Der Generator nach Fig. 5 schwingt daher auf einer unterhalb der Resonanzfrequenz
des Kreises 1q. liegenden Frequenz. Dies ist dadurch zu erklären, daß auch eine
verteilte Induktivität und Kapazität in der Schaltung des Drei elektrodenhalbleiters
vorhanden ist.
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Der Schwingungserzeuger 'nach Fig. 5 kann auch so geschaltet werden,
daß er normalerweise keine Schwingungen ausführt. Zu diesem Zweck wird der verstellbare
Kontakt 24 auf dem Potentiometer in eine solche Lage gebracht, daß zwischen der
Sendeelektrode und der Basiselektrode kein Strom übergehen kann. Die Spannung zwischen
der Sendeelektrode 2 und der Basiselektrode q. muß also so gewählt werden, daß zwischen
diesen Elektroden praktisch kein Strom durch den Halbleiter hindurchfließt. Dies
bedeutet, daß die Sendeelektrode negativ gegenüber der Basiselektrode werden muß,
wenn der Halbleiter aus einem Germaniumkristall vom N-Typus besteht. Der Generator
nach Fig. 5 kann dann angestoßen werden, beispielsweise dadurch, daß positive Impulse
35 an der Sendeelektrode liegen. Der Sendeelektrode können diese Impulse über einen
Kopplungskondensator 36 zugeführt werden. Ihre Amplitude muß gerade groß genug sein,
um die Sendeelektrode gegenüber der Basiselektrode auf eine einen Stromfluß hervorrufende
Polarität zu bringen. Durch die punktierte Linie 37 ist die »Schwingungsspannung«,
oberhalb- deren der Generator schwingen kann, angedeutet. Man kann auch an Stelle
von positiven Impulsen an der Sendeelektrode negative Impulse an der Basiselektrode
zuführen.
Der Eingangswiderstand der Sendeelektrode ist verhältnismäßig
hoch, bis die Spannung zwischen der Sendeelektrode und der Basiselektrode den punktierten
Wert 37 überschreitet. Sodann führt der Generator nach Fig. 5 nur während eines
Teiles jedes Impulses 35 Schwingungen aus. Diese Wellenzüge können daher an den
Klemmen 18 abgenommen werden und lassen sich in ihrer Dauer entweder durch die Länge
der Impulse 35 oder durch die Länge der Impulspause modulieren. Ebensogut kann man
ein anderes Modulationsverfahren verwenden, um eine Folge von modulierten sinusförmigen
Wellenzügen, die durch gewisse Abstände getrennt sind, zu erhalten.
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Der Sinusgenerator nach Fig. 6 erlaubt die Erreichung einer höheren
Ausgangsspannung als die Schaltungen nach Fig. 2 oder 5. Zu diesem Zweck wird der
Widerstand 27 zwischen die Batterie 6 und die Sammelelektrode eingeschaltet. Da
der Strom I e im Widerstand 27 im allgemeinen größer ist als der Strom Ib
zwischen der Basiselektrode und Erde, entsteht arn Widerstand 27 ein größerer Spannungsabfall.
Dies ist damit zu erklären,-daß der Scheinwiderstand von 27 größer als der des Resonanzkreises
14 und des Halbleiters gemacht werden kann. Man kann deshalb von den Ausgangsklemmen
28 ein sinusförmiges Ausgangssignal von größerer Amplitude abnehmen. Die eine dieser
Ausgangsklemmen liegt an Erde, während die andere über den Koppelkondensator 3o
an der Kollektorelektrode liegt. Im übrigen arbeitet die Schaltung nach Fig. 6 wie
oben beschrieben: Die Sinusgeneratoren nach Fig. 2, 5 und 6 schwingen nicht bei
hohen Frequenzen; bei diesen ist nämlich der Kollektorstrom I, mit dem Basisstrom
Ib nicht in Phase, was auf einen nacheilenden Blindwiderstand des Halbleiters schließen
läßt. Man kann jedoch bei höherer Frequenz zur Erzeugung einer Schwingung mit Vorteil
die Schaltung nach Fig. 7 benutzen. In dieser liegt ein Phasenverschiebungsnetzwerk,
bestehend aus dem Widerstand 27 und dem Parallelkondensator 32, zwischen der Batterie
6 und der Kollektorelektrode. Daher wird der Phasenwinkel des durch das Netzwerk
27, 32 fließenden Stromes je nach dem Verhältnis des voreilenden Blindwiderstandes
zum ohmschen Widerstand verschoben und das Verhältnis des Scheinwiderstandes des
Netzwerks zum inneren Widerstand des Halbleiters, von der Kollektorelektrode 3 ausgesehen,
ebenfalls verschoben. Man kann auch ein weiteres Phasenverschiebungsnetzwerk bestehend
aus dem Widerstand 22 und dem Parallelkondensator 33 zwischen die Batterie 5 und
die Sendeelektrode einschalten. Außerdem können die beiden dargestellten Netzwerke
durch andere Phasenverschiebungsnetzwerke ersetzt werden.
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Als Beispiel für eine Bemessung der Schaltung nach Fig. 7 bei einer
Schwingungsfrequenz von i,o2 MHz können folgende Größen angegeben werden. Kondensator
16 ................ ioo Pikofarad Kondensator 32 ................ 18 Pikofarad Kondensator
33 ................ o Pikofarad Widerstand 27 ................. 3300 Ohm
Widerstand 22 ................. 48 Ohm Induktivität 15 .................
io7 Mikrohenry Q des Kreises 14 ................ zig bei i MHz I, Kollektorstrom
.............. 7,o mA I, Sendeelektrodenstrom .........
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4,9 mA . Vorspannung von 3 ............. - 17 Volt Vorspannung
von 2 ............. + o,8 Volt e. Effektivwert der Kollektorspannung
.................... 8 Volt eb Effektivwert der Basisspannung 0,4 Volt Bei
Benutzung dieser Werte hat die Resonanzfrequenz des Kreises 14 den Wert 1,49 MHz.
Die Resonanzfrequenzen des Sinusgenerators nach Fig.7, die also i;o2 MHz beträgt,
ist auch hier wieder niedriger als diejenige des Kreises 14. Dies ist möglicherweise
auf die verteilte Kapazität zwischen der Basiselektrode einerseits und der Kollektor-
oder Sendeelektrode andererseits oder auf andere verteilte Kapazitäten und Induktivitäten
zurückzuführen.
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Der Sinusgenerator nach Fig.8 enthält einen Serienresonanzkreis zwischen
der Kollektorelektrode 3 und Erde. Dieser Serienresonanzkreis 4o bsesteht aus der
Induktivität 41 und der Kapazität 42. Zwischen Erde und der Kollektorelektrode kann
über eine Drosselspule 43 die Batterie 6 eingeschaltet sein. Die Ausgangsspannung
wird von den Klemmen 44 abgenommen.
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Auch der Serienresonanzkreis 4o bewirkt eine Phasenverschiebung und
stellt somit die für höhere Frequenzen erforderliche Phasenverschiebung für die
verschiedenen Ströme dar, beispielsweise für Frequenzen über 5oo kHz. Außerdem trägt
der Serienresonanzkreis 4o zuf Stabilität des Generators durch einen zusätzlichen
Q-Wert des Resonanzkreises bei. Im übrigen arbeitet die Schaltung wie oben beschrieben.
Es sei noch bemerkt, daß ein Serienresonanzkreis, wie der Kreis 40, auch zwischen
die Sendeelektrode 2_ und Erde eingeschaltet- werden kann.
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Die Schaltung nach Fig. 9 ist so getroffen, daß der Generator als
Oberschwingungserzeuger frei schwingen kann. Zu diesem Zweck ist ein Resonanzkreis
45, bestehend aus der Spule 46 und der Kapazität zwischen der Batterie 6 und der
Kollektorelektrode eingeschaltet. Die Ausgangsspannung läßt sich von den Ausgangsklemmen
50 der Spule 48 abnehmen, die mit der Spule 46 magnetisch gekoppelt ist.
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Der Resonanzkreis 45 kann auf eine harmonische Oberwelle der Grundfrequenz
des Resonanzkreises 14 abgestimmt werden. Wie in Fig. 9 eingezeichnet, kann der
Resonanzkreis 45 auf eine Frequenz 2,f abgestimmt werden, wenn f die Grundfrequenz
des Kreises 14 ist. Dann arbeitet der Schwingungserzeuger gleichzeitig als Generator
und als Frequenzvervielfacher, d. h. als ein selbstschwingender harmonischer Generator.
Auf diese Weise kann die Schwingungsfrequenz wesentlich gesteigert werden. Die Ausgangsspannung
ist bei dieser Schaltung an den Klemmen 5o abzugreifen. Man kann den Serienresonanzkreis
4o nach Fig. 8 auch an Stelle des Parallelresonanzkreises 45 einschalten und den
Kreis 4o auf eine Oberwelle der Grundfrequenz abstimmen. In diesem Fall läßt sich
eine Ausgangsspannung der Oberwellenfrequenz von dem Serienkreis 4o abgreifen, wie
es bei Fig. 8 der Fall war.
Die Schaltungen nach Fig. 2 und 6 bis
9 können auch durch Impulse angestoßen werden, wie es für die Schaltung nach Fig.5
erläutert wurde. Außerdem kann in den Schaltungen nach Fig. 2 und 6 bis 9 die Basiselektrode
4 über einen Abgriffpunkt 25 an den Resonanzkreis 14 angeschlossen werden, um den
Generator in der an Hand der Fig. 5 erläuterten Weise zu verbessern.
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Die Erfindung bezieht sich also auf einen Sinusgenerator unter Benutzung
eines Dreielektrodenhalbleiters, der innerhalb eines weiten Frequenzbereiches bis
zu einer oberen Grenze von mehreren Megahertz schwingen kann. Dieser Generator besitzt
einen einfachen Aufbau und erzeugt Schwingungen von reiner Sinuskurvenform. Er läßt
sich auch als selbstschwingender, harmonischer Generator bauen. Schließlich kann
er auch so geschaltet werden, daß er normalerweise nicht schwingt, aber bei Speisung
mit einem Signal, das aus einzelnen Impulsen bestehen kann, voneinander getrennte
Wellenzüge von Sinusform liefert, die zur Nachrichtenübertragung moduliert werden
können.