DEC0000458MA - Hochfrequenzgenerator mit einem Halbleiter mit mehreren Elektroden - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung hat einen Hochfrequenzgenerator für die Erzeugung von ungedämpften stabilen Schwingungen zum Gegenstand.

Sie weist folgende wesentlichen Kennzeichen auf, die getrennt oder kombiniert vorhanden sein können:

1) - Man verwendet in einem Multivibrator oder Generator ungedämpfter Schwingungen eine Halbleiteranordnung mit zwei Sperrschichten, welche auf dem Rückstromast ihrer unsymmetrischen Kennlinie keinen oder einen sehr geringen Strom liefert und mit zwei Elektroden versehen ist, nämlich einer Steuerelektrode mit positiver und einer Ausgangselektrode mit negativer Vorspannung, welche den beiden Sperrschichten des Halbleiters einzeln zugeordnet sind.

2) - Man ordnet zwischen diesen beiden Elektroden eine Kapazität zur Frequenzstabilisierung an.

Weitere Kennzeichen und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden Beschreibung und der anliegenden Zeichnung hervorgehen, auf welcher schematisch und nur beispielshalber verschiedene Ausführungsformen der erfindung dargestellt sind.

Fig. 1 ist ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der äußere Stromkreis als Multivibrator ausgebildet ist.

Fig. 2 ist ein dieser ersten Ausführungsform entsprechendes Ersatzschaltbild.

Fig. 3 stellt die Kennlinien des benutzten Halbleiters für die Steuerseite bzw. die Ausgangsseite dar.

Fig. 4 und 5 sind schließlich Schaltbilder von zwei weiteren Ausführungsformen der Erfindung, bei welchen die Außenstromkreise als normale Schwingungskreise ausgebildet sind.

Bei Betrachtung der Fig. 1 sieht man, dass man gemäß einem ersten Kennzeichne der Erfindung in einer Multivibratorschaltung nach Abraham und Bloch einen Halbleiter SC mit zwei Sperrschichten (die symbolisch durch zwei Geraden- abschnitte dargestellt sind) benutzt, von denen die eine einer Steuerelektrode 1 und die andere einer Ausgangselektrode 2 zugeordnet ist. Der Ausgangsstromkreis weist, wie in der oben erwähnten Multivibratorschaltung, zwei Kapazitäten C(sub)1 und C(sub)2 auf, die für die betrachtete Arbeitsfrequenz vollkommene Kurzschlüsse darstellen, sowie zwei Belastungswiderstände R(sub)1 und R(sub)2 und zwei Stromquellen S(sub)1 und S(sub)2 mit Spannungsteilern P(sub)1 und P(sub)2. Dieser Außenstromkreis weist Voltmeter V(sub)c und V(sub)a und Amperemeter A(sub)c und A(sub)a auf, welche die Spannungswerte und die Werte des den Halbleiter durchfließenden Stromes auf der Steuerseite bzw. der Ausgangsseite anzeigen. Die Hochfrequenz wird bei 3 und 4 an den Klemmen des Widerstandes R(sub)2 abgenommen.

Gemäß einem weiteren Kennzeichen der Erfindung schaltet man vorteilhafterweise zwischen die beiden Elektroden 1 und 2 eine Kapazität C zur Stabilisierung der erzeugten Frequenz.

Die Schaltung ist der Schaltung von gekoppelten Dreigitterröhren zur Erzeugung von sägezahnförmigen Schwingungen ähnlich.

Man sieht, dass bei der oben beschriebenen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Hochfrequenzgenerators jeder ausgebildete Stromkreis, der eine ausgesprochene Eigeninduktivität oder Gegeninduktivität aufweisen könnte, vermieden ist.

Es ist ferner zu bemerken, dass der Generator einen sehr großen Wert der Amplitude der erzeugten Schwingung zu erhalten gestattet.

Bei einem solchen Generator konnte man Werte messen, die einer verfügbaren Leistung von 10 mW für eine Frequenz von einigen MHz entsprachen.

Die Frequenz ist durch die Absolutwerte der Kapazitäten und Widerstände der der Schaltung der Fig. 1 entsprechenden, auf Fig. 2 dargestellten Ersatzschaltung begrenzt, in welcher bedeutet:

C(sub)c die Kapazität auf der Seite der Steuerelektrode,

C(sub)a die Kapazität auf der Seite der Ausgangselektrode,

R(sub)c den zu der Steuersperrschicht parallel liegenden Widerstand,

R(sub)a den zu der Ausgangssperrschicht parallel liegenden Widerstand,

R(sub)p den Wegwiderstand,

R(sub)t den Beeinflussungsquerwiderstand,

C(sub)t die Beeinflussungsquerkapazität, welche nicht nur die innere

Beeinflussungsquerkapazität darstellt, sondern auch die Zusatzkapazität c' zur

Frequenzstabilisierung.

Der verwendete Halbleiter ist ein Germanium- oder Siliziumkristall mit zwei Sperrschichten oder auch ein komplexer Kristall mit zwei Sperrschichten mit sehr hohem Widerstand in der "Rückwärtsrichtung" (wobei die "Rückwärtsrichtung" die Richtung des größeren Widerstandes des Halbleiters ist), d.h. ganz allgemein eine Halbleiteranordnung, welche auf dem Rückstromast ihrer unsymmetrischen Kennlinie keinen oder einen sehr kleinen Strom liefert.

Der wesentliche Teil für das Arbeiten als Oszillator sind die Teile C(sub)t und R(sub)t, d.h. die Querkapazität und der Querwiderstand der beiden Sperrschichten (siehe Ersatzschaltbild der Fig.2). Die Inbetriebsetzung erfordert übrigens bestimmte Werte der Vorspannungen U'(sub)c und U'(sub)a (siehe Fig. 3), welche durch die Spannungsteiler P(sub)1 und P(sub)2 bestimmt werden und den Arbeitspunkten A bzw. B (siehe Fig. 3) für die beiden Sperrschichten entsprechen müssen.

Man kann die Arbeitsweise folgendermaßen erklären:

auf der Steuerseite liegt eine große Ausbreitung der Stromlinien wegen des Vorhandenseins einer P-Schicht (Leitfähigkeit durch Elektronenmangel) vor, was bereits früher von Brattain und Bardeen festgestellt und ausgeführt wurde (siehe Physical Review 74 vom 15/7/1948). Da jedoch diese Ausbreitung der Stromlinien von dem Potential auf der Steuerseite abhängt, hängt der Widerstand R(sub)t (siehe das Ersatzschaltbild der Fig. 2) ebenfalls von diesem Potential ab. Dieser veränderliche Widerstand R(sub)t - (in dem Ersatzschaltbild der Fig. 2 sind R(sub)t und C(sub)c mit Pfeilen dargestellt, um ihre starke Abhängigkeit von den Vorspannungen, d.h. von den Arbeitspunkten anzudeuten) - zwischen den beiden Steuer- und Empfangselektroden 1 bzw. 2 macht aus dem System einen Widerstandsverstärker mit innerer Kopplung.

Ein Teil der Leistung an der Ausgangselektrode 2 wirkt auf die Steuerseite zurück und bewirkt eine Phasenverschiebung von 90° gegenüber der Steuerspannung unter Senkung dieses Potentials, bis die die P-Schicht durchsetzenden Stromlinien zur Erzielung und Aufrechterhaltung dieser

Beeinflussung nicht mehr ausreichen. In diesem Augenblick ist der Widerstand R(sub)t sehr groß, und die Oppositionsspannung an den Klemmen der Steuerelektrode reicht nicht aus, um das Steuerpotential merklich zu erniedrigen. Dies bewirkt eine Ladung der Kapazität C(sub)c (der Steuerelektrode) und bestimmt eine neue Beeinflussung. Der Vorgang erhält sich aufrecht und wiederholt sich, sodass man durch eine geeignete Wahl der Belastungswiderstände R(sub)1 und R(sub)2 (siehe Fig. 1) und der Spannungen U(sub)c und U(sub)a und somit der Stromstärke I(sub)c und I(sub)a einen stabilen Schwingungszustand herstellen und aufrechterhalten kann.

Auf Fig. 4 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung zur Erzeugung merklich stabilisierter ungedämpfter Schwingungen dargestellt.

Bei dieser Ausführungsform liegt der Halbleiterkristall SC mit zwei Sperrschichten in einer normalen Oszillatorschaltung mit den Kapazitäten C(sub)1 und C(sub)2, welche als Entkopplungsorgane zur Unterdrückung der Störungen dienen, welche durch die Widerstände der Stromquelle S(sub)1 und S(sub)2 (die z.B. 4 bzw. 100 Volt betragen können) und die Schutzwiderstände R(sub)1 und R(sub)2, die z.B. Werte von 200 bzw. 20.000 Ohm haben können, eingeführt werden könnten.

Das System umfasst noch die Spulen B(sub)1 und B(sub)2, die durch die Kapazitäten C'(sub)1 und C'(sub)2 überbrückt und mit der Steuerelektrode 1 und der Empfangselektrode 2 in Reihe geschaltet sind.

Die Kopplung der beiden Steuer- und Ausgangskreise ist am einfachsten und wirksamsten eine teilweise Kopplung durch die Stabilisierungskapazität C'. Man wählt die Anzapfpunkte an den Wicklungen B(sub)1 und B(sub)2 so, dass sie gleichzeitig dem Wert der Kapazität C' an den Arbeitspunkten auf der Halbleiterfläche entsprechen.

In dieser Vorrichtung der Fig. 4 könnte man zur Erzielung der Frequenzstabilität die Kapazität C' durch ein in Reihe geschaltetes piezoelektrisches Organ (z.B. Quarz) in Resonanz ersetzen, oder auch das piezoelektrische Organ parallel zu dem Steuerkreis schalten.

Auf Fig. 5 ist eine Abwandlung der Vorrichtung der Fig. 4 dargestellt, bei welcher die Kopplung der beiden Steuer- und Ausgangskreise durch die Induktivitäten B'(sub)1 und B'(sub)2 hergestellt wird.

Bei dieser Abwandlung ist die Stabilisierungskapazität wie bei der Ausführungsform der Fig. 1 unmittelbar zwischen die Steuerelektrode 1 und die Ausgangselektrode 2 geschaltet.

Claims (7)

1) Hochfrequenzgenerator zur Erzeugung von stabilen ungedämpften Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, dass man in einem Multivibrator oder einem Generator ungedämpfter Schwingungen eine Halbleiteranordnung mit zwei Sperrschichten verwendet, welche auf dem Rückstromast ihrer unsymmetrischen Kennlinie keinen oder einen sehr geringen Strom liefert und mit zwei Elektroden versehen ist, nämlich einer Steuerelektrode (1) mit positiver und einer Ausgangselektrode (2) mit einer negativen Verspannung, welche einzeln den beiden Sperrschichten des Halbleiters zugeordnet sind.

2) Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Elektroden (1, 2) eine Kapazität (C') zur Frequenzstabilisierung angeordnet ist.

3) Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Elektroden (1, 2) ein piezoelektrisches Organ in Reihenresonanz angeordnet ist.

4) Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Steuerkreis ein piezoelektrisches Organ parallel geschaltet ist.

5) Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter durch Germanium mit zwei Sperrschichten gebildet wird.

6) Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter durch Silizium mit zwei Sperrschichten gebildet wird.

7) Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Halbleiter durch einen komplexen Kristall gebildet wird, der Leitfähigkeiten verschiedener Art aufweist, u.a. eine elektronische Leitfähigkeit und eine durch Elektronenmangel hervorgerufene Leitfähigkeit.