Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement wie ein Hetero-Bipolar- Transistor (HBT) zur freguenzvariablen Schwingungse zeugung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Gunn-Ef ek -Halbleiterbauelement wie ein GaAs-Hetero-Bipolar-Transistor (HBT) zur variablen
Schwingungserzeugung gemäss dem Oberbegriff des Anspruches
1.
Aufgrund der nichtlinearen Abhängigkeit der Elektronen- beweglichkeit von der Feldstärke können in einigen Halbleitermaterialien wie in GaAs- oder InP-Kristallen hochfrequente Schwingungen entstehen. Dieser Effekt wird seit langem zur Schwingungserzeugung im Mikrowellenbereic eingesetzt, indem ein Stück Galliumarsenid als sogenanntes Gunn-Element geeignet beschaltet und mit Strom versorgt wird.
Diese Schwingungen werden u.a. dadurch verursacht, dass der Strom bei einer angelegten Gleichspannung nicht gleichmäßig fließt, sondern sich die Elektronen in Paketen (Domänen hoher Feldstärke) bewegen. Diese Domänen durchlaufen den Kristall in regelmäßiger periodischer Abfolge, wodurch eine hochfrequente Schwingung erzeugt wird. Seine Frequenz wird von der Laufzeit der Domänen und damit von der Länge des Kristalls bestimmt.
Der Gunn-Effekt und Gunn-Effekt-Bauelemente sind in zahlreichen Druckschriften beschrieben, beispielsweise in
DE 20 00 676, DE 23 57 640 C3 , DE 25 53 659 C2 , DE 26 20 980 C2, DE 36 20 419 C2.
Ein Nachteil der Gunn-Elemente ist, dass es sich um Eintore handelt. An diesem einen Tor wird die Leistung abgegeben. Will man sie beeinflussen, dann muss das am gleichen Tor mit aufwendigen schaltungstechnischen Mitteln geschehen.
Besser wäre ein Zweitor mit einem Aus- und einem Eingang, bei dem die Schwingung am Ausgang ohne starke Rückwirkung auf den Eingang beeinflussbar ist .
In der US 394 63 36, in der GB 146 85 78, in der FR 226 92 35 werden Schaltungen vorgeschlagen, in denen ein HBT oder ein DHBT eingesetzt wird, wobei zwischen Basis und Emitter ein EingangsSignal der gleichen Frequenz wie das Ausgangs- signal angelegt wird. Zwischen Basis und Kollektor wird das AusgangsSignal abgegriffen. Im Kollektor tritt der Gunn- Effekt auf . Es wird nur eine Frequenz verarbeitet .
Es ist bekannt, dass der Gunn-Effekt in HBT"s mit dickem Kollektor auftreten kann. Dabei wurde ein negativer differentieller Widerstand beobachtet, der resonantes
Verhalten zeigt, jedoch sind keine Oszillationen berichtet worden. Daraus wird die Vermutung abgeleitet, dass der
Gunn-Effekt in der Raumladungszone stattfindet. Es wird die Möglichkeit diskutiert, die Resonanzfrequenz mit dem
Arbeitspunkt und der Kollektordotierung zu variieren
(M.Rudolph, R. Doerner, P. Heymann : „On the Gunn Effect in
GaAs HBT^s", IEEE MTT-S Intl. Microwave Sy p . Dig., pp.
683-686, 2000) .
In keinem der bekannten Bauelemente, die den Gunn-Effekt zur Schwingungserzeugung verwenden, ist es möglich, die Frequenz der erzeugten Schwingungen auf einfache Weise und ohne eine hochfrequenztechnische Beschaltung zu verändern.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gunn-Effekt-Halbleiter- bauelement wie einen GaAs-HBT zu entwickeln, mit dem die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik weitgehend vermieden werden und mit dem variable, einstellbare elektrische Schwingungen ohne externe Beschaltungen erzeugt werden können und welches als ein Frequenzvervielfacher und/oder als Oszillator in einer monolithisch integrierten Mikrowellen-Schaltung eingesetzt werden kann, in der das Bauelement sowohl als Transistor bei tieferen. Frequenzen als auch als neuartiges Gunn-Element bei höheren Frequenzen dient .
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst .
Danach ist das Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement wie ein GaAs-Hetero-Bipolar-Transistor (HBT) zur variablen, einstellbaren Erzeugung von elektrischen Schwingungen dadurch gekennzeichnet, dass ein dicker Kollektor vorgesehen ist und in der Basis-Kollektor-Raumladungszone, deren Ausdehnung durch die angelegte Gleichspannung und -ström gesteuert wird, der Gunn-Effekt auftritt, sodass Schwingungen auftreten, deren Oszillationsfrequenz durch den einstellbaren Arbeitspunkt gesteuert wird, und ein spannungs- oder stromgesteuerter Oszillator entsteht, wobei zwischen Basis und Emitter ein hochfrequentes Signal zur Beeinflussung der Schwingung eingespeist ist.
Die Ausführung des Bauelementes nach der Erfindung ermöglicht die Einstellung eines weiten Frequenzbereiches als Arbeitsbereich des Bauelementes alleine durch die Veränderung der angelegten SteuerSpannung bzw. des Steuerstromes .
Das Bauelement nach der Erfindung ist in integrierter Technik herstellbar und damit preisgünstig. Der große Arbeitsbereich des Bauelements erlaubt die monolithisch integrierte Herstellung von Oszillatoren für unterschied- liehe Frequenzbereiche ohne Änderung der Technologie, insbesondere unter Verwendung des gleichen Bauelements auf ein und derselben Scheibe .
Das Bauelement ist sowohl als herkömmlicher Transistor (HBT) als Verstärkerelement als auch für Verwendungen oberhalb der Transitfrequenz einsetzbar.
Weitere zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen näher erläutert . In der zugehörigen Zeichnung zeigen :
Fig. 1 : eine schematische Darstellung des
Au baus eines GaAs-HBT nach der Erfindung,
Fig. 2 : eine schematische Darstellung einer Schaltungsanordnung zur Frequenz-
Vervielfachung und
Fig. 3 : die schematische Darstellung einer Oszillator-Schaltung.
In HBT's mit dickem Kollektor (>lμm) treten Oszillationen in der Raumladungszone auf, die stark von der Kollektordotierung und dem angelegten Arbeitspunkt abhängen. Bei einer geeigneten Dotierung und Dimensionierung des Kollektors, mit der die Halbleiterstruktur nur verlängert wird, es wird keine zusätzliche Schicht eingeführt, kann
erreicht werden, dass nur in einem Teil des Kollektors der Gunn-Effekt auftritt. Die Länge des Gunn-Ele entes, also des Gebietes, in dem der Gunn-Effekt im Kollektor auftritt, ist variabel . Durch die geeignete Wahl des Arbeitspunktes kann die Oszillationsfrequenz verändert werden. Damit arbeitet das Bauelement als neuartiger spannungsgesteuerter Oszillator und kann auch als Frequenzvervielfacher eingesetzt werden, wenn eine entsprechende Steuerung mit einem Signal mit einem Bruchteil der Schwingfrequenz erfolgt .
Ein Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement 1 nach der Erfindung, hier ein GaAs-Hetero-Bipolar-Transistor, besteht entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 aus vier Schichten:
n-dotierte Emitter-Schicht 2, p-dotierte Basis-Schicht 3, n-dotierte Kollektor-Schicht 4 und n-dotierte Sub-Kollektor-Schicht 5.
Die Kollektor-Schicht 4 ist schwächer dotiert als die Basis- und Subkollektor-Schichten 3, 5.
Entsprechend der Darstellung in der Fig. 1 sind an der n- Emitter-Schicht 2 eine erste Elektrode 6, an der p+-Basis- Schicht 3 eine zweite Elektrode 7, an der n+-Subkollektor- Schicht 5 eine dritte Elektrode 8 zur Kontaktierung angeordnet .
Wie beim Transistor wird der Emitter-Basis-pn-Übergang zwischen den Elektroden 6 und 7 in Flussrichtung gepolt, sodass Elektronen in die Basis 3 injiziert werden. Diese diffundieren oder driften in die Raumladungszone 9 des zwischen den Elektroden 7 und 8 gesperrt gepolten Basis- Kollekor-Ubergangs. Der Subkollektor 5 dient der Kontaktierung des Kollektors 4.
Im Kollektor 4 herrscht Hochstrom-Injektion (Base push-out, vgl. R.J. Whittier, D.A. Tremere, „Current Gain and Cutoff Frequency Falloff at High Currents", IEEE Trans. Electron Dev., vol. ED-16, 1969, 39ff, Abschnitt H.A.). Daher befindet sich die Raumladungszone 9 an der Kollektor- Subkollektor-Grenze . An der Seite zur Basis 3 hin befindet sich ein neutrales Gebiet 10, das wie eine effektive BasisVerlängerung wirkt .
Der Gunn-Effekt tritt in der Kollektor-Raumladungszone 9 auf . Die Anzahl der dort vorhandenen Elektronen wird durch den in die Basis 3 injizierten Strom gesteuert. Das notwendige elektrische Feld wird durch die zwischen den Elektroden 7 und 8 angelegten Spannung erzeugt . Strom und Spannung bestimmen gleichzeitig das Maß der Hochstrom- Injektion und dadurch die Länge des Gebiets 9. So kann nicht nur der Gunn-Effekt, sondern auch die Länge des Gunn- Elements durch geeignete Wahl des Arbeitspunkts gesteuert werden. Im Fall des Gunn-Domänen-Betriebs ist dadurch die Schwingfrequenz ohne äußere Beschaltung abstimmbar.
Ein geeigneter Arbeitspunkt wird beim Vorliegen einer Emitterschaltung durch das Anlegen einer SteuerSpannung zwischen den Elektroden 6 und 8 von beispielsweise 3 bis 5 Volt bzw. eines Steuerstroms von ca. 0,1 mA zwischen den Elektroden 7 und 6 (Fig. 1) eingestellt. Mit diesem eingestellten Arbeitsbereich kann das Bauelement einen Frequenzbereich von ca. 50 bis 85 GHz realisieren. Durch die Veränderung bzw. durch die konkrete Festlegung auf einen bestimmten Wert der Steuerspannung bzw. des Steuerstromes kann beispielsweise die Erzeugung der Schwingfrequenz 75 GHz erfolgen.
Die Kollektordicke kann beispielsweise im Bereich größer 1 μm bis 3 μm gewählt sein.
Entsprechend der Darstellung in der Fig. 2 wird das Bauelement 1 nach Fig. 1 in einer Frequenz-Vervielfacher- Schaltung vorteilhaft eingesetzt.
Die Frequenz-Vervielfacher-Schaltung nach Fig. 2 besteht im wesentlichen aus der Zusammenschaltung einer Hochfrequenz- Quelle 11, einem Gunn-HBT 1 entsprechend der Fig. 1 und einer Last 12.
Die Hochfrequenz-Quelle 11 weist einen geeignet gewählten Eingangs-Reflexionsfaktor auf und gibt ein HF-Signal 13 bei einer Frequenz f0 ab, bei welcher der Gunn-HBT 1 verstärkt.
Ein solches Signal, das geringes Phasenrauschens aufweist, kann z.B. bei f0 = 10 GHz mit einem üblichen HBT-basierten Oszillator erzeugt werden, wobei ein Gunn-HBT zum Einsatz kommen kann, bei dem der Gunn-Effekt durch geeignete Wahl des Arbeitspunkts vermieden wird.
Die Quelle 11 stellt auch die für den Betrieb notwendige Gleichspannung zwischen den Anschlüssen 14 und 15 zur Verfügung .
Der Gunn-HBT 1 nimmt die von der Quelle 11 abgegebene HF- Leistung auf und gibt Leistung bei einem Vielfachen nf0 dieser Frequenz, z.B. 70 GHz, an die Last 12 ab. Ist der Gunn-HBT 1 in Emitter-Schaltung geschaltet, dann ist der Anschluss 15 der Emitter, der Anschluss 14 die Basis und der Anschluss 16 der Kollektor. Im Fall der Basis-Schaltung ist der Anschluss 15 die Basis, der Anschluss 14 der Emitter und der Anschluss 16 der Kollektor.
Die Last 12 nimmt die HF-Leistung auf . Dieses Signal behält die guten spektralen Eigenschaften des Eingangssignals bei f0 und ist damit besser als ein nach bekannter Technik erzeugtes Signal bei nf0.
Das Lastzweitor stellt gleichzeitig die zwischen den Anschlüssen 15, 16 notwendige Gleichspannung zur Verfügung, und dient, sofern erforderlich, der Impedanz-Transformation zwischen Gunn-HBT 1 und Verbraucher 12, oder als Frequenzfilter .
Die Oszillator-Schaltung nach Fig. 3 besteht aus einem Abschluss 17 mit geeignet gewähltem Reflexions-faktor, einem Gunn-HBT 1 nach Fig. 1 und einer Last 12.
Der Abschluss 17 ist so gewählt, dass der Gunn-Betrieb zwischen den Klemmen 15 und 16 nicht gestört wird.
Das Zweitor stellt auch die für den Betrieb notwendige Gleichspannung zwischen den Anschlüssen 14 und 15 zur Verfügung .
Das Gunn-HBT 1 erzeugt die HF-Leistung und gibt diese an die Last 12 ab.
Ist der Gunn-HBT 1 in Emitter-Schaltung geschaltet, so ist der Anschluss 15 der Emitter, der Anschluss 14 die Basis und der Anschluss 16 der Kollektor.
Im Fall der Basis-Schaltung ist der Anschluss 15 die Basis, der Anschluss 14 der Emitter und der Anschluss 16 der Kollektor.
Die Last 12 nimmt die HF-Leistung auf .
Das Lastzweitor stellt gleichzeitig die zwischen den Anschlüssen 15 und 16 notwendige Gleichspannung zur Verfügung, und dient, sofern erforderlich, der Impedanz- Transformation zwischen Gunn-HBT 1 und Verbraucher 12, oder als Frequenzfilter.
Bezugszeichenliste
Gunn-Effekt-HBT
I . Emitter
2. Basis
3. Kollektor
4. Sub-Kollektor
5. Elektrode
6. Elektrode
7. Elektrode
8. Raumladungszone (Gunn-Effekt)
9. Neutrales gebiet
10. HF-Quelle
II. Last
12. HF-Signal
13. Anschluss
14. Anschluss
15. Anschluss
16. Abschluss