DE1045455B - Pulsmodulator mit einer den Speichereffekt aufweisenden Halbleiter-Flaechendiode - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Schickt man durch eine Halbleiter-Flächendiode einen elektrischen Strom, so wird das Fließen des Stromes in der Grenzschicht zwischen n-Halbleiter und p-Halbleiter durch Bewegung von Elektronen und Defektelektronen (Löcher) bewirkt. Wenn dieser Strom in Durchlaßrichtung fließt, so gelangen mehr Defektelektronen in den der Grenzschicht benachbarten Bereich des η-Halbleiters, als dem spannungslosen Gleichgewichtszustand oder dem statischen Zustand unter Sperrspannung entspricht. Es findet eine sogenannte Trägerinjektion in diesen Bereich statt. Insbesondere bei Germanium- und Siliziumdioden bleiben diese zusätzlichen Defektelektronen nach dem Abschalten des Durchlaßstromes für kurze Zeit, die durch die mittlere Lebensdauer derselben charakterisiert werden kann, gespeichert. Infolge der Diffusion und Rekombination nimmt ihre Dichte nach einem Exponentialgesetz ab. Legt man während dieser Speicherzeit eine Sperrspannung an die Diode, so fließt zunächst ein größerer Strom, als dem statischen Sperrstrom entspricht. Der Strom nimmt danach in dem Maße ab, wie die Defektelektronen in dem η-Halbleiter verschwinden. Dadurch steigt der Sperrwiderstand wieder an. Mit dem Sperrstrom selber ist darüber hinaus eine zusätzliche Rekombination der Defektelektronen verbunden. Er bewirkt daher eine zusätzliche Verminderung der Dichte der Defektelektronen. Die Zeit, während der eine gegenüber dem statischen Sperrstrom merkliche Stromerhöhung vorhanden ist, nennt man auch Relaxationszeit. Besonders ausgeprägt ist dieser Effekt bei Flächendioden.

Verwendet man diese Dioden als Gleichrichter oder Schaltdioden bei hohen Frequenzen, so wirkt die Trägerinjektion und Speicherung störend, da dadurch die Dioden gleichsam mit einer gewissen Trägheit arbeiten.

Man hat nun versucht, diesen Effekt besonders auszunutzen. In der amerikanischen Veröffentlichung »National Bureau of Standards Technical News bulletin«, Vol. 38, Nr. 10, Oktober 1954, S. 145 bis 148, ist eine Methode angegeben, wie sich mit Hilfe einer Diode mit Speichereffekt in einfacher Weise ein Impulsverstärker aufbauen läßt. Ein solcher Diodenverstärker ist in Fig. 1 dargestellt. Er besteht aus der Diode Dl mit Speichereffekt, aus der Diode D 2 ohne Speichereffekt, dem Arbeitswiderstand R 2, der groß gegenüber dem Durchlaßwiderstand und klein gegenüber dem Sperrwiderstand der Diode D1 ist, und dem Widerstand R1, der relativ klein gegenüber R 2 ist. Der Steuerelektrode E des Diodenverstärkers wird ein Steuerimpuls zugeführt, von dem ein Impuls in Fig. 2 b dargestellt ist. Der Speiseelektrode 6¹ des Diodenverstärkers wird ein zeitlich zum Steuerimpuls versetzter, unmodulierter Speiseimpuls zugeführt,

Pulsmodulator mit einer den Speicher effekt aufweisenden Halbleiter-Flächendiode

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

Dipl.-Phys. Hans-Joachim Harloff, München,
ist als Erfinder genannt worden

dessen Amplitude fast so groß wie die Sperrdurchschlagsspannung der Diode D1 sein kann. Der zum in Fig. 2 b gezeichneten Steuerimpuls gehörende Speiseimpuls ist mit seiner zeitlichen Versetzung in Fig. 2 a dargestellt. Die beiden Dioden D1 und D 2 sind so gepolt, daß sie von den Steuerimpulsen in Durchlaßrichtung beansprucht werden. Infolge eines solchen Impulses fließt daher ein Strom über die Dioden D 2, Dl und den Widerstand R1, so daß in der η-leitenden Schicht der Diode D1 eine Trägerinjektion stattfinden kann, welche deren Sperrwiderstand während der Relaxationszeit herabsetzt. Durch den folgenden Speiseimpuls wird diese Diode in Sperrrichtung beansprucht. Der in diesem Moment wirksame Sperrwiderstand ist abhängig von der Stärke der vorhergehenden Trägerinjektion, also von der Amplitude des Steuerimpulses, und von der inzwischen verstrichenen Zeit. Zwischen Steuerimpuls undSpeiseimpuls besteht eine konstante zeitliche Versetzung, so daß der Sperrwiderstand hier allein von der Amplitude des Steuerimpulses abhängig ist. Die vom jeweiligen Speiseimpuls gelieferte Spannung teilt sich an der Reihenschaltung von Diode D1 und Arbeitswiderstand R2 auf. Die Diode D 2 wird hierbei in Sperrichtung beansprucht, so daß ihr Widerstand groß gegen den Widerstand R 2 ist und daher die Spannungsteilung nicht beeinflußt. Je größer die Amplitude des vorhergehenden Steuerimpulses war, desto größer war die Träger injektion, und desto kleiner ist der wirksame Sperrwiderstand von Diode D 2, und desto größer ist der zwischen der Ausgangselektrode A und Masse liegende Teil der Speiseimpulsspannung. Steuerimpulsamplitude und Ausgangsimpulsamplitude verändern sich also im gleichen Sinn. In Fig. 2 c ist

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die im Ausgang A abgegebene Spannung Ua dargestellt. Wenn die Amplitude der Steuerimpulse um den Betrag Λ Ue schwankt, so verändert sich die Amplitude der Ausgangsimpulse in diesem Beispiel um Δ Ua. Als Höhe der Impulse ist der sich jeweils ergebende Mittelwert der Höhe zwischen Impulsanfang und Impulsende eingezeichnet worden. Über die Impulsdauer nimmt nämlich auch die Trägerdichte in der Sperrschicht und damit auch die Ausgangsimpulsamplitude ab. Während des Steuerimpulses tritt am Ausgang auch ein Impuls mit kleiner Amplitude auf, der als Störimpuls wirken kann, da der Steuerimpuls einen Strom über die Durchlaßwiderstände der Dioden D 2 und D1 sowie den Widerstand R1 treibt und an den letzten beiden Widerständen einen entsprechenden Spannungsabfall hervorruft. Während des Speiseimpulses tritt ein wesentlich größerer Ausgangsimpuls auf, welcher der verstärkte Impuls ist und dessen Amplitude fast so groß wie die Speiseimpulsamplitude werden kann. Der Diodenverstärker liefert also eine Verstärkung und zeitliche Verschiebung der Steuerimpulse. Die Verstärkungsenergie wird von den Speiseimpulsen geliefert.

Die vorliegende Erfindung zeigt einen Weg, wie man den Diodenverstärker als Modulator für Pulsmodulationen verwenden kann. Dazu führt man erfindungsgemäß über die Steuerelektrode des Verstärkers der Diode mit Speichereffekt einen mit dem Modulationssignal schwankenden und diese Diode in Durchlaßrichtung beanspruchenden Strom gleicher Richtung zu und gleichzeitig der Speiseelektrode die Speiseimpulse bestimmter Länge. Der durch die Diode fließende Strom ruft in dieser Trägerinjektionen hervor, deren Ausmaß sich mit der Stromstärke ändert. Damit die Dichte der Defektelektronen der Stromstärkeänderung folgen kann, muß die Periode der Stromschwankung größer als die mittlere Lebensdauer der Defektelektronen sein. Die Form der bei Zuführung von Speiseimpulsen am Ausgang des Modulators abgegebenen Ausgangsimpulse ist von dem unmittelbar von dem Einsatzzeitpunkt der Speiseimpulse fließenden Injektionsstrom abhängig. Durch geeignet gewählte Betriebsbedingungen kann man nun Ausgangsimpulse erzeugen, die mit dem im schwankenden Injektionsstrom enthaltenen Modulationssignal in gewünschter Modulationsart moduliert sind.

Ein Ausführungsbeispiel für einen derartigen Modulator zeigt die Fig. 3. Er besteht aus einem Diodenverstärker, an dessen Steuerelektrode E ein Kondensator C und ein Widerstand R 3 angeschlossen sind. Am anderen Anschluß des Kondensators C liegt der Steuereingang M des Modulators. Ihm wird eine Wechselspannung zugeführt, welche das Modulationssignal darstellt, also veränderliche Amplitude und Frequenz haben kann. Am anderen Anschluß Q des Widerstandes RZ liegt eine Vorspannung, die so groß und so gepolt ist, daß über den Weg R 3-D 2-D1-R1 ein Strom Iq fließt, welcher in der Diode Dl Defektelektronen im η-Halbleiter der Diode Dl erzeugt. Diesem Strom überlagert sich der Wechselstrom Im, der infolge der am Kondensator C liegenden Wechselspannung über den Weg C-D 2-D1-R1 fließt. Für den daraus resultierenden Injektionsstrom Ii sind in den Fig. 4 b und 5 b zwei Beispiele gezeichnet worden. Diese Figuren enthalten auch die dazugehörigen Ströme Im und Iq. Der Strom Ii ist also ein schwankender Strom gleicher Richtung.

In den Fig. 4 a, 4 b und 4 c sind solche Betriebsbedingungen des Modulators nach Fig. 3 zusammengestellt worden, die zu einer Amplitudenmodulation der vom Modulator abgegebenen Impulse führen. Fig. 4 b zeigt den bereits erwähnten schwankenden Injektionsstrom Ii. Sein Mittelwert ist so gewählt worden, daß der Widerstand von Diode D1 in Sperrrichtung in derselben Größenordnung wie der Wert des Arbeitswiderstandes R 2 liegt. Die Spannung der Speiseimpulse, die in Fig. 4 a dargestellt sind, teilt sich an der Reihenschaltung von Diode Dl und Widerstand R2 auf. Am Ausgang wird der am

ίο Widerstand R 2 abfallende Teil der Spannung abgegeben. Bei der Schwankung des Diodensperrwiderstandes erhält man am Ausgang einen verschieden großen Teil der Speiseimpulsspannung. Man erhält mithin atnplitudenmodulierte Ausgangsimpulse. Diese sind in Fig. 4 c dargestellt. Damit sich während der Dauer eines Speiseimpulses die Defektelektronendichte und damit der Diodensperrwiderstand nicht wesentlich ändert, muß die Dauer der Speiseimpulse hinreichend kurz sein gegen die Periode der Modulationswechselspannung. Auch darf sich die zusätzliche Rekombination von Defektelektronen noch nicht wesentlich bemerkbar machen.

Bei entsprechend anders gewählten Betriebsbedingungen kann man auch eine Längenmodulation der abgegebenen Ausgangsimpulse erreichen. Dieser Fall ist in den Fig. 5 a, 5 b und 5 c dargestellt. Durch die Wahl der Höhe des in Fig. 5 b dargestellten, über den Widerstand R 3 zugeführten Gleichstromes Iq zur Erzeugung von Defektelektronen wird der Sperrwiderstand der Diode Dl so weit herabgesetzt, daß er vernachlässigbar klein gegen den Arbeitswiderstand R 2 ist und daher zumindest im ersten Moment jedes Speiseimpulses am Ausgang^ des Modulators die Spannung des Ausgangsimpulses gleich der unverminderten Spannung des Speiseimpulses ist. Die Amplitude des dem Gleichstrom Iq überlagerten, von der Modulationswechselspannung erzeugten Wechselstromes Im soll so klein bleiben, daß sie die Anfangshöhe der Ausgangsimpulse nicht beeinflußt. In Fig. 5 a sind die zugeführten Speiseimpulse dargestellt. Sie sind so breit gemacht worden, daß sich über ihre Breite die zusätzliche Rekombination von Defektelektronen durch den Sperrstrom bemerkbar macht. AVährend jedes Speiseimpulses wird am Ausgang des Modulators ein Ausgangsimpuls abgegeben, der zunächst dieselbe Amplitude wie der Speiseimpuls hat, bis infolge der zusätzlichen Rekombination der Defektelektronen die Sperrschicht so sehr an Ladungsträgern verarmt, daß ihr Widerstand nicht mehr vernachlässigbar klein ist. Von diesem Augenblick ab steigt ihr Widerstand sehr schnell an, und die am Ausgang^ des Modulators abgegebene Spannung sinkt etwa nach einer Exponentialkurve. Die Zeitspanne, bis sich das Absinken bemerkbar macht, ist nun von dem Injektionsstrom Ii abhängig, der unmittelbar vor dem Einsatzzeitpunkt der Speiseimpulse fließt. Je größer der Injektionsstrom war, desto größer ist die Zeitspanne bis zum Beginn des etwa exponentiellen Abfalles der Spannung des Ausgangsimpulses. Durch die mithin schwankende Scheitelbreite sind die Ausgangsimpulse längenmoduliert, und zwar in Abhängigkeit von der Modulationsspannung, welche die Größe des Injektionsstromes Ii mitbestimmt.

Die vom Modulator abgegebenen längenmodulierten Impulse können im Bedarfsfalle in phasenmodulierte Impulse umgewandelt werden. Hierzu wird gemäß Fig. 6 an den Ausgang A des Modulators MD ein Impulsgeber MK, beispielsweise eine monostabile Kippstufe MK, angeschlossen, welche durch die Rückflanken der längenmodulierten Impulse des Modulators

angestoßen wird und daher mit der Rückflanke einsetzende, nunmehr phasenmodulierte Impulse abgibt. In Fig. 5 d sind die erzeugten phasenmodulierten Impulse dargestellt, die zu den in Fig. 5 c dargestellten längenmodulierten Impulsen gehören.

Der bei dem angegebenen Modulationsverfahren benutzte Modulator gemäß Fig. 3 und 6 hat außer den durch seine mehrfache Anwendungsfähigkeit gegebenen Vorteilen noch den besonderen Vorteil, daß er nur aus passiven Schaltelementen aufgebaut ist und keine dem Verschleiß unterworfenen Elemente, wie z. B. Röhren, enthält. Aus experimentellen Untersuchungen hat sich ergeben, daß die Modulation mit einer beträchtlichen Verstärkung der Amplitude des Modulationssignals verbunden ist und daß sowohl die Modulationskennlinien in einem weiten Bereich als auch der Frequenzgang von der Frequenz Null bis zur halben Pulsfolgefrequenz linear sind. Die zum Betrieb zugeführte Gleichstrom-Dauerleistung ist sehr gering. Vorteilhaft ist ebenfalls, wie durch entsprechende Versuche festgestellt wurde, daß sich zwischen — 20 und etwa +50° C kein merklicher Einfluß der Temperatur auf die Gestalt der Ausgangsimpulse zeigte.

Claims (5)

PA T E N T A N S P R D C H E:

1. Pulsmodulator unter Verwendung eines Diodenverstärkers, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerelektrode (E) des Diodenverstärkers ein mit dem Modulationssignal schwankender, die Dioden (Dl, D 2) des Verstärkers in Durchlaßrichtung beanspruchender Strom gleicher Richtung (Ii) derartiger Höhe zugeführt wird, daß sich durch diesen schwankenden Strom hervorgerufene, entsprechend sich ändernde Trägerinjektionen ergeben, die bei Zuführung eines Speiseimpulses bestimmter Länge an der Speiseelektrode (S) des Verstärkers an dessen Ausgang (A) einen entsprechend modulierten Ausgangsimpuls entstehen läßt.

2. Pulsmodulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mit dem Modulationssignal schwankende Strom gleicher Richtung (Ii) in der Weise erzeugt wird, daß der Steuerelektrode (E) über einen Vorwiderstand (R3) ein in Durchlaßrichtung fließender Gleichstrom (Iq) und über einen Kondensator (Q ein dem Modulationssignal entsprechender Modulationswechselstrom (Im) zugeführt werden.

3. Pulsmodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzeugung von amplitudenmodulierten Ausgangsimpulsen der schwankende Strom gleicher Richtung (Ii) eine derartige Größe hat, daß der Widerstand der Diode (D 1) mit Trägerinjektionen bei Beanspruchung in Sperrichtung durch die der Speiseelektrode zugeführten Speiseimpulse in der Größenordnung des Arbeitswiderstandes des Diodenverstärkers liegt, und daß die Dauer der Speiseimpulse derart kurz ist, daß sich während der Impulsdauer die zusätzliche Rekombination von Ladungsträgern in der Diode (D 1) nicht wesentlich bemerkbar macht.

4. Pulsmodulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Längenmodulation der Ausgangsimpulse der der Steuerelektrode (E) zugeführte schwankende Strom gleicher Richtung (Ii) so groß ist, daß der Widerstand der Diode (Dl) mit Träger injektion bei Beanspruchung in Sperrichtung durch die der Speiseelektrode (S) zugeführten Impulse beim Beginn eines jeden Impulses gegenüber dem Arbeitswiderstand vernachlässigbar klein ist, und daß die Breite der Speiseimpulse so groß ist, daß in Abhängigkeit von der Modulationswechselspannung während eines jeden Impulses eine wesentliche Vergrößerung des Diodenwiderstandes stattfindet.

5. Pulsmodulatorschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückflanken der am Ausgang (A) des Diodenverstärkers abgegebenen längenmodulierten Impulse einen angeschlossenen Impulsgeber (MK) auslösen, welcher in Abhängigkeit der Längenmodulation der Auslöseimpulse phasenmodulierte Impulse aussendet.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Zeitschrift: »National Bureau of Standards Technical News bulletin«, 10/1954, S. 145 bis 148.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 8O9 6J7/254-11.55