DE1058560B - Schaltung und Ausbildung eines Halbleiterdioden-Verstaerkers - Google Patents

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft eine Verstärkeranordnung unter Verwendung von Halbleiterdioden, wie sie unter dem Namen »Diodenverstärker« bekannt ist.

Die Verwendung von Halbleiterdioden zu Verstärkerzwecken ist bekannt. Man macht sich dabei den Effekt zunutze, daß die durch einen Strom in einer Halbleiterdiode erzeugten Ladungsträger nach Aufhören des Stromes nicht sofort verschwinden. Diese »Ionisation« des Halbleiters infolge der noch nicht rekombinierten Ladungsträger ermöglicht einen relativ starken Strom in Sperrichtung der Diode, wenn in dieser Zeit eine Spannung in Sperrichtung angelegt wird. Die Größe dieses Sperrstromes hängt von der Größe des vorhergegangenen Stromes in Durchlaßrichtung ab. Da der Eingangskreis niederohmig und der Ausgangskreis hochohmig ist, kann also eine Leistungsverstärkung erreicht werden.

Zur Erzeugung der Spannungsimpulse in Sperrrichtung ist bei den bekannten Schaltungen im allgemeinen ein Rechteckspannungsgeneratar vorgesehen, der auf Frequenzen von der Größenordnung von 1 MHz arbeitet. Zur Erzeugung des Ionisierungsstromes wird eine Spannung in Durchlaßrichtung über eine weitere Diode angekoppelt, die dazu dient, die Sperrspannungsimpulse vom Eingangskreis fernzuhalten. Die Quelle für die zu verstärkenden Impulse liegt in dem Kreis Halbleiterdiode — Sperrdiode, die Quelle für die hochfrequenten Impulse in Sperrichtung liegt in dem Kreis Halbleiterdiode — Arbeitswiderstand.

Die bekannten Diodenverstärker arbeiten im allgemeinen bei mäßig hohen Frequenzen zufriedenstellend. In diesem Bereich ist aber auch eine Verstärkung durch Transistoren möglich und infolge deren einfacher Schaltung zweckmäßiger. Prinzipiell ist der Diodenverstärker zwar auch für sehr hohe Frequenzen geeignet; ein zufriedenstellendes Arbeiten der bekannten Schaltungen war jedoch bisher vor allem deshalb nicht zu erreichen, da es nicht gelang, die verteilten Kapazitäten der Schaltung klein genug zu halten.

Durch die Erfindung sollen diese Nachteile vermieden und eine Schaltung angegeben werden, die auch bei sehr hohen Frequenzen (bis etwa 2000 MHz) einwandfrei arbeitet. Gemäß der Erfindung ist eine Diodenverstärkerschaltung unter Verwendung einer Halbleiterdiode, die durch einen Stromimpuls in Durchlaßrichtung (Ionisierimpuls) ionisiert wird, während anschließend daran der Diode einen Impuls in Sperrichtung (Abtastimpuls) zur Erzeugung eines verstärkten Ausgangssignals zugeführt wird, wobei der Ionisierimpuls im Eingangskreis und der Abtastimpuls im Ausgangskreis fließt und die Diode in Basisschaltung beiden Kreisen gemeinsam ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsquelle (n) sowohl für Schaltung und Ausbildung
eines Halbleiterdioden -Verstärkers

Anmelder:

Dr. Jean Jules Achille Robillard,
Stockholm -Vallingby

Vertreter: Dr.-Ing. B. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 29. November 1955

Dr. Jean Jules Achille Robillard, Stockholm-Vallingby, ist als Erfinder genannt worden

^a5 die Ionisierimpulse als auch für die Abtastimpulse in einem Teil der Schaltung liegen, der dem Eingangsund dem Ausgangskreis gemeinsam ist.

Zum Verstehen des Erfindungsgedankens wird auf die physikalischen Grundlagen des Diodenverstärkers an Hand der Figuren näher eingegangen werden.

Die Erfindung erstreckt sich ferner auf die Ausbildung eines geeigneten Halbleiterelements zur Verwendung im Diodenverstärker. -

Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen im einzelnen beschrieben werden. In den Zeichnungen bedeutet

Fig. 1 ein Schaltbild eines üblichen Triodentransistorverstärkers,

Fig. 2 ein vereinfachtes Schaltbild zur Erklärung der Wirkungsweise eines Diodenverstärkers,

Fig. 3 ein schematisches Schaltbild des Diodenverstärkers gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Halbleiterelements,

Fig. 5 ein Schaltbild mehrerer in Kaskade geschalteter erfindungsgemäßer Verstärkerstufen,

Fig. 6 ein detailliertes Schaltbild für eine Schaltungseinheit aus Fig. 3 und 5 und

Fig. 7 ein der Veranschaulichung der Erfindung dienendes Impulsverlaufdiagramm.

Im vorstehenden und im folgenden ist die Bezeichnung Ionisation für die Erzeugung von beweglichen Ladungsträgern, d. h. von Elektronen oder von Löchern, im Halbleitermaterial benutzt. Die Dichte

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der Ladungsträger ändert sich dabei mit der Amplitude des Spanmingsimpulses, welcher dem Halbleiterkörper zugeführt wird.

Ln Fig. 1 stellt 10 einen gewöhnlichen Transistor dar mit einem Körper 9 aus Halbleitermaterial, einer Basiselektrode 11, einer Emitterelektrode 12 und einer Kollektorelektrode 13. Zwischen Basis und Emitter liegt die Reihenschaltung aus einer Spannungsquelle 14 und einem Eingangswiderstand 15. Die Spannungsquelle 14 ist so gepolt, daß der Strom aus der Quelle über den Widerstand 15, den Emitter 12, den Körper 9 des Transistors und die Basis 11 zur Quelle zurückfließt, wie es durch den Pfeil 16 angedeutet ist. Zwischen Kollektor und Basis liegt die Reihenschaltung aus einem Lastwiderstand 17 und einer weiteren Spannungsquelle 18. Die Quelle 18 ist so gepolt, daß (entsprechend dem Pfeil 19) ein Strom von der Quelle über die Basis, den Körper des Transistors, den Kollektor und den Lastwiderstand 17 zur Quelle zurückfließt. Schließlich sind je zwei Eingangsklemmen20,21 und Ausgangsklemmen 22,23 vorgesehen, zwischen denen der Eingangswiderstand 15 bzw. der Lastwiderstand 17 liegen. Die Anordnung ist unter dem Namen »Basisschaltung« oder »Transistorschaltung mit geerdeter Basis« bekannt.

Die Verstärkungseigenschaften des Transistors nach Fig. 1 lassen sich vereinfacht wie folgt erklären. Die Spannung v_e zwischen Emitter und Kollektor erzeugt im Transistorkristall einen bestimmten Ionisationszustand. Dieser äußert sich gegenüber dem Kollektorkreis als ein Innenwiderstand im Transistorkristall. Der Betrag dieses Transistorinnenwiderstandes ist durch den Pegel gegeben, bis zu welchem der Transistor durch die Spannung im Emitterkreis ionisiert wird. Die Spannung v_e im Kollektorkreis ruft einen Kollektorstrom i_c hervor, dessen Größe vom Innenwiderstand des Transistors abhängt. Der Kollektorstrom ruft seinerseits am Lastwiderstand 17 eine entsprechende Ausgangsspannung hervor. Aus dem Gesagten wird ersichtlich, daß, wenn man den Wert der Emitterspannung v_e mit Hilfe eines über die Klemmen 20, 21 zugeführten Eingangssignals verändert, der Ionisationszustand des Transistors und entsprechend der Transistorinnenwiderstand der Takte dieses Eingangssignals schwanken, was zur Folge hat, daß die Ausgangsspannung an den Klemmen 22,23 die Schwankungen des Eingangssignals in verstärkter Form wiedergibt.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild eines Diodenverstärkers; gegenüber der Schaltung nach Fig. 1 bestehen dabei folgende Unterschiede: Der Transistor ist durch eine Diode 30 mit einem Körper 31 aus Halbleitermaterial sowie einer Basis- oder Sperrelektrode 32 und einer Emitter-oder Durchlaßelektrode 33 ersetzt. Der Körper 31 besteht aus einem veränderlieh ionisierbaren Halbleitermaterial, das die Eigenschaft hat, den Strom in der Durchlaßrichtung vom Emitter 33 zur Basis 32 besser zu leiten als in der Sperrichtung von der Basis 32 zum Emitter 33. Der Körper 31 kann aus einem einfachen Germaniumkristall, wie er in den bekannten Kristalldetektoren verwendet wird, bestehen. Man kann für den Körper 31 jedoch auch ein übliches Transistorenmaterial verwenden. Ferner ist eine durch den Schalter 35 angedeutete Schaltvorrichtung im Eingangskreis, beispielsweise zwischen dem Widerstand 15 und der Elektrode 33, und eine weitere, durch den Schalter 36 angedeutete Schaltvorrichtung im Ausgangskreis, beispielsweise zwischen der Elektrode 33 und dem Lastwiderstand 17, vorgesehen.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 2 ist wie folgt: Angenommen, es herrsche ein Anfangszustand, bei dem die Eingangssignalspannung zwischen den Klemmen 20 und 21 Null beträgt und beide Schalter 35 und 36 geöffnet sind. Als erster Schritt wird nunmehr der Schalter 35 kurzdauernd geschlossen. Dadurch wird aus der Quelle 14 ein Spannungsimpuls auf die Diode gegeben, und zwar in Durchlaßrichtung. Dieser Impuls ist genügend stark, um eine innere Ionisation des Halbleiterkörpers zu bewirken. Da die Ausbildung der Ionisation eine gewisse Trägheit aufweist, bleibt der Schalter 35 mindestens so lange geschlossen, wie der Halbleiter braucht, bis sein lonisationspegel in einen stabilen Zustand gelangt ist. In diesem stabilen Zustand besteht zwischen dem lonisationspegel und der angelegten Ionisierspannung eine funktionelle Abhängigkeit.

Nach Erreichen des stabilen Ionisationszustandes wird der Schalter 35 geöffnet. Daraufhin fällt jedoch der lonisationspegel nicht sofort auf den Nullwert zurück. Vielmehr ergibt sich eine endliche Verweilzeit, während welcher der erreichte lonisationspegel nur sehr wenig absinkt. Das bedeutet, daß nach öffnung des Schalters 35 ein Zeitintervall besteht, währenddessen der Halbleiterkörper den Wert der zuvor angelegten Ionisierspannung »im Gedächtnis« behält, so daß auf diese Weise eine Nachricht mit Hilfe der noch verweilenden Ionisation vorübergehend gespeichert wird.

Innerhalb dieses Speicherintervalls wird der Schalter 36 kurzdauernd geschlossen. Dadurch wird von der Quelle 18 ein Spannungsimpuls auf die Diode 30 gegeben, und zwar in Sperrichtung. Dieser »Abtastimpuls« hat zur Folge, daß durch den Ausgangskreis ein Stromimpuls fließt, dessen Wert durch den Innenwiderstand der Diode 30 gegeben ist. Dieser Stromimpuls erzeugt somit an den Klemmen 22,23 eine Ausgangsspannung, deren Wert eine Funktion des Ionisationspegels ist, auf den der Halbleiterkörper durch die zuvor angelegte Ionisierspannung gebracht worden ist.

Gibt man nun in die Klemmen 20, 21 ein Eingangssignal, das während des Intervalls, da der Schalter 35 geschlossen ist, am Widerstand 15 eine entsprechende Spannung hervorruft, so wird dadurch die der Diode zugeleitete Ionisierspannung gleich der algebraischen Summe aus der von der Quelle 14 gelieferten konstanten Spannungskomponente und der durch das Eingangssignal gelieferten (variablen) Spannungskomponente. Daraus folgt, daß während des anschließenden Zeitintervalls, da der Schalter 35 geöffnet und der Schalter 36 zwecks Abtastung des Diodenwiderstandes geschlossen ist, die Ausgangsspannung an den Klemmen 22, 23 der algebraischen Summe aus der von der konstanten Ionisiervorspannung abhängigen konstanten Spannungskomponente und der von der durch das Eingangssignal gelieferten Ionisier spannung abhängigen (variablen) Spannungskomponente entspricht. Die Stromspannungsbeziehungen zwischen Ein- und Ausgangskreis der Schaltung sind beispielsweise so, daß die letzterwähnte Ausgangssignalkomponente einer verstärkten Version des den Klemmen 20, 21 zugeführten Eingangssignals entspricht.

Bisher wurde lediglich ein einzelner Schaltvorgang im Schalter 35 und ein darauffolgender einzelner Schaltvorgang im Schalter 36 betrachtet. Es ist jedoch klar, daß man die Schalter auch dauernd abwechselnd betätigen kann. Dadurch wird die auf die Diode gekoppelte Ionisierspannung in die Form einer Folge von gleichgerichteten Impulsen, die durch die Ioni-

sationsverweilzeit der Diode nicht überschreitende Zeitintervalle voneinander getrennt sind, gebracht. Diese gleichgerichteten Ionisierimpulse halten die Diode in einem mehr oder weniger permanenten Ionisationszustand. Dabei können die gleichgerichteten Ionisierimpulse als Trägerimpulse aufgefaßt werden, die durch das den Klemmen 20,21 zugeleitete Eingangssignal amplitudenmoduliert werden. Daraus folgt, daß das Ausgangssignal an den Klemmen 22,23 die Form einer Folge von gleichgerichteten Impulsen annimmt, die zeitlich zwischen den Ionisierimpulsen liegen und in der gleichen Weise amplitudenmoduliert sind wie die Ionisierimpulse, so daß der Modulationsinhalt oder die Hüllkurve der Ausgangsimpulse einer verstärkten Version des Eingangssignals entspricht.

Fig. 3 zeigt nun das Prinzip der erfindungsgemäßen Anordnung, bei der die hochfrequenten Ionisierimpulse und Abtastimpulse mittels eines rein elektrischen Schaltvorganges gewonnen werden. Bei dieser Anordnung ist der Schalter 35 nach Fig. 2 durch eine nur in einer Richtung leitende Vorrichtung 40 ersetzt, die in den Eingangskreis, beispielsweise zwischen den Widerstand 15 und den Emitter 33, so geschaltet ist, daß sie den Strom in Richtung nach dem Emitter durchläßt, dagegen den Stromfluß vom Emitter zum Widerstand sperrt. Diese Vorrichtung 40 kann beispielsweise eine Halbleiterdiode sein. Ebenso ist der Schalter 36 nach Fig. 2 durch eine nur in einer Richtung leitende Vorrichtung 41 ersetzt, die in den Ausgangskreis, beispielsweise zwischen den Emitter 33 und den Lastwiderstand 17, so geschaltet ist, daß sie den Strom in Richtung vom Emitter zum Lastwiderstand durchläßt, dagegen den Stromfluß vom Lastwiderstand zum Emitter der Diode 30 sperrt. Die Vorrichtung 41 kann ebenfalls eine Halbleiterdiode sein.

Die in Fig. 3 dargestellte Schaltung gemäß der Erfindung unterscheidet sich von der Schaltung nach Fig. 2 ferner in folgender wichtiger Beziehung. In Fig. 2 liegt die Stromquelle für den Ionisierungsstrom, d. h. die Batterie 14, lediglich im Diodeneingangskreis. Die durch die Batterie 18 dargestellte Stromquelle des die Diode durchsetzenden Abtast- oder Meßstromes liegt nur im Diodenausgangskreis. In Fig. 3 liegt dagegen die gemeinsame Quelle der Ionisierungsimpulse und der Meßimpulse in demjenigen Stromzweig, der dem Eingangskreis und dem Ausgangskreis der Verstärkerdiode gemeinsam ist. Es wurde nämlich gefunden, daß die Schaltung nach Fig. 3 dadurch mit erheblich höheren Frequenzen betrieben werden kann als die bekannten Schaltungen, wie z. B. die Schaltung nach Fig. 2, da bei Anordnung der Impulsquelle bzw. Impulsquellen in dem gemeinsamen Stromzweig die verteilten Kapazitäten erheblich verringert werden.

Die Schaltung nach Fig. 3 unterscheidet sich von der nach Fig. 2 schließlich darin, daß die Spannungsquellen 14,18 nach Fig. 2 durch eine einzige Quelle yon entgegengesetzt gepolten Impulsen ersetzt sind; und zwar ist diese Impulsquelle zwischen die Basis 32 und die mit den Klemmen 20 und 22 bzw. den unteren Enden der Widerstände 15 und 17 verbundene Erdleitung 42 geschaltet. Diese Impulsquelle kann bestehen aus einer Quelle 43 hochfrequenter Schwingungen mit beispielsweise einem Oszillator (nicht gezeigt) und Verstärkerstufen (ebenfalls nicht gezeigt) sowie einer über Leitungen 46,47 angeschlossenen Begrenzerstufe 44, welche die Schwingungen in einer geeigneten (später ausführlicher zu beschreibenden) Weise beschneidet. Der Ausgang der Begrenzerstufe ist über eine geerdete Leitung 48 und eine weitere Leitung 49 auf den Widerstand 45 gekoppelt und liegt somit zwischen der Basis 32 und der Erdleitung 42.

Die Begrenzerstufe 44 kann als Impulsgenerator üblicher Schaltung so ausgebildet sein, daß sie abwechselnd Impulse von entgegengesetzter Polarität liefert, wobei Anfang und Ende der ungeradzahligen Impulse jeweils durch ein kurzes, jedoch endliches Zeitintervall vom Anfang bzw. Ende der geradzahligen Impulse getrennt sind, und die ungeradzahligen Impulse eine kleinere Amplitude haben als die geradzahligen Impulse. Zum besseren Verständnis sind in Fig. 6 die Schaltungseinzelheiten einer geeigneten Begrenzerstufe gezeigt. In dieser Schaltung ist die Eingangsleitung 46 geerdet, was zur Folge hat, daß die Eingangsschwingung beispielsweise während der ersten Hälfte des Schwingungszyklus in der Leitung 47 in Form einer (in bezug auf Erde oder Masse) positiven Sinushalbwelle und anschließend während der zweiten Hälfte des Zyklus in der Leitung 47 in Form einer (in bezug auf Erde oder Messe) negativen Sinushalbwelle erscheint.

Der während der positiven Halbwelle wirksame Teil der Stufe 44 besteht aus einer Diode 55, deren Anode 56 mit der Leitung 47 und deren Kathode 57 über die Reihenschaltung zweier Widerstände 58, 59 mit Erde verbunden ist. Der Widerstand 59 ist mit einem Kondensator 60 überbrückt, so daß die Kathode 57 mittels dieser /?C-Kombination eine (in bezug auf Erde oder Masse) positive dynamische Vorspannung erhält. Die Ausgangsspannung der Diode 55 wird an der Kathode 57 abgenommen, von der ein Stromweg über einen Koppelkendensator 62, einen Isoliergleichrichter 63 und einen Lastwiderstand 64 nach Erde besteht. Um eine Ladungsanhäufung im Koppelkondensator 62 zu verhindern, ist eine Gleichspanmmgspegelsteuerdiode 65 vorgesehen, deren Anode 66 geerdet und deren Kathode 67 an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 62 und dem Isoliergleichrichter 63 angeschlossen ist.

Der während der negativen Halbwelle wirksame Teil der Stufe 44 besteht aus einer Diode 70, deren Anode 71 über einen Widerstand 72 mit Erde verbunden ist und deren Kathode 73 über die Parallelschaltung aus einem Widerstand 74 und einem Kondensator 75 mit der Leitung 47 verbunden ist. Diese ÄC-Kombination 74, 75 dient zur dynamischen Vorspannung der Kathode 73 derart, daß das Potential der Kathode jeweils um einen bestimmten Spannungswert positiver ist als der Spannungspegel in der Leitung 47. Die Ausgangsspannung der Diode 70 wird von einer Anzapfung 76 am Widerstand 72 abgenommen. Von diesem Anzapfpunkt 76 besteht ein Stromweg über einen Koppelkondensator 77, eine Isolierdiode 78 und den Lastwiderstand 64 nach Erde, wobei der Widerstand 64 als gemeinsamer Arbeitswiderstand sowohl der Diode 55 als auch der Diode 70 dient. Um eine Ladungsansammlung im Kondensator 77 zu verhindern, ist eine Gleichspannungspegelsteuerdiode 80 vorgesehen, deren Kathode 81 geerdet und deren Anode 82 an den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 77 und dem Isoliergleichrichter 78 angeschlossen ist.

Die Begrenz er wirkung der Stufe 44 ist durch den Impulsverlauf A in Fig. 7 veranschaulicht. Um den Begrenzungsvorgang zu erklären, soll ein einzelner Zyklus der in den Leitungen 46, 47 erscheinenden Sinuseingangsspannung betrachtet werden. Die Nullwerte dieser Eingangsspannung liegen bei 0, 180 und 360°, die (in bezug auf die Erdleitung 46) positiven Werte der Leitung 47 zwischen 0 und 180° und die

(in bezug auf die Erdleitung 46) negativen Werte der Leitung 47 zwischen 180 und 360°. Während der Halbperiode zwischen 0 und 180° ist die Diode 70 für das Eingangssignal gesperrt. Bedingt durch die vorstehend erläuterte Schaltung und Bemessung der Begrenzerstufe erscheint die Ausgangsspannung der Diode 55 in Form einer Reihe oder Folge von positiven Impulsen 90 (Impulsverlauf A in Fig. 7), wobei dieDauer der einzelnen Impulse jeweils etwas geringer als die einer Halbwelle der Eingangsspannung ist. Im Zeitraum zwischen 180 und 360° ist die Spannung in der Leitung 47 negativ, so daß die Diode 55 während dieser Halbwelle gesperrt ist. Die Ausgangsspannung der Diode 70 nimmt schließlich die Form einer Reihe oder Folge von negativen Impulsen 91 (Impulsverlauf A in Fig. 7) an, wobei wiederum die Dauer der einzelnen Impulse etwas kurzer ist als die der entsprechenden Halbwelle der Eingangsspannung. Da die Spannung am Anzapfpunkt 76 gegenüber Erde nur ein Bruchteil der Spannung an der Anode 71 gegenüber Erde ist, haben im Impulsverlauf A die negativen Impulse 91 eine kleinere Amplitude als die positiven Impulse 90.

Wird nun die Impulsfolge A in die Diodenverstärkerschaltung gemäß Fig. 3 eingeleitet, so erzeugen die negativen Impulse 91 am Widerstand 45 eine Spannung, die im Eingangskreis der Schaltung einen Stromfluß in Durchlaßrichtung der Diode 40, im Ausgangskreis dagegen einen Stromfluß in Sperrichtung der Diode 41 hervorruft. Demnach dienen die negativen Impulse 91 zur Schließung des Eingangskreises über die Diode 40 und zur öffnung des Ausgangskreises über die Diode 41. Mithin ist der durch die negativen Impulse 91 ausgelöste Schalteffekt der im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen kurzdauernden Schließung des Schalters 35 und öffnung des Schalters 36 analog.

Nachdem so der Eingangkreis über die Diode 40 geschlossen ist, addiert sich das an den Klemmen 20, 21 erscheinende Eingangssignal algebraisch zu den über den Widerstand 45 injizierten Impulsen, so daß an der Verstärkerdiode 30 entsprechende Ionisierimpulse bereitgestellt werden. Wie in dem Impulsverlauf B in Fig. 7 angedeutet, haben diese Ionisierimpulse die Form einer Folge von Impulsen 95, die durch das Eingangssignal entsprechend der Hüllkurve 96 amplitudenmoduliert sind. Wie erwähnt, ruft jeder dieser Impulse in der Diode 30 einen Ionisationszustand hervor, dessen Ionisationspegel eine Funktion der Amplitude der Impulse ist.

Bei Einleiten der positiven Impulse 90 der Impulsfolge A gemäß Fig. 7 in die Diodenschaltung wird am Widerstand 45 eine Spannung erzeugt, die im Ausgangskreis einen Stromfluß in Durchlaßrichtung der Diode 41, im Eingangskreis dagegen einen Stromfluß in Sperrichtung der Diode 40 hervorruft. Demnach dienen die positiven Impulse 90 dazu, den Eingangskreis über die Diode 40 zu öffnen und den Ausgangskreis über die Diode 41 zu schließen. Der durch die Impulse 90 ausgelöste Schaltvorgang entspricht daher der im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen öffnung des Schalters 35 und kurzdauernden Schließung des Schalters 36.

Bei Schließung des Ausgangskreises der Verstärkerdiode 30 über die Diode 41 rufen die positiven Impulse 90 am Widerstand 45 einen Fluß von Stromimpulsen vom Widerstand 45 über die Verstärkerdiode 30, die Diode 41 und den Lastwiderstand 17 zurück zum Widerstand 45 hervor. Die Stärke des jeweiligen Stromflusses hängt vom Innenwiderstand der Diode 30 ab, der, wie erwähnt, eine Funktion des Übergangsionisationspegels der Diode ist. Entsprechend erzeugen die durch den Diodenausgangskreis fließenden Stromimpulse am Lastwiderstand 17 eine Folge von Spannungsimpulsen, deren Amplitude in Abhängigkeit vom Ianisationspegel der Diode 30 schwankt, und die mithin die Amplitudenschwankungen der Ionisierimpulse wiedergeben. Diese Ausgangsspannungsimpulse sind im Impulsverlauf B in Fig. 7 als eine Folge von Impulsen 97 mit einer Modulationshüllkurve 98 gezeigt. Diese Hüllkurve entspricht in verstärkter Form den Schwankungen des Eingangssignals 96.

Die Signalübertragungseigenschaften der Verstärkerdiode 30 können in weitgehend der gleichen Weise wie die Signalübertragungseigenschaften einer Verstärkerstufe mit Elektronenröhre analysiert werden. So kann man denjenigen Ionisierspannungswert, bei dem die Ionisation der Halbleiterdiode 30 anfängt, als der Verriegelungsspannung einer Verstärkerröhre gleichwertig betrachten. Unter dieser Voraussetzung kann man für die Verstärkerdiode Betriebsweisen erhalten, welche der A-Verstärkung, der 5-Verstärkung bzw. der C-Verstärkung einer Elektronenröhre analog sind. Bemißt man beispielsweise die Amplitude der Schaltimpulse 91 so, daß eine Ionisierspannungskomponente mit einem konstanten Spitzenwert erzeugt wird, der größer ist als die für die Ionisation der Diode 30 erforderliche Mindestspannung, und macht man die durch das Eingangssignal bereitgestellte variable Ionisierspannungskomponente in ihrer Amplitude genügend klein, so daß die Amplitude der Ionisierimpulse 95 (Impulsverlauf B) zu keinem Zeitpunkt unter dem für die Diode erforderlichen Mindestionisierspannungswert absinkt, so arbeitet die Diode 30 nach Art eines .-i-Verstärkers. Ist dagegen die Ionisierspannungskomponente mit dem durch die Impulse 91 gegebenen konstanten Spitzenwert gerade gleich der für die Diode 30 erforderliche Mindestionisierspannung, so arbeitet die Verstärkerdiode als B-Verstärker. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, daß die Ionisierspannungskomponente mit dem durch die Impulse 90 gegebenen konstanten Spitzenwert zweckmäßig eine größere Amplitude hat als die maximale Amplitudenauslenkung der durch das Eingangssignal gegebenen variablen Ionisierspannungskomponente. Diese Beziehung soll eingehalten werden, um zu vermeiden, daß der Modulationsgrad der Ionisierimpulse 95 größer ist als lOOVo.

Berücksichtigt man weiter die zwischen den Signalübertragungseigenschaften des Diodenverstärkers und eines Elektronenröhrenverstärkers bestehende Analogie, so ergibt sich, daß man die Amplitude der positiven Spannungsimpulse 90 so wählen kann, daß sich bei der Verstärkung in der Diodenstufe eine minimale Verzerrung ergibt. Dieser für die minimale Verzerrung erforderliche Amplitudenwert der positiven Impulse 90 hängt vom Spitzenwert der durch die Impulse 91 bereitgestellten Ionisierspannungskomponente, vom Wert der durch das Eingangssignal bereitgestellten variablen Ionisierspannungskomponente, von den Ionisations- und Innenwiderstandseigenschaften des Halbleiters 31 und von der Größe des Außenwiderstandes im Ausgangskreis der Diode ab.

Fig. 4 veranschaulicht ein Halbleiterelement, bei dem die Funktionen der Verstärkerdiode 30 und der Sperrdioden 40, 41 in einem einzigen Element vereinigt sind. Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung ersetzt somit die Elemente 30,40,41 in Fig. 3. Dieses Element besteht im einzelnen aus einem Hauptkörper 100 aus Halbleitermaterial,, beispielsweise Germanium, einer

auf der einen Seite des Körpers 100 aufgebrachten metallisierten Kontaktschicht 101, einer an die Schicht 101 angeschlossenen Zuleitung 102, welche der Basiselektrode 32 der Diode 30 (Fig. 3) entspricht, zwei Nebenhalbleiterkörpern, die entgegengesetzt zur Seite des Körpers 100 anhaften, an welche die Zuleitung 102 angeschlossen ist, und zwei Zuleitungen 106 bzw. 107, welche an die von den Verbindungsflächen der Nebenkörper mit dem Hauptkörper abgelegenen Seiten der Nebenkörper 104 bzw. 105 angeschlossen sind. Der Körper 100 ist, beispielsweise durch Einbau einer P-N-Inversionsschicht, so eingerichtet, daß er in Richtung vom Körper zur Leitung 102 stärker leitet als in Richtung von der Leitung 102 zum Körper. Die Nebenkörper 104, 105 sind nahe beieinander angeordnet, so daß die Stromwege durch den Körper 100 während der Ionisation und während der Abtastung des Innenwiderstandes des Körpers im wesentlichen die gleichen sind. Ferner ist der Körper 104 in bekannter Weise, beispielsweise durch Einbau einer gleichrichtenden P-N-Sperrschicht, so gepolt, daß er den Strom in Richtung von der Leitung 106 in den Körper 100 und von dort nach der Leitung 102 durchläßt, dagegen den Stromfluß in entgegengesetzter Richtung sperrt. Ebenso ist der Körper 105 in geeigneter Weise so gepolt, daß er den Strom von der Leitung 102 durch den Körper 100 und von dort zur Leitung 107 durchläßt, dagegen den Stromfluß in der entgegengesetzten Richtung sperrt. Auf diese Weise erreicht man, daß die Nebenkörper 104, 105 die Funktionen der Dioden 40 bzw. 41 in Fig. 3 ausüben, während der Hauptkörper 100 in der gleichen Weise arbeitet wie die Diode 30.

Das in Fig. 4 dargestellte Halbleiterelement ist beispielsweise folgendermaßen aufgebaut: Der Hauptkörper 100 besteht aus einer Schicht von N-Material, welche in ohmschem Kontakt mit der metallisierten Schicht 101 steht und aus einer Schicht von P-Material, die sich über der N-Schicht befindet, so daß zwischen diesen beiden Schichten ein P-N-Übergang besteht, der sich über den ganzen Körper 100 erstreckt. Der Nebenkörper 104 besteht aus einer Schicht aus N-Material, die in Kontakt mit der P-Schicht des Körpers 100 steht, und aus einer Schicht von P-Material, die auf ihrer einen Seite in Kontakt mit der 4-5 N-Schicht des Körpers 104 und auf ihrer anderen Seite in ohmschem Kontakt mit der Leitung 106 steht. Der Nebenkörper 105 besteht nur aus einer Schicht von N-Material, die auf ihrer einen Seite mit der P-Schicht des Körpers 100 in Berührung steht und deren andere Seite mit der Leitung 107 in ohmschem Kontakt steht.

Statt das Halbleiterelement in der eben beschriebenen Weise aufzubauen, kann der Körper 100 auch aus P-Material bestehen, das auf der Unterseite mit der metallisierten Schicht 101 in Kontakt ist und aus einer auf der P-Schicht befindlichen N-Schicht. In diesem Fall besteht der Körper 105 nur aus einer P-Schicht, die auf der N-Schicht des Körpers 100 angebracht ist, und der Körper 104 aus einer P-Schicht in Kontakt mit der N-Schicht des Körpers 100 sowie aus einer darauf angebrachten N-Schicht. Im letzteren Falle wird der Strom aus der Leitung 102 in den Körper 100 eingeleitet und verläßt diesen Körper über die Leitung 106, um das Halbleiterelement zu ionisieren. Aus der Leitung 107 tritt der Strom in den Körper 100 ein und verläßt diesen über die Leitung 102, um den inneren Widerstand des ionisierten Halbleiters festzustellen. Die beiden Ausführungen des in Fig. 4 dargestellten Halbleiterelementes können so hergestellt werden, daß man aufeinanderliegende Schichten von P-Material und N-Material in der richtigen Reihenfolge anordnet. Dabei lassen sich die Nebenkörper 104 und 105 so herstellen, daß der Hauptkörper 100 außer an denjenigen Stellen, an denen die Nebenkörper gewünscht werden, abgedeckt wird und an den freibleibenden Stellen das Halbleitermaterial abgelagert wird. Man kann die beiden beschriebenen Ausführungsformen aber auch so herstellen, daß man mit einem Ausgangskörper bestehend aus vier Schichten von P- und N-Material beginnt. Durch selektive Ätzung werden dann die beiden oberen Lagen des Ausgangskörpers entfernt und dadurch die beiden Nebenkörper 104 und 105 geschaffen.

Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der mehrere Diodenverstärkerstufen, die ähnlich ausgebildet sind wie die Schaltung nach Fig. 3, in Kaskade geschaltet sind, so daß das Eingangssignal eine Mehrfachverstärkung erfährt. Dabei werden die Impulsspannungen aus der Begrenzerstufe 44 in die einzelnen Verstärkerstufen jeweils über Kondensatoren 110 injiziert. Die einzelnen Stufen sind über Transformatoren, die jeweils an die Stelle des Eingangswiderstandes 15 und des Lastwiderstandes 17 nach Fig. 3 treten, miteinander gekoppelt. Die Frequenzcharakteristik der Koppeltransformatoren soll so beschaffen sein, daß die Modulationssignalfrequenzen durchgelassen, die Frequenz der amplitudenmodulierten Impulse dagegen unterdrückt wird.

Nachstehend sind eine Reihe von experimentellen Ergebnissen, die mit Hilfe von Diodenverstärkern ähnlich der Schaltung nach Fig. 3 sowie unter Verwendung unterschiedlicher Halbleiterdioden erhalten wurden, aufgeführt. Jedoch entsprechen diese experimentellen Ergebnisse nicht notwendig den bestmöglichen Ergebnissen, die mit derartigen Verstärkern zu erreichen sind. Die Experimente haben gezeigt, daß unter anderem einer der Vorteile der Diodenverstärkerschaltung in einem sehr guten Signal-zu-Rausch-Verhältnis besteht.

1. Leistungsstufen:

a) Frequenz bis zu 10 Megahertz (Ionisierimpulsfrequenz)
Maximale Leistung .... bis zu 2 Watt

Verstärkung 30 dB

Maximaltemperatur ... 80° C

Widerstand

Eingang 500 Ohm

Ausgang 1,2 Megohm

Maximalspannung

Eingang 12 Volt

Ausgang 50 Volt

b) Frequenz bis zu 10 Kilohertz (Ioni

sierimpulsfrequenz)

Maximalleistung bis zu 15 Watt

Verstärkung 26 dB

Maximaltemperatur ... 80° C

Widerstand

Eingang 50 Ohm

Ausgang 550 Kiloohm

Maximalspannung

Eingang 30 Volt

Ausgang 350 Volt

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Claims (2)

11 12

2. Hochfrequenzstufen: diese Sperrdioden immer so geschaltet sind, daß sie

Frequenz bis zu 500 Megahertz f ^ekt.^{iv den} Ausgangskreis der Diode 30 während der

(Ionisierimpulsfrequenz) I⁰^TIl -Γ ^ aI ? ^Em§^a^^sk,^rels

,, . „ . ,. „ , ,;, „ der Diode 30 wahrend der Abtastimpulse unterbrechen.

Maximalleistung bis zu 0,1 Watt , ^ . . , . , , . . .., . ·■ j ,.

..... ^& ο t · ι η JTJ 5 Beispielsweise kann bei im übrigen unveränderter

\ erstarkung 8 bis 10 dB Schaltung nach Fig. 3 der Widerstand 45 in die Lei-

Max.nialtemperatur ... 60 C _{tung 103 eingeschalfet werdetl und die Diode 40 dann} Ungefähre Maximal- zwischen die Elektrode 32 und die Klemme 20 eingespannung fügt werden, so daß der Strom im Eingangskreis im

Eingang 50 Millivolt io Uhrzeigersinne verläuft. Die Diode 41 kann zwischen

Ausgang 15 Volt die Klemme 22 und die Elektrode 32 eingeschaltet

werden, so daß der Strom im Ausgangskreis ebenfalls

Einige der Vorteile von Halbleiterdioden bzw. im Uhrzeigersinn verläuft. Weiter kann man, unter Diodenverstärkerschaltungen der beschriebenen Art der Voraussetzung, daß die Ionisier- und Abtastbestehen im folgenden: Erstens kann man durch Dio- *5 impulsquelle mit der Diode 30 gemäß Fig. 3 in Reihe den an Stelle von Transistoren für Verstärkungs- geschaltet ist, den Widerstand 45 zwischen die Elekzwecke beträchtlich an Kosten sparen, da bekanntlich trode 33 und den Verbindungspunkt der Dioden 40 Transistoren acht- bis zehnmal so teuer sind wie ein- und 41 legen, so daß die Elektrode 32 unmittelbar mit fache Halbleiterdioden. Zweitens werden die beschrie- der Erdleitung 42 verbunden ist. Man kann sogar den bellen Dioden in ihren Betriebseigenschaften durch 20 Widerstand 45 überhaupt weglassen, wenn man die Änderungen in der Außentemperatur weit weniger be- Begrenzerstufe 44 unmittelbar in Reihe mit der Diode einfiußt als Transistoren. Drittens ist die mit Tran- 30 in den Leitungszweig zwischen der Leitung 42 und «stören erhältliche Ausgangsleistung im allgemeinen dem Verbindungspunkt der Diode 40., 41 einschaltet,
auf einen niedrigen Wert begrenzt, während man mit Auch kann man die Ionisier- und Abtastimpulsquelle Halbleiterdioden, wie aus den oben angegebenen Ver- 25 statt in Reihe parallel mit der Diode 30 schalten. Eine suchsdaten ersichtlich wird, eine Ausgangsleistung solche Parallelschaltung kann z. B. in der Weise bevon 20 Watt oder mehr erhalten kann. Viertens sind werkstelligt werden, daß man in Abwandlung der Transistoren schlecht oder überhaupt nicht für höhere Schaltung nach Fig. 3 die Elektrode 32 unmittelbar Signalfrequenzen brauchbar, während Schaltungen der (unter Weglassung des Widerstandes 45) mit der Leibeschriebenen Art mit Halbleiterdioden Frequenzen 30 tung 42 verbindet und die Polarität der Dioden 40, 41 von 500 Megahertz oder mehr verarbeiten können. umkehrt, so daß der Stromfluß im Eingangskreis und Fünftens erreicht man. wenn man die verschiedenen Ausgangskreis der Diode 30 nunmehr entgegen dem Diodenelemente der Schaltung nach Fig. 3 in einem Uhrzeigersinne erfolgt, und indem man die Ionisier-Halbleiterelement gemäß Fig. 4 vereinigt, daß die und Abtastimpulsquelle zwischen die Erdleitung 42 Diodenelemente eine kompakte Einheit bilden, die 35 und den Verbindungspunkt der Dioden 40, 41 schaltet, nicht mehr Raum einnimmt als ein gewöhnlicher Tran- wobei diese Impulsquelle einen hohen Innenwiderstand sistor. Ein weiterer Vorteil des Zusammenbaus der hat und so eingerichtet ist, daß sie lonisierimpulse verschiedenen Diodenelemente zu einem einzigen und Abtastimpulse von in bezug auf Erde positiver Halbleiterelement besteht darin, daß in einem solchen bzw. negativer Polarität liefert. Der hohe Innenwiderdie verteilten Kapazitäten der ganzen Schaltung ver- 4° stand soll bei wachsendem Strom einen entsprechenden mindert werden, so daß die Schaltungsanordnung bei Spannungsabfall am Ausgang der Impulsquelle herhöheren Frequenzen betrieben werden kann. vorrufen, so daß der Strom in der Diode 30 sich (als Es ist an sich möglich, die Diodenverstärkerschaltun- Folge der Änderung des Diodeninnenwiderstandes) gen so zu betreiben, daß zwischen den abwechselnden ändern und eine entsprechende Spannungsänderung am Ionisierspannungsimpulsen und Abtastspannungsim- +5 Ausgangs widerstand 17 erzeugen kann. Statt in einer pulsen keinerlei trennende Zwischenintervalle auf- solchen Parallelschaltung eine Impulsquelle mit hohem treten. Experimentelle Erprobungen haben jedoch ge- Innenwiderstand zu verwenden, kann man auch den zeigt, daß solche trennenden Zwischenintervalle, wie Widerstand 45 zwischen die Leitung 42 und den Versie zwischen den Impulsen 90 und 91 bzw. 97 und 95 bindungspunkt der Dioden 40, 41 schalten und die in den Impulsverläufen A bzw. B der Fig. 7 angedeutet 50 Impulsquelle an lediglich einen Teil dieses Widerstansind, wünschenswert sind. des legen, so daß der Stromfluß durch den übrigen Teil Die oben beschriebenen Ausführungsformen der des Widerstandes einen entsprechenden Spannungs-Erfindung dienen lediglich als Beispiele; sie können in abfall hervorruft.

mehrfacher Hinsicht abgewandelt werden. Beispiels- Eine weitere Abwandlungsmöglichkeit besteht darin,

weise kann man die Polarität der Impulse 90, 91 55 die Ionisierimpulse und Abtastimpulse getrennten

(Fig. 7 im Impulsverlauf A) am Ausgang der Begren- Quellen zu entnehmen,
zerstufe 44 vertauschen, vorausgesetzt, daß die Be-

grenzerstufe an die Diodenstufe so angeschlossen ist, Patentansprüche:
daß die Ionisation der Diode jeweils durch die nieder- 1. Diodenverstärkerschaltung unter Verwendung amplitudigen Impulse und die Abtastung des Innen- 60 einer Halbleiterdiode, die durch einen Stromimpuls Widerstandes der Diode jeweils durch die höherampli- in Durchlaßrichtung (Ionisierimpuls) ionisiert tudigen Impulse erfolgt. Ferner brauchen die der wird, während anschließend daran der Diode ein Diode zugeleiteten Impulse nicht die in Fig. 7 gezeigte Impuls in Sperrichtung (Abtastimpuls) zur Erabgerundete Form zu haben, sondern sie können auch zeugung eines verstärkten Ausgangssignales zugeals Rechteckimpulse ausgebildet sein. 65 führt wird, wobei der Ionisierimpuls im Eingangs-Weiterhin kann man die Schaltung der Diodenstufe kreis und der Abtastimpuls im Ausgangskreis selbst abwandeln. Beispielsweise kann man die Sperr- fließt und die Diode in Basisschaltung beiden Kreidiode 40 oder die Sperrdiode 41 oder beide Dioden an sen gemeinsam ist, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Stellen im Eingangskreis bzw. Ausgangskreis Impulsquelle(n) sowohl für die lonisierimpulse als der Diode 30 (Fig. 3) anordnen, vorausgesetzt, daß 7° auch für die Abtastimpulse in einem Teil der