DE1086745B - Impulsverstaerker mit Halbleiterdiode - Google Patents

Description

Schickt man durch eine Halbleiterflächendiode einen elektrischen Strom, so wird das Fließen des Stromes in der Grenzschicht zwischen η-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 Träger injektion 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 mit der Zeit 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 der n-Halbleiterschicht 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 gegenüber dem statischen Sperrstrom eine 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 Träger injektion und Speicherung störend, da dadurch die Dioden gleichsam mit einer gewissen Trägheit arbeiten.

Man hat nun andererseits versucht, diesen Effekt besonders auszunutzen. In der amerikanischen Veröffentlichung »National Bureau of Standards, Technical News Bulletin«, Vol. 38, Nr. 10, Okt. 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 D1 mit Speichereffekt, aus der Diode D 2 ohne Speichereffekt, welche auch als Längsdiode bezeichnet wird, dem Arbeitswiderstand R2, der groß gegenüber dem Durchlaßwiderstand und klein gegenüber dem Sperrwiderstand der Diode D1 ist, und dem Widerstand R1, der relativ klein gegenüber R2 ist. Der Steuerelektrode £ des Diodenverstärkers wird ein Steuerimpuls zugeführt, von dem ein Impuls in Fig. 2 dargestellt ist. Der Speiseelektrode 5" des Di-Impulsverstärker mit Halbleiterdiode

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2

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

odenverstärkers wird ein zeitlich zum Steuerimpuls

ao versetzter, unmodulierter Speiseimpuls zugeführt, dessen Amplitude fast so groß wie die Sperrdurchschlagsspannung der DiodeDl 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 Dl und D 2 sind so gepolt, daß sie von den Steuerimpulsen in Durchlaßrichtung beansprucht werden. Infolge eines solchen Impulses fließt daher ein Strom über D2-D1-R1, so daß in der η-leitenden Schicht der Diode Dl 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 Träger injektion, also von der Amplitude des Steuerimpulses und von der inzwischen verstrichenen Zeit. Zwischen Steuerimpuls und Speiseimpuls 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 R 2 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 Trägerin] ektion, und desto kleiner ist der wirksame Sperrwiderstand von Diode D2, 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. 2c ist die im Ausgang^ abgegebene. Spannung Ua darge-

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stellt. Wenn die Amplituden der Steuerimpulse um den Betragt {Je schwanken, so verändert sich die Amplitude der Ausgangsimpulse in diesem Beispiel um A 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 Ausgangsamplitude 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 Di 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.

Nach dem Ende des Speiseimpulses und damit auch nach dem Ende des Ausgangsimpulses ist in der Speicherdiode noch eine gewisse Anzahl von Defektelektronen gespeichert, die nach einem Exponentialgesetz mit einer bestimmten Zeitkonstanten abnimmt. Um eine eindeutige Auswertung des folgenden Steuerimpulses zu gewährleisten, darf dieser erst zugeführt werden, wenn die Defektelektronen praktisch verschwunden sind. Dies ist besonders wichtig, wenn mehrere Steuerimpulse aufeinanderfolgen. Entsprechend darf, wenn kein weiterer Steuerimpuls zugeführt wird, der nächste Speiseimpuls ebenfalls erst nach dieser Zeit einsetzen, da sonst fälschlicherweise ein Ausgangsimpuls ohne vorherigen Steuerimpuls abgegeben werden würde. Durch die Größe der Zeitkonstanten wird also eine obere Grenze der Pulsfolgefrequenz festgelegt. Während der Dauer eines Speiseimpulses und des gleichzeitigen Ausgangsimpulses ist wegen der zusätzlichen Rekombination von Ladungsträgern die Zeitkonstante wesentlich kleiner. Für eine gegebene Dauer dieser Impulse darf aber die währenddessen wirksame Zeitkonstante nicht zu klein sein, damit nicht eine zu starke Abnahme der Impulsamplitude über ihre Dauer oder gar eine Verkürzung des Impulses eintritt. Der Herabsetzung der Zeitkonstanten zwecks Erhöhung der Pulsfolgefrequenz ist damit eine Grenze gesetzt. Es besteht also bei sonst festliegenden Betriebsverhältnissen eine höchstzulässige Pulsfolgefrequenz, was den Anwendungsbereich derartiger Diodenverstärker entsprechend einschränkt.

Es ist nun auch bekannt, siehe »Proceedings of the I.R.E.«, 1954, S. 1761/1762 und S. 1773ff., daß bei pnp-Transistoren ebenfalls eine Ladungsträgerspeicherung auftritt. Derartige Transistoren enthalten nämlich ebenfalls Halbleiterdiodenstrecken. Die Ladungsträgerspeicherung wirkt sich in störender Weise bei Schaltvorgängen mit Hilfe von Transistoren aus. Es sind auch Maßnahmen getroffen worden, um diesen Störeffekt zu vermeiden.

Mit Hilfe der nachfolgend beschriebenen Erfindung wird die Anwendungsfähigkeit von Diodenverstärkern dadurch erheblich verbessert, daß die höchstzulässige Impulsfolgefrequenz wesentlich erhöht wird. Dabei wird der sonst bei pnp-Transistoren auftretende und sich nachteilig auswirkende Effekt der Ladungsträgerspeicherung als Nutzeffekt verwendet.

Bei dem erfindungsgemäßen Impulsverstärker handelt es sich also um einen mit einer Halbleiterdiode, die eine Ladungsträgerspeicherung aufweist, ausgerüsteten Verstärker, dem Steuerimpulse über eine als Entkopplung wirkende Längsdiode und zeitlich dazu versetzte Speiseimpulse mit gleicher Impulsfolgefrequenz zugeführt werden. Dieser Impulsverstärker ist dadurch gekennzeichnet, daß als Speicherdiode die Kollektor-Basis-Strecke eines pnp-Transistors verwendet wird, daß dessen Emitter nach dem Ende eines jeden Speiseimpulses ein negativer Impuls zur Beseitigung der in der Basis gespeicherten Ladungsträger zugeführt wird, der einen Sperrstrom über die Emitter-Basis-Strecke hervorruft, welcher über einen parallel zur Basis-Kollektor-Strecke und dem Abschlußwiderstand liegenden und dagegen relativ niederohmigen Widerstand abfließt, und daß jeweils nach dem Ablauf des negativen Impulses der nächste Steuerimpuls einsetzt.

In der Fig. 3 ist ein Beispiel für einen derartigen Impulsverstärker dargestellt. Hierbei ist D die Längsdiode des Verstärkers, R2 der erwähnte relativ hochohmige Abschlußwiderstand, T der Transistor und R1 der parallel zur Basis-Kollektor-Strecke und dem Abschlußwiderstand R2 liegende, dagegen relativ niederohmige Widerstand. Über den Eingang £ wird der positive Steuerimpuls Ue, über die Speiseelektrode 6" 1 der positive Speiseimpuls UsI und über die Speiseelektrode vS"2 ein negativer Speiseimpuls Us2 zugeführt, der sich zweckmäßigerweise unmittelbar an den positiven Speiseimpuls anschließt. In den Fig. 4 a, 4b, 4 c und 4d ist der Verlauf der obigen Impulsspannungen und der Spannungsverlauf Ua am Ausgang A des Verstärkers dargestellt.

Infolge des Steuerimpulses Ue fließt ein Strom über die Diode D, über p- und η-Schicht der Kollektor-Basis-Strecke des Transistors T und den Widerstand Rl, welcher in die η-Schicht Defektelektronen injiziert. Der mit dem Speiseimpuls UsI verbundene Strom, der über die η-Schicht und die Kollektor-p-Schicht des Transistors T und den Arbeitswiderstand R2 fließt, ruft am Ausgang A in bereits beschriebener Weise den gleichzeitig auftretenden Ausgangsimpuls Ua hervor, denn wegen der vorhergehenden Defektelektronen-Injektion ist die Basis-Kollektor-Strecke niederohmig gegen den Arbeitswiderstand R2. Der dem Emitter zugeführte Speiseimpuls Us2, welcher das Emitterpotential absenkt, da er negativer Polarität ist, ist verbunden mit einem Strom, der von Masse über den Widerstand R1 und über die η-Schicht und die Emitter-p-Schicht des Transistors fließt. Die Strecke n-Schicht—Emitter-p-Schicht wirkt hier wie eine in Sperrichtung beanspruchte Diodenstrecke und ist daher hochohmig gegen den Widerstand R1. Mit dem Sperrstrom ist nun ein Abtransport der Defektelektronen aus der η-Schicht verbunden, wodurch praktisch ihre Beseitigung bei geeigneter Dimensionierung des Speiseimpuls Us 2 erreicht wird. Da der Widerstand R1 niederohmig gegen die hier in der Reihe liegende Transistorstrecke ist, liegt an der η-Schicht, welche zugleich die Basis des Transistors ist, nahezu Massepotential. Am Kollektor des Transistors kann daher ebenfalls keine merkliche Spannung auftreten, so daß der Speiseimpuls Us2 sich nicht in störender Weise am Ausgang des Verstärkers bemerkbar machen kann. Der Speiseimpuls Us2 bewirkt also lediglich die gewünschte Beseitigung der gespeicherten Defektelektronen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH:

   Mit einer Halbleiterdiode, die eine Ladungsträgerspeicherung aufweist, ausgerüsteter Impuls-

   verstärker, dem Steuerimpulse über eine als Entkopplung wirkende Längsdiode und zeitlich dazu versetzte Speiseimpulse mit gleicher Impulsfolgefrequenz zugeführt werden und bei dem die sich ergebenden Ausgangsimpulse über einenAbschlußwiderstand entnommen werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Speicherdiode die Kollektor-Basis-Strecke eines pnp-Transistors (Γ) verwendet wird, daß dessen Emitter nach dem Ende eines jeden Speiseimpulses (UsI) ein negativer Impuls (Us2) zur Beseitigung der in der Basis gespeicherten

   Ladungsträger zugeführt wird, der einen Sperrstrom über die Emitter-Basis-Strecke hervorruft, welcher über einen parallel zur Basis-Kollektor-Strecke und dem Abschluß widerstand (R2) liegenden und dagegen relativ niederohmigen Widerstand (Rl) abfließt, und daß jeweils nach dem Ablauf des negativen Impulses (Us2) der nächste Steuerimpuls (Ue) einsetzt.

   In Betracht gezogene Druckschriften:
   Proceedings of the I.R.E., 1954, S. 1761, 1778.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   ©,009 570/277 8.60