DE1086745B

DE1086745B - Pulse amplifier with semiconductor diode

Info

Publication number: DE1086745B
Application number: DES50656A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Hans Joachim Harloff
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1956-09-28
Filing date: 1956-09-28
Publication date: 1960-08-11

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.If you send an electric current through a semiconductor surface diode, the current will flow in the boundary layer between η-semiconductors and p-semiconductors caused by the movement of electrons and holes. When this stream is in If the forward direction flows, more defect electrons get into the one adjacent to the boundary layer Area of the η semiconductor, as the de-energized equilibrium state or the static state under reverse voltage corresponds. A so-called carrier injection takes place in this area. In the case of germanium and silicon diodes in particular, these additional defect electrons remain after the Switching off the forward current for a short time, which is characterized by the mean service life of the same can be saved. As a result of diffusion and recombination, their density increases over time according to an exponential law. If a reverse voltage is applied to the diode during this storage time, so initially a higher current flows than corresponds to the static reverse current. The current decreases afterwards as the holes in the n-type semiconductor layer disappear. This increases the Blocking resistance on again. With the reverse current itself there is also an additional recombination of the holes connected. It therefore causes an additional reduction in the density of the Defects. The time during which there is a noticeable increase in current compared to the static reverse current is also called the relaxation time. This effect is particularly pronounced at Flat diodes.

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.If you use these diodes as rectifiers or switching diodes at high frequencies, it works Carrier injection and storage disruptive as this the diodes work, as it were, with a certain inertia.

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 HalbleiterdiodeOn the other hand, attempts have now been made to make particular use of this effect. In the American publication "National Bureau of Standards, Technical News Bulletin", Vol. 38, No. 10, Oct. 1954, pp. 145 to 148, a method is specified how a diode with a memory effect can be used in a simple manner Can build pulse amplifier. Such a diode amplifier is shown in FIG. It consists of the diode D 1 with storage effect, of the diode D 2 without storage effect, which is also referred to as a series diode, the operating resistance R2, which is large compared to the forward resistance and small compared to the blocking resistance of the diode D 1, and the resistor R 1 which is relatively small compared to R2 . The control electrode £ of the diode amplifier is supplied with a control pulse, one of which is shown in FIG. The feed electrode 5 "of the Di pulse amplifier with semiconductor diode

Anmelder:Applicant:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Witteisbacherplatz 2Berlin and Munich,
Munich 2, Witteisbacherplatz 2

Dipl.-Phys. Hans Joachim Harloff, München,
ist als Erfinder genannt wordenDipl.-Phys. Hans Joachim Harloff, Munich,
has been named as the inventor

odenverstärkers wird ein zeitlich zum Steuerimpulsanode amplifier becomes a control pulse in terms of time

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-ao offset, unmodulated feed pulse supplied, the amplitude of which can be almost as large as the reverse breakdown voltage of the diodeDl. The feed pulse belonging to the control pulse shown in FIG. 2 b is shown with its time offset in FIG. 2 a. The two diodes Dl and D 2 are polarized so that they are stressed by the control pulses in the forward direction. Therefore, due to such a current pulse via D2-D1-R1, so that the diode Dl can take place a carrier injection in the η-type layer, which reduces their blocking resistance during the relaxation time flows. This diode is stressed in the reverse direction by the following feed pulse. The blocking resistance effective at this moment depends on the strength of the previous carrier injection, i.e. on the amplitude of the control pulse and on the time that has elapsed in the meantime. There is a constant time offset between the control pulse and the feed pulse, so that the blocking resistance here depends solely on the amplitude of the control pulse. The voltage supplied by the respective feed pulse is divided between the series connection of diode D 1 and load resistor R 2 . The diode D 2 is loaded in the reverse direction, so that its resistance is high compared to the resistance R 2 and therefore does not affect the voltage division. The greater the amplitude of the previous control pulse, the greater the carrier effect, and the smaller the effective blocking resistance of diode D2, and the greater the part of the supply pulse voltage between the output electrode A and ground. Control pulse amplitude and output pulse amplitude therefore change in the same way. In Fig. 2c is the output ^ delivered. Voltage Ua shown

009 570/277009 570/277

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.represents. If the amplitudes of the control pulses fluctuate by the amount {Je, the amplitude of the output pulses in this example changes by A Ua. The respective resulting mean value of the height between the start of the pulse and the end of the pulse has been drawn in as the height of the pulses. The carrier density in the barrier layer and thus the output amplitude also decrease over the pulse duration. During the control pulse, a pulse with a small amplitude occurs at the output, which can act as an interference pulse, as the control pulse drives a current through the forward resistances of diodes D 2 and Di and resistor R 1 and causes a corresponding voltage drop at the last two resistors . During the feed pulse, a significantly larger output pulse occurs, which is the amplified pulse and the amplitude of which can be almost as large as the feed pulse amplitude. The diode amplifier thus provides an amplification and a time shift of the control pulses. The boost energy is provided by the feed pulses.

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.After the end of the feed pulse and thus also after the end of the output pulse is in the storage diode still a certain number of defect electrons stored according to an exponential law decreases with a certain time constant. A clear evaluation of the following control impulse To ensure this, this may only be supplied when the defect electrons have practically disappeared are. This is particularly important when several control pulses follow one another. Corresponding If no further control pulse is supplied, the next feed pulse may also only be issued after this Use time, otherwise an output pulse will be wrongly generated would be delivered without a previous control pulse. By the size of the time constant an upper limit of the pulse repetition rate is therefore set. During the duration of a feed pulse and the simultaneous output pulse is due to the additional recombination of charge carriers the time constant is much smaller. For a given duration of these impulses, however, the meanwhile effective time constant must not be too small, so that there is not too great a decrease in the pulse amplitude occurs over its duration or even a shortening of the impulse. The reduction of the time constant a limit is thus set for the purpose of increasing the pulse repetition rate. So it exists in the case of otherwise fixed Operating conditions a maximum permissible pulse repetition frequency, what the scope of such Diode amplifier restricts accordingly.

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.It is now also known, see "Proceedings of the I.R.E.", 1954, pp. 1761/1762 and pp. 1773ff. That at pnp transistors also a charge carrier storage occurs. Namely, such transistors contain also semiconductor diode lines. The charge carrier storage has a disruptive effect Switching operations with the help of transistors. Measures have also been taken to address this To avoid disruptive effects.

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.With the help of the invention described below, the applicability of diode amplifiers considerably improved by the fact that the maximum permissible pulse repetition frequency is increased considerably. Included becomes the effect of charge carrier storage that otherwise occurs with pnp transistors and has a disadvantageous effect used as a benefit.

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.The pulse amplifier according to the invention is therefore one with a semiconductor diode, which has a charge carrier storage, equipped amplifier, the control pulses via an as Longitudinal diode acting decoupling and supply pulses offset in time with the same pulse repetition frequency are fed. This pulse amplifier is characterized in that the storage diode Collector-base path of a pnp transistor is used that its emitter after the end of a each feed pulse a negative pulse to remove the charge carriers stored in the base is supplied, which causes a reverse current through the emitter-base path, which via a parallel to the base-collector path and the terminating resistor and, on the other hand, relatively low-resistance Resistance flows away, and that in each case after the expiration of the negative pulse the next one Control impulse begins.

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.An example of such a pulse amplifier is shown in FIG. 3. Here D is the series diode of the amplifier, R2 the aforementioned relatively high-resistance terminating resistor, T the transistor and R 1 the relatively low-resistance resistor lying parallel to the base-collector path and the terminating resistor R2. Via the input £ is the positive control pulse Ue supplied via the feed electrode 6 '1 of the positive supply pulse USI and the feed electrode vS "2 a negative feed pulse Us2 which advantageously directly adjoins the positive supply pulse. 4a, 4b, 4c and 4d show the course of the above pulse voltages and the voltage course Ua at the output A of the amplifier.

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.As a result of the control pulse Ue , a current flows through the diode D, through the p- and η-layers of the collector-base path of the transistor T and the resistor Rl, which injects defect electrons into the η-layer. The current connected to the feed pulse UsI , which flows through the η-layer and the collector-p-layer of the transistor T and the load resistor R2 , causes the output pulse Ua at output A in the manner already described, because because of the preceding defective electrons -Injection, the base-collector path is low-resistance to the working resistance R2. The feed pulse Us2 supplied to the emitter, which lowers the emitter potential because it is of negative polarity, is connected to a current which flows from ground via the resistor R1 and via the η-layer and the emitter p-layer of the transistor. The n-layer-emitter-p-layer section acts like a reverse-biased diode section and is therefore highly resistive to the resistance R 1. The reverse current is now associated with the removal of the defect electrons from the η-layer, which practically eliminates them suitable dimensioning of the feed pulse Us 2 is achieved. Since the resistor R 1 has a low resistance to the transistor path in the series here, there is almost ground potential on the η-layer, which is also the base of the transistor. Therefore, no noticeable voltage can occur at the collector of the transistor either, so that the feed pulse Us2 cannot be noticeable in a disruptive manner at the output of the amplifier. The feed pulse Us2 thus only effects the desired elimination of the stored defect electrons.

Claims

PATENTANSPRUCH:PATENT CLAIM:

Pulse generator equipped with a semiconductor diode that has charge carrier storage

amplifier, to which control pulses are fed via a series diode acting as a decoupling and supply pulses with the same pulse repetition frequency offset in time and in which the resulting output pulses are taken via a terminating resistor, characterized in that the collector-base path of a pnp transistor (Γ ) is used that its emitter after the end of each feed pulse (UsI) a negative pulse (Us2) to eliminate the stored in the base

Charge carrier is supplied, which causes a reverse current over the emitter-base path, which flows through a parallel to the base-collector path and the termination resistor (R2) lying and on the other hand relatively low resistance (Rl) , and that in each case after the expiration of the negative pulse (Us2) the next control pulse (Ue) begins.

Considered publications:
Proceedings of the IRE, 1954, pp. 1761, 1778.

1 sheet of drawings