DE1298152B

DE1298152B - Halbleiterbauelemente mit gesteuerter erzeugung und ausbreitung von elektrischen stosswellen innerhalb des halbleiterkoerpers

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Publication number: DE1298152B
Application number: DE19651298152
Authority: DE
Priority date: 1964-06-12
Filing date: 1965-06-04
Publication date: 1974-03-07
Also published as: NL6507296A; NL169661C; NL169661B; GB1113442A; GB1113443A; SE344859B; GB1113445A; DE1298152C2; BE665303A; FR1455145A; CH460858A; GB1113444A

Description

1 29a 152. . - . .

1 . · s -r 2

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ver- ■ . stäbchen anliegenden elektrischen Feldes zu erwarten fahren zur Erzeugung oder Verstärkung von elektro- ist, indem dieses sozusagen in mehrere Bereiche aufmagnetischen Schwingungen im. Mikrowellenbereich bricht, wobei ein sehr kleiner Längenbereich des mittels eines einkristallinen Halbleiterkörpers vom Kristalls eine sehr hohe, die übrigen Bereiche jedoch N-Leitfähigkeitstyp, der zur Ausbildung innerhalb des 5 wesentlich geringere Feldstärken aufweisen. Halbleiterkörpers befindlicher elektrischer Felder Bei der dualen Erscheinung des kurzschlußstabilen ohmisch kontaktiert ist und in welchem bei Über- negativen differentiellen Widerstandes, der praktisch schreiten einer kritischen elektrischen Feldstärke auf bereits in Form der sogenannten Sparks von der Grund eines Volumeffektes den Halbleiterkörper durch- Technik der Gasentladungen und in Festkörpern z. B. laufende Hochfeldzonen ausgelöst werden. io als Zenerdurchbruch bekannt ist, liegt dahingegen ein

Derartige, den Gunn-Effekt ausnutzende Halb- in Richtung des Feldes sich erstreckender sehr enger leiterbauelemente sind bereits bekannt. Dieser Effekt fadenartiger Bereich extrem hoher Stromdichte vor, und seine Realisierung in Halbleiterproben ist erstmals während die Bereiche außerhalb dieses Stromfadens in der Zeitschrift »Solid State Communications«, eine wesentlich geringere Stromdichte zeigen. Bd. 1 (1963), auf den Seiten 88 bis 91 in einer Arbeit 15 Die beim Gunn-Effekt im wesentlichen transversal von J. B. G u η η erwähnt, die. den Titel »Beobachtung zur Feldrichtung verlaufenden Zonen mit hohem eines neuen Phänomens bei gewissen III-IV-Halb- Feld werden Hochfeldzonen genannt. Zwischen diesen leitern« trägt. Weiterhin ist in der Zeitschrift »IBM und den entsprechenden Hochstromfäden beim dualen Journal of Research and Development« vom April Effekt besteht jedoch ein wesentlicher Unterschied. 1964 auf den Seiten 141 bis 159 ein derartiges Halb- ao Während letztere nämlich im wesentlichen örtlich leiterbauelement dargestellt und beschrieben. In dieser fixiert bleiben, bewegen sich die Hochfeldzonen, deren ebenfalls von J. B. G u η η stammenden Arbeit, welche Quellen als Raumladungsschiehten aufzufassen sind, die Überschrift »Strominstabilitäten in III-V-Halb- die aus Elektronen in bestimmten Zuständen bestehen, leitern« trägt, werden an derartigen Bauelementen ge- unter der Einwirkung des Gesamtfeldes mit der Elekwonnene Maßergebnisse rein phänomenologischer 25 tronendriftgeschwindigkeit entlang dem Spannungs-Natur mitgeteilt, wobei die Messungen dem Zweck gradienten.

dienten, einen Aufschluß über den zunächst völlig · F i g. 1 zeigt den zeitlichen Verlauf derartiger Hochunbekannten Schwingungsmechanismus zu erhalten. feldzonen, wie sie sich aus den anfangs erwähnten

Es hat sich nun gezeigt, daß von einer Reihe von für Messungen von Gunn ergaben. Diese Messungen

die Erklärung dieser Strominstabilitäten bzw. Schwin- 30 wurden durchgeführt an einer Probe aus N-leitendem

gungen an sich möglichen, bereits vor der Entdeckung Galluim-Arsenid der Länge L = 210 μ und einer Quer-

dieses Phänomens entwickelten Theorien die Vor- schnittsfläche von 3,5 · 10~³ cm². Der Kristall wurde

Stellungen von B. K. Ridley sowie von CH i 1 s u m in seiner Längsrichtung kapazitiv mit einer verschieb-

die dem Schwingungsmechanismus zugrunde liegenden baren Sonde abgetastet und die Potentialverteilung

^ ist ³⁵ ^O bzw.de™ «...eie Ableitung ±?-fc ,) auf

in der Zeitschrift »Proceedings of the Physical Society«, den Schirm einer Kathodenstrahlröhre aufgezeichnet, Bd. 82 (1963) bzw. C. H i 1 s u m in der Zeitschrift wobei die Ableitung, abgesehen von einem Faktor,

»Proceedings of the IRE« vom Februar 1962 zu finden. dem zugehörigen Feldstärkewert entspricht.

Diese Arbeiten besitzen die Titel »Negativer Wider- 40 Wie man aus der F i g. 1 ersieht, pflanzt sich die

stand in Festkörpern« bzw. »Verstärker und Oszilla- Hochfeldzone mit konstanter Geschwindigkeit und

toren, deren Wirkungsweise auf einem speziellen mit im wesentlichen unveränderter Gestalt fort, sobald

Band-Band-Übergang von Elektronen beruht«. eine derartige Störung einmal aufgebaut wurde. Daher

Die erstgenannte Arbeit basiert im wesentlichen auf kann diese auch aufgefaßt werden als Stoßwelle, welche Überlegungen bezüglich eines irreversiblen thermo- 45 kurz nach ihrer Erzeugung einen stationären Zustand dynamischen Systems, wobei unter Anwendung des erreicht. Zum Ingangsetzen einer derartigen Hoch-Prinzips der Erzeugung der kleinsten Entropie das feldzone ist ein Mindestwert der elektrischen Feld-Phänomen des bereits seit langem experimentiell stärke, die sogenannte kritische Feldstärke erforderlich, realisierten sogenannten stromgesteuerten negativen unter deren Einfluß eine genügende Anzahl von differentiellen Widerstandes als auch die hierzu duale 50 Elektronen genügend Energie aufnehmen können, um Erscheinung des sogenannten spannungsgesteuerten in das Nebenenergieflächenminimum zu gelangen, differentiellen negativen Widerstandes, welche dem Diese Feldstärkenwerte liegen bei einigen tausend Gunn-Effekt zugrunde liegt, erklärt bzw. die letztere V/cm, so daß zur Auslösung Steuersignale hoher als energetisch grundsätzlich möglich vorausgesagt Energie erforderlich sind. Außerdem sind infolge der werden konnte. Dahingegen liegen der Theorie von 55 hierdurch gegebenen Flankensteilheiten die Zeitpunkte C. HiI s um Vorstellungen zugrunde, welche die der Auslösungen nur ungenau definiert. Massen- und damit die Beweglichkeitsänderungen der Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe Elektronen betreffen, welche diese beim Übergang von zugrunde, ein Verfahren zur Auslösung von Hocheinem Hauptenergieflächenminimum zu einem Neben- feldzonen in Halbleiterkörpern bzw. von Schwingunenergieflächenminimum geeigneten Energieabstandes 60 gen im Mikrowellenbereich anzugeben, welches nicht erleiden, wobei dieser Übergang unter dem Einfluß der mit den obengenannten Nachteilen behaftet ist. Aufheizung der Elektronen durch ein im Halbleiter- Dies wird bei einem Verfahren der eingangs gekörper befindliches genügend starkes elektrisches Feld nannten Art erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß stattfindet. die Höhe eines ersten elekrtischen Feldes (Hauptfeld)

Ridley zeigte in seiner obengenannten Arbeit, 65 dicht unterhalb der kritischen Feldstärke gehalten

daß unter bestimmten Voraussetzungen (z. B. ge- wird und an den zusätzlichen Mitteln des Halbleiter-

eignetes Energiebandsystem des benutzten Halbleiter- körpers mittels eines besonderen Auslöseimpulses ein

materials) eine Instabilität des über einem Kristall- derartig hohes zweites elektrisches Feld (Auslösefeld)

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gebildet wird, daß sich durch Überlagerung beider _c , , _D. _Λ ... _f<. ,. ... . ac/, . elektrischer Felder eine elektrische Feldstärke einstellt, ^{ren Ende der} ^Ρι%^Λ ^{verlauft die Ableitun}S äT⁽*''> die oberhalb der kritischen elektrischen Feldstärke bzw. die elektrische Feldstärke etwa linear mit x. liegt. Dies bedeutet, daß das elektrische Feld gleichförmig Es sind bereits z. B. indem österreichischen Patent 5 innerhalb des Halbleiterkörpers zwischen den ohmschen 209 377 Verfahren zur Erzeugung oder Verstärkung Kontaktierungen (Anode und Kathode) ansteigt. Im von elektromagnetischen Schwingungen im Mikro- Kurvenzug 2, der nach einem Zeitablauf von 6,6 · 10~^u Wellenbereich mittels eines einkristallinen Halbleiter- see auftritt, beginnt eine Verzerrung der linearen Feldkörpers bekanntgeworden, bei welchem beim Über- verteilung einzutreten. Beim Kurvenverlauf 11 hat schreiten einer kritischen elektrischen Feldstärke auf io diese Verzerrung die Form eines wohldefinierten Grund eines Volumeffektes elektromagnetische Schwin- Maximums der Feldstärke angenommen, welche sich gungen entstehen und bei welchem ohmsche Kontak- etwa über einen Bereich von etwa 30μ erstreckt. Von tierungen zur Erzeugung einiger elektrischer Felder diesem Zeitpunkt an pflanzt sich die Hochfeldzone in innerhalb des Halbleiterkörpers ebenfalls als zusatz- der x-Richtung mit unveränderter Gestalt fort. Dies liehe Mittel zur Auslösung der Schwingungen vorge- 15 gilt bis etwa zum Kurvenzug 35, wo die Hochfeldzone sehen sind. In den bei diesen bekannten Verfahren an- die Anode erreicht hat. Von hier an wird die Dargewendeten Halbleiterkörpern werden jedoch Plasma- stellung wegen wahrscheinlichkeitsverteilter Differenströmungen der Ladungsträger durch ein konstantes zen der nachfolgenden Impulse etwas unübersichtlich, oder veränderliches Ziehfeld erzeugt. aber man kann sehen, daß die bei den Kurvenzügen 2

Diesen Verfahren liegen Analogievorstellungen zwi- ao bis 11 auftretenden Verhältnisse sich wenigstens in sehen den von der Technik der Gasentladung her be- allgemeiner Weise innerhalb der Kurvenzüge 35 bis 44 kannten Plasmaschwingungen und einem im Kristall reproduzieren. Weiter zeigten die Messungen, daß die angenommenen Plasma zugrunde. Die bekannten Geschwindigkeit, mit welcher sich das Maximum fort-Halbleiterbauelemente der letztgenannten Art weisen pflanzt, konstant ist, und etwa 8 · 10^e cm/sec beträgt, daher einen wesentlichen Unterschied des Schwingungs- 25 Dieser Wert ist etwa gleich dem auf Grund von an mechanismus gegenüber den bei dem Verfahren nach anderen Halbleiterkörpern für die Driftgeschwindigder vorliegenden Erfindung angewendeten Halbleiter- keit der Elektronen in der Gegend des Schwellenwertes bauelementen auf, bei denen die Schwingungen in- bekannten Daten geschätzten Wert. Das mittlere elekfolge der mit der Driftgeschwindigkeit der Elektronen irische Feld in der Strörungszone kann aus der besieh fortbewegenden Hochfeldzonen zustande kommen. 30 obachteten Länge und aus dem Potentialabfall roh

Einzelheiten tier Erfindung ergeben sich aus der abgeschätzt werden. Der so gefundene Wert beträgt

weiteren Beschreibung sowie aus den Figuren. In etwa 2 · 10⁴ V/cm,

diesen bedeutet Wird eine Energiequelle konstanter Spannung

F i g. 1 eine graphische Darstellung der sich nach (niedriger Innenwiderstand) zur Anregung des HaIb-Art einer Stoßwelle in Längsrichtung der Kristallprobe 35 leiterkörpers benutzt, wie es bei Benutzung des Halbfortpflanzenden Hochfeldzone, leiterbauelements als Mikrowellenoszillator der Fall

F i g. 2 Impulsdiagramme zur Erläuterung der an ist, so sind die Verhältnisse etwas verschieden von den die Probe angelegten Auslösespannung und des daraus eben besprochenen mit Impulsanregung durchgeführresultierenden Stromes, ten Messungen. In diesem Falle ist das Potential an den

F i g. 3a, 3b und 3c eine schematische Darstellung 40 Kontaktierungen (Anode und Kathode) festgelegt,

zur Erläuterung verschiedener Möglichkeiten zur Aus- und die Erzeugung einer Hochfeldzone erfordert, daß

lösung der Hochfeldzone durch hohe elektrische Feld- Teilfelder an Stellen außerhalb des Halbleiterkörpers

stärken, reduziert werden müssen. Besonders für die Kurven 3,

F i g. 4 und 5 Diagramme verschiedener, in die 4 und 5 wird das Feld an der Kathode kleiner als es dem

Halbleiterprobe eingespeister bzw. in diesen als Strom- 45 entsprechenden Wert der Kurve 1 entspricht. Dieser

verlauf entstehender Impulse, Wert war ausreichend zur Erzeugung der Hochf eld-

F i g. 6 eine perspektivische Darstellung eines als zone. Da das Vorhandensein einer kritischen örtlichen

Oszillator geeigneten typischen Halbleiterbauelementes, Feldstärke Et zur Auslösung der Instabilität erforder-

F i g. 7a und 7b eine schematische Darstellung anderer Hch ist, sieht man, daß die Existenz einer Hochfeldzone

Möglichkeiten zur Erzeugung von örtlich hohen elek- 50 innerhalb der Probe die Erzeugung einer zweiten Hoch-

trischen Feldern zum Zwecke der Auslösung von Hoch- feldzone in der Gegend der Kathode verhindert, indem

feldzonen, an dieser Stelle das Feld auf einen Wert verringert

F i g. 8a und 8b eine Darstellung weiterer Möglich- wird, der unterhalb Et liegt. Dieses Hindernis ist

keiten zur Auslösung von Hochfeldzonen, natürlich nicht mehr wirksam, wenn die erste Hoch-

F i g. 9 eine weitere Modifikation einer Vorrichtung 55 feldzone die Anode erreicht und die Potentialver-

zur Auslösung einer Hochfeldzone, teilung augenblicklich wieder dem Verlauf der Kurve 1

Fi g. 10 eine Darstellung einer Vorrichtung zur Aus- entspricht. Im Gegensatz hierzu ist das Feld an der

kopplung einer Spannung aus dem Halbleiterkörper, Kathode unter konstanten Stromverhältnissen unab-

die beim Durchlaufen einer Hochfeldzone verfügbar hängig von der Anwesenheit oder Abwesenheit einer

ist, 60 Hochfeldzone an irgendeiner anderen Stelle innerhalb

F i g. 11a bis Hd eine symbolische Darstellung der Probe, und es können jederzeit weitere Hochfeldvon Realisierungsmöglichkeiten von logischen Funk- zonen auf den Weg gebracht werden,
tionen unter Verwendung von den Gunn-Effekt aufweisenden Halbleiterkörpern, die sowohl mit Vor- £s folgt eine Zusammenfassung der sich aus den richtungen zur Auslösung von Hochfeldzonen als auch 65 obengenannten Messungen ergebenden Tatsachen:
mit Vorrichtungen zum Auskoppeln von durch diese
hervorgerufenen Ausgangsimpulsen versehen sind. a) Das Einsetzen der Fluktuation infolge Instabilität

Bei dem mit !bezeichneten Verlauf zu Beginn am obe- entspricht der Anwesenheit einer Hochfeldzone.

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b) Sobald die Hochfeldzone erscheint, wird das Feld sichtlich nur bei der Ankunft einer Hochfeldzone in den anderen Teilen des Halbleiterkörpers auf vor. Daher muß der Strom für eine Zeitdauer vereinen Wert unterhalb der kritischen Feldstärke Et schwinden, die gleich der Laufzeit der Hochfeldreduziert. Da Galliumareenid unter diesen Feld- zone ist, bevoT er infolge einer durch Lawinenverhältnissen ein fast ohmscher Leiter ist, so wird 5 prozeß bewirkten Injektion anwachsen kann, der Strom proportional zum Feldabfall reduziert.

c) Eine neue Hochfeldzone wird auf den Weg ge- Im Zusammenhang mit den Kurvenverläufen der bracht, wenn aus irgendeinem Grunde der Leitungs- Fig. 1 wurde bereits bemerkt, daß, nachdem eine strom auf einen Wert It anwächst und das Feld Hochfeldzone einmal erzeugt ist, diese sich anscheinend an der Kathode entsprechend den Wert Et er- io im Gleichgewicht weiter fortpflanzt, auch dann, wenn reicht. das angelegte Feld auf einen Wert reduziert wird, der

d) Die Konstanz des Wertes I_max bei Änderung der unterhalb des zur Erzeugung erforderlichen kritischen angelegten Spannung kann in der gleichen Weise Wertes liegt. Diese Tatsache liegt den in den F i g. 2a erklärt werden. und 2b dargestellten Impulsformen zugrunde. F i g. 2a

e) Der Vorgang der Verhinderung des gleichzeitigen 15 zeigt einen Spannungsimpuls, welcher an die Kontak-Auftretens mehrerer Hochfeldzonen ist am wirk- tiermagen eines Halbleiterkörpers angelegt wird und samsten in kurzen Halbleiterkörpern. Bei langen der aus einem ersten Impuls A und dem kürzeren Zu-Halbleiterkörpern ist die Feldänderung an der satzimpulsi? besteht. Während der Impuls .4 das. Kathode zu klein, um das Einsetzen von weiteren Hauptfeld aufbaut, welches dicht unterhalb der Hochfeldzonen zu steuern; es muß dann ange- 20 kritischen elektrischen Feldstärke bleibt, liefert der nommen werden, daß diese Einsätze zu Willkür- Zusatzimpuls B eine zusätzliche Feldstärke (Auslöselichen Zeiten stattfinden. feld), die so bemessen ist, daß die dem Auslöseim-

f) Die gleichen Bemerkungen treffen zu bei kurzen puls A + B entsprechende Feldstärke die kritische Halbleiterkörpern, in diesem Falle wird unter den Feldstärke überschreitet.

Bedingungen fast konstanten Stromes gearbeitet. 25 Der Halbleiterkörper wirkt mit einem Lastwider-

g) Unter der Bedingung konstanter Spannung ist der stand zusammen. Zur Bereitstellung des Auslösefeldes Mechanismus der Unterdrückung zusätzlicher dient eine besondere Spannungsquelle, z. B. ein Im-Hochfeldzonen wirksam genug, um bei kurzen pulsgenerator mit einem wie in Fig. 2a gezeigten Halbleiterkörpern sicherzustellen, daß dann und Grundimpuls A und einem auf diesen Impuls aufgenur dann eine Hochfeldzone von der Kathode her 30 setzten Dreieckimpuls B. Dieser überlagerte Dreieckeinsetzt, wenn die vorhergehende die Anode er- impuls B ist so groß, daß die Gesamtimpulshöhe innerreicht hat. halb eines kurzen Zeitintervalles den kritischen Wert Die Erzeugung einer neuen Hochfeldzone findet so Ut übersteigt.

in periodischer Weise statt. Der resultierende Stromimpuls besitzt die in F i g. 2b Dieser Effekt läßt sich am besten auf Grund der 35 gezeigte Form. Man sieht, daß von dem Augenblick an,

F i g. 1 einsehen. Hier wird offenbar im Bereich in dem die Amplitude der Impulse A und B den

der Kurvenverläufe 34 bis 44 eine neue Hochfeld- kritischen Wert Ut überschreitet, die Impulshöhe des

zone erzeugt. Stromimpulses unter seinen Maximalwert absinkt und

h) Die Schwingungsperiode ist gleich der Laufzeit der noch eine gewisse Zeit auf diesem niedrigen Wert

Hochfeldzone durch den Halbleiterkörper, welche 40 verbleibt, selbst wenn der Dreieckimpuls B bereits

etwa der Geschwindigkeit der Elektronen ent- beendet ist.

spricht, die diese bei der kritischen Feldstärke be- Bei einem ausgeführten Beispiel hatte der Dreiecksitzen, impuls B eine Impulsdauer von 0,2 nsec, der Strom-

i) Die erste Hochfeldzone bildet ihre volle Amplitude abfall währte jedoch für eine Zeitdauer von etwa aus, bevor sie die Kathode verläßt. Die Modula- 45 2 nsec. Dies ist ein Zeitintervall, welches für den getion des Stromes erreicht dann den höchstmög- wählten Halbleiter körperannähernd gleich der Lauflichen Wert. zeit der Hochfeldzone ist.

j) In sehr kurzen Halbleiterkörpern kann die Span- Daraus ergibt sich, daß eine Hochfeldzone sich nung Ut = L- Et (L = Anoden-Kathodenab- weiterhin unter Bedingungen durch den Halbleiterstand) kleiner sein als die Spannung, welche ent- 50 körper ausbreitet, unter denen die Erzeugung einer lang der sich frei ausbreitenden Hochfeldzone liegt. Hochfeldzone an sich nicht möglich wäre. Die Hochin diesem Falle verbleibt die Hochfeldzone wahr- feldzone breitet sich weiter durch den Halbleiterkörper scheinlich an der Kathode fixiert, bis irgendeine aus, obwohl der Impuls selbst, welcher die Auslösung höhere Spannung angelegt wird. Auf diese Weise dieser Hochfeldzone eingeleitet hat, beendet ist. Daher ist die erscheinende Schwellwertspannung höher 55 hält die niedrigere Impulshöhe des Stromes für eine als L · Et- Dieser Effekt steht im Einklang mit den längere Zeitdauer an, auch wenn das angelegte Feld beobachteten Kurvenverläufen der/— UChaiak- auf einen Wert abgesunken ist, der unterhalb des teristik sehr kurzer Halbleiterkörper. Schwellenwertes liegt. Die vorstehend beschriebene

k) Da die Hochfeldzone in derselben Richtung ver- Arbeitsweise entspricht derjenigen einer monostabilen

läuft wie die Elektronenbewegung, sind Minori- 60 Schaltung zur Dehnung von Impulsen mit Leistungs-

tätsladungsträger an dieser unbeteiligt. verstärkung. Hierfür gibt es spezielle Anwendungs-

1) In Indiumphosphid (InP) ist die Lebensdauer der möglichkeiten, wie z. B. Schaltungen zum Ein- bzw.

Defektelektronen offenbar lang genug, um auch Auslesen in Speichereinheiten oder als Schaltungen

eine Löcherinjektion möglich erscheinen zu lassen, zur Realisierung logischer Funktionen unter simultaner

wobei die Injektion durch einen Lawinenprozeß 65 oder selektiver Benutzung angelegter Eingangssignale,

in Verbindung mit sehr hohen Feldstärken an der Der genannten Anwendungsmöglichkeit liegt das

Anode bewirkt werden kann. Derartige hohe gleiche zeitliche Verhalten des Stromes zugrunde, wie

Feldstärken liegen aber an dieser Stelle offen- es in F ig. 2b dargestellt ist; es werden jedoch im allge-

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meinen mehrere Eingangssignale benutzt, welche die F i g. 3 dargestellten Halbleiterbauelements wieder-Form eines Rechteckimpulses mit einer überlagerten gegeben. Der Halbleiterkörper 40 aus Galliumarsenid Impulsspitze besitzen. In einer logischen inklusiven besitzt einen Kontakt aus AuGe und ist durch Lötung Oder-Schaltung wird jeder Zusatzimpuls in Form eines auf einer Grundplatte 41 befestigt. Ein dünner Draht Spitzenimpulses mit einer solchen Impulshöhe ge- 5 oder ein Streifen 42 ist auf der oberen Fläche des wählt, daß die Gesamtspannung denkritischenWertt/r Halbleiterkörpers 40 angelötet, wobei die gesamte übersteigt, wie es in F i g. 2a dargestellt ist. Anderer- Oberfläche mit der AuGe-Elektrode ohmisch kontakseits kann eine logische Und-Schaltung leicht dadurch tiert ist. Der Draht 42 führt weiterhin zu den Klemmen realisiert werden, daß man relativ schmale zusätzliche 44 und 45. An diese Klemmen sowie ebenfalls an die Spannungsimpulse in Form von Dreieckimpulsen io Grundplatte 41 führen die drei Zuleitungen 46, 47 und wählt, deren Vorhandensein als Einzelimpuls keine 48 zur Einfügung des Bauelementes in die Schaltung. Wirkung zeigt, die aber bei Koinzidenz von zwei oder Eine Einkerbung 49 teilt den Kontakt 43 auf der Obermehreren Impulsen bewirken, daß die Gesamtspannung fläche in zwei Teile, wobei der Kontaktteil auf der den kritischen Wert Ut übersteigt. linken Seite die Steuerelektrode bildet und der andere

Eine zweite, einfachere Methode zum Ingangsetzen 15 größere Teil als Kathode dient. Es ist wichtig, die Einvon Hochfeldzonen für die Zwecke spezieller Vor- kerbung derart anzubringen, daß die der Kathode zugerichtungsanwendungen besteht darin, ein örtlich ordnete Fläche etwa 80% des Gesamtquerschnittes hohes elektrisches Feld an den Halbleiterkörper anzu- der Oberfläche des Halbleiterkörpers beträgt,
legen. Dies kann z. B. mit Hilfe einer dritten Elektrode Es gibt jedoch noch weitere Möglichkeiten zur Ausgeschehen, welche an den Halbleiterkörper angebracht »0 lösung von Hochfeldzonen. Man kann z. B. die Hauptwird. Diese Methode steht in gewissem Gegensatz zu kontaktierung und die Formgebung des Halbleiterden vorbeschriebenen Anordnungen, welche sich auf die körpers so wählen, daß der Strom, wie in Fig. 7a Applizierung von Dreieckimpulsen mit einer den dargestellt, durch eine Verengung des Halbleiterkritischen Wert übersteigenden Gesamtspannung über körpers hindurchfließen muß. Der Strom kann in die Gesamtlänge des Halbleiterkörpers bezieht. Die 25 diesem Fall einfach in Form eines Impulses angelegt Fig. 3a, 3b, 3c zeigen mehrere Anordnungen zur An- werden.

kopplung örtlich hoher Felder an verschiedenen Stellen Weitere Maßnahmen, Hochfeldzonen auszulösen, des Halbleiterkörpers 30 zum Zwecke der Auslösung welche von anderen Stellen des Halbleiterkörpers als von Hochfeldzonen. In F i g. 3a sind normale Anoden- der Kathode ausgehen, sind in den F i g. 8a und 8b und Kathodenkontaktierungen 31 und 32 zu sehen, 30 gezeigt. Im Gegensatz zu vorher beschriebenen Halbweiche auf den Stirnflächen des Halbleiterkörpers 30 leiterbauelementen ist in dieser Ausführungsform die angebracht sind. Zusätzlich ist eine Elektrode 33 ange- Einkerbung 50 mehr in der Mitte des Halbleiterkörpers bracht, welche auch Steuerelektrode genannt wird. angebracht, um an dieser Stelle die Querschnittsfläche Die Befestigung der Steuerelektrode erfolgt durch zu verengen und in der Nähe dieser Kerbe eine örtlich Legierung des Kontaktes auf die Seitenfläche des 35 hohe Feldstärke zu erzielen. Abgesehen von der Tat-Halbleiterkörpers. An die Anode wird ein positiver sache, daß in diesem Falle Zweipolvorrichtungen vor-Spannungsimpuls der in F i g. 4a mit Ua bezeichneten liegen, ist diese Maßnahme sehr ähnlich der oben in Form angelegt und die Kathodenseite mit Erde ver- Verbindung mit den F i g. 7a und 7b beschriebenen, bunden. In dieser Darstellung ist wiederum der Zum gleichen Zweck läßt sich auch ein Materialbereich kritische Wert mit Ut bezeichnet. Nun wird im Gegen- 40 mit verhältnismäßig hohem Widerstand in den Halbsatz mit der im vorhergehenden beschriebenen An- leiterkörper einfügen, wie beispielsweise in Fig. 8b kopplung an den Halbleiterkörper ein Dreieckimpuls gezeigt, so daß sich über diesen Bereich eine örtlich Utr an die Steuerelektrode und an die Erdklemme hohe elektrische Feldstärke ausbildet. Man sieht, daß gelegt; die Form des Steuerimpulses ist in F ig. 4b der in beiden letzten Fällen die effektive Länge L des Verlauf des resultierenden Stromimpulses in Fig. 4c 45 Halbleiterkörpers, die für die Laufzeit der Hochfelddargestellt. Wie im vorhergehenden Falle, fällt der zone maßgebend ist, wesentlich herabgesetzt wird. Strom nach Anlegen des Zusatzimpulses Utr ab, Bei einem weiteren in Fig. 9 dargestellten Ausjedoch bleibt er auf dieser geringen Impulshöhe für ein führungsbeispiel sind Kontaktierungen 51 und 52, wel-Zeitintervall, welches größer ist als die Länge des ehe der Anode und Kathode entsprechen, auf einer Dreieckimpulses Utr· Die F i g. 3b und 3c erläutern 50 Seitenfläche des Halbleiterkörpers angebracht. Etwa in lediglich Modifikationen der Ankopplung des Steuer- der Mitte des Halbleiterkörpers befindet sich eine signals. In F i g. 3b ist die dritte oder Steuerelektrode Kerbe 53, so daß das aktive Gebiet dieses Halbleiteran der Kathodenseite des Halbleiterkörpers ange- bauelements sich in der Mitte des Halbleiterkörpers bracht, und in F i g. 3c wird der Steuerimpuls kapazitiv unmittelbar in Nähe der Kerbe 53 befindet. Auf diese eingekoppelt. 55 Weise wird die aktive Länge des Halbleiterbauelements

Werden an die Elektroden der oben beschriebenen wesentlich reduziert.

Halbleiterbauelemente Spannungsimpulse der Form Die Maßnahmen zur Auskopplung der Schwingunder F i g. 5a und 5b angelegt, so wirkt das Halbleiter- gen entsprechen im wesentlichen den vorstehend bebauelement wie ein Mikrowellenoszillator. Der Zusatz- schriebenen Maßnahmen zur Auslösung von Hochimpuls Utr ist jedoch länger als die Laufzeit der Hoch- 60 feldzonen.

feldzone innerhalb des Halbleiterkörpers. Infolgedessen Beispielsweise kann entsprechend Fig. 10 unter

nimmt der Stromimpuls die Form des in F i g. 5c ge- Benutzung von ohmschen Kontakten ein Teil einer sich

zeigten Verlaufes an, der mit Ia bezeichnet ist. Man er- über den Halbleiterkörper erstreckenden Spannung

hält hierdurch einen modulierten Oszillator, wobei die abgenommen werden. In dieser Figur ist eine Elek-

Dauer der Schwingungen durch die Länge des Zusatz- 65 trode 60 gezeigt, weiche zur Auskopplung solcher Im-

impulses Utr gesteuert ist. pulse dient. Zwischen dieser Elektrode 60 und der

An Hand der F i g. 6 ist ein mechanischer Aufbau Anode 61 erscheint als Signal eine Spannung nur dann,

des im vorhergehenden lediglich schematisch in wenn sich die Hochfeldzone innerhalb dieses Gebietes,

d. h. zwischen den Kontakten 60 und 61 befindet. Daher ist die Zeitdauer dieses Ausgangssignals gleich der Laufzeit der Hochfeldzone entlang der Strecke von 60 nach 61 und kann sehr viel kleiner als die Laufzeit innerhalb des gesamten Körpers gemacht werden.

Die Schwingungsauskopplung kann auch kapazitiv erfolgen, wobei eine der in F i g. 3c gezeigten kapazitiven Ankopplung ähnliche Ausbildung anwendbar ist. Im folgenden werden Halbleiterbauelemente beschrieben die zur Lösung der verschiedensten elekironischen Aufgabenstellungen ausgebildet sind. Hierzu sind in den Fig. 11abis lic schematisch derartige Vorrichtungen dargestellt. Die in diesen Figuren benutzten Symbole sind in der Legende zu F i g. 11 im einzelnen erklärt.

Als erster Fall ist in Fig. 11a ein Halbleiterbauelement zur Impulsdehnung dargestellt, welches der bereits in Fig. 3a dargestellten Anordnung sehr ähnlich ist. Das Ausgangssignal läßt sich über der Gesamtlänge des Halbleiterkörpers und über einem Lastwiderstand abnehmen, welcher zwischen Anode und der Betriebsspannungsquelle liegt.

Eine derartige Vorrichtung kann auch zur Realisierung einer Verzögerungsleitung benutzt werden. Dieser Fall ist in F i g. 11b dargestellt, bei der das Symbol am Eingang irgendeine der möglichen vorgehend besprochenen Vorrichtungen zum Auslösen der Hochfeldzone bedeutet. Außerdem befindet sich am Ausgang eine Vorrichtung zur Ankopplung des Ausgangssignals. Für eine solche Verzögerungsleitung können wegen der Eigenschaft der Hochfeldzone, ihre Gestalt weitgehend beizuhalten, praktisch beliebig lange Verzögerungszeiten erreicht werden, wobei natürlich lediglich vorauszusetzen ist, daß die Steueramplitude ausreicht, die Auslösung der Hochfeldzone einzuleiten. Fig. lic zeigt eine andere Anwendungsmöglichkeit der Erfindung zur Realisierung einer logischen Oder- bzw. einer invertierten Oder-Funktion. Bei der betreffenden Vorrichtung sind mehrere Eingänge vorgesehen, hier mit Eingang 1 und Eingang 2 bezeichnet, welche Vorrichtungen zum Auslösen der Hochfeldzone entsprechen. Am anderen Ende des Halbleiterkörpers ist eine Vorrichtung zur Auskopplung des Signals angebracht, welches jedesmal dann auftritt, wenn entweder ein Signal am Eingang 1 oder am Eingang 2 anliegt. Durch geringfügige Modifikation der Auslösevorrichtungen läßt sich die invertierte Oder-Funktion in ähnlicher Weise realisieren.

Die Fig. lld stellt ein weiteres Verknüpfungsglied dar. Diese Vorrichtung basiert auf einer früher bereits erwähnten Grundtatsache, die der Wirkungsweise des Halbleiterbauelements zugrunde liegt. Hiernach wird beim Auftreten einer Hochfeldzone in einem Halbleiterkörper, an den eine konstante Spannung, anliegt, die Entstehung weiterer HochfeldzoneiLuntefdrückt, bis die jeweils vorhandene Hochfeldzone die Anode des Halbleiterkörpers erreicht hat. Auf diese Weise erhält man die im Impulsdiagramm der F i g.lld dargestellten Verknüpfungen. Die Eingangssignale werden demnach zu den Zeiten tA und tn ausgelöst, wobei gilt tA — tß < T (T = Laufzeit einer Hochfeldzone), und die Ausgangssignale zu den Zeiten t_x und t_z ausgekoppelt. Aus der zweiten dem Ausgang zugeordneten Spalte dieses Impulsdiagramms, ergibt sich, daß zum Zeitpunkt von ^₁ ein Ausgangssignal nur dann auftritt, wenn zum Zeitpunkt Tb eine Hochfeldzone ausgelöst wird. Zu einem späteren Zeitpunkt t_z ergibt sich ein Ausgangssignal nur dann, wenn eine Hochfeldzone zum Zeitpunkt tA und nicht zum Zeitpunkt tß ausgelöst wird. Dies entspricht der Verknüpfung (AB). Wie aus der dritten Zeile des Impulsdiagramms ersichtlich, liegt zum Zeitpunkt t₂ auch dann kein Ausgangssignal vor, obwohl zum Zeitpunkt tA eine Hochfeldzone ausgelöst ist, da bereits schon eine Hochfeldzone zum Zeitpunkt tß ausgelöst worden ist. Die zum Zeitpunkt tß ausgelöste Hochfeldzone besitzt somit die Wirkung eines Inhibit-Signals. Die Möglichkeit einer Modifikation besteht darin, eine Hochfeldzone zum Zeitpunkt tß an einem anderen Punkt des Halbleiterkörpers auszulösen, wie es gestrichelt angedeutet ist. Dieser Punkt befindet sich näher an der Ausgangselektrode als die bei A befindliche Elektrode. Durch geeignete Abmessungen der entsprechenden Laufzeiten für die bei A und B erzeugten Hochfeldzonen können durch Ausnutzung des oben beschriebenen Inhibit-Mechanismus die zuletzt genannten oder auch andersartigen logischen Funktionen realisiert werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erzeugung oder Verstärkung von elektromagnetischen Schwingungen im Mikrowellenbereich mittels eines einkristallinen Halbleiterkörpers vom N-Leitfähigkeitstyp, der zur Ausbildung innerhalb des Halbleiterkörpers befindlicher elektrischer Felder ohmisch kontaktiert ist und in welchem bei Überschreiten einer kritischen elektrischen Feldstärke auf Grund eines Volumeffektes den Halbleiterkörper durchlaufende Hochfeldzonen ausgelöst werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe eines ersten elektrischen Feldes (Hauptfeld) dicht unterhalb der kritischen Feldstärke gehalten wird und daß an zusätzlichen Mitteln des Halbleiterkörpers mittels eines besonderen Auslöseimpulses ein derartig hohes zweites elektrisches Feld (Auslösefeld) gebildet wird, das sich durch Überlagerung beider elektrischer Felder eine elektrische Feldstärke einstellt, die oberhalb der kritischen elektrischen Feldstärke liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Auslöseimpulses kleiner ist als die Laufzeit der Hochfeldzone durch den Halbleiterkörper.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Auslöseimpulses größer ist als die Laufzeit der Hochfeldzone durch den Halbleiterkörper.

4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als zusätzliches Mittel zur Bildung des Auslösefeldes ein örtlich begrenztes Gebiet hohen Widerstandes und als Auslöseimpuls ein Stromimpuls vorgesehen ist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das im Halbleiterkörper befindliche, örtlich begrenzte Gebiet hohen Widerstandes bei weitgehend konstanter, d. h. von der Längserstreckung des Halbleiterkristalls unabhängiger spezifischer Leitfähigkeit vorwiegend durch eine innerhalb dieses Gebietes angebrachte Querschnittsverengung realisiert ist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das im Halbleiterkörper befindliche, Örtlich begrenzte Gebiet hohen Widerstandes bei weitgehend konstantem, d. h. von der Längserstreckung des Halbleiterkörpers unabhängigem Querschnitt vorwiegend durch einen kurzen Teil-

abschnitt geringerer spezifischer Leitfähigkeit innerhalb dieses Gebietes realisiert ist.

7. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das im Halbleiterkörper befindliche, örtlich begrenzte Gebiet hohen Widerstandes sowohl durch eine Querschnittsverengung als auch durch eine in dieser Gegend angebrachte geringere spezifische Leitfähigkeit realisiert ist.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei welcher mindestens zwei zusätzliche Mittel zur Bildung von mindestens zwei so starken Auslösefeldern vorgesehen sind, daß jedes der Auslösefelder zusammen mit dem Hauptfeld die kritische Feldstärke überschreitet, gekennzeichnet durch seine Anwendung zur Reali-

sierung der logischen inklusiven ODER-FUNKTION.

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bei welcher mindestens zwei zusätzliche Mittel zur Bildung von mindestens zwei so starken Auslösefeldern vorgesehen sind, daß bei Koinzidenz von mindestens zwei dieser Auslösefelder zusammen mit dem Hauptfeld die kritische Feldstärke überschritten wird, gekennzeichnet durch die Anwendung zur Realisierung der logischen UND-FUNKTION.

10. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung zur Impulsverzögerung.

11. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Anwendung zur Impulsdehnung.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen