DE1591084C - Halbleiterbauelement mit Gunn Effekt und dessen Verwendung zum Verstarken und Impulskodieren - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente mit einem Halbleitermaterial, das beihqhen elektrischen Feldstärken Unstabilitätseffekte aufweist, welche" bewegliche Ünstabilitätsbereiche im Halbleitermaterial bewirken.

Wird ein Kristall von bestimmten Halbleitermaterialien einem stationären elektrischen Feld oberhalb eines kritischen Wertes ausgesetzt, dann enthält der durch den Kristall fließende Gesamtstrom einen Schwingungsanteil, dessen Frequenz durch die Ausbreitung der Raumladungsverteilung zwischen den Kontaktflächen des Kristalls bestimmt wird. Es gibt verschiedene Erscheinungsformen, von denen drei wie folgt sich äußern:

a) Es wurde zuerst von J. B. G u η η für III-V-Halbleiter .berichtet (Solid State Communications, Bd. 1, Seitg 38^1963), daß bei diesen Materialien die Erscheinung auf idem Elektronenübergang von einem hohen zu einem niedrigen Zustand der Beweglichkeit beruht. ;

b) Bei CdS ist die Erscheinung auf die Wechselwirkung zwischen driftenden Elektronen und akustischen Phononen zurückzuführen.

c) Es wurde ebenfalls nachgewiesen, daß unter geeigneten' Bedingungen in Germanium sehr langsam bewegliche Unstabilitätsbereiche erhalten werden können, was feldabhängigen Be-

„ weglichkeiteri mit Einfangseffekten zugeschrieben wird.

Die Schwingungsfrequenz ist hauptsächlich durch die Länge des Strompfades durch den Kristall gegeben. Die Erscheinung wurde, wie oben dargelegt, sowohl in III-V-Halbleitern, wie Gallium-Arsenid und Indium-Phosphid vom n-Leitfähigkeitstyp, als auch in piezoelektrischen Halbleitern entdeckt.

Bei piezoelektrischen Halbleitern wird angenommen, daß die Erscheinung der Unstabilitätsbereiche (engl.: domain) der Kopplung zwischen Elektronen und akustischen Phononen zuzuordnen ist. Das Phonon wird definiert als Quant der Gitterschwingungsenergie in einem Kristallgitter.

Unter der Bezeichnung »Halbleitermaterial, das bei hohen elektrischen Feldstärken Unstabilitätseffekte aufweist« wird hier zumindest ein jedes Material verstanden, welches einen im vorstehenden Abschnitt beschriebenen Effekt oder eine ähnliche funktionell damit im Zusammenhang stehende Erscheinung aufweist, die auf einem etwas unterschiedlichen innern Mechanismus beruhen kann.

Der Wert des angelegten Feldes, unterhalb dem ein spontanes Selbstschwingen nicht auftritt, wird als Schwellwert bezeichnet.

Wird der Wert des stationären elektrischen Feldes an irgendeinem Punkt innerhalb des Körpers auf Grund der Wirkung eines Eingangssignals über den Schwell wert während einer kleineren Zeit als die Übergangszeit der Unstabilität zwischen den beiden an das Feld angelegten Kontaktflächen angehoben, so wird der durch den Körper von der äußeren Quelle der Potentialdifferenz fließende Strom einen einzelnen Ausschlag über seinen stationären Wert erleiden, wodurch ein leistungsverstärkter Ausgangsimpuls erzielt wird.

Um die im vorhergehenden Abschnitt beschriebene Arbeitsweise der Herstellung eines einzelnen Impulses zu erhalten, muß der Wert des stationären Feldes einen niederen Schwellwert übersteigen, der experimentell bei gegebenem Material als typisch zwischen 50 und 75% des Schwellwertes liegend ermittelt wurde.. Das. stationäre Feld kann gleichförmig oder zur Verminderung der Gesamtverlustleistung im Bauelement in Form von Impulsen angelegtwerden. * ·

Aus der österreichischen Patentschrift 209377 ist ein Halbleiterbauelement bekannt, das einen Halbleiterkörper mit zwei Kontakten aufweist, an die eine Spannung angelegt wird, welche zur Erregung einer Plasmaschwingung ausreicht.

Die Erfindung betrifft dagegen ein Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit zwei Kontakten aufweist, an die eine Spannung oberhalb einer Schwellspannung angelegt wird, welche im Halbleiterkörper eine Hochfelddomäne auslöst. Ein solches Halbleiterbauelement, welches auch noch ein-

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gangsseitig mit einer gegen den Halbleiterkörper denen die Spannung des Unstabilitätsbereiches durch

isolierten Elektrode zur Beeinflussung des Auslöse- eine oder mehrere Elektroden entlang des Bauele-

vorgangs der Hochfelddomäne versehen werden ments abgetastet werden:

kann, war aus den Unterlagen zum belgischen Patent Das wirksame Halbleiterelement der Figi 1, bei-

665 303 bekannt. 5 spielsweise aus η-leitendem Gallium-Arsenid oder

Bei einem derartigen Halbleiterbauelement kön- piezoelektrischem Halbleitermaterial, besteht aus

nen die Verwendungsmöglichkeiten erfindungsgemäß einer Scheibe 1 mit planparallelen Oberflächen und

dadurch vermehrt werden, daß am Halbleiterkörper mit ohmschen Flächenkontakten 2, die an ihren

zwischen den Kontakten zumindest eine Serie elek- Randflächen befestigt sind. Mittels einer einseitig

trisch parallelgeschaiteter Elektroden angebracht ist, io gerichteten Stromquelle wird eine Potentialdifferenz

welche gegen den Halbleiterkörper elektrisch isoliert von einstellbarem Wert zwischen die Fläehenkon-

sindi takte 2 angelegt; Zum Ableiten jeder Schwingungs-

Die Verwendung des Halbleiterbauelementes nach komponente des im Kristall fließenden Stromes der Erfindung in einer Schaltungsanordnung zum würde ein Ausgangskreis angeordnet werden.
Verstärken eines Mikrowellensignals erfolgt derart, 15 Die in obigen Abschnitten beschriebene Erschein daß an die Kontakte eine Gleichspannung oder nung äußert sich durch das Auftreten einer Schwin-Gleichspannungsimpulse angelegt werden, deren gungskomponente in dem durch den Kristall 1 fliedurch den Gunn-Effekt bewirkter Mikrowellenanteil ßenden Strom in dem nicht dargestellten Ausgangsan den Elektroden abgegriffen wird. Liegt die Höhe kreis, sobald die über den Kristall von der einseitig der Gleichspannung bzw. die Amplitude der Gleich- 20 gerichteten Stromquelle angelegte Potentialdifferenz Spannungsimpulse oberhalb des bereits erwähnten einen kritischen Wert überschreitet; bei einem Kri-Schwellwertes, dann wandern die bei höheren FeI- stall aus Gallium-Arsenid mit einer Länge von zweidern entstehenden Unstabilitätsbereiche zwischen mal 10~²cm liegt die zum Erzeugen einer Schwinden Kontakten durch den Körper und können an der gung erforderliche kritische Potentialdifferenz in der Elektrode bzw. den Elektroden nachgewiesen wer- 25 Größenordnung von 40 Volt, was einer Feldstärke den. innerhalb des Kristalls in der Größenordnung von

Das verwendete Halbleitermaterial muß die ein- 2000 Volt pro cm entspricht. Die Eigenschwingungsgangs erwähnten Eigenschaften, d. h. bei hohen elek- frequenz, welche unmittelbar mit der Länge L des irischen Feldern die erwähnten Unstabilitätseffekte, Kristalls in Beziehung steht, liegt in der Größenaufweisen. Vorzugsweise besteht der Halbleiterkör- 30 Ordnung von 10⁹ Hz.

per aus η-leitendem Gallium-Arsenid oder Indium- Die zwischen die Flächenkontakte 2 angelegte Phosphid; andere III-V-Halbleiter und piezoelek- Potentialdifferenz ist ein experimentell ermittelter trische Halbleiter können ebenfalls verwendet wer- Bruchteil des zum Hervorrufen einer Selbstschwinden, gung erforderlichen und wird derartig gewählt, daß

Offensichtlich ist eine Schaltungsanordnung mit 35 eine oszillierende Schwingungsform oder ein mittels einem Halbleiterelement nach der Erfindung ein einer äußeren Quelle überlagerter Steuerimpuls den durch einen Eingangsimpulszug tastbarer Impuls- Kristall 1 kurzzeitig während jeder Periode der Eingenerator, der Leistung aus einer Gleichstromquelle gangsfrequenz zum Selbstschwingen bringt; der Spitin einen entsprechenden Impulszug von Ausgangsim- zenwert der oszillierenden Signalspannung hebt, mit pulsen umwandelt. Die Eingangsimpulsleistung kann 4° anderen Worten ausgedrückt, das elektrische Feld sehr gering sein, während die mittlere Leistung des innerhalb des Kristalls gerade ausreichend über den Ausgangsimpulszugs einige Watt betragen kann. Da Schwellwert an. Unter diesen Bedingungen wurde die Arbeitsweise der Anordnung unabhängig von ermittelt, daß jede Anregung des Kristalls 1, durch der Impulswiederholungsfrequenz ist — unter der die Spitze des Steuerimpulses 3 beispielsweise, einen Voraussetzung, daß diese niedriger als die Eigen- 45 scharfen Stromimpuls 4 bewirkt, welcher der Poschwingungsfrequenz des Materials liegt —, ist die tentialquelle Leistung entzieht, die im Ausgangskreis Anordnung als aperiodischer Impulsverstärker auf- erscheint. Somit wird eine an das Bauelement angezufassen, der bei Anstiegszeiten von einem Bruch- legte oszillierende Schwingungsform einen entspreteil einer Sekunde über einen großen Bereich von chenden Zug von am Ausgang auftretenden scharfen Impulswiederholungsfrequenzen, d. h. von 0 bis 50 Stromimpulsen verursachen. Unter der Vorausset-10⁹Hz, betrieben werden kann. Nach einer Weiter- zung, daß die Eigenschwingungsfrequenz niemals bildung der Erfindung wird eine oben beschriebene überschritten wird, ist die Wirkungsweise des Bau-Schaltungsanordnung als ein Verstärker für ein fre- elementes im wesentlichen frequenzunabhängig. Die quenzveränderliches Eingangsschwingungssignal ver- verfügbare Ausgangsleistung vom Bauelement hängt wendet, das ein Überschreiten des elektrischen 55 von der zulässigen Verlustleistung innerhalb des Feldes über den Schwellwert innerhalb des Halb- Kristalls ab. Die Ausgangsleistung kann einige Watt leiterkörpers während des Teiles einer jeden Periode betragen. Da der Wirkungsgrad aber relativ niedrig des Eingangssignals bewirkt. Dabei erscheint am ist, wird damit eine relativ hohe Verlustleistung im Ausgang der Schaltungsanordnung ein nicht sinusför- Kristall verbunden sein. Das Steuerpotential kann miges sich wiederholendes Signal mit der Frequenz- 60 zur Verminderung der Dauerverlustleistung impulsmodulation des Eingangsschwingungssignals. förmig zugeführt werden.

Die obenerwähnten und weitere Merkmale der Die Fig. 2 bis 4 der Zeichnung veranschaulichen Erfindung sollen im folgenden an Hand der Zeich- schematisch andere Impulsgeneratoren, bei denen nung beschrieben werden, in der die F i g. 1 schema- das Halbleiterbauelement im Hinblick auf die Hertisch einen Impulsgenerator zeigt, bei der die Span- 65 stellung zusammengesetzter Schwingungsformen und nung der Unstabilitätsbereiche an der Anode abge- Phasendifferenzen bei Frequenzen in der Größentastet wird, und die Fig. 2 bis 4 schematisch andere Ordnung von 10⁹Hz abgewandelt ist. Bei diesen An-Impulsgeneratoranordnungen veranschaulichen, bei Ordnungen weist der Halbleiterkristall 5, beispiels-

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weise Gallium-Arsenid, an seinen Endflächen Flä- schicht 7 kapazitiv mit dem Ausgang verbunden, so

chenkontakte6 auf, an die die Potentialdifferenz daß Serien von Ausgangsimpulsen9 gemäß Fig. 2

sowie die Eingangsschwingung oder der Steuer- erzeugt werden. Bei geeigneter Anordnung der Elek-

impuls 3 in gleicher Weise angelegt wird, wie in der troden 8 könnte der Ausgang des Bauelementes mit

Anordnung gemäß der Fig. 1. Der Ausgang des 5 geeigneter Verzögerung gemäß den Schwingungsfor-

Bauelementes ist jedoch bei diesen Anordnungen men 10 und 11 der F i g. 3 getrennten Schaltkreisen

verändert. Eine Reihe weiterer flächenförmiger Elek- zugeführt werden. Es könnte auch eine Mannigfal-

troden8 sind auf einer Oberflächenseite des Halb- tigkeit von Kodierungen in die Impulse eingebaut

leiterknstalls5 angeordnet und gegen diesen durch werden, wie in Fig. 4 der Zeichnung veranschau-

eine dünne Isolierschicht 7, beispielsweise aus io licht ist.

Quarz, isoliert. Die Mehrfach-Elektroden sind somit Die im einzelnen oben beschriebenen Anordnunnahe dem Unstabilitätsbereich bei hoher Feldstärke gen könnten betrieben werden, indem über die Konim Bauelement angeordnet. Pflanzt sich die hohe takte 6 eine größer als der Schwellwert betragende Feldstärke eines dem angelegten Feld überlagerten Potentialdifferenz angelegt wird, womit Selbstschwin-Schaltimpulses 3 oder einer jeden einzelnen Halb- 15 gen verursacht wird. Bei dieser Arbeitsweise würde welle eines sinusförmigen Eingangssignals in Längs- das Bauelement ohne das Erfordernis einer weiteren richtung des Bauelementes fort, wobei der Schwell- äußeren Steuerung fortlaufend Reihen von Auswert über den kritischen Wert des Bauelementes an- gangsimpulsen abgeben.

gehoben wird, was sich in Form eines scharfen Die Anwendung der vorliegenden Erfindung ist

Stromimpulses im Ausgangskreis äußert, dann wird 20 selbstverständlich nicht auf obige Ausführungsbei-

jede einzelne der Elektroden 8 über die Isolier- spiele beschränkt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement, das einen Halbleiterkörper mit zwei Kontakten aufweist, an die eine Spannung oberhalb einer Schwellspannung angelegt wird, welche im Halbleiterkörper eine Hochfelddomäne auslöst, dadurch gekennzeichnet, daß am Halbleiterkörper (5) zwisehen den Kontakten(6). zumindest eine Serie elektrisch pärallelgeschalteter Elektroden (8) angebracht ist, welche gegen den Halbleiterkörper (5) elektrisch isoliert sind.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (8) konstant ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Elektroden (8) variiert.

4. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (8) gegen den Halbleiterkörper (5) durch eine Isolierschicht (7), insbesondere aus Quarz, elektrisch isoliert sind.

5. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (5) aus Gallium-Arsenid, Indiumphosphid oder einem piezoelektrischen Halbleitermaterial besteht.

6. Schaltungsanordnung zum Verstärken eines Mikrowellensignäls unter Verwendung eines ,Halbleiterbauelementes nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die kontakte eine Gleichspannung oder Gleichspannungsimpulse angelegt werden, deren durch den Gunn-Effekt bewirkter Mikrowellenanteil an den Elektroden abgegriffen wird.

7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsimpulse einer konstanten Gleichspannung überlagert werden, die eine Feldstärke unterhalb der kritischen Schwellfeldstärke ergibt.

8. Verwendung eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 3, zur Kodierung von Impulsen.