DE1591084C

DE1591084C - Semiconductor component with Gunn effect and its use for amplification and pulse coding

Info

Publication number: DE1591084C
Application number: DE19661591084
Authority: DE
Inventors: Carl Peter Bishop's Stortford Hertfordshire Sandbank (Groß bntannien)
Original assignee: Deutsche ITT Industries GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1965-10-27
Filing date: 1966-10-18
Publication date: 1973-06-07

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente mit einem Halbleitermaterial, das beihqhen elektrischen Feldstärken Unstabilitätseffekte aufweist, welche" bewegliche Ünstabilitätsbereiche im Halbleitermaterial bewirken.The present invention relates to semiconductor devices with a semiconductor material that exhibits instability effects at high electric field strengths, which "movable instability areas in the Effect semiconductor material.

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 crystal of certain semiconductor materials has a steady electric field above it exposed to a critical value, then the total current flowing through the crystal contains one Vibration component, the frequency of which is due to the spread of the space charge distribution between the Contact areas of the crystal is determined. There are different manifestations, three of which express themselves as follows:

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. ;a) It was first used by J. B. G u η η for III-V semiconductors .reports (Solid State Communications, Vol. 1, Seitg 38 ^ 1963) that with these materials the phenomenon on the electron transition from a high to a low state of agility. ;

b) Bei CdS ist die Erscheinung auf die Wechselwirkung zwischen driftenden Elektronen und akustischen Phononen zurückzuführen.b) In the case of CdS, the phenomenon is due to the interaction between drifting electrons and acoustic phonons.

c) Es wurde ebenfalls nachgewiesen, daß unter geeigneten' Bedingungen in Germanium sehr langsam bewegliche Unstabilitätsbereiche erhalten werden können, was feldabhängigen Be-c) It has also been shown that under suitable conditions in germanium very slowly moving instability regions can be obtained, which depends on the field

„ weglichkeiteri mit Einfangseffekten zugeschrieben wird."Attributed to weglichkeiteri with trapping effects will.

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.The oscillation frequency is mainly given by the length of the current path through the crystal. As stated above, the phenomenon has occurred in both III-V semiconductors such as gallium arsenide and n-conductivity type indium phosphide, as well as in piezoelectric semiconductors.

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.In the case of piezoelectric semiconductors, it is believed that the phenomenon of regions of instability (English: domain) is to be assigned to the coupling between electrons and acoustic phonons. The Phonon is defined as the quantum of the lattice vibration energy in a crystal lattice.

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.Under the designation »semiconductor material, which has instability effects at high electrical field strengths "has" is understood here to mean at least any material which has one of the above Effect described in section or a similar functionally related phenomenon which may be based on a slightly different internal mechanism.

Der Wert des angelegten Feldes, unterhalb dem ein spontanes Selbstschwingen nicht auftritt, wird als Schwellwert bezeichnet.The value of the applied field below which spontaneous self-oscillation does not occur becomes referred to as the threshold value.

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.The value of the steady electric field is based on any point within the body Reason for the effect of an input signal above the threshold value for a shorter time than that Transition time of instability between the two contact surfaces applied to the field increased, so the current flowing through the body from the external source of the potential difference becomes one suffer a single excursion above its steady-state value, creating a power-amplified output pulse is achieved.

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. * ·To follow the procedure described in the previous section of making a single To obtain momentum, the value of the stationary field must exceed a lower threshold value, the experimentally for a given material it is typically between 50 and 75% of the threshold value was determined .. That. stationary field can be uniform or to reduce the total power loss in the component in the form of pulses. * ·

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.From the Austrian patent specification 209377 a semiconductor component is known which has a semiconductor body having two contacts to which a voltage is applied which is used to excite a Plasma oscillation is sufficient.

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-In contrast, the invention relates to a semiconductor component which has a semiconductor body with two contacts has, to which a voltage above a threshold voltage is applied, which is in the semiconductor body triggers a high field domain. Such a semiconductor component, which also

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gangsseitig mit einer gegen den Halbleiterkörper denen die Spannung des Unstabilitätsbereiches durchon the input side with one against the semiconductor body which the voltage of the unstable area through

isolierten Elektrode zur Beeinflussung des Auslöse- eine oder mehrere Elektroden entlang des Bauele-insulated electrode for influencing the release one or more electrodes along the component

vorgangs der Hochfelddomäne versehen werden ments abgetastet werden:process of the high field domain are provided ments are scanned:

kann, war aus den Unterlagen zum belgischen Patent Das wirksame Halbleiterelement der Figi 1, bei-can, was from the documents for the Belgian patent The effective semiconductor element of Figi 1, both

665 303 bekannt. 5 spielsweise aus η-leitendem Gallium-Arsenid oder665 303 known. 5 for example from η-conductive gallium arsenide or

Bei einem derartigen Halbleiterbauelement kön- piezoelektrischem Halbleitermaterial, besteht ausIn such a semiconductor component, piezoelectric semiconductor material consists of

nen die Verwendungsmöglichkeiten erfindungsgemäß einer Scheibe 1 mit planparallelen Oberflächen undnen the possible uses according to the invention of a disk 1 with plane-parallel surfaces and

dadurch vermehrt werden, daß am Halbleiterkörper mit ohmschen Flächenkontakten 2, die an ihrenare increased by the fact that the semiconductor body with ohmic surface contacts 2, which at their

zwischen den Kontakten zumindest eine Serie elek- Randflächen befestigt sind. Mittels einer einseitigbetween the contacts at least one series of electrical edge surfaces are attached. By means of a one-sided

trisch parallelgeschaiteter Elektroden angebracht ist, io gerichteten Stromquelle wird eine Potentialdifferenztrisch parallel connected electrodes is attached, io directed current source is a potential difference

welche gegen den Halbleiterkörper elektrisch isoliert von einstellbarem Wert zwischen die Fläehenkon-which electrically insulates against the semiconductor body of an adjustable value between the surface contact

sindi takte 2 angelegt; Zum Ableiten jeder Schwingungs-are created in bars 2; To divert any vibration

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 vonThe use of the semiconductor device according to the component of the current flowing in the crystal of the invention in a circuit arrangement for an output circuit would be arranged.
A microwave signal is amplified in such a way that 15 The phenomenon described in the above sections is that a direct voltage or voltage is applied to the contacts through the occurrence of a Schwin DC voltage pulse, the movement component of which is the current flowing through the crystal 1 due to the Gunn effect is tapped in the output (not shown) at the electrodes. The height is circle as soon as the potential difference applied across the crystal by the unilateral DC voltage or the amplitude of the rectified current source exceeds the above-mentioned critical value; ^{at a Kri threshold value, the instability ranges between times 10 ~ 2} cm, which arise with a higher level of gallium arsenide with a length of two times, are the critical potential difference required to create shrinking contacts through the body of the electrode or electrodes can be detected in the order of 40 volts, which is a field strength. within the crystal on the order of

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.The semiconductor material used must be equivalent to 2000 volts per cm. The properties mentioned natural oscillation, that is, at a high electrical frequency, which is directly related to the length L of the Irish field, the mentioned instability effects, crystal, lies in the size. The semiconductor body preferably consists of an order of 10 ⁹ 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, daßby means of η-conductive gallium arsenide or indium die placed between the surface contacts 2 Phosphide; other III-V semiconductors and piezoelek potential difference is an experimental one Tric semiconductors can also be used to induce a fraction of the self-fading, supply required and is chosen such that

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.Obviously, a circuit arrangement with 35 is an oscillating waveform or by means of a semiconductor element according to the invention a control pulse superimposed on an external source, the pulse crystal 1 palpable by an input pulse train briefly during each period of the single generator, the power from a direct current source makes it self-oscillating; the Spitin picks up a corresponding pulse train from the output current value of the oscillating signal voltage and converts it with pulses. In other words, the input pulse power can be very small, the electric field, while the average power inside the crystal can be just a few watts over the output pulse train. Since the threshold value. Under these conditions, the mode of operation of the arrangement was determined independently of the fact that any excitation of crystal 1 is due to the pulse repetition frequency - under which the peak of control pulse 3, for example, is a condition that this is lower than the intrinsic sharp current pulse 4, which the post-oscillation frequency of the material - the potential source power is withdrawn, which appears in the output circuit arrangement as an aperiodic pulse amplifier. Thus, one is touched on the component, which with rise times from a breakage oscillating waveform cause a corresponding part of a second over a large range of corresponding train of sharp pulse repetition frequencies occurring at the output, ie from 0 to 50 current pulses. Can be operated under the prerequisite 10 ^{9 Hz.} According to a further development that the natural oscillation frequency of the invention is never exceeded that described above, the mode of operation of the construction circuit arrangement as an amplifier for a fre-element is essentially independent of frequency. The variable-frequency input oscillation signal available output power from the component depends on the exceeding of the electrical 55 on the permissible power loss within the field above the threshold value within the half-crystal. The output power can be a few watts during part of each period. Because the efficiency but causes relatively low of the input signal. It appears that a relatively high power loss will be associated with a non-sinusoidal crystal in the output of the circuit arrangement. The control potential can be a medium repetitive signal with the frequency pulse modulation of the input oscillation signal to reduce the continuous power loss. be fed in a shape.

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-The above-mentioned and further features of the FIGS. 2 to 4 of the drawing illustrate invention are to be described in the following with reference to the drawing schematically other pulse generators in which voltage in which the FIG. 1 shows the semiconductor component with respect to which Hertisch shows a pulse generator in which the span position of composite waveforms and the voltage of the regions of instability at the anode is scanned for phase differences at frequencies, and FIGS. 2 to 4 show a different order is modified from 10 ^{9 Hz.} In these on-pulse generator arrangements illustrate, in the case of orders, the semiconductor crystal 5, for example

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weise Gallium-Arsenid, an seinen Endflächen Flä- schicht 7 kapazitiv mit dem Ausgang verbunden, sowise gallium arsenide, at its end faces surface layer 7 capacitively connected to the output, see above

chenkontakte6 auf, an die die Potentialdifferenz daß Serien von Ausgangsimpulsen9 gemäß Fig. 2chenkontakte6, to which the potential difference that series of output pulses9 according to FIG

sowie die Eingangsschwingung oder der Steuer- erzeugt werden. Bei geeigneter Anordnung der Elek-as well as the input oscillation or the control can be generated. With a suitable arrangement of the elec-

impuls 3 in gleicher Weise angelegt wird, wie in der troden 8 könnte der Ausgang des Bauelementes mitpulse 3 is applied in the same way as in the electrodes 8 could be the output of the component with

Anordnung gemäß der Fig. 1. Der Ausgang des 5 geeigneter Verzögerung gemäß den Schwingungsfor-Arrangement according to Fig. 1. The output of the 5 suitable delay according to the vibration form

Bauelementes ist jedoch bei diesen Anordnungen men 10 und 11 der F i g. 3 getrennten SchaltkreisenThe component is, however, in these arrangements men 10 and 11 of FIG. 3 separate circuits

verändert. Eine Reihe weiterer flächenförmiger Elek- zugeführt werden. Es könnte auch eine Mannigfal-changes. A number of further sheet-like elec- tric be fed. It could also be a manifold

troden8 sind auf einer Oberflächenseite des Halb- tigkeit von Kodierungen in die Impulse eingebauttroden8 are built into the pulses on one surface side of the halftone of codes

leiterknstalls5 angeordnet und gegen diesen durch werden, wie in Fig. 4 der Zeichnung veranschau-Leiterknstalls5 are arranged and against this by, as illustrated in Fig. 4 of the drawing

eine dünne Isolierschicht 7, beispielsweise aus io licht ist.a thin insulating layer 7, for example from io light.

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.Quartz isolated. The multiple electrodes are thus the arrangements described in detail above The region of instability at high field strengths could be operated by using the Konim Component arranged. If the high cycle 6 grows a value greater than the threshold value Field strength of a potential difference superimposed on the applied field is applied, with which self-oscillation switching pulse 3 or every single halftime 15 is caused. In this way of working would wave of a sinusoidal input signal in the longitudinal direction of the component without the need for another direction of the component, the threshold external control continuously rows of evaluation emit initial pulses above the critical value of the component.

gehoben wird, was sich in Form eines scharfen Die Anwendung der vorliegenden Erfindung istis raised what is in the form of a sharp application of the present invention

Stromimpulses im Ausgangskreis äußert, dann wird 20 selbstverständlich nicht auf obige Ausführungsbei-Current pulse expresses itself in the output circuit, then of course 20 is not referred to the above

jede einzelne der Elektroden 8 über die Isolier- spiele beschränkt.each one of the electrodes 8 is limited by the insulating play.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. A semiconductor component which has a semiconductor body with two contacts to which one Voltage above a threshold voltage is applied, which is a high field domain in the semiconductor body triggers, characterized in that zwisehen on the semiconductor body (5) the contacts (6). at least one series Electrically parallel-connected electrodes (8) is attached, which against the semiconductor body (5) are electrically isolated.

2. Semiconductor component according to claim 1, characterized in that the distance between the electrodes (8) is constant.

3. Semiconductor component according to claim 1, characterized in that the distance between the electrodes (8) varies.

4. Semiconductor component according to Claims 1 to 3, characterized in that the electrodes (8) against the semiconductor body (5) by an insulating layer (7), in particular made of quartz, are electrically isolated.

5. Semiconductor component according to Claims 1 to 4, characterized in that the semiconductor body (5) made of gallium arsenide, indium phosphide or a piezoelectric semiconductor material consists.

6. Circuit arrangement for amplifying a microwave signal using a , Semiconductor component according to Claims 1 to 5, characterized in that the contacts a DC voltage or DC voltage pulses are applied, whose through the Gunn effect caused microwave portion is tapped at the electrodes.

7. Circuit arrangement according to claim 6, characterized in that the voltage pulses a constant DC voltage are superimposed, which has a field strength below the critical Threshold field strength results.

8. Use of a semiconductor component according to claim 3 for coding pulses.