DE1810097B1 - Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement mit negativem Widerstand - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Gunn-Effekt-Halbleiter- auch dieses Bauelement eine Verbesserung darstellt, so bauelement mit negativem Widerstand mit einem kann es jedoch ebenso wie der herkömmliche Gunn-Halbleiterkörper, an dessen entgegengesetzten Enden Effekt-Oszillator nicht als Verstärker verwendet ohmsche Kontakte angeordnet sind und der min- werden.

destens ein aktives Gebiet aus einem Halbleiter- 5 Es ist auch bereits bekannt, daß ein Gunn-Effektmaterial enthält, das unter dem Einfluß einer elek- Halbleiterbauelement, das auf der durch den Gunntrischen Feldstärke einen negativen differentiellen Effekt bestimmten Frequenz schwingt, bei anderen Widerstand aufweist, sowie mit Mitteln zum Anlegen Frequenzen als Verstärker betrieben werden kann, einer Spannung an die ohmschen Kontakte. Bei dieser Anordnung ist das Produkt aus Halbleiter-

Der Aufbau und die Arbeitsweise von Gunn- ίο länge und Trägerkonzentration größer als 10¹² cm-². Effekt-Halbleiterbauelementen findet Interesse in der Hierbei sind jedoch umfangreiche äußere Schaltungen Halbleiterindustrie. Bekanntlich können hochfrequente erforderlich, nämlich ein Zirkulator, ein Resonator Gunn-Effekt-Schwingungen dadurch erhalten werden, für die Oszillatorfrequenz und eine Einrichtung, die daß an ein geeignetes Halbleiterstück von im wesent- verhindert, daß Oszillatorschwingungen zum Ausgang liehen homogener Beschaffenheit eine geeignete 15 gelangen.

Gleichspannung angelegt wird. Das elektrische Feld Die Gunn-Effekt-Halbleiterbauelemente wurden im

erregt Elektronen aus einem unteren Energiebandtal wesentlichen sämtlich aus η-Typ Galliumarsenid in ein höheres Energiebandtal, wo sie eine höhere hergestellt. Die Galliumarsenid-Gunn-Effekt-Diode Beweglichkeit haben. . und die LSA-Diode weisen im allgemeinen ein Produkt

Dieser Elektronenübergang gibt Anlaß zu Strom- 20 aus Halbleiterlänge und Trägerkonzentration größer ä Instabilitäten, die ihrerseits zur Bildung von diskreten als 10¹² cnr~² auf. "

Gebieten hoher elektrischer Feldstärke und einer Weiterhin ist ein Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement

entsprechenden Raumladungsansammlung führen, die bekannt (nachfolgend als »bekanntes Bauelement« Bezirke genannt werden und die sich vom negativen bezeichnet), dessen Halbleiterkörper an entgegenzum positiven Kontakt ungefähr mit der Träger- 25 gesetzten Enden ohmsche Kontakte aufweist und bei Wanderungsgeschwindigkeit fortbewegen. Das homo- dem das Produkt aus Halbleiterlänge und Trägergene Halbleitermaterial ergibt einen negativen differen- konzentration sowie die angelegte Spannung so getiellen Widerstand für innere Ströme im Gebiet des wählt sind, daß sich ein negativer differentieller Bezirks, wobei die elektrische Feldstärke des Bezirks Widerstand ergibt, der eine Verstärkung ermöglicht, anwächst, wenn er zum positiven Kontakt wandert. 30 daß jedoch wandernde Hochfeldbezirke und dem-Da die Bezirke nacheinander gebildet werden und ein gemäß Gunn-Schwingungen nicht auftreten können, neuer Bezirk nur gebildet werden kann, wenn ein Dabei muß jedoch das Produkt aus Trägerkonzenvorheriger verschwunden ist, hängt die Ausgangs- tration und Halbleiterlänge als etwa 10¹² cm-² bleiben, frequenz von der Länge des Halbleiterstücks ab. Hierdurch ist die Leistung begrenzt, mit der das Andererseits ist die Ausgangsleistung eine umgekehrte 35 bekannte Bauelement betrieben werden kann. Wie Funktion der Länge des Halbleiters, wodurch die beim Gunn-Effekt-Oszillator führt ein Betrieb mit Frequenz und die Leistung des Bauelementes begrenzt zu hoher Leistung zu einer Zerstörung des Halbleiterwerden. Das gilt auch für ein als Oszillator arbeitendes, körpers, wenn dieser nicht lang genug ist, um eine bekanntes Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement der vor- hinreichende Wärmeableitung zu ermöglichen. Eine stehend beschriebenen Art, dessen Halbleiterkörper 40 hiermit zusammenhängende Beschränkung besteht aus drei aufeinanderfolgenden Zonen unterschied- darin, daß das Produkt aus Leistung und Impedanz licher Leitfähigkeit besteht. Die Leitfähigkeit der des Bauelementes umgekehrt proportional dem Qua- ' mittleren Zone ist dabei so gewählt, daß diese Zone drat der Betriebsfrequenz ist, wodurch die Wahl der als aktives Gebiet wirkt, in dem Gunn-Effekt-Schwin- Lastimpedanz und der Betriebsfrequenz begrenzt ist. gungen erzeugt werden können. Die äußeren Zonen 45 Das bekannte Bauelement kann auch als Oszillator sind niederohmig und wirken als ohmsche Kontakte betrieben werden, und zwar bei höheren Frequenzen zu dem aktiven Gebiet. als ein Gunn-Effekt-Oszillator mit gleicher Länge des

In Gunn-Effekt-Halbleiterbauelementen kann in Halbleiterkörpers. Auch hierbei gelten jedoch die bekannter Weise eine neue Schwingungsform erzeugt gleichen Beschränkungen bezüglich der Frequenz und werden, die LSA- (Limited Space-charge Accumula- 50 Leistung wie bei einem Betrieb als Verstärker. Wegen tion) Schwingung genannt wird. Diese neue Schwin- der geringen Trägerkonzentration wird das bekannte gungsform hängt nicht von der Bildung von wandern- Bauelement gelegentlich als auch »unterkritisch dotierden Bezirken ab, ihre Frequenz ist nicht von der ter Verstärker« sowie wegen der geringen Vorspannung Halbleiterlänge abhängig, so daß der Oszillator nicht mit Bezug auf die Trägerkonzentration und HaIbdie obigen Beschränkungen bezüglich der Frequenz 55 leiterlänge als »Unterschwellwertverstärker« bezeichnet, und Leistung aufweist. Der bekannte LSA-Oszillator Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein

enthält ein Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement, einen Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement zu schaffen, das Resonanzkreis und eine Last, deren verschiedene mit höherer Leistung als das vorstehend erläuterte, Parameter so gewählt sind, daß die elektrische Feld- bekannte Bauelement betrieben werden kann und stärke in dem Bauelement zwischen einem oberen 60 auch dessen weitere Beschränkungen nicht aufweist. Energiebandtal, bei dem ein negativer Widerstand Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von

auftritt, und einem unteren Energiebandtal abwechselt, einem Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement der einbei dem ein positiver Widerstand vorliegt. gangs genannten Art aus und ist dadurch gekenn-

In bekannter Weise läßt sich dabei die Bildung der zeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einer Vielzahl wandernden Bezirke verhindern, die für die Gunn- 65 von abwechselnd aktiven und passiven Gebieten Effekt-Schwingung verantwortlich sind, während den- besteht, die so angeordnet sind, daß aufeinandernoch der negative Widerstand erhalten wird, der für folgende aktive Gebiete durch ein passives Gebiet die Erregung von Schwingungen notwendig ist. Wenn getrennt sind, wobei jedes passive Gebiet eine in

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bezug auf die Leitfähigkeit jedes der aktiven Gebiete druck »Gunn-Effekt« soll sich auf jede, auf einem

so hohe Leitfähigkeit oder eine in bezug auf die negativen Widerstand beruhende Erscheinung be-

Querschnittsfläche der aktiven Gebiete so große ziehen, der sich aus der Umverteilung von Majoritäts-

Querschnittsfläche aufweist, daß die unter dem Ein- ladungsträgern zwischen Energiebändern unterschied-

fluß einer an die ohmschen Kontakte angelegten 5 licher Beweglichkeit ergibt.

Spannung in jedem der passiven Gebiete auftretende Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der

elektrische Feldstärke E₀ im wesentlichen der Be- Zeichnungen beschrieben; es zeigt

ziehung F i g. 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel der

. Et_ Erfindung,

M ίο F i g. 2A schematisch einen Teil des Gunn-

Effekt-Halbleiterbauelementes nach Fig. 1,

entspricht, wobei Et die durch diese Spannung in Fig. 2B eine graphische Darstellung der Trägerden aktiven Gebieten erzeugte, einen negativen konzentration in Abhängigkeit von der Länge des differentiellen Widerstand in diesen Gebieten her- Halbleiterkörpers der Fig. 2A,
vorrufende elektrische Feldstärke und M eine Zahl 15 Fig. 2C eine graphische Darstellung des elekgrößer als Eins ist. . irischen Feldes in Abhängigkeit von der Länge des

Es ist also zwischen den Kontakten eine Vielzahl Halbleiterkörpers der Fig. 2A beim Anlegen einer

von aktiven Gebieten angeordnet, die jeweils durch Spannung an die Kontakte,

passive Gebiete getrennt sind. Diese haben eine viel F i g. 3 eine graphische Darstellung des Leithöhere. Leitfähigkeit oder eine viel größere Quer- 20 wertes in Abhängigkeit von der Frequenz in einem schnittsfläche als die aktiven Gebiete. Jedes der der aktiven Gebiete des Halbleiterkörpers der aktiven Gebiete besteht aus einem geeigneten Gunn- Fig. 2A,

Effekt-Material, wie n-Typ-Galliumarsenid, das unter F i g. 4 das Ersatzschaltbild einer Oszillatorschal-

dem Einfluß einer an die Kontakte angelegten Span- tung nach der Erfindung,

nung einen negativen differentiellen Widerstand zeigt. 25 F i g. 5 schematisch ein anderes Ausführungs-

Jedes aktive Gebiet ist jedoch ausreichend kurz, um beispiel der Erfindung,

die Bildung eines Hochfeldbezirks zu verhindern. F i g. 6 schematisch die Anordnung eines Bau-Wegen der hohen Leitfähigkeit bzw. der großen elementes nach der Erfindung in einem Hohlleiter. Querschnittsfläche jedes passiven Gebiets fällt das In F i g. 1 ist schematisch ein verstärkendes Gunnelektrische Feld dort auf einen so kleinen Wert ab, 30 Effekt-Halbleiterbauelement 13 als Ausführungsbeidaß Raumladungsansammlungen abgeleitet werden spiel der Erfindung dargestellt, das in einer Ver- und damit die Bildung von Hochfeldbezirken infolge Stärkerschaltung angeordnet ist, die aus einer Mikroder Ansammlungsschichten vermieden wird, die sonst wellensignalquelle 11, einem Zirkulator 12, einer durch die aufeinanderfolgenden aktiven Gebiete Gleichspannungsquelle 14 und einer Last 15 mit wandern würden. Diese Forderungen werden durch 35 einem Lastwiderstand Rl besteht. Signalschwinspezielle Beziehungen zwischen den Parametern der gungen der Quelle 11 werden über den Zirkulator 12 aktiven und passiven Gebiete erfüllt, die später im einer Übertragungsleitung 16 zugeführt. Von dort einzelnen angegeben werden. kufen sie über das Bauelement 13 zurück zum Zirku-

Da die passiven Gebiete die für die unerwünschten lator 12 und zur Last 15.

Gunn-Effekt-Schwingungen verantwortliche Raum- 40 Das Bauelement 13 besteht aus den ohmschen ladungsansammlung verhindern, bestehen keine Be- Kontakten 17 und 18, einem Halbleiterkörper 19 schränkungen für die Gesamtlänge des Halbleiter- und einer dielektrischen oder halbisolierenden Unterkörpers. Infolgedessen kann das Bauelement mit viel lage 20. Das Bauelement 13 verstärkt infolge eines höherer Leistung als das oben beschriebene, »bekannte differentiellen negativen Widerstands im Halbleiter, Bauelement« mit unterkritischer Dotierung betrieben 45 der durch den kontrollierten Elektronenübergang werden. Ferner hängt das Leistungsimpedanzprodukt oder die Elektronen-Neuverteilung von einem unteren nicht in kritischer Weise von der Frequenz ab. Gegen- Energiebandtal im Leitungsband des Halbleiters auf über dem oben erläuterten, sogenannten LSA-Oszil- ein höheres Energiebandteil entsteht. Die von der lator läßt sich das Bauelement nach der Erfindung Batterie 14 gelieferte Vorspannung erzeugt eine ausnicht nur als Oszillator, sondern auch als Verstärker 50 reichende elektrische Feldstärke, um eine Elektronenverwenden. Dazu sind auch keine komplizierten Neuverteilung zu bewirken. Sie ist jedoch nicht so äußeren Schaltungen erforderlich wie bei dem oben groß, daß Instabilitäten entstehen, die zu Schwinbeschriebenen Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement, das gungen führen. Wie bei dem oben beschriebenen auf der durch den Gunn-Effekt bestimmten Frequenz »bekannten Bauelement«, hängt die Arbeitsweise des schwingt und bei anderen Frequenzen als Verstärker 55 Bauelementes 13 nicht in kritischer Weise von seiner betrieben werden kann. Gegenüber bekannten Gunn- Länge ab, so daß es mit höherer Leistung bei einer Effekt-Halbleiterbauelementen ergibt sich noch der gegebenen hohen Frequenz betrieben werden kann Vorteil, daß die Funktion des erfindungsgemäßen und eine größere Beweglichkeit bei der Wahl des Bauelementes nicht in kritischer Weise von der Länge Produkts aus Leistung und Impedanz gegeben ist.
des Halbleiterkörpers abhängt, so daß ohne Schwierig- 60 Das Bauelement 13 der Fig. 2 A besteht aus keiten eine Anpassung an die verschiedenen An- einer Vielzahl von aktiven Gebieten 22, die sich mit wendungsfälle möglich ist. Die Anwendung des einer Vielzahl von passiven Gebieten 21 abwechseln, erfindungsgemäßen Bauelementes als Verstärker ist Jedes aktive Gebiet besteht aus einem geeigneten wegen des Bedarfs für Festkörperverstärker, die bei Gunn-Effekt-Material mit einer geeigneten Trägerhohen Leistungen extrem hohe Mikrowellenfre- 65 konzentration und axialen Länge, um eine Verstärquenzen verstärken können, besonders vielver- kung in der Raumladungsschwingungsform mit sprechend. kleinem Signal wie bei dem »bekannten Bauelement«

Der vorstehend und nachfolgend benutzte Aus- zu erzielen.

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Die aktiven Gebiete 22 sollen die folgenden Eigen- , .

schäften zeigen: Die oberen und unteren Energie- ^Lc— ^{M ÄDc} ^

bandtäler sind durch eine so kleine Energie getrennt,

daß eine Elektronen-Neuverteilung bei Feldstärken entsprechen soll, wobei M eine Zahl größer als 1 ist, stattfinden kann, die nicht so hoch sind, daß sie das 5 und Xd_c die Debye-Länge der passiven Gebiete, die Material zerstören. Bei der Feldstärke Null ist bei gegeben ist durch Betriebstemperatur die Trägerkonzentration im unteren

Band wenigstens lOmal so groß wie im oberen Band. χ_ΰΒ =

Die Beweglichkeit der Träger im unteren Energieband (Jx₁) ist mehr als 5mal größer als die Beweglich- 10

keit im oberen Energieband (M₂)- Ferner soll die wobei g die Ladung eines Majoritätsladungsträger ist Trägerkonzentration JV* und die axiale Länge Lk und der Index c die passiven Gebiete betrifft, jedes aktiven Gebiets den anderen Parametern im Für manche Materialien soll die Zahl M beträcht-

aktiven Gebiet gemäß der Beziehung lieh größer als 1 gewählt werden, um eine vollständige

i₅ Ableitung einer Raumladungsschicht im passiven ε4π² D₁ εν Gebiet zu gewährleisten. Für n-Typ-Galliumarsenid

— < Nk Lic (1 + γ) < 2.2 — (1) _soll M vorzugsweise gleich oder größer als 10 sein.

?A^{i-^L*- 3i«i Die Beziehung (2) kann an Hand der relativen

Trägerkonzentrationen in den aktiven und passiven

entsprechen, wobei D₁ die Diffusionskonstante ist, 20 Gebieten ausgedrückt werden, indem die Strom-V₀₁ die Trägerwandergeschwindigkeit, μ₁ die Beweg- kontinuitätsgleichungen

lichkeit im unteren Energieband, ε die Dielektrizitäts- _ , ~

konstante, q die Ladung der Ladungsträger und γ ein ~ ^" ^{e B}' *·■ '

Parameter ist, der von der angelegten Spannung ab- / = jv* V₀₁ (6)

hängt. Damit ein negativer Widerstand auftreten 25

kann, muß das elektrische Feld in jedem aktiven betrachtet werden, wobei / der Strom ist. Ein EinGebiet oberhalb eines Schwellwerts E₁ liegen, es darf setzen von (2) in die Gleichungen (5) und (6) ergibt jedoch nicht so stark sein, daß wandernde Bezirke
erregt werden. JlL. > ^Mv°L·... (7)

Wenn auch jedes einzelne aktive Gebiet 22 der 30 Nk μ_εΕτ

Längenbeschränkungen der Beziehung (1) genügt, so

genügt der ganze Halbleiterkörper zwischen den Bei Erfüllung der obigen Bedingungen ergibt sich

Kontakten 17 und 18 dieser Beziehung nicht. Trotz der differentiell negative Widerstand, der für eine der Tatsache, daß die Gesamtlänge L zwischen den stabile Verstärkung erforderlich ist. Es treten jedoch Kontakten viel größer als die beschränkte Länge 35 keine Gunn-Effekt-Schwingungen auf, auch wenn die nach der Beziehung (1) ist, bilden sich keine wan- gesamte Länge des Halbleiterkörpers viel größer als dernden elektrischen Feldbezirke und folglich keine für das »bekannte Bauelement« ist. Gunn-Effekt-Schwingungen aus, weil die passiven Während die Beziehung (3) anzeigt, daß L₀ größer

Gebiete 21 die für die Bildung von Hochfeldbezirken als ein Minimalwert sein soll, so soll dieser Wert verantwortliche Raumladungsansammlung verhindern. 40 jedoch andererseits nicht so groß sein, daß unnötige Wie sich aus der graphischen Darstellung der parasitäre Widerstände oder Induktivitäten hinzu-Fig. 2B ergibt, bei der die horizontale Koordinate kommen. Wenn überdies L₀ mit der Signalwellender in Fig. 2A dargestellten Länge des Bauele- länge im freien Raum vergleichbar wird, müssen mentes 13 entspricht, haben die passiven Gebiete 21 Abänderungen vorgenommen werden, um die richtige eine viel höhere Leitfähigkeit und Trägerkonzen- 45 Phase des Signals zu erhalten. In praktisch allen tration N₀ als die aktiven Gebiete. Wegen dieser Fällen können diese Komplikationen vermieden hohen Leitfähigkeit muß die elektrische Feldstärke E₀ werden, indem die Länge jedes passiven Gebiets in den passiven Gebieten 21 sehr klein sein, wie die kleiner als etwa ein Zehntel des aktiven Gebiets graphische Darstellung der Fig. 2C zeigt. Et ist gemacht wird oder der Schwellwert des elektrischen Feldes, der erforder- 50

lieh ist, um einen negativen Widerstand in den aktiven £_c /_ -JL _% (8)

Gebieten 22 zu erhalten. 10

Aus Fig. 2C wird ersichtlich, daß eine Raumladungsansammlung nicht fortlaufend größer werden Bei dem »bekannten Bauelement« ist der Leitwert kann, wenn sie vom negativen zum positiven Kon- 55 einer verstärkenden Gunn-Effekt-Diode eine Funktakt wandert, und zwar wegen der Herabsetzung der tion der Frequenz und ist negativ für Frequenzbänder, elektrischen Feldstärke in jedem der passiven Gebiete. die je etwa im Bereich einer Frequenz, die gleich Ferner soll das elektrische Feld E₀ gering genug und einem ganzen Vielfachen der Wandergeschwindigkeit, die Länge L₀ jedes passiven Gebiets groß genug sein, geteilt durch die Halbleiterlänge, ist. In gleicher um eine wesentliche Verminderung oder Ableitung 60 Weise tritt bei dem Bauelement der F i g. 1 ein jeder Raumladungsansammlungsschicht zu bewirken, negativer Leitwert und eine entsprechende Verdie durch das passive Gebiet wandert. Stärkung in periodischen Frequenzbändern auf, die

Eine Untersuchung mit Hilfe eines Rechners zeigt, etwa im Bereich einer Frequenz daß das elektrische Feld E₀ und die Länge L_c den
Beziehungen 65 f — ^ ^Vo1 (9)

£_CZ^, (2)

M liegen, wobei JV eine ganze Zahl ist. Diese Fre-

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quenzen sind in Fig. 3 dargestellt, die eine gra- gibt, die größer als die Wandergeschwindigkeit geteilt phische Darstellung des Leitwerts abhängig von der durch die Länge des Halbleiterkörpers ist. Wie bei Frequenz gibt. der Verstärkerversion, muß die Länge der aktiven Wenn ein »bekanntes Bauelement« als Verstärker Gebiete der Beziehung (1) entsprechen, doch kann in eine Schaltung gelegt wird, so ist es stabil. Schwin- 5 durch Verwendung einer großen Anzahl von aktiven gungen treten im allgemeinen nur auf, wenn ein Gebieten die tatsächliche Länge des Halbleiterkörpers Schwingkreis oder wenigstens eine Induktivität in beliebig groß gemacht werden,
der äußeren Schaltung enthalten ist. Der Verstärker Bei der Verwendung als Oszillator ist das Baunach Fig. 1 neigt jedoch mehr zu Instabilitäten, element nach Fig. 2A in etwa analog dem LSA-weil eine Anzahl von aktiven Gebieten in Reihe io Oszillator. Während der LSA-Oszillator durch das geschaltet sind. Hierdurch entsteht die Tendenz, daß elektrische Feld periodisch in Bereiche positiven ein einzelnes aktives Gebiet in Raumladungsform Widerstands gebracht wird, um eine Raumladungsschwingt, auch wenn die anderen aktiven Gebiete ansammlung abzuleiten, benutzt das vorliegende nicht schwingen und die Bildung von sammelnden Bauelement räumlich periodische positive WiderBezirken verhindert wird. Fig. 4 zeigt ein Ersatz- 15 Standsgebiete (das passive Gebiet21) für diesen schaltbild für die Schaltung der Fig. 1, in dem Zweck.

jedes der aktiven Gebiete 22' durch einen negativen Die Forderung der Beziehung (2), daß das elek-Leitwert —G parallel zu einer Kapazität C dargestellt irische Feld in den passiven Gebieten viel kleiner als ist. Eine Untersuchung dieser Schaltungen durch das elektrische Feld in den aktiven Gebieten sein einen Rechner zeigt, daß keines der aktiven Gebiete 20 muß, braucht nicht notwendigerweise nur durch Verschwingt, wenn die folgende Bedingung erfüllt ist: Wendung richtiger Trägerkonzentrationen, wie sie in , der Beziehung (7) beschrieben sind, erfüllt zu werden. > R_{L 5} (10) Die Beziehung (2) kann andererseits durch Ver-

— G\ Wendung passiver Gebiete mit viel größerer Quer-

25 schnittsfläche als diejenigen der aktiven Gebiete

wobei Rl der Belastungswiderstand und k die Anzahl erfüllt werden. Dies zeigt das alternative Ausführungs-

der aktiven Gebiete ist. Die durch die Unterlage 20 beispiel in Fig. 5. Das Bauelement 25 der F i g. 5

gelieferte Parallelkapazität trägt ebenfalls zur Stabili- besteht aus den ohmschen Kontakten 26 und 27,

sierung bei. einer Vielzahl von aktiven Gebieten 28, die jeweils

Ein anderer Vorteil der Unterlage 20 besteht darin, 30 eine Querschnittsfläche Ar quer zur Diodenachse

daß sie eine Wärmeableitung für die relativ kleinen aufweisen und aus einer Vielzahl von passiven Gebie-

aktiven Gebiete bewirkt, die sonst im wesentlichen ten 29, die jeweils eine Querschnittsfläche A₀ quer

thermisch isoliert wären. In der Praxis kompliziert zur Diodenachse aufweisen. Wenn die Trägerkonzen-

die Hinzufügung der Unterlage die Herstellung nicht, tration im ganzen Halbleiter sowohl über die aktiven

vielmehr vereinfacht sie in zahlreichen Fällen, und 35 als auch über die passiven Gebiete gleichmäßig ist,

zwar aus folgenden Gründen: Gunn-Effekt-Halb- wird trotzdem der Beziehung (2) dadurch genügt,

leiterbauelemente mit der erforderlichen Gleichmäßig- daß die Beziehung
keit und Freiheit von Fehlern werden zur Zeit zweck-

mäßigerweise hergestellt, indem die aktive η-Typ- jZ± ;> ⁰¹
Galliumarsenid-Schicht auf einer halbisolierenden 40 A^ μ_βΕτ
Galliumarsenid-Unterlage epitaxial zum Wachsen
gebracht wird. Das Bauelement der Fig. 2A erfüllt ist. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 kann daher hergestellt werden, indem eine stetige ist für manche Zwecke vorzuziehen, weil es aus Schicht mit der Trägerkonzentration Njc der aktiven einem Halbleiter mit gleichmäßiger Leitfähigkeit her-Gebiete auf einer Oberfläche einer halbisolierenden 45 gestellt werden kann. Auf Wunsch kann eine Kombi-Galliumarsenid-Unterlage20 zum Wachsen gebracht nation der Ausführungsbeispiele nach Fig. 2A wird. Die passiven Gebiete 21 können dann her- und 5 dadurch hergestellt werden, daß sowohl die gestellt werden, indem Dotierungsstoffe in die epit- Querschnittsfläche als auch die Leitfähigkeit jedes axiale Schicht diffundiert werden, die die Leitfähigkeit der passiven Gebiete geändert wird, sowohl hierin der gewählten Gebiete stark erhöhen. Die relative 50 kein offensichtlicher Vorteil erkennbar ist.
Leitfähigkeit der passiven und aktiven Gebiete soll Der hauptsächliche Vorteil der Bauelemente der selbstverständlich der Beziehung (7) entsprechen, Fig. 2A und 5 gegenüber der bekannten Technik während die Leitfähigkeit jedes aktiven Gebiets der besteht darin, daß sie bei einer gegebenen hohen Beziehung (1) entsprechen soll. Andererseits können Betriebsfrequenz mit viel höherer Leistung als das die passiven Gebiete mit HiKe des bekannten Metall- 55 »bekannte Bauelement« betrieben werden können, ionenbombardements erzeugt werden. Selbstverständ- Die Leistung hängt von der Länge des Halbleiterlich können auch zahlreiche andere Verfahren mit körpers ab, wie sich aus folgendem ergibt:
den oben beschriebenen Eigenschaften benutzt werden.

Das Bauelement nach Fig. 2 A kann zum P = V~I~, (12)

Schwingen gebracht werden, indem es in eine Oszil- 60 ,.„,.,. . _T, ,. „_T , ,

latorschaltung eingeschaltet wird, die einen äußeren ^WOJ« ^P/^xe^^af^^{s lst}' ^V~ ^die Wechselspannung

Resonator oder wenigstens eine Induktivität parallel ^{und 7}~ ^der Wechselstrom.

zur Last enthält. Die erreichbare Oszillator-Aus- _D « r„i„ i_Är ^ /1 n\

gangsfrequenz entspricht den Frequenzen, die m ' '

F i g. 3 dargestellt sind und bei denen der Leitwert 65 wobei L die Gesamtlänge ist, q die Ladung eines

negativ ist. Dieser Oszillator ist gegenüber dem her- Elektrons und \μ-\ die mittlere differentielle negative

kömmlichen Gunn-Oszillator insofern vorteilhaft, als Beweglichkeit. Da L erhöht werden kann, indem nur

er einen negativen Leitwert für eine Schwingfrequenz die Anzahl der aktiven und passiven Gebiete erhöht

wird, kann die Leistung bei der Betriebsfrequenz vergrößert werden. Bei dem »bekannten Bauelement« ist dagegen die Länge L begrenzt.

Eine weitere Beschränkung des »bekannten Bauelementes« besteht darin, daß das Produkt aus Leistung und Impedanz umgekehrt proportional dem Quadrat der Betriebsfrequenz ist. Bei den Bauelementen nach der Erfindung kann dieses Produkt gewählt werden, indem nur die Anzahl der aktiven und passiven Gebiete gewählt wird, wie sich aus dem folgenden ergibt:

wobei R die mittlere Impedanz des Bauelementes ist und E das mittlere elektrische Feld in diesem.

(15)

wobei k die Anzahl der aktiven Gebiete ist;

R =

/²

(16)

Demnach kann das Produkt aus Leistung und Impedanzprodukt durch Wahl der Zahl k der aktiven Gebiete gewählt werden. Dies ist vorteilhaft zur Anpassung des Verstärkers an die Schaltung, in der er verwendet werden soll.

Ein Kriterium für die Schaltung nach Fig. 1 besteht darin, daß die Gesamtlänge des Bauelementes 13 klein im Verhältnis zur Wellenlänge im Koaxialkabel 16 sein soll, um sich gegen Phasenverzerrungen zu sichern, wenn die verstärkte Energie zurück zum Zirkulator 12 reflektiert wird. Dieses Kriterium kann durch Verwendung der Anordnung nach F i g. 6 geändert werden, bei der ein Bauelement 30 in einem Rechteckhohlleiter 31 angebracht ist. Das Bauelement besteht aus einer dielektrischen oder halbisolierenden Unterlage 32, drei Halbleiterkörpern 33 und den ohmschen Kontakten 34 und 35, die mit jedem der Halbleiterkörper 33 Kontakt machen. Die Halbleiterkörper bestehen jeweils aus aktiven und passiven Gebieten entsprechend Fig. 2A. Am Ende des Leiters ist ein Abstimmkolben 37 mit einem Abstand von dem Bauelement 30 eingesetzt, der einem Viertel der Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz entspricht. Wenn das Bauelement als Verstärker arbeitet, wird Energie von einem Zirkulator zum Bauelement übertragen und zum Zirkulator reflektiert, wie es durch die Pfeile angedeutet ist. Der Hohlleiter wird so erregt, daß sich elektrische Felder zwischen der oberen und unteren Wand des Hohlleiters parallel zu den Halbleiterkörpern 33 erstrecken.

Das Bauteil nach F i g. 6 arbeitet nach demselben Prinzip wie das Bauteil nach Fig. 1. Elektrische Felder im Hohlleiter erregen Wechselströme, die durch den vorher beschriebenen Mechanismus verstärkt werden. Der Vorteil des Bauelementes 30 besteht darin, daß es so lang wie der Abstand zwischen der unteren und oberen Hohlleiterwand sein kann, der seinerseits größer als die Wellenlänge der Signalenergie im Hohlleiter sein kann. Ferner bilden die drei Halbleiterkörper 33 drei getrennte, parallelgeschaltete Bauteile, wodurch die Beweglichkeit bei der Wahl des Leistungs-Impedanzproduktes und der Betriebsleistung selbst weiter erhöht wird.

Wenn auch als Beispiel n-Typ-Galliumarsenid verwendet wurde, so können doch auch andere Gunn-Effekt-Materialien benutzt werden, insbesondere solche Materialien, die einen spannungsgesteuerten differentiellen negativen Widerstand zeigen. Es können p-Typ-Materialien für die aktiven Gebiete verwendet werden, die eine Energieband-Elektronenneuverteilung im Valenzband zeigen. Wenn auch ferner die Raumladungsform, die für den differentiellen negativen Widerstand verantwortlich ist, oftmals an Hand der Theorie kleiner Signale erklärt wird, so ist doch offenbar die Verwendbarkeit der Erfindung nicht auf den Betrieb mit kleinen Signalen begrenzt.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement mit negativem Widerstand mit einem Halbleiterkörper, an dessen entgegengesetzten Enden ohmsche Kontakte angeordnet sind und der mindestens ein aktives Gebiet aus einem Halbleitermaterial enthält, das unter dem Einfluß einer elektrischen f Feldstärke einen negativen differentiellen Widerstand aufweist, sowie mit Mitteln zum Anlegen einer Spannung an die ohmschen Kontakte, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einer Vielzahl von abwechselnd aktiven und passiven Gebieten (22, 21) besteht, die so angeordnet sind, daß aufeinanderfolgende aktive Gebiete (22) durch ein passives Gebiet (21) getrennt sind, wobei jedes passive Gebiet (21) eine in bezug auf die Leitfähigkeit jedes der aktiven Gebiete (22) so hohe Leitfähigkeit oder eine in bezug auf die Querschnittsfläche der aktiven Gebiete (22) so große Querschnittsfläche aufweist, daß die unter dem Einfluß einer an die ohmschen Kontakte (17, 18) angelegten Spannung in jedem der passiven Gebiete (21) auftretende elektrische Feldstärke E_c im wesentlichen der Beziehung

6£

entspricht, wobei Et die durch diese Spannung in den aktiven Gebieten (22) erzeugte, einen negativen differentiellen Widerstand in diesen Gebieten hervorrufende, elektrische Feldstärke und M eine Zahl größer als 1 ist.

2. Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement mit negativem Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Länge und Trägerkonzentration in jedem der aktiven Gebiete (22) ausreichend klein ist, um die unabhängige Bildung von wandernden Bezirken mit hohem Feld in diesen aktiven Gebieten (22) zu verhindern.

3. Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement mit negativem Widerstand nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge L₀ jedes der passiven Gebiete (21) im wesentlichen der Beziehung

L_c>MXnc

entspricht, wobei Xdc die Debye-Länge der passiven Gebiete (21) ist.

4. Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement mit negativem Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Gebiete (22) jeweils aus n-Typ-Galliumarsenid

bestehen, wobei das Produkt Nk Lk aus Trägerkonzentration Nie und Länge Lk gleich oder kleiner als etwa 10¹² Träger je Quadratzentimeter ist.

5. Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement mit negativem Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven und passiven Gebiete (22, 21) sämtlich im wesentlichen dieselbe Querschnittsfläche haben und daß die Trägerkonzentration N₀ in jedem der passiven Gebiete (21) und die Trägerkonzentration Nk in jedem der aktiven Gebiete (22) im wesentlichen der Beziehung

Nc

Mv₀

entsprechen, wobei V₀₁ die Träger-Wandergeschwindigkeit im aktiven Gebiet (22) und μ_β die Beweglichkeit im passiven Gebiet (21) ist.

6. Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement mit nega- ao tivem Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktiven Gebiete (28) und die passiven Gebiete (29) sämtlich im wesentlichen dieselbe Leitfähigkeit haben und daß die Querschnittsfläche A_c quer zur Achse des Halbleiterbauelementes (25) jedes der passiven Gebiete (29) im wesentlichen gemäß der Beziehung

Mv₁

μ_α Et

3°

größer als die Querschnittsfläche Ak jedes der aktiven Gebiete (28) ist (F i g. 5).

7. Schaltung zum Betrieb eines Gunn-EfFekt-Halbleiterbauelementes mit negativem Widerstand nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge-

kennzeichnet, daß Mittel (12, 16) vorgesehen sind, um eine zu verstärkende Signalenergie (11) zum Halbleiterbauelement (13) zu leiten und von dort zu einer Last (15) mit einem Lastwiderstand Rl, der im wesentlichen der Beziehung

-G\

> Rl

entspricht, wobei — G der negative Leitwert jedes aktiven Gebiets (22) bei der Signalfrequenz und k die Anzahl der aktiven Gebiete (22) des Halbleiterbauelementes (13) ist.

8. Anordnung von Gunn-Effekt-Halbleiterbauelementen mit negativem Widerstand nach Anspruch 1 in einem Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter (31) eine dielektrische Unterlage (32) enthält, die sich im wesentlichen über den ganzen Abstand zwischen den entgegengesetzten Wänden des Wellenleiters (31) erstreckt, auf der eine Vielzahl von voneinander getrennten Gunn-Effekt- Halbleiterbauelementen (33) nach dem Anspruch 1 angeordnet sind, wobei jedes der Halbleiterbauelemente (33) mit der Unterlage (32) in Kontakt steht und alle Halbleiterbauelemente (33) gemeinsame ohmsche Kontakte (34, 35) aufweisen (F i g. 6).

9. Gunn-Effekt-Halbleiterbauelement mit negativem Widerstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Längen Lk jedes der aktiven Gebiete (22) und die Längen L₀ jedes der passiven Gebiete (21) im wesentlichen der Beziehung

Lk > Lc > M Xdc

entsprechen, wobei Xdc die Debye-Länge der passiven Gebiete (21) ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen