DE2008679A1 - Festkörperbauteil mit Elektronenübergangseffekt - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Festkörperbauteil mit Elektronenübergangseffekt, das als hochwirksamer Mikrowellenverstärker oder Oszillator Verwendung findet. Insbesondere betrifft die Erfindung ein unterkritisch dotiertes, in j ekt ionsst rombegrenztes Bauteil mit Elektronenübergangseffekt, das aus einem Halbleiter besteht, dessen Produkt aus Dotierungsdichte und Länge unter dem kritischen Wert liegt, welcher benötigt wird, um eine ständige Schwingung von Domänen im starken Feld zu erhalten (high-field domain oscillation), bei der das elektrische Feld über nahezu der gesamten Länge der Vorrichtung oberhalb des Schwellwertes der Feldstärke gehalten wird.

Die Erzeugung kohärenter Stromschwingungen im Mikrowellenbereich in homogenen Kristallen aus einem stark n-dotierten

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Galliumarsenid, welche an einer hohen Gleichspannung anliegen, die größer ist als die Schwellenspannung, wird allgemein als Gunn-Effekt bezeichnet. Es ist bekannt, daß der Gunn-Effekt in geeigneten Halbleitern verbunden ist mit dem Übergang "heißer" Elektronen zwischen den Leitungsbandtälern, welche energiemäßig durch Bruchteile eines Elektronenvolts voneinander getrennt sind (electron transfer effect). Die Leitungsbanatäler mit niedriger Energie sind die normalen Elektronenleitungsbänder und eine angelegte Spannung, welche ein ausreichend hohes elektrisches Feld erzeugt, bewirkt, daß die "heißen" Elektronen von der niederen Energie, d.h. den Tälern hoher Beweglichkeit, in die höhere Energie, d.h. die Täler mit geringerer Beweglichkeit, überführt werden, wo sie bezüglich des Leitungsvorganges weniger wirksam sind. Dieser Elektronenübergangsmechanismus ergibt ein Bauteil mit einem spannungsgesteuerten negativen Widerstand, so daß der Ausgangsstrom abfallen kann, obwohl das angelegte elektrische Feld konstant gehalten wird oder ansteigt. Diese Arbeitsweise wurde erstmals durch Gunn am Beispiel eines n dotierten Galliumarsenids beschrieben, dessen n_L-Produkt

12 2 größer ist als ein kritischer Wert von ungefähr 10 /cm (n ist die Gleichgewichtskonzentration der Ladungsträger und L die Länge der Diode). Die Verwendung einer Diode mit einem elektrischen Feld im negativen Widerstandbereich bewirkt die Bildung eines engen Dipolbereichs der Raumladung mit hoher Feldstärke im Bereich zwischen den Elektroden, üblicherweise an der Kathode. Der Bereich mit einem hohen Feld (high-field domain) wird stabil und wandert dann in Richtung der Anode, wo er gesammelt wird. Sodann bildet sich an der Kathode ein neuer Bereich hohen Feldes. Die Periode der resultierenden Stromschwingung ist auf diese Weise proportional der Laufzeit der sich bewegenden Dipolbereiche hohen Feldes durch die Diode. Die Bereiche hohen Feldes übernehmen den Hauptteil der angelegten Spannung und als Ergebnis sinkt die elektrische Feldstärke in dem verbleibenden Teil der Diode unter den Schwellenwert (siehe Figur 1, in welcher

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die elektrische Feldverteilung als Funktion der Länge der Diode zu einem beliebigen Zeitpunkt aufgezeichnet ist). Die geringe elektrische Feldstärke im Kathodenbereich kann der hohen Leitfähigkeit eines "ohmschen" Kontaktes zugeschrieben werden, der einen hochdotierten n⁺-Bereich am kathodenseitigen Ende der Diode erzeugt und der eine ausreichende Zahl von Elektronenladungsträgern injiziert, um d_fie Feldstärke niedrig zu halten. Als Ergebnis einer derartigen ungleichförmigen Feldverteilung ist festzustellen, daß nur ein Teil der Diode, nämlich derjenige Teil mit einem Feld über dem Wert des Schwellenfeldes, eine Hochfrequenz-Schwingungsenergie erzeugt. Der verbleibende Teil der Diode ■ it einer Größe des elektrischen Feldes unter dem Schwellenfeld ist passiv und verbraucht HF-Energie.

Andere Betriebsarten eines Bauteils mit Elektronenübergangseffekt und eines Überkritischen η L-Produkt erreichen als Mikrowellenoszillatoren höhere Wirkungsgrade, indem eine ■ehr gleichförmige elektrische Feldverteilung erzeugt wird, so daß ein größerer Teil des Bauteiles ein Feld oberhalb des Schwellwertes besitzt. Hierbei handelt es sich um LSA-Dioden (Raumbegrenzte Ladungsanhäufung, limited-space charge accumulation) und um die sogenannten Hybriddioden (siehe Figur 1), welche beide äußere Resonanzstromkreise zur Steuerung der Elektronendynamik der Dioden benötigen. Bei der LSA-Betriebsart überlagert die äußere Schaltung der Gleichstromvorspännung eine Hochfrequenzspannung, deren Frequenz größer ist als die Laufzeit-Frequenz und das gesamte elektrische Feld längs der Diode steigt von einem Wert unterhalb des Schwellenfeldes auf einen Wert mehr als dem zweifachen des Schwellenfeldes so rasch an, daß die Raumladungsverteilung des Dipolbereiches hoher Feldstärke keine Zeit hat, sich zu bilden. Die injizierte Schicht mit einer hohen Elektronenhäufigkeit wird im Zwischenraum zwischen den Elektrotroden beim Absinken der HF-Spannungen auf einen Punkt

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gelöscht, wo das Gesamtfeld unterhalb des Wertes des Schwellenfelds ist. Bei der Hjrbridenbetriebeart findet in einer Zeitperiode, welche vergleichbar ist «it eine« HF-Zyklus, eine teilweise Bildung von Bereichen statt. Eine beachtliche, aber nicht voll aufgebaute Domäne baut sich während ihres Durchgangs durch den aktiven Halbleiter auf. Es bestehen während des Betriebs der Diode Domänen in verschiedenen Graden ihrer Bildung. Bei beiden Betriebsarten und auch im Falle der ursprünglichen Gunn-Betriebsart ist das Feld bei der Kathode unter dem Wert des Schwellenfeldes und die FeIdverteilung ist instabil.

Ein anderes Bauteil mit Elektronenübergangseffekt besteht aus leicht dotiertes Halbleitermaterial, dessen Produkt aus Dotierdichte und Länge kleiner ist als der kritische Wert, welcher zur Aufrechterhaltung einer Gunn-Schwingung erforderlich ist. Ein derartig unterkritisch dotiertes

Material besteht aus η-dotiertem Galliumarsenid mit einem

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n-L-Produkt von weniger als 10 /cm , wobei eine ungleichförmige FeIdverteilung entsteht, wenn eine Vorspannung eines elektrischen Feldes oberhalb des Schwellenfeldes herrscht, welches jedoch zeitlich und in seiner räumlichen Lage stabil ist. Die Bildung von Domänen hoher Feldstärke ist unterbunden und das elektrische Feld (siehe Figur 1) steigt stetig von der Kathode zu der Anode an. Durch die Verwendung eines "ohmschen" Kathodenkontaktes, welcher im wesentlichen für Elektronen nicht blockierend ist, 1st eine sehr große Zahl von injizierten Elektronen am Kathodenbereich vorhanden und das elektrische Feld liegt über einen beträchtlichen Teil der Diode unterhalb des Schwellenwertes. Das Bauteil ist im Gegensatz zu Dioden, bei denen eine Gunn-Schwingung auftritt, stabil und dieses Bauteil kann als Verstärker für Signale verwendet werden, deren Frequenz in der Nähe der Laufzeit-Frequenz und ihrer Oberwellen liegt. Bei einer ausreichend großen Mitkopplung kann das Bauteil

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in Schaltungen als Oszillator verwendet werden. Der Wirkungsgrad ist niedrig, da das elektrische Feld über einen Großteil der Länge der Diode niedrig ist und dieser Abschnitt HF-Energie verbraucht. Um einen höheren Wirkungsgrad zu erhalten, ist es daher wünschenswert, das elektrische Feld Im aktiven Bereich mehr gleichförmig und oberhalb des Schwellenfeldes zu halten. Dies konnte bis jetzt sowohl bei den unterkritisch dotierten Dioden, als auch bei den kritisch dotierten Dioden, welche aufgrund des Gunn-Effekts schwingen, nicht verwirklicht werden. Soweit der Literatur zu entnehmen ist, ist dieser Umstand durch die vorhandenen "ohmschen" Kontakte bedingt.

Gemäß der Erfindung wird deshalb bei einem Festkörpermikrowellenverstärker mit einer Anode und einer Kathode und einem dazwischen angeordneten Halbleiterkörper, welcher den Elektronenübergangseffekt bei einer Vorspannung über einem elektrischen Schwellenfeld zeigt und der ein n_QL-Produkt aufweist, welches unter dem kritischen Wert liegt, der für die Aufrechterhaltung einer Gunn-Schwingung erforderlich ist, vorgeschlagen, daß er eine solche Ausbildung erhält, bei welcher die Injektion von Ladungsträgern in den aktiven Halbleiterkörper auf einen gewünschten Wert begrenzt wird, so daß sich ein elektrisches Feld in der Nähe der Kathode und über dem verbleibenden Teil der Länge des aktiven Halbleiterkörpers ergibt, welches über dem elektrischen Schwellenfeld liegt. Vorzugsweise ist das aktive Halbleiterkörpermaterial gleichmäßig dotiert und das nJL-Produkt und der Wert der injizierten Ladungsträger ist so gewählt, daß das elektrische Feld über die gesamte oder einen wesentlichen Teil der Länge des aktiven Halbleiterkörpers im wesentlichen gleichförmig ist.

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Die Begrenzung des injizierten Stromes wird erreicht durch einen Kathodenaufbau, bei welchem eine elektronische Energiepotentialsperrschicht (electronic energy potential barrier) geeigneter Höhe vorhanden ist, oder der eine Raumladungsbegrenzung des injizierten Stromflusses bewirkt, oder bei welchem ein JIa Ib leiterbe reich vorhanden ist, dessen Leitfähigkeit durch eine auf die Kathode auftreffende äußere Strahlung reguliert werden kann. Es können auch andere Verfahren verwendet werden, um den injizierten Strom zu begrenzen, beispielsweise indem der Querschnitt des aktiven Halbleiterkörpers körperlich oder in einer dazu äquivalenten elektronischen Weise sich verjüngt. Üblicherweise wird der neue Verstärker mit ElektronenUbergangseffekt aus einer Diode aus η-dotiertem Galliumarsenid bestehen, wobei mehrere dieser Dioden in Serie oder in einer Serien-Parallel-Schaltung geschaltet sein können, um ein höheres Leistungsniveau bei einer M ikrowel Ie η verstärkung oder bei einer Schwingschaltung zu erzeugen.

Nachfolgend werden einige bevorzugte AusfUhrungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert.

Es zeigen:

Die Figur 1 ein Diagramm der elektrischen Feldverteilung über die Länge der Diode für verschiedene bekannte kritisch und unterkritisch dotierte Dioden mit ElektronenUbergangseffekt und für die neue unterkritisch dotierte injektionsstrombegrenzte (subcritically-doped injection-current limited) Diode (SDICL-Diode).

Die Figur 2 ein charakteristisches Diagramm des negativen Widerstandes, der sich aus dem Verlauf der

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StroMkurve in Abhängigkeit vom elektrischen Feld ergibt bei einen Bauteil mit Elektronenübergangseffekt .

Die Figuren 3 und 4

schematische Diagramme einer Il ikr owe lie n se haltung unter Verwendung einer SDICL-Diode in einer Verstärker- und in einer Oszillatorschaltung.

Die Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer SDICL-Diode, bei welcher die Injektionsstrombegrenzung erreicht wird durch einen Kathodenaufbau «it einer Potentialsperrschicht für die Ladungsträger.

Die Figuren 6 a und 6 c

Diagramme der Elektronenenergie längs des Abstandes bei einer Berührungsfläche zwischen einem Metall und einem Halbleiter bei zwei verschiedenen Methoden der Erzielung der Begrenzung durch eine Sperrschicht nach Figur 5.

Die Figur 6 b ist ähnlich der Figur 6 a, zeigt jedoch zu Vergleichszwecken den Fall, wenn die Diffusion verlängert ist, um einen bekannten "ohmschen" Kontakt zu erhalten.

Die Figur 7 zeigt eine andere Ausführungsform einer SDICL-

Diode mit einem Kathodenaufbau, welche eine p-nübergangszone aufweist.

Figur 8 ist eine Seitenansicht einer weiteren SDICL-

Diode mit einem Kathodenaufbau, welcher einen fremden Halbleiter oder Isolator aufweist, damit eine heterogene Übergangszone mit dem aktiven Material entsteht.

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Die Figur 9

zeigt D lag raue der elektrischen Energie über den Abstand bei einer Diode nach Figur 8 unter verwendung eines fremden Halbleiters oder eines Isolators.

Die Figur 10

Die Figur 11

zeigt eine Seitenansicht einer SDICL-Diode ■it einem Kathodenaufbau, der einen Bereich eines eigen leitenden, oder leicht dotierten, oder Kompensationshalbleltere aufweist.

zeigt die Ladungsträgerdichte entlang der Länge der Diode nach Figur 10 oder einer Diode, bei welcher das gleiche Ergebnis durch Ve rindern der Donatordichte an eines Ende des aktiven Halblelterkristalls erreicht wird.

In Figur 12

ist eine Seitenansicht einer SDICL-Diode alt einem Kathodenaufbau gezeigt, welcher durch eine äuOere strahlung gesteuert wird.

In Figur 13 a

In Figur 14 a

ist die Seitenansicht einer eine besondere Form aufweisenden unterkritisch dotierten Diode gezeigt, wobei in Figur 13 b die Feldverteilung über die Länge der so geformten Diode aufgetragen ist.

ist die Seltene ineicht einer SDICL-Dlode gezeigt, deren Kathodenaufbau in elektronisch äquivalenter Welse der eine besondere Form aufweisenden Diode nach Figur 13 a entspricht,

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Die Figur 14 b zeigt eine Draufsicht auf einen elektrisch

isolierenden Film, welcher ein Teil des Kathodenaufbaus nach Figur 14 a darstellt.

In Figur 15 ist schematisch die Schaltung mehrerer

SDICL-Dioden gezeigt, um ein größeres Leistungsniveau beim Betrieb im Sfikrowellenbereich zu erreichen.

Der Figur 1 ist zu entnehmen, daß das neue, unterkritisch dotierte, injektionsstrombegrenzte (SDICL) Bauteil mit einem Elektronenübergangseffekt eine FeIdverteilung innerhalb des aktiven Bereichs des Halbleiters zwischen der Kathode und der Anode aufweist, welche im wesentlichen gleichförmig und oberhalb des Wertes des Schwellenfeldes ist, so daß bei einem solchen Bauteil der Vorteil des negativ-differentiellen Beweglichkeitseffekts voll wirksam ist. Insbesondere wird das elektrische Feld an oder in der Nähe der Kathode über dem Schwellenfeld des verwendeten Halbleiterma te rials gehalten. Die Figur 1 zeigt, daß das elektrische Feld in idealer Weise über die gesamte Länge des aktiven Bereichs, einschließlich des Teils direkt an der Kathode> über dem Schwellenwert liegt. Hierbei ist zu bemerken, daß auch eine Feldverteilung gemäß Figur 13 b unter die Erfindung fällt, bei welcher das elektrische Feld über einen wesentlichen Teil des aktiven Bereichs oberhalb des Schwellenwerts und das Feld unmittelbar bei der Kathode unterhalb des Schwelle nie ldes liegt.

Gemäß der Erfindung wurde gefunden* daß das elektrische Feld bei oder nahe der Kathode höher als der Schwellenwert gehal ten werden, kann, indem der Injektionset ro» bei der Kathode begrenzt wird. Die Begrenzung dee lajektionestror^s kann erreicht werden durch Verwendung ©ineß »troafes^^feare Kathodenauf baue, d.fe* durci¹ Bloe'ii leres d?r ip..j ix-isrf ·3Γ.

Elektronenladungsträger, la Gegensatz zu den "ohmschen" Kathodenkontakten, welche bei den bekannten Bauteilen verwendet werden, welche im wesentlichen die Elektronen nicht blockieren. Bei anderen AusfUhrungsfomen der Erfindung wird die Begrenzung des injizierten Stromes verwirklicht durch Verwendung eines "ohmechen" oder nicht blockierenden Kathodenkontaktes, jedoch iist dort der aktive Halbleiterkörper in körperlicher Weise oder auf äquivalente elektronische Art so geformt, daß sich die bessere Feldverteilung ergibt. Das elektrische Feld wird über die geaaste Länge oder über einen wesentlichen Teil der gesamten Länge des aktiven Bereichs des Bauteiles nahezu gleichförmig gehalten, indem das Bauteil aus eine» Halbleitermaterial besteht, bei welchem der Elektronenübergangseffekt auftritt, wenn das vorspannende Feld über dem Schwellenfeld liegt, bei welchem jedoch das Produkt aus Dotierdichte und Diodenlänge unter dem kritischen Wert liegt, welcher zur Aufrechterhaltung einer Gunn-Schwingung erforderlich ist. Das bedeutet, daß die Diode ein unterkritisches n₀L-Produkt aufweist, wobei n_ die Gleichgewichtsdichte der Ladungsträger und L die Länge des aktiven Halbleiterkörpers ist. Wie sich aus theoretischen Überlegungen ergibt, ist der Betrieb von Bauteilen mit einem Elektronenübergangseffekt als Hikrowellengenerator am meisten wirksam, wenn das elektrische Feld des Bauteils über die gesamte Länge des aktiven Bereichs gleichförmig ist und wenn das Bauteil über die Schwellenspannung vorgespannt wird. Es ist verständlich, daft die zuvor erwähnte Bedingung für einen wirkungsvollen Betrieb erreicht werden kann bei einem unterkritisch dotierten, injektionsstrombegrenzten Bauteil »it Slektronsnübergangseffekt. Rechnungen , haben ergeben, dafi ein soldier S)ICL-BaQte 11 eisen Wirkung»- grad von etwa 15 % aufweist, wenn *r als Sreitbaadseikrowellenverstärker verwendet wird. Sia# ander® wichtige Eig*aschaft eines unterkritisch dotiertes, iaj^ktioosstrom.begrenz ten Bauteils (subcritlc>ailly-dop«sd injec tion-current-1 i« it*d ■

SDICL) besteht darin, daß es in sich stabil ist und deshalb sowohl als Mikrowellenverstärker oder Mit einer positiven Rückkopplung als wirksamer Oszillator betrieben werden kann. Außerdem ist bei des SDICL-ßauteil kein Einfluß einer Begrenzung durch die Frequenz der DurchlaufzeIt vorhanden, und es kann daher über einen weiten Bereich von Mikrowellenfrequenzen verwendet werden. Da der neue, unterkritisch dotierte Verstärker gleichetromstabil ist, können mehrere SDICL-Bauteile direkt zusammeηgesehaltet werden, um beispielsweise gröfiere Leistungspegel der Mikrowellen zu erhalten.

In bevorzugten Ausführungsfomen der Erfindung besteht der SDICL-Bauteil aus einer zweipoligen Diode, jedoch ist die Erfindung auch dort anwendbar, wo das unterkritisch dotierte

Bauteil mit Elektronenübergangseffekt drei oder mehrere Anschlüsse aufweist, obwohl die Bauteile mit mehreren Anschlüssen bis jetzt für die Erzeugung von Gunn-Schwingungen verwendet werden, wobei die Steuerelektrode oder -elektroden zur Steuerung der Frequenz der Schwingung, zur Änderung der Wellenform des Stromeβ oder zum Triggern der Schwingungen verwendet werden. Der Ausdruck "DIODE" wird sowohl im Sinne eines Bauteils mit zwei Anschlüssen verwendet, als auch im engeren Sinne einer konventionellen Festkörperdiode mit einer gleichrichtenden Übergangszone.

Wie schon zuvor erwähnt, zeigt die Figur 1 zu Vergleichszwecken die elektrische Feldverteilung längs der Diode für eine Anzahl bekannter Bauteile mit Elektronenübergangseffekt, um die Vorteile der neuen SDICL-Bauteile zu verdeutlichen und um die Ausdrücke "unterkritisches n^L-Produkt" und "elektrisches Schwellenfeld" zu verdeutlichen. Im Gegensatz zu dem SDICL-Bauteil, bei welchem das elektrische Feld über einen wesentlichen Teil der gesamten Länge des aktiven Bereiches über dem Schwellenfeld gehalten wird, um dadurch eine größere Stabilität und einen größeren Wirkungsgrad zu erhalten, sind bei den bekannten Bauteilen die elektrischen Feldverteilungen über einen wesentlichen Teil, wenn nicht

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gar über den Hauptteil des aktiven Bereichs unterhalb des Schwellenwertes. Alle diese bekannten Bauteile verwenden "ohmsche" Kontakte, welche eine große Zahl von Ladungsträgern in den Kathodenbereich injizieren, so daß das elektrische Feld am kathodenseitigen Ende des Bauteils unter dem Schwellenwert liegt. Diese Bauteile haben als Mikrowellenverstärker oder Oszillatoren einen schlechten Wirkungsgrad, da die Teile des Bauteils, welche unter dem Schwellenfeld liegen, keine Mikrowellenenergie erzeugen. Die gewöhnliche, unterkritisch dotierte Diode mit einem unterkritischen n_QL-Produkt ist ein Verstärkerbauteil und ist stabil. Die drei kritisch dotierten Bauteile mit Elektronenübergangseffekt haben ein überkritisches n.L-Produkt und werden in der Gunn-, der LSA- und der Hybridbetriebsart betrieben. Sie sind in hohem Maße instabil und können üblicherweise nur als Mikrowellenoszillatoren verwendet werden. Die elektrische Feldverteilung nach Figur 1 für die drei kritisch dotierten Bauteile zeigt den Zustand zu einem beliebigen Zeitpunkt nach der Bildung eines reifen Bereichs hoher Feldstärke (im Falle der Gunn-Betriebsart), nach der Bildung eines nicht reifen Bereichs hoher Feldstärke (im Falle einer Hybridbetriebsart) oder nach Bildung einer elektronensammelndeη Schicht (im Falle der LSA-Betriebsart), wobei diese entsprechenden Feldverteilungen längs der Länge der Diode oder eines Teils in Richtung der Anode davon aufgetragen sind. Wie schon erwähnt, bestehen die Bauteile mit einem Elektronenübergangseffekt üblicherweise aus einem η-do tier ten GaI-

12 2 liumarsenid, dessen kritisches η L-Produkt 10 /cm beträgt.

Die Bauteile mit Elektronenübergangseffekt können auch aus anderen Halbleitermaterialien mit einer ähnlichen Elektronenverteilung, wie beispielsweise Kadmiumtellurid, Indiumphosphid oder Zinkselenid bestehen und da das kritische n.L-Produkt, oberhalb welchem die Gunn-Schwingung auftritt, als eine physikalische Eigenschaft des entsprechenden Halbleitermaterials anzusehen ist, wird das kritische nJL-Produkt '

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für diese Materialien natürlich von demjenigen des Galliumarsenids sich unterscheiden.

Die Bedeutung eines elektrischen Schwellenfeldes E-_th für Halbleitermaterialien mit einem Elektronenübergangseffekt wird kurz anhand der Figur 2 erläutert. Wird an eine Diode mit einem Elektronentransfereffekt eine Gleichspannungsvorspannung angelegt, verhält sich dieses Bauteil zuerst im wesentlichen nach dem Ohmschen Gesetz und der Strom steigt direkt proportional mit dem elektrischen Feld an, wenn das elektrische Feld ansteigt. Der Teil der Kurve zwischen dem Nullpunkt, welcher mit a bezeichnet ist, und der Spitze der Kurve, die mit b bezeichnet ist, bei welchem die Maximalgeschwindigkeit der Ladungsträger auftritt, ist im wesentlichen linear. Hierbei ist die Geschwindigkeit der Ladungsträger proportional dem elektrischen Feld. Zwischen dem Punkt b, bei welchem die Maximalgeschwindigkeit der Ladungsträger auftritt, und dem Punkt c beginnt die Abweichung vom Ohmschen Gesetz wesentlich zu werden und das Bauteil tritt dort in den Bereich eines negativen differentiellen Widerstandes ein. Im Bereich des negativen Widerstandes nimmt die Geschwindigkeit der Ladungsträger ab, obwohl das elektrische Feld ansteigt. Dies hat seinen Grund in dem zuvor erwähnten Elektronenübergangseffekt, bei welchem einige Elektronen von den Leitungsbandtälern hoher Beweglichkeit überführt werden in Täler geringerer Beweglichkeit, wo sie dann für den Leitungsmechanismus weniger wirksam sind. Das elektrische Feld am Punkt c wird bezeichnet als Schwellenfeld E.. und es handelt sich hierbei um das kleinste durchth

schnittliche Feld, welches anzulegen ist, damit der Elektronenübergangseffekt auftritt. Ist das Halbleitermaterial kritisch dotiert, handelt es sich um das minimale anzulegende Feld, bei welchem derGunn-Effekt zu beobachten ist. Das vorspannende elektrische Feld muß natürlich dieses Schwellenfeld E_t- übersteigen und liegt weiterhin im Bereich

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des negativen Widerstandes der Kurve 21, d.h. dem Teil der Kurve, welcher zwischen den Punkten c und d liegt. Für ein η-dotiertes Galliumarsenid beträgt der Wert des Schwellenfeldes ungefähr 3 000 Volt/cm. Bevor der Aufbau und die verschiedenen Wege zur Herstellung einer SDICL-Diode behandelt wird, werde« typische Mikrowellenschaltungen erklärt, in welchen eine SDICL-Dicde als Verstärker und als Oszillator verwendet wird. Die Figur 3 zeigt einen Weg der verwendung einer SDICL-Diode als Mikrowellenverstärker. Es ist verständlich, daß es hier noch zahlreiche mögliche andere Schaltungen gibt. An einem Anschluß einer SDICL-Diode 22 liegt über eine HF-Drosselspule 31 eine positive Gleichstromvorspannung, welche über der Schwellenspannung liegt. Die Gleichspannung wird erzeugt durch eine geeignete elektrische Potentialquelle, wie beispielsweise eine Batterie Die anderen Anschlüsse der Diode 22 und der Stromquelle 23 liegen an Masse. Durch eine übliche Signalquelle 24 wird ein Mikrowellenfrequenzsignal erzeugt, welches über einen dreischlitz igen Zirkulator 25 und einen Gleichstrom sperrenden Kondensator 26 an den Anodenanschluß der SDICL-Diode gelangt. Das verstärkte Signal wird über den Kondensator zum Zirkulator 25 zurückgeführt und liegt sodann an der Last 27 an, bei welcher es sich im gezeigten Beispiel um eine an Masse liegende Widerstandslast handelt. In den Fällen, wo die SDICL-Diode als Mikrowellenoszillator arbeitet, ist es notwendig, eine positive Rückkopplung vorzusehen. Eine typische Mikrowellenoszillatorschaltung ist in Figur gezeigt. Diese Schaltung dient ebenfalls wieder als Beispiel für viele mögliche andere Schaltungen. Die SDICL-Diode 22 ist hierbei innerhalb einer Resonanzkammer 28 angeordnet, welche an einem Ende eine Koppel irisblende 29 und am anderen Ende einen beweglichen Kurzschlußschieber 30 aufweist. Über eine HF-Drosselspule 31 liegt an der Anode der Diode 22 eine positive Vorspannung der Batterie 23, welche über dem Schwellenwert der Diode liegt. Die Kathodenelektrode ist

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an eine Wand der Resonanzkammer 28 angeschlossen. In bekannter Weise liefert die Resonanzkammer 28 an die Diode eine positive Rückkopplung, wobei das oszillierende Ausgangssignal durch die Koppeliris 29 an einen Ausgangsleiter angekoppelt wird. .

Es wurde schon zuvor erwähnt, daß bei einem Betrieb der SDICL-Diode als hochwirksamer, stabiler Mikrowellenverstärker es erforderlich ist, daß ein geeignetes Halbleitermaterial verwendet wird, das ein unterkritisches n₀L-Produkt hat und daß der Kathodenaufbau so ausgeführt wird, daß das elektrische Feld an oder nahe der Kathode gleichförmig auf einen Wert oberhalb des Schwellenfeldes des verwendeten Halble ite materials gehalten wird. Durch richtige Wahl des unterkritischen nJL-Produkts und der Stromstärke der injizierten Ladungsträger kann das Feld in der Diode im wesentlichen gleichförmig gehalten werden. Die Steuerung der Dotierung bei einem Bauelement mit Elektronenübergangseffekt zur Erzielung des gewünschten n_QL-Produktes ist bekannt. Diese umfaßt kurz gesagt die Wahl des Betrages der Donatorverunreinigung, welche dem Halbleitermaterial während seiner Herstellung zugefügt wird, damit es auf den gewünschten Grad dotiert wird. Ein aktiver Bereich eines Halbleitermaterials mit e inem unterkritischen n_QL-Produkt wird üblicherweise als leicht dotiert bezeichnet. Ein wesentlicher Bestandteil der Erfindung sind die verschiedenen Methoden des Aufbaus der Kathode, damit ein elektrisches Feld erhalten wird, welches über dem Schwellenwert des aktiven Bereichs des Halbleiters mit einem unterkritischen n-L-Produkt liegt. Hierbei wird der Kathodenaufbau so gewählt, daß er eine relativ niedrige Leitfähigkeit aufweist. Das elektrische Feld erreicht den Schwellenwert innerhalb des Aufbaus in einem sehr kurzen Abstand und das Feld im aktiven Halbleiterkörper liegt an jeder Stelle über dem

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Schwellenwert. Im Grenzfall eines geeignet sperrenden Kontaktes ist, wie anschließend beschrieben, die Dicke des Kathodenaufbaus gleich Null.

Es folgt eine Beschreibung der verschiedenen Mittel, um das gewünschte hohe elektrische Feld an oder nahe der Kathode zu erhalten. Die beschriebenen Mittel können für sich allein oder in Kombination miteinander verwendet werden. Es ist verständlich, daß die Erfindung nicht auf die beschriebenen Kathodenanordnungen beschränkt ist. Die Begrenzung des injizierten Stromes kann durch vier Hauptmethoden erreicht werden. Diese sind eine Begrenzung durch eine Kathodenpotentialsperrschicht, durch eine Raumladungsbegrenzung, die Verwendung einer äußeren Strahlungsquelle und letztlich eine geometrische Formgebung des aktiven Bereichs des Halbleitermaterials auf physikalischem oder dazu äquivalentem elektronischem Wege. Die verschiedenen Formen oder Ausbildungen der Erfindung zeigen die Figuren 5 bis 14. Hierbei wird ein elektrisches Feld von einem im wesentlichen gleichförmigen Wert über dem Wert des Schwellenfeldes an oder nahe der Kathode und über die gesamte Länge des aktiven Bereichs erhalten, wie es in Figur 1 in idealer Weise gezeigt ist. Das elektrische Feld muß nicht den gleichen Wert oder nahezu den gleichen Wert aufweisen, nachdem es den Schwellwert überstiegen hat, es ist jedoch wesentlich gleichförmiger als die Feldverteilung bekannter Anordnungen (siehe Figur 1).

Bei den verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung wird vorzugsweise die aktive Halbleitermasse gleichmäßig dotiert, d.h. das Halbleitermaterial hat eine im wesentlichen konstante Gleichgewichtsdichte der Ladungsträger η und eine gleichmäßige Querschnittsfläche. Die Länge L der aktiven Halbleitermasse hängt von dem gewünschten Frequenzbereich ab. Sie kann für einen bestimmten Fall in bekannter Weise

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bestimmt werden. Das ix-L-Produkt einer gegebenen Probe muß natürlich unter dem kritischen Wert liegen. Obwohl es eine theoretische Grenze für die untere Grenze gibt, liegt ein geeigneter Bereich innerhalb zweier Größenordnungen unterhalb des kritischen Wertes. Für ein η-dotiertes GsI-

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liumarsenid mit einem kritischen n_rtL-Produkt von 10 /cm

10 liegt das n-L-Produkt typischerweise z?/ischen 10 und

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10 /cm . Das im aktiven Bereich erzeugte innere elektrische Feld liegt oberhalb des Wertes des Schv/elüLenf-sldes," dessen Größe vom Halbleitermaterial abaäagt. Hier besteht tiblicher- - weise eine obere Grenze, welch© bestimsat ist durch die Durchschlagsfestigkeit-des Materials,, Sin Bereich vom Zwei-' bis Dreifachen des Schwellenwertes .ist geeignet« Für ein ado-tiertes Galliumarsenid mit einept elektrischen Schwellenfeld von 3 000 V/cm liegt das"erzeugte inner© elektrische Feld typischerweise zwischen 3 000 und 9 000 V/cm. Wurde nach einer bekannten Methode die Höhe des erforderlichen Injektionsstromes für eine gewählte elektrische Feldstärke bestimmt, „dann können die körperlichen Abmessungen und Merkmale der verschiedenen Elemente des "Kathodenaufbau-s nsteh bekannten Techniken ermittelt werden. Weiterhin iiängsn die genauen. Abmessungen, Dotierungsgrad usw. in irgendeinem be-' stimmten Fall von den physikalischen Eigenschaften des aktiven Bereichs ab, die ihrerseits vom gewünschten Frequenzbereich abhängen«, Es ist daher .ausreichend," die relativen oder angenäherten-Abmessungen, Dotierangsgr&d, Temperaturen usw. anzugeben, da diese Informationen ausreichend sind,, die Erfindung, anzuwenden. ' -

Die-Steuerung des Elektrodeηstromes, welcher-von der Kathode injiziert -"wird, kann erreicht werden, durch Einfügen einer 2Sle]ictro£i@&e-n@rg ie sperrschicht --in den - Kathode nkontakt, der " dann- "nicht-Ohaiisch" oder ©lektronensperr©ßd ist. Durch die -ideale Energies per r se hie lit geht ©la K lek trosse ns t rosa hindurch, welcher gerade groß genug ist, ui ein hohes-elektrisches Feld in der-.unmittelbaren "Nähe der Kathode zu

- .,■ . ' 00SJ38./HIS .

erz«ugun.» (^-eignete Aufbauten der Kathode, welche in diese Gruppe ί al j cn, werde« natühxoigenci diskutiert.

1. Ein .au^:^vn^virüngsbfcj.üpiej, oimir !.:■> CL-Xi iede mit einer solcivfcii Kulavü^huvt .ist iu Figur ;. gezeigt. Der aktive B& r.·-λ-.·:/_; .'^.7 Dv-ocit i...fii.f Ai··-; --Ληί'..· Körper 34 eines geeignet \<j> it-Λ ¹S .VVt;..;.,.;. üö'i,:u;".·. i.--. v·?,loit? v. t-rm<iterials mit einem !i..i^;K;;iu;;-:'::;')H:ⁱrgai!:4i'e"f'-Kt_f yit·. ;>■-· lspieiswe ise ein nüf.· t.\■·'."■.· i--v .■ -,Vi iiuiiU i.-i-;·;■... ;. 'fiiüiüM>;>hosphi.d, Kadmiuratellurid '.>c.'^r ϊ,;.\>....λ^>< ulu. ν or au-.--Η eist besteht der aktive Halbit iU /'Hi-ry-.: t- 34 auss i-ivac-n,; unifc.i.-kii-itisch, gleichmäßig niioΙλλ-γΙι-ιι C>aiiiur,;a.i'sPu:tü mit e:'nvsti rechtwinkligen paralic-ii.-;c:u-j ;;:·:» Aufbau vui¹ ."■ :? wost-,, t^f icneu konstantem quadrat U'i.-;;.;-!· Ch ^:·:-! ϊ· reel·. ^;.A^f"i..iiä;"l.·..-;.Oii Quc, .-ichiix i, i;, Obwohl nicht i.ti,ff; - .- ■:.-■■ -r.;-xiiuKIi;-.L öift^;.·!., hiXiy i^: u.u: anderen Ausführungs-. ;. ί\ί·.ί'-υ :,χ-ί;: ä ί:· der tv?.-C >..<'(-/.. ig UUeDx-¹Hb t Arien aktiven Be-- * ■·-■ li-i' ;:ΐ'^!- ο ^! .'.^Rs ;/;«it".::.·.-·- ■>. phyt·:·. κ ' ixs%ch^ra Aufbau. Der ü"' it '. ' ·'..■:·'..'.U-. Ki'iii-^-: -■".:·· -. ■ rfi ^i; auodtusc itlgen Ende des k■:.'.',·■-. . ■■'', .-.o. bfl; ^j;?' .y:- ;Jisv' ::ui gCi-üoct. Üblicherweise i;' (.: ;>'-j- .':. ..,>u;-^kc'-· s-^¹, i. ' i-J.-i ^:'uj vsenrfr'¹ Kontakt und kann ^. χ;-.-. .:/...-. j :.e <«.·:.. :-.«; ·αί> ΐχ-'-ί)·:·^«. welches in dan Anoden-ί,'ί-ί-ν. ■.■.;: ·/" xxi ίΐΓίΟΤ-.; »."Ι υ ;..<■.· .»it'.i-ie.s /iiide uos Körpers 34 stark tioti-'i, «ί?' jfia t .».roc-ο.λί-. -.'-.ι ;.ak.^:- 3f> anderex-dieits ist bei ti.iesej/ /iu;vi. i'h-CUiig&iü'.¹::! ti ^:-.n oiei·, i/orifcnbJ ockiex-ender oder "i_ixo<TL\.>]"üi\-"-,;.itv!.r^;t u"jLaIlicüsitir K^--u:aki (Gold ist ein .sol-Cue« Afc ί'..·..".' i) j weiche.;.- χ-;.-.,..·. das Ka .''JiOUeI)RJeitige Enae des Kälblo ί U^CKörpiiA-i» =>4 u.;i/ii Ij.gy-no.einen geeigneten Prozeß &Λΐ{>\*\.τ-Ά<--ι!i yki.ru_t duxi,r .'an s.lc-h üi« Alektrouenpotentialöpox-i.-.scif U-.jji. ei-g^t, Vüi.";.s ge^aüKchi, künn an den Katho--&«rikw! i..viir!. ..!υ ei« f .t- X. ι :\:i.- sei ran i ürtgt'scnlossen bein, wci-uiicf/ coü 'icu-alivta A-js-.-.K-ufl 3/ u;>idti ,. Ein anderer ahnlicnw.r /.ν- ί. tuMgsaralil ;.\--*α~ί ain .'iuodenkoor.akt 3ö nej se !..α αηίί r.>Ilt>et üort ^--^ positiven ^iXK^iiiuS 3B..

Die ElektronenenergieSperrschicht, welche die Injektion von Ladungsträgern in den Halbleiterkörper 34 begrenzt, ist besonders eine Metall-Halbleiterpotentialsperrschicht einer geeigneten Höhe 0, welche als •Schottky-Sperrschicht bekannt ist. Die Schottky-Theorie stellt für den Kontakt zwischen Metall und Halbleiter fest, daß sich an der Berührungsfläche zwischen Metall und Halbleiter eine physikalische Sperrschicht bildet, die zu unterscheiden ist von bei der Herstellung entstandenen chemischen Sperrschichten. Die elektronische Energiesperrschicht bildet sich, wenn die effektive Austrittsarbeit des Halbleiters, die definiert ist als Energiedifferenz zwischen seinem Ferminiveau und dem Nullniveau, geringer ist als die Austrittsarbeit des Metalls, so daß, wenn beide zueinander in Kontakt gebracht werden, Elektronen vom Halbleiter zum Metall fließen. Das Ferminiveau '.E- ist definiert als die Energie, bei welcher die Besetzungswahrscheinlichkeit (Fermi-Verteilungsfäktor) eines Energieniveaus einhalb ist. Da Elektronen zu dem Metall wandern, erhält das Metall eine negative Flächenladung und der Halbleiter lädt sich positiv auf über einen Bereich, der sich in den Halbleiter hinein erstreckt und der als Schottky-Sperrschicht bezeichnet wird. Die Potentialsperrschicht, welche an der Berührungsflache entsteht, ist im Energie diagramm gemäß Figur 6 a schematisch gezeigt. Hierbei ist die Energie in Elektronenvolt gegenüber des Abstand auf der Abszisse aufgetragen und die dick ausgezogene Linie rechts von der Berührungsfläche stellt die Unterseite des Leitungsbandes dar, Der Wert der Sperrschicht 0 wird sowohl beeinflußt von dem Zustand der Berührungsfläche am Metall-Halbleiterkontakt, was zuvor nicht erwähnt wurde, als auch durch die Austrittsarbeit des Metalls und die Elektronenaffinität des Halbleiters. Üblicherweise bestehen daher Diskrepanzen

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zwischen den theoretischen und experimentellen Ergebnissen» Es wurde experimentell ermittelt, daß die Anpassung der Materialien, um den gewünschten Wert von 0 zu erhalten, von dem verwendeten Halbleiter und den Verunreinigungen in der Gesamtmasse und in der Oberfläche abhängt. Dies gilt besonders bei einem Metall-Galliumarsenidsystem. Einen allgemeinen Überblick einschließlich experimenteller Ergebnisse einer Metall-Halbleiteroberflächensperrschicht nach der Schottky-Theorie ist zu finden in Journal of Applied Physics, Band 47, No. 6, Seiten 2458 - 2467, Mai 1966 in einem Aufsatz von Geppert, Cow ley und Dore mit des Titel "Correlation of Oktal-Semiconductor Barrier Height and Metall Work Function; Effect of Surface States".

Für eine Metall-Halbleiterenergiesperrschicht der Höhe ist der maximale Elektronenstrom J, welcher über die Sperrschicht unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes E an der Sperrschicht wandert, gegeben durch

J - AT² exp [ (ß J/sT- 0)/kT-]

wobei A, k und ß Konstante sind und T die Temperatur darstellt. (Weitere Informationen über die obige Gleichung sind zu finden in dem Artikel von Tantraporn "Electron Current Through Metal-Insulator-Metal Sandwiches" in Solid State Electronics, Band 7, 1964, Seiten 81 Aus der Gleichung kann abgeleitet werden, daß wenn 0 klein ist wie bei einem "ohmsehen" oder nicht sperrenden Kontakts S-O noch einen großen Grenzwert der Stromdichte erlaubt. Ist 0 andererseits groß, vrlrd J sehr klein werden bei einer gegebenen Temperatur und E müßte an der Sperrschicht einen großen Wert haben, damit das gewünschte Niveau der Stromdichte ermöglicht wird. Für einen geeigneten Wert von 0, der bei Galliumarsenid 0,28 t 0,05

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ElektronenvoIt beträgt, liegen die Stromdichte J und das Feld E in dem hier interessierenden Bereich. Ein derartiger Kontakt ermöglicht im Galliumarsenid ein elektrisches Feld, dessen Wert längs des gesamten Diodenkörpers 34 über dem Schwellwert liegt und somit die wirksamste Form annimmt.

2. Die zweite Form eines strombegrenzenden Kontaktaufbaus mit einer elektronischen Energiesperrschicht zwischen Metall und Halbleiter von einer geeigneten Höhe 0, wie sie in Ziffer 1 beschrieben wurde, erhält man durch die Diffusions- oder lonenimplantationstechnik. Zur Verdeutlichung dieses Auf baus wird die übliche Methode zur Er~> reichung eines "ohmschen" Kontakes durch die Diffusionstechnik erläutert anhand des Energiediagramms gemäß Figur 6 b. Wenn der kathodenseitige Metallkontakt ein Donator, wie beispielsweise Zinn, ist, wird der Kontakt für einige Sekunden auf eine relativ hohe Temperatur von . ungefähr 400° C erhitzt, wodurch die Donatorverunreinigungen in den Kathodenbereich diffundieren, so daß sich ein stark dotierter η -Bereich unmittelbar an der Berührungsfläche bildet. Die Sperrschicht ist so dünn, daß die Elektronen durch sie hindurchwandern können infolge eines Mechanismus, der als Quantentunnel bekannt ist. Hier findet also kein Überspringen eines Sperrschichtniveaus statt. Wird eine gering positive Spannung an die Anode angelegt, ist eine ausreichend große Zahl von Elektronen im Leitungsband nahe der Kathode vorhanden, so daß ein raumladungsbegrenzter Strom erzeugt wird, oder ein ohmscher Strom, welcher abhängt von der Größe der Leitfähigkeit der Halbleitermasse. Wie die Figur 6 b zeigt, ist eine sehr kleine, im wesentlichen durchlässige Kathodensperrschicht vorhanden und ein derartiger Kontakt wird dann ein "ohmscher" Kontakt genannt, da nahe der Kathode nur ein vernachlässigbar kleiner

Spannungsabfall erforderlich ist» Die Länge der Pfeile stellt die Größe des Stromes bei verschiedenen Energiehohen dar. Andererseits ergibt bei einem Galliumarsenid vor der Hitzebehandlung ein Z inn kontakt einen ,blockierenden Kontakt (gleich wie in Figur 6 a) und es tritt ein vernachlässigbar kleiner Stromfluß auf. Zwischen diesen beiden Extremen bestehen Zwischenstufen, von denen eine in Figur 6 c gezeigt ist, Diese wird erhalten durch Erhitzen des Zinnkontaktes auf eine niedrigere Temperatur als sie erforderlich ist, um einen "ohmschen" Kontakt zu erzeugen. Hierbei wird über längere Zeit (einige Minuten) auf eine Temperatur um 200 bis 350° C erhitzt, was im Kathodenbereich des aktiven Halbleiterkörpers 34 eine diffundierte Donatordichte ergibt. Der Aufbau der SDICL-Diode mit einem solchen Kathodenraechanismus ist der gleiche wie er in Figur 5 gezeigt ist. Auf diese Weise ist die Dicke der Sperrschicht in einem Bereich, wo die "thermoionische" Komponente der Stromdichte über die Sperrschicht hinweg in der gleichen Größenordnung ist wie diejenige der Tunnelwirkung durch die Sperrschicht hindurch bei Energien, welche unterhalb der Sperrschichthöhe liegen. Die Tunnelkomponente als Funktion der Energie wird bei niederen Energien kleiner und wird vernachlässigbar gering bei Energien unter einem Niveau, welches in Figur 6 c mit 0_eff bezeichnet ist. Mit anderen Worten, es können also nur solche Elektronen das Metall verlassen und in das Leitungsband des Halbleiters eintreten, deren Energien größer sind als 0_e-«. Das gewünschte 0__« für

eIi cii

Galliumarsenid beträgt O,28 - O,O5 Elektronenvolt. Obwohl die maximale Sperrschichthöhe 0 zu hoch ist, um eine ausreichend große "thermoionische" Stroekomponente zu ermöglichen, bewirkt die Form der Sperrschicht ein solches Verhalten, als ob nur eine Sperrschichthöhe 0 _» vorhanden wäre. Gemäß dem zitierten Artikel von Tantraporn

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ergibt ©ine sefaeii&ter© Sperrschicht 0_e:pf eine Stromdichte, die weniger teaperftturabkäBgig m&ä mehr feldabhängig ist als eine MetAll-Halbleitersperrschicht, wie sie unter Ziffer 1 beschrieben wurde, Die gewünschte zwischen-1 legende Sperrschicist "gemäß Figur S c kann entweder durch ein gesteuertes Kontaktglfihen ©der durch Ionenimplantation erzeugt werden*

3. Bei einer anderen AusfShrmsgsfonTder Erfindung erreicht . aan eine. .gleiclraäSige "elektronische-Sperrschicht durch Verwendung eines Xfet&aoden&uibaias Bit ©issea in Sperrichtung Betriebenes p--»a Üfeergassg, Bai⁵ aktive Bsi*©ich des Halbleiterkörpers 34 .dieser-Art SBICL-Diod© (siehe Figur 7) besteht vorzugsweise aus -ein®β ußterlsritisch gleichmSEig E-doti©rt©a Gallii»asars©Hid! mit ©iaee geeig- -neten "ohmscfi©ii^M aaod@nseitigea- Metallkontakt 35. Di© Kathode w<sist ®iss.em ^ohasehem¹" isetallissfeen Sathodenkon- - takt 3S auf, w©lc&©£* l&ei®pi©lsw©ise aus %±tik besteht, das in den dünnen Bsseicb d©s p-doti©rtes Galliuaarsenids e inge teaapert ist. Genere 11. teilde t d©r dttone .Be r® ich' de s p-dotierten Halbleiters eis®a Teil des K&thodenaufbaus und ist aus deja glsiefaea Material wie der η-dotierte Halbleiterkörper 34, der desa aktives Bereich'darstellt. Eine solche p-n-Übergangszone wird während des Betriebs der SDICL-Dlode in Sperrichtung betriebes. Der Stro® durch einen in Sperrichtung isetriefeeaeis -p-n- Übergang erfordert ein beträchtliches Feld,-dessen* Höhe davon abhängt_f wie die Donator- und.Acceptorladungsträger in der Übergangszone verteilt siud urad wie groß die Dick© des p-Bereiches ist. BeJjR interessiereades- Bauteil ist di@ Dick® des p-Bereichs einige Mikr©H stsrfe 12Bd die Konzentratioa der Löcher des p-Bereicits. ist voö der gleichen. Größenordnung ■wie- die ElektronenkoiszfeBätx*ati@sii to n-Bö-re-ich,-" welche.

3 5 —3
IO en. oder ^©aige-r beträgt, "Der- p-rKathodeabereich und der sfett^® a-<i©ti©rte Bereich 34 können,,;, falls .

erwünscht, in einem kontinuierlichen Verfahren unter Verwendung konventioneller Fertigungsmethoden durch richtiges Dotieren hergestellt werden. Beispielsweise kann die Herstellung einer solchen Übergangszone für die Verwendung als Injektionsbegrenzer für ein geeignetes Stromniveau erreicht werden durch epitaxiales Anwachsen oder durch Eindiffundieren von Verunreinigungen.

Ein Kathodenaufbau mit einer heterogenen Übergangszone, d.h. einer Übergangszone an der Berührungsstelle zweier verschiedener Halbleiter, um eine elektronische Energiesperrschicht von vorausbestimmter Höhe zu erhalten, wird nachfolgend beschrieben. Es ist angebracht, zur gleichen Zeit andere Arten von heterogenen Übergangszonen zu behandeln, welche keine elektronische Sperrschicht haben, sondern dafür eine geringere Elektronenbeweglichkeit aufweisen und einen steilen Anstieg des elektrischen Feldes ergeben. Sie sind deshalb besser der nächsten Ausführungsform eines Kathodenaufbaus bei einer SDICL-Diode mit einer Raumladungsbegrenzung zuzuordnen. Der physikalische Aufbau dieser Art von SDICL-Diode ist in Figur 8 gezeigt. Der Kathodenaufbau bei diesem AusfUhrungebeispiel umfaßt einen "ohmschen" metallischen Kontakt 39, welcher an einem Bereich 41 angebracht ist, der aus einem geeigneten fremden oder unterschiedlichen Halbleiter oder einem Nichtleiter besteht. Bei einem aktiven Bereich 34 aus η-dotiertem Galliumarsenid kann der Kathodenbereich 41 beispielsweise aus Germanium oder Galliumphosphid bestehen, oder aus einem Nichtleiter, wie beispielsweise aus einem sehr dünnen polimerisierten Kunststofffilm. Die heterogenen Übergangszonen können in bekannter Weise hergestellt werden, beispielsweise indem der aktive Bereich des Galliumarsenids epitaxial auf dem Germaniumhalbleitersubstrat aufwächst.

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Die Figuren 9 a und 9 b zeigen die Energiediagramme bei der Verwendung eines fremden Halbleiters oder eines Nichtleiters für den Kathodenbereich 41, wobei dieser Kathodenbereich einmal eine kleinere Bandlücke und zua anderen eine größere Bandlücke als der aktive Bereich 34 aufweist, unter der Voraussetzung, daß links ein "ohmscher" Kontakt vorliegt. In diesen Energiediagrammen, bei denen es sich um übliche Diagramme einer Funktion in Längsrichtung der Diode handelt, stellt die obere Kurve den unteren Teil des Leitungsbandes dar, während die untere Kurve den oberen Teil des Valenzbandes wiedergibt. In Figur 9 a stoßen die Elektronen auf eine Energiesperrschicht an der Übergangszone des Kathodenbereiches 41 mit dem aktiven Halbleiterkörper 34. Dies ist die Stelle der heterogenen Übergangszone zwischen Germanium und Galliumarsenid, wobei die geeignete Höhe der Sperrschicht 0,28 t 0,05 Elektronenvolt beträgt. Da eine Begrenzung der Injektion der Ladungsträger vorhanden ist, wird ein hohes Feld erreicht, welches über dem Schwellenfeld liegt. In Figur 9 b besteht der Kathodenbereich 41 aus einem Material mit einer großen Bandlücke. Dem Energiediagramm kann entnommen werden, daß hier keine Sperrschicht vorliegt, jedoch der Bereich 41 eine Charakteristik geringerer Elektronenbeweglichkeit zeigt und ein steiles Ansteigen der elektrischen Feldstärke bewirkt. Diese Art der heterogenen Übergangszone tritt auf, wenn Galliumphosphid gleich stark dotiert wird wie der Galliuraarsenidkörper. Alternativ hierzu kann der Bereich 41 aus einem sehr dünnen polimerisierten Kunststoff^Im bestehen.

Wie angezeigt wurde, ist der Kathodenaufbau, dessen Energiebeziehungen schematisch in Figur 9 b gezeigt sind, dem folgenden Weg der Herstellung eines Kathodenaufbaus für eine SDICL-Diode zuzuordnen, in welcher die gewünschte

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Begrenzung des Injektionsstromes verwirklicht wird durch das Entstehen einer Raumladungsbegrenzung.

5. Der Injektionsstrom wird begrenzt, indem die Kathode einen eigenleitenden, oder einen sehr leicht dotierten, oder einen kompensierten Halbleiterbereich aufweist, welcher eine Begrenzung des durch ihn hindurchwandernden Elektronenstroms durch einen Raumladungseffekt bewirkt. Gemäß Figur 10 ist der metallische Kathodenkontakt 39 ein üblicher "ohmscher" Kontakt, jedoch besteht für dieses Teil der Kathode keine Beschränkung außer der, daß es reichlich Elektronen bereitstellen soll. Der eigenleitende oder leicht dotierte Halbleiterbereich 44 hat eine Länge d, welche gegenüber der Länge des aktiven Bereichs 34 wünschenswert klein ist. Die eigenleitende Schicht 44 bewirkt ein Ansteigen des inneren elektrischen Feldes bis über das kritische Feld hinaus in einem Abstand, welcher in Bezug auf die Länge der Diode kurz ist. Dies wird bewirkt durch die Kombination eines ohmschen Spannungsabfalls und von Raumladungseffekten. Da der eigenleitende Bereich 44 Energie verbraucht, sollte der durchschnittliche Spannungsabfall längs diesem Bereich so klein wie möglich gehalten werden. Damit nicht die gesamte Eingangsleistung verloren geht, sollte die eigenleitende Schicht nicht größer sein als 10 % der Dicke des aktiven Bereiches 34. Bei einem eigenleitenden Halbleiter handelt es sich um einen solchen, welcher keine wesentlichen elektrisch aktiven Verunreinigungen oder innere Defekte aufweist, obwohl durch thermische Energie bei Raumtemperatur einige Paare von Löchern und Elektronen erzeugt werden. Das Material hat einen hohen Widerstand und wenige '' freie Elektronen nehmen an dem Le it ungs Vorgang teil. In Figur 11 ist die Elektronengleichgewichtskonzentration n_Q aufgezeichnet als eine Funktion der Länge der SDICL-Diode nach Figur 10. Der metallische Kathodenkontakt ist begrenzt durch die Linie 45, während der eigenleitende

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Bereich durch die Linie 46 begrenzt ist. Innerhalb des metallischen Kathodenkontakts ist n.. hoch, so daß ein reichlicher Elektronenstrom geliefert ?pird. n_Q sinkt dann innerhalb des eigenleitenden Bereichs über die Distanz d bis nahezu auf Null ab. Die Elektronengleichgewichtskonzentration n~ steigt sodann an und ist innerhalb des aktiven Bereichs über die Distanz L nahezu konstant, wobei die Größe unter dem kritischen Wert des n_L-Produkts liegt. Beim metallischen Anodenkontakt steigt n_ abrupt an. Das innere elektrische Feld E innerhalb der eigen leitenden Schicht steigt von nahezu Null auf einen Wert über dem Wert des Schwellenfeldes E,, am kathodenseltigen Ende des aktiven Bereichs an und wird dann in geringerem Maße über die Länge L bis zum Anodenkontakt größer.

Die eigenleitende Schicht 44 besteht aus einem reinen eigenleitenden Halbleiter, einem leicht dotierten Halbleiter oder eine» Korapensation8lhalbi©iter. Ein Köaap@B-sationshalbleiter ist ein solcher, welcher sowohl Donatorais auch Äcceptorverunreinigungen besitzt, bei welchem jedoch der .Gesamteffekt nahezu Null ist. Unter der Voraussetzung, daß der Halbleiterkörper 34 aua einem unterkritisch η-dotierten Galliumarsenid besteht, ist der einfachste Weg zur Erzielung dieser Art des Diodenaufbaus die Herstellung einer eigen leitende η Schicht aus Galliumarsenid. Die eigenleitende Schicht kann gebildet werden beim letzten Schritt während des epitaxialen Wachsens des η-dotierten Galliumarsenids. Dies kann erfolgen bei einem plötzlichen Abfall der Substrattemperatur während der Dampfphase beim epitaxialen Wachsen oder durch Dotieren alt Elsen. Die eigenleitende Schicht kann auch gebildet werden durch Ionenimplantation, beispielsweise durch Bombardieren des Galliumarsenids mit Wasserstoffionen einer Energie größer als 50 OOÖ Elektronen volt.

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Die Größe des ohmschen Stromes und des Raumladungestromes sind direkt proportional der örtlichen Beweglichkeit der Elektronen. Es ist deshalb vorteilhaft, die Elektronenbeweglichkeit der eigenleitenden Schicht so gering wie möglich zu halten. Hierdurch wird die Geschwindigkeit, mit welcher das elektrische Feld entlang der eigenleitenden Schicht anwächst, ein Maximum. Bei Galliumarsenid kann dies erreicht werden durch Einfügen von möglichst vielen, tiefliegenden kompensierenden lonenverunreinigungen. Eine zweite Möglichkeit der Erzeugung der eigenleitenden Schicht 44 besteht in der Verwendung eines Materials mit einer geringen Elektronenbeweglichkeit, wie beispielsweise Galliumphosphid. Dies erfordert natürlich die Herstellung einer heterogenen Struktur. Das Galliumphosphid kann hierbei epitaxial auf dem Galliumarsenid anwachsen.

Der Vorteil einer Kathode mit einer eigen leitenden Schicht besteht darin, daß sie unkompliziert ist und üblicherweise eine geringere Temperaturempfindlichkeit aufweist als die Kathoden, bei welchen eine Elektronenenergiesperrschicht vorhanden ist. Obwohl die eigenleitende Schicht Energie verbraucht, kann dieser Effekt, wie angezeigt wurde, vermindert werden.

Eine Injektionsstrombegrenzung kann auch durch eine auf die Kathode auftreffende äußere Strahlung erreicht werden, wie nachfolgend beschrieben wird.

6. Die Kathode umfaßt eine normale elektronensperrende Kontaktschicht und die Ladungsträgerdichte wird von außen durch einfallende Lichtquanten gesteuert. Der Kathodenaufbau dieser Ausführungsform einer SDICL-Diode (Figur 12) umfaßt einen Kathodenkontakt 47, welcher für Photonen durchlässig ist, Elektronen absperrt und, wenn negativ

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vorgespannt, Elektronenlöcher sammelt. Vorzugsweise besteht der Kathodenkontakt aus einem halbtransparenten Material, wie beispielsweise einem dünnen Zinnoxyd und die Lichtquelle ist senkrecht auf die Kathodenfläche gerichtet. Eine geeignete Lichtquelle besteht aus einem Halbleiterlaser oder einem Gaslaser und eine typische Dicke für den Zinnoxydkontakt beträgt 1 bis 10 Mikron. Wenn die Photonen mit einer Energie von hr" vom Galliumarsenid direkt unterhalb des Kathodenkontaktes 47 absorbiert werden, werden Paare von Elektronen und Löchern erzeugt, wobei die Menge von der Lichtintensität abhängt. Bei einer normalen Polarität der Diodenvorspannung werden die so erzeugten Elektronen im Galliumarsenidkörper beschleunigt und nehmen an der Verstärkung eines dynamischen Signals teil, während die Löcher vom Kontakt 47 eingesammelt werden. Die Elektronenerzeugung und damit der Diodenstrom sind bestimmt durch die Strahlungsintensität der äußeren Strahlungsquelle, da der Kathodenkontakt 47 elektronensperrend ausgebildet ist, d.h. er injiziert nur einen vernachlässigbar geringen Elektronenstrom, wenn dort eine negative Spannung herrscht. Hierdurch kann das elektrische Feld unmittelbar am kathodense it igen Ende des aktiven Bereichs 34 auf einer Höhe gehalten werden, welche höher ist als das kritische Schwellenfeld bei Verwendung als negativer Widerstand.

Der Kathodenkontakt 47 kann auch aus einem mechanisch perforierten, elektronensperrenden Metallkontakt bestehen. Der elektronensperrende metallische Kontakt hat typischerweise eine Löchermatrix, ähnlich der in Figur 14 b gezeigten, oder ist mit mehreren, parallel verlaufenden Schlitzen versehen. In diesem Fall ist die Strahlung durch die kleinen Öffnungen oder Perforationen im Metallkontakt direkt in unmittelbare^ Nähe des Metallkontaktes auf das Galliumarsenid gerichtet. Die Elektronen-Löcher-

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Paare werden durch Absorption der auftreffenden Photonen vom Galliumarsenid erzeugt. Die sich ergebenden Elektronen gelangen in den aktiven Bereich des Halbleiterkörpers und gleichzeitig werden die Löcher vom metallischen Kontakt Infolge der Diodenvorspannung ähnlich wie bei der zuvor beschriebenen transpartenten Elektrode angezogen.

7. Die Ladungsträgerdichte im Kathodenaufbau kann auch von außen durch Steuern der Betriebstemperatur gesteuert werden. Bei einer gemäß Ziffer 1 oder 2 hergestellten Diode mit einer kathodenseitigen elektronischen Energiesperrschicht 0, wie sie in Figur 6 a und 6 c gezeigt ist, kann der Wert von 0 zu gering sein, so daß die Kathode einen zu großen Elektronenfluß liefert, um das gewünschte Feld zu erhalten. Durch Erniedrigung der Arbeitstemperatur wird dieser Fluß reduziert und das gewünschte Feld an der Kathode ergibt sich, indem das erforderliche Stromniveau durch eine entsprechend gewählte Temperatur eingestellt wird. Das Umgekehrte ergibt sich, wenn 0 zu groß ist, so daß dann das Bauteil bei einer höheren Temperatur betrieben wird, obwohl eine höhere Betriebstemperatur aus anderen Gründen nicht wünschenswert ist.

Die folgenden Methoden der Verwirklichung einer Begrenzung des injizierten Stromes bei einer SDICL-Diode besteht in einer Verjüngung der Querschnittsfläche der Diode entweder auf körperliche Weise oder auf eine äquivalente elektronische Weise.

8. Ein durchschnittliches elektrisches Feld oberhalb des Schwellenfeldes kann über den Hauptteil der Länge der SDICL-Diode erreicht werden durch Verjüngung des geometrischen Querschnitts der Diode. Wie der Figur 13 a zu entnehmen ist, hat der aktive Halbleiterkörper 50 nahe

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dem metallischen Kathodenkpntakt 51 eine relativ geringe Querschnittsfläche. Der Körper 50 ist so verjüngt ausgebildet, daß sich die Querschnittsfläche in Richtung des metallischen Anodenkontakts 52 vergrößert. Der aktive Halbleiterkörper 50 kann aus einer vierseitigen Pyramide mit einem quadratischen Querschnitt oder einem Konus mit einem kreisförmigen Querschnitt bestehen. Es sind jedoch auch andere Formen verwendbar, solange die Kathodenfläche kleiner ist als die Anodenfläche. Da der gesamte elektrische Strom durch die Diode kontinuierlich ist und die Querschnittsfläche der Kathode kleiner ist als die Quersehaittsflache der Anode, wird die durchschnittliche elektrische Feldstärke in unmittelbarer Nähe der Kathode ansteigen. Dies wird dadurch bewirkt, daß im Kathodenbereich eine höhere Stromdichte, herrscht als bei einer nicht verjüngten Diode mit gleichförmiger Querschnittsfläche und sich dadurch dort ein höheres elektrisches Feld ergibt. Wie der Figur 13. b .zu entneteea ist, steigt die elektrisehe Feldstärke m®hr rasch, töbe-r. dea Wert des Schwellenfeldes I . se uad bleibt iber diesem Wert entlang der gesamten Länge L des aktive© Bereichs der Diode.

Die Querschnittsfläche des· Kathode kann ein Hundertstel aal kleiner sein als die Querschnittsfläche der Anode. Die Verjüngung kann durch verschiedene Arten mechanischer Bearbeitung, wie Schleifen, Sägen, Ultrascaal!behandlung oder durch chemisches Äteen einer Diode, deren Kathode und Anode in geeigneter Weise abgedeckt sind, erreicht werden. Die Kathoden- und Anodenkontakte 51 und 52 sind vorzugsweise "ohaische"- Kontakte. Is sei erwähnt, daß g@Ga@t?iS3h ^erj'tegte -Oszillatoren" mit einem Elektronentransiereffekt oftmals als Shoji-Dioden bezeichnet werden (Siehe "Proceedings of the IEEE, Band 55, No. 130, 1967), jedoch sind die sich verjüngenden Shoji-Dioden

kritisch dotiert und arbeiten im hohen Feldbereich der Gunn-Schwingungen.

Anstelle einer geometrischen Verjüngung des aktiven Halbleiterkörpers kann auch eine elektronische äquivalente Methode zur Begrenzung des Injektionsstromes angewendet werden. Diese besteht darin, einen Teil der Kathodenfläche abzusperren und einen oder.mehrere elektronenemittierende Kathodenorte vorzusehen, deren Gesamtfläche im Vergleich zu der Querschnittsfläche und der Länge des Halbleiterkörpers klein ist. Bei einer geeigneten Konstruktion ist das Anwachsen der elektrischen Feldstärke in bezug auf den Abstand zur Kathode um einiges größer als bei einer Kathode mit Raumladungsbegrenzung. Gute Resultate werden erreicht, wenn die elektronenemittierende Kathodenfläche etwa 20% der Anodenfläche beträgt. Eine bevorzugte Ausbildung des Kathodenaufbaus (siehe Figur 14 a und 14 b) besitzt eine Matrix von gleich großen "ohmschen" elektronenemittierenden Kathodenpunkten. Diese Matrix kann beispielsweise hergestellt werden, indem eine Isolierschicht 53 auf den aktiven Bereich des Kristalls aufgebracht wird, eine Matrix von Löchern 54 in die Isolierschicht gebracht wird und dann die Löcher mit einem "ohmschen" Metallkontakt 3 9 ausgefüllt werden, worauf dann die äußere Oberfläche der Isolierschicht überzogen wird. Lediglich der Teil des "ohmschen" Kontaktes 39, welcher durch die Löchermatrix 54 mit dem aktiven Halbleiterkörper in Berührung steht, injiziert Ladungsträger in den aktiven Bereich. Demgemäß ist eine starke Konvergenz der elektrischen Stromdichte linieη vorhanden, so daß die elektrische Feldstärke anwächst. Die integrierte Wirkung der aus mehreren Punkten bestehenden Kathode besteht darin, daß das innere elektrische Feld der Diode längs einer relativ kurzen Distanz über den kritischen Wert ansteigt.

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Die Isolierschicht 53 kann aus Siliziumdioxyd, einem photonenbeständigen Material (photoresist), Kunststofffilm oder einem anderen geeigneten Material bestehen. Zum Erzeugen der Löcher 54 kann der Isolierfilm über kleinen abdeckenden Teilchen, welche gleichförmig auf der Kathodenoberfläche verteilt sind, aufgebracht werden, die sodann beseitigt werden und gleichförmige Löcher mit einem Durchmesser unter einem Mikron zurücklassen. Eine weitere akzeptable Lösung erhält man mit einer Photowiderstandstechnik (photo resist) unter Verwendung eines Films aus Siliziumdioxyd. Die Herstellung einer solchen "Schweizerkäsekathode'* ist unkompliziert und sie kann mit bekannten Verfahren durchgeführt werden. Dieser Kathodenaufbau besitzt mehrere parallele Emitter. Um das Auftreten eines sekundären Durchschlags eines einzelnen Emitterbereichs zu verhindern, kann es notwendig sein, einen kleinen Widerstand Jeweils in Serie mit jeder der Kathodenflächen zu schalten. Dies kann bewirkt werden durch Einstellung des Flächenwiderstandes des metallischen Kontaktes 39.

Zusätzlich zu den Vorteilen eines einzigen vorerwähnten unterkritisch dotierten, injektionsstrombegrenzten Bauteils mit negativer Widerstandscharakteristik können mehrere SDICL-Dioden in Serie, parallel oder in einer Serien-Parallelschaltung geschaltet und dort ohne zusätzliche Schaltungselemente betrieben werden. Durch Schaltung mehrerer SDICL-Dioden in Serie oder in einer Serien-Parallelschaltung kann die Mikrowellenausgangsleistung erhöht werden. Die Figur 15 zeigt eine mögliche Serien-Parallelanordnung zur Erzielung einer höheren Leistung im Mikrowellenbereich. Sie umfaßt drei ParalIe!zweige mit jeweils vier in Serie geschalteten Dioden. Zur Erzielung eines höheren Leistungsniveaus bei den Verstärken und Schwingschaltungen gemäß Fig. 3 und 4 können dort

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ebenfalls mehrere Dioden in einer Serien- oder Serien-Parallelschaltung betrieben werden. Es sei vermerkt, daß keine zusätzlichen Schaltungselemente beim Betrieb einer Anordnung aus mehreren SDICL-Dioden benötigt werden, insbesondere ist kein äußerer Resonanzkreis erforderlich.

Zusammenfassend fcTann gesagt werden, daß der hochwirksame Mikrowellenfestkörperverstärker auf dem Prinzip basiert, daß durch Begrenzung der durch die Kathoden fläche in den aktiven Bereich des unterkritisch dotierten Halbleitermate rials injizierten Ladungsträger die elektrische Feldverteilung über einen großen Teil der Länge des Bauelements nahezu gleichförmig über dem Schwellenfeld gehalten werden kann, wenn eine Vorspannung über der Schwellenspannung vorliegt. Hierbei wird von den Vorteilen der negativ-differentiellen Beweglichkeitseigenschaft Gebrauch gemacht. Das unterkritisch dotierte, injektionsstrombegrenzte Bauteil mit Elektronentransfereffekt ist in sich stabil und ein wirksames aktives Bauteil, welches unabhängig 1st von äußeren Schaltkreisen, wenn es als Verstärker oder mit positiver Rückkopplung als Oszillator betrieben wird. Der neue Verstärker mit negativer Widerstandscharakteristik, wie er hier beschrieben wurde, weist ein hohes Verstärkungsfaktor-Bandbreiten-Produkt auf. Obwohl sein Frequenzverhalten in Beziehung zu der Laufzeit steht, wird der Frequenzbereich nicht begrenzt durch die Durchgangszeit und damit eher durch die Auslegung des Schaltkreises als durch irgendeine Frequenzbegrenzung des Bauteiles bestimmt. Da die SDICL-Bauteile in irgendeiner Serien-Parallelschaltung betrieben werden können und jedes einzelne Bauteil einen hohen Wirkungsgrad aufweist, können höhere Leistungspegel beim Betrieb im Mikrowellenbereich erreicht werden.

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Claims (12)

1. Patentansprüche

   Il./Festkörperbauteil mit einem Elektronenübergangseffekt, bestehend aus mindestens einer Anode und einer Kathode und einem dazwischen angeordneten Halbleiterkörper, welcher den Elektronenübergangseffekt bei einer Vorspannung über dem Wert eines elektrischen Schwellenfeldes zeigt und ein n_QL-Produkt aufweist, welches unter dem kritischen Wert liegt, der für die Aufrechterhaltung einer Gunn-Schwingung erforderlich ist, wobei η die Gleichgewichtsdichte der Ladungsträger und L die Länge des Halbleiterkörpers ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Begrenzung der Injektion der Ladungsträger in den aktiven Halbleiterkörper vorgesehen sind, wobei die Brenzung auf ein Maß erfolgt, um ein elektrisches Feld in der unmittelbaren Nähe der Kathode und über die verbleibende Länge des aktiven Halbleiterkörper β zu erhalten, das über dem elektrischen Schwellenfeld liegt.
2. 2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Halbleiterkörper gleichförmig dotiert ist und das nJL-Produkt und die Größe der injizierten Ladungsträger so gewählt sind, daß ein im wesentlichen gleichförmiges elektrisches Feld über dem Hauptteil der Länge des aktiven Halbleiterkörpers sich ergibt,' dessen Wert über dem des elektrischen Schwellenfeldes liegt.
3. 3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Halbleiterkörper aus der Gruppe des η-dotierten Galliumarsenids, Kadmiumtellur ids, Indiumphosphids und Zinkselenids besteht.

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   - 3β -
4. 4. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Begrenzung der Injektion der Ladungsträger in den aktiven Halbleiterkörper auf einen vorbestimmten Wert bestehen aus einer Verjüngung des aktiven Halbleiterkörpers, der bei der Kathode eine kleine Querschnittsfläche und bei der Anode eine große Querschnittsfläche aufweist (Fig. 13 und 14).
5. 5. Bauteil nach Anspruch l_f dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Begrenzung der Injektion der Ladungsträger in den aktiven Halbleiterkörper (34) auf einen vorbestimmten wert bestehen aus eines strombegrenzendeη Kathodenaufbau mit einem elektronenblockierenden metallischen Kontakt (36), der so hergestellt ist, daß eine Elektronenenergiesperrschicht von vorbestimmter Höhe an der Berührungsfläche zwischen Metall (36) und Halbleiter (34) entsteht (Figur 5).
6. 6. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenaufbau einen Kontakt aufweist, welcher für die Elektronen nicht blockierend ist und ein Bereich (40) vorhanden ist, welcher aus dem gleichen Halbleitermaterial wie der aktive Halbleiterkörper (34) besteht, jedoch entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweist, so daß sich eine in Sperrichtung. betriebene pn-Zwischeηschacht bildet, welche den injizierten Stromfluß auf einen gewünschten Wert begrenzt (Figur 7).
7. 7. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch' gekennzeichnet, daß der Kathodenaufbau einen Kontakt (39) umfaßt, welcher für Elektronen nicht blockierend ist und weiterhin ein Bereich (41) eines fremden Halbleiters oder eines Nichtleiters vorhanden ist, welcher eine Energie sperrschicht für die Ladungsträger von vorbestimmter Höhe besitzt (Figur 8).

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8. 8. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenaufbau einen ohmschen Kontakt (39) und einen Bereich (44) eines eigenleitenden, oder leicht dotierten Halbleiters, oder eines Kompensationshalbleiters umfaßt, der eine vorbestimmte Dicke aufweist und eine gewünschte Raumladungsbegrenzung des injizierten Stromes bewirkt (Figur 10).
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenaufbau einen Bereich eines Halbleitermaterials aufweist, welcher für den Stromfluß in Abwesenheit einer einfallenden äußeren Strahlung im wesentlichen blockierend ist und Mittel zum Einfall einer äußeren Strahlung auf diese Kathode vorhanden sind, wobei Elektronen-Löcher-Paare von entsprechender Menge erzeugt werden und somit sich der gewünschte Fluß von Ladungsträgern zum aktiven Halbleiterkörper ergibt (Figur 12).
10. 10. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenaufbau einen Kontakt (39) aufweist, welcher für die Elektronen nicht blockierend ist und die elektrische Verbindung nur zu einem bestimmten Teil des Kathodenbereichs des aktiven Halbleiterkörpers herstellt (Figur 14).
11. 11. Mikrowellenfestkörperverstärker mit einem Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenaufbau die Injektion der Elektronen in den aktiven Halbleiterkörper auf einen gewünschten Wert begrenzt, wobei das elektrische Feld in der Nähe der Kathode und über die gesamte Länge des verbleibenden Teils des aktiven Halbleiters einen im wesentlichen

    ' gleichförmigen Wert über dem des elektrischen Schwellenfeldes einnimmt.

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12. 12. Mikrowellenverstärkerschaltung alt eines Festkörperverstärker nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die körperliche Fon des Festkörper verstärke rs die Injektion der Ladungsträger auf einen gewünschten Wert begrenzt, so daß in der Nähe der Kathode und über die gesamte Länge des aktiven Halbleiterkörpers ein Feld entsteht, welches über de* elektrischen Schwellenfeld liegt und Mittel zur Vorspannung des Elektronen-Übergangseffektbauteils ait einer gleichgerichteten Spannung vorhanden sind, wobei die Spannung ein elektrisches Feld über dem Schwellenfeld erzeugt.

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