DE1947637B2

DE1947637B2 - Schaltungsanordnung zur erzeugung von hochfrequenzschwingungen

Info

Publication number: DE1947637B2
Application number: DE19691947637
Authority: DE
Inventors: Yoshrhiko Kawarada Kumyasu Tokio Mizushima
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1968-09-21
Filing date: 1969-09-19
Publication date: 1972-12-07
Also published as: FR2018605B1; NL6914252A; DE1947637A1; GB1288237A; US3638082A; DE1947637C3; FR2018605A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen, mit einem über eine Last an einer Gleichspannungsquelle angeschlossenen, zwei hintereinanderliegende, durch die Spannungsquelle in Sperrrichtung vorgespannte pn-übergänge aufweisenden Halbleiterbauelement.

Im Zusammenhang mit dem Aufbau von Halbleiter-Bauelementen ist es bereits bekannt (»radio mentor«. Heft 4/1965. S. 245 bis 255), eine Anzahl von pn-übergänpen je nach Einsatzzweck des jeweiligen Halbleiter-Bauelements vorzusehen. Über die Verwendung derartiger pn-Übergänge in einer Schaltungspnordnung zur Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen ist in diesem Zusammenhang jedoch nichts bekannt.

Es ist ferner eine strahlungscmpfindliche Halbleiteroszillatoreinrichtung bekannt (USA.-Patent 3 160 828). die insgesamt fünf aufeinanderfolgende p- und η-Zonen aufweist. Obwohl die betreffende bekannte Halbleiteroszillatoreinrichtung einen relativeinfachen Aufbau besitzt, ist jedoch ihre Schwingfrequenz relativ niedrig. Außerdem ist der Wirkungsgrad hinsichtlich der Schwingungserzeugung bei der betreifenden bekannten Einrichtung relativ gering.

Es ist schließlich auch schon ein aus Festkörper-Bauelementen aufgebauter Oszillator bekannt (USA.-Patcnt 3 165710). der dadurch gebildet ist. daß in geeigneter Weise die statische negative Widerstandskennlinie uines Thyristors mit der Strom-Spannungs-Kennlinie der Emittcr-Kollektor-Strccke eines Transistor^ zusammeimefaßt ist. Obwohl auch dieser bekannte Oszillator hinsichtlich seines Halbleiter-Bauelements einen relativ einfachen Aufbau aufweist, ist jedoch auch hier die Schwingfrequenz infolge des ausgenutzten Halbleiter-Mechanisimus relativ niedrig, S und außerdem ist auch hier der Wirkungsgrad hinsichtlich der Schwingungserzeugung relativ niedrig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß diese bei relativ hohem Wirkungs grad hinsichtlich der Schwingungserzeugung auch bei relativ hohen Frequenzen noch Schwingungen zu erzeugen vermag.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genann-

ten Art erfindungsgemäß dadurch, daß die wirksame Querschnittsfläche der pn-Übergänge kleiner ist als eine Fläche mit einem Durchmesser von 200 u, daß der Abstand der pn-Übergänge voneinander kleiner ist als 40 μ und daß die sich zwischen den beiden pn-Übergängen ausbildende Raumladungssehvvingung ausgekoppelt wird. Die Erfindung bringt gegenüber den oben betrachteten bekannten Schaltungsanordnungen den Vorteil mit sich, daß sie auf relativ einfache Weise eine höhere Hochfrequenzausgangsleistung zu erzielen gestattet und ferner Hochfrequenzschwingungen mit relativ hohen Frequenzen zu erzeugen gestattet, die im Gigahertzbereich liegen können.

Weitere Merkmale und zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der n£;chstehinden Beschreibung von Ausführungsbeispiclen an Hand von Zeichnungen.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel ein^r Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine Feldverteilung in bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 verwendeten pn-Übergängen;

l· i g. 3 bis 6 zeigen abgewandelte Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung.

In Fig. 1 ist mit 1 ein Halbleiterbauelement bezeichnet, bei dem eine P-Zone L₁, eine N-Zone L... eine P-Zone L₁ und eine N-Zone L_A ir. der genannten Reihenfolge aufeinanderfolgen, um Übergänge Z,.,. Z.,_:5 bzw. J._u zu bilden. Die P-Zone L, und die N-Zone Lj sind mit Elektioden T₁ bzw. T., versehen, weiche über eine Last 2 ;in einer eine Gleichspannung liefernden Spannungsqueiie 3 angeschlossen sind. Die Last ?. ist beispielsweise ein Widerstand. Die Spannungsquelle 3 ist dabei so an das Halbleitcrbauelemen* 1 angelegt, daß die Elektrode T₁ mit negativem und die Elektrode T₂ mit positivem Potential beaufschlagt wird.

Bezüglich der Last 2 sei noch bemerkt, daß dic^e nicht nur durch einen Widerstand bzw. ohmschen Widerstand gebildet sein muß, sondern z. B. durch eine Übertragungsleitung oder durch einen Resonanzkreis gebildet sein kann. Bei der Verwendung der beschriebenen Schaltungsanordnung für die Erzeugung von Mikrowellen kann der Resonanzkreis

^fio ein Koaxialleitungs- oder Hohlleitungsresonator sein, in dessen Innern das Halbleiterbauelement untergebracht sein kann.

Das Halbleiterbauelement 1 stellt eine Anordnung dar, bei welcher ein Halbleiterelement mit einem pn-übergang, hcsiehcncl aus der P-Zonc L₁ und der N-Zon>: L.,. mit einem Halbleiterelement, bestehend aus der P-Zon^ L₁ und der N-Zone L₁ hintereinander geschaltet ist. Wird durch die eine Vorspannung

bewirkende Spannungsquelle 3 eine Sperrspannung an die Übergänge J_1S und Z₃₄ der beiden Halbleite. -elemente angelegt, so erhält man eine elektrische Feldstärkeverteilung E entsprechend der Kurve 4 gemäß F i g. 2. Diese Kurve 4 weist zwei Maxima im Bereich der Übergänge/_t2 und Z₃₄ auf. Als Abszisse ist in Fig. 2 der Abstand"in Richtung der ZonenL₁ bis L₄ gewählt worden. Die Lagen der Maximalwerte der Feldverteilungskurve 4 mit den beiden Maximas kann durch Verändern der Dicken der Zonen L, bis L₄ verändert werden. Darüber hinaus läßt sich der Maximalwert der Kurve 4 durch Ändern der Spannung der Spaanungsquelle 3 einstellen.

Bei geeigneter Wahl der Lage und Größe der Maximalwerte der ein zweifaches Maxima besitzenden Feldverteilungskurve, bei der der eine Maximal wert höher sein kann als der andere, erhält man eine Lawinen-Vervielfachung der Ladungsträger nächst dem übergang Z₁... Diese Lasvinen-Vervielfachung setzt sich nach rechts fort, und nach einer bestimmten Laufzeit steigt der Maximalwert des elektrischen Feldes an dem Übergang Z._t4 in den Lawinen-Bereich an. und zwar auf Grund des Raumladungseffekies der Ladungsträger. Auf diese Weise wird bei dem Obergang Z._!4 eine Lawinen-Vervielfältigung hervorgerufen, und ein Ladungsträger entgegengesetzter Polarität pflanzt sich nach links fort. Wenn derartige Ladungsträger aus der Sperrschicht heraustreten, steigt die Klemmenspannung wieder an, so daß pm Übergang/,., ein erneuter Lawinen-Effekt auftritt. Daraufhin wied.rholt sich der gesamte Vorgang wie beschrieben erneut. Die Amplitude des in dem äußeren Kreis auftretenden Leitungsstromes nimmt infolge des Beitrags der durch den hervorgerufenen Lawinendurchbruch erzeugten Ladungsträger zu, so daß man an der Last 2 eine starke Schwingungs-Ausgangsspannung ehält.

Auch in dei üblichen pn-Struklur läßt sich zeitweilig eine Feldstärkeverteilung mit zweifachem Maxima erzielen, so daß ein Lawinendurchbruch entstehen kann. Um diesen Zustand zu realisieren, wird jedoch eine relativ hohe Lad· ngsträgerdichte benötigt. Bei Beachtung der Wärmeentwicklung erweist es sich jedoch als schwierig, einen kontinuierlichen Betrieb aufrechtzuerhalten. Bei einer Schaitungsanoidnung gemäß der Erfindung, bei der unter Zuhilfenahme einer von einer Gleichspannungsquc'le gelieferten Gleichvorspar.nung eine Feldstärkeverteilung mit doppeltem Maximum erzielt wird, ist es jedoch möglich, eine wirksame Modifikation der Feldstärkeverteilung vorzunehmen und damit einen Lawinendurchbruch bei relativ kleinen Stromdichten hervorzurufen.

Bei :lem oben beschriebenen Halbleiterbauelement 1 wird beispielsweise die P-Zone L., durch Diffusion in eine Halbleiterschicht mit einem spezifischen Widerstand von 1 Ohm · cm gebildet, welche die N-Zone L₁ darstellt; die N-Zonc L., wird durch Diffusion in die P-Zone L., gebildet, und die P-Zone L, wird durch Diffusion in die N-Zone L., erzeug!. D:e Zonen L... /.., und L₁ weisen eine Dicke von 2 π bzw. 5 α bzw. 5 μ anf; sie werden bzw. wurden anschließend mesa-güitzt, wobei die QuerschnittsfUiche der Zone L₁ einer Fläche mit einem Durchmesser von 200 η entspricht (die Fläche entspricht dem Übergang/,.,). Die Zonen L, und L₄ wurden dann mit Elektroden T₁. T., versehen, über eine Last 2 an eine Spannungsquelle 3 angeschlosseen und in einem Wellenleiter bzw. Hohlletter untergebracht. Mit Hilfe dieser Schaltungsanordnung wurden in der Last 2 Ausgangsschwingungen mit einer Frequenz von 9 GHz bei einem Wirkungsgrad von 26% und bei einer

durchschnittlichen Stromdichte von 3 · 10³ A/cm² erzielt.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Halbleiterbauelement 1 im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine pnpn-Struktur aufweist und demzufolge einer Anordnung entspricht, die als gesteuerter Halbleitergleich richter (Thyristor) bekanntgeworden ist. Bei einem gesteuerten Halbleitergleichrichter wird jedoch eine variable Vorspannung wechselnder Polarität an die pn-Übergänge angelegt, während bei dem Halbleiter bauelement 1 gemäß der Erfindung eine Vorspannung fester Polarität angelegt wird, wobei auf Grund der Vorspannungsbedingungen eine Feldsfärkeverteilung mit zweifachem Maximum sich in dem Halbleiterbauelement 1 ausbilden kann. Auf diese Weise sind also eine Ladungsträgerverviei.'achung und ein Trägerlaufzeiteffekt durch Avalanche-Vervielfachung erzielbar. Ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung läßt sich demgemäß mit Mikrowellen-Bauelementen in einem Frequenzbereich betreiben, in welchem Laufzeiteffekte nicht mehr vernachlässigbar sind. Die Optimahverte der tatsächlich mitwirkenden Querschnitisflächsn in den übergängen/,.,, /.,.j und /.., sind .-,ο gewählt, daß sie kleiner sind als eine Kreisfläche mit einem Durchmesser von 200 u. während die Gesamtlänge der Raumladungsschicht bzw. der Abstand der pn-Übergänge kleiner ist als 40 μ. Die Beschränkungen hinsichtlich der Querschnittsfläche und der genannten Gesamtlänge bzw. des genannten Abstands beruhen darauf, daß im ersten Fall ansonsten infolge Ansteigens der Kapazität zwischen den Elektroden 7", und T₂ die oben erwähnten Ausgangsschwingunpen nicht mehr auftreten würden und daß im zweiten Fall die Schwingfrequenz auf praktisch unbedeutende Werte herabgesetzt wäre. Ein Halbleiterbauelement, wie es im Rahmen der Erfindung beschrieben worden ist, kann deshalb von einem bekannten Thyristor durch die äußeren Abmessungen, d. h. durch die Querschnittsfläche und die Gesamtlänge, unterschieden werden. Ein bei einer Schal-

tungsanordnung gemäß der Erfindung verwendetes Halbleiterbauelement zeichnet sich also dadurch aus. daß es während des Betriebseine Feldstärkeverteilung mit doppeltem Maximum aufweist und mit einem Hochfrequenzgehäuse in einem Wellenleiter bzw.

Loiilleiter oder einer Streifenleitung untergebracht ein kann, wobei die maximalen Qiierschnittsfiächen der Übergänge Z₁₂, Z₂., und Z₁₄ innerhalb des Halbleiterbauelements" kleiner sind als eine Kreisfläche mit einem Durchmesser von 200 11, während ihre Gesamtlänge br.v. der Abstand der pn-übergänge voneinander kleiner ist als 40 11.

Im folgenden sei das Ausfiihrungsbeispic! gemäß F i g. 3 näher betrachtet. Das in F i g. 3 dargestellte Halbleiterbauelement entspricht weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten Halbleiterbauelement: eine Ausnahme bestellt jedoch darin, daß zwischen der N-Zone L., und der P-Zone L., eine I-Zone L. eingefügt ist. so daß sich an Stelle des Übergangs /,., gemiiß Fig. 1 bei der Ausführungsform nach Fig. 3

zwei Übergänge, nämlich die Übergänge J.,. und /,.,. ergeben. Da zwischen der Fig. 3 und der F i g. 1 weitgehend Übereinstimmung besteht, sind einander entsprechende Elemente mit gleichen Beziigszeichen

bezeichnet. Bei dem Halbleiterbauelement gemäß Fig. 3 ist wie bei dem Halbleiterbauelement gemäß Fig. 1 ein Halbleiterelement mit einem pn-übergang, bestehend aus der P-Zone L₁ und der N-Zone L.„ mit einem Halbleiterelement, bestehend aus der P-Zone L₃ und der N-Zone L₄, über die I-Zone L. in Reihe geschaltet. Durch geeignete Wahl der Dicken der Zonen L₁ und L₄ in Verbindung mit der I-Zone L₅ kann man in gleicher Weise Ausgangsschwingungen erzeugen, wie sie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 1 angegeben worden sind. Die Zonen L₁, L₃, L₅, L_n und L₄ werden in gleicher Weise wie in F i g. 1 durch Diffusion erzeugt und anschließend mesa-geätzt, wobei ihre Dicke in der angegebenen Reihenfolge 5 μ bzw. 5 μ bzw. 20 μ bzw. 3 μ bzw. 2 μ beträgt. Die Querschnittsfläche der Zone L₄ entspricht der Fläche eines Kreises mit einem Durchmesser von 150 μ. Bringt man nun dieses Halbleiterbauelement in einen Wellenleiter bzw. Hohlleiter unter, so erhält man Ausgangsschwingungen mit einer Frequenz von etwa 2,5 GHz.

Das in F i g. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht ebenfalls weitgehend dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel; eine Ausnahme besteht jedoch darin, daß auf einem Teil der P-Zone L₁ eine N-Zone L₀ aufgebracht ist, so daß zwischen diesen beiden Zonen ein zusätzlicher Übergang Z₆₁ vorhanden ist. Die N-Zone L₆ isi mit einer Elektrode T₃ versehen; sie kann an einer Steuerspannungsquelle 5 angeschlossen sein, welche eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung liefert. Die Arbeitsweise der in Fig. 4 dargestellten Schaltungsanordnung entspricht im wesentlichen der Arbeitsweise der in F i g. 1 dargestellten Schaltungsanordnung. Durch Ladungsträgerinjektion von der Steuerspannungsquelle 5 her über den Übergang Z₀₁ kann jedoch in der Zone L₁ der Schwingzustand gesteuert werden. Durch Anlegen einer Gleichvorspannung durch die Steuerspannungsquelle 5 kann die Größe der Ausgangsschwingung gesteuert werden. Wird dagegen ein Impulssignal an die Elektrode T₃ angelegt, so erfolgt eine Synchronisierung der Ausgangsschwin- <;ung mit dem Impulssignal; wird ein Verknüpfungssignal der Elektrode T₃ zugeführt, so bewirkt dieses Verknüpfungssignal den Beginn bzw. das Ende des Auftretens von Schwingungen.

Bei dem in F i g. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist an die N-Zone L₁ eine P-Zone L₇ angebracht, so daß zwischen der Zone L., und der zusätzlichen Zone L₇ ein Übergang /₇., vorhanden ist. Die P-Zone L. ist mit einer Elektrode T₄ kontaktiert und an einer Steuerspannungsquelle 5 in entsprechender Weise angeschlossen wie dies bezüglich der Schallungsanordnung nach F i g. 4 erläutert worden ist. Durch eine Minoritätsträgerinjektion von der Steuerspannungsquelle 5 her über den Überaang J₁., in die Zone L., erhält man die gleichen Betriebscharaktcristikcn wie bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 4. Die in Fig. 6 dargestellte Ausführungsform entspricht in ihrem Verhalten genau der Schaltungsanordnung nach Fig. 5; sie weist lediglich einen günstigeren geometrischen Aufbau auf, inderr die

ίο P-Zone L₁ verkleinert ist und an der dadurch frei werdenden Übergangsfläche zur N-Zone L., hin eine nunmehr mit L_s bezeichnete P-Zone angebracht ist. Zwischen dieser Zone L_H und der Zone L₂ entsteht ein pn-übergang J₈₁, über den mit Hilfe einer Steuer-Spannungsquelle 5 Minoritätsträger injiziert werden.

Im vorstehenden sind einige Ausführungsbeispiele

der Erfindung erläutert worden. Es dürfte ersichtlich sein, daß die zusätzliche Steuerung der beschriebenen Schaltungsanordnungen mit Hilfe einer Minoritätsträgcrinjektion, wie sie in den F i g. 4 bis 6 dargestellt ist, auch bei der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 anwendbar ist. Ferner sei noch bemerkt, daß im vorstehenden zwar davon ausgegangen worden ist. daß nur ein«, eine Vorspannung liefernde Spannungsquelle 3 mit den Elektroden T₁ und T_n verbunden ist, um die Schwingungen zu erzeugen. Es ist jedoch auch möglich, eine Gleichvorspannung so zu wählen, daß diese gerade noch unterhalb des Schwellwertes liegt, der für die Erzeugung von Schwingungen erforderlich ist. In diesem Fall können Schwingungen erst dann auftreten, wenn die Spannung einer weiteren zusätzlichen Steuerspannungsquelle über eine dritte Elektrode zugeführt wird und sich der genannten Vorspannung überlagert. In diesen Fällen kann die betreffende Steuerspannungsquelle in Reihe zu der die Vorspannung bzw. Gleichvorspannung liefernden Spannungsquelle 3 geschaltet sein. Bezüglich der erwähnten Steuerspannungsquelle ist noch zu bemerken, daß diese auch so ausgebildet sein kann, daß sie Impulse liefert.

Abschließend sei noch bemerkt, daß im vorstehenden zwar der Fall behandelt worden ist, daß kontinuierlich auftretende Schwingungen gesteuert werden können. Führt man den oben betrachteten Schaltungsanordnungen jedoch eine Eingangsimnulsspannung mit einer Breite zu. die der halben Breite der Schwingungsperiode entspricht, so erhält man den Eingangsspannungsimpulsen im Verhältnis 1: t entsprechende Ausgangsimpulse an der Last. Damil kann die betreffende Schaltungsanordnung als schnei' ansprechender Impulsverstärker arbeiten, ohne daC man dem Laufzeiteffekt besondere Aufmerksamkei widmen muß.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Erzeugung von Hochfrequenzschwingungen, mit einem über eine Last an euer Gleichspannungsquelle angeschlossenen, zwei hintereinanderliegende, durch die Spannungsquelle in Sperichtung vorgespannte pn Übergänge aufweisenden Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß die wirksame Querschnittsfläche der pn-übergänge (Z₁₂, Z₃₄) kleiner ist als eine Fläche mit einem Durchmesser von 200 μ, daß der Abstand der pn-Übergänge (Z₁₂, Z₃₄) voneinander kleiner ist als 40 μ und daß" die sich zwischen den beiden pn-Übergängen (Z₁₂, Z₃₄) ausbildende Raumladungsschwingung ausgekoppelt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement (1) zusätzlich an eine Steuerspannungsquelle (5) angeschlossen ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterbauelement eine PNPN- oder PNIPN-Struktur aufweist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerspannungsquelle (H über eine zusätzliche N-Zone (L₁.) bzw. ?-Zone(L₇, L_n) an eine P-Zone (L₁) bzw. N-Zone (L.,) des Halbleiterbauelements anüeschlossen ist.