DE1101622B - Halbleiterdiode mit einem PI- oder NI-UEbergang im Halbleiterkoerper - Google Patents

Description

• Halbleiterdiode mit einem PI-oder NI-Übergang im Halbleiterkörper Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterdiode mit einem PI- oder HI-Übergang im Halbleiterkörper.
• Es ist bekannt, daß Dioden, die aus Halbleiterstoffen gebildet sind, unter bestimmten Bedingungen einen negativen Widerstand besitzen können, so daß sie für Oszillatorschaltungen verwendet werden können. jedoch liegt bei den bisher bekannten Halbleiterdioden die Frequenz der erzeugten Schwingungen im allgemeinen unter 30 MHz, wenn sie auch in Sonderfällen eine obere Grenze von 300 MHz erreichen kann.
• Das Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung einer verbesserten Halbleiterdiode, mit der in einer geeigneten Oszillatorschaltung Höchstfrequenzschwingungen in der Größenordnung von 3000 MHz erreicht werden können.
• Diese Eigenschaften werden bei Halbleiterdioden mit PI- oder HI-Übergang erfindungsgemäß dadurch erreicht, da?) an den äußeren Flächen der P- oder \T-Zone und an der I-Zone ohmsche flächenhafte Kontaktelektroden angebracht sind.
• Es sind Halbleiteranordnungen bekannt, die im Halbleiterkörper einen NI-Übergang und an den äußeren Flächen der N-Zone und der I-Zone Anschlußelektroden aufweisen. Diese Anschlußelektroden stehen aber nicht in ohmschem Kontakt mit der betreffenden Zone. Vielmehr ist zwischen jeder Anschlußelektrode ein weiterer PN- bzw. PI-Übergang gebildet. Diese bekannten Halbleiteranordnungen besitzen die üblichen Transistorkennlinien.
• Im Gegensatz dazu ergibt die technische Maßnahme gemäß der Erfindung die überraschende Wirkung, daß die Diodenkennlinie einen Abschnitt enthält, der einem negativen Widerstand entspricht. Die besondere Form der Betriebskennlinie ermöglicht die Verwendung der Diode zur Selbsterregung von Schwingungen, zur Entdämpfung von Schwingkreisen und für viele andere Anwendungszwecke, bei denen negative Widerstände benötigt werden. Es wurde festgestellt, daß mit der Halbleiteranordnung Hochfrequenzschwingungen in der Größenordnung von 3000 MHz erzeugt werden können.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Darin zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Halbleiterelements des Typs PI, Fig.2 eine schematische Darstellung eines Halbleiterelements des Typs NI, Fig.3 ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung zur Aufzeichnung der Betriebskennlinie des Halbleiters, Fig. 4 und 6 die Kennlinien der Diode, Fig. 5 ein Prinzipschaltbild eines Halbleiterdiodenoszillators, Fig.7 ein Prinzipschaltbild eines Höchstfrequenzoszillators und Fig.8 eine praktische Ausführung der Schaltung nach Fig.7, die an die Verwendung der Halbleiteranordnung angepaßtist.
• Die Übergänge PI bzw. NI von Fig. 1 und 2 werden dadurch erhalten, daß auf einem Teil der einen Seite einer Lamelle aus reinem Germanium entweder Indium oder Antimon aufgebracht wird. Auf elektrolytischem Wege wird die gegenüberliegende Seite dieser Lamelle ausgehöhlt, so daß eine Zone des 'Typs I erhalten wird, deren Dicke beispielsweise etwa 10 #x beträgt. Anschließend werden die ohmschen Kontakte M1 und 172 angebracht, die mit den Anschlüssen 1 und 2 verbunden sind. Der Kontakt M2 wird z. B. durch Auflöten von Zinn erhalten, während der Kontakt 1-T1, je nachdem, ob es sich um einen PI- oder :TI-Übergang handelt, entweder aus Indium oder aus Antimon gebildet wird, welches gleichzeitig zum Anlöten des Kontaktes 1 dient. Die Zone P oder N weist eine erhöhte Konzentration an Verunreinigungen auf, beispielsweise in der Größenordnung von 1018 Atomen der Verunreinigung pro Kubikzentimeter.
• Gemäß der Darstellung der Fig. 3, 5 und 7 ist die Flächendiode in ein Kühlgefäß 3 beispielsweise bei der Temperatur von flüssiger Luft eingeschlossen. Die Flächendiode, die z. B. vom PI-Typ ist, liegt in Serie mit einem einstellbaren Widerstand 9, dessen Wert gleich r ist, und mit einer Gleichspannungsquelle 7, deren positiver Pol mit dem Anschluß 2 und deren negativer Pol mit dem Anschluß 1 verbunden ist.
• Ferner sind in der Schaltung von Fig. 3 ein Voltmeter 4 zur Ermittlung der Spannung an den Klemmen der PI-Diode und ein Miniamperemeter 5 zu erkennen. Dieses ermöglicht die Bestimmung des Stroms i, welcher z. B. in Richtung des Pfeiles fließt, wenn die Diode in dieser Richtung durch die Batterie 7 vorgespannt ist, die eine Spannung E in der dargestellten Weise liefert.
• Durch Erfahrung wurde nun festgestellt, daß beim Schließen des in der Schaltung von Fig. 3 vorgesehenen Schalters 6 und bei einer Veränderung der Größe des Widerstandes 9 die Spannung V=E-r-i, die an den Klemmen der Diode entsteht, zunächst als Funktion des Stromse i ansteigt. Wenn man im Kennlinienbild von Fig. 4 die Spannung TV auf der Abszisse und den Strom i an der Ordinate aufträgt, so verschiebt sich der Arbeitspunkt auf der Kennlinie bis zum Punkt R. Dann kehrt sich die Neigung der Kurve um, so daß sie negativ wird, bis der Punkt Q erreicht wird, an dem sich die Neigung der Kurve wiederum umkehrt. Die Spannung V wächst zwar als Funktion von i vor Erreichen des Arbeitspunktes R und nach dem Erreichen des Punktes Q, jedoch nimmt L' als Funktion von i zwischen R und Q ab, d.h., daß der Widerstand der Diode im Inneren des Bereiches RQ negativ ist.
• Die Kennlinie nach Fig. 4, die außerdem auch durch Rechnung ermittelt werden kann, stellt eine bemerkenswerte Eigenschaft der Halbleiterdiode dar, und zwar sowohl derjenigen vom Typ PI als auch derjenigen vom Typ NI.
• Durch Erfahrung wird festgestellt, daß bei einem genügend niedrigen Wert des Widerstands r und bei einer genügend großen Kapazität, die parallel zu den Klemmen der Diode geschaltet ist, der Arbeitspunkt der Halbleiteranordnung auf dem V-i-Diagramm zunächst der Linie 0-R folgt. Sobald der Arbeitspunkt bei R ankommt, springt er plötzlich von R nach R'. Der zuletzt genannte Punkt R' liegt auf dem oberen positiven Teil der Kurve Q-X. Anschließend folgt der Arbeitspunkt dem Abschnitt R'-Q des oberen Zweiges der Kennlinie. Am Punkt Q entsteht ein zweiter Sprung von Q nach Q', und der Arbeitspunkt beschreibt schließlich den Teil Q'-R, und der Zyklus beginnt von neuem, nachdem der Punkt bei R angekommen ist.
• Dieses Verhalten der Halbleiterdiode ermöglicht die Verwendung als Oszillator in einer einfachen Schaltung, die in Fig.5 dargestellt ist. Sie weist einen Kondensator 8 auf, der parallel zur Halbleiterdiode geschaltet ist. Die Schwingungen können entweder an den Klemmen des Oszillators 1 und 2 oder an den Klemmen des Widerstands 9 abgenommen werden. Die Frequenz dieser Schwingungen kann durch Einstellung des Widerstandes 9 und/oder der Kapazität des Kondensators 8 geregelt werden.
• In Fig. 4 ist die Arbeitskennlinie einer Halbleiterdiode dargestellt, bei der der ohmsche Widerstand der Zone P in der Größenordnung von einigen Ohm oder mehr liegt. Fig.6 zeigt die gleiche Kennlinie einer Halbleiterdiode mit sehr viel geringerem Widerstand der Zone P, und zwar in der Größenordnung eines Bruchteils eines Ohms oder weniger. In diesem Fall geschieht der Übergang zwischen den Abschnitten R-Q und Q-X sehr viel allmählicher. Der Teil 0-R der Kennlinien besitzt jedoch im allgemeinen in beiden Fällen die gleiche Gestalt.
• Die Arbeitsweise der Halbleiterdiode nach Fig.6 entspricht derjenigen nach Fig.4.
• Fig. 7 zeigt eine andere Ausführungsart der Schaltung von Fig.5, welche die Erzeugung von Ultrahochfrequenzschwingungen mit sehr viel höherer Frequenz als die Schaltung nach Fig. 5 ermöglicht. Diese Schaltung unterscheidet sich nur dadurch, daß ein Resonanzkreis 19 parallel zu der Halbleiterdiode geschaltet ist. Dieser Resonanzkreis besitzt eine Resonanzfrequenz, die sehr viel höher als die Resonanz der Grundschwingung der Halbleiterdiode ist.
• Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist folgende: Wenn in dem Resonanzkreis 19 kein Energieverlust auftritt, so könnte dieser unbegrenzt schwingen. Dies ist jedoch nicht der Fall. Nun weist aber die Halbleiterdiode während eines Teils jeder Schwingungsdauer einen dynamischen negativen Widerstand auf. Wenn also der Gütefaktor des Resonanzkreises 19 groß genug ist, so ist die Summe der beiden Widerstände negativ, d.h., daß die Dämpfung des Resonanzkreises durch den negativen dynamischen Widerstand der Halbleiterdiode in regelmäßigen Abständen kompensiert wird. Daher schwingt der Resonanzkreis 19, und es kann ihm Energie entnommen werden. Der Resonanzkreis 19 muß einen hohen Gütefaktor, beispielsweise in der Größenordnung von 100, besitzen. Es lassen sich dann Ultrahochfrequenzschwingungen von 3000 MHz erzeugen.
• In Fig. 8 ist ein Hochfrequenzresonator dargestellt, der auf dem Schaltungsprinzip von Fig. 7 beruht. Ein metallischer Kolben 20, der vakuumdicht sein kann und durch die Glashauben 33 und 35 abgeschlossen ist, begrenzt einen Hohlraumresonator 21, der am einen Ende des Ausgangs 22 zur Entnahme der Ultrahochfrequenzschwingungsenergie angebracht ist. Der Ausgang 22 ist durch einen vakuumdichten Verschluß 36 abgeschlossen. Eine Halbleiterdiode 23 wird durch ihre isolierten metallischen Anschlüsse 25 und 26 quer über einem Verschluß 24 gehalten, der eine Öffnung in der Wandung 20 verschließt. Zwischen den Verlängerungen 27 und 28 der Anschlüsse 25 und 26 ist ein Kondensator 29 angeschlossen. DerAnschluß 28 ist außerdem mit dem Kolben der Röhre verbunden. Zu dem äußeren Schaltkreis der Röhre gehört eine Serienschaltung eines Widerstandes 30, einer Induktivität 31 und einer Gleichspannungsquelle 32. Diese Serienschaltung ist einerseits mit dem Kolben der Röhre und andererseits mit der Verlängerung 27 verbunden, die durch die Haube 33 der Röhre bei 34 hindurchgeführt ist. Die ganze Anordnung ist in ein schematisch dargestelltes Kühlgefäß 37 eingebracht.
• Die Erfindung ist natürlich in keiner Weise auf die beschriebenen Halbleiteranordnungen begrenzt. So können insbesondere bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen auch andere Halbleitersubstanzen verwendet werden, z. B. Silicium, Indiumantimonid (Legierung von Antimon und Indium) usw.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Halbleiterdiode mit einem PI- oder NI-Übergang im Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß an den äußeren Flächen der P- oder N-Zone und an der I-Zone ohmsche flächenhafte Kontaktelektroden angebracht sind. 2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der 1-Zone in der Größenordnung von 10 Mikron oder weniger liegt und daß die P- oder N-Zone Verunreinigungen von 1018 Atomen pro Kubikzentimeter enthält. In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 236 648, 706 516; USA.-Patentschriften Nr. 2190 668, 2 735 011; französische Patentschriften Nr. 1023 958. 1095330.