DE1591090A1 - Schaltungsanordnung zum Erzeugen von hohen Spitzenleistungen - Google Patents
Schaltungsanordnung zum Erzeugen von hohen SpitzenleistungenInfo
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- Junction Field-Effect Transistors (AREA)
Description
DEUTSCHE ITT INDUSTRIES UESELLSCHATT MIT BESCHRÄNKTER HAfTUITG,
J1REIBURG i.Br.
Die Priorität der Anmeldung in Großbritannien vom 21. Januar 1966
Kr. 2892/66 ist in Anspruch genommen.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit dem Hoohleietungabetrieb
von Halbleiterbauelementen unter Verwendung von Halbleitermaterial, welches bei hohen leid stärken Effekte beweglicher Instabilitäten
aufweist.
Wird ein Kristall bestirnter Halbleitermaterialien einem konstanten
elektrischen feld oberhalb eines kritischen Vertes auagesetst, dann
enthält der durch den Kristall fließende Gesamtstrom einen Sohwingungsanteil, dessen Irequens durch den Durchgang der Baumleitungsverteilung swisohen den Pläohenkontakten des Kristalls gegeben ist.
Die Erscheinung tritt bei normalen Temperaturen auf, erfordert nicht die Verwendung eines magnetischen leides und scheint nicht eine besondere Dotierung oder Geometrie der Probe «u erfordern. Die Erscheinung wurde eueret von J.B. Gunn (Solid State Communications,
Band I, Seit« 88, 1963) beschrieben und ist deshalb als Gunn-Effekt
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bekannt. Der Gunn-Effekt beruht auf dem Aufheizen der sich nor-. malerweise in einem unteren Band mit niedrigerer effektiver Masae
und hoher Beweglichkeit (K « O) befindlichen Eletronen duroh das
elektrische feld mit entsprechendem Übergang in ein unteres Band
höherer effektiver Masse und geringerer Beweglichkeit (K « 100)·
Dieser Torgang äußert sich in einem Bereich negativer differenzieller Leitfähigkeit in der Abhängigkeit der Elektronendriftgeschwindigkeit (oder des Stroms) vom angelegten PeId. Bei einer Vorspannung
innerhalb des Bereichs negativer Leitfähigkeit bewegt sich ein Bereich hoher feldstärke, "Domäne11 genannt, während einer Perlode der
Stromschwingung von Katode zur Anode. Die Schwingungefrequenz; ist
in erster Linie von der Länge des Strompfades durch den Kristall abhängig. Die Erscheinung wurde in IH-Y-HaTbleitern, wie Galliumarsenid, Indiumphosphid sowie in Cadmiumtellurid vom n-Leitfähigkeltstyp entdeckt.
Kit der hier verwendeten Bezeichnung "Instabilitätseffekte hoher
feldstärke aufweisendes Halbleitermaterial1* ist zumindest ein jedes
Material gemeint, das den im vorigen Abechnitt erklärten Gunn-Effekt oder eine ähnliche funktionell damit zusammenhängende Erscheinung aufweist, die auf einem etwas unterschiedlichen inneren
Torgang beruhen kann.
Der Wert der angelegten feldstärke* unterhalb der ein spontanes
Selbstsohwingen nicht auftritt, kann als Gunn-Schwellwert bezeichnet werden·
Die Gewinnung einer hohen Spitzenleistung mittels Gunn-Sffekt-Oszillatoren hängt ab von der Entwicklung von Sehaltungs-Baueleaent-Kombinationen, welche eine ausreichend hohe Impedanz sowohl
der Hochfrequenz- als auch der Treiber-Stufen darbietet.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung sum
Erzeugen von hohen Spitzenleistungen» Srfindungsgemäß ist die Schaltungsanordnung gekennzeichnet duroh die Hintereinanderschaltung
mindestens zweier Halbleiterelemente aus einem Instabil!tatseffekt·
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hoher Feldstärke aufweisenden Halbleitermaterial, welche oberhalb
einer solchen Potentialdifferene betrieben wird, so daß in jedem
der beiden Elemente Instabilitätseffekte hoher elektrischer Feldstärke entstehen und sich entlang der Körper fortpflaueeu.
Die obengenannten und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung
sollen im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert werden, in denen
die Figur 1, ewei nach der vorliegenden Erfindung in Serie geschaltete Halbleiterbauelemente und
die Figur 2 drei in Form einer Festkörperschaltung in Serie geschaltete Halbleiterbauelemente veranschaulicht.
Wird ein Gunn-Effekt -Halbleiterbauelement übersteuert, beispielsweise auf einen drei- oder vierfachen Betrag des Schwellwertes, dann nimmt die Domäne hoher Feldstärke (die sich innerhalb des
Halbleiterbauelementes bildet, sobald das durch eine äußere Quelle
der Potentialdifferenz bewirkte elektrische Feld innerhalb des Bauelements den Schwellwert des Halbleitermaterials überschreitet)
etwas von der überschüssigen Spannung bis en einem Wert auf, an
dem eine Stoßionisation auftritt. Sie Stofiionisation begrenet die
Ausdehnung der Zone hoher Feldstärke. Daher wird die eusäteliche
Vorspannung der äußeren Potentialdifferenzquelle von der Masse de«
Halbleitermaterials außerhalb der Domäne hoher Feldstärke aufgenommen, was zur Bildung von weiteren Domänen führen würde.
Unter diesen Umständen wird dann beim Hintereinanderachalten
zweier Halbleiterbauelemente gemäß Figur 1 alt einer nicht dargestellten Potentialquelle angenommen, daß dl« sich beim Übersteuern
des Systems ergebende zusätzliche äußere Quelle der Potentialdifferenz im zweiten Halbleiterbauelement beim Erreichen der Stoßionisationsgrenze im ersten Halbleiterbauelement eine Domäne hoher Feldstärke unter der Torauseeteung ergibt, daß die Feldstärke im oha-8chen Teil der Schaltung groß genug für das Auftreten des oben erklärten ElektronenUbergangs 1st. Die zuerst auftretende Domäne hoher
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feldinstabilität wird eich im Halbleiterbauelement mit höchster
ImpedauB ausbilden.
Deshalb ist es möglich, eine Mehrzahl von Halbleiterbauelementen
mit Gunn-Effekt in Reihe zueinander zu schalten und diese nacheinander» wie im vorigen Abschnitt angegeben, zu betreiben. Durch den
Serienbetrieb der Halbleiterbauelemente wird das Problem der äußeren Leistungsversorgung vereinfacht, indem bei einer vorgegebenen
Ausgangsleistung und Höhe des Wirkungsgrades sich der äußeren LeistungsVersorgungsquelle eine höhere Impedanz darbietet.
Die Ausgangsleistung kann unabhängig von jeder einzelnen Einheit
vom System abgeführt werden. Es kann auch die Gesamtleistung zur Anwendung gebracht werden, was von der Leistungsfähigkeit und
anderen Erfordernissen des Abnahmekreises abhängt.
Das innerhalb des Bauelemente erzeugte elektrische feld, welches
eine Übersteuerung des Kreises oder die Erzeugung von Domänen hoher feldstärke bewirkt, kann ununterbrochen oder zur Verminderung der
Gesamtverlustleistuug im Halbleiterbauelement in form von Impulsen
angelegt werden.
Bei Impulsbetrieb ist es möglich,' von diesen Bauelementen Ausgangsleistungen in der Größenordnung von 200 ¥ bei einer Frequenz von
1,t> GHz zu erhalten.
Beim Betrieb der Halbleiterbauelemente in Resonanzkreisen ergibt
sich ein vergrößerter Wirkungsgrad des Systems. Die Resonanzkreisstufe bringt den Ausgang in die richtige Phase und verhütet eine
durch Temperaturänderung bewirkte frequenzverschiebung. Es sind Wirkungsgrade bis 1Oji möglich. Um diesen hohen Wirkungsgrad bei
Resonanzkreisen zu erhalten, 1st es notwendig, ein großes Über- -»teueruugspotential an die Bauelemente anzulegen.
einte einzelnen Resonanzkreise« oder Hohlraumes können auch eine
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. . 5 - [ öy luyu
Ansah! über Bügel verbundene Hohlräume mit je einem darin angeordneten Halbleiterbauelement verwendet werden» wodurch eine
bessere Überwachung der an die einseinen Halbleiterbauelemente angelegten Spannung ermöglicht wird, während die Serienkombination
in Beeug auf die Ireiberstufe beibehalten wird.
einem Kristall 1 aus Halbleitermaterial mit den erforderlichen elektrischen Eigenschaften, beispielsweise η-leitendem Galliumarsenid, mit ©haschen fläohenkontakten 2 und 3 an seinen ebenen
Endflächen.
In der Praxis kann der Kristall 1 sowohl auf einer halbisolierenden Unterlage, beispielsweise aus Galliumarsenid, durch epitaxiales
Wachstum hergestellt werden als auch ein einheitlicher festkörper aus Halbleitermaterial verwendet werden kann. An den Endflächen
des Kristalls 1 werden fläohenkontakte 2 und 3, beispielsweise aus Zinn» durch Aufdampfen im Vakuum hergestellt. Danach wird das Element in einer reduzierenden und ein Flußmittel enthaltenden Atmosphäre erhltst, um die MetallHSalbleiter-Yerbiudung unter Bildung
eines ohasohen Übergangs su legieren.
Sie in Serie verbundenen Elemente können einsein hergestellt und
gemäß der figur 1 verbunden werden. Sie können auch beispielsweise durch epitaxiales Aufbringen einer halbleitenden Schicht 4 auf die
Oberfläche einer unterlage 5 gemäß figur 2, wie im Torstehenden
Abschnitt beschrieben» hergestellt werden. Danach wird die epitaktisch aufgebrachte Schicht 4 In eine Reihe einseiner flächenelemente 8 des epitaktisch gewachsenen Halbleitermaterials geteilt,
wobei jede einseine mit den anderen in Reihe über die Abschnitte 9
im ohmschen Kon takt steht. Di· «wischen benachbarten flächenelementen 8 liegenden iwischenverbindenden Abschnitte 9 werden derartig
ausgebildet, daß In ihnen kein Durohsug oder Weiterleitung der
Domäne hoher feldstärke möglich ist. Über fläohenkontakte 6 und 7,
beispielsweise aus Zinn» wird mit dem Bauelement ein äußerer Kreis
verbunden. Die fläohenkontakte 6 und 7 werden beispielsweise durch
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Aufdampfen im Vakuum an jedem Ende.der in Serie geschalteten und
epitaktisch aufgebrachten flächenelemente 8 hergestellt. Danach wird das Bauelement in reduzierender Atmosphäre, die ein Flußmittel enthält, wärmebehandelt, um einen ohmsohen Übergang durch
Legieren der Metall-Halbleiter-Yerbindung herausteilen.
Die Torliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf obige
AusfUhrungsbeisplele beschränkt.
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Claims (1)
- ISE/Reg. 3540 - Pl 479 CP. Sandbank et al 32-3-1PATENTANSPRÜCHE1. Schaltungsanordnung zum Erzeugen von hohen Spitzenleistungen!gekennzeichnet durch die Hintereinanderechaltung mindestens zweier Halbleiterelemente (1, 8) aus einem Instabilitätseffekte hoher Feldstärke aufweisenden Halbleitermaterial, welche oberhalb einer solchen Potentialdifferenz betrieben wird, so daß in Jedem der Körper Instabilitätsbereiche hoher elektrischer Feldstärke entstehen und sich entlang der Elemente fortpflanzen.2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hintereinanderschaltung entweder ununterbrochen oder zur Verminderung der gesamten Verlustleistung impulsförmig betrieben wird.3. Schaltungeanordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeici..„.u;t, daß die Hintereinanderschaltung der Halbleiterelemente mit einem einzelnen Resonanzkreis oder Hohlraum verbunden ist, der die Phase festlegt und Frequenzänderungen aufgrund von Temperaturänderungen verhindert«4. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hintereinanderschaltung der Halbleiterelemente mit einer Mehrzahl von duroh Bügel verbundene Resonanzkreise oder Hohlräume verbunden ist, und daß jeder einzelne der Resonanzkreise oder Hohlräume mit je einem Halbleiterelement verbunden ist.5* Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente als Flächenelemente einerEpitaxschicht einzeln auf einer unterlage (5) angeordnet sind.909882/1064BAD ORIGINAL - 8 -Fl ΐ\Ίj C.}:. Jauduan.-·: et al 'j.'.~!>~\f). 3 cl.! ■{ H: uu^ücit:--TUtIUtJj. ca·., /iii^^r-chei ι rx« <j, dadurou ^cLoui·.-iisi^huefc, daß diu HululeiterelGinente (>'.) aus einer :iehr,;a.'J. von £onen innerhalb einer einheitlichen auf einer Unterlage angeordneten rjitaJUjchieht (4) bestehen, die an ihren λι\·- flächen je einen Flaehonkoutakt (6,7) aufweißt.7. üchaltungaanordnung nach Ansprüchen 1 bia b, dadurch gulionnriöiclmet, daß joden Halbleiterelement (1) swei Flrehfü.ontali to (2,3) auiVe i a t.L-. Jchaltungaanordnung nach Auaprüchen 5 bis 7» dadurch ^u.Uut.uzeichnet, daß die Utuerlage (5) aus halbiaolierendem Haterial besteht.'). Schaltungsanordnung nach Anaprüchen 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Plächenlcontakte (2,3,6,7) sperrfrei aind.10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläclienkontakte (2,3,6,7) aus Zinn bestehen.11. Schaltungsanordnung nach Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterelemente aus Galliumarnenid bestehen.12. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das halbisolierende Material aus Galliumarsenid berjteht.909882/106*
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