DE1766643A1 - Semiconductor device for microwaves - Google Patents

Description

radiale Dicke des Ringes oder der Segmente des ringförmigen Gerätes ist vorzugsweise kleiner als eine Skintiefe "bei der Betriebsfrequenz des Gerätes, und der Umfang ist vorzugsweise kleiner als eine halbe Wellenlänge, um unerwünschte Schwingungsmodi zu verhindern. Die Hingform erhöht die Leistungsbelastbarkeit von Laufzeitmodus-Gunn-Effekt-Geräten und verbessert den Wirkungsgrad von Gunn-Geräten, die im Modus der begrenzten Raumladungs-Ansammlung betrieben werden.radial thickness of the ring or the segments of the annular device is preferably less than a skin depth "at the Operating frequency of the device, and the scope is preferably less than half a wavelength, to avoid undesirable modes of vibration to prevent. The Hingform increases the power handling of runtime mode Gunn effect devices and improves the efficiency of Gunn devices operated in the limited space charge accumulation mode.

Stand der Technik:State of the art:

Bisher sind zwei Halbleitergeräte mit negativem Widerstand auf Masseneffekt-Basis parallel betrieben worden, um im L-Band höhere Ausgangsleistung zu erhalten. Diese Geräte sind beschrieben in "High-Peak-Power Gallium Arsenide Oscillators" IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-13, Heft 1, Seiten 105 - 110, Januar I966. Diese Geräte lieferten 205 Watt Spitzenleistung bei 1540 MHz. Die GeräteSo far, two semiconductor devices with negative resistance on a mass effect basis have been operated in parallel to im L-band to get higher output power. These devices are described in "High-Peak Power Gallium Arsenide Oscillators" IEEE Transactions on Electron Devices, Volume ED-13, Issue 1, pages 105-110, January 1966. These devices delivered 205 watts of peak power at 1540 MHz. The devices

ρ
hatten je etwa 1 mm Querschnittsfläche, waren etwa 100 Mkron dick und hatten einen Widerstand von 0,8 0hm. Es zeigte sich, daß die Geräte oberhalb einer gewissen Spannung nicht ohne Ausfall betrieben werden konnten, und diese Spannung betrug etwa das Dreifache der Schwellwert-Vorspannungs-Spannung, d.h. die Vorspannung, bei der Mikrowellenschwingungen beginnen. Der Gleichstrom für ein bestimmtes Gerät blieb auch etwa konstant, wenn die Vorspannung über den Schwellwert erhöht wurde.ρ
each had a cross-sectional area of about 1 mm, were about 100 mcrons thick and had a resistance of 0.8 ohms. It was found that the devices could not operate without failure above a certain voltage, and this voltage was about three times the threshold bias voltage, that is, the bias voltage at which microwave oscillations begin. The DC current for a given device also remained roughly constant when the bias voltage was increased above the threshold.

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Eine offensichtliche Möglichkeit, die Ausgangsleistung zu erhöhen, besteht also darin, den Widerstand der Geräte in der Weise zu verringern, daß sie bei Betriebsspannung mehr Gleichstrom führen können. Bei einem gewissen spezifischen Widerstand und einer bestimmten Stärke des halbleitenden Werkstoffes wird der Strom dadurch erhöht, daß die Querschnittfläche des Halbleiter-Gerätes vergrössert wird. Wenn die Querschnittfläche des Halbleiter-Gerätes über einen gewissen Wert vergrössert wird, etwa von 1 bis 2 mm im L-Band, um einen Gleichstromwiderstand Dei niedrigem Feld von weniger als 0,5 Ohm zu erhalten, wurde festgestellt, daß das Gerät ausbrannte. An obvious way to increase the output power increase, consists in reducing the resistance of the devices in such a way that they are more at operating voltage Can carry direct current. With a certain specific resistance and a certain thickness of the semiconducting material the current is increased by increasing the cross-sectional area of the semiconductor device. When the cross-sectional area of the semiconductor device is increased over a certain value, e.g. from 1 to 2 mm in the L-band, by one Obtaining DC resistance at low field less than 0.5 ohms was found to burn out the device.

Zusammenfassung der Erfindung:Summary of the invention:

Durch die Erfindung soll eine verbesserte Halbleitervorrichtung mit negativem Widerstand auf Masseneffekt-Basis verfügbar gemacht werden.The present invention seeks to provide an improved mass effect negative resistance semiconductor device be made available.

Erfindungsgemäss wird eine solche Vorrichtung verfügbar gemacht, bei der das aktive halbleitende Material im Zentralbereich hohl ist und auf einen Bereich in der Nähe des Umfangs der Vorrichtung begrenzt ist, der durch die höchste Dichte der Feldlinien des magnetischen Mikrowellenfeldes begrenzt wird, das die Vorrichtung im Betrieb umgibt, so daß ein uner-According to the invention, such a device is made available in which the active semiconducting material is in the central area is hollow and is limited to an area near the perimeter of the device which is characterized by the highest density of the field lines of the magnetic microwave field that surrounds the device during operation, so that an un-

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wünschtes Ausbrennen der Halbleitervorrichtung wesentlich verringert wird, während gleichzeitig zur Ermöglichung eines Hochleistungsbetriebes Widerstandswerte bei niedrigem Feld von weniger als 0,5 Ohm erhalten werden.desired burnout of the semiconductor device is essential is decreased while at the same time enabling low field resistance values to enable high power operation of less than 0.5 ohms can be obtained.

Vorzugsweise ist die radiale Breite des Halbleitermaterials kleiner als 1,5 Skin-Tiefen.The radial width of the semiconductor material is preferably less than 1.5 skin depths.

G-emäss einer speziellen Ausführungsform der Erfindung besteht die Halbleitervorrichtung aus einer Reihe von kleinen halbleitenden Elementen, die im Bereich nahe am Umfang der zusammengesetzten Vorrichtung angeordnet sind, so daß jedes Element der Anordnung individuell ausgewählt und getestet werden kann, um die Wahrscheinlichkeit zu verbessern, daß eine zusammengesetzte Vorrichtung erhalten wird, die frei von Halbleiterdefekten ist.- Zweckmässigerweise sind dabei die einzelnen Halbleiterelemente in Form von Ringsegmenten mit abgerundeten Ecken ausgebildet, so daß eine zusammengesetzte ringförmige Anordnung aus Elementen erhalten wird, die keine scharfen Ecken aufweist, die normalerweise bei hohen Leistungspegeln ein Ausbrerinen fördern würden.G-em according to a special embodiment of the invention The semiconductor device is composed of a series of small semiconducting elements that are in the area close to the perimeter of the Device are arranged so that each element of the arrangement can be individually selected and tested, to improve the likelihood of obtaining a composite device free from semiconductor defects ist.- The individual semiconductor elements are expediently in the form of ring segments with rounded ones Corners formed so that a composite annular array of elements is obtained which are not sharp Has corners that would normally promote burnout at high power levels.

Vorzugsweise hat das Halbleitermaterial eine Querschnittsfläche, die kleiner ist als die Hälfte der von dem Umfang umgrenzten Fläche, der durch die höchste Dichte der die Vorrichtung einschliessenden magnetischen Feldlinien des MikrowellenfeldeeThe semiconductor material preferably has a cross-sectional area which is less than half that delimited by the circumference Area covered by the highest density of enclosing the device magnetic field lines of the microwave field

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begrenzt ist.is limited.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen:Further features and advantages of the invention emerge from the following description in conjunction with the drawing; show it:

Fig. 1 die Abhängigkeit des G-leichstroms von der Gleich-Vorspannung für eine Halbleitervorricntung mit negativem Widerstand auf Masseneffekt-Basis mit Merkmalen der Erfindung;1 shows the dependence of the direct current on the direct bias voltage for a bulk effect negative resistance semiconductor device having features the invention;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterblockes bekannter Art mit Veranschaulichung des Ausbrennbereiches ;2 shows a perspective view of a semiconductor block of a known type with an illustration of the burn-out area ;

Fig. 3 grafisch die Abhängigkeit der momentanen Stromdichte vom Radius, wenn sich eine Hochfelddomäne des elektrischen Feldes bildet;3 graphically shows the dependence of the instantaneous current density on the radius when there is a high-field domain of the electrical Field forms;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung mit Merkmalen der Erfindung;4 is a perspective view of a semiconductor device incorporating features of the invention;

Fig. 5, 6 und 7 Aufsichten auf weitere Ausführungsformen der Erfindung; FIGS. 5, 6 and 7 are plan views of further embodiments of the invention;

J¹Ig. 8 einen Längsschnitt durch eine zusammengesetzte Halb»J ¹ Ig. 8 a longitudinal section through a composite half »

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leitervorrichtung nach, der Erfindung;ladder device according to the invention;

Pig. 9 einen Schnitt längs der Linie 9-9 in Fig. 8;Pig. 9 is a section along line 9-9 in FIG. 8;

Pig. 10 ein Prinzipschaltbild eines Hochleistungs-Mikrowellenoszillators mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung; undPig. 10 is a block diagram of a high-power microwave oscillator with a device according to the invention; and

Mg. 11 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.Mg. 11 a section through a further embodiment of the Invention.

In Fig. 1 ist eine typische Kennlinie Gleichstrom I_ von der Gleichvorspannung V dargestellt, wie sie an die Klemmen einer Halbleitervorrichtung mit negativem Widerstand auf Masseneffekt-Basis angelegt wird. Ersichtlich steigt mit wachsender Vorspannung der Gleichstrom, bis ein gewisser Schwellwert V» erreicht ist. Bei diesem Schwellwert der Spannung tritt die Vorrichtung mit Mikrowellenfeldern eines Kreises in Wechselwirkung, so daß Mikrowellenschwingungen erzeugt werden und Gleichstromleistung in Mikrowellenleistung umgewandelt wird. Solche Maseeneffekt-Vorrichtungen sind beispielsweise Gunn-Vorrichtungen, die in irgendeinem von mehreren Modi arbeiten können. Der Masseneffekt-Umwandlungsprozess ist überwiegend auf die Eigenschaften des Halbleiter-Rohmaterials zurückzuführen, im Gegensatz zu anderen Arten von Geräten mit negativem Wideretand, die haupteächliohReferring to Fig. 1, there is shown a typical DC current I_ characteristic of the DC bias voltage V as applied to the terminals of a negative resistance semiconductor device on a mass effect basis. Obviously, the direct current increases with increasing bias voltage until a certain threshold value V »is reached. At this voltage threshold, the device interacts with microwave fields in a circle, so that microwave oscillations are generated and direct current power is converted into microwave power. Such mass effect devices are, for example, Gunn devices which can operate in any of several modes. The mass effect conversion process is largely due to the properties of the semiconductor raw material, as opposed to other types of negative resistance devices that are the main ones

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auf den Eigenschaften einer p-n-Grenzschicht für den Leistungsumwandlungsprozess beruhen. Typisch für solche Sperrschicht-Vorrichtungen ist die Tunneldiode. Der Vorteil von Vorrichtungen mit negativem iViderstand auf Masseneffekt-Basis liegt darin, daß diese bei wesentlich höheren Leistungspegeln betrieben werden können, weil die Leistung in der dreidimensionalen Masse des Halbleitermaterials abgeführt werden kann, im Gegensatz dazu, daß die Leistung bei den anderen Vorrichtungen im dünnen p-n-Sperrschichtbereich abgeführt werden muss. Oberhalb der Schwellwertspannung V™ bleibt der Strom mit wachsender Spannung V nahezu konstant· Die Ausgangsleistung kann also erhöht werden, wenn die Vorspannung erhöht wird. Die Vorspannung darf jedoch nicht über den Wert 3V» erhöht werden, weil dadurch die Betriebslebens« dauer verringert würde. Dadurch ergibt sich eine obere Grenze für die Ausgangsleistung einer bestimmten Vorrichtung, und ersichtlich kann die Ausgangsleistung dann nur dadurch erhöht werden, daß der Gleichstrom erhöht wird, was dadurch erreicht werden kann, daß der Gleichstromwiderstand bei kleinem Feld verringert wird, d.h. der Widerstand unterhalb des Schwellwertes Vm. Bei einem Halbleitermaterial mit einem bestimmten spezifischen Widerstand und einer gewissen Dicke kann der Widerstand nur dadurch verringert werden, daß die Querschnittsfläche der Vorrichtung erhöht wird. Es wurde jedoch festgestellt, daß, wenn der Widerstand unter 0,5 Ohm verringert wurde,rely on the properties of a p-n junction for the power conversion process. Typical for such Junction devices is the tunnel diode. The Advantage of Negative Resistance Devices on a Mass Effect Basis lies in the fact that these can be operated at much higher power levels because the power is in the three-dimensional mass of the semiconductor material can be dissipated, in contrast to the fact that the performance in the other devices in the thin p-n junction region. Above the threshold voltage V ™ the current remains almost constant with increasing voltage V · The output power can therefore be increased if the bias is increased. However, the bias voltage must not be "increased above the value 3V, because this reduces the operating life" duration would be reduced. This results in an upper limit for the output power of a particular device, and evidently the output power can then only be increased by increasing the direct current, which is achieved thereby It can be said that the DC resistance is reduced with a small field, i.e. the resistance below the threshold value Vm. In the case of a semiconductor material with a certain specific resistance and a certain thickness, the resistance can only be reduced by increasing the cross-sectional area of the device. However, it was found that when the resistance is decreased below 0.5 ohms,

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die Vorrichtungen durch Ausbrennen ausfielen, was am häufigsten in einem ringartigen Bereich 1 der Vorrichtung auftrat, wie in Fig. 2 angedeutet ist.the devices failed by burning out, most commonly in a ring-like area 1 of the device occurred as indicated in FIG.

Es wird angenommen, daß das Ausbrennen in diesem Bereich stattfand, weil die momentane Stromdichte quer über die Masse des Materials nicht gleichförmig ist. Genauer gesagt, wenn die Vorrichtung 2 einen durchmesser von etwa 2 Skin-Tiefen oder mehr hat, wie in Fig. 3 veranschaulicht ist, ist die Stromdichte in der Nähe des zentralen Bereiches der Vorrichtung 2 kleiner, verglichen mit der Stromdichte am Umfang der Vorrichtung. Die Störung, aus der die Hochfelddomäne wird, neigt dann dazu, quer zum Zentralbereich der Vorrichtung zu wandern, wie durch die aufgeeteilte, nach innen gerichtete Wellenfront A angedeutet ist, die schematisch in Fig. 3 einskizziert ist. Es ergeben sich dadurch zu hohe elektrische Feldstärken und Stromdichten, die zum Zusammenbruch des Werkstoffes führen und damit zum Ausbrennen. Die ungünstigen Effekte einer Querwanderung von Störungen sind beim Betrieb in den verschiedenen Domänenmodi beobachtet worden. Sie ist bisher beim (LSA)-Betriebsmodus noch nicht beobachtet worden.It is believed that the burnout occurred in this area because the instantaneous current density across the Mass of material is not uniform. More precisely, if the device 2 has a diameter of approximately 2 skin depths or more, as illustrated in Fig. 3, the current density in the vicinity of the central area of the device 2 is smaller compared to the current density at Scope of the device. The disturbance from which the high-field domain is then tends to run across the central region of the Device to wander, as by the split, after inwardly directed wave front A is indicated, which is sketched schematically in FIG. 3. It results from this Electric field strengths and current densities that are too high, which lead to the breakdown of the material and thus to burnout. The unfavorable effects of cross migration of disturbances are observed when operating in the various domain modes been. It has not yet been observed in the (LSA) operating mode.

In Fig. 4 ist eine erfindungsgemässeHalbleitervorrichtung mit negativem Widerstand auf Masseneffekt-Basie dargestellt.In Fig. 4 there is a semiconductor device according to the invention shown with negative resistance on a mass effect basis.

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Die Vorrichtung 3 ist im wesentlichen so aufgebaut, wie bekannte grossflächige G-unneffekt-Vorrichtungen, nur daß der zentrale Bereich des Halbleiterkörpers entfernt worden ist, um die aktive Fläche der Verrichtung näher an den Umfang zu bringen, im G-egensatz zu einer Vorrichtung 2 (Fig. 2) mit durchgehender v^uerschnittsiläche. Die Fläche in der Nähe des Umfangs kann ausreichend gross gemacht werden, um eine Vorrichtung 5 mit niedrigem V/iderstand zu erhalten, d.h. mit einem Widerstand kleiner als 0,5 Ohm. Die Vorrichtung weist eine effektiv gleichförmige Stromdichte quer über den Ring aus halbleitenden V/erkstoff 4 auf, weil die radiale Stärke zu weniger als 1,5 Skin-Tiefen gewählt worden ist.The device 3 is essentially constructed like known large-area G-unneffect devices, only that the central area of the semiconductor body has been removed to bring the active area closer to the performing area To bring scope, in contrast to a device 2 (Fig. 2) with a continuous cross-sectional area. The area near the perimeter can be made sufficiently large, to obtain a device 5 with low V / resistance, i.e. with a resistance less than 0.5 ohms. The device exhibits an effectively uniform current density across the Ring made of semiconducting material 4, because the radial thickness has been chosen to be less than 1.5 skin depths.

Das interessierende Merkmal liegt darin, dai3 das halblsitende Material auf eine Fläche der Vorrichtung in der Ilähe des Umfange beschränkt werden soll, die durch die !Schleife des stärksten magnetischen Mikrowellenfeldes definiert wird, das die Vorrichtung umgibt. Bei einer kreisförmigen Scheibe aus halbleitendem Material fällt die Schleife des stärksten magnetischen Mikrowellenfeldes, die die Halbleiterstruktur umschreibt, mit dem Umfang der Scheibe zusammen. Bei anderen Formen ist der von der Schleife definierte Umfang schwieriger zu bestimmen. Um eine merkliche Verbesserung gegenüber einer massiven Scheibe aus Halbleitermaterial zu erhalten, muss wenigstens die Hälfte der QuerschnittsflächeThe feature of interest is that the semi-conductive material is applied to a surface of the device near the The scope is to be limited, which is defined by the loop of the strongest magnetic microwave field that surrounds the device. In the case of a circular disk made of semiconducting material, the loop of the strongest magnetic falls Microwave field, which circumscribes the semiconductor structure, with the circumference of the disc. With other shapes, the perimeter defined by the loop is more difficult to determine. To get a noticeable improvement over a solid wafer of semiconductor material, must be at least half the cross-sectional area

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entfernt werden, die durch den von der Schleife definierten Umfang der Halbleiterstruktur begrenzt wird. Bei einer Halbleiterstruktur mit kreisförmigem querschnitt bildet also ein Ring gemäss Fig. 4 die optimale Form. Das Verhältnis der umgrenzten Flächen zu den am Umfang verbleibenden kann reduziert werden:which is limited by the perimeter of the semiconductor structure defined by the loop. at For a semiconductor structure with a circular cross-section, a ring according to FIG. 4 thus forms the optimal shape. That The ratio of the bounded areas to the areas remaining on the perimeter can be reduced:

P² (D P ² (D

worin P der Umfang der Scheibe ist und A die Fläche, die von dem Ring aus Halbleitermaterial 4 eingenommen wird. Wenn die Scheibe massiv wäre, wie in Fig. 2 angedeutet, ergibt das Verhältnis (1) den Wert 1. Bei einer kreisförmigen ringförmigen Halbleiterstruktur nach der Erfindung soll also das Verhältnis (1) wenigstens gleich 2 sein, und vorzugsweise so hoch wie möglich, soweit das mit der bevorzugten Betriebsbedingung in Übereinstimmung zu bringen ist, daß der Umfang der Struktur kleiner wird als eine halbe elektrische Wellenlänge bei der Betriebsfrequenz im halbleitermaterial, um mögliche Umfangs-Schwingungsmodi in der Vorrichtung 3 zu verhindern.where P is the circumference of the disc and A is the area occupied by the ring of semiconductor material 4. If the disk were solid, as indicated in FIG. 2, the ratio (1) results in the value 1. In the case of a circular one ring-shaped semiconductor structure according to the invention should therefore be the ratio (1) at least equal to 2, and preferably as high as possible, insofar as this can be brought into accordance with the preferred operating condition, that the circumference of the structure becomes smaller than half an electrical wavelength at the operating frequency in the semiconductor material, about possible circumferential vibration modes in the Device 3 to prevent.

Ein geeignetes Halbleitermaterial für den Ring 4 ist beispielsweise η-leitendes GaAs ohne Fehlstellen oder tiefe Donatoren in Kristallgitter und mit einem positiven Widerstand-Temperaturkoeffizienten. A suitable semiconductor material for the ring 4 is, for example η-conductive GaAs without voids or deep Donors in crystal lattice and with a positive temperature coefficient of resistance.

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Zwei ringförmige Elektroden 5 und 6, beispielsweise aus Nickel-Zinn, sind an die Enden de8 Halbleitermaterials 4 in der Weise anlegiert, wie in "Microwave Phenomena in Bulk GaAs" IEEE Transactions on Electron Devices, Band ED-13i Heft 1, Seiten 94 - 105, Januar I966 beschrieben ist.Two ring-shaped electrodes 5 and 6, for example made of nickel-tin, are attached to the ends of the semiconductor material 4 alloyed in the manner described in "Microwave Phenomena in Bulk GaAs" IEEE Transactions on Electron Devices, Volume ED-13i Issue 1, pages 94-105, January 1966.

Die axiale Dicke des Halbleiterkörpers 4 wird durch den beabsichtigten Betriebsmodus bestimmt. Beim Laufzeitmodus beträgt diese Dicke etwa 0,07 - 0,1 mm (3 - 4 mils) im L-Band und etwa 0,012 (0,5 mils) im X-Band.The axial thickness of the semiconductor body 4 is through the intended mode of operation determined. In runtime mode this thickness is about 0.07-0.1 mm (3-4 mils) for the L-band and about 0.012 (0.5 mils) for the X-band.

In Pig. 5 ist in Aufsicht eine andere rechteckige, ringförmige Halbleitervorrichtung 8 dargestellt, bei der die Fläche der Halbleiterstruktur kleiner ist als die Hälfte der durch den Umfang begrenzten Fläche, der durch die Schleife höchster Intensität des magnetischen Mikrowellenfeldes definiert ist. Grob gesprochen, liegt die höchste magnetische Feldstärke am Umfang der Vorrichtung 8. Die leere Zentralfläche ist wenigstens gleich der restlichen Fläche des Hinges und vorzugsweise erheblich grosser als die Fläche des Ringes.In Pig. 5 is another rectangular, annular in plan view Semiconductor device 8 shown in which the area of the semiconductor structure is smaller than half the area limited by the circumference defined by the loop of highest intensity of the magnetic microwave field is. Roughly speaking, the highest magnetic field strength is at the periphery of the device 8. The empty central area is at least equal to the remaining area of the ring and preferably considerably larger than the area of the ring.

In Fig. 6 und 7 sind weitere Ausführungßformen der Erfindung dargestellt. Bei diesen Ausführungsformen bestehen die Halbleitervorrichtungen 13 bzw. 14 aus einer Anzahl Segmente 15 aus Halbleitermaterial mit negativem Widerstand auf Masseneffekt-Basie, die in einem Bereich ir^der Nähe des Umfange6 and 7 are further embodiments of the invention shown. In these embodiments, the semiconductor devices 13 and 14, respectively, consist of a number of segments 15 made of semiconductor material with negative resistance on a mass effect basis, those in an area ir ^ close to the circumference

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angeordnet und auf diesen begrenzt sind, der durch die stärkste geschlossene Schleife des magnetischen Mikrowellenfeldes definiert ist.are arranged and limited to this by the strongest closed loop of the magnetic microwave field is defined.

Die Segmente 15 haben vorzugsweise abgerundete Ecken, um eine Konzentration von magnetischen Umfangsfeidern zu verhindern, und damit axiale Mikrowellenströme. Die einzelnen Segmente 13 weisen jeweils ihre eigenen Elektroden auf, damit Gleich- und Mikrowellen-Spannungen angelegt werden können. Die einzelnen Segmente 15 sind parallel geschaltet, um zusammengesetzte Vorrichtungen 13 bzw. 14 zu bilden.The segments 15 preferably have rounded corners in order to prevent a concentration of peripheral magnetic fields, and thus axial microwave currents. The individual segments 13 each have their own electrodes so that equal and microwave voltages can be applied. The individual segments 15 are connected in parallel to form composite Devices 13 and 14 to form.

Ein Vorteil der Segmentformen nach Fig. 6 und 7 liegt darin, daß die einzelnen halbleitenden Segmente 15 getrennt getestet und bezüglich günstiger Betriebseigenschaften ausgewählt werden können. Bei den einstückigen ringförmigen Halbleiterelementen nach Fig. 4 und 5 ist es oft schwierig, einen einzelnen perfekten Kristall ausreichender Grosse zu wachsen, um zu ermöglichen, daß die relativ grossen Ringe nach Fig. 4 und 5 geschnitten werden können. Auf der anderen Seite können relativ kleine Segmente 15 aus perfektem Material leichter hergestellt werden. Darüber hinaus ist eine Stromdomänenwanderung in Querrichtung gemäss Fig. 3 bei den eegmentierten Ringformen nach Fig. 6 und 7 durch die Unterbrechungen im Halbleitermaterial behindert·An advantage of the segment shapes according to FIGS. 6 and 7 is that that the individual semiconducting segments 15 tested separately and selected with regard to favorable operating properties can be. In the case of the one-piece ring-shaped semiconductor elements according to FIGS. 4 and 5, it is often difficult to to grow a single perfect crystal of sufficient size to allow the relatively large rings 4 and 5 can be cut according to FIGS. On the other hand, relatively small segments 15 can be made of perfect material easier to manufacture. In addition, is a current domain migration in the transverse direction according to FIG. 3 with the segmented Ring shapes according to Fig. 6 and 7 hindered by the interruptions in the semiconductor material

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Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 7 angedeutet ist, brauchen die Segmente 15 keinen vollständigen Kreis zu bilden, es genügt, wenn sie eine allgemein G-Anordnung oder Struktur bilden. Eine solche C-förmige halbleitende Struktur bildet einen ausreichend grossen hohlen Innenbereich. Die Schleife aus starkem magnetischen Mikrowellenfeld, die durch die unterbrochene Linie H in Fig. 7 angedeutet ist, soll nicht zu weit in den Zentralbereich der Struktur eintauchen, weil hierdurch die Fläche erheblich verringert würde, die durch das starke Magnetfeld umschlossen ist, so daß das Verhältnis umgrenzte Fläche zu tatsächliche Fläche der Vorrichtung reduziert wird.As indicated in the embodiment according to FIG. 7, the segments 15 do not need to form a complete circle; it is sufficient if they have a general G arrangement or form structure. Such a C-shaped semiconducting structure forms a sufficiently large hollow inner area. The loop of strong magnetic microwave field indicated by the broken line H in FIG should not dip too far into the central area of the structure, because this increases the surface area which is enclosed by the strong magnetic field, so that the ratio of bounded area to actual Area of the device is reduced.

In Fig. 8 und 9 ist eine zusammengebaute Vorrichtung mit negativem Widerstand auf kasseneffekt-Basis dargestellt, die aus einer Vielzahl von einzelnen Segmenten 15 aufgebaut ist, die in einer kreisförmigen Anordnung in der Nähe des Umfange angeordnet sind, der durch die geschlossene Schleife des stärksten magnetischen Mikrowellenfeldes definiert ist. Die Segmente 15 sind jeweils etwa 0,07 - 0,1 mm (3 - 4 mils) stark und haben eine Seitenabmessung von 1 mm (40 mils),Referring to Figures 8 and 9, there is shown an assembled box effect negative resistance device; which is made up of a plurality of individual segments 15 arranged in a circular arrangement near the perimeter are arranged, which is defined by the closed loop of the strongest magnetic microwave field. The segments 15 are each about 0.07-0.1 mm (3-4 mils) strong and have a side dimension of 1 mm (40 mils),

2 2
d.h. ein mm (40 mils ) und es sind etwa zwölf Segmente in der Anordnung vorgesehen, um eine L-Band-Vorrichtung zu bilden. Jedes Segment 15 trägt ein Paar Elektroden auf unterschiedlichen Seiten. Die Elektroden auf einer Seite Bind an das flache Ende eines Zapfens 18 angelötet, der2 2
ie one mm (40 mils) and about twelve segments are provided in the array to form an L-band device. Each segment 15 carries a pair of electrodes on different sides. The electrodes on one side Bind are soldered to the flat end of a peg 18, the

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aus einem gut elektrisch und thermisch leitenden »erkstoff "besteht, beispielsweise Te-Cu, um als ein Mikrowellenanschluss und als Wärmeableitung zu dienen.made of a material that is well electrically and thermally conductive "is made, for example, of Te-Cu to serve as a microwave port and heat sink.

Eine Reihe von leitenden Anschlüssen 19, beispielsweise aus Gold, von 1 mm (40 mils) Breite und 0,025 mm (1 mil) Stärke und 2 mm (80 mils) Länge verbindet die oberen Elektroden der Segmente 15 mit dem metallisierten Ende eines Keramikzylinders 21. Der Zylinder 21 ist an eine Schulter des Zapfens 18 angelötet und umgibt die Segmentanordnung 15. Eine Kovar-Kappe 22 ist mit ihrer Lippe an die äusseren Enden der Zunge 19 angelötet und bildet die andere Klemme der Vorrichtung 17. Der Zapfen 18 ist mit Aussengewinde versehen, so daß er in eine Mikrowellenschaltung eingeschraubt werden kann.A series of conductive terminals 19, such as gold, 1 mm (40 mils) wide and 0.025 mm (1 mil) Thickness and 2 mm (80 mils) length connects the top electrodes of segments 15 to the metallized end a ceramic cylinder 21. The cylinder 21 is soldered to a shoulder of the pin 18 and surrounds the segment arrangement 15. A Kovar cap 22 is soldered with its lip to the outer ends of the tongue 19 and forms the other clamp of the device 17. The pin 18 is provided with an external thread so that it can be connected to a microwave circuit can be screwed in.

Eine geeignete Mikrowellenschaltung ist schematisch in U¹Ig. 10 dargestellt. Diese Schaltung ist in einer parallelen US-Anmeldung der Anmelderin beschrieben.A suitable microwave circuit is shown schematically in U ¹ Ig. 10 shown. This circuit is described in a parallel US application by the applicant.

Kurz gesagt, die Schaltung nach -fc'ig. 10 besteht aus zwei Halbwellen-Resonanzsektionen aus Übertragungsleitungen und 25 im Leerlauf, die in einem leitenden Gehäuse 26 angeordnet sind. Abstimmkondensatoren 27 sind am offenen Ende der Übertragungsleitungen 24 und 25 vorgesehen, um deren Resonanzfrequenzen abzustimmen, und um die Lage der Mikrowellen-In short, the circuit to -fc'ig. 10 consists of two Half-wave resonance sections made up of transmission lines and 25 idle, which are arranged in a conductive housing 26 are. Tuning capacitors 27 are provided at the open end of the transmission lines 24 and 25 to reduce their resonance frequencies coordinated, and to determine the position of the microwave

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Spannungs-Nullsteilen zu verschieben, die normalerweise in der Mitte der Längserstreckung liegen.Stress zero parts to shift that normally lie in the middle of the longitudinal extension.

Eine Vorrichtung 17 nach Fig. 8 und 9 mit negativem Widerstand auf kasseneffekt-Basis wird in das Gehäuse 26 eingeschraubt, um an einem Punkt in der Nähe des Spannungsnulls der Resonanzleitung 24 mit dieser verbunden zu werden, so daß eine Anpassung mit niedriger Impedanz zwischen Leitung 24 und Vorrichtung 17 erhalten wird. Der Mitteieiter 32 einer Ausgangs-Koaxialleitung 31 ist in der Nähe von deren Mittelpunkt zur Impedanzanpassung mit der Ausgangs-Resonanzleitung 25 verbunden. Eine Vorspannungsquelle 35 mit niedriger Impedanz, die gepulst werden kann, ist an den Mkrowellenspannungs-Nullpunkt der Singangs-Resonanzleitung 24 angeschlossen, um die Mikrowellenkopplung mit der Quelle 33 herabzusetzen und eine Betriebsvorspannung an die kasseneffektvorrichtung 17 anzulegen. Eine leitende Trennwand 34 reicht teilweise in das Gehäuse 26, um eine induktive Kopplungsblende 35 zwischen den beiden Resonanzleitungen 24 und 25 zu bilden, mit der der Kopplungsgrad zwischen diesen beiden kontrolliert wird.A device 17 according to FIGS. 8 and 9 with negative resistance on a cash register effect basis is inserted into the housing 26 screwed in to be connected to the resonance line 24 at a point near the voltage zero, so that a low impedance match between line 24 and device 17 is obtained. The moderator 32 of an output coaxial line 31 is in the vicinity thereof Center point for impedance matching with the output resonance line 25 connected. A bias source 35 with lower Impedance that can be pulsed is at microwave voltage zero the singangs resonance line 24 to reduce the microwave coupling with the source 33 and apply an operating bias to the box office effect device 17. A conductive partition 34 is sufficient partially into the housing 26 in order to form an inductive coupling diaphragm 35 between the two resonance lines 24 and 25, with which the degree of coupling between the two is controlled.

Im Betrieb treten die Hikrowellenfelder des Eingangsresonators 24 mit den Ladungsträgern in der Masseneffektvorrichtung 17 in Wechselwirkung, so daß ein Mikrowellen-Ausgangssignal erzeugt wird, das über die Ausgangs-Koaxialleitung 31 an eine Last gekoppelt wird. Eine Spitzenaüsgangsleistung von 500 WattThe microwave fields of the input resonator occur during operation 24 interacts with the charge carriers in the mass effects device 17 so that a microwave output signal is generated which is coupled to a load via the output coaxial line 31. A peak output power of 500 watts

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bei 1 GHz ist mit einer Vorrichtung 17 erzeugt worden, die etwa ein Dutzend Segmenie 15 in Anordnung nach Fig. 8 und 9 hatte und in einem Gunn-Effekt-Domänen-Modus betrieben wurde. Eine ähnliche Vorrichtung 17, deren Segmente 15 zum Betrieb im Modus mit begrenzter Haumladungs--Ansammlung (LSA-jjiOdus) bemessen wurde, müsste bei höherem Wirkungsgrad höhere Ausgangsleistung liefern, verglichen mit dem Betrieb im LSA-Modus einer massiven Vorrichtung ohne Ringform· Betrieb im LSA-Modus ist beschrieben in "A New Mode of Operation for Bulk Negative Resistance Oscillators¹¹ John A. Copeland, Proceedings IEEiS, Band 54, Ur. 10. Seiten 1479 - 1480, Oktober 1966. Bezüglich Ausfällen der Vorrichtung braucht die ringförmige LSA-kodus-Vorrichtung keine Vorteile aufzuweisen, mit Rücksicht auf die Skin-Tiefe ergibt sich jedoch ein höherer Wirkungsgrad.at 1 GHz was generated with a device 17 which had about a dozen segments 15 in the arrangement according to FIGS. 8 and 9 and was operated in a Gunn effect domain mode. A similar device 17, the segments 15 of which have been sized for operation in the mode with limited haum charge accumulation (LSA-jjiOdus), would have to deliver higher output power with higher efficiency compared to operation in the LSA mode of a massive device without ring shape LSA mode is described in "A New Mode of Operation for Bulk Negative Resistance Oscillators ¹¹ John A. Copeland, Proceedings IEEiS, Volume 54, Ur. 10. Pages 1479-1480, October 1966. Regarding device failures, the ring-shaped LSA- kodus device have no advantages, but with regard to the skin depth, there is a higher efficiency.

Grundgedanke der Erfindung ist es, den aktiven Bereich der Vorrichtung mit negativem Widerstand auf Masseneffekt-Basis auf einen Bereich in der Nähe des Umfangs zu beschränken. Soweit beschrieben, ist das in der Praxis dadurch erreicht worden, daß halbleitendes Material aus allen Bereichen, mit Ausnahme des Umfangs, entfernt wurde. Als Alternative kann, wenn die Abmessungen der Vorrichtung ein Herauenehmen dee Zentralbereiches nicht zulassen, wenigstens eine der Elektroden 5* bzw, 6', mit der die Vorspannungs- und Mikrowellenspannungen angelegt werden, im Mittelbereich freigelassen werden, wie das inThe basic idea of the invention is to provide the active area of the device with negative resistance on a mass effect basis to an area close to the perimeter. So far described, this has been achieved in practice by using semiconducting material from all areas, with the exception the scope, has been removed. Alternatively, if the dimensions of the device include taking out the central area do not allow at least one of the electrodes 5 * or, 6 ', with which the bias and microwave voltages are applied be released in the central area, like the one in

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J?ig. 11 dargestellt ist. Da der aktive Bereich der Halbleitervorrichtung 4 auf Bereiche beschränkt ist, die einer Vorspannung grosser als V_T unterworfen sind, ist der Zentralbereich des Halbleitermaterials 4 nicht aktiv.J? Y. 11 is shown. Since the active area of the semiconductor device 4 is limited to areas that are subjected to a bias voltage greater than V _T , the central area of the semiconductor material 4 is not active.

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Claims (8)

If V1 P173 DIf V1 P173 D Patentansprüche :Patent claims: Halbleitervorrichtung für Mikrowellen, die negativen Widerstand auf Massenefiekt-Basis zeigt und die aus einer Halbleiterstruktur mit einem aktiven Bereich besteht, derA semiconductor device for microwaves which exhibits negative resistance on a mass-efect basis and which is composed of a There is a semiconductor structure with an active area that w negativen Widerstand auf kasseneffekt-Basis beim Anlegen einer gewissen Vorspannung zeigt, und zwei Elektroden, die an verschiedenen Seiten der Halbleiterstruktur befestigt sind, um die Vorspannung anzulegen, und zwei Equipotentialflachen für Mikrowellen auf verschiedenen Seiten der Halbleiterstruktur zu bilden, um ein Mikrowellenpotential zu führen, und eine Vorspannung über die Struktur anzulegen, so daß eine elektromagnetische Wechselwirkung mit Ladungsträgern im aktiven Bereich erreichtw negative resistance on a cash desk basis when donning shows some bias, and two electrodes attached to different sides of the semiconductor structure are to apply the bias voltage, and two equipotential surfaces for microwaves on different Form sides of the semiconductor structure to carry a microwave potential and bias across the To create structure so that an electromagnetic interaction with charge carriers in the active area is achieved gfc wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Haibleiteretruktur so geformt und angeordnet ist, daß das aktive Halbleitermaterial auf einen Bereich der Struktur beschränkt ist, der in der Nähe des Umfangs der Struktur liegt, und daß der Zentralbereich der Struktur frei von dem aktiven Halbleitermaterial ist,gfc, characterized in that the semiconductor structure is shaped and arranged so that the active semiconductor material is confined to a portion of the structure, which is close to the perimeter of the structure, and that the central area of the structure is free of the active semiconductor material, 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich in der Nähe des Umfangs der Halbleiteretruktur, auf den das aktive halbleitende Material beschränkt ist,2. Device according to claim 1, characterized in that the area in the vicinity of the circumference of the semiconductor structure, to which the active semiconducting material is restricted, - A2 10 9 8 3 3/0691 ORf_GlNAL - A2 10 9 8 3 3/0691 ORf _GlNAL eine radiale Dicke von weniger als 1,5 Skin-Iiefen bei der Frequenz der Mikrowellenspannung hat, mit der innerhalb der Vorrichtung in Wechselwirkung getreten werden soll.a radial thickness of less than 1.5 skin depths the frequency of the microwave voltage with which the device interacts target. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstruktur aus einer Anzahl Segmente aus aktivem Halbleitermaterial besteht, die in dem Bereich in der Nähe des Umfangs der Struktur angeordnet sind.3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the semiconductor structure consists of a number of segments consists of active semiconductor material arranged in the area near the perimeter of the structure. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive halbleitende Material auf einen ringförmigen Raumbereich beschränkt ist.4. Apparatus according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the active semiconducting material is applied to one annular space area is limited. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der aktiven halbleitenden Struktur eingenommene Fläche kleiner als die Hälfte der Fläche ist, die durch den Umfang begrenzt ist, der durch ein magnetisches Mikrowellenfeld definiert wird, das durch den Mikrowellenstrom erzeugt wird, der im Betrieb durch die Halbleiterstruktur flieset.5. Apparatus according to claim 1, 2, 3 or 4, characterized in that that the area occupied by the active semiconducting structure is less than half of the Is the area bounded by the perimeter defined by a magnetic microwave field, which is generated by the microwave current flowing through the semiconductor structure during operation. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Elektrodenstrukturen, die an der aktiven halbleitenden Struktur befestigt ist, an das Ende eines elektrisch leitenden Zapfens angesetzt ist,6. Device according to one of claims 1-5, characterized in that that one of the electrode structures attached to the active semiconducting structure the end of an electrically conductive pin is attached, 109833/0691109833/0691 um mit diesem eine elektrische Verbindung herzustellen und um eine Wärmeableitung für die Halbleitervorrichtung zu bilden.to establish an electrical connection with it and to form a heat sink for the semiconductor device. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfang der Halbleiterstruktur kürzer ist als eine halbe elektrische Wellenlänge, bestimmt bei der Mikrowellen-Betriebsfrequenz der Masseneffekt-Vorrichtung .7. Device according to one of claims 1-6, characterized in that that the circumference of the semiconductor structure is shorter than half an electrical wavelength at the microwave operating frequency of the mass effect device . 8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleitervorrichtung einen Gleichstromwiderstand bei niedrigem Feld von weniger als 0,5 Ohm hat.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the semiconductor device has a low field DC resistance of less than 0.5 ohms. 109833/0691109833/0691