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Widerstandes eintritt, der die Kapazität sch ell durc die Diode und
die Last entlädt, so daß ein Kippgenerator gebildet wird. vienr; die Last eine Widerstandsbelastung
von relativ niedrigem Widerstandswert ist, ist der Entlaiestrom durch die Diode
und die Last durch Stromspitzen gekennzeichnet, die eine Dauer von etwa 200 x 10-12
Sekunden haben und die mit der Kippfrequenz des Oszillators wieder auftreten, die
zwischen 10 und 30 MHz liegen kann. Die sich dadurch ergebende Ausgangsspannung
ist ein breitbandiges Rauschsignal, das sich durch das statistische Intervall zwischen
den Entladungsstromspitzen ergibt. Das Rauschen kann über ein breites Frequenzband
von 0 bis 2 GHz etwa konstant gemacht werden. Wenn die Diode des Kippgenerators
mit einem Resonanzkreis mit relativ hoher Prefaktor (Q) gekoppelt wird, wird der
Resonanzkreis durch die Stromspitzen erregt und der Resonanzkreis schwingt gedämpft
zwischen aufeinanderfolgende Stromspitzen, so daß ein kohärentes Ausgangssignal
mit der Frequenz des Resonanzkreises erzeugt wird, 90 da3 sich ein Generator für
ko härente Signale ergibt, der von relativ niedrigen Frequenzen bis hinauf in den
Mikrowellenbereich brauchbar ist.
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Stand der Technik: Es sind bereits Silizium-PlN-Dioden mit einem eigenleitenden
Bereich dicker als 5 Mikron und einem Widerstand grösser als 50 Ohmzentimeter gebaut
worden. Solche Dioden sind blicherweise als Mikrowellenschaiter verwendet worden.
In solchen Anwendungsfällen sind lie Dioden mit Rückwärts-Vorspannungen verwendet
worden, die relativ niedrig liegen, d.h. niedriger als - 100 Volt. Diese bekannten
Dioden sind üblicherweise mittels einer Lackschicht passiviert worden, die über
die Seitenkanten der Mesa-Diode aufgebracht wurden. Die Lackschicht reicht zwar
aus einen Oberflächen-Durchbruch der Diode zu verhindern, wenn diese mit relativ
niedrigen Rückwärts-Vorspannungen betrieben wird, wie sie in den erwähnten Anwendungsfällen
auftreten; es wurde jedoch festgestellt, daß der Lack nicht ausreichende Isoliereigenschaften
hat, um eine dauernde Anwendung vor. Rückwärtig orspannungen
über
20 Volt zu erlauben, ohne daß Oberflächendurch briiche an aer Diode erfolgen. Beim
Prüfen von bekannten Dioden während der ;ierstellung wurde festgestellt, aaB sich
bei einigen der Dioden ein anomales Betriebsverhalten zeigte, wenn die Rückwärtsspannung
die Nähe von etwa 270 Volt erreichte oder überstieg.
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Dieses anomale Betriebsverhalten der statischen Strom-Spannungs Kennlinie
der Diode wurde jedoch nicht verstanden und in der Praxis vermieden.
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Zusammenfassung der Erfindung: Durch die Erfindung soll eine verbesserte
PIN-Diode und ein damit ausgestatteter Hochfrequenz-Kippgenerator verfügbar gemacht
werden.
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Durch die Erfindung wird eine PIN-Diode verfügbar gemacht, die einen
Bereich negativen Widerstandes in der statischen Strom-Spannungs-Kennlinie aufweist;
eine solche Diode hat eine eigenleitende Zwischen.
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schicht mit einer Dicke von mehr als r; Mikron und einem Widerstand
von wenigstens 50 Ohmzentimeter, wobei die Oberfläche der Diode mit Glas beschichtet
ist, um die Oberfläche zu passivieren, so da3 (ber.
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flächendurchbrüche verhindert werden, wenn eine relativ grosse Rückwärts-Vorspannung
an die Diode gelegt wird, um diese in den Bereich negativen Widerstandes vorzuspannen.
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Weiter wird durch die Erfindung ein Hochfrequenz-Kippgenerator verfügbar
gemacht, der eine Kapazität und einen Widerstand enthält, die in Reihe mit einer
Spannungsquelle geschaltet werden, und der ferner eine PIN-Diode aufweist, die parallel
zur Kapazität geschaltet ist, so daß, wenn die über der Kapazität entwickelte Vorspannung
den bei Rückwärts.Vorspannung stich zeigenden Bereich negativen Widerstandes der
Diode errecht, die Kapazität durch den negativen Widerstand der Diode entladen wird,
so daß ein Kippgenerator gebildet wird, der eine Ausgangsspannung liefert, die reich
an hochfrequenten Fourier-Komponenten ist.
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Gemäss einer speziellen Ausbildung der Erfindung ist an die Diode
eine Ausgangsechaltung mit niedrigem Gütefaktor (Q) angekoppelt, um eine breitbandige
Rauschspannung aus dem Kippgenerator auszukoppeln.
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Gemäss einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist ein Resonanz-Ausgangakreis
mit relativ hohem Gütefaktor (Q) angekoppelt, un die hochfrequenten Fourier-Komponenten
der Ausgangs spannung des Kipp generators auszukoppeln, wodurch eine kohärente Ausgangaspannung
bei der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises erzeugt wird, so-daB sich ein Generator
für hochfrequente kohärente Signale ergibt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung; es zeigen: Fig. 1 schematisch einen
Schnitt durch eine Mesa-PIN-Diode mit Merkmalen der Erfindung; Fig. 2 schematisch
eine Schaltung eines Kippgenerators mit Merkmalen der Erfindung; Fig. 3 eine statische
Strom.Spannungs-Kennlinie einer PIN-Diode nach der Erfindung zur Veranschaulichung
des Bereichs negativen Widerstandes in der Diodenkennlinie; Fig. 4 graphisch die
Rückwärts.Vorspannung über der PIN-Diode und der Rückwärtsstrom durch die PIN-Diode
in Abhängigkeit von der Zeit für einen Kippgenerator nach der Erfindung; Fig. 5
graphisch die Rauschspannung aufgetragen über der Frequenz zur Veranschaulichung
der Rauschspannung eines Kippgenerators mit Merkmalen der Erfindung; Fig. 6 graphisch
die Hochfrequenz.Stromerregung in einem Xesonanzkreis, der mit der PIN-Diode in
einem Kippgenerator nach der Erfindung gekoppelt ist, der zur Erzeugung von kohärenten
Ausgangs.
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spannungen geschaltet ist; Fig. 7 ein Schaltbild eines Rauschgenerators
nach der Erfindung; Fig. 8 die Abhängigkeit der Ausgangeleistung von der Frequenz
zur Veranschaulichung der Rausch-Ausgangsleistung der Schaltung nach Fig. 7;
Fig.9
ein Sohaltbild eines Generator zur Erzeugung kohärenter Rochfrequenzspannungen mit
Merkmalen der Erfindung; Fig. 10 die Abhängigkeit der Ausgangsleistung von der Frequenz
zur Veranschaulichung des Ausgangsspektrums eine Signale nergtors nach Fig. 9; Fig.
11 ein Sohaltbild einer anderen Ausführungsform eines Generators für kohärente Signale
mit Merkmalen der Erfindung; Fig. 12 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform
eines Generators für kohärente Signale nach dsr Erfindung; und Fig. 13 ein Flussdiagramm
in Form eines Blockschaltbildes zur Veranschalichtung des Herstellungsverfahrens
für eine PIN-Diode nach der Erfindung.
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In Fig. 1 ist eine Mesa-Silizium-PIN-Diode 1 Bit Merkmalen der Erfindung
dargestellt. Die Diod. 1 weist eine p+-dotierte Schicht Ton beispielswese 10 Mikron
Stärke auf, und eine n+-dotierte Schicht 3 von 0,17 bis 0,38 mm (0,007 b 0,015 Zoll)
Stärke auf; die n+-Schicht hat einen Widerstand von etwa 0,007 Ohmzentimeter. Ein
eingenleitender n-ereich 4 liegt zwischen der p+-Schicht 2 und der n+-Sohicht 3.
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Der eigenleitende n-Bereich 4 hat eine Stärke grösser als 5 Mirkon,
beispielsweise 11 Mikron, und einen Widerstand grösser als 50 Ohmzentimeter, beispielsweise
50 - 100 Ohmzentimeter.
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Zwei Nickelektroden 3 und 6 sind auf gegenüberliegenden Seiten des
Diodenkörpers niedergeschlagen, um ohmsche Kontakte an die p+-Schicht 2 und die
n+-Schicht 3 zu legen. Goldschichten 7 und 8 sind über den Nickelschichten 5 bzw.
6 niedergeschlagen, um die Herstellung eines elektrischen Kontaktes an die Nickelelektroden
5 und 6 zu erleichtern. Die Diode 1 ist in der üblichen Mesaform aufgebaut und die
oberen exposierten Seitenkanten der Mean sind mittels eines pyrolithischen Niederschlages
aus Glas 9 passiviert, beispielsweise Siliziumdioxyd, das mit einer Stärke von beispielsweise
800 AE niedergeschalgen ist. Die gläserne Pssivierschicht 9 bedeckt die exponierten
Seitenkanten
der Mesadiode 1, Um einen Oberflächendurchbrueh der
Diodenstruktur zu verhindern, wenn relativ grosse Rückwärts-Vorspannungen, beispielsweise
größer als 200 Volt, über die Diode 1 gelegt werden. Zwei elektriscle Anschlüsse
11 und 12 sind an die Goldkontakte 7 bzw. 8 gebunden, so daß zwei Anschlüsse für
die Diode 1 gebildet werden.
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In Fig. 2 ist eine Kippgeneratorschaltung mit einer PIN-Diode 1 nach
Fig. 1 dargestellt. Die Kippgeneratorschaltung weist einen Widerstand 15 und einen
Kondensator 16 auf, die in Reihe mit einer Quelle für negative Spannung 17, beispielsweise
- 400 Volt, geschaltet ist. Die PIN-Diode 1 nach Fig. 1 liegt parallel zum Kondensator
16. Die Diode 1 ist bezüglich der Quelle 17 fllr die Vorspannung in Rückwärtarichtung
geschaltet. Eine Lastimpedanz 18 von beispielsweise 50 Ohm liegt in Reihe mit der
Diode 1. Für eine Hochfrequenzschaltung hat der Kondensator 16 eine relativ niedrige
Kapazität von beispielsweise 1,4 Pikofarad, die durch die Streukapazität der Schaltung
und die Kapazität der Diode 1 gebildet werden kann.
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Die Diode 1 hat eine statische Strom-Spannungs-Kennlinie gemäss Fig.
3. Wenn eine Rückwärtsepannung von beispielsweise 270 Volt an die Diode 1 gelegt
wird, bricht die Diode 1 in eine negative Widerstandskennlinie zusammen, die einen
lawinenartigen Durchbruch in Verbindung mit eines Masseneffekt durch die eigenleitende
Schicht 4 hat. Der negative Widerstand scheint auf die Raumladung der erzeugten
Träger in der verteilten Lawine zurückzuführen zu sein. Die Zeit, die benötigt wird,
ur die Lawine ein- und abzuschalten, ist in der Schaltung als begrenzt auf etwa
150 bis 200 Pikosekunden beobachtet worden.
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Bein Kippgenerator nach Fig. 2 fließt der Ladestrom von der Quelle
17 durch den Reihenwidersand 15, umden Kondensator 16 zu laden.
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Wenn die über dem Kondensator 16 entwickelte Spannung die Durchbruchsspannung
von
-270 Volt für die Diode 1 erreicht, geht die Dioden lawinenartig in den negativen
Widerstandebereich über und entlädt die Ladung auf dem Kondensator 16 durch den
Lastwiderstand 18. Die Ladespannungs und Entladestroms-Kennlinien sind in Fig. 4
veranschaulicht. Die Wiederholrate des Kippgenerators wird durch den Reihenwiderstand
15, die Kapazität des Kondensators 16 und die Spannung der Quelle 17 bestimmt. Die
Lastimpedanz 18 bestimmt die Form der gedämpften' Schwingungen, wenn die Diode einsohaltet.
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In einer Schaltung mit Werten nach Fig. 2 liegt die Frequenz des Kippgenerators
zwischen etwa 10 und 30 MHzw und die Ausgangsstromspitzen haben eine Zeitdauer zwischen
150 und 250 Pikosekunden, so da3 Ausgangsstromspitzen gebildet werden, die reich
an hochfrequenten Komponenten sind, bis hinauf in den Mikrowellenfrequenzbereioh
von beispielsweise 5 GHz. Der Kippgenerator naoh Fig. 2 kann dazu verwendet werden,
eine Rauschspannung zu liefern, wenn die Diode 1 mit einer Last 18 mit niedrigem
Gütefaktor (Q) gekoppelt wird. Ein typisches Rausch-Ausgangs spektrum des Kippgenerators
ist in Fig. 5 -dargestellt, woraus erkennbar ist daß ein extrem breites Rausohband
erreicht wird, das zwischen etwa Gleichstrom und 2GHz liegt.
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Wenn statt dessen ein Rescnanzausgangskreis mit hohem Gütefaktor mit
der Diode 1 gekoppelt wird, wird bei einer Resonanzfrequenz der Last mit hohem Gütefaktor
eine kohärente Ausgangsspannung erreicht.
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Diese Betriebsweise ist in Fig. 6 veranschaulicht, gemäss der aufeinanderfolgende
Ausgangsstromspitzen der Diode nacheinander eine gedämpfte Schwingung des Resonanzkreises
erregen. Bei dieser Betriebsweise arbeitet der Resonanzkreis wie ein Schwungrad,
und die periodischen Spitzen des Ausgangsstromes, die reich an hochfrequen ten Fourier-Komponenten
sind, haben eine Komponente bei der Resonanzfrequenz des Kreises. Diese Stromkomponente
bei der Resonanzfrequenz des Kreises liefert einen Impuls an den Kreis, der dessen
Schwingungen aufrechterhilt, wie in Fig. 6 veranschaulicht ist. Eine kohärente
I,usgangsenergie
wird dann von dem in Resonanz befindlichen Kreis mit hohem Gütefaktor entnommen.
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In Fig. 7 ist eine Kippgeneratorschaltung gezeigt, die als breitbandiger
Rauschgenerator geschaltet ist. Diese Schaltung ist im wesentlichen die gleiche
wie die nach Fig. 2, nur daß die Lastimpedal: 18 durch eine im Leerlauf betriebene
Sektion eines Koaxialhohlraums 21 mit ungeradzahliger Viertelwellenlänge gebildet
wird, wobei die Diode 1 an den Mittelleiter des Koaxialresonators am offenen Ende
desselben geschaltet ist. Der Gütefaktor des Resonators 21 ist dadurch auf einen
sehr niedrigen Wert herabgesetzt, daß der Mittelleiter 22 eines 50 Ohm-Ausgangskabel
23 direkt an das offene Ende des Mittelleiters der Koaxialleitungssektion 21 angeschlossen
ist. Das sich hierdurch ergebende Ausgangsleistungsspektrum für die Schaltung nach
Fig. 7 ist in Fig. 8 dargestellt. Vom Ausgangsleistungsspektrum ist zu erkennen,
daß die Ausgangsleistung auf den Frequenzbereich unterhalb 1 GHz konzentriert ist
und daß ein relativ breitbandiges Ausgangsspektrum erhalten wird, das um die Regonanzfrequenz
f0 des Hohlraums 21 zentriert ist.
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Bei der Schaltung nach Fig, 7 wird der Kondensator 16 durch die Streukapazität
der Diode 1 gebildet. In Fig. 9 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
Die Schaltung nach Fig. 9 ist im wesentlichen die gleiche wie die nach Fig. 7, nur
daß die Diode 1 in Reihe mit dem Mittelleiter eines Koaxialhohlraums 21 von einer
Viertelwellenlänge an dessem kurzgesschlossenen Ende geschaltet ist, an einem Punkt
relativ niedriger Impedanz. Zusätzlich ist der Mittelleiter der Ausgangskoaxialleitung
an eine kapazitive Koppel sonde 24 angeschlossen, um Ausgangs energie vom Hohlraum
21 an eine Last zu koppeln. In diesem Falle erniedrigt die Ausgangskopplung den
Gütefaktor des Hohlraums 21 nicht merklich, so daß der Hohlraum 21 einen relativ
hohen Gütefaktor hat, und er ist auf eine Resonanzfrequenz fo abgestimmt. Das Ausgangsleisstungsspektrum
für den Kippgenerator nach Fig. 9 ist in Fig. 10 dargestellt. Aus Fig. 10 ist zu
erkennen, daß die Ausgangs spannung auf die Resonanzfrequenz des Hohlraums 21 konzentriert
ist, und es wurde festgestellt, daß die Ausgangespannung
bei dieser
Frequenz kohärent ist, d.h. in der in Fig. 6 dargestellten Weise arbeitet.
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In Fig. 11 ist eine andere Ausführungsform eines Kippgenerators nach
der Erfindung dargestellt. Diese Schaltung ist im wesentlichen die gleiche wie die
nach Fig. 9, nur daß die Diode 1 in Reihe mit dem Mittelleiter des Koaxialhohlraums
21 an einem Punkt in der Nähe des offenen Endes des Hohlraums geschaltet ist, d.h.
an einem Punkt hoher Impedanz des Hohlraums 21. Der Hohlraumresonator 21 hat einen
relativ hohen Gütefaktor und liefert ein kohärente Ausgangsspektrum gemäss Fig.
10.
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In Fig. t2 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemässen
Kippgenerators dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Schall tung ähnlich
der naoh Fig. 7, nur daß der Gütefaktor des Kohlraumresonators 21 nicht durch die
Auskopplung zerstört ist, weil eine kapazitive lusgangs-Koppelsonde 24 verwendet
wird, wie in Verbindung mit Fig. 9 beschrieben worden ist. Ein Hohlraum 21 nach
Fig. 12 mit relativ hohem Gütefaktor liefert ein kohärentes Ausgangssignal, wie
es durch das Spektrum nach Fig. 10 veranschaulicht ist.
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Wenn auch in den Generatoren für kohärente Signale gemäss Fig. 9,
11 und 12 typischerweise ein Hohlraumresonator 21 verwendet wird, der auf einer
Resonanzfrequenz deutlich oberhalb der Eigenfrequenz des Kippgenerators abgestimmt
ist, um eine kohärente Ausgangsleistung bei Mikrowellenfrequenzen zu erreichen,
so ist das doch nicht erforderlich. Mit anderen Worten, der Widerstand des Widerstandes
15 und die Kapazität des Kondensators 16 können so gewählt werden, daß eine Kipp-Wiederholfrequenz
erreicht wird, die im wesentlichen die gleiche ist wie die Resonanzfrequenz des
Resonators 21, der mit der Diode 1 gekoppelt ist. In dieser Falle wird eine kehärente
Augangsleitung bei der Frequenz des Resonators 21 erzielt, die ebenfalls die Frequenz
des Kippgenerators ist. Ein Kippgenerator, der auf diese Wiese arbeitet, hat eine
hohärente Ausgangsleitung bei 250 MHz geliefert.
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Das Herstellun-sverfahren für eine PIN-Diode nach der Erfindung soll
in Verbindung mit Fig. 1 und 13 bescrrieben werden. Im Schritt (a) wird ein Siliziumplättchen
erhalten, das eitie eigenleitende n-Schicht von etwa 0,03 mm (0,0012 Zoll) Stärke
uni einen Widerstand von 50 - 100 Ohmzentimeter nat, die auf einer n+-Schicht von
0,18 bis 0,38 mm (0t027 bis 0,015 Zoll) Stärke und einer Widerstand von 0,007 Ohmzentimeter
aufgebracht ist. Ein solches Siliziumplättchen wird von Semimetals Inne. Weatbury,
L.I. New York, USA, geliefert. Im Schritt (b) wird das Siliziumplättchen zur Bordiffusion
präpariert, um die p+-Schicht zu bilden, iniem die freiliegende Oberfläche der n-Sohicht
geläppt wird und die Oberfläche der Schicht mit Nickel plattiert wird. Das Flättchen
wird dann gesäubert.
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Im Schritt (c) wird Bor in den n-Bereich eirdiffundiert, um die Schicht
zu bilden. Bei dem Diffusioneschritt wird Bortribromid in die p+-Schicht eindiffundiert,
und zwar etwa 2 Stunden lang von einer Quelle für Bortribromid. Daran schliesst
sich eine Nachdiffusion von 1 Stunde bei 12000C mit einer Oberflächenkonzentration
von 1021 Bortribromid Verunreinigung pro Kubikzentimeter an.
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Im Schritt (d) werden ohmsche Kontakte an die p+-Schicht bzw. die
n+-Schicht gebildet, indem zunächst die p+-Schicht mit Nickel plattiert wird und
anschliessend beide Nickel schichten mit Gold platz tiert werden. Der plattierte
Körper wird dann bei 8000C wärmebehandelt, um die ohmschen Kontakte auf beiden Seiten
des Siliziumplättchens su bilden.
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Im Schritt (e) wird die Meaadiodenfori dem Siliziumplättchen erteilt.
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Bei diesem Schritt wird die Goldoberfläche auf der p+-Seite des Plättchens
maskiert und Punkt. aus Metall-Photoätz-Abdecklack der Firma Kodak werden über die
Goldoberfläche gestrichen. Die aufgestrichenen Punkte werden dann belichtet, so
daß ein Schutzpunktmuster gebildet wird, diese Punkte haben etwa einen Durchnesser
von 0,38 nun (0,015 Zoll) und einen Mittenabstand von 0,75 mm (0,030 Zoll). Das
Plättchen wird dann geätzt, so daß das Gold und Nickel abgeätzt wird, vodurch
das
Siliziumplättchen freigelegt wird, mit Ausnahme der durch das Punktemuster geschützten
Bereiche. Das Siliziumplättohen wird dann 30 bis 60 Sekunden lang in einer normalen
CP4-Ätzsäure geätzt, die aus 5 Teilen Salpetersäure auf 3 Teile Flußsäure P.Uf 3
Teile Essigsäure besteht. Nachdem die Mesaform in der beschriebenen Weise in das
Siliziwnplättchen eingeätzt ist, kann ein kleiner Goldring auf de Spitzen der Mesateile
stehen bleiben. Dieser Goldring wird mit Königswasser zurückgeätzt. Statt die Goldringe
mit Königswasser zu ätzen, können diese dadurch entfernt werden, daß Klebeband über
die Mesareihe gepresst wird und dieses Band abgezogen wird, dadurch werde die Ringe
mit dem Band abgezogen. Das Punktschutzmuster wird dann dadurch entfernt, daß die
Punkte leicht mit einem aus Trichloroäthylen bestehenden Lösungsmittel abgemischt
werden.
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Im Schritt (f) werden die Mesa-PIN-Dioden auf einem Diodenkurvenfolger
geprüft, um zu gewährleisten, daß sie den richtigen Bereich negativen Widerstandes
in der statischen Strom~pannungs~Kenrlinie gemäss Fig. 3 zeigen.
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Im Schritt (g) wird die die Reihe aus Mesas enthaltende Scheibe dadurch
passiviert, daß ein pyrolithisoher Niederschlag aus Siliziumdioxyd auf der Oberseite
der ganzen Scheibe zu einer Dicke von etwa 800 AE niedergeschlagen wird. Die passivierte
Mesa-Scheibe wird dann maskiert und gestrichen um ein ungeschütztes Gittermuster
aus Linien zu bilden, mit dem getrennte Mesadioden eingekratzt werden. Bei dem Maskieren
wird auch eine Reihe von ungeschützten Löchern in dem Aufstrich vorgesehen, die
über den Goldkontaktbereichen auf den einzelnen Mesas liegen, um elektrische Kontakte
mit dem Gold herzustellen.
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Das Muster wird dann mit Flussäure geätzt, um die Goldkontakte freizulegen
und den Halbleiterblock anzureissen.
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Im Schritt (h) werden die verschiedenen Mesadioden wieder auf dem
Diodenkurvenfolger getestet, um zu sehen, daß sie die richtigen negativen Widerstandsbereiche
gemäss Fig. 3 zeigen. Das Plättchen wird dann in die verschiedenen getrennten Mesadioden
aufgetrennt.