DE2148379C3 - Negativ-Impedanz-Oszillator für die Erzeugung sehr hochfrequenter elektromagnetischer Spannungen - Google Patents

Description

6₅ dieser Oszillator bei einer Temperatur möglichst nahe

Die Erfindung bezieht sich auf einen Negativ- der Zimmertemperatur oder sogar bei Temperaturen

Impedanz-Oszillator für die Erzeugung sehr hoch- darüber betriebsfähig sein,

frequenter elektromagnetischer Spannungen mit Diese Aufgabe wird durch einen Oszillator gelöst,

der erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß Oszillator genügend hohe Verstärkung erreicht wird, diese elektrisch isolierte Elektrode und eine weitere Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorvorgesehene Elektrode räumlich derart zueinander gesehen, daß zwischen dem Halbleitermaterial des angeordnet sind, daß eino zwischen der elektrisch Kanals und dem darauf befindlichen Isolatormaterial isolierten Elektrode und dieser weiteren Elektrode S eine mechanische Spannung im Gebiet der Grenzangeschlossene elektrische Spanmmgsquelle in dem fläche zwischen Halbleitermaterial und Isolator-Bereich ein elektrisches Querfeld mit einer Feld- material vorliegt. Eine derartige mechanische Spanstärke, die eine Bandaufspaltung in Subbänder be- nung kann bei der Herstellung des erfindungsgemäßen wirkt erzeugt Oszillators infolge verschieden hoher thermischer

Vorzugsweise ist der Oszillator aus Silizium oder io Ausdehnung von Isolatormaterial und Halbleiter-Germanium aufgebaut Geeignet sind aber auch material bewirkt werden. Insbesondere ist es von A_mB_v-Verbindungshalbleiter, insbesondere Indium- Vorteil, wenn eine mechanische Spannung eines antimonid, Galliumphosphid sowie Galliumarsenid. solchen Vorzeichens vorliegt wie sie durch starke

Der Erfindung liegt die in anderem Zusammenhang thermische Kontraktion des Isoliermaterials gegen-

als mit der Erzeugung hochfrequenter Spannungen 15 über dem Halbleitermaterial erzeugt wird,

gewonnene Erkenntnis zugrunde, daß in einem Als besonders günstig haben sich die Kombinatio-

p-Kanal eines Feldeffekttransislors unter der Wirkung nen Aluminiumoxid und Silizium sowie Silizium-

eines elektrischen Querfeldes einer zwischen dem nitrid und Siiiziurn erwiesen. Die vorteilhafte Wir-

Gate und dem Substrat anliegenden elektrischen kung der gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung

Spannung im Halbleitermaterial eine Aufspaltung des ao ausgenutzte.; mechanischen Spannung hat ihre

Valenzbandes in Subbänder auftritt. Es wurde fest- Ursache in dem Umstand, daß durch diese mecha-

gestellt, daß mit zunehmender Querfeldstärke im nische Spannung eine energetische Aufspaltung zwi-

Kanal, verursacht durch das quergerichtete elektrische FCher· leichten und schweren Löchern auftritt, und

Feld, eine zunehmende Besetzung des Subbandes zwar zusätz!^:-h zu derjenigen, die durch das elek-

eintritt, wobei die Löcher in diesem Subband eine as trische Feld emndungsgemäß erreicht wird,

höhere Beweglichkeit haben (leichte Löcher). Dabei Es ist von Vorteil, wenn für das Halbleitermaterial

tritt eine Abnahme der Besetzung des Subbandes mit in bezug auf die Isolationsschicht eine (HO) Orientie-

schweren Löchern auf. Außerdem warde erkannt, rung gewählt wird. Bei dieser Orientierung hat sich

daß zwischen den Zuständen der leichten Löcher eine Ausrichtung des Kanals des Feldeffekttransistors

und den Zuständen der schweren Löcher eine 30 in der Richtung (110) als besonders günstig erwiesen,

energetische Aufspaltung vorliegt. Es wurde fest- Für den Betrieb des erfindungsgemäßen Oszillators

gestellt, daß diese energetische Aufspaltung mit stei- ist es vorteilhaft, eine Kühlung vorzusehen,

gender Feldstärke zunimmt. F i g. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Oszillator 1

Bisher wurde angenommen, daß an dem Leitungs- in der Ausführung eines Feldeffekttransistors. Mit 2 mechanismus der Löcher praktisch ausschließlich nur 35 ist ein Halbleiterkörper aus η-leitendem Silizium als schwere Löcher beteiligt sind. Die Erfindung baut auf Substrat für den Oszillator bezeichnet. Der HaIbdieser neuen Erkenntnis der feldabhängigen Zunahme leiterkörper kann aber auch hochohmig p-leitend der Dichte der leichten Löcher auf und verwertet sein. Mit 4 und 6 sind die Elektroden zum Anlegen diese Erkenntnis zur Realisierung eines Oszillators einer elektrischen Spannung bezeichnet Eine an den zur Erzeugung sehr hochfrequenter elektromagne- 40 Elektroden angelegte elektrische Spannung erzeugt tischer Schwingungen, wobei ein technologischer in einem oberflächenbenachbarten Bereich 8 ein Aufbau verwendet wird, wie er von Feldeffekt- Driftfeld für Ladungsträger. Mit 10 ist eine Gatetransistoren her bekannt ist. elektrode bezeichnet, die zusammen mit der Isola-

Dem erfindungsgemäßen Oszillator, vorzugsweise tionsschicht 12 und dem als Gegenelektrode wirkmit einem Aufbau gemäß einem p-Kanal-Feldeffekt- 45 samen Halbleiterkörper 2 die Mittel zur Aufrechttransistor, liegt die gewonnene Erkenntnis zugrunde, erhaltung eines erfindungsgemäßen elektrischen daß leichte Löcher in das energetisch höher gelegene Querfeldes in wenigstens einem Teil des Bereiches 8 Subband übergehen, wo sie sich wie schwere Löcher bildet. Durch das Querfeld werden im Betrieb des verhalten. Dabei ist das elektrische Feld der zwischen Oszillators Löcher in diesem Teil des Bereiches 8 der Gateelektrode und dem Substrat angelegten 50 erzeugt. Es bildet sich ein p-Kanal aus. Mit 3, 5, 7 Spannung und die Höhe des so erzeugten elektrischen und 11 sind elektrische Anschlüsse bezeichnet, an die Querfeldes im p-Kanal in zweifacher Weise wirksam, die erforderlichen elektrischen Spannungen angenämlich einmal entsteht durch dieses Feld der ener- schlossen werden.

getische Abstand zwischen leichten und schweren F i g. 2 zeigt einen Oszillator 1 gemäß F i g. 1 in Löchern, und zum anderen wird durch dieses Quer- 55 einem Hohlleiterresonator21. Die mit Fig. 1 Überfeld eine derart große Anzahl von leichten Löchern einstimmenden Bezeichnungen sind in die F i g. 2 im Material des p-Kanals erzeugt, daß eine für einen übernommen worden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

einem Halbleiterkörper mit einem oberflächenbenach- Patentanspruche: bai^n halbleitenden Gebiet, wobei auf der Ober-

1. Negativ-Impedanz-Oszülator für die Erzeu- fläche dieses Gebietes Elektroden zum Anlegen einer gung sehr hochfrequenter elektromagnetischer elektrischen Spannung zur Aufrechterhaltung eines Spannungen mit einem Halbleiterkörper mit 5 Driftfeldes für Ladungsträger dieses Gebietes aneinem oberflächenbenachbarten halbleitenden Ge- geordnet sind und wie bei einem Gunn-Oszillator nur biet, wobei auf der Oberfläche dieses Gebietes diese zwei Elektroden HF-Spannungen führen undIm Elektroden zum Anlegen einer elektrischen Span- wenigstens einem Bereich dieses UeDietes aut der nung zur Aufrechterhaltung eines Driftfeldes für Oberfläche eine gegenüber dem Material des Gebie-Ladungsträger dieses Gebietes angeordnet sind io tes elektrisch isolierte Elektrode angeordnet ist
und wie bei einem Gunn-Oszillator nur diese Es sind nach Gunn bezeichnete Oszillatoren, für zwei Elektroden HF-Spannungen führen und in die ein Halbleitermaterial notwendig ist, bekannt, in wenigstens einem Bereich dieses Gebietes auf dem erlaubte Zustände verschieden hoher Trägerder Oberfläche eine gegenüber dem Material des beweglichkeit einer Ladungsträgerart vorhegen und Gebietes elektrisch isolierte Elektrode angeordnet 15 Übergänge zwischen diesen Zustanden auftreten. Em ist, dadurch gekennzeichnet, daß diese solches Material ist beispielsweise Galliumarsenid, elektrisch isolierte Elektrode (10) und eine weitere Silizium hat diese Eigenschaft mcht und gilt daher zu vorgesehene Elektrode (2 bzw. 3) räumlich der- Recht als für Gunn-Oszillatoren nicht verwendbar, art zueinander angeordnet sind, daß eine zwischen Nähere Einzelheiten sind aus der Veröffentlichung der elektrisch isolierten Elektrode und dieser ao »Zeitschrift für angewandte Physik«, Bd. 22 (1967), weiteren Elektrode (an 11 und 3) angeschlossene S. 553 bis 562, bekannt

elektrische Spannungsquelle in dem Bereich (8) In anderem Zusammenhang als mit Gunn-Oszil-

ein elektrisches Querfeld mit einer Feldstärke, latoren ist in »Phys. Rev.«, Bd. 163 (1967), S. 816

die eine Bandaufspaltune in Subbänder bewirkt, bis 835, und in der Veröffentlichung i*es Erfinders in

erzeugt. »5 »Journal of Appl. Phys.«, Bd. 42 (1971), S. 2053 bis

2. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 2060, die Möglichkeit der Aufspaltung eines Bandes zeichnet, daß das Material des Gebietes Silizium in Subbänder unter der Einwirkung eines hohen ist. elektrischen Feldes beschrieben. Eine solche Auf-

3. Oszillator nach Anspruch 1, dadurch gekenn- spaltung liegt an der Oberfläche dieses Halbleiterzeichnet, daß das Material des Gebietes Ger- 30 materials.

manium ist. Aus »Intern, elektronische Rundschau« (Heft 10/

4. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 1966), S. 598, Fig. 19, ist ein Vorschlag bekannt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem durch Anlegen einer elektrischen Steuerspannung Material des Bereiches und dem darauf befind- zwischen einer der für den Driftstrom vorgesehenen liehen Isolatormaterial eine mechanische Span- ₃₅ Elektrode und einer zusätzlich anzubringenden, eleknung im Gebiet der Grenzfläche zwischen dem trisch isolierten Steuerelektrode das Einsetzen und Material des Bereiches und dem Isolator vorliegt. Abbrechen der Schwingung zu steuern. Die anzu-

5. Oszillator nach Anspruch 4, dadurch gekenn- legende Steuerspannung soll unter Einfluß eines auszeichnet, daß eine mechanische Spannung eines reichend hohen Innenwiderstandes der für den Driftsolchen Vorzeichens vorliegt, wie sie durch star- ^₀ strom anzulegenden Spannungsquelle bewirken, daß kere thermische Kontraktion des Isoliermaterials zwischen den für den Driftstrom vorgesehenen Elekgegenüber dem Halbleitermaterial erzeugt wird. troden eine Spannungsschwankung auftritt, die die

6. Oszillator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch Driftfeldstärke unter den Wert der kritischen Feldgekennzeichnet, daß als Isoliermaterial Alu- stärke absinken läßt. Dieser Effekt könnte an sich miniumoxid auf Silizium verwendet ist. 45 durch Ein- und Ausschalten der für das Driftfeld not-

7. Oszillator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch wendigen elektrischen Spannung erreicht werden, gekennzeichnet, daß als Isoliermaterial Silizium- jedoch soll entsprechend dem dort gemachten Vornitrid auf Silizium verwendet ist. schlag eine leistungslose Steuerung erreicht werden.

8. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 bis 7, Aus »Nachrichtentechnik« (Heft 11/1966), S. 429, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit ₅₀ sind Einzelheiten bezüglich eines Feldeffekttransistors (110) Orientierung vorliegt. bekannt. Aus derselben Veröffentlichung sind auf

9. Oszillator nach Anspruch 3, dadurch gekenn- S. 431 Einzelheiten über den Gunn-Oszillator bezeichnet, daß der Kanal in Richtung (110) aus- kannt, die über die eingangs zitierte Veröffentlichung gerichtet ist. hinausgehen.

10. Oszillator, der nach einem der Ansprüche 1 _5S Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen bis 9 als Teil einer integrierten Schaltung auf Oszillator anzugeben, der als Schwingungserzeuger einem Siliziumsubstrat aufgebaut ist. mit einem Gunn-Oszillator vergleichbar ist und der

11. Oszillator nach einem der Ansprüche 1 nach den herkömmlichen Verfahren der Halbleiterbis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Oszil- technik hergestellt werden kann. Insbesondere soll lator in einem Resonator für eine vorgegebene g₀ dieser Oszillator als Bestandteil einer integrierten Frequenz der hochfrequenten Schwingung ein- Schaltung, und zwar vorzugsweise in einem Substrat gebaut ist (F i g. 2). aus Silizium, realisierbar sein, weil sich integrierte

Schaltungen in bzw. auf Silizium zumindest beson-

ders vorteilhaft herstellen lassen. Insbesondere soll