DE1950937B2 - Halbleiterbauelement zur Erzeugung von in der Frequenz steuerbaren Mikrowellen - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterhauclement zur Erzeugung von in der Frequenz steuerbaren Mikrowellen.

Zur Erzeugung von Mikrowellen sind bereits Halbleiterbauelemente bekannt, die als grundlegenden Bestandteil einen pn-Übergang enthalten und den in dem Halbleiterkörper auftretenden Gunn-Effekt zeigen.

Alle derartigen bekannten Mikrowellen erzeugenden ^Μ Halbleiterbauelemente haben jedoch nur zwei Elektroden, so daß in dem Halbleiterbauelement lediglich die Stromdichte veränderbar ist. Deshalb stieß es bisher auf Schwierigkeiten, eine Frequenzsteuerung, wie etwa eine Abstimmung, eine Modulation od. dgl. durch ein solches Halbleiterbauelement selbst zu erreichen. So wurde bereits bei einer Oszillatorvorrichtung, in der als Mikrowellen erzeugendes Element ein Halbleiterbauelement verwandt wurde, das schwingende Element, das gewöhnlich in einem Hohlraumresonator angeordnet ^b() wird, in einem vorbestimmten Schwingungszustand gehalten, und eine Frequenzsteuerung wurde durch eine mechanische Einrichtung durchgeführt, die z. B. aus einer beweglichen Kurzschlußplatte bestand, die als Kurzschlußkolben bezeichnet wird und an einem Ende ^h<i des Hohlraumresonators angeordnet ist, oder die Frequenzsteuerung wurde durch eine Vorrichtung ausgeführt, bei der ein abgestimmter Zustand mit Hilfe einer Abstimmvorrichtung erreicht wird, die als EH-Abstimmvorrichtung (Höchstfrequenzabstimmvorrichtung) bezeichnet wird, die in einem Wellenleiter angeordnet ist.

In der Zeitschrift »IEEE Transactions on Electron Devices«, Januar 1966, ist in dem Artikel »Elektronic Tuning Effects in the Read Microwave Avalanche-Oiode« auf den Seilen 169 bis 175 ein Steuerverfahren unter Anwendung der Stromabhängigkeit bei einem schwingenden Element wie etwa einer als Avalanche-Diode bezeichneten Mikrowellen-Schwingdiode mit einem pn-Übergang beschrieben, bei dem die Schwingfrequenz von einem ihm zugeführten Strom abhängt. Bei diesem Verfahren ist es jedoch wegen der nicht gleichmäßigen Abhängigkeit der Frequenzänderung von dem Strom sehr schwierig, die gewünschte Steuerung zu erreichen. Außerdem tritt der Nachteil auf, daß das schwingende Element selbst schnell durch das Auftreten des Dauerstroms zerstört wird, der dann auftritt, wenn es eine bestimmte Temperatur-Frequenz-Charakierislik aufweisi.

Neuerdings ist ein Mikrowellcnmodulationssystem bekanntgeworden, bei dem ein veränderliches Reaktanzclemcnt, wie etwa eine veränderliche Kapazitätsdiode od. dgl., in einen Übertragungskreis eingesetzt ist und die Amplitudenmodulation durch die sogenannte Filterwirkung dieses Reaktanzelementes bewirkt wird. Bei diesem System werden jedoch nicht nur die Verluste des Übertragungskreises erhöht, sondern es ist gleichfalls notwendig, das Rauschen eines Modulationssignals äußerst stark zu begrenzen. Aus diesem Grunde ist dieses System auf eine schmale Bandbreite beschränkt, weshalb die Anwendung dieses Systems auf technische Schwierigkeiten stößt.

Es ist auch bereits ein Halbleiterbauelement bekannt (»IEEE Transactions on Electron Devices«, Band ED-14 (1967) Nr. 9 (Sept.) Seiten 535 bis 546, insbesondere Fig. 19 bis 21 auf Seite 545, Seite 546, linke Spalte, Absatz 2 bis rechte Spalte Absatz 1), mit der zwar Mikrowellen erzeugt werden können, jedoch ist eine Steuerung der Frequenz dieser Mikrowellen nicht möglich. Bei diesem Halbleiterbauelement wird der Gunn-Effekt zur Erzeugung der Mikrowellen genutzt. Dabei v/ird eine Sperrschicht verwendet, um einen hohen ohmschen Widerstand herzustellen, über den ein Impuls abgeleitet wird, wenn der Hochfeld-Bercich durch den betreffenden Konlakticrungsbereich läuft. Eine Beeinflussung der Frequenz der erzeugten Mikrowellen über die Kapazität der Sperrschicht ist bei dieser Vorrichtung weder beabsichtigt noch findet sie in irgend einer Weise statt.

Weiterhin sind Schalter, Begrenzer und parametrische Verstärker bekannt (»Proceedings of the IEEE« Band 52 (1964) Nr. 12 (Dez.) Seiten 1617 bis 1623, insbesondere Fig. 5, 6 und 8 auf Seite 1620, Seite 1619 rechte Spalte Absatz 2 und letzter Absatz, Seite 1621 linke Spalte bis rechte Spalte Absatz 4), die jedoch keine Vorrichtungen zum Erzeugen von Mikrowellen darstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei einfachem Aufbau eine wirkungsvolle Frequenzsteuerung der von ihm abgegebenen Mikrowellen durch einfache Spannungsänderungen ermöglicht.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß das Halbleiterbauelement wie in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegeben ausgebildet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement wird der Effekt genutzt, daß die Frequenz von Lawinendurchbrüchen in einem pn-Übergang durch die Reaktanz in einem angrenzenden Halbleiterbereich beeinflußt werden kann. Ein solcher in seiner Reaktanz veränderlicher Bereich wird bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement durch eine Kapazitätsdiode gebildet. Mit dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement kann somit eine Änderung der Frequenz der erzeugten Mikrowellen durch einfache Spannungsände- iu rung erreicht werden, wodurch eine schnei! ansprechende Frequenzsteuerung erreicht wird, die für automatische Abstimmungen und für Frequenzmodulationen geeignet ist. Dabei kann das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement vorteilhafterweise in Miniaturform aufgebaut werden und ist auch zum Einbau in integrierte Schaltkreise geeignet. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement ist in der Regel in einem Hohlraumresonator eingebaut, der von ihm die Mikrowellenenergie abnimmt und weiterleitet. Vorteilhaflcrweisc können bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement jedoch auch galvanische Kopplungen vorgesehen sein.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Halbleiterbauelements enthält die Kapazitätsdiode einen 2^r> pn-Übergang oder eine Schottky-Sperrschicht, oder sie ist eine MIS-Kapazitätsdiode.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Halbleiterbauelements besteht darin, daß die Lawinendiode und die Kapazitätsdiode auf einander gegenüber- jo liegenden Seiten des Halblcitersubstrates gebildet sind und auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Halbleiterbauelements weisen die Lawinendiode und die Kapazitätsdiode einen Mesa-Aufbau auf und sind auf Ji der gleichen Seite des Halbleitersubstrates gebildet. Vorzugsweise sind die Mcsa-Erhebungen der Lawinendiode und der Kapazitätsdiode konzentrisch zueinander angeordnet. Sie können jedoch auch nebeneinander angeordnet sein. ·«)

Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung wird im folgenden anhand schematischcr Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Schaltschcma, aus dem das Prinzip des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemcnlcs hervorgeht,

Fig. 2 und 3 Schnittansichten von Ausführungsformen des erfindungsgemäßen llalbleiterbauelementes und

Fig. 4 eine grafische Darstellung zur Veranschauli- ^r>o chung der Eigenschaften des crfindungsgcmäßen Halbleiterbauelementes.

Gemäß F i g. 1 ist ein Halbleiterbauelement mit einem ersten pn-Übergang 1 und einem zweiten pn-übergang 2 in einem Hohlraumresonator 3 angeordnet, wobei die pn-Übergänge 1 und 2 mit Spannungsquellen 4 und 5 (Ξ\ und £2) verbunden sind, durch die an diese pn-Übergänge Vorspannungen in Sperrichtung angelegt werden.

Der erste pn-Übcrgang 1 ist so ausgebildet, daß er einen negativen Widerstand aufweist, wenn an ihn durch wi die Spannungsquelle 4 eine Vorspannung in Sperrrichtung angelegt wird, die über der Durchbruchsspannung liegt. Der zweite pn-Übergang 2 ist so ausgebildet, daß die pn-Übergangskapazität geändert wird, wenn an diesen pn-Übergang durch die Spannungsquelle 5 eine "'· Null- oder negative Vorspannung angelegt wird. Somit wird mit Hilfe dieser beiden pn-Übergänge eine vorbestimmte Mikrowellenschwingung erzeugt. Es wurde festgestellt, daß, wenn eine Avalanche-Diode und eine veränderliche Kapazitätsdiode nebeneinander in demselben Hohlraumresonator angeordnet werden, die Schwingungsfrequenz in weitern Umfange dadurch geändert werden kann, daß man die Vorspannung steuert, die an die Kapazitätsdiode angelegt ist. Es hat sich ergeben, daß man durch das Schwingungselement und das Reaktanzelemenl einen Resonanzkreis erhält, bei dem die Resonanzkreiskonstanten durch die Kapazitätsdiode, die in einem Abstand von ein Viertel der Wellenlänge oder weniger als ein Viertel der Wellenlänge der Mikrowellenschwingung angeordnet ist, gesteuert werden können.

Mi· dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung kann die Abstimmung des Resonanzkreises leicht und wirksam elektrisch durchgeführt werden, so daß sich eine wesentliche Erleichterung für die Frequenzmodulation und die automatische Frequenzsteuerung ergibt.

F i g. 2 zeigt ein Mikrowellen erzeugendes Halbleiterbauelement nach der Erfindung, bei dem die beiden pn-Übergänge in Reihe angeordnet sind. Der erste und zwciie pn-Übergang 1 bzw. 2 in F i g. 2 entsprechen den beiden pn-Übergängcn in Fig. I. In Fi g. 2 sind mit dem Bezugszeichen 6 ein z. B. p-leitendes Germaniumsubstrat, mit 7, T η-leitende Schichten, die auf dem Germaniumsubstrat durch ein Diffusionsverfahren ausgebildet sind, 8, 8', 8" Metallelektroden, die einen ohmischen Kontakt mit den p- und -leitenden Schichten bilden und mit 9 eine Wärme ableitende Metallplatte oder Wärmesenke bezeichnet. Bei diesem Halbleiterbauelement wird der pn-Übcrgang 1 als negatives Widerstandselement verwendet, an das eine Spannung E\ in Sperrichtung angelegt wird, die über der Durchbruchsspannung liegt, um einen Avalanche-Strom (Lawinenstrom) durch den pn-Übergang 1 fließen zu lassen, so daß ein negativer Widerstand geschaffen wird, und an den pn-Übcrgang 2 wird eine in Sperrichtung geschaltete Gleichspannungsvorspannung £2 angelegt, um die statische Kapazität dieses pn-Überganges einzustellen, so daß durch dieses Halbleiterbauelement ein Ausgangssignal mit einer gewünschten Schwingungsfrequenz erhalten werden kann. Eine Frequenzmodulation kann dadurch erreicht werden, daß der Sperrspannung E₂ an dem zweiten pn-Übergang 2 ein Modulationssignal überlagert wird.

Bei dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung kann eine Mikrowellenabstimmung und eine Mikrowellenmodulation durchgeführt werden, ohne daß dem Avalanche-Strom ein Signal überlagert bzw. aufmodulierl zu werden braucht. Deshalb kann der Avalanche-Strom ausreichend gesteuert werden, ohne daß das Oszillatorelement durch Wärme zerstört wird.

Ein Halbleiterbauelement nach Fig. 2 wurde derart hergestellt, daß ein Siliziumdioxidfilm auf einer Oberfläche eines Germaniumsubstrats gebildet wurde, das eine p-leitende Verunreinigungskonzentration von 5xlO^lf> Atomen pro Kubikzentimeter aufwies, und in diesem Siliziumdioxidfilm wurde ein Loch von ungefähr 20 Mikrometer Durchmesser gebildet, so daß ein Teil der Oberfläche des Germaniumsubstrats freilag, und hierauf wurde von beiden Oberflächen dieses Substrats aus Antimon eindiffundieren gelassen, um in diesem Teil einen pn-Planarübergang und auf der gesamten gegenüberliegenden Oberfläche des Substrats einen pn-Übergang auszubilden. Sodann wurde aus dem Substrat, das die beiden pn-Übergänge aufwies und das Schwingungselement bildete, ein Quadrat in der Größe von ungefähr 200 Mikrometer Seitenlänge, in dem der

pn-Planarübergang enthalten war, herausgeschnitten und in einen Hohlraumresonator eingebaut. Ein derartig ausgebildetes Mikrowellen erzeugendes Halbleiterbauelement zeigt in dem Fall, daß durch den ersten pn-Übergang 1 ein Avalanche-Strom von 35 niA floß und daß an den zweiten pn-Übergang 2 eine Nullspannung angelegt wurde, am Ausgang eine Schwingungsfrequenz von 10,5GHz, deren Leistung 10 Milliwatt betrug, während die Schwingungsfrequenz in dem Fall, daß an den ersten pn-Übergang 1 ein Strom in der gleichen Höhe wie oben angelegt und an den zweiten pn-Übergang eine Sperrspannung von 1 Volt angelegt wurde, um etwa 0,2 GHz höher lag als in dem Fall, daß der zweite pn-Übergang 2 mit einer Spannung Null vorgespannt war.

In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des Halbleiterbauelements nach der Erfindung dargestellt, bei der zwei pn-Übergänge elektrisch zueinander parallel angeordnet sind, wobei das Halbleitersubstrat aus einer p-leitenden Schicht 6 mit einem hohen spezifischen Widerstand und einer anderen p-leitenden Schicht 6' mit einem niedrigen spezifischen Widerstand besteht, auf dem zwei Mesa-Erhebungen ausgebildet sind, die n-lcitende Schichten 7 und 7' aufweisen. Bei diesem Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements wurde Antimon (Sb) von der Oberfläche aus in ein Germaniumsubstrat cindiffundieren lassen, das eine epitaktisch gewachsene Schicht aufwies, die eine p-lcitende Verunreinigungskonzentration von 3x10^l(> Atomen pro Kubikzentimeter aufwies, wobei diese epitaktische Schicht über einer Schicht mit einer p-leitenden Verunreinigungskonzentration von 3 χ ΙΟ¹⁸ Atomen pro Kubikzentimeter angeordnet war, so daß eine n-leilende Schicht von ungefähr 3,5 Mikrometer Dicke gebildet wurde; hiernach wurden auf dem Germaniumsubstrat Dioden mit einem kreisförmigen

^r> Mesa-Aufbau, von jeweils 100 Mikrometer Durchmesser auf dem Gcrmaniumsubstrat ausgebildet, wobei diese Mcsa-F.rhcbungcn einen Abstand von 500 Mikrometer voneinander aufwiesen. Die mit diesem Halbleiterbauelement durchgeführten Versuche zeig-

lü ten, daß dann, wenn auf den ersten pn-Übergang I ein Avalanchc-Strom von 100 mA gegeben und an den /weiten pn-Übergang 2 eine Nullvorspannung angelegt wurde, die Ausgangsschwingung.sfrcqucnz 7,5GHz mit einer Leistung von 80 Milliwatt aufwies, und daß dann,

ι¹) wenn auf den ersten pn-Übergang 1 ein Strom in der gleichen Größe wie oben gegeben und an den zweiten pn-Übergang 2 eine Sperrspannung von I oder 2 Volt angelegt wurde, die Schwingungsfrcquenz um 2,5 MIIz oder 4,5 MHz höher als in dem Fall lag, daß an den zweiten pn-Übcrgang 2 eine Vorspannung Null angelegt wurde.

Mit einem Halbleiterbauelement nach der Erfindung, bei dem zwei Dioden, die den obenerwähnten kreisförmigen Mesa-Aufbau aufwiesen, nebeneinander

?^r> angeordnet sind, ist es möglich, Modulalionscharaktcristikcn, wie sie in F i g. 4 gezeigt sind, dadurch zu erhalten, daß man einen Avalanche-Strom von 50 mA durch den ersten pn-übergang 1 fließen läßt und daß man an den zweiten pn-Übergang 2 zusammen mit einer

3» Sperrvorspannung von minus 2 Volt ein Modulationssignal anlegt, das bei 200 kHz einen Abstand von Spitze zu Spitze von 1 Volt aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement zur Erzeugung von in der Frequenz steuerbaren Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Halbleitersub- "> strat (6) eines Leitfähigkeitstyps an einer Stelle mittels einer Halbleiterschicht (7) entgegengesetzten Leitfähigkeittyps ein pn-Übergang einer Lawinendiode (1) gebildet ist, während an einer anderen Stelle des Haibleilersubstrats (6) zusammen mit i" diesem eine Kapazitätsdiode (2) gebildet ist, und daß

an dem Halbleitersubstrat (6) und der den pn-Übergang bildenden Halbleiterschicht (7) jeweils eine Elektrode (8,8') angebracht ist, die zusammen einen Spannungseingang für die Lawinendiode (1) bilden, <⁵ während die eine Elektrode (8") der Kapazitätsdiode (2) zusammen mit der an dem Halbleitersubstrat (6) angebrachten Elektrode (8) einen Spannur.gseingasig für die Frequenzsteuerung bildet.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, da- ^x durch gekennzeichnet, daO die Kapazitätsdiode (2) einen pn-Übergang oder eine Schottky-Sperrschicht enthält oder eine M IS-Kapazitätsdiode ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lawinendiode (1) ^2<5 und die Kapazitätsdiode (2) auf einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleitersubstrates (6) gebildet sind und auf einer gemeinsamen Achse angeordnet sind (F i g. 2).

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, *° dadurch gekennzeichnet, daß die Lawinendiode (1) und die Kapazitätsdiode (2) einen Mcsaaufbau aufweisen und auf der gleichen Seite des Halblcitersubslrats (6) gebildet sind (Fig. 3).

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, da- ^J5 durch gekennzeichnet, daß die Mesa-Erhebungen der Lawinendiode (I) und der Kapazitätsdiode (2) konzentrisch zueinander angeordnet sind.