DE1516061A1 - Hochfrequenzgenerator - Google Patents

Hochfrequenzgenerator

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DE1516061A1
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    • Y10S148/00—Metal treatment
    • Y10S148/039—Displace P-N junction

Description

Dipl.-Ing. August BotDrort Dlpl.-lng. Walter Jacklich 1R1R Ω 61
Pottntanwält. nnn ta ι uv« ι
Stuttaart-M Umuktnfrm ' A 28 907 - Uf
11»· Februar 1966
Western Electric Company Inc.
195 Broadway, New York, N. Y. 10007
Hochfrequenzgenerator
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Hochfrequenzgenerator, und zwar jener Art, bei welcher Laufzeiteffekte in elektronischen Festkörperelementen ausgenutst werden·
Ss sind bereits Halbleitervorrichtungen mit negativem Widerstand bekannt, die auf der Ausnutzung von Laufzeiteffekten beruhen (s. ÜS-Patentschriften 2.899·652 und 2,79^.917J. Sin negativer dynamischer Widerstand kann bei Zweipol-Halbleiterelementen im allgemeinen durch Abstimmen der entsprechenden Abmessungen sowie Wirkungskenndeten in der Welse erreicht werden, daß die Periodendauer der Arböitsfrequenz einerseits und die Trägerlaufzeit durch einen bestimmten Bereich des Halbleiters andererseits in bestimmter Beziehung zueinander stehen· Der negative Leistungsverzehr bzw. die Leistungsquelle in solchen Vorrichtungen ist die Folge einer Phasenverschiebung ,zwischen einer auftretenden Wechselspannung,
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die ζ·Β· auch innerhalb der Vorrichtung erzeugt werden kann» etwa auch infolge von Stör Spannungen» und den durch denjenigen Teil des Elements fließenden Wechselstrom, an welchem der hauptsächliche Spannungsabfall auftritt.
Aufgabe der Erfindung 1st die Scheffung eines neuen und verbesserten Hochfrequenzgenerators der erwähnten Art. Sin Hochfrequenzgenerator nach der Erfindung kennzeichnet sich hauptsächlich durch folgende Merkmale bzw. Bestandteileta) eine Diode, deren Halbleiterkörper zwei Anschlußzonen von vergleichsweise hoher Leitfähigkeit und entgegen« gesetztem Leitfähigkeitstyp sowie eine mittlere Zone von vergleichsweise geringer Leitfähigkeit aufweist, wobei die mittlere Zone und die hierzu bezüglich des Leitfähigkeitstyps entgegengesetzte Anschlußzone einen P-H - Übergang bilden und in einer auf der anderen Anschlufizone epitaxial angewachsenen Schicht angeordnet sind; b) ein die Diode aufnehmender Resonanzhohlraum, dessen Resonanzfrequenz der Elektronenlaufzeit durch die mittlere Zone der Diode entspricht; c) eine Spannungsquelle zur Einstellung des P-N -Übergangs auf einen Arbeitspunkt jenseits des Avalanche-Durchbruchs sowie zur Erzeugung von Elektronen in der mittleren Zone der Diode; d) eine Torrichtung zur Schwingungserzeugung in dem Resonanzhohlraum bei dessen Resonanzfrequenz.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Hochfrequenzgenerators mit Halbleiterdiode besteht darin, daß Im Gegensatz zu den bisher üblichen Vorrichtungen in ihrer Bemessung sehr kritische Halbleiterzonen von äußerst geringer Leitfähigkeit nicht mehr erforderlich sind. Außerdem läßt, sich der erfindungsgemäße Hochfrequenzgenerator wesentlich leichter hersteilenβEndlich sind die Betriebsbedingungen des erfindungsgemäßen Generators vorteilhaft un--kritischer als diejenigen der bekannten Vorrichtungen·
Bei einer bestimmten Ausführung der Erfindung ist eine Siliziumdiode in einem geeigneten Resonanzhohlraum, z.B. in einen Abschnitt eines Wellenleiters angeordnet und wird mit einer Gleichvorspannung bzw. Gleichetromvorbtlaetung beaufschlagt,Zweckmäßig kann insbesondere «Int Diode vsa Typ P+HK+ verwendet werden, wobei die P+-und V -Zonin «ls äußerst äünne Schichten , und zwar für sehr hohe Frequenzen zweckmäßig innerhalb eines epitaxial angewachsenen HaIbleiterbersichs hergestellt werden·
Die Einstellung des Arbeitspunktes der Diode durch entsprechende CKLeichvorspannung jenseits des Avalanehe-Durchbruchs hat einen Sfcromfluß zur Folge, der zu dem negativen dynamischen Widerstand sowie mit Hilfe geeigneter Schaltungen zur Anfachung von kontinuierlichen Schwingungen bzw. Wellen führt. Die Frequenz der letzteren steht in Beziehung zu der Breite des Raumladungsbereichs, welcher grundsätzlich
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In der N -Zone des Halbleiters entsteht«
Ein Vortoil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darinf daß in dem Halbleiterelement anstelle der üblicherweise vorgesehenen Zonen mit ausschließlicher bzw. annähender Eigenleitung solch® alt einer mittleren Leitfähigkeit ver wendet werden können«. Insbesondere hierdurch wird der Hersteilungsprozeß vereinfacht·
Ia allgemeinen ist die Mindestleitfähigkeit der mittleren Zone im Halbleiterelement durch den Entwicklungsstand der Herstallungüteshnik für die Grenzflächen und Oberflächen begrenzt«, Im übrigen wurde bisher allgemein angenommen) daß im Interesse geringstmöglicher Verluste in der mittleren Zone des Halbleiters Eigenleitung vorliegen sollte· ErfindungegeB&S ist jedoch festgestellt worden, daß gerade für dies© Zons mit Vorteil anstelle von eigenleitendem Halbleitermaterial solches mittlerer Leitfähigkeit zu verwenden ist. Der infolgedessen fließende Gleichstrom mittlerer Stärke hat mindestens die beiden folgenden Auswirkungen, Zunächst hat sich erfindungsgemäß ergeben, daß ein mittlerer Gleichstrom das Auftreten von Mikroplasmaeffekten vermindert. Außerdem hat sich erfindungsgemäß herausgestellt, daß dieser Gleichstrom auch das Auftreten von Oberflächeneffekten vermindert, so daß geringe Oberflächenladungen die innere Feldverteilung im Halbleiter im Vergleich zu dem bisherigen Stand der Technik anteilmäßig kaum beeinflusse*.
909831/0548 0WQ1NAL INSreCIB>
Weitere Merkmale und Vorteile der firfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor, die in den Zeichnungen dargestellt sind« Hierin zeigt
eine perspektivische Ansicht einer Halbleiterdiode gomäfl der Erfindung,
Figο2 eine graphische Darstellung der Raumladung8-dichte und der Feldverteilung innerhalb der Diode nach Figo1,
Figo3 die StrOm-Spannungskennlinie der vorengehenden Diode, wobei die erfindungsgemMß verwendete Vorspannung angedeutet ist,
Figo1+ einen schema ti sehen Teillängsschnitt eines gemäß der Erfindung als Oszillator wirkenden Wellenleiters mit einer Diode,
Figo 5 einen Längschnitt einer gekapselten Diode zur Verwendung bei der erfindungsgemäöen Vorrichtung und
Fig«,6 eine ähnlich Fig o k ««/gebaute Vorrichtung gemäß der Erfindung alt parametrischer Wirkungsweise*
909831/05 tS"
Figo1 zeigt einen Würfel aus Silizium, in dem die verschiedenen Leitfähigkeitszonen gemäß einer Ausführung der Erfindung angedeutet sindο Gewisse Abmessungen stellen sich dabei deutlichkeitshalber unmaßstäblich vergrößert dar« Die als Grundlage dienende Anschlußzone 11 besteht aus Material vom Leitfähigkeitstyp N+ mit entarteter Slektronenverteilung sowie einer Fremdstoffkonzentration
20 "K
von etwa 10 Atomen pro cm. Als entartete Substanz wird im vorliegenden Zusammenhang ein Material mit solcher Fremdstoffkonzentration verstanden, daß der Widerstandsanteil des Materials gering istο Die entgegengesetzte Anschlußzone 12 besteht aus Material vom Leitfähigkeit^ typ P+, ebenfalls mit degenerierter
Elektronenverteilung und einer Fremdstoffkonzentration
20 ^
von mehr als etwa 10 Atomen pro cm ο Zwischen den Anschlußzonen ist eine N-Zone 13 von mäßiger Leitfähigkeit mit einer Fremdstoffkonzentration von etwa 10 Atomen pro car angeordnet. Bin typischer Wert der Fremdstoffkonzentration der letztgenannten Zone ist etwa 3x10 Atomen pro cm ο
Die Herstellung des Würfels 10 erfolgt Z0B. durch Zerschneiden einer Siliziumscheibe in eine Mehrzahl von Körpern der gewünschten Form und Abmessungen Im folgenden werden die verschiedenen Behandlungsschritte bei der Herstellung im Hinblick auf einen einzelnen Würfel 10 beschrieben? während diese praktisch an einer größeren
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Siliziumscheibe von etwa 0,5 bis 0,75 Zoll Durchmesser ausgeführt werden«,
Ais Ausgangsstoff dient gleichmäilg mit Äamdateiaen angereichertes Sristallmaterial von etwa 75 Mikron Dicke« Dt® Fremdstoffkonzentration dieses H+ -Materials hat die obengenannte hohe FreoulstOffkonzentratloat. AülT die Oberfläche des Ausgangsaaterials wird eine dünnere Schicht von etwa 25 Mikx*on Dicke' aufgetragen» die aus Material ti'um I -leltfähigkeitstyp besteht und durch epitaxiale
M
Ablagerung aufgetoachUDurch geeignete Steuerung dieses Vorgangs wird die Fremdstoffkoxusentration. ianerhaih der
it im wesentlichen konstant gehalten* H41Bo
des genanntön Wert-von 3x10 Atomen ψνο
...ischlioflend wird 'ias Halbleitereleaeat tiiafi '^ai-'iäaöiffis Siit einer fer eiitfealSenden VdroS-nöung -.,«töfiager:,: ^«du?« Sis Cibai'sta i-?.gs> &er J^itsslalseMiöt bis m eiii«?· iiefa VOb. etwa 8 bis y Mikron trine X»sitf?lMg/eit vorn .';/j, ?«ierhält ο Die Freadstoftfcen^entratetoa "ü c^iesiöi* .'An tfie beraits e^wgimt auf etwa 10 ^coae prc cm- . stellte Die e^aitg« dieser csiaöifftiriaitrt*i3, ir·»* -.^ 12 bildfei isa 'r - ϊϊ »Übergang t*t des Salblaitar
nd der Diffuslona'önhandlung wandern die Donatoraton« ebenfalls von der Grundschicht b«w· unteren Änschlußzone 903831/0540 ORIGINAL INSPECTED
durch die ursprüngliche Grenzschicht 18 zur Epitaxialschicht hlndurcho Das Ausmaß dieser Freadstoffwanderung hängt vom Diffusionskoeffizlenteh des betreffenden Fremdstoff s ebo Im Eeispielsfall wird ein mit Arsen angereichertes Grundmaterial verwendet, wobei die Wanderung in geringen Grenzen bleibt. Auf diese Welse wird die NN* -Grenzschicht 15 um etwa 2 Mikron in die JSpitaxlalschicht hinein verlegt, so daß eine gleichförmig angereicherte N -Zone 13 von etwa 15 Mikron Stärke verbleibt·
Wegen des Zusammenhangs zwischen der Arbeitsfrequenz und der Laufzelt der Ladungsträger erfordert der Betrieb von elektronischen Festkörperelementen bei hohen Frequenzen sehr dünne Leitfähigkeitszonen· In den Grenzen der gegenwärtigen Ilerstellungsmöglichkeiten kann eine mittlere
ο ' . Zone 13 von etwa 25 Mikron bis hinab zu 2500 A vorgesehen werden, womit sich ein Frequenzbereich zwischen etwa 1 bis 2 GHz einerseits und vielleicht 100 GHz andererseits verwirklichen läßto Verbesserungen der Technik lassen noch höhere Frequenzgrenzen als erreichbar erscheinen
Mit den Anschlußzonen 11 und 12 sind galvanische Kontakte 16 und 17 aus Blattmetall verbundene Diese Anschlußkontakte werden in üblicher Weise hergestellt, z.B. durch Vernickeln und anschließendes Vergolden« Wie erwähnt wurden die vorangehenden Arbeitsgänge bei der Herstellung
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an einer größeren Scheibe des vorliegenden Grundmaterials ausgeführt, worauf diese Scheibe in Würfel von etwa 75 Mikron Höhe und einer quadratischen Grundfläche von etwa 125 Mikron Saitenlänge .zerlegt wird· Die einzelnen Halbleiterelemente werden dann in eine übliche, hülsenförmige Kapselung gemäß Fig.5 eingesetzt«
Bei der in Figo 5 dargestellten Ausführung einer gekapselten Halbleitervorrichtung ist eine P-N-Fläehendlode 51 in elektrischem Kontakt mit einem Führungsglied 5*t in einer Metallhülse 57 angeordnet, welche letztere als Anschlußklemme der Vorrichtung dient» Auf der Gegenseite wird die elektrische Verbindung durch eine C-förmige Metallfeder 52 hergestellt, die auf einem zweiten Führungsglied 53 innerhalb einer Hülse 56 angebracht ist. Letztere bildet wiederum einen äußeren Anschlußkontakt der Vorrichtung β Zwischen den beiden Hülsen 56 und 57 sowie mit beiden stoffschlüssig verbunden ist eine Isolierhülse 55 angebracht, die z.Bo aus Keramik bestehto
Wie in FigοV dargestellt, 1st eine gekapselte Diode gemäß FIg05 in einem in der Querschnittshöhe reduzierten Abschnitt eines Wellenleiters angeordnete Hierdurch ergibt sich ein schwingfähiges Gebilde, wenn der Hohlraum des Wellenleiters auf eine Resonanzfrequenz abgestimmt ist, die in geeignetem Verhältnis zu den Kenndaten der Trägerlaufzeit in der Diode steht· Die maßgebenden Beziehungen
909831/0548 bad owe*«.
werden weiter unten noch näher erörtert» Die gekapselte Diode5 hiar mit Bezugsziffer 33 bezeichnet, 1st in
honde Ausnehmungen der Wände des Wellenleiters «Ingesetzt, daß dem Wellenpfad innerhalb des Leiters lediglich das Halbleiterelement uncjtile Kontaktelemente ausgesetzt sind. Die Höhe des Wellenleiterabschnitte 36 wird zweckmäßig derart bemessen, daß die Kapazität der Diode mit der Induktivität der Kontakt-I)1 1S^e Anschlußelemente innerhalb der Kapselung bei der Arbeitsfaquenz Serienresonanz ergibt0 Durch derartige Bemessung der Querschnittshöhe des Wellenleiters wird die erforderliche Abstimmung auf den Kapazitätswert der Diode erreichte
Sin Anschlußkontakt der Diode 33 ist In einen Wandabschnitt 31+ des Wellenleiters eingesetzt, welcher durch eine Glelchstromisolierung Mt9 etwa aus Polyäthylen-Terephtfcl&t-Kunstharz, von der Übrigen Wandung des Wellenleiter abschnitt s 36 getrennt isto Diese Isolierschicht wird zweckmäßig sehr dünn ausgeführt, um die Unstetigkeit des Übertragungswegs für die Wellen gering zu halten· Der entgegengesetzte Anschlußkontakt der Diode 33 ist mit der Übrigen Wandung des Wellenleiterabschnitts 36 elektrisch verbunden^ Die Gleichvorspannung der Diode kann so auf einfache Weise von einer Gleichspannungsquelle 39 über einen Stellwiderstand kO sowie die Wellenleiter- bzw«
Wandabschnitte 36 bzw«, 31* zugeführt werden· BAD ORIGINAL
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Zwischen dem Abschnitt 32 des Wellenleiters mit voller Querschnittshöhe und dem in der Querschnittshöhe reduzierfcen Wellenleiterabschnitt 36 ist ein geneigter Übergangsabschnitt 35 zur Impedanztransformation angeordnet ο Am iSnde des reduzierten Wellenleiterabschnitts 36 ist ferner ein JSinstellkolben 37 zur Resonanzab-Stimmung angeordnet, während am Anfang des Wellenleiter« anschnitts 36 eine Mehrzahl von Einsteilschrauben 38 für den Lnpedanzabgleich vorgesehen isto
Bei einer speziellen Ausfuhrung der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrug die Querschnittsbreite bzw«, ·» höhe des WeXlenleiterabschnitts 32 22f5mm bzwo 10mmo Dar reduzierte Wellenleiterabschnitt 36 hatte eine Querschnittshöhe von nur 1,25mm bei unveränd-erter Querschnittsbreite ο Der Übergangsabschnitt 35 erstreckte sich in Form einer Cosinus-Schräge über drei Wellenlängen« Unter Verwendung einer P+N+ -Diode mit Aufbau und Abmessungen gemäß der vorangehenden Beschreibung bei einer Vorspannung von 50V entsprechend einer Gleichstrcmvor&elastung von 5OmA sowie bei einer eingestellten Arbeitsfrequenz des Wellenleiters von 8,9 GHz ergab sich eine Ausgangsleitung von 2,7 mWo *
Die Wirkimgsweise der beschriebenen Vorrichtung entspricht der in US-Patent 2899652„angegebenen Theorie, wobei jedocsh gegenüber dem hierdurch bekannten Stand der Technik
909831/0548 bau *
sowohl hinsichtlich der Diodenanordnung wie auch der Gleichstromvorbelastung bzw· Vorspannung wesentliche Unterschiede bestehen· Die Wirkungsweise wird nun insbesondere unter Bezugnahme auf ab Fig.2 und 3 vorliegender Zeichnungen erläutertο In Fig.3 ist die Gleichstrom-Spannungskennlinie der P-N-Flächendiodβ angedeutete Xm Sperrzweig der Kennlinie 1st der Avalanche-Durchbruch mit starker Stromzunahme in Sperrrichtung bei geringem Spannungsanstieg angedeuteto
Flg.2 zeigt In schematischer Form die Ladungsträger-Mangelzone bzw. Raumladungszone sowie die Feldverteilung in der Halbleiterdiode. Die P+-, N- und N-*- - Zonen sind mit 20, 21, bzw. 22 bezeichnet· Die Zonen 20 und dienen als Anschlufizonen und sind über Kontakte 23 bzw. 2k mit einer Stromquelle 2^bowie einem in Reihe dazu geschalteten Stellwiderstand 26 verbundene Wenn die Vorspannung auf einen Wert entsprechend dem Punkt V1 im Sperrzweig der Kennlinie nach FIg03 eingestellt wird) so erstreckt sich die Raumladungszone D vom P-N -übergang 30 ausgehend grundsätzlich in die N -Zone 21 mit geringerer Ladungsträgerkonzentration hinein, und zwar bis zu der Grenzfläche 280 Die entgegengesetzte Grenzfläche 27 deutet die sehr geringe Ausdehnung der Raumladungszone Innerhalb der stark angereicherten P+ -Zone 20 an·
Die Größe der elektrischen Feldstärke ist in Fig.2 durch 909831/0548
die gebrochene Linie 29 über dem Zonenabstand in der Diode dargestellt· Zur Vereinfachung der graphischen Darstellung ist der Mafistab so gewählt) daß die obere Kante des in Fig·2 angedeuteten Halbleiterelements im Feldstärkediagramm dem Feldstärkewert beim Avalanche-Durchbruch entspricht. Die Linie 29 stellt also den Betrag der Feldstärke bei der speziellen Vorspannung . V1 sowie für die angedeutete Raumladungszone D dar· Für die im Beispielsfall beschriebenen Verhältnisse beträgt die Stärke der Raumladungszone bei einer Vorspannung von etwa 50V ungefähr 2 Mikron·
Die Feldstärke nimmt von ihrem dem Avalanche-Durchbruch entsprechenden Wert am P-R -Übergang zu einem geringeren Wert an der Grenzfläche 28 der Raumladungszone ab· Unter diesen Bedingungen fließt ein ständiger Strom, wodurch sich ein negativer dynamischer Widersland und ein Laufzeiteffekt ergibt* Die Anordnung gerät daher in Schwingungen mit einer Grundfejuenz, die von der Stärke der Raumladungszone D abhängtα Insbesondere ergibt sich) daß die Trägerlaufzeit durch die Raumladungszone D bei optimaler Wirkungsweise im wesentlichen die Hälfte der Periodendauer, der Arbeitsfrequenz beträgt.
Die vorangehende Beschreibung besieht sich auf die primäre Erzeugung von Hochfrequenzenergie· Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt aber auch einen parametrischen Effekt
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und eignet sich daher für parametrische Verstärkung bzw0 kann in eine entsprechende Anordnung abgewandelt werdeno Die Vorrichtung nach Fig,6 weist wieder einen Wellenleiter mit einem Abschnitt verringerter Querschnittshöhe ähnlich Fig.1» auf. Der reduzierte Abschnitt erweitert sich hier jedoch wieder auf volle Querschnittshöhe im Abschnitt Im reduzierten Abschnitt ist eine Diode 63 angeordnet. Mit größerem Abstand von letzterer ist im Abschnitt 61 ein Abstimmkolbon 67 eingesetzt. Bin Abstimmschieber 62 mit in den Wellenleiter eintauchender Stellschraube ist in dem entgegengesetzten Abschnitt 6k des Wellenleiters mit einem Abstand von mehreren Wellenlängen von der Diode. 63 eingesetzte Bei einer bestimmten Ausführung mit einem We.llenleiterquerschnitt von 22,5mm χ 10mm und mit einer Querschnittshöhe von 1,25mm im reduzierten Abschnitt betrug der Abstand zwischen der Diode 63 und dem Ende der beiden anschließenden geneigten Ubergangsab3chnitte 112,5mm (^,5 Zoll). Der Abstimmkolben 67 hatte einen Abstand?-ßinstellbereich bezüglich der Diode von 1^3,75mm bis 1St,25mm, während der Abstimmschieber 62 einen entsprechenden Abstands-ßinstellbereich 87,5mm bis 212,5mm eufwles. Die Diode 63 ist in Fassungen 70, 71 eingesetzt, wobei letztere durch eine Zwischenlage 72 aus Polyä^hylen-Terephtalat-Kunstharz isoliert let. Mit den AnschluSkontaktön der Diode ist wieder eine Reihenschaltung aus einer Gleichstromquelle 73 und einem Stellwiderstand 7k verbunden. Die Vorspannung der Diode wird
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auch hier auf einen Arbeitspunkt jenseits des Avalanehe-Durchbruchs auf 50V eingestellt· Hierbei ergibt sich ein einfacher Parametereffekt mit drei Frequenzen* Am offenen Ende des Wellenleiters wurden Ausgangsschwingungen mit den Frequenzen f 1, fg.und f festgestellt, wobei in Übereinstimmung mit an sich bekannten Gesetzmäßigkeiten ft + f2 * f galt. Im Beispielsfall war f = 17*^9 GHz, f1 = 8,982 GHz und f2 = 6,512 GHs. Die angegebene, additive Beziehung zwischen diesen Frequenzen blieb unter Veränderung der vorhandenen Abstimmelemente erhalten, bis bei einer kritischen Abstimmung die Schwingungen mit f1 und f2 unter Erhaltung eines Verstärkungsbandes aufhörten. In anderen Fällen ließ sich ein Zusammenfall der Frequenzen ft und fg erreichen, wobei ein verstärktes Signal mit halber Basisfrequenz entsprechend dem Arbeitssustand eines degenerierten Parameterverstärkers auftrat·
Insgesamt ergibt sich also eine parametrisch arbeitende Vorrichtung, bei welcher die Pumpenergie bei einer Frequenz f durch Laufzeitschwingungen der beschriebenen Art erzeugt wird, wozu lediglich die Anwendung einer Gleichstromvorbelastung erforderlich ist· Die erzeugten Schwingungen üben nun wiederum eine Pumpwirkung auf die ' nichtlineare Reaktanz der Diode aus, woraus sich je nach
der Einstellung bzw· Ausbildung des Kreises die Wirkungs- j
weise eines parametriöt&en Ostilators oder Verstärkers ergibtο
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Die erfindungsgemäße Anordnung kann ferner zur Erzielung anderer parametrischer Effekte benutzt werden, Indem z.B. geeignete Resonanzen vorgesehen und Schwingungsenergien bei den entsprechenden Frequenzen gemäß den bekannten Wirkungsprinzipien von parametrischen Vorrichtungen entnommen werden. Hierzu sind folgende einschlägigen Literaturstellen zu nennent J. M. Manley und H. E9 Rowe in"Proceadln^ of the IRB." Volume Mt1 JuIy9 1956, pp. 90U-913 ("Some General Porperties of Nonlinear Slements. Part I") sowie H. B. Rowe in "Proceeding of the IRB" Volume ^6, May 1958, pp. 850-860 (Some General Properties of Nonlinear Elements. Part II").
Zusammenfassend lassen sich folgende Betriebsarten der erfindungsgeirößen Vorrichtung feststellen. Zunächst kann die Vorrichtung nach Art eines Inverters mit drei Frequenzen (negativer Widerstand) betrieben werden, wobei die Verstärkung bzw. Schwingungsenergie auf zwei Frequenzen f1 und f2 geliefert wird. Dabei gilt die Beziehung f1 + f2 Ä fp» w01501 fi }ma f2 1^0*110* ·*·* fp lst· Ferner ist auch eine nlchtumkehrende Betriebsart der Vorrichtung mit drei Frequenzen möglich, wobei sich die ttasetzungsveretärkung zwischen f1 und f2 ergibt und f t ♦ f ■ fg gilt. f2 i*t hierbei größer als f und dieses wiederum größer eis T1* Ferner ist ein entarteter Inverter- Betriebszustand beobachtet worden, wobei f,, und f2 auf den halben Wert von
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f zusammenfallen. Weiterhin lassen sich BetriebszustSnde als harmonischer Schwingungsgenerator verwirklichen, wobei die Schwingungsenergie bzw· Verstärkung bei Harmonischen der Frequenz f auftritt·
Weitere Abwandlungen} die sich dem Fachmann ohne Schwierigkeit ergeben, gehören ebenfalls zum Erfindung3gegenstand.
Die vorangehende Beispielsbeschreibung bezieht sich auf die Verwendung von.Siliziumhalbleitern· Andere Halbleiter» substanzen und «elemente eigenen sich jedoch ebenfalls für die erfindungsgemäße Verwendung. In entsprechend komplementärer Anordnung sowie mit umgekehrter Polarität der Spannung können z.B« P+PN+ -Halbleiterelemente verwendet werden. Endlich können, anstelle des im Beispiel beschriebenen Wellenleiters mit rechteckigem Querschnitt auch andere geeignete Resonanzanordnungen einschließlich von Xoej&alleitungan mit passenden Frequenzeigenschaften verwendet werden«;
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Claims (1)

  1. A 28 907 - uf 1*»· Februar 1966
    Ansprüche
    f\J Hochfrequenzgenerator» gekennzeichnet durch folgende Bestandteile:
    a) Eine Diode (63), deren Halbleiterkörper (10) zwei Anschlußzonen (11, 12) von vergleichsweise hoher Leitfähigkeit und entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp sowie «ine mittlere Zone (13) von vergleichsweise geringer Leitfähigkeit aufweistι wobei die mittlere Zone (13) und die hierzu bezüglich des Leitfähigkeitstyps entgegengesetzte Anschlußzone (12) einen P-N -Übergang (11O bilden und in einer auf der anderen Anschlußzone (11) epitaxial angewachsenen Schicht angeordnet sind;
    b) ein die Diode (63) aufnehmender Resonanzhohlraum (64), dessen Resonanzfrequenz der JSlektronenlaufzeit durch die mittlere Zone (13) der Diode (63) entspricht;
    c) eine Spannungsquelle zur Einstellung des P-N -Übergangs (HO auf einen Arbeitspunkt jenseits des AvaXanche-Durchbruchs sowie zur Erzeugung von
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    Elektronen in der mittleren Zone (13) der Diode (63);
    6.) eine Vorrichtung zur Schwingungserzeugung in dem Resonanzhohlraum (6*f) bei dessen Resonanzfrequenz ο
    Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlufizonen (I1f 12) vom Leitfähigkeitstyp N+ bzw. P+ sind, während die mittlere Zone (13) den Leitfähigkeitstyp N aufweist.
    3ο Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daS die P+ -und N+ -Zone- der Halbleiter-
    20 diode eine Fremdstoffkonzentration von etwa 10 Atomen
    pro cnr und die N -Zone eine Fremdstoffkonzentration von etwa 1016 Atomen pro cnr aufweisen·
    k* Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die N -Zone (13) der Halbleiterdiode eine Stärke von weniger als etwa 15 Mikron aufweist«
    5ο Hochfrequenzgenerator nach eines der Ansprüche 1 ~ k, < dadurch gekennzeichnet« dafi der Halbleiterkörper der Diode aus Silizium als Grundmaterial besteht·
    6„ Hochfrequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 - 5t
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    dadurch gekennzeichnet, daß der die Diode (63) aufnehmend© Resonanzhohlraum eine erste, der Elektronenlaufzeit durch die mittlere Zone (13) der Diode entsprechende Resonanzfrequenz£sowle weitere, von der ersten Resonanzfrequenz f in parametrischer Abhängigkeit stehende Resonanzfrequenzen aufweist·
    7· Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der R.seonanznohlraum zwei weitere Resonanzfrequenzen f. und fg aufweist, die geringer als die erste Resonanzfrequenz f sind und deren Summe im wesentlichen gleich der ersten Resonanzfrequenz f ist.
    Hochfrequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 - 5% dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum zur Aufnahme der Diode eine erste, der Elektronenlaufzeit durch die mittlere Zone (13) der Diode entsprechende Resonanzfrequenz f sowie eine weitere Resonanzfrequenz aufweist^ deren Wert im wesentlichen die Hälfte der ersten Resonanzfrequenz f beträgtο
    9» Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Resonanzfrequenzen im wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Resonanzfrequenz f sind·
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    10. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet} daß für die Resonanzfrequenzen f sowie f1 und f2 gleichzeitig folgende Beziehungen gelten:
    a) f1 + f im wesentlichen gleich f2»
    b) f2 kleiner als f kleiner als f1#
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DE19661516061 1965-02-16 1966-02-14 Hochfrequenzgenerator Expired DE1516061C3 (de)

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