DE1516061B2 - Hochfrequenzgenerator - Google Patents

Description

^a) (/1 + fp) ini wesentlichen gleich (/,),

b) (Z₂) kleiner als (/„) kleiner als (Z₁).

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hochfrequenzgenerator mit einem Schaltungselement negativen dynamischen Widerstandes und mit einem Resonanzhohlraum, wobei als Schaltungselement negativen dynamischen Widerstandes eine Diode vorgesehen ist, deren Halbleiterkörper zwei Anschlußzonen vergleichsweise hoher Leitfähigkeit und zueinander entgegengesetzten Leitungstyps sowie eine mittlere Zone aufweist, wobei ferner die mittlere Zone und die eine Anschlußzone entgegengesetzten Leitungstyps einen pn-übergang bilden und die Diode in dem Resonanzhohlraum angeordnet ist, dessen Resonanzfrequenz auf einen der Elektronenlaufzeit durch die mittlere Zone des Halbleiterkörpers entsprechenden Wert abgestimmt ist.

Es ist bekannt (USA.-Patentschrift 2 899 652)., einen Hochfrequenzgenerator durch Einbau eines Halbleiterkörpers mit negativem Widerstand in einen Resonanzhohlraum zu erhalten, wobei die verschiedenen Schichten des in dem Resonanzhohlraum angeordneten Halbleiterkörpers durch Eindiffundieren und/oder Auflegieren verschiedener Donatorstoffe hergestellt werden. Eine derartige Herstellungstechnologie hat sich jedoch in der Vergangenheit für Hochfrequenz-Halbleiterbauelemente als denkbar ungeeignet herausgestellt, da der Betrieb derartiger Festkörperelemente bei hohen und höchsten Frequenzen sehr dünne Leitfähigkeitszonen und entsprechend noch erheblich dünnere pn-Ubergangszonen erfordert. Bei der Herstellung dieser pn-Übergänge mit Hilfe der Legierungstechnik erhält man breite, kristallographisch inhomogenere Übergänge, die im Schliffbild wie Trümmerfelder erscheinen. Da die Reproduzierbarkeit der gewünschten Eigenschaften weitgehend dem Zufall überlassen bleibt, beträgt die Ausschußquote von legierten Halbleiterbauelementen etwa 80 bis 90%. Durch Diffusion hergestellte Halbleiterbauelemente zeigen zwar homogene pn-Übergänge und eine bessere Reproduzierbarkeit; bei dieser Technologie sind jedoch insbesondere bei mehrfacher Diffusion die Breiten der Bereiche verschiedenen Leitungstyps außerordentlich schwierig zu beherrschen, da die für die Eindringtiefe der Dotierungsstoffe verantwortlichen Parameter in ihrer gegen-

seitigen Beeinflussung nur schwer überschaubar sind. Weiterhin weisen die bekannten Halbleiterkörper in der mittleren Zone Eigenleitungen auf, wodurch sowohl störende Miroplasmaeffekte als auch Oberflächeneffekte auf Grund von Oberflächenladungen hervorgerufen werden, welche die innere Feldverteilung in unerwünschter Weise beeinflussen. Die erwähnten Störeffekte der Eigenleitung bedingen darüber hinaus eine sorgfältige Einstellung der an den Halbleiterkörper angelegten Spannung, um die für die Erzielung einer negativen Widerstandscharakteristik erforderlichen Lawinendurchbrüche hervorzurufen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Hochfrequenzgenerator zu schaffen, welcher die erwähnten Störeffekte vermeidet und eine unkomplizierte Einstellung der angelegten Gleichspannung ermöglicht.

Die Aufgabe wird bei einem Hochfrequenzgenerator der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die mittlere Zone in einer epitaktisch auf der anderen Anschlußzone gezüchteten Schicht angeordnet ist und eine im Vergleich zu der Leitfähigkeit der Anschlußzonen mittlere Leitfähigkeit aufweist, daß der pn-übergang ebenfalls in der epitaktisch gezüchteten Schicht angeordnet ist und mittels einer an die Diode angeschlossenen Spannungsquelle auf einen Arbeitspunkt jenseits des Lawinendurchbruchs eingestellt ist, derart, daß in der mittleren Zone Elektronen freigesetzt und in dem Resonanzhohlraum Schwingungen mit dessen Resonanzfrequenz erzeugt werden.

In vorteilhafter Weise sind die Anschlußzonen vom Leitfähigkeitstyp N⁺ bzw. P⁺, während die mittlere Zone den Leitfähigkeitstyp N aufweist.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die P⁺- und N+-Zonen der Halbleiterdiode eine Fremdstoffkonzentration von etwa 10²⁰ Atomen pro cm³ und die N-Zone eine Fremdstoffkonzentration von etwa 10¹⁶ Atomen pro cm³ auf.

Eine bevorzugte Möglichkeit besteht darin, daß die N-Zone der Halbleiterdiode eine Stärke von weniger als etwa 15 Mikron aufweist.

In vorteilhafter Weise besteht der Halbleiterkörper der Diode aus Silizium als Grundmaterial.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß der die Diode aufnehmende Resonanzhohlraum eine erste, der Elektronenlaufzeit durch die mittlere Zone der Diode entsprechende Resonanzfrequenz f_p sowie weitere, von der ersten Resonanzfrequenz f_p in parametrischer Abhängigkeit stehende Resonanzfrequenzen aufweist.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Resonanzhohlraum zwei weitere Resonanzfrequenzen Z₁ und f₂ aufweist, die geringer als die erste Resonanzfrequenz /p sind und deren Summe im wesentlichen gleich der ersten Resonanzfrequenz f_p ist.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß der Resonanzhohlraum zur Aufnahme der Diode eine erste, der Elektronenlaufzeit durch die mittlere Zone der Diode entsprechende Resonanzfrequenz /„ sowie eine weitere Resonanzfrequenz aufweist, deren Wert im wesentlichen die Hälfte der ersten Resonanzfrequenz /,, beträgt.

In bevorzugter Weise sind die weiteren Resonanzfrequenzen im wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Resonanzfrequenz /„.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gelten für die Resonanzfrequenzen f_p sowie Z₁ und /₂ gleichzeitig folgende Beziehungen:

a) f_t + f_p^f₂,
b)/₂</_p</_r

Durch die Erfindung werden folgende Vorteile erzielt:

a) Bei dem Halbleiterkörper nach dem erfindungsgemäßen Hochfrequenzgenerator wird auf einer verhältnismäßig dicken Halbleiterschicht des einen Leitungstypus eine verhältnismäßig dünne Halbleiterschicht des anderen Leitungstypus epitaktisch gezüchtet, ohne daß sich eine pn-

Ubergangszone ausbildet. Da die Dicke der epitaktisch gezüchteten Schicht lediglich von der gewählten Temperatur und der Züchtungsdauer abhängig ist, sind mit dieser Technologie außerordentliche genaue und dünne Schichtdicken erzielbar. Ferner ist die Homogenität, d. h. die Verteilung der Verunreinigungsstellen, bei einer epitaktisch gezüchteten Schicht wesentlich größer als bei diffundierten oder legierten Schichten.

In die freie Oberfläche der epitaktisch gezüchteten Schicht wird anschließend eine Bor enthaltende Verbindung eindiffundiert, wobei das gewünschte Diffusionsprofil auf Grund der nur in Oberflächennähe stattfindenden Diffusion verhältnismäßig genau einstellbar ist. Dementsprechend genau ist auch die Breite des innerhalb der epitaktisch gezüchteten Schicht sich ausbildenden pn-Übergangs einstellbar, und zwar auf außerordentlich geringe Werte.

b) Die Halbleiterkörper nach der Erfindung besitzen eine mittlere Leitfähigkeit, wodurch der die mittlere Zone durchquerende Elektronenstrom in seiner Stärke verringert wird und damit das Auftreten der eingangs erwähnten Störeffekte verhindert wird. Durch die Ausschaltung der Störeffekte ist wiederum eine beliebige Einstellung der angelegten Gleichspannung jenseits des Lawinendurchbruchs ermöglicht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen hervor, die in den Zeichnungen dargestellt sind. Hierin zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Halbleiterdiode gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine graphische Darstellung der Raumladungsdichte und der Feldverteilung innerhalb der Diode nach Fig. 1,

F i g. 3 die Strom-Spannungskennlinie der vorangehenden Diode, wobei die erfindungsgemäß verwendete Vorspannung angedeutet ist,

F i g. 4 einen schematischen Teillängsschnitt eines gemäß der Erfindung als Oszillator wirkenden Wellenleiters mit einer Diode,

F i g. 5 einen Längsschnitt einer gekapselten Diode zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und

F i g. 6 eine ähnlich F i g. 4 aufgebaute Vorrichtung gemäß der Erfindung mit parametrischer Wirkungsweise.

F i g. 1 zeigt einen Würfel aus Silizium, in dem die verschiedenen Leitfähigkeitszonen gemäß einer Aus-

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führung der Erfindung angedeutet sind. Gewisse Ab- menten bei hohen Frequenzen sehr dünne Leitfähigmessungen stellen sich dabei deutlichkeitshalber un- keitszonen. In den Grenzen der gegenwärtigen Hermaßstäblich vergrößert dar. Die als Grundlage die- Stellungsmöglichkeiten kann eine mittlere Zone 13 nende Anschlußzone 11 besteht aus Material vom von etwa 25 Mikron bis hinab zu 2500 A vorgesehen Leitfähigkeitstyp N+ mit entarteter Elektronenver- 5 werden, womit sich ein Frequenzbereich zwischen teilung sowie einer Fremdstoffkonzentration von etwa etwa 1 bis 2 GHz einerseits und vielleicht 100 GHz 10²⁰ Atomen pro cm³. Als entartete Substanz wird andererseits verwirklichen läßt. Verbesserungen der im vorliegenden Zusammenhang ein Material mit Technik lassen noch höhere Frequenzgrenzen als solcher Fremdstoffkonzentration verstanden, daß der erreichbar erscheinen.

Widerstandsanteil des Materials gering ist. Die ent- io Mit den Anschlußzonen 11 und 12 sind galvagegengesetzte Anschlußzone 12 besteht aus Material nische Kontakte 16 und 17 aus Blattmetall verbunden, vom Leitfähigkeitstyp P + , ebenfalls mit degene- Diese Anschlußkontakte werden in üblicher Weise rierter Elektronenverteilung und einer Fremdstoff- hergestellt, z. B. durch Vernickeln und anschließenkonzentration von mehr als etwa 10²⁰ Atomen pro des Vergolden. Wie erwähnt, werden die vorangehencm³. Zwischen den Anschlußzonen ist eine N-Zone 15 den Arbeitsgänge bei der Herstellung an einer größe-13 von mäßiger Leitfähigkeit mit einer Fremdstoff- ren Scheibe des vorliegenden Grundmaterials ausgekonzentration von etwa 10¹⁶ Atomen pro cm³ ange- führt, worauf diese Scheibe in Würfel von etwa ordnet. Ein typischer Wert der Fremdstoffkonzen- 75 Mikron Höhe und einer quadratischen Grundtration der letztgenannten Zone ist etwa 3 ■ 10¹⁶ fläche von etwa 125 Mikron Seitenlänge zerlegt wird. Atomen pro cm³. 20 Die einzelnen Halbleiterelemente werden dann in

Die Herstellung des Würfels 10 erfolgt z. B. durch eine übliche, hülsenförmige Kapselung gemäß Fig. 5 "

Zerschneiden einer Siliziumscheibe in eine Mehrzahl eingesetzt. ((|

von Körpern der gewünschten Form und Abmessun- Bei der in F i g. 5 dargestellten Ausführung einer

gen. Im folgenden werden die verschiedenen Behänd- gekapselten Halbleitervorrichtung ist eine P-N-

lungsschritte bei der Herstellung im Hinblick auf 25 Flächendiode 51 in elektrischem Kontakt mit einem

einen einzelnen Würfel 10 beschrieben, während Führungsglied 54 in einer Metallhülse 57 angeordnet,

diese praktisch an einer größeren Siliziumscheibe von welche letztere als Anschlußklemme der Vorrichtung

etwa 0,5 bis 0,75 Zoll Durchmesser ausgeführt dient. Auf der Gegenseite wird die elektrische Ver-

werden. bindung durch eine C-förmige Metallfeder 52 herge-

AIs Ausgangsstoff dient gleichmäßig mit Fremd- 30 stellt, die auf einem zweiten Führungsglied 53 inner-

atomen angereichertes Kristallmaterial von etwa halb einer Hülse 56 angebracht ist. Letztere bildet

75 Mikron Dicke. Die Fremdstoffkonzentration wiederum einen äußeren Anschlußkontakt der Vor-

dieses NH—Materials hat die obengenannte hohe richtung. Zwischen den beiden Hülsen 56 und 57

Fremdstoffkonzentration. Auf die Oberfläche des sowie mit beiden stoffschlüssig verbunden ist eine

Ausgangsmaterials wird eine dünnere Schicht von 35 Isolierhülse 55 angebracht, die z. B. aus Keramik

etwa 25 Mikron Dicke aufgetragen, die aus Material besteht.

vom N-Leitf ähigkeitstyp besteht und durch epitaxiale Wie in F i g. 4 dargestellt, ist eine gekapselte Diode

Ablagerung aufgebracht ist. Durch geeignete Steue- gemäß F i g. 5 in einem in der Querschnittshöhe redu-

rung dieses Vorgangs wird die Fremdstoffkonzen- zierten Abschnitt eines Wellenleiters angeordnet,

tration innerhalb der Epitaxialschicht im wesentlichen 40 Hierdurch ergibt sich ein schwingfähiges Gebilde,

konstant gehalten, z. B. auf den genannten Wert von wenn der Hohlraum des Wellenleiters auf eine Reso-

3 · 10¹⁶ Atomen pro cm³. nanzfrequenz abgestimmt ist, die in geeignetem Ver-

Anschließend wird das Halbleiterelement einer hältnis zu den Kenndaten der Trägerlaufzeit in der

Wärmediffusion mit einer Bor enthaltenden Verbin- Diode steht. Die maßgebenden Beziehungen werden

dung unterzogen, wodurch die oberste Lage der 45 weiter unten noch näher erörtert. Die gekapselte

Epitaxialschicht bis zu einer Tiefe von etwa 8 bis Diode, hier mit Bezugsziffer 50 bezeichnet, ist in ent-

9 Mikron eine Leitfähigkeit vom Typ P+ erhält. sprechende Ausnehmungen der Wände des Wellen-

Die Fremdstoffkonzentration in dieser Zone wird wie leiters derart eingesetzt, daß dem Wellenpfad inner-

bereits erwähnt auf etwa 10²⁰ Atome pro cm³ ein- halb des Leiters lediglich das Halbleiterelement und

gestellt. Die Grenze dieser eindiffundierten P+-An- 50 die Kontaktelemente ausgesetzt sind. Die Höhe des

schlußzone 12 bildet den P-N-Ubergang 14 des Halb- Wellenleiterabschnitts 36 wird zweckmäßig derart

leiterelements. bemessen, daß die Kapazität der Diode mit der In-

Während der Diffusionsbehandlung wandern die duktivität der Kontakt- bzw. Anschlußelemente inner-Donatoratome ebenfalls von der Grundschicht bzw. halb der Kapselung bei der Arbeitsfrequenz Serienunteren Anschlußzone 10 durch die ursprüngliche 55 resonanz ergibt. Durch derartige Bemessung der Grenzschicht 18 zur Epitaxialschicht hindurch. Das Querschnittshöhe des Wellenleiters wird die erforder-Ausmaß dieser Fremdstoffwanderung hängt vom liehe Abstimmung auf den Kapazitätswert der Diode Diffusionskoeffizienten des betreffenden Fremdstoffs erreicht.

ab. Im Beispielsfall wird ein mit Arsen angereichertes Ein Anschlußkontakt der Diode 50 ist in einen

Grundmaterial verwendet, wobei die Wanderung in 60 Wandabschnitt 34 des Wellenleiters eingesetzt, wel-

geringen Grenzen bleibt. Auf diese Weise wird die eher durch eine Gleichstromisolierung 44, etwa aus

NN+-Grenzschicht 15 um etwa 2 Mikron in die Polyäthylen-Terephthalat-Kunstharz, von der übrigen

Epitaxialschicht hinein verlegt, so daß eine gleich- Wandung des Wellenleiterabschnitts 36 getrennt ist.

förmig angereicherte N-Zone 13 von etwa 15 Mikron Diese Isolierschicht wird zweckmäßig sehr dünn aus-

Stärke verbleibt. 65 geführt, um die Unstetigkeit des Ubertragungsweges

Wegen des Zusammenhangs zwischen der Arbeits- für die Wellen gering zu halten. Der entgegengesetzte

frequenz und der Laufzeit der Ladungsträger erfor- Anschlußkontakt der Diode 50 ist mit der übrigen

dert der Betrieb von elektronischen Festkörperele- Wandung des Wellenleiterabschnitts 36 elekrisch

verbunden. Die Gleichvorspannung der Diode kann so auf einfache Weise von einer Gleichspannungsquelle 39 über einen Stellwiderstand 40 sowie die Wellenleiter- bzw. Wandabschnitte 36 bzw. 34 zugeführt werden.

Zwischen dem Abschnitt 32 des Wellenleiters mit voller Querschnittshöhe und dem in der Querschnittshöhe reduzierten Wellenleiterabschnitt 36 ist ein geneigter Übergangsabschnitt 35 zur Impedanztransformation angeordnet. Am Ende des reduzierten Wellenleiterabschnitts 36 ist ferner ein Einstellkolben 37 zur Resonanzabstimmung angeordnet, während am Anfang des Wellenleiterabschnitts 36 eine Mehrzahl von. Einstellschrauben 38 für den Impedanzabgleich vorgesehen ist.

Bei einer speziellen Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrug die Querschnittsbreite bzw. -höhe des Wellenleiterabschnitts 32 22,5 bzw. 10 mm. Der reduzierte Wellenleiterabschnitt 36 hatte eine Querschnittshöhe von nur 1,25 mm bei unveränderter Querschnittsbreite. 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 50 V entsprechend einer Gleichstromvorbelastung von 50 mA sowie bei einefeingesteilten Arbeitsfrequenz des Wellenleiters von 8,9 GHz ergab sich eine Ausgangsleitung von 2,7 mW.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung entspricht der in USA.-Patent 2 899 652 angegebenen Theorie, wobei jedoch gegenüber dem hierdurch bekannten Stand der Technik sowohl hinsichtlich der Diodenanordnung wie auch der Gleichstromvorbelastung bzw. Vorspannung wesentliche Unterschiede bestehen. Die Wirkungsweise wird nun insbesondere unter Bezugnahme auf ab F i g. 2 und 3 vorliegender Zeichnungen erläutert. In F i g. 3 ist die Gleichstrom-Spannungskennlinie der P-N-Flächendiode angedeutet. Im Sperrzweig der Kennlinie ist der Avalanche-Durchbruch mit starker Stromzunahme in Sperrichtung bei geringem Spannungsanstieg angedeutet.

F i g. 2 zeigt in schematischer Form die Ladungsträger-Mangelzone bzw. Raumladungszone sowie die Feldverteilung in der Halbleiterdiode. Die P + -, N- und N+-Zonen sind mit 12, 13 bzw. 11 bezeichnet. Die Zonen 12 und 11 dienen als Anschlußzonen und sind über Kontakte 17 bzw. 16 mit einer Stromquelle 39 sowie einem in Reihe dazu geschalteten Stellwiderstand 40 verbunden. Wenn die Vorspannung auf einen Wert entsprechend dem Punkt V₁ im Sperrzweig der Kennlinie nach F i g. 3 eingestellt wird, so erstreckt sich die Raumladungszone D vom P-N-Ubergang 14 ausgehend grundsätzlich in die N-Zone 13 mit geringerer Ladungsträgerkonzentration hinein, und zwar bis zu der Grenzfläche 28. Die entgegengesetzte Grenzfläche 27 deutet die sehr geringe Ausdehnung der Raumladungszone innerhalb der stark angereicherten P+-Zone 12 an.

Die Größe der elektrischen Feldstärke ist in F i g. 2 durch die gebrochene Linie 29 über dem Zonenabstand in der Diode dargestellt. Zur Vereinfachung der graphischen Darstellung ist der Maßstab 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 50 V ungefähr 2 Mikron.

Die Feldstärke nimmt von ihrem dem Avalanche-Durchbruch entsprechenden Wert am P-N-Übergang zu einem geringeren Wert an der Grenzfläche 28 der Raumladungszone ab. Unter diesen Bedingungen

ίο fließt ein ständiger Strom, wodurch sich ein negativer dynamischer Widerstand und ein Laufzeiteffekt ergibt. Die Anordnung gerät daher in Schwingungen mit einer Grundfrequenz, die von der Stärke der Raumladungszone D abhängt. 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 bezieht sich auf die primäre Erzeugung von Hochfrequenzenergie. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeigt aber auch einen parametrischen Effekt und eignet sich daher für parametrische Verstärkung bzw. kann in eine entsprechende Anordnung abgewandelt werden. Die Vorrichtung nach F i g. 6 weist wieder einen Wellenleiter mit einem Abschnitt verringerter Querschnittshöhe ähnlich F i g. 4 auf. Der reduzierte Abschnitt erweitert sich hier jedoch wieder auf volle Querschnittshöhe im Abschnitt 61. Im reduzierten Abschnitt ist eine Diode 50 angeordnet. Mit größerem Abstand von letzterer ist im Abschnitt 61 ein Abstimmkolben 37 eingesetzt. Ein Abstimmschieber 62 mit in den Wellenleiter eintauchender Stellschraube ist in dem entgegengesetzten Abschnitt 64 des Wellenleiters mit einem Abstand von mehreren Wellenlängen von der Diode 50 eingesetzt. Bei einer bestimmten Ausführung mit einem Wellenleiterquerschnitt von 22,5 mm · 10 mm und mit einer Querschnittshöhe von 1,25 mm im reduzierten Abschnitt betrug der Abstand zwischen der Diode 50 und dem Ende der beiden anschließenden geneigten Ubergangsabschnitte 112,5 mm (4,5 Zoll). Der Abstimmkolben 37 hatte einen Abstands-Einstellbereich bezüglich der Diode von 143,75 bis 181,25 mm, während der Abstimmschieber 62 einen entsprechenden Abstands-Einstellbereich 87,5 bis 212,5 mm aufwies. Die Diode 50 ist in Fassungen 70, 71 eingesetzt, wobei letztere durch eine Zwischenlage 72 aus PoIyäthylen-Terephthalat-Kunstharz isoliert ist. Mit den Anschlußkontakten der Diode ist wieder eine Reihenschaltung aus einer Gleichstromquelle 39 und einem Stellwiderstand 40 verbunden. Die Vorspannung der Diode wird auch hier auf einen Arbeitspunkt jenseits des Avalanche-Durchbruchs auf 50 V eingestellt.

Hierbei ergibt sich ein einfacher Parametereffekt mit drei Frequenzen. Am offenen Ende des Wellenleiters wurden Ausgangsschwingungen mit den Frequenzen Z₁, Z₂ und /_p festgestellt, wobei in Übereinstimmung mit an sich bekannten Gesetzmäßigkeiten Z₁ + /₂ = f_p galt. Im Beispielsfall war f„ = 17,49 GHz, /! = 8,982 GHz und./₂ = 8,512 GHz. Die angegebene, additive Beziehung zwischen diesen Frequenzen blieb unter Veränderung der vorhandenen Abstimmelemente erhalten, bis bei einer kritischen Abstimmung die Schwingungen mit J₁ und f., unter Erhaltung eines Verstärkungsbandes aufhörten. In anderen Fällen ließ sich ein Zusammenfall der Frequenzen Z₁ und Z₂ erreichen, wobei ein verstärktes

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Signal mit halber Basisfrequenz entsprechend dem Arbeitszustand eines degenerierten Parameterverstärkers auftrat.

Insgesamt ergibt sich also eine parametrisch arbeitende Vorrichtung, bei welcher die Pumpenenergie bei einer Frequenz f_p 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 Wirkungsweise eines parametrischen Oszillators oder Verstärkers ergibt.

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 ent- nommen werden. Hierzu sind folgende einschlägigen Literaturstellen zu nennen: J. M. Manley und H.E. R ο we in »Proceeding of the IRE«, Volume 44, July 1956, pp. 904 bis 913 (»Some General Porperties of Nonlinear Elements, Part I«) sowie H. E. Ro we in »Proceeding of the IRE«, Volume 46, May 1958, pp. 850 bis 860 (»Some General Properties of Nonlinear Elements, aPrt II«).

Zusammenfassend lassen sich folgende Betriebsarten der erfindungsgemäßen 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 Z₁ und Z₂ geliefert wird. Dabei gilt die Beziehung Z₁ + Z₂ = f_p, wobei Z₁ und Z₂ kleiner als I₇, ist. Ferner ist auch eine nichtumkehrende Betriebsart der Vorrichtung mit drei Frequenzen möglich, wobei sich die Umsetzungsverstärkung zwischen Z₁ und f., ergibt und Z₁ + f_p = Z₂ gilt. Zo i^st hierbei größer als f_p und dieses wiederum größer als Z₁- Ferner ist ein entarteter Inverter-Betriebszustand beobachtet worden, wobei Z₁ und Z₂ auf den halben Wert von f_p zusammenfallen. Weiterhin lassen sich Betriebszustände als harmonischer Schwingungsgenerator verwirklichen, wobei die Schwingungsenergie bzw. Verstärkung bei Harmonischen der Frequenz f_p auftritt.

Weitere Abwandlungen, die sich dem Fachmann ohne Schwierigkeit ergeben, gehören ebenfalls zum Erfindungsgegenstand.

Die vorangehende Beispielsbeschreibung bezieht sich auf die Verwendung von Siliziumhalbleitern. Andere Halbeitersubstanzen und -elemente eignen 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 an Stelle des im Beispiel beschriebenen Wellenleiters mit rechteckigem Querschnitt auch andere geeignete Resonanzanordnungen einschließlich von Koaxialleitungen mit passenden Frequenzeigenschaften verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

P atentansprüche:

1. Hochfrequenzgenerator mit einem Schaltungselement negativen dynamischen Widerstandes und mit einem Resonanzhohlraum, wobei als Schaltungselement negativen dynamischen Widerstandes eine Diode vorgesehen ist, deren Halbleiterkörper zwei Anschlußzonen vergleichsweise hoher Leitfähigkeit und zueinander entgegengesetzten Leitungstyps sowie eine mittlere Zone aufweist, wobei ferner die mittlere Zone und die eine Ansctüußzone entgegengesetzten Leitungstyps einen pn-übergang bilden und die Diode in dem Resonanzhohlraum angeordnet ist, dessen Resonanzfrequenz auf einen der Elektronenlaufzeit durch die mittlere Zone des Halbleiterkörpers entsprechenden Wert abgestimmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone (13) in einer epitaktisch auf der anderen Anschlußzone (11) gezüchteten Schicht angeordnet ist und eine im Vergleich zu der Leitfähigkeit der Anschlußzonen (11, 12) mittlere Leitfähigkeit aufweist, daß der pn-übergang (14) ebenfalls in .der epitaktisch gezüchteten Schicht angeordnet ist und mittels einer an die Diode (50) angeschlossenen Spannungsquelle auf einen Arbeitspunkt jenseits des Lawinendurchbruchs eingestellt ist, derart, daß in der mittleren Zone (13) Elektronen freigesetzt und in dem Resonanzhohlraum (64) Schwingungen mit dessen Resonanzfrequenz erzeugt werden.

2. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußzonen (11, 12) vom Leitfähigkeitstyp N+ bzw. P+ sind, während die mittlere Zone (13) den Leitfähigkeitstyp N aufweist.

3. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die P + - und N+- Zone der Halbleiterdiode eine Fremdstoffkonzentration von etwa 10²⁰ Atomen pro cm³ und die N-Zone eine Fremdstoffkonzentration von etwa 10¹⁶ Atomen pro cm³ aufweisen.

4. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die N-Zone (13) der Halbleiterdiode eine Stärke von weniger als etwa 15 Mikron aufweist.

5. Hochfrequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper der Diode aus Silizium als Grundmaterial besteht.

6. Hochfrequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der die Diode (50) aufnehmende Resonanzhohlraum eine erste, der Elektronenlaufzeit durch die mittlere Zone (13) der Diode entsprechende Resonanzfrequenz (f„) sowie weitere, von der ersten Resonanzfrequenz (/„) in parametrischer Abhängigkeit stehende Resonanzfrequenzen aufweist.

7. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum zwei weitere Resonanzfrequenzen (Z₁ und /.,) aufweist, die geringer als die erste Resonanzfrequenz (/„) sind und deren Summe im wesentlichen gleich der ersten Resonanzfrequenz (/_;J) ist.

8. Hochfrequenzgenerator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzhohlraum zur Aufnahme der Diode eine erste, der Elektronenlaufzeit durch die mittlere Zone (13) der Diode entsprechende Resonanzfrequenz (f_p) sowie eine weitere Resonanzfrequenz aufweist, deren Wert im wesentlichen die Hälfte der ersten Resonanzfrequenz (/„) beträgt.

9. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Resonanzfrequenzen im wesentlichen ein ganzzahliges Vielfaches der ersten Resonanzfrequenz (/,,) sind.

10. Hochfrequenzgenerator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Resonanzfrequenzen (/„ sowie Z₁ und Z₂) gleichzeitig folgende Beziehungen gelten: