DE1439911A1 - Diode mit niedriger Impedanz - Google Patents

Diode mit niedriger Impedanz

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DE1439911A1
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metallic
diode
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DE19601439911
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Dacey George Clement
Wallace Jun Robert Lee
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AT&T Corp
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Western Electric Co Inc
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Description

VBSTEEH EiECTRIC COMPAHY, Incorporated Daoey-Wallace Hew York 7, H.-Y. Case 7-30-
Diode mit niedriger Impedanz
Sie Erfindung betrifft eine Diodenanordnung mit niedriger Impedanz, ein Yerfahren zu ihrer Herstellung und mit ihr aufgebaute Schaltanordnungen« Sine allgemeine Aufgabe besteht darin, die ultrahochfrequente rauscharme Ei&genachaft von Dioden auszunutzen, die aus stark Bit Zusätzen behandelten Halbleitermaterialien hergestellt sind· Derartige Dioden zeigen eine Stroaspannungskennlinie Bit einem Ipannungsgeregelten negatiren Yiderstandsbereioh, der bei hohen Trequenzen wirksam ist. Ungleich herkömmlichen Dieden zeigen die in der Erfindung benutzten ron Haus aus eine Impedanz geringer Größe mit der folge, daß Hebenfffekte die erreichbaren Betriebefrequenzen übermäßig begrenzen, wenn nicht spezielle Herstellungs- und Schaltungsverfahren angewendet werden· Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, die Benutzung ultrahochfrequenter Dioden su erleichtern, indem die Impedanz einer Diode und einer Halterung mit vorgeschriebenen geometrischen Ablesungen klein gehalten wird«
Sine weitere Aufgabe der Erfindung besteht !darin, die Übertragung und Verstärkung eines ultrahochfrequenten Signale entlang eines Wellenleiters durchzuführen, der als Einheit aus einer verbreiterten stark mit Zusätzen behandelten Halbleiterdiode hergestellt ist.
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line weitere Aufgabe der Erfindung ist es, raueοharme ultrahoohfrequente Schwingungen oder eine Verstärkung mit Hilfe einer kompakten,vollständig aus festen Stoffen hergste*llten Einriohtung zu erhalten· Dies geschieht bei einer neuartigen koaxialen Leitungsanordnung; su der eine minimale Anzahl von Einzelteilen erforderlich ist· Der Koaxialleitung^Oscillator der Erfindung ist in der lage, Mikrowellensohaltungen, wie parametrische Verstärker, zu betreiben. Er wird erfindungsgemäß frequenzmoduliert, indem er Druokändenungen oder Änderungen der Induktivität der Diodenhaiterung ausgesetzt wird·
Die erfindungsgemäSe Diodenanordnung mit niedriger ^.
Impedanz ist dadurch gekennzeichnet, daß sie eine*Dioaufbau aee und eine T eung aufweist, welch® bei einer
Anordnung von vorbestissadr Grüße die zusammengesetzte Wirkung der EigenT^pssitäli der Zuleitungs^IadMktivität und des Zuleitnagwiderstand®β Kleist ftalteiu !D'er DiodenSSiy|S«iie wird hergestellt, inü&s ein Metall mit einer Halbleiterscheibe dureh einen. lanal in einem dielektrischen Trennteil legiert wird, um einen p~n-Übergang hervorzubringen«. Die Eigenkapazität ist direkt proportional der Fläche des Übergangs, sie wird daher durch 44« Herabsetzen der Kanalbreite erniedrigt· Das legierende Metall bedeckt den Trennteil und wirkt zusammen mit einer metallischen Schicht, die zwischen dem Trennteil und d τ Scheibe, jedoch im Abstand zum Übergang angeordnet ist, derart» daß ein äquivalent einer radialen übertragungsleitung mit Leitern von geringer Dämpfung und engem Abstand geschaffen wird, die gleichzeitig die Zuf Uhrungeinduktivität und «en Zuführungswiderstand erniedrigen· Die entstehende Diode wird in einer fassung mit niedriger Induktivität angeordnet, welohe aus zwei Teilen besteht* die duroh ein dünnes dielektrisches Trennteil getrennt sind. Die Fassung kann ferromagnetische Elemente aufnehmen, wobei die Diode duroh zwei Stifte in ihrer Lage gehalten wird, von denen einer eine bewegliche Membran zur
BAD ORIGINAL ~3"
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I ~T O w» <J I I
dee Brücke aufweist.
Bel einer Ausführung der Erfindung wird ein hochfrequenter Betrieb mit minimalem Swhaltungaaufwand erreicht, indem die Diodenanordnung mit niedriger Impedanx als leitendes Hittelteil einer Koaxialleitung verwendet wird, die an einem Ende kurzgeschlossen 1st« Venn ungedämpfte Schwingungen erzeugt werden, dient der negative Widerstand der Diode dazu, die ^elstungsverluste im positiven Wideretand der Belastung an den koaxialen Bingangsanechlüesen aru beseitigen, wobei für eine gegebene .Diode die Frequenz der Schwingungen durch den kurzen induktiven Weg bestimmt ist, der durch die Diodenhalt erung entsteht. Ein am koaxialen Eingang mit Energie versorgter Torwiierstand ist so angeordnet, daß er eine minimale hochfrequente Energie verbraucht, wobei erleine niederfrequente Stabilisierung schafft, indem er die Bildung von induktiven Hebenwegen verhindert, die nicht sinusförmige Kippschwingungen verusaohen könnten· Die koaxiale Anordnung erlaubt bei Verwendung «At einem Zirkulator eine hochfrequente Verstärkung·
Xus der Diodenanordnung kann leicht ein hochfrequenter Wellenleiter entwickelt werden,indem die Anordnung in der Tiefe vergtfjrSevt wird· Die Diode wird senkrecht zu dem vorher vorhandenen Querschnitt erweitert, so <4a#^eine Übertragungsleitung mit verteiltem Parameter entsteht, die unmittelbar als Verstärker oder Oszillator verwendbar ist·
Die Art und Weise wie die Erfindung die oben erwähnten Aufgaben erfüllt, wird an Hand der Erläuterung einiger bevorzugter Ausführungen und der beigefügten Zeichnungen klar verständlich.
Jig. I zeigt eine idealisierte Ersatzschaltung
einer hochfrequenten Diode mit spannungsgeregeltem negativen Wiαerstand;
Fig. 2 zeigt eine angenäherte Ersatzschaltung einer Diode, deren idealisierte Ersatzschaltung in Fig. 1 gegeben wurde;
Flg. 3 zeigt eine perspektivische Quersohnittsansicht einer Punktdiode mit niedriger
Impedanz, die durch Legieren eines Μβτ BADOWOINAL J80 9813/0 3 67
tails durch »in Loch alt sehr kleinem Durchmesser gebildet ViVa9 um einen p-n übergang mit einer leiterechelbe su bilden«
rig. 4 selgt eine perspektivische Quereohnitseansieht einer Diodeuanordnung alt niedriger Inpedanu, die durch Einbringen der Punkt-Diode der fig« 3 In ein· Fassung alt nled· rißer Induktivität gebildet wird*
Fig β 5 «eist ein Sohaltscheaa eines hochfrequenten Oeeilletorkreieseo, bei dem die Diodenanordnung der Fig· 4 -mit niedriger Induktivität verwendet wird ι .
FIg* 6 selgt eine perspektivische Quereohniteean-
Biohtt einer Mikrowellenaueführung des Oscillator· der Fig· 6, die für einen Betrieb alt maximaler Frequene und alt fre<iueneaodulation alt Hilfe einer veränderlichen Druokeinrichtung oder einer veränderlichen Yormagnetieierung eines ferrlmagnetlechen Elemente geeignet 1st·
Flg« 7 seist eine perspektivische Querechnitssan-
sleht eines Hlkrowellen-Osslllatorst bei dea die Anordnung alt niedriger Impedans der Flg· 5 verwendet wird, und die einen entfern-· baren Hohlraua und einen breitbanAlgea Ausgang aufweist·
Flg« θ selgt eine perspektivische Ansieht einer Mikrowellettftbertragttngsleituiig alt verteilten Farm· aetera, die durch TerglHleerung der Diode der Flg. 3 gebildet wird·
Die Erfindung wird am besten vcretKndlich, wenn alt einer Betrachtung der Idealisierten BSrsatssohaltung einer spannungsgeregelten Diode alt negativen Wider· stand begonnen wird. In Fig. 1 liefert eine Batterie eine Spannung E an die Klemmen 1 und 2 einer in Flugrichtung vorgespannten stark mit Zus&tsen behandelten Diode edle syabollsoh durch einen Widerstand alt dea Wert R parallel zn einem Kondensator alt der ligenka-ί pasltät O1 dargestellt wird· Der Widerstand £ hat einen ^ kleinen Wert» der je nach der Größe der Spannung £ positiv oder negativ 1st· Andererseits hat die Kapasi- » tat O^ wegen der Faktoren« die einen negativen Wiüer-
> etandsbereleh in der Stromspannungskennllnle erseugen,
> einttn viel größeren Wert ale er sich bieher bei KikrowellenhalbleitexvDioden findet· Infolgedessen wurden Verouohe eur Erhöhung der Betrietofrequenz von Einrioh-
ÖADÖRlGUMAt .5»
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tungen, die als Dioden-Oszillatoren oder Schaltkreis· dienten, durch das große Q^ und die folge von Hebenimpedanzen behindert, welche als Begleiterscheinung der wachsenden frequenz auftraten. Z.B. wird die obere TroQLuenagrenze eines Dioden-Oszillators mit negativem Widerstand durch die Wechselwirkung von Induktivität und Kapazität bestimmt, so daß eine Kleinhaltung dieser Parameter notwendig ist, um das theoretische Maximum zu erreichen, das durch das Widerstands-Kapazitate-Produkt einer gegebenen Diode bestimmt ist. Die Notwendigkeit bei Sohaltdloden, kleine Zuleitungsinduktivitätan zu erreichen, wurde bereits gezeigt. Weiterhin 1st es allgemein erwünscht, die Störung durch thermische Rauschgeneratoren, durch Verkleinerung von schädlichen Widerständen herabzusetzen.
Die Abänderungen, welche bei der idealen Schaltung dar Tig. 1 infolge der schädlichen Mikrowelleneffekte notwendig sind, wird in Tig» 2 dargestellt. Sie ergeben sich aus der unvermeidbaren physikalischen Tatsache, daß jede funktionierende Diode Zuleitungen und eine Halterung von endlicher Größe aufweisen mud- Zu jeder Zuleitung gehurt ein verteilter Widerstand und eine verteilt· Induktivität, die durch eine &elhenkoabination einer Spule mit einem Widerstand mit dem Widerstandswert R1 und der Induktivität L1 dargestellt werden können« Der Widerstand R'| an der oberen KIe.ame 1 in Tig. 2 unterscheidet sich im allgemeinen von des Gegenstück,dem Widerstand R'2 an der unteren Klemme 2« In einem typischen Tall ist dl· ober· Klemme metallisch, während die untere Klemme der Halbleiter selbst daretelH so daß das 8ymbol Rf 2 die kombinierte Wirkung des Haut-•ffektwideretands und dee Ausbreitungewiderstands des Halbleiters darstellt. Die Zuleitungekapasität O' liegt parallel zur Eigenkapaiität O^ der Diode· Andere sohädliohe Effekte, die den oben in Zusammenhang mit den Diodeneuleitungen geschilderten vergleiohbvar sind, entstehen» wenn die Diode In ihre* Halterung gebravht wird. Sie werden duroh den Wideretand I11, die Induktivität I^ und die Kapazität Cm dargestellt,
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Durch, den ersten Aspekt der Erfindung werden die folgen der Impedanzbegrenzungen, die durch die Notwendigkeit Ton Zuleitungen und einer Halterung entstehen, dadurch klein gehalten, daß eine "Punkt11-Diodenanordnung der in Pig. 3 dargestellten Art hergstellt wird. Die Bezeichnung Punkt-Diode bezieht sich auf die sehr kleine Fläche eines p-n Übergangs, die für einen Setrieb mit maximaler !frequenz und niedrigerem Rausch hergestellt wird. Ein metallisoher Film 3t der auf ein dielektrisches Trennteil 4 aufgebracht wird, das von einer Halbleiterscheibe 5 durch eine metallische Schicht 6 getrennt ist, wird mit der Scheibe durch einen Kanal 7 im Trennteil legiert, so daß ein p-n Übergang 8 entsteht. Die Legierung findet am unteren Ende einer dünnen Säule des metallischen Films statt, die sich in den Kanal 7 hinein erstreckt. Die Eigenkapazität ist direkt proportional der Fläche des p-n Übergangs 8. Sie wird herabgesetzt, indem öder Durohmesser der öffnung sehr klein gemacht wird, wobei die einzige Beschränkung darin besteht, daß die Öffnung genügend groß sein muß, um die Bildung eines aktiven Übergangs zu erlauben· Die sich ergebende Anordnung kann mit einer radialen Übertragungsleitung verglichen werden, die scheibenförmige Leiter hat, wobei sich der metallische Film 3 und die metallische Schifaht 6 auf beiden Seiten des p-n Übergangs 8 erstrecken· Ton den zahlreichen Stromwegen, die am Übergang 8 zusammenlaufen, ist ein typischer durch die Pfeile dargestellt, welche an der Eingangsklemme 1 in. Figβ 3 befr* ginnen und an der Ausgangeklemme 2 enden· Da ein Mikro- % wellenbetrieb beabsichtigt/slna.» die Ströne-Oberfläohen- ^ strSm« und haben eine geringe Eintauchtief·. Indem "> nur eine gering· Anzahl von Flußverkettungen je Stromco einheit zugelassen wird, ergibt ein geringer Abstand ο der Leiter eine Induktivität L1 (s.Fig«2) von geringer Größe, die annähernd direkt proportional dem Abstand ist. Während die begleitend· Kapazität C groß ist, let ihr· Groß· in typischen Fällen unwesentlich, im Vergleich zur großen Eigenkapasität C1, auch wenn el·
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auf tin Minimum herabgesetzt ist» Yon Bedeutung ist die Tatsache, dass der geringe Abstand der Leiter bei herkömmlichen Mikrowellendioden unerwünscht ist, da ihr« Eigenkapazität derart klein ist» dass eine hinzukommend· kapazitive Wirkung die Vorteile bezüglich der Induktivität beseitigen würde« In Bezug auf die Herabsetzung des schädliohen Widerstands il&lil die Diodenanordnung «inen dreifachen Beitrag· Erstens; das Kleinhalten der Fläche der Verbindung zur Herabsetzung, der Slgenkapazltät wird begleitet von einer Erhöhung der Grus se des negativen Eigenwiderstands, so dass es für schädlich· Faktoren schwierig wird, vorherrschend zu werden· Dies rührt von der Tatsache her, dass für eine gegebene Behandlung mit Zusätzen das Wlderatandskapazitäteprodukt der Diode konstant bleibt, obgleich auoh bei den kleinsten Übergängen der Eigenwiderstand im Tergleioh zu demjenigen von her·» kömmliehen Mivkrowellendloden klein bleibt. Zweiten*t Der SohaltungBwiderstand bestimmt direkt die Grosse der erzeugten kthermlsohen Rausohspannung, die herabgesetzt werden kann» so dass die Diode eine erwünschte lauecharae Eigenschaft erhält« Aus TIg. 3 ergibt sich, dass der hauptsäcKLioh· Widerstandseffekt der Diodenanordnung auf den Ausbreitungswiderstand in der Sähe des p-n-übergangs und auf den Hatffceffektwiderstand an der Oberfläohe des Halbleiters zurückzuführen ist, Durch Anordnung der metallischen Schicht 7 nahe beim übergang 8 wird der Hauteffekt vernachlässigbar, während der Ausbreitungewiederetand beträchtlich herabgesetzt wird« Zwischen der aetallisohen Schicht 8 6 und der Säule des Metallischen films 3 kann ein Ring des dielektrischen Trennteile gebracht werden, um einen Kurzschluss zu verhindern, der sich bei einer Berührung des Übergangs 8 mit der Schicht 6 ergeben würde« Der Sing 1st nicht notwendig, wenn die Lt gierunge tempera tür kein übermäseiges Ausbreiten der Säule verursacht· Die metallische Schicht 6 kann die Seiten und die Oberfläohe der Seheibe 5 bedecken, »um einen guten Ohm1sehen Kontakt am unteren Anschluss 2 sicherzustellen»
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Die Arbeitsgänge bei der Herstellung einer typischen r Diodenanordnung mit niedriger Impedanz gehen in folgende* Weise vor sich· Auf die Oberfläche einer Halbleiterscheibe wird eine metallische Schicht aufgebracht. Auf diese wird im Fall von Glas duroh Befeuchten und im Falle Ton Siliziumoxyd duroh Verdampfen ein dünnes dielektrisches Trennteil aufgelegt· Nahe der Mitte des Trennteil· wird ein dünner Kanal mit einer Säure, e.B« Tlußeäure, durch eine widerstandsfähige Maske geätzt* Wenn dit Schicht ein Oxyd ist, das auf dem Halbleiter gewachsen ist, kann sie eine Dicke von wenigen Tausend Angstrum haben« Wenn ein Kanal duroh das Trennteil geschaffen 1st, ist es als nächstes notwendig, einen Hohlraum in der metallischen Schicht durch eine Säure, z.B« Salzsäure, bei Nickel oder durch eine Base, z*Bo kaustisches Soda bei Aluminium einsutttztn, die beide nicht mit den Halbleitermaterialien reagieren« Dann wird ein Metallfilm, z.B. Aluminium, mit Borzusatz, im Fall von n-Germanium oder Silicium auf der Oberfläche des dünnen dielektrischen Trennteile aufgedampft· Der Film erstreckt sich in den Trennteilkanal, so dass ein vorstehendes Teil entsteht, das die Scheibenoberflache berührt· Das Trennteil wird so gewählt, dass es nicht nur die nachfolgende Legierungstemperatur,'sondern auch die später notwendigen Lotungen aush&lt· Wenn die Legierungstemperaturen und die Materialien eine KuizschlussberühFung zwischen dem p-n-Übergang und der metallischen Schicht möglich machen, 1st «ine Abänderung des Herstellungsverfahrens notwendig· !fach dem Heraueätzen des Hohlraums aus der metallischen Schicht wird ein dielektrisches Material duroh den Kanal des Trenn$6ils zur Bedeckung der Seitenwände dts Hohlraums gebracht· Sollte hierdurch der Hohlraum mit dem dielektrischen Material ausgefüllt sein? so wird die Ätzung mit FluSsäure nochmals angewandt, um den Kanal sur Schvlbenoberfläohe durchzuführen. Alternativ kann nach
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Aufbringen der metallischen Schient ein Hohlraum ausgeätzt werden, so dass ein nachfolgend gebildeter Kanal in dem auf die Schiebt aufgelegten dielektrischen Trennteil, der eleh in den Hohlraum der Schicht erstreokt, durch •inen dielektrischen ling umgeben 1st« für das letztgenannte Verfahren sind zwei widerstandsfähige Hasken notwendig, und zwar eine bei der Herstellung des Hohl -raum« und eine weitere bei der Herstellung des Kanals»
Der Bftu einer Diode mit niedriger Impedanz stellt nur eine erste Stufe dar* Duroh einen aweiten Aspekt der Erfindung wird eine Fassung mit niedriger Impedanz geeohaffen, um die Diode in einer vorbestimmten Lage in der Anordnung mit niedriger Induktivität der fig· 4 aufzunehmen· In der fassung der fig· 4 sind zwei metallische Halter 9 und 10 vorhanden, welche durch ein dlelektrisohes Trennteil 17 voneinander getrennt sind, das vorzugsweise die gleiche Dicke und Zusammensetzung wie da« bei der Diode selbst verwendete Trennteil hat· Die Betrachtungen beaüglioh der Induktivität für die Halterung - sind die gleiohen wie für die Diode» für eine Halterung mit einem speziellen Auseendurohmeeeer wird die Induktivität verringert, wenn das dielektrische Trennteil dünner gemaoht wird, Venn das Induktivitäts-Kapazitäts-Produkt klein sein seil, wie es bei einem hochfrequenten Oscillator erwünscht ist, wird «In Qreniiuetand erreioht, bei dem eine weiter· Herabsetzung der Induktivität, die von einer entsprechenden Yergröseerung der Kapailtät begleitet ist, übermäseig· dieletrieche Verluste ergibt« Weiterhin erzeugt dl· YergrOtserung der Kapazität, dl· vom eifler Herabsetzung der Induktivität begleitet wird, für dl· radiale Übertragungsleitung der Diodenanordnung •inen Vellettwideretand von geringer Grosse, der es bei Banden Mikrowellenkreisen eohwierig macht, die Anordnung an ihre Belastung anzupassen.
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Sie Stifte 11 und 12 der fassung in. Fig«, 4 werden in ihre Durchgänge in dan Haltern 9 und 10 eingesetzt» um die Diodenanordnung 13 der in Pig· 3 dargestellten Art in die richtige Lage ssu bringen,, Der Stift 11 weist •ine bewegliche Membran 14 auf3 um einen gutoa Kontakt mit dem oberen Anschluss der Diode 15 hersust&L lene ferrimagnetische Elemente 15 liefern Mittel, um di© Zuleitungeinduktivität auf Wunsch zu ändern«
Das Verfahren zum Zusammenbau einer typischen Biodenanordnung mitniedriger Imp-edanz umfasst die folgenden Arbeitsgänge: 1») Die Stifte und Halter werden gewöhn« lioh aus dem gleichen Metall, ζ·Β· Messing, liiokel oder Kovar hergestellt, um die Probleme &u beseitigen, welohe duroh unterschiedliche Auedehnung bei femperatur&nderung«n entstehen· 2») Werden die Halter duroh ein dünnen dielek$?4 trisches Trennteil miteinander verbunden« Bei einem Versuchsmodell bestand das Trennteil aus Ipoxy-Hara mit einer Dicke von weniger als 0,025 mm· Andere geeignete Materialien sind metallisiert· Keramiken» die mesttanieoh stabil sind und in der Lage SIn(I5 Ssmperaturänderungen auezuhalten, ferner Flatten aus Saphir, Aluminiumoxyd· hoher Dichte oder eine dünne Slasashiohto 3·) Werden an den Stiften 12 und 13 Kennmittel vorgesehen* Der erete Stift stellt sicher, daß das dielektrisch· Trennteil der Diode genau mit demjenigen der Halterung auegerichtet ist· Der zweite Stift erleichtert die Ausübung des richtigen Drucks duroh die Membran 14 auf den oberen Seil der Diodenanordnung» 4·) wird die Diodenanordnung üblicherweise durch Löten am Stift 11 befestigt» der in ■ einem Durchgang ia Halter 9 bis zur gekennzeichneten t Lage eingeschoben wird· Fünftens^wird der Stift 12 in seinem Kanal ia Halter 10 bis zur gekennzeichneten Lag· eingeschoben, die dem Erüak «ntspricht, der auf di· Diode ausgeübt werden soll, um einen guten Kontakt heraueteilen und di· öröfl« de· negativen Widerstand« au regeln, ohn· dafi ein Bruch eintritt»
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Sin Beispiel für die Art und Weise wie die Diodenanordnung mit niedriger Impedanz erfindungsgemäß verwendet werden kann, ist ein ultrahochfrequenter Oszillator dessen Ersatzschaltung in Jig. 5 dargestellt ist· Sin hoher Widerstand mit der QtHQb H^ liegt an den Klemmen 1 und 2 einer Diodenanordnung mit einem veränderlichen negativen Widerstand -E« Sie Induktivität % entsteht" gänslioh duroh die Diodenzuleitungen, während die Kapati tat C die gemeinsame Wirkung der Eigenkapazität und der sahädliohen Kapazität darstellt. Der schädliche Widerstand der Zuleitungen ist als vernachlässigbar angenommen« Die Spannungsversorgung geschieht durch eine Spannungsquell· E^ die duroh einen hochfrequenten Hebenschlußkondensator 0, überbückt ist» Diese Kombination liegt in Reihe zu einer hochfrequenten Ausgangsbelastung , die durch den Widerstand EQ dargestellt wird. Im normalen hochfrequenten Betrieb liegt an den Klemmen 1 und 2 eine äquivalente Belastung, deren Gröfle duroh den negativen Widerstand -B. aufgehoben wird, so daß ungedämpfte Schwingungen entstehen« Die komplexe frequenz β der Schaltung der Fig. 5 erhält man durch Lösen der determinate der Schleifen-oder Knotengleiohungen, sie hat die Form*
" *0
wobeit
E.
1 H
^ und B0 der Wert des zusammengesetzten hochfrequenten
ο Widerstands is*, der an den Klemmen 1 und 2 der Diode
co in Tig· 5 entsteht. Sie anderen Symbole gegen die
ο Werte der in Tig. 5 dargestellten Parameter^· Es ent·
steht ein Signal, wenn σΛ > 0 oder «1- ^y8- .,„+
Das Signal schwingt, wenn ß > 0 oder E_ 4. E ist. Die Schwingungen sind sinusförmig, wenn ß, > o* ist. Im
Gleichgewicht ist <rn * O oder 1 = s- und die Winkelgeschwindigkeit der
Schwingung wird gegeben durcht
Wenn auch die Induktivität Ii klein gemacht werden eoll, so ist doch die theoretische obere Grenze gegeben durch den Gleichgewichtszustand» für den fq m Q oder L * R43RO ist. Infolgedessen tritt die obere Grenzfrequenz für den Oszillator auf, wenn.E viel größer als EL ist und die Winkelfrequenz
E11BC^
BBim Aufbau praktischer Schaltungen entstehen Schwierigkeiten, wenn die Induktivität 1 zu groß wird· Dann wird eg 7 ß und die Diode arbeitet wie durch Gleichung (1) angegeben ist, in nicht sinusförmiger Weise* Diese Möglichkeit ist vorhanden, wenn der Vorwiderstand E^ körperlich weit von der Diode entfernt angeordnet wird· Wenn die Bedingungen für den hochfrequenten Betrieb theoretisch erfüllt sind, besteht ebenfalls ein langer induktiver Weg zwischen der Diode und ihrem Vorwideretand, der gegenüber jedem kürzeren and infolgedessen höherfrequenten Weg vorherrschend sein wird. Um die Gefahl? solcher Kippschwingungen zu vermeiden, und gleichzeitig einen kompakten Oszillator mit einem Mini- ^ mum an Einzelteilen zu erhalten, wird die Koaxiallei- ·** tungsanordnung der Fig. 6 verwendet« Die Punktäiodeno anordnung 20 der Pig. 4 wird als Verlängerung des co inneren Leiters 21 eines kurzgeschlossenen koaxialen ^ Außenseiters 22 ausgeführt« Sin Verwiäerstand 23 o> wird durch einen film aus Widerstandsmaterial gebildet, α» der an den äußeren Rändern des dielektrischen Sreimteils zwischen den Haltern aufgebracht wirdo Der Film e-rßtreckt sich vollständig um die Kanten des Srennteils, um das Vorhandensein des Widerstands R. unmittelbar an den Diodenanschltissen 1 und 2 sicherzustellen, die in Fig.5 angegeben wiril. Wenn der Widerstand in dieser Weise an-
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gebracht wird, βraöglicht er es, daß die Vordpannung I19 unmittelbar an den Diodenanachlüssen angelegt wird« Diese dichte Anordnung des Torwiderstands ermöglicht es, daß der effektive ¥iderstand/tÄsÖlmmen 1 und 2 bei sengen induktiven Wegen die Parallelkombination des negativen Diodenwiderstands und des Vorwiderstands ist, so daß, wenn der Yorwiderstand kleiner als der negative Widerstand ist, der sich ergebende Widerstand «wischen den Klemmen positiv ist und keine Schwingungen aufrecht erhalten bleiben« Durch dieses Verfahren wird demgemäß der Oszillator gegen schädliche Schwingungen, stabilisiert, die durch das Vorhandensein von langen induktiven Wegen eintreten können·
-J-Q T
Bin TierirtllenlängA-Transformator 24 befindet sich zwi-
jJLnneren
sehen dem <«ιεβ und dem äußeren leiter der koaxialen leitung! der am kurgeschlossenen Ende anfängt. Dadurob, dmS er einen Wellenwiderstand hat, dessen Größe la Vergleich iu demjenigen der Leitung klein ist,ν rhindert der Transformator den Verbrauch von hoohfrequenter Energie Im Vorwiierstand· Er wandelt ferner die Belastungsimpedanz 1* In eine Impedanz geringer Größe an den Dledenansohlüssen, um, die es für ungedämpfte Schwingungen entsprechend Gleichung (1) notwendig ist,
£aboratoriumevereuche haben gezeigt, daß die Natur der Diade piezoelektrisch ißt, so daß ein Ausüben von Druok ^ auf 4>lode eine Änderung der Energieirltitfli· verursacht, *o dl· ihrerseits eine Änderung 'des Diodenstroms hervoro sringt, so daß das Ergebnis einer Herabsetzung des Eigen- ^ widerstand· der Diode gleichkommt· Infolgedessen kann *"" die frequenz einer durch den Oszillator erzeugten hooho> frequenten Sohwin^ung durch Anwendung einer dMHokabhän» m gigen Binrlohtung verändert werden, die am Stift 25 be— fistigt 1st· Bin Membranalttel oder ein ähnliohoe Mittel H alt der zugehörigen Schaltanordnung zur Änderung des Druok· naoh Wunsch ist verwendbar» Druckänderungen werden zur Dlodo übertragen, um die Grüße des negativen Sigsnwideratand» -Ot und daait die erzeugte frequenz
zu ändern» wie in Gleichung (5) angegeben ist» Es kann ferner eine frequenzmodulation hervorgebracht werden, indem in den Hohlraum der Diode eis ferrimagnetischee Element 27 eingesetzt und dieees Element mit Hilfe einer veränderlichen magnetischen letentialruelle 28 vormagnetisiert wird«
Ab.
Eine/inderung des koaxialen Leitungs-Osasillators der fig» β ist in Figo 7 dargestellt© Jöer Torwiderstand 30 der aus einer Widerstandsscheibe zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter einer koaxialen leitung 31 beeteht» ist vor einem dielektrischen film 32 angeordnet, der als Nebenschluß für den Irequenzbestimmenden Hohl» raum 33 wirkt, welch r die Dio seilanordnung 34 mit niedriger Impedanz umgibt. Di® Kappe 35 ist entfernbar, um Xnderungen der HohltäumgröBe zu ermöglichen. Indem dl· durch dae DielektriüiiF 32 ©rseugte Kapazität so groß gemacht wird, daß sie den Oszillator gegen die Möglieh-» keit von Kippschwingungen bei der niedrigsten intereesierenden Frequenz zu stabilisieren, wird eine gleiche Stabilisierung auch bei höheren frequenzen sichergestellt.
Die Erfindung kann auch benutzt werden, um ein ultra« hochfrequentes Übertragungssystem mit Hilfe der vergröe-Berten Leitungediode der flg. θ zu erhaltene Im seit» liehen Querschnitt ist die Diode 40 der flg. 8 identisch C^, mit der Diode 13 der ?ig« 4· Sie unterscheidet sioh nur ·£ dadurch, daß sie In der Tiefe vergrößert ist, so deß ο ihre Parameter 4Je Längeneinheit "berechnet werden müsco sen. Der p-n~ übergang hat entsprechend den vorher be- ^ eohrlebenen Bedingungen zur Kleinhaltung der Eigenka-
°* pazität eine sehr kleine UtUf d©oh wird durch dl· ο
«o Tergteßerung der fiefe der Verbindung die Leistung erhöht« Die Vorsp&nnunequelle 41 wird effektiv durch das dielektrische Trennteil 42 überbrückt. Der Rand 43 ermöglicht es, daß ein veränderlicher Druck auf den in dir Tiefe vergrößerten p-n übergang ausgeübt wird, so daß Inderungen des verteilten negativen Widerstände
-15-
an ausgewa—...η Funkten entlang der Leitung vorgenommen werden können, wie es bei gewissen Formen der Vrequentmodulatlon erwünscht ist. Wie aus der Darstellung ersichtlich, kann die geSktimmte lineare Anordnung der TIg. 8 an den Eingangsklemmen durch ein Signal E^ erregt werden, das ohne Dämpfung zur Belastung Bq fortgepflanst wird* Sa der Wellenwiderstand/kompiöSc ist, müssen am Eingang und Ausgang induktive Widerstände 44 angeordnet werden, um Spannungsreflexionen zu verhindern· ferner ist eine Irenneinrichtung 45 vorgesehen, um eine nicht reiiproke Arbeitsweise zu erhalten·
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1,)) Verfahren zur Herstellung einer Diodenanordnung niedriger Impedanz, gekennzeichnet durch, folgende Arbeitsgänget
    1) Ausbreiten einur metallischen Schicht auf der Oberfläche einer Halbleiterscheibe.
    2) Auflegen eines Trennteils aue dielektrischem Material auf die Schicht. . ,
    3) Aufbringen einer widerstandsfähigem Masfce mit einer öffnung auf das Trennteil.
    4) Wegätzen eines sehr kleinen Kanals im Trennteil durch die öffnung mit Hilfe einer Säure, die nur das dielektrische Material löst.
    5) Ätzen eines Gebiets der Schicht mit Hilfe einer Saure, die nur das Metall löst und
    6) Aufbringen eines metallischen Tilms, der das Trennteil bedeckt und einen vorstehenden Teil bildet, der sich in den Kanal hinein erstreckt und die Scheibe berührt? so daß die Anordnung eine zusammengesetzte Impedanzwirkung erzielt, welche ermöglicht, daß der Diodenteil der Anordnung bei ultrahohen Frequenzen betrieben werden kann.
    2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenfolge der Arbeitsgänge die gleiche wie in Anspruch 1 ist, daß die Maske jedoch vor dem Arbeitsgang 5 entfernt wird, und das Ätzen der Sohicht durch den Kanal hindurch stattfindet und einen Hohlraum in der Schicht bildet, der unter dem Trennteil liegt und dessen Abmessungen in der Ebene der Schicht wesentlich größer als der Kanal sind.
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    3·) Verfahren nach Anspruch lt dadurch gekennzeichn/.1*, daß die Reihenfolge der Arbeitsgängei|leiche wie in Anspruch 1 ist, daß ferner das Ätzen der Metallschicht einen Hohlraum in dor Sohicht bildet, dessen Abmessungen in der Ebene der Sohicht wesentlich größer als der Kanal sind, daß weiterhin zwischen den Arbeitsgängen 5 und 6 ein dielektrischer Hilfetrennteil durch den Kanal hindurch auf einem Teilet der inneren Wand des Hohlraums aufgebracht wird, wobei die Biokenabmessung des Hilfetrennteils senkrecht zu derjenigen des orsten trennteile erstreckt und daß schließlich die Maske entfernt wird«
    4·). Terfahren na4h Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dsJ das Xtsen der Metallschicht durch den Kanal hindurch stattfindet und einen Hohlraum in der unter dem Trennteil liegenden Schicht bildet, dessen Abmessungen in der Ibene der Schicht wesentlich größer als der Kanal sind, daß ferner «wischen den Arbeitegängen 5 und 6 der lehlrau* diaroh den Kanal hindurch mit einem ditlek- - trlsohen Material gefüllt wird, dafl weiterhin eine Terlängerung des sehr kleinen Kanals durch die Öffnung hinduroh ait Hilfe einer Säure weggeätzt wird, die nur dam» dielektrische Material löst und dafl sohließ&h die Maske entfernt wird»
    5·) Terfahren naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsgänge in der Reihenfolge 1,5,2,3,4,6 durchgeführt werden, daß ferner (wischen den Arbeite- ^ gingen 1 und 5 sine sweite Widerstandsfähige Maske *> alt einer Öffnung auf die metallische Schicht gebracht -^» wird, daß weiterhin das Itzen des Arbeitsgänge 5 einen JZ Hohlraum in der metallischen Schicht bildet, daß ferner JJ swieohen den Arbeitsgängen 5 und 2 die zweite widero standsfähige Maske entfernt wird, daß die dielektrische Bchioht des Arbeitsganges 2 den Hohlraum füllt, daß der Kanal des Arbeitsgangs 4 Ton der dielektrischen Sohicht umgeben wird und daß schließlich die Maske des Arbeitsganges 3 swieohen den Arbeitsgängen 4 und 6 entfernt
    BAD ORIGINAL
    Ί ύ
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    6.) Geschichtete Diodenanordnung hergestellt nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine erste scheibenförmige Schicut aus Halbleitermaterial mit Beimengungen in geregelten Beträgen, ferner durch eine zweite Trennschicht aus dielektrischem Hat*, rial, die im wesentlichen die erste Schicht bedeckt, weiterhin durch eine dritte Schicht aus Legierungsmaterial auf der zweiten Schicht, wobei die dritte Schicht Beimengungen in geregelten Beträgen enthält, und schließlich durch einen aktiven p-n Obergang an der fläch· zwischen der ersten und de dritten Schicht, wobei diese Zwisohenfläche eine vorbestimmte Ausdehnung hat, welche die Eigenkapazität der Anordnung bestimmt«
    7·) Anordnung naoh Anspruch 6E dadurch gekennzeichnet, daß die dritte 8ofei€%* «inen alt Uir zusammenhängenden vorstehenden Seil hat, der sich dms-oa die zweite Schicht hin,,ws-sh erstreckt, um der, ρ^κ übergang zu bilden«
    8.) Anordnung naoh Anspruch«! T9 ait ®ia*m apannungsgeregelten negatiyen WideFrtaad*k®fci*t in Ifcrer Stromspannungskennlinie, dadurch gekennzeichnet, daß di· dritte Sohicht aus eine» metallischen film besteht, daß eine zweite metallische Schicht im wesentlichen auf den Seitenflächen der Scheibe liegt und ihr· «bare fläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht bedeckt, daß weiterhin di· zw«it· Sohioht sich ent-
    t"· lang dir oberen fläche d-r Soheibe erstreckt und in
    η der Soheibe einen Kanal von sehr kleiner Breite auf-
    Jj^ weist, daß sich ferner der vorstehende Teil in den J2 Kanal hinein erstreckt und daß schließlich Abständeco mittel zwischen der zweiten metallischen Schicht und ο dem Übergang eine kurzschließende Berührung der zweiten metallischen Sohicht mit dem Übergang vorhindert, so daß bei einer ersten Schicht mit vorbestimmter Grüße eine Anordnung entsteht, die eine schädliche Impedanz von geringer Größe teilt und eine vernaehlässigbare thermische Rausohspannung b^iMikrowellenfrequenzen erzeugt·
    SAO ORtQINAL -4-
    9·) Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Ka ...: sich durch das Trennteil im rechten Winkel zu diesem erstreckt, wobei die fläche des Übergangs durch die Größe der Öffnung des Kanals begrenzt ist und mit der Dicke des Trennteils so abgestimmt ist, daß für die Diodenanordnung ein Induktivitäte-Kapazitäts-Produkt geringer Größe erzielt wird, wobei die Induktivität von der Dicke und die Kapazität von der Dioke und der fläche abhängig ist·
    10.) Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal auf einer längen Welle in der Ebene des Trennteils besteht, um die Leistung der Anordnung zu erhöhen, wobei die Breite des Übergangs durch die Breite der Welle begrenzt ist und mit der Dicke des Trennteils so abgestimmt let, daß für die Diodenanordnung ein Induktivitäts-Kapazltäts-Produ4rkt je Längeneinheit von geringer Größe erzielt wird, wobei die Induktivität von der Dicke und die Kapazität von der Breite und der Dioke aghängt· 11·) Anordnung nach Anspruch 8,9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsmittel aus einen Ring aus dielektrischen Material bestehen, der den vorstehenden Teil in der Ebene der metallischen Schicht umgibt«
    Anspruch 6 mit einem spannungsgeregeltenrWiderstandsgebiet bei Mikrowellenfrequenzen dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht auseiner J^ Halbleiterscheibe besteht, daß eine ringförmige metal- <*> lisohe Scheibe auf der Halbleiterscheibe in enger Be*
    «^ rührung mit dieser aufgelegt ist, wobei die metallische ^2 Scheibe ein Ausgangsanschluß der Anordnung darstellt, Aaß in dem dielektrischen Teil eine kreisförmige üffo nung vorgesehen ist, und das !!elektrische^ $S$5 auf
    der metallischen Scheibe konzentrisch mit dieser angeordnet ist, wobei der innere Durchmesser des Trennteils geringer als derjenige der metallischen Scheibe ist, daß die dritte Schicht aus einem metallischen Film besteht, dessen Ausdehnung dem ringförmigen Trennteil entspricht und der auf dem Trennte 1 liegt und sich durch die Öffnung erstreckt, wobei der metallische PiIm einen
    BAD ti/tWS? am -5-
    Eingangsanschluß der Anordnung darstellt-und eine me-' tallische Säule bildet, welche einen Abstand von der metallischen Scheibe hat und in legierender Berührung mit der Halbleiterscheibe steht, wobei ijede Scheibe den gleichen vorbestimmten Außendurchmesser aufweist, sodaß bei Mikrowellenfrequenzen zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangeanschluß eine Impedanz von geringer Größe entsteht, wobei die Impedanz aus eine-r Eigenkapazitätskomponente besteht, die proportional dem Innendurchmesser dös Trennteilä ist ferner aus einer &uleitungeinduktivitätskomponent©, die proportional der Die$e des Trennteils ist und schiießlioh aus einer schädlichen Waders tandskoinponente, die proportional dem Innendurchmesser der metallischen Schicht iste
    15.) Kompakte jiellenieiteranördnung mit niedriger Induktivität zur fortpflanzung von ultrahochfrequenter Wellenenergie, enthaltend die Dii3_denanordnung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht aus eine» Halbleiterscheibe mit rechteckigem Querschnitt in der Ebene senkrecht zur lOrtpflanzungsdfeeaerichtung der Energie besteht, wobei ein metallisches Teil drei Seitendes "-. rechteckigen Querschnitts ""umgibt, und eine kleinere Oberfläche aufweist, die in Berüfe^u-ng mi^iSf1 oberen Fläche der Scheibe steht,- ferner ein. Kanaldas Seil in zwei einzelne Segmente teilt", weiX" darin dieser Kanal sich in der Poftpflänzuögsrichtüng- erstrecktf daß das Trennteil einen Kanal aufweist, dessen Breite geringer aim: diejenige des metallischen TeIIt: ist, dai- ein metallischer Außenleiter auf dem Trenntell vorgeseshf,-:·, ist? der b1c)i in den Kanal des Trennteils erstreckt, um üit der Scheibe eine Verlängerung des p—n,- Übergangs zu- "uxldeü, wob-ei das Verhältnis der Eicke aes Trenntei;is": der lo-eite ä&s Kanals des Trennteils und aerBröite aes Kanals, der-metallischen Schicht■-so abgestimmt ist," da? dieBigeriKapazität Je liängeneiniieit , die incuictxvlt'-it je .Ii-MJage'neijiiiei't axtdcler' Wiaei-stanä, je
    der 4e 11 enlfeiteranoranuiig, geregelt v/erden*
    809813/036? ; _6_
    14.) Anordnung nach Anspruch 8 mit Halterungsmitteln Äaetat&ek gekennzeichnet,durch 2 einzelne Halter durch die jeweils ein Durchgang führt, ferner durch einen ersten Stift, an dessen einem Ende die Diodenanordnung angebracht ist, wobei der erste Stift fest in einen der Durchgänge bis in eine lage eingesetzt ist, diedie Stetigkeit zwisohe: einer Oberfläche des Halterungsmittels und der Zwischenfläche zwischen dem Trennteil unddermetallischen Schicht der Diodenanordnung herstellt, ferner durch einen zweiten Stift, mit einer Metallmembran an einem Ende, wobei der zweit© Stift in den anderen Durchgang eingesetzt ist, und die Membran einen vorbestimmten Druck auf den metallischen PiIm der Anordnung ausübt, und schließlich durch einen dünnen dielektrischen Trennteil, der die Halter voneinander trennt, sodaß das Halterungsmittel bei Haltern von vorbestiinmter Größe eine minimale Vergrößerung der schädlichen/und des schädlichen Widerstands der Diodenanordnung liefert»
    15») Anordnung nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Halter und die Stifte Drehzylinder sind, und daß das dielektrische Trennteil eine ringförmige Scheibe ist, deren Dicke so bemessen ist, daß das Induktivltätakapazitätsprodukt der Anordnung eine geringe Größe aufweist«
    16·) Hochfrequenter Oszilator bestehend aus einem
    ungs
    KoaxialleltVabsohnitt mit konzentrischen Innen- und Außer leitern, sowie einer Anordnung nach Anspruch 15 dadurch
    ""•Ί gekennzeichnet, daß die Diodenanordnung zwischen benaoh-
    τ- barten Segmenten des inneren Leiters liegt, wobei ein
    ct ^^schließender Abschluß ein erstes Segment mit dem Außenleiter der leitung verbindet, daß ferner ein Widerstandeelement parallel zur Anordnung liegt, daß weiterhin eint Spannungsquelle und eine Belastung zwischen einem zweiten Segment und deraAußenleiter angeschlossen ist, wobei die Spannungsquelle im Element eine Vorspannung für die Anordnung liefert und daß schließlich Mittel vorgesehen ; : sind, um gleichzeitig das Element zu überbrücken und die Anordnung an die Belastung anzupassen·
    17.) Einrichtung nach Anspruch 16 dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstands element aus einem Widerstandstiberzug beeteht, der sich über den Spalt zwischen den Haltern erstreckt , und daß die Anpass-und Überbrückungs-mittel» aus einem koaxialen Iransformator-leitungsabschnitt bestehen, der in der Nähe des Elements beginnt und sich über eine viertel Wellenlänge der Resonanzfrequenz des Oszillators erstreckt·
    18.) Einrichtung nach Anspruch 1 7 dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandselement einer Widerstandsscheibe zwischen dem inneren und dem äußeren Leiter besteht, und daß die Anpass- und Überbrückungsmittel aus einer dielektrischen Scheibe bestehen, die sich zwischen den Leitern erstreckte
    19·) Einrichtung nr.3h einem der Ansprüche 16 bis 18 gekennzeichnet duroh Mittel,zum verändern des auf die Anordnung durch den Stift ausgeübten Drucks, wodurch das Ausgangssignal des Oszilators frequenzmodeliert wird»
    20·) Einrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19 gekennzeichnet durch ferrimagnetische Elemente, die zwischen den Hal tern und den VormagnetisierungggiJliJ^gngeordnet sind, um das an die Elemente angelegte'Feld hervorzubringen und zu verändern, wodurch die Induktivität der Anordnung geändert und darOszilator unter dem Einfluß des an die Vormagnetisierungsmittel angelegten Signals frequenzmodeliert wird·
    809813/036?
    BAD ORIOiNAL
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