Teubner Studienskripten Elektrotechnik Ebel, Regelungstechnik 4., Gberarbeitete Auflage 207 Seiten. OM 16,80 Ebel, Beispiele und Aufgaben zur Regelungstechnik 2., Gberarbeitete Aufl. 151 Seiten. OM 12,80 Eckhardt, Numerische Verfahren in der Energietechnik 208 Seiten. OM 16,80 Fender, Fernwirken 112 Seiten. OM 12,80 Freitag, EinfGhrung in die Zweitortheorie 3., neubearbeitete und erweiterte Auflage .. 168 Seiten. DM 15,80 Frohne, EinfGhrung in die Elektrotechnik Band 1 Grundlagen und Netzwerke 4., durchgesehene Aufl. 172 Seiten. DM 14,80 Band 2 Elektrische und magnetische Felder 4., durchgesehene Aufl. 281 Seiten. OM 18,80 Band 3 Wechselstrom 3., durchgesehene Aufl. 200 Seiten. DM 15,80 Gad, Feldeffektelektronik 266 Seiten. OM 17,80 Gerdsen, Hochfrequenzme&technik 223 Seiten. DM 16,80 Gerdsen, Digitale Ubertragungstechnik 322 Seiten. OM 19,80 Goerth~ EinfGhrung in die Nachrichtentechnik 184 Seiten. OM 14,80 Haack, EinfGhrung in die Digitaltechnik 4. Auflage. 232 Seiten. DM 16,80 Harth, Halbleitertechnologie 2., Gberarbeitete Auf I. 135 Seiten. DM 14,80 Heidermanns, Elektroakustik f38 Seiten. OM 12,80 Hilpert, Halbleiterelemente 3., erweiterte Auf!. 184 Seiten. DM 14,80 HBhnIe, Elektrotechnik mit dem Taschenrectner 228 Seiten. OM 16,80 Kirschbaum, Transistorverstarker Band 1 Technische Grundiagen 3., durchgesehene Aufi. 215 Seiten. DM 15,80 Band 2 Schaltungstechnik Teil 1 2., durchgesehene Aufi. 231 Seiten. DM 16,80 Band 3 Schaltungstechnik Teil 2 2., durchgesehene Auf I. 247 Seiten. OM 16,80 Morgenstern, Farbfernsehtechnik 2., Gberarbeitete und erweiterte Auflage. 260 Seiten. DM 18,80 Fortsetzung auf der 3. Umschlagseiten Zu diesem Buch Dieser Text fUhrt in das Gebiet der aktiven Halbleiterbauelemente ein, die heute in der Mikrowellentechnik eingesetzt werden. Ausgehend von den physikalischen Grundlagen werden die wichtigsten Bauformen, ihre Funktionsweise so wie ihre Herstellung beschrieben. Zum Verstind nis reichen Grundkenntnisse Uber Halbleiter aus, wie sie bis zum Vordiplom in Elektrotechnik oder Physik an deutschen Hochschulen Ublicherweise vermittelt werden. Halbleiterbauelemente der Hochfrequenztechnik Lauf~eitdioden, Gunn-Elemente, Mikrowellen-Feldeffekttransistoren Von Dr. rer. nat. Andreas Schlachetzki Professor an der Technischen Universitat Berlin und Leiter des Bereichs Integrierte Optik am Heinrich-Hertz-Institut fur Nachrichtentechnik Berlin Mit 100 Bildern Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH 1984 Prof. Dr. rer. nat. Andreas Schlachetzki 1938 in Breslau (Schlesien) geboren. 1958 bis 1970 Studium der Physik mit Promotion an der Universitat K61n. 1970/71 wissenschaftliche Tatigkeit am Becton Center der Yale University, New Haven, USA. 1971 bis 1976 wissenschaftlicher Mitarbeiter am Forschungs institut der Deutschen Bundespost, Darmstadt. 1975 sechsmonatige Forschungstatigkeit am Electrical Communication Laboratory der Nippon Telegraph & Tele phone Public Corp., Tokyo. 1976 bis 1984 Professor am Institut fur Hochfrequenztechnik der Technischen Uni versitat Braunschweig. Seit 1984 Professor an der Technischen Universitat Berlin und Leiter des Bereichs Integrierte Optik am Heinrich-Hertz-Institut fur Nach richtentechnik Berlin. CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek Schlachetzki, Andreas: Halbleiterbauelemente der Hochfrequenztechnik: Laufzeitdioden, Gunn-Elemente, Mikrowellen-Feld effekttransistoren / von Andreas Schlachetzki. - Stuttgart: Teubner, 1984. (Teubner-Studienskripten ; 99 : Elektrotechnik) ISBN 978-3-519-00099-0 ISBN 978-3-663-10245-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-10245-8 NE: GT Das Werk ist urheberrechtlich geschutzt. Die dadurch begrundeten Rechte, besonders die der Ubersetzung, des Nachdrucks, der Bildentnahme, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege, der Speicherung und Auswertung in Datenverarbeitungs anlagen, bleiben, auch bei Verwertung von Teilen des Werkes, dem Verlag vorbehalten. Bei gewerblichen Zwecken dienender Vervielfaltigung ist an den Verlag gemaS § 54 UrhG eine Vergutung zu zahlen, deren H6he mit dem Verlag zu vereinbaren ist. c) Springer Fachmedien Wiesbaden 1984 UrsprongJich erschienen bei B. G. Teubner Sluttgart 1984. Umschlaggestaltung: W. Koch, Sindelfingen Vorwort Vor rund 25 Jahren entstanden die ersten tragfahigen Ideen, mit Halbleitern hochfrequente elektrische Schwingungen zu er zeugen. Es folgte eine Periode sturmischer Entwicklung von Halbleiterbauelementen, die die bis dahin auch bei hohen Fre quenzen dominierenden R5hren auf spezielle Hochleistungsan wendungen abdrangten. Daruberhinaus wurden fur Halbleiter Fre quenzbereiche erschlossen, die bisher unzuganglich waren. In den letzten Jahren haben die Halbleiterbauelemente fur das Mi krowellengebiet im wesentlichen ihre Reife erhalten, abgesehen von den Feldeffekttransistoren, die zu immer h5heren Frequen zen vorstoBen. Dieses Buch behandelt Halbleiterbauelemente, die im Zentimeter und Millimeterwellengebiet eingesetzt werden, allerdings mit der Beschrankung auf aktive Komponenten. Der Schwerpunkt liegt auf den Laufzeitdioden und den Gunn-Elementen, den klassischen Halbleiterbauelementen der Mikrowellentechnik. Beide Gruppen von Bauelementen arbeiten mit heiBen Elektronen und nutzen die Laufzeit der Elektronen durch einen geeignet gestalteten Halb leiterbereich aus. Dagegen werden andere Mikrowellenbauelemen te, wie Tunneldioden oder Step-Recovery-Dioden, wegen ihrer nur begrenzten Wichtigkeit nicht behandelt. Bipolare Transi storen geh5ren ebensowenig wie die Feldeffekttransistoren zu den Mikrowellenbauelementen im engeren Sinn, obwohl bipolare Transistoren jetzt schon mit einer Grenzfrequenz von 12 GHz verfugbar sind und damit weit in das hier interessierende Fre quenzgebiet oberhalb 1 GHz hineinreichen. Allerdings muB fur Feldeffekttransistoren mit Schottky-Gate insofern eine Einschrankung gemacht werden, als sie in den letzten Jahren zumindest im unteren GHz-Bereich Impatt-Dioden und Gunn-Elemente mehr und mehr ersetzen. Diese Tendenz wird sich sicherlich in den nachsten Jahren noch zu h5heren Fre quenzen fortsetzen. Aus diesem Grund ist in diesem Buch das - 6 - abschlieBende Kapitel den Feldeffekttransistoren unter dem Aspekt der Mikrowellenanwendungen gewidmet. Das Buch ist aus einer einsemestrigen Vorlesung von drei Wo chenstunden entstanden, die der Autor wahrend einiger Jahre an der Technischen Universitat Braunschweig gehalten hat. Es wendet sich an Elektroingenieure und Physiker mit Grundkennt nissen der Halbleiterphysik, wie sie ublicherweise zum Vordi plom an wissenschaftlichen Hochschulen vermittelt werden. Die grundlegenden physikalischen Phanomene sind relativ eingehend herausgearbeitet mit dem Ziel, daB auch dem fachlich Ferner stehenden ein Verstandnis der behandelten Mikrowellenbauele mente moglich ist. Die eigentlichen Schaltungsaspekte werden dagegen nur gestreift. Der vorliegende Text konnte in mehreren Punk ten auf teilweise hervorragenden Darstellungen in einigen Monographien aufbauen, die im Literaturverzeichnis fUr den tie fer interessierten Leser aufgefuhrt sind. Es wurde darauf Wert gelegt, neuere Konzepte, die durch die jungsten technologi schen Entwicklungen verwirklicht wurden oder die der Realisie rung naher gekommen sind, in den Text einzufUgen. Es bleibt die angenehme Aufgabe, fUr empfangene Hilfe zu dan ken. Besonders herauszuheben sind die Herren Dipl.-Ing. S. Ay ta~ und Dipl.-Ing. W. Kowalsky, die neben sonstigen auBerge wohnlichen Belastungen die kritische Durchsicht des Manuskripts und umfangreiche mUhselige Arbeiten bei seiner Reinschrift Ubernommen haben, Frau B. Tietze, die mit groBer Sorgfalt die Mehrzahl der Bilder gezeichnet hat, und schlieBlich Frau K. Gartner, die sehr effizient und mit besonderem EinfUhlungsver mOgen die Reinschrift angefertigt hat. SchlieBlich solI noch ein besonderer Dank an die gerichtet werden, die ihren Mann und ihren vater sehr oft nur wahrend verkUrzter Wochenenden sehen konnten. Berlin, August 1984 A. Schlachetzki Inhaltsverzeichnis I. Einleitung 9 II. Lawinenlaufzeitdioden 13 1. Lawinendurchbruch am pn-Ubergang 13 2. Sattigungscharakteristik 21 3. Prinzip der Lawinenlaufzeitdiode 35 4. Kleinsignaltheorie der Read-Diode 40 5. Kleinsignaltheorie der pin-Diode 49 6. Bauformen von Impatt-Dioden 61 7. GroBsignaltheorie der Read-Diode 70 8. Leistungs- und Frequenzgrenze 79 9. Trapatt-Diode 85 10. Baritt-Diode 96 11. Silizium-Technologie 106 III. Elektronen-Transfer-Bauelemente 116 1. Gunn-Effekt 116 2. v(E)-Kurve und Domanen 122 3. Charakteristische GroBen von Domanen 135 4. Stabilitatskriterien 149 5. Oszillationsmoden mit Dipoldomanen 165 6. Laufzeitunabhangige Moden 171 7. Betriebsarten-Diagramm 179 8. Grenzen der Leistung und des Wirkungsgrades 182 9. GaAs-Technologie 190 IV. Oszillatoren 202 V. Anwendungen 221 VI. Mikrowellen-Feldeffekttransistoren 228 Literaturverzeichnis 243 Schlagwortverzeichnis 252 - 9 - I. Einleitung In den letzten beiden Dekaden sind die Halbleiter auch in das Gebiet der Hochfrequenz eingedrungen. Inzwischen ist es so weit, daB Halbleiter mit Ausnahme der ausgesprochenen Hoch leistungsanwendungen samtliche Funktionen aktiver Komponen ten Ubernehmen konnen. Die Vorteile der Halbleiter gegenUber den traditionellen Rohren sind vor allem ihre Kleinheit, die eine weitgehende Miniaturisierung ermoglicht, und der einfa che Aufbau. Der einfache Aufbau darf allerdings nicht darUber hinwegtauschen, daB sich im Innern von Halbleiterbauelementen komplizierte physikalische Vorgange abspielen, die sich zum Teil einer analytischen Behandlung entziehen. Die bei weitem wichtigsten Halbleiterbauelemente fUr Mikro wellenanwendungen wie Radar oder Richtfunk sind die Impatt Diode, nebst der Familie ahnlich gebauter Dioden, und das Gunn-Element. Beide sind prinzipiell von einer Einfachheit, wie man sie sich groBer kaum vorstellen kann. Die Impatt Diode ist im Prinzip nur ein geeignet geformter pn-Ubergang, wahrend das Gunn-Element gar nur ein passendes StUck Halb leiter mit ohms chen Kontakten ist. Beide Bauelemente ver wenden heiBe Elektronen, d.h. Elektronen, deren mittlere Tem peratur sehr viel groBer ist als die Temperatur des Kristall gitters. Bei beiden Bauelementen spielt die Laufzeit der Elektronen durch das Bauelement eine wichtige Rolle. In diesem Skriptum wollen wir die Impatt-Dioden und die Gunn Elemente in ihren verschiedenen Bauformen und Betriebsweisen erlautern. Es sollen die wichtigsten GesetzmaBigkeiten aus den physikalischen Vorgangen in den Bauelementen abgeleitet werden. Dazu gehoren im Fall der Impatt-Diode, deren prinzipieller Aufbau in Bild I.la skizziert ist, der Lawinendurchbruch im hohen Feld eines gesperrt gepolten pn-Ubergangs. Das stark dotierte p+-Gebiet (Bild I.lb), das ebenso wie das gegenuber- - 10 - liegende stark dotierte n+-Gebiet der leichteren Kontaktie rung und der Reduzierung des Bahnwiderstandes dient, sorgt mit dem angrenzenden n-Gebiet fUr einen Bereich hoher Feld starke. Dies ist der Lawinenraum, in dem StoBionisation statt finden kann. Der groBte Teil der Diode ist eigenleitend (i fur "intrinsic") und wird mit Lauf- oder Driftraum bezeich net. In diesem Bereich ist das elektrische Feld E relativ niedrig und nahezu homogen. Blld 1.1 ->-1--1 " Zum Prinzip I (eigenleitendl einer Lawinen laufzeit-Diode w I a) ( Impatt-Diode) :3! at 1 Wenn der Gleich :II 0;;: vorspannung an i • der Diode eine ~--~---+------------------+------. I ~ Laufraum---, Ort b) Wechselspannung I \ Uberlagert ist, I \ --! Lawinen-:-- bildet sich, I raum gegenUber der am Bauelement liegenden Wechselspannung um eine Viertel-Perio- de induktiv verzogert, ein Bundel von Ladungstragern im Lawi nenraum, das durch den anschlieBenden Laufraum zur anderen Elektrode zieht. Wahrend dieser Ladungstragerbewegung wird an den Elektroden der Diode ein Strom induziert, der bei geeig neter Lange des Laufraumes im Mittel um eine halbe Periode gegenuber der Wechselspannung verzogert ist. Die Impatt-Diode hat also einen negativen Widerstand, der zur Mikrowellener zeugung verwendet werden kann. Sie zeichnet sich durch hohe Leistungen bei hohem Wirkungsgrad aus, wohingegen ihr Rau schen relativ groB ist. Die induktive Verzogerung, die bei der Lawinenlaufzeit-Diode aus der StoBionisation resultiert, kann auch durch Injektion uber einen Sperrkontakt erreicht werden, von denen zwei gegeneinander geschaltet den Laufraum beidseitig begrenzen (Bar itt-Diode) • Dadurch wird das Rau schen, leider aber auch die erzielbare HF-Leistung reduziert.