Table Of ContentTeubner 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.
