Halbleiter-Elektronik Herausgegeben von W. Heywang und R. Müller Band 9

Halbleiter-Elektronik Herausgegeben von W. Heywang und R. Müller Band 9

Wolfgang Harth. Manfred Claassen Aktive Mikrowellendioden Mit 117 Abbildungen Springer-Verlag Berlin. Heidelberg. New York 1981

Dr. rer. nato WOLFGANG HARTH Professor, Inhaber des Lehrstuhls für Allgemeine Elektrotechnik und Angewandte Elektronik der Technischen Universität München Dr.-Ing. MANFRED CLAASSEN Professor am Lehrstuhl für Allgemeine Elektrotechnik und Angewandte Elektronik der Technischen Universität München Dr. rer. nat. WALTER HEYWANG Leiter der Zentralen Forschung und Entwicklung der Siemens AG, München Professor an der Technischen Universität München Dr. techno RUDOLF MÜLLER Professor, Inhaber des Lehrstuhls für Technische Elektronik der Technischen Universität München CIP- Kurztitelaulnahme der Deutschen Bibliothek Halbleiter-Elektronik Hrsg. von W. Heywang u. R. Müller. Berlin, Heidelberg, New York: Springer. NE: Heywang, Walter [Hrsg.] Bd. 9 - Harth, Wollgang: Aktive Mikrowellendioden Harth, Wallgang: Aktive Mikrowellendioden /w. Harth; M. Claassen. Berlin, Heidelberg, New York: Springer 1981 (Halbleiter-Elektronik, Bd. 9) NE: Claassen, Manlred I S B N 9 7 8-3 - 5 4 0-1 0 2 0 3-8 I S B N 9 7 8-3 - 6 4 2-5 2 2 1(eBook) 5-4 ( e B o o k ) D O I 1 0. 1 0 0 7 / 9 7 8-3 - 6 4 2-5 2 2 1 5-4 Das Werk ist urheberrechtlieh geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die der Übersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe aul photomechanischem oder ähnlichem Weg und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Die Vergütungsansprüche des 54, Abs. 2 UrhG werden durch die "Verwertungsgesellschaft Wort", München, wahrgenommen. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1981 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Buch berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Gesamtherstellung: Graph. Betrieb Konrad Triltsch, Würzburg 2362/3020-543210

Vorwort Im vorliegenden Band 9 der Buchreihe "Halbleiter-Elektronik" werden aktive Mikrowellendioden behandelt. Diese Dioden können durch einen Zweipol dargestellt werden, dessen Realteil einen negativen differentiellen Hochfrequenzwirkwiderstand aufweist. Damit werden diese Dioden in den Hauptanwendungen der Hochfrequenztechnik, nämlich in der Nachrichtenübertragung, Funknavigation sowie in der Funkmeßtechnik vorwiegend in Oszillator- und Verstärkeranordnungen eingesetzt. Das Buch behandelt vier verschiedene Diodentypen, die im Laufe der mehr als zwanzigjährigen Entwicklungsgeschichte der aktiven Mikrowellendioden nunmehr fest in der Hochfrequenztechnik etabliert sind. In der Rangfolge ihrer praktischen Bedeutung sind dies die Lawinenlaufzeitdiode, das Elektronentransfer(Gunn-) Element, die Barittdiode und die Tunneldiode. (Im Buch folgt allerdings die Reihung der vier Kapitel nach anderen Gesichtspunkten). Bei der Beschreibung der Dioden wird den eigentlichen elektronischen Mechanismen, die zur Umwandlung von Gleichleistung in Hochfrequenzleistung führen, dem Einfluß der unvermeidlichen Bahnverluste und dem Hochfrequenzrauschen besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Auf die Darstellung der zugehörigen Hochfrequenzschaltungen wird im Rahmen dieses Buches, so weit es zulässig ist, verzichtet. (Weiterführende Bücher sind in der Einleitung angegeben). Im Sinne einer zweckmäßigen Abgrenzung auf den Anwendungsbereich von Hochfrequenztransistoren konzentriert sich die Behandlung der Mikrowellendioden auf Frequenzen oberhalb 1000 MHz bis hin in das Millimeterwellengebiet. Das Buch ist zum großen Teil aus Unterlagen zu einer zweisemestrigen Vorlesung entstanden, die für Studierende der Elektrotechnik an der Technischen Universität München gehalten wird. In diesem Buch sind auch Forschungsergebnisse aus dem Lehrstuhl für Allgemeine Elektrotechnik und Angewandte Elektronik der Technischen Universität München mit aufgenommen. Vom Leser wird lediglich die Kenntnis der elementaren Grundlagen der Halbleiterelektronik und der Hochfrequenztechnik vorausgesetzt. Besonderer Wert wurde auf die Darstellung der vom speziellen Bauelement unabhängigen Methoden und Prinzipien der Halbleiter-Hochfrequenzelektronik gelegt. Somit eignet sich dieses Buch sowohl zum Selbststudium als auch zur Einarbeitung in das Fachgebiet für den in Forschung und Entwicklung tätigen Ingenieur. 5

Die Kapitel 1 und 2 wurden von W. Harth, die Kapitel 3 und 4 von M. Claassen verfaßt. Für die kritische Durchsicht des Manuskriptes ist Herrn Dr. J. Freyer sowie Herrn Dr. H. Grothe, Herrn Dipl.-Ing. P. Förg, Herrn Dipl.-Ing. Pierzina und Herrn Dipl.-Ing. Schimpe in besonderer Weise zu danken. München, September 1980 W. Harth. M. Claassen 6

Inhaltsverzeichnis Bezeichnungen und Symbole. Einleitung......... 1 Lawinenlaufzeitdioden. 1.1 Wirkungsweise.. 1.2 Grundgleichungen und Materialparameter. 1.2.1 Ionisationsraten... 1.2.2 Driftgeschwindigkeiten 1.2.3 Diffusionskonstanten 1.3 Modell der Read-Diode.. 1.3.1 Aufteilung in Lawinen- und Driftzone. 1.3.2 Lawinenprozeß.... 1.3.3 Driftprozeß.... 1.3.4 Stromerhaltung und Influenzstrom. 1. 3.5 Kleinsignalimpedanz... 1.3.6 Großsignalimpedanz.... 1. 3. 7 Lawinenimpulsnäherung....... 1.4 Verfeinerungen des Read-Dioden-Modells. 1.4.1 Raumladung des Lawinenimpulses. 1.4.2 Hochfrequenzgleichrichtung. 1.4.3 Diffusion.... 1.4.4 Geschwindigkeitsmodulation 1. 5 Diodenstrukturen.......... 1.5.1 Konventionelle pn-dioden. 1.5.1.1 Statische Eigenschaften. 1.5.1.2 HF-Verhalten... 1.5.2 Doppeldriftdioden.... 1.5.3 GaAs Quasi-Read-Dioden.... 1.6 Trapattbetrieb und parametrische Betriebsarten. 1.6.1 Trapattbetrieb........ 1.6.2 Parametrische Betriebsarten.... 11 17 21 21 25 26 27 29 29 29 30 33 33 36 39 42 44 44 46 48 50 52 52 52 55 65 67 74 74 79 7

1. 7 Betriebsverhalten.......... 1.7.1 Instabilitäten im Gleichstromkreis 1.7.2 Rauschen.. 1.8 Herstellungsverfahren 1.9 Anwendungen... Literatur zu Kapitell 81 81 82 87 90 92 2 Barittdioden.. 2.1 Wirkungsweise 2.2 Gleichstromverhalten. 2.3 Hochfrequenzeigenschaften 2.4 Rauschen.... 2.5 Herstellungsverfahren 2.6 Anwendungen.. Literatur zu Kapitel 2 96 96 98 100 111 116 117 118 3 Elektronentransfer-(Gunn-) Elemente. 3.1 Elektronentransfermechanismus. 3.1.1 Leitungsbandstruktur von GaAs. 3.1.2 Gesch windigkeits-f eldstärke-charak teristik. 3.1.3 Diffusions-Feldstärke-Charakteristik. 3.2 Hochfelddomänen... 3.2.1 Statische Lösung... 3.2.2 Kleinsignalverhalten. 3.2.3 Dipoldomänen... 3.2.3.1 Stationäre Domänenform. 3.2.3.2 Dreiecksdomänen. 3.2.3.3 Dipoldomänendynamik. 3.3 Oszillatorbetriebsarten. 3.3.1 Dipoldomänenbetrieb. 3.3.1.1 Laufzeitoszillationen 3.3.1.2 Domänenverzögerung. 3.3.1.3 Domänenauslöschung. 3.3.1.4 Mehrfachdomänenbetrieb 3.3.2 LSA-Betrieb.. 3.3.2.1 Akkumulationsdomänen 3.3.2.2 Akkumulationsdomänenauslöschung 3.3.3 Übersicht der Betriebsarten. 121 122 122 125 126 126 127 131 137 137 140 142 145 145 145 146 148 149 150 150 151 154 8

3.4 Rauschen.... 3.5 Herstellungsverfahren 3.6 Anwendungen... 3.6.1 Verstärker... 3.6.2 Oszillatoren.. 3.6.3 Pulserzeugung und Gunn-Logik Literatur zu Kapitel 3.... 155 157 159 159 161 162 164 4 Tunneldioden.... 4.1 Wirkungsweise 4.2 Strom-Spannungs-Kennlinie. 4.2.1 Tunnelstrom bei idealer Gitterstruktur. 4.2.2 Thermischer Diodenstrom.... 4.2.3 Zusatzstrom.... 4.2.3.1 Bandausläuferturtnelstrom... 4.2.3.2 Zusatzstrom über Zwischenbandterme 4.3 Betriebseigenschaften.... 4.3.1 Einfluß der Dotierung.. 4.3.2 Einfluß der Temperatur. 4.3.3 Rauschen... 4.4 Herstellungsverfahren 4.5 Anwendungen... Literatur zu Kapitel 4 Sachverzeichnis...... 168 168 170 171 174 175 175 176 178 179 181 181 182 183 184 186 9