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Halbleitervorrichtung
Die Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen, insbesondere Transistoren, für Schnellschaltzwecke.
Eine ideale Schaltvorrichtung soll dem Stromfluss bei offenem Schalter einen unendlichen Widerstand entgegensetzen und einen sich dem Nullwert möglichst nähernden Widerstand, wenn der Schalter geschlossen ist. Für Sctmellsehaltzwecke ist es ausserdem wünschenswert, den Schalter mittels kurzer Impulse, die geringe Grösse besitzen, ein-und ausschalten zu können.
Gebräuchliche Verbundtransistoren, die entweder der P-N-P-oder der N-P-N-Type angehören, können als Schalter verwendet werden, aber sie haben einige Eigenschaften, die man für eine solche Verwendung besser beseitigen sollte. Im offenen oder Ausschaltezustand ist der Kollektorstrom nicht gänzlich abwesend, wenn auch sehr schwach (wenige Mikroamperes). Der Schaltvorgang wird dadurch in der Regel nicht gestört. Hingegen ist es im geschlossenen oder Einschaltezustand, bei hinsichtlich der Basiszone in der Vorwärtsrichtung vorgespannter Emitterelektrodenzone, um hohe Kollektorströme zu erhalten, erforderlich, eine ziemlich hohe Kollektorspannung aufrechtzuerhalten (mindestens einige Volt).
Auch ist es nötig, einen relativ hohen Basisstrom aufrechtzuhalten, um den als Schaltvorrichtung zu verwendenden Transistor im"Ein"-Zustand zu halten. Wenn der Basisstrom entfällt oder beträchtlich vermindert wird, hört der Ausgangsstrom entweder vollständig auf, oder er sinkt auf einen unerwünscht niedrigen Wert.
Demnach kann die Vorrichtung dann nicht mehr durch Impulsgabe gesteuert werden.
Obgleich man gefunden hat, dass die Wirkungsweise eines als Schaltvorrichtung verwendeten Transistors verbessert werden kann, wenn es gelingt, ihn unter den Bedingungen des sogenannten "Lawinen"- Effekts zu betreiben, so erfordert doch auch dieses Arbeitsprinzip relativ hohe Kollektor ! Emitter- oder Kollektor/Basisspannungen, nämlich in der Grössenordnung von Voltzehnern, um die Vorrichtung im Einschaltzustand zu halten, und dies führt zu einer beträchtlichen Wärmeerzeugung und dementsprechendem Leistungsverlust. Die Wärme muss sehr schnell abgegeben werden, damit sie die Stabilität der Vorrichtung nicht stört, eine Forderung, die zu konstruktiven Schwierigkeiten führt.
Gegenstand der Erfindung ist ein verbesserter Schalttransistor, der für einen unter hoher Geschwindig- keit erfolgendenBetrieb besonders geeignet ist, relativ niedrige erforderliche Kollektor ! Emitter- und Kollektor/Basisspannungen im Einschaltzustand erfordert und der durch Impulsgabe betätigt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einer Halbleitervorrichtung aus, mit einem Basisteil aus einem kristallinen Halbleitermaterial, welches der einen Leitfähigkeitstype angehört, und mit einer Emitterelektrode, die mit einem Bereich dieses Basisteils in gleichrichtendem Kontakt steht, sowie mit einem Kollektorbereich, der mit einem andern Bereich des Basisteils in gleichrichtendem Kontakt steht und schliesslich mit einer Kollektorelektrode für den erstgenannten Bereich des Basisteils.
Bei einer solchen Halbleitervorrichtung kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, dass der Basisbereich eine Verunreinigungskonzentration aufweist, welche von einer seiner Seiten zur ändern Seite abnimmt, wobei die Emitterelektrode in gleichrichtendem Kontakt mit jener Seite des Basisbereiches steht, welche die höhere Verunreinigungskonzentration aufweist, und wobei der Kollektorbereich mit jener Seite des Basisbereiches. in gleichrichtendem Kontakt steht, welche die niedrigere Verunreinigungskonzentration aufweist und die Kollektorelektrode über eine im wesentlichen Ohmsche Verbindung an jener Seite des Kollektorbereiches befestigt ist, die der Seite, an welcher der Basisbereich befestigt ist, gegenüberliegt.
Für Anwendungen, bei denen sowohl eine Schnellschaltwirkung als auch eine Verstärkung benötigt wird, wird eine Basiselektrode vorgeschlagen, die mit dem Basisbereich in einem nicht gleichrichtenden
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licher Verstärkertransistor betrieben werden, aber da der Kollektorstrom durch Vergrösserung der Ba- sis/Bmitter-Vorwärtsvorspannung vergrössert wird, wird ein Wert erreicht, bei dem die Einführung von Überschussladungsträgern sehr schnell zunimmt und dieser-Strom, kombiniert mit dem Emitterstrom erlaubt es, dass ein sehr hoher Strom bei einer sehr niedrigen Spannung fliesst.
Durch Vorspannung der Vorrichtung in Nähe dieses Punktes hohen Stromflusses ist es möglich, einen zwischen Emitter-und Basiselektrode gelegten kurzen Impuls dazu zu verwenden, um die Vorrichtung in den Hochleitungszustand zu schalten. Die Polarität des Impulses hängt davon ab, ob es sich um eine Vorrichtung der P-N-P oder des N-P-N-Typs handelt. Sobald der hohe Strom fliesst, d. h. der Bereich negativen Widerstandes erreicht ist, kann der von einer äusseren Quelle stammende Basisstrom entfallen, ohne dadurch den Kollektorstrom zu beeinflussen. Jedoch kann der starke Strom dadurch, dass ein Spannungsimpuls von einer dem Einschaltim- puls entgegengesetzten Polarität zwischen Emitter und Basis gelegt wird, abgeschaltet werden.
Zusätzlich zur Brauchbarkeit der Vorrichtung als Schnellschalter kommen ihr manche andere Anwendungsmöglich- keiten zu, z. B. in einem selbsterregten Oszillatorsperrkreis oder in einem frequenzteilenden Kreis.
An Hand der schematischen Zeichnungen werden eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung und Schaltungen, welche erfindungsgemäss Vorrichtungen enthalten, erläutert, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen werden. Es zeigt :
Fig. 1 einen Querschnitt durch die Vorrichtung, Fig. 2 ein Diagramm, darstellend den Verlauf des Kollektor/Emitterstromes als Funktion der Kollektor/Emitterspannung, u. zw. für zunehmende Basisstromwerte in einer Vorrichtung nach Fig. 1 ;
Fig. 3a zeigt den Verlauf des Kollektorstromes aber der Zeitachse, für die Vorrichtung nach Fig. 1 und lässt die kurze Anstiegzeit erkennen, welche nötig ist, um den Hochleitungszustand des Betriebes. zu erreichen und die kurze Zeitspanne die man braucht, um in den Zustand niedriger Leitfähigkeit zurückzukommen ; Fig. 3b zeigt den Verlauf der Basisspannung über derselben Zeitskala, wie sie Fig. 3a verwendet, und macht ersichtlich, wie man Impulse oder Wellensignale verwenden kann, um das Schalten innerhalb der Vorrichtung herbeizuführen ;
Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung, die von einer Vorrichtung nach Fig. 1 Gebrauch macht, Fig. 5 ein Diagramm, das die Veränderung von ace mit dem Emitterstrom veranschaulicht, Fig. 6 ein Schaltbild eines blockierenden Oszillators, der eine Vorrichtung nach Fig. l verwendet, und Fig. 7 das Schaltbild eines Frequenzteilers, der ebenfalls eine Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet.
Gemäss Fig. l besteht der vorliegende Schalttransistor aus einem Körper 2 aus Germanium, auf dem eine Schichte oder ein Bereich 4 einer Dicke von etwa 0,025 mm und einem Durchmesser von etwa 0, 3 mm ausgebildet ist, die bzw. der auf der Oberseite eines Sockels 6 des Körpers sitzt und den Basisbereich bildet. Dieser Bereich gehört der N-Type an und wird dadurch erhalten, dass man Arsen in den Körper von aussen her eindiffundieren lässt. An den Basisbereich schliesst, von einer gleichrichtenden Schranke 10 getrennt, ein Bereich 8 an, der eine Leitfähigkeit von 3 Ohm/cm aufweist. Dieser Bereich, der eine Dicke von etwa 0, 125 mm hat, dient als Kollektorbereich und gehört der P-Leitfähigkeitstype an ; er kann dadurch erhalten werden, dass man mit Indium oder einer andern der P-Type angehörigen Verunreinigung aktiviert.
Eine gleichrichtende Emitterelektrode 12, mit einem Durchmesser von etwa 0, 1 mm ist an einen Teil desBasisbereiches 4 durch oberflächliche Legierung angeschlossen und eine Basiselektro- de 14 steht mit einem andern Teil der Basisregion, vorzugsweise in nächster Nähe der Emitterelektrode, in ohmischer Verbindung. Der Emitter kann aus einer Legierung bestehen, die aus 99, 6% Indium und 0, 4% Aluminium besteht. Die Basiselektrode besteht aus 49% Blei, 49% Zinn und 21o Antimonlot.
Ein besonderes Merkmal der Erfindung liegt in der Art der Elektrode, die mit dem Kollektorbereich verlötet ist ; die Elektrode, die im vorliegenden Falle eine P-N.. P-Vorrichtung ist, ist befähigt, Löcher bei niedrigen Kollektorströmen zu sammeln, aber auch befähigt, Elektronen bei oberhalb dieses geringen Stromwertes liegenden Kollektorströmen zu injizieren. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform umfasst diese Elektrode ein Nickelplättchen 16, das mittels eines besonderen Lotes 18 an den Kollektorbereich angelötet ist ; dieses Lot besteht aus 49% Blei, 49% Zinn und e Indium. Die Zusammensetzung des Plättchenmetalls ist nicht wichtig.
Das Lot besteht aus einem kleineren Anteil eines Metalles, dasder P-Leitfähigkeitstype angehört, welches hinsichtlich des Kollektorbereiches 8 eine Verunreinigung vorstellt, wogegen der Hauptanteil des Lotes aus Metallen besteht, die weder der N- noch der P-Type angehörende Verunreinigungen hinsichtlich des Kollektorbereiches sind. Versuche haben gezeigt, dass die Elektrode 16, 18 nicht gleichrichtend ist, d. h. es ist eine Gleichrichterschranke nicht vorhanden, und demnach ist die Vorrichtung kein P-N-P-N-Gebilde.
Für die einzelnen Herstellungsschritte werden herkömmliche Verfahrensschritte angewendet. Kurz wiederholt sind dies folgende :
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Ein Plättchen aus Germanium der P-Type wird einer Diffusionsbehandlung mit der Arsenverunreinigung unterworfen, um zu erreichen, dass Spuren von Arsen in eine Obertlachensch1chte einer Dicke von etwa 0,0025 mm bis 0,005 mm über die gesamte Fläche des Plättchens diffundieren. Es wird dies dadurch erreicht, dass man in Gegenwart einer Arsen abgebenden Quelle entweder im Vakuum oder innerhalb der Umgrenzung eines sehr geringen Luftvolumen einschliessenden Gefässes für die Dauer einer Stunde bei 8000C erhitzt.
Die Schicht in die das Arsen eindiffundiert ist, wird sodann mit Ausnahme des In der fertigen Vorrichtung vorhanden sein sollenden Basisbereiches 4 durch Ätzung entfernt. Es geschieht dies in der Weise, dass jener Flächenbereich der von der Ätzung ausgenommen werden soll, mittels eines Wachsauftrages geschützt wird, worauf man denRest der Oberfläche mit einer Lösung ätzt, die dadurch erhalten wurde, dass man einen Tropfen einer 0, 55% igen wasserigen Losung vonKallumjodid zu 1 Liter einer Lösung hinzufügt, die aus 600 cms konzentrierter Salpetersäure, 300 cm* Essigsäure und 100 cm* 48% iger Fluorwasserstoffsäure besteht. Die Ätzdauer beträgt ungefähr eine Minute oder etwas mehr.
Nachdem man die Ätzlösung durch Spülen und anschliessendes Trocknen entfernt hat, wird das Wachs, welches den Basisbereich geschützt hatte, durch ein Lösungsmittel (Benzone) entfernt und der gesamte Kristall für 15 Sekunden in derselben Ätzflüssigkeit als Ganzes geätzt, worauf in destilliertem Wasser gespült wird. In diesem Stadium umfasst das Gebilde den der P-Type angehörigen Kollektorbereich 8 mit einem Plateau 6 aus Germanium derselben Type, über dem sich der Basisbereich 4 erhebt.
Als nächstes wird die Emitterelektrode 12 an einem Teil des Basisbereiches angebracht, indem ein kleines, gereinigtes quadratisches Plättchen aus Indium-Aluminiumlegierung (0, 4% Al), das mit einer geringen Menge eines herkömmlichen Aluminiumflussmittels beschichtet ist, angebracht wird. Das In-
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getrocknet wird. Sodann wird die Basiselektrode angebracht, indem man ein kleines quadratisches Plätt- chen aus Lötmetall, bestehend aus 49% Blei, 49% Zinn und 2% Antimon, an das Ende eines verzinnten Platindrahtes, der zuvor in Lötmittel getaucht wurde, befestigt, das Lot hinreichend erhitzt, damit es Kugelform annimmt und an dem Platindraht haftet.
Anschliessend wird die an dem Drahtende haftende Lötmetallkugel in ein Flussmittel getaucht und so nahe als möglich im Basisbereich der Emitterelektrode an diese herangebracht, worauf dieeinheit in trockenem Wasserstoff über zwei Minuten auf 4250C erhitzt und anschliessend abgekühlt wird.
Anschliessend wird die Nickelelektrode 16 an dem Kollektorbereich befestigt, indem man eine Seite eines Nickelplättchens mit aus 49tao Blei, 49ebb Zinn und 2% Indium bestehendem Lötmetall überzieht, die beschichtete Seite in Kontakt mit der Kollektorregion des Kristalles bringt und in trockenem Wasserstoff auf 300 C für 2 Minuten erhitzt.
Der Aufbau der Vorrichtung kann in mannigfacher Hinsicht geändert werden. ohne dass sich wesentliche Abweichungen von ihrem noch zu beschreibenden Verhalten ergeben. Beispielsweise ist es nicht unbedingt erforderlich, die Emitterelektrode oberflächlich zu legieren, um eine rekristallisierte Zone zu bilden ; sie kann vielmehr auch eine gleichrichtende Elektrode mit Oberflächenschranke sein. Auch der Basisbereich ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Form beschränkt. Wie gezeigt, hat der Basisbereich eine Verunreinigungskonzentration, die von der Aussenoberfläche grösserer Konzentration zu einer der gleichrichtenden Schranke benachbarten inneren Fläche von geringerer Verunreinigung abnimmt.
Dies
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Weise auch wenn die Verunreinigungskonzentration über die Basis gleichmässig verteilt ist, oder wenn die Verunreinigung auf eine andere Weise eingeführt wird. Wenn man eine Verstärkung überhaupt nicht verlangt, kann die Basiselektrode gänzlich entfallen. Die Vorrichtung wird alsdann als Schalter und nicht als Verstärker arbeiten. Es kann sowohl ein N-P-N-, als auch ein P-N-P-Aufbau angewendet werden.
Von Bedeutung ist das Lot, das zur Befestigung der Spezialelektrode an dem Kollektorbereichdient, weil es anscheinend dazu beiträgt, um die elektrischen Eigenschaften dieser Elektrode zu bestimmen. Der Anteil an Indium im Lötmetall kann beträchtlich verändert werden. Wenn man, wie angegeben, ein Lot mit 2% Indium verwendet, tritt Schaltung bei einem Basisstrom von 3 mA auf.. Verwendet man 10% Indium, so ist der Schaltstrom höher er liegt alsdann um 5 mA. Als Ersatz für das Blei-Zinn-Indiumlot ist sowohl reines Indium als auch reines Blei versucht worden, jedoch wurde in keinem Falle ein Abschaltstrombereich festgestellt.
Wenn eine N-P-N-Einheit erzeugt wird, so kann das Lot für die Spezialelektrode aus 49% Blei, 49% Zinn und 2% Arsen oder Antimon oder einem andern Element der Gruppe Va des periodischen Systems der Elemente bestehen.
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DieFig. 2zeigtArbeitscharakteristiken beiverwendung der Vorrichtung als Hochstrom-Schnellschalt- vorrichtung. Diese Kurven entsprechen einer im Vorhergehenden beschriebenen Vorrichtung. Wie in der Figur gezeigt, arbeitet die Vorrichtung bei niedrigen Werten des Basisstromes und niedrigen Werten der Kollektor/Emitterspannung als gewöhnlicher Transistor mit einem mit steigender Kollektor/Emitterspannung gleichmässig ansteigenden Kollektor/Emitterstrom.
Indessen tritt, sogar bei einem Basisstrom Null, wenn die Kollektor/Emitterspannung hoch genug ist (für die vorliegende Vorrichtung betrug sie bei 60 V) ein Widerstandszusammenbruch auf Grund des Lawineneffekts ein und die Vorrichtung springt unvermittelt in einen Zustand hohen Kollektor/Emitterstromes. Indem der Basisstrom vergrössert wird, wird die Kol- lektor/Emitterspannung, bei welcher die Auslösung des Lawineneffektes eintritt, erheblich kleiner, so dass wie die Figur zeigt, für 9uA Basisstrom die Auslöse-oder Schaltspannung um 30V und für 12pAdie Spannung um 20 V liegt. In diesem Bereich tritt ein von Lawineneffekt verschiedener Effekt auf. Dieser Effekt wird im einzelnen später beschrieben.
Teilweise ist die verbesserte Wirkungsweise der Vorrichtung durch die Tatsache bedingt, dass, nachdem der Hochstrombereich erreicht ist, der Basisstrom auf Null reduziert werden kann, ohne den Kollek-
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niedrigen Serienwiderstand darbietet (3-10 Ohm im Beispiel) und, im Beispiel, für 100 mA Kollektorstrom der Spannungsabfall nur 0, 5V beträgt. Dies fahrt zu einem sehr geringen Leistungsverlust bei hoher Leitfähigkeit.
Einige das Verhalten der Vorrichtung als Schalttransistor kennzeichnende Charakteristiken sind in den Fig. 3a und 3b dargestellt. Eine Schaltung, in welcher die Vorrichtung als Schalter verwendet wird, ist in Fig. 4 gezeigt. Die Fig. 3a und 3b haben ein und dieselbe Zeitbasis. Wie die Fig. 3a zeigt, kann der Kollektorstrom zu einem plötzlichen Anstieg veranlasst werden, über jede gewünschte Zeit auf gleicher Höhe bleiben und dann plötzlich auf seinen früheren Pegel abfallen. Verfahren, um die Schaltwirkung herbeizuführen, sind in Fig. 3b dargestellt. Um die Vorrichtung einzuschalten, wird ein Impuls negativer Spannung mit einem Scheitelwert von etwa 50 mW oder in manchen Fällen sogar weniger, wie durch den Impuls A angedeutet, verwendet werden, um die Vorrichtung in den Einschaltezustand zu bringen.
Die Anstiegszeit, die benötigt wird, um die Vorrichtung in den leitenden Zustand zu bringen, ist sehr kurz und liegt bei etwa 0, 1 Mikrosec. Die Länge eines Impulses kann etwa 0,05 Mikrosec betragen. Ein ähnlicher aber polaritätsmässig entgegengesetzter Impuls B kann angelegt werden, um die Vorrichtung in den Ausschaltezustand zu bringen. Durch Verwendung eines beträchtlich stärkeren Impulses zur Ausschaltung der Vorrichtung, z. B. 20 V von einer Quelle mit einem inneren Widerstand von 50 Ohm, ist es möglich, die Vorrichtung in 0,04 Mikrosec auszuschalten. Für eine zweckmässiger Antriebskraft, etwa 8 V einer Quelle von 50 Ohm innerem Widerstand beträgt die Gesamtabschaltzeit um 0, 1 Mikrosec.
Um die Schaltwirkung herbeizuführen, können auch andere Wellenformen verwendet werden. Beispielsweise kann man, wie Kurve C der Fig. 3 zeigt, eine Sinuswelle anwenden, wobei die Vorrichtung einschaltet, wenn die Sinuswellenspannung den geeigneten Wert in Negativrichtung erreicht, und das Ausschalten eintritt, wenn der passende Wert in der positiven Richtung erreicht worden ist. Es könnten indes auch Rechteckimpulse verwendet werden.
Eine Schaltung, welche die Vorrichtung als Schnellschalter verwendet, ist in Fig. 4 dargestellt. Wie aus dieser Darstellung ersichtlich, ist der Transistor so geschaltet, dass eine Signalquelle 20 zwischen seine Basiselektrode 14 und seine Emitterelektrode 12 gelegt ist. Die Emitterleitung ist geerdet. Die negative Seite einer Vorspannungsbatterie 22 ist an die Spezialelektrode 16 über einen Lastwiderstand 24 gelegt, der einen Wert von 50 bis 200 Ohm besitzen möge. Die positive Seite der Batterie, die einstellbar 1, 5-20 V liefern können soll, ist geerdet. Die Signalquelle kann, wie dies früher erläutert worden ist, eine Quelle eines Sinuswellenpotentials oder einer andern Wellenform sein oder sie liefert kurze Rechteckimpulse. Im Einschaltzustand kann der Strom 0, 5 - 1 A mit etwa 1 V am Kollektor betragen.
Da die Kollektorspannung die Grösse von 20 V oder sogar mehr erreichen kann, kann der Höchstwert der Ausgangsleistung, welche die dargestellte Schaltung als Schalter verarbeiten kann, bis in die Grössenordnung von 10 bis 20 Watt gehoben werden.
Wie schon früher angegeben, ist die verbesserte Arbeitsweise der Vorrichtung hauptsächlich eine Folge der Spezialelektrode, die an den Kollektorbereich gelegt ist. Diese Elektrode hat in der im Beispiel gezeigten P-N-P-Vorrichtung die Eigenschaft, bei einem schwachen Kollektorstrom zur Sammlung von Löchern befähigt zu sein, aber bei höheren Werten des Kollektorstromes Elektronen zu injizieren.
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Fig. 5 zeigt ct"als eine Funktion des Emitterstromes für die vorliegende Vorrichtung. Wenn ace dem Einheitswert in dem geerdeten Emitterkreis gleich ist oder diesen Wert übersteigt, so erfolgt die Wirkung im Hochleitungszustand. Wie die Kurve der Figur zeigt, nimmt das steigende ixc. sehr schnell mit dem
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sondert gemessen werden, zeigt es sich, dass das Elektronen-a für geringe Werte des Emitterstromes sehr klein ist. Es steigt jedoch bei kritischen Werten des Emitterstromes sehr schnell an. Zwischen 1 mA und
25 mA tritt ein Anstieg um zwei Grössenordnungen auf.
Wenn die Vorrichtung in den Hochleitungszustand umschaltet, sind die Stossstellen wirkungsmässig verschwunden. Es findet eine Einführung von Löchern vom Emitter und eine Einführung von Elektronen vom Kollektorkontakt in ungefähr gleicher Zahl statt. Bei hohen Stromdichten (über 10 mA Emitterstrom) sinkt der durch den Emitter eingeführte Lochstrom, was zur Folge hat, dass das kombinierte Loch- und Elektronen-a sinkt.
Im folgenden wird eine Erklärung dafür gebracht, auf welche Weise die Spezialkollektorelektrode grosse Elektronenströme injiziert, ohne dass diese Erklärung schutzbeschränkend sein soll. Für kleine Werte des Kollektorstromes ist anerkannt, dass die Löcher die Potentialschranke durchbrechen und dass an der Trennfläche eine kleine aber endliche Impedanz (zusätzlich zum Serienwiderstand des Körpers), auftritt. Indem der Lochstrom zunimmt, wird die Höhe der Schranke abgebaut. Der Elektronenstrom, der sich bei einem Fluss Null im thermischen Gleichgewicht befindet, nimmt mit abnehmender Schranke zu. Da der Elektronen- und der Lochstrom wegen des verschiedenartigen in Frage kommenden Mechanismus die Höhe der Schranke in verschiedener Weise beeinflussen, tritt ein Wechsel im relativen Verhältnis von Loch- zu Elektronenstrom auf, indem der Gesamtstrom zunimmt.
Vorliegende Vorrichtung hat einige Eigenschaften, die jenen einer der Hakentype angehörige P-N-P-N-Vorrichtung ahnlich ist, aber es bestehen auch einige wichtige Unterschiede. Ein Transistor der Hakentype kann eine negative Widerstandscharakteristik besitzen, deren Form der In Fig. 2 dargestellten Kurve ähnlich ist, aber der Überschlagstrom (d. i. der Pegel, bei welchem das Schalten im Zustande niedriger Leitfähigkeit in das Schalten im Zustande hoher Leitfähigkeit übergeht), die Schaltschnelligkeit und die Arbeitstemperatur weichen wesentlich ab. Die Unterschiede rühren von der Natur der Elektronen injizierenden Elektrode her.
Für Vergleichszwecke wurde ein P-N-P-N-Transistor der Hakentype hergestellt, dessen äussere Form und Abmessungen ähnlich jenen der In Fig. 1 gezeigten Vorrichtung waren, mit der Abweichung, dass anstatt der Blei-Zinn-Indiumelektrode des dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung die Kollektorverbindung eine eutektische Blei-Arsenmischung war, die bei 600 C legiert worden war. Demnach wurde auf der ausgesetzten Oberfläche des der P-Type angehörigen Kollektorbereiches eine der N-Type angehörige Region hervorgebracht. Mit einem solchen Gebilde war es nicht möglich, die Art der In Fig. 2 gezeigten Charakteristik zu erzeugen, da der Durchbruch, d. h. Übergang zum Hochleitungszustande bei sehr schwachen Strömen eintrat.
Typische Werte für den Durchbruch für Gleichstrombedingungen waren : 1b M 1-10 mA ; I-M 10-50 mA.
Der schwache Überschlagsuom der P-N-P-N-Vorrichtung verursacht zwei Betriebsschwierigkeiten : Zunächst ist der zulässige Temperaturbereich stark herabgesetzt, weil der Kollektorstrom mit der Temperatur zunimmt. Da der Zusammenbruch bei niedrigen Werten des Kollektorstromes stattfindet, ist die oberste Arbeitstemperatur mit Nullbasisstrom sehr gering ; sie liegt bei etwa 350C verglichen mit 6sOC für typische Vorrichtungen nach der Erfindung. Zweitens Ist der niedrige Wert des Überschlagstromes mit einem sehr schwachen über dem Kollektorkörper liegenden Feld verbunden und Infolgedessen ist die Feldbeschleunigung der Minoritätsträger durch den Kollektor nicht sehr wirksam.
Die Ansprechgeschwindigkeit hängt nahezu gänzlich vom Diffusionsfluss in der P-N-P-N-Vorrichtung ab und daher mass man, um eine grosse Ansprechgeschwindigkeit zu erhalten, einen viel dünneren Kollektorkörper verwenden als dies für die vorliegende Vorrichtung der Fall Ist.
Fig. 6 zeigt eine Schaltung, in der die vorliegende Vorrichtung als selbsterregter Sperroszillator Verwendung findet. Um eine die Basiselektrode 14 speisende Quelle einer veränderbaren oder einstellbaren Vorspannung zu schaffen, ist die negative Klemme einer Batterie 26 an die Basiselektrode über ein Potentiometer gelegt, welches einen spannungsteilenden Widerstand 28 und eine Anzapfung 30 aufweist. Die
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Batterie muss Grundvorspannungen ausreichender Höhe, etwa 0, 4 oder 0, 5 V, liefern, um zu veranlassen, dass der Kollektorstrom in den Bereich negativen Widerstandes steigt.
Um die Zeitkonstante des Oszilla- tors einzustellen, wird der Emitter 12 des Transistors an ein die Zeitkonstante festlegendes RC-Glied ge- legt, das aus einem einstellbaren Widerstand 32, der zwischen den Emitter und eine ein Bezugspotential liefernde Quelle, in diesem Falle Erde, liegt und aus einem Kondensator 34 besteht, der zu diesem Wi- derstand parallel geschaltet ist. Die Kollektorelektrode ist mittels einer Batterie 36, welche Werte von
3 bis 20 V haben möge, über einen Widerstand 38 dessen Werte zwischen 50 - 200 Ohm liegen mögen, negativ vorgespannt. Die positive Batterieklemme liegt an Erde. Die Kollektorelektrode ist zu einer Aus- gangsklemme 40 geführt, wogegen die andere Ausgangsklemme an Erde liegt.
Im Betriebe ist, bevor der
Kollektorstrom zu fliessen beginnt, die Spannung am Zeitnetzwerkkondensatot 34 niedrig und indem der
Strom zu fliessen beginnt, wird der Emitter augenblicklich auf Erdpotential oder einem diesem beinahe gleichkommenden Wert gehalten. Daher erreicht der Auslöse-oder Um chaltestrom sein Maximum und hält diesen Wert bis der Kondensator auf ein Ausmass geladen ist, dass die wirkende Grundvorspannung den
Kollektorstrom veranlasst, abzunehmen, in welchem Zeitpunkte der Kollektorstrom abgeschaltet wird.
Die am Kondensator verbleibende Spannung hält den Kollektorstrom ausgeschaltet. Der Strom bleibt ausgeschaltet, bis die Ladung des Kondensators durch den Widerstand auf einen Wert abnimmt, so dass die Spannung zwischen demEmitter und der Basis abermals ein Schalten des Kollektorstromes herbeiführt. Die Wiederholungsgeschwindigkeit hängt in erster Linie von der Zeitkonstanten der aus Widerstand 32 und Kon- densator34bestehendenKombination ab und zu einem gewissen Masse auch von derEmitter/Basisspannung und der Kollektorspannung.
Wenn der Widerstand 32 etwa 100 Ohm und der Kondensator 34 um 0,02 ,ut aufweisen, so liegt die Wiederholungsgeschwindigkeit für den besonderen Transistor im Bereiche von etwa 1 MHz.. Anstatt des Kondensators 34 kann man einen Kondensator 44 zwischen den Emitter und den Kollektor legen oder man verwendet ihn in Verbindung mit ersterem, um andere Wirkungen hervorzubringen.
Wenn man den Kondensator allein benutzt, so wird der Ausgang spitzenförmig anstatt dass er die Form eines mehr oder weniger nach oben in Rechteckform begrenzten Impulses aufweist. Ein Widerstand der mit der Basiselektrode in Serie liegt, führt zu einer Herabsetzung der Basisspannung und wenn dies weit genug geht, so unterbleiben. Schwingungen.
Fig. 7 zeigt die vorliegende Vorrichtung in einer frequenzteilenden Schaltungsanordnung. Die gezeigte Schaltung ist jener nach Fig. 6 ähnlich, jedoch mit dem Unterschied, dass eine Signalquelle 46 zwischen die Anzapfung des teilenden Widerstandes und die Basiselektrode 14 des Transistors gelegt ist. In dieser Schaltung möge der Vorspannungswiderstand 38 einen Wert von 50 bis 200 Ohm besitzen und die Batterie 36 Spannungen zwischen 1,5 und 20 V. Das Vorspannungspotential für den Emitter und in Verbindung mit dem Kondensator 34 und dem Widerstand 32 werden so bemessen, dass ein Impuls solcher Beschaffenheit entsteht, dass ein Impuls und eine Pause die Anzahl von Signalschwingungen enthalten, die in der geteilten oder Endfrequenz vorhanden sein soll.
Das zu teilende Signal oder die zu teilende Frequenz wird, wie angedeutet, zwischen Basis und Emitter gelegt und es werden geringere Einstellungen der Signalspannung, der Kollektor-Basisspannung und des über dem Kondensator 34 liegenden Widerstandes vorgenommen, bis die gewünschte Teilungszahl erreicht ist. Mit steigender Teilungszahl werden die Einstellungen kritischer. Eine Teilung von 10 bis 20 ist vorteilhaft. Ein 3,6 MHz besitzendes Signal wurde durch 13 geteilt und konnte einstufig nach oben oder unten verändert werden. Da der Ausgang dieses Vervielfachers gross ist, können anschliessende Teilerstufen ohne Zwischenverstärkung betrieben werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleitervorrichtung mit einem Basisteil aus einem kristallinen Halbleitermaterial, welches der einen Leitfähigkeitstype angehört und mit einer Emitterelektrode, die mit einem Bereich dieses Basisteiles in gleichrichtendem Kontakt steht, sowie mit einem Kollektorbereich, der mit einem andern Bereich des Basisteils in gleichrichtendem Kontakt steht und schliesslich mit einer Kollektorelektrode für den erstgenannten Bereich des Basisteils, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisbereich (4) eine Verunreinigungskonzentration aufweist, welche von einer seiner Seiten zur andern Seite abnimmt, wobei die Emitterelektrode (12) in gleichrichtendem Kontakt mit jener Seite des Basisbereiches (4) steht, welche die höhere Verunreinigungskonzentration aufweist, und wobei der Kollektorbereich (8) mit jener Seite des Basisbereiches (4)
in gleichrichtendem Kontakt steht, welche die niedrigere Verunreinigungskonzentration aufweist und die Kollektorelektrode (16) über eine im wesentlichen ohmsche Verbindung an jener Seite des Kollektorbereiches (8) befestigt ist, die der Seite, an welcher der Basisbereich (4) befestigt ist, gegenüberliegt.
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Semiconductor device
The invention relates to semiconductor devices, particularly transistors, for high speed switching purposes.
An ideal switching device should offer an infinite resistance to the current flow when the switch is open and a resistance which approaches the zero value as closely as possible when the switch is closed. For purposes of holding the device, it is also desirable to be able to switch the switch on and off by means of short pulses which are small in size.
Common compound transistors, either of the P-N-P or the N-P-N type, can be used as switches, but they have some properties that are better eliminated for such use. In the open or switched-off state, the collector current is not entirely absent, even if it is very weak (a few microamperes). The switching process is usually not disturbed. In contrast, in the closed or on state, with the emitter electrode region forward-biased with respect to the base region, in order to obtain high collector currents, it is necessary to maintain a fairly high collector voltage (at least a few volts).
It is also necessary to maintain a relatively high base current in order to keep the transistor to be used as a switching device in the "on" state. If the base current is eliminated or reduced significantly, the output current either stops completely or it drops to an undesirably low level.
Accordingly, the device can then no longer be controlled by pulse generation.
Although it has been found that the operation of a transistor used as a switching device can be improved if it is possible to operate it under the conditions of the so-called "avalanche" effect, this working principle also requires relatively high collectors! Emitter or collector / base voltages, namely in the order of magnitude of volt tens, to keep the device in the on-state, and this leads to considerable heat generation and a corresponding loss of power. The heat must be given off very quickly so that it does not disturb the stability of the device, a requirement that leads to structural difficulties.
The object of the invention is an improved switching transistor which is particularly suitable for operation taking place at high speed, relatively low required collector! Requires emitter and collector / base voltages in the switched-on state and which can be actuated by giving a pulse.
To solve this problem, the invention is based on a semiconductor device, with a base part made of a crystalline semiconductor material, which belongs to a conductivity type, and with an emitter electrode, which is in rectifying contact with a region of this base part, and with a collector region, which is connected to a the other area of the base part is in rectifying contact and finally with a collector electrode for the first-mentioned area of the base part.
In such a semiconductor device, the invention is characterized in that the base region has an impurity concentration which decreases from one of its side to the other side, the emitter electrode being in rectifying contact with that side of the base region which has the higher impurity concentration, and the collector region with that side of the base area. is in rectifying contact which has the lower impurity concentration and the collector electrode is attached via a substantially ohmic connection to that side of the collector region which is opposite the side to which the base region is attached.
For applications in which both a fast switching effect and an amplification are required, a base electrode is proposed which is connected to the base region in a non-rectifying manner
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Licher amplifier transistor can be operated, but since the collector current is increased by increasing the base / transmitter forward bias, a value is reached at which the introduction of excess charge carriers increases very quickly and this current, combined with the emitter current, allows a very high current flows at a very low voltage.
By biasing the device in the vicinity of this point of high current flow, it is possible to use a short pulse placed between the emitter and base electrodes to switch the device to the high-conduction state. The polarity of the pulse depends on whether it is a P-N-P or N-P-N type device. As soon as the high current flows, i. H. the range of negative resistance is reached, the base current from an external source can be omitted without affecting the collector current. However, the strong current can be switched off by applying a voltage pulse of a polarity opposite to the switch-on pulse between the emitter and the base.
In addition to the usefulness of the device as a high-speed switch, there are some other possible uses, e.g. B. in a self-excited oscillator trap circuit or in a frequency-dividing circuit.
A preferred embodiment of the invention, a method for producing the device and circuits which contain devices according to the invention are explained with reference to the schematic drawings, the same parts being given the same reference numerals. It shows :
1 shows a cross section through the device, FIG. 2 shows a diagram showing the course of the collector / emitter current as a function of the collector / emitter voltage, and the like. between for increasing base current values in a device according to FIG. 1;
FIG. 3a shows the course of the collector current but the time axis for the device according to FIG. 1 and shows the short rise time which is necessary for the high-performance state of operation. and the short amount of time it takes to return to the low conductivity state; Fig. 3b shows the course of the base voltage over the same time scale as used in Fig. 3a and shows how pulses or wave signals can be used to bring about the switching within the device;
FIG. 4 is a schematic circuit diagram of a circuit arrangement which makes use of an apparatus according to FIG. 1, FIG. 5 is a diagram illustrating the change in ace with emitter current, FIG. 6 is a circuit diagram of a blocking oscillator which an apparatus according to FIG. 1 is used, and FIG. 7 is the circuit diagram of a frequency divider which also uses a device according to FIG.
According to FIG. 1, the present switching transistor consists of a body 2 made of germanium on which a layer or area 4 with a thickness of approximately 0.025 mm and a diameter of approximately 0.3 mm is formed, which is on the top of a base 6 of the body sits and forms the base area. This area belongs to the N-type and is obtained by allowing arsenic to diffuse into the body from the outside. A region 8, which has a conductivity of 3 ohm / cm, adjoins the base region, separated by a rectifying barrier 10. This area, which has a thickness of about 0.125 mm, serves as a collector area and belongs to the P conductivity type; it can be obtained by activating with indium or another impurity belonging to the P-type.
A rectifying emitter electrode 12 with a diameter of about 0.1 mm is connected to part of the base region 4 by superficial alloying and a base electrode 14 is ohmically connected to another part of the base region, preferably in close proximity to the emitter electrode. The emitter can be made of an alloy consisting of 99.6% indium and 0.4% aluminum. The base electrode consists of 49% lead, 49% tin and 21o antimony solder.
A particular feature of the invention is the type of electrode that is soldered to the collector area; the electrode, which in the present case is a P-N .. P device, is capable of collecting holes at low collector currents, but is also capable of injecting electrons at collector currents above this low current value. According to a preferred embodiment, this electrode comprises a nickel plate 16 which is soldered to the collector area by means of a special solder 18; this solder consists of 49% lead, 49% tin and indium. The composition of the platelet metal is not important.
The solder consists of a smaller proportion of a metal that belongs to the P conductivity type, which is an impurity with regard to the collector area 8, whereas the main proportion of the solder consists of metals that are neither of the N nor the P type impurities with regard to the collector area . Tests have shown that the electrode 16, 18 is not rectifying, i.e. H. there is no rectifier barrier, and accordingly the device is not a P-N-P-N structure.
Conventional process steps are used for the individual manufacturing steps. Briefly repeated these are the following:
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A P-type germanium platelet is subjected to a diffusion treatment with the arsenic impurity in order to cause traces of arsenic to diffuse into an upper surface layer approximately 0.0025 mm to 0.005 mm thick over the entire area of the platelet. This is achieved by heating in the presence of an arsenic-releasing source either in a vacuum or within the confines of a vessel enclosing a very small volume of air at 80 ° C. for one hour.
The layer into which the arsenic has diffused is then removed by etching, with the exception of the base region 4 which should be present in the finished device. This is done in such a way that the area that is to be excluded from the etching is protected by means of an application of wax, whereupon the rest of the surface is etched with a solution obtained by adding a drop of 0.55% aqueous Add solution of kallum iodide to 1 liter of a solution consisting of 600 cms of concentrated nitric acid, 300 cm * of acetic acid, and 100 cm * of 48% hydrofluoric acid. The etching time is about a minute or a little more.
After the etching solution has been removed by rinsing and subsequent drying, the wax that had protected the base area is removed by a solvent (Benzone) and the entire crystal is etched as a whole for 15 seconds in the same etching liquid, after which it is rinsed in distilled water. At this stage, the structure comprises the collector area 8 belonging to the P-type with a plateau 6 made of germanium of the same type, above which the base area 4 rises.
Next, the emitter electrode 12 is attached to a portion of the base region by attaching a small, cleaned, indium-aluminum alloy (0.4% Al) square plate coated with a small amount of conventional aluminum flux. This in-
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is dried. The base electrode is then attached by attaching a small square plate made of solder, consisting of 49% lead, 49% tin and 2% antimony, to the end of a tinned platinum wire that has previously been dipped in solder, the solder is sufficient heated so that it becomes spherical and adheres to the platinum wire.
The solder ball adhering to the end of the wire is then dipped into a flux and brought as close as possible to the base area of the emitter electrode, whereupon the unit is heated to 4250C in dry hydrogen for two minutes and then cooled.
The nickel electrode 16 is then attached to the collector area by coating one side of a nickel plate with solder consisting of 49tao lead, 49ebb tin and 2% indium, bringing the coated side into contact with the collector region of the crystal and placing it in dry hydrogen at 300 ° C Heated for 2 minutes.
The structure of the device can be changed in many ways. without there being any significant deviations from their behavior to be described. For example, it is not absolutely necessary to alloy the surface of the emitter electrode in order to form a recrystallized zone; Rather, it can also be a rectifying electrode with a surface barrier. The base area is also not limited to the form shown and described. As shown, the base region has an impurity concentration which decreases from the outer surface of greater concentration to an inner surface of lower impurity adjacent to the rectifying barrier.
This
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Even if the impurity concentration is evenly distributed over the base, or if the impurity is introduced in another way. If reinforcement is not required at all, the base electrode can be omitted entirely. The device will then operate as a switch and not as an amplifier. Both an N-P-N and a P-N-P structure can be used.
The solder used to attach the specialty electrode to the collector area is of importance because it appears to help determine the electrical properties of that electrode. The amount of indium in the solder can be varied considerably. If, as stated, a solder with 2% indium is used, switching occurs at a base current of 3 mA. If 10% indium is used, the switching current is higher than it is 5 mA. Both pure indium and pure lead have been tried to replace the lead-tin-indium solder, but in no case was a cut-off current range found.
If an N-P-N unit is produced, the solder for the special electrode can consist of 49% lead, 49% tin and 2% arsenic or antimony or another element of group Va of the periodic table of elements.
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TheFig. 2 shows working characteristics when the device is used as a high-current high-speed switching device. These curves correspond to a device described above. As shown in the figure, at low values of the base current and low values of the collector / emitter voltage, the device operates as a normal transistor with a collector / emitter current that increases uniformly with increasing collector / emitter voltage.
Meanwhile, even with zero base current, if the collector / emitter voltage is high enough (for the present device it was 60 V), a resistance breakdown due to the avalanche effect occurs and the device suddenly jumps into a high collector / emitter current state. By increasing the base current, the collector / emitter voltage at which the triggering of the avalanche effect occurs is considerably lower, so that, as the figure shows, the triggering or switching voltage for 9uA base current is around 30V and for 12pA the voltage is around 20V . An effect different from the avalanche effect occurs in this area. This effect will be described in detail later.
The improved mode of operation of the device is partly due to the fact that, after the high current range has been reached, the base current can be reduced to zero without the collector
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low series resistance (3-10 ohms in the example) and, in the example, the voltage drop for 100 mA collector current is only 0.5V. This leads to a very low loss of power with high conductivity.
Some characteristics characterizing the behavior of the device as a switching transistor are shown in Figs. 3a and 3b. A circuit in which the device is used as a switch is shown in FIG. FIGS. 3a and 3b have one and the same time base. As Fig. 3a shows, the collector current can be made to rise suddenly, stay at the same level for any desired time, and then suddenly drop to its previous level. Methods to bring about the switching effect are shown in Fig. 3b. To turn on the device, a negative voltage pulse with a peak value of about 50 mW or in some cases even less, as indicated by pulse A, will be used to bring the device into the on state.
The rise time required to bring the device into the conductive state is very short and is about 0.1 microseconds. The length of a pulse can be about 0.05 microseconds. A similar but polarity opposite pulse B can be applied to bring the device into the switched-off state. By using a considerably stronger pulse to turn off the device, e.g. B. 20 V from a source with an internal resistance of 50 ohms, it is possible to turn off the device in 0.04 microseconds. For a suitable drive force, approximately 8 V from a source of 50 ohm internal resistance, the total switch-off time is 0.1 microseconds.
Other waveforms can also be used to provide the switching action. For example, as curve C of Figure 3 shows, a sine wave can be used, with the device turning on when the sine wave voltage reaches the appropriate value in the negative direction and turning off when the appropriate value has been reached in the positive direction. However, square-wave pulses could also be used.
A circuit which uses the device as a quick switch is shown in FIG. As can be seen from this illustration, the transistor is connected in such a way that a signal source 20 is placed between its base electrode 14 and its emitter electrode 12. The emitter line is grounded. The negative side of a bias battery 22 is connected to the special electrode 16 via a load resistor 24, which may have a value of 50 to 200 ohms. The positive side of the battery, which is supposed to be able to supply 1.5 to 20 V, is grounded. As explained earlier, the signal source can be a source of a sine wave potential or other waveform, or it can provide short square-wave pulses. When switched on, the current can be 0.5 - 1 A with about 1 V at the collector.
Since the collector voltage can reach the magnitude of 20 V or even more, the maximum value of the output power, which the circuit shown as a switch can process, can be raised to the order of magnitude of 10 to 20 watts.
As indicated earlier, the improved operation of the device is mainly a result of the special electrode placed on the collector area. In the P-N-P device shown in the example, this electrode has the property of being able to collect holes at a low collector current, but to inject electrons at higher values of the collector current.
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Fig. 5 shows ct "as a function of emitter current for the present device. If ace equals or exceeds the unit value in the grounded emitter circuit, the effect is in the high conduction state. As the curve of the figure shows, the increasing ixc increases. very quickly with that
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are measured separately, it turns out that the electron-a is very small for low values of the emitter current. However, it rises very quickly at critical values of the emitter current. Between 1 mA and
25 mA there is an increase of two orders of magnitude.
When the device switches to the high-performance state, the impact points have effectively disappeared. There is an introduction of holes from the emitter and an introduction of electrons from the collector contact in approximately the same number. At high current densities (over 10 mA emitter current) the hole current introduced by the emitter drops, which has the consequence that the combined hole and electron a decreases.
In the following an explanation is given for the way in which the special collector electrode injects large electron currents, without this explanation being intended to limit protection. For small values of the collector current it is recognized that the holes break the potential barrier and that a small but finite impedance (in addition to the series resistance of the body) occurs at the interface. As the hole current increases, the height of the barrier is reduced. The electron current, which is in thermal equilibrium at a flow of zero, increases as the limit decreases. Since the electron and hole currents influence the height of the barrier in different ways because of the different mechanisms involved, a change in the relative ratio of hole to electron current occurs in that the total current increases.
The present device has some properties that are similar to those of a hook-type P-N-P-N device, but there are also some important differences. A hook type transistor may have a negative resistance characteristic, the shape of which is similar to the curve shown in Fig. 2, but the flashover current (i.e., the level at which switching in the low conductivity state changes to switching in the high conductivity state), the switching speed and the working temperature differ significantly. The differences arise from the nature of the electron injecting electrode.
For comparison purposes, a PNPN transistor of the hook type was produced, the external shape and dimensions of which were similar to those of the device shown in FIG. 1, with the difference that instead of the lead-tin-indium electrode of the illustrated embodiment of the invention, the collector connection was a eutectic lead Arsenic mixture alloyed at 600C. Accordingly, a region belonging to the N-type was produced on the exposed surface of the collector area belonging to the P-type. With such a structure it was not possible to produce the kind of characteristic shown in Fig. 2 because the breakthrough, i. H. Transition to high power state occurred with very weak currents.
Typical breakdown values for DC conditions were: 1b M 1-10 mA; I-M 10-50 mA.
The weak flashover of the P-N-P-N device causes two operational difficulties: First, the permissible temperature range is greatly reduced because the collector current increases with temperature. Since the breakdown takes place at low values of the collector current, the uppermost working temperature with zero base current is very low; it is around 350C compared to 6sOC for typical devices according to the invention. Second, the low value of the flashover current is associated with a very weak field across the collector body and, as a result, the field acceleration of the minority carriers by the collector is not very effective.
The response speed depends almost entirely on the diffusion flux in the P-N-P-N device and therefore, in order to obtain a high response speed, a much thinner collector body was used than is the case for the present device.
Fig. 6 shows a circuit in which the present device is used as a self-excited blocking oscillator. In order to create a source of a variable or adjustable bias voltage which feeds the base electrode 14, the negative terminal of a battery 26 is connected to the base electrode via a potentiometer which has a voltage-dividing resistor 28 and a tap 30. The
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The battery must supply basic bias voltages of sufficient magnitude, such as 0.4 or 0.5 V, to cause the collector current to rise into the region of negative resistance.
In order to set the time constant of the oscillator, the emitter 12 of the transistor is connected to an RC element which defines the time constant and which consists of an adjustable resistor 32 which is connected between the emitter and a source supplying a reference potential, in this case earth, and consists of a capacitor 34 which is connected in parallel to this resistor. The collector electrode is by means of a battery 36, which values of
3 to 20 V may have, via a resistor 38 whose values may be between 50 and 200 ohms, negatively biased. The positive battery terminal is connected to earth. The collector electrode is led to an output terminal 40, while the other output terminal is connected to earth.
Is in operation before the
Collector current begins to flow, the voltage at the time network capacitor 34 low and by the
When current begins to flow, the emitter is instantly held at ground potential or a value almost equal to it. The tripping or switching current therefore reaches its maximum and holds this value until the capacitor is charged to an extent that the basic bias voltage that acts
Collector current causes the time at which the collector current is switched off to decrease.
The voltage remaining on the capacitor keeps the collector current switched off. The current remains switched off until the charge on the capacitor decreases to a value through the resistor, so that the voltage between the emitter and the base causes the collector current to switch again. The repetition speed depends primarily on the time constant of the combination consisting of resistor 32 and capacitor 34 and to a certain extent also on the emitter / base voltage and the collector voltage.
If the resistor 32 is about 100 ohms and the capacitor 34 is about 0.02 .ut, the repetition rate for the particular transistor is in the range of about 1 MHz. Instead of the capacitor 34, a capacitor 44 can be used between the emitter and the collector or used in conjunction with the former to produce other effects.
If the capacitor is used alone, the output will be pointed instead of having the shape of a more or less rectangular pulse. A resistance that is in series with the base electrode leads to a reduction in the base voltage and if this goes far enough, it does not occur. Vibrations.
7 shows the present device in a frequency-dividing circuit arrangement. The circuit shown is similar to that of FIG. 6, but with the difference that a signal source 46 is connected between the tap of the dividing resistor and the base electrode 14 of the transistor. In this circuit, the bias resistor 38 may have a value of 50 to 200 ohms and the battery 36 voltages between 1.5 and 20 V. The bias potential for the emitter and in connection with the capacitor 34 and the resistor 32 are dimensioned so that a A pulse of such a nature arises that a pulse and a pause contain the number of signal oscillations that should be present in the divided or final frequency.
The signal to be divided or the frequency to be divided is, as indicated, placed between the base and the emitter and smaller adjustments are made to the signal voltage, the collector base voltage and the resistor across the capacitor 34 until the desired number of divisions is reached. As the number of divisions increases, the settings become more critical. A division of 10 to 20 is advantageous. A 3.6 MHz signal was divided by 13 and could be changed up or down in one step. Since the output of this multiplier is large, subsequent divider stages can be operated without intermediate amplification.
PATENT CLAIMS:
1. Semiconductor device with a base part made of a crystalline semiconductor material, which belongs to the one conductivity type and with an emitter electrode which is in rectifying contact with an area of this base part, and with a collector area which is in rectifying contact with another area of the base part, and finally with a collector electrode for the first-mentioned area of the base part, characterized in that the base area (4) has an impurity concentration which decreases from one of its sides to the other, the emitter electrode (12) in rectifying contact with that side of the base area (4) which has the higher impurity concentration, and wherein the collector area (8) with that side of the base area (4)
is in rectifying contact which has the lower impurity concentration and the collector electrode (16) is fastened via a substantially ohmic connection to that side of the collector region (8) which is opposite the side on which the base region (4) is fastened.