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Tunneldiode
Die Erfindung betrifft eine Tunneldiode mit wenigstens einer bis zur Entartung dotierten Zone an dem in Durchlassrichtung zu betreibenden p-n-Übergang. Tunneldioden, die in Durchlassrichtung betrieben werden und bei der die beiden an den p-n-Übergang angrenzenden Zonen des Halbleiterkörpers bis zur Entartung dotiert sind, sind bereits bekannt.
Zur Erzielung möglichst hohen Tunnelstromes wird im all- gemeinen eine möglichst hohe Summe der beiden Energieabstände 1 ; n + tpam pn-Übergang angestrebt, (C n + Cp) bedeutet hiebei die Energieabstände der Fermikante Fn von der unteren Grenze des Leitfähigkeitsbandes bzw. der Fermikante Fp von der Oberkante des Valenzbandes), dadurch kann diese Summe auch in die Grössenordnung les Bandabstandes AE kommen. Dies gilt besonders bei Halbleiteranordnungen mit einem Halbleitermaterial, dessen Band AE insbesondere kleiner als etwa 0, 75 eV Ist (insbeson-. dere, wenn mit dem Bandabstand auch die effektive Masse einer Trägerstromsorte, also der Elektronen bzw. der Defektelektronen, besonders klein wird wie z. B. beidenA B-Halbleitern).
Hiebe ! steigt nämlich die Tunnelwahrscheinlichkeit erheblich an, so dass sehr hohe Tunnelströme fliessen ; jedoch steigt mit der Verringerung des Bandabstandes auch der normale Diodenstrom, der sich dem Tunnelstrom überlagert ; dadurch sinkt der Spannungs-Aussteuerungsbereich erheblich ab und das Minimum des Gesamtstromes liegt verhältnismässig hoch. Dies wird an Hand der Fig. 1 und 2 näher erläutert.
In Fig. l ist senkrecht die Stromstärke des in Durchla#richtung flie#enden Stromes (J) Abhängigkeit von der an der Tunneldiode liegenden Spannung aufgezeichnet. Diese an die Diode angelegte Spannung ist dabei in Elektronen-Volt (eV) aufgetragen, um die Zusammenhänge mit den Energieabständen in der Band-Darstellung der Fig. 2 deutlicher hervortreten zu lassen. In Fig. 2 ist die Lage der Bänder und der Fermikanten in den beiden P-und N-Bereichen des Halbleiters gezeigt. Rechts der senkrecht strichpunktierten Linie liegt der P-Bereich des Halbleiters und links davon der N-Bereich. Beide Bereiche sind, wie die Lage der Fermikante F in diesen beiden Bereichen zeigt, bis zur Entartung dotiert.
Der Energieabstand der Fermikante Fn von der unteren Grenze (En) des Leitfähigkeitsbandes ist'n im N - Bereich, während der Abstand der oberen Grenze (Ep) von der Fermikante Fp des Valenzbandes im P-Bereich S p beträgt. Der Tunnelstrom JT, der dem gewöhnlichen Diodenstrom JD überlagert ist, hat bekanntlich den in Fig. l gezeigten Verlauf ; er steigt zunächst bis zu einem Maximum an und fällt dann bis zum Tunnelstrom 0 ab, u. zw. erreicht er denNullwert bei einer angelegten Spannung an der Diode, die der Summe (Cn+Sp) der Energieabstände der Fermi-Niveaus in den beiden N- und P-Bereichen von den zugehörigen Bandkanten entspricht.
Ihm überlagert sich der in Fig. 1 gestrichelt gezeichnete gewöhnliche Diodenstrom JD Wie ersichtlich, ergibt sich ein umso geringeres Minimum des ausJT +JD bestehenden Gesamt-Diodenstromes, je geringer der gewöhnliche Diodenstrom JD bei der der Summe (Sn +Sp) entsprechenden Spannung ist.
Wie oben ausgeführt, nimmt aber der gewöhnliche Diodenstrom JD mit abnehmender, vorzugsweise unter 0, 7 5 eV liegender Breite A E des verbotenen Bandes zu und hieraus ergibt sich das der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem, dieses Minimum des Dioden-Gesamtstromes bei der Tunneldiode möglichst klein zu halten.
Ein weiteres Problem der Erfindung besteht darin, den Aussteuerungsbereich der Diode für den negativen Widerstand, d. h. also den Bereich, in dem der Tunnelstrom mit steigender Spannung (eV) sinkt, möglichst gross zu machen. Es ist ersichtlich, dass dieser Aussteuerungsbereich bei gegebenem Verlauf
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des Tunnelstromes IT umso kleiner wird, je stärker der gewöhnliche Diodenstrom JD im Verhältnis zum Tunnelstrom IT ansteigt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher weiterhin, die Diode so zu gestalten, dass die Summe (gn +e p) bei möglichst kleinem Diodenstrom JD möglichst gross ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von dci Überlegung aus, dass (s. Fig. 2) der Anstieg des Diodenstromes JD erst bei möglichst hoher angelegter Spannung steil werden soll, wenn der Tunnelstrom J. r. schon langst auf Null abgesunken ist. Dieser steile Anstieg des gewöhnlichen Diodenstromes ist im wesentlichen bei solchen Spannungen gegeben, bei denen (s. Fig. 2) die Fermikanten Fn bzw. Fp des N-bzw. P-Bereiches, die, wie in Fig. 2 gezeigt. in Durchlassrichtung (-, +) gepolt werden, relativ zuein-
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ist aus dem Bändermodell der Fig. 2 verständlich, dass von dort ab'der gewöhnliche Diodenstrom JD mit dem weiteren Anheben bzw. Absinken des N- bzw. P-Bereiches sehr stark zunimmt, so dass der Dioden- strom JD schliesslich den in Fig. 1 rechts gezeigten steilen Verlauf hat.
Dieser steile Anstieg des Diodenstromes JD (s. in Fig. 1 den ausgezogen gezeichneten Teil des Stromes JD) setzt daher im Punkt (AE +C n) bzw. (A E + G p) ein (je nachdem welches t kleiner ist).
Gemäss der Erfindung wird also zur Erzielung eines möglichst geringen Minimumstromes im Durch- lassbereich der Tunneldiode JT die Dotierung der beiden Zonen o gewählt, dass die Summe (S n + g p) kleiner ist, als jede der beiden Summen (AE + n) bzw. (AE +Sp). Diese Bemessung ist deshalb von Be- deutung. weil bei denDioden üblicherweise der steile Anstieg des Durchlassstromes ID bereits bei. 6. E einsetzt.
Um darüber hinaus einen möglichst grossen Aussteuerungsbereich für den negativen Teil der JT-Charakteristik des Tunnelstromes zu erhalten, sind insbesondere beide den p-n-Übergang bildenden Zonen bis zur Entartung dotiert, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist und die Summe (bn + S p) ihrer beiden Energieabstände Cn. t p etwa gleich gross gemacht.
Insbesondere empfiehlt es sich, beide Abstände cent t kleiner als 0, 1 eV zu halten, vor allem dann, wenn besonderer Wert darauf gelegt wird, dass der Gesamt-t) iodenstrom im Minimum fast auf Null absinkt und der gewöhnliche Diodenstrom JD bei Erreichen der maximalen Aussteuerungsspannung bn +tp also praktisch noch Null ist.
Dieser Vorteil wird auch dadurch erreicht bzw. erhöht, dass ein Halbleitermaterial verwendet wird, dessen Bandbreite AE etwa das dreifache der Summe der beiden Energieabstände (S + p) beträgt. Auch der gewöhnliche Diodenstrom Jp, der im allgemeinen überwiegend als Diffusionsstrom fliesst, da der durch die Rekombination bedingte Strom vorzugsweise möglichst klein gehalten wird, kann gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung dadurch klein gehalten werden, dass die Halbleiteranordnung mit einer Kühlvorrichtung versehen ist.
In Fig. 3 ist eine nach der Erfindung hergestellte Tunneldiode dargestellt. Auf einem Halbleiterteil l, der z. B. p-entartet ist, ist eine kleinflächige, bis zur Entartung n-dotierte Zone 2 durchEinlegieren des Metallkontaktes 3 gebildet. Der Verlauf des verbotenen Bandes an diesem p-n-Übergang ist in Fig. 2 gezeigt. Auf der grossflächigen Seite des Halbleiterteiles 1 ist ebenfalls eine vorzugsweise bis zur Entartung n-dotierte Zone 4 durch Einlegieren des Metalles 5 gebildet. Dieses Metall 5 ist auf einer weiteren metallischen und vorzugsweise gut wärmeleitenden, durch aufgeschmolzene Kühlschlangen gekühlte Metallunterlage 6 aufgeschmolzen. Die in Fig. 3 im Schnitt gezeichneten Kühlschlangen 10 sind durch das Metall 11 in gutem Wärmekontakt mit der Unterlage 6.
Diese Unterlage ist, wie bei 7 angedeutet, geerdet und mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle 8 verbunden, die mit ihrem negativen Pol über einen Verbraucher-Widerstand 9 mit der Elektrode 3 der Tunneldiode verbunden ist, so dass der zwischen den Halbleiterteilen 1 und 2 liegende p-n-Übergang (s. auch Fig. 2) gemäss der in Fig. 2 angegebenen Polung in Durchlassrichtung vorgespannt ist. Besonders vorteilhaft ist es, die Tunneldioden der Erfindung aus ABV-Verbindungen herzustellen. Es empfiehlt sich ferner die Verwendung. einesHalbleitermaterials mit einer Energiebreite des verbotenen Bandes, die geringer als die des Germaniums, insbesondere geringer als 0, 5 eV ist.
In vielen Fällen ist ein Material mit einem Energieabstand von etwa 0, 4 bis 0, 5 eV von besonderem Vorteil, weil hiedurch die Tunnelwahrscheinlichkeit und damit der Tunnelstrom J ziemlich gross, der gewöhnliche Diodenstrom ID im Bereich des Tunnelstromes aber noch klein gehalten werden kann. Bei Verwendung eines AIIIBV-Halbleiters ist die Zusammensetzung dieser Verbindung entsprechend dieser ge- wünschen geringen Breiten des verbotenen Bandes zu wählen.
Bei der oben angegebenen Vorschrift, die Energieabstände bn, p etwa gleich gross zu bemessen, um auf diese Weise eine möglichst hohe Aus- steueruagsspannung zu erzielen, ist bisher stillschweigend vorausgesetzt worden, dass die effektive Masse
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der beiden Ladungsträgersorten (Elektronen bzw. Defektelektronen) gleich gross ist. Tatsächlich ist dies aber im allgemeinen nicht der Fall. In den Fällen, In denen die effektive Masse verschieden isL, kommt es nämlich darauf an, dass, insbesondere dann, wenn die an die Diode gelegte Spannung etwa der Sum-
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Wenn diese Vorschrift der Erfindung erfüllt ist, ist eine besonders hohe Aussteuerungsspannung für den Tunnelstrom bei gleichzeitig niedrigem gewöhnlichem Diodenstrom (JD) erzielbar.
Um dies zu erreichen,
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chen.
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Abweichungen on dieser Grösse können bis zu # - 50% betragen, es empfiehlt sich jedoch, die Abweichungen kleiner als + - 20 Ufo, insbesondere kleiner als +-10 % zu halten.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Tunneldiode, mit wenigstens einer bis zur Entartung dotierten Zone an dem in Durchlassrichtung zu betreibenden p-n-Übergang, insbesondere mit einem Halbleitermaterial, bei dem die Breite (^ Ei des verbotenen Bandes höchstens 0, 75 eV beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzielung eines möglichst geringen Minimum-Stromes im Durchlassbereich der Tunneldiode die Dotierung der beiden Zonen zo ge-