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Tunneldiode, insbesondere zur Gleichrichtung kleiner Wechselspannungen
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treten Elektronen unter dem Einfluss des starken elektrischen Feldes in einem pn-Übergang durch die verbotene Zone vom Valenz- in das Leitungsband bzw. umgekehrt über. Die Wahrscheinlichkeit für diesen Übergang ist in erster Näherung proportional zu exp a. Dabei ist E die elektrische Feldstärke und a eine Grösse, die unter anderem die effektive Masse der Elektronen und Löcher und die Breite der verbotenen Zone enthält (vgl. z. B. W. Franz und L. Tewordt, Halbleiterprobleme III, Friedr. Vieweg u. Sohn, Braunschweig 1956, S. l ff. und E. Spenke, Elektronische Halbleiter, Springer-Verlag Berlin 1955, S 211 ff. ).
Die angedeutete Abhängigkeit der Übergangswahrscheinlichkeit von der elektrischen Feldstärke hat
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einem pn-Übergang schon bei kleinen äusseren Spannungen, wenn n-und p-Gebiet hoch dotiert sind und der Übergang vom n-zum p-Gebiet sehr abrupt erfolgt. In diesem Fall ist nämlich das Raumladungsgebiet im Übergang sehr wenig ausgedehnt, und die Spannung fällt über einer entsprechend kurzen Strecke ab (einige 100 A).
Zener-Diode und Tunnel-Diode unterscheiden sich nun im wesentlichen in der Dotierung und damit
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zur Folge.quantitativ angegeben.
Die Zener-Diode (Fig. 1) ist so dotiert, dass die für einen merklichen Tunneleffekt erforderlichen Feldstärken erst nachAnlegen einer negativen Spannung an das p-Gebiet erreicht werden. Beim Anlegen einer positiven Spannung an dasp-Gebiet fliesst der sogenannte Flussstrom, der exponentiell mit der Spannung ansteigt. Beim Anlegen einer negativen Spannung fliesst der sogenannte Sperrstrom, der in vielen Fällen den Charakter eines Sättigungsstromes hat ; er steigt manchmal auch mit der Spannung etwas an, jedoch auf jeden Fall weit schwächer als der Flussstrom. Sobald die Spannung einen bestimmten Wert, der von der Dotierung abhängt, überschritten hat, die Feldstärke also gross genug ist, beginnt der Strom infolge des Tunneleffektes stark anzusteigen (Zener-Strom).
Es lässt sich eine Spannung UD - die Durchbruchsspannung-definieren, bei welcher der Steilanstieg erfolgt. Es muss noch darauf hingewiesen werden, dass bei verhältnismässig breiten pn-Übergängen ein anderer Mechanismus - nämlich die Ladungsträgervervielfachung durch Stoss-zu einem ähnlichen Steilanstieg des Sperrstromes führt. Bei verhältnis- mässig hochdotierten, abrupten Übergängen ist jedoch der uns hier interessierende Tunneleffekt ausschlaggebend.
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Beim Anlegen einer negativen Spannung an das p-Gebiet der Tunnel-Diode gemäss der Erfindung (Fig. 3) fliesst ähnlich wie bei einer Tunnel-Diode bekannter Art (Fig. 2) ein mit der Spannung steil an- steigender Strom. Dagegen ist der Stromverlauf beim Anlegen einer positiven Spannung an das p-Gebiet - Flussrichtung bei Dioden herkömmlicher Art - bei der Tunnel-Diode gemäss der Erfindung wesentlich verschieden gegenüber der Charakteristik der bisher bekanntgewordenen Dioden, u. zw. ist das Strom- maximum gemäss Fig. 2 erheblich verkleinert ; der Strom ist in diesem Bereich also im wesentlichen der oben beschriebene Flussstrom.
Er steigt, wie erwähnt, exponentiell mit der Spannung an undist bei Halb- leitern mit verhältnismässig grosser Breite der verbotenen Zone (A E > 1 eV) bis zu verhältnismässig hohen Spannungen (etwa 1 V) sehr klein ; man erhält mit solchen Halbleitern ein besonders breites Stromminimum, in dessen Bereich der Strom um ein Mehrfaches kleiner ist als im Strommaximum.
Von dieser Eigenschaft der Kennlinie wird erfindungsgemäss Gebrauch gemacht, insbesondere zur Verwendung der Tunnel-Diode zur Gleichrichtung kleiner Wechselspannungen. Hiebei ergeben sich im Vergleich mit einer Diode mit einer Charakteristik herkömmlicher Art, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, in der Sperrichtung bei verhältnismässig sehr kleinen Spannungen (Grössenordnung 0, 1 V nur geringfügig grössere Verluste ; dafür steigt der Durchlassstrom (positiver Ast bei Dioden herkömmlicher Art gemäss
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Fig. 1 bzw. negativer Ast bei der Tunnel-Diode gemäss der Erfindung, Fig. 3) mit zunehmender Spannung wesentlich stärker an.
Das kleine Maximum in der Sperrichtung bei der Tunnel-Diode gemäss der Erfindung bewirkt nämlich, dass die Tangente an die Kennlinien im Nullpunkt wesentlich steiler ist ; dies lässt ein Vergleich der quantitativen Kennlinie der Fig. 4 und 5 klar erkennen. Eine Tunnel-Diode mit einer Kennlinie gemäss Fig. 5 ist also nach der Lehre der vorliegenden Erfindung weniger geeignet als eine Diode gemäss Fig. 4 mit den erfindungsgemässen Merkmalen. Hieraus erkennt man, dass die Lehre der vorliegenden Erfindung wesentlich abweicht von den bisher bekannten Auffassungen über die erstrebenswert Charakteristik einer Gleichrichterdiode.
Die Sperrichtung lässt sich, wie aus der obigen Erläuterung der Charakteristik einer Tunnel-Diode leicht verständlich ist, bei einer Tunnel-Diode gemäss der Erfindung bis zu Spannungen in der Grössenordnung A E/e ausnutzen, wobei A E die Breite der verbotenen Zone und e die Elementarladung ist. Wegen der grossen Steilheit der Kennlinie im Nullpunkt ergibt sich bereits bei sehr kleinen Spannungen ein sehr gutes Richtverhältnis.
Aus der Fig. 3 ist weiterhin die Bedeutung des oben erwähnten Begriffes"maximaler Flussstrom" (IF) zu entnehmen. Die maximale Sperrspannung Us sei gegeben durch die Tangente an den linearen
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legt.
Die vorerwähnte Abhängigkeit der zulässigen Sperrspannung vom Verhältnis A E/e empfiehlt die Ver- wendung von Halbleitermaterialien mit möglichst grosser Breite der verbotenen Zone, z. B. Si, SiC, AlSb, InP, GaAs oder GaP. Anderseits wird man solche Halbleitermaterialien bevorzugen, die neben einer grossen Breite der verbotenen Zone eine verhältnismässig kleine effektive Masse der Elektronen oder Löcher aufweisen. Denn die Wahrscheinlichkeit für den Tunneleffekt der Ladungsträger durch die verbotene Zone und damit der Tunnelstrom ist um so grösser, je kleiner die effektive Masse der Ladungsträger ist (vgl. die eingangs erwähnte Literatur). Unter diesen Gesichtspunkten eignen sich als Halbleitermaterialien für die Tunnel-Diode gemäss der Erfindung vor allem GaAs, InP und GaP.
Der Tunnel-Diode gemäss der Erfindung erschliessen sich nach dem Vorgesagten besonders wichtige Anwendungsgebiete für die Gleichrichtung von Wechselspannungen in der Grössenordnung von 1 V, z. B. für die Stromversorgung elektrothermischer Kühlaggregate. Mit den üblichen Halbleitergleichrichtern sind bei diesen Spannungen nur verhältnismässig schlechte Wirkungsgrade zu erzielen, da bei diesen Fluss- und Sperrichtung gekoppelt sind, bedingt durch den Mechanismus der Stromleitung, der für beide Polungen im Prinzip gleich ist. Es handelt sich z. B. bei einem Gleichrichter mit Shockley'schem Übergang in beiden Richtungen um eine Diffusion von Minoritätsträgern.
Man erhält daher bei diesen Gleichrichtern einen grossen Flussstrom bei kleinen Spannungen nur auf Kosten eines verhältnismässig grossen Sperrstromes.
Bei einem Gleichrichter gemäss der Erfindung wird dagegen, wie oben dargelegt ist, der Strom in der Durchlassrichtung durch den Tunneleffekt, der Strom in der Sperrichtung im wesentlichen durch den üblichen pn-Mechanismus bestimmt, Durchlass- und Sperrichtung sind also weitgehend entkoppelt, und man erhält grosse Durchlassströme bei verhältnismässig kleinen Spannungen und gleichzeitig verhältnismässig kleine Sperrströme.
Der Vorteil der erfindungsgemässen Kennlinie (Fig. 4) könnte durch in der Durchlassrichtung wirksam werdende Serienwiderstände aufgehoben werden. Es ist daher darauf zu achten, dass derartige Widerstände nicht auftreten können. Demgemäss sind möglichst kleine Bahn- und Gegenelektrodenwiderstände anzustreben. Vor allem muss die Gegenelektrode vollkommen sperrfrei sein und einen möglichst niedrigen Übergangswiderstand aufweisen.
Bei Einhaltung der oben erwähnten Forderung gemäss der Erfindung für das Strommaximum bei positiver Polung des p-Gebietes ist gewährleistet, dass die Verluste in der Sperrichtung wesentlich kleiner sind als diejenigen in der Durchlassrichtung. Im übrigen ist der Wirkungsgrad einer Gleichrichterdiode gemäss der Erfindung erwartungsgemäss noch von der Aussteuerung des Gleichrichters abhängig, insbesondere also von der Höhe der Wechselspannung und des Verbraucherwiderstandes.
Allgemein gilt für Tunnel-Dioden, dass die Dotierung das n-und p-Gebietes bzw. die Steilheit des
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Übergangsgebietmn = effektive Masse der Elektronen, mp = effektive Masse der Löcher, n = Konzentration der Elektronen im p-Gebiet, p = Konzentration der Löcher im p-Gebiet,
A E = Breite der verbotenen Zone,
A = ein Zahlenfaktor.
Für Tunnel-Dioden gemäss der Erfindung eignen sich Halbleiterkörper, bei denen die Dotierung des nund des p-Gebietes mindestens leicht entartet ist und bei denen der pn-Übergang möglichst abrupt ausgebildet ist. Darüber hinaus kann die Dotierung auch so gewählt sein, dass das n-und das p-Gebiet oder eines der beiden stark entartet ist. In diesem Fall würde unter Umständen die erfindungsgemässe Forderung hinsichtlich der Höhe des Strommaximums bei positiver Polung des p-Gebietes nicht mehr erfüllt. Dies kann dadurch behoben werden, dass der pn-Übergang abgeflacht wird, z. B. durch eine kurze Temperbehandlung des Halbleiterkörpers. Höhe und Dauer der Temperung hängen von der Überdotierung ab. Bei einer überdotierten GaAs-Diode gemäss der Erfindung mit auflegierter Sn-Elektrode genügt z.
B. eine Temperung von etwa einer Minute bei etwa 500-600oC, um die gewünschte Abflachung des pn-Überganges zu erzielen.
Die Charakteristik gemäss Fig. 4 wurde mit einer GaAs-Tunnel-Diode gemäss der Erfindung aufgenommen, die folgende Daten aufwies : Die Dotierung des p-Gebietes lag zwischen 2 und 5. 1019 cm-3 ; als Dotierungssubstanz wurde Zink verwendet. Das n-Gebiet wird durch Auflegieren von Sn hergestellt, derart, dass auf einen p-leitenden Halbleiterkörper aus Galliumarsenid eine Sn-Elektrode bei einer Temperatur von 600 bis 8000C zwei Minuten lang auflegiert wird. Bei dieser dem Fachmann an sich geläufigen Ver- fahrensweise wird das n-Gebiet so hoch dotiert, dass es entartet ist. Das Aufheizen auf die Legierungstemperatur und das anschliessende Abkühlen sollen möglichst rasch erfolgen. Der Legierungsvorgang wird, wie üblich, unter einer Schutzgasatmosphäre-z.
B. einem Edelgas oder Wasserstoff-durchgeführt. Die Oberflächen des Galliumarsenids werden vor dem Legieren in bekannter Weise behandelt (geschliffen, ge- ätzt usw. ). Die Gegenelektrode, die aus den oben erwähnten Gründen vollkommen sperrfrei sein und einen möglichst niedrigen Übergangswiderstand aufweisen muss, besteht ebenfalls aus Zinn, dem z. B. etwa 0, 1-2 % Zink beigemischt sind. Es ist zweckmässig, die beiden Elektroden (die den pn-Übergang bildende Elektrode und die sperrfreie Gegenelektrode) gleichzeitig aufzulegieren. Der Vorgang kann in bekannter Weise z. B. in einer Graphitform erfolgen.
Weiterhin kann als Gegenelektrode auch reines Sn verwendet werden, wenn man dieses während des Legierungsvorganges als Zwischenschicht zwischen dem Galliumarsenid und einer Kupfer- oder Messingunterlage benutzt. Das Galliumarsenid wird in diesem Prozess mit der Kupfer- oder Messingunterlage verbunden. Das geschmolzene Sn löst vermutlich etwas Kupfer oder Zink aus der Unterlage, das nun die ndotierende Wirkung des Sn ganz oder teilweise kompensiert. Das eben geschilderte Verfahren gestattet eine einfache Herstellung der Dioden. Auf eine Kupfer-oder Messingunterlage wird eine Sn-Folie gelegt, darauf das Galliumarsenid und darauf wieder eine Sn-Folie oder ein Sn-Kügelchen. Der Legierungsvorgang wird in der oben beschriebenen Weise durchgeführt. Ein Verfahren dieser Art ist z.
B. in der USAPatentschrift Nr. 2,847, 335 beschrieben.
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