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Sperrschichtkondensator
Sperrschichtkondensatoren mit von der Richtung der angelegten Spannung abhängigen elektrischen
Eigenschaften zwischen zwei Elektroden, die z. B. aus einem in Sperrichtung betriebenen und als Kapazität ausgenutzten Richtleiter bestehen, sind an sich bekannt. Ein solcher Sperrschichtkondensator ist in Fig. 1 gezeichnet. In ihr bedeutet 1 einen Halbleiterkristall z. B. aus einkristallinem Silizium oder Germanium mit zwei Bereichen, die sich durch entsprechende unterschiedliche Dotierung in ihrer Leitfähigkeit unterscheiden ; der Bereich l'ist p-leitend gemacht worden und der Bereich 1" n-leitend. Beide Bereiche sind in an sich bereits bekannter Weise durch die Kontaktschichten 2,3 sperrschichtfrei kontaktiert, an die die Stromzuführungen 4,5 angelötet sind.
Legt man an die Stromzuführungen 4,5 eine Spannung über einen Verbraucherwiderstand 6 aus einer regelbaren Gleichspannungsquelle 7, die in der in Fig. l angegebenen Weise derart gepolt ist, dass die Elektrode 3 ein positives Potential gegenüber der Elektrode 2 besitzt, dann bildet sich an der gestrichelt gezeichneten Grenzschicht 10 eine sogenannte Raumladungszone aus, deren Dicke bei einem nach Fig. 1 ausgebildeten Gleichrichter mit zunehmender Spannung wächst.
Wird die an den Gleichrichter angelegte Gleichspannung 7 erhöht, so nimmt die Dicke dieser Raumladungszone zu und für eine mittels des Übertragers 8 in den in Fig. 1 gezeigten Stromkreis eingekoppelte Hochfrequenz, deren Amplitude insbesondere wesentlich kleiner ist als die Gleichspannung 7, bildet der Gleichrichter einen sogenannten Sperrschichtkondensator, dessen Kapazität mit Erhöhung der angelegten Gleichspannung 7 abnimmt. Auf diese Weise kann z. B. die Wechselspannung an dem ohmschen Widerstand 6 im Takte der Schwankungen der Gleichspannung 7 moduliert werden. Eine solche Modulation der Vorspannung ist selbstverständlich auch durch eine der Gleichspannung 7 überlagerte Wechselspannung möglich, indem z.
B., an Stelle der unmittelbaren Verbindung 9 zwischen die beiden Leitungspunkte 9', 9" die gestrichelt gezeichneten Leitungen 11', 11" mit der Sekundärwicklung des Niederfrequenzübertragers 12 geschaltet werden. Die Primärseite dieses Übertragers wird von der Gleichspannungsquelle 13 über das Mikrophon 14 mit Sprachfrequenz gespeist. Die in der Sekundärseite des Übertragers 12 erzeugte Spannung, die in Reihe mit der Gleichspannung 7 liegt, soll mit ihrer Amplitude ebenfalls kleiner sein als diese Gleichspannung.
In vielen Fällen ist jedoch eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen an dem Sperrschichtkondensator liegenden Wechselspannungen, insbesondere eine Modulation, nicht erwünscht. Die Kapazität des Sperrschichtkondensators soll zu diesem Zweck nicht, wie in Fig. l gezeigt, variabel, sondern über einen gro- ssen Spannungsbereich möglichst konstant sein. Am Widerstand 6 sind dann also die Wechselspannungen 8 bzw. 12 nur überlagert, nicht moduliert, und ausserdem sind ihre Amplituden, die am Widerstand 6 abgegriffen werden, im wesentlichen von Schwankungen der Gleichvorspannung 7 unabhängig.
Mit dieser Aufgabe befasst sich die Erfindung und schlägt hiezu bei einem Sperrschichtkondensator mit wenigstens einem in Sperrichtung zu betreibenden Übergang zwischen zwei Elektroden, bei dem sich bei angelegter Spanning in einer schwach-oder intrinsischleitenden Zone des halbleitenden Körpers die Raumladungszone ausbildet und bei dem diese in Sperrichtung betriebene Zone zwischen einer Elektrode und einem gutleitenden Halbleiterbereich oder zwischen einem gut p-und einem gut n-leitenden Halbleiterbereich liegt, vor, dass die schwach-oder intrinsisch leitende Zone eine Breite besitzt, die bereits
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bei kleinen angelegten Spannungen der Dicke der sich dabei ausbildenden Raumladungszone entspricht und der Anstieg der Dotierung von der schwach dotierten Zone zur benachbarten Halbleiterzone auf einer Strecke erfolgt,
die klein ist gegenüber der Breite der schwach dotierten Zone, so dass bei weiter ansteigender Spannung die Raumladungszone sich bis in die benachbarten Gebiete höherer Dotierung erstreckt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen und der folgenden Beschreibung, hervor :
In Fig. 2 ist ein gemäss : : der Erfindung ausgebildeter Sperrschichtkondensator dargestellt, der in seinem Halbleiterteil 21 aus drei Zonen besteht, von denen die Zone 211 p-leitend, die Zone 212 schwach n-, schwach p-oderintrinsischleitend und die Zone 213 n-leitend ist. Ebenso wie in Fig. l sind auch hier die p-und n-Zonen 211 und 213 mittels je eines sperrschichtfrei aufgebrachten Kontaktes 22,23 kontaktiert, die mit Stromzuführungen 24,25 versehen sind. Der Stromkreis, in den'dieser Sperrschichtkondensator
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Bereich 211 eine hohe p-Dotierung, die an der Grenze zwischen 211 und 212 steil auf niedrige Werte abfällt.
Die Zone 213 besitzt eine hohe n-Dotierung, die auch wieder an der Grenze zwischen 212 und
213 steil auf niedrige Dotierungswerte abfällt. Für die Dotierung des Bereiches 212 sind in Fig. 3 zwei
Grenzlinien maximaler Dotierung gestrichelt angegeben, zwischen denen die Dotierung des Bereiches 212 liegen soll. Die obere gestrichelte Grenzlinie 212'entspricht einer Sp-Leitung, die untere Grenzlinie 212" einer sn-Leitung und die 0-Linie der Fig. 3 einer Intrinsisch-Leitung der Zone 212.
Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Übergangsbereich 5 p bzw. 8"innerhalb dessen die Dotierung der Zonen 211 bzw. 213 von ihrer Höhe auf die geringen Werte der Zwischenzone 212 absinkt, klein ist gegenüber der Dicke b dieser Zwischenzone, insbesondere höchstens 1/10 der Dicke b beträgt.'
Da sich die Kapazität im vorliegenden Fall nur mit der Änderung der Dicke der Zwischenschicht ändert, kann aus der Differenz der Kapazität bei Maximalspannung und der Kapazität bei Minimalspannung die Breite der Strecken 6 p bzw. eS n errechnet werden.
Will man nun gemäss der Erfindung die Ausdehnung der Raumladungszone und damit das Absinken der Kapazität des in Sperrichtung betriebenen Gleichrichters bei Erhöhung der angelegten Vorspannung dadurch begrenzen, dass sich die Raumladungszone oberhalb einer minimalen Arbeitsspannung nicht oder relativ nur sehr wenig weiter ausbreiten kann, so ist dies, wie schon oben gesagt, dann der Fall, wenn die schwach dotierte Zone 212 beidseitig an hochdotierte Halbleiterbereiche angrenzt. In diese hochdotierten Halbleiterbereiche vermag nämlich die Raumladungszone bei Erhöhung der Arbeitsspannung über ihren minimalen Wert praktisch nicht einzudringen.
Damit jedoch auch bei der maximalen Arbeitsspannung Umax kein Durchbruch erfolgen kÅann, muss die Dicke b der schwach dotierten Zwischenzone gleich oder grösser sein dem Quotienten Umax/ED (ED = Durchbruchsfeldstärke im Zwischenzonenbereich 212 des Halbleiters). Um anderseits der Forderung zu genügen, dass sich die Kapazität von einer minimalen Ar- beitsspannung Umin ab praktisch mit der Spannung nicht erhöht, muss die bei dieser kleinen Arbeitsspannung Umin sich bildende Raumladungszone den schwach dotierten Bereich der Zwischenzone bereits ausfüllen.
Hieraus folgt für unsymmetrische Dotierung, d. h. für eine Dotierung, bei der die Zwischenzone 212 nicht intrinsischleitend ist, sondern eine schwache n - oder p- Dotierung besitzt, durch Integration der Poissonschen Differentialgleichung
EMI2.2
wobei s die Ladungsträgerkonzentration in der schwach dotierten Zone 212, A den Bandabstand und e die Elementarladung darstellt.
Anderseits muss jedoch die durch die maximale kapazitive Aufladung Q des hochdotierten n-bzw. p-Bereiches 211 bzw. 213 bedingte zusätzliche Raumladungsschicht stets dünn gegen b sein, also gering gegenüber der Dicke dieser Zwischenzone 212. Für diese Aufladung pro cm gilt einesteils
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EMI3.1
andernteils
EMI3.2
wobei Sund 13 die zusätzlichen Raumladungsschichtdicken darstellen.
Da PsowOhtl3p als auch Sn sehr klein gegenüber b sein sollen, ergibt sich schliesslich die Forderung, dass die Dotierungsdichten p bzw. n gross gegenüber dem folgenden Ausdruck sein müssen :
EMI3.3
EMI3.4
**WARNUNG** Ende DESC Feld kannt Anfang CLMS uberlappen**.