DE1007887B - Halbleiterverstaerker - Google Patents

Halbleiterverstaerker

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DE1007887B
DE1007887B DEW9285A DEW0009285A DE1007887B DE 1007887 B DE1007887 B DE 1007887B DE W9285 A DEW9285 A DE W9285A DE W0009285 A DEW0009285 A DE W0009285A DE 1007887 B DE1007887 B DE 1007887B
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semiconducting
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William Shockley
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Western Electric Co Inc
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Description

Dk Erfindung bezieht sich auf Halbleiterverstärker mit einem Körper aus halbleitendem Material und mindestens drei Elektrodenanschlüssen an Halbleiterschichten bestimmten Leitungstyps, um elektrische Signale zu erzeugen, zu verstärken oder zu modulieren.
Die zur Zeit allgemein in Halbleiterverstärkern verwendeten Halbleiter, wie Germanium oder Silizium, und halbleitende Verbindungen, z. B. Bleisulfid, Bleitellurid und Kupferoxyd, sind sogenannte Störstellenhalbleiter, d. h. das Ausgangsmaterial enthält kleine Mengen kennzeichnender Verunreinigungen oder Aktivatoren, die zu einem Überschuß an einer von den beiden Arten elektrischer Ladungsträger, nämlich Elektronen und Defektelektronen, im Halb leitermaterial führen. Diese Verunreinigungen können in dem gegossenen Halbleitermaterialstück enthalten sein oder während der Herstellung des Halbleitermaterials zugesetzt werden. Wenn der vorherrschende Aktivator ein Donator ist, so bilden Elektronen die normalerweise im Überschuß vorhandenen freien Ladungsträger, und das Halbleitermaterial wird als N-leitend bezeichnet. Wenn der vorherrschende Aktivator ein Akzeptor ist, so bilden Defektelektronen oder Löcher die normalerweise im Überschuß vorhandenen freien Ladungsträger, und das Material wird als P-leitend bezeichnet.
Störstellenhalbleitendes Germanium hat bei Raumtemperatur einen spezifischen Widerstand im Bereich von wenigen Ohm · cm bis zu einigen zehn Ohm · cm, und die Dichte der im Überschuß vorhandenen Ladungsträger bei dieser Temperatur ist von der Größenordnung von 1015 je ecm. Ideales halbleitendes Germanium würde bei Raumtemperatur einen spezifischen Widerstand von etwa 60 Ohm · cm haben, und im wesentlichen eine gleiche Anzahl von Löchern und Elektronen enthalten.
Halbleiterverstärker sind für die Erzeugung, Verstärkung, Modulation von elektrischen Signalen bekannt. Bei diesen erfolgt im allgemeinen eine Injektion von Ladungsträgern in eine Zone aus störstellenhalbleitendem Halbleiter, wobei die injizierten Ladungsträger ein anderes Vorzeichen haben als diejenigen, die normalerweise im Überschuß in der Zone anwesend sind. Die Ladungsträgerinjektion wird entsprechend den zu übertragenden Signalen gesteuert, wobei unter anderem die Leitfähigkeit des Halbleiterkörpers bzw. der Zone entsprechend moduliert wird. Die verstärkte Wiedergabe der Signale erfolgt in einem der Vorrichtung zugeordneten Arbeitskreis. Die Begrenzung der Leistung solcher Halbleiterverstärker, insbesondere bei der Grenzfrequenz ergibt sich aus der endlichen Laufzeit der Ladungsträger, die an dem Leitungsvorgang beteiligt sind. Auch ist
Anmelder:
Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr. Dr. R. Herbst, Rechtsanwalt,
Fürth (Bay.), Breitscheidstr. 7
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 14. März 1952
William Shockley, Madison, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
im allgemeinen und insbesondere bei Punktkontaktanordnungen, sofern nicht besondere konstruktive Maßnahmen vorgesehen sind, die erzielbare Stromverstärkung verhältnismäßig klein. Es sind aber außer der Ähnlichkeit mit Elektronenentladungsvorrichtungen Maßnahmen verfügbar, um Abhilfe zu schaffen.
Halbleiterverstärker mit höherer Grenzfrequenz können dadurch erzielt werden, daß in dem halbleitenden Körper in bekannter Weise ein Raumladungsbereich aufgebaut wird. Dazu sind hohe Spannungen erforderlich. Die Ausdehnung eines solchen Bereichs ist begrenzt. Eine verbesserte Leistung hinsichtlich der Stromverstärkung kann durch Verwendung eines hochgereinigten Halbleitermaterials erzielt werden, bei welchem die Konzentration der im Überschuß vorhandenen Ladungsträger klein ist oder bei welchem Leitungselektronen-Löcher-Paare mit einem solchen Überschuß neu gebildet werden, daß praktisch diese beiden Arten von Ladungsträgern in im wesentlichen gleicher Zahl vorhanden sind. Die Leitfähigkeit des Körpers und damit der Stromfluß zwischen zwei metallischen Anschlüssen wird durch Injizieren von Ladungsträgern des einen oder anderen Vorzeichens gesteuert. Solche Vorrichtungen erfordern im allgemeinen verhältnismäßig hohe Stromdichten für einen zufriedenstellenden Betrieb und arbeiten nach dem Prinzip der Leitfähigkeitsmodulation in Bereichen, in welchen die Raumladung im wesentlichen Null ist. Die Erhöhung der Stromverstärkung wird indessen auf Kosten der Grenzfrequenz erzielt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Art von Halbleiterverstärkern mit höherem
709 508/368
Grenzfrequenzbereich, höheren Stromverstärkungen in einem weiten Steuerbereich und bei sehr hohen Stromdichten zu ermöglichen.
Erfindungsgemäß wird jede der Halbleiterschichten störstellenhalbleitend ausgebildet und wenigstens zwei solcher Halbleiterschichten oder Zonen durch einen eigenhalbleitenden Bereich getrennt. Dieser eigenhalb ■ leitende Bereich ist von sehr hoher Reinheit, so daß der spezifische Widerstand des Bereiche nicht mehr
entsprechend dem Potential der dritten oder Steuerzone zugänglich. Infolge des ausgeschwemmten eigenhalbleitenden Charakters des Gesamtmaterials wird durch die Emission von Ladungsträgern eine Raumladung aufgebaut, die dadurch verändert werden kann, daß das Potential des Kollektors oder der Steuerzone verändert wird, wodurch der Ladungsträgerstrom vom Emitter zum Kollektor gesteuert wird. Die Raumladung kann durch den Einfluß der
als etwa 5 °/o von der Eigenhalbleitung abweicht. Es io Steuerzone verändert werden, so daß Ladungsträger sind dadurch Bedingungen gewährleistet, bei welchen in das Gesamtmaterial injiziert werden. Da das Vorzeichen dieser Ladungsträger dem Vorzeichen der in den Emitter eingebrachten Ladungsträger entgegen
gesetzt ist, bewirken sie eine Neutralisierung der er-
eine reine raumladungsbeschränkte Emission in Ger
manium stattfindet. Die Verunreinigungsdichte sollte
vorzugsweise geringer als ein Zehntel der Dichte der
Leitungselektronen im Leitungsband des eigenhalb- 15 wähnten Raumladung. Die Neutralisierung ist von leitenden Materials sein. Der Bereich mit Eigenhalb- der Anzahl der Ladungsträger abhängig, so daß dieleitung des aus Germanium oder Silizium bestehenden selben den Strom zum Kollektor steuern. Körpers wird zweckmäßig mit einer Aktivator- oder Für diese Halbleiterverstärker sind zwei Umstände
Verunreinigungsdiehte ausgeführt, die geringer ist als besonders zu erwähnen, nämlich die Befreiung der 1013 cm~3. Quantitativ gesehen sollte für Abmes- 20 Eigenleitungszone von beispielsweise durch tbersungen dieses Bereichs von χ cm bei einer Dielektri- mische Anregung neugebildeten Ladungsträgern und zitätskonstauten /C die Störung des Gleichgewichts
der Donator-Akzeptor-Dichte geringer sein als 5,5 ·
108· KIx, wobei das für den Bereich konstanter Beweglichkeit bestehende Feld von 103 Volt/cm den Leitungselektronen in Germanium entspricht. Für Löcher
Silizium ist das entsprechende Feld etwa
die Steuerung des Stroms der Ladungsträger vom Emitter in die Eigenleitungszone, die entweder durch ein Feld oder durch die Beeinflussung der Raumladung oder durch beides bewirkt wird. Es können dabei Veränderungen in der Trägerdichte auftreten. Bei einigen Ausführungsformen beschränken sich diese Veränderungen jedoch auf Ladungsträger eines Vorzeichens, während die Dichte der anderen La
104 Volt/cm. Für diesen Fall liegt die Dichtegrenze bei 5,5-10»-K/x.
Obwohl ein Betrieb im Bereich konstanter Beweg- 30 dungsträger vernachlässigt werden kann. Bei diesen lichkeit gewisse konstruktive Vorteile bieten kann, ist Ausführungsformen treten Veränderungen in der es nicht erforderlich, in dieser Weise zu arbeiten. Es
können etwas höhere Wechselstromimpedanzen in den
Gitter-Kollektor-Bereichen beim Arbeiten mit höheren
Feldern erzielt werden. Dabei sollen aber diese Felder
das Zener-Feld nicht erreichen, da dies zu einer
starken Neubildung von Elektronen-Loch-Paaren führen würde. Da das Zener-Feld für Silizium und Germanium höher als 105 Volt/cm ist, findet ein Betrieb unter dem Zener-Feld bei einer Dichte statt, die geringer als als 5,5 · 1010 ■ KIx.
Von den mindestens drei Zonen störstellenhalbleitenden Materials besitzen zwei Zonen gleichartigen Leitungstyp, und die dritte entgegengesetzten Leitungstyp. Jede dieser Zonen ist mit der Polarität vor·- gespannt, die der Polarität der darin im Überschuß enthaltenen Ladungsträger entgegengesetzt ist, so daß die in dem Gesamtmaterial neugebildeten Ladungsträger von einer Zone oder von mehreren Zonen entRaumladung auf und rufen wesentliche Veränderungen in den elektrischen Feldern hervor. Die resultierenden Felder tragen in günstigem Sinne zu einer Verminderung der Laufzeit bei.
Die verschiedenen Zonen können in verschiedener Weise angeordnet werden, wie sich aus der nachstehenden Erläuterung einiger Ausführungsbeispiele ergibt.
Das hier zur Verwendung geeignete Halbleitermaterial kann durch Reinigung von Störstellenhalbleitermaterial gewonnen werden. Vorteilhafterweise wird aus Einkristallen bestehendes Halbleitermaterial verwendet.
Die Zonen verschiedenen Leitungstyps können in dem Halbleiterkörper dadurch erzeugt werden, daß mit diesem ein Donator oder Akzeptor in Kontakt gebracht wird oder eine Legierung bzw. ein Gemisch aus dem den Körper bildenden Material und einem
gegengesetzter Polarität angezogen werden. Die im 50 Donator oder Akzeptor an den Körper angeschmolzen Halbleiter thermisch erzeugten Ladungsträger werden wird, so daß in dem Körper eine N- oder P-Zone gedaher aus dem eigenhalbleitenden Bereich herausge- bildet wird. Eine N-Zone erhält man, wenn das aufschwemmt. LTnter diesen Umständen hat der Halb- gebrachte Material ein Donator oder ein Donatorleiter eine niedrigere Leitfähigkeit als ideal reines träger ist, und eine P-Zone, wenn das aufgebrachte oder eigenhalbleitendes Material bei der gleichen 55 Material ein Akzeptor oder ein Akzeptorträger ist. Temperatur haben würde. Zum Beispiel ist Indium ein typischer Akzeptor und
Die beiden störstellenhalbleitenden Zonen gleichen Leitungstyps werden gegeneinander vorgespannt, so daß überschüssige Ladungsträger von der einen Zone in den ausgeschwemmten oder den eigenhalbleitenden Bereich gelangen und zur anderen Zone fließen. Die erste Zone soll im nachstehenden als Emitter und die zweite als Kollektor bezeichnet werden. Die dritte Zone, welche entgegengesetzte Leitfähigkeit besitzt, wird zur Steuerung dieses Trägerstroms zwischen den
beiden gleichartigen Zonen benutzt.
Die Steuerung kann in verschiedener Art und Weise erfolgen. Die Emission von Ladungsträgern durch den Emitter hängt von dem dem Emitter benachbar-
Antimon ein typischer Donator für Germanium.
An Hand der Zeichnungen soll die Erfindung noch eingehender erläutert werden. Es zeigt
Fig. 1 die perspektivische Ansicht eines Halbleiter ■ Verstärkers mit einem eigenleitenden Halbleiterkörper und Zonen verschiedenen Leitungstyps,
Fig. 2 die perspektivische Ansicht eines Halbleiterverstärkers nebst Schaltbild,
Fig. 3 A, 3 B und 3 C Potentialverteilungen im Halbleiterkörper nach Fig. 2 für bestimmte Vorspannungsbedingungen der Zonen,
Fig. 4 einen Halbleiterverstärker mit einer P-leitenden Steuerelektrode zwischen den N-leitenden Emit-
ten Feld ab, und dieses Feld ist für eine Steuerung 70 ter- und Kollektorbereichen,
Fig. 5 A bis 5D einen Halbleiterverstärker mit geänderter Anordnung der Zonen und der Potentialverteilung bei verschiedenen Bedingungen.
Fig. 6 einen Halbleiterverstärker in einer weitereu Ausführungsart, bei dem die Emitter- und Steuerzonen in abwechselnder Folge in einem Flächenteil eines eigenlialbleitenden Körpers angeordnet sind,
Fig. 7 A einen Halbleiterverstärker mit einer Hilfselektrode bzw. einem Gitter zwischen der Steuerelektrode und dem Kollektor,
Fig. 7ß Potentialverteilung im Halbleiterkörper nach Fig. 7 A,
Fig. 8 eine andere Ausführungsform des Halbleiterverstärkers für Gegentaktbetrieb,
Fiig. 9 eine weitere Ausführungsform des Halbleiterverstärkers, der besonders für Stromverstärkung geeignet ist,
Fig. 10 -eine der Fig. 9 ähnliche weitere Ausführung eines Halbleiterverstärkers,
Fig. 11 die perspektivische Darstellung eines Halbleiterverstärkers, hei welcher die Steuerzone vom eigenhalbleitenden Bereich umgeben ist,
Fig. 12 eine Abänderung der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform, bei welcher die Steuerzone eine Gitteranordnung enthält,
Fig. 13 eine weitere Ausführungsform des Halbleiterverstärkers, bei welcher der Emitter, der Kollektor und die Steuerzonen zylindrisch ausgebildet und koaxial angeordnet sind,
Fig. 14 eine weitere Ausführungsform des Halbleiterverstärkers, die insbesondere für den Betrieb bei verhältnismäßig niedrigen Emitterstromdichten geeignet ist,
Fig. 15 und 16 weitere Ausführungsformen, die bekannten Elektronenröhren entsprechen.
In den Zeichnungen sind die Zonen der Halbleiterkörper mit den Buchstaben N, P oder / bezeichnet, die die Art der Leitfähigkeit derselben angeben. ■ Stark N-leitendes Material, beispielsweise Germanium mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ohm · cm, ist mit Λ' + bezeichnet, schwach N-!eitendes Material, beispielsweise Germanium mit einem spezifischen Widerstand von 40 Ohm · cm, ist mit N— bezeichnet In ähnlicher Weise ist stark- bzw. schwachleitendes P-Material, beispielsweise Germanium mit einem spezifischen Widerstand von 0,01 Ohm · otn bzw. 40 Ohm · cm, mit P + bzw. P— bezeichnet.
Das Verständnis der vorliegenden Halbleiterverstärker wird erleichtert durch einen Vergleich der Formen und Grundlagen desselben mit denjenigen von Vakuumröhren. Bei vielen Vakuumröhren können die Elektroden in vier Gruppen eingeteilt werden, d. h. in Elektronen emittierende, Elektronen auffangende, Elektronen steuernde und Sekundärelektronen emittierende Flächen. Die Kathode einer Vakuumröhre wird im allgemeinen geheizt, und ihre Oberfläche ist von einer Raumladungsschicht bedeckt, die durch thermisch emittierte Elektronen gebildet ward. Bei einer durch Raumladung beschränkten Emission hat diese Raumladungsschicht das Entstehen eines Maximums in der potentiellen Energie für ein Elektron in Abhängigkeit vom Abstand zur Folge. Der über dieses Maximum hinaus fließende Strom kann durch statisch-mechanische Methoden berechnet werden, wobei man eine gute Annäherung nach dem Childschen Gesetz erhält. Die Potentialverteilung im Raum über die Raumladungsschicht ist durch die Grenzwerte und durch die Raumladungsschicht bestimmt, die von den Elektronen selbst erzeugt wird. Mit Ausnahme von den Fällen, in denen eine sekundäre Emission stattfindet, sind keine anderen Stromquellen oder Raumladungen in der Röhre vorhanden. Falls Gasmengen vorhanden sind, kann eine Ionenraumladung entstehen. Diese Raumladung hat das Bestreben, diejenige der Elektronen zu kompensieren und gestattet das Fließen von viel stärkeren Strömen in solchen Vorrichtungen wie gittergesteuerten Gasentladungsröhren und Bogenentladungsröhren. Ionen-raumladungen haben bei den meisten Verstärkern jedoch nachteilige Wirkungen infolge des Rauschens, das durch die lonenbewegung und durch Verzögerungen infolge Veränderung der Ionen verteilung bedingt ist.
Die Analogie für den Raum der idealen Vakuumröhre ist ein reiner eigenhalbleitender Germanium-, Silizium- oder ein anderer reiner Halbleiterkristall. Wenn der Halbleiter nicht rein ist und ein gestörtes Gleichgewicht der Donator- und Akzeptordichte aufweist, ist eine Restladungsdichte in diesem Raum ao vorhanden. Nachstehend werden die Kriterien gegeben zur Beurteilung, ob die Verunreinigungen einen stärkeren oder einen geringeren Einfluß auf das Verhalten des Halbleiterverstärkers haben.
Die Analogie für die thermisch emittierende Kathode ist ein Körper aus stark dotiertem NJMaterial, der in innigem Kontakt mit dem eigenhalbleitenden Hauptkörper steht und der als Emitter bezeichnet wird. Es können sowohl Elektronen als auch Löcher emittiert werden. Zunächst sei die Emission von Elektronen unterstellt. Bei einer bevorzugten Ausführungsform bilden der eigenleitende Halbleiterkörper und der Emitter Teile ein und. desselben Germanium-Einkristalls und unterscheiden sich nur in der Dichte der in ihnen enthaltenen Donatoren und Akzeptoren. Ein Vorteil des Emitters gegenüber einer thermisch emittierenden Kathode besteht in den an sich weit größeren Raumladungsdichten und darin, daß keine Heizung erforderlich ist.
Die Analogie für ein negatives Gitter oder eine Steuerelektrode ist eine Steuerzone von stark gedoptem P-Material. In der Nähe des negativen Gitterdrahtes ist das elektrische Feld so gerichtet, daß es das Bestreben hat, Elektronen vom Gitter abzuziehen. Im Analogiefall ist dieses Feld so beschaffen, daß es die Emission von Löchern aufhebt. Da der Steuerkörper aus stark gedoptem P-Material besteht, ist der Elektronenfluß aus diesem sehr klein, wie aus der Theorie der Sättigungsströme aus P-N-Verbindungen bekannt ist. Nach einer bevorzugten Ausführungsform bildet eine solche Steuerzone wiederum einen Teil des gleichen Einkristalls, aus welchem der Hauptkörper besteht.
Ein Vorteil des Analogiegebildes bzw. Halbleiterverstärkers besteht hierbei darin, daß das Gitter gegenüber dem Emitter nicht negativ zu sein braucht, um den Elektronenstrom zum Gitter im wesentlichen auf Null herabzusetzen, während es in einer Vakuumröhre negativ sein muß. Der Grund für dieses unterschiedliche Verhalten ergibt sich daraus, daß in einer Vakuumröhre die Elektronen ihre Energie beinhalten und daher das Gitter erreichen können, wenn dieses gegenüber der Kathode positiv ist. Beim Halbleiterverstärker geht Energie beim Leitungsvorgang verloren, und, sofern dieser in seiner Größe nicht einer mittleren freien Weglänge von etwa -1O-5 cm und kleiner entsprechen, bleibt die Bewegungsgröße der Elektronen nicht erhalten. Für das Verhindern eines Elektronenflusses zum Gitter genügt es daher, das Gitter so vorzuspannen, daß das Feld an seiner Oberfläche über einen Bereich elektronenabstoßend
welcher als Wärmeverbraucher wirkt und einen Betrieb bei hohen Leistungen ermöglicht.
Der in Fig. 2 dargestellte Halbleiterverstärker weist einen Körper ΙΟ, beispielsweise in Form eines 5 Kreuzes aus einem halbleitendem Kristall, z. B. Germanium oder Silicium, auf. An den durch die Arme des Körpers gebildeten Ecken befinden sieh vier Bereiche oder Zonen, wobei die beiden diagonal gegenüberliegenden Zonen 11 und 12 N-leitend und die
durch Leitungselektronen oder Löcher bei einer Trägerdichte von 1013/cms neutralisiert werden, geringer als ein Promille. Infolgedessen bleibt dieRaumladung der Donatoren und Akzeptoren im wesentlichen unverändert, selbst wenn sich die Trägerdichte innerhalb weiter Grenzen ändert. Dies bedeutet, daß die Ionenraumladung beim Betrieb der Vorrichtung als stationär und konstant betrachtet werden muß. Bei
ist, der groß genug ist, um einen Spannungsabfall von wenigen Zehnteln eines Volts zu erzeugen.
Die Analogie für die Anode ist wiederum ein N-Bereich, an dem jedoch eine Vorspannung angelegt ist. um Elektronen anzuziehen. Dies hat zur Folge, daß er einen schwachen Löcherstrom aussendet, der mit zunehmender Verunreinigungsdichte abnimmt.
Der Raumladung durch Ionen entspricht die Raumladung Nd bzw. λτ η durch Donatoren bzw. Akzeptoren
im Hauptkörper. Im Germanium ist bei Raumtempe- io Zonen 13 und 14 P-leitend sind. Der Hauptteil des ratur der Anteil der Donatoren und Akzeptoren, die Körpers besitzt jedoch einen hohen spezifischen Wider-
bei einer stand und ist eigenhalbleitend.
Die P-Zone 14 ist gegenüber der P-Zone 13 durch eine mit einem Arbeitswiderstand 16 in Reihe geschal-15 tete Gleichstromquelle 15 negativ vorgespannt. Die beiden N-Zonen 11 und 12 sind miteinander direkt und mit der P-Zone 13 über einen Eingangswiderstand 17 verbunden. Eine Vorspannungsquelle 18 kann in der dargestellten Polung zwischen den Verstärkern und Hochfrequenzvorrichtungen ist dies 20 N-Zonen und der P-Zone 13 vorgesehen sein. sehr vorteilhaft im Vergleich zu Gasentladungs- Es sei angenommen, daß der Körper 10 aus einem
röhren, bei welchen sich die Zahl und die Lage der ideal eigenhalbleitenden Material mit einer breiten Ionen ändert. Energielücke besteht, so daß die Zahl der darin ent-
Im Silizium kann andererseits ein beträchtlicher haltenen Ladungsträger, Löcher und Leitungselektro-Anteil der Elektronen in einem N-Präparat bei Raum- 25 nen vernachlässigbar ist. Ferner sei angenommen, temperatur an Donatoren gebunden sein. Veränderun- daß die N-Zonen mit den gleichen positiven und die gen in der Zahl der an Donatoren gebundenen Elek- P-Zonen mit den gleichen negativen Potentialen vortronen haben Veränderungen in der ionischen Raum- gespannt sind. Dann ist die Potentialverteilung im ladung zur Folge und können dazu verwendet werden, Körper in zur Ebene der Zeichnung in Fig. 2 par-Wirkungen hervorzurufen, die der Veränderung der 30 allelen Ebenen sattelförmig. Das Potential hat ein Ionendichte in Gasentladungsröhren entspricht. Hier- Minimum in den P-Zonen 13 und 14 und ein Maxibei ist hervorzuheben, daß diese Wirkung noch ge- mum in den N-Zonen 11 und 12. Aus diesem Grunde steigert werden kann durch die Verwendung starker haben die Ladungsträger beider Vorzeichen nicht das Konzentrationen von Donatoren und Akzeptoren bei Bestreben, in den eigenhalbleitenden Körper einzuannähernder Kompensation. Unter diesen Bedingun- 35 dringen, da positive Ladungsträger (Löcher) in den gen beträgt die für das Neutralisieren eines N-Präpa- P-Zonen durch das negative Potential dieser Zonen rates erforderliche Elektronendichte Ng-N11. Wenn N^ gehalten werden und in ähnlicher Weise die Leitungsgrößer gemacht und Nd-Na konstant gehalten wird, elektronen in den N-Zonen durch das positive so ergibt sich, daß der an Donatoren gebundene An- Potential dieser Zonen. Auch wenn ein Ladungsteil der Elektronen sich erhöht. Diese Mittel können 40 träger positiven oder negativen Vorzeichens gebildet dazu verwendet werden, um Hauptkörper zu erzielen, oder in dem eigenhalbleitenden Material auftreten bei welchen die Raumleitung durch »Ionisation« würde, so würde er durch die Felder, abgezogen oder neutraler Donator-Elektronenzentren stark erhöht ausgeschwemmt werden, wobei die Löcher durch die werden kann. Diese Ionisation kann durch »heiße P-Zonen und die Leitungselektronen durch die Elektronen« hervorgerufen werden, d. h. durch Elek- 45 N-Zonen angezogen werden.
tronen, deren durchschnittliche Bewegungsenergie Es sollen nun die Bedingungen betrachtet werden,
durch Anlegen starker elektrischer Felder erhöht die bestehen, wenn die P-Zone 14 stark negativ gegenwird, über der P-Zone 13 und die N-Zonen 11 und 12 das Bei der Besprechung der Analogien ist hervorge- gleiche oder im wesentlichen das gleiche Potential hoben worden, daß Leitungselektronen die aktiven 5° haben wie die P-Zone 13. Die Potentialverteilungen Ladungsträger bilden. Ähnliche Analogien bestehen in dem eigenhalbleitenden Material längs mehrerer natürlich für den Fall, daß die Löcher aktiv sind, wo- sich von der einen zur anderen Zone erstreckenden bei die Donatoren und Akzeptoren ihre Rollen Mittelebenen haben die in Fig. 3 A, 3 B und 3 C dartausehen und die Vorzeichen der Spannungen und gestellten Formen. Wenn die Zone 14 negativ gemacht Ströme umgekehrt werden. 55 wird, bildet sich ein starkes Feld im eigenhalbleiten-Mit Hinblick auf die Zeichnungen sei bemerkt, daß den Material, so daß eine Injektion von Ladungsträgern, insbesondere Löchern, in das eigenhalbleitende Material von der Zone 13 aus und ein Fluß dieser Ladungsträger zur Zone 14 stattfindet. Daher Hauptteil eigenhalbleitend, d. h. ausreichende Eigen- 60 wirkt die erstgenannte Zone als Emitter und die letzleitung besitzt, damit bei dem zwischen Emitter und tere als Kollektor.
Kollektor angelegten Potential der der Entnahme zu- Die Injektion von Löchern am Emitter 13 und der
gehörige Raumladungsbereich sich bis zum Emitter Fluß derselben zum Kollektor ist mit Hilfe der erstreckt und einen raumladungsbegrenzten Fluß N-Zonen 11 und 12 durch verschiedene einzeln oder durch den Hauptteil des Körpers veranlaßt. Bei 65 in Kombination verwendete Mechanismen steuerbar. dieser Ausführungsform ist jede der Quellen- und Wie sich besonders aus Fig. 3 ergibt, wird das die Entnahmezouen in starkem N-Typ (N +) ausgeführt, Löcherinjektion und den Löcherfluß bewirkende negawährend jede der beiden Steuerzonen starken P-Typ tive Feld durch das Anlegen positiver Potentiale an (P +) besitzen. An die Entnahmezone ist zweckmäßig die N-Zonen 11 und 12 vermindert, wobei die ein aus Kupf:r bestehender Kühlflügel angeschlossen, 70 Schwächung des Feldes mit zunehmenden positiven
Fig. 1 eine Ausführungsform eines Halbleiterverstärkers veranschaulicht, welche aus einem Halbleiterkörper, z. B. einem Germaniumkristall besteht, dessen
Potentialen an den N-Zonen zunimmt. Ferner bat die Anwesenheit von Löchern im eigenhalbleitenden Ma terial eine Raumladung zur Folge, die das Bestreben hat, die Injektion von Löchern vom Emitter aus herabzusetzen und zu begrenzen. Diese Raumladung ver- ändert sich entsprechend den Veränderungen der an die Steuerzonen 11 und 12 angelegten Potentiale.
Daher ist der Löcherfluß zum Kollektor 14 und damit der dem Arbeitswiderstand 16 zugeführte Strom entsprechend den über den Eingangswiderstand 17 aufgedrückten Signalen steuerbar.
Die erwähnte Raumladung kann auch dadurch gesteuert werden, daß die N-Zonen in geeigneter Weise vorgespannt werden, so daß eine derselben oder beide Leitungselektroden in das eigenhalbleitende Material injizieren, wodurch die Raumladung bei entsprechenden Veränderungen des Löcherflusses vom Emitter steuerbar neutralisiert wird.
Tn der bisherigen Erläuterung wurden die Löcher als die hauptsächlichen Ladungsträger betrachtet. Die Vorrichtung kann jedoch in gleicher Weise unter Verwendung von Leitungselektronen als hauptsächliche Ladungsträger betrieben werden. Für diesen Fall wird eine der N-Zonen 11 oder 12 als Emitter verwendet, und die andere N-Zone aber als Kollektor, während die beiden P-Zonen 13 und 14 als Steuerelemente dienen.
An Stelle von ideal eigenhalbleitendem Material können auch Materialien verwendet werden, die sehr kleine Mengen bestimmter Verunreinigungen enthalten, wobei die Leistung praktisch keine Änderung erfährt. Bei einem solchen fast eigenhalbleitenden Material findet eine gewisse Bildung von Elektronen-Löcher-Paaren bei allen praktisch vorkommenden Temperaturen statt. Wenn jedoch Spannungen an die verschiedenen Zonen zur Erzeugung von Potentialverteilungen der in Fig. 3 dargestellten Art angelegt werden, werden die gebildeten Ladungsträger abgezogen oder ausgeschwemmt, so daß das Hauptmaterial des Körpers 10 praktisch frei von thermisch erzeugten Ladungsträgern ist. Die gegebenenfalls vorhandene Trägerkonzentration ist so klein im Vergleich zur Dichte der beim Betrieb der Vorrichtung injizierten Ladungsträger, daß sie für praktische Zwecke vernachlässigt werden kann. Auch wird, wenn das fast eigenhalbleitende Material einen Überschuß an Donatoren oder Akzeptoren enthält und wenn die Ladungsträger ausgeschwemmt werden, ein Raumladungseffekt hervorgerufen, wodurch Potentiale entstehen, die jedoch für Halbleiterkörper von geringen Abmessungen klein und praktisch vernachlässigbar sind.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist der beispielsweise aus Germanium bestehende Halbleiterkörper, der die Form einer Stange oder eines dünnen Streifens haben kann, zwei N-leitende Zonen 110 und 120 auf entgegengesetzten Seiten einer Zone bzw. eines Bereichs 100 aus im wesentlichen eigenhalbleitendem Material auf. Innerhalb des eigenhalbleitenden Kristalls befinden sich P-leitende Zonen 130, die so angebracht sind, daß sie ein Gitter bilden. Diese P-Zonen sind miteinander elektrisch, beispielsweise durch einen äußeren nicht gezeigten Verbindungsdiraht verbunden. Hiernach dienen die N-Zone 110 als Emitter, die N-Zone 120 als Kollektor und die P-Zonen 130 als Steuerelement.
Die P-Zonen 130 können in der Weise hergestellt werden, daß der Halbleiterkörper mit Bohrungen von einigen hundertste! Millimeter Durchmesser versehen wird. In diese Bohrungen wird ein Akzeptor z. B. Indium oder eine Legierung des Halbleiters mit einem Akzeptor, z. B. Germanium - Indium, eingebracht. Dann wird das Ganze erhitzt, so daß das eingebrachte Material mit dem umgebenden Halbleiterkörper verschmilzt.
Die beiden N-Zonen 110 und 120 sind gegenüber der P-Zone 130 mit Hilfe von Batterien 19 und 20 positiv vorgespannt, wobei die Zone 120 außerdem noch gegenüber der Zone 110 eine positive Vorspannung erhält. Ein Arbeitswiderstand 16 ist zwischen dem Emitter 110 und dem Kollektor 120 angeschlossen, und die zu übertragenden Signale werden zwischen dem Emitter 110 und dem Steuerelement 130, beispielsweise mit Hilfe eines Eingangstransformators 21, aufgedrückt.
Da der Bereich 100 aus eigenhalbleitendem Material besteht, sind die in diesem normalerweise vorhandenen Ladungsträger in ihrer Zahl und Wirkung vernachlässigbar. Die in diesem Bereich sich bildenden Ladungsträger werden, beispielsweise durch thermische Wirkungen, ausgeschwemmt, die Löcher von den P-Zonen 130 angezogen und die Leitungselektronen von den N-Zonen 110 und 120. Wenn der Kollektor 120 gegenüber dem Emitter 110 stark positiv gemacht wird, werden Leitungselektronen in den eigenhalbleitenden Bereich 100 injiziert und vom Kollektor abgezogen. Das sich im Leitungselektronenfluß vom Emitter zum Kollektor bildende Feld und damit der Kollektor, der Arbeitswiderstand und die Ströme sind die Steuerung durch die P-Zonen 130, insbesondere entsprechend den Veränderungen im Potential der P-Zone gemäß den dem Eingangsübertrager 21 zugeführten Signalen zugänglich.
Wie im Falle nach Fig. 2 kann bei dem in Fig. 4 dargestellten Halbleiterverstärker die Steuerung des Kollektorstromes durch zwei Mechanismen bewirkt werden. Veränderungen im Potential der Steuerzonen 130 rufen eine entsprechende Veränderung des Feldes hervor, durch das Leitungselektronen vom Emitter zum Kollektor abgezogen werden, wodurch entsprechende Veränderungen in dem Strom durch den Arbeitswiderstand 16 entstehen. Auch können sie, wenn die Steuerzonen eine entsprechende Vorspannung haben, Löcher in das eigenhalbleitende Material freigeben, wodurch die Raumladung infolge der am Emitter 110 injizierten Leitungselektronen unter entsprechender Veränderung des Belastungsstroms neutralisiert werden. Dieser Vorgang tritt automatisch ein, wenn die Vorspannungen so abgestimmt sind, daß die Spannung am Gitter leicht positiv gegenüber dem Potential ist, bei welchem es bei einem Null-Gitterstrom frei sein würde. Einer der beiden Mechanismen oder beide zusammen bewirken die Steuerung des Belastungsstromes entsprechend den den Steuerzonen durch den Eingangsübertrager 21 aufgedrückten Signalen.
Bei der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform bestehen die hauptsächlich beteiligten Ladungsträger aus Leitungselektronen. Die Erfindung kann aber auch in der Weise ausgeführt werden, daß Löcher als hauptsächliche Ladungsträger benutzt werden. Daher können dort auch die Emitter- und die Kollektorzone P-leitend, das Steuerelement N-leitend und die Polarität der Stromquellen umgekehrt sein, wie es gezeigt ist.
Die konstruktiven Merkmale für die in Fig. 4 gezeigte Kristalltriode können ähnlich denjenigen der in Fig. 2 gezeigten sein mit entsprechender Abänderung für die abweichende Ausbildung des Gitters. Da eine Gitterform wie die in Fig. 4 gezeigte eine größere
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Zahl von Wegen zwischen den Steuerzonen aufweist, eigenhalbleitende Material 200 vom Emitter injizierlassen sich größere Steilheiten als bei der in Fig. 2 ten Leitungselektronen vom Kollektor angezogen gezeigten Ausbildung erzielen. Ein geringer Abstand werden. Der Fluß dieser Leitungselektronen wird zwischen den Gitterdrähten im Vergleich zu den entsprechend den den negativ vorgespannten Steuer-Gitter-Kollektor-Abständen ergibt einen hohen Ver- 5 zonen 230 zugeführten Signalen gesteuert. Die Stärkungsfaktor. Ferner kann die Raumladung in Steuerung wird durch einen oder mehrere der in dem Emitter-Gitter-Bereich durch Donatoren neutra- Verbindung mit Fig. 2 und 4 erläuterten Mechalisiert werden. nismen bewirkt.
Bei eigenhalbleitendem Material im Gitter-Emitter- Selbstverständlich können bei der in Fig. 6 dar-Bereich kann die Steilheit in genauer Analogie mit io gestellten Ausführungsform der Erfindung Löcher einer Vakuumröhre einfach dadurch berechnet wer- statt Elektronen für das Erzeugen des Ausgangsden, daß das Childsche Gesetz durch seine Analogie stromes verwendet werden. In diesem Falle würde ersetzt wird. Eine bevorzugte Arbeitsweise ist dann man den Kollektor 220 P-leitend machen und stark gegeben, wenn das Gitter negativ gegenüber dem negativ vorspannen und die P-Zonen 230 als Emitter Emitter oder zumindest gegenüber seiner unmittel- 15 und die N-Zonen 210 als das Steuerelement betreiben, baren Umgebung und der Kollektor positiv ist. Diese Halbleiterverstärker mit eigenleitenden Ein Vorteil gegenüber Vakuumröhren besteht Zonen können auch mit zwei oder mehreren Hilfsdarin, daß das elektrische Feld der Leitungselektronen oder Steuerzonen bzw. -Gitter-Zonen zwischen dem im Gitter-Kollektor-Bereich durch eine Donatordichte Emitterbereich und dem Kollektorbereich vorgesehen neutralisiert werden kann. Hierdurch wird verhindert, 20 werden. Zum Beispiel hat bei der in Fig. 7 A dargedaß sich das Feld in einem Abstand mit unerwünscht stellten Ausführungsform der Halbleiterkörper einen hohen Werten aufbaut, welche eine unerwünschte fast eigenhalbleitenden Mittelteil 100, der sehr Bildung von Elektronen-Loch-Paaren hervorrufen schwach N-leitend ist (N—), und stark N-leitende kann. Diese Dichte der Donatoren abzüglich der Ak- (N+) Emitter- bzw. Kollektorzonen 110 bzw. 120. zeptoren kann aus dem gewünschten Gleichstrom und 25 Zwischen dem Emitterbereich und dem Kollektorelektrischen Feld berechnet werden. In Fig. 5 A bis bereich sind zwei Elektroden oder Gitter 130 und 25 SD sind die Verhältnisse in einem solchen Gebilde angeordnet, von denen jedes aus einer Gruppe von dargestellt. Wie in Fig. 5 A gezeigt, sind Emitter P-Zonen besteht, wobei die beiden Gruppen parallel und Kollektor stark N-leitend, was durch N + ge- zueinander sowie parallel zum Emitterbereich und kennzeichnet ist, das Gitter ist P +, der Emitter- 30 zum Kollektorbereich angeordnet sind. Vorzugsweise Gitter-Raum ist eigenhalbleitend, und der Gitter- liegen die Zonen in beiden Gruppen in einer Rich-Kollektor-Raum ist schwach N-leitend, was durch tung hintereinander.
N— gekennzeichnet ist. Fig. 5 B zeigt das Energie- Emitter, Kollektor und Gitter 130 können mit niveau der Leitungselektronen. Dieses zeigt eine Ana- Bezug aufeinander in der gleichen Weise wie in logie für das Childsche Gesetz im Emitter-Gitter- 35 Fig. 4 vorgespannt und das Gitter 130 als Steuer-Bereich und einen Übergang zu einem stärkeren elektrode verwendet werden. Die Elektrode 25 kann gleichmäßigen Feld im Gitter-Kollektor-Bereich. als Schirmgitter zur Verminderung der Kapazität Dieses gleichmäßige Feld entspricht der Restraum- zwischen dem Kollektor und dem Steuergitter 130 ladung, und diese wird dadurch erzielt, daß eine benutzt werden, ähnlich einem Schirmgitter in gleichförmige Donatorendichte über den ganzen Be- 40 Elektronenentladungsvorrichtungen. Hierbei ist zu reich vorhanden ist, wie in Fig. 5 D gezeigt, welche erwähnen, daß, wenn die Elektrode 25 als Schirmgerade ausreicht, die Leitungselektronendichte, die gitter benutzt wird, diese im wesentlichen mit NuIldurch den gewünschten Strom und das gewünschte strom betrieben werden kann, selbst wenn sie gegen-FeId, das in Fig. 5 C gezeigt ist, erzeugt wird, zu über dem Emitter eine positive Vorspannung hat. Das kompensieren. Ein ganz ähnliches Verhalten der Vor- 45 Gitter 25 kann auch als zweite Steuerelektrode verrichtung würde man erhalten, wenn die Dichte der wendet werden, wodurch die Modulation oder das Donatoren Ar d den gleichen Wert über den ganzen Mischen der Signale bewirkt werden kann. Raumladungsbereich haben würde. Hieraus ergibt Die Potentialverteilung im Halbleiter des in sich, daß infolge der Möglichkeit der Kompensation Fig. 7 A dargestellten Halbleiterverstärkers ist in die maßgebende Dichte der Differenz der Donatoren- 50 Fig. 7 B gezeigt. Die Werte bei χ und y der Kurve und Akzeptorendichte Nd —Na entspricht und nicht entsprechen den Linien zwischen den Zonen der Elekgleich Nd ist. troden 130 und 25 und durch diese Zonen. Es ergibt Durch Steuern der Donator- und Akzeptordichte sich daraus, daß diese Zonen geringfügig negativ im Gitter-Kollektor-Bereich läßt sich eine günstige gegenüber den unmittelbar benachbarten Teilen des Charakteristik hinsichtlich der Laufzeit erzielen, so 55 Körpers 100 sind.
daß bei bestimmten Frequezen die am Kollektor er- Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform der scheinende Wechselstromimpedanz eine hohe positive Erfindung besteht der beispielsweise aus Germanium oder sogar negative Widerstandskomponente hat. bestehende Halbleiterkörper 200 aus eigenhalbleiten-Bei der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform dem Material und hat eine N-leitende Emitterzone des Halbleiterverstärkers haben die N-leitenden 60 210 und zwei N-leitende Kollektorzonen, 220 A und Emitterzonen 210 und die P-leitenden Steuerzonen 220 B, die sich an gegenüberliegenden Seiten und in die Form von Streifen, die parallel und wechsel- gleichem Abstand von einer P-leitenden Sperrzone 26 weise auf einer Fläche des eigenhalbleitenden Körpers befinden. Die letztere liegt der Emitterzone 210 unverlaufen. Der Kollektor 220 befindet sich auf der mittelbar und in gleicher Flucht gegenüber. Auf ententgegengesetzten Fläche des Körpers und kann die 55 gegengesetzten Seiten der Fluchtlinie des Emitters Form einer Schicht haben, die die gleiche Ausdehnung 210 und der Sperrzone 26 und in gleichem Abstand wie diese Fläche hat. Emitter und Kollektor sind von dieser befinden sich zwei P-leitende Steuerzonen durch die Stromquellen 19 und 20 positiv vor- 230<* und 230ß.
gespannt, wobei die Kollektorvorspannung wesentlich Wie in Fig. 8 gezeigt, ist die Sperrzone 26 ungrößer ist als die des Emitters, so daß die in das 70 mittelbar mit dem Emitter verbunden und die Kollek-
toren 220 sind gegenüber dem Emitter durch eine Stromquelle 20 positiv vorgespannt. Die jeweiligen Arbeitswiderstände 16A und 16ß sind mit den Kollektoren verbunden, und die Signalquellen 21A und 27ß sind jeweils zwischen dem Emitter und jeweils einer Steuerelektrode bzw. -zone 23O14 und 230B geschaltet.
Beim Betrieb der in Fig. 8 dargestellten Vorrichtung werden Leitungselektronen vom Emitter 210 in den eigenhalbleitenden Körper 200 injiziert, und es wird wegen des durch die Sperrzone 26 hervorgerufenen relativen Potentials der Leitungselektronenstrom geteilt, so daß den beiden Arbeitswiderständen 16 Strom zugeführt wird. Die Größe des jeden Arbeitswiderstandes zugeführten Stromes ist durch Veränderung des Potentials der Steuerzonen 23O*4 und 230B steuerbar. Wenn z. B. die Zone 230-4 negativ gemacht wird, kann der Strom zum Kollektor 220·4 vermindert oder unterbrochen werden. Daher kann die Vorrichtung beispielsweise als Steuerelement, Gegentaktverstärker oder Gegentaktmischer benutzt werden.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist der eigenhalbleitende Körper 200 eine N-leitende Emitterzone 210, zwei N-leitende Kollektorzonen 220 und eine P-leitende Hilfszone 260 auf. Die Hilfszone und die Kollektorzonen sind gegenüber dem Emitter durch Gleichstromquellen 190 bzw. 20 positiv vorgespannt, wobei den Kollektoren eine Belastung 16 zugeordnet ist.
Beim Betrieb der in Fig. 9 gezeigten Vorrichtung fließen Leitungselektronen vom Emitter 210 zu den Kollektoren 220Λ und 220ß. Die Hilfszone 260 ist gegenüber den unmittelbar benachbarten Teilen des Körpers 200 geringfügig negativ vorgespannt, so daß sie Löcher zurückhält und Leitungselektronen abstößt. Wenn der Zone 260 ein Signal durch den Generator 27 zugeführt wird, so daß diese Zone positiv wird, so nimmt sie Leitungselektronen auf und emittiert Löcher. Die letzteren fließen hauptsächlich zum Emitter 210 und verstärken dadurch den Strom zur Belastung. Es wird daher eine Stromverstärkung erzielt.
Eine Abänderung der in Fig. 9 dargestellten Vorrichtung ist in Fig. 10 gezeigt und weist ein Gitter 28 auf, das durch eine Reihe von N-leitenden Zonen gebildet wird, die der Hilfselektrode oder -zone 260 gegenüberliegen. Die Zone 260 injiziert Löcher in den eigenleitenden Körper 200, und diese fließen zum Emitter 210, wodurch die durch diesen bewirkte Leitungselektroneninjektion erhöht wird. Die Stärke des Löcherstromes wird durch den Signalgenerator 27 gesteuert, so daß der der Belastung 16 zugeführte Strom entsprechend verändert wird.
Entgegen der Darstellung in Fig. 10 kann das Eingangssignal auch der Elektrode bzw. dem Gitter 28 zugeführt werden. Auch kann der Ausgang statt vom Emitter von den Kollektoren 220 abgenommen werden.
Bei der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform, die als Abänderung der in Fig. 4 dargestellten gelten kann, hat die P-leitende Steuerzone 130 die Form eines Bandes, das sich um die eigenhalbleitende Zone 100^ und lOO5 erstreckt und an diese angrenzt. Die Steuerzone schneidet alle Linien längs der Oberfläche der eigenhalbleitenden Zone 100 zwischen dem Emitterbereich 120 und dem Kollektorbereich 110. Daher werden die Kriechströme vermindert und im wesentlichen alle Ladungsträger, die zwischen den Zonen 110 und 120 fließen, der Steuerung entsprechend den der Steuerzone ISO'4 zugeführten Signalen unterworfen.
Fig. 12 stellt eine Abänderung der in Fig. 11 gezeigten Ausführungsform der Erfindung dar, bei welcher die Steuerzone außer dem Bandteil 130·4 eine Vielzahl von sich überschneidenden Stäben oder drahtähnliehen Elementen 40 aufweist, die ein Gitter aus P-leitendem Material bilden, das elektrisch mit dem Baiidteil 130-4 verbunden ist.
Die verschiedenen Zonen, d. h. die Emitterzone, die Kollektorzone und die Steuerzone, können auch von kreisförmiger zylindrischer Gestalt und koaxial zueinander angeordnet sein. Eine solche Anordnung ist in Fig. 13 dargestellt und umfaßt eine Emitterzone HO'4, eine eigenhalbleitende Zone 1Ο0Λ und eine Kollektorzone 120Λ in gleichachsiger Anordnung. Das Steuerelement bzw. die Steuerzone aus P-leitendem Material wird durch parallele Stäbe 40·4 gebildet, die in einem zylindrischen Raum um und gleichachsig zur Emitterzone HO-4 angeordnet sind. Die Stabteile können an eimern oder beiden Enden durch ringförmige Anschlüisisie 41 an die P-leitenden Zonen140-4 verbunden sein.
Bei einigen Anwendungsformen kann der nach der Analogie des Childschen Gesetzes erzielbare Strom größer sein als der gewünschte, so daß ein nachteiliges Erwärmen die Folge ist. Ein Emitter mit einer niedrigeren Stromdichte, der diese möglichen Nachteile vermeidet, kann dadurch erzielt werden, daß der Halbleiter in der in Fig. 14 dargestellten Weise hergestellt wird. Unmittelbar neben der Emitterzone 110 ist eine schwach P-leitende Zone 42 vorgesehen, welche an die Zone 130 und an den eigenhalbleitenden Bereich 100 angrenzt. Diese Konstruktion ergibt ein kleines verstärktes Ansteigen des Potenzials wegen der mit der P-Zone 42 verbundenen Raumladung der Akzeptoren. Dies ermöglicht noch eine Steuerung des Stromflusses durch das Gitter bzw. die Steuerelektrode 130, jedoch mit einem niedrigeren Stromdichtepegel, als es der Fall wäre, wenn der eigenhalbleitende Bereich zwischen zwei stark N-leitenden Zonen sich erstrecken würde.
Diese Halbleiterverstärker können auch für Fernsteuerung und Verstärkungsregelung verwendet werden. Zwei beispielsweise Ausführungsformen sind in Fig. 15 und 16 dargestellt. Bei der in Fig. 15 dargestellten Ausführungsform wird die Steuerzone bzw. das Steuergitter 130 durch eine Reihe von Elementen gebildet, deren Abstand voneinander sich in einer bestimmten Weise längs des Gebildes verändert. Bei der in Fig. 16 dargestellten Ausführungsform sind die Elemente des Gitters bzw. der Steuerzone 130 in gleichmäßigem Abstand voneinander angeordnet, jedoch ändert sich der Abstand des Gitters vom Emitter in einer bestimmten festgelegten Weise.
Im allgemeinen können bei den verschiedenen beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen die N-leitenden und P-leitenden Zonen ausgetauscht werden, was natürlich entsprechende Veränderungen in der Polarität der Vorspannungen erfordert. Außerdem kann der Halbleiterverstärker nicht nur als Verstärker, auf den die Erläuterungen abgestellt sind, verwendet werden, sondern auch als Oszillator und Modulator und andere Signalübertragungsvorrichtungen. Die dargestellten Ausführungsformen sind nur als Beispiele erläutert worden, und es sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen möglich.

Claims (17)

Patentansprüche
1. Halbleiterverstärker mit einem Körper aus halbleitendem Material und mindestens drei Elektrodenanschlüssen zu Halbleiterschichten be-
stimmten Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Halbleiterschichten störstellenhalbleitend ist und daß wenigstens zwei solcher Halbleiterschichten durch einen eigenhalbleitenden Bereich getrennt sind.
2. Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eigenhalbleitende Bereich des Halbleiterkörpers eine erste Zone eines Leitungstyps von einer zweiten Zone entgegengesetzten Leitungstyps trennt und daß die Elektrodenanschlüsse jeweils an dem eigenleitenden Bereich an der ersten und an der zweiten Zone angeschlossen sind.
3. Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem eigenhalbleitenden Bereich ein Zonenpaar vom einen Leitungstyp und eine dritte Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp eingebaut und daß von den Elektrodenanschlüssen jeweils eine an jede Zone des Zonenpaares und an die dritte Zone angeschlossen ist.
4. Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe und Polaritäten der an die jeweiligen Elektroden angeschlossenen Spannungen so gewählt sind, daß sie die in dem eigenhalbleitenden Bereich gebildeten Ladungsträger aus diesem abziehen, einen Strom von Ladungsträgern einen Vorzeichens zwischen in Abstand voneinander befindlichen Stellen dieses eigenleitenden Bereiches hervorrufen und diesen Strom steuern.
5. Halbleiterverstärker nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das eigenhalbleitende Material bis zu 5°/o vom spezifischen Widerstand des Eigenhalbleiters afrweicht, d. h. im wesentlichen eigenhalbleitend ist.
6. Halbleiterverstärker nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eigenhalbleitende Bereich des Körpers eine Verunreinigungsdichte hat, die geringer ist als ein Zehntel der Dichte der Leitungselektronen im Leitungsband des eigenhalbleitenden Materials.
7. Halbleiterverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der eigenhalbleitende Bereich des Körpers aus Germanium oder Silizium besteht und eine Aktivator- oder Verunreinigungsdichte aufweist, die geringer ist als 1013 je ecm.
8. Halbleiterverstärker nach Anspruch 3, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Zone von entgegengesetzter Leitfähigkeit an eine Linie angrenzt, die sich zwischen dem Zonenpaar von dem einen Leitungstyp erstreckt, wobei ein Arbeitswiderstand das Zonenpaar miteinander verbindet und eine Stromquelle enthält, die eine Zone des Zonenpaars gegenüber der anderen mit einem Potential vorspannt, dessen Vorzeichen demjenigen der normalerweise in dem Zonenpaar in Überschuß vorhandenen Ladungsträger entgegengesetzt ist, und daß ein Eingangskreis zwischen der vorgespannten Zone des Zonenpaars und der dritten Zone geschaltet ist.
9. Halbleiterverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingangskreis eine Potentialquelle enthält, durch die die dritte Zone auf ein Potential vorgespannt wird, dessen Vorzeichen demjenigen der normalerweise in der dritten Zone in Überschuß vorhandenen Ladungsträger entgegengesetzt ist.
10. Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eigenhalbleitende Bereich des Körpers ein Zonenpaar vom einen Leitungs.typ an entgegengesetzt liegenden Grenzflächen aufweist und dazwischen eime gitterförmige, sich quer durch den eigenhaiblei tenden Bereich erstreckende Anordnung von Zooan entgegengesetzten Leiitungstyps befindet.
11. Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zonenpaar vom einen Leitungstyp an den eigenhalbleitenden Bereich angrenzt und daß eine dritte Zone mit einer dem Zonenpaar entgegengesetzten Leitfähigkeit von dem eigenhalbleitenden Bereich des Körpers umgeben und diesem benachbart ist, wobei von den Elektrodenanschlüssen jeweils eine an jede Zone des Zonenpaars und an die dritte Zone angeschlossen ist.
12. Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Zonenpaar vom einen Leitungstyp an zwei entgegengesetzte Enden des eigenhalbleitenden Bereichs des Körpers angrenzt, daß ein zweites Zonenpaar von entgegengesetztem Leitungstyp an zwei anderen entgegengesetzten Enden des eigenhalbleitenden Bereichs angrenzt, daß jede Zone jedes Paares gegenüber den anderen Zonen auf ein Potential vorgespannt ist, dessen Polarität derjenigen der normalerweise im Überschuß darin vorhandenen Ladungsträger entgegengesetzt ist, und daß ein Arbeitswiderstand zwischen den Zonen des ersten Paares und ein Eingangskreis zwischen einer Zone des ersten Paares und dem zweiten Zonenpaar angeschlossen ist.
13. Halbleiterverstärker nach Anspruch 3 oder 4, gekennzeichnet durch eine erste Spannungsquelle, welche in dem eigenhalbleitenden Bereich einen Fluß einer Ladungsträgerart von der einen zur anderen Zone des Paares bewirkt, und eine zweite steuerbare Spannungsquelle für das Neutralisieren der durch die Ladungsträger verursachten Raumladung.
14. Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in entgegengesetzten Flächen des eigenhalbleitenden Bereichs eine Mehrzahl von störstellenhalbleitenden Zonen von gleichem Leitungstyp und in einer Fläche eine störstellenhalbleitende Zone entgegengesetzten Leitungstyps angeordnet sind.
15. Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Fläche derselben eine störstellenhalbleitende Zone vorgesehen ist und in der entgegengesetzten Fläche eine Reihe paralleler störstellenhalbleitender Zonen, wobei die benachbarten parallelen Zonen entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen.
16. Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste störstellenhalbleitende Zone an den eigenhalbleitenden Bereich angrenzt, eine zweite störstellenhalbleitende Zone an eine andere Stelle des eigenhalbleitende:i Bereichs angrenzt, ein erstes aus einer Gruppe störstellenhalbleitender Zonen gebildetes Gitter in dem eigenhalbleitenden Bereich zwischen der ersten und zweiten Zone angeordnet ist und ein zweites aus einer Gruppe störstellenhalbleitender Zonen gebildetes Gitter in dem eigenhalbleitenden Bereich zwischen dem ersten Gitter und der zweiten Zone liegt.
17. Halbleiterverstärker nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite störstellenhalbleitende Zone eine Emitter- bzw. eine Kollektorzone bilden, wobei ein Ausgangskreis mit der Kollektorzone verbunden ist, ein Eingangskreis zwischen der Emitterzone und dem ersten Gitter angeschlossen ist, und eine Potential-
quelle für das Vorspannen
mit diesem verbunden ist.
des zweiten Gitters
In Betracht gezogene Druckschriften: Phys. Rev., Bd. 83, 2. Serie, 1951, Heft 1, S. 151 bis 162.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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