DE1015153B - Halbleiter-Verstaerker mit einem Koerper aus Einkristall-Halbleitermaterial - Google Patents

Halbleiter-Verstaerker mit einem Koerper aus Einkristall-Halbleitermaterial

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DE1015153B
DE1015153B DEW9032A DEW0009032A DE1015153B DE 1015153 B DE1015153 B DE 1015153B DE W9032 A DEW9032 A DE W9032A DE W0009032 A DEW0009032 A DE W0009032A DE 1015153 B DE1015153 B DE 1015153B
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Description

  • Halbleiter -Verstärker mit einem Körper aus Einkristall-Halbleitermaterial Die Erfindung bezieht sich auf Signalübertragungseinrichtungen mit einem Halbleiterkörper aus elektrisch leitendem Halbleitermaterial, wie z. B. Germanium oder Silizium, insbesondere solche, wie sie unter dem Namen Transistoren bekanntgeworden sind.
  • Bisher bekannte Transistoren bestehen im allgemeinen aus einem Körper aus halbleitendem Material mit drei Anschlüssen, die Emitterelektrode, Kollektorelektrode und Basiselektrcde genannt werden. Bei einer Betriebsart werden Signale zwischen Emitterelektrode und Basiselektrode aufgedrückt, und man erhält verstärkte Abbilder dieser Signale an einem Lastwiderstand, der zwischen Kollektorelektrode und Basiselektrode angeschlossen ist. Es gibt mehrere verschiedene Arten solcher Halbleiter-Verstärker oder Transistoren. Bei einer Art sind die Emitterelektrode und die Kollektorelektrode Punktkontakte. Bei Flächentransistoren weisen die Emitterelektrode oder die Kollektorelektrode oder beide eine flächenhafte Verbindung zwischen zwei Zonen von entgegengesetztem Leitfäbigkeitstyp im Halbleiterkörper auf. Eine solche Verbindung wird gewöhnlich eine P-N-Verbindung genannt.
  • Beim Betrieb von derartigen Transistoren treten im allgemeinen an der Emitterelektrode Ladungsträger mit einem Vorzeichen, das dem Vorzeichen der normalerweise im Halbleiterkörper oder einer Zone desselben im Überschuß vorhandenen Ladungsträger entgegengesetzt ist, in den Halbleiterkörper oder in seine eine Zone ein und fließen zur Kollektorelektrode. Eine Begrenzung ergibt sich bei den üblichen Einrichtungen dieser Art durch die verhältnismäßig langen Laufzeiten der eintretenden Ladungsträger, wodurch der Arbeitsfrequenzbereich beschränkt werden kann. Ein Mittel, das zur Beseitigung dieser Begrenzung versucht worden ist, bestand im Anlegen eines elektrischen Längsfeldes im Körper, um den Fluß der eingebrachten Minderheitsträger von der Emitterelektrode zur Kollektorelektrode zu beschleunigen.
  • Durch die vorliegende Transistoranordnung lassen sich die Betriebseigenschaften von Transistoren verbessern und die Frequenzbereiche erweitern.
  • Das Verständnis soll durch die Betrachtung einiger besonderer Prinzipien, die beim Betrieb von Halbleiterübertragungseinrichtungen auftreten, erleichtert werden. Im allgemeinen können Halbleiter, ob sie nun chemische Elemente, wie Germanium oder Silizium, oder chemische Verbindungen, wie Kupferoxyd, sind, nach dem Leitfähigkeitstyp, d. h. N- oder P-Typ, unterschieden werden.
  • Die Leitung geschieht bei Störstellenhalbleitern der gewöhnlich verwendeten Art, d. h. bei nicht eigenleitenden Halbleitern, entweder durch Elektronen oder durch Löcher, wobei normalerweise im Halbleiterkörper eine Ladungsträgerart im Überschuß vorhanden ist. Insbesondere sind bei N-Typ-Halbleitern die normalerweise im Überschuß vorhandenen Ladungsträger Elektronen, die Leitung geschieht daher durch Elektronen. Bei P-Typ-Material sind die Löcher im Überschuß vorhanden, die Leitung geschieht infolgedessen durch Löcher. Der normale Ladungsträgerüberschuß hängt mit der Art der bezeichnenden Beimengungen zusammen, die im Überschuß im Halbleiterkörper vorhanden sind. Insbesondere ergeben Donatorbeimengungen Überschußelektronen, während Akzeptorbeimengungen Überschußlöcher hervorbringen. Bekanntlich bestimmt die Zahl der Überschußbeimengungszentren die Leitfähigkeit des Materials, wobei die Leitfähigkeit größer wird, wenn der Beimengungsgehalt zunimmt.
  • Man hat gefunden, daß in Halbleitern durch Erzeugung geeigneter Felder Gebiete hervorgebracht werden können, in denen die Konzentration von Löchern und Elektronen extrem klein ist, und zwar so klein, daß sie vernachlässigbar ist in? Vergleich zu dem Wert bei Stoffen mit den gewöhnlich verwendeten Leitfähigkeiten, bei Germanium z. B. 0,2 Ohm-' . cm-'. Solche Gebiete werden hier mit Raumladungsgebiete bezeichnet. In solchen Gebieten sind die Feldstärken auch bei kleinen Spannungen sehr groß. Infolgedessen werden alle in ein Raumladungsgebiet eintretenden Ladungsträger dieses sehr schnell durchqueren, d. h., die Laufzeiten werden sehr klein sein.
  • Raumladungsgebiete können in Halbleitern auf verschiedene Weise hervorgebracht werden. Zum Beispiel kann ein Raumladungsgebiet von vorbestimmter Dicke angrenzend an eine P-N-Verbindung dadurch erzeugt werden. daß eine SDannunz in Snerrichtunz an die Verbindung angelegt wird. Unter dieser Bedingung erhält man ein Raumladungsgebiet an der Verbindung, das sich zu beiden Seiten der Verbindung erstreckt und das eine Dicke aufweist, die von der Spannung an der Verbindung und dem Beimengungskonzentrationsgradient in der Nähe der Verbindung anhängt. Die Kapazität an dar Verbindung, die eine meßbare Größe ist, stellt ein Maß für die Dicke des Raumladungsgebietes dar, wie weiter unten ausgeführt wird.
  • Der grundlegende Vorgang beim Betrieb der bisher bekannten Transistoren besteht in der Einbringung von Minderheitsträgern aus der Emitter- oder Steuerelektrode in ein Basisgebiet, das eine verhältnismäßig hohe Konzentration von Mehrheitsträgern aufweist. In diesem Einbringungsgebiet besteht durch den Fluß von Mehrheitsträgern, welche die Raumladung der Minderheitsträger neutralisieren, Raumladungsneutralität. Es entsteht demnach eine Erhöhung der Gesamtzahl der Träger im Einbringungsgebiet und eine daraus folgende Erhöhung des Leitwertes dieses Gebiets. Diese Leitwertsänderung bringt Änderungen des Stroms im Kollektorelektrodenkreis hervor. Da bei den Grundvorgängen beim Betrieb dieser Transistoren notwendigerweise Träger beider Arten beteiligt sind, kann ein derartiger Transistor als bipolar bezeichnet werden.
  • Für den bipolaren Betrieb ist kennzeichnend, daß die Laufzeit von Minderheitsträgern im Einbringungsgebiet eine Begrenzung der oberen Betriebsfrequenzgrenze ergibt.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Rolle der Minderheitsträger zu verkleinern und damit die Frequenzgrenze zu erweitern, bei der die Transistoren wirksam arbeiten. Weiterhin kann ein Raumladungsgebiet in einem Halbleiterkörper angrenzend an einen metallischen Anschluß dadurch erzeugt werden, daß an die Verbindung zwischen Halbleiterkörper und Anschluß eine Vorspannung in Sperrichtung angelegt wird. Außerdem kann ein solches Gebiet dadurch hervorgebracht werden, daß zwischen den Halbleiter und einem angrenzenden Isolator ein geeignetes Potential angelegt wird.
  • Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Verstärker mit einem Körper aus Einkristall-Halbleitermaterial, z. B. Germanium und Silizium, welcher ein Gebiet eines ersten Leitungstyps, z. B. N-Typ, mit zwei in Abstand angeordneten ohmschen Anschlüssen und ein Gebiet des entgegengesetzten Leitungstyps, z. B. P-Typ, aufweist. Erfindungsgemäß ist als Steuerelektrode ein dritter ohmscher Anschluß an das Gebiet des entgegengesetzten Leitungstyps angebracht, das in gleichrichtendem und sperrschichtbildendem Kontakt mit dem Gebiet des ersten Leitungstyps steht und durch eine elektrische Spannung so vorgespannt und durch eine Eingangssignalspannung so moduliert ist, daß eine Raumladungszone veränderlicher Tiefe und eine Leitfähigkeitsmodulation im Halbleiterkörper des ersten Leitungstyps zwischen den ersten beiden ohmschen Anschlüssen entsteht und in dem Gebiet des ersten Leitungstyps nur eine Ladungsträgersorte, nämlich die Mehrheitsladungsträger, an der Stromleitung bzw. Verstärkung beteiligt ist.
  • Bei einer solchen Einrichtung nach der Erfindung, in der ein Raumladungsgebiet erzeugt ist, treten Ladungsträger in das Raumladungsgebiet ein und werden veranlaßt, zu einer Sammelelektrode auf einer Zone des Körpers zu fließen, die an das Gebiet angrenzt, wobei diese Zone den Leitfähigkeitstyp aufweist, bei dem die normalen Ladungsträger das gleiche Vorzeichen haben wie die eintretenden Träger.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besitzt der Halbleiter aneinander angrenzende P- und N-Zonen, eine Basiselektrode an der P-Zone, eine Sammelelektrode an der N-Zone, eine Spannungsquelle, um die Sammelelektrode gegen die Basiselektrode so vorzuspannen, daß ein Raumladungsgebiet an der P-N-Verbindung entsteht, und eine Steuerelektrode am Raumladungsgebiet, die so gepolt ist, daß Elektroden in das Gebiet eintreten.
  • Bei einem anderen Ausführungsbeispiel befinden sich Steuer- und Samm°lelektrode auf einer Oberfiiche einer Zone oder eines Körpers mit einem Leitfähigkeitstyp, ferner befindet sich ein Basisanschluß an der anderen Oberfläche, und schließlich sind sowz)hl Steuerelektrode als auch Sammelelektrode in Sp°rrichtung vorgespannt, um im Halbleiterkörper ein Raumladangsgebiet zu erzeugen, das sich zwischen Steuerelektrode und Sammelelektrode erstreckt.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Fließen der Ladungsträger durch eine Zote des Halbleiterkörpres dadurch gesteuert, daß die Breite eines Raumladungsgebietes in dieser Zone verändert wird, um hierdurch die Impedanz des von den Ladungsträgern durchquerten Weges zu ändern. Zum Beispiel kann bei einem Halbleiterkörper mit N-P-N-Aufbau, dar z. B. aus Germanium bestehen kann, der Strom zwischen den entgegengesetzten Anschlüssen auf der P-Zone dadurch gesteuert werden, daß eine veränderliche Spannung zwischen diese Zone und die beiden N-Zonen gelegt wird, wobei eine Spannungsquelle vorgesehen ist, die die beiden P-N-Verbindungen in Sperrichtung vorspannt.
  • Die Erfindung kann sowohl bei Einrichtungen mit Halbleitern aus chemischen Elementen als auch bei Einrichtungen mit Halbleitern aus chemischen Verbindungen angewendet werden. Beispiele für Halbleiter aus chemischen Elementen sind Germanium und Silizium von jedem Leitfähigkeitstyp, die in irgendeiner bereits bekannten Weise vorbehandelt sind. Beispiele für Halbleiter aus chemischen Verbindungen sind Kupferoxyd und Bleisulfid.
  • Halbleiterkörper mit P-N-Verbindungen, die geeignet sind, können auf verschiedene Weise hergestellt werden. Ein besonders vorteilhaftes Verfahren besteht darin, daß ein Keim aus Germanium in eine Germaniumschmelze eingetaucht und dann aus dieser mit einer solchen Geschwindigkeit herausgezogen wird, daß etwas von dem geschmolzenen Material mit herausgezogen wird. Während des Herausziehens wird der Leitfähigkeitstyp der Schmelze ein oder mehrere Male durch Zusatz von geeigneten Beimengungen geändert, wobei jede solche Änderung eine Umkehr des Leitfähigkeitstyps in einer Zone des herausgezogenen Körpers ergibt. Wenn die Schmelze z. B. anfänglich N-Leitfähigkeit aufweist, kann sie in den P-Typ durch Zusatz einer Akzeptorbeimetagung, z. B. Gallium, umgewandelt werden und anschließend durch Zusatz einer Donatorbeimengung, z. B. Antimon, in den N=Typ zurückgebracht werden,wodurch der herausgezogene Körper N-P-N-Aufbau erhält. Der Halbleiterkörper ist ein homogener Einkristall. Durch entsprechende Abstimmung der Mengen der zugesetzten Beimengungen und der Ziehgeschwindigkeit können die Konzentrationsgradienten in den verschiedenen Zonen geregelt werden. Eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit des Konzentrationsgradienten nahe bei einer P-N-Verbindung kann durch länger andauernde Erwärmung des Körpers auf etwa 900° C, z. B. für 24 Stunden, erzielt werden, um eine Diffusion der Beimengungen zu erreichen.
  • Die Erfindung und ihre verschiedenen Merkmale werden an Hand der folgenden Beschreibungen und Zeichnungen erläutert Fig. 1 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungen von Halbleiter-Verstärkern, bei denen jeweils die Eindringtiefe eines Raumladungsgebiets in einem Kanal eines Halbleiterkörpers den Leitwert des Kanals ändert; Fig. 5 zeigt ein Wirkung>;chiabill, auf dis bei der Erklärung des Arbeitsprinzips das neuen Halbleiter-Verstärkers Bazug genommen wird.
  • Bei dem in Fig. 1 d3.rgastellten Ausführungsbeispiel enthält der Halbleiterkörpar 10, der z. B. aus Germanium besteht, zwei N-Zonen 12A und 12B, die an die P-Zone 11 angrenzen. Ein solcher Körper kann z. B. dadurch hargestellt werden, daß ein dünner Schlitz 2D von z. B. 2,5. 10-2 cm Breite in die N-Zone eines Körpers mit einer N-P-Verbindung eingearbeitet wird. Der Schlitz kann, wie gezeichnet, im wesentlichen parallel sein, oder er kann eine andere Form aufwaisen, z. B. V-förmig sein. Wie in Fig. 1 dargestellt, befindet sich der Grund des Schlitzes 20 in unmittelbarer Nähe der P-N-Verbindung,j, der Abstand beträgt z. B. 2,5 -10-2 cm. An den Zonen 12A, 12B und 11 sind ohmsche Anschlüsse 15, 14 und 13 angebracht, die als Quellenelektrode, Abflußelektrode und Sperrelektrode arbaiten. Sowahl die Quellenelektrode 15 als auch die Abflußelektrode 14 sind positiv gegen die Sperrelektrode 13 vorgespannt, und zwar durch die Batterien 16 und 18. Hierdurch ist die P-N-Verbindung J in Sperrichtung vorgespannt. Die Quellenelektrodenvorspannung ist viel kleiner als die der Abflußelektrode. Beide Vorspannungen sind so bemessen, daß man ein Raumladungsgebiet S erhält, das zwischen der Sperrelektrode und dem Schlitz 20 liegt. Bei einer typischen Einrichtung, bei der der Abstand zwischen der Verbindung und dem Schlitz den oben angegebenen Wert hatte und die Leitfähigkeit der N-Zonen des Germaniumkörpers 10 etwa 0,2 Ohm-lcm-1 betrug, haben sich eine Quellenelektrodenvorspannung von 90 Volt und eine Abflußelektrodenvorspannung von 130 Volt als hinreichend erwiesen.
  • Wegen des Verhältnisses der Vorspannungen an der Quellenelektrode und an der Abflußelektrode ist die erstere negativ gegen die Abflußelektrode. Dementsprechend bringt die Quellenelektrode Elektronen in den Raumladungsraum S ein, die zur Abflußelektrode hin fließen. Diese Elektronen sind einem starken elektrischen Feld ausgesetzt, insbesondere in dem engen Teil des Raumladungsgebiets zwischen den Zonen 12A und 12B, und werden von der Abflußelektrode 14 herausgezogen.
  • Änderungen der Potentialdifferenz zwischen Quellen-und Sperrelektrode, die sich durch ein den Eingangsklemmen 21 aufgedrücktes Signal ergeben, bringen entsprechende Änderungen im Raumladungsgebiet S in der Nähe des Grundes des Schlitzes 20 hervor und damit entsprechende Änderungen an einem mit den Ausgangsklemmen 22 verbundenen Lastwiderstand 19. Die Wanderungsgeschwindigkeit der Elektronen ist groß, so daß die Laufzeiten von der Quellenelektrodenzone zur Abflußelektrodenzone klein werden. Infolgedessen ist ein Betrieb bei hohen Frequenzen zu verwirklichen.
  • Bei dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel enthält der Halbleiterkörper 10 eine N-Zone 12 zwischen zwei P-Zonen 11A und 11B, ohmsche Quellen- und Abflußanschlüsse 15 und 14 an entgegengesetzten Enden der N-Zone und ohmsche Sperranschlüsse 13A und 13B an den P-Zonen. Sowohl die Quellen- als auch die Abflußanschlüsse sind positiv gegen die Sperranschlüsse vorgespannt, wobei das Potential am Abflußanschluß viel größer als das am Quellenanschluß ist, wie es bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall war. Somit sind die Verbindungen J1 und J2 in Sperrichtung vorgespannt, und es entsteht wegen der hohen Vorspannung in der Nähe der Abflußelektrode 14 ein Raumladungsgebiet S. Modulationssignale, die an den Eingangsklemmen 21 aufgedrückt werden, modulieren entsprechend die Eindringtiefe des Raumladungsgebiets in die N-Typ-Zone und damit den Leitwert des Wegs zwischen den Quellen- und Abflußanschlüssen und die an den Ausgangsklemmen 22 entstehende Spannung.
  • Bei der in Fig. 3 gezeichneten Anordnung enthält der Halbleiterkörper 10, der z. B. aus Germanium besteht, äußere N-Zonen 12A und 12B mit ohmschen Anschlüssen 25 und eine dünne dazwischenliegende P-Zone 11 mit zwei ohmschen Anschlüssen 23 und 24. Die P-N-Verbindungen J1 und J2 zwischen der P- und den N-Zonen sind durch die Batterie 27 stark in Sperrichtung vorgespannt, wodurch ein Raumladungsgebiet an diesen Verbindungen entsteht. Das Potential an diesen Verbindungen wird entsprechend den Signalen verändert, z. B. mit Hilfe eines Eingangstransformators 26.
  • Wie oben beschrieban wurdo, ist die Breite des Raumladungsgebietes an einer P-N-Verbindung von der Spannung an der P-N-Verbindung abhängig. Wenn also die Spannungen an den Verbindungen J1 und J2 in Fig. 4 entsprechend der mit Hilfe des Übertragers 26 angelegten Eingangssignale verändert werden, ändert sich die Tiefe der Raumladungsgebiete an diesen Verbindungen in gleicher Weise. Infolgedessen bringt die sich ändernde Impedanz zwischen den Quellen- und Abflußanschlüssen 23 und 24 entsprechende Änderungen des Stroms in einem an die Ausgangsklemmen angeschlossenen Lastwiderstand hervor.
  • Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel ist im allgemeinen dem Beispiel in Fig. 3 ähnlich. Es unterscheidet sich dadurch, daß der Halbleiterkörper 10 nur eine einzige P-N-Verbindung J aufweist, die durch die Batterie 27 in Sperrichtung vorgespannt ist, um ein Raumladungsgebiet an der P-N-Verbindung hervorzubringen. Die Batterie 18 ist zwischen den Quellen- und Abflußanschlüssen angeschaltet, so daß der Quellenanschluß iVIehrheitsladungsträger einbringt und der Abflußanschluß diese sammelt. An die Eingangsklemmen21 angelegte Signale verändern die Spannung an der P-N-Verbindung, wodurch sich die Breite des Raumladungsgebietes und die Impedanz zwischen den Quellen- und Abflußanschlüssen 23 und 24 an der P-Zone 11 ändern. Die Spannung an dem Lastwiderstand 19, welcher an die Ausgangsklemmen 22 angeschlossen ist, wird entsprechend geändert.
  • Selbstverständlich ist die Erfindung allgemein anwendbar, d. h. sowohl auf Transitoren mit Elektronenleitung als auch auf solche mit Löcherleitung. So sind z. B. bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel die Ladungsträger Elektronen. Die Erfindung kann aber durch eine gleiche Einrichtung mit umgekehrten Polaritäten und Leitfähigkeiten verkörpert werden. Insbesondere können bei einer Einrichtung mit dem Aufbau der Fig. 1 die Zonen 12A und 12 B P-Typ und die Zone 11 N-Typ aufweisen, wobei die ersten beiden Zonen negativ gegen die dritte vorgespannt sind. Hierbei fließ°n die in das Raumladungsgebiet eintretenden Löcher zur Abflußelektro de.
  • Dar Zusammenhang zwischen den beim Aufbau und Betrieb einer speziellen Einrichtung verwendeten Bestimmungsgrößen wird durch die folgenden Betrachtungen an Hand dsr Fig. 5 verständlich werden.
  • Diese zeigt einen Aufbau, die eine Schicht L aus N-Halbleitermaterial enthält, die sich vom Quellenanschluß bis zum Abflußanschluß erstreckt. Es sei angenommen, daß diese Elektroden den Strom vorherrschend durch Elektronenleitung zur Schicht L führen, so daß die Stromleitung durch Löcher zu vernachläs3igen ist. An den Außenseiten der Schicht L befinden sich :)Isolierende Gebiete.<. Ferner sei angenommen, daß der Strom in diesen Gebieten vernachlässigbar ist. Die Gebiete können die Raumladungsgebiete in einer in Sperrichtung vorgespannten P-N-Verbindung sein, wie sie in Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 4 geschildert wurden. Das Beispiel in Fig. 5 ist nach oben und unten symmetrisch gezeichnet, um die Erklärung zu erleichtern.
  • Wenn Quellenelektrode und Abflußelektrode mit Erde verbunden sind und eine negative Vorspannung an die b-Gebiete angelegt ist, wird der Kondensator, der durch die b-Gebiete und L gebildet wird, aufgeladen. Seine Ladung steigt mit zunehmender negativer Ladung der Schicht L. Günstige Betriebsbedingungen treten auf, wenn die angelegte Spannung ausreicht, um die Leitungselektronen im wesentlichen vollständig aus einem Teil der Schicht L zu entfernen, so daß der Teil in den Raum-Iadungszustand kommt.
  • Die strichpunktierte Linie in Fig. 5 stellt schematisch die Art und Weise dar, wie sich das Raumladungsgebiet nach L hinein erstreckt, wenn die Anflußelektrode genügend positiv vorgespannt ist. Da die Quellenelektrode nicht so stark positiv vorgespannt ist, erstreckt sich die Raumladungsschicht in deren Nähe nicht soweit nach L hinein. Wenn man die Raumladungssituation, wie sie in Fig. 5 gezeichnet ist, erreicht, kann durch Betrieb mit geerdeter Quellenelektrode und an die Sperrelektrode angelegtem Eingangssignal Spannungs- und Leistungsverstärkung erzielt werden. Die Spannungsverstärkung ist eine Folge der hohen Abflußelektrodenimpedanz, die vom Raumladungsgebiet in der Nähe der Abflußelektrode herrührt. Der Grund hierfür ist, daß, wenn einmal die Raumladungsschicht vor der Abflußelektrode gebildet ist, eine zusätzliche positive Abflußelektrodenvorspannung sie nicht viel weiter wegtreibt. Infolgedessen wird die Verteilung der Leitfähigkeit in der L-Schicht nur wenig beeinflußt und der Elektronenstrom nur wenig verringert.
  • Unter diesen Betriebsbedingungen kann der Spannungsabfall am leitenden Teil der L-Schicht ein beträchtlicher Bruchteil der Spannung werden, die zum Vorspannen der Schicht als Raumladungsgebiet erforderlich ist. Ein typischer Wert für diese ); Wegdrücka-Spannung ist 100 Volt. Die Laufzeit der Elektronen durch die Schicht kann abgeschätzt werden aus der Formel t = (Länge)2/#tV, wobei t die Laufzeit, p. die Trägerbeweglichkeit und V die Spannung bedeutet; die Länge der Schicht kann z. B. 5. 10-3 cm sein. Mit diesem Wert wird somit die Laufzeit der Elektronen in Germanium sein t = 25 - 10-6/2,600 - 100 = 7 - 10-i1 sec. Tatsächlich ist die Laufzeit etwas länger, weil bei solch hohen Feldstärken die Beweglichkeit der Elektronen kleiner ist. Bei einer Feldstärke von 104 Volt/cm beträgt die Geschwindigkeit der Elektronen in N-Germanium etwa 8 -106 cm/sec und wächst auf etwa 10' cm/sec bei 4.104 Volt/cm. Diese Geschwindigkeiten führen zu Laufzeiten von etwa t = 5 - 10-3/10' = 5 - 10-10 sec bei diesem Beispiel. Es ist somit offensichtlich, daß, selbst wenn der Abfall der Beweglichkeit bei hohen elektrischen Feldstärken in Betracht gezogen wird, sehr kurze Laufzeiten auftreten, die einen Betrieb bei Frequenzen erlauben, der mit den bisher bekannten Transistoren vergleichbarer Größe nicht erreichbar ist. Es sei auch bemerkt, daß die Abhängigkeit der Beweglichkeit vom elektrischen Feld dazu führt, daß Ströme erzeugt werden, die unabhängig von der Spannung sind, wenigstens im Bereich großer elektrischer Feldstärken. Dies trägt zur hohen Impedanz der Abflußelektrode bei.
  • Einige allgemeine Bemerkungen können über den »Wegdrückc"-Zustand gemacht werden, die auf viele Anordnungen angewendet werden können. Wenn die Ladungsträger in der Schicht eine Ladungsdichte von 2 Q pro Flächeneinheit oder von Q in jeder Hälfte von L besitzen, dann muß die für das »Wegdrücken; der Schicht erforderliche dielektrische Verschiebung sein D=Q in Meter-Kilogramm-Sekunde-Einheiten. Diese Verschiebung erzeugt in dem isolierenden Gebiet eine Feldstärke von E=D/K-s, wobei K die Dielektrizitätskonstante und so die Dielektrizitätskonstante im freien Raum ist. Wenn das Feld im isolierenden Gebiet auf einen Maximalwert E' begrenzt ist, z. B. auf die Zener-Feldstärke in einer P-N-Verbindung oder die Durchschlagsfeldstärke in einem Isolator, dann ist die maximale Ladungsdichte, die weggedrückt werden kann, 2Q=2KsoE'. Wenn die Beweglichkeit der Ladungsträger #t ist, so ist die maximale Leitfähigkeit einer Einheitsfläche, die weggedrückt werden kann, G=2 #t Q =2KeoE' @..
  • Für N-Germanium mit E' = 105 Volt/cm = 10' Volt/m, wie es oben behandelt wurde, und #t = 0,36 m2jvolt sec ist G=2-16-8,85-10-12-0,36-10'= 1,0-10-3 Ohm-1.
  • Eine Kenntnis dieses Faktors ist von Wert beim Entwurf eines Halbleiter-Verstärkers gemäß der Erfindung oder bei der Kontrolle während der Herstellung. Offensichtlich hat ein vorteilhaft entworfener Halbleiter-Verstärker eine Leitfähigkeit pro Flächeneinheit, die nicht größer als dieser Wert ist.
  • Wenn eine begrenzende Wanderungsgeschwindigkeit v' bei hoher Feldstärke vorhanden ist, so führen die obigen Betrachtungen zu einer Bestimmung des maximalen Stroms pro Längeneinheit, der in dem Halbleiter-Verstärker fließen kann. Dieser Strom ist I =v'2Q=2v'-K-soE'.
  • Für v' = 10' cm/sec = 105 m/sec, K = 16 und E' = 10' Volt/m ergibt dies etwa 300 A/m. Bei einer einseitigen Einrichtung von 0,5 mm Länge verringert sich dieser Wert auf 75 Miniampere. Wenn die Schicht durch die Raumladung wesentlich dfinner wird, wird der Strom außerdem noch kleiner.
  • Aus diesen Betrachtungen wird offenbar, daß die begrenzenden Ströme in dem Halbleiter-Verstärker unerwünscht klein werden, wenn man sich nicht den maximal zulässigen Werten von G und Q fast ganz nähert.
  • Ein anderer Vorgang, der die Wirksamkeit der Modulation verringern kann, besteht im Festhalten von Ladungen bei Oberflächenaufladungen. Oberflächenaufladungen können auf der Fläche zwischen der L-Schicht und den isolierenden Gebieten auftreten. Diese Oberflächenaufladungen können einen Teil der durch die dielektrische Verschiebung erzeugten Ladung aufnehmen. Einer der Vorteile beim Arbeiten mit einer P-N-Verbindung wie die in die Fig. 1 bis 4 dargestellten Anordnungen statt mit einer isolierenden Schicht besteht darin, daß keine Unstetigkeit im Aufbau vorhanden ist, die zu Oberflächenaufladungen führt.
  • Die Formeln, die den Konzentrationsgradient a, die Dielektrizitätskonstante K, die Spannung V und die Breite der P-N-Verbindung W zueinander in Beziehung setzen, sind im Bell System Journal, Bd. 28, S. 435, »The Theory of p-n-Junctions in Semiconductors and p-n junction Transistors«, von W. Shockley besprochen. Kurz gesagt : In der Raumladungsschicht ist d2V/dx2 = -Qo/KEo, wobei die Ladungsschicht O = qamx ist. Hierbei ist x der Abstand von der P-N-Verbindung (d. h. von der Ebene, bei der die Donator- und Akzeptordichten sich aufheben), ao = 8,854.10-12 Farad/Meter (Dielektrizitätskonstante des Vakuums in Meter-Kilogramm-Sekunde-Einheiten), in der die Gleichung ausgedrückt ist, q die Elektronenladung und K = 16 für Germanium. Die Integration dieser Gleichung ergibt V = (qam16Kao) [3(W.12)2 x-xsj für die Lösung, die der Grenzbedingung der Feldstärke Null bei x = ± W",/2 genügt. Wenn die Breite der Ver= bindung W., m beträgt, ist die Potentialdifferenz an der Verbindung somit V = qa.W3.112K a0 = 9,4- 10-11 a.W,.3 (Volt) und die Kapazität pro Flächeneinheit G,. = K E,/W",, = 1,42 # 10-10/W. (Farad-Meter2). Für Werte von a in cm- 4, W in cm und in Pikofarad/cm2 lauten diese Gleichungen V = 9,4.10-9a W3, G = 1,42/w.
  • Das elektrische Feld im Raumladungsgebiet ist nicht gleichmäßig und hat einen Spitzenwert von (dV1dx),.ax = 1,5 V1W.
  • Obwohl verschiedene besondere Ausführungen der Erfindung dargestellt und beschrieben sind, so ist doch selbstverständlich, daß diese nur als Beispiele zu werten sind und verschiedene Abänderungen vorgenommen werden können.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Halbleiter-Verstärker mit einem Körper aus Einkristall-Halbleitermaterial, z. B. Germanium und Silizium, welcher ein Gebiet eines ersten Leitungstyps, z. B. N-Typs, mit zwei in Abstand angeordneten ohmschen Anschlüssen und ein Gebiet des entgegengesetzten Leitungstyps, z. B. P-Typs, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerelektrode ein dritter ohmscher Anschluß an das Gebiet des entgegengesetzten Leitungstyps angebracht ist, das in gleichrichtendem und sperrschichtbildendem Kontakt mit dem Gebiet des ersten Leitungstyps steht und durch eine elektrische Spannung so vorgespannt ist und durch eine Eingangssignalspannung so moduliert ist, daß eine Raumladungszone veränderlicher Tiefe und eine Leitfähigkeitsmodulation im Halbleiterkörper des ersten Leitungstyps zwischen den ersten beiden ohmschen Anschlüssen entsteht und in dem Gebiet des ersten Leitungstyps nur eine Ladungsträgersorte, nämlich die Mehrheitsladungsträger, an der Stromleitung bzw. Verstärkung beteiligt ist.
  2. 2. Halbleiter-Verstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet des ersten Leitungstyps zwischen zwei Gebieten des entgegengesetzten Leitungstyps liegt und daß an beiden ohmsche Anschlüsse angebracht sind. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 502 488; französische Patentschriften Nr. 986 263, 495 936; schweizerische Patentschrift Nr. 184 396; belgische Patentschrift Nr. 495 328.
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DE1093021B (de) * 1959-01-24 1960-11-17 Telefunken Gmbh Pnip- bzw. npin-Drifttransistor fuer hohe Frequenzen
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