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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.
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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.
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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.
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Durch die vorliegende Transistoranordnung lassen sich die Betriebseigenschaften
von Transistoren verbessern und die Frequenzbereiche erweitern.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Für den bipolaren Betrieb ist kennzeichnend, daß die Laufzeit von
Minderheitsträgern im Einbringungsgebiet eine Begrenzung der oberen Betriebsfrequenzgrenze
ergibt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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' @..
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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.
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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.
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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'.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Das elektrische Feld im Raumladungsgebiet ist nicht gleichmäßig und
hat einen Spitzenwert von (dV1dx),.ax = 1,5 V1W.
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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.