DE1025994B

DE1025994B - Halbleiteranordnung zur Gleichrichtung, Steuerung oder Verstaerkung elektrischer oder photoelektrischer Stroeme

Info

Publication number: DE1025994B
Application number: DED18418A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Helmut Salow
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 1954-08-09
Filing date: 1954-08-09
Publication date: 1958-03-13

Description

Halbleiteranordnung zur Gleichrichtung, Steuerung oder Verstärkung elektrischer oder photoelektrischer Ströme Bei Halbleiterwerkstoffen unterscheidet man im allgemeinen solche von n-leitendem oder solche von pleitendem Typ. Der erste Werkstoff ist dabei mit den Donatoren, den sogenannten Elektronenspendern, so stark dotiert, daß in der überwältigenden Mehrzahl die Elektronen den Ladungstransport übernehmen. Der p-Typ-Werkstoff enthält so viel Akzeptoren, daß nur eine Löcherleitung im Halbleiter auftreten kann. Die Technik ist aber auch in der Lage, Halbleiter herzustellen, die weder Donatoren noch Akzeptoren enthalten. Ein derartiger eigenleitender Halbleiter ist dadurch gekennzeichnet, daß Elektronen und Defektelektronen in gleicher Anzahl im Kristall auftreten und die Zahl dieser Elektronenpaare nur von der Temperatur abhängt. Der Halbleiter mit Eigenleitfähigkeit kann beispielsweise aus Germanium oder Silizium bestehen. Ein eigenleitender Halbleiter hat einige bemerkenswerte Eigenschaften, die sich zur Gleichrichtung, Steuerung oder Verstärkung elektrischer oder photoelektrischer Ströme ausnutzen lassen.
Man kann nämlich aus einem derartigen Eigenleitungsmaterial sämtliche durch die Temperatur erzeugten Ladungsträger herausziehen, wenn man dafür sorgt, daß an den Elektroden keine neuen Ladungsträger eingeschwemmt werden.
Die Erfindung bezieht sich auf eine bekannte Halbleiteranordnung zur Gleichrichtung, Steuerung oder Verstärkungelektrischeroder photoelektrischer Ströme unter Verwendung eines stabförmigen Halbleiterkörpers aus eigenleitendem . Halbleitermaterial, an dessen beiden Endflächen je ein p- und n-leitendes Halbleitermaterialstück derart ankristallisiert oder anlegiert ist, daß praktisch keine Elektronen aus dem p-Material und praktisch keine Defektelektronen aus dem n-Material in deneigenleitenden Halbleiterkörper eintreten und bei dem diese p- und n-Halbleitermaterialstücke mit sperrfreien metallischen Kontakten versehen sind, mit denen im Innern ein elektrisches Feld erzeugt wird, und an dem weitere p-oder n-Halbleitermaterialstü.cke ankristallisiert oder anlegiert sind und/oder weitere metallische punktförmige oder flächenhafte Kontakte aufgesetzt sind, die zusätzliche Ladungsträger in den eigenleitenden Halbleiter zu injizieren gestatten.
Das Einschwemmen der Ladungsträger kann in der Weise verhindert «-erden, daß an den Enden eines stabförmigen Halbleiterstückes aus eigenleitendem Material auf der einen Seite ein n-Typ-Material und auf der anderen Seite ein p-Typ-Material ankristallisiert wird. Die Stirnflächen dieses Halbleiterstabes tragen sperrfreie Metallkontakte.
`Fenn die Länge des n-Typ-Stückes größer ist als die Diffusionslänge von Löchern im n-Material und die Länge des p-Typ-Materials größer als die Diffusionslänge der Elektronen im p-Typ-Material, so können keine Löcher von der n-Seite her und keine Elektronen von der p-Seite her in das eigenleitende Halbleitermaterial eintreten.
Legt man nun an den in der Abb. 1 dargestellten Halbleiterstab ein Zugfeld derart an die Metallkontakte, daß von der n-Seite keine Elektronen und von der p-Seite keine Löcher in den Stab eintreten können, so fließen von außen überhaupt keine Ladungsträger in den Stab. Das außen angelegte Feld zieht vielmehr die im Innern erzeugten Elektronenpaare aus dein Kristall heraus. Dies führt zu einem Sättigungsstrom, der vom Bandabstand des Halbleitermaterials, von der Temperatur und von der Lebensdauer der Elektronenpaare abhängt. Im eigenleitenden Germanium befinden sich 3 - 101s Elektronenpaare je cm3 im thermischen Gleichgewicht. Rechnet man mit einer mittleren Lebensdauer der Paare von 1 Millisekunde, so werden im cm3 des Halbleiterstabes 3 - 101s Ladungsträgerpaare erzeugt. Werden diese ohne Rekombinationsverlust durch das äußere Feld an zwei gegenüberliegenden Seiten des Würfels abgesaugt, so entsteht ein Sättigungsstrom IS 1s = 1,6 - 10-1s . 2 . 3 . 101s = 9,5 . 10-3 Amp./cm=. Durch passende Formgebung kann in günstigsten technischen Ausführungsformen dieser Strom noch verkleinert werden. Es ist überdies anzunehmen, daß dieser Sättigungsstrom bei völliger Ladungsträgerfreiheit im Innern des eigenleitenden Körpers wesentlich abnimmt, da sowohl Reko;mbinations- als auch Erzeugungsrate von der Trägerdichte abhängen. Sind also diese Ladungen aus dem Halbleiterkörper entfernt, so wird sein Widerstand sehr hoch, da eine weitere Spannungserhöhung den Strom nicht mehr beeinflussen kann. Ein derartiges Halbleiterelement hat demnach in Sperrichtung einen hohen differentiellen Widerstand, während in Flußrichtung nur der Widerstand des eigenleitenden Materials auftritt, der bei geeigneter Formgebung und Geometrie des Eigenleitungskörpers verhältnismäßig niedrig gehalten werden kann. In Sperrichtung aber können praktisch beliebig hohe Sperrspannungen aufrechterhalten werden, denn ein Zenerdurchbruch des Kristalls ist nicht zu befürchten, da an keiner Stelle im Kristallinnern eine so hohe Feldstärke erreicht wird. Der Eigenleitungskörper kann immer eine Länge L von solcher Größe erhalten, daß die angelegte Spannung L' zu einer Feldstärke VIl führt, die kleiner als die Zenerdurchbruchsfeldstärke ist.
In Weiterbildung der bekannten Halbleiteranordnung zur Gleichrichtung, Steuerung oder Verstärkung elektrischer oder photoelektrischer Ströme unter Verwendung eines stabförmigen Halbleiterkörpers au: eigenleitendem Halbleitermaterial sind erfindungsgemäß weitere p- bzw. n-Halbleitermaterialstücke in der Nähe der Endflächen und weitere metallische Kontakte in der Mitte des eigenleitenden Halbleiterkörpers angeordnet. Durch die Anwendung der zusätzlichen Metallelektroden in der Mitte des eigenleitenden Halbleiterkörpers wird die Leitfähigkeit heraufgesetzt.
Die weiteren p- oder n-Halbleitermaterialstücke sind dagegen in der Nähe der Endflächen des eigenleitenden Halbleiterkörpers vorgesehen, um zu erreichen, daß der Widerstand die stärkste Änderung erfährt. Die Abb.2 zeigt eine Halbleitereinrichtung, bei der ein stabförmiger Halbleiterkörper i. aus eigenleitendem Halbleitermaterial vorgesehen ist, an dessen beiden Endflächen je ein p- und n-leitendes Halbleitermaterialstück ankristallisiert oder anlegiert ist. In der Nähe der Endflächen sind weitere p- bzw. n-Halbl,eitermaterialstücke p1 bzw. n1 angebracht. Ferner ist in der Mitte des eigenleitenden Halbleiterkörpers i ein weiterer metallischer Kontakt na vorhanden.
Der Sperrwiderstand der eigenleitenden Halbleiterkörper kann auf folgende verschiedene Arten gesteuert werden: 1. durch Injektion von Ladungsträgern, 2. durch Einstrahlung von Licht, 3. durch Bestrahlung mit Elektronen, ;-Teilchen, y-Strahlen oder irgendeine Elektronenpaare auslösende Strahlung.
Die Injektion kann also mit einem Metallkontakt oder auch an einem p- oder n-legierten Kontakt erfolgen. Darüber hinaus ergibt sich mit der Anordnung nach der Erfindung der besondere Vorteil, daß die Bestrahlung mit Licht oder mit einer anderen Elektronenpaare auslösenden Strahlung jetzt an großflächigen Eigenleitungskörpern vorgenommen wird, da im ganzen Eigenleitungskörper ein elektrisches Feld herrscht, das die Ladungsträger verschiedener Vorzeichen trennt, während man bisher für Materialstücke, die für die Strahlung empfindlich sind, lediglich auf die Größe der Diffusionslängen beschränkt war. Die bisher erwähnten Anwendungen zielten auf eine Änderung des Widerstandes des Eigenieitungskörpers hinaus. Es können aber auch echte Verstärkerwirkungen an diesem Halbleiterkörper hervorgerufen werden. Wenn z. B. den im Eigenleitungsbereich befindlichen Halbleiterkörpern an den zusätzlich aufgesetzten niederohmigen p-n-Kontakten ein elektrisches Signal aufgeprägt wird, so kann das Signal verstärkt an den sehr hochohmigen p-n-Endkontakten des Halbleiterkörpers abgenommen werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Halbleiteranordnung zur Gleichrichtung. Steuerung oder Verstärkung elektrischer oder photoelektrischer Ströme unter Verwendung eine stabförmigen Halbleiterkörpers aus eigenleitendem Halbleitermaterial, an dessen beiden Endflächen je ein p- und ein n-leitendes Halbleitermaterialstück derart ankristallisiert oder anlegiert ist, daß praktisch keine Elektronen aus dem p-Material und praktisch keine Defektelektronen aus dem n-Material in den eigenleitenden Halbleiterkörper eintreten und daß diese p- und n-Halbleitermaterialstücke mit sperrfreien metallischen Kontakten versehen sind, mit denen im Innern ein elektrisches Feld erzeugt wird, und an dem weitere p- oder n-Halbleitermaterialstücke ankristallisiert oder anlegiert sind und/oder weitere metallische punktförmige oder flächenhafte Kontakte aufgesetzt sind, die zusätzliche Ladungsträger in den eigenleitenden Halbleiterkörper zu injizieren gestatten, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren p- bzw. n-Halbleitermaterialstücke in der Nähe der Endflächen und die weiteren metallischen Kontakt. in der Mitte des eigenleitenden Halbleiterkörpers angeordnet sind.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die zusätzlichen Ladungsträger hervorgerufene Widerstandsänderung des eigenleitenden Halbleiterkörpers zum Schalten von Stromkreisen dient. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisches Signal an den weiteren Halbleitermaterialstück:n und metallischen Kontakten angelegt ist, das an den Ha.lbleitermaterialstücken an den Endflächen verstärkt abgenommen wird. -1. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestrahlung des eigenleitenden Halbleiterkörpers, beispielsweise eine solche mit Licht, mit Elektronen oder mit ;-Strahlung oder eine andere Elektron°nnaare bildende Strahlung zusätzliche Ladungsträger hervorruft, die eine Widerstandsänderung oder eine Änderung der Verstärkung bewirken. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1068ß68; USA.-Patentschrift Nr. 2623 105: Proc of the IRE. 1953, -To 11, S. 1311 bis 1313; The Bell System Technical Journal, 195-1. N r.
3, S. 517 bis 533.