DE1034775B

DE1034775B - Unipolartransistor mit einer Einschnuerung im mittleren Teil des Halbleiterstabes

Info

Publication number: DE1034775B
Application number: DET13945A
Authority: DE
Inventors: Stanislas Teszner
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1956-08-02
Filing date: 1957-07-31
Publication date: 1958-07-24
Also published as: FR1167044A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Unipolartransistoren zur Verwendung im Bereich sehr hoher Frequenzen.

Es sind bereits Unipolartransistoren bekannt, welche auf dem Prinzip der Modulierung eines Flusses von Ladungsträgern mittels eines elektrischen Transversalfeldes hoher Frequenz beruhen.

Bei diesen Unipolartransistoren hat die Ladung der Körper nur eine Polarität, und die Modulierung erfolgt über einen Gleichrichterkontakt mittels einer der Polarität des Körpers gleichen Polarität.

Eines der Kennzeichnen dieses Transistortyps ist, daß man denselben für ein sehr breites Frequenzband verwenden kann; er gestattet insbesondere eine Verstärkung von Signalen verhältnismäßig hoher Frequenz.

Immerhin gibt es bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen störende Begrenzungen für das Band der bei diesen Transistoren verwendbaren Frequenzen, die sich im wesentlichen aus den folgenden beiden Faktoren ergeben:

1. Die Ersatzkapazität C_e der zwischen der Modulations- bzw. Steuerelektrode und dem Leitkanal verteilten Kapazität sowie der Ersatzwiderstand R_e des Kanalwiderstandes ergeben eine Zeitkonstante von r_e = R_e · C_e. Hieraus leitet sich die Grenzfrequenz ab, nämlich

/ C

2n-R_e-C_e

2. Die Laufzeit x_t der Ladungsträger von einem Ende der Steuerelektrode zum anderen ergibt eine absolute Verwendungsgrenzfrequenz, welche ausgedrückt wird durch die Formel

Tm j

(2)

in welcher ν die mittlere Geschwindigkeit der Ladungsträger und L die Länge der Steuerelektrode bedeuten.

In der Praxis wirkt sich der Faktor 1 sehr viel einschränkender aus als der Faktor 2 und ergibt eine sehr viel niedrigere Grenzfrequenz. Man muß also in erster Linie bestrebt sein, die Zeitkonstante R_e- C_e kleiner zu machen, stößt jedoch hierbei auf große Schwierigkeiten.

Vermindert man nämlich die Länge L der Steuerelektrode, dann überschreitet das elektrische Feld in dem Kanal raserr dm kritischen Wert, über den hinaus die Geschwindigkeit der Ladungsträger nicht mehr konstant ist. Die Änderung μ. dieser Geschwindigkeit erfolgt zunächst proportional zu E~¹¹², E ist die Feldstärke des elektrischen Feldes , um sich schließlich proportional dem Wert E~^x zu nähern, woraus sich für die Geschwindigkeit der Ladungsträger die Notwendigkeit ergibt, einen be-Unipolartransistor mit einer Einschnürung im mittleren Teil des Halbleiterstabes

Anmelder:
Stanislas Teszner, Paris

Vertreter: Dr. M. Eule, Patentanwalt,
München 13, Kurfürstenplatz 2

Beanspruchte Priorität:
Frankreich vom 2. August 1956

Stanislas Teszner, Paris,
ist als Erfinder genannt worden

stimmten Grenzwert nicht zu überschreiten; dieser letztere beläuft sich beispielsweise für Elektroden an Germanium des η-Typs auf etwa 6 · 10⁶ cm/sec (Versuchsergebnisse von E. J. Ryder, Physical Review vom 1. Juni 1953, S. 766 bis 769). Auf diese Weise steigt der spezifische Widerstand des Kanals zunächst proportional zu E^ll% und dann zu E an. Schließlich bleibt der Widerstand R_e trotz der Verkürzung der Elektrodenlänge konstant.

Andererseits, wenn die Länge der Elektrode gleich der halben Querdimension des Kanals wird, also gleich dem Radius im Falle einer zylindrischen Form bzw. gleich der Hälfte der kleineren Seite des rechteckigen Querschnittes im Falle einer prismatischen Form, dann vermindert sich die Kapazität C_e nicht mehr ungefähr proportional zu L, und der Randeffekt wirkt sich hier in einer Störkapazität aus, die sich verhältnismäßig mehr und mehr bemerkbar macht.

Schließlich wird es, je kürzer die Steuerelektrode wird, um so schwieriger, die Wärme abzuführen, welche durch die dem Kanal zugeleitete Energie erzeugt wird.

Man wird somit dazu veranlaßt, die Lösung in der Verminderung der Querdimension des Kanals und parallel damit in einer Erhöhung der Leitfähigkeit des verwendeten Halbleiters, z. B. Germanium oder Silicium, zu suchen. Man kann also die Länge L verkürzen und gleichzeitig aus der Verminderung von R_e und C_e Nutzen ziehen. Ferner bleibt die abzuleitende Energie noch in annehmbaren Grenzen.

809 578/362

3 4

Immerhin stößt man dann auf wachsende Ausführungs- Fig. 15 dient lediglich der Erläuterung verschiedener

Schwierigkeiten, und schließlich erreicht die praktische Begriffe.

Betriebsgrenzfrequenz die Größenordnung von 300 MHz. Die Fig. 1 zeigt das Schaltschema eines Unipolar-

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung transistors mit Feldwirkung. Zwischen den beiden Endeines Unipolartransistors, bei welchem diese Grenz- 5 elektroden 1 und 2, allgemein als Eingang bzw. Ausgang frequenz um eine bis zwei Größenordnungen zurück- oder als Anode bzw. Kathode bezeichnet, fließt ein Strom verlegt wird, indem man gleichzeitig auf die Zeitkon- aus einer Stromquelle 3. Die Steuerelektrode 4, auf stante τ_β und auf die Laufzeit r_t, welche dann ebenfalls welche gleichzeitig die Stromquelle 5 für die Vorspannung hinderlich werden kann, einwirkt. Auf diese Weise können und das von dem Generator 6 erzeugte Signal einwirken, Frequenzen in der Größenordnung von 10000 MHz io ist um den dünneren Teil 8 des Halbleiters herum anerreicht werden. geordnet. Das verstärkte Signal wird an den Klemmen

Es sind Transistoren bekannt, deren Körper eine des Betriebs- bzw. Belastungswiderstandes 7 abgenom-Polarität aufweist und deren Ladungsträgerfluß über einen men. Die Polaritäten der in Fig. 1 dargestellten Strom-Gleichrichterkontakt mittels einer von der Polarität quellen entsprechen dem Falle eines Halbleiters vom des Körpers entgegengesetzten Polarität gesteuert wird 15 η-Typ, beispielsweise Germanium vom n-Typ.
(deutsche Patentschrift 890847). Bei diesen Transistoren Obwohl die Steuerelektrode und die Hilfselektroden, kann der Körper im mittleren Teil eingeschnürt sein, von letzteren wird im nachstehenden die Rede sein, nicht und die Einschnürung kann mit zwei Elektroden mit unbedingt ringförmig sein müssen, sondern nur den Leitverschiedener Länge, nämlich der Steuerelektrode und kanal zu umgeben haben, soll doch im folgenden vorausder Abnahmeelektrode versehen sein. Das besondere ao gesetzt werden, daß sie ringförmig sind.
Merkmal dieser bekannten Anordnung liegt in der Das dem Unipolartransistor nach Fig. 1 hinsichtlich Trennung der Anschlüsse für den Eingangs- und den Aus- der Wechselstromsignale äquivalente elektrische System gangskreis. umfaßt die verteilten Widerstände r_v r_%.. .r_n, welche den

Die Erfindung bezieht sich auf einen Unipolartran- auf die ganze Länge des Kanals veränderlichen Wider-

sistor mit einer Einschnürung im mittleren Teil des Halb- 25 stand desselben darstellen, sowie die Kondensatoren

leiterstabes und zwei verschieden langen, darauf neben- c_v c₂... C_n, welche die Kapazität zwischen der Steuer-

einander angeordneten Elektroden. Die Erfindung basiert elektrode und dem Kanal darstellen; auch die Kapazität

auf dem Prinzip der Trennung der Funktionen der Ver- ist längs des Kanals veränderlich. Dieses elektrische

engung des Leitkanals und seiner Modulierung. Erfin- System kann vereinfacht werden, indem man dasselbe

dungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß beide 30 in erster Annäherung auf einen einzigen Kondensator

Elektroden die Einschnürung vollständig umgeben, daß mit der Kapazität C₈ (Ersatzkapazität) zurückführt,

an die längere Elektrode eine derartige Spannung ange- gleich der vollen Kapazität der Steuerelektrode zu dem

legt ist, daß sich der Leitkanal in der Einschnürung Kanal in der Mitte seiner Länge, sowie auf einen einzigen

weiter verengt und daß ihre Länge größer als der Durch- Widerstand R_e (Ersatzwiderstand) gleich dem halben

messer der Einschnürung ist und daß an die kürzere 35 Widerstand eines gedachten Kanals mit einem kon-

Elektrode eine Signalspannung angeschaltet ist. stauten Querschnitt gleich dem der Mitte des Kanals,

Auf der anderen Seite der kürzeren Elektrode kann also gleich dem Widerstand des Kanals bei einer Modu-

noch eine weitere Elektrode angebracht sein. Es ist lationsspannung von Null, da ja der Querschnitt in der

besonders zweckmäßig, wenn die Einschnürung des Halb- Mitte des Kanals für die Verengungsspannung praktisch

leiterstabes kreiszylindrisch ist. An die kürzere Elek- 40 gleich der Hälfte des Querschnitts am Beginn des Kanals

trode kann außer der Signalspannung noch eine Vor- ist (Querschnitt für die Modulationsspannung Null). Da

spannung angeschaltet sein. der Querschnitt in der Mitte des Kanals für die Ver-

Die Erfindung wird nunmehr erklärt, und ihre Aus- engungsspannung gleich der Hälfte des Querschnitts zu

führungsformen werden beschrieben unter Bezugnahme Beginn des Kanals ist, ist auch der halbe Widerstand des

auf die Zeichnung. 45 gedachten Kanals, bezogen auf den Querschnitt der

Fig. 1 und 2 beziehen sich auf das grundsätzliche Mitte, praktisch gleich dem Widerstand des Kanals mit

Schaltbild eines Unipolartransistors bzw. auf den äqui- dem Querschnitt an dessen Beginn,

valenten Stromkreis, an welchen das zu verstärkende Der Ersatzwiderstand R_e ist gleich der Hälfte des

Signal gelegt wird; Widerstandes des Kanals 28 (s. Fig. 15) von konstantem

Fig. 3 und 4 zeigen die Änderungen des Längsprofils 50 Querschnitt, und zwar von dem gleichen Querschnitt wie

des Leitkanals und seines Querschnitts längs desselben ihn der Kanal 30 in der Mitte hat. Nun ist aber der

sowie seines linearen Widerstandes und der linearen Querschnitt 29 gleich der Hälfte des Querschnitts 27 am

Kapazität des Kanals zu der Steuerelektrode, und zwar Beginn des Kanals 30. Hieraus ergibt sich, daß der

bei prismatischer und bei zylindrischer Form; Kanal 26 von konstantem Querschnitt, und zwar gleich

Fig. 5 und 6 zeigen für diese beiden Formen die An- 55 dem Querschnitt 27 zu Beginn des Kanals 30, einen

derung des linearen Widerstandes des Kanals in Ab- Widerstand besitzt, der gleich der Hälfte des Widerstandes

hängigkeit von der Potentialdifferenz zwischen Kanal des Kanals 28 ist, und demzufolge ist R_e gleich dem

und Steuerelektrode; Widerstände des Kanals 26 (Kanal für die Modulations-

Fig. 7 zeigt schematisch einen Unipolartransistor mit spannung Null),

doppelter Steuerelektrode; 60 Die Fig. 3 zeigt in dem Falle eines eingeschnürten

Fig. 8 und 9 zeigen die Änderung des Querschnitts des Teils 8 von prismatischer Form, also im Falle eines Ka-

Leitkanals und seines Gesamtwiderstandes unter der nals von rechteckigem Querschnitt, die Kurve 9 für die

Einwirkung des zu verstärkenden Signals, und zwar im Breite α der von den Raumladungen eingenommenen

Falle des Transistors nach Fig. 7; Zone, ferner die Kurve 10 für den Querschnitt s des

Fig. 10, 11 und 12 sind ähnlich den Fig. 7, 8 und 9, 65 Kanals, die Kurve 11 des linearen Widerstandes Y₁ und

beziehen sich jedoch auf den Unipolartransistor mit drei- die Kurve 12 der linearen Kapazität C₁ in Abhängigkeit

fächer Steuerelektrode; von der Abszisse χ eines Punktes des Kanals. Diese

Fig. 13 und 14 zeigen nach Wahl zu verwendende Kurven entsprechen dem Fall, wo man zwischen die

Varianten der Transistorschaltung für die beiden Vor- Endelektroden 1 und 2 eine die vollständige Verengung

richtungen, also doppelte und dreifache Steuerelektrode; 70 ergebende Spannung V₀ anlegt und bei dem die Vor-

5 6

spannung gleich Null ist. A ist die Hälfte der kleineren gleich Null angenommen werden soll. Die Elektrode 15

Seite des Rechtecks, welches den Kanal am Eintritt in die wirkt auf den Kanal 16 nach der Verengung desselben.

Steuerelektrode begrenzt, L ist die Gesamtlänge des Ka- In gestrichelten Linien sind andeutungsweise die Grenzen

nals, und S ist der Gesamt querschnitt amAnfang des Kanals. für die Änderung des Kanalprofils unter der Einwirkung Die Fig. 4 ist ähnlich der Fig. 3, bezieht sich jedoch auf 5 der an die Elektrode 15 gelegten Modulationsspannung

den Fall, wo der eingeschnürte Teil 8 des Transistors eine dargestellt.

zylindrische Form mit dem Radius R hat. Die Kurve 9' Die Fig. 9 zeigt die entsprechende Änderung des Kanalgibt die radiale Dimension α der von den Raumladungen Widerstandes. Die voE ausgezogene Kurve 17 stellt den eingenommenen Zone an, die Kurve 10' den Querschnitt α Gesamtwiderstand R_e des Kanals dar, und zwar als des Kanals, die Kurve 11' den linearen Widerstand r₁ und ¹⁰ Funktion der Abszisse x, wobei die Elektrode 15 unter der die Kurve 12' die lineare Kapazität C₁. Wie im Falle der Spannung der Elektrode 14 steht. Die Kurven 18 und 18' Fig. 3 bezeichnet S den Gesamtquerschnitt des Kanals stellen die Grenzen dar, zwischen welchen dieser Wideran seinem Beginn. stand unter der Einwirkung der an die Elektrode 15 Die Fig. S stellt eine Kurve 13 dar, welche für den Fall gelegten Modulations-bzw. Aussteuerspannung schwanken des rechteckigen Querschnitts des Kanals den linearen *-5 kann.

Widerstand r_x als Funktion der Spannung V, die zwischen Die Signalspannung wird zwischen den beiden Elekder Ausgangselektrode bzw. Kathode 2 und der Steuer- troden angelegt; sie verteilt sich also zwischen den elektrode 4 angelegt wird, angibt, wobei V₀ die der Ver- Kapazitäten Elektrode 15 — Kanal und Elektrode 14 — engung entsprechende Spannung ist. Fig. 6 stellt eine Kanal. Da jedoch diese letztere Kapazität sehr viel Kurve 13' dar, welche sich auf den Fall des kreisförmigen ao größer ist als die erstere, übt fast die gesamte Signal-Querschnitts des Kanals bezieht. spannung ihre Wirkung auf den Raum Elektrode 15 —

Der Modulationseffekt des zu verstärkenden Signals Kanal aus.

auf den Querschnitt des Kanals wird nur auf einem. In der Tat ist die Länge der Elektrode 15 nur ein

geringen Teil desselben wirksam, insbesondere in dem geringer Bruchteil, normalerweise weniger als ein Zehntel, eingeschnürtesten Teil des Kanals, an dem die angelegte 25 der Länge der Elektrode 14. Das von der kürzeren Elek-

Spannung nahezu V₀ ist. Um sich davon zu überzeugen, trode erzeugte Feld wird stromaufwärts durch die längere

braucht man nur die eigentümliche Form der Kurve 11 Elektrode in der Art eines Schutzringes bestimmt abge-

oder 11', welche r_x in Funktion von χ angibt, zu betrachten grenzt; dagegen nimmt es stromabwärts infolge des

oder sich auf die Fig. 5 und 6 zu beziehen, welche die Randeffekts einen Teil des Kanals ein, welcher über die Änderung des linearen Widerstandes des Kanals in 30 Umrisse der kürzeren Elektrode hinausgeht. Wenn also

Abhängigkeit von der angelegten Spannung, also von auch die effektive Kapazität der kürzeren Elektrode

dem elektrischen Transversalfelde, angeben. gegenüber dem Kanal sehr gering bleibt, so wird sie doch

Indessen ist es die Gesamtkapazität des Kanals gegen- durch diesen Störeffekt recht merklich erhöht, über der Steuerelektrode, welche die Zeitkonstantei?_e-C_e Der Erfindung zufolge hilft man diesem Übelstand ab beeinflußt. Nun kann man aber nach den Fig. 3 und 4 35 durch eine Vorrichtung mit einer zweiten Elektrode nach (Kurven 12 und 12') feststellen, daß die lineare Kapa- Fig. 10. Die Elektrode 19 und die ElektrodeZl sind zität C₁ um so größer wird, je weniger der Querschnitt elektrisch parallel geschaltet und vereinigen ihne Wirkung, des Kanals eingeschnürt ist. Man versteht also, daß die um das Kanalprofil für die Einwirkung der Elektrode 20 Zeitkonstante R_e · C_e größtenteils von dem Teil der besonders empfindlich zu gestalten. Ferner spielen sie Elektrode abhängt, bei welchem der Modulationseffekt 40 gegenüber dem letzteren die Rolle eines Schutzringes, des zu verstärkenden Signals praktisch vernachlässigt wobei sie die Struktur des elektrischen Feldes der werden kann. Elektrode 20 in zweckmäßiger Weise abgrenzen und die Dieser Teil der Elektrode ist dennoch unentbehrlich, Störkapazität praktisch auf ein Mindestmaß verringern, um den Kanal auf einen Zustand der Verengung zu Schließlich ergibt sich daraus noch ein anderer Vorteil ; bringen, welcher eine wirksame Einwirkung des Signals 45 der Ersatzwiderstand, welcher die Zeitkonstante T₉ begestattet, jedoch erscheint es völlig überflüssig, das einflußt, wird nämlich selbst ganz erheblich herabgesetzt. Signal gerade dort anzulegen. Der Erfindungsgedanke Man bemerkt nämlich sofort, daß der elektrische Strombesteht nun darin, diesen nutzlosen Effekt zu beseitigen kreis, auf welchen das Signal einwirkt, sich aus zwei und gleichzeitig die sich daraus ergebende Störkapazität parallelen Zweigen zusammensetzt, von denen jeder den auszuschließen. Ebenso wird die Laufzeit erheblich herab- 5° Widerstand RJ2 hat; daraus ergibt sich, daß der resulgesetzt. tierende Widerstand von der Größenordnung RJi ist. Die Fig. 7 zeigt schematisch einen Unipolartransistor Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 kommt die gemäß der Erfindung, welcher gestattet, das erstrebte Wirkung der Elektrode 20 überdies nicht in der VerZiel zu erreichen. Wie im Falle der Fig. 1 entsprechen die engung des Kanals zur Geltung, sondern in einem Polaritäten der Stromquellen dem Falle eines Halbleiters 55 Zwischenabschnitt. Um diesen Modulationseffekt mehr des η-Typs. Die ringförmige Steuerelektrode ist in zwei hervorzukehren und um der Modulation ihre volle Wirk-Teile unterteilt. Die längere Elektrode 14 spielt eine Rolle samkeit zu gewährleisten, ist es notwendig, daß in diesem ähnlich derjenigen einer Linse, welche ein Bündel von Abschnitt dem Kanal bereits von vornherein ein geringer Ladungsträgern konzentriert bzw. zusammenfaßt. Die Querschnitt erteilt wird, vorzugsweise ohne daß es darüber kürzere Elektrode 15 spielt die Rolle einer Blende bzw. 60 hinaus eine Zone voller Verengung gibt. Man erhält dieses eines Flaschenhalses, dessen Wirkung auf den Kanal nach Profil unter Verwendung einer erheblichen Vorspannung der Verengung desselben ausgeübt wird. Der Modulations- sowie einer Anodenspannung, die unterhalb der voEen effekt auf den Widerstand des Kanals kann auf diese Verengungsspannung bleibt.

Weise recht bedeutend sein, trotz der geringen Länge der Man hat dabei ferner den Vorteil, daß die Länge der Elektrode. Nur die Elektrode 15 steht unter der Wirkung 65 Elektrode 21 merklich geringer ist als diejenige der des Signals, während die Elektrode 14 lediglich unter der Elektrode 19, jedoch immer noch erheblich größer als Vorspannung von der Stromquelle 5 steht. Die anderen die Länge der Elektrode 20. Weiter unten folgt ein Zahlen-Teile sind die gleichen wie in Fig. 1. beispiel zur Festlegung dieses Gedankenganges. Diese Die Fig. 8 erläutert die Wirkungsweise der Vorrichtung, Verteilung der Elektroden ist überdies günstig für die wobei die der Stromquelle entnommene Vorspannung 70 Vornahme einer Teilung des Kanalwiderstandes zu

7 8

ungefähr gleichen Teilen zu beiden Seiten des Halses, 40·10³_ ο™™ _ni

wobei man einen Mindestwert für den resultierenden T^25 ⁼ Unm.

Widerstand erhält.

Die Fig. 11 zeigt in voll ausgezogenen Linien das Bild Jeder der beiden Halbwiderstände beläuft sich auf

des Kanals 22 in dem betrachteten Falle und in ge- 5 16000 Ohm; also ergeben die beiden Halbwiderstände in strichelten Linien das Bild des Halseffektes, der sich Reihe geschaltet durch eine örtliche Verengung oder eine örtliche Er- R_e — 32000 Ohm.

Weiterung kenntlich macht. Die Kapazität kürzere Elektrode — Kanal wird

Die Fig. 12 stellt zur Erläuterung eine Kurve 23 dar folgendermaßen bestimmt:

für den Gesamtwiderstand R_e als Funktion der Ab- io Das Verhältnis der Durchmesser von Elektrode und szisse x, wobei die Elektrode 20 unter der Spannung der Kanal unter der Elektrode ist von der Größenordnung 5 Elektroden 19 und 21 steht. Die Kurven 24 und 24' (s. Fig. 4 und 8). Die effektive Länge der Elektrode kann stellen die Grenzen dar, zwischen welchen dieser Wider- angenommen werden als von der Größenordnung des stand unter der Wirkung der an der Elektrode 20 ge- Dreifachen ihrer geometrischen Dimension. Man erhält legten Modulationsspannung schwanken kann. 15 damit die Ersatzkapazität nach der Formel:

Es ist klar, daß man den Arbeitspunkt der Elektrode 20 "3 ς 10 - ⁴ 16

nach Belieben in die Zone zwischen den Kurven 24 und C_e = '-— <=s 8,4 · 10~⁸ pF.

24' oder zwischen die Kurven 18 und 18' verlegen kann, 2 · 10g_c 5 · 9 · 1O^-1

und zwar mittels einer geringen an diese Elektrode gelegten Vorspannung, sowohl für einen Transistor mit zwei ao Man findet schließlich, daß die sich aus der Zeit-Elektroden als auch für einen Transistor mit drei Elek- konstante x_e ergebende Grenzfrequenz gleich ist: troden. Die entsprechenden Schemata sind in der Fig. 13

für den ersten Fall, in der Fig. 14 für den zweiten Fall f __ ^ 500 MHz.

angegeben, wobei die Quelle für die Vorspannung der " 2π· 32 · 10³· 8,4 · 10~^ls

Elektrode 15 bzw. 20 mit 25 bezeichnet ist. 25

Nachstehend folgt zur Erläuterung ein Zahlenbeispiel Nun ist aber die entsprechende Grenze für einen

für die Ausführung eines Transistors mit zwei Elektroden Transistor mit einer einzigen Steuerelektrode von der sowie ein solches Beispiel für die Ausführung eines gleichen Gesamtlänge in der Größenordnung von 50 MHz. Transistors mit drei Elektroden, beide von zylindrischer Man bemerkt also, daß man eine Verstärkung um eine Form. 30 Größenordnung erzielt hat.

Baustoff:Germaniumdesn-TypsmitiV = l,6-10¹⁴/cm^s; Es ist zu betonen, daß die sich aus der Laufzeitx_t

ρ (Spezifischer Widerstand) *** 10 Ohm · cm. ergebende Grenzfrequenz hier merklich höher ist. Da

Durchmesser der Einschnürung: 6· 10"³Cm, dem- nämlich die Geschwindigkeit ν der Elektronen unter der zufolge F₀ (die der vollen Verengung des Kanals ent- kürzeren Elektrode für das entwickelte mittlere Feld der sprechende Spannung) «» 40 Volt. 35 Größenordnung 2600 Volt/cm bei etwa 5 · 10⁶ cm/sec liegt

(nach den bereits zitierten Angaben von E. J. Ryder),

In dem Falle einer Vorrichtung mit zwei Elektroden: erhält man für die Laufzeit:

Länge der längeren Elektrode 1,5 · 10~² cm

Länge der kürzeren Elektrode 5 · 10~⁴cm _χ ^ 3 -L _ 15 · 10~⁴ _ ^ _ jq-io_seC-

Abstand zwischen diesen beiden 40 * ~ 0 5 · 10^e

^Elektroden ¹⁰~^{3 cm} Daraus ergibt sich f_m = 3300 MHz.

Im Falle einer Vorrichtung mit drei Elektroden: Immerhin werden die Verhältnisse noch viel günstiger

Länge der ersten Elektrode 10~² cm für den Fall der Vorrichtung mit drei Elektroden. Wie

Länge der zweiten Elektrode 5 · 10~⁴ cm 45 bereits vorher angegeben wurde, muß man hier den

Länge der dritten Elektrode 5 · 10"*³ cm Transistor unter einer Spannung Anode — Kathode V_d,

Abstand zwischen der mittleren und den die niedriger ist als F₀, sowie unter einer verhältnismäßig

äußeren Elektroden 10~³cm großen Vorspannung V₃ arbeiten lassen, angenommen

V_a = +25VoIt und V_g = -6VoIt.

Die verwendeten Grenzfrequenzen kann man be- 5° Das Signal wird angelegt zwischen der mittleren und rechnen, insbesondere für die Vorrichtung mit drei den beiden äußeren parallelgeschalteten Elektroden, Elektroden, bei welcher die Kapazität der mittleren angenommen zwischen ihren Mittelpunkten. Der WiderElektrode in bestimmter Weise umgrenzt ist. stand R_e setzt sich dann zusammen aus dem halben Man erhält für den Fall des Transistors mit zwei Widerstand des Kanals unter der mittleren Elektrode Elektroden das folgende Bild: 55 plus dem halben Widerstand des Kanals unter der einen Das Signal wird zwischen den Elektroden angelegt, äußeren Elektrode, parallel geschaltet mit dem halben angenommen zwischen ihren Mittelpunkten. Der Wider- Widerstände des Kanals unter der mittleren Elektrode stand R_e zwischen diesen beiden Punkten umfaßt in Reihe plus dem Widerstände des Kanals unter der anderen den halben Widerstand des Kanals unter der kürzeren äußeren Elektrode. Diese vier halben Widerstände sind Elektrode (Widerstand zwischen dem Mittelpunkt und 60 — wie bereits erwähnt wurde — von der gleichen Größendem linken Ende) und den halben Widerstand des Kanals Ordnung; der Widerstand R_e ist daher gleich einem Viertel unter der längeren Elektrode (Widerstand zwischen dem ihres gemeinsamen Wertes. Die bekannten Kennlinien Mittelpunkt und dem rechten Ende). Diese beiden Werte zeigen, daß bei V_a = +25VoIt und V₃ = — 6VoIt der sind von der gleichen Größenordnung. Bezieht man sich Wert von I_d gleich 0,625 Milliampere wird. Damit auf die Kennlinien der bekannten Unipolartransistoren, 65 errechnet sich der Widerstand des Kanals zu dann kann man annehmen, daß für eine Anodenspannung 25 .10³

V_a — +40VoIt und eine Spannung an der kürzeren = 40000 0hm,

Elektrode V₉ = 0 Volt der Anodenstrom /„ gleich 1,25 MiUi- °>⁶²⁵

ampere wird. Dann ist der Widerstand des Kanals unter und der Widerstand R_e bekommt einen Wert von

den Elektroden gleich 70 10000 Ohm.

ίο

Ferner kann man annehmen, daß die Kapazität praktisch auf die Länge der Elektrode beschränkt ist, woraus sich ergibt:

C_e zx 2,8 · ΙΟ-³ pF,

also der dritte Teil bzw. ein Drittel des Wertes von C_e bei nur zwei Elektroden.

Es folgt daraus, daß die sich aus der Zeitkonstante τ_β ergebende Grenzfrequenz den Wert von

f_e = 5500MHz

annimmt, also eine weitere Verstärkung um eine Größenordnung.

Natürlich ist infolge der Herabsetzung der effektiven Länge des Halses die sich aus der Laufzeit ergebende Grenzfrequenz gleichfalls erhöht, obwohl die mittlere Geschwindigkeit υ der Elektronen sich hier nur auf etwa 4,2 · 10^e cm/sec infolge eines schwächeren elektrischen Feldes beläuft. Man findet dann nämlich

f_{m L}

4,2 · IQ⁸
"5 · 10"⁴

= 8400MHz.

Wie man sieht, sind diese beiden Grenzen jetzt praktisch wobei die Grenzfrequenz einen Wert von 20000 bis zu 30000 MHz annimmt.

Die Erfindung ist anwendbar auf alle Ausführungsformen von Unipolartransistoren, bei welchen der Querschnitt des Leitkanals durch ein Transversalfeld moduliert wird, sei es nun durch, einen n-p-Anschluß oder durch eine in dem Halbleiter unter einer Metallelektrode oder durch eine Isolierschicht hindurch gebildeten Sperrschicht, welches auch immer die geometrische Form des

ίο Transistors sei.

Immerhin ist die Herstellung ganz besonders leicht in dem Falle eines Transistors von zylindrischer Form. Man kann sich also darauf beschränken, die Herstellung an Hand eines solchen Beispiels anzugeben.

1. Man stellt die Einschnürung her, indem man einen Strahl eines Elektrolyten auf einen in Drehung versetzten Halbleiterstab (beispielsweise aus Germanium) richtet. Nachdem auf diese Weise die Einschnürung in dem Halbleiterstäbchen hergestellt wurde, trägt man ebenfalls durch einen Strahl und mittels einer zweiten Düse den galvanoplastischenNiederschlag(beispielsweiseausIndium) auf, welcher die eine äußere Elektrode darstellt. Durch einen darauffolgenden, aus einer dritten Düse (Größenordnung 50 bis 80 Mikron) kommenden Polierstrahl wird

von der gleichen Größenordnung. 25 die Länge dieser Elektrode genau begrenzt.

In dem betrachteten Beispiel ist die Ausgangsleistung 2. Hierauf wird die zweite Düse für den Auftrag des

verhältnismäßig gering. Die dem Transistor zugeführte galvanischen Niederschlages so verschoben, daß eine Leistung beläuft sich nämlich nur auf etwa 10 mW, und zweite Elektrode gebildet wird, die möglichst nahe an der die Hochfrequenzleistung würde von der Größenordnung ersten liegt, worauf durch ein anschließendes Polieren von 1 mW sein. Diese Leistung würde jedoch durch die 30 mittels der dritten Düse die Länge der Elektrode auf die Verwendung eines Germaniums von geringerem spezifischen für die kürzere Elektrode erforderliche Länge vermindert Widerstände erheblich erhöht werden. Nimmt man ins- wird; außerdem reinigt man rasch die Lücke, welche die besondere Germanium mit einem Wert von ρ = 3 Ohm-cm beiden Elektroden voneinander trennt,
(entsprechend N = 5,5 · 10¹⁴/cm³) und wird die Betriebs- Auf diese Weise erhält man also die Vorrichtung nach

spannung auf V_d = +80VoIt gebracht, dann erreicht bei 35 Fig. 7. Will man die Vorrichtung nach Fig. 10 herstellen,

einem V₀ von -2OVoIt die dem Transistor zugeführte Leistung den Wert von 150 mW und die Hochfrequenzleistung den Wert von etwa 15 mW. Es ist zu bemerken, daß die Zunahme der Leistung mäßig ist, weil die Geschwindigkeit der Elektronen hier den zulässigen Höchstwert von 6 · 10⁶ cm/sec erreicht. Parallel dazu wird die Grenzfrequenz noch weiter erhöht, und zwar erreicht die sich aus τ_Λ ergebende den Wert von 8000 MHz und dann genügt es, den unter 2 beschriebenen Arbeitsgang zu wiederholen, um die andere äußere Elektrode aufzutragen, wobei man das Ausmaß derselben auf die erforderliche Länge begrenzt.

In beiden Fällen beendet man das Verfahren dadurch, daß man das Ganze auf eine Unterlage setzt, die Anschlüsse an die End- und Zwischenelektroden anlötet und das Ganze dann in eine luftdichte Haube einschließt.

Natürlich kann man für die Ausführung der Transistoren

die sich aus r_t ergebende den Wert von 12000 MHz. Es

ist hier festzustellen, daß diese Erhöhung der Betriebs- 45 außer dem Germanium des η-Typs, welches hier lediglich grenzfrequenz sich nicht zum Nachteil, sondern vielmehr als Beispiel behandelt wurde, auch noch andere Halbleiter zum Vorteil der Ausgangsleistung auswirkt. ~~

Vermindert man schließlich den Durchmesser des eingeschnürten Teils bis auf den noch leicht herzustellenden Durchmesser von 5 -10 ~³ cm und verwendet man Germanium mit einem spezifischen Widerstand

einem spezinscnen widerstand von 2 Ohm-cm (N ^ 8,5 · 10¹⁴/cm³) und sind Betriebsspannung sowie Vorspannung die gleichen wie oben, dann erhält man einen Ausgleich (auf dem oberen Niveau) der beiden Grenzfrequenzen. Man findet dann in der Tat

f_e & f_m β» 12000MHz,

wobei die Ausgangsleistung unverändert bleibt.

Natürlich muß man Schritte unternehmen, um die von der in den Transistor geleiteten Leistung herrührende Wärme abzuführen, insbesondere mittels in zweckmäßiger Weise angebrachter Kühler. Außerdem rrraß man daran erinnern, daß es zweckmäßig ist, so viele Transistoren parallel zu schalten, wie sie zum Erreichen der gewünschten Ausgangsleistung notwendig sind, und zwar ohne dabei die Betriebsgrenzfrequenz herabzusetzen.

Man kann dann ganz im Gegenteil, indem man sich von den Beschränkungen hinsichtlich der Einheitsausgangsleistung frei macht, die Länge der kürzeren Elektrode noch weiter verringern, insbesondere auf 2 oder 3 · 10 ~ ⁴ cm, verwenden, insbesondere Germanium des p-Typs, Silicium der Typen η oder ρ sowie die intermetallischen Verbindungen der Gruppen III und V des Periodischen Systems der Elemente, wie z. B. Indium-Antimon, Indium-Phosphor, Gallium-Arsen, Aluminium-Antimon usw.

Claims

Patentansprüche^

1. Unipolartransistor mit einer Einschnürung im mittleren Teil des Halbleiterstabes und zwei verschieden langen darauf nebeneinander angeordneten Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroden die Einschnürung vollständig umgeben, daß an die längere Elektrode eine derartige Spannung angelegt ist, daß sich der Leitkanal in der Einschnürung weiter verengt und daß ihre Länge größer als der Durchmesser der Einschnürung ist und daß an die kürzere Elektrode eine Signalspannung angeschaltet ist.

2. Unipolartransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der anderen Seite der kürzeren Elektrode eine weitere Elektrode angebracht ist.

809 578/362

3. Unipolartransistor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschnürung kreiszylindrisch ist.

4. Unipolartransistor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an die kürzere Elektrode

außer der Signalspannung noch eine Vorspannung angeschaltet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 890 847.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen