DE1035776B - Transistor mit einem flachen Halbleiterkoerper und mehreren sperrfreien und sperrenden Elektroden - Google Patents

Transistor mit einem flachen Halbleiterkoerper und mehreren sperrfreien und sperrenden Elektroden

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DE1035776B
DE1035776B DEI10681A DEI0010681A DE1035776B DE 1035776 B DE1035776 B DE 1035776B DE I10681 A DEI10681 A DE I10681A DE I0010681 A DEI0010681 A DE I0010681A DE 1035776 B DE1035776 B DE 1035776B
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Description

DEUTSCHES
Ein Transistor besteht im allgemeinen aus einem Halbleiterblock mit drei Anschlüssen, dem Emitter, dem Kollektor und der Basis. Es gibt zwei grundlegende Transistortypen, die zur Zeit allgemein verwendet werden, und zwar den Spitzentransistor, bei 5 dem der Emitter- und der Kollektoranschluß gleichrichtende Punktkontakte sind, und den Schichttransistor, bei dem Emitter oder Kollektor oder beide eine Verbindung zwischen zwei Zonen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp in dem Halbleiterblock bilden. Solche Schichten sind unter der Bezeichnung PN-Übergänge bekannt. Die Erfindung betrifft nun einen verbesserten Transistor mit bisher nicht erreichten vorteilhaften Eigenschaften. Es handelt sich dabei um einen Transistor mit einem flachen Körper aus halbleitendem Material, z. B. aus Germanium oder Silizium, mit einer oder mehreren sperrfreien Elektroden und einer oder mehreren sperrenden Spitzenelektroden.
Die wesentlichsten Vorteile des Transistors nach der Erfindung sind die Steuerbarkeit der Kollektorkennlinien und die Entbehrlichkeit der Emittervorspannungsquelle.
Das Halbleitersystem nach der Erfindung stellt fernerhin ein verbessertes Transistorschaltelement mit bistabilen Eigenschaften dar, derart, daß ein sehr geringer Steuerstrom die Halbleitervorrichtung aus einem Zustand niedrigen Kollektorstromes in einen Zustand sehr hohen Kollektorstroms treiben kann, wie man es in ähnlicher Weise bei der Thyratronwirkung hat. Der Transistor nach der Erfindung kann daher auch als Thyratrontransistor bezeichnet werden.
Für einen solchen Transistor besteht die Erfindung darin, daß diese Elektroden auf der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht sind, daß zwischen zwei von diesen Elektroden eine Potentialdifferenz parallel zu der Oberfläche angelegt ist und daß auf der anderen gesamten Oberfläche des Halbleiterkörpers eine flächenhafte Elektrode mit einer vorgelagerten Halbleiterschicht vom umgekehrten Leitungstyp solcher geringen Stärke angeordnet ist, daß diese Halbleiterschicht über ihren gesamten Bereich ein einheitliches, von der Flächenelektrode aufgeprägtes Potential annimmt und dadurch den PN-Übergang in seiner Längenausdehnung aufteilt in einen Bereich mit einer Polung in Flußrichtung und in einen Bereich mit einer Polung in Sperrichtung bezüglich einer Spitzenelektrode und zwischen beiden Bereichen des PN-Überganges ein Äquipotentialpunkt entsteht.
Das Transistorschaltelement gemäß der Erfindung hat gegenüber den bekannten Halbleitersystemen auch eine größere Empfindlichkeit für Wärme- und Lichtstrahlen und zeigt eine definierte Verzögerungszeit zwischen Eingang und Ausgang.
Halbleiterkörper und mehreren sperrfreien und sperrenden Elektroden
Anmelder:
IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen
Gesellschaft m.b.H.,
Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. September 1954
Richard Frederick Rutz, Fishkill, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
Der Transistor nach der Erfindung weist gewissermaßen zwei Halbleitereigenschaften auf, die man sonst nicht im gleichen Aggregat antrifft. Diese Eigenschaften sind die Fähigkeit einer PN-Schicht, dem Fluß von Löchern und Elektronen unter dem Einfluß einer Vorspannung entgegenzuwirken oder ihn zu verstärken, was für Steuerzwecke verwendet wird, und die Fähigkeit einer entsprechend formierten Punktkontaktkollektorelektrode, weitere Majoritätsladungsträger auszulösen, die zur Basis fließen, wenn Minoritätsladungsträger am Punktkontakt ankommen, was für Verstärkungszwecke verwendet wird. Durch diese Eigenschaft eines Punktkontaktkollektors erfolgt eine Stromverstärkung. Sie wird als Eigenleitungs-AIphagröße eines Punktkontaktkollektors bezeichnet.
Es ist bereits ein Transistor mit fadenförmig ausgebildetem Halbleiterkörper bekanntgeworden, dessen verbreiterte Stirnflächen mit sperrfreien und an eine Spannungsquelle angeschlossenen Elektroden versehen sind. Auf der Längsoberfläche dieses Halbleiterkörpers sind zwei Spitzenelektroden, nämlich Emitter und Kollektor, aufgesetzt. Nach einer bekannten Abwandlung dieses Transistors ist an Stelle des Spitzenkollektors eine sperrfreie Elektrode angeordnet, wenn der fadenförmige Halbleiterkörper aus zwei Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps besteht, so daß deren PN-Übergang die Wirkung des Kollektors übernimmt. Die am Emitter eingeführten Minoritätsträger fließen dann unter dem beschleunigten Einfluß des zwischen den beiden sperrfreien Stirnelektroden im
809 580/42+
Halbleiterfaden sich ausbreitenden Feldes in Richtung zum Kollektor und passieren dabei den PN-Übergang frontal. Während beim Bekannten die den Haupthalbleiterkörper durchziehenden Zonen verschiedener Leitfähigkeit bezüglich der Stirnelektrode hintereinanderliegen, sind diese bei der Erfindung nebeneinanderliegend angeordnet. Der beim Transistor nach der Erfindung in der Längsrichtung den Halbleiterkörper durchziehende PN-Übergang wird deshalb von den zwischen den sperrfreien Endelektroden im Halbleiterkörper sich ausbreitenden Feldlinien gestreift oder unter einem spitzen Winkel geschnitten. Ist dabei noch die an eine breitflächige sperrfreie weitere Elektrode angebrachte Halbleiterzone so dünn, daß sie praktisch an allen Stellen das Potential dieser Breitflächenelektrode annimmt, so hat man die Möglichkeit, den in Längsrichtung durch den Halbleiterkörper verlaufenden PN-Übergang in verschieden gepolte Bereiche aufzuteilen. Damit hat man gegenüber dem Bekannten den Vorteil, die Kennlinie des Transistors erheblich beeinflussen zu können.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Die Erfindung sei für einige beispielsweise Ausführungsformen an Hand dieser Zeichnungen näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des Transistors nach der Erfindung;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Transistors gemäß der Ernfidung, der für die Steuerbarkeit der Kollektorkennlinien eingerichtet ist;
Fig. 3 zeigt Beispiele für die veränderlichen Kollektorkennlinien dieses Transistors;
Fig. 4 ist eine weitere schematische Darstellung des Transistors nach der Erfindung; mit dieser Darstellung wird die Selbstbildung der Vorspannung gezeigt;
Fig. 5 enthält die Kollektorkennlinien eines gemäß Fig. 4 geschalteten üblichen Transistors;
Fig. 6 zeigt die Kollektorkennlinien des Transistors nach der Erfindung in der Schaltung nach Fig. 4;
Fig. 7 ist eine schematische Darstellung dieses Transistors, der für eine bistabile Arbeitsweise geschaltet ist;
Fig. 8 enthält die Kollektorkennlinien dieses gemäß Fig. 7 geschalteten Transistors;
Fig. 9 zeigt eine Ausführung dieses Transistors mit Wärmeableitung;
Fig. 10 zeigt eine andere Ausführung dieses Transistors mit Wärmeableitung;
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung dieses Transistors; er ist so geschaltet, daß man die Wirkungen von Wärme und Licht zeigen kann;
Fig. 12 zeigt die bei 20° C ermittelten Kollektorkennlinien dieses Transistors in der Schaltung nach Fig. 11;
Fig. 13 zeigt die bei 50° C ermittelten Kollektorkennlinien dieses Transistors in der Schaltung nach Fig. 11;
Fig. 14 enthält eine schematische Darstellung des Transistors nach der Erfindung; er ist so geschaltet, daß die Impulsverzögerung erkennbar ist;
Fig. 15 ist eine graphische Darstellung des Eingangsstroms, der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung in Abhängigkeit von der Zeit, und zwar für einen Transistor nach der Erfindung in der Schaltung nach Fig. 14.
Gemäß Fig. 1 enthält der Transistor einen Block aus Halbleitermaterial 1, ζ. B. aus Germanium oder Silizium, mit besonderen Störstoffen. Der Block enthält zwei Zonen 2 und 3 vom Leitfähigkeitstyp N bzw. P, die durch die Übergangsschicht 4 getrennt sind. Die gegenüberliegenden Enden der N-Typ-Halbleiteroberfläche sind mit ohmschen Elektroden 5 und 6 .versehen. Diese Elektroden können z. B. angelötet sein. Eine ohmsche Elektrode 7 ist auf die gesamte freie Fläche des P-Materials 3 aufgebracht. Ein Emitter 8 hat mit dem N-Material 2 einen punktförmigen Kontakt. Desgleichen hat der Kollektor 9 Punktkontakt mit dem N-Material 2.
ίο Der Transistor nach Fig. 1 wird unter Verwendung der allgemein üblichen Verfahren hergestellt. Zum Beispiel kann der Halbleiterblock 1, der die P- und die N-Schicht und die Übergangsschicht 4 umfaßt, durch Ziehen einer PN-Schicht, die dann auf die richtige Größe abgeschliffen wird, oder durch Diffusion von P-Material in N-Material oder nach anderen Verfahren, die zur Herstellung von Halbleiterkörpern mit PN-Schichten dienen, hergestellt werden. Der Punktkontaktkollektor 9 wird gewöhnlich aus einem Material gemacht, das eine Verunreinigung vom N-Typ enthält. Er besteht z. B. aus Phosphorbronze und wird durch Kondensatorentladung oder ähnliche Mittel elektrisch formiert.
Die hier gezeigten Halbleitersysteme sind verhält-
s5 nismäßig klein. Zum besseren Verständnis sind aber in den Zeichnungen die Abmessungen stark übertrieben worden. Jedoch sind bestimmte Bemessungen in den verschiedenen unten beschriebenen Ausführungsformen und Anwendungsarten kritisch, und diese Abmessungen sind dort, wo ihre Einhaltung notwendig ist, besonders angegeben.
Bei allen Anwendungsarten und Ausführungen ist erfindungsgemäß die Dicke des N-Materials2 annähernd gleich der Diffusionslänge für die mittlere Lebensdauer der Überschuß ladungsträger im Halbleiter. Sie kann je nach den näheren Umständen beträchtlich dünner sein. Diese Diffusionslänge ist eine Funktion der Ladungsträgerlebensdauer in dem verwendeten Material und hängt von der Größe der KoI-lektorvorspannung ab. Diese Dickenbemessung kann vom Hersteller leicht erreicht werden. Ähnlich ist die Bemessung der Dicke des P-Bereichs 3 wichtig, jedoch ist es hier nur erforderlich, daß diese P-Schicht 3 dünn genug ist, damit, wenn der Kontakt 7 ihre ganze Oberfläche bedeckt, die gesamte Schicht im wesentlichen ein einheitliches Potential annimmt. Die Abmessung variiert mit dem spezifischen Widerstand des Materials; in vielen Fällen hat sich herausgestellt, daß sie annähernd 5,1 · 10—*cm beträgt. Der Abstand vom Punktkontaktemitter 8 zum Kollektor 9 muß in den Grenzen der normalen Abstandstoleranzen ge-N halten werden, welche bei Herstellung von Spitzentransistoren verwendet werden und im allgemeinen 2,54 · ΙΟ-3 cm bis 1,27 · 10~2 cm betragen.
Die verschiedenen Ausführungen des Transistors nach der Erfindung zeigen unterschiedliches Verhalten beim Gebrauch in bestimmten Schaltungen. Diese Verhaltungsarten werden unten zusammen mit einer bestimmten Ausführungsform des Transistors und einer Schaltanwendung beschrieben, die zur Veranschaulichung der Transistorarbeitsweise dienen soll. Wenn der Transistor nach der Erfindung gemäß Fig. 1 so geschaltet ist, daß über der N-Schicht 2 ein Potential liegt, dann arbeitet er so, daß die Änderung des Kollektorstromes mit der Kollektorspannung bei einem gegebenen Emitter-Eingangsstrom gesteuert und willkürlich ausgewählt werden kann durch Veränderung dieses Potentials über der N-Schicht 2. Die Änderung des Kollektorstromes mit der Kollektorspannung für einen gegebenen Emittereingangs-
strom ist als Kollektorkennlinie des Transistors bekannt.
Um das gewünschte Potential über der N-Schicht 2 zu erzeugen, kann z. B. die in Fig. 2 dargestellte Schaltung verwendet werden. Dieses Potential läßt sich in verschiedener Weise herstellen, und die Schaltung nach Fig. 2 soll insbesondere zur leichteren Erklärung der Wirkungsweise dienen. Gemäß Fig. 2 hat der Transistor nach Fig. 1 eine Potentialdifferenz über
Kollektorspannung Vc zunimmt, bis die sogenannte Stromsättigung erfolgt. Im Punktkontakttransistor ist der Emitter die einzige Quelle für die Löcherinjektion. Sobald alle Löcher vom Emitter aus am Kollektor an-5 kommen, ist der Transistor im Stromsättigungszustand. In diesem Zustand bewirkt eine weitere Zunahme von Vc nur eine leichte Erhöhung von Ic. Der Bereich, in dem die Sättigung beginnt, ist mit X bezeichnet. Die Kurve A zeigt über diesen Punkt hinaus
der N-Schicht 2, welche mit Hilfe der Gleichstrom- io keine merkliche Veränderung des Kollektorstromes Ic potentialquellen 10 und 11 gewonnen wird, die über bei Zunahme der Kollektorspannung Vc an. Der Trandie veränderbaren Widerstände 12 bzw. 13 den Klem- sistor nach der Erfindung kann nun so betrieben wermen 5 und 6 positive bzw. negative Potentiale auf- den, daß seine Kollektorkennlinie wie die Kurve A in prägen. Die Klemme 7 ist geerdet. Die veränderbare Fig. 3 verläuft, wenn in der Schaltung nach Fig. 2 die Gleichstrompotentialquelle 14 kann so angeschlossen 15 folgenden Schaltungsmaßnahmen getroffen werden: werden, daß sie der Klemme 7 ein negatives Potential Die Klemme 6 erhält durch Verstellung des veränderüber den Schalter 15 und über den Widerstand 16 für baren Widerstandes 13 Erdpotential. Die Klemme 5 noch zu erklärende Steuerzwecke erteilt. wird bezüglich des Kollektors 7 durch Verstellung
Die Potentialdifferenz zwischen Klemme 5 und des veränderbaren Widerstandes 12 positiv und die Klemme 6 erzeugt in der N-Schicht 2 von + an 20 P-Schicht 3 leicht negativ gehalten durch Verbindung Klemme 5 zu — an Klemme 6, wie Fig. 2 zeigt, einen der Klemme 7 über den Schalter 15 und über den Potentialgradienten. Die P-Schicht 3, deren gesamte Widerstand 16 mit der negativen Klemme der Gleich-Oberfläche von einem ohmschen Kontakt 7 bedeckt ist Strompotentialquelle 14, wodurch verhindert wird, daß und die sehr dünn ist, hat durchweg ein einheitliches die P-Schicht 3 irgendwelche Löcher an den Kollek-Potential. Zum Zwecke der Veranschaulichung sei an- 25 tor 9 abgibt. Unter diesen Umständen hat die genommen, daß den Elektroden 8 und 9 kein Poten- P-Schicht 3 keine Wirkung, und der Transistor vertial aufgeprägt ist. Der N-Bereich 2 mit seinem hält sich wie ein normaler Punktkontakttransistor.
Potentialgradienten und der P-Bereich 3 einheitlichen Eine Kollektorkennlinie, die eine völlig andere Art
Potentials besitzen eine Stelle gleichen Potentials, die des Transistorverhaltens zeigt, ist die Kurve B in in Fig. 2 willkürlich angenommen und als Punkt 17 30 Fig. 3. Diese Kollektorkennlinie wird durch die folgekennzeichnet ist. Unter diesen Umständen ist der genden Einstellungen der Schaltung nach Fig. 2 ge-P-Bereich 3 zwischen dem Punkt 17 und der Klemme 6 wonnen: Verbindung von Klemme 6 mit Erde über positiver als die N-Schicht 2, und daher ist der Teil den veränderbaren Widerstand 13 und von Klemme 7 der Sperrschicht 4 zwischen dem Punkt 17 und der mit einem geeigneten Potential über den Schalter 15 Klemme 6 in der Durchlaßrichtung gepolt. Dagegen 35 und Kombination von Widerstand 16 und der variabist zwischen dem Punkt 17 und der Klemme 5 die len Batterie 14 zu einem Geber konstanten negativen N-Schicht 2 positiver als die P-Schicht 3 und dieser Stroms. Durch die Erdung der Klemme 6 wird der Teil der Sperrschicht 4 in Sperrichtung vorgespannt. Punkt 17 gleichen Potentials in Richtung auf Von dem in der Durchlaßrichtung vorgespannten Teil Klemme 5 verlagert, wodurch ein sehr großer Bereich der Sperrschicht 4 können in die N-Schicht 2 Löcher 4° der Sperrschicht 4 in der Durchlaßrichtung gepolt und injiziert werden. Die Menge der injizierten Löcher hat dadurch wiederum eine größere Quelle für Löcher für einen Einfluß auf den Kollektorstrom. Der Punkt 17 den Kollektor gebildet wird. Durch den Anschluß der gleichen Potentials kann zu einer beliebigen Stelle in Klemme 7 an einen Geber konstanten negativen der N-Schicht 2 verlagert werden, indem das über die Stroms entsteht ein Stromabfluß, wodurch verhindert Klemmen 5 und 6 angelegte Potential verändert wird. 45 wird, daß der in Durchlaßrichtung gepolte Teil der Der Ort des Punktes 17 beeinflußt die Größe des in Sperrschicht 4 bei Null-Kollektorspannung Löcher inder Durchlaßrichtung gepolten Teiles der Sperr- jiziert. Unter diesen Umständen nimmt nach der schicht 4 sowie die Menge der injizierten Löcher und Kurve B in Fig. 3 zunächst der Kollektorstrom I0 damit auch die Stärke des Kollektorstromes. Durch stetig zu bei Ansteigen der Kollektorspannung V0 die Steuerung des Ortes des Punktes 17 ergibt sich 50 wie in Kurve A, da bei kleinen Kollektorspannungen also die Möglichkeit, die Kollektorkennlinien des keine Löcher in wahrnehmbarer Menge von der Transistors zu steuern und auszuwählen. Den Elek- P-Schicht aus den Kollektor erreichen. Während jetroden 8 und 9 aufgeprägte Potentiale beeinflussen doch der Kollektorstrom bei steigender Kollektorden Ort des Punktes 17. Das Arbeitsprinzip bleibt spannung ansteigt, hat das zugeordnete innere elekjedoch dasselbe. Durch die Einstellung der Potentiale 55 trische Feld in dem Kristall eine zunehmend größere an den Klemmen 5 und 6 werden die Wirkungen der Wirkung auf die Geschwindigkeit der durch die
P-Schicht injizierten Löcher und läßt mehr zum Kollektor gelangen. Durch die Ankunft dieser Löcher entsteht ein großer Anstieg des Kollektorstromes in-
lektorstromes Ic von der Kollektorspannung Vc bei 60 folge des Verstärkungs- oder Eigenleitungs-Alpha-
faktors des Kollektors. Dies ist ein Zustand innerer positiver Rückkopplung, der durch die Neigungsänderung im Bereich Y der Kurve B dargestellt wird. Durch Veränderung der an die N- und P-Schichten 2 lage einer Anzahl von Annahmen gezeichnet worden 65 bzw. 3 angelegten Potentiale kann die Länge des Be- und sollen nur ein klares Bild der relativen Ver- reiches Y bestimmt werden. Für einen gegebenen Satz änderungen in der Neigung der Kennlinie vermitteln. von an die N- und P-Schichten 2 und 3 angelegten In Fig. 3 stellt die Kurve A die normale Kollektorkenn- Potentialen gibt es eine kritische Kollektorspannung, linie für einen Punktkontakttransistor dar, in welcher bei der der Transistor infolge der inneren Rückkoppder Kollektorstrom Ic stetig mit der Zunahme der 70 lung fast senkrechte Kennlinien hat. Dieser kritische
diesen Elektroden zugeleiteten Potentiale überwunden.
Eine graphische Darstellung dieser Eigenschaft
findet sich in Fig. 3, die die Abhängigkeit des KoI-
einem festen Emitterstrom Ie als Parameter zeigt. Fig. 3 ist eine stark vereinfachte Darstellung der Kollektorkennlinie des Transistors gemäß der Erfindung. Die Kurven sind angenähert auf der Grund-
Spannungspunkt ist in Fig. 3 auf Kurve B mit Z bezeichnet. Da der Verstärkungsfaktor Alpha eines Transistors definiert ist als das Verhältnis der Zunahme des Kollektorstroms zu der Zunahme des Emitterstroms und da nach Überschreiten des Punktes Z auf Kurve B große Veränderungen von Ic ohne Veränderung von Ie eintreten, ist also unter diesen Umständen der Alphafaktor dieses Transistors annähernd unendlich.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß man eine vollständige Steuerung der Kollektorkennlinien durch den Gebrauch des Transistors nach der Erfindung erreichen kann, während infolge des Pfades vom Emitter 8 durch die dünne N-Schicht 2 zur Erde eine relativ konstante niedrige Eingangs- 1S impedanz aufrechterhalten bleibt. Die gezeigten Kurven sind nur zur Veranschaulichung ausgewählt worden, um die Arbeitsweise zu erklären. Sie dienen nicht als Begrenzungen für die Arten von Kennlinien, die man erlangen kann. Ein erfolgreich betriebener Transistor hat folgende Abmessungen: Der Halbleiterblock 1 ist nach Fig. 1 ein Quadrat mit der Seitenlänge 2,03 · 10—1Cm, die Gesamtdicke beträgt ziemlich genau 2,54 · 10—3 cm, wobei der N-Bereich 2 etwa 2,29 · ΙΟ"3 cm und der P-Bereich 3 etwa *5 2,54· 10-*cmdick sind. Der Kollektor9 befindet sich in der Mitte des Halbleiterblocks 1. Der Abstand zwischen Emitter 8 und Kollektor 9 beträgt 2,54 · ΙΟ"3 cm bis 5,08 · 10—3 cm. Diese Abmessungen können wei testgehend verändert werden. Sie sollen hier nur zum Verständnis und zur Erleichterung der Ausübung der Erfindung dienen, ohne irgenwelche Begrenzungen darzustellen.
Der Transistor gemäß der Erfindung läßt sich so betreiben, daß eine Quelle für das Emittervorspannungspotential unter bestimmten Umständen nicht erforderlich ist, während ihre Notwendigkeit unter anderen Umständen vermindert ist. Diese Verhaltensart des Transistors erlangt man durch Verwendung des in dem Transistoraggregat selbst erzeugten Potentials als Quelle für das Emittervorspannungspotential. Daher dient zur Herbeiführung dieser Arbeitsweise der P-Bereich einheitlichen Potentials als Emitter, dessen ohmsche Verbindungen mit der N-Schicht als Basisanschluß dienen, während der formierte Kollektor der 4^ Kollektoranschluß ist. Nach Fig. 1 ist die Klemme 7 Emitteranschluß, Klemme 5 oder Klemme 6 ist der Basisanschluß, und Klemme 9 ist der Kollektoranschluß. In dieser Ausführung können die nicht verwendete Basisklemme und der Punktkontaktemitter 8 weggelassen oder lediglich ohne Anschluß gelassen werden.
Eine vereinfachte schematische Darstellung des Transistors in einer die Selbstvorspannung veranschaulichenden Schaltung ist in Fig. 4 enthalten, worin gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 tragen. Der Einfachheit halber sind die Klemmen ohne Anschluß weggelassen worden. Nach Fig. 4 wird die negative Vorspannung für den Kollektor 9 durch die Batterie 18 über ein Ausgangs-Signalerzeugungsmittel, das hier willkürlich als Widerstand 19 dargestellt ist, gelegt. Die Ausgangsklemmen 20 und 21 dienen verschiedenen bekannten Steuerzwecken. Die Eingangssignale werden dem Emitter 7 über den Entkopplungskondensator 22 durch Aufprägung der Signale auf die Eingangsklemmen 23 und 24 zugeleitet.
Unter den in Fig. 4 gezeigten Umständen stehen zwei Stromwege zu dem von Klemme 5 zum Kollektor 9 fließenden Basisstfom zur Verfügung. Der eine Pfad I1 verläuft direkt von Klemme 5 zum Kollektor 9 durch die N-Schicht 2, die für den auf diesem Weg fließenden Strom wegen des Widerstandes des Halbleitermaterials eine gegebene Impedanz bildet. Damit bildet sich ein bestimmter Potentialgradient in der N-Schicht 2 zwischen Klemme 5 und Kollektor 9 aus. Der zweite Stromweg I2 verläuft von Klemme 5 durch die N-Schicht 2 und über die Sperrschicht 4 zum P-Bereich 3 mit einheitlichem Potential und von dort aus durch die Sperrschicht 4 und die N-Schicht 2 zum Kollektor 9. Die Impedanz des zweiten Stromweges ist niedriger als die des anderen Strompfades. Infolge der Impedanzänderung in den Stromwegen I1 und I2 liegt der Punkt 17 gleichen Potentials an einer bestimmten Stelle zwischen Klemme 5 und Kollektor 9. Daher ist der Teil der Sperrschicht 4 zwischen Punkt 17 und Kollektor 9 in der Durchlaßrichtung und der übrige Teil der Sperrschicht 4 zwischen Punkt 17 und Klemme 5 in der Sperrichtung gepolt. Der auf dem Pfad I2 fließende Strom, der in die P-Schicht 3 über den in Sperrichtung gepolten Teil der Sperrschicht 4 gelangt, wird auf den umgekehrten Sättigungsstrom begrenzt, der charasteristisch für die Schicht ist und normalerweise ziemlich niedrig ist. Wenn jedoch dieser Strom die P-Schicht 3 in dem in der Durchlaßrichtung gepolten Teil der Sperrschicht 4 verläßt, wirkt die P-Schicht 3 an dieser Stelle als Emitter und injiziert Löcher in die N-Schicht 2. Diese Löcher verstärken bei ihrer Ankunft am Kollektor 9 den Kollektorstrom infolge des Eigenverstärkungs-Alphafaktors des Punktkontaktkollektors und bewirken die Selbstvorspannung des Transistors.
Die Wirkung dieser Selbstvorspannung ist aus den Kollektorkennlinienscharen der Fig. 5 und 6, die die Schwankung des Kollektorstromes mit der Kollektorspannung für verschiedene Werte konstanten Emitterstroms darstellen, zu ersehen.
Diese Kurven werden durch Anlegung ausgewählter Werte des Emitterstromes an die Klemme 7 über eine nicht besonders dargestellte Quelle konstanten Gleichstroms gebildet. Die vorstehende Erörterung fußt auf der Annahme, daß Ie = 0 ist. Während die Stromzuführung an der Klemme 7 eine Wirkung auf den Betrag des Stromes im Pfad I2 hat, ändert sich das oben beschriebene Grundprinzip nicht.
Die Kurvenschar von Fig. 5 zeigt die Kollektorkennlinien für den üblichen Punktkontakt- oder Schichttransistor in der Schaltung nach Fig. 4, während die Kurvenschar in Fig. 4, während die Kurvenschar in Fig. 6 die Kollektorkennlinien für den Transistor gemäß der Erfindung in der Schaltung von Fig. 4 zeigt. Beim Vergleichen der Kurvenscharen in Fig. 5 und 6 läßt sich feststellen, daß die Wirkung der Selbstvorspannung in der Verschiebung der Werte für den als Parameter benutzten Emitterstrom im Sinne einer Verstärkung des Kollektorstroms besteht, so daß die Linie für den Parameter Ie = 0 für diesen Transistor in Fig. 6 ziemlich genau der Linie für den Parameter /^=I MA in Fig. 5 für den üblichen Transistor folgt. In der Fig. 5 und 6 sind Widerstandsgeraden eingetragen, deren Neigungen durch die Größe der Ausgangsimpedanz bestimmt sind, und zwar sind diese Neigungen in beiden Figuren gleich. Die Punkte A und A1 stellen die Arbeitspunkte für beide Transistoren bei einem Emitterstrom gleich Null dar. Der Arbeitspunkt A in Fig. 6 für diesen Transistor bei einem Emitterstrom gleich Null liegt bereits im aktiven oder linearen Verstärkungsbereich des Transistors, während zur Erlangung eines entsprechenden Punktes in Fig. 5
den Transistor von einem Zustand niedrigen Kollektorstroms in einen Zustand sehr hohen Kollektorstroms umschalten. In der Arbeitsweise ist dieses bistabile Verhalten der Arbeitsweise eines Thyratrons sehr ähnlich. Eine Darstellung des Transistors nach Fig. 1 in einer Schaltung, die die bistabile Arbeitsweise zeigt, ist in Fig. 7 enthalten. Diese Schaltung ist wegen ihrer Einfachheit ausgewählt worden, und die im vorliegenden Falle nicht benötigten Klemmen
für den herkömmlichen Transistor sich der Arbeitspunkt A1 in Richtung des verstärkten Kollektorstromes bewegen muß, was die Verwendung einer äußerlichen Emittervorspannungsquelle nötig macht. Beim Arbeiten mit kleinen Signalen kann also der Transistor nach der Erfindung, dem ein Signal an den Klemmen 23 und 24 in Fig. 4 aufgeprägt wird, eine lineare und aktive Verstärkung in beiden Richtungen entlang der Belastungslinie von
Punkt A aus in Fig. 6 ohne Emittervorspannungs- io sind in der Zeichnung weggelassen worden. Gemäß quelle durchführen, während bei einem herkömm- Fig. 7 ist außer den oben beschriebenen Punkten vorlichen Transistor eine Emittervorspannungsquelle an- gesehen, durch die Batterie 25 und über den Widergewandt werden müßte, um den Punkt Ax in den ak- stand 26 an die N-Schicht 2 ein positives Potential zu tiven und linearen Bereich hineinzubringen. Bei Ver- legen. Die Klemmen 27 und 28 sind vorgesehen, um Wendung großer Signale, in denen es erforderlich ist. 15 die Einführung negativer Signale zwischen der eine Emittervorspannungsquelle zu verwenden, um N-Schicht 2 und Erde zu ermöglichen.
Punkt A weit genug in den aktiven Bereich zu brin- Unter den in Fig. 7 gezeigten Schaltungsvorausgen, damit das aufgeprägte Signal richtig wieder- Setzungen wird die N-Schicht 2 positiver als die gegeben wird, ist die Stärke der Emittervor- P-Schicht 3 durch das von Batterie 25 an die Spannungsquelle für diesen Transistor kleiner als beim ao Klemme 5 gelegte positive Potential gehalten, wenn herkömmlichen Transistor, weil der Punkt A bereits die P-Schicht 3 einheitlichen Potentials über die teilweise im aktiven Bereich liegt und nicht so weit Klemme 7 geerdet ist. Daher ist die Sperrschicht umbewegt zu werden braucht wie der Punkt A1. gekehrt vorgespannt und liefert keinerlei Löcher-Das Grundprinzip der Selbstvorspannungsbildung, strom. Der einzige im Kollektorkreis fließende Strom welches in der Herstellung von zwei Stromwegen be- 25 wird von der Basis geliefert. Ein der Klemme 5 zugesteht, von denen einer einen Lochinjektionsemitter um- leitetes negatives Signal verändert das Potentialfaßt an einem Potentialpunkt zwischen dem Kollek- verhältnis über der Sperrschicht 4 dadurch, daß die tor und der Basis, kann auf vielerlei Weise zusätzlich N-Schicht 2 hinsichtlich der P-Schicht 3 negativ gezu den in Fig. 1 und 4 gezeigten Ausführungen ver- macht wird, und gestattet die Injektion von Löchern, wendet werden. Zum Beispiel kann der ein einheit- 30 die den Kollektor vom Schichtemitter aus erreichen liches Potential besitzende P-Bereich 3 aus zwei können. Diese am Kollektor 9 ankommenden Löcher
kleinen miteinander verbundenen Schichten bestehen, von denen eine nahe der Basis und die andere nahe dem Kollektor liegt. Weiterhin können auch andere Gleichrichterelemente für den Teil des Hilfsstromweges I9 nahe des Basisanschlusses verwendet werden, wie z. B. eine Schichtdiode, die nicht zu dem Halbleiterblock 1 gehört und an Klemme 5 angeschlossen ist, oder ein formierter Punktkontakt auf dem Halbleiten eine innere positive Rückkopplung infolge des Eigenleitungs-Alphafaktors des Kollektors ein und gestatten einen starken Kollektorstromnuß.
Dieser Zustand ist in Fig. 8 graphisch dargestellt. Die Fig. 8 zeigt die Veränderung des Kollektorstromes /,. mit der Kollektorspannung Vc für bestimmte Basisstromwerte IB. Die IB-Werte sind eine Funktion des an die N-Schicht 2 gelegten Potentials.
leiterblock 1 nahe der Klemme 5, und ähnlich kann 40 Die Neigung der gezeigten Belastungslinie ist durch jede beliebige Löcherinjektionsquelle als in Durchlaß- die Ausgangsimpedanz im Kollektorkreis bestimmt,
richtung gepolter Teil des Hilfsstrompfades I2 dienen, Fig. 8 zeigt eine Schar von Kollektorkennlinien für wie z. B. ein Punktkontaktemitter sowie eine halb- den gemäß Fig. 7 geschalteten Transistor. In jeder leitende Schicht. In allen Ausführungen findet die Kurve erfolgt eine geringe Erhöhung des Kollektor-Selbstvorspannungsbildung statt, wenn zwei Strom- 45 Stroms Ic mit zunehmender Erhöhung der Kollektorwege für den Basis-Kollektor-Strom gemäß Fig. 4 spannung Vc, bis die umgekehrte Vorspannung der
vorgesehen sind und der zweite Pfad I2 eine Gesamtimpedanz hat. die kleiner als die Impedanz des ersten Pfades ist, welcher direkt von der Basis zum Kollektor führt.
Um das Verhältnis der Impedanzen der beiden Stromwege aufrechtzuerhalten, muß man die Widerstände des N- und des P-Materials, den Sperrwiderstand des Teils des Hilfsstromweges nahe dem Basisanschluß und den Durchlaßwiderstand des Löcherinjektionsteils des Hilfsstromweges kennen. In Kenntnis dieser Werte kann man leicht die Abmessung zwischen Klemme 5 und Kollektor 9 festlegen, um dieser Vorbedingung herzustellen. Ein erfolgreich beSperrschicht 4 überwunden ist. Bei der Überwindung dieser Vorspannung injiziert die P-Schicht 3 Löcher, und durch die von dem Eigenleitungs-Alphafaktor des Kollektors erzeugte innere positive Rückkopplung entsteht ein starker Kollektorstromfluß. Daher erzeugt diese positive innere Rückkopplung einen negativen Widerstandsteil der Kollektorkennlinie, der eine bistabile Arbeitsweise gestattet.
Die umgekehrte Vorspannung der Sperrschicht 4 kann durch Erhöhung des negativen Kollektorvorspannungspotentials oder durch Anlegen eines negativen Signals an die N-Schicht 2 überwunden werden, um direkt das Potential verhältnis zwischen der
tätigter Transistor mit Selbst vorspannung hatte die- 60 N-Schicht 2 und der P-Schicht 3 zu verändern. Inselben Abmessungen, wie sie oben für die gesteuerten folge der Erhöhung des negativen Kollektorvorspannungspotentials wird der Arbeitspunkt weiter bis zum Knie der Kurve bewegt, wo durch die P-Schicht 3 Löcher injiziert werden und die innere positive Ist der Transistor nach der Erfindung so ge- 65 Rückkopplung den Kollektorstrom schnell verstärkt, schaltet, daß die P-N-Schicht als Emitter dient und Dies ist dargestellt durch den negativen Widerstandsdaß die N-Schicht ein genügend hohes positives teil der Kurve jenseits des Knies. Ein stabiler Arbeitspunkt wird im Punkte B erreicht, wo der Kollektorstrom Ic durch die Impedanz des Kollektorkreises be-
Kollektorkennlinien angegeben sind. Von Klemme 5 zum Kollektor 9 beträgt der Abstand etwa 6,35 · IO-2 cm.
Potential erhält, dann weist er zwei stabile Arbeitszustände auf. Mit einer solchen Steuerung kann ein
sehr kleines, der Basis zugeleitetes Eingangssignal 70 grenzt wird. Infolge der Einführung des negativen
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Signals an die N-Schicht 2 wird der Basisstrom Ib gesenkt. Da das Knie der Kurve durch den Basisstrotn /ft bestimmt ist, wird nun durch eine genügende Senkung des Basisstroms der Arbeitspunkt wirksam über das Knie der Kurve hinaus verlagert und leitet die innere positive Rückkopplung ein. Damit nimmt der Stromkreis den stabilen Arbeitspunkt B hohen Kollektorstroms ein.
Aus den Kurven der Fig. 8 ist erkennbar, daß die Stärke des Kippsignals klein oder groß gemacht werden kann je nach den Erfordernissen an die Arbeitsempfindlichkeit, und zwar durch entsprechende Auswahl des Arbeitspunktes für die betreffende Anwendung der Schaltung.
Um nun den Transistor in den anfänglichen stabilen Zustand niedrigen Kollektorstroms zurückzubringen, muß die Löcherinjektion für einen Augenblick auf das Maß reduziert werden, bei dem die positive Rückkopplung infolge des Eigenleitungs-Alphafaktors des Punktkontaktkollektors unterbrochen und die umgekehrte Vorspannung an der Sperrschicht 4 wiederhergestellt werden. Die Herabsetzung der Löcherinjektion kann am besten durch Reduktion des Kollektorpotentials geschehen.
Die bistabile Arbeitsweise dieses Transistors kann mit der Arbeitsweise eines Thyratrons insofern verglichen werden, als diese Vorrichtung in einem Zustand geringer Leitfähigkeit gehalten wird durch eine Vorspannung, die durch ein kleines Steuersignal überwunden werden kann, d. h. analog zu dem dem Steuergitter eines Thyratrons aufgeprägten Signal. Ist sie einmal in den Zustand hohen Stroms umgeschaltet worden, dann kann diese Vorrichtung nur durch Herabsetzung des Kollektorpotentials unter den zur Überwindung der Vorspannung erforderlichen Wert wieder in den Zustand niedrigen Stroms zurückgeschaltet werden. Dies ist vergleichbar der Reduktion des Anodenpotentials eines Thyratrons auf einen so niedrigen Wert, daß die Ionisierung des Gases nicht stattfinden kann.
Für die bistabile Arbeitsweise nach thyratronähnlichen Anwendungen weist der Transistor gemäß der Erfindung die folgenden weiteren Arbeitsmerkmale auf: Er ist so eingerichtet, daß die durch die starken Ströme bei dieser Anwendungsart erzeugte Wärme leichter abgeleitet wird. Die Wärme kann durch Montage des Halbleiterblocks auf einem Element großen Volumens und guter Wärmeleitungseigenschaften, z. B. einer Stange oder einer Platte, abgeführt werden. Ein Beispiel für diese Ausf uhr ungsart ist in Fig. 9 für den Transistor nach Fig. 1 gezeigt, wobei der Kontakt 7 gleichen Potentials mit der P-Schicht 3 eine wärmeleitende Platte ist. Ein weiteres Merkmal ist, daß dieser Transistor sehr niedrige Eingangs- und Ausgangsimpedanzen in der Größen Ordnung von nur einigen Ohm aufweisen kann. Dies ist daraus zu erklären, daß der Widerstand des sehr dünnen Halbleitermaterials die Eingangsimpedanz ist. Ähnlich zeigt gemäß den Kurven in Fig. 8 der Wert des Ausgangsstroms zur Ausgangsspannung eine sehr niedrige Ausgangsimpedanz an. Es sind Einheiten nach der Erfindung mit einer Ausgangsimpedanz von nur 2 Ohm entwickelt bei einem Kollektorstrom von 1 Ampere im Kollektorkreis. Ein weiteres Merkmal ist, daß der Arbeitsbereich dieses Transistors höhere Spannungen einschließt als bei anderen bekannten Hochleistungs-Halbleitervorrichtungen. Die Doppel-Basisdiode ist ein Beispiel für eine Hochleistungs-Halbleitervorrichtung. Gemäß den Kurven von Fig. S vergrößert sich bei verstärktem Ib der Arbeitsspannungsbereich sehr stark. Es sind Vorrichtungen nach der Erfindung entwickelt worden, die mit 100 Volt im Kollektorstromkreis arbeiten. Ein damit verwandtes Verhaltungsmerkmal ist, daß dieser Transistor, wenn er für eine bistabile Arbeitsweise eingerichtet ist, aus dem Zustand niedrigen Kollektorstroms in den stabilen Zustand hohen Kollektorstroms durch eine Lichtquelle, deren Strahlen nicht in der unmittelbaren Nähe des Kollektors auffallen, sondern einfach irgendwo den Halbleiterblock treffen, gekippt werden kann. Während der Transistor gemäß der Erfindung sehr empfindlich für die Wirkungen von Wärme und Licht ist, was unten noch im einzelnen beschrieben werden wird, ist dieser Effekt des Lichtes auf die Schaltung nach Fig. 7 in anderer Weise wirksam als der normale bekannte Fototransistor und ist besonders in Verbindung mit dieser bistabilen Arbeitsweise nützlich. Die Wirkung des Lichtes auf einen Transistor nach Fig. 5 besteht in der Erzeugung von Löchern in der N-Schicht 2, und zwar in solcher Menge, daß ein Teil der umgekehrten Vorspannung an der Sperrschicht 4 durch das positive Potential an der N-Schicht 2 und das Erdpotential an der P-Schicht 3 bewirkt wird und die Injektion von Löchern durch die P-Schicht 3 gestattet, welche zum Kollektor 9 fließen. Diese Wirkung findet selbst dann statt, wenn das Licht auf den N-Bereich 2 an einer Stelle auffällt, die von dem Kollektor über die Diffusionsentfernung der Träger hinaus entfernt ist, und die injizierten Träger aussterben, bevor sie den Kollektor 9 erreichen können. Die Wirkung der Senkung der umgekehrten Vorspannung durch das Licht kann dadurch beobachtet werden, daß das Licht bei Erzeugung von Löcher-Elektronen-Paaren das thermodynamische Gleichgewicht des Halbeliterkristalls zerstört, weil die Löcher frei in die P-Schicht 3 diffundieren, während die Elektronen den Pfad höherer Impedanz von der Klemme 5 über den Widerstand 26 und die Batterie 25 nehmen müssen.
Es sind in dieser Ausführung viele verschiedene Arten der Elektrodenstellung und -bauart möglich. Zum Beispiel kann die Klemme 5 ein ohmisch mit der N-Schicht verbundener Ring sein, der in seiner Mitte den Kollektor enthält, und ähnlich können mehrere konzentrische Ringe verwendet werden 'für die Steuerung der Stärke und der Quellen des zuzuleitenden Steuersignals. Ein Beispiel für diese Bauart ist in Fig. 10 gezeigt, die zwei konzentrische ohmsche Basiisringe darstellt, wobei der Kristall auf einem wärmeleitenden Stab montiert ist.
Ein erfolgreich betriebener Transistor in dieser Ausführung hatte folgende Abmessungen: Der Halbleiterblock 1 ist quadratisch mit einer Seitenlänge von etwa 1,27 · 10—* cm. Die Gesamtdicke beträgt etwa 2,54 · 10""3 cm bei einer N-Schicht 2 von etwa. 2,29 · 10-2 cm und einer P-Schicht 3 von etwa 2,54 · 10—* cm. Der Kollektor 9 befindet sich in der Mitte des Halbleiterblocks 1. Für Hochfrequenzzwecke wird der Abstand zwischen Basis und Kollektor wichtig. Dieser Abstand von Klemme 5 zu Kollektor 9 schwankt etwa in dem Bereich zwischen 5,08 ■ 10—2 cm und 2,54-10—3 cm. Er ist einer der Faktoren, die für eine Zeitverzögerung bei der Einführung eines Signals an die N-Schicht 2 an Klemme 5 bis zur Erzeugung eines Effektes auf der Sperrschicht 4 maßgebend sind. Der andere Faktor ist die Spannung über der Sperrschicht. Eine entsprechende Einstellung dieser beiden Faktoren läßt sich ohne weiteres für den optimalen Betrieb bei einer ausgewählten Frequenz vornehmen.
Der Transistor gemäß der Erfindung ist außerordentlich empfindlich in bezug auf die Wirkungen von Wärme und Licht, wenn er so geschaltet ist, daß ein Teil der Sperrschicht in umgekehrter Richtung vorgespannt ist. Unter diesen Umständen werden Löcher im N-Material durch das Vorhandensein von Wärme oder Licht erzeugt, und infolge dieser Löcher wird der Sperrwiderstand des in Sperrichtung gepolten Teiles der Sperrschicht gesenkt. Die P-Schicht injiziert nun mehr Löcher zum Kollektor. Deren Wirkung wird durch den Eigenleitungs-Alphafaktor des Punktkontaktkollektors verstärkt, so daß der Kollektorstrom verstärkt wird. Während die einzelnen Vorgänge, durch die Wärme und Licht Löcher im Halbleitermaterial erzeugen, nicht dieselben sind, ist die Wirkung des Vorhandenseins einer vergrößerten Menge von Löchern im N-Material des Transistors, nämlich die Senkung des Sperrwiderstandes des in Sperrichtung gepolten Teils der Sperrschicht, dieselbe, ob nun die vermehrten Löcher durch Wärme oder durch Licht erzeugt werden.
Fig. 11 zeigt eine Ausführung dieses Transistors, der so geschaltet ist, daß die Wirkungen von auf seine Oberfläche fallendem Licht oder einer Temperaturveränderung erkennbar werden. In Fig. 11 ist der Transistor so geschaltet, daß zwei Pfade für den Strom von der Basis an der Klemme 5 zum Kollektor 9 gebildet werden, welche mit I1 und I2 bezeichnet sind, wobei ein Äquipotentialpunkt 17 die in Durchlaß- und in Sperrichtung gepolten Teile der Sperrschicht 4 trennt; wie oben in Verbindung mit Fig. 4 und der Selbstvorspannungsleistung beschrieben ist, wird auf die Oberfläche der N-Schicht 2 ein Lichtstrahl gerichtet oder tritt dort eine Temperaturerhöhung ein, so wird durch das Vorhandensein von Löchern in der N-Schicht 2 das thermodynamische Gleichgewicht aufgehoben, der Sperrwiderstand des in Sperrichtung gepolten Teils des PN-Überganges 4 zwischen Klemme 5 und Äquipotentialpunkt 17 verringert und eine Stromverstärkung im Pfad I., ermöglicht. Die Stromverstärkung im Pfad I2 wird wiederum durch den Eigenleitungs-Alphafaktor des Kollektors verstärkt, wodurch sich große Veränderungen des Kollektorstroms ergeben. In den meisten herkömmlichen licht- und wärmeempfindlichen Vorrichtungen werden die Empfindlichkeit eines PN-Überganges gegenüber Wärme oder Licht oder der Effekt von durch Wärme oder Licht erzeugten Löchern verstärkt durch einen Puinktkontaktkollektor, verwendet. Jedoch sind in jedem Falle die einzigen Löcher, die eine Wirkung auf den Kollektorstrom haben, diejenigen in den Grenzen der Diffusionslänge für die durchschnittliche Lebensdauer der Überschuß träger in dem Halbleiter der betreffenden Sperrschicht oder des Kollektors, den sie erreichen sollen. Löcher, die nicht innerhalb dieses Abstandes liegen, sterben aus und haben keine Wirkung. In diesem Transistor sind die strukturellen Verhältnisse so, daß größere Mengen von Löchern, die in der N-Schicht 2 erzeugt werden, imstande sind, den Kollektorstrom zu beeinflussen, indem sie durch den Eigenleitungs-Alphafaktor des Kollektors verstärkt werden. Die Löcher, die den Kollektor innerhalb ihrer Lebensdauer erreichen können, beeinflussen den Kollektorstrom direkt, jedoch ist dies gewöhnlich sehr gering; gleichzeitig können alle Löcher in der N-Schicht in dem in Sperrrichtung gepoilten Teil die Sperrschicht innerhalb ihrer Lebensdauer wegen der Dicke der N-Schicht 2 erreichen, und alle tragen dazu bei, den Rückwiderstand der Sperrschicht 4 zu verringern und den Strom im Pfad I2 zu verstärken. Sowohl die Löcher, die den Kollektor direkt erreichen, als auch die durch den in Fluß richtung gepolten Teil der Sperrschicht 4 infolge einer Verstärkung von I2 injizierten Löcher haben eine Wirkung auf den Kollektorstrom, die durch den Eigenleitungs-Alphafaktor des Kollektors verstärkt wird. Daher entspricht die Empfindlichkeit dieses Transistors für Wärme und Licht etwa der Empfindlichkeit des in Sperrichtung gepolten Teils der Sperrschicht 4, multipliziert mit dem Eigenleitungs-Alphafaktor des Kollektors und der verstärkten Wirkung der den Kollektor direkt erreichenden Löcher.
Um die Wirkung der zusätzlichen Löcher in der N-Schicht 2, die durch Wärme oder Licht erzeugt werden, zu veranschaulichen, sind die Kollektorkennlinien für den nach Fig. 11 geschalteten Transistor in Fig. 12 für die Temperatur 20° C und in Fig. 13 für eine Temperatur von 50° C gezeichnet. Die eingetragenen Belastungslinien haben dieselben durch die Impedanz des Kollektorkreises bestimmten Neigungen. Beim Vergleich von Fig. 12 mit Fig. 13 ergibt sich als Ergebnis des Vorhandenseins vermehrter Löcher in der N-Schicht 2, daß der Arbeitspunkt A für Emitterstrom 0 weiter in den aktiven oder linearen, Verstärkungsbereich des Transistors hinein verlagert wird, während gleichzeitig die Neigung der Kurven, und ihr räumliches Verhältnis im wesentlichen dieselben bleiben. Daher bleibt der kleine Signalalphafaktor des des Transistors unverändert. Dies ist daraus ersichtlich, daß sich der Arbeitspunkt A von einem Kollektorstromwert nach Fig. 12 zu einem erhöhten Kollektorstromwert nach Fig. 13 infolge des Vorhandenseins der Löcher in der N-Schicht 2, die durch die Temperaturänderung von 30° erzeugt werden, verschiebt.
Das Prinzip dieser Wärme- bzw. Lichtempfindlichkeit, daß nämlich die Vermehrung der Löcher die Sperrspannung der Sperrschicht verringert und den Strom im zweiten Pfad zum Kollektor verstärkt, während die Verstärkung durch den Eigenleitungs-Alphafaktor des Kollektors weiter verstärkt wird, trifft überall dort zu, wo eine beliebige Quelle für Löcher zur N-Schicht vorhanden ist, solange die Löcher die Sperrschicht innerhalb ihrer Lebensdauer erreichen können.
Jede Löcher emittierende Quelle, wie z. B. ein Elektronenstrahl oder eine Elektrode, erzeugt die Reduktion der umgekehrten Vorspannung nach diesem Prinzip, solange ihr Ort in bezug auf den Kollektor größer ist als die Diffusionslänge für die durchschnittliche Lebensdauer der Überschußträger und sie innerhalb des in der Sperrichtung gepolten, Teils der Sperrschicht liegt. Wenn eine solche Quelle vorhanden ist, addieren sich der Strom von dieser Elektrode und der Strom von einem direkt an die P-Schicht ein heitlichen Potentials angelegten Signal linear für in Flußrichtung liegende positive Eingänge. Die Verstärkung des Kollektorstroms ist dann proportional ihrer Summe.
Erfolgreich benutzte Vorrichtungen mit diesem Empfindlichkeitsprinzip hatten dieselben Abmessungen wie die für die steuerbaren Kollektorkennlinien verwendeten Vorrichtungen.
Wenn der Transistor mit der P-Schicht als Emitter geschaltet ist, zeigt er Verzögerungsmerkmale während des Impulsbetriebes. Bei Anlegung eines Eingangssignals durch die als Emitter wirkende P-Schicht, derart, daß der Emitter von der Vorspannung Null auf einen negativen Wert über den Abschaltwert und dann zurück auf Null getrieben wird, erfährt der Ausgangsimpuls am Kollektor nach Rückkehr des
Eingangsimpulses auf den Wert Null in seiner Rückkehr auf Null eine Zeitverzögerung, die etwa proportional der Größe ist, um die der Emitter über den Abschaltwert hinaus innerhalb des normalen Arbeitsbereiches für Punktkontakttransistoren getrieben worden ist.
Um diese Arbeitsweise zu beschreiben, ist der Transistor nach Fig. 1 in Fig. 14 in der Schaltung zum Impulsbetrieb gezeigt, und zwar ist die Basis 5 geerdet, negative Eingangssignale werden über die Eingangsklemmen 23 und 24 eingeführt. Diese Signale durchlaufen die Eingangsimpedanz 27 und erzeugen Veränderungen im Ausgangspegel an der Belastungsimpedanz 19, welche an den Klemmen 20 und 21 zur Verfügung stehen. Die Schaltung nach Fig. 11 erzeugt bei Anlegung einer Reihe negativer Eingangsimpulse an die Klemmen 23 und 24 eine Reihe längerer negativer Ausgangsimpulse an den Klemmen 20 und 21. Fig. 15 zeigt eine vereinfachte Darstellung des Emitterstromes Ie und der Kollektorspannung Vc in Abhängigkeit von der Zeit. Der erste durch die Kurve /,, dargestellte eingeführte negative Impuls bewirkt keine Abschaltung des Transistors. Daher beginnt der Ausgangsimpuls, der l>ei Vc im Zeitintervall von 0 bis 5 MikroSekunden dargestellt und mit Impuls 1 bezeichnet ist, sich zur gleichen Zeit zu erholen, wo sich der Eingamgsimpuls erholt, und zwar innerhalb einer kurzen Zeitdauer, die mit der Dauer der Einschaltzeit vergleichbar ist. Der zweite eingeführte Impuls treibt den Transistor über den Abschaltwert hinaus, wie die Tatsache beweist, daß Ie über den Abschaltwert hinaus negativ wird. Die Ft.-Ausgangskurve für diesen Impuls zeigt eine Verzögerung in der Erholung, nachdem der Eingangsimpuls auf Null zurückkehrt. Diese Verzögerung ist auf der F^-Kurve am Ende des Impulses 2 (von 10 bis 15 Mikrosekunden) dargestellt.
Der Grund für diese Verzögerungszeit ist die Tatsache, daß die Emitterspannung, wenn sie nach der Abschaltung weiter negativ wird, den Erschöpfungsl >ereich der PN-Schicht auflädt. Wenn das Emittersignal wieder zurück auf Null geht, kann die Emitterspannung nicht sofort ansteigen, bis der aufgeladene Erschöpfungsl>ereich entladen ist. Die für diese Entladung benötigte Zeit ist die zeitliche Verzögerung in der Erholung des Ausgangsimpulses, und daher ist die zeitliche Verzögerung um so länger, je größer diese Ladung ist oder je weiter der Emitter über den Abschaltwert hinausgetrieben wird. Die Erschöpfungsschicht hat bekanntlich die Wirkung eines Konden- sators.
Eine nach der Erfindung betriel>ene Vorrichtung, die diese Verzögerung aufwies, hatte diesell>en Abmessungen wie der Transistor, der zur Demonstration der steuerbaren Kollektorkennlinien verwendet worden ist, und erzeugte Verzögerungen zwischen 1 und 3 Mikrosekunden.
Während hier die grundlegenden neuen Merkmale der Erfindung in Anwendung auf bestimmte Ausführrrigsarten gezeigt, beschrieben und dargelegt worden sind, versteht sich, daß die Erfindung nicht nur if die besonderen Ausführungsbeispiele beschrär'it ist. So können z.B. in allen Ausführungen die Sc'üchten aus N- und P-Material in der entgegengesetzten Lage mit geringfügigen Polaritätsänderungen verwendet werden.

Claims (14)

Patentansprüche:
1. Transistor mit einem flachen Körper aus halbleitend ::n Material, z. B. aus Germanium oder Silizium, mit einer oder mehreren sperrfreden Elektroden und einer oder mehreren sperrenden Spitzenelektroden, dadurch gekennzeichnet, daß diese Elektroden auf der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers (2) angebracht sind, daß zwischen zwei von diesen Elektroden eine Potentialdifferenz parallel zu der Oberfläche angelegt ist und daß auf der anderen gesamten Oberfläche des Halbleiterkörpers (2) eine flächenhafte Elektrode (7) mit einer vorgelagerten Halbleiterschicht vom umgekehrten Leitungstyp (3) solcher geringen Stärke angeordnet ist, daß diese Halbleiterschicht über ihren gesamten Bereich ein einheitliches, von der Flächenelektrode (7) aufgeprägtes Potential annimmt und dadurch den PN-Übergang (4) in seiner Längenausdehnung aufteilt in einen Bereich mit einer Polung in Flußrichturag und in einen Bereich mit einer Polung in Sperrichtung bezüglich einer Spitzenelektrode und zwischen beiden Bereichen des PN-Überganges ein Äquipotentialpunkt (17) entsteht.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die sperrenden Spitzenelektroden (8-9) von einer oder mehreren ringförmigen, sperrfreien Elektroden auf der gleichen Oberflächenseite des Halbleiterkörpers (2) umgrenzt sind.
3. Transistor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sperrfreien Elektroden (5, 6) als Basiselektroden benutzt sind.
4. Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelektrode
(7) als Emitter wirkt.
5. Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Halbleiterkörpers (2) maximal annähernd gleich der Diffusionslängfe für die mittlere Lebensdauer der Ladungsträger im Halbleiter ist.
6. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Äquipotentialpunkt (17) durch äußere, ül>er die sperrfreien Elektroden (5. 6) der den bzw. die Spitzenelektroden (8, 9) tragenden Halbleiterkörper (2) eingeleitete Scha.ltungsmaßnahmetr längs des PN-Übergangs (4) örtlich verschiebbar ist.
7. Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß durch diese örtliche Verschiebung des Äquipotentialpunktes (17) die Transistorkennlinien gesteuert und ausgewählt werden können.
8. Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Selbstvorspannungsbildung für den Emitter der Spitzenelektroden
(8) durch Herstellung zweier verschiedener Strompfade (I1,12) unterschiedlicher Impedanz für den Basis-Kollektor-Strom.
9. Transistor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Strompfad (I1) für den Basis-Kollektor-Strom unmittelbar von der Basis (5) zum Kollektor (9) führt, während der andere Strompfad den PN-Übergang (4) zwischen den beiden Halbleiterschichten (2, 3) schneidet, ehe er am Kollektor (9) einmündet.
10. Transistor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der den Kollektor (9) mittelbar erreichende Strompfad (L2) den PN-Übergang (4) zwischen den beiden halbleitenden Schichten einerseits in einem Bereiche schneidet, der in Sperrrichtung gepolt ist und andererseits in einem Bereiche überquert, der in Flußrichtung gepolt ist.
11. Transistor nach dien Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flächenelektrode (7) eine wärmeableitendie Platte ist.
12. Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Potential der Flächenelektrode (7) von Erdpotential auf negatives Potential umschaltbar eingerichtet ist.
13. Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß bei bistabiler Arbeitsweise die Rückführung in den Ausgangs-
zustand durch Verschiebung· des Äquipotenitial·- punktes erfolgt.
14. Transistor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführung in den Ausgangszustand durch Verminderung des Kollektorpotentials erfolgt.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 890 847.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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