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Halbleiteranordnung mit einem langgestreckten Halbleiterkörper und
ohmschen Elektroden an den Endflächen Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der nichtlinearen
Widerstände und bezieht sich auf solche durch Halbleiter gebildete Widerstände und
auf die zugehörigen Schaltungen.
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Die Theorie der Stromleitung in Festkörpern mittels Elektronen und
Defektelektronen kann als bekannt vorausgesetzt und soll daher im folgenden nur
kurz wiederholt werden.
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Bekanntlich werden Halbleiter in P-Halbleiter und in N-Halbleiter
unterteilt. Ob ein bestimmter Halbleiter zum P-Typ oder zum N-Typ gerechnet werden
muß, bestimmt sich nach der Art des vorwiegend in ihm vorhandenen Aktivators.
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Ein Akzeptoraktivator bindet Elektronen und erzeugt daher Defektelektronen
im Halbleiter. Die Plätze der vom Akzeptor gebundenen Elektronen werden Löcher genannt
und verhalten sich wie bewegliche positiv geladene Elektronen. -Man kann daher sagen,
dalß in einem P-Halbleiter die Stromleitung durch. positive Ladungsträger zustande
kommt.
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Spenderaktivatoren liefern Elektronen in den Halbleiter hinein und
erzeugen daher einen Elektronenüberschuß im Halbleiter. Dieser Elektronenüberschuß
ermöglicht einen Stromdurchgang durch das Halbleitermaterial. Hierbei arbeiten die
Elektronen als gewöhnlich negative Ladungsträger.
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Bekanntlich entsteht, wenn ein P-Halbleiter an einem 1-Halbleiter
angrenzt, eine P-N-Schicht oder Inversionsschicht, welche Gleichrichtereigenschaften,
d. h. eine einseitige Leitfähigkeit, besitzt. Wenn das P-ilaterial positiv gegenüber
dem V-lIaterial gemacht wird, wandern die Löcher aus dem positiven P-1-iaterial
unter dem Einfluß des elektrischen Feldes in das ;\T-Material hinein. Innerhalb
dieses N-Materials werden diese Elektronenlöcher dann durch die dort vorhandenen
Überschußelekt.ronen neutralisiert. Ebenso wandern Überschußelektronen aus dem N-Material
durch die Inversionsschicht hindurch in das P-Material hinein und werden dort von
den dort vorhandenen. Elektronenlöchern neutralisiert. Dieser resultierende Stromfluß
wird im allgemeinen als der Dioden flußstrom bezeichnet, und die erwähnte Spannung,
welche diesen Strom hervorruft, wird als die Vorspannung in der Flußrichtung bezeichnet.
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Wenn jedoch das P-Material negativ gegenüber dem N-Nfaterial gemacht
wird, so werden die Löcher im P-Material und die Überschußelektronen im N-Material
beide von der Inversionsschicht abgezogen. Die Inversionsschicht und ihre Umgebung
zeigen also eine Verarmung an Ladungsträgern, und es fließt nur ein geringer Strom.
Der kleine resrltierende Strom wird durch thermisch erzeugte freie Defektelektronen
und freie Elektronen gebildet, welche die Inversionssc'hicht durchsetzen und sich
mit den freien Ladungsträgern in der anderen Zone kombinieren. Dieser kleine resultierende
Strom wird Diodensperrstrom genannt und hängt von der Temperatur des Halbleiters
ab. Wenn der normale Stromfluß durch die Inversionsschicht behindert wird. so spricht
man davon. daß der Halbleiter in der Sperrichtung vorgespannt sei. und man spricht
dementsprechend von einer Vorspannung in der Sperrrichtung.
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Halbleiter, bei welchen zwei Inversionsschichten innerhalb desselben
Kristalls mit verschiedener Durchlaßrichtung, also »Rücken an Rücken« vorhanden
sind, sind unter der Bezeichnung Flächentransistoren bekannt. Diese Halbleiter können
entweder N-P-N- oder P-N-P-Transistoren sein, je nachdem welche Seiten der Inversionsschichten
einander zugewendet werden. Diese beiden Arten von Transistoren weisen gleichartige
Eigenschaften auf und unterscheiden sich hauptsächlich durch die Art der Ladungsträger
und durch die Polarität der nötigen Vorspannungen.
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Gewöhnliche Flächentransistoren erfordern jedoch zwei inversionsschichten.
Ferner müssen diese Schichten sehr genau zueinander liegen und dürfen, wenn das
Optimum des Verhaltens der Transistoren erreicht werden soll. nur einen sehr kleinen
Abstand haben. Daher sind Flächentransistoren sehr kostspielig in der Herstellung
und erfordern komplizierte Fabrikationseinrichtungen.
Der Zweck
der Erfindung ist, einen Halbleiterverstärker zu schatten, der nur eine einzige
Inversionsschicht besitzt und einen negativen Widerstand aufweist.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem
langgestreckten Halbleiterkörper aus elektronischem Halbleitermaterial eines vorgegebenen
Leitungstyps mit ohmschen Elektroden an den gegenüberliegenden Endflächen und einer
Oberflächenzone vom entgegengesetzten Leitungstyp zwischen den Endflächen. aus der
Minoritätsträger in den langgestreckten Halbleiterkörper eintreten können, sowie
einer Spannung zwischen den ohmschen Elektroden an den Endflächen.
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Gemäß der Erfindung ist an die Oberflächenzone vorn entgegengesetzten
Leitungstyp eine solche Spannung angelegt. die zwischen den beiden Spannungen an
den Endpunkten der Oberflächenzone durch den Spannungsabfall im 1a nggestreckten
Halbleiterkörper liegt. so daß der eine Teil der Oberflächenzone als Emitter und
der andere Teil als Kollektor wirkt und dadurch ein negativer Widerstand in der
Kennlinie auftritt. Die Halbleiteranordnung wird vorzugsweise so betrieben, daß
durch das Austreten von Minoritätsträgern aus der Oberflächenzone die Spannungsverteilung
in den beiden Teilen des langgestreckten Halbleiterkörpers sich ändert.
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Die Halbleiteranordnung hat gegenüber bekannten Transistoren den Vorteil,
daß sie nur einen Übergang aufweist und daß sie sich infolge des negativen Widerstandes
für den Bau von Schwingungserzeugern, Sägezahngeneratoren. Schaltkreisen mit hoher
Schaltfrequenz usw. eignet.
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Fig. 1 ist eine Ansicht einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung
von oben, in der die Vorspannunjsschaltung schematisch dargestellt ist; Fig.2 ist
eine Vorderansicht des in Fig. 1 dargestellten Halbleiters; Fig.3 bis 5 sind Vorderansichten
des Halbleiters nach Fig. 1 und lassen die Ladungsverteilung an der Inversionsschicht
für verschiedene relative Größen der Spannungen erkennen; Fig.6 bis 8 zeigen den
Spannungsverlauf in Abhängigkeit vom Abstand für verschiedene relative Spannungsgrößen
und entsprechen der Ladungsverteilung gemäß Fig. 3 bis 5; Fig.9 ist eine Stromspannungscharakteristik
für den Halbleiter nach Fig. 1; Fig. 10 ist ein Schaltbild eines Relais unter Benutzinzg
eines Halbleiters nach Fig. 1 und Fig. 11 ein Schaltbild einer anderen Ausführungsform
de, in Fig. 10 dargestellten Relais.
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In F;-. 1 bestellt der im ganzen mit 11 bezeichnete Halbleiterkörper
aus einem länglichen Kristall 12 eines geeigneten \-1laterials. z. B. aus Germanium
oder Silizium. Wie initz#n noch näher dargelegt «-erlen wird, sind die genauen Abmessungen
des Kristalt.: 12 einigermaßen kritisch. Der Anschaulichkeit halber ist jedoch der
Krista1112 in bequem erkennbaren abniessungen dargestellt. Auf geeignete Weise,
z. B. durch TINTiederschlag eines Metallüberzuges auf dem Kristall 12, werden ohmsche
Kontakte bei 13 und 15 gebildet. Die Leitungen 17 und 19 sind an diese Kontakte
angeschlossen. Ein Kügelchen oder eine Pille 23 eines Akzeptormaterials, z. B. aus
Indium, ist auf der einen Seite des Kristalls, etwa in seiner J, itte, angebracht.
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@\'älirend der Herstellung wird das Kügelchen 23 erhitzt und ein Teil
des Akzeptors in den Kristall 12 eingeschmolzen. Zwar sind in dem Halbleiter Spenderaktivatoren
vorhanden, jedoch verschmilzt eine genügende Menge des Akzeptors mit dem Halbleiter,
urn den Akzeptor überwiegen zu lassen, so daß eine Zone 25 (Fig. 2) unter dem Kügelchen
23 in eine P-Zone umgewandelt wird. Es besteht somit bei 27 eine gleichrichtende
Inversionsschicht. Das Verfahren zur Herstellung solcher Inversionsschichten stellt
für sich keinen Teil der Erfindung dar.
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Wie in Fig. 1 dargestellt, besteht der Kristall 12 aus N-Material
und das Kügelchen 23 aus einem Akzeptor. Dasselbe Verhalten läßt sich jedoch auch
erzielen, wenn die Pille 23 aus einem Spender und der Kristall aus P-11aterial besteht.
Man muß dann lediglich die Polarität der Vorspannungsquellen umkehren.
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Eine geeignete Gleichspannung, die hier durch die Batterie 21 angedeutet
ist, ist mit den Leitungen 17 und 19 verbunden, so daß ein Gleichspannungsfeld in
der Längsrichtung des Kristalls entsteht. Gemäß Fig. 6 bis 8 hat der Potentialgradient
im Kristall 12 seinen Minimalwert am einen Ende des Kristalls und seinen Maximalwert
am anderen Ende.
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Eine weitere Vorspannungsquelle, die hier als Batterie 29 eingezeichnet
ist, liegt zwischen der Pille 23 und dem ohmschen Kontakt 13 über die Leitungen
31 und 33. Die Batterie 29 kann entweder zwischen den ohmschen Kontakt 17 oder den
Kontakt 19 einerseits und 23 andererseits geschaltet -,werden. Es ist nur nötig,
daß die mit dem Kontakt 13 bzw. 15 verbundene Klemme der Batterie 29 die gleiche
Polarität besitzt wie die mit der betreffenden Außenklemme verbundene Klemme der
Batterie 21.
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Die Spannungsgrößen der Batterie 29 ist kritisch, und ihre Größe im
Vergleich zur Spannung der Batterie 21 ist für den negativen Widerstand des Halbleiters
11 bestimmend, wie im folgenden noch erläutert werden wird.
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Die Wirkungen der verschiedenen Größen der Vorspannung des Halbleiters
11 lassen sich am besten an Hand der Fig. 3 biss 5 erläutern, in denen die Batterie
29 durch eine Spannung von einstellbarer Größe ersetzt ist, z. B. durch eine regelbare
Batterie 35.
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In der nachfolgenden Erläuterung ist angenommen, daß diejenige Seite
der Inversionsschicht, mit welcher L', verbunden ist, auf festem Potential liegen
möge. Diese Voraussetzung trifft in der Praxis gut zti. da die Pille 23 aus einem
guten Leiter besteht.
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In den Fig. 3 bis 5 und 6 bis 8 wird das linke Ende des Kristalls
32, welches mit den negativen Klemmen der Batterie 21 und 35 verbunden ist, als
der Bezugspunkt. d. h. als der Punkt der Spannung Null. betrachtet.
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Zunächst sei die Schaltung nach Fig.3 behandelt. in welcher die Spannung
der Batterie 35 so eingestellt wird, daß sie viel größer als die Hälfte der Spannung
der Batterie 21 ist. Diese Spannungsverteilung stellt eine in der Flußrichtung liegende
Vorspannung für die Inversionsschicht 27 dar. und somit emittiert die gesamte Inversionssrhicht
27 Defektelektronen.
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Fig.6 zeigt die Spannungsverteilung über die Längsachse des Kristalls
12 in Abhängigkeit von dem Abstand vom linken Kristallende. Die Nichtlinearität
rührt von dem Stromfluß aus der Inversionsschicht 27 in den Kristall her. Gemäß
Fig. 6 ist die der Pille 23 zugeführte Spannung V, erheblich größer als die Hälfte
der Spannung Vo, welche an dem ganzen Kristall liegt.
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In der Schaltung nach Fig. 4 ist die Größe der Spannung L', der Batterie
35 auf einen Wert reduziert, der merklich kleiner ist als die Hälfte der an dem
ganzen Kristall liegenden Spannung ho. Daher ist die
Inversionsschicht
27 in der umgekehrten Richtung oder Sperrichtung vorgespannt, und zwar gilt dies
für die ganze Fläche der Inversionsschicht, da nämlich die P-Zone 25 gegenüber dem
Kristall unmittelbar unterhalb der Schicht 27 negativ ist. Die in der Sperrichtung
liegende Vorspannung verhindert den Löcherübergang in den '\T-Halbleiter, und es
bildet sich somit eine Raumladung längs der Inversionsschicht. Somit ist die ganze
Schicht 27 in der Sperrichtung vorgespannt. Dies ist in Fig. 7 dargestellt, welche
eine lineare Spannungsverteilung über die ganze Kristallänge zeigt.
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In der Schaltung nach Fig. 5 ist die Spannung der Batterie 35 etwa
die Hälfte der Spannung der Batterie 21. Dann liegt das Potential der P-Zone 25
in der -litte des Potentials des unmittelbar angrenzenden Teils der N-Zone des Kristalls.
Die Spannung an der linken Hälfte der P-Zone 25 ist somit größer als die Spannung
des unmittelbar angrenzenden IN-Gebietes 37. In diesem Gebiet 37 ist der Kristall
also negativ gegenüber der P-Zone 25, und die linke Hälfte der Schicht 27 arbeitet
als Emitter, d. h. ist in der Flußrichtung vorgespannt. In Fig. 5 ist dies durch
das Feilen einer Raumladung im Gebiet 37 der Inversionsschicht 27 angedeutet.
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Jedoch ist die der Pille 23 zugeführte Spannung L' kleiner als die
im _N-Gebiet 39, d. h. als die unmittelbar anschließend an die rechte Hälfte der
P-Zone 25 herrschende Spannung. Da die Spannung V, kleiner ist als das im N-Gebiet
39 herrschende Potential, ist die Inversionsschicht an der Stelle 39 und das P-Gebiet
25 an dieser Stelle in der Sperrichtung vorgespannt, so daß die Inversionsschicht
hier als Kollektor arbeitet.
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Wenn also die Spannung L', zwischen der Spannung rechts und links
der Zone 25 liegt, stellen das N-Gebiet 37 und die P-Zone 25 einen Emitter dar,
und das _N-Gebiet 39 und die P-Zone 25 bilden eine Kollektorschicht. Dabei ist dann
der Zusammenhang zwischen dem Strom I, duirch die Schicht 27 und der Spannung L',
nicht linear, so daß ein negativer Widerstand längs eines Teils dieser Kurve existiert.
Dies ist in Fig.9 dargestellt. Auf dem Ast von A bis C der Stromspannungskurve existiert
ein negativer Widerstand. Bei einer kleinen Spannungszunahme vom Wert C auf einen
Wert C +A C springt der Strom auf den Punkt B. Der Halbleiter 11 ist
also gegen eine kleine Spannungszunahme sehr empfindlich und vermag wie ein Relais
zu arbeiten.
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Die Fig. 10 zeigt eine solche Relaisschaltung unter Verwendung des
Halbleiters 11. Wie in Fig. 1 liefert die Batterie 21 eine Gleichspannung für den
ganzen Kristall 12. Die Spannung l', der Batterie 29 wird auf einen etwas unterhalb
von C (Fig. 9) liegenden Wert eingestellt, und eine Spule 41 eines Relais 43 liegt
in Reihe mit der Batterie 29. Das Relais 43 ist so eingestellt, da ß es bei dem
normalen Strom in der Spule 41 noch nicht anspricht. Mit der Spannung der Batterie
29 liegt eine gleichsinnig gepolte Steuerspannungsquelle 45 mit den Klemmen 47 und
49 in Reihe.
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Wenn den Klemmen 47 und 49 aus der Spannungsquelle 45 ein Steuerimpuls
L', zugeführt wird, so addiert sich die Impulsspannung zu der Spannung V, und wegen
des negativen Widerstandes längs des Astes A-C (Fig. 9) nimmt der Strom schnell
zu, d. h., der Strom springt vom Punkt C auf den Punkt B. Diese Stroinzunabme in
der Spule 41 bringt das Relais 43 zum Ansprechen, so daß dessen Kern 48 nach unten
gezogen wird und der Kontaktbügel 50 die Kontakte 51 und 52 überbrückt. Dann fließt
ein Strom aus der Spannungsduelle 55 durch die zu steuernde Vorrichtung 57 und erregt
dieselbe. Gewünschtenfalls kann das im Ruhezustand offene Relais 43 durch ein im
Ruhezustand geschlossenes Relais ersetzt werden, wobei der einzige Unterschied dann
darin besteht, daß bei Erregung der Spule 41 die Relaiskontakte geöffnet werden.
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Fig. 11 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 10 dargestellten Schaltung.
Bei der Schaltung in Fig. 11 wird der Steuerimpuls V, den Klemmen 59 und 61 zugeführt,
wobei die Polarität von Th die angegebene Richtung hat und sich die Impulsspannung
von der Spannung ho der Batterie 21 subtrahiert. Wenn ein Steuerimpuls zwischen
den Klemmen 59 und 61 auftritt, nimmt die Spannung zwischen den Kontakten 13 und
15 des Halbleiters 11 ab. Diese Spannungsabnahme vermindert das elektrische Gleichfeld
im Halbleiter 11 so weit, daß die Spannung l', zwischen den beiden Spannungswerten
beiderseits der Pille 23 liegt. Dabei tritt dann, wie oben bereits erläutert, ein
negativer Widerstand für den durch die Pille 23 fließenden Strom auf. Der Strom
nimmt somit von einem Wert in der Nähe des Punktes C (Fig. 9) auf einen Wert in
der Nähe des Punktes B zu, und das Relais 45 arbeitet demnach so, wie an Hand der
Fig.10 erläutert. Da die Kurve in Fig. 9 für einen bestimmten Wert von V, gezeichnet
ist, ist der Strom durch den Halbleiter 11 nicht genau der gleiche wie in den Punkten
C oder B. Die Kurve ist vielmehr etwas verschoben, da die Spannung zwischen den
Kontakten 13 und 15 um den Betrag der Steuerspannung 1',, geändert wird.
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Auf dem negativen Ast A-C (Fig. 9) nimmt die Spannung bei zunehmendem
Strom ab. Dieser negative Widerstand läßt sich physikalisch so erklären, daß, wenn
Ladungsträger in einen Halbleiter injiziert werden, der selbst bereits Ladungsträger
enthält, der Widerstand des Halbleitermaterials merklich sinken kann. Dies gilt
insbesondere für Halbleiter mit geringem spezifischem Widerstand. Da h= RI ist,
nimmt, wenn I zunimmt, die Spannung nur ab, wenn die prozentuelle Abnahme von R
größer ist als die prozentuelle Zunahme von I.
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Wenn ein Teil der Schicht 27 in der Flußrichtung vorgespannt wird,
werden Elektronenlöcher aus dem P-Gebiet 25 in die N-Zone injiziert. Durch diese
Löcherinjektion wird der Widerstand des Kristalls 12 insbesondere zwischen der Pille
23 und dem Kontakt 13 merklich erniedrigt. Um einen negativen Widerstand zu erhalten,
muß die Menge des Halbleitermaterials, in welches die Löcher injiziert werden, klein
sein. Anderweitig würde die Löcherinjektion den Widerstand nicht genügend erniedrigen,
da nur verhältnismäßig wenige Löcher zur Widerstandsänderung eines großen Volumens
des Halbleitermaterials zur Verfügung stehen würden. `renn jedoch das gesamte Volumen
des Halbleitertnaterials klein ist, rufen die injizierten Löcher eine Widerstandsänderung
im Kristall zwischen der Pille 23 und dem Kontakt 17 hervor, die gegenüber dem ursprünglichen
Widerstand in diesem Gebiet des Kristalls sehr wohl ins Gewicht fällt, und somit
wird bei der Zunahme der Löcherinjektion, d. h. bei der Zunahme des Stromes, der
Widerstand des Kristalls prozentuell stärker abnehmen, so daß sich der negative
Widerstand auf dem Ast A-C einstellt.
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Bei einer Versuchsausführung betrug Va etwa 22,5 Volt. und die Abmessungen
des Kristalls waren 0,5 cm in der Längsrichtung bei 0,25 - 0,025 cm Querschnittsfläche.
Der
Bereich von V, relativ zu Vo, bei welchem der negative Widerstand auf dem Ast A-C
auftritt, liegt gemäß den oben gegebenen Erklärungen beiderseits eines Spannungswertes
von etwa der Hälfte der Spannung G',. Wenn jedoch die Pille 23 an einer anderen
Stelle als in der Kristallmitte angebracht wird, so tritt der negative Widerstand
bei anderen relativen Werten von h, und b', auf. In weiterer Ausbildung der Erfindung
kann die Pille auch außerhalb der Kristallmitte angebracht werden.