DE1042128B - Double base transistor for generating switching or toggling processes - Google Patents
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Description
Doppelbasistransistor zum Erzeugen von Schalt- oder Kippvorgängen Es ist bekannt, daß sich eine Doppelbasisdiode als Schaltorgan verwenden läßt; sie dient bereits in verschiedenen Kippschaltungen, z. B. in einem Sägezahnoszillator, einem Multivibrator oder einem Impulsauffrischer, als kippendes Organ. Ihre Wirkungsweise sei an Hand der Fig. 1 noch einmal kurz erläutert. 1 bedeutet einen stäbchenförmigen Halbleitereinkristall aus Germanium oder besser aus Silizium oder einer solchen halbleitenden Verbindung zwischen Elementen der IV. Gruppe untereinander oder den Elementen der III. und V. oder II. und VI. oder I. und VII. Gruppe des Periodischen Systems oder deren Mehrfachverbindungen. bzw. Mischkristallen, welche möglichst hohe Beweglichkeiten und hinreichende Lebensdauer der Ladungsträger aufweisen. Bi und B2 bedeuten zwei Basisanschlüsse. 2 ist eine Elektrode, welche mit dem Halbleitermaterial eiiiell p-n=t)bergäiig bildet. Es sei angenommen, daß das Halbleiterstäbchen 1 n-leitend ist und daß die Elektrode 2 aus Indium besteht. An die beiden Basisanschlüsse Bi und B2 ist eine Gleichspannung U6 gelegt. Die Elektrode 2 wirkt als steuerndes Organ mit dem Anschluß D. Zwischen D und Bi werden Kennlinien mit einem Gebiet fallender Charakteristik gemessen. Ist D negativer oder schwach positiv gegenüber Bi vorgespannt, so liegt der p-n-Übergang in Sperrichtung. Erst wenn D eine Spannung von etwa 1/s U6 besitzt, kommt die Sperrschicht zwischen 2 und 1 in Flußrichtung und injiziert Minoritätsträger in den Halbleiter, wodurch das Gebiet zwischen D und Bi überschwemmt und niederohmig gemacht wird. Hierdurch wird die Flußspannung am p-n-Übergang 1-2 vergrößert, so daß noch mehr Minoritätsträger injiziert werden. Dieses Verhalten ist instabil, was sich in dem Auftreten eines Bereichs negativen Eingangswiderstandes äußert. Die Minoritätsträger sind durch Pluszeichen angedeutet, welche sich in Richtung des Pfeiles 3 auf die Basis Bi hin bewegen. Durch entsprechende Schaltmaßnahmen läßt sich dies z. B. zur Erzeugung einer Sägezahnkurve ausnutzen.Double base transistor for generating switching or toggle processes It is known that a double base diode can be used as a switching element; it is already used in various flip-flops, e.g. B. in a sawtooth oscillator, a multivibrator or a pulse freshener, as a tilting organ. Their mode of operation will be briefly explained again with reference to FIG. 1. 1 means a rod-shaped semiconductor single crystal made of germanium or better made of silicon or such a semiconducting compound between elements of group IV or the elements of group III. and V. or II. and VI. or I. and VII. Group of the Periodic Table or their multiple compounds. or mixed crystals, which have the highest possible mobility and sufficient service life of the charge carriers. Bi and B2 mean two basic connections. 2 is an electrode which forms pn = t) with the semiconductor material in a mountainous manner. It is assumed that the semiconductor rod 1 is n-type and that the electrode 2 is made of indium. A DC voltage U6 is applied to the two base connections Bi and B2. The electrode 2 acts as a controlling element with the connection D. Characteristic curves with a region of decreasing characteristic are measured between D and Bi. If D is biased more negatively or slightly positive with respect to Bi, the pn junction is in the reverse direction. Only when D has a voltage of about 1 / s U6 does the barrier layer between 2 and 1 come in the flow direction and inject minority carriers into the semiconductor, whereby the area between D and Bi is flooded and made low-resistance. This increases the forward voltage at the pn junction 1-2, so that even more minority carriers are injected. This behavior is unstable, which manifests itself in the appearance of a range of negative input resistance. The minority carriers are indicated by plus signs, which move in the direction of arrow 3 towards the base Bi. By appropriate switching measures, this can be done, for. B. to generate a sawtooth curve.
Die beschriebene bekannte Einrichtung hat jedoch den Nachteil einer nur geringen Spannungsfestigkeit. Außerdem ist dem Kippkreis nur wenig Leistung zu entnehmen. Einer Anwendung der Doppelbasisdiode - besonders als Schalter - sind daher erhebliche Grenzen gesetzt.However, the known device described has the disadvantage of a only low dielectric strength. In addition, the tilt circle is not very powerful refer to. An application of the double base diode - especially as a switch - are therefore considerable limits are set.
Eine andere bekannte Einrichtung,welche imwesentlichen die gleiche Wirkung wie die Doppelbasisdiode besitzt, ist der Doppelbasistransistor, welcher in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Die Bezeichnungen sind die gleichen wie in Fig. 1. Der Unterschied zur Doppelbasisdiode gemäß Fig. 1 besteht darin, daß außer der Legierungsschicht2noch gegenüber eine entsprechende Legierungsschicht 4 angeordnet ist, so daß eine Emitterelektrode E und eine Kollektorelektrode C einander gegenüberstehen.Another known device which is essentially the same The effect of the double base diode is that of the double base transistor is shown schematically in FIG. The names are the same as in Fig. 1. The difference to the double base diode according to FIG. 1 is that besides A corresponding alloy layer 4 is arranged opposite the alloy layer 2 so that an emitter electrode E and a collector electrode C face each other.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Doppelbasistransistor zum Erzeugen von Schalt- oder Kippvorgängen, bestehend aus einem dotierten Halbleiterkristall stabförmiger Gestalt mit zwei an den Stabenden sperrfrei angebrachten Basiselektroden, an die ein Potential angelegt ist, und zwei weiteren, in den Halbleiterkörper einlegierten, als Emitter bzw. Kollektor dienenden Elektroden. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Emitterelektrode in an sich bekannter Weise an ein solches Zwischenpotential gelegt ist, daß zwei Stabilitätslagen seiner Stromspannungscharakteristik entstehen und in der einen Stabilitätslage eine Injizierung von Minoritätsladungsträgern in den Halbleiterkörper stattfindet, daß die auf Sperrpotential liegende Kollektorelektrode in Richtung der Stabachse gegen die Emitterelektrode versetzt einlegiert ist und daß der Abstand zwischen Emitter- und Kollektorelektrode mindestens eine Größenordnung größer als die übliche Basishalbleiterdicke bei Legierungstransistoren ist.The invention relates to a double base transistor for generating of switching or toggling processes, consisting of a doped semiconductor crystal rod-shaped with two base electrodes attached to the ends of the rod without blocking, to which a potential is applied, and two more, alloyed into the semiconductor body, Electrodes serving as emitter or collector. According to the invention it is provided that the emitter electrode is connected to such an intermediate potential in a manner known per se is placed that two stability levels of its voltage characteristic arise and in the one stability position an injection of minority charge carriers into the semiconductor body takes place that the collector electrode lying at blocking potential is alloyed offset in the direction of the rod axis relative to the emitter electrode and that the distance between the emitter and collector electrodes is at least an order of magnitude is greater than the usual base semiconductor thickness for alloy transistors.
Bei dem Doppelbasistransistor gemäß der Erfindung wird durch Verwendung eines in Sperrichtung auf ein zwischen den Potentialen der Basisanschlüsse liegendes Potential vorgespannten Emitters ein Schalt- oder Kippvorgang ermöglicht, der z. B. durch ein Signal ausgelöst wird und darin besteht, daß der elektrische Zustand der Anordnung von einem stabilen Bereich der Kennlinien unter Durchlaufen eines instabilen Bereiches in einen zweiten stabilen Bereich gelangt. Bei den bekannten Anordnungen wird dagegen der Emitter in Flußrichtung auf ein Potential vorgespannt, das außerhalb des Potentialintervalls der beiden Basisanschlüsse liegt, dadurch ist bei den bekannten Anordnungen für Verstärker- oder Verzögerungszwecke die Erzeugung eines Kipp- oder Schaltvorganges unmöglich gemacht. Beide Betriebsweisen schließen sich somit gegenseitig aus. Von dem Standpunkt der bekannten Verstärker- und Verzögerungsanordnungen mit Doppelbasistransistoren aus gesehen, ist zudem die Maßnahme, den Emitter an Sperrspannung zu legen, aus diesem Grunde ganz ungewöhnlich.In the double base transistor according to the invention, by use one in the reverse direction to one lying between the potentials of the base connections Potential biased emitter enables a switching or tilting process that z. B. is triggered by a signal and consists in that the electrical state the arrangement of a stable range of the characteristic curves by passing through a unstable area enters a second stable area. With the known Arrangements, however, the emitter is biased in the direction of flow to a potential, the outside the potential interval of the two base connections is thereby in the known arrangements for amplifier or delay purposes the generation of a tilting or switching process made impossible. Both modes of operation are mutually exclusive. From the point of view of the known amplifier and delay arrangements with double base transistors seen from, is also the Measure to apply reverse voltage to the emitter, for this reason quite unusual.
Die Verwendung von Halbleiteranordnungen in Gestalt von Basisdioden zur Erzeugung von Schalt- oder Kippvorgängen ist bereits bekannt, bei denen der Emitter ebenfalls schon in Sperrichtung vorgespannt ist. Durch die Hinzunahme eines Kollektors ergeben sich jedoch Verhältnisse, die die Stabilität des Kippvorganges beeinträchtigen. Um bei Anwendung eines mit einem zusätzlichen Kollektor arbeitenden Doppelbasistransistors einen stabilen Kippvorgang zu ermöglichen, wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung der Abstand zwischen dem Emitter und dem gegen den Emitter in Richtung der Stabachse versetzt einlegierten, gegen eine Basiselektrode auf Sperrpotential vorgespannten Kollektor mindestens eine Größenordnung größer gewählt als die übliche Basishalbleiterdicke bei Legierungstransistoren. Diese Maßnahme ist zwar bei Fadentransistoren für Verstärker- und Verzögerungszwecke an sich bekannt. Sie erfüllt jedoch beim Bekannten eine ganz andere Aufgabe, nämlich z. B. die Einstellung einer definierten Verzögerungszeit, die bei dem Doppelbasistransistor gemäß der Erfindung keine Rolle spielt. Hier soll durch diese Maßnahme die Stabilität der beiden verschiedenen Kippzustände erhöht werden, die durch den Kollektor zunächst beeinträchtigt wird.The use of semiconductor arrangements in the form of base diodes for generating switching or tilting processes is already known in which the Emitter is also already biased in the reverse direction. By adding a Collector, however, there are conditions that the stability of the tilting process affect. In order to use one that works with an additional collector Double base transistor to enable a stable flip-flop is according to a Further development of the invention, the distance between the emitter and the one against the emitter Inlaid in the direction of the rod axis offset against a base electrode at blocking potential biased collector chosen at least one order of magnitude larger than the usual Base semiconductor thickness for alloy transistors. This measure is true with thread transistors known per se for amplifier and delay purposes. However, it fulfills the Known a completely different task, namely z. B. the setting of a defined Delay time, which does not matter in the double base transistor according to the invention plays. This measure is intended to increase the stability of the two different tilting states which is initially impaired by the collector.
An Hand der Fig. 3, in der eine skizzenhafte Darstellung der Halbleiteranordnung nach der Erfindung beispielsweise wiedergegeben ist, sei der. Erfindungsgedanke näher erläutert. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Emitter- und Kollektorelektrode auf derselben Seite des Halbleiterkristalls angeordnet; sie können jedoch grundsätzlich auch einander schräg gegenüber angeordnet sein. Ihr gegenseitiger Abstand kann gegebenenfalls etwa eine Größenordnung oder sogar noch mehr größer sein als die übliche Basisbreite in Transistoren. 1 bedeutet wiederum ein Halbleiterkristallstäbchen aus n-leitendem Germanium großer Diffusionslänge und hohen Widerstandes von mindestens 10 Ohm-cm, im Beispielsfalle 20 bis 30 Ohm-cm. E und C bedeuten Emitter und Kollektor, welche durch Einlegieren von indiumhaltigen Schichten 2 und 4 in den Germaniumkristall erzeugt sind. An die beiden Basisanschlüsse Bi und Bz ist eine Spannung Ub von 10 Volt gelegt. Am Emitter liegen -h7 Volt und am Kollektor -60 Volt gegen die geerdete Basis Bi. Bei der Verwendung von Silizium als Halbleiter sind erheblich größere Widerstände von gegebenenfalls einigen hundert Ohm-cm vorteilhaft.With reference to Fig. 3, in which a sketchy representation of the semiconductor arrangement is reproduced according to the invention, for example, be the. Inventive idea explained in more detail. In this embodiment, the emitter and collector electrodes are arranged on the same side of the semiconductor crystal; however, they can in principle also be arranged diagonally opposite one another. Their mutual spacing may, if necessary be about an order of magnitude, or even more, larger than the usual base width in transistors. 1 in turn means a semiconductor crystal rod made of n-conducting Germanium of great diffusion length and high resistance of at least 10 ohm-cm, in the example case 20 to 30 ohm-cm. E and C mean emitter and collector, which by alloying layers 2 and 4 containing indium into the germanium crystal are generated. A voltage Ub of 10 is applied to the two base connections Bi and Bz Volts placed. At the emitter there are -h7 volts and at the collector -60 volts against the earthed Base Bi. When using silicon as a semiconductor are considerably larger Resistances of a few hundred ohm-cm are advantageous.
Die Wirkungsweise der Einrichtung ist folgende: Die vom Emitter im Augenblick des Umklappens in das zwischen ihm und der Basis Bi liegende Gebiet injizierten Minoritätsträger erniedrigen den Widerstand des Halbleiters in diesem Gebiet und erzeugen dadurch die Instabilität. Würde der Kollektor nicht vorhanden sein, so würden sie im Basisanschluß Bi wieder verschwinden. Beim Doppelbasistransistor nach der Erfindung dienen die Minoritätsträger dazu, nach Durchlaufen eines gewissen Bereiches zwischen Emitter E und Bi den in Sperrichtung liegenden p-n-Übergang des Kollektors C zu steuern. Sobald nämlich die Minoritätsträger infolge des zwischen Bi und BZ liegenden Feldes in Richtung nach B1 hin bewegt werden und dabei das Gebiet zwischen E und C niederohmiger und hierdurch die Stromspannungscharakteristik zwischen E und Bi instabil machen, werden sie von dem in Sperrichtung liegenden Kollektor C eingefangen, wodurch dessen p-n-Übergang gesteuert wird. Durch den Arbeitswiderstand 5 kann der äußere Widerstand im Kollektorkreis dem inneren Widerstand angepaßt werden. Die Anordnung wirkt als Kippmechanismus, dessen Stabilität erheblich größer ist als diejenige der bekannten Anordnungen, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind. Insbesondere ist auch der Wirkungsgrad größer als z. B. in der Anordnung gemäß Fig. 2, weil praktisch sämtliche Minoritätsträger, welche den Kippvorgang auslösen, auch den Arbeitswiderstand 5 speisen, während in der Anordnung gemäß Fig. 2 die Minoritätsträger in zwei Teile zerlegt werden, deren einer zur Erzeugung des Kippvorganges nach Bi fließt, während nur der andere Teil in den Kollektor und von dort in den Arbeitswiderstand gelangt.The operation of the device is as follows: The emitter im Injected instant of folding into the area lying between it and the base Bi Minority carriers lower the resistance of the semiconductor in this area and thereby create the instability. If the collector were not there, so they would disappear again in the base connection Bi. For the double base transistor after the invention serve the minority carriers after passing through a certain Area between the emitter E and Bi the reverse-biased p-n junction of the Control collector C. As soon as the minority carriers as a result of the between Bi and BZ lying field are moved in the direction of B1 and thereby the area between E and C lower resistance and thus the voltage characteristic between E and Bi make them unstable, they are removed from the collector in the reverse direction C captured, thereby controlling its p-n junction. Through the work resistance 5 the external resistance in the collector circuit can be adapted to the internal resistance. The arrangement acts as a tilting mechanism, the stability of which is considerably greater than that of the known arrangements as shown in FIGS are. In particular, the efficiency is greater than z. B. in the arrangement according to Fig. 2, because practically all minority carriers that trigger the tipping process, also feed the working resistor 5, while in the arrangement according to FIG Minority carriers are split into two parts, one of which is used to generate the tilting process to Bi, while only the other part flows into the collector and from there into the Work resistance arrives.
Zur Kühlung ist zweckmäßigerweise die elektrodenfreie Seite des Halbleiterstäbchens unter Zwischenschaltung einer dünnen elektrischen Isolierschicht gut wärmeleitend auf eine die Wärme gut ableitende Unterlage, z. B. aus Kupfer, aufgebracht,-insbesondere aufgeklebt. Durch Strichelung ist in Fig. 3 angedeutet, daß gegebenenfalls auch noch ein weiterer Kollektor 6 vorgesehen sein kann, der zweckmäßig mit dem Kollektor 4 verbunden ist.For cooling, the electrode-free side of the semiconductor rod is expediently a good heat conductor with the interposition of a thin electrical insulating layer on a base that dissipates heat well, e.g. B. made of copper, applied, -in particular glued. Dotted lines in FIG. 3 indicate that a further collector 6 , which is expediently connected to the collector 4, can optionally also be provided.
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1955
- 1955-11-12 DE DES46345A patent/DE1042128B/en active Pending
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