DE1045548B

DE1045548B - Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Halbleiterkristallgleichrichters mit negativen Widerstandseigenschaften, insbesondere zur Erzeugung von Schwingungen

Info

Publication number: DE1045548B
Application number: DEI7783A
Authority: DE
Inventors: Robert Anthony Hyman; Kenneth Albert Matthews
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1952-10-14
Filing date: 1953-10-08
Publication date: 1958-12-04
Also published as: CH343534A; US2713132A

Description

DEUTSCHES

Halbleiterkristallgleichrichter bestehen im allgemeinen aus einem Kristall aus Germanium oder Silizium oder einem anderen geeigneten Halbleiter, der an einer metallischen Basiselektrode oder Halterung befestigt ist, und aus einer zugespitzten Nadel oder einem Draht, der mit der Oberfläche des Kristalls in Kontakt steht.

Es ist bereits bekannt, daß die Sperrkennlinie eines solchen Gleichrichters oft ein Gebiet negativen Widerstandes enthält, wodurch der Halbleiterkristallgleichrichter zur Erzeugung von Schwingungen oder zum Aufbau einfacher Kippschaltungen verwendet werden kann.

Die Stromspannungskennlinie für die Sperrichtung von solchen Gleichrichtern bei ansteigenden Strömen besitzt zuerst einen Teil mit positiver Steigung, an die sich der erste Umkehrpunkt anschließt, bei dem der Widerstand des Gleichrichters durch Null geht. Darauf folgt ein zweiter Teil mit negativer Steigung, an den sich ein zweiter Umkehrpunkt anschließt, bei dem der Widerstand wiederum durch Null geht. Der dritte Teil der Kennlinie hat positive Steigung.

Bei Germaniumkristallgleichrichtern hohen Widerstandes, die sich im allgemeinen für die üblichen Verwendungszwecke sehr gut eignen, wird das Gebiet negativen Widerstandes nur bei sehr hohen Spannungen in Sperrichtung, beispielsweise bei 100 Volt, erreicht. Der Strom am ersten Umkehrpunkt, an dem der Widerstand sein Vorzeichen ändert, ist sehr groß, meist größer als 5 Milliampere. Weiter ist der Widerstand, der der negativen Steigung entspricht, sehr klein. Daher muß eine Spannung von nahezu 100 Volt in Sperrichtung angelegt werden, wenn man die negativen Widerstandseigenschaften ζ. B. in einer Vorrichtung zur Erzeugung von Schwingungen oder in einer Kippschaltung ausnutzen will. Der entsprechende Strom beträgt ungefähr 5 bis 10 Milliampere. Daher wird eine ziemliche Leistung vernichtet, was sich in einer Erwärmung des gleichrichtenden Kontaktes auswirkt, wodurch wieder die Gleichrichtereigenschaften verändert werden.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Halbleiterkristallgleichrichters, bei dem das Gebiet des negativen Widerstandes sehr groß und gleichzeitig der dem ersten Umkehrpunkt entsprechende Strom klein ist. Die Spannung, die dem zweiten Umkehrpunkt entspricht, ist stark verringert, und der Widerstand des dritten Teiles der Kennlinie ist klein.

Es sind bereits Germaniumkristallgleichrichter bekannt, deren Kennlinien bei geringen Spannungen und Strömen ein Gebiet negativen Widerstandes durchlaufen. Ihre Herstellung ist aber schwierig und mit großem Aufwand verbunden, denn bei jedem einzel-Verfahren
zur Herstellung eines elektrischen

Halbleiterkristallgleichrichters

mit negativen Widerstandseigenschaften,

insbesondere zur Erzeugung

von Schwingungen

Anmelder:

International

Standard Electric Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Ciaessen, Patentanwalt,
Stuttgart-Zuffenhausen, Hellmuth-Hirth-Str. 42

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 14. Oktober 1952

Kenneth Albert Matthews

und Robert Anthony Hyman, London,

sind als Erfinder genannt worden

nen Gleichrichter muß mit der Nadelelektrode auf der Oberfläche des Germaniums ein P-N-Übergang gesucht werden, dessen Kennlinie den gewünschten Verlauf hat.

Es wurden auch schon Halbleiterkristallgleichrichter mit folgendem Aufbau vorgeschlagen: Ein halbleitender Körper von bestimmtem Leitfähigkeitstyp hat an seiner Oberfläche eine Schicht entgegengesetzten Typs, ferner eine Elektrode, die in nicht gleich-

4" richtendem, niederohmigem Kontakt mit einem Teil der genannten Schicht steht, einen dünnen Film von bestimmtem Leitfähigkeitstyp auf einem begrenzten Gebiet eines anderen Teiles dieser Schicht und eine zweite Elektrode, die in gleichrichtendem Kontakt mit dem genannten dünnen Film steht. Die beiden Elektroden sollen einen Abstand von 0,025 bis 0,25 mm voneinander haben.

Eingehende Untersuchungen haben gezeigt, daß bei Verwendung von Germanium besserer Qualität viel größere Abstände verwendet werden können, als man sie bisher für möglich hielt und wie sie bereits vorgeschlagen wurden.

Diese Wirkung rührt von der Tatsache her, daß Minoritätsträger durch die erstgenannte Elektrode,

«09 697/445

I 045 548

3 4

die Basiselektrode genannt wird, in den Halbleiter genannte Buch von Shockley, S. 66 und folgende,

eingebracht werden und daß diese Ladungsträger Abschnitt 3,1 d).

durch die zweite Elektrode, normalerweise eine Nadel- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Halbelektrode, gesammelt werden und sehr stark die Sperr- leiterkristallgleichrichter herzustellen, die die oben kennlinie beeinflussen. Durch eine elektrische Formie- 5 angegebenen Bedingungen zusätzlich zu denen der berung, wie sie bereits vorgeschlagen wurde, wird die reits vorgeschlagenen Gleichrichter erfüllen.
Leistungskennlinie der zweiten Elektrode ähnlich der Die Erfindung bezieht sich daher speziell auf ein Kennlinie der Kollektorelektrode gemacht, wie sie bei Verfahren zur Herstellung eines elektrischen HaIbeinem Transistor beispielsweise in der Fig. 4 bis 13 leiterkristallgleichrichters mit negativen Widerstandsauf S. 112 des Buches »Electrons and Holes in Semi- ίο eigenschaften, insbesondere zur Erzeugung von Conductors« von W. Shockley, veröffentlicht 1950, Schwingungen, bei dem ein halbleitender Körper von dargestellt sind. Die Minoritätsträger, die durch die bestimmtem Leitungstyp mit einer Schicht entgegenzweite Elektrode gesammelt werden, erzeugen einen gesetzten Leitungstyps auf seiner Oberfläche durch Regenerationseffekt. elektrische Formierung versehen, dann eine erste

Dieser Regenerationseffekt soll im folgenden erläu- *5 Elektrode in Kontakt niedrigen Widerstandes mit

tert werden: Bei einem Halbleiter vom N-Typ rührt dem halbleitenden Körper gebracht, anschließend eine

die Leitfähigkeit normalerweise von den Ladungs- dünne Schicht von bestimmtem Leitungstyp auf einem

trägern her, die durch bestimmte Fremdstoffe, z. B. Teil der genannten Schicht nach einem bekannten

Phosphor, erzeugt werden und aus Elektronen be- Verfahren erzeugt und schließlich eine zweite Elek-

stehen, die sich leicht abspalten lassen. Diese Elek- =>° trode mit der zuletzt genannten Schicht in Kontakt

tronen erzeugen die sogenannte Überschuß leitung. gebracht wird.

Wenn eine Potentialdifferenz zwischen zwei Elek- Gemäß der Erfindung wird die zweite Elektrode in troden angelegt wird, zwischen denen sich ein einem Abstand d von der ersten Elektrode angebracht, solcher Halbleiter befindet, so wird der elektrische der sich nach der Formel d = k · ψΓ für eine beStrom hauptsächlich durch diese Elektronen trans- ^a5 stimmte Umkehr spannung in Sperrichtung, die für portiert. den Gleichrichter benötigt wird, berechnet, worin T

Wenn jedoch eine Elektrode in Kontakt mit einer die Lebensdauer der Minoritätsträger im Halbleiter

Schicht vom P-Typ steht, die sich auf einem Halb- und k eine Materialkonstante bedeutet, die von der

leiter vom N-Typ befindet und die poeitiv gegenüber elektrischen Formierung und von der Umkehrspan-

dem Halbleiter vorgespannt ist, können Defektelek- 3° nung abhängt und sich experimentell an einer Probe

tronen aus der Elektrode in den Halbleiter eintreten. des verwendeten Halbleiters mit einer Lebensdauer T'

Wenn sich eine zweite, gleichrichtende und negativ , _Λ,. . .. . .. , ,-, . , , Λ'

. τ-., , . j . j vp., ,. ^ö . der Mmontatstrager aus der Beziehung A=Tr= ervorgespannte Elektrode in der Nahe dieser ersten ^{& ö} |/T

Elektrode befindet, so werden von dieser zweiten mitteln läßt, worin d' der zu der gewünschten UmElektrode einige dieser Defektelektronen gesammelt, 35 kehrspannung erforderliche Elektrodenabstand ist.
und der durch die zweite Elektrode fließende Strom Eine vorteilhafte weitere Ausbildung des Verfahist sowohl durch die Elektronen des Überschußleiters rens gemäß der Erfindung besteht darin, daß der halbals auch durch diese Defektelektronen, d. h. die Mi- leitende Körper mit N-Typ-Leitfähigkeit und die noritätsträger, bedingt. Der zuvor genannte Regene- durch die elektrische Formierung erzeugte Schicht rationseffekt beruht auf der Tatsache, daß die Zahl 40 mit P-Typ-Leitfähigkeit und der dünne Film wieder der durch die zweite Elektrode gesammelten Defekt- mit N-Typ-Leitfähigkeit hergestellt wird und daß T elektronen stark mit dem negativen Potential der- die Lebensdauer der Löcher bedeutet,
selben ansteigt und schließlich so schnell wächst, daß Die Erfindung soll mit Hilfe der Zeichnung näher der Widerstand zwischen den beiden Elektroden beschrieben werden.

negativ wird. Dieser Effekt wird hier als Regenera- 45 Fig. 1 stellt einen Querschnitt durch einen HaIb-

tionseffekt bezeichnet. leiterkristallgleichrichter gemäß der Erfindung dar;

Wenn ein Halbleiter vom N-Typ verwendet wird, Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf den Gleichrichter,

sind die obengenannten Minoritätsträger Defektelek- bei der die Nadelelektrode weggelassen ist; in

tronen, kurz Löcher genannt, und im Falle von Halb- Fig. 3 ist eine Kennlinie dargestellt, um den elek -

leitern vom P-Typ sind sie Elektronen. Die Minori- 5° irischen Formiervorgang des Gleichrichters zu er-

tätsträger brauchen eine gewisse Zeit, um die zweite läutern;

Elektrode zu erreichen, und haben die Tendenz zn Fig. 4 zeigt einen Teil der Kennlinie von Fig. 3 in

rekombinieren, so daß der Abstand zwischen den stärkerer Vergrößerung; in

Elektronen derart sein muß, daß eine gewisse Anzahl Fig. 5 ist ein Querschnitt durch eine andere Form von Minoritätsträgern noch die zweite Elektrode er- 55 eines Kristallgleichrichters gemäß der Erfindung darreicht, bevor sie rekombinieren. Deshalb hängt der gestellt;

Abstand von der Lebensdauer T der Minoritätsträger Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf den Gleichrichter

ab, die wiederum von den Eigenschaften des Halb- von Fig. 5,

leiters abhängt und praktisch durch die elektrische Fig. 7 ist ein Querschnitt durch eine weitere AbFormierung nicht beeinflußt wird. Wenn N die Zahl ^6o Wandlung eines Gleichrichters, wie er in Fig. 1 und 2 der Minoritätsträger bedeutet, die in einem Kubik- dargestellt ist;

millimeter des Halbleiters zur Zeit Null vorhanden Fig. 8 zeigt eine Abwandlung von Fig. 7; in

sind, und η die Anzahl nach der Zeit von t Sekunden. Fig. 10 ist ein Querschnitt durch eine andere Aus-

dann ist die räumliche Laufzeit T in Sekunden de- bildungsform eines Gleichrichters gemäß der Erfin-

finiert durch die Formel n = Ne(—^trr). Diese Formel 65 dung dargestellt;

gilt jedoch nur näherungsweise, wenn Oberflächen- Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf einen Gleichrichter

effekte in Betracht gezogen werden. Die Laufzeit T nach Fig. 10;

kann jedoch experimentell mit den bekannten Metho- Fig. 11 und 12 zeigen zwei Beispiele für die Ver-

den bei einer Probe des verwendeten Halbleiters fest- wendung eines Gleichrichters gemäß der Erfindung

gestellt werden (vgl. hierzu beispielsweise das oben- 70 in Kipp- oder Schwingschaltungen; in

Fig. 13 bis 15 sind Diagramme dargestellt, die zur Erklärung der Wirkungsweise der Schaltung von Fig. 11 dienen.

Der in Fig. 1 und 2 dargestellte Gleichrichter besteht aus einer Scheibe oder Platte 1 aus einem halbleitenden Kristall vom N-Typ, wie beispielsweise N-Typ Germanium, die an einer metallischen Basiselektrode 2 angekittet, angelötet oder auf andere Weise gut befestigt ist, so daß ein Kontakt niedrigen Übergangswiderstandes entsteht.

Die obere Fläche des Kristalls wird in der bekannten Weise behandelt, um die gleichrichtenden Eigenschaften zu verbessern, beispielsweise indem die Oberfläche zuerst poliert und dann mit einer Lösung, die Fluorwasserstoffsäure, Salpetersäure und Kupfernitrat enthält, geätzt wird. Ein dünner, scharf zugespitzter Draht oder eine Nadel 3 steht in Kontakt mit der oberen Fläche der Kristallscheibe. Die Nadelelektrode ist S-förmig gebogen, damit sie nachgiebig ist.

Die Basiselektrode 2 ist über die ganze Oberfläche der Kristallscheibe vermittels eines plattierten metallischen Überzuges 4 fortgesetzt, der die Ränder der Basiselektrode 2 und die ganze freiliegende Oberfläche der Kristallscheibe bedeckt, ausgenommen ein kleines Loch 5, durch das die Spitze der Nadelelektrode in Kontakt mit der Oberfläche des Kristalls kommt.

Die Größe des Loches 5 ist nicht von großer Wichtigkeit, aber die Spitze der Nadelelektrode 3 soll von der Kante des Überzuges 4 einen Abstand haben, der von der Qualität der Germaniumkristalle abhängt, wie dies bereits erwähnt wurde und was weiter unten genauer ausgeführt wird.

Es ist nötig, zwischen der Nadelelektrode 3 und dem Überzug 4 eine elektrische Formierung durchzuführen, beispielsweise ähnlich derjenigen, wie sie in der britischen Patentschrift 681 809 beschrieben ist. Das Material der Nadelelektrode 3 soll eine geringe Menge Verunreinigungen vom Donatortyp enthalten, beispielsweise Arsen oder Phosphor, und die elekirische Formierungsbehandlung wird so ausgeführt, daß die Nadelelektrode 3 gegenüber dem Überzug 4 negativ ist.

Die elektrische Formierung, wie sie in der obigen britischen Patentschrift 681 809 beschrieben ist, ist hauptsächlich für Kristalltrioden gedacht und wird zwischen den beiden Nadelelektroden ausgeführt, um Verunreinigungen in die Oberfläche des Kristalls einzubringen. Im vorliegenden Fall wird sie zwischen einer Nadelelektrode und der Basiselektrode ausgeführt und dabei ein etwas anderes Resultat erhalten.

In Fig. 3 ist eine Beziehung zwischen der Spannung, welche zwischen der Nadelelektrode 3 und dem Überzug 4 in Sperrichtung bzw. in Richtung hohen Widerstandes anliegt und dem durch den Gleichrichter fließenden Strom dargestellt. Die Kurve vor der elektrischen Formierung verläuft entlang der Linie 6, welche einem relativ hohen Widerstand in Sperrichtung entspricht, bis zu einer kritischen Spannung 7, welche Umkehrspannung genannt wird. An diesem Punkt wendet sich die Kurve und folgt nun dem Kurvenast 8 mit negativer Steigung. Wenn der Strom, der durch den Gleichrichter fließt, nach Überschreiten des Umkehrpunktes der Spannung weiter ansteigen kann, so fällt die Spannung, die am Gleichrichter anliegt, so lange, bis der Effekt des negativen Widerstandes am zweiten Umkehrpunkt 9 verschwindet und die Steigung der Kurve wieder positiv wird, wie dies durch den Kurvenast 10 angedeutet ist. Diese Kurve ist ein Beispiel für eine der üblichen Kennlinien, wie sie im allgemeinen bei Gleichrichtern mit halbleitenden Kristallen, wie z. B. Germanium, mit Punktkontakt auftritt.

Bei Germanium liegt die Umkehrspannung, die dem Punkt 7 entspricht, meist in der Größenordnung von 100 Volt, und der entsprechende Strom beträgt 5 Milliampere oder mehr. Die Steigung des Kurvenastes 8 ist sehr steil, was bedeutet, daß der Wert des negativen Widerstandes klein ist. Es soll ferner festgehalten werden, daß die Spannung, die dem zweiten Umkehrpunkt 9 entspricht, nicht viel kleiner ist als die Spannung am ersten Umkehrpunkt.

Nach der elektrischen Formierung nach Art derjenigen, wie sie in der britischen Patentschrift 681809 beschrieben ist, ist die Kurve wesentlich verändert. Die neue Kurve folgt dem Kurvenast 6 bis zum ersten Umkehrpunkt 11, welcher bei viel niedrigeren Spannungen liegt als der Umkehrpunkt 7. Das darauffolgende Gebiet negativen Widerstandes 12, das dem Kurvenast 8 entspricht, ist viel weniger steil, was bedeutet, daß ein viel höherer Wert für den negativen Widerstand vorliegt, und der zweite Umkehrpunkt 13 erscheint bei einer Spannung, die nur einen Bruchteil, beispielsweise weniger als ein Zehntel, der Spannung beträgt, welche dem ersten Umkehrpunkt 11 entspricht. Schließlich ist der Kurvenast 14 mit positivem AViderstand, welcher dem Kurventeil 10 entspricht, sehr steil, was einen sehr niedrigen Widerstand bedeutet.

Fig. 4 zeigt die Kurve für einen elektroformierten Gleichrichter in starker Vergrößerung mit Spannungsund Stromangaben, um die Werte darzustellen, die in einem besonderen Fall erhalten wurden. Die Umkehrpunkte 11 und 13 erscheinen bei ungefähr 25 bzw. 2 Volt, und der Strom bei Punkt 11 beträgt weniger als 1 Milliampere. Die Werte hängen von dem Abstand d zwischen den Elektroden ab, was weiter unten erläutert wird. Die Steigung des Teiles 12 entspricht einem negativen Widerstand in der Größenordnung von 20 000 Ohm, während der Widerstand, der dem Teil 14 entspricht, in der Größenordnung 10 Ohm oder weniger liegt. Daher erscheint in der Darstellung von Fig. 4 der Kurvenast 14 praktisch parallel zur Stromachse, und die Steigung wurde verringert, um den Charakter der Kurve zum Ausdruck zu bringen. Wie später gezeigt wird, eignet sich ein Gleichrichter mit einer Kennlinie ähnlich der in Fig. 4 dargestellten zur Verwendung in Kippschaltungen.

Der Strom, der während der elektrischen Formierung den Gleichrichter durchfließt, heizt ein kleines Gebiet der Oberfläche des Kristalls in unmittelbarer Nachbarschaft der Spitze der Nadelelektrode, wodurch eine dünne Schicht unter der Nadelspitze in P-Leitfähigkeit umgewandelt wird und gleichzeitig einige Donatorverunreinigungen, beispielsweise Arsen oder Phosphor, aus der Nadel eingebracht werden, so daß auf der P-Schicht ein dünner Film von N-Leitfähigkeit entsteht. Die Nadel 3 steht in Kontakt mit dem Film von N-Leitfähigkeit. Auf diese Weise wird die oben angegebene Leistungskennlinie erhalten.

Wie es bereits ausgeführt wurde, hängt der Abstand zwischen den Elektroden 3 und 4 von der Lebensdauer T der Minoritätsträger ab, die auf die Oberfläche des Halbleiters durch die Elektrode 4 gelangen. Um den ersten Umkehrpunkt 11 der Kennlinie zu erzeugen (Fig. 4), muß eine genügende Anzahl von Minoritätsträgern die Elektrode 3 erreichen. Die Zahl dieser Minoritätsträger hängt sowohl von dem Abstand d zwischen den Elektroden und der angelegten Spannung ab. Die Spannung, welche dem

Umkehrpunkt 11 (Umkehrspannung) entspricht, steigt, wenn d größer wird.

Es kann gezeigt werden, daß die Beziehung zwischen dem Abstand d für eine gegebene Umkehrspannung und der Lebensdauer T der Minoritätsträger durch die Formel d = k · ]/T dargestellt ist, wobei k eine Konstante bedeutet.

Die Konstante k hängt von der Natur der Leistungskennlinie des Gleichrichters ab, wie sie durch die elektrische Formierung erhalten wird. Ihr Wert wird meist experimentell durch Messungen an einer Probe des Halbleiters bestimmt, der verwendet werden soll, wobei die Probe derselben elektrischen Formierung unterworfen wird, welche bei der Herstellung des Gleichrichters angewendet werden soll. Wie bereits erwähnt wurde, wird die Lebensdauer T aus dieser Probe bestimmt.

Durch die elektrische Formierung der Probe wird eine Kurve ähnlich der in Fig. 4 dargestellten erhalten, welche die Beziehungen zwischen dem Gleichrichterstrom und der anliegenden Spannung zwischen der Nadelelektrode und einer zusätzlichen beweglichen Probeelektrode darstellt. Wenn die Probeelektrode in verschiedenen Abständen von der Nadelelektrode aufgesetzt wird, kann die Beziehung zwischen d und der zugehörigen Umkehrspannung bestimmt werden. Auf diese Weise kann die Konstante k gefunden werden, die einer bestimmten Umkehrspannung nach der elektrischen Formierung entspricht. Es wurde festgestellt, daß die Konstante k unabhängig davon ist, welche Probe des Halbleiters verwendet wurde.

Der Abstand d für eine bestimmte Umkehrspannung kann dann für eine Probe des Halbleiters bestimmt werden, der irgendeinen Wert von T nach der Formel d = k· TiT hat.

Bei der Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 5 und 6 dargestellt ist, ist die Nadelelektrode 3 durch eine Metallfilmelektrode 15 von geringer Ausdehnung, die auf die Oberfläche des Kristalls aufplattiert oder in irgendeiner anderen Weise auf der Oberfläche niedergeschlagen ist, ersetzt. Die Elektrode 15 nimmt einen Teil der Fläche des Loches 5 ein, und ihre Kante soll von der am nächsten liegenden Kante des Überzuges 4 einen Abstand d haben, wie er durch die oben angegebene Formel bestimmt ist. Die Elektrode muß nicht im Mittelpunkt des Loches liegen und muß auch nicht notwendig kreisförmig sein. An der Elektrode 15 kann ein geeigneter Anschluß draht, der in der Figur nicht dargestellt ist, angelötet oder auf andere Weise gut befestigt sein.

Es ist nicht unbedingt nötig, daß die Basiselektrode 2 oder die zylindrischen Teile des Halbleiters 1 vom Überzug 4 bedeckt sind. Diese Elektrode braucht nur aus dem Teil, der sich auf der oberen Fläche der Kristallscheibe befindet, bestehen, und es ist nicht einmal nötig, die ganze Fläche davon zu bedecken. Es ist nur wichtig, daß er in niederohmigem Kontakt mit dem Kristall steht und daß die Nadel oder andere gleichrichtende Elektroden nahe am Rand des Überzuges oder der Basis aufgesetzt werden, wie dies oben ausgeführt wurde. Nach der elektrischen Formierung in der oben beschriebenen Weise werden Teile der Verunreinigungen in die Oberfläche des Kristalls eingebracht und vermindern die Umkehrspannung, wie dies bereits erläutert wurde.

Wie in Fig. 7 dargestellt, ist der Überzug 4 von Fig. 1 nicht wesentlich, wenn die Lebensdauer T der Minoritätsträger genügend lang ist. In Fig. 7 ist eine sehr dünne Kristallplatte 1 an der metallischen Basiselektrode 2 so befestigt, daß ein niedriger Übergangswiderstand erzielt wird, und die Nadel 3 steht in Kontakt mit der oberen Fläche der Kristallplatte. Es wird ein entsprechender Abstand zwischen der Nadelelektrode 3 und der Basiselektrode 2 erhalten, indem man die Dicke d der Kristallplatte gemäß der oben angegebenen Formel wählt. Wenn jedoch die Lebensdauer T der Minoritätsträger relativ klein ist, wird die Kristallplatte sehr dünn, so daß eine der zuvor beschriebenen Ausführungsformen oder eine gemäß Fig. 9 und 10, die später beschrieben werden, vorzuziehen ist. Eine Abwandlung von Fig. 7, die in Fig. 8 dargestellt ist, ergibt jedoch auch eine zufriedenstellende Alternativlösung. In diesem Fall hat die relativ dicke Kristallplatte 1 einen Einschnitt 16, der so tief in die Kristallplatte reicht, daß die Dicke d der Platte am Boden des Einschnittes in Übereinstimmung mit der oben angegebenen Formel ist. Die Nadelelektrode 3 steht dann in Kontakt mit dem Boden des Einschnittes 16, wie dargestellt.

Bei den in Fig. 7 und 8 dargestellten Gleichrichtern muß jedoch noch das bereits beschriebene elektrische Formierverfahren angewendet werden. Die Nadelelektrode 3 kann durch einen dünnen Metallfilm ersetzt werden, wie dies in Fig. 5 und 6 dargestellt ist.

Die Fig. 9 und 10 zeigen eine andere geeignete Form eines Kristallgleichrichters gemäß der Erfindung. Ein rechteckiger Kristall 1 aus N-Typ Germanium wird mit einer üblichen Basiselektrode 2 versehen, und die ganze Oberfläche des Kristalls ist mit einem dünnen metallischen Überzug 4 bedeckt, der elektrolytisch oder durch Aufdampfen aufgebracht wird. Der Kristall muß nicht unbedingt rechtwinkelig sein, sondern kann beispielsweise auch rund sein. Ein V-förmiger Einschnitt 17 wird dann in die obere Fläche des Kristalls eingeschnitten oder geschliffen, so daß der Überzug zerteilt wird. Die freiliegende Oberfläche des Kristalls in dem Einschnitt wird daraufgeätzt, beispielsweise mit einer Ätzlösung, wie oben angegeben, und eine Nadelelektrode 3 mit kugelförmiger Spitze wird in den Einschnitt eingesetzt, wie dies in Fig. 9 dargestellt ist. Danach wird eine elektrische Formierung ausgeführt, wie dies beschrieben wurde.

Der Abstand zwischen den Kontaktpunkten der Nadel 3 und den Rändern des Überzuges 4 kann durch geeignete Dimensionierung des Einschnittes und des Krümmungsradius der Nadelelektrode festgelegt werden. In Fig. 9 sind die plattierten Gebiete der Oberfläche des Kristalls schraffiert.

Fig. 11 und 12 zeigen Beispiele von zwei Schaltungen, in denen Gleichrichter gemäß der Erfindung mit Vorteil verwendet werden können. In Fig. 11 ist eine Kippschaltung bzw. ein Kippschwingkreis dargestellt, der auf eine von drei möglichen Arten, je nach der Anpassung, arbeiten kann. Fig. 12 ist eine Schaltung für einen Schwingungsgenerator für Sinuswellen. In Fig. 11 ist der Gleichrichter, beispielsweise einer nach Fig. 1, schematisch dargestellt. Die Nadelelektrode 3 ist an die negative Klemme einer Gleichstromquelle 18 angeschlossen, und die Basiselektrode 2 ist an der positiven Klemme der Stromquelle 18 über einen Widerstand 19 angeschaltet. Der Kondensator 20 liegt parallel zum Widerstand 19. Zwei Eingangsanschlüsse 21 für eine Stromquelle für die Auslösespannung (nicht dargestellt) und zwei Ausgangsklemmen 22 sind an die Enden des Widerstandes 19 angeschlossen.

Fig'. 12 unterscheidet sich von Fig. 11 darin, daß die Primärwicklung 23 eines Transformators mit dem Kondensator 20 in Reihe geschaltet ist und daß die

Ausgangsklemmen 22 an die Sekundärwicklung 24 des Transformators angeschlossen sind, die Eingangsanschlüsse 21 fehlen. Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 11 soll zuerst unter Bezugnahme auf die Fig. 13, 14 und 15 dargestellt werden. In den Fig. 13 und 15 sind Kennlinien von einem Gleichrichter gemäß der Erfindung· dargestellt, und zwar sind diese Kurven schematisch wiedergegeben, so· daß die einzelnen Teile deutlicher hervortreten. Die drei Arten der Wirkungsweise einer Schaltung nach Fig. 11 können folgendermaßen beschrieben werden:

1. Die Schaltung ist nicht stabil, d.h., sie bleibt in keinem Zustand stabil und erzeugt Kippschwingungen.

2. Die Schaltung ist monostabil, d. h., sie stellt sich auf einen bestimmten Wert von Strom und Spannung ein. Durch Anlegen eines geeigneten Auslösepotentials wird eine einzelne Schwingung erzeugt und ein entsprechendes Ausgangssignal kann erhalten werden.

3. Die Schaltung ist bistabil, d. h., sie hat zwei verschiedene Werte von Strom und Spannung, auf die sie sich einstellen kann. Beim Anlegen von geeigneten Auslösespannungen kann sie von einem Zustand in den anderen umgeschaltet werden und umgekehrt.

Welche von den drei Arten erhalten werden, hängt von den Werten ab, die für den Widerstand 19 und die Spannung der Stromquelle 18 gewählt werden.

In Fig. 13 ist mit 25 schematisch die Kennlinie des Gleichrichters dargestellt, wobei die Abszisse die Spannungen zwischen den Elektroden 3 und 2 und die Ordinate den Stromfluß von 3 nach 2 angibt, von denen beide negativ sind. Die Gerade 26 ist die Belastungslinie für den Widerstand 19 und stellt die Beziehung zwischen dem Stromfluß durch den Widerstand und den Unterschied des konstanten Potentials V der Stromquelle 18 und dem Potentialabfall am Widerstand 19, der durch den Strom hervorgerufen wird, dar. Die Linie 26 schneidet die Abszisse in Punkt 27, der dem Potential V der Stromquelle 18 entspricht, und der Punkt, wo sie die Kennlinie 25 schneidet, stellt eine mögliche Strom- und Spannungsbedingung für die Schaltung dar.

Die Linie 26 wurde so gelegt, daß sie die Kurve 25 in einem einzelnen Punkt 28 schneidet, der auf dem Teil 12 der Kurve von negativem Widerstand liegt. Auf diese Weise entsteht die erste oder unstabile Ausführungsform, weil der Punkt 28 eine unstabile Bedingung kennzeichnet. Die Schaltung erzeugt Kippschwingungen von einer Frequenz und Form, welche von der Kapazität des Kondensators 20 (Fig. 11) abhängt. Diese Schwingungen können an den Ausgangsklemmen 22 abgenommen werden.

Wenn der Kondensator 20 beispielsweise nicht geladen ist, so wird beim Anschließen der Stromquelle 18 der durch den Gleichrichter fließende Strom einen Wert annehmen, welcher dem Punkt 29 im Teil 14 der Kurve entspricht. Der Kondensator beginnt sich nun aufzuladen und der durch den Gleichrichter fließende Strom verringert sich, so daß schließlich auf der Kurve 14 der zweite Umkehrpunkt 13 erreicht wird. Bei diesem Punkt tritt die unstabile Bedingung auf und der Strom springt plötzlich vom Wert I₁ bei Punkt 13 auf den viel kleineren Wert I₂ bei Punkt 30, welcher auf dem Kurventeil 31 mit positivem Widerstand liegt. Der Kondensator 20 hält inzwischen die Spannung, die am Gleichrichtet anliegt, konstant auf dem Wert V₁, der dem Punkt 13 entspricht.

Der Gleichrichter hat nun einen viel höheren Widerstand als vorher, und der Kondensato>r beginnt, sich wieder zu entladen, so daß nun auf dem Kennlinienast 31 schließlich der erste Umkehrpunkt 11 erreicht wird. Dadurch ist wieder ein instabiles Gebiet erreicht und der Strom springt vom Wert I₃ bei Punkt 11 zu dem viel höheren Wert J₄, der dem Punkt 32 entspricht, während der Kondensator wieder die Spannung, die am Gleichrichter anliegt, konstant auf dem

ίο Wert V₂ hält, der dem Punkt 11 entspricht. Der Kondensator 20 beginnt sich daraufhin wieder aufzuladen, und auf dem Kurvenast 14 wird schließlich wieder der Punkt 13 erreicht und der Prozeß wiederholt sich aufs neue in der Reihenfolge 13, 30, 11, 32, 13 usw.

In Fig. 14 sind die Stromänderungen des durch den Gleichrichter fließenden Stromes und die Spannung des oberen Anschlusses 22 gegenüber dem unteren Anschluß, der dasselbe Potential wie der Kondensator 20 hat, in Beziehung zur Zeit dargestellt. Es ist er-

ao sichtlich, daß die Spannung zwischen den Grenzen V— V₁ und V— V₂ schwankt.

Es ist auch klar, daß zur Erzeugung der Bedingung von Punkt 28 der den Schnittpunkt der Belastungslinie 26 (Fig. 13) mit der Kurve 25 darstellt und auf dem Kurvenast 12 mit negativem Widerstand liegt, die Steigung der Linie 26 kleiner sein muß als die des Kurvenastes 12. Dies bedeutet, daß der Widerstand 19 (Fig. 11) größer sein muß als die Größe des negativen Widerstandes, der dem Kurvenast 12 entspricht.

Wenn nun die Spannung der Stromquelle 18 (Fig. 11) auf einen Wert V₃ vermindert wird, ohne daß dabei der Wert des Widerstandes 19 verändert wird, so erhält man eine neue Belastungslinie 33 (Fig. 13), welche parallel zu 26 liegt und welche die Kurve 25 in einem einzelnen Punkt 34 schneidet, der einer Spannung F₄ entspricht und auf dem Kurvenast 31 mit positivem Widerstand liegt. Dies ist eine stabile Bedingung für die Schaltung. Wenn nun ein negativer Impuls von etwas größerem Wert als V₂- V4 an dem oberen Anschluß 21 (Fig. 11) angelegt wird, kippt nun der Zustand der Schaltung über den ersten Umkehrpunkt auf das unstabile Gebiet, und es werden die Punkte 34, 11, 32, 13, 30 und 34 durchlaufen, wonach wieder der dem Punkt 34 entsprechende stabile Zustand erreicht ist. Dies ist also der zweite oder monostabile Fall für die Schaltung. Ein Impuls, welcher gleich V₂-V₁ ist, kann schließlich an den Ausgangsklemmen 22 abgenommen werden.

So Es ist klar, daß auch andere monostabile Zustände durch Erhöhung der Spannung an der Stromquelle 18 über den Wert V erzeugt werden können, so daß die Belastungslinie die Kurve 25 in einem einzigen Punkt auf dem Kurvenast 14 schneidet. Das Umkippen in einer solchen Schaltung kann.durchweinen positiven Impuls am Anschluß 21 erfolgen, was eine einzige Schwingung auslöst, wie dies zuvor beschrieben wurde.

In Fig. 15 ist die Belastungslinie 35 für den Widerstand 19 so gelegt, daß die Kurve 25 in drei Punkten geschnitten wird. Die Steigung der Belastungslinie 35 muß daher größer sein als die Steigung des Kurvenastes 12, was bedeutet, daß der Wert des Widerstandes 19 kleiner sein muß als die Größe des negativen Widerstandes, der durch den Kurvenast 12 gekennzeichnet ist. Auf diese Weise kann ein bistabiler Zustand erhalten werden. Die Punkte 36 und 37, wo die Linie 35 die Kurventeile 31 und 14 schneidet, kennzeichnen stabile Bedingungen der Schaltung. In diesem Fall ist V₅ die Spannung der Stromquelle 18,

'809 697/445

wogegen V₆ und F₇ die Spannungen sind, die den I 'unkten 36 und 37 entsprechen. Wenn die Schaltung beispielsweise sich zuerst im stabilen Zustand befindet, welche dem Punkt 36 entspricht, so kann ein am Anschluß 21 (Fig. 11) angelegter negativer Auslöseimpuls von etwa größerer Spannung als V₂-V₆ die Schaltung in die zweite stabile Bedingung, die «lurch den Punkt 37 gekennzeichnet ist, umkippen. Hierbei werden die Punkte 36, 11, 32 und 37 durchlaufen. Wenn nun ein positiver Auslöseimpuls von etwas größerer Spannung als V₇-V₁ am Anschluß 21 angelegt wird, wird die Schaltung wieder zum ersten Zustand, der dem Punkt 36 entspricht, zurückgekippt, indem die Punkte 37, 13, 30 und 36 durchlaufen werden. Der durch das Umkippen erzeugte Stromwechsel ist in beiden Fällen größer als J₁-J₃. Wenn die Neigung der Linie 35 vergrößert wird, d. h. der Widerstand 19 wird kleiner, so kommt Punkt 37 auf den Kurvenast 14 weiter nach unten zu liegen, und die Stromänderung wird größer. Wie aus der Kurve in Fig. 4 zu entnehmen ist, kann die Stromänderung leicht um ein Mehrfaches größer als I₁ —J₃ gemacht werden.

Wenn die Spannung der Stromquelle 18 weiter unter den Wert V₅ auf einen Wert V₈ ohne Veränderung des Widerstandes 19 verringert wird, so erhält man die in Fig. 15 eingezeichnete neue Belastungslinie 38, welche die Kurve 25 nur in einem Punkt 39 am Kurvenast 31 schneidet, so daß wieder eine monostabile Schaltung, wie sie bereits beschrieben wurde, erzeugt wird. Bei einem höheren Wert für die Spannung der Stromquelle 18, der den Wert von V₂ übersteigt, kann eine Belastungslinie erhalten werden (nicht dargestellt), die die Kurve 25 in einem einzelnen Punkt auf dem Kurvenast 14 schneidet, so daß wieder ein monostabiler Zustand erhalten wird. Man kann daraus entnehmen, daß ein monostabiler Zustand durch geeignete Wahl der Spannung der Stromquelle 18 erhalten werden kann. Der Widerstand 19 ist dann größer oder kleiner als der negative Widerstand des Kurvenastes 12 der Kurve 25.

Für die Wirkungsweise als Schwingungsgenerator, wie dies in der Schaltung nach Fig. 12 der Fall ist, können die Bedingungen so gewählt werden, daß die Belastungslinie ähnlich der Linie 26 in Fig. 13 verläuft. Die Schaltung erzeugt dann Schwingungen, deren Frequenz in weitem Maße durch die Resonanzfrequenz des Kondensators 20 und der Wicklungen 23 und 24 des Transformators bestimmt sind, die aber auch von der Kennlinie des Gleichrichters und dem an den Ausgangsklemmen 22 liegenden Ausgangsstromkreis abhängen. Es wurden Schwingungsfrequenzen von mindestens 1 MHz mit einer solchen Schaltung erhalten.

Claims

55 Patentansphüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines elektrischen Halbleiterkristallgleichrichters mit negativen Widerstandseigenschaften, insbesondere zur Erzeugung von Schwingungen, bei dem ein halbleitender Körper von bestimmtem Leitungstyp mit einer Schicht entgegengesetzten Leitungstyps auf seiner Oberfläche durch elektrische Formierung versehen, dann eine erste Elektrode in Kontakt niedrigen Widerstandes mit dem halbleitenden Körper gebracht, anschließend eine dünne Schicht von bestimmtem Leitungstyp auf einem Teil der genannten Schicht nach einem bekannten Verfahren erzeugt und schließlich eine zweite Elektrode mit der zuletzt genannten Schicht in Kontakt gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode in einem Abstand d von der ersten Elektrode angebracht wird, der sich nach der Formel d = k· ]/T~ für eine bestimmte Umkehrspannung in Sperrichtung, die für den Gleichrichter benötigt wird, berechnet, worin T die Lebensdauer der Minoritätsträger im Halbleiter und k eine Materialkonstante bedeutet, die von der elektrischen Formierung und von der Umkehrspannung abhängt und sich experimentell an einer Probe des verwendeten Halbleiters mit einer Lebensdauer T' der Minoritätsträger aus der Beziehung k — ^ppr ermitteln läßt, worin d' der zu

der gewünschten Umkehrspannung erforderliche Elektrodenabstand ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Körper mit N-Typ-Leitfähigkeit, die durch die elektrische Formierung erzeugte Schicht mit P-Typ-Leitfähigkeit und der dünne Film wieder mit N-Typ-Leitfähig- ?keit hergestellt wird" und daß T die Lebensdauer der Löcher bedeutet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Körper aus einer halbleitenden Kristallscheibe hergestellt wird, in die ein V-förmiger Einschnitt angebracht wird, daß die erste Elektrode aus einem Metallüberzug hergestellt wird, der bis zu den Begrenzungskanten des Einschnittes reicht, daß die zweite Elektrode aus einem Draht hergestellt wird, welcher mit den Wänden des Einschnittes in Kontakt steht, und daß eine Schicht und ein darüberliegender Film auf der Halbleiteroberfläche unter jedem Kontaktpunkt zwischen dem Drahtund der Wand des Einschnittes erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Basiselektrode mit derjenigen Oberfläche des halbleitenden Körpers in Kontakt gebracht wird, die der Fläche mit dem Einschnitt gegenüberliegt, und daß der genannte Überzug über die Kante der Kristallplatte und über einen Teil der Basiselektrode ausgedehnt wird, so daß er mit dieser in elektrischem Kontakt steht.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Körper aus einer halbleitenden Kristallplatte hergestellt wird, die auf einer Seite eine Metallschicht und auf der entgegengesetzten Seite eine Basiselektrode trägt, die mit dem Halbleiter in ohmschem Kontakt steht, und daß die erste Elektrode aus einem Metallüberzug auf einem Teil der zuerst genannten Oberfläche hergestellt wird, der über die Kante und über die Basiselektrode reicht und mit dieser im elektrischen Kontakt steht.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode aus einem scharf zugespitzten Draht hergestellt wird, der mit dem genannten dünnen Film in punktförmigem Kontakt steht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode aus einem Metallfilm hergestellt wird, der auf dem genannten dünnen Film niedergeschlagen ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine halbleitende Kristallplatte mit parallelen Flächen verwendet wird, deren Dicke dem Wert d der Formet entspricht;

daß die erste Elektrode in Kontakt mit einer der parallelen Flächen und die genannte Schicht auf einen Teil der anderen parallelen Fläche gebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Körper mit einer ebenen Endfläche hergestellt wird, in die gegenüberliegende Fläche ein Einschnitt angebracht wird, dessen Bodenfläche parallel zur anderen Kristallfläche liegt, daß an dieser Stelle die Kristallplatte mit einer Dicke hergestellt wird, die dem Wert der Formel entspricht, und daß die Basiselektrode an der ebenen Fläche des Kristalls gut leitend befestigt wird und die genannte Schicht auf einem Teil des Bodens von dem Einschnitt angebracht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der halbleitende Körper aus N-Typ Germanium besteht.

11. Elektrischer Schwingkreis, dadurch gekennzeichnet, daß er einen nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Halbleitergleichrichter enthält, eine Stromquelle, die über einen Widerstand an den Gleichrichter derart angeschlossen ist, daß der Gleichrichter eine Vorspannung in Sperrichtung enthält, einen Kondensator, der parallel zum Widerstand liegt, und einen Ausgangsstromkreis, der an den Kondensator angeschaltet ist, um die Schwingungen aus der Schaltung abzunehmen, und daß die Spannung der Stromquelle und der Wert des Widerstandes so gewählt sind, daß die dem Widerstand entsprechende Belastungslinie die Stromspannungskennlinie des Gleichrichters in einem einzigen Punkt im Gebiet negativen Widerstandes der Kurve schneidet.

12. Elektrischer Schwingkreis nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch einen Transformator, der mit dem Kondensator einen Resonanzkreis bildet und von dessen einer Wicklung die Schwingungen abgenommen werden.

13. Elektrische Kippschaltung unter Verwendung eines nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellten Halbleiterkristallgleichrichters, gekennzeichnet durch eine Stromquelle, die an den Gleichrichter über einen Widerstand in solcher Weise angeschaltet ist, daß der Gleichrichter in Sperrrichtung eine Vorspannung erhält, einen Kondensator, der parallel zum Widerstand geschaltet ist, Mittel zum Anlegen eines Auslösepotentials an den Gleichrichter und einen Ausgangsstromkreis, der an den Kondensator angeschlossen ist und daß die Spannung der Stromquelle und der Wert des Widerstandes so gewählt sind, daß die Belastungslinie, welche dem Widerstand entspricht, die Spannungsstromkennlinie des Gleichrichters in mindestens einem Punkt im Gebiet positiven Widerstandes der Kurve schneidet.

14. Monostabile Kippschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingungen so gewählt sind, daß die Belastungslinie des Widerstandes die Kennlinie des Gleichrichters nur in einem Punkt schneidet.

15. Bistabile Kippschaltung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingungen so gewählt sind, daß die Belastungslinie die Gleichrichterkennlinie in drei Punkten schneidet.

35 In Betracht gezogene Druckschriften:

USA.-Patentschriften Nr. 2 469 569, 2 504 627, 563 503, 2 600 997;

Phys. Rev., Bd. 84, 1951, 2. Serie, S. 1254;

Electronic Engg., November 1951, S. 414;

H. C. Torrey und Ch. A. Wustmer, »Crystal rectifiers«, 1948, N. Y., S. 362.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen