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Halbleiteranordnung mit einem langgestreckten Halbleiterkörper vom
einen Leitungstyp und ohmschen Elektroden an den Enden Die Erfindung bezieht sich
auf Halbleiteranordnungen aus einem langgestreckten Halbleiterkörper und insbesondere
auf solche, deren Körper aus halbleitendem Material vom einen Leitungstyp besteht,
der an seinen beiden Enden mit zwei ohmschen Elektroden und an einer zwischen den
beiden Enden liegenden bzw. der einen ohmschen Elektrode gegenüberliegenden Stelle
mit einer nichtohmschen Elektrode mit einem vorgelagerten Gebiet vom anderen Leitungstyp
versehen ist, so daß ein p-n-Übergang gebildet wird.
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Halbleiteranordnungen, in denen zwei Inversionsschichten, d. h. p-n-Übergänge,
hintereinander in demselben Kristall liegen, sind als n-p-n- oder p-n-p-Flächentransistoren
bekannt, die sich je nach der Art der Stromleitung und der Vorzeichen der Betriebsspannungen
unterscheiden. Derartige Flächenhalbleiterelemen.te erfordern, wenn sie optimal
arbeiten sollen, jedoch die Herstellung von wenigstens zwei Inversionsschichten,
die eine genau einzuhaltende Lage zueinander haben müssen und nur einen sehr kleinen
Abstand voneinander besitzen dürfen. Diese Flächenhalbleiterelemente sind daher
sehr kostspielig und erfordern komplizierte Einrichtungen für die Fabrikation.
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Es ist bereits eine Halbleiteranordnung mit einem langgestreckten
Halbleiterkörper und ohmschen Elektroden an den Endflächen vorgeschlagen worden.
Diese Halbleiteranordnung enthält nur eine Inversionsschicht, bei der ein elektrisches
Feld parallel zur Ebene der Inversionsschicht in dem Halbleitermaterial erzeugt
wird. Für viele Zwecke ist eine solche Halbleiteranordnung mit einer Inversionsschicht
verwendbar, bei denen bisher Halbleiteranordnungen mit zwei Inversionsschichten
und/oder Punktkontakttransistoren verwendet werden.
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Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, die genannte Halbleiteranordnung
mit einer einzigen Inversionsschicht zu verbessern.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Halbleiterverstärker
mit nur einer Inversionsschicht zu schaffen.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein Halbleiterbauelement mit negativem
Widerstand.
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Weiterhin ist es ein Ziel der Erfindung, ein Halbleiterbauelement
anzugeben, welches als Schaltrelais verwendbar ist und bei .,welchem mit kleinem
Energieaufwand ein großer Energiefluß gesteuert werden kann.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine lichtempfindliche Vorrichtung,
die bei Erregung mit einer Lichtquelle eine starke Leitfähigkeitsänderung zeigt.
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Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Halbleiteranordnung mit
einem langgestreckten Körper aus halbleitendem Material, z. B. Germanium, Silizium
ad. dgl., vom einen Leitungstyp, der an seinen beiden Enden mit ohmschen Elektroden,
zwischen denen eine Gleichspannung angelegt ist, und an einer zwischen seinen beiden
Enden liegenden bzw. der einen ohmschen Elektrode gegenüberliegenden Stelle mit
einer nichtohmschen Elektrode mit einem vorgelagerten Gebiet vom anderen Leitungstyp
zur Bildung eines p-n-Überganges versehen ist, an der ein Potential angelegt ist,
das zwischen den Potentialen der ohmschen Elektroden liegt. Gemäß der Erfindung
ist der Abstand zwischen dem p-n-Übergang und der einen ohmschen Elektrode so klein,
daß der Widerstand des dazwischenliegenden Teiles des Halbleiterkörpers durch Injektion
von Minoritätsträgern aus dem Gebiet vom anderen Leitungstyp sich nennenswert ändert
und die Potentialänderung zwischen dem Gebiet und dem Halbleiterkörper umgekehrt
wie die Stromänderung verläuft.
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Fig. 1 zeigt ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung mit der
zugehörigen Schaltung der Vo,rspannungen; Fi.g.2 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise
der Schaltung nach Fig. 1; Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform des Halbleiterbauelementes
nach Fig. 1; Fig. 4 ist ein Schaltbild einer Relaisschaltung unter Verwendung des
Halbleiterbauelementes nach Fig. 1;
Fig. 5 ist ein Schaltbild einer
anderen Ausführungsform einer Relaisschaltung; Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform
des Halbleiterbauelementes und Fig. 7 die Verwendung eines Halbleiterbauelementes
gemäß der Erfindung als lichtempfindliche Vorrichtung.
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In Fig. 1 besteht das im ganzen mit 11 bezeichnete Halbleiterbauelement
aus einem länglichen Einkristall 12. der die Form eines durch parallele Flächen
begrenzten Körpers oder eine andere geeignete Form haben kann und aus einem geeigneten
n-Halbleitermaterial, z. B. Germanium, Silizium oder einem anderen geeigneten Halbleitermaterial,
bestehen kann. Wie weiter unten noch erläutert werden wird, sind die genauen Abmessungen
des Körpers 12 einigermaßen kritisch. Der Anschaulichkeit halber ist der Körper
12 in vergrößertem Maßstab dargestellt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 sind zwei ohmsche Kontakte 13
und 15 vorzugsweise in der Nähe entgegengesetzter Enden der Ober- und Unterseite
des Körpers 12 angebracht. Derartige ohmsche Kontakte können z. B. durch Niederschlagen
eines Metallüberzuges auf dem Körper 12 angebracht werden. Mit den Kontakten 13
und 15 sind Zuleitungen 17 und 19 verbunden.
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Durch ein Kügelchen oder eine Pille 23 aus geeignetem Mzeptormaterial,
z. B. aus Indium, wird eine Inversionsschicht hergestellt. Die Pille kann auf der
Unterseite am linken Ende des Körpers 12 angebracht werden.
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Zur Herstellung dieses Halbleiterelementes wird die Pille 23 erhitzt
und ein Teil des Akzeptormaterials in den Körper 12 eingeschmolzen. Trotz des Vorhandenseins
von Donatoren im Körper 12 verschmilzt eine ausreichende Menge des Akzeptors mit
dem Körper 12, um ein Übergewicht des Akzeptors herzustellen, so daß ein Gebiet
25., das an die Pille 23 anschließt, zu einem p-Halbleiter wird. Auf diese Weise
wird in dem Körper 12 eine gleichrichtende Inversionsschicht 27 erzeugt. Das Verfahren
zur Herstellung dieser Inversionsschicht bildet an sich keinen Teil der Erfindung.
Statt einen n-Halbleiter für den Körper 12 und einen Akzeptor für die Pille 23 zu
verwenden, kann man auch eine Donatorpille 23, auf einen Körper 12 aus p-Material
benutzen. Man muß dann nur die Polarität der verwendeten Vorspannungen umkehren.
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Eine als Batterie 31 dargestellte Gleichspannungsquelle liegt zwischen
den Leitungen 17 und 19 zur Herstellung eines Gleichspannungsgradienten im Körper
12. Dieser Potentialgradient liegt längs der punktierten Linie AI. Das Potential
hat einen Maximalivert an der Klemme 13 und einen Minimalwert an der Klemme
15.
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Eine weitere Vorspannungsquelle, nämlich die Batterie 33 liegt zwischen
der Pille 23 und dem ohmschen Kontakt 15. In diese Verbindungsleitungen sind auch
die Eingangsklemmen 35 und 37 eingefügt.
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Die Fig. 2 zeigt den Verlauf des in die Pille 23 hineinfließenden
Stromes Ij in Abhängigkeit von der Gesamtspannung VjB zwischen der Pille 23 und
dem ohmschen Kontakt 15. Fig. 2 zeigt, daß dieser Verlauf zwei Äste negativen Widerstandes
aufweist, nämlich die fiste T und S, auf denen zu einer abnehmenden Spannung ein
zunehmender Strom gehört.
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Zur Erläuterung der Wirkungsweise wird zweckmäßig eine veränderliche
Gleichspannung Vj,. mit ihrem positiven Pol an der Eingangsklemme 3:5 und ihrem
negativen Pol an der Eingangsklemme 37 betrachtet und die Batterie 33 kurzgeschlossen.
Wenn die Spannung Vj$ genau oder annähernd Null ist, wird die ganze Fläche der Inversionsschicht
27 in der Sperrichtung beansprucht wegen des im Gebiet 39 des Halbleiterkörpers
12 gebildeten Potentials. Dieses ist infolge der Batterie 31 positiv und führt negative
Stromträger im Körper 12 von der Inversionsschicht ab, so daß kein Strom die Inversionsschicht
27 durchsetzt. Diesem Zustand entspricht der Punkt. 0 in Fig. 2. Der kleine Strom
1, in Fig. 2, der bei I'jP=0 existiert, ist der sogenannte, Diodenrückwärtsstrom
der Inversionsschicht 27 und wird von den thermisch erzeugten Löchern und Elektronen
hervorgerufen.
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Wenn die Spannung VjB ansteigt, so findet keine Stromänderung statt,
bevor ein Punkt C mit VJB=rrC erreicht wird. Für Werte von VjB unter VC ist die
Spannung VjB zwischen der Inversionsschicht 27 und dem ohmschen Kontakt 15 kleiner
als die von der Batterie 31 im Gebiet 39 gebildete Spannung und die Inversionsschicht
27 bleibt daher in der Sperrichtung vorgespannt. Bei einer etwas über VC liegenden
Spannung wird ein Teil der Inversionsschicht 27 in der Flußrichtung beansprucht.
Das Potential eines Teils des Gebietes 25 überschreitet das Potential eines Teiles
des Gebietes 39 auf der anderen Seite der Inversionsschicht 27. Dann werden Löcher
aus dem p-Gebiet 25 in den Körper 12 injiziert. Diese Löcher bewegen sich unter
dem Einfluß des elektrischen Feldes im Körper 12 und werden somit vom Kontakt 15
angezogen, wobei sie den Körper 12 von der Inversionsschicht 27 zum Kontakt 15,
durchwandern. Die Löcherinjektion in den Körper 12 wird für die Entstehung des negativen
Widerstandes auf dem Ast A-C in Fig. 2 verantwortlich angesehen. Oualitativ kann
die Erscheinung damit erklärt werden, daß bei der Injektion von Stromträgern in
ein Halbleitermaterial von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp der Widerstand des
Halbleitermaterials nennenswert erniedrigt wird. Dies gilt insbesondere von Halbleitern
hohen spezifischen Widerstandes. Da V=RI ist, nimmt die Spannung Tl nur dann ab,
wenn die prozentuale Abnahme von R größer ist als die prozentuale Zunahme von I.
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Wenn ein Teil der Inversionsschicht 27 in der Flußrichtung vorgespannt
wird, werden Löcher aus dem p-Gebiet25 in das n-Gebiet übertreten. Diese injizierten
Löcher verkleinern den Widerstand des Körpers 12 erheblich insbesondere im Gebiet
zwischen der Pille 23 und dem ohmschen Kontakt 15. Um den negativen Widerstand auf
dem Ast A-C durch Trägerinjektion zu erhalten, ist es notwendig, die gesamte Trägerkonzentration
im Körper 12 verhältnismäßig stark zu machen. Anderweitig würden die in den Körper
12 injizierten Träger den Widerstand nicht genügend erniedrigen, weil nur verhältnismäßig
wenige Löcher zur Änderung des Widerstandes einer großen Menge des Halbleitermaterials
zur Verfügung stehen würden. Wenn jedoch die Gesamtmenge des Halbleitermaterials
klein ist, rufen die in das Material injizierten Löcher eine Widerstandsänderung
zwischen der Pille 23, und dem ohmschen Kontakt 15 hervor, der gegenüber dem ursprünglichen
Widerstand erheblich ist, und die Zahl der injizierten Löcher nimmt daher zu, d.
h., der Strom nimmt zu, und der Widerstand des Körpers 12 nimmt prozentual stärker
ab, so daß der negative Widerstand auf dem Ast A-C entsteht. Wegen dieses negativen
Astes A-C ruft eine positive Zunahme von VjB über Vc hinaus einen Stromsprung vom
Wert im Punkt C auf den Wert I$ hervor. Bei einer weiteren Zunahme von VjB nimmt
der Strom des Astes B-D zu, bis VjB den Wert VD erreicht
hat,
an dem ein zweiter negativer Ast S beginnt, so daß der Strom von ID auf 1F springt.
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Der negative Ast S tritt bei einem Wert von L'JB etwa gleich der Spannung
VP der Batterie 31 auf und wird darauf zurückgeführt, daß bei einer geringen "Zunahme
von VjB über VD hinaus einige der durch die Inversionsschicht 27 injizierten Löcher
vom Kontakt 13 angezogen werden, statt, wie oben beschrieben, von ihm abgestoßen
zu werden. Somit besteht ein Teil des Stromes Ij aus Löchern, die sich von der Pille
23 zum Kontakt 15 bewegen, und ein Teil aus Löchern, die von der Pille 23 zum Kontakt
13 wandern. Dieser Vorgang ist ähnlich der Einschaltung eines parallelen Stromweges
zu einem ersten Stromweg in einer Schaltung, da der Widerstand der Parallelkombination
niedriger wird als der Widerstand jedes der beiden Stromwege. Da der Gesamtwiderstand
der Schaltung somit vermindert wird, nimmt der Strom zu und ruft dadurch den negativen
Ast S hervor.
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Es leuchtet daher auch ein, daß die Kontakte 13 und 15 an entgegengesetzten
Enden des Körpers 12 angebracht werden müssen, wenn man die Wirkung der injizierten
Stromträger in dem Halbleitermaterial betrachtet. Zur Erzielung der besten Arbeitsweise
soll die Zeit, welche die injizierten Stromträger von ihrer Injektionsstelle, nämlich
der Inversionsschicht 27 zum Kontakt 15 benötigen, kleiner sein als die Lebensdauer
der injizierten Stromträger. Wenn dies nicht der Fall ist, kombiniert sich ein erheblicher
Bruchteil der injizierten Löcher mit den Überschußelektronen im Körper 12, so daß
die Injektion weniger wirksam wird. Es besteht somit zur Erzielung der besten Wirkung
ein Maximalabstand zwischen der Inversionsschicht 27 und dem Kontakt 15.
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Die Abmessungen des Halbleiterkörpers müssen ferner derart gewählt
werden, daß eine möglichst große, Ladung im Körper 12 in der Nähe der Inversionsschicht.27
bei der Löcherinjehtion auftritt. Dies ist deshalb notwendig, damit möglichst viele
Stromträger in den Körper 12 injiziert werden, weil die Widerstandsänderung zwischen
der Pille 23 und dem Kontakt 13 um so größer ist, je größer die Zahl der injizieerten
Stromträger ist. Daher soll der Abstand R zwischen der Pille 23 und dem Kontakt
13, klein gegenüber dem Abstand L zwischen der Pille 23 und dein Kontakt 15 gemacht
werden.
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Fig.3 veranschaulicht eine zur Erfüllung dieser Bedingungen geeignete
Anordnung. Das Halbleiterelement 43 unterscheidet sich von dem Element 12 in Fig.
1 dadurch, daß die Pille 23 näher am Kontakt 13 als am Kontakt 15 liegt und das
Verhältnis L zu R dadurch vergrößert wird.
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Es ist möglich, das Verhältnis von L zu R gegenüber Fig. 3 noch dadurch
zu vergrößern, daß der Kontakt 13 auf der Oberseite des Körpers 12 angebracht wird.
Der Abstand R wird dann dadurch klein gemacht, daß in einen dünnen Halbleiterkörper
12 die Inversionsschicht 27 tief eingeschmolzen wird. Bei dieser Ausführungsform
geht die Injektion von der Inversionsschicht 27 nicht senkrecht zu dem Potentialgradienten
im Körper 12 vor sich, d. h., die Ebene der Schicht 27 liegt nicht parallel zum
Potentialgradienten im Körper 12. Die Ausführungsform nach Fig. 1 wird somit bevorzugt,
da bei einer nicht senkrechten Anordnung eine größere Stromänderung bei Überschreitung
der kritischen Spannung auftritt. Bei einer gut arbeitenden Ausführungsform betrugen
die Dimensionen des Körpers 12 bei Z'P von etwa 5 Volt etwa 5 mm Länge, 1,25 mm
Breite und 0,25 mm Dicke. Die Fig. 4 zeigt eine Relaisschaltung unter Benutzung
eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung. Wie in Fig. 1 erzeugt die Batterie
31 eine Gleichspannung im Körper 12. Die Spannung ['X der Batterie 33 wird
etwas kleiner als der Wert C in Fig. 2 gewählt und mit der Batterie 3? eine Spule
51 eines Relais 53 in Serie geschaltet. Das Relais 53 wird so eingestellt, daß es
bei dern normalen Stromfluß durch die Spule 51 nicht anspricht. Zwischen den Klemmen
35 und 37 liegt eine Steuerspannungsquelle 55 in Serie mit der Batterie 33 derart,
daß sich ihre Spannungen addieren.
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Wenn ein Steuerspannungsimpuls Vg von der Quelle 55 geliefert wird,
so addiert sich die Impulsspannung h, zu der Spannung L'r, und wegen des negativen
Widerstandes auf dem Ast A-C nimmt der Strom schnell zu, d. h., seine Größe springt
vom Wert im Punkt C auf den. Wert im Punkt B. Die Zunahme des Stromflusses durch
.die Spule 51 erregt das Relais 53, so daß durch dessen Tauchkolben 57 mittels eines
Kurzschlußbügels 59 die Kontakte 61 und 63, überbrückt werden. Dann fließt Strom
aus einer Spannungsquelle 65 durch den einzuschaltenden Verbraucher 67. Gewünschtenfalls
kann das Relais 53. durch ein Relais mit Ruhekontakten ersetzt werden, wobei dann
lediglich beim Ansprechen des Relais die Ruhekontakte geöffnet werden.
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Fig. 5 zeigt eine gegenüber Fig. 4 geänderte Ausführungsform. Der
Steuerimpuls L', der Impulsquelle 55 wird mit der dargestellten Polarität den Klemmen
69 und 71 zugeführt. Die Spannung des Impulses I V subtrahiert sich von der Spannung
h" der Batterie 31. Wenn ein Steuerimpuls zwischen den Klemmen 69 und 71 erscheint,
nimmt die Spannung zwischen den Kontakten 13 und 15, ab-. Diese. Spannungsabnahme
vermindert das Feld im Halbleiterkörper bis auf eine Größe, bei welcher die Spannung
I>>, zwischen den Spannungswerten an den Seiten der Pille 23 liegt. Dadurch wird,
wie oben erläutert, ein negativer Widerstand für den durch die Pille 23 fließenden
Strom erzeugt. Der Strom nimmt daher von dem Wert im Punkt C auf den Wert im Punkt
B zu und betätigt das Relais 53 wie bei Fig. 4.
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Fig. 6 zeigt eine gegenüber Fig. 1 geänderte Ausführungsform. In dieser
entspricht der Halbleiterkörper 12 dem Körper 12 in Fig. 1, jedoch ist die Pille
23 in Fig. 1 durch eine Punktkontaktelektrode in Form einer Pinselelektrode 73 ersetzt,
und die Stromträger werden in den Körper 12 im Punkte 75 injiziert statt durch die
Inversionsschicht 27 wie in Fig. 1. Im übrigen entspricht die Wirkungsweise der
Fig. 6 derjenigen nach Fig.l.
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In Fig. 7 ist ein lichtempfindlicher Halbleiter gemäß der Erfindung
dargestellt. Von einer Lichtquelle 77 fallen die Lichtstrahlen auf die Stelle 81,
an der die Pille 23 die Oberfläche des Körpers berührt. Zwischen den Kontakten 13,
und 15 liegt eine Batterie 31 und zwischen der Pille 23 und dem Kontakt 15, eine
Batterie 33 wie in Fig. 1.
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Wenn die Lichtquelle 77 erregt wird, nimmt der Strom durch die Inversionsschicht
27 vom Wert im Punkt C auf den Wert im Punkt B zu. Diese Stromzunahme rührt von
einer Widerstandsabnahme im Körper 12 her. Wenn Licht auf die Inversionsschicht
27 auffällt, werden die Elektronen im Halbleitermaterial durch die Photonen des
Lichtstrahls auf höhere Energiezustände gehoben, und es werden daher zusätzliche
Löcher-Elektronenpaare erzeugt, welche den Widerstand des Halbleitermaterials, wie
erläutert, vermindern.
Bei Erregung der Lichtquelle 77 sind je nach
den Größen der Spannungen der Batterien 31 und 33 zwei Wirkungen möglich. Wenn die
Spannung der Batterie 33 kleiner ist als im Punkt A, so kehrt der Strom durch
die Inversionsschicht 27 auf seinen früheren Wert zurück.
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Wenn jedoch die Spannung der Batterie 3,1 gleich oder größer ist als
im Punkt A, so behält der Strom einen größeren Wert als im Punkt A bei. Die Anordnung
nach Fig. 7 kann also als Speichervorrichtung dienen und kann eine Anzeige dafür
liefern, ob die Lichtquelle 77 vorher erregt wurde.