DE1054584B - Semiconductor arrangement for optional switching of a signal - Google Patents

Semiconductor arrangement for optional switching of a signal

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DE1054584B
DE1054584B DED25013A DED0025013A DE1054584B DE 1054584 B DE1054584 B DE 1054584B DE D25013 A DED25013 A DE D25013A DE D0025013 A DED0025013 A DE D0025013A DE 1054584 B DE1054584 B DE 1054584B
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DED25013A
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Dr Phil Waldemar Von Muench
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Deutsche Telekom AG
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Deutsche Telekom AG
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    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
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Description

DEUTSCHESGERMAN

In der elektronischen Schalttechnikj beispielsweise auf den Gebieten des Fernmeldewesens und der Rechenmaschinentechnik, werden häufig Bauelemente oder Kombinationen von Bauelementen benötigt, die einen Signaleingang und mehrere getrennte Signalausgänge aufweisen. Ein am Eingang auftretendes Signal soll dabei wahlweise auf einen der verschiedenen Ausgänge übertragen werden können.In the electronic circuitry j, for example, in the fields of telecommunications and computing equipment technology, devices or combinations of devices are often needed which have a signal input and a plurality of separate signal outputs. A signal appearing at the input should be able to be transmitted to one of the different outputs.

Auf rein elektronischem Wege läßt sich diese Aufgabe beispielsweise wie folgt lösen. Ein Elektronenstrahl, der entsprechend dem zu übertragenden Signal intensitätsmoduliert ist, wird durch ein geeignetes elektrisches oder magnetisches Feld auf denjenigen Auf fänger gelenkt, der mit dem gewünschten Signalausgang verbunden ist. Der wesentliche Nachteil dieses Elektronenschalters ist darin zu sehen, daß die mittels eines Etektronenstralhles übertragbare Signalenergie verhältnismäßig gering ist.In a purely electronic way, this problem can be solved, for example, as follows. An electron beam which is intensity-modulated according to the signal to be transmitted is by a suitable Electric or magnetic field directed to that catcher with the desired signal output connected is. The main disadvantage of this electron switch is that the signal energy which can be transmitted by means of an electron beam is relatively low.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß man eine Anzahl von Halbleiterdioden derart parallel schaltet, daß sie eingangsseitig miteinander verbunden, ausgangsseitig jedoch getrennt sind. Um das Signal einen bestimmten Ausgang zuzuleiten, wird eine der Dioden in Flußrichtung betrieben, während die übrigen in Sperrichtung vorgespannt sind. Nachteilig bei dieser Anordnung ist besonders der große Aufwand an Schaltmitteln und an Steuerenergie.Another possibility is to have a number of semiconductor diodes in parallel in this way switches that they are connected to one another on the input side, but separated on the output side. To that Signal to feed a certain output, one of the diodes is operated in the forward direction while the rest are biased in the blocking direction. The large one is particularly disadvantageous in this arrangement Expenditure on switching means and control energy.

Die Erfindung geht davon aus, daß es in einem Halbleiter möglich ist, eine gewisse Beschränkung des Stromgebietes zu erreichen. Derartige räumlich begrenzte Wege in einem Halbleiter hat man bisher durch entsprechende Formgebung des Halbleiterkörpers, z. B. durch seine fadenförmige Ausbildung, ermöglicht.The invention assumes that it is possible in a semiconductor, a certain restriction of the To reach the river basin. Such spatially limited paths in a semiconductor have hitherto been found by appropriate shaping of the semiconductor body, for. B. by its thread-like training, enables.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung zur wahlweisen Umschaltung eines Signals, das zwischen einer injizierenden Eingangselektrode und einer ohmschen Elektrode angelegt ist, von der Eingangselektrode auf eine von mehreren Ausgangselektroden. Erfindungsgemäß werden die obengenannten Nachteile der bekannten Anordnungen dadurch vermieden, daß die Ausgangselektroden durch Stromengekantakte, d. h. sperrfreie Elektroden mit sehr kleiner wirksamer Fläche in der Größe von Spitzenelektroden, gebildet sind, von denen aus Ströme von Mehrheitsladungsträgern in den Halbleiterkörper zur ohmschen Elektrode einfließen, und daß zwischen der Eingangselektrode und einer durch eine geringfügige Erhöhung der an ihr liegenden Spannung ausgewählten Ausgangselektrode sich ein räumlich begrenzter Weg niedrigen Widerstandes im Halbleiterkörper ausbildet, über den das zu übertragende Signal ausschließlich auf die gewählte Ausgangselektrode übertragen wird.The invention relates to a semiconductor arrangement for the selective switching of a signal, which is applied between an injecting input electrode and an ohmic electrode, from the input electrode to one of several output electrodes. According to the Above-mentioned disadvantages of the known arrangements avoided in that the output electrodes by current contact, d. H. barrier-free electrodes with a very small effective area in the size of Tip electrodes, are formed from which currents of majority charge carriers in the semiconductor body flow to the ohmic electrode, and that between the input electrode and a through a slight increase in the voltage applied to it selected output electrode occurs Spatially limited path of low resistance forms in the semiconductor body, over which the to be transmitted Signal is only transmitted to the selected output electrode.

Halbleiteranordnung
zur wahlweisen Umschaltung
eines SignalsSemiconductor device
for optional switching
of a signal

Anmelder:
Deutsche Bundespost,
vertreten durch, den Präsidenten
des Fernmeldetechnischen Zentralamts,
Darmstadt, Rheinstr. 110Applicant:
German Federal Post Office,
represented by, the President
the Central Telecommunications Office,
Darmstadt, Rheinstr. 110

Dr. phil. Waldemar von Münch, Frankfurt/M.,
ist als Erfinder genannt wordenDr. phil. Waldemar von Münch, Frankfurt / M.,
has been named as the inventor

Erwähnt sei, daß es bereits bekannt ist, ein an den Emitter einer mit zwei Kollektoren versehenen Transistortetrode gelegtes Signal durch Veränderung des ein Potential vor dem Emitter bildenden Mehrheitsladungsträgerstromes einmal nach dem einen Kollektor und einmal nach dem anderen Kollektor zu leiten (Shea: Principles of transistor circuits, S. 470 ff). Bei einer derartigen Anordnung erfolgt jedoch kein sprunghafter Übergang von dem einen zu dem anderen Kolleiktor durch eine geringfügige Potentialverlagertmg an den Kollektoren. Um eine vollkommene Umschaltung des Signals zu bewirken, muß vielmehr der abzuschaltende Kollektor vollkommen spannungslos gemacht und die volle Spannung allein dem anzuschaltenden Kollektor zugeführt werden. Diese Betriebsweise bietet demgemäß kaum ausnutzbare Vorteile gegenüber mechanischen Umschaltern. Demgegenüber genügt bei der Halbleiteranordnung nach der Erfindung eine geringfügige Veränderung der an den Ausgangselektroden liegenden Spannungen, um eine vollkommene Umschaltung zu bewirken. Dieser geringe Bedarf an Steuerenergie ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung.It should be mentioned that it is already known to connect a transistor tetrode with two collectors to the emitter applied signal by changing the majority charge carrier current forming a potential in front of the emitter to conduct once to one collector and once to the other collector (Shea: Principles of transistor circuits, p. 470 ff). With such an arrangement, however, there is no sudden transition from one to the other Collector through a slight shift in potential at the collectors. To a perfect To effect switching of the signal, the collector to be switched off must rather be completely de-energized and the full voltage can be fed to the collector to be switched on. This mode of operation accordingly offers hardly exploitable advantages over mechanical switches. In contrast In the case of the semiconductor arrangement according to the invention, a slight change in the is sufficient voltages applied to the output electrodes in order to effect a complete switchover. This low need for control energy is a major advantage of the invention.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung an Hand der Abbildungen näher erläutert.The subject matter of the invention is explained in more detail below with reference to the figures.

In der Abb. 1 a sind an einem Halbleiterkörper 1 ein gleichrichtender Flächenkontakt 2 und ein Stromengekontakt 3 angebracht. Vorteilhaft soll der Halbleiterkörper 1 aus p-Material mit hohem spezifischen Widerstand bestehen, während der Kontalct 2 durch einen Legierungskontakt vom η-Typ gebildet wird. Der Stromengekontakt, d. h. der sperrfreie KontaktIn FIG. 1 a, a rectifying surface contact 2 and a current mutual contact 3 are attached to a semiconductor body 1. The semiconductor body 1 should advantageously consist of p-material with a high specific resistance, while the contact 2 is formed by an alloy contact of the η-type . The current close contact, ie the lock-free contact

809 789/391809 789/391

Claims (4)

mit sehr kleiner wirksamer Fläche, kann beispielsweise durch eine Einschnürung 4 des Halbleitermaterials (s. Abb. lb) oder bevorzugt durch einen gesperrten pn-übergang 5, der in einem begrenzten Gebiet durch eine Spitze 6 durchstoßen wird, realisiert werden (s. Abb. Ic). Spannt man den Kontakt 3 in Flußrichtung vor, so werden Minderheitsladungsträger, im angegebenen Beispiel Elektronen, in den Halbleiterkörper injiziert. Diese Injektion findet hauptsächlich in der Mitte des Flächenkontaktes 2 statt, da diese Stelle dem Stromengekontakt 3 am nächsten liegt. Das hat zur Folge, daß in der Mitte des Halbleiterkörpers infolge der Anwesenheit zusätzlicher Ladungsträger (injizierte Minderheits'ladungsträger sowie eine gleiche Anzahl Mehrheitsladungsträger, die über den Stromengekontakt hereinströmen) ein Gebiet niederen spezifischen Widerstandes entsteht. Es wird auf diese Weise erreicht, daß der zwischen den Elektroden 2 und 3 fließende Strom sich auf die Umgebung der Symmetrieachse der Anordnung nach Abb. la beschränkt. Voraussetzung ist allerdings, daß der Strom überwiegend von den injizierten Minderheitsladungsträgern getragen wird. Gehen beispielsweise auf dem Wege von 2 nach 3 Minderheitsladungsträger durch Rekombination verloren, so wird der Strom durch einen reinen Mehrheitsladungsträgerstrom — im angegebenen Beispiel durch einen Löcherstrom — fortgesetzt. Der Mehrheitsladungsträgerstrom zeigt jedoch ohmsches Verhalten, d. h. er verteilt sich über den gesamten zur Verfügung stehenden Halbleiterquerschnitt. Will man also eine Fokussierung, d. h. eine Beschränkung des Stromes auf ein eng begrenztes Gebiet erreichen, so wird man den Abstand der Kontakte 2 und 3 so klein machen, daß die vom Kontakt 2 injizierten Minderheitsladungsträger während ihrer Lebensdauer zum Kontakt 3 gelangen können. In der Abb. 2 ist die Halbleiteranordnung nach der Erfindung dargestellt. An einem Halbleiterkörper 7 befinden sich ein sperrfreier Basiskontakt 8, ein gleichrichtender Legierungskontakt 9, der als Emitter wirkt, sowie zwei Stromengekontakte 10 und 11, die durch metallische Spitzen, die in sperrende Legierungskontakte eingesenkt sind, verwirklicht werden. Eingangsseitig, d. h. am Emitter, hat das Schaltelement nach der Erfindung die typischen Eigenschaften eines Schalttransistors, nämlich eine Kennlinie, die ein hochohmiges, sperrendes Gebiet und ein niederohmiges, leitendes Gebiet besitzt. Dazwischen liegt ein instabiles Gebiet mit fallender Kennlinie (vgl. H. Salow und W. v. Münch, Zeitschrift für angewandte Physik, 8 [1956], S. 114 bis 119). Emitterspannung Uc und Emitterwiderstand Re lassen sich so einstellen, daß ein kurzzeitiger Impuls genügt, um den Transistor vom nichtleitenden in den leitenden Zustand zu überführen, und umgekehrt. Ob dabei nun die Strecke 9-10 der Abb. 2 leitend wird, oder aber die Strecke 9-11, hängt von der Wahl der Spannungen U1 und U2 ab, die an die Stromengekontakte 10 und 11 angelegt werden. Man kann also bestimmen, ob das Signal vom Emitter 9 an den Ausgangskontakt 10 oder an den Ausgangskontakt 11 übertragen werden soll. Versuche haben gezeigt, daß eine Änderung einer der beiden Spannungen U1 oder U2 um 1Ao Volt genügt, um den Einschaltvorgang auf den gewünschten Ausgangskontakt zu leiten. Dieser geringe Bedarf an Steuerenergie ist ein wesentlicher Vorteil des Schalters nach der Erfindung. Wesentlich ist auch, daß bei Anordnung gemäß Erfindung das ■ Signal automatisch dem einen oder dem anderen Kontakt vollständig zugeleitet wird. Erst wenn man die Emitterspannung Ue so weit herabsenkt, daß in der Basiszone ein Zustand sehr hoher Injektionsdichte auftritt, werden die beiden Strecken 9-10 und 9-11 gleichzeitig leitend gemacht. Auch dieser Effekt läßt sich schaltungstechnisch ausnutzen. Aus den vorstehenden Erläuterungen geht hervor, daß man mit dem beschriebenen Schaltelement ein ίο Signal dadurch auf einen gewünschten Ausgang leiten kann, daß man den an den Ausgangselektroden 10 und 11 liegenden Spannungen U1 und U2 bestimmte Werte gibt. Es ist dabei nicht notwendig, die Spannungen statisch zu verändern, wenn beispielsweise is der Einschaltvorgang die Strecke 9-10 an Stelle der Strecke 9-11 erfassen soll. Man muß dazu lediglich eine der beiden Spannungen CZ1 oder U2 kurzzeitig, d. h. während des Einschaltvorganges verändern. Eine andere Möglichkeit, die Schaltvorgänge auf einen gewünschten Ausgang zu leiten, besteht darin, ein transversales elektrisches Feld in die Basis zu bringen. Es kann dann ein Halbleiterbauelement Verwendung finden, welches an Stelle des einen Basiskontaktes 8 in Abb. 2 zwei Basiskontalcte 12 und 13 as hat (s. Abb. 3). Obwohl in der vorstehenden Beschreibung Bauelemente mit nur zwei Ausgangselektroden beschrieben wurden, läßt sich das Prinzip auch auf Anordnungen mit mehr äls zwei Ausgangselektroden ausdehnen. Voraussetzung ist allerdings, daß die Abstände Emitter—Stromengekontakt so' klein gehalten werden, daß die vom Emitter injizierten Minderheitsladungsträger während ihrer Lebensdauer im Halbleiterkristall die Stromengekontakte erreichen können. Gegebenenfalls können dann auch nur einige von den vorhandenen Strecken gleichzeitig ausgenutzt werden. Patentansprüche:with a very small effective area, can be implemented, for example, by a constriction 4 of the semiconductor material (see Fig. Ic). If the contact 3 is biased in the direction of flow, minority charge carriers, electrons in the example given, are injected into the semiconductor body. This injection takes place mainly in the center of the surface contact 2, since this point is closest to the electrical contact 3. The consequence of this is that in the middle of the semiconductor body, due to the presence of additional charge carriers (injected minority charge carriers as well as an equal number of majority charge carriers flowing in via the current contact), an area of low specific resistance arises. It is achieved in this way that the current flowing between the electrodes 2 and 3 is limited to the vicinity of the axis of symmetry of the arrangement according to Fig. La. A prerequisite, however, is that the current is mainly carried by the injected minority charge carriers. If, for example, minority charge carriers are lost through recombination on the way from 2 to 3, the current is continued by a pure majority charge carrier flow - in the example given by a hole flow. The majority carrier current, however, shows ohmic behavior, i. H. it is distributed over the entire available semiconductor cross-section. So if you want a focus, i. H. If the current is limited to a narrowly limited area, the distance between contacts 2 and 3 will be made so small that the minority charge carriers injected from contact 2 can reach contact 3 during their service life. In Fig. 2, the semiconductor device according to the invention is shown. On a semiconductor body 7 there is a non-blocking base contact 8, a rectifying alloy contact 9, which acts as an emitter, and two current-flow contacts 10 and 11, which are realized by metallic tips sunk into blocking alloy contacts. Input side, d. H. at the emitter, the switching element according to the invention has the typical properties of a switching transistor, namely a characteristic curve which has a high-resistance, blocking area and a low-resistance, conductive area. In between there is an unstable area with a falling characteristic (cf. H. Salow and W. v. Münch, Zeitschrift für angewandte Physik, 8 [1956], pp. 114 to 119). The emitter voltage Uc and emitter resistance Re can be set so that a brief pulse is sufficient to convert the transistor from the non-conductive to the conductive state, and vice versa. Whether the path 9-10 in Fig. 2 becomes conductive, or the path 9-11, depends on the choice of the voltages U1 and U2 that are applied to the current contacts 10 and 11. You can therefore determine whether the signal should be transmitted from the emitter 9 to the output contact 10 or to the output contact 11. Tests have shown that a change in one of the two voltages U1 or U2 by 1Ao volts is sufficient to direct the switch-on process to the desired output contact. This low need for control energy is a major advantage of the switch according to the invention. It is also essential that, with the arrangement according to the invention, the signal is automatically completely fed to one or the other contact. Only when the emitter voltage Ue is reduced so far that a state of very high injection density occurs in the base zone, the two paths 9-10 and 9-11 are made conductive at the same time. This effect can also be used in terms of circuitry. From the above explanations it can be seen that with the switching element described, a signal can be routed to a desired output by giving certain values to the voltages U1 and U2 applied to the output electrodes 10 and 11. It is not necessary to change the voltages statically if, for example, the switch-on process is to cover the distance 9-10 instead of the distance 9-11. One only has to use one of the two voltages CZ1 or U2 for a short time, i. H. change during the switch-on process. Another way of directing the switching operations to a desired output is to bring a transverse electric field into the base. A semiconductor component can then be used which, instead of the one base contact 8 in FIG. 2, has two base contacts 12 and 13 as (see FIG. 3). Although components with only two output electrodes were described in the above description, the principle can also be extended to arrangements with more than two output electrodes. A prerequisite is, however, that the distances between the emitter and the current contact are kept so 'small that the minority charge carriers injected by the emitter can reach the current contacts in the semiconductor crystal during their lifetime. If necessary, only some of the existing routes can then be used at the same time. Patent claims: 1. Halbleiteranordnung zur wahlweisen Umschaltung eines Signals, das zwischen einer injizierenden Eingangselektrode und einer ohmschen Elektrode angelegt ist, von der Eingangselektrode auf eine von mehreren Ausgangselektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangselektroden durch Stromengekontakte, d. h. sperrfreie Elektroden mit sehr kleiner wirksamer Fläche in der Größe von Spitzenelektroden, gebildet sind, von denen aus Ströme von Mehrheitsladungsträgern in den Halbleiterkörper zur ohmschen Elektrode einfließen, und daß zwischen der Eingangselektrode und einer durch eine geringfügige Erhöhung der an ihr liegenden Spannung ausgewählten Ausgangselektrode sich ein räumlich begrenzter Weg niedrigen Widerstandes im Halbleiterkörper ausbildet, über den das zu übertragende Signal ausschließlich auf die gewählte Ausgangselektrode übertragen wird.1. Semiconductor arrangement for the selective switching of a signal between an injecting Input electrode and an ohmic electrode is applied from the input electrode on one of several output electrodes, characterized in that the output electrodes through current short contacts, d. H. barrier-free electrodes with a very small effective area in the Size of tip electrodes, from which currents of majority carriers flow into the semiconductor body to the ohmic electrode, and that between the input electrode and one selected by a slight increase in the voltage across it Output electrode is a spatially limited path of low resistance in the semiconductor body forms, via which the signal to be transmitted is transmitted exclusively to the selected output electrode. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone aus hochohmigem Halbleitermaterial mit hoher Lebensdauer der Minoritätsladungsträger besteht. 2. Semiconductor arrangement according to claim 1, characterized in that the base zone consists of high-resistance semiconductor material with a long service life of the minority charge carriers. 3. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromengekontakte durch metallische Spitzen gebildet sind, die in sperrende Legierungselektroden eingesetzt sind.3. Semiconductor arrangement according to claims 1 and 2, characterized in that the current tight contacts are formed by metallic tips which are inserted into blocking alloy electrodes. 4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß4. Semiconductor arrangement according to claim 1 or one of the following, characterized in that
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