DE1068384B

DE1068384B -

Info

Publication number: DE1068384B
Application number: DENDAT1068384D
Authority: DE
Publication date: 1959-11-05

Description

DEUTSCHES

Halbleiteranordnungen mit zwei ohmschen und mindestens einer nichtohmschen Elektrode sind in vielen Ausführungsformen bekannt. In der Regel tritt bei ihnen aber eine Erscheinung auf, die als Minoritätsträgerspeicherung bekannt ist und welche die Ansprechgeschwindigkeit der Halbleiteranordnung begrenzt. Die thermische Erzeugung von Minoritätsträgern begrenzt weiterhin den Temperaturbereich, bei welchem die Halbleiteranordnung arbeiten kann.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Halbleiteranordnung, bei welcher der Effekt der Minoritätsträgerspeicherung, welcher durch die Bewegung von Minoritätsträgern durch den Halbleiter über Diffusionswege bedingt ist, vermieden oder wenigstens stark herabgesetzt wird.

Doppelbasisdioden und Transistoranordnungen, bei welchen Mihoritätsträger aus der einen ohmschen Basisverbindung extrahiert werden können, sind zwar bekannt, jedoch werden bei diesen an der anderen ohmschen Basisverbindungsstelle eine gleiche Anzahl von Minoritätsträgern unschwer wieder injiziert, so daß die unerwünschte Minoritätsträgerspeicherung nicht verhindert und somit auch die Ansprechgeschwindigkeit der Halbleiteranordnung nicht erhöht werden kann.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit zwei ohmschen und mindestens einer nichtohmschen Elektrode.

Gemäß der Erfindung wird die Ausschwemmung der Minoritätsträger aus der Halbleiteranordnung in erster Linie dadurch erreicht, daß die eine ohmsche Elektrode an einer ersten Zone des Halbleiterkörpers vom einen Leitfähigkeitstyp, z. B. n, angebracht ist, daß sich an der gegenüberliegenden Fläche des Halbleiterkörpers eine zweite Zone vom gleichen Leitfähigkeitstyp, aber wesentlich höherer Dotierung, z. B. n ⁺ , anschließt, daß an dieser zweiten Zone die zweite ohmsche Elektrode so angebracht ist, daß über die beiden ohmschen Elektroden ein solcher Schwemmstrom in Richtung auf die erste ohmsche Elektrode fließt, daß Minoritätsträger aus dem Halbleiterkörper ausgeschwemmt werden und daß eine oder mehrere nichtohmsche Elektroden an der ersten Zone des Halbleiterkörpers angebracht sind.

In Weiterentwicklung des Erfindungsgedankens können zwei nichtohmsche Elektroden nahe beieinander auf der ersten Zone angebracht werden, und die Halbleiteranordnung kann als Transistor arbeiten.

Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung können die beiden nichtohmschen Elektroden in der Richtung des Schwemmstromes angeordnet werden.

Eine besonders zweckmäßige Weiterbildung der Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß die beiden Halbleiterzonen einen Zylinder bilden können, daß sich die Grenze zwischen den Zonen quer zur Zylinderachse erstreckt, daß die ohmschen Elektroden an je eine Halbleiteranordnung

mit zwei ohmschen und mindestens

einer nichtohmschen Elektrode

Anmelder:

National Research Development

Corporation,

London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen, Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 3. Mai 1954, 7. Januar und 6. April 1955

James Bonella Arthur, William Bardsley,

Michael Anton Cedric Salkeld Brown,

Alan Frank Gibson und James William Granville,

Malvern, Worcestershire (Großbritannien),

sind als Erfinder genannt worden

Endfläche des Zylinders angeschlossen werden und daß die beiden nichtohmschen Elektroden auf der Endfläche der ersten Zone einen Kontakt herstellen.

Die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung kann weiterhin so ausgebildet werden, daß die Endfläche der ersten Zone derart angeordnet werden kann, daß sie die Grenze zwischen den beiden Zonen schneidet, um die Anordnung der beiden nichtohmschen Elektroden in der Nähe der Grenze zu erleichtern.

Schließlich kann gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung an die ohmschen Elektroden eine Stromquelle so angeschlossen werden, daß die Polarität dieser Stromquelle mit der Polarität der Majoritätsladungsträger an der ersten Zone übereinstimmt.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigt bzw. zeigen

Fig. 1 einen Halbleiterkörper, welcher zum Zwecke der Ausschwemmung der Minoritätsträger ausgebildet oder angeordnet ist, die

Fig. 2 und 3 Kurven, welche die Ausschwemmung erläutern,

909 647/321

Fig. 4 eine Schaltungsanordnung, welche bei der Untersuchung der Ausschwemmungswirkung verwendet wird, die

Fig. 5 und 6 Kurven,. welche zur Erläuterung der Äusgchwemmung beitragen können,

Fig. 7 eine für die Ausschwemmung ausgebildete Transistoreinrichtung,

Fig. 8 eine für die Ausschwemmung angeordnete bzw. ausgebildete Halbleiterdiodeneini'ichtung,

Fig. 9 eine andere Ansicht ■ des Ausschwemmungstransistors nach der Fig. 7, die
,..Fig. 10 und 11. andere Aüsführungsformen für solche

Transistoren, während

■ Fig. 12 in Vergleichsforrrr ■ graphische Darstellungen des Kollektorstromes über der Kollektorspannung für Ausschwemmungstransistoren wiedergibt.

Ausschwemmungsverf ahren

Untersucht wird ein langer Stab oder Faden mit einem beliebigen eigenleitenden Halbleiter, welchem eine geeignete Spannung zugeführt wird. Elektronen treten an der positiven Elektrode und Löcher an der negativen Elektrode aus. Aus Raumladungsüberlegungen oder -betrachtungen ergibt sich, daß die Anzahl der Löcher und Elektronen in dem Halbleiter zu allen Zeiten gleich ist. Wenn daher die Geschwindigkeit der Erzeugung von Lochelektronpaaren in dem Halbleiterkörper kleiner als die Geschwindigkeit des Abziehens durch das angelegte Feld ist, dann wird die Anzahl von Stromladungsträgern erschöpft, und es kann gesagt werden, daß eine Ausschwemmung vor sich geht.

Um die obige Überlegung auf eine mehr quantitative Grundlage abzustellen,, soll W₁ die eigenleitende Elek- ;tronendichte sein, und es wird angenommen, daß eine geringe Ausschwemmung stattgefunden hat. Die Dichte von Lochelektronpaaren in dem Halbleiterkörper ist nunmehr n, wobei η < n_t ist. Dann gilt: Die Anzahl Lochelektronpaare, welche in dem Halbleiterkörper pro

Sekunde erzeugt wird, ist gegeben durch U₁ · —. Die

Anzahl von Lochelektronpaaren, die sich in dem Halbleiterkörper pro Sekunde wieder vereinigen, ist gegeben

durch η —. Die Anzahl von Lochelektronpaaren, welche von dem Halbleiterkörper pro Sekunde abgezogen wird,

ist gegeben durch η — .
t

. Hierbei ist V das Volumen des Halbleiterkristalls, τ die 'Trägerlaufzeit und t die Übertragungszeit des sich am langsamsten bewegenden Ladungsträgers (Loches) durch oder über das Halbleiterkristall.

. Im Gleichgewicht müssen die Geschwindigkeiten der ^: Wiedervereinigung und des Abzugs zusammen gleich der Geschwindigkeit der Erzeugung sein, so daß gilt:

Widerstand eines Halbleiters nicht unbegrenzt mit der Spannung vergrößert, jedoch einen Grenzwert erreicht, welcher durch die Dichte der Fremdstoffe in den Halbleiterkörper bestimmt ist.
5

Praktische Überlegungen

Bei der obigen Gleichung (1) wird angenommen, daß die einzige Lieferquelle von Lochelektronpaaren die thermische Erzeugung in dem Halbleiter ist. Praktisch kann jedoch eine beträchtlich große Anzahl von Minoritätsträgern in den Halbleiter von den Elektronen an den Stabenden her eingebracht werden. Wenn die Geschwindigkeit des Einbringens mit der Geschwindigkeit der thermischen Erzeugung von Trägern vergleichbar ist, dann ist Gleichung (1) nicht mehr anzuwenden, und eine Ausschwemmung kann nicht in gleicher Weise beobachtet werden. Die Bedeutung des Einbringens von den Elektroden an den Stabenden her kann am besten vermittels des folgenden Beispiels erläutert werden:

Wenn der Strom durch den Halbleiterkörper i Ampere, γ das Einbringungsverhältnis der Endelektroden und q die Elektroneriladung sind, dann muß die folgende Bedingung gelten:

i · γ ^ n_i-V

10· τ '

Wenn somit ausreichend große Spannungen derart angelegt werden, daß t < τ ist, dann würde eine bemerkenswert große Ausschwemmung vor sich gehen.

In der Wirklichkeit ist kein Halbleiter gänzlich frei von

bezeichnenden Verunreinigungen oder Fremdstoffen, welche freie Elektronen oder Löcher zusätzlich zu den "vorhandenen Lochelektronpaaren ergeben. Diese Fremd-' stöffatome können nicht ausgeschlossen werden, da, wenn sie es wären, der Halbleiterkörper' eine' Restladung führen •würde, welche durch die' ionisierten Fremdstoffatome verursacht wird. Daher wird erwartet, daß sich der Der Faktor 10 ist angebracht worden, um zu gewähr-3" leisten, daß die Geschwindigkeit des Trägereinbringens wenigstens eine Größenordnung kleiner als die Erzeugungsgeschwindigkeit ist. Für einen typischen Halbleiterkörper mit den Abmessungen 2 · 0,5 · 0,5 mm, einer Lebensdauer von 100 μ-Sekunden, welcher einen Strom von 1 Milliampere erfordert, schreibt Gleichung (2) vor:

Das Einbringungsverhältnis einfacher Elektroden, auf Germanium beispielsweise, liegt etwa bei Eins, und für angelötete (offenbar bzw. anscheinend ohmsche) Elektroden liegt γ zwischen 10~² und 1O^-1. Somit muß einige Aufmerksamkeit den Endelektroden zugewendet werden, wenn Gleichung (2) erfüllt werden soll.

Nunmehr soll mit Bezugnahme auf Fig. 1 ein Germaniumkörper 3 untersucht werden, welcher durch Lötverbindungen an seinen Enden mit einem positiven oder einem negativen Pol einer Spannungswelle verbunden ist. Eine Zone 6 des Halbleiterkörpers 3 besteht aus stark η-dotiertem Halbleiterwerkstoff und eine anschließende Zone 2 aus η-dotiertem Halbleiterwerkstoff. Somit hat die Zone 2, welche η-Germanium aufweist, eine Endelektrode, welche aus der angelöteten Elektrode 1 besteht, und eine andere Endelektrode, welche aus der η+-Zone 6 besteht, an welcher ebenfalls eine Elektrode angelötet ist.

Wie dargestellt, ist die n⁺-Zone 6 positiv vorgespannt, und nur das Einbringen von Löchern in die Zone 2 von der Zone 6 her braucht beachtet zu werden.

Somit

(a) können die angelöteten Endelektroden nach dem Gebiet 6 ausreichend weit vom Gebiet 2 weg angeordnet werden, so daß alle Löcher, welche an den Endelektroden eingebracht werden, sich wieder vereinigt haben, bevor sie die Zone 2 erreichen, und (b) die Dichte von Löchern in der η+-Zone 6 kann so klein ausgebildet werden, daß der meiste Strom von Zone 6 nach Zone 2 von Elektronen getragen bzw. übertragen wird.

Das wirksame Einbringungsverhältnis γ über einen n+-n-Übergang der in Fig. 1 dargestellten Bauart kann

5 , 6

annähernd von der Theorie der p-n-Übergänge nach oder durch geringes Einbringen, wahrscheinlich das Shockley (1949, Bell Syst. Tech. J., 28, S. 435) abge- erstere, verursacht.

leitet werden und ergibt sich durch In Fig. 3 ist ein ähnlicher Satz von Kurven für den

gleichen Halbleiterkörper dargestellt, welche bei Raum-

Y ⁼ ^ΰη Lp _ j 5 temperatur bei verschiedenen Beleuchtungsstärken er-

σ_ηΛ ' ^a+ halten wurden. Die Lichtquelle war eine 36-Watt-

Wolframlampe,- und die Abstände zwischen der Lampe

wobei ΰ_η, σ_η+ und L₃,, L„₊ die Leitfähigkeiten und und dem Halbleiterkörper sind im Schaubild angegeben. Minoritätsträgerdiffusionslängen der Zonen 2 und 6 sind. Wie zu erwarten war, sind die Wirkungen von Licht und Bei dem obigen Wert für γ wird angenommen, daß der i° Wärme einander ähnlich im Hervorbringen von Loch-Strom auf jeder Seite des Überganges gänzlich durch elektronpaaren, und die Fig. 2 und 3 sind im wesentlichen Diffusion übertragen wird. Praktisch trifft dies lediglich die gleichen. Es sei erwähnt, daß die vergrößerte Leitfür Zone 6 zu. Wenn der Strom auf beiden Seiten der fähigkeit bei hohen Strömen ebenfalls wiederhergestellt Abzweigung feldgesteuert wird, zeigen Berechnungen, wird.

daß γ sehr viel kleiner als der obige Wert ist. Der dazwi- ¹O Aus den Fig. 2 und 3 ist zu ersehen, daß die Spannung, schenliegende Fall, welcher hier von Bedeutung ist, ist welche zur Schaffung einer bezeichnenden Ausschwemschwieriger zu berechnen; es wird jedoch angenommen, mungsgröße (die Knie- oder Knickspannung) erforderlich daß die obige Formel einen Grenzwert für γ angibt, womit ist, sehr genau bestimmt werden kann. Wenn die Knieallen Anforderungen genügt ist. spannung durch Extrapolation der ausgeschwemmten Daraus ergibt sich daher, daß das Problem der Her- 2° und nicht ausgeschwemmten Teilstücke bestimmt ist, stellung einer geeigneten nicht injizierenden Endelektrode dann ist sie bei etwa 0,25 Volt für den verwendeten bei einem Halbleiterkristall-Wachstums- bzw. Züch- Halbleiterkörper ermittelt worden und größtenteils von tungsproblem die Züchtung eines stark gedopten (d. h. der Temperatur oder Lichtintensität unabhängig. Bei n⁺) Lang-Diffusionslängenkristalls bzw. eines Halbleiter- der Verwendung der Gleichung (1) ist es möglich, die kristalle mit großer Diffusionslänge beträchtlich ver- 25 Kniespannung exakt zu berechnen; für den vorliegenden mindert. Die erforderlichen Kristalle sind gezüchtet Zweck reicht es jedoch aus, anzunehmen, daß eine worden, und typische Werte der obigen Größen, welche bezeichnende Menge der Ausschwemmung vor sich geht, bei den verwendeten Beispielen erhalten wurden, sind wenn t = π ist und dies als Kriterium für die Kniefolgende: spannung zu verwenden ist. Daraus folgt, daß die Knie- a_n = 0,025 Ohm-¹ cm-¹ (40 Ohm ■ cm Widerstand.) ³° spannung V_k gegeben ist durch L₃, = 0,6 mm (nahezu 90 μ5ε^ηαβη Le- gγ I I \* '

bensdauer. Die Lebensdauer V_k = ——j , (3j

wird verkleinert durch Ober- Q \ ¹^p I

a_n+ = 500 Ohm-¹ cm-¹ fo^Oh^S^Säd.) ³⁵ Z^{oha K} ^die Boltzmannsche Konstante, Γ die absolute

Lp₊ =0,2 mm (nahezu 40 {^Sekunden Le- Temperatur und I die^ Lange des Halbleiterkörper;sand.

bensdauer. Die Beweglich- ^{Für einen} Halbleiterkörper, bei welchem I = 1,62 mm,

keit wird durch Fremdbe- L₃, = 0,56 mm und ^- = 0,025 Volt bei Raumtempera-

standteilstreuung verklei- . , . , , ^? _τ, ~ „, ,_T , . w,

_nert \ 40 tür sind, ist daher V_k — 0,21 Volt in guter Überein

stimmung mit dem Versuch. Es hat sich herausgestellt,

Somit ist γ = 1,75 · 10-⁴, und die erforderliche Be- daß Gleichung (3) eine sehr gute Annäherung des Wertes dingung ist erreicht. Das Gebiet 2 war 2 mm lang und das V_k für andere Werte von L₃, ergibt, starkdotierte Gebiet 6 etwa 4 mm (d. h. etwa 20 L„₊)

lang. Das Dotierungsmittel war Antimon. Der Gesamt- 45 Ausschwemmung durch pulsierende Felder

widerstand der Probe war praktisch bestimmt durch den

Widerstand des Gebietes 2. Im vorherigen Abschnitt sind die statischen Merkmale

von Ausschwemmungssystemen beschrieben worden; in Ausschwemmung durch Gleichstromfelder diesem Abschnitt werden deren dynamische Merkmale

50 aufgezeigt.

Die Strom-Spannungs-Kurven bei verschiedenen Tem- Wenn ein konstanter Spannungsimpuls von geeigneter

peraturen eines Halbleiterkörpers gemäß der vor- Größe auf das Halbleiterkristall aufgebracht wird, dann stehenden Beschreibung sind in Fig. 2 dargestellt. Diese schreitet die Ausschwemmung während der Zeitdauer Ergebnisse wurden erhalten, wenn die n⁺-Zone positiv des Impulses fort, bis der Grenzwiderstand erreicht ist. gemacht worden ist. Wenn die Polarität umgekehrt 55 Die Ausgangswellenform über einen geeigneten Bewurde, fiel der Widerstand des Halbleiterkörpers mit lastungswiderstand hat daher die in Fig. 4 dargestellte steigender Spannung ab und zeigte, daß eine Injektion Form. Daß diese Gattung einer Wellenform praktisch vor sich ging. beobachtet wird, ist selbst ein Zeichen dafür, daß Aus-

Eine Untersuchung der Fig. 2 zeigt, daß die erwarteten schwemmung vor sich geht. Die Zeit, welche für die Ergebnisse, wenigstens gütemäßig, erhalten wurden. ^6o Ausschwemmung verwendet wird, wird bestimmt durch Die anfängliche Neigung jeder Kurve entspricht der die Beweglichkeit des sich am langsamsten bewegenden Nichtausschwemmungsleitfähigkeit, und diese steigt Trägers (Loches) im η-Gebiet des Halbleiterkristalls, schnell mit der Temperatur an, wie dies für einen schwach Die Zeit t kann mit beträchtlicher Genauigkeit gemessen dotierten n-Halbleiterkörper erwartet wird. Die End- werden, da ein sehr scharfes »Knie« sich an diesem Punkt neigung, welche der Leitfähigkeit entspricht, die durch ⁶5 einstellt. Das scharfe Knie ist eine Folge der Stoßwelle, die Rest-Fremdbestandteile verursacht wird, sollte bei die sich an der Hinterkante der Ladungsträgerausgangsder Temperatur unveränderlich sein. Praktisch wurde welle bildet. Dies ist ein wohlbekannter Effekt bei dies nicht ganz durch den Versuch bestätigt. Die ver- Driftbeweglichkeitsversuchen und wird durch die große größerte Ausschwemmungs-Leitfähigkeit bei hohen Tem- Veränderung der Ladungsträgerkonzentration an der peraturen wird entweder durch eine Selbsterwärmung T° Kante der Trägerausgangswelle verursacht (s. die

Literaturstellen J. S. Blakemore, A.E. DeBarr und J. B. Gunn, 1953, Rep. Prog-Phys., 16, S. 160.)

Wenn die Ausschwemmzeit t gemessen wird, können die Ladungsträgergeschwindigkeit und die Driftbeweglichkeit bestimmt werden. Dieser Versuch ermöglicht es außerdem, die Driftgeschwindigkeit von Ladungsträgern in dem einleitenden Gebiet der Leitfähigkeit zu bestimmen, d.h. wenn die Zahl von Löchern und Elektronen vergleichbar sind. Aus verschiedenen Gründen kann die Driftbeweglichkeit eingebrachter Ladungsträger nicht versuchsmäßig in diesem Bereich untersucht werden. Es wird theoretisch erwartet, daß die Gruppengeschwindigkeit der Ladungsträger auf Null abfällt, wenn sich der Halbleiter gut oder nahezu innerhalb der folgenden geeigneten Beziehung einordnet oder einordnen läßt;

Diese Formel gilt für n-Halbleiterwerkstoff. In dieser Gleichung haben die Symbole die folgende Bedeutung: μ_Β = effektive Ladungsträger-Gruppenbeweglichkeit,
μ,,,— »normale« ungestörte Ladungsträgerbeweglichkeit, b —Verhältnis der Elektron- zur Lochbeweglichkeit, p = Dichte der Löcher,

n₉ == Dichte der Elektronen, verursacht durch die Fremdbestandteile,

Es sei erwähnt, daß für auf normale Weise dotierte Proben (n_e ^>p) μ_ρ = μ und für eigenleitende Proben (», = 0) μ_Β = 0 gilt.

Soweit es bekannt ist, wurde die Gültigkeit der Gleichung (4) niemals unmittelbar überprüft, wahrscheinlich auf Grund der Schwierigkeit, Driftmessungen in diesem Bereich vorzunehmen. Die Gleichung kann jedoch durch den im nachfolgenden beschriebenen Versuch überprüft werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 3 kann die Leitfähigkeit in dem Ausschwemmungszustand, <j_e, geschrieben werden als

= n_e- Q ■ μ-b

Die Leitfähigkeit im Nichtausschwemmungszustand, σ, kann geschrieben werden als

σ = a_e + p ■ q · μ (1 + b)

wobei μ die normale Beweglichkeit der Löcher ist. Kombiniert man die Gleichungen (4), (5)und (6), so ergibt sich

eine Beziehung, welche unmittelbar durch Versuche überprüft werden kann. Die Ladungsträger-Gruppenbsweglichkeit μ_ρ wird zusammen mit a_e und σ bei Raumtemperatur unter verschiedenen Beleuchtungsstärken bestimmt, und ein Wert von μ wird erhalten.

In Fig- 5 ist die Ladungsträger-Gruppengeschwindigkeit als eine Funktion des Ausschwemmungsfeldes bei verschiedenen Beleuchtungsstärken dargestellt. Der Abfall der Gruppengeschwindigkeit mit vergrößerter Lichtintensität ist offensichtlich; die Neigung einer jeden Linie gibt die Beweglichkeit wieder. Die Werte von a_e und σ können für jede Lichtintensität bestimmt werden, ynd das Verhältnis aja kann gegen die wirkliche Gruppenbeweglichkeit μ₉ aufgetragen bzw, aufgezeichnet werden. Dies ist in. Fig, 6 erfolgt. Die resultierende gerade Linie muß durch den Nullpunkt hindurchführen, und die beste Linie zeigt einen Wert für μ von 1840 cm²/Volt Sekunde an.

Beispiele

Ein Beispiel eines Transistors, bei welchem Ausschwemmung Anwendung findet, ist schaubildlich in Fig. 7 dargestellt. Er weist einen Germaniumkörper 3 auf, an dessen Enden ohmsche Grundelektroden angelötet sind, wobei eine n-Zone2 an eine n⁺-Zone6 angrenzt. Zwei Elektroden 5a, 5 b stellen einen Gleichrichterkontakt mit einer Seite 4 der Zone 2 her. Bei der Herstellung wird die Seite4 geschliffen und geätzt, und die Kontakte der Elektroden 5a, 5b werden nach üblichen technischen Herstellungsverfahren ausgebildet.

Ein beliebiges geeignetes Verfahren kann verwendet werden, um die η+-Zone 6 zu bilden; ein Verfahren, welches sich als erfolgreich erwiesen hat und leicht durchgeführt werden kann, besteht darin, einen HaIb-

ao leiterkristall durch Ziehen zu züchten, der aus einem Bad von geschmolzenem Germanium gezogen wird, und daß das Ziehen, nachdem die erforderliche Länge eines η-Kristalls hergestellt oder geformt worden ist, beendet wird; daraufhin gebe man eine geeignete Menge eines

as p-dotierenden Fremdbestandteils, beispielsweise Antimon, dem Bad zu, und der Ziehvorgang werde fortgeführt, bis die erforderliche Länge eines η+-Kristalls geformt ist.

Ein Transistor wird mit den Elektroden 5a und 5b

und einer der Grundelektroden 1 versehen, und zwar vorzugsweise mit derj enigen, die mit der Zone 6 verbunden ist.

Im Betrieb fließt ein Ausschwemmungsstrom in dem Germanium, und zwar vermöge einer Spannung, welche über die positiven und negativen Elektroden nach den Grundelektroden 1 aufgebracht wird.

Zwecks Sicherheit sollte die theoretische Ausschwemmungsspannung V (Gleichung 3), die zwischen den Grundelektroden 1 aufgebracht wird, in der Wirklichkeit um einen Faktor, beispielsweise 4 oder 5, überschritten werden. Wenn somit L_P nahezu gleich 0,25 mm und I nahezu 0,5 mm sind, dann ist eine Ausschwemmungsspannung von 0,5 Volt erforderlich. Durch die Verwendung einer Ausschwemmung im Falle eines Transistors ergibt sich eine Verbesserung der Kollektor-Sperrwiderstand-Temperaturcharakteristik und daher der Leistungs-Temperaturcharakteristik. Im Fall einer Kristalldiode, bei der nur eine der Elektroden 5 erforderlich ist, ergibt sich eine entsprechende Verbesserung des Gleichrichter-Sperrwiderstandes.

Bei einem Transistor ist die Leistung, welche bei der Vornahme der Ausschwemmung verbraucht wird, in der Größenordnung von 20% derjenigen Leistung, welche anderweitig in dem Transistorstromkreis verwendet wird; eine derartige Zahl ist, wie zu erkennen ist, abhängig von der Leistung in dem wirklichen Stromkreis, in welchem der Transistor eingeschaltet ist.

Der Ausschwemmungsstrom für eine gegebene Ausschwemmspannung vergrößert sich mit der Temperatur; jedoch ist bei nicht zu hohen Temperaturen ein nahezu ohmsches Gesetz für Transistorwerkstoffe, beispielsweise 5 Ohm cm Werkstoff, gültig, so daß der Ausschwemmungsstrom durch die Verwendung von Werkstoff in Stangenform, welcher eine kleine Querschnittsfläche hat, niedrig gehalten werden kann. Beispielsweise ist bei einer Ausschwemmungsspannung von 0,5 Volt und einem Querschnitt von 2,5 · 10-³ cm² und 5 Ohm cm Werkstoff der Ausschwemmungsstrom in der Größenordnung von 5 Milliampere.

Wenn eine Ausschwemmungsspannung von 4 oder mehr Volt aufgebracht wird, vergrößert sich die Ladungs-

Claims

1 Ubö 9 10 trägerdichte linear von dem n+-n-Übergang weg, wo sie ampere bei 8O0C, wenn kein Ausschlußfeld vorhanden, theoretisch Null ist. An der Grundelektrode 1, welche mit war; wenn ein Ausschwemmungsfeld aufgebracht wurde, . „ _ , , -.l-xj-tj j.·· j- -Ui Po i dann wurde irn auf 0,5 Milliampere vermindert, der Zone 2 verbunden ist, ist die Ladungstragerdichte J-}L- .-., ·,, ,." , ,. . f.. .. . , „, . , , 55 _£t_ Obwohl die notwendige mchtmjizierende Elektrode wobei p0 die ursprüngliche, nicht ausgeschwemmte 5 für einen Halbleiter bei den obigen Beispielen durch die Dichte, t die Übertragungszeit der Ladungsträger durch Verwendung der gezüchteten η+-Zone erzielt worden ist, die Zone 2 und τ ihre Lebensdauer ist. Es ist daher er- wurde ein anderes Verfahren für das Erhalten einer wünscht, den Transistor derart auszubilden, daß die nichtinjizierenden Elektrode gefunden; hierbei wurde Elektroden5so nahebei dem η+-n-Übergang wie möglich eine sehr kleine η+-Zone, aber von sehr hoher Fremdangeordnet sind. ίο bestandteilkonzentration, dadurch erhalten, daß eine Die obige Trägerverteilung gilt nicht auf der Seite 4 Legierungsverbindung nach der η-Zone über einen kleinen des Körpers 3, wenn die Oberflächen-Erzeugungsge- Tropfen oder ein Klümpchen bzw. eine Pille einer schwindigkeit hoch ist; die Ladungsträgerdichte auf der Legierung aus Antimon und Blei hergestellt wurde. Seite 4 ist in diesem Falle höher, was bedeutet, daß Fig. 10 zeigt eine andere Ausführungsform, welche für (a) eine gute Oberflächenätzung zu verwenden ist, 15 einen Ausschwemmungstransistor in Vorschlag gebracht (b) die Steuer- und die Arbeitselektroden 5a, 56 so wird. Entsprechende Teilstücke in dieser Figur sind nahe bei dem n+-n-Übergang, wie dies praktisch derart numeriert, daß sie mit gleichwertigen Teilstücken vertretbar ist, anzuordnen sind, und in Fig. 7 übereinstimmen. Ähnliche Überlegungen gelten (c) die Steuer- und die Arbeitselektroden 5 a, 56 auf bei dieser Ausführung und der Herstellung eines solchen einer Linie parallel zur Länge der Zone 2 des Körpers 3 20 Transistors; jedoch sei bei dieser anderen Art darauf anzuordnen sind. hingewiesen, daß es dabei schwierig ist, die Steuer- und Die Anordnung der Steuer- und der Arbeitselektroden 5 die Arbeitselektroden 5 so dicht bei dem n+-n-Übergang ist für einen typischen Fall von Fig. 7 in Fig. 8 dargestellt. anzuordnen, wie dies normalerweise erwünscht ist. Die Arbeitselektrode 5δ ist 0,025 bis 0,075 mm von der Eine weitere Anordnung ist in Fig. 11 dargestellt, bei Steuerelektrode 5 α weg und in einer Fluchtlinie mit dieser 25 der die Anordnung der Steuer- und der Arbeitselektroden 5 bzw. zu dieser angeordnet. in enger Nachbarschaft bei dem n+-n-Übergang dadurch Die Steuerelektrode 5 a ist am nächsten bei dem n+-n- erleichtert wird, daß man die Endfläche, an welcher eine Übergang angeordnet, so daß das Ausschwemmungs- Elektrode 1 angeschlossen ist, dem n+-n-Übergang feld in der Zone 2 die Übertragung nach der Arbeits- schneiden läßt. Die Steuer-und die Arbeitselektroden 5a, elektrode 5δ von Minoritätsträgern (Löchern), welche 30 5δ können dann so dicht bei dem n+-n-Übergang ange- durch die Steuerelektrode 5 α eingebracht werden, unter- ordnet werden, wie dies praktisch durchführbar ist. stützt. Durch eine Umkehr der Verbindung nach den Bei dieser zweiten Anordnung sind die Toleranzen für Elektroden 5a, 56 wird die Stromausbeute des Transistors die Stellung der Steuer- und der Arbeitselektroden 5a, 5b vermindert. Daher wird für die meisten Anwendungen relativ zu dem n+-n-Übergang nicht so streng oder die Steuerelektrode 5α vorzugsweise so nahe bei dem 35 bindend. n+-n-Übergang wie möglich angeordnet, und die Arbeits- Vielleicht kann auch erwähnt werden, daß für Zwischenelektrode 5 δ wird innerhalb des Transistorzwischenraums räume der Steuer- und der Arbeitselektroden 5 a, 5 δ der Steuerelektrode 5a angeordnet. unterhalb 0,05 mm bei dem Ausschwemmungstransistor Die zugrunde liegenden Ziele dieser Anordnung sind: keine Verbesserung des Frequenzverhaltens durch die

1. das Ausschwemmungsfeld soll eine Größtwirkung 40 Ausschwemmung verursacht wird.

auf den Transistor ausüben, Eine Kristalldiode der sogenannten Legierungsbauart,

2. die Stromausbeute α soll soweit wie möglich auf- welche die Ausschwemmung verwendet, ist in Fig. 8 rechterhalten werden, dargestellt. Sie weist einen Germaniumkörper 3 auf, an

3. der Grundwiderstand r_b soll vermindert werden und dessen Enden Grundelektroden 1 angelötet sind. Im

4. die Vorspannung der Steuer- und der Arbeits- 45 Körper 3 ist eine n-Zone 2 mit einer Leitfähigkeit von elektroden 5 a, 56 relativ zu der Grundelektrode 1 etwa 0,5 Ohm cm an eine n⁺-Zone6 anstoßend oder ansoll vermöge des Ausschwemmungsfeldes auf einem grenzend angeordnet. Eine Legierungsabzweigung wird niedrigen Wert gehalten werden. dadurch gebildet, daß ein Tropfen aus Indium in be-

Bei einem typischen Ausführungsbeispiel war ein kannter Weise auf der Seite 4 des Gebietes 2 auflegiert Transistor aus Germanium von '40 Ohm cm, 100 Mikro- 50 oder damit verbunden wird; eine Elektrode? ist an der Sekunden Lebensdauer des η-Typs hergestellt bzw. ge- Legierungselektrode befestigt oder damit verbunden, züchtet. Da das Germanium nahezu eigenleitend war, Irgendein bekanntes Verfahren, welches die typische war bei Raumtemperatur der Kollektorstrom beim Null- p-Legierung an derjenigen Stelle wiedergibt, an welcher Emitterstrom i_c0 sehr empfindlich bzw. ansprech- der Kontakt 7 mit der Zone 2 verbunden ist, kann verempfindlich auf Temperaturveränderung; aber die er- 55 wendet werden,
warteten Ausschwemmungseffekte wurden erzielt. Im Betrieb fließt ein Ausschwemmungsstrom zwischen

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wurde ein den Grundelektroden 1; der Kontakt 7 und eine der 0,01-Ohm cm-η+-Gebiet bis zu einem 8-Ohm cm-50-Mikro- Grundelektroden 1 bilden die Verbindungen der Kristallsekunden-Lebensdauer-Stückaus η-Germanium gezüchtet, diode.

Die Halbleiterkörper für einen Zusammenbau zu Tran- 60 Obwohl- in der Erfindungsbeschreibung Halbleitersistoren wurden von dem gezüchteten Körper abge- werkstoffe der η-Leitfähigkeit für die Erfindung anschnitten, so daß der η+-η-Übergang senkrecht zur Länge gegeben worden sind, sei darauf hingewiesen, daß die verlief; die Abmessungen des η-Bereiches waren 2 · 0,5 · Erfindung auch auf p-Leitfähigkeits-Werkstoff anwendbar 0,5 mm. Eine Ausschwemmungsspannung von 2 Volt ist, und darüber hinaus können auch andere Halbleiterwurde gewählt. Fig. 12 zeigt die Merkmale der Aus- 65 werkstoffe außer Germanium verwendet werden,
schwemmungs- (vollausgezogene Linie) und der Nicht- ρ
ausschwemmungs- (unterbrochene Linie) transistoren. Patentansprüche·.
Die Temperatur, bei welcher die Merkmale miteinander 1. Halbleiteranordnung mit zwei ohmschen und verglichen wurden, ist 105⁰C. Typisch war der stehende mindestens einer nichtohmschen Elektrode, dadurch Kollektorstrom i_e0 für den Null-Emitterstrom 2 MiIIi- 70 gekennzeichnet, daß die eine ohmsche Elektrode an

einer ersten Zone des Halbleiterkörpers vom einen Leitfähigkeitstyp, z. B. n, angebracht ist, daß sich an der gegenüberliegenden Fläche des Halbleiterkörpers eine zweite Zone vom gleichen Leitfähigkeitstyp, aber wesentlich höherer Dotierung, z.B. n ⁺ , anschließt, daß an dieser zweiten Zone die zweite ohmsche Elektrode so angebracht ist, daß über die beiden ohmschen Elektroden ein solcher Schwemmstrom in Richtung auf die erste ohmsche Elektrode fließt, daß Minoritätsträger aus dem Halbleiterkörper ausgeschwemmt werden, und daß eine oder mehrere nichtohmsche Elektroden an der ersten Zone des Halbleiterkörpers angebracht sind.

2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei nichtohmsche Elektroden nahe beieinander auf der ersten Zone angebracht sind und die Halbleiteranordnung als Transistor arbeitet.

3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden nichtohmschen Elektroden in der Richtung des Schwemmstromes angeordnet sind.

4. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Halbleiter-

zonen einen Zylinder bilden, daß sich die Grenze zwischen den Zonen quer zur Zylinderachse erstreckt, daß die ohmschen Elektroden an je eine Endfläche des Zylinders angeschlossen sind und daß die beiden nichtohmschen Elektroden auf der Endfläche der ersten Zone einen Kontakt herstellen.

5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Endfläche der ersten Zone derart angeordnet ist, daß sie die Grenze zwischen den beiden Zonen schneidet, um die Anordnung der beiden nichtohmschen Elektroden in der Nähe der Grenze zu erleichtern.

6. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die ohmschen Elektroden eine Stromquelle so angeschlossen ist, daß die Polarität dieser Stromquelle mit der Polarität der Majoritätsladungsträger an der ersten Zone übereinstimmt.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschriften Nr. 889 809, 890 847;
R. F. Shea, Principles of Transistor Circuits, 1953, Kap. 21, S. 453 bis 484.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

909 647/321 10.