DE1084839B

DE1084839B - Flaechentransistor mit einer teilweise negativen Widerstandscharakteristik und einem plattenfoermigen Halbleiterkoerper eines Leitungstyps

Info

Publication number: DE1084839B
Application number: DEG23160A
Authority: DE
Inventors: Robert Leslie Pritchard
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1956-10-17
Filing date: 1957-10-17
Publication date: 1960-07-07
Also published as: FR1184385A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Flächentransistoren mit einer teilweise negativen Widerstandscharakteristik und einem plattenförmigen Halbleiterkörper eines Leitungstyps.

Nach der bekannten Oszillatortheorie muß ein elekirischer Oszillator eine Signalübertragungseinrichtung mit negativer Widerstandscharakteristik enthalten, oder andernfalls muß ein Rückkopplungspfad zwischen den Ausgangs- und Eingangskreisen der benutzten Signalübertragungseinrichtung vorgesehen werden.

Spitzentransistoren mit negativer Widerstandscharakteristik können leicht hergestellt werden, und zwar deshalb, weil der Eingangskreis eines Spitzentransistors aus zwei Komponenten besteht, deren erste ein von Natur aus negativer Widerstand ist, der von der hohen Stromverstärkungscharakteristik (ex) des Spitzentransistors herrührt. Die zweite Komponente enthält einen von Natur aus positiven Widerstand, der χόπ dem Widerstand des Punktkontaktes und dem Widerstand des Halbleitermaterials herrührt. Beide der oben angeführten Komponenten des Eingangskreises eines Spitzentransistors können verändert werden durch Änderung der Kollektor- und Emitterspannungen. Dadurch erreicht man leicht eine negative Widerstandscharakteristik, und so kann der Spitzentransistor leicht als Teil eines Transistor.-Oszillator-Kreises mit negativem Widerstand verwendet werden.

Es hat sich herausgestellt, daß pn-Flächentransistoren den Spitzentransistoren aus einer Reihe von Gründen überlegen sind. So besitzen sie eine verhältnismäßig geringe Rauschzahl, lassen sich mit hoher Leistung betreiben und zeigen im Betrieb einen geringeren Leistungsverbrauch. Aus diesen und anderen Gründen ist es wünschenswert, daß eher Flächentransistoren als Spitzentransistoren verwendet werden. Während Spitzentransistoren eine von Natur aus negative Widerstandscharakteristik haben, gemäß ihren hohen Verstärkungsfaktoren, und leicht als Teile der Transistor-Oszillator-Schaltungen Verwendung finden können, hat der pn-Flächentransistor einen Verstärkungsfaktor, der im allgemeinen geringer als 1 ist. Wegen des Fehlens einer Stromverstärkung sind Flächentransistoren im allgemeinen stabil bei niederen Frequenzen und zeigen gewöhnlich keine negativen Widerstandscharakteristiken. Aus diesem Grunde haben Oszillatorschaltungen mit Flächentransistoren, die bei niederen Frequenzen betrieben werden, äußere Äückkopplungsschaltungen, die solche Oszillatorschaltungen kompliziert machen.

Es sind Ausführungsformen von Transistoren bekanntgeworden, bei denen die eine Seite des Transistors abgestuft ist. Diese Abstufung dient lediglich dem Zweck, die Basiszone zur Erleichterung der Flächentransistor mit einer teilweise
negativen Widerstandscharakteristik

und einem plattenförmigen
Halbleiterkörper eines Leitungstyps

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt,
Hannover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. Oktober 1956

Robert Leslie Pritchard, Schenectady, N. Y. (V. St. A.), ist als Erfinder genannt worden

Basiskontaktierung freizulegen; ansonsten handelt es sich bei diesen bekannten Anordnungen um gewöhnliche Flächentransistoren ohne Legierungs-Sperrschicht-Elektroden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Oszillatorschaltung für Niederfrequenz mit Flächentransistoren zu schaffen, die keine äußeren Rückkopplungsschaltungen erfordert. Die in dieser Schaltung benutzten Flächentransistoren müssen deshalb eine negative Widerstandscharakteristik aufweisen. Die gewünschte Oszillatorschaltung soll außerdem in ihrem Aufbau möglichst einfach sein.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der einen Seite des Halbleiterkörpers die Kollektorelektrode und auf der anderen gegenüberliegenden Seite die Basis- und die Emitterelektrode angeordnet sind, daß die andere Seite des Halbleiterkörpers derart ausgebildet und die Basis- und Emitterelektrode derart auf dieser anderen Seite angeordnet sind, daß der Abstand zwischen der Basiselektrode und dem pn-übergang vor der Kollektorelektrode kleiner als der Abstand zwischen den pn-Übergängen vor der Kollektor- und vor der Emitterelektrode ist, und daß für die Emitter-Basis-Spannung und die Kollektor-Basis-Spannung solche Betriebsspannungen gewählt sind, daß der pn-Übergang an der Emitterelektrode in Flußrichtung und der pn-Übergaing an der Kollektorelektrode in Sperrrichtung vorgespannt ist.

009 549/347

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Die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung und Kollektorübergang durch die Basiszone des Tranliefert einen zuverlässigen Flächentransistor mit sistors geringer ist als die Entfernung ä_v zwischen negativer Widerstandscharakteristik, der äußere den pn-Übergängen an der Emitter- und Kollektor-Rückkopplungselemente in einer Oszillatorschaltung elektrode durch die Basiszone. Diese Bedingung ist überflüssig macht. Die Erfindung soll an Hand von 5 wichtig für den Betrieb der Transistoren gemäß der Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Erfindung in Schaltungen, und es soll eine ausführ-

Fig. 1 zeigt einen Flächentransistor mit einem liehe Beschreibung im Hinblick auf den Betrieb in dünnen Plättchen 1 aus einkristallinem Halbleiter- der Schaltung von Fig. 3 erfolgen,
material, z. B. aus Germanium oder Silizium, das eine Zur Erzielung optimaler Resultate wird vorzugsim wesentlichen ebene Oberfläche 2 auf der einen Seite io weise der Wert von d₂ nicht größer als 50 % des und auf der ihr gegenüberliegenden Seite eine abge- Wertes von Ci₁ gewählt. Unter diesen Voraussetzungen stufte Oberfläche mit den Oberflächenteilen 3 und 4 weist die Halbleiteranordnung beständig eine negahat. Wie aus dieser Figur hervorgeht, ist der Abstand tive Widerstandscharakteristik auf und ist daher für von der Oberfläche 2 zum Oberflächenteil 4 geringer den Einbau in einen Niederfrequenzoszillatorkreis als der Abstand von der Oberfläche 2 zum Oberflächen- 15 mit negativem Widerstand geeignet. Andere Umteil 3. Das Plättchen 1 kann aus einem rechteckigen stände müssen auch zufriedenstellend berücksichtigt Plättchen η-Germanium durch Abschleifen oder Ab- werden. Während so bei der Konstruktion der Halbätzen eines Teiles der Oberfläche gewonnen werden, leiteranordnungen nach der Erfindung das Verhältnis und dadurch entsteht der abgestufte Oberflächenteil 4. djd₂ viel größer als 2 sein kann, sollte d_v um ein Einen Flächentransistor nach der Erfindung erhält 20 vernünftiges α zu erreichen, nicht größer als 0,003 man aus dem Plättchen 1 durch Bildung eines gleich- sein. Daneben sollte zur Vermeidung eines lokalirichtenden Kontaktes 5, indem man Akzeptormaterial sierten Durchschlags des Kollektorüberganges 10 in der Gruppe III des Periodischen Systems, z. B. In- Sperrichtung d₂ nicht größer als 0,0005 sein. So dium, mit dem Oberflächenteil 3 in Verbindung bringt kommt vorzugsweise für das Verhältnis U₁Zd₂ der Be- und das Plättchen zusammen mit dem Indium erhitzt 25 reich zwischen 2 und 6 in Frage.

bis zu einer Temperatur, die über dem Schmelzpunkt In Fig. 2 ist eine mögliche abgewandelte Bauweise

des Indiums, aber unter der des Germaniums liegt; der Halbleiteranordnung nach Fig. 1 dargestellt. Bei

dadurch verschmilzt das Indium mit dem Germanium, dieser Bauweise kann das Halbleiterplättchen 1 eine

so daß unmittelbar unter der Kontaktfläche 5 eine Ger- Scheibe sein, und der eingeschnittene Oberflächenteil 4

manium-p-Schicht 6 und zwischen dieser p-Schicht 6 30 kann dadurch gewonnen werden, daß durch Ätzen

und dem η-leitenden Halbleiterplättchen 1 ein oder Schleifen eine Vertiefung in der einen Ober-

pn-Übergang 7 entsteht. fläche 3 angebracht wird. Gleichrichtende Kontake 5

Ein zweiter gleichrichtender Kontakt 8 wird auf und 8 werden in der gleichen Weise wie nach Fig. 1 der gegenüberliegenden, im wesentlichen ebenen Ober- hergestellt. Eine wesentliche Änderung besteht darin, fläche 2 des η-leitenden Germaniumplättchens 1 ge- ₃₅ daß der Emitteranschluß 5 ringförmig ausgebildet ist schaffen. Dies geschieht durch Schmelzen und Auf- und die ringförmige Oberfläche 3 berührt. Die Anlegieren von Akzeptormaterial, z. B. Indium, in der Ordnung nach Fig. 2 weist notwendigerweise die gleichen Weise wie bei dem Kontakt 5. So entsteht gleichen Merkmale wie die Anordnung nach Fig. 1 eine p-Zone 9 darunter und ein zweiter p-n-Übergang auf, nämlich, daß d₂ geringer sein soll als d_v Vorzugs-

10 zwischen der Zone 9 und dem plattenförmigen 40 weise sollte das Verhältnis djd₂ zwischen 2 und 6 Halbleiterkörper 1. liegen.

Ein ohmscher und nicht gleichrichtender Kontakt Die Anordnung nach Fig. 2 hat gegenüber der An-

11 wird auf dem abgesetzten Oberflächenteil 4 des Ordnung nach Fig. 1 den Vorteil einer größeren Germaniumplättchens 1 durch Schmelzen oder Auf- Emitterfläche, und dadurch wird ein Betrieb bei legieren von Elektronen spendendem Material, wie 45 höherem Leistungspegel ermöglicht.

z. B. Zinn, erhalten. Für die Errichtung des ohmschen ' Fig. 3 zeigt die Halbleiteranordnung der Fig. 1 in und nicht gleichrichtenden Kontaktes eignet sich auch Verbindung mit einer Schaltung, die einen Niedereine Legierung aus Zinn und Donatorverunreinigun- frequenzoszillator mit negativem Widerstand liefern gen der V. Gruppe des Periodischen Systems, z. B. soll. Nach Fig. 3 enthält der Emitter-Basis-Kreis eine Arsen oder Antimon. Geeignete Stromzuführungs- 50 Gleichspannungsquelle 15 und einen Widerstand 16. drähte 12,13 und 14 werden an den Kontakten 5, 8 Da bei der gezeigten Anordnung der Flächentransistor und 11 angebracht, entweder während der Verschmel- ein pnp-Transistor ist, ist der positive Pol der Batzung dieser Kontakte mit dem Germaniumplättchen terie 15 mit der Emitterelektrode 5 und ihr negativer oder unmittelbar danach. Wie üblich stellt der Kon- Pol über den Widerstand 16 mit der Basiselektrode 11 takt 5 die Emitter-, Kontakt 8 die Kollektor- und 55 verbunden. Der Emitterübergang 7 ist so in der Fluß-Kontakt 11 die Basiselektrode dar. richtung vorgespannt. Ein für Wechselstrom durch

Während der Aufbau des Transistors der Fig. 1 für lässiger Kondensator 17 ist direkt zwischen Emittereine pnp-Anordnung beschrieben wurde, soll noch und Basiselektrode geschaltet und schließt somit die vermerkt werden, daß diese Struktur auch in npn-An- beiden Elektroden für Wechselstrom kurz. Der Wert Ordnung ausgeführt werden kann. In diesem Falle 60 dieses Überbrückungskondensators 17 ist nicht kribesteht das Halbleiterplättchen 1 von vorherein aus tisch. Da die Oszillatorschaltung für einen Betrieb bei p-Germanium, die gleichrichtenden Kontakte 5 und 8 Frequenzen im Hörbereich oder von 10 bis 20 kHz enthalten Donatorverunreinigungen, und der nicht vorgesehen ist, kann die Kapazität 17 bequem zwischen gleichrichtende Kontakt 11 enthält entweder ein neu- 1 und 1000 μΈ liegen, und sie soll so gewählt werden, trales Material wie Zinn oder eine Legierung aus 65 daß sie im wesentlichen keinen Wechselstromwidersolchem Material und Akzeptormaterial, wie z. B. In- stand bei der Betriebsfrequenz bietet. Ihr genauer dium. Ebenfalls kann auch Silizium an Stelle von Wert für irgendeine bestimmte Betriebsfrequenz kann Germanium verwendet werden. leicht nach wohlbekannten Überlegungen bestimmt

Die Anordnung nach Fig. 1 ist besonders brauch- werden. Der Ausgangsleitwert des Transitstors tritt

bar, weil die Entfernung d₂ zwischen Basiselektrode 70 zwischen den Klemmen 18 und 19 in Erscheinung

oder zwischen der Kollektor- und Basiselektrode. Um Wechselstromschwingungen zu erhalten, schaltet man einen passenden Resonanzkreis 20 zwischen die Klemmen 18 und 19. Der Resonanzkreis 20 enthält zweckmäßig eine Parallelkapazität 21 und eine Induktivität 22, deren Werte nicht kritisch sind. Diese Werte werden so gewählt, daß die hierdurch bestimmte Oszillatorfrequenz in den Hörbereich fällt oder annäherungsweise 10 bis 20 kHz aufweist. Eine zweite Batterie 23 wird in den Basis-Kollektor-Kreis geschaltet, um den Kollektorübergang 10 in Sperrrichtung vorzuspannen.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Flächentransistor können Emitterübergang 7 und Kollektorübergang 10 als Raumladungsrandschichten von begrenzter Breite angesehen werden. Man hat herausgefunden, daß, wenn die Kollektorspannung, das ist der momentane Wert der Spannung, die zwischen Kollektor- und Basiselektrode auftritt, sich im Sinne der hierbei verwendeten Gleichvorspannung erhöht, für den Transistor ein nützlicher Effekt dadurch hervorgerufen wird, daß sich die Kollektorraumladungsschicht, die den Kollektorübergang 10 enthält, effektiv erweitert. Diese Vergrößerung der Kollektorraumladungsschicht hat für den Transistor mehrere Folgen. Erstens reduziert sich die Ausdehnung der Basiszone zwischen Kollektor- und Basiselektrode. Da der Basisstrom im Transistor vom Emitter zur Basis und damit quer zum Abstand zwischen Kollektor- und Basiselektrode fließt, erhöht diese Entfernungsverminderung zwisehen Kollektor- und Basiselektrode den Widerstand der Basiszone. So verursacht im Endeffekt eine ansteigende Kollektorspannung eine Modulation des Basiswiderstandes. Diese ansteigende Kollektorspannung kann so auf eine Reduzierung der Emitter-Basis-Spannung und damit auf negative Rückkopplung hinauslaufen. Dieser Effekt ist maßgebend für die Widerstandscharakteristik des Transistors, die, von den Basis-Kollektor-Elektroden aus gesehen, negativ ist.

Ein anderer Effekt, der durch die Erweiterung der Raumladungsschicht am Kollektor infolge zunehmender Ausdehnung des Kollektorraumladungsgebietes verursacht wird, ist der, daß der Abstand zwischen dem Kollektorübergang und dem Emitterübergang auch reduziert wird. Diese bedingt ein größeres Alpha des Transistors und läuft im Endeffekt auf einen stärkeren Einfluß der positiven Widerstandscharakteristik hinaus.

Auf Grund der Transistorbauweise gemäß der Erfindung, wie sie in den Fig..l und 2 gezeigt wird, bei der also die Basiselektrode dem Kollektor näher ist als der Emitter, wird der Basis-Kollektor-Abstand wesentlich mehr als der Emitter-Kollektor-Abstand verkleinert. Entsprechend dem verhältnismäßig starkeren Absinken des Basis-Kollektor-Abstandes, ist der zuerst erwähnte Effekt, nämlich das stärkere Hervortreten der negativen Widerstandscharakteristik, vorherrschend. So hat die Modulation des Basiswiderstandes durch Erhöhung der Kollektorspannung zur Folge, daß der Transistor, von den äußeren Klemmen 18 und 19 aus gesehen, eine nützliche negative Widerstandscharakteristik zeigt.

Wenn also der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Flächentransistor einen geringeren Abstand zwischen Kollektor- und Basiselektrode als zwischen Emitter- und Kollektorelektrode hat und nach Fig. 3 geschaltet ist, und wenn die Werte der Kapazität und Induktivität im äußeren Resonanzkreis für eine Betriebsfrequenz von 10 bis 20000Hz gewählt werden, dann können Schwingungen ohne die Erforderlichkeit einer äußeren Rückkopplungsschaltung zwischen den Kollektor- und Emitterkreisen erzeugt werden.

Mit einer solchen Schaltung nach Fig. 3, bei der ein Silizium-pnp-Transistor Verwendung fand, der mit einer Kollektorspannung E_c von 4,5 Volt und einem Emitterstrom I_e von 4 Milliampere betrieben wurde, und bei der die Induktivität 22 einen Wert von 4 Henry, die Kapazität 21 einen Wert von Mikrofarad und die Kapazität 17 einen Wert von Mikrofarad hatte, wurden Schwingungen bei einer Frequenz von 7800 Hz erzielt.

Claims

Patentansprüche:

1. Flächentransistor mit einer teilweise negativen Widerstandscharakteristik und einem plattenförmigen Halbleiterkörper eines Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß auf der einen Seite des Halbleiterkörpers die Kollektorelektrode und auf der anderen gegenüberliegenden Seite die Basis- und die Emitterelektrode angeordnet sind, daß die andere Seite des Halbleiterkörpers derart ausgebildet und die Basis- und Emitterelektrode derart auf dieser anderen Seite angeordnet sind, daß der Abstand zwischen der Basiselektrode und dem pn-übergang vor der Kollektorelektrode kleiner als der Abstand zwischen den pn-Übergängen vor der Kollektor- und vor der Emitterelektrode ist, und daß für die Emitter-Basis-Spannung und die Kollektor-Basis-Spannüng solche Betriebsspannungen gewählt sind, daß der pn-übergang an der Emitterelektrode in Flußrichtung und der pn-übergang an der Kollektorelektrode in Sperrichtung vorgespannt ist.

2. Flächentransistor nach Anspruch 1; dadurch gekennzeichnet, daß die eine Seite des plattenförmigen Halbleiterkörpers eben ist, daß die andere gegenüberliegende Seite abgestuft ist und daß auf den durch die Abstufung gebildeten zwei Oberflächenteilen der anderen Seite die Emitter- und die Basiselektrode so angebracht sind, daß der Abstand zwischen den pn-Übergängen vor der Emitter- und der Kollektorelektrode größer als der Abstand zwischen dem pn-übergang vor der Kollektorelektrode und der Basiselektrode ist.

3. Flächentransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der ebenen Seite des plattenförmigen Halbleiterkörpers die Kollektorelektrode so angebracht ist, daß sie die ganze Oberfläche einnimmt, daß auf der anderen gegenüberliegenden Seite in der Mitte eine Vertiefung zur Aufnahme der Basiselektrode eingeschliffen oder eingeätzt ist, und daß die Emitterelektrode ringförmig auf dem zur Vertiefung konzentrisch liegenden, von der Kollektorelektrode entfernteren und erhöhten Oberflächenteil aufgebracht ist.

4. Flächentransistor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von dem Abstand der pn-Übergänge vor der Kollektor- und Emitterelektrode zum Abstand vom pn-übergang vor der Kollektorelektrode zu der Basiselektrode nur Werte zwischen 2 und 6 annimmt.

5. Flächentransistor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er in einer Oszillatorschaltung verwendet ist, daß zwischen Emitter- und Basiselektrode ein Kondensator geschaltet ist, der für Wechselstrom einen Kurzschluß darstellt, daß zwischen Basis- und Kollek-

torelektrode ein Resonanzkreis und in Reihe mit diesem eine Gleichspannungsquelle derart geschaltet sind, daß der kollektorseitig vorhandene pn-übergang in Sperrichtung vorgespannt ist, und daß zwischen Basis- und Emitterelektrode eine Gleichspannungsquelle in Reihe mit einem Widerstand derart geschaltet sind, daß der emitterseitig

vorhandene pn-übergang in Flußrichtung vorgespannt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 814 487; schweizerische Patentschrift Nr. 310 628; französische Patentschrift Nr. 1 118 302.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen