DE1089073B

DE1089073B - Transistor zum Schalten mit teilweise fallender Charakteristik und einem Halbleiterkoerper mit der Zonenfolge npp n bzw. pnn p

Info

Publication number: DE1089073B
Application number: DED29578A
Authority: DE
Inventors: Dr Phil Helmut Salow
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 1958-12-12
Filing date: 1958-12-12
Publication date: 1960-09-15

Description

Transistor zum Schalten mit teilweise fallender Charakteristik und einem Halbleiterkörper mit der Zonenfolge npp+n+ bzw. pnn+p+ In der Halbleitertechnik ist eine Reihe von Bauelementen bekannt, deren Stromspannungscharakteristik einen Bereich mit negativer Steigung aufweist. Eine solche Charakteristik, wie sie auch von Gasentladungsröhreen bekannt ist, kann für Schaltzwecke ausgenutzt werden, weil die an den fallenden Bereich angrenzenden Teile der Kennlinie einmal einen sehr hohen Widerstand (Sperrzustand) und einmal einen sehr niedrigen Widerstand (Flußzustand) repräsentieren.
Die teilweise fallende Stromspannungskennlinie läßt sich bei allen Halbleiterschaltelementen auf sich wechselseitig verstärkende Vorgänge zurückführen.
Bei einer Gattung von Halbleiterschaltelementen wird von einer lawinenartigen Ladungsträgervermehrung auf Grund der bei hohen Feldstärken auftretenden Stoßionisation Gebrauch gemacht. Derartige Lawinentransistoren sind nur schwer mit reproduzierbaren Daten herzustellen.
Ein anderer Mechanismus zur Erzielung einer fallenden Kennlinie besteht in der Potentialabsenkung in einem Halbleiterkörper durch eine Minderheitsladungsträger injizierende Elektrode, die über einen Potentialabbau vor der Elektrode eine stärkere Injektion hervorruft.
Ein solcher Kippmechanismus findet einmal beim Spitzentransistor mit Basiswiderstand, zum anderen in abgewandelter Form bei der Doppelbasisdiode, den Doppelbasistransistoren (Fadentransistoren) und den daraus weiterentwickelten Schalttransistoren mit gestörtem Kollektorübergangoder StromengekontaktAnwendung. Die Spitzentransistoren besitzen neben ihren sonstigen bekannten Nachteilen ein zu kleines Schaltverhältnis, und die Doppelbasisdiode und ihre Abwandlungen können nur kleine Leistungen in verhältnismäßig großen Zeiten schalten.
Verhältnismäßig große Leistungen in sehr kurzen Zeiten schaltet dagegen der- Schalttransistor mit gestörtem Kollektorübergang oder Stromengekontakt. Bei ihm wird die sperrfrei auszuführende Eintrittsstelle für den das Potential vor dem Emitter absenkenden, dauernd fließenden Mehrheitsladungsträgerstrom durch eine Störung der Sperrschicht vor dem Kollektor, z. B. durch eine die Sperrschicht durchdrinende Wolframspitze, dargestellt. Infolge des sehr' kleinen Eintrittsquerschnitts des Mehrheitsladungsträgerstroms spricht man hier von einem Stromengekontakt. Derartige Stromengekontakte sind bei Germanium relativ leicht, bei Silizium dagegen nur mit Schwierigkeiten herstellbar. Bei einer anzustrebenden Steuerung des Schalttransistors über den Stromengekontakt auf der Kollektorseite, also einer Steuerung des Mehrheitsladungsträgerstroms, stellt der Stromengekontakt zudem einen hohen Vorwiderstand vor der eigentlichen steuerbaren Basisschicht vor dem Emitter dar, so daß eine solche Steuer rung wenig aussichtsreich erscheint.
Es ist weiter ein Transistor mit teilweise fallender Charakteristik bekannt, der aus einem langgestreckten Halbleiterkörper vom n-Tlvp besteht, an den sich eine Zone erhöhter p-Leitfähigkeit anschließt. An zwei gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers sind zwei sperrend ausgeführte Basiselektroden angebracht. Bei diesem Transistor handelt es sich um eine Steuerung des Durchflußquerschnittes eines von einer sperrfreien Elektrode ausgehenden Mehrheitsladungsträgerstroms, wie sie bei Unipolar- oder Feldeffekttransistoren üblich ist. Durch eine sperrend ausgeführte Senkenelektrode werden zusätzlich Minderheitsladungsträger in den n-Teil des Halbleiterkörpers emittiert, welche die Vorspannung der beiden Basis-oder - besser - Torelektroden im Sinne einer Vergrößerung des Durchflußquerschnittes des Mehrheitsladungsträgerstroms verändern, der wiederum eine stärkere Injektion von Minderheitsladungsträgern zur Folge hat (deutsche Patentschrift 943 964, Fig. 2). Eine solche Halbleiteranordnung bedingt wie alle Unipolartransistoren wegen der beiden in einem kleinen gegenseitigen Abstand anzubringenden Torelektroden eine ziemlich schwierige Herstellung und garantiert kein hohes Schaltverhältnis, da bei ihr der pn-Übergang der Senkenelektrode dauernd in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Die Erfindung betrifft demgegenüber einen Transistor zum Schalten mit teilweise fallender Charakteristik und einem Halbleiterkörper mit der Zonenfolge npp+n+ bzw. pnn+p+ und mit flächenhaften Elektroden als Emitter bzw. Kollektor an den beiden äußeren Zonen.
Die oben geschilderten Nachteile der bisherigen Tranistoren mit teilweise fallender Charakteristik werden nach der technischen Lehre der Erfindung dadurch beseitigt, daß der p+n+-Übergang an der Kollektorelektrode mit einer so hohen Dotierung der p+- bzw. n+-Zonen versehen ist, daß der eine Durchbruchsspannung von höchstens 20 Volt aufweist, und daß beim Erreichen der Durchbruchsspannung am p+n+-Übergang ein vom Kollektor, der an der äußeren n+- bzw. p+-Zone angebracht ist, ausgehender, zur ohmschen Basiselektrode an der mittleren p- bzw. n-Zone fließender Mehrheitsladungsträgerstrom das Potential vor dem pn-Übergang am Emitter absenkt und dadurch die Injektion von Minderheitsladungsträgern an der Emitterelektrode vermehrt ist.
Es sei erwähnt, daß Halbleiterkörper und auch Transistoren mit einer Zonenfoge npp+n+ bzw. pnn+p+ an sich bereits bekannt sind. Dabei handelt es sich um Transistoren, bei denen die Basiszone aus Gründen der Erhöhung der Grenzfrequenz aus zwei Schichten verschiedener Leitfähigkeit besteht. Derartige Transistoren weisen keine teilweise fallende Charakteristik auf und werden lediglich in Verstärkerschaltungen betrieben (deutsche Auslegeschrift 1 005 1ß4) .
Der bei dem bekannten Schalttransistor mit gestörtem Kollektorübergang notwendige Stromengekontakt kann bei dem Transistor gemäß der Erfindung wegfallen, so daß sich einmal eine einfachere Herstellung ergibt; zum anderen entfällt damit der hohe Vorwiderstand des Stromengekontaktes im Mehrheitsladungsträgerstromkreis, so daß nunmehr auch eine Steuerung des Mehrheitsladungsträgerstromes möglich ist.
Für die Steuerung eine solchen Transistors ergeben sich zwei Möglichkeiten. Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Umschalten vom Sperrzustand in den Flußzustand zwischen der Emitter- und Kollektorelektrode durch Anlegen einer kleinen Signalspannung zwischen Emitter- und Basiselektrode bei einer dauernd angelegten, die Durchbruchsspannung erreichenden oder leicht übersteigenden Kollektor-Basis-Vorspannung ausgelöst.
:Dach einem weiteren besonders zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Umschalten vom Sperrzustand in den Flußzustand zwischen der Emitter- und Kollektorelektrode durch Anlegen einer kleinen Signalspannung und einer Ruhevorspannung, die beide die Durchbruchsspannung überschreiten, an der Kollektorelektrode vorgenommen.
An die Emitterelektrode ist dabei eine derartige Vorspannung angelegt, daß das durch die Signalspannung in der mittleren p- bzw. n-Zone aufgebaute Potential das Emitterpotential unterschreitet.
Gegebenenfalls kann man beide Ausführungsformen kombinieren und kommt so zu einer Koinzidenzschaltung, bei der das erste Signal am Emitter, das andere am Kollektor zugeführt wird.
Man kann den Transistor gemäß der Erfindung auch als einen Transistor auffassen, bei dem der pn-Übergang des Kollektors eine Zenerdiode darstellt. Da der Übergang vom Sperrgebiet in das Zener-Durchbruchsgebiet außerordentlich steil erfolgt, genügt bei der letzteren Steuerungsart eine geringfügige Erhöhung der Kollektorspannung, um einen Strom von Mehrheitsladungsträgern über die Zenerdiode des Kollektors zur Basis fließen zu lassen und damit den instabilen Mechanismus auszulösen. Der Schalttransistor bietet also, den Vorteil, neben der bekannten Steuerung über die Emitterelektrode eine solche über die Kollektorelektrode zu ermöglichen, wobei der Kollektor sowohl mit der Basis wie auch mit dem Emitter verbunden werden kann.
Im folgenden wird an Hand von zwei Figuren der Schalttransistor nach der Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt den Aufbau des Schalttransistors; Fig.2 zeigt die Potentialverhältnisse an den drei Elektroden des Schalttransistors bei den verschiedenen Einsteuermöglichkeiten von der Emitter- oder Kollektorseite aus in drei Schaubildern.
Der Schalttransistor nach Fig. 1 besteht aus einem Halbleiterkörper 1, der vorzugsweise aus hochohmigem halbleitendem Germanium oder Silizium zusammengesetzt ist. Ein solches Material ist im allgemeinen leicht p-leitend. Dieser Halbleiterkörper ist beispielsweise mit einer ringförmigen Elektrode 2 als Basiselektrode sperrfrei kontaktiert. Auf der Kollektorseite ist der Halbleiterkörper mit dem gleichen Metall, das seinen Leitungstyp bestimmt, stark p-dotiert. Diese p-dotierte Oberflächenschicht 3 ist sehr niederohmig. Auf die Schicht 3 wird, vorzugsweise durch einen Legierungsprozeß, ein n-leitender Kollektorkontakt 4 aufgebracht. - Durch die beiderseitige erhöhte Dotierung ergibt sich ein pn-Übergang mit einer niedrigen Zener-Durchbruchsspannung von etwa 10 Volt. Die gegenüberliegende Seite des Halbleiterkörpers 1 erhält einen normalen injektionsfähigen pn-Übergang als Emitter 5. Der Schalttransistor besteht also aus einer normalen Injektionsdiode 5 als Emitter- und einer Zener-Durchbruchsdiode 4 als Kollektor-pn-Übergang.
Im Normalzustand erhalten beide Dioden eine Vorspannung gegen die Basis in Sperrichtung. Der Schalttransistor ist hochohmig und sperrend im offenen Zustand. Wenn jetzt die Zenerdiode 3-4, also der pn-Übergang des Kollektors, eine höhere Spannung gegen die Basis erhält, so daß er durchbricht, so entsteht im Halbleiterkörper 1 ein Spannungsabfall, der auch das Potential unmittelbar vor der Emitterelektrode 5 beeinflußt, und zwar wird das Potential vor dem Emitter 5 in Richtung auf das Zenerdioden-, d. h. Kollektorpotential vorgespannt. Das bedeutet aber, daß der Emitter 5 in Flußrichtung eine Vorspannung erhält, also emittiert. Damit wird der Weg vom Emitter 5 zum Kollektor 4 sehr niederohmig. Der Schalttransistor befindet sich im leitenden Zustand.
Man kann den leitenden Zustand des Transistors hier von zwei Seiten her auslösen.
Einmal geschieht dies von der Emitterseite her. Hierzu wird der pn-Übergang des Kollektors so weit vorgespannt, daß die Zener-Durchbruchsspannung erreicht oder leicht überschritten ist. Die Emitterspannung wird so eingestellt, daß der Emitter noch nicht emittiert. Die Zündung erfolgt jetzt von der Emitterseite. Ein kleines Signal zwischen Emitter 5 und Basis 2 bewirkt einen Widerstandsabbau im Halbleiterkörper 1 zwischen Kollektor 4 und Basis 2, da nur Minoritätsträger injiziert werden. Man hat hier die Möglichkeit, die Kollektorseite 4 (Zenerdiode 3-4) niederohmig unabhängig voneinander sowohl mit der Basis 2 wie mit dem Emitter 5 (Injektionsdiode 5-1) zu verbinden. Die einzelnen Schritte sind in den Fig. 2 a bis 2 c in ihrem Potentialaufbau wiederge geben.
Zum zweiten besteht die Möglichkeit der Steuerung von der Kollektorseite her. Hier geht man so vor, daß bereits die Spannung an der Zenerdiode 3-4 sowohl den Durchbruch zur Basis 2 wie auch zum Emitter 5 bewirkt, d. h., die Kollektorspannung muß so groß gewählt bzw. das Emitterpotenial der Injektionsdiode 5-1 so nahe beim Basispotential liegen, daß in einem Schritt der Zustand der Sperrung (Fig.2a) in den Zustand der Leitung (Fig. 2c) übergeführt wird.
Man wird das Halbleiterbauelement mit ringförmiger Basis ausführen. Die Widerstände zwischen Kollektor-Basis und Emitter-Basis sind dann sauber voneinander getrennt. Die Zenerdiode des Kollektors 4 wird dann im Zentrum der ringförmigen Basis 2 angebracht. Ebenfalls können mehrere Emitterdioden 5-1 und/oder auch mehrere Zenerdioden 3-4 auf einem gemeinsamen Halbleitergrundkörper 1 angebracht sein. Die Schaltmöglichkeiten vervielfachen sich dann, z. B. können bei zwei Kollektor-Zenerdioden die beiden Kollektoren unabhängig voneinander zum Emitter mit Hilfe kleiner Schaltsignale auf der Kollektorseite durchgeschaltet werden. .
Der Schalttransistor nach der Erfindung bietet folgende Vorteile gegenüber den bekannten Schalttransistoren: Er ist im gesperrten Zustand bei Steuerung über den Kollektor bis auf geringfügige Sättigungsströme stromlos. Der bei bisherigen Schalttransistoren notwendige sperrfreie Kontakt zur Zuführung des Mehrheitsladungsstroms (Stromengekontakt) fällt fort, und es sind höhere Belastungen möglich. Außerdem bietet sich die Möglichkeit der unabhängigen Durchschaltungen zur Basis oder zum Emitter.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Transistor zum Schalten mit teilweise fallender Charakteristik und einem Halbleiterkörper mit der Zonenfolge npp+n+ bzw. pnn+p+ und mit flächenhaften Elektroden als Emitter bzw. Kollektor an den beiden äußeren Zonen, dadurch gekennzeichnet, daß der p+n+-Übergang an der Kollektorelektrode mit einer so hohen Dotierung der p+- bzw. n+-Zonen versehen ist, daß er eine Durchbruchsspannung von höchstens 20 Volt aufweist, und daß beim Erreichen der Durchbruchsspannung am p+n+-Übergang ein vom Kollektor, der an der äußeren n+- bzw. p+-Zone angebracht ist, ausgehender, zur ohmschen Basiselektrode an der mittleren p- bzw. n-Zone fließender Mehrheitsladungsträgerstrom das Potential vor dem pn-Übergang am Emitter absenkt und dadurch die Injektion von Minderheitsladungsträgern an der Emitterelektrode vermehrt ist.
2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten vom Sperrzustand in den Flußzustand zwischen der Emitter- und Kollektorelektrode durch Anlegen einer kleinen Signalspannung zwischen Emitter- und Basiselektrode bei einer die Durchbruchsspannung erreichenden oder leicht übersteigenden, dauernd angelegten Kollektor-Basis-Vorspannung ausgelöst ist.
3. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten vom Sperrzustand in den Flußzustand zwischen der Emitter- und Kollektorelektrode durch Anlegen einer kleinen Signalspannung und einer Ruhevorspannung, die beide zusammen die Durchbruchsspannung überschreiten, an der Kollektorelektrode vorgenommen ist und daß an die Emitterelektrode eine derartige Vorspannung angelegt ist, daß das durch die Signalspannung in der mittleren p- bzw. n-Zone aufgebaute Potential das Emitterpotential unterschreitet.
4. Transistor nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Umschalten vom Sperr- in den Flußzustand zwischen der Emitter-und Kollektorelektrode nur bei gleichzeitigem Vorhandensein einer zwischen Emitter- und Basiselektrode angelegten Signalspannung und einer zweiten, zwischen Kollektor- und Basiselektrode angelegten, die Durchbruchsspannung des p+n+-Überganges am Kollektor übersteigenden Signalspannung möglich ist.
5. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere p- bzw. n-Zone aus hochohmigem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von wenigstens 100 9 # cm, vorzugsweise 1000 S2 - cm, hergestellt ist.
6. Transistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode (2) ringförmig ausgebildet ist.
7. Transistor nach Anspruch 1 oder einem oder mehreren der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Emitter- und Kollektorelektrode oder mehrere Emitterelektroden (5) und mehrere Kollektorelektroden (4) verwendet sind. In Betracht gezogene Druckschriften Deutsche Patentschrift Nr. 943 964; deutsche Auslegeschrift Nr. 1005 194; USA.-Patentschrift Nr. 2 790 940.