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Flächentransistor mit einem plättchenförmigen Halbleiterkörper Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Flächentransistor mit einem plättchenförmigen
Halbleiterkörper, auf dessen gegenüberliegenden Flächen zwei ohmsche Basiselektroden
und je eine ringförmige Emitter- und Kollektorelektrode auflegiert sind und die
Emitter- und die Kollektorelektrode auf gegenüberliegenden Flächen einander gegenüber
angebracht sind.
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So geartete Transistoren sind im Prinzip bereits bekannt, d. h., es
ist z. B. bekannt, bei Spitzentransistoren und auch bei Flächentransistoren die
Elektroden ringförmig auszubilden. Dabei ist der plättchenförmige Halbleiterkörper
in fast allen Fällen jedoch relativ dick, und die Basiselektroden sind beispielsweise
an den Kanten des Halbleiterkörpers angebracht.
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Die Erfindung liegt darin, daß der Halbleiterkörper aus einem dünnen
Plättchen von 0,23 bis 0,25 mm Dicke besteht und die Fläche der ringförmigen Kollektorelektrode
größer als die Fläche der ringförmigen Emitterelektrode ist. In weiterer Ausbildung
der Erfindung sind dabei die zwei Basiselektroden ebenfalls als Ringelektroden mit
größerem und kleinerem Durchmesser als die Emitterelektrode auf der gleichen Fläche
des Halbleiterkörpers angebracht, auf der die Emitterelektrode sitzt.
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Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, einen Transistor zu schaffen,
der zufriedenstellend unter relativ hohen Leistungsbedingungen arbeitet und dabei
wirtschaftlich herzustellen ist. Die beträchtliche Leistungsübertragung und die
sichere Arbeitsweise ergibt sich daraus, daß durch die ringförmige Ausgestaltung
der Elektroden und durch die Dünne des Halbleiterkörpers sich die Emitter- und die
Kollektorelektroden über eine beträchtliche Fläche des Halbleiterkörpers erstrecken
und außerdem der Stromweg von der einen Basiselektrode zur anderen immer durch die
sehr lange und extrem dünne Zone zwischen der Emitterelektrode und der Kollektorelektrode
gehen muß.
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Im Gegensatz dazu konnten sich bei den meisten der bisherigen Transistoren,
deren Halbleiterkörper fast immer relativ dick war, leicht Strompfade zwischen den
Basiselektroden bilden, die nicht durch die Zone zwischen Emitter- und Kollektorelektrode
gehen. Es war vor allen Dingen jedoch mit den bisherigen Transistoren nicht möglich,
derart beträchtliche Leistungen wie bei dem Transistor gemäß der Erfindung bei zufriedenstellender
Arbeitsweise zu übertragen.
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Der Halbleiterkörper des Transistors kann aus Germanium, Silizium
od. dgl. bestehen, und die Erfindung kann auf verschiedene Transistortypen, wie
z. B. einen p-n-p-Typ oder einen n-p-n-Typ, angewendet werden.
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Bei Transistoren, von denen verhältnismäßig große Energiebeträge übertragen
werden, ist es erwünscht, daß sich die Emitter- und die Kollektorelektrode über
ein verhältnismäßig großes Gebiet des Halbleiterkörpers erstrecken, damit gut unter
den verhältnismäßig hohen Energieverhältnissen gearbeitet werden kann. Außerdem
ist es wünschenswert, daß diese Elektroden an gegenüberliegenden Flächen des Halbleiterkörpers
liegen. Normalerweise sinkt bei einer Transistoranordnung dieser Art die Verstärkung
wesentlich in dem Maße, in dem die Ausgangsleistung der Einheit wächst. Es wird
in diesem Zusammenhang auf die später beschriebene Fig. 4 der Zeichnungen hingewiesen,
in der eine Reihe von Verstärkungskurven gezeigt ist und in der die normale Verstärkungscharakteristik
mit IB 2-1= 0 bezeichnet ist. Es ist hieraus ersichtlich, daß je nachdem, wie der
Kollektorstrom IG wächst, die Verstärkung der Einheit ziemlich schnell abfällt.
Es wird angenommen, daß dieser Abfall der Verstärkung durch das verhältnismäßig
starke Querfeld hervor-. gerufen wird, das sich in der Basiszone zwischen der Emitter-
und der Kollektorelektrode einstellt, und daß sich dieses Querfeld notwendigerweise
ausbildet, wenn die Basis- und Kollektorströme wachsen. Dieses Querfeld läßt die
Dichte des Emitterstromes ungleichförmig
werden, so daß das der
Basiselektrode am nächsten gelegene Gebiet den größten Teil des Stromes leitet.
Infolgedessen sinkt, wenn ein großer Energiebetrag übertragen werden soll, die mit
dem Transistor erhaltene Verstärkung. Die Verstärkung mittels eines Transistors
kann mathematisch als
ausgedrückt werden, worin
darstellt. Beim Betrieb des Transistors wird gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung an die beiden Basiselektroden, die einen geringen Widerstand besitzen
und an entgegengesetzten Seiten der ringförmigen Emitterelektrode befestigt sind,
eine Vorspannung angelegt, die dem Querfeld zwischen der Basis- und der Emitterelektrode
entgegengesetzt ist. Hierdurch wird das Querfeld, das sonst zwischen der Emitter-und
der Basiselektrode vorhanden ist, verkleinert. Es wird angenommen, daß auf diese
Weise die Wirkung der Emitterelektrode, die von den beiden Basiselektroden eingefaßt
wird, vergrößert wird. Wenn die umgekehrte Vorspannung an die beiden Basiselektroden
niedrigen Widerstandes angelegt wird, wodurch eine Halbleitertetrode gebildet wird,
wird die Verstärkungskurve im wesentlichen abgeflacht, wie es durch die verschiedenen
anderen Kurven der Fig.4 der Zeichnungen dargestellt ist. Es ist bei Transistoren
dieser Art wünschenswert, daß die beiden Basiselektroden wie beim Transistor gemäß
der Erfindung vollständig durch die Emitterelektroden getrennt werden.
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Es ist ferner ein Zweck der vorliegenden Erfindung, einen Transistorverstärker
anzugeben mit Verstärkungscharakteristiken, die hinsichtlich der Amplitude des Kollektorstromes
steuerbar sind.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung «-erden nachfolgend
an Hand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen stellt dar: Fig. 1 eine Draufsicht
eines Flächentransistors gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig.2 einen senkrechten
Schnitt durch diesen Flächentransistor entlang der Linie 2-2 in Fig. 1, Fig. 3 eine
schematische Zeichnung, die eine Teilansicht des in den Fig. 1 und 2 dargestellten
Flächen-. transistors in verkleinertem Maßstab enthält und eine Schaltanordnung
angibt, mittels der gewisse Eigenschaften des Flächentransistors bestimmt werden
können, Fig. 4 eine graphische Darstellung dieser elektrischen Eigenschaften, in
der die Stromverstärkung, d. h. das Verhältnis von Kollektorstrom zu Basisstrom,
in Abhängigkeit von dem Kollektorstrom in Ampere angegeben ist, wobei zwischen den
beiden Basiselektroden in Übereinstimmung mit Fig. 3 eine konstante Vorspannung
liegt, und Fig. 5 eine graphische Darstellung der Stromverstärkung in Abhängigkeit
von dem Kollektorstrom in Ampere für einen Flächentransistor nach Fig. 1, bei dem
als Basiselektrode in einem Falle nur der äußere Ring, im anderen Falle nur der
innere und in wiederum einem anderen Falle beide Ringe zu einer Einheit verbunden,
verwendet werden.
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In den Fig. 1 und 2 wird ein Halbleitertransistorverstärker von Tetrodenanordnung
gezeigt, der allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Dieser Transistor
enthält einen Halbleiterkörper 11, gegenüberliegend angeordnet eine Emitterelektrode
13 und eine Kollektorelektrode 12. Die zwei Basiselektroden 14 und 15 stellen einen
Kontakt niedrigen Widerstandes mit dem Halbleiterkörper 11 her. Der Hall)-Leiterkörper
11 kann beispielsweise aus hochgereinigtem Germanium-Halbleitermaterial von einer
n-Typ-Leitfähigkeit mit einem spezifischen Widerstand von ungefähr 4 bis 6 Ohm-cm
bestehen. Die Kollektor- und die Emitterelektroden 12 und 13 enthalten natürlich
Verunreinigungen, welche beim Hineinlegieren oder Diffundieren den Leitfähigkeitstyp
des Germaniummaterials gegenüber dem des Halbleiterkörpers umkehren. Es kann dabei
Indium oder ein anderes geeignetes Material vom p-Typ als Verunreinigungsmaterial
verwendet werden. Die Basiselektroden 14 und 15 niedrigen Widerstandes können aus
irgendeinem üblichen Material, wie Nickel od. dgl., hergestellt werden und können
entweder aufgeschweißt oder hineindiffundiert sein. Es ist indessen wünschenswert,
daß kein gleichrichtender Übergang zwischen dem Halbleiterkörper 11 und den Basiselektroden
gebildet wird.
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Bei der Herstellung der in Fig. 1 und 2 gezeigten Halbleiteranordnung
ist es wesentlich für ein sauberes Arbeiten der Halbleiteranordnung, daß der Emitterring
und der Kollektorring über ihre ganze Ausdehnung im wesentlichen ununterbrochen
und gleichförmig sind. Mit anderen Worten wird, falls diese Elektroden einen diskontinuierlichen
Teil enthalten, die Verbesserung, die man sonst erhalten würde, indem man eine Vorspannung
an das Basismaterial legt, welches den Emitter umgibt, nicht erhalten werden. Das
heißt, sollte sich ein diskontinuierliches Segment ergeben, so wird das umgekehrte
Vorspannungsfeld, welches zwischen den Elektroden 14 und 15 erzeugt wird, nicht
gleichmäßig durch die verhältnismäßig schmale Zone 16 zwischen den diffundierten
Teilen 12 a und 13a hindurchgehen, sondern dieses würde statt dessen einen breiteren
und leichter hergestellten Strompfad längs des diskontinuierlichen Teils nehmen.
In diesem Falle kann die Wirkung der Vorspannung im wesentlichen verlorengehen.
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Ein besonderes Beispiel zur Herstellung einer Halbleiteranordnung
gemäß der Erfindung wird im folgenden gegeben. Es wird zuerst ein plättchenförmiger
Einkristall aus Germanium mit n-Leitfähigkeitseigenschaften und einem spezifischen
Widerstand von 4 bis 6 Ohm-cm hergestellt. Dieses geschieht mittels der wohlbekannten
Technik der Kristallherstellung. Das hergestellte Plättchen soll vorzugsweise die
Dimensionen 19 - 19 - 0.24 mm erhalten und besitzt somit ein Paar von im wesentlichen
parallel angeordneten größeren Flächen. In diesem Zusammenhang ist gefunden worden,
daß eine Dicke von 0,23 bis 0,25 mm brauchbar ist, obwohl eine Dicke von 0,24 mm
vorzuziehen ist. Der angefertigte Halbleiterkörper wird dann mit einer geeigneten
Ätzlösung geätzt, wodurch die Oberfläche gereinigt und deren elektrische Eigenschaften
verbessert werden. Daraufhin wird die ringförmige Kollektorelektrode 12 hergestellt.
Für die meisten Zwecke wird es vorgezogen, diese Elektrode aus einer Zusammensetzung
von 95% Indiurn und 5 % Germanium zu bilden. Es können aber auch andere geeignete
Materialkombinationen benutzt werden, die in der Transistortechnik vorgeschlagen
sind. Die ringförmige Kollektorelektrode 12 besitzt einen äußeren Durchmesser von
15,0 mm und einen inneren Durchmesser von 10,4 mm. Obwohl auch andere Dicken möglich
sind, wird es vorgezogen, der Kollektorelektrode eine Dicke von ungefähr 0,76 mm
zu geben. Diese
Dicke ist, abgesehen von anderen Gründen, für eine
gute Wärmeabführung wünschenswert.
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Es werden geeignete Aufspannvorrichtungen für die Diffusion der Verunreinigung
in den Halbleiterkörpern benutzt, bei denen sich die Körper in einer zweckmäßigen
Lage zueinander befinden. Um eine gute Diffusion bei der Legierung zu erhalten,
wird es vorgezogen, die vorher richtig angeordneten Teile auf eine Temperatur von
551° C zu erhitzen, diese Temperatur für einen Zeitraum von ungefähr 1 Minute aufrechtzuerhalten
und dann schnell eine Abkühlung auf eine Temperatur von ungefähr 455° C vorzunehmen.
Von hier ab wird die Abkühlung langsamer vorgenommen, d. h., die Einheit wird dann
um ungefähr 27° C pro Minute abgekühlt, bis Zimmertemperatur erreicht ist.
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Nach völliger Abkühlung wird die Etnitterelektrode 13 angefertigt
und an der gegenüberliegenden Seite mit dem Halbleiterkörper legiert. Beide Elektroden
12 und 13 «erden im wesentlichen in derselben `'eise angebracht, indessen ist die
Emitterelektrode 13 etwas kleiner und hat nur einen äußeren Durchmesser von ungefähr
14,5 mm und einen inneren Durchmesser von ungefähr 10,9 mm. Nachdem auch die Emitterelektrode
13 angebracht ist, wird die Basiselektrode 15 mit den äußeren Teilen des Halbleiterkörpers
11 verschweißt. Diese Elektrode ist vorzugsweise aus Nickel oder einem in ähnlicher
Weise leitenden Material angefertigt und besitzt die Form eines Kreisringes. Dieser
Ring hat eine Dicke von ungefähr 0,76 mm und wird im wesentlichen, wie aus Fig.
1 ersichtlich, auf dem Halbleiterkörper angebracht. Bei der Anbringung kann gewöhnliches
Blei-Zinn-Kadmium-Lot verwendet werden, das 18°/a Kadmium enthält, während der Rest
aus der üblichen 60 :40-Blei-Zinn-Mischung besteht.
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Bei der Herstellung der äußeren Basiselektrode 15 wird die innere
Basiselektrode 14 in derselben Weise hergestellt und genauso angebracht. Obwohl
die kreisförmige Ringform vorgezogen wird, könnte auch eine andere Ringkonfiguration
verwendet werden. Die innere Elektrode 15 hat einen äußeren Durchmesser von 8,9
mm und ist infolgedessen von der Innenseite der Emitterelektrode 13 durch eine Entfernung
von ungefähr 2,0 mm getrennt. Nachdem die geeigneten Zuleitungsdrähte angebracht
sind und nachdem eine Endätzung mit der obengenannten Ätzlösung erfolgt ist, ist
die Transistorvorrichtung fertig zum Einbau in einen geeigneten Behälter. Der Transistor
ist nach diesem Einbau betriebsfertig.
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Im folgenden wird auf die in Fig. 3 dargestellte Schaltung und die
graphische Darstellung der Fig. 4 Bezug genommen, welche die Charakteristiken des
Tetrodentransistors gemäß der Erfindung wiedergibt und in einer Prüfschaltung, wie
sie in Fig. 3 dargestellt ist, in Betrieb genommen ist. In Fig. 3 ist eine Teilansicht
des Tetrodentransistors der Fig. 1 und 2 dargestellt. Die Basiselektroden 15 und
14 sind zum Zwecke eines leichteren Verständnisses der graphischen Darstellung von
Fig. 4 zusätzlich mit B 1 und B 2 bezeichnet. Ein Belastungswiderstand 30 ist in
die Ausgangsschaltung des Transistors gelegt, und die Ausgangsleistung der Einheit
wird durch eine geeignete Energiequelle, wie z. B. die Batterie 31, bewirkt. Eine
Quelle eines Signalpotentials, die in Form einer Batterie 32 dargestellt ist, und
ein veränderlicher Widerstand 33 sind als Vorspannungsquelle vorgesehen, damit die
gewünschte Emitter-Basis-Vorspannung erhalten wird. Eine dritte Energiequelle, die
etwa die Form einer bei 34 dargestellten Batterie besitzen kann, wird als dritte
Spannungsquelle dazu verwendet, eine Quervorspannung zwischen den beiden Basiselektroden
14 und 15 zu erzeugen. Die Größe des dazugehörigen Stromes wird durch den veränderlichen
Widerstand 35 gesteuert. Der im Kollektorkreis fließende Strom kann durch das Meßgerät
36 gemessen werden und ist in Fig. 4 mit 1, bezeichnet. Der Querstrom, der zwischen
den Basiselektroden fließt, wird darin mit IB 2-1 bezeichnet. Die Charakteristiken,
welche die Verstärkung des Transistors darstellen, sind graphisch in Fig. 4 dargestellt.
Darin ist der Querstrom IB2-1 bei verschiedenen Werten zwischen 0 und 100 mA mit
den sich aus den sich ändernden dazugehörigen Vorspannungswerten ergebenden Verstärkungskurven
eingezeichnet. Obwohl bei kleinen Kollektorstromwerten ein Verlust eines Teils der
hohen Verstärkung eintritt, wird die Charakteristik der Gesamtverstärkung im wesentlichen
gleichförmig gemacht. Dieses Merkmal ist bei vielen Schaltungen außerordentlich
wünschenswert.
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In Fig. 5 sind die Verstärkungscharakteristiken eines Transistors
gemäß der Ausführung in Fig. 1 dargestellt. Der Transistor wird in diesem Fall als
übliche Triode betrieben. Die Kurven stellen die Verstärkung in Abhängigkeit vom
Kollektorstrom in Ampere für eine Reihe von Versuchen dar. Dabei ist entweder nur
der innere Ring oder nur der äußere Ring als Basiselektrode geschaltet, oder es
sind beide Ringe als eine Basiselektrodeneinheit parallel geschaltet. Dabei stellt
die oberste Kurve die Verstärkung dar, wenn beide Ringe als eine Basiselektrodeneinheit
geschaltet sind, während bei der mittleren Kurve nur der äußere Ring und bei der
unteren Kurve nur der innere Ring als Basiselektrode verwendet ist. Es ist aus den
Kurven ersichtlich, daß, wenn beide Ringe als eine Einheit geschaltet sind, die
Verstärkungseigenschaften besser sind, als wenn nur der eine oder der andere Ring
als Basiselektrode verwendet wird.
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Andere Schaltungen des Transistors gemäß der Erfindung sind ebenfalls
möglich. Wenn der Transistor beispielsweise als Unipolartransistor verwendet werden
soll, können die innere und die äußere Basiselektrode als übliche Quell- und Abzugselektrode
verwendet werden, während die anderen beiden Elektroden zusammen als übliche Auslöseelektrode
verwendet werden können. In diesem Zusammenhang wird das verhältnismäßig teure Germanium
äußerst wirksam gemacht, da auf Grund der vorteilhaften Ausgestaltung ein maximal
großes Gebiet von den Elektroden bedeckt wird.