DE1100177B - Halbleiterdiode mit veraenderlicher Kapazitaet fuer parametrische Verstaerker - Google Patents

Description

• Halbleiterdiode mit veränderlicher Kapazität für parametrische Verstärker Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiterdioden, insbesondere für die Verwendung in den in neuerer Zeit unter den Bezeichnungen »parametrische Verstärker«, »Reaktanzverstärker« bekanntgewordenen Schaltungen. Solche Schaltungen finden Verwendung in digitalen Rechenanlagen für bistabile Schaltelemente und logische Verknüpfungen, ferner in Mikrowellenverstärkern großer Einfachheit, die sehr niedrige Rauschzahlen aufweisen. Sie beruhen auf der Ausnutzung einer Energieübertragung, die zustande kommt, wenn in einem Schwingkreis ein nichtlinearer Parameter, z. B. eine Induktivität oder eine Kapazität, periodisch durch einen Oszillator verändert wird. Als geeignet für diesen Zweck sind unter anderem Halbleiterdioden als variable Kapazitäten bekannt.
• Die in der Technik dieser Verstärker zur Zeit benutzten Dioden, deren innerer Widerstand sich in einem bestimmten Aussteuerbereich nur sehr wenig, deren Kapazitätswert jedoch sich quadratisch oder besser noch stärker ändern soll, bieten in der Herstellung große Schwierigkeiten. Ferner muß bei der Verwendung der üblichen Dioden die Frequenz der für das »Pumpen« nötigen Hilfsschwingung mindestens doppelt so groß sein wie die zu verstärkende Signalfrequenz.
• Die Schwierigkeit liegt darin begründet, daß durch die Forderung eines geringen Bahnwiderstandes sehr hoch dotiertes Halbleitermaterial, z. B. mit 1018 bis 10°0 Störstellen/cm3, verwendet werden muß. Diese große Störstellendichte liegt nahe der Entartungsgrenze, bei der für die inneren Vorgänge im Halbleiterkörper nicht mehr die gleichen Gesetzmäßigkeiten gelten wie bei niedriger Dotierung. In solchen Halbleiterkörpern lassen sich daher nur sehr schwer Sperrschichten erzeugen, die noch eine ausnutzbare Sperrwirkung aufweisen. Bei Silizium unterzieht man daher die hochdotierten Kristalle einem Aus- und Eindiffusionsprozeß, um solchepn-Übergänge aufzubauen. Dennoch ist nur eine geringe Zahl der hergestellten Kristalle brauchbar, da noch zusätzlich besondere Anforderungen an den Sperrstrom und den Dotierungsgradienten gestellt werden müssen.
• Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich durch die hohe Konzentration von freien Bindungen, die im Germanium als Akzeptoren wirken, in einer Bikristall-Zwischenschicht zur Herabsetzung des Bahnwiderstandes leicht Störstellendichten im Grundmaterial herstellen lassen, die bis zur Entartungsgrenze gehen. Da die p-Typ-Korngrenze, z. B. in Germanium, ihren p-Typ-Charakter beibehält, auch wenn der Kristall bis auf Werte von 1/loo Qcm n-Typ gedopt ist, sind äußerst geringe Bahnwiderstände von weniger als 1 62 herstel.lbar, ohne daß dabei der hohe Gradient im pn-Übergang verlorengeht. An der Korngrenze entsteht eine scharfe, glatte Front zwischen den beiderseits angrenzenden monokristallinen Teilen des Körpers, in denen eine hohe Dotierung möglich ist.
• Es sei bemerkt, daß Dioden aus einem pnp-Halbleiterkörper mit einer Korngrenze und einer Dotierung nahe der Entartungsgrenze bereits bekannt sind.
• Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Halbleiterdiode mit veränderlicher Kapazität für parametrische Verstärker und mit einem npn- bzw. pnp-Halbleiterkörper. Der Halbleiterkörper ist nun erfindungsgemäß so ausgebildet, daß die äußeren beiden Zonen einen durch Bikristallwachstum hergestellten Doppelkristall des gleichen Leitfähigkeitstyps und die mittlere Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp die Korngrenze des Doppelkristalls bilden, daß der Halbleiterkörper in der Elyene der mittleren Zone den kleinsten Ouerschnitt aufweist und die äußeren beiden Zonen mit Fremdstörstellen bis nahe an die Entartungsgrenze, z. B. 1018 bis 1020 Störstellen/cm3, dotiert und mit Elektroden versehen sind.
• Als Halbleiterstoff kann jedes halbleitende Material verwendet werden, also außer Germanium oder Silizium alle Zwei- oder Mehrstoffverbindungen, beispielsweise vom Typ AIIIBv, das halbleitende Eigenschaften hat.
• Die monokristallinen Hälften weisen jeweils eine Dotierung auf, die dem Leitungstyp der Korngrenze entgegengesetzt ist. Dies bedeutet beispielsweise bei einem Germanium-Doppelkristall, dessen Korngrenze p-Typ-Leitung aufweist, eine n-Typ-Dotierung für die übrigen Kristallteile. Da der Leitfähigkeitscharakter der Korngrenze naturgemäß nur von den Gitterstörungen des Halbleiterkörpers an der Verwachsungsfläche abhängt, ist er unabhängig von der Dotierung des Halbleitermaterials. Dadurch ist es möglich, den Doppelkristall z. B. aus Germanium nach dem üblichen Ziehverfahren aus einer Schmelze mit hoher n-Dotierung herzustellen. Bei Silizium liegen die Verhältnisse umgekehrt. Die Korngrenze hat n-Typ-Charakter und die Ausgangsschmelze muß daher in hohem Grad p-dotiert sein.
• Die Herstellung von Doppelkristallen etwa- aus einer Schmelze ist an sich bekannt. Sie wird durch zwei entsprechend versetzt angeordnete Impfkristalle eingeleitet. Der Halbleiterkörper für die Diode wird aus dem gewachsenen Doppelkristall derart ausgeschnitten, daß die Korngrenze mitten durch den Kristall geht. Die Fig. 1 zeigt einen so vorbereiteten Halbleiterkörper. K bezeichnet die Korngrenzenzone, m die sich beiderseits anschließenden monokristallinen Hälften, die je nach dem Leitfähigkeitscharakter der Korngrenze eine Dotierung vom p- oder n-Typ aufweisen.
• Für den neuen Halbleiterkörper ist weiterhin angegeben, daß die Korngrenzenebene in der Mitte des Halbleiterkörpers liegt und der Körper in dieser Ebene den kleinsten Querschnitt aufweist. Fig.2 zeigt eine solche Form, die leicht durch Ätzen der entsprechenden Flächen aus einem quaderförmigen Körper gewonnen werden kann. Durch diese Form lassen sich die für die Anwendung bei HF notwendigen kleinen Kapazitätswerte der Diode, z. B. Werte unter 1 pF, bei kleinem Bahnwiderstand erreichen.
• Die Kontaktierung der neuen Diode bereitet keine Schwierigkeiten, da die Korngrenzenzone keine Zuleitungen erhält. Es ist lediglich erforderlich, die beiden der Korngrenze abgewandten Flächen zu metallisieren, beispielsweise mit einem Goldbelag zu versehen und sie in der Fassung etwa mit einer Feder F (Fig: 2) mit den Zuleitungen zu verbinden.
• Fig. 3 zeigt eine Strom-Spannungs-Kennlinie der Diode, die sich durch eine volle Symmetrie auszeichnet: Fig. 4 gibt die Änderung der Diodenkapazität in Abhängigkeit von der Spannung wieder, die ebenfalls nach beiden Seiten symmetrisch verläuft. Bemerkenswert hierzu ist, daß man bei einer Aussteuerung dieser Kapazitätskurve mit einer Frequenz a) eine Kapazitätsvariation der Frequenz 2 co erhält. Bei der Anwendung der neuen Diode in parametrischen Mikrowellenverstärkern ergibt sich dadurch der Vorteil, daß die »Pumpfrequenz« nicht doppelt so hoch wie die Signalfrequenz zu sein braucht, sondern dieselbe Schwingungszahl haben kann.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Halbleiterdiode mit veränderlicher Kapazität für parametrische Verstärker und mit einem npn-bzw. pnp-Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren beiden Zonen einen durch Bikristallwachstum hergestellten Doppelkristall des gleichen Leitfähigkeitstyps und die mittlere Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp die Korngrenze des Doppelkristalls- bilden, daß der Halbleiterkörper in der Ebene der mittleren Zone den kleinsten Querschnitt aufweist und daß die äußeren beiden Zonen mit Fremdstörstellen bis nahe an die Entartungsgrenze, z. B. 1018 bis 1020 Störstellen/cms, dotiert und mit Elektroden versehen sind. 2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im üblichen Ziehverfahren hergestellte Halbleiterkörper ein n-Ge-Bikristall mit p-Korngrenze ist. 3. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper ein p-Si-Bikristall mit n-Korngrenze ist. 4. Halbleiterdiode nach einem der vorigen Ansprache, dadurch gekennzeichnet, daß sie in einen parametrischen Verstärker geschaltet ist und daß die Pumpfrequenz des parametrischen Verstärkers nicht größer als die Signalfrequenz ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 1193 425; Bill Lab. Rec., Bd. 37, 1959, Heft 10, S. 373 bis 379; Phys. Rev., Vol. 113, 1959, Nr.
2. 2, S. 454 bis 456; Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 14a, 1959, S. 281 bis 284.