DE1104032B

DE1104032B - Halbleiteranordnung mit nichtlinearer Widerstandskennlinie und Schaltungsanordnung unter Verwendung einer solchen Halbleiter-anordnung

Info

Publication number: DE1104032B
Application number: DEW24463A
Authority: DE
Inventors: Henry Asaph Stone Jun; William Jennings Grubbs Jun; Edwar Izard Doucette; Raymond Myrl Stone Jun
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1957-12-03
Filing date: 1958-11-15
Publication date: 1961-04-06
Also published as: US2954551A; US2954486A; GB896246A; BE572049A; FR1213914A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung betrifft Halbleiteranordnungen mit nichtlinearer Widerstandskennlinie, die als passives Schaltelement benutzbar sind, und Schaltungen, bei denen derartige Anordnungen verwendet werden.

Es sind Halbleiteranordnungen bekannt, die aus einem Halbleiterkörper mit ebenem p-n-Übergang und sperrfreien Stromanschlüssen bestehen. Bei diesen als Feldtransistoren oder Unipolartransistoren bezeichneten Anordnungen sind zwei sperrfreie Stromanschlüsse auf einer Seite des Übergangs und ein dritter sperrfreier Stromanschluß auf der anderen Seite des Überganges angeordnet. Ein auf der Seite mit zwei Stromanschlüssen fließender Strom wird durch die Spannung am dritten, auf der anderen Seite angebrachten Anschluß beeinflußt. Diese Beeinflussung kann dadurch gesteigert werden, daß der Halbleiterkörper auf der Seite mit zwei Anschlüssen eine Querschnittsverminderung aufweist, die bis nahe an den p-n-Übergang heranreicht, ohne diesen jedoch zu erreichen.

Es sind auch schon Halbleiteranordnungen ähnlicher Art, allerdings ohne Ouerschnittsverminderung, vorgeschlagen worden, bei denen der Strom auf der einen Seite des p-n-Übergangs statt durch eine Spannung an einem dritten Anschluß durch ein angelegtes Magnetfeld oder polare Moleküle, wie Wasser, beeinflußt werden soll.

Die erfindungsgemäße Anordnung steht in gewisser Beziehung zu den bekannten Feldtransistoren, weist jedoch wesentliche Unterschiede im Aufbau und in der Wirkungsweise auf. Wegen dieser Beziehung und weil sie eine nichtlineare Widerstandskennlinie zeigt, wird diese Anordnung mit »Feldvaristor« bezeichnet.

Ein solcher Feldvaristor ist, wie der Feldtransistor, eine Halbleiteranordnung mit einem ebenen p-n-Übergang und sperrfreien Stromanschlüssen, weist jedoch gemäß der Erfindung die Besonderheit auf, daß nur zwei Stromanschlüsse vorgesehen sind, die beide auf der gleichen Seite des Übergangs angeordnet sind, und daß der Stromweg im Halbleiterkörper zwischen den Stromanschlüssen in an sich bekannter Weise eine Ouerschnittsverringerung aufweist, die bis nahe an den p-n-Übergang heranreicht, ohne diesen jedoch zu erreichen.

Es sind also keine äußeren Steuermittel vorgesehen. Ein durch die Anschlüsse über den Halbleiterkörper fließender Strom wird dadurch auf einem Teil seines Weges auf ein dünnes Gebiet dicht bei dem p-n-Übergang beschränkt. Die Strom-Spannungs-Kennlinie wird durch die Gestaltung der Ouerschnittsverminderung beeinflußt, und zwar dadurch, daß diese in das Raumladungsgebiet bei dem p-n-Übergang eingreift. Mit wachsender Spannung wächst der Strom zunächst, bis die Grenze des Raumladungsgebietes an die Halbleiteranordnung
mit nichtlinearer Widerstandskennlinie

und Schaltungsanordnung unter
Verwendung einer solchen Halbleiteranordnung

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 3. Dezember 1957 und 10. April 1958

Edwar Izard Doucette, Summit, N. J.,

Henry Asaph Stone jun., Bemardsville, N. J.,

Raymond Myrl Stone jun., Morris Plains, N. J.,

und William Jennings Grubbs jun.,

Stirling, N.J. (V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

Grenze der Ouerschnittsverringerung reicht. Weitere Steigerung der Spannung vergrößert nur das Raumladungsgebiet in Richtung auf eine Elektrode, die Stromstärke bleibt im wesentlichen unverändert, bis es zu einem nicht zerstörenden Durchschlag kommt, bei dem die Stromstärke plötzlich ansteigt.

Dieser Aufbau der Kennlinie ist am schärfsten ausgeprägt, wenn die Breite der Querschnittsverringerung quer zum Stromweg groß im Vergleich zu ihrer Länge und ihrer Dicke ist. Wenn beide Anschlüsse ausschließlich auf einer Seite des Übergangs angeschlossen sind, ergibt sich eine zum Nullpunkt symmetrische Kennlinie, d. h., der Strom kann in beiden Richtungen fließen. Wenn jedoch ein Anschluß auch einen Teil des zweiten Körpergebiets berührt, ergibt sich eine asymmetrische Kennlinie, die Anordnung arbeitet polar.

Die Querschnittsverringerung kann auf verschiedene Weise verwirklicht werden. Die einfachste Möglichkeit ist, daß die Ouerschnittsverringerung die Form einer Ausnehmung hat. Eine andere Möglichkeit, bei der Umgebungseinflüsse, wie Fremdatome oder andere Oberflächeneffekte, sich nicht so störend auswirken können, ist die Ouerschnittsverringerung,

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die die Form eines p-n-Übergang hat. Ein besonders unempfindlicher Aufbau des Feldvaristors läßt sich erzielen, wenn der auf einer Seite des p-n-Übergangs liegende Teil des Halbleiterkörpers mit einem Leitfähigkeitstyp ebenso wie der p-n-Übergang selbst vollständig im Innern des Körpers liegt und vom anderen, mit Anschlüssen versehenen Teil mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp umschlossen ist. Das ist allerdings nur bei symmetrischen Anordnungen möglich. ίο

Der Feldvaristor eignet sich für zahlreiche Schaltungsanordnungen, in denen ein konstanter Strom trotz Änderungen der angelegten Spannung oder Last gewünscht wird. Eine solche Schaltungsanordnung ist so aufgebaut, daß eine Belastung und eine variable Spannungsquelle, deren Höchstspannung kleiner als eine kritische Durchschlagsspannung der Halbleiteranordnung ist, mit der Halbleiteranordnung in Reihe geschaltet sind. Zum Beispiel ist es in einem Digital-Analog-Wandler üblich, die Stromzunahmen in einem Widerstandsnetzwerk zu addieren. Die schädlichen Wirkungen der im Widerstands-Addiernetzwerk entstehenden Rückspannungen können vermieden werden, indem die Stromzunahmen, welche gewertete Digitalwerte darstellen, über Feldvaristoren zugeführt werden.

Eine Schaltungsanordnung mit erfindungsgemäßen Halbleiteranordnungen kann so aufgebaut sein, daß ein gemeinsamer Kreis die Anordnungen miteinander so verbindet, daß ein Strom durch die eine Halbleiteranordnung die Spannung an der oder den anderen ändert und daß Schaltmittel vorgesehen sind, um die Halbleiteranordnungen wahlweise mit dem gemeinsamen Kreis zu verbinden, wobei die Spannung an jeder Halbleiteranordnung innerhalb seines konstanten Strombereichs liegt. Eine Addierschaltung wird zweckmäßig so vervollkommnet, daß andere HaIbleiteranordnungen nach der Erfindung auf dieser in Reihe geschaltet werden und daß an jede mit der Addierschaltung in Reihe liegenden Halbleiteranordnung eine Spannungsquelle wahlweise anschaltbar ist und daß weitere Mittel die Schaltmittel entsprechend einem Ziffernkode wahlweise in Tätigkeit setzen.

Die Erfindung wird an Hand der ins einzelne gehenden folgenden Erläuterung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht einer Ausführungsform,

Fig. Ib einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 2 die Strom-Spannungs-Kennlinie der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 3 A, 3 B und 3 C vergrößerte Querschnitte durch einen Teil der Anordnung nach Fig. 1,

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform,

Fig. 5 die Strom-Spannungs-Kennlinie der Anordnung nach Fig. 4,

Fig. 6, 7 und 9 andere Ausführungsformen,

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Fig. 8 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung,

Fig. 10 und 11 Schaltbilder mit Anwendungen der erfmdungsgemäßen Anordnung,

Fig. 12 eine der Strom-Spannungs-Kennlinie, die sich bei einer Schaltungsanordnung nach Fig. 11 ergibt, und

Fig. 13 ein Schaltbild eines Digital-Analog-Wandlers, bei dem Feldvaristoren gemäß der Erfindung verwendet werden.

Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung besteht aus einer Scheibe 10 aus Einkristall-Silizium, die ein P-Gebiet 11 und ein N-Gebiet 13 aufweist, zwischen denen ein P-N-Übergang 12 gebildet ist. In dem Gebiet 11 ist eine Rille oder Vertiefung 17 vorgesehen. Goldauflagen 16 und 18 ermöglichen die Befestigung einer Quellelektrode 14 und einer Saugelektrode 15. Die Scheibe 10 ist ein quadratischer Körper mit einer Seitenlänge von 2,3 mm und einer Dicke von etwa 0,3 mm. Der obere Teil 11 der Scheibe ist bis zu einer Tiefe von etwa 0,05 mm in P-Leitfähigkeit umgewandelt.

Diese Umwandlung erfolgt zweckmäßig durch eines der zahlreichen Diffusionsverfahren. Eine einkristalline Scheibe aus N-leitendem Silizium wird z. B. in einem abgeschlossenen Behälter etwa 24 Stunden lang einen Strom von Borpentoxyd in einem Trägergas bei einer Temperatur von 1275° C ausgesetzt. Die so erzeugte P-leitende Schicht von 0,05 mm Dicke wird auf einer Seite durch Läppen oder Ätzen entfernt. Die Scheibe wird dann in kleinere Scheiben zerschnitten.

Die Scheibe 10 wird dann gereinigt und mit einer dünnen Goldauflage versehen, z. B. elektrolytisch.

Dann wird die Vertiefung 17 in Form eines band- oder kranzförmigen Gebietes in die P-leitende Fläche der Scheibe eingebracht. Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung der Vertiefung 17 ist ein Ultraschall-Schneidverfahren, bei dem man in den Goldüberzug und in einen Teil des darunterliegenden Siliziums eindringt. Der Rest des Materials wird dann durch Verwendung eines geeigneten Ätzmittels entfernt, z. B. einer verdünnten Fiußsäurelösung, welche das Silizium, nicht aber das Gold angreift. Oder der Goldüberzug wird markiert und das bandförmige Gebiet mit Königswasser entfernt. Dann wird die Vertiefung wie oben eingeätzt. Im allgemeinen hat die Vertiefung eine Breite von etwa 0,10 mm und einen Gesamtumfang von etwa 6 mm auf der Außenseite. Vorteilhafterweise hat die Vertiefung eine Tiefe von 0,048 mm, so daß sich ihr Grund dem P-N-Übergang 12 in der Scheibe 10 auf etwa 0,0025 mm nähert, ihn jedoch nicht erreicht.

Schließlich werden die Elektroden 14 und 15 an dem Goldüberzug angebracht. Die Quellelektrode 14 wird an der Vergoldung 16 befestigt, welche sowohl an das N-Gebiet als auch das P-Gebiet anschließt. Die Saugelektrode 15 wird an der mittleren vergoldeten Fläche 18 angebracht, welche auf die P-Zone begrenzt ist.

Wie vorher kurz erwähnt wurde, kann die Strom-Spannungs-Kennlinie der erfindungsgemäßen Einrichtung dadurch gekennzeichnet werden, daß sie drei Arbeitsgebiete aufweist. Diese sind allgemein in der Darstellung der Fig. 2 als Gebiet I (Kennlinie vor der Abschnürung) als Gebiet II (Kennlinie während der Abschnürung) und als Gebiet III (Kennlinie nach dem Durchschlag) bezeichnet. Die mit V_p und V_b bezeichneten Abszissen geben die Abschnürungsspannung und die Durchschlagsspannung an.

An Hand der Fig. 3 A, 3 B und 3 C soll die Arbeitsweise der Einrichtung eingehender betrachtet werden. Jede dieser Figuren stellt einen Querschnitt eines Teils der Einrichtung der Fig. 1 dar, einschließlich eines Teils der Vertiefung 17; durch den engschraffierten Teil 21 ist eine Verknappungsschicht angedeutet.

Wie im Zusammenhang mit Feld-Halbleiteranordnungen allgemein bekannt ist, erzeugt der Strom durch das P-Material von links nach rechts, d. h. von der Quellelektrode zur Saugelektrode, wegen des ohm-

sehen Widerstandes des halbleitenden Materials einen Spannungsabfall. Bei der bezeichneten Anordnung bedeutet dies, daß das Potential von links nach rechts negativer wird. Dasselbe Potential erscheint an dem P-N-Übergang, weil die P- und N-Gebiete an die Ouellelektrode angeschlossen sind. Die Dicke des Raumladungsgebiets oder der Verknappungsschicht 21j von der die beweglichen Ladungsträger durch diese Vorspannung abgezogen sind, ist der Vorspannung an dem Übergang proportional, so daß die Schicht größer wird, wenn sie sich der Mitte der Saugelektrode 15 nähert. Selbstverständlich geschieht die Leitung wegen der Verknappung an beweglichen Ladungsträgern innerhalb der Verknappungsschicht nur mit größter Schwierigkeit. Daher wird durch die Ausdehnung der Verknappungssehicht der Querschnitt des Stromweges 20 innerhalb des P-Gebietes 22 in wirksamer Weise geregelt.

In Fig. 3 A, welche den Zustand darstellt, der während der Arbeitsweise der Einrichtung von der Abschnürung vorhanden sein kann, erstreckt sich die Verknappungsschicht 21 über etwas mehr als die Hälfte des Kanals zwischen dem Übergang und dem Grund der Vertiefung. Die Verknappungssehicht ist auf der N-Seite sehr dünn, wenn das Material eine starke Konzentration von Donator-Atomen aufweist. Im Gebiet vor der Abschnürung geschieht also die Stromzunahme zunächst in nahezu ohmscher Weise, dann nimmt sie jedoch, wie durch das Gebiet I der graphischen Darstellung angedeutet ist, ab, bis die Abschnürungsspannung V₁₁ erreicht ist.

In Fig. 3 B ist die Ausdehnung der Verknappungssehicht 21 bei der Abschnürungsspannung V₁, so dargestellt, daß sie gerade eine Begrenzung der Vertiefung 17 berührt, so daß bei weiterer Zunahme der Spannung· der Strom offensichtlich wenigstens in einen Teil der Verknappungssehicht abgelenkt wird. Unter der in den Fig. 3 B und 3 C dargestellten Bedingung ist die Verknappungssehicht 21 vergrößert, so daß eine Zunahme der angelegten Spannung nur eine sehr kleine Zunahme des Stroms durch die Einrichtung hervorbringt. Also weist die Einrichtung ein Gebiet auf, das in der graphischen Darstellung der Fig. 2 als II bezeichnet ist, in dem in einem beträchtlichen Bereich der Spannung eine im wesentlichen flache lineare Stromkennlinie vorhanden ist. Bei einer typischen Einrichtung mit der Gestalt der Fig. I tritt der Abschntirungspunkt V₁, bei 25 Volt und 5 Milliampere und der Durchschlagspunkt bei 150 Volt und 5,5 Milliampere ein. Das Gebiet III oberhalb des Punkts Vfr für nicht zerstörenden Durchschlag ist demjenigen Gebiet analog, das bei Lawinendurchschlagseinrichtungen auftritt.

In Fig. 1, 2 und 3 ist eine polare oder nicht symmetrische Anordnung beschrieben, bei der die Quellelektrode beiden Leitfähigkeitsgebieten gemeinsam ist. In Fig. 4 ist demgegenüber eine nichtpolare oder symmetrische Anordnung dargestellt. Sie ist wie die Anordnung nach Fig. 1 aus einer quadratischen Scheibe 40 gleicher Größe aufgebaut und weist auch eine Vertiefung 41 auf. Die Quell- und Saugelektroden 42 und 43 sind nur an dem P-Gebiet auf entgegengesetzten Seiten der Vertiefung befestigt. Die Arbeitsweise der Einrichtung der Fig. 4 ist derjenigen der polaren Anordnung der Fig. 1, soweit die Gestalt des Raumladungsgebiets betroffen ist, ähnlich. Da die Saugelektrode nicht beiden Gebieten gemeinsam ist, wird ein kleiner Teil des P-N-Übergangs, der der Ouellelektrode am nächsten liegt, in Flußrichtung vorgespannt, so daß eine gewisse Injektion von Mehrheitsträgern stattfindet. Der in Flußrichtung vorgespannte Teil des Übergangs führt einen Strom, der gerade gleich demjenigen Strom ist, der durch den Rest des Übergangs fließt, welcher in Sperrichtung vorgespannt ist. Der Hauptvorteil der symmetrischen Feldvaristoranordnung besteht in ihrer Fähigkeit, in beiden Richtungen der angelegten Spannung zu arbeiten. Wie in der graphischen Darstellung der Fig. 5 gezeigt ist, weist die Einrichtung der Fig. 4 eine Kennlinie in Sperrichtung auf, die im wesentlichen das Abbild der Kennlinie in Flußrichtung ist. Die Bezeichnungen der Punkte ± V₁, und ± V^ haben selbstverständlich die gleiche Bedeutung, wie sie vorher im Zusammenhang mit der graphischen Darstellung der Fig. 2 angegeben wurde.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführung der Erfindung bei einer Einrichtung, die als Begrenzungen der eingeschränkten Stromkanäle aktive P-N-Übergänge aufweist.

Auf einer Fläche der Scheibe 60 stellen die Gebiete 61 und 62 im Querschnitt eine allgemeine rechtwinklige fortlaufende N-Leitfahigkeitsschicht dar. Es sei bemerkt, daß das Volumen dieses N-Gebietes im wesentlichen mit dem Volumen der Vertiefung 17 der Fig. 1 übereinstimmt. Ein weiteres N-Leitfähigkeitsgebiet 63 ist auf der ganzen gegenüberliegenden Fläche der Scheibe ausgebildet. Die Ouellelektrode 64 ist an der vergoldeten Fläche 68 auf dem P-Leitfähigkeitsgebiet 66 befestigt. Die Saugelektrode 65 ist an der in der Mitte angeordneten vergoldeten Fläche 67 angebracht.

Die Einrichtung der Fig. 6 kann aus einer P-leitenden Scheibe hergestellt werden, deren Abmessungen der Scheibe der Fig. 1 vergleichbar sind, indem nach geeigneter Maskierung Donatormaterialien eindiffundiert werden. Die Dicke der Stromkanäle 71 und 72, welche die gegenüberliegenden N-Leitfähigkeitszonen trennen, kann etwa 0,005 mm betragen.

Die Ausdehnung der Verknappungsschichten gerade vor der Abschnürung ist durch die engschraffierten Flächen 70 angegeben, die sich von den P-N-Übergängen in das P-Gebiet 66 zur Saugelektrode 65 hin erstrecken. Demnach sind zwei Abschnürungsgebiete 71 und 72 vorhanden, die durch zwei P-N-Übergänge und nicht durch einen P-N-Übergang und eine freie Oberfläche wie bei den Anordnungen der Fig. 1 und 4 begrenzt sind. Da die eingeschränkten Stromkanäle auf beiden Seiten durch aktive Übergänge begrenzt sind, liegen sie innerhalb der Einrichtung, und es können keine Oberflächeninversionsschichten auftreten, die durch Verunreinigung oder Feuchtigkeit hervorgebracht werden. Bei den Ausführungen der Fig. 1 und 4 ist es normalerweise notwendig, einen besonderen Schutz der Begrenzungen der Vertiefung oder Rille vorzusehen.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die mit Hilfe bekannter Diffusionsverfahren leicht hergestellt werden kann. In der Mitte des Körpers 80 ist eine Zone 85 mit der ursprünglichen ^-Leitfähigkeit vorhanden, außen liegen nur P-leitende Zonen. An den beiden dicken Zonen 81 und 82 sind die Anschlüsse 86 bzw. 87 sperrfrei angebracht, die Verbindung der beiden Zonen erfolgt über im Querschnitt verringerte, ebenfalls p-leitende Zonen 83 und 84. Die Arbeitsweise ist die gleiche wie oben beschrieben; da die Anschlüsse nur an P-Zonen angeschlossen sind, arbeitet die Anordnung symmetrisch.

Der Fig. 8 ist zu entnehmen, daß der Abschnürungsstrom unmittelbar von der Breite Z des Kanals und

umgekehrt von der Länge L abhängt, während die Abschnürungsspannung von diesen Parametern unabhängig ist. Es ist also wichtig, ein großes Verhältnis der Kanalbreite zur Kanallänge vorzusehen, um ein ausreichend großes Verhältnis des Abschnürungsstroms zur Abschnürungsspannung zu erhalten.

Eine Anordnung, welche eine sehr starke Vergrößerung dieses Verhältnisses zeigt, ist in Fig. 9 dargestellt. Diese Anordnung 90 gleicht grundsätzlich der in Fig. 1 dargestellten, jedoch mit dem Unterschied, daß die Vertiefung 93 in Form eines Kamms ausgebildet ist. Bei dieser Anordnung stellt die durch Umwege vergrößerte Länge der Vertiefung 93 die Breite Z des Kanals dar. Sie ist bei der vorhandenen Fläche praktisch das erreichbare Maximum. Die Anordnung 90 kann leicht mit dem vorher erwähnten Verfahren hergestellt werden; die Quell- und Saugelektrode 95 und 94 werden mit Hilfe einer Oberflächenvergoldung 96 befestigt.

Fig. 10 veranschaulicht schematisch eine einfache Schaltung, bei der ein veränderliches Gleichstrompotential V₁₁ an eine veränderliche Belastung über einen Feldvaristor angelegt ist. Wie aus der grafischen Darstellung der Fig. 2 ersichtlich war, hält der Feldvaristor den Strom zwischen I₁, und I_b in einem großen Schwankungsbereich der angelegten Spannung V_a und der Belastung R_L konstant, vorausgesetzt, daß diese nicht über die durch V₁, und Vf, definierten Grenzen hinausgehen. Somit dient der Feldvarisator in dieser Schaltung als Stabilisierungselement oder als Stromregeleinrichtung.

Bei der Verstärkerschaltung der Fig. 11 liegt der Varistor 110 im Kollektorkreis eines Transistors 111. Die Brauchbarkeit des Feldvaristors bei dieser Anwendung beruht auf seiner nichtlinearen Widerstandskennlinie, wodurch die Einrichtung eine Wechselstromimpedanz zeigt, die größer als ihr Gleichstromwiderstand ist. Die Grundlage für diese Eigenschaft ist durch die grafische Darstellung der Fig. 12 erläutert, in der die ausgezogene Kurve die Strom-Spannungs-Kennlinie zeigt. In jedem gegebenen Arbeitspunkt ist der Gleichstrom-Widerstand umgekehrt proportional der Neigung einer geraden Linie vom Anfangspunkt, welche den Punkt schneidet. Die Wechselstromimpedanz ist andererseits umgekehrt proportional der Nei- *5 gung der Strom-Spannungs-Kennlinie in dem fraglichen Punkt, d. h. für den Arbeitspunkt Z ist der Gleichstromwiderstand umgekehrt proportional der Xeigung der gestrichelten Linie Y, während die Wechselstromimpedanz in gleicher Beziehung zur Xeigung der gestrichelten Linie Z steht. Da die Neigung der Kennlinie unterhalb der Durchschlagsspannung V_b stets kleiner als die Neigung der geraden Linie durch den Anfangspunkt und den Arbeitspunkt ist, ist die Wechselstromimpedanz stets größer als der Gleichstromwiderstand. "Weiterhin ist diese Kennlinie im wesentlichen unabhängig von der Frequenz, wodurch die Brauchbarkeit des Feldvaristors als Kopplungselement gemäß Fig. 11 weiter erhöht wird.

Der Feldvaristor ist ferner als Strombegrenzungseinrichtung verwendbar, wenn er so aufgebaut ist, daß er bei Spannungen unterhalb der Abschnürungsspannung arbeitet. Wie vorher im Zusammenhang mit Fig. 2 bemerkt wurde, zeigt die Einrichtung bei Spannungen unterhalb der Abschnürung eine annähernd ohmsche Kennlinie. Im Fall eines großen Spannungsimpulses von merkbarer Dauer entstehen Arbeitsbedingungen jenseits von V_p, so daß die Strombegrenzungswirkung des Feldvaristors dieses Signal dämpft. Die Strombegrenzungswirkung hört selbst- yo verständlich auf, wenn die Spannung den Durchschlagswert V_b überschreitet.

Fig. 13 zeigt eine Schaltanordnung eines Digital-Analog-Wandlers, bei der die Feldvaristoren 121 bis 127 verwendet werden. Die anderen Schaltelemente der Eingangsschaltung des Digital-Analog-Wandlers umfassen die Spannungsquelle 128, den geerdeten Eingangssteuerleiter 129 und die Relais 131 bis 137. Die restlichen Schaltelemente in der Wandlerschaltung umfassen die Dioden 141 bis 147, einen Addierwiderstand 148 und die Verbrauchseinrichtung 149 für die analoge Spannung.

Die Erregung der Relais 131 bis 137 kann entsprechend einem vorbestimmten digitalen Kode geschehen. Dieser Kode kann z. B. eine siebenstellige binäre Zahl sein. Die niedrigste Stelle der binären Zahl wird durch die Erregung oder die Nichterregung des Relais 131 dargestellt, so daß eine binäre »1« bzw. »0« entsteht. In gleicher Weise stellen die Zustände der nachfolgenden Relais 132 bis 137 die weiteren Ziffern der siebenstelligen binären Zahl dar.

Es sei bemerkt, daß die Bezugswerte der Ströme der Feldvaristoren 121 bis 127 von einem Bezugswert für den Varistor 121, der mit »I« bezeichnet ist, bis zu einem Bezugswert für den Varistor 127, der mit »641« bezeichnet ist, zunehmen. Diese Zunahme der Strombezugswerte entspricht der zunehmenden Wertung der binären Ziffern, welche durch die Relais 131 bis 137 dargestellt sind. Die von der Quelle 128 über die Feldvaristoren gelieferten Stromzunahmen werden im Widerstand 148 addiert. Die an dem Addierungswiderstand 148 entstehende Ausgangsspannung kann durch die Verbrauchseinrichtung 149 gemessen werden.

Die Dioden 141 bis 147 dienen zur Verhinderung von »Kriechwegen« und sperren den Strom über die Ruhekontakte der nicht erregten Relais zur Erdleitung 129. Die Dioden können weggelassen werden, wenn die Ruhekontakte der Relais 131 bis 137 ebenfalls weggelassen sind.

An Stelle der Verwendung von Feldvaristoren mit verschiedenen Strombezugs werten kann ein Wertungswiderstandsnetz mit Feldvaristoren von konstantem Wert verwendet werden. Das Widerstandsnetzwerk wird dann in bekannter Weise so eingerichtet, daß es Stromzunahmen, welche größere Stellenwerte darstellen, eine zunehmende Wertung verleiht.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleiteranordnung mit nichtlinearer Widerstandskennlinie aus einem Halbleiterkörper mit einem ebenen p-n-Übergang und sperrfreien Stromanschlüssen, dadurch gekennzeichnet, daß nur zwei Stromanschlüsse vorgesehen sind, die beide auf der gleichen Seite des Übergangs angeordnet sind, und daß der Stromweg im Halbleiterkörper zwischen den Stromanschlüssen in an sich bekannter Weise eine Querschnittsverringerung aufweist, die bis nahe an den p-n-Übergang heranreicht, ohne diesen jedoch zu erreichen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Querschnittsverringerung quer zum Stromweg groß im Vergleich zu ihrer Länge und ihrer Dicke ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Anschlüsse auch einen Teil des zweiten Körpergebietes jenseits des p-n-Übergangs berührt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ouerschnittsverrin-

gerung die Form einer Ausnehmung im Halbleiterkörper hat.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsverringerung durch einen p-n-Übergang herbeigeführt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der auf einer Seite des p-n-Ubergangs liegende Teil des Halbleiterkörpers mit einem Leitfähigkeitstyp ebenso wie der p-n-Übergang selbst vollständig im Innern des Körpers liegt und vom anderen mit Anschlüssen versehenen Teil mit entgegengesetzem Leitfähigkeitstyp umschlossen ist.

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7. Schaltungsanordnung mit einer Halbleiteranordnung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Belastung und eine variable Spannungsquelle, deren Höchstspannung kleiner als eine kritische Durchschlagspannung der Halbleiteranordnung ist, mit der Halbleiteranordnung in Reihe geschaltet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 805 347.

In Betracht gezogene ältere Patente:
Deutsches Patent Nr. 1 054 544.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen