DE1107832B - Electrical semiconductor arrangement, in particular rectifying or controllable semiconductor arrangement, in which the usability up to high frequencies and / or a large diffusion length is important - Google Patents
Electrical semiconductor arrangement, in particular rectifying or controllable semiconductor arrangement, in which the usability up to high frequencies and / or a large diffusion length is importantInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
S 31028 VIIIc/21gS 31028 VIIIc / 21g
ANMELDETAG: 10. NOVEMBER 1952REGISTRATION DATE: NOVEMBER 10, 1952
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABBDER
AUSLEGESCHRIFT.· 31. MAI 1961 NOTIFICATION OF REGISTRATION AND DISPOSAL
EDITORIAL MAY 31, 1961
Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Halb' leiteranordnung, insbesondere gleichrichtende oder steuerbare Halbleiteranordnung, bei der es auf die Verwendbarkeit bis zu hohen Frequenzen und/oder auf eine große Diffusionslänge ankommt. Die Erfindung besteht darin, daß für den Halbleiterkörper eine solche halbleitende Verbindungmitüberwiegend homöopolarem Bindungsanteil verwendet ist, bei der der heteropolare Bindungsanteil so schwach ist, daß sich ein schädlicher Einfluß auf die Trägerbeweglichkeit noch nicht bemerkbar macht, jedoch die Verfestigung durch die Resonanz zwischen homöo- und heteropolarem Anteil bereits merklich ist, so daß eine Trägerbewegliehkeit von 6000 cm2/Vsec oder mehr erreicht ist. Bevorzugt wird als halbleitende Verbindung eine solche von der Form AIHBV mit der vorgenannten Trägerbeweglichkeit, insbesondere InSb oder InAs, verwendet.The subject of the invention is an electrical semiconductor arrangement, in particular a rectifying or controllable semiconductor arrangement, in which the usability up to high frequencies and / or a large diffusion length is important. The invention consists in that such a semiconducting compound with a predominantly homeopolar bond component is used for the semiconductor body, in which the heteropolar bond component is so weak that a harmful influence on the carrier mobility is not yet noticeable, but the solidification by the resonance between homeo- and heteropolar proportion is already noticeable, so that a carrier mobility of 6000 cm 2 / Vsec or more is reached. The semiconducting compound used is preferably one of the form A IH B V with the aforementioned carrier mobility, in particular InSb or InAs.
Der gleiche halbleitende Stoff kann je nach der Wahl der Zusatzstoffe elektronenleitend oder defektelektronenleitend sein, und er weist dementsprechend eine Elektronenbeweglichkeit oder eine Defektelektronenbeweglichkeit auf. Maßgebend ist im Rahmen der Erfindung allein, daß er entweder eine Elektronenbeweglichkeit oder eine Defektelektronenbeweglichkeit größer als 6000cm2/Vsec aufweist. Dies wird durch den übergeordneten Begriff »Trägerbeweglichkeit« zum Ausdruck gebrachtThe same semiconducting substance can, depending on the choice of additives, be electron-conductive or defect-electron-conductive, and it accordingly has an electron mobility or a hole mobility. The only decisive factor in the context of the invention is that it has either an electron mobility or a defect electron mobility greater than 6000 cm 2 / Vsec. This is expressed by the overarching term »mobility of the carrier«
Die bisherigen elektrischen Halbleiteranordnungen sind hinsichtlich des Frequenzbereiches, in dem sie angewandt werden können, im allgemeinen beschränkt, d. h., sie sind oberhalb einer bestimmten Frequenzgrenze, die abhängig ist von der Art der jeweiligen Anordnung und ihres Aufbaues und von der Art des verwendeten Halbleiterstoffes, nicht mehr verwendbar. Durch die Erfindung wird die Frequenzgrenze, bis zu der die Anordnung benutzt werden kann, wesentlich erhöht.The previous electrical semiconductor arrangements are in terms of the frequency range in which they can be used, generally limited, i.e. i.e., they are above a certain frequency limit, which depends on the type of arrangement and its structure and on the type of Semiconductor material used, no longer usable. By the invention, the frequency limit up to the the arrangement can be used is significantly increased.
Zur Erläuterung der Bedeutung der Erfindung wird folgendes ausgeführt:To explain the meaning of the invention, the following is stated:
Bei elektrischen Halbleiteranordnungen, welche zur Gleichrichtung verwendet werden, beruht das Versagen bei sehr hohen Frequenzen darauf, daß der unipolare Widerstand der gleichrichtenden Sperrschicht durch die Sperrschichtkapazität kapazitiv kurzgeschlossen wird. Die Sperrschichtkapazität ist im wesentlichen eine geometrische Größe und damit unabhängig von der Trägerbeweglichkeit. Hingegen ist der unipolare Sperrschichtwiderstand zur Trägerbeweglichkeit umgekehrt proportional. Wie oben angegeben ist, wird zur Erhöhung der Frequenzgrenze eine halbleitende Verbindung verwendet mit einer Trägerbeweglichkeit größer als 6000 cm2/Vsec.In the case of electrical semiconductor arrangements which are used for rectification, the failure at very high frequencies is based on the fact that the unipolar resistance of the rectifying junction is capacitively short-circuited by the junction capacitance. The junction capacitance is essentially a geometric variable and is therefore independent of the mobility of the carrier. In contrast, the unipolar junction resistance is inversely proportional to the mobility of the carrier. As indicated above, to increase the frequency limit, a semiconducting compound is used with a carrier mobility greater than 6000 cm 2 / Vsec.
Elektrische Halbleiteranordnung, insbesondere gleichrichtende oder steuerbareElectrical semiconductor arrangement, in particular rectifying or controllable
Halbleiteranordnung,Semiconductor device,
bei der es auf die Verwendbarkeitin the case of usability
bis zu hohen Frequenzen und/oder auf eine große Diffusionslänge ankommtup to high frequencies and / or a large diffusion length is important
Anmelder:Applicant:
Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft,
Berlin und Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50Berlin and Erlangen, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Dr. habil. Heinrich Welker, Erlangen, ist als Erfinder genannt wordenDr. habil. Heinrich Welker, Erlangen, has been named as the inventor
Durch diese besonders hohe Trägerbeweglichkeit wird erreicht, daß der kapazitive Leitwert der Sperrschicht erst bei einer höheren Frequenz dem ohmschen Leitwert gleich wird, als dies bei Verwendung eines Halbleiterstoffes mit geringerer Trägerbeweglichkeit, wie z. B. Germanium (Trägerbeweglichkeit etwa 3000 cm2/Vsec) oder Silizium (Trägerbeweglichkeit etwa 1000 cm2/Vsee), der Fall ist. Aus dem oben Gesagten folgt wiederum, daß der kapazitive Kurzschluß, der zum Versagen des Gerätes führt, entsprechend der höheren Trägerbeweglichkeit zu einer höheren Frequenz hinaufgeschoben ist. Mit anderen Worten, die Frequenz, bis zu der das Gerät benutzt werden kann, ist erhöht.This particularly high carrier mobility ensures that the capacitive conductance of the barrier layer is equal to the ohmic conductance only at a higher frequency than when using a semiconductor material with lower carrier mobility, such as. B. germanium (carrier mobility about 3000 cm 2 / Vsec) or silicon (carrier mobility about 1000 cm 2 / Vsec), is the case. From the above it follows in turn that the capacitive short circuit, which leads to the failure of the device, is shifted up to a higher frequency in accordance with the higher mobility of the carrier. In other words, the frequency up to which the device can be used is increased.
Bei steuerbaren Halbleiteranordnungen, z. B. beim Transistor, beruht die mit der Erhöhung der Trägerbeweglichkeit verbundene Erhöhung der Frequenzgrenze, bis zu der das Gerät benutzt werden kann, auf der folgenden physikalischen Erscheinung:In controllable semiconductor arrangements, e.g. B. the transistor, is based on the increase in carrier mobility associated increase in the frequency limit up to which the device can be used, on the following physical appearance:
Die Frequenzgrenze eines Transistors ist gegeben durchThe frequency limit of a transistor is given by
ω ta μ kT/es2.ω ta μ kT / es 2 .
Hierin bedeutet ω die Kreisfrequenz, bis zu welcher das Gerät verwendet werden kann, μ die Trägerbeweglichkeit, k die Boltzmann-Konstante, T die abso-Here ω means the angular frequency up to which the device can be used, μ the carrier mobility, k the Boltzmann constant, T the absolute
109, 609/422109, 609/422
3 43 4
lute Temperatur in Grad Kelvin, e die Trägerladung lichkeit bzw. Elektronenbeweglichkeit von Germanium.lute temperature in degrees Kelvin, e is the carrier charge or electron mobility of germanium.
(Ladung der Elektronen oder Defektelektronen), s je Nach den gewonnenen Forschungsergebnissen beruht(Charge of the electrons or holes), s depending on the research results obtained
nach dem Transistortyp die Diffusionslänge (beim dies auf folgendem:according to the transistor type the diffusion length (with this on the following:
n-p-n-Transistor) bzw. den Elektrodenabstand (beim Eine Verbindung hat, im Gegensatz zu einem homöo-n-p-n transistor) or the electrode spacing (when a connection has, in contrast to a homeo-
Spitzentransistor). 5 polaren Element, neben ihrem homöopolaren Bin-Tip transistor). 5 polar element, in addition to their homopolar bond
Es ist aus der Formel ersichtlich, daß bei einem dungsanteil auch einen heteropolaren BindungsanteilIt can be seen from the formula that if there is a bond component, there is also a heteropolar bond component
konstanten Wert von s die Frequenzgrenze propor- wegen der chemischen Verschiedenheit der Gitter-constant value of s the frequency limit is proportional to the chemical difference of the lattice
tional mit der Trägerbeweglichkeit steigt. Dies be- bausteine. Bei den Alkalihalogenidkristallen ist sogartional increases with the mobility of the wearer. This is building blocks. In the case of the alkali halide crystals, even
deutet also, daß durch die Verwendung eines Halb- der homöopolare Anteil praktisch Null und nur derthus indicates that through the use of a half the homeopolar component is practically zero and only the
leitermaterials mit einer höheren Trägerbeweglichkeit i° ionogene Anteil vorhanden. Die Überlagerung vonConductor material with a higher carrier mobility i ° ionogenic content present. The overlay of
auch die Frequenzgrenze nach oben geschoben wird, homöopolarem und heteropolarem Anteil führt zuthe frequency limit is also pushed upwards, leading to homeopolar and heteropolar proportions
bis zu der das Gerät benutzt werden kann. einer Erhöhung der Bindungsenergie durch die soge-up to which the device can be used. an increase in the binding energy through the so-called
Im allgemeinen führt eine Vergrößerung der Träger- nannte Resonanzverfestigung. Diese Resonanzverbeweglichkeit durch Wahl einer geeigneten halb- festigung wirkt sich günstig auf die Trägerbeweglichleitenden Verbindung auch zu einer Vergrößerung der 15 keit aus in all den Fällen, in welchen der heteropolare Diffusionslänge s nach der Beziehung s = ψμτ. Bindungsanteil so schwach ist, daß sich sein schäd-Hierin hat μ die gleiche Bedeutung wie oben, und τ licher Einfluß auf die Elektronenbeweglichkeit noch ist die Lebensdauer der Träger in angeregten Zustän- nicht bemerkbar macht, jedoch die Verfestigung durch den. Zur Konstanthaltung von s muß also bei Ver- die Resonanz zwischen homöo- und heteropolarem größerung der Trägerbeweglichkeit μ die Lebens- 20 Anteil bereits merklich ist.In general, an increase in the beam leads to what is known as resonance strengthening. This resonance mobility through the selection of a suitable semi-reinforcement has a favorable effect on the carrier-movable conductive connection also by increasing the speed in all cases in which the heteropolar diffusion length s according to the relationship s = ψμτ. Binding component is so weak that its harmful -Herein, μ has the same meaning as above, and τ Licher influence on the electron mobility is still the life of the carrier in excited states- not noticeable, but the solidification by the. In order to keep s constant, the resonance between the homeo- and heteropolar increase in the mobility of the carrier μ the proportion of life must already be noticeable in the case of Ver.
dauer τ entsprechend verkleinert werden. Dies ist Es hat sich hiernach gezeigt, daß sich halbleitende durch Einbau von Gitterstörungen, die als Rekombi- Verbindungen herstellen lassen, die eine Trägernationszentren wirken, ohne weiteres möglich. Der beweglichkeit größer als 10 000 cm2/Vsec und sogar Begriff »Rekombinationszentrum« ist hinreichend be- eine Elektronenbeweglichkeit von 20 000 cm2/Vsec kannt aus der neuen Theorie der Halbleiterkristalle. 25 und mehr aufweisen; insbesondere kommen in Be-duration τ can be reduced accordingly. It has subsequently been shown that semiconducting centers are readily possible through the incorporation of lattice disturbances which can be produced as recombinant compounds that act as carrier nuclei. The mobility greater than 10,000 cm 2 / Vsec and even the term “recombination center” is sufficient. An electron mobility of 20,000 cm 2 / Vsec is known from the new theory of semiconductor crystals. Have 25 and more; in particular,
An sich ist es möglich, die Frequenzgrenze dadurch tracht bereits vorgeschlagene Verbindungen der Form zu erhöhen, daß man bei konstanter Trägerbeweglich- ΑΐαΒγ, bei denen Am ein Element der III. Gruppe keit μ die Größe s verkleinert, sei es durch Wahl und By ein solches der V. Gruppe des Periodischen einer sehr kleinen Lebensdauer τ, sei es durch Wahl Systems bedeutet. Die zu dieser Gruppe gehörende sehr kleiner Elektrodenabstände. Diese Möglichkeit 30 halbleitende Verbindung InSb zeigt eine Elektronenist praktisch im wesentlichen erschöpft, da man bei beweglichkeit von 25 000 cm2/Vsec oder mehr. Diese den auf dem Markt befindlichen Geräten bereits zu Verbindung eignet sich im besonderen Maße für den sehr kleinen s-Werten von etwa 0,01 mm überge- vorliegenden Zweck. An weiteren halbleitenden Vergangen ist. bindungen der Form A1HBy sei noch erwähnt InAs.In itself, it is possible to increase the frequency limit by attempting to increase the already proposed compounds of the form that, with a constant carrier, Α ΐα Βγ, in which Am is an element of III. Group keit μ reduces the size s , be it by choice and By one of the fifth group of the periodic of a very short lifetime τ, be it by choice means system. The very small electrode gaps belonging to this group. This possibility of semiconducting compound InSb shows an electron is practically essentially exhausted, since one has mobility of 25,000 cm 2 / Vsec or more. This connection to the devices already on the market is particularly suitable for the very small s- values of about 0.01 mm over-present purpose. Another semiconducting past is on. bonds of the form A 1 HBy should also be mentioned InAs.
Oben ist an zwei Beispielen der physikalische 35 Im übrigen kann auf die bereits erwähnten VorschlägeAbove is two examples of the physical 35. For the rest, reference can be made to the suggestions already mentioned
Mechanismus erläutert worden, auf Grund dessen die verwiesen werden.Mechanism has been explained on the basis of which they are referenced.
Erhöhung der Trägerbeweglichkeit zu einer entspre- Die neue elektrische Halbleiteranordnung kann, chenden Erhöhung der Frequenzgrenze führt, bis zu wie oben im einzelnen dargelegt ist, als Halbleiterder das Gerät benutzt werden kann. Allgemein kann Gleichrichter oder auch als steuerbare Gleichrichtergesagt werden, daß die Erhöhung der Trägerbeweg- 4° anordnung, insbesondere als Transistor, verwendet lichkeit — wie auch immer die physikalischen Vor- werden.Increasing the mobility of the carrier to a corresponding The new electrical semiconductor device can, The corresponding increase in the frequency limit leads, up to as detailed above, as a semiconductor the device can be used. Generally speaking, rectifiers or controllable rectifiers be that the increase in the carrier movement 4 ° arrangement, in particular as a transistor, used possibility - whatever the physical conditions.
gänge sein mögen — stets zu einer Erhöhung der Es läßt sich aber auch für den Nachweis von Licht-Frequenzgrenze führt. quanten, z. B. Gammastrahlen, und Korpuskeln aus-gangs may be - always to an increase of the It can also be used for the detection of light frequency limit leads. quanta, e.g. B. gamma rays, and corpuscles
Die Verwendung einer halbleitenden Verbindung bilden. Ein solches Gerät besitzt — auf Grund der
mit einer Trägerbeweglichkeit von 6000 cm2/Vsec 45 besonders hohen Trägerbeweglichkeit — ein besonders
oder mehr ist auch insofern überraschend, als bisher hohes zeitliches Auflösungsvermögen, was mit der
überhaupt nicht erwartet werden konnte, Halbleiter- Erhöhung der Frequenzgrenze gleichbedeutend ist.
stoffe mit der hier in Betracht kommenden hohen Es ist oben an Hand der ersten Formel gezeigt, daß
Trägerbeweglichkeit aufzufinden. Man war vielmehr bei konstantem s-Wert die Erhöhung der Trägerder
Meinung, daß die Elektronenbeweglichkeit des so beweglichkeit zu einer entsprechenden Erhöhung der
Germaniums (etwa 3000 cm2/Vsec) eine obere Grenze Frequenzgrenze führt. Die Möglichkeiten, die durch
für die Elektronenbeweglichkeit von halbleitenden die Erhöhung der Trägerbeweglichkeit gegeben sind,
Stoffen darstelle. Es konnte auch durch den Übergang können ganz oder teilweise auch zu anderen Zwecken
von halbleitenden Elementen zu halbleitenden Ver- benutzt werden. Hier ist vor allem an die Kombibindungen
keine Steigerung der Elektronenbeweglich- 55 nation gedacht, daß die Erhöhung der Trägerbewegkeit
erwartet werden, weil bei Verbindungen im allge- lichkeit nur zum Teil zur Erhöhung der Frequenzmeinen
die Abweichungen vom idealen Gitterbau grenze herangezogen und zum anderen Teil dazu
infolge der gegebenen Vertauschungsmöglichkeiten der benutzt wird, eine Vergrößerung des s-Wertes, d. h.
Komponenten (Austausch von Atomen der einen einer Vergrößerung des Elektrodenabstandes und/oder
Komponente der Verbindung gegen solche der anderen 60 der Diffusionslänge, herbeizuführen. Es ist schon
Komponente beim Aufbau des Gitters) größer sind erwähnt, daß bei den auf dem Markt befindlichen
als bei halbleitenden Elementen (wie z. B. Ge oder Si), Geräten der s-Wert außerordentlich klein gehalten
bei denen naturgemäß eine solche Vertauschung nicht ist, was zu Schwierigkeiten bei der Herstellung führt,
möglich ist. Die Erhöhung der Trägerbeweglichkeit ermöglicht esThe use of a semiconducting compound form. Such a device has - due to the particularly high carrier mobility of 6000 cm 2 / Vsec 45 - a particularly or more is also surprising in that it has previously had a high temporal resolution capacity, which could not have been expected at all, semiconductor increase in the Frequency limit is synonymous.
substances with the high level that is under consideration here. It has been shown above with reference to the first formula that the mobility of the carrier can be found. Rather, at a constant s value, the increase in the carriers was of the opinion that the electron mobility of the so mobility leads to a corresponding increase in the germanium (about 3000 cm 2 / Vsec) an upper limit frequency limit. The possibilities, which are given by increasing the carrier mobility for the electron mobility of semiconducting substances, represent. It could also be used in whole or in part for other purposes by transitioning from semiconducting elements to semiconducting elements. Above all, no increase in electron mobility is intended here for the combined bonds, so that the increase in carrier mobility is expected, because in connections in general the deviations from the ideal lattice limit are only partly used to increase the frequency and partly to this As a result of the given exchange possibilities, which is used to increase the s- value, ie components (exchange of atoms of one of an increase in the electrode spacing and / or component of the compound for those of the other 60 of the diffusion length. It is already a component in the construction of the Lattice) is mentioned that in devices on the market than in semiconducting elements (such as Ge or Si), the s- value is kept extremely small in which, of course, such an interchange is not possible, which leads to difficulties in the Manufacturing leads is possible. The increase in the mobility of the wearer makes it possible
Durchgeführte Forschungsarbeiten haben ergeben, 65 somit, die Herstellung der Geräte zu erleichternResearch carried out has shown, 65 thus, to facilitate the manufacture of the devices
daß sich halbleitende Stoffe bilden lassen mit einer — nämlich durch die Erhöhung des s-Wertes — undthat semiconducting substances can be formed with a - namely by increasing the s value - and
Trägerbeweglichkeit, die wesentlich höher ist als die zugleich die Frequenzgrenze gegenüber den bisher be-Carrier mobility, which is significantly higher than the frequency limit compared to the previously
bisher als obere Grenze angenommene Trägerbeweg- kannten Geräten zu erhöhen.to increase the carrier-moving devices previously assumed as the upper limit.
Claims (2)
1. Elektrische Halbleiteranordnung, insbesondere gleichrichtende oder steuerbare Halbleiteranordnung, bei der es auf die Verwendbarkeit bis zu hohen Frequenzen und/oder auf eine große Diffusionslänge ankommt, dadurch gekennzeichnet, daß für den Halbleiterkörper eine solche halbleitende Verbindung mit überwiegend homöopolarem Bindungsanteil verwendet ist, bei der der heteropolare Bindungsanteil so schwach ist, daß sich sein schädlicher Einfluß auf die Trägerbeweglichkeit noch nicht bemerkbar macht, jedoch die Verfestigung durch die Resonanz zwischen homöo- und heteropolarem Anteil bereits merklich ist, so daß eine Trägerbeweglichkeit von 6000 cm2/Vsec oder mehr erreicht ist.PATENT CLAIMS:
1. Electrical semiconductor arrangement, in particular rectifying or controllable semiconductor arrangement, in which it depends on the usability up to high frequencies and / or on a large diffusion length, characterized in that such a semiconducting compound is used with a predominantly homeopolar bond component for the semiconductor body, in which The heteropolar bond component is so weak that its detrimental influence on the carrier mobility is not yet noticeable, but the solidification through the resonance between the homeo- and heteropolar component is already noticeable, so that a carrier mobility of 6000 cm 2 / Vsec or more is reached .
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