DE1113035B

DE1113035B - Flaechendiode mit einem scharfen pn-UEbergang und Tunneleffekt sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE1113035B
Application number: DER27170A
Authority: DE
Inventors: Henry Stern Sommers Jun
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1959-01-27
Filing date: 1960-01-23
Publication date: 1961-08-24
Also published as: GB942453A; US3131096A; DK101428C; NL247746A; FR1246041A; CH403989A; BE586899A; ES255309A1

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

R27170Vmc/21g

ANMELDETAG: 23. J A N U A R 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 24. AUGUST 1961

Die Erfindung betrifft eine Flächendiode mit einem scharfen pn-Übergang und so hoher Dotierung am pn-Übergang, daß ein negativer Widerstand infolge des Tunneleffektes bei Flußspannungen auftritt, sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Dioden.

Aus einer Arbeit von Esaki (Physical Review, 109, 1958, S. 603, 604) ist es bekannt, daß die Stromspannungskennlinie von Germaniumdioden mit scharfen pn-Übergängen im Bereich niedriger, in Flußrichtung gepolter Spannungen von unter etwa 0,3 V einen Bereich negativen Widerstandes zeigt. Das Übergangsgebiet von der p-leitenden zur n-leitenden Zone ist dabei schmaler als etwa 200 Ä, und die Konzentration an freien Ladungsträgern ist um mehrere Zehnerpotenzen höher als in gewöhnlichen Dioden. Der pn-Übergang wurde durch ein Legierungsverfahren erzeugt. Auf der p-Seite betrug die Akzeptorkonzentration und damit die Konzentration an freien Löchern 1,6 · 10¹⁹ cm³, während die Donatorkonzentration und damit die Konzentration von freien Elektronen auf der n-Seite 1,0 · 10¹⁹ cm~³ betrug. Ohne Vorspannung liegt das Fermi-Niveau auf der p-Seite der pn-Schicht im. Valenzband, während das Fermi-Niveau auf der η-Seite der pn-Schicht im Leitungsband liegt. Die Stromleitung der Diode in der Flußrichtung wird durch zwei Effekte getragen, nämlich durch den quantenmechanischen Tunneleffekt, der es den Ladungsträgern ermöglicht, die Verarmungszone der pn-Schicht zu durchdringen, sowie durch Ladungsträger, die in der Lage sind, die Schwelle der pn-Schicht zu überwinden.

Legt man an die Diode eine in Flußrichtung gepolte und von Null ansteigende Spannung, so steigt der auf dem Tunneleffekt beruhende Stromanteil auf einen Maximalwert an und fällt dann auf Null ab. Der Anstieg und Abfall des auf dem Tunneleffekt beruhenden Stromanteiles liegt innerhalb eines kleinen Gebietes der Flußspannungen, welches normalerweise kleiner als 1 V ist, und ergibt einen negativen Widerstand. In dem Bereich, in dem der Tunneleffekt zum Tragen kommt, ist der Stromanteil gering, der durch Ladungsträger getragen wird, die die Potentialschwelle der pn-Schicht überwinden können. Bei höheren Flußspannungen, bei denen der auf dem Tunneleffekt beruhende Stromanteil praktisch Null geworden ist, bekommt dann der von den die Potentialschwelle überwindenden Trägern getragene Strom Bedeutung.

Es wurde gefunden, daß negative Widerstände infolge des Tunneleffektes auch bei Verwendung von anderen Halbleitermaterialien als Germanium auftreten, so daß man verschiedene in der Praxis auftretende Forderungen erfüllen kann. So kann man Flächendiode mit einem scharfen

pn-übergang und Tunneleffekt

sowie Verfahren zu ihrer Herstellung

Anmelder:

Radio Corporation of America,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 27. Januar 1959 (Nr. 789 286)

Henry Stern Sommers jun., Princeton, N. J.

(V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

beispielsweise durch geeignete Auswahl des Halbleitermaterials Dioden herstellen, die in einem Temperaturbereich zwischen der Temperatur des flüssigen Heliums und etwa 500° C arbeiten können. Andere Eigenschaften, die sich nach Wunsch beeinflussen lassen, sind die Grenzfrequenz, der Verstärkungsfaktor und die Ansprechgeschwindigkeit.

Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Flächendiode mit einem scharfen pn-Übergang und so hoher Dotierung am pn-Übergang, daß ein negativer Widerstand infolge des Tunneleffektes bei Flußspannungen auftritt. Diese ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß das Halbleitermaterial und die Dotierung des einkristallinen Halbleiterkörpers so gewählt sind, daß

10-¹² < exp(-a

10~²

ist und dabei

Vd den Bandabstand des Halbleitermaterials in Elektronenvolt,

m* das Verhältnis der effektiven Masse der leichteren Ladungsträger im Halbleitermaterial zu der Masse freier Elektronen,

η die Zahl der freien Ladungsträger je cm³ auf der Seite der pn-Schicht, welche die niedrigere Konzentration von freien Ladungsträgern besitzt,

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ε das Verhältnis dei Dielektrizitätskonstanten des Die Herstellungsverfahren sind die üblichen Ver-

Halbleitermaterials zur Dielektrizitätskonstanten fahren zur Herstellung von legierten schichtförmigen des Vakuums und pn-Übergängen bei Halbleiterkristallen, mit der Aus-

a den Zahlenfaktor 7 · 10¹⁰ nähme, daß die Zeiten zur Erhitzung und zur Abbedeutet. 5 kühlung zur Erzielung einer Legierung so kurz wie

Ein negativer Widerstand tritt bei einer solchen möglich sind und daß die Legierungstemperatur so Diode dann auf, wenn der Faktor niedrig wie möglich ist. Hierdurch werden sehr dünne

pn-Schichten erzielt. Vorzugsweise soll die Erhitzung

exp (— α Vcä, ]/ε m*jn ) größer als K)-¹⁶ bei Temperaturen zwischen 200 und 550° C für weniger

ist. ίο als 5 Minuten stattfinden.

Es besteht Grund zu der Annahme, daß die unteren Fig. 1 A und 1 B sind Darstellungen zum Vergleich

Grenzen der Konzentration der freien Ladungsträger der Stromspannungskennlinien einer Flächendiode auf der Seite der pn-Schicht, welche die niedrigere mit negativem Widerstand mit einer gewöhnlichen Konzentration der freien Ladungsträger aufweist, für Flächendiode;

Dioden mit negativem Widerstand niedriger sind als *5 Fig. 2 A und 2 D sind Energieniveaudiagramme zur die im folgenden für verschiedene Stoffe angegebenen Erläuterung einer Theorie des Zustandekommens des Werte. negativen Widerstandes;

Germanium 0 8 · 10¹⁹cm.-^{3 Fig}- ^{3 ist ein Schnitt durch eine} typische Ausfüh-

. ' _ rungsform der Flächendiode gemäß der Erfindung;

^bllizram ²'⁸ ' ^{10 cm} ao Fig. 4 ist ein zu dieser Ausführungsform gehöriges

Galliumarsenid 0,5 · 1O¹⁹Cm-³ Ersatzschaltbild.

Indiumantimonid 0,005 · 10¹⁹cm~³ Eine Halbleiteranordnung nach Fig. 3 kann fol

gendermaßen hergestellt werden. Ein monokristalliner

Unerwarteterweise wurde gefunden, daß bei einer Körper aus η-Germanium wird mit Arsen dotiert, so Erhöhung der Konzentration der freien Ladungsträger 25 daß er eine Donatorenkonzentration von 4,0 · 10¹⁹Cm-³ auf der Seite der pn-Schicht mit der niedrigeren Kon- erhält. Dies kann auf die in der Halbleitertechnik zentration der freien Ladungsträger über die ange- übliche Art geschehen. Man kann beispielsweise einen gebenen Werte hinaus, d. h. bei einer Diode mit einem Kristall aus geschmolzenem Germanium, das die nötige Wert zwischen 10~² und 10~¹² für den Faktor Konzentration von Arsen enthält, herausziehen. Aus

30 dem so hergestellten Kristall wird eine Scheibe 31

exp (—a ■ Vei, ■ ]/fi m*/n ) längs der Ebene [111] herausgeschnitten, d. h. längs

einer Ebene, welche senkrecht zu der kristallogra-

eine erhebliche Zunahme in der Ansprechgeschwin- phischen Achse [111] des Kristalls verläuft. Die digkeit und in der Bandbreitenverstärkung auftrat. Scheibe 31 wird mittels einer üblichen Ätzlösung bis Wenn nämlich die Zunahme ein Mehrfaches der oben 35 auf eine Dicke von etwa 0,05 mm abgeätzt. Mit einer angegebenen unteren Grenzen betrug, stieg die An- der größeren Flächen wird diese Scheibe 31 auf ein Sprechgeschwindigkeit und die Bandbreitenverstärkung Nickelband 35 aufgelötet und dabei ein übliches Blei-(Verstärkungsf aktor · Bandbreite) um mehrere Größen- Zinn-Arsen-Lot benutzt, um einen nicht gleichrichordnungen, so daß die Halbleiteranordnungen bei tenden Kontakt zwischen der Scheibe 31 und dem ultrahohen Frequenzen arbeiten konnten, beispiels- 40 Band 35 herzustellen. Das Nickelband 35 dient später weise über 10 MHz. In vielen Fällen kann die Halb- als Basiszuleitung. Eine Perle 37 mit einem Durchleiteranordnung bis zu dem Tausendfachen dieser messer von etwa 0,13 mm, die zu 99 Gewichtsprozent Frequenz oder bei einer noch höheren Frequenz aus Indium, zu 0,5 Gewichtsprozent aus Zink und zu arbeiten. Als praktische Grenze sei angegeben, daß 0,5 Gewichtsprozent aus Gallium besteht, wird mit die Höchstgrenze der Konzentration der freien La- 45 einer geringen Menge eines handelsüblichen Flußdungsträger diejenige ist, bei der das Halbleiter- mittels auf die freie Oberfläche 33 der Germaniummaterial polykristallin wird. scheibe 31 aufgelegt und dann für 1 Minute in einer Die bevorzugten Halbleitermaterialien und der Be- Atmosphäre von trockenem Wasserstoff auf 450° C reich der Konzentration der freien Ladungsträger für erhitzt. Die Perle legiert sich dann mit der Scheibe 31 ultrahohe Frequenzen beträgt in weiterer Ausbildung 50 und wird sodann schnell abgekühlt. Bei diesem Legieder Erfindung bei rungsschritt soll die Einheit so schnell wie möglich

erhitzt und abgekühlt werden, um einen scharfen

Germanium 2,0 bis 10,0 · 10¹⁹cm-³ pn-Übergang herzustellen.

Silizium 7,0 bis 35,0 · 10¹⁹cmr³ Die Einheit wird sodann für 5 Sekunden in eine

Galliumarsenid 3 5 bis 17 5 · 10¹⁹cm-^{3 55} schwache Jodid-Ätzlösung eingetaucht und sodann in

Indiumphosphid '.'.'.'.'. θ'θ3 bis Ιο',Ο · 10¹⁹cm-³ fj?f^ ^Wassei\ abgewaschen Eine geeignete

* Jodid-Atzlosung wird dadurch erhalten, daß man

einen Tropfen einer Lösung, welche 0,55 g Kalium-

Bei bevorzugten Ausführungsformen gemäß der jodid und 100 cm³ Wasser enthält, in 10 cm³ einer Erfindung haben die Halbleiter eine beschränkte Band- 60 Lösung einbringt, welche 600 cm³ konzentrierte SaI-lücke, freie Ladungsträger von geringer effektiver petersäure, 300 cm³ konzentrierte " Essigsäure und Masse, und es sind beide Seiten der pn-Schicht dotiert, 100 cm³ konzentrierte Flußsäure enthält.
d.h. enthalten den Leitungstyp bestimmende Ver- An die Perle kann ein Anschlußdraht angelötet unreinigungen von nahezu derjenigen Menge, bei werden, wenn die Halbleiteranordnung bei gewöhnweicher der Halbleiter polykristallin wird. Dieser hohe 65 liehen Frequenzen benutzt werden soll. Wenn die Verunreinigungsgehalt ist notwendig, um eine sehr Halbleiteranordnung bei hohen Frequenzen benutzt hohe Konzentration von freien Ladungsträgern her- werdensoll, kann die Verbindung zu der Perle mit einer zustellen. Leitung geringen Widerstandes bewerkstelligt werden.

Die Halbleiteranordnung zeigt dann folgende Eigen- 10,0 · 10¹⁹cm~³ liegen. Ein geeigneter Einkristall aus

schäften: η-Germanium kann in üblicher Weise unter Benutzung

Ή — ι η Oh ^von Arsen °d^er Phosphor als Verunreinigungsmaterial

^m zur Dotierung des Halbleiterkörpers gezüchtet werden.

C = 50 pF 5 Ej_ne Konzentration der freien Ladungsträger von

RC = 0,5 Millimikrosekunden. mehr als 2,0 · 10¹⁹ kann mit jeder der beiden genannten

Verunreinigungsmaterialien erzeugt werden.

Hieraus berechnet sich die Bandbreitenverstärkung, Bei der Legierung einer Perle mit dem Halbleiternämlich die Größe G_vAf zu etwa 300 MHz, und die körper legieren sich Verunreinigungen eines Leitungshöchste Grundfrequenz, bei welcher die Schaltung mit io typs entgegengesetzt demjenigen des Halbleiterkörpers konzentrierten Parametern schwingt, ist 180 MHz. In mit dem Halbleitermaterial und erzeugen eine pneiner 50-Ohm-Leitung kann die Einheit von einem Schicht in diesem Halbleiterkörper. Außerdem bildet Zustand niedriger Spannung in einen Zustand hoher sich dabei angrenzend an die pn-Schicht ein Gebiet Spannung oder umgekehrt in weniger als 2 Milli- mit sehr hoher Konzentration der freien Ladungsmikrosekunden umgeschaltet werden. Der Leistungs- 15 träger von der umgekehrten Art, wie sie im Halbleiterverbrauch ist etwa 1,5 Milliwatt sowohl bei niedriger körper vorhanden sind. Eine weitere Fortsetzung der wie bei hoher Spannung. Der Widerstand der Basis- Legierung erzeugt in diesem Gebiet einen Kontakt zuleitung betrug weniger als 0,2 Ohm. Bei Montage geringen Widerstandes. Ein scharfer pn-Übergang und ist die Serieninduktivität etwa 0,01 Mikrohenry. eine hohe Konzentration der freien Ladungsträger auf

Ein Parameter, welcher die endgültige Brauchbarkeit 20 beiden Seiten der pn-Schicht sind wichtig, wenn man der Diode stark beeinflußt, ist die Konzentration der einen negativen Widerstand erhalten will,
freien Ladungsträger im Halbleiterkörper. Eine Steige- Die Dicke der Übergangszone von ρ nach η errech-

rung der Konzentration der freien Ladungsträger über nete sich bei den Dioden auf weniger als 200 Ä. Je den von Esaki angegebenen Wert hinaus bewirkt eine dünner die Übergangszone ist, desto höher ist die Steigerung der Ansprechgeschwindigkeit, die ange- 25 Stromdichte infolge des Tunneleffektes und desto sichts der früheren Erfahrungen mit Halbleitern nicht höher die obere Grenzfrequenz. Ferner ist der Strom zu erwarten war. Durch eine Steigerung der Konzen- infolge des Tunneleffektes für dieselbe Pillengröße um tration der freien Ladungsträger in Germanium über so größer, je dünner die pn-Schicht ist. Auch ist die den von Esaki benutzten Wert von 2,0-10¹⁹Cm^-3 Kapazität um so größer, je dünner die Übergangszone hinaus wird der Frequenzbereich von gewöhnlichen 30 ist.

Rundfunkfrequenzen bis in das Gebiet von Meter- Eine geeignete Zusammensetzung für die Legie-

wellenlängen erhöht. Durch eine Zunahme der Kon- rungsperle zur Herstellung der gleichrichtenden Schicht zentration der freien Ladungsträger bis zu 4,0-10¹⁹cm-³ bei η-Germanium ist 99% Indium, 0,5% Zink und wird ein Betrieb im Zentimetergebiet ermöglicht. Wenn 0,5% Gallium. Von dieser Zusammensetzung kann die gewünschte Konzentration durch Zugabe von 35 jedoch abgewichen werden, ohne die Ansprechden Leitungstyp bestimmenden Verunreinigungen ge- geschwindigkeit erheblich zu ändern. Beispielsweise schieht, ist die obere Grenze der Konzentration der kann der Gehalt an Zink erhöht oder fortgelassen freien Ladungsträger diejenige, an der der Halbleiter werden oder auch der Gehalt an Gallium erhöht polykristallin wird. werden. Andere geeignete Zusammensetzungen für

Wenn man diese hohen Ansprechgeschwindigkeiten 40 η-Germanium lassen sich dadurch erhalten, daß man erreichen will, ist es wichtig, daß beide Seiten der das Zink in der Legierungsperle durch Germanium pn-Schicht freie Ladungsträger aufweisen. Für die ersetzt. Dies hat den Vorteil der Verbesserung der ganze vorliegende Beschreibung gilt, daß die Konzen- mechanischen Eigenschaften der Perle und den Vorteil tration freier Ladungsträger sich stets auf diejenige der Verminderung der Dichte der n-Verunreinigung in Seite der pn-Schicht bezieht, welche die kleinere Kon- 45 dem rekristallisierten ■ Gebiet. Das Gallium kann zentration von freien Ladungsträgern aufweist. außerdem durch Aluminium ersetzt werden.

Ein weiterer Parameter, welcher die Brauchbarkeit Man kann das η-Germanium auch durch p-Germa-

beeinflußt, ist die effektive Masse der Ladungsträger nium ersetzen. Ein geeigneter Einkristall aus p-Germaim Halbleiterkörper. Ein Halbleitermaterial mit einer nium kann in üblicher Weise gezüchtet werden, wenn kleineren effektiven Masse beider Ladungsträger zeigt 50 man Aluminium, Gallium oder Indium als Verunreinieine höhere Ansprechgeschwindigkeit bei gleich- gung zur Dotierung des Halbleiterkörpers benutzt, wertiger Ladungsträgerkonzentration oder eine gleich- Wenn ein Kristall aus p-Germanium benutzt wird, wertige Ansprechgeschwindigkeit bei niedrigerer La- muß die Legierungsperle eine Donator-Verunreinigung, dungsträgerkonzentration. Die effektive Masse der beispielsweise Phosphor oder Arsen, enthalten. Eine Ladungsträger ist in verschiedenen Kristallrichtungen 55 geeignete Legierungsperle ist eine Legierung aus Blei, verschieden. Eine geeignete Wahl der Kristallachse, Zinn und Arsen.

bei der die pn-Schicht in eine diesen Unterschied am Man kann an Stelle von Germanium auch andere

besten ausnutzende Richtung gelegt wird, trägt eben- Halbleiter benutzen, und zwar insbesondere Silizium falls zur Erhöhung der Ansprechgeschwindigkeit bei. und die Ill-V-Verbindungen. Eine III-V-Verbindung Eine kleine Dielektrizitätskonstante und ein kleiner 60 ist eine Verbindung, die aus einem Element der Bandabstand für das Halbleitermaterial haben beide Gruppe III und einem Element der Gruppe V des Peridie Wirkung der Erhöhung der Ansprechgeschwindig- odischen Systems der Elemente besteht, beispielsweise keit bei derselben Konzentration der freien Ladungs- Galliumarsenid, Indiumarsenid und Indiumantimonid, träger. Bei Benutzung von III-V-Verbindungen werden die

Bei Germanium soll die Konzentration der freien 65 gewöhnlich in diesen Verbindungen benutzten p- und Ladungsträger auf der Seite der pn-Schicht mit der n-Verunreinigungen auch für die Zwecke der Erfindung niedrigeren Ladungsträgerkonzentration größer als benutzt. Schwefel ist also eine geeignete n-Verunreini-2,0 ■ 10¹⁹cm~³ sein, beispielsweise zwischen 2,0 und gung und Zink eine geeignete p-Verunreinigung.

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Eine Diode wurde aus einem Einkristall aus GaI- schaulicht ist. Zum Vergleich zeigt eine Kurve 25 in

liumarsenid, welches Schwefel als n-Verunreinigung Fig. 1B die Stromspannungskennlinie einer Diode mit

enthielt, hergestellt. Die Konzentration der freien breiter pn-Übergangszone. Die Strommaßstäbe hängen

Elektronen betrug 0,8 · 10¹⁹ Elektronen cm"¹. Eine von der Flächengröße und von der Dotierung der dünne pn-Schicht wurde mit einer Perle von 0,25 mm 5 Übergangszone ab und liegen etwa im Bereich einiger

Durchmesser hergestellt. Die gemessene Bandbreiten- Milliampere.

verstärkung betrug etwa 20 MHz. Die höchste Grund- Der negative Widerstand kann als eine Änderung frequenz, bei welcher der Kreis mit konzentrierten des die Sperrschicht durchsetzenden Tuimeleffekt-Parametern schwingt, ist etwa 20 MHz. Der Leistungs- stromes in Abhängigkeit von der Vorspannung aufverbrauch ist etwa 50 Mikrowatt beim Betrieb mit io gefaßt werden. In Fig. 2 ist das kreuzschraffierte Geniedriger oder mit hoher Spannung. biet jeweils die verbotene Zone in jedem einzelnen Fall.

Bei Germanium kann die Legierungstemperatur Die eine Seite der pn-Schicht wird durch den linken

zwischen 300 und 500° C bei Zeiten von einigen Mi- Teil dieser Figuren dargestellt und die andere Seite der

nuten verändert werden. Um eine Verbreiterung der pn-Schicht durch den rechten Teil dieser Figuren. Auf

pn-Schicht infolge Diffusion zu vermeiden, soll die 15 der linken Seite jeder Figur ist oberhalb der verbotenen

Dauer kurz und die Temperatur niedrig gehalten Zone das Leitungsband dargestellt und auf der rechten

werden. Aus den gleichen Gründen soll die Erhitzung Seite jeder Figur unterhalb der verbotenen Zone das

und die Abkühlung schnell stattfinden. Die Be- Valenzband. Aus Fig. 2A sieht man, daß für genügend

nutzung von trockenem Stickstoff und von trockenem degenerierte Dioden, d. h. für Dioden, welche mehr

Wasserstoff hat sich bewährt. 20 als 10¹⁹ Träger je cm³ in Germanium besitzen, eine

Die Legierung kann in einem Vorgang vorgenommen reichliche Menge von freien Trägern am Fermi-

werden, oder man kann die Legierungspille bei niedri- Niveau h sowohl im p- als auch im η-Gebiet vorhanden

gerer Temperatur vorbereiten und sie dann in einem ist. Bei dünnen Übergangszonen fließt also durch die

zweiten Prozeß auflegieren. Die Legierungsperle kann pn-Schicht, die dem Gebiet i zwischen den senkrechten

in trockenem Zustand oder mit einem beliebigen von 25 Linien entspricht, in beiden Richtungen ein großer

verschiedenen handelsüblichen Flußmitteln aufge- Tunnelstrom, der durch die Pfeile angedeutet ist.

bracht werden. Um eine Verbreiterung der Legierungs- Dieser Strom tritt auf, obwohl keine Spannung an-

perle während der Legierung zu vermeiden, kann man gelegt wird. Der Gesamtstrom ist natürlich Null

die Perle auf eine oxydierte Oberfläche des Germa- (Punkt α in Fig. 1).

niums aufsetzen. Damit die Legierungsperle leichter 30 Fig. 2B zeigt die Verhältnisse für eine kleine die Verunreinigungskonzentration im Halbleiterkörper Spannung in der Sperrichtung. Die Verlagerung des kompensieren kann, kann die freie Oberfläche des Fermi-Niveaus h läßt den Elektronenstrom in der Körpers für kurze Zeit ausdiffundiert werden. Dies Sperrichtung zunehmen, ohne den Strom in der Flußkann beispielsweise durch Erhitzung auf 700° C im richtung zu beeinflussen. Dies ist darauf zurück-Vakuum für 5 Minuten geschehen. 35 zuführen, daß die Zahl der Elektronen auf der rechten

Eine Legierung in einer bestimmten Richtung zu Seite der pn-Schicht, denen Zustände gleicher Energie den kristallographischen Achsen kann die Zeit- auf der linken Seite der pn-Schicht gegenüberstehen, konstante wegen der Anisotropie der effektiven Masse in welche sie übertreten können, durch die Vorder Ladungsträger verbessern. Es wurde nämlich ge- spannung in der Sperrichtung erhöht ist, während die funden, daß bei Germanium längs der Fläche [110] 40 Zustände, in welche die Elektronen von links nach eine schnellere Ansprechgeschwindigkeit auftrat als rechtsübertretenkönnenjSichnurweniggeänderthaben. bei Schichten längs der Fläche [100]. Dies entspricht dem Kennlinienpunkt b in Fig. 1. Für

Die Grundeigenschaften sind unabhängig von der eine kleine Spannung in der Sperrichtung, d. h. für

Form und von der Flächengröße der pn-Schicht. Die eine Spannung, die sehr viel kleiner ist als KTje, ist die

Flächengröße der pn-Schicht bestimmt das Leistungs- 45 Kennlinie symmetrisch (Fig. 1, Gebiet c), obwohl der

niveau und den Widerstand, jedoch nicht die end- Mechanismus im einzelnen anders verläuft, wie aus

gültige Ansprechgeschwindigkeit des Halbleiters. Für Fig. 2 C hervorgeht. Es tritt nunmehr ein Strom in der

sehr hohe Frequenzen können auch andere Formen, Flußrichtung auf, weil die Zahl der Elektronen auf

beispielsweise eine Ringform, zur Verminderung des der rechten Seite, welche nach links durchdringen

Skineffekts beitragen. Für eine Fabrikation, bei wel- 50 können, durch die Verlagerung des Fermi-Niveaus

eher die Halbleiterkörper aufgereiht werden müssen, vermindert ist. Der in der Flußrichtung durchtretende

können Pillenformen, wie beispielsweise quadratische Strom ist wieder annähernd konstant.

Pillen, einen leichteren Einbau in gedruckte Strom- Bei einer höheren Spannung in der Flußrichtung

kreise ermöglichen. wird der in der Sperrichtung fließende Strom klein,

Der Halbleiterkörper muß dünn sein, um den Serien- 55 und der insgesamt in der Flußrichtung fließende

widerstand r (Fig. 4) zu vermindern. Ferner muß der Strom erreicht ein Maximum d in Fig. 1. Er nimmt

ohmische Kontakt mit der Halbleiterscheibe und mit mit weiterer Zunahme der Spannung ab, während das

der Pille sorgfältig ausgeführt werden. Der Basis- Fermi-Niveau auf der linken Seite sich der verbotenen

anschluß kann durch Anlöten der Germaniumscheibe Zone auf der rechten Seite annähert und in dasselbe

an eine geeignete Leitung entweder während des 60 eintritt, was zu dem Abfall des in der Flußrichtung

Legierungsvorganges oder vorher oder nachher herge- durchtretenden Stromes in Fig. 2 D führt. Dieser

stellt werden. Man kann den Basisanschluß auch auf Abfall setzt sich gemäß Fig. 1 (Gebiet e) fort, bis

andere Weise, beispielsweise durch Plattierung, durch schließlich die normale Injektion über die Sperrschicht

Aufdampfen oder durch Aufpressen einer Verbindungs- von Einfluß wird und die Kennlinie wieder in den

leitung unter Zuführung von Wärme, herstellen. 65 Verlauf für den normalen Flußstrom übergeht (Fig. 1,

Die Stromspannungskennlinie 21 einer Diode gemäß Ast /).

der Erfindung ist in Fig. 1A dargestellt, in der die In erster Annäherung kann die Flächendiode darmittlere negative Steilheit durch die Linie 23 veran- gestellt werden durch eine Übergangskapazität C der

pn-Schicht, welche parallel zu dem negativen Widerstand -R liegt. Das Ersatzschaltbild ist in Fig. 4 dargestellt. Eine solche Schaltung hat als Verstärker eine Bandbreitenverstärkung von etwa

Tabelle 1

GvAf= 1/(2π RC),

worin G_v die Spannungsverstärkung ist und 2 Af die Bandbreite bei der halben Spannungsverstärkung ist. Die Maximalfrequenz, mit welcher Schwingungen stattfinden können, ist

Halb leiter material	V_n,	ε	m*	1,0 1,9 1,3 0,12	η
Ge	0,65 1,1 1,35 0,18	16 12 13 11	0,15 0,27 0,06 0,04	4,0 ■ 10¹⁹cm-³ 1,4 · 10²⁰cm-³ 7 · 10¹⁹cm-³ 6 · 10¹⁷cm-³
Si
GaAs ... InSb ....

F_m =

In dieser Gleichung ist r der Eigenwiderstand des Stromkreises. Beide angegebenen Ausdrücke geben an, daß die Gütezahl für hohe Frequenzen durch eine charakteristische Zeitkonstante IjR C begrenzt ist.

Da die größere Zeitkonstante, welche das Verhalten dieser Dioden bei hohen Frequenzen begrenzt, die Größe I/RC ist und RC unabhängig von der Flächengröße der pn-Schicht ist, kann durch eine geeignete Auswahl der Materialien eine Diode von bestem Verhalten gewonnen werden. Die Kapazität C ist die Kapazität des Ubergangsgebietes infolge der Verarmungszone. Sie kann durch einen von parallelen Platten gebildeten Kondensator mit etwa 80 Ä Abstand dargestellt werden, der mit einem Stoff gefüllt ist, welcher die Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials hat. Da diese mit der Trägerdichte nur wenig schwankt, kann sie in erster Annäherung als konstant angesehen werden.

Im Gegensatz dazu ist der negative Widerstand R durch die Leichtigkeit bestimmt, mit welcher die Träger die Sperrschicht infolge des Tunneleffektes durchdringen. Der negative Widerstand kann sich innerhalb vieler Zehnerpotenzen verändern. Die gegenwärtige vereinfachte Theorie zeigt, daß die Wahrscheinlichkeit, daß ein sich der Verarmungszone nähernder Träger auf die andere Seite übertritt, proportional dem Faktor

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ist. Diese Schreibweise soll bedeuten, daß die Basis e der natürlichen Logarithmen mit demjenigen Exponenten versehen werden soll, der innerhalb der runden Klammer steht. In dieser Annäherung bedeutet V_ca den Bandabstand, m* das Verhältnis der effektiven Masse des leichteren freien Ladungsträgers zur Masse eines freien Elektrons und η die Zahl der freien Ladungsträger je Volumeinheit auf der Seite der Sperrschicht, auf der die kleinere Konzentration der freien Ladungsträger auftritt, e ist das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten des Halbleiters zur Dielektrizitätskonstanten des Vakuums und ist eine numerische Konstante. V_c& wird in Elektronenvolt gemessen, η ist die Zahl der Ladungsträger je cm³, während α den Wert 7 · 10¹⁰ hat. Der Wert des oben angegebenen' Faktors liegt zwischen 10~² und 10~¹² für die hier beschriebenen Einheiten. Die Benutzung bei hohen Frequenzen macht ein Halbleitermaterial empfehlenswert, das einen mäßigen Bandabstand besitzt, d. h. kleiner als 2,0 Elektronenvolt, und eine kleine effektive Masse der Ladungsträger.

Tabelle 1 gibt die Parameter für die am meisten aussichtsreichen Dioden. Die in der letzten Zeile der Tabelle 1 angegebene Indiumverbindung ist das am meisten aussichtsreiche Material für die Benutzung bei Hochfrequenz. Für höhere Temperaturen ist die in der vorletzten Zeile der Tabelle angegebene Galliumverbindung vielversprechend und wahrscheinlich der Benutzung von Silizium überlegen. In der letzten senkrechten Reihe der Tabelle ist diejenige Dotierung angegeben, welche erforderlich ist, um jeden Stoff hinsichtlich seines Verhaltens bei Hochfrequenz gleichwertig mit Germanium mit etwa 4,0 · 10¹⁹ Trägern je cm³ zu machen.

25	Halbleitermaterial	Tabelle 2	Konzentration der freien Ladungsträger für sehr hohe Geschwindigkeiten in 10¹⁹Cm-³
Germanium Silizium 35 Galliumarsenid .. Indiumantimonid	Untere Werte der Konzen tration der freien Ladungsträger für negativen Widerstand in 10¹⁹Cm-³	2,0 bis 10,0 7,0 bis 35,0 3,5 bis 17,5 0,03 bis 0,15
0,5 1,7 0,5 0,005

Die Tabelle 2 gibt die Werte an, welche die zur Erreichung eines negativen Widerstandes notwendigen unteren Werte der Konzentration der freien Ladungsträger für aussichtsreiche Halbleiter zu vergleichen gestatten. Außerdem gibt Tabelle 2 diejenigen höheren Konzentrationen an, welche eingehalten werden müssen, um sehr hohe Schaltgeschwindigkeiten und ein gutes Verhalten bei Hochfrequenz zu erzielen.

Je höher also die Konzentration der freien Ladungsträger ist, desto höher ist die erreichbare Schaltgeschwindigkeit. Die Konzentration der freien Ladungsträger in den hier vorgeschlagenen HaIb-

leiteranordnungen entspricht der im Überschuß vorhandenen und die Leitfähigkeit bestimmenden Verunreinigungskonzentration in den Halbleitermaterialien. In den meisten Fällen tritt diese Konzentration bei etwa Zimmertemperatur auf. Jedoch kann die erforderliche Konzentration auch bei tieferen Temperaturen, wie bei der des flüssigen Heliums, oder bei höheren Temperaturen bis zu 500° C erhalten werden. Ein negativer Widerstand tritt unabhängig von der Temperatur auf, wenn die Konzentration der fr-eien Ladungsträger innerhalb des in Tabelle 2 angegebenen Bereiches liegt, bis zu derjenigen Temperatur, oberhalb der in dem betreffenden Material ein normaler Transistorbetrieb nicht mehr möglich ist.
Das Verhalten einer Halbleiteranordnung kann entweder durch die Gütezahl, nämlich durch die Zeitkonstante RC, oder durch Messungen in einer Schaltung beurteilt werden. Beide Beurteilungsmethoden wurden benutzt. Die Zunahme der Konzentration der

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freien Ladungsträger beeinflußt die Zeitkonstante in einem erstaunlichen Grade. Bei η-Germanium mit einer Konzentration der freien Ladungsträger von 2,5 · 10¹⁹ cm-³ ergab sich, daß Zeitkonstanten von etwa 400 bis 700 Millimikrosekunden auftraten. Wenn die Konzentration auf 3,6 · 10¹⁹cm.-³ gesteigert wurde, wurden Zeitkonstanten von 6 bis 13 Millimikrosekunden erhalten. Wenn die Konzentration nur wenig weitergesteigert wurde, und zwar bis auf einen Wert von 4 · 10¹⁹cm~³, so ergab sich eine sehr erhebliche Verringerung der Zeitkonstante auf 0,5 Millimikrosekunden oder weniger.

Ferner ergab sich bei einem Vergleichsversuch mit η-Germanium bei Konzentrationen der freien Ladungsträger von 2,5 bzw. 3,6 · 10¹⁹cm-³ eine Bandbreitenverstärkung von 0,23 MHz bei einer Frequenz von 32 MHz. Die höchste Grenzfrequenz, bei welcher ein aus konzentrierten Parametern aufgebauter Kreis mit einer Diode dei angegebenen Konzentration der Ladungsträger Schwingungen ao zeigte, war 21 bzw. 170 MHz.

Die beschriebenen Dioden eröffnen die Möglichkeit, billige Geräte geringer Leistung zu bauen, die bei hohen Frequenzen arbeiten können, eine nicht lineare Verstärkung zeigen und die als Speicher dienen können. Sie können beispielsweise als Oszillatoren mit negativem Widerstand im Ultrahochfrequenzgebiet sehr gut Verwendung finden. Auf dem Gebiet sehr schnell arbeitender Rechenmaschinen können sie binäre logische Rechenoperationen ausführen, und sie besitzen eine ausreichende Verstärkung, um mehrere Stufen parallel zu steuern. Außerdem können sie als Speichereinheiten mit niedriger Leistung und kurzer Zugangszeit dienen. Ihre einfache Konstruktion eröffnet die Möglichkeit der Fabrikation in zweidimensionaler Anordnung, und ihre geringe Größe macht sie für Miniaturzwecke geeignet.

Um von der hohen Ansprechgeschwindigkeit der beschriebenen Dioden Gebrauch machen zu können, muß eine gewisse Sorgfalt auf die Montage der Dioden und auf ihre Schaltverbindung in einem Stromkreis verwendet werden. Die hohe Kapazität der Dioden, die im Bereich von 1 Mikrofarad je cm² und höher liegt, macht sie als Schaltelemente geringen Widerstandes bei hohen Frequenzen geeignet, und die Montage muß diesen geringen Widerständen angepaßt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Flächendiode mit einem scharfen pn-Übergang und so hoher Dotierung am pn-Übergang, daß ein negativer Widerstand infolge des Tunneleffektes bei Flußspannungen auftritt, dadurch gekenn zeichnet, daß das Halbleitermaterial und die Dotierung des einkristallinen Halbleiterkörpers so gewählt sind, daß

IO-¹² < exp [—a V_ca]/em*Jn) < 10~²
ist und dabei

Vcd den Bandabstand des Halbleitermaterials in Elektronenvolt,

m* das Verhältnis der effektiven Masse der leichteren Ladungträgers im Halbleitermaterial zu der Masse freier Elektronen,

ε das Verhältnis der Dielektrizitätskonstanten des Halbleitermaterials zur Dielektrizitätskonstanten des Vakuums und

α den Zahlenfaktor 7 · 10¹⁰

bedeutet.

2. Flächendiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Germanium ist und die Konzentration der freien Ladungsträger in der schwächer dotierten Zone zwischen 2,0 und 10,0 · 10¹⁹Cm-³ beträgt.

3. Flächendiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Silizium ist und die Konzentration der freien Ladungsträger in der schwächer dotierten Zone zwischen 7,0 und 35,0 · 10¹⁹Cm-³ beträgt.

4. Flächendiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Galliumarsenid ist und die Konzentration der freien Ladungsträger in der schwächer dotierten Zone zwischen 3,5 und 17,5 · 10¹⁹cm-³ beträgt.

5. Flächendiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Indiumantimonid ist und die Konzentration der freien Ladungsträger in der schwächer dotierten Zone zwischen 0,03 und 0,15 · 10¹⁹cm.-³ beträgt.

6. Flächendiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der freien Ladungsträger in der schwächer dotierten Zone zwischen 2,0 und 4,0 · 10¹⁹ beträgt und daß die andere auflegierte Zone stärker oder mindestens gleich dotiert ist.

7. Flächendiode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die schwächer dotierte Zone η-leitend und die stärker dotierte Zone p-leitend ist.

8. Verfahren zur Herstellung einer Flächendiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der einkristalline Halbleiterkörper zur Bildung des scharfen pn-Überganges bei der Legierung rasch erhitzt, für eine kurze Zeit auf der gewünschten Temperatur gehalten und dann rasch wieder abgekühlt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper höchstens 5 Minuten auf einer Temperatur unterhalb von 600⁰C gehalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur 400⁰C beträgt und für etwa 1 Minute aufrechterhalten wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen