DE1117778B - Halbleiteranordnung mit einer stromabhaengigen Induktivitaet - Google Patents

Halbleiteranordnung mit einer stromabhaengigen Induktivitaet

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DE1117778B DEW26097A DEW0026097A DE1117778B DE 1117778 B DE1117778 B DE 1117778B DE W26097 A DEW26097 A DE W26097A DE W0026097 A DEW0026097 A DE W0026097A DE 1117778 B DE1117778 B DE 1117778B
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Description

DEUTSCHES
PATENTAMT
W 26097 Vmc/21g
ANMELDETAG: 29. JULI 1959
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 23. NOVEMBER 1961
Die Erfindung bezieht sich auf Mittel zur Erzeugung von Induktivitäten hoher Güte mittels eines Halbleiters. Ihr Ziel ist die Erzeugung hoher Induktivitäten mittels einer kleinen Anordnung, die Signale umsetzt und verstärkt unter Ausnutzung des Phänomens, daß eine auf diese Weise hergestellte Induktivität vom Strom abhängig ist und die Bereitstellung eines wirksamen Mittels zur Umsetzung einer fremden Energie in die Energie eines elektrischen Signals.
Bisher sind nur wenige Veröffentlichungen bekanntgeworden, so z. B. die Arbeit von G. Kohn und W. Nonnenmacher, »Induktives Verhalten von pn-Übergängen in Flußrichtung«, veröffentlicht in A. E. U., 8, 1954, S. 561 bis 564, die die Erscheinung beschreiben, daß ein Halbleiterbauelement, das mit pn-Ubergang od. dgl. aufgebaut ist, in Durchlaßrichtung einen induktiven Blindwiderstand darstellt. Die in diesen Veröffentlichungen angegebene Güte war jedoch sehr niedrig, und die Induktivität war für irgendwelche praktischen Anwendungen zu klein. Außerdem war damals noch nicht bekannt, ob man die Güte der üblichen Induktivitäten würde angleichen können.
Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Halbleiteranordnung mit einer stromabhängigen Induktivität. Diese ist erfindungsgemäß derart aufgebaut, daß der Halbleiterkörper eine Zone von einem Leitfähigkeitstyp aus etwa eigenleitendem, insbesondere hochohmig n- oder p-leitendem Halbleitermaterial enthält, daß an dieser Zone einerseits eine ohmsche Kontakt-Elektrode und andererseits eine zweite Zone von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp angebracht ist und daß zwischen dieser zweiten Zone über eine andere ohmsche Kontakt-Elektrode und der ersten ohmschen Kontakt-Elektrode eine solche Spannung angelegt ist, daß in die erste Zone Minoritätsladungsträger injiziert werden.
Nach den der Erfindung zugrunde liegenden Untersuchungen kann der Scheinwiderstand der Anordnung, wie in Fig. 1 dargestellt, als Reihenschaltung von einer aus einer Induktivität L und einem Widerstand R2 ge-Halbleiteranordnung mit einer stromabhängigen Induktivität
Anmelder:
Dr.-Ing. YasushiWatanabe
und Dr.-Ing. Jun-ichi Nishizawa,
Sendai (Japan)
Vertreter: Dipl.-Ing. A. Essel, Patentanwalt, München 2, Wittelsbacherplatz 4
Beanspruchte Priorität:
Japan vom 29. Juli 1958 (Nr. ToJc. 33-21 353) und 25. März 1959 (Nr. Tok. 34-9670)
Dr.-Ing. Yasushi Watanabe
und Dr.-Ing. Jun-ichi Nishizawa, Sendai (Japan), sind als Erfinder genannt worden
bildeten Parallelschaltung mit den Widerständen R und R1 dargestellt werden.
Wenn es sich um einen Halbleiterkörper aus n-leitendem Material handelt, dessen Gesamtlänge s ist und bei dem die Lebensdauer der Defektelektronen τρ und die Beweglichkeit der Defektelektronen μρ beträgt, wenn E das zeitlich konstante elektrische Feld, J der Gleichstrom und q die elektrische Elementarladung ist, wenn n0 die Ladungsträgerkonzentration, sofern es sich um Elektronen, und p0 die Ladungsträgerkonzentration, sofern es sich um Defektelektronen handelt, bedeutet, und wenn das Verhältnis der beweglichen
Elektronen und Defektelektronen mit b =
zeichnet wird, so gelten pro Einheit des Querschnitts die Gleichungen
R = (s — L0)/(q μρ Rx=Uq K0 μρ b E*/[q ηομροΕ+(1+ U)Jf, R2=L0J(I + ο)Ε/ϋηομρΟΕ+(1 + b)Jf,
L = L0J(l+b)/2μp[qn0μPbE+(l+b)Jf,
JLq = ^JL ρ L· Xp .
(1) (2) (3) (4) (5)
Im Falle eines p-Typ-Halbleiters ist das Ergebnis selbstverständlich analog. Aus diesem Grunde sollen die zur Erfindung erforderlichen Erklärungen an Hand eines η-leitenden Halbleitermaterials durchgeführt
109 740/448
R1= L0KqTi0 μρ&), S (6)
R2 = L1 bE) (7)
L = L0 die I. (8)
Wenn der Strom Gleichungen
= L0EI(I -L0 (9)
*2 ^L0E(I E[J, (10)
L = LM2u (H)
,(1+*)/(? «0^6)
?(1+®/(29η0μ2 ρι
groß ist, so lauten
+ b)J,
+ b)/[(l+b)J] =
'-ρ (1 + b) J].
3 4
werden. Es sei darauf hingewiesen, daß sich die für den hohen Widerstand aufweisenden Halbleiterobigen Werte indirekt proportional mit dem Quer- körperl, gehen die Formeln (9) bis (11) über in
schnitt ändern. Falls s < μρΕτρ = L0 ist, kann L0 in ^_ , , .
den Formehl (1), (2), (3) und (4) durch die Gesamt- Kl -L»hlJ> W
länge der Probe ersetzt werden. Bei n-leitendem 5 R2 = L0EfJ, (19)
Germanium beträgt der maximale Phasenwinkel etwa L = L 1(2 u J) Γ20Ί
27°, und die Güte bleibt etwa β = 0,5. Induktivitäten oA μη '' K J
von der Größenordnung von mehreren Zehner- Die Formeln (6), (7) und (8) lauten dann:
potenzen Millihenry lassen sich erreichen. π _*_t u u\ on
Wenn die Formeln (1), (2) und (3) der Einfachheit io K* ~ ^MPo /% O), μι)
halber durch Näherungen ersetzt werden, so gehen sie, R2 = L0/(qp0 μη b), (22)
wenn der Strom klein, verglichen mit dem Ausdruck L = L %K2ap u bE) (23)
Diese sind keine sehr zufriedenstellenden Kennwerte. ig ^6 man aus ^6n obigen Erläuterungen erkennt, ist es möglich, Induktivitäten mit einem großen Anwendungsbereich zu erhalten
um Ij weiter zu vergrößern, kann man em Dotierungsmaterial verwenden, das im hochohmigen n-Geao biet Traps hervorruft. Bei Germanium kann zu diesem Zweck Kupferj Gold; saber, Platin oder Molybdän herangezogen werden. Bei den Verbindungs-Halbleitern bestehen ähnliche Verhältnisse.
Als weitere wirkungsvolle Maßnahme wird vor-Um E ohne Erhöhung von / bei dieser Impedanz 25 geschlagen, Stromverstärkung anzuwenden. Der prakzu erhöhen, wird ein Halbleiterkörper 1 mit einem tische Anwendungsbereich wird damit unbegrenzt, ohmschen Kontakt 3 versehen. Weiter besteht die wenn man den Aufbau der Halbleiteranordnung ent-Halbleiteranordnung aus dem hochohmigen η-leiten- sprechend vornimmt. Eines der einfachsten Beispiele den Halbleiterkörper 1 mit dem p-Gebiet 2. Nach der zeigt Fig. 4. Das Element, das in Fig. 4 a dargestellt Anbringung der Zuleitungen 5 an dem Kontakt 3 und 4 30 ist, besitzt einen Bereiche, der durch Zugabe starken an dem p-Gebiet 2 wird ein Kontakt 6, der notwendi- Dotierungsmaterials des gleichen Leitfähigkeitstyps gerweise in der Nähe des ohmschen Kontaktes 3 hergestellt worden ist und der sich zwischen dem liegen soll, und die Zuführungsleitung 7 an dem Kon- ohmschen Kontakt 3 des Elementes und dem hochtakt 7 hinzugefügt, damit der elektrische Strom ohmigen Bereich 1, wie er gemäß Fig. 2 beschrieben zwischen den Zuführungsleitungen 4 und 5 verändert 35 ist, befindet. Das Einströmen elektrischer Ladungswird, während die Spannung über die Elektrode 7 träger aus dem pn-Übergang 2 verursacht eine starke angelegt wird. Da die maximale Länge von L0 durch Ladungsträgereinströmung wegen der Verstärkerdie Formel (5) bestimmt ist, können L, R und R2 wirkung der LH-Verbindung. Eine LH-Verbindung vergrößert werden, wenn E vergrößert wird. ist die Grenzfläche zwischen einer niedrig dotierten
Wenn b sehr groß wird, können die Formeln (6) bis 40 und einer hoch dotierten Halbleiterzone desselben (11) in die folgenden Formern umgewandelt werden: Leitfähigkeitstyps (s. dazu z.B. Arthur Gibbson,
Gunn Proc. of the Phys. Soc, Section 3, Part. 7, Juli 1956, S. 705ff.). Diese Anordnung wirkt so, als wenn tatsächlich b beträchtlich vergrößert worden 45 wäre. Gemäß der theoretischen Berechnung ist die Erreichung einer Güte von Q = 100 nicht notwendigerweise schwierig. Fig. 4b zeigt eine Anordnung, die hergestellt worden ist, um Güten, die noch um einiges höher liegen, durch die Anordnung eines Gebietes 9 50 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps zwischen dem ohmschen Kontakt 6 und dem hohen Widerstand auf-Aus den Formeln (12), (13) und (14) ersieht man weisenden Gebiet zu erreichen.
ohne weiteres, daß die Güte Q außerordentlich hoch Zur Herstellung einer Induktivität aus einem Halbwird. Bei Indiumantimonid beispielsweise ist b = 140, leiter, die eine hohe Güte aufweist und die leicht und dies ergibt eine Güte von Q = 5. 55 herstellbar und beständig ist, ist es ratsam, zur Strom-
Es erscheint heute möglich, eine Induktivität von verstärkung eine Hookanordnung zu verwenden. Aus mehreren Henry zu erreichen. Wie in Fig. 3 angedeutet, Fig. 5 sind diese Konstruktion und ihre Wirkungswird das p-Gebiet 2 durch Eindiffusion von Cadmium weise erkennbar. Die in Fig. 5 dargestellte Halbleiterin das hochohmige η-leitende Indiumantimonid er- anordnung besteht aus einer Halbleiterzone 6, im zeugt. Es ist offensichtlich, daß diese Anordnung eine 60 folgenden soll dies als hochohmiges η-Gebiet anVerbesserung des in Fig. 2 dargestellten Gebildes genommen werden, obwohl tatsächlich ein n-Halbleiter darstellt. oder ein Eigenhalbleiter verwendet werden kann, einer
Um b angemessen zu vergrößern, kann Indium- metallischen Kontakt-Elektrode 2 zusammen mit dem arsenid verwendet werden, bei dem die Größe b etwa n-Gebiet 5 und dem p-Gebiet 4, die als Hook wirken, bei 300 liegt. Hier kann man eine Güte Q erwarten, 65 Zusätzlich dazu ist eine metallische Elektrode 3 über die bis zu 8 beträgt. Wenn im Gegensatz hierzu b fast das niederohmige p-leitende Gebiet 7 angeschlossen, Null wird, z. B. durch Umkehrung des pn-Überganges die als Emissionsgebiet wirkt. Das Diagramm nach und bei Verwendung eines p-leitenden Indiumarsenids Fig. 6 zeigt die Spannungsverteilung zum Verständnis
R1 = O, (12)
R2 = L0/(q Ti0 μΡ), (13)
L = L0I(IqTi0 μΐΕ), (14)
i?i = 0, (15)
R2=L0EU, (16)
L = L*[(2upbJ). (17)
des elektrischen Stromes, den die Signalspannung verursacht, die in Durchlaßrichtung an die Elektroden! und 3 gelegt wird. Die Durchlaßrichtung ist die, bei der die Spannung so gepolt wird, daß die Elektrode 2 gegenüber der Elektrode 3 negativ vorgespannt ist. Die Dichte der Defektelektronen, die aus dem Emissionsgebiet? in das hochohmige Gebiet 6, getrieben von der Signalspannung, einströmen, nimmt zu, und die Defektelektronen sammeln sich an und vermindern die Diffusionsspannung des Hookgebietes 5 gegenüber dem n-Gebiet4 und ermöglichen damit den Anstieg des Einströmens freier Elektronen in das hochohmige Gebietö. Da der Anstieg des Stromes der freien Elektronen erst nach der Ankunft der positiven Löcher am Hook stattfindet, tritt an dieser Stelle eine Zeitverzögerung auf. Außerdem dauert es eine gewisse Zeit, bevor die Defektelektronen das hochohmige Gebiet 6 durchdrungen haben. Auf diese Weise ergibt sich natürlich eine Zeitverzögerung zwischen dem Anstieg der Spannung zwischen den beiden Klemmen und dem Anstieg des Stromes. Man versteht, daß als Ersatzschaltung für solch eine Anordnung eine Induktivität dienen kann. Überdies nimmt der Widerstand des hochohmigen Gebietes 6 nicht ab, wenn die Spannung abnimmt. Das kommt daher, daß der Widerstand immer noch klein bleibt, weil die Defektelektronen immer noch in dem Hook 5 verbleiben und vielen freien Elektronen aus dem n-Gebiet 4 das Einströmen gestatten. Bis der Widerstand besagter Schichte größer wird, ist die Zeit erforderlich, bis alle eingeströmten Defektelektronen sich an dem Hook 5 sammeln und dann in das η-Gebiet übertreten oder anderweitig durch Rekombinationen verschwinden, bis danach die überschüssigen, eingeströmten freien Elektronen den Weg durch den hochohmigen Bereich 6 bis zum Emissionsgebiet 7 zurücklegen. Die so erforderliche Zeit entspricht einer sehr großen Induktivität. Tatsächlich sammeln sich die eingeströmten freien Elektronen an dem Punkt tiefsten Potentials in dem Grenzgebiet, bevor sie in das Emissionsgebiet 7 der Anordnung nach Fig. 5 eintreten, und erleichtern das Einströmen der Defektelektronen, Oft geht das so weit, daß in unendlicher Folge die Induktivität immer mehr zunimmt und der Widerstand R1 gelegentlich sich in einen negativen Widerstand verändert, wie in dem Schaltbild nach Fig. 12 angedeutet. Mit anderen Worten kann der Widerstand R1 entsprechend eingestellt werden, wenn nur die hierfür in Frage kommenden Punkte aufeinander eingestellt werden. Wenn der Widerstand auf Null reduziert wird, erhält man eine Kennlinie, die wie die in Fig. 12 c dargestellte aussieht. Wenn der Widerstand negativ wird, sieht die Kennlinie wie die in Fig. 12b dargestellte aus. Wenn die Beweglichkeitscharakteristik bei einer sehr hohen Frequenz gemessen wird, so erhält man R1 und R2. Der Widerstand R2 bestimmt sich im allgemeinen durch den spezifischen Widerstand des hochohmigen Gebietes 6. Man kann erwarten, daß dieser Wert einige Megohm erreicht. Es ist ganz leicht, eine Induktivität eines solchen Elementes von mehreren Henry zu erreichen. Ein entsprechendes Element kann leicht ausgewählt werden.
Es wird darauf hingewiesen, daß der praktische Anwendungsbereich dieser Erfindung sehr weit ist. Es ist möglich, die Induktivität zu steuern, entweder durch Erhöhung der Spannung oder durch Hinzufügung von mehreren Elektroden. Man kann verschiedene Anwendungsformen dieser Anordnung erhalten, wenn man die Spannungen der Elektroden in Signalspannungen umwandelt, indem man entweder eine Phasenabweichung oder eine Amplitudenbeeinflussung hinzunimmt.
Das Bauelement, das in Fig. 7 dargestellt ist, ist ein Beispiel für eine Konstruktion, bei der das Emissionsgebiet von der Hauptelektrode 3 getrennt ist und z. B. aus der Grenzfläche einer Indiumlegierung 7 besteht. Diese Konstruktion zeichnet sich durch einen besonders großen Steuerbereich aus.
Fig. 8 zeigt eine Konstruktion, bei der die Emissionselektrode aus einer Metallnadel besteht.
Fig. 9 ist ein Beispiel, bei dem zwei Hauptelektroden 2 und 3 mit je einem Hook 4 und 5 bzw. 10 und H versehen sind.
Die Anordnung nach Fig. 10 ähnelt der nach Fig. 9. Sie ist ein Beispiel, bei dem an Stelle einer Hauptelektrode 3 die Steuerelektrode 8 mit einem Hook 12, 7 versehen ist.
In Fig. 11 ist ein Beispiel dafür dargestellt, wie man jeder der drei obenerwähnten Elektroden einen Hook zuordnen kann.
Fig. 13 ist ein Beispiel dafür, daß auf den Hookzonen 5 und 10 getrennte Elektroden aufgesetzt sind, die zu Steuerelektroden 13 und 14 werden. Die Anordnungen nach den Fig. 14 und 15 sind Veränderungen der Anordnungen nach den Fig. 10 und 11. Bei der tatsächlichen Herstellung sind viele technische Methoden einschließlich des Legierungs-DifFusionsverfahrens anwendbar.
Als eine der hervorragenden Eigenschaften dieser Anordnung sei hervorgehoben, daß man damit eine Wirkungsweise erreichen kann, die der einer am Gitter löschbaren Gasentladungsröhre entspricht. Das Prinzip der Wirkungsweise der am Gitter löschbaren Gasentladungsröhre ist das gleiche, wie bereits oben erklärt. Damit kann man diese Wirkungsweise als eine der Anwendungen der Anordnung gemäß der Erfindung ansehen.

Claims (9)

Patentansprüche:
1. Halbleiteranordnung mit einer stromabhängigen Induktivität, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine Zone von einem Leitfähigkeitstyp aus etwa eigenleitendem, insbesondere hochohmig n- oder p-leitendem Halbleitermaterial enthält, daß an dieser Zone einerseits eine ohmsche Kontakt-Elektrode und andererseits eine zweite Zone von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp angebracht ist und daß zwischen dieser zweiten Zone über eine andere ohmsche Kontakt-Elektrode und der ersten ohmschen Kontakt-Elektrode eine solche Spannung angelegt ist, daß in die erste Zone Minoritätsladungsträger injiziert werden.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite, z. B. aus Cadmium gebildete p-leitende Zone in die erste hochohmige, z. B. aus Indiumantimonid bestehende η-leitende Zone durch Eindiffusion angebracht ist.
3. Halbleiteranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste hochohmige Zone Traps erzeugende Verunreinigungen enthält.
4. Halbleiteranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der hochohmigen ersten Zone und der an ihr angebrachten ohmschen Kontakt-Elektrode eine eine hohe Konzentration an Verunreinigungsmaterial enthaltende weitere Zone vorgesehen ist.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp als die erste Zone aufweist.
6. Halbleiteranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens an einem der pn-Übergänge eine Hookzone vorgesehen ist.
7. Halbleiteranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß je eine Hookzone an einer der beiden ohmschen Kontakt-Elektroden und an einer weiteren, an
einer der Zonen angebrachten Steuerelektrode vorgesehen ist.
8. Halbleiteranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Hookzonen an allen Elektroden vorgesehen sind.
9. Halbleiteranordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an den Hookzonen Elektroden angebracht sind.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 047 947;
französische Patentschrift Nr. 1 196 047;
britische Patentschriften Nr. 805 926, 532 033;
AEÜ, Bd. 8, 1954, S. 562 bis 564;
Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, 1954, S. 283 bis 321, insbesondere 294.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
ι 109 740/448 11.61
DEW26097A 1958-07-29 1959-07-29 Halbleiteranordnung mit einer stromabhaengigen Induktivitaet Pending DE1117778B (de)

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