-
Gleichrichtende Tunneldiode, insbesondere für die Gleichrichtung von
Wechselspannungen von etwa einem Volt, und Verfahren zu ihrer Herstellung Der quantenmechanische
Tunneleffekt, d. h. der Durchtritt eines Teilchens durch ein Gebiet, das für das
Teilchen aus energetischen Gründen »verboten« ist, wird bisher in der Halbleitertechnik
in zwei Bauelementen ausgenutzt, nämlich in der »Zenerdiode« und in der »Tunneldiode«.
In beiden Fällen treten Elektronen unter dem Einfluß des starken elektrischen Feldes
in einem pn-Übergang durch die verbotene Zone vom Valenz- in das Leitungsband bzw.
umgekehrt über. Die Wahrscheinlichkeit für diesen Übergang ist in erster Näherung
proportional zu exp Dabei ist E die elektrische Feldstärke und
a eine Größe, die unter anderem die effektive Masse der Elektronen und Löcher und
die Breite der verbotenen Zone enthält (vgl. zum Beispiel W. Franz und L. Tewordt,
Halbleiterprobleme 11I, Friedr. Vieweg u. Sohn, Braunschweig 1956, S. 1 ff., und
E. Spenke, Elektronische Halbleiter, Springer-Verlag, Berlin, 1955, S. 211 ff.).
-
Die angedeutete Abhängigkeit der Übergangswahrscheinlichkeit von der
elektrischen Feldstärke hat zur Folge, daß bei sehr großen Feldstärken der Strom
über den pn-Übergang wesentlich durch den Timnelelbekt bestimmt wird. Die erforderlichen
hohen Feinstärken von einigen 105 bis 106 V/cm erreicht man in einem pn-Übergang
schon bei kleinen äußeren Spannungen, wenn die n- und p-Zonen hoch dotiert sind
und der Übergang von der n- zur p-Zone sehr steil erfolgt. In diesem Fall ist nämlich
das Raumladungsgebiet im Übergang sehr wenig ausgedehnt, und die Spannung fällt
über einer entsprechend kurzen Strecke von einigen 100 Ä ab.
-
Zenerdiode und Tunneldiode unterscheiden sich nun im wesentlichen
in der Dotierung und damit in der Größe des elektrischen Feldes, das infolge der
Raumladung ohne äußere Spannung im pn-Übergang besteht. Dieser Unterschied hat wesentlich
verschiedene Formen der Strom-Spannungs-Kennlinie zu Folge. Dies sei an Hand der
Fig. 1 und 2 der Zeichnung erläutert. Es zeigt Fig. 1 die Strom-Spannungs-Kennlinie
einer Zenerdiode, Fig.2 die Strom-Spannungs-Kennlinie einer Tunneldiode.
-
Auf der Abszisse ist jeweils die Spannung in Volt aufgetragen, der
Stromverlauf in Richtung der Ordinate, bezogen auf die Polung des p-Gebietes, ist
nur qualitativ angegeben.
-
Die Zenerdiode (Fig. 1) ist so dotiert, daß die für einen merklichen
Tunneleffekt erforderlichen Feldstärken erst nach Anlegen einer negativen Spannung
an das p-Gebiet erreicht we,-den. Beim Anlegen einer positiven Spannung an das p-Gebiet
fließt der sogenannte Flußstrom, der exponentiell mit der Spannung ansteigt. Beim
Anlegen einer negativen Spannung fließt der sogenannte Sperrstrom, der in vielen
Fällen den Charakter eines Sättigungsstromes hat. Er steigt manchmal auch mit der
Spannung etwas an, jedoch auf jeden Fall weit schwächer als der Flußstrom. Sobald
die Spannung einen bestimmten Wert, der von der Dotierung abhängt, überschritten
hat, die Feldstärke also groß genug ist, beginnt der Strom, der sogenannte Zenerstrom,
infolge des Tunneleffektes stark anzusteigen. Es läßt sich eine Spannung UD, die
Durchbruchsspannung, definieren, bei welcher der Steilanstieg erfolgt. Es muß noch
darauf hingewiesen werden, daß bei verhältnismäßig breiten pn-Übergängen ein anderer
Mechanismus, nämlich die Ladungsträgervervielfachung durch Stoß, zu einem ähnlichen
Steilanstieg des Sperrstromes führt. Bei verhältnismäßig hochdotierten, abrupten
Übergängen ist jedoch der uns hier interessierende Tunneleffekt ausschlaggebend.
-
Die Zenerdioden werden z. B. als Spannungsbegrenzer verwendet. Man
stellt sie mit Durchbruchsspannungen von ungefähr 1 V an aufwärts her.
-
Die Tunneldioden (Fig. 2) werden so stark dotiert, daß n- und p-Gebiet
entartet sind. Außerdem soll
der Übergang vom n- zum p-Gebiet so
abrupt wie möglich erfolgen. Das hat zur Folge, daß die Raumladungsschicht des Überganges
so schmal und damit die Feldstärke so groß ist, daß selbst bei Polung in Flußrichtung,
bei der das p-Gebiet positiv ist, der Tunneleffekt noch eine wesentliche Rolle spielt.
Beim Anlegen einer negativen Spannung an das p-Gebiet, entsprechend der Polung in
Sperrichtung bei gewöhnlichen Dioden, fließt ein Tunnelstrom von Elektronen vom
Valenzband des p-Gebietes in das Leitungsband des n-Gebietes. Dieser Strom steigt
mit der Spannung verhältnismäßig rasch an. Beim Anlegen einer positiven Spannung
an das p-Gebiet fließt umgekehrt ein Tunnelstrom von Elektronen aus dem Leitungsband
des n-Gebietes in das Valenzband des p-Gebietes. Dieser Strom steigt ebenfalls mit
der Spannung zunächst an. Er erreicht bei etwa 50 bis 100 mV, je nach Halbleiter
und Dotierung, ein Maximum und nimmt dann mit zunehmender Spannung wieder ab. Der
Tunnelstrom geht gegen Null, wenn die angelegte Spannung so groß ist, daß der untere
Rand des Leitungsbandes im n-Gebiet höher liegt als der obere Rand des Valenzbandes
im p-Gebiet. Diesem Strom überlagert sich der oben beschriebene »Flußstrom«, der
mit der Spannung exponentiell ansteigt. Man erhält also in »Flußrichtung« ein ausgeprägtes
Maximum und Minimum des Stromes. Zwischen Maximum und Minimum fällt der Strom mit
wachsender Spannung, die Diode hat in diesem Bereich einen negativen Widerstand.
-
Tunneldioden mit einem negativen Widerstand in »Flußrichtung« wurden
z. B. von Esaki beschrieben (L. Esaki, Phys. Rev., 109 [1958], S. 603). Es sind
infolge ihrer negativen Charakteristik sehr einfache Bauelemente, die für die Erzeugung
von Schwingungen und für Verstärkung im Bereich hoher Frequenzen geeignet sind.
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine gleichrichtende Tunneldiode, insbesondere
für die Gleichrichtung von Wechselspannungen von etwa 1 Volt. Erfindungsgemäß ist
die Stärke und/oder der Verlauf der Dotierung am p-n-Übergang so gewählt, daß der
Strom in der Flußrichtung bei negativer Polung der p-Zone bzw. bei positiver Polung
der n-Zone im wesentlichen ein Tunnelstrom ist und mit der Spannung möglichst steil
ansteigt und daß in der Sperrichtung bei positiver Polung der p-Zone bzw. be ur-,gativer
Pojung der n-Zone ein Strommaximum vorhanden ist, das :wischen einem Hundertstel
und einen, Zehntel des Flußstromes (IF) beträgt, der bei einer Flußspannung (UF)
von einem Viertel der maximalen Sperrspannung (Us) fließt. Im übrigen wird der Strom
bei dieser Polung im wesentlichen von dem bekannten pn-Mechanismus getragen und
ist bis zu Spannungen im Bereich des Spannungsäquivalents der verbotenen Zone, dem
Stromminimum, um ein Mehrfaches kleiner als der Maximalwert des Stromes im Strommaximum.
Der Begriff »maximaler Flußstrom« (IF) im hier gebrauchten Sinne wird später an
Hand der Fig. 3 erläutert.
-
Es wird betont, daß die Erfindung nicht auf Halbleiterdioden mit pn-Übergängen
im üblichen Sinn begrenzt ist, sondern sich sinngemäß auch auf Dioden mit anderen
Sperrschichten erstreckt, bei denen. ein entsprechender Leitungsmechanismus eine
Tunneldiodencharakteristik im obenerwähnten Sinn schlechthin ermöglicht. Die Grundlagen,
auf denen die Erfindung aufbaut, werden nachfolgend an Hand der Fig. 3 bis 5 der
Zeichnung erläutert. Es zeigt Fig.3 qualitativ die Strom-Spannungs-Kennlinie einer
Tunneldiode gemäß der Erfindung, Fig. 4 quantitativ die Strom-Spannungs-Kennlinie
einer Tunneldiode gemäß der Erfindung, Fig. 5 quantitativ die Strom-Spannungs-Kennlinie
einer Tunneldiode, die den Anforderungen der Erfindung nicht entspricht.
-
Auf der Abszisse ist jeweils die Spannung in Volt und auf der Ordinate
der Strom in Ampere, in Fig.3 nur qualitativ, bezogen auf die Polung des p-Gebietes,
aufgetragen.
-
Beim Anlegen einer negativen Spannung an das p-Gebiet der . Tunneldiode
gemäß der Erfindung (Fig.3) fließt ähnlich wie bei einer Tunneldiode bekannter Art
(Fig. 2) ein mit der Spannung steil ansteigender Strom. Dagegen ist der Stromverlauf
beim Anlegen einer positiven Spannung an das p-Gebiet, die Flußrichtung bei Dioden
herkömmlicher Art, bei der Tunneldiode gemäß der Erfindung wesentlich verschieden
gegenüber der Charakteristik der bisher bekanntgewordenen Dioden, und zwar ist das
Strommaximum gemäß Fig. 2 erheblich verkleinert. Der Strom ist in diesem Bereich
also im wesentlichen der oben beschriebene Flußstrom. Er steigt, wie erwähnt, exponentiell
mit der Spannung an und ist bei Halbleitern mit verhältnismäßig großer Breite der
verbotenen Zone, d E > 1 eV, bis zu verhältnismäßig hohen Spannungen von etwa 1
V sehr klein. Man erhält mit solchen Halbleiterdioden ein besonders breites Stromminimum,
in dessen Bereich der Strom um ein Mehrfaches kleiner ist als im Strommaximum.
-
Von dieser Eigenschaft der Kennlinie wird Gebrauch gemacht, insbesondere
zur Verwendung der Tunneldiode zur Gleichrichtung kleiner Wechselspannungen. Hierbei
ergeben sich im Vergleich mit einer Diode mit einer Charakteristik herkömmlicher
Art, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, in der Sperrrichtung bei verhältnismäßig
sehr kleinen Spannungen von etwa 0,1 V nur geringfügig größere Verluste. Dafür steigt
der Durchlaßstrom (vgl. den positiven Ast bei Dioden herkömmlicher Art gemäß Fig.
1 bzw. den negativen Ast bei der Tunneldiode gemäß der Erfindung nach Fig. 3) mit
zunehmender Spannung wesentlich stärker an. Das kleine Maximum in der Sperrichtung
bei der Tunneldiode gemäß der Erfindung bewirkt nämlich, daß die Tangente an die
Kennlinie im Nullpunkt wesentlich steiler ist Dies läßt ein Vergleich der quantitativen
Kennlinien der Fig.4 und 5 klar erkennen. Eine Tunneldiode mit einer Kennlinie gemäß
Fig. 5 ist also weniger zur Gleichrichtung geeignet als eine Diode gemäß Fig. 4.
Hieraus erkennt man, daß die Lehre der vorliegenden Erfindung wesentlich abweicht
von den bisher bekannten Auffassungen über die erstrebenswerte Charakteristik einer
Gleichrichterdiode. Die Sperrichtung läßt sich, wie aus der obigen Erläuterung der
Charakteristik einer Tunneldiode leicht verständlich ist, bei einer Tunneldiode
gemäß der Erfindung bis zu Spannungen in der Größenordnung d E/e ausnutzen,
wobei d E
die Breite der verbotenen Zone und e die Elementarladung ist. Wegen
der großen Steilheit der Kennlinie im Nullpunkt ergibt sich bereits bei sehr kleinen
Spannungen ein sehr gutes Richtverhältnis.
Aus der Fig. 3 ist weiterhin
die Bedeutung des obenerwähnten Begriffes »maximaler Flußstrom« (IF) zu entnehmen.
Die maximale Sperrspannung Us sei gegeben durch die Tangente an den linearen Teil
der Kennlinie bei positiver Polung. Die maximale Flußspannung Ur. wird so
definiert, daß Ur, höchstens ein Viertel von Us betragen soll. Damit ist
auch der maximale Flußstrom IF festgelegt.
-
Die vorerwähnte Abhängigkeit der zulässigen Sperrspannung vom Verhältnis
d El e empfiehlt die Verwendung von Halbleitermaterialien mit möglichst größer
Breite der verbotenen Zone, z. B. Si, SiC, AlSb, InP, GaAs oder GaP. Andererseits
wird man solche Halbleitermaterialien bevorzugen, die neben einer großen Breite
der verbotenen Zone eine verhältnismäßig kleine effektive Masse der Elektronen oder
Löcher aufweisen. Denn die Wahrscheinlichkeit für den Tunneleffekt der Ladungsträger
durch die verbotene Zone und damit der Tunnelstrom ist um so größer, je kleiner
die effektive Masse der Ladungsträger ist (vgl. die eingangs erwähnte Literatur).
Unter diesen Gesichtspunkten eignen sich als Halbleitermaterialien für die Tunneldiode
gemäß der Erfindung vor allem GaAs, InP und GaP.
-
Der Tunneldiode gemäß der Erfindung erschließen sich nach dem Vorgesagten
besonders wichtige Anwendungsgebiete für die Gleichrichtung von Wechselspannungen
in der Größenordnung von 1 V, z. B. für die Stromversorgung elektrothermischer Kühlaggregate.
Mit den üblichen Halbleitergleichrichtern sind bei diesen Spannungen nur verhältnismäßig
schlechte Wirkungsgrade zu erzielen, da bei diesen Fluß- und Sperrichtung gekoppelt
sind, bedingt durch den Mechanismus der Stromleitung, der für beide Polungen im
Prinzip gleich ist. Es handelt sich z. B. bei einem Gleichrichter mit Shockleyschem
Übergang in beiden Richtungen um eine Diffusion von Minoritätsträgern. Man erhält
daher bei diesen Gleichrichtern einen großen Flußstrom bei kleinen Spannungen nur
auf Kosten eines verhältnismäßig großen Sperrstromes.
-
Bei einem Gleichrichter gemäß der Erfindung wird dagegen, wie oben
dargelegt ist, der Strom in der Durchlaßrichtung durch den Tunneleffekt, der Strom
in der Sperrichtung im wesentlichen durch den üblichen pn-Mechanismus bestimmt.
Durchlaß-und Sperrichtung sind also weitgehend entkoppelt, und man erhält große
Durchlaßströme bei verhältnismäßig kleinen Spannungen und gleichzeitig verhältnismäßig
kleine Sperrströme.
-
Der Vorteil der Kennlinie nach der Fig. 4 könnte durch in der Durchlaßrichtung
wirksam werdende Serienwiderstände aufgehoben werden. Es ist daher darauf zu achten,
daß derartige Widerstände nicht auftreten können. Demgemäß sind möglichst kleine
Bahn- und Gegenelektrodenwiderstände anzustreben. Vor allem muß die Gegenelektrode
vollkommen sperrfrei sein und einen möglichst niedrigen Übergangswiderstand aufweisen.
-
Bei Einhaltung der obenerwähnten Forderung für das Strommaximum bei
positiver Polung des p-Gebietes ist gewährleistet, daß die Verluste in der Sperrichtung
wesentlich kleiner sind als diejenigen in der Durchlaßrichtung. Im übrigen ist der
Wirkungsgrad einer Gleichrichterdiode gemäß der Erfindung ei wartungsgemäß noch
von der Aussteuerung des Gleichrichters abhängig, insbesondere also von der Höhe
der Wechselspannung und des Verbraucherwiderstandes.
-
Allgemein gilt für Tunneldioden, daß die Dotierung des n- und p-Gebietes
bzw. die Steilheit des Störstellengradienten im Übergangsgebiet um so höher sein
muß, je größer die Breite der verbotetenen Zone des Halbleiterkörpers und die effektive
Masse der Ladungsträger ist. Die Tunnelwahrscheinlichkeit und damit die Größe des
Tunnelstromes ist in erster Näherung proportional zu
| ex p A meff 1/2A El |
| 1 N 1/2 |
| wobei y = l -;- l und N = n -!- 1 und |
| yzeff Mn mp p |
mit = effektive Masse der Elektronen, mP
= effektive Masse der Löcher,
n = Konzentration der Elektronen im p-Gebiet, p = Konzentration der Löcher im p-Gebiet,
A E = Breite der verbotenen Zone, A = ein Zahlenfaktor bedeutet. Für Tunneldioden
gemäß der Erfindung eignen sich Halbleiterkörper, bei denen die Dotierung des n-
und des p-Gebietes mindestens leicht entartet ist und bei denen der pn-Übergang
möglichst steil aus gebildet ist. Darüber hinaus kann die Dotierung auch so gewählt
sein, daß das n- und das p-Gebiet oder eines der beiden stark entartet ist. In diesem
Fall würde unter Umständen die Forderung hinsichtlich der Höhe des Strommaximums
bei positiver Polung des p-Gebietes nicht mehr erfüllt. Dies kann dadurch behoben
werden, daß der pn-Übergang abgeflacht wird, z. B. durch eine kurze Temperbehandlung
des Halbleiterkörpers.. Höhe und Dauer der Temperung hängen von der berdotierung
ab. Bei einer überdotierten GaAs-Diode gemäß der Erfindung mit auflegierter Sn-Elektrode
genügt z. B. eine Temperung von etwa einer Minute bei etwa 500 bis 600° C, um die
gewünschte Abflachung des pn-Überganges zu erzielen.
-
Die Charakteristik gemäß Fig. 4 wurde mit einer GaAs-Tunnel-Diode
gemäß der Erfindung aufgenommen, die folgende Daten aufwies. Die Dotierung des p-Gebietes
lag zwischen 2 und 5 - 1019cm-3. Als Dotiersubstanz wurde Zink verwendet. Das n-Gebiet
wurde durch Auflegieren von Sn nach dem Verfahren der am 23. August 1956 bekanntgemachten
Unterlagen der deutschen Patentanmeldung S 35242 VIIlc/ 21g 11/02 hergestellt. Dabei
wird das n-Gebiet so hoch dotiert, daß es entartet ist. Die Herstellung von GaAs-Tunneldioden
nach diesem Verfahren ist bereits vorgeschlagen worden. Die Gegenelektrode, die
aus den obenerwähnten Gründen vollkommen sperrfrei sein und einen möglichst niedrigen
Übergangswiderstand aufweisen muß, besteht ebenfalls aus Zinn, dem z. B. etwa 0,1
bis 20/0 Zink beigemischt sind. Bei der Tunneldiode mit einer Charakteristik gemäß
Fig. 5 lag, bei sonst im wesentlichen gleichen Daten wie bei der Diode mit der Charakteristik
gemäß Fig. 4, die Dotierung des p-Gebietes wenig unter 2 - 1019cm-3.