DE1152763B

DE1152763B - Halbleiterbauelement mit mindestens einem PN-UEbergang

Info

Publication number: DE1152763B
Application number: DEJ18037A
Authority: DE
Inventors: Richard F Rutz
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1959-08-05
Filing date: 1960-04-28
Publication date: 1963-08-14
Also published as: DE1152763C2; US3079512A; NL135881C; FR1263961A; GB921264A; NL250955A

Description

£33k

Bei der bekannten Esaki-Diode, auch Tunneldiode genannt, handelt es sich um ein Halbleiterbauelement mit einem PN-Übergang, das zu beiden Seiten dieses Überganges in den Halbleiterzonen mit Fremdatomen derart hoch dotiert ist, daß sich der Entartungszustand einstellt. Diese Dotierung beträgt bei Germanium etwa 10¹⁹ Donator- oder Akzeptoratome pro Kubikzentimeter auf beiden Seiten der sehr dünnen und etwa 150 Angström betragenden PN-Übergangsschicht (vgl. Leo Esaki, »New Phenomenon in Narrow Germanium p-n Junctions«, Phys. Rev., Januar 1958, S. 603 und 604).

Ein P-Halbleitermaterial gilt als entartet, wenn das Fermi-Niveau entweder innerhalb des Valenzbandes liegt, oder wenn es außerhalb des Valenzbandes liegt und sich von der Valenzbandkante im verbotenen Band um eine Energie unterscheidet, die nicht wesentlich größer als KT₀ ist, wenn K die Boltzmannsche Konstante und T₀ die Raumtemperatur in Kelvingraden bedeutet. Ein N-Halbleiter gilt als entartet, wenn das Fermi-Niveau entweder innerhalb des Leitfähigkeitsbandes liegt oder, falls es außerhalb des Leitfähigkeitsbandes liegt, sich von der Leitfähigkeitsbandkante im verbotenen Band durch eine Energie unterscheidet, die nicht wesentlich größer als KT₀ ist. Im folgenden sei ein bis zur Entartung dotierter P-Halbleiter mit P⁺, ein bis zur Entartung dotierter N-Halbleiter mit N⁺ bezeichnet.

Es ist bekannt, zur Erhöhung der Grenzfrequenz von Halbleiterbauelementen die Störstellendichte innerhalb gewisser Gebiete der Halbleiterkörper abzustufen. So vergrößert man z. B. häufig durch höhere Dotierung der Oberflächen eines Halbleiterkörpers die Leitfähigkeit dieser Teile gegenüber den im Inneren liegenden Gebieten. In diesen Fällen erfolgt die verstärkte Störstellenzugabe nicht bis zur Entartung, trotzdem wird in der Literatur vielfach die stärkere Dotierung ebenfalls durch die Symbole P⁺ bzw. N⁺ kenntlich gemacht.

Damit eine Halbleiterdiode die Eigenschaften einer Esaki-Diode hat, müssen die P- und N-Materialien so beschaffen sein, daß das Valenzband des P-Materials das Leitfähigkeitsband des N-Materials überlappt. Außerdem muß der Übergang zwischen den P- und N-Materialien sehr dünn sein, d.h. etwa 150 Ängströmeinheiten oder darunter. Vorzugsweise muß die Oberseite des Valenzbandes über dem Fermi-Niveau auf der P-Seite liegen, und die Unterseite des Leitfähigkeitsbandes muß unter dem Fermi-Niveau auf der N-Seite liegen. Es hat sich nun gezeigt, daß Akzeptormaterialien, die in das Germanium mit genügenden Konzentrationen eingeführt werden kön-Halbleiterbauelement
mit mindestens einem PN-Übergang

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. R. Schiering, Patentanwalt,
Böblingen, Bahnhofstr. 14

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 5. August 1959 (Nr. 831 818)

Richard F. Rutz, Cold Spring, Putnam, N. Y.

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

nen, um den Esaki-Effekt zu erzeugen, Gallium, Aluminium, Bor und Indium einschließen. Geeignete Donatormaterialien für Germanium sind Arsen und Phosphor.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, Herstellungsverfahren sowie Schaltanordnungen für neuartige Halbleiterbauelemente mit mindestens einem PN-Übergang aufzuzeigen, welche gestatten, Schaltungsaufgaben rationeller zu lösen, als es mit bisher bekannten Halbleiterbauelementen mit PN-Übergängen möglich war.

Dieses wird in vorteilhafter Weise erreicht durch Kombination eines PN-Überganges herkömmlicher Art und einem solchen vom Esaki-Typ.

Für ein Halbleiterbauelement mit mindestens einem PN-Übergang besteht danach die Erfindung darin, daß an einer Übergangsfläche die eine erste Zone, z. B. N-Zone, in einem Teil entartet, im anderen Teil dagegen nichtentartet dotiert ist und daß die angrenzende andere zweite Zone, z. B. P-Zone, über die ganze PN-Übergangsfläche entartet dotiert ist, so daß der eine Teil der PN-Übergangsfläche die übliche sperrende Strom-Spannungs-Charakteristik und der andere Teil der PN-Übergangsfläche in Flußrichtung eine teilweise fallende Strom-Spannungs-Charakte-

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ristik aufweist. Bei einer besonderen Ausführungs- leiterkörper die oben beschriebenen vier Bereiche hat form dieses Erfindungsgedankens ist je eine ohmsche sowie einen fünften Bereich, dessen Leitfähigkeitstyp Elektrode an mindestens dem entartet dotierten Teil dem des ersten Bereichs entgegengesetzt ist und der der ersten Zone und an der zweiten Zone angebracht. auf dessen dem zweiten Bereich abgewandter Seite Es ist bereits eine Schaltdiode mit einem plättchen- 5 liegt. Bei diesem Halbleiterkörper können Elektroden förmigen Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps an den fünften, den ersten und den vierten Bereich sowie mit auf gegenüberliegenden Oberflächen ange- angeschlossen sein, die als Emitter-, Basis- bzw. KoI-brachten, flächenmäßig verschieden großen Elektro- lektorelektroden dienen. Das Halbleiterbauelement den und diesen je eine vorgelagerte Zone entgegen- wirkt etwa als Transistor mit einem PN-Hook-Kolgesetzten Leitfähigkeitstyps bekanntgeworden. Diese 10 lektor, und die Esaki-Diode ist ein Teil des PN-Hooks. bekannte Diode ist so eingerichtet, daß der Teil des Wenn ein Halbleiterbauelement dieser Art in einer Halbleiterkörpers zwischen der kleineren Elektrode Schaltung mit geeigneten Vorspannungsquellen liegt, und der größeren Elektrode aus N- bzw. aus P-HaIb- kann sie als nichtlinearer Verstärker dienen, dessen leitermaterial und der übrige Teil des Halbleiterkör- Stromverstärkungsfaktor α unter 1 liegt für niedrige pers aus N⁺- bzw. P+-Halbleitermaterial besteht und 15 Eingangsstromwerte, wenn die Esaki-Diode dem der erwähnte übrige Teil des Halbleiterkörpers in Hook parallel geschaltet ist, und dessen Stromverseiner Seitenausdehnung auf den Bereich außerhalb Stärkung über 1 liegt für höhere Eingangsstromwerte, der Projektion der kleineren auf die größere Elek- durch die der Parallelschalteffekt der Esaki-Diode trode beschränkt ist. Die Dotierung ist bei dieser be- gesättigt ist und der hohe Alphaeffekt des PN-Hooks kannten Diode nicht derart hoch, daß sich der Ent- 20 zur Wirkung kommt.

artungszustand einstellen kann. Ein anderes Ausführungsbeispiel ist eine Diode mit

Ferner ist ein Dreizonen-Flächentransistor mit der drei Bereichen entsprechend dem zweiten, dem

Zonenfolge NPN bekanntgeworden, dessen P-leitende dritten und dem vierten Bereich in den oben be-

Mittelzone auf beiden Seiten sowohl an N- als auch schriebenen Transistoren. Wie bei den Transistoren an N⁺-Bereiche angrenzt. Auch hier handelt es sich 25 haben die Strom-Spannungs-Charakteristiken der

nicht um Dotierungsbereiche, in denen sich der Ent- Dioden eine ausgeprägte Verschiebung am oberen

artungszustand einstellen kann. Ende des negativen Esaki-Widerstandsbereichs. Sie

Die Erfindung sei nachstehend für einige beispiels- dient zur Feststellung von Potentialschwankungen

weise Ausführungsformen näher erläutert. Eine über einen Schwellenwert hinaus oder als lichtempdieser Ausführungsformen ist ein Transistor mit 30 findliche Vorrichtung für die Feststellung von Be-

einem Halbleiterkörper, der erste und zweite Bereiche lichtungsschwankungen.

von entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen besitzt, die Ein Verfahren zur Herstellung eines Transistordurch einen PN-Übergang getrennt sind. Dieser körpers der beschriebenen Art geht aus von einem Transistor besitzt fernerhin einen an den zweiten Körper aus nichtentartetem Halbleitermaterial eines Bereich angrenzenden dritten Bereich vom selben 35 Leitfähigkeitstyps. In eine Oberfläche dieses Körpers Leitfähigkeitstyp, aber mit einer Störstoffkonzentra- wird ein erstes Verunreinigungsmaterial hineindiffuntion, die so hoch ist, daß sich Entartung ergibt. Ein diert, durch welches darin der entgegengesetzte Leitebenfalls entarteter vierter Bereich grenzt an den fähigkeitstyp erzeugt wird. Diese Diffusion wird fortzweiten und dritten Bereich an und hat einen diesen gesetzt, bis das Halbleitermaterial in einer unter Bereichen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp. Der 40 der Oberfläche liegenden Schicht entartet ist, wäh-PN-Ubergang zwischen dem vierten und dem zweiten rend eine darunterliegende Schicht nichtentartet Bereich hat die Charakteristik herkömmlicher Di- bleibt. Jetzt enthält der Körper zwei nichtentoden, während der PN-Übergang zwischen dem vier- artete Bereiche entgegengesetzter Leitfähigkeitstypen ten und dem dritten Bereich Esaki-Diodencharakte- und einen entarteten Bereich, der an einen dieser beiristik aufweist. Bei diesem Halbleiterbauelement sind 45 den Bereiche angrenzt und denselben Leitfähigkeitstyp die Elektroden am vierten, dritten und am ersten hat. In diesen entarteten Bereich wird dann ein zwei-Bereich angeschlossen und dienen als Emitter-, Basis- tes Verunreinigungsmaterial hineinlegiert, durch das bzw. Kollektorelektroden. darin der entgegengesetzte Leitfähigkeitstyp erzeugt Der Esaki-Diode zwischen Emitter- und Basiszone wird. Diese Legierung wird fortgesetzt, bis dieser ist ein normaler Emitter-PN-Ubergang bei niedrigen 50 jüngste Bereich entartet ist und durch den ersten ent-Emitterstrornwerten parallel geschaltet, so daß Ände- arteten Bereich hindurchreicht und an den nichtentrungen im Emitterstrom in diesem Arbeitsbereich arteten Bereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitsden Kollektorstrom nicht beeinflussen. Durch höhere typs angrenzt. Dieser letzte Legierungsschritt wird Emitterpotentiale wird der Arbeitspunkt entlang der vorzugsweise in einem schnellen Heiz- und Abkühl-Esaki-Diodencharakteristik verschoben, und die Ein- 55 zyklus ausgeführt, damit der PN-Übergang zwischen gangssignale an der Kollektorelektrode werden in den beiden entarteten Bereichen sehr dünn ist. typischer Transistorart verstärkt. Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Eine das Halbleiterbauelement der beschriebenen Transistorkörpers der beschriebenen Art geht aus Art verwendende Schaltung kann als Verstärker be- von einer PN-Flächendiode aus nichtentartetem nutzt werden, falls ihr Emitter über den negativen 60 Halbleitermaterial. In eine Oberfläche eines der bei-Widerstandsbereich der Esaki-Diodencharakteristik den Bereiche der Diode wird ein erstes Verunreinihinaus vorgespannt ist. Wenn dieser Emitter auf gungsmaterial hineinlegiert, durch das die Verunreieinen Punkt innerhalb oder unterhalb des negativen nigungskonzentration in diesem Bereich erhöht wird. Widerstandsbereichs vorgespannt ist, kann eine Diese Legierung wird fortgesetzt, bis eine erste solche Schaltung als Schalter oder als Pegeleinsteller 65 Schicht unter der Oberfläche entartet ist, während dienen. eine zweite Schicht zwischen der ersten Schicht und Ein anderes hier beschriebenes Halbleiterbauele- dem PN-Übergang nichtentartet bleibt. Das überment ist ein etwas anderer Transistor, dessen Halb- schüssige Verunreinigungsmaterial wird von der

Oberfläche weggeätzt. Durch dieses zweite Material wird der entgegengesetzte Leitfähigkeitstyp in einem dritten Bereich des Körpers, der an den Oberflächenteil angrenzt, erzeugt. Diese Legierung wird fortgesetzt, bis der letztgenannte Bereich entartet ist und sich durch die erste Schicht hindurch erstreckt und an die zweite Schicht angrenzt.

Die oben beschriebenen Verfahren dienen zur Herstellung von Transistorkörpern mit vier Bereichen der beschriebenen Art. Wenn Transistorkörper mit fünf Bereichen hergestellt werden sollen, werden die Ausgangsmaterialien für diese Verfahren so abgewandelt, daß der fünfte Bereich eingeschlossen ist. Wenn Dioden hergestellt werden sollen, werden entweder die Ausgangsmaterialien so abgewandelt, daß der nicht benötigte Bereich wegfällt, oder der betreffende Bereich kann nach Abschluß des Verfahrens entfernt werden.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung der Zeichnungen. Es zeigt

Fig. 1 ein Schema einer Esaki-Diode nach dem bekannten Stand der Technik,

Fig. 2 eine graphische Darstellung einer typischen Strom-Spannungs-Charakteristik einer Esaki-Diode,

Fig. 3 ein Energiediagramm des PN-Übergangs in der Esaki-Diode von Fig. 1,

Fig. 4 ein Schema eines Ausführungsbeispiels für einen Transistor, der bestimmte Merkmale der Erfindung enthält,

Fig. 5 ein Schaltschema für einen Transistor von Fig. 4,

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Kurven des Transistors von Fig. 4,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Strom-Spannungs-Kurven des Transistors von Fig. 4,

Fig. 8 ein Schema einer Diode, die bestimmte Merkmale der Erfindung enthält,

Fig. 9 ein Schema eines einleitenden Schrittes in einem Verfahren zur Herstellung des Transistors von Fig. 4,

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Änderung in der Verunreinigungskonzentration in dem Halbleiterkörper von Fig. 9,

Fig. 11 ein Schema eines weiteren Verfahrensschrittes bei der Herstellung des Transistors von Fig. 4,

Fig. 12, 13 und 14 aufeinanderfolgende Schritte in einem anderen Herstellungsverfahren für den Transistor von Fig. 4,

Fig. 15 ein Schema einer anderen Form des Halbleiterbauelementes nach der Erfindung,

Fig. 16 ein Schaltschema für ein Halbleiterbauelement von Fig. 15,

Fig. 17 eine graphische Darstellung der Kollektorstrom-Kollektorspannungs-Kurven des Halbleiterbauelements von Fig. 15.

Fig. 1 bis 3

Diese Figuren zeigen schematisch eine Esaki-Diode und ihre hauptsächlichen Eigenschaften. Eine solche Diode besteht aus einem Körper aus Halbleitermaterial, wie er bei 1 in Fig. 1 dargestellt ist, mit einem P-Bereich 2 und einem N-Bereich 3, die durch eine Sperrschicht 4 getrennt sind. Mindestens einer der beiden Bereiche ist aus entartetem Material. Vorzugsweise sind beide entartet, aber es ist möglich, eine typische Esaki-Diodencharakteristik mit einer Diode zu erreichen, in der einer der beiden Bereiche entartet und der andere fast entartet ist.

Fig. 3 zeigt ein Energiebandschema, in dem das P-Material ein Valenzband 5 mit einer Oberkante 5 a und ein Leitfähigkeitsband 6 mit einer Unterkante 6 a hat. Ebenso hat das N-Material ein Valenzband 7 mit einer Oberkante la und ein Leitfähigkeitsband 8 mit einer Unterkante 8 a. Die Kanten5a-6a und 7a-8a grenzen die Energielücke oder das verbotene Band

ίο in den Halbleitermaterialien ab.

Das Fermi-Niveau ist durch die gestrichelte Linie 9 dargestellt und liegt innerhalb des Valenzbandes 5 des P-Materials und innerhalb des Leitfähigkeitsbandes 8 des N-Materials.

Um die Esaki-Diodencharakteristik zu erhalten, ist es notwendig, daß das Leitfähigkeitsband des N-Materials das Valenzband des P-Materials überlappt. Vorzugsweise liegt auch das Fermi-Niveau innerhalb des Valenzbandes des P-Materials und innerhalb des Leitfähigkeitsbandes des N-Materials. Er muß innerhalb eines dieser beiden Bänder und mindestens nahe dem anderen, d. h. weniger als KT₀, liegen. Die Diode muß nach einem Verfahren hergestellt werden, bei dem eine Sperrschicht übrigbleibt, die sehr dünn ist, d. h. etwa 150 Ängströmeinheiten oder darunter, wie das Diagramm zeigt.

Wenn das Emittermaterial Germanium ist, muß die Konzentration von Verunreinigungsstoffen mindestens etwa 10¹⁹ Donator- oder Akzeptoratome pro Kubikzentimeter betragen. Geeignete Akzeptorstoffe sind Gallium, Aluminium, Bor und Indium. Geeignete Donatorstoffe sind Arsen und Phosphor.

Als geeignete Halbleitermaterialien haben sich Silizium, Indiumantimonid, Galliumantimonid und Galliumarsenid erwiesen. Vermutlich kann jedes Halbleitermaterial zum Aufbau eines PN-Übergangs verwendet werden, der in irgendeinem Temperaturbereich Esaki-Charakteristik hat, vorausgesetzt, es stehen Donator- und Akzeptorstoffe zur Verfügung, die genügend hohe Konzentrationen von Verunreinigungsatomen gestatten.

Im allgemeinen führen Halbleitermaterialien mit einer charakteristischen schmalen Energielücke zu Esaki-Dioden, die niedrigere Kapazitäten haben als die aus Halbleitermaterialien mit breiterer Energielücke hergestellten. Daher dürften die Halbleitermaterialien mit schmaler Energielücke sich besser für höhere Frequenzen eignen.

Fig. 2 zeigt bei 10 eine typische Strom-Spannungs-Kurve einer Esaki-Diode bei einer bestimmten Temperatur. Im Bereich negativen Potentials oder umgekehrter Impedanz ist die Kurve sehr steil und zeigt damit an, daß der Widerstand der Diode sehr niedrig, praktisch ein Kurzschluß ist. Im Bereich positiven Potentials oder der Leitung in Durchlaßrichtung hat die Kurve einen positiven Widerstand zwischen Null und dem Potential V₁, einen negativen Widerstand zwischen den Potentialen V₁ und V₂ und einen positiven Widerstand über F₂. Die Esaki-Diode ist in bezug auf den Potentialwert V₁ für einen breiten Temperaturbereich sehr stabil. Der Wert F₂ kann mit der Temperatur etwas schwanken, und die Neigungen der verschiedenen Kurventeile schwanken mit der Temperatur. Ein Bereich negativen Widerstandes bei geringfügig über F₁ liegenden Potentialen wird jedoch bei allen Temperaturen unterhalb derjenigen Temperatur beibehalten, bei der das Halbleitermaterial eigenleitend wird.

Fig. 4 bis 7

Fig. 4 stellt ein Halbleiterbauelement 11 dar, das zwar als Transistor bezeichnet werden kann, sich aber sowohl im Aufbau als auch in der Funktion von den bekannten Transistoren unterscheidet. Der Transistor 11 hat einen zylindrischen Halbleiterkörper, der schematisch im Querschnitt mit vertikaler Zylinderachse dargestellt ist. Er enthält einen ersten P-Bereich 12 und einen zweiten N-Bereich 13, die durch eine Sperrschicht 14 getrennt sind. Die Bereiche 12 und 13 sind beide aus nichtentartetem Halbleitermaterial. Ein ringförmiger Bereich 15 grenzt an das obere Ende des Bereichs 13 an und besteht aus entartetem N-Material, wie die Bezeichnung N⁺ in der Zeichnung andeutet. Ein zentraler Bereich 16 liegt innerhalb des ringförmigen Bereichs 15, geht vollständig durch diesen hindurch und grenzt an den Bereich 13 an. Der Bereich 16 ist aus entartetem P-Material und ist mit P⁺ in der Figur bezeichnet. Der Bereich 16 ist von dem Bereich 13 durch eine erste sperrende PN-Übergangsfläche 16 a getrennt, die die für eine konventionelle Diode typische Strom-Spannungs-Charakteristik hat. Der Bereich 16 ist von dem Bereich 15 durch eine PN-Übergangsfläche 16 Z> getrennt, welche die für eine Esaki-Diode typische Strom-Spannungs-Charakteristik hat.

Ein breitflächiger ohmscher Kontakt 17 führt zu dem Bereich 15 und kann ganz um dessen Außenrand als Ring verlaufen. Ein ohmscher Kontakt 18 führt zu dem Bereich 16 (Fig. 5) und dient als Emitterelektrode. Der breitflächige Kontakt 17 dient als Basiselektrode. Ein weiterer ohmscher Kontakt 19 führt zu dem Bereich 12 und dient als Kollektorelektrode.

In der Schaltung von Fig. 5 ist die Basis 17 geerdet. Ein Widerstand 20 und eine Vorspannungsbatterie 21 sind in Reihe zwischen den Emitter 18 und die Erde geschaltet. Ein Widerstand 22 und eine Lastspeisebatterie 23 liegen in Reihe zwischen dem Kollektor 19 und der Erde. Eine Eingangsklemme 24 ist an den Emitter 18 angeschlossen. Eine Ausgangsklemme 25 ist an den Kollektor 19 angeschlossen.

Fig. 6 A und 6 B zeigen die Emitterstrom-Emitterspannungs-Kurven für die parallelen Dioden-PN-Übergänge zwischen dem Emitter 18 und der Basis 17. Diese beiden Figuren stellen zwei verschiedene Möglichkeiten dar, und zwar zeigt Fig. 6 A den Fall, daß der differentielle Widerstand des PN-Übergangs 16 a im P₁-F₂-BeKiCh kleiner ist als der negative Widerstand des PN-Übergangs 16 b, während Fig. 6 B den Fall zeigt, daß der Widerstand von 16 a größer als der negative Widerstand von 16 b ist. Die Kurven

26 a und 26 b sind typische Esaki-Diodencharakteristika und stellen die Schwankung des Stromflusses durch die PN-Übergangsfläche 16 b mit der Änderung des angelegten Potentials dar. Die Kurven 27 a und

27 b sind typische Charakteristika für konventionelle Dioden und stellen die Schwankungen des Stromflusses durch die PN-Übergangsfläche 16 a mit der Änderung des angelegten Potentials dar. Die Kurven

28 a und 28 b stellen in den betreffenden Fällen die Summen der Kurven 26 α + 27α und 26 b + 27 b dar und damit die tatsächliche Eingangsimpedanz, von einer Außenschaltung aus gesehen.

Für Potentialwerte unter F₁ ist die Impedanz des PN-Übergangs 16 a in jedem Falle im Vergleich zur Impedanz des PN-Übergangs 166 so hoch, daß nur wenig Änderung im Strom durch den PN-Übergang 16 a und daher nur wenig Änderung im Kollektor-Strom stattfindet. In dem Bereich zwischen F₁ und F₂ sei nun zuerst der Fall von Fig. 6 A betrachtet. Wenn angenommen wird, daß die Schaltung durch Änderung des Eingangsstroms betrieben wird, wird bei einem Stromwert I₁ ein nichtstabiler Bereich erreicht, in dem sich das Potential plötzlich zwischen F₁ und einem Wert F₃, der etwas größer als F₂ ist, verschiebt. In dem Bereich, wo das Potential höher als F, ist, haben sowohl der konventionelle Dioden-PN-Übergangsteil 16 a als auch der Esaki-Dioden-PN-Übergangsteill6& einen positiven Widerstand, und dem steigenden Potential entspricht ein steigender Stromfluß, so daß am Kollektor eine typische Transistorverstärkung auftritt.

Da die Eingangsimpedanz in Fig. 6 A einen Bereich negativen Widerstandes hat, kann der Transistor 11 mit geeigneten äußerlichen Schaltungselementen als Oszillator mit negativem Widerstand verwendet werden.

Im Falle von Fig. 6 B ist das Emitterpotential eine einwertige Funktion des Stroms, und daher werden alle eventuell auftretenden Schwingungen innerhalb des Halbleiterbauelementes erzeugt.

Bei den in Fig. 7 gezeigten Kollektorpotential-Kollektorstrom-Kurven ist festzustellen, daß die Kurvenschar für niedrigen Emitterstrom eng gebündelt ist, wie bei 29 angedeutet. Bei Ansteigen des Emitterstroms über I₁ hinaus (Fig. 6 A und 6 b) erhalten die Kollektorpotential-Strom-Kurven größere Abstände, wie bei 30 gezeigt, was auf eine wesentliche Verstärkung in der Schaltung hinweist.

Im Falle von Fig. 6 A sind die Batterie 21 und der Widerstand 20 nach Fig. 5 so gewählt, daß der Emitterelektrode 18 ein Strom zugeführt wird, der kleiner als I₁ ist. Die Schaltung kann dann als Schalter benutzt werden, der durch jedes Eingangssignal, das den Emitterstrom I₁ übersteigen läßt, eingeschaltet und durch jedes Eingangssignal, das den Emitterstrom/, unterschreiten läßt, ausgeschaltet wird. Die Schaltung kann daher als Pegeleinstellvorrichtung dienen, die den Pegel des Eingangssignalstroms, der zur Abgabe eines Ausgangssignals führt, auf den WeJTtZ₁ einstellt.

Wenn die Batterie 21 und der Widerstand 20 so gewählt werden, daß die Emitterelektrode 18 einen Strom empfängt, der I₁ überschreitet, arbeitet die Schaltung als typischer Verstärker, der jedes der Klemme 24 zugeleitete Eingangssignal verstärkt. Bei Verwendung als Verstärker hat die Schaltung einen sehr niedrigen Basiswiderstand und eignet sich daher für höhere Frequenzen als die Schaltungen, die konventionellere Basiswiderstandswerte haben. Obwohl die Übergangskapazität der Esaki-Diode hoch ist, kann der Bereich dieser Diode sehr klein gemacht werden, um diese Übergangskapazität zu verkleinern und ein Ansprechen auf sehr hohe Frequenzen zu gewährleisten.

Fig. 8

Diese Figur veranschaulicht eine Diode 31, die etwa dieselben baulichen Merkmale und Prinzipien verwendet wie der Emitter-Basis-PN-Übergang in dem Transistor 11 von Fig. 4. Die Teile dieser Diode, die baulich und funktionsmäßig den Teilen in Fig. 4 entsprechen, tragen die gleichen Bezugszeichen.

9 10

Die Elektrode 18 dient als Anode der Diode 31. Der Legierungsvorgang zur Erzeugung des P-Be-

Ein Kontakt 32 auf der dem PN-Übergang 16 α ab- reichs 38 muß lange genug fortgesetzt werden, daß

gewandten Seite des Bereichs 13 dient als Kathode. die Legierung durch die Grenze 37 des entarteten

Die Kennlinien der Diode 31 gleichen den in Materials hindurchgehen kann, aber sie darf nicht

Fig. 6 A und 6 B für denEmitter-Basis-PN-Ubergang 5 durch den N-Bereich 34 hindurch zum PN-Übergang

des Transistors 11 gezeigten. Die Gesamtkennlinie 39 gelangen. Dieser Legierungsvorgang ist erfolgreich

für beide Teile des PN-Übergangs weist eine plötz- ausgeführt worden, indem die PN-Flächendiode 33

liehe Verschiebung beim Überschreiten des Poten- auf einen elektrischen Widerstandsheizapparat gelegt

tials V₁ auf. wurde, während eine kleine Pille des Verunreini-

Die Diode 31 kann auch als h'chtempfindliches io gungsmaterials oben auf der Diode lag. Die Behand-

Bauelement verwendet werden. In diesem Falle wird lung findet vorzugsweise unter einer Glocke oder in

eine ähnliche plötzliche Verschiebung bei einem Be- einem anderen geeigneten Behälter statt. Wärme wird

lichtungsschwellenwert beobachtet. Bei dieser An- zur Einwirkung auf die Diode gebracht durch Erre-

wendung kann der ohmsche Kontakt 17 als Kathode gung des Widerstandselements, und die Verunreini-

verwendet werden, und das Licht kann auf das den 15 gungspille wird beobachtet, bis sie schmilzt und die

Sperrschicht-PN-Übergängen entgegengesetzte Ende Oberfläche der Diode benetzt. Diese Erwärmung er-

des Bereichs 13 gelenkt werden. folgt vorzugsweise schnell, d. h. in wenigen Sekunden.

Wenn Minoritätsträger in den Bereich 13 injiziert Dann wird die Heizung abgeschaltet, und die Diode

werden, wird dessen Widerstand auf einen niedrigeren kühlt sich auf Zimmertemperatur ab. Die Abkühlung

Wert herabgesetzt. Eine solche Minoritätsträgerinjek- so dauert wenige Sekunden und ist schnell genug, um

tion kann bewirkt werden durch einen starken Ein- die oben beschriebenen PN-Sperrschichteigenschaften

gangsstromimpuls oder durch starke Belichtung. Die zu erzeugen.

Minoritätsträger beseitigen den Reihenwiderstand _p. ,~ u- 14

und verschieben die Kurve zurück zur Kurve 28 a. "' ^s

25 Diese Figuren veranschaulichen ein anderes Verfahren zur Herstellung der Transistorvorrichtung von

Fig. 9 bis 11 Fig. 4. Dieses Verfahren geht aus von einer PN-Flächendiode 40, die einen N-Bereich 41 und einen

Diese Figuren zeigen ein zur Zeit bevorzugtes Her- P-Bereich 42 hat, welche von einem PN-Übergang 43 stellungsverfahren für einen Transistor wie den in 30 getrennt sind. Beide Bereiche sind aus nichtentar-Fig. 4 veranschaulichten. Das Verfahren geht aus von tetem Material. Ein geeignetes Verunreinigungseiner PN-Übergangsdiode 33 (Fig. 9) mit einem material, ζ. B. Zinnarsen, das entartetes N-Halbleiter-N-Bereich 34 und einem P-Bereich 35, die durch material erzeugt, wird oben auf den N-Bereich 41 einen PN-Übergang 39 getrennt sind. Der N-Bereich gelegt. Dann wird die Diode erhitzt, wie oben be-34 hat eine abgestufte Konzentration von Verunrei- 35 schrieben, wodurch das obere Ende des N-Bereichs nigungen zwischen einem über 10¹⁹ liegenden Wert 41 in entartetes N-Material verwandelt wird, das von an der oberen Fläche der Diode und einem Wert von dem N-Material durch eine Sperrschicht 44 getrennt etwa 10« am PN-Übergang. Die Änderung der Ver- ist. Der entartete N-Bereich trägt die Bezugsziffer unreinigungskonzentration in der vertikalen Dirnen- 41a. Wenn bei diesem Verfahrensschritt die Ersion des N-Bereiches ist in Fig. 10 durch die Kurve 40 hitzung und die Abkühlung schnell genug erfolgen, 36 dargestellt. ist es möglich, eine schnellere Änderung der Verun-

Eine Diode, wie sie in Fig. 9 und 10 beschrieben reinigungskonzentration an der Grenze 44 zu erist, kann erzeugt werden nach dem im USA.-Patent zeugen, als es nach dem in Fig. 9 bis 11 gezeigten 2 810 870 beschriebenen Verfahren. Dieses geht aus Verfahren an der Grenze 37 möglich ist. Durch eine von einem Germaniumblock, der eine geeignete 45 solche schnelle Änderung erhält man bessere P-Verunreinigungskonzentration im nichtentarteten Emittereigenschaften für den konventionellen Bereich hat. Dann wird eine geeignete N-Verunreini- Diodenteil des PN-Übergangs.
gung in den Germaniumblock von allen Oberflächen Nun wird das überschüssige Verunreinigungsaus hineindiffundiert, und diese Diffusion wird fort- material 45 weggeätzt, und übrigbleibt ein Halbgesetzt, bis das Material an den Oberflächen des 50 leiterbauelement mit drei Bereichen 41a, 41 und 42. Germaniumsblocks entartet ist. Dann wird der Ger- Jetzt wird ein P-Bereich 46 in die Mitte des Bereichs maniumblock in Teile zerschnitten, und das N-Mate- 41a so einlegiert, daß er sich durch diesen Bereich rial wird z. B. durch Ätzung von einer Seite des hindurch und durch die Grenze 44 hindurch in Kon-P-Materials entfernt, wodurch die in Fig. 9 gezeigte takt mit dem N-Bereich 41 erstreckt. Bei diesem Diode übrigbleibt. 55 abschließenden Legierungsschritt kann es sich um

Der N-Bereich 34 ist oberhalb der gestrichelten denselben abschließenden Legierungsschritt handeln,

Linie 37 entartet. Diese entspricht dem Punkt, in wie er oben in Verbindung mit Fig. 11 beschrie-

welchem die Kurve 36 von Fig. 10 die Abszisse ben ist.

schneidet, welche 10¹⁹ Atomen pro Kubikzentimeter Nach Beendigung eines der in Fig. 9 bis 11 und

entspricht. 60 12 bis 14 beschriebenen Verfahren kann ein Teil

Für die Diode von Fig. 11 besteht nun der nächste des N-Bereichs 41a oder der entsprechende BeSchritt darin, daß in einen Teil der oberen Fläche reich nach Wunsch weggeätzt werden, um das Verdes N-Bereichs ein Verunreinigungsmaterial hinein- hältnis des Bereichs des Esaki-Dioden-PN-Überlegiert wird, das den P-Leitfähigkeitstyp erzeugt, und gangsteils zu dem Bereich des konventionellen zwar in einer Konzentration, die das Material im Be- 65 Dioden-PN-Übergangsteils festzulegen,
reich 38 entarten läßt. Ein geeignetes P-Verunreini- Dioden wie die in Fig. 8 veranschaulichten können gungsmaterial ist die intermetallische Verbindung entweder nach dem Verfahren von Fig. 9 bis 11 oder Zinngallium (SnGa). nach dem Verfahren von Fig. 12 bis 14 hergestellt

werden. Die einzigen erforderlichen Änderungen bestehen darin, daß der unnötige P-Bereich (35 oder 42) zu Beginn weggelassen oder in einem späteren Stadium des Verfahrens entfernt wird.

Fig. 15 bis 17

Fig. 15 zeigt einen Transistor SO, dessen Aufbau dem Transistor 11 von Fig. 4 gleichen kann mit der Ausnahme, daß ein zusätzlicher N-Bereich51 vorgesehen ist. Der N-Bereich 51 ist von einem P-Bereich 52 durch eine Sperrschicht 53 getrennt. Der Bereich 53 ist von einem weiteren N-Bereich 54 durch einen zweiten Sperrübergang 55 getrennt. Die Bereiche 51, 52 und 54 sind nichtentartet. Das obere Ende des Bereichs 54 grenzt an einen Bereich 56 aus entartetem N-Material an. Die Grenze zwischen diesen beiden Bereichen ist durch die gestrichelte Linie 57 angedeutet. Ein Mittelbereich aus entartetem P-Halbleitermaterial 58 erstreckt sich durch ao den Bereich 56 hindurch in Kontakt mit dem Bereich 54. Der PN-Übergang, der die Grenze des Bereichs 58 bezeichnet, umfaßt einen Esaki-Diodenteil 59 zwischen den Bereichen 58 und 56 und einen konventionellen Diodenteil 60 zwischen den Bereichen 58 und 54. Wie Fig. 16 zeigt, ist eine Elektrode 61 ohmisch an den Bereich 58 angeschlossen. Eine andere Elektrode 62 ist ohmisch an den Bereich 52 angeschlossen. Eine dritte Elektrode 63 ist ohmisch an den Bereich 51 angeschlossen, Gemäß der in Fig. 16 dargestellten Schaltung dienen die Elektroden 61, 62 und 63 als Kollektor, Basis bzw. Emitter.

Die Elektrode 62 ist in Fig. 16 geerdet. Die Emitterelektrode 63 ist über einen Widerstand 64 und eine Batterie 65 geerdet, Die Kollektorelektrode 61 ist über einen Widerstand 66 und eine Batterie 67 geerdet. Ein Eingangssignal kann einer an den Emitter 63 angeschlossenen Klemme 68 zugeführt werden, während eine Ausgangsklemme 69 an den Kollektor 61 angeschlossen ist.

Nach der üblichen Wirkungsweise der PN-Hook-Kollektortransistoren wird die Polarität der Batterie 67 so gewählt, daß der PN-Übergang 55 in Sperrrichtung vorgespannt wird, wo die Kollektorwirkung vor allem stattfindet. Der Isaki-Diodenteil 59 des an den Bereich 58 angrenzenden PN-Übergangs und der konventionelle Diodenteil 60 dieses PN-Übergangs sind beide in Durchlaßrichtung vorgespannt. Bei niedrigen Kollektorströmen bilden diese PN-Übergangsteile gemeinsam einen Pfad niedrigen Widerstandes für den Kollektorstrom. Der Transistor 50 hat dann eine typische Flächentransistorcharakteristik mit einem Stromverstärkungsfaktor a<C 1. Bei steigendem Kollektorstrom nimmt der Potentialabfall über diese beiden PN-Übergangsteile zu, bis der kritische Wert F₂, der den Tiefpunkt der Esaki-Diodenkennlinie darstellt, überschritten wird. Für Kollektorstromwerte, die diesen Punkt überschreiten, wirken die beiden PN-Übergangsteile 59 und 60 zusammen als typischer PN-Übergang, um eine Hook-Kollektorwirkung und ein Alpha über 1 zu erzeugen.

Fig. 17 stellt eine typische Schar von Kollektorstrom-Kollektorspannungskutven dar, die mit dem Transistor 50 erreichbar sind. Die Kurven 70, 71 und 72 beziehen sich auf niedrige Werte und gleichen Zunahmen des Emitterstroms. Der Stromverstärkungsfaktor α ist für alle drei Kurven Meiner als 1.

Die Kurven 73, 74 und 75 beziehen sich auf höhere Emitterstromwerte, aber auf dieselben Zunahmen zwischen den Kurven in einem Bereich mit a> 1.

Die Schaltung von Fig. 16 ist ein nichtlinearer Verstärker, da sie Eingangssignale, die kleiner als ein vorherbestimmter Wert sind, mit einem Strömverstärkungsfaktor und Signale, die diese Größe übersteigen, mit einem größeren Stromverstärkungsfaktor verstärkt.

Obwohl alle hier beschriebenen Halbleiterbau' elemente mit nichtentarteten und entarteten N-Bereichen, die beide an einen entarteten P-Bereich angrenzen, dargestellt sind, dürfte es sich von selbst verstehen, daß gleichwertige Ergebnisse und Halbleiterbauelemente erreichbar sind, in denen nichtentartete und entartete P-Bereiche an einen entarteten N-Bereich angrenzen, vorausgesetzt, die Vorspannungspotentiale werden entsprechend abgeändert.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleiterbauelement mit mindestens einem PN-Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß an einer PN-Ubergangsfläche (16 a und 16 b) die eine erste Zone (13,15), z. B. N-Zone, in einem Teil (15) entartet, im anderen Teil (13) dagegen nichtentartet dotiert ist und daß die angrenzende andere zweite Zone (16), z. B. P-Zone, über die ganze PN-Übergangsfläche (16 0 und 16 b) entartet dotiert ist, so daß der eine Teil (16a) der PN-Übergangsfläche die übliche sperrende Strom-Spannungs-Charakteristik und der andere Teil (16 b) der PN-Übergangsfläche in Flußrichtung eine teilweise fallende Strom-Spannungs-Charakteristik (10) aufweist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je eine"' ohmsche Elektrode an mindestens dem entartet dotierten Teil der ersten Zone und an der zweiten Zone angebracht ist.

3. Halbleiterbauelement nach den 'Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem nichtentartet dotierten Teil der ersten Zone eine weitere, dritte Zone von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie die erste Zone mit einem PN-Übergang angrenzt und die Kollektorzone eines Transistors darstellt und daß die erste Zone die Basiszone und die zweite Zone die Emitterzone des Transistors bildet.

4. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an dem nichtentartet dotierten Teil der ersten Zone eine weitere, dritte Zone von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie die erste Zone mit einem PN-Übergang angrenzt, daß an diese dritte Zone eine weitere, vierte Zone von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie die dritte Zone mit einem PN-Übergang angrenzt und daß die dritte Zone die Basiszone, die vierte Zone die Emitterzone und die zweite Zone die Kollektorzone eines Transistors bildet.

5. Halbleiterbauelement nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß es in der an sich bekannten Basisschaltung verwendet wird, so daß diese Schaltung je nach der Größe des Eingangssignals und der an den

Emitter angelegten Spannung als bistabile Kippschaltung, als Oszillator oder als Verstärker wirkt.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es je nach der Größe des Kollektorstroms mit einem Stromverstärkungsfaktor kleiner als 1, als normaler Flächentransistor oder mit einem Stromverstärkungsfaktor größer als 1 als Hook-Transistor wirksam ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1000115; französische Patentschrift Nr. 1154 601; USA.-Patentschriften Nr. 2791758, 2792540;

Phys.Rev., Bd. 109, 15. Januar 1958, Nr. 2, S. 603 und 604;

IRE Transact, on electr. devices, Januar 1960, S. 1 bis 9;

Electronics, 30. Oktober 1959, S. 70 bis 73.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen