DE1154879B

DE1154879B - Verfahren zum Erzeugen eines negativen Widerstandes in einem Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1154879B
Application number: DEW29089A
Authority: DE
Inventors: George Clement Dacey
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1959-12-17
Filing date: 1960-12-15
Publication date: 1963-09-26
Also published as: US3090014A; GB973219A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

W 29089VIHcZlIg

ANMELDETAG: 15. DEZEMBER 1960

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 26. SEPTEMBER 1963

Es ist ein Halbleiterbauelement bekannt, das gewöhnlich als Tunneldiode bezeichnet wird. Der Name leitet sich davon ab, daß eine solche Diode aus einem Halbleiterkörper mit einem so dünnen pn-übergang zwischen zwei entarteten Zonen besteht, daß bei geeigneten Vorspannungen der pn-übergang quantenmechanisch durchtunnelt wird, und sich ein negativer Widerstand zwischen den Anschlüssen der beiden Zonen ergibt, der zur Verstärkung und Schwingungserzeugung ausgenutzt werden kann. Anders gesagt befindet sich bei einer solchen Diode das Ferminiveau auf der η-leitenden Seite des pn-Überganges oberhalb der unteren Grenze des Leitfähigkeitsbandes und auf der p-leitenden Seite unterhalb der oberen Grenze des Valenzbandes.

Ein solches, einen Zweipol darstellendes Bauelement weist den Nachteil auf, daß eine Trennung zwischen dem Eingangs- und Ausgangskreis nur schwer zu erreichen ist. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß eine Modulation des negativen Widerstandes schwierig ist.

Die Erfindung will diese Nachteile überwinden und bezieht sich somit auf ein Verfahren zum Erzeugen eines negativen Widerstandes in einem Halbleiterbauelement mit einem so dünnen pn-übergang, zwischen zwei Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, daß eine quantenmechanische Durchtunnelung möglich ist. Dieses Verfahren wird so durchgeführt, daß die erste Zone über die Entartung und die zweite Zone bis nahe an die Entartung dotiert werden und daß die Energie der Ladungsträger in der zweiten Zone so durch elektrische oder elektromagnetische Felder erhöht wird, daß eine quantenmechanische Durchtunnelung des pn-Überganges auftritt.

Durch die Energieerhöhung der Ladungsträger in der zweiten Zone wird deren mittlere Energie höher, als es der Umgebungstemperatur im Kristall entspricht. Dann ist auch die zweite Zone im wesentlichen entartet, so daß der pn-übergang den gewünschten Tunneleffekt zeigt.

Vorzugsweise ist nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die erste Zone p-leitend und die zweite Zone η-leitend. In diesem Falle sind die Ladungsträger in der zweiten Zone, deren Energie erhöht wird, Elektronen, die wegen ihrer höheren mittleren Energie auch »heiße Elektronen« genannt werden.

Andererseits kann auch die erste, entartete Zone η-leitend und die zweite, fast entartete Zone p-leitend sein, wobei dann »heiße Löcher« als Ladungsträger den pn-übergang quantenmechanisch durchtunneln. Wegen der kleineren effektiven Masse und größeren

Verfahren zum Erzeugen

eines negativen Widerstandes

in einem Halbleiterbauelement

Anmelder:

Western Electric Company Incorporated,

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

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt,
Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. Dezember 1959 (Nr. 860 183)

George Clement Dacey, Murray Hill, N. J.

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

Beweglichkeit sind jedoch heiße Elektronen als Ladungsträger vorzuziehen, und die Erfindung soll im folgenden auch so beschrieben werden.

Durch die Elektronen mit erhöhter Energie ist das η-leitende Material nicht mehr im Gleichgewicht, und man kann daher auch nicht mehr von einem Ferminiveau sprechen. Es ist üblich, das analoge Niveau in diesem Fall »Imref«-Niveau zu nennen. Dieses Niveau liegt in der η-leitenden Zone oberhalb der unteren Grenze des Leitfähigkeitsbandes. Die Eindringtiefe des Imrefniveaus in das Leitfähigkeitsband kann durch eine Änderung der Energieerhöhung der heißen Elektronen geändert werden, so daß auf diese Weise der Tunnelstrom und damit der negative Widerstand moduliert werden kann.

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Die Energieerhöhung der Elektronen kann erfindungsgemäß auf verschiedene Weise erfolgen.

Bei einer bevorzugten Ausbildung des Verfahrens wird an die zweite Zone des Halbleiterkörpers ein quer zum pn-übergang gerichtetes elektrisches Feld angelegt. Wenn das Feld genügend stark ist, nehmen die Elektronen schneller Energie auf, als sie an das Kristallgitter abgeben, sie werden also »heiß«.

Bei einer weiteren Ausbildung des Verfahrens wird der Halbleiterkörper in einen Hohlraum gebracht, der unter dem Einfluß eines konstanten Magnetfeldes steht, bei Resonanz den Elektronen Zyklotronresonanz vermittelt und an welchen eine auf die Resonanzfrequenz eingestellte Energiequelle angeschlossen ist. Die Elektronen nehmen dann Energie aus dem Hochfrequenzfeld auf.

Bei einer dritten Ausbildung des Verfahrens weist der Halbleiterkörper eine dritte Zone auf, deren Leitfähigkeitstyp dem der ersten Zone entspricht und die mit der zweiten Zone einen im Abstand von nur einigen mittleren freien Weglängen der Ladungsträger von dem pn-übergang liegenden zweiten pn-übergang bildet. An die zweite und dritte Zone ist eine Spannungsquelle angeschlossen, welche den zweiten pn-übergang in Sperrichtung bis über den Lawinendurchschlagspunkt vorspannt. Dadurch werden in dem zweiten pn-übergang heiße Elektronen erzeugt, die den ersten pn-übergang erreichen können.

Bei allen obengenannten Ausbildungen des Verfahrens ist der ersten und zweiten Zone eine Spannungsquelle zugeordnet, die den pn-übergang in Durchlaßrichtung vorspannt.

Die Erfindung soll an Hand der Zeichnung noch näher erläutert werden; es zeigt

Fig. 1 eine erfindungsgemäße bevorzugte Ausbildung des Halbleiterbauelementes zur Durchführung des Verfahrens mit einem elektrischen Querfeld,

Fig. 2 eine andere Anordnung mit Erzeugung von Zyklotronresonanz,

Fig. 3 eine weitere Anordnung mit einem zweiten pn-übergang in der Nähe des ersten,

Fig. 4 ein Bändermodell zur Erläuterung der Erfindung,

Fig. 5 die Strom-Spannungs-Kennlinien bei verschiedenen Elektronenenergieverteihmgen.

Fig. 1 zeigt ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus normalerweise einkristallinem Silizium, dessen Hauptteil η-leitend ist, der jedoch eine gewachsene p-leitende Schicht 12 enthält, die durch Anlegieren einer akzeptorreichen Elektrode 13 gebildet wurde. Die η-leitende Zone ist nicht ganz entartet, die Donatorkonzentration ist kleiner als 10¹⁹/ccm und beträgt normalerweise etwa 10¹⁸/ccm.

Die p-leitende Zone 12 ist entartet dotiert. Die Akzeptorkonzentration ist größer als 10¹⁹/ccm und beträgt normalerweise etwa 10²⁰/ccm. Die p-leitende Zone ist so hergestellt, daß sich ein dünner pn-übergang 14 in der bei Tunneldioden üblichen Weise ergibt. Die Elektroden 15 und 16 sind an den gegenüberliegenden Enden η-leitenden Zone angeschlossen. Der pn-übergang liegt zwischen diesen beiden Elektroden in einem Bereich 17 mit sehr stark herabgesetztem Querschnitt, normalerweise 10% des Querschnitts im Hauptteil des Körpers. Eine Spannungsquelle 18 ist an die beiden Elektroden 15 und 16 angeschlossen, um ein elektrisches Feld in der n-leitenden Zone zu erzeugen. Da der größte Teil der angelegten Spannung im Bereich des verminderten Querschnitts abfällt, ist die elektrische Feldstärke in diesem Bereich hoch. Die angelegte Spannung soll so hoch sein, daß ein elektrisches Feld mit mehr als 10¹ Volt/cm in diesem Bereich entsteht. Da dieser Teil des elektrischen Feldes parallel zu einer Abmessung des pn-Übergangs verläuft, ist es wichtig, daß diese Abmessung klein gehalten wird, normalerweise nicht größer als 0,51 μ, um den Spannungsabfall längs der Sperrschicht klein zu halten. Die Abmessung des ίο pn-Übergangs senkrecht zur Zeichenebene ist durch diese Betrachtung nicht beschränkt und kann vorteilhafterweise groß sein, so daß ein bandförmiger pn-übergang entsteht, der praktisch beliebig lang gemacht werden kann, solange die Gesamtkapazität nicht übertrieben groß wird. Zwischen den Elektroden 13 und 16 liegt eine Spannungsquelle 19, die so gepolt ist, daß sie den pn-übergang in Flußrichtung vorspannt. Bei üblichem Betrieb als Oszillator würde zwischen die Elektroden 13 und 19 eine Belastung oder andere Reaktanzen zur Bildung einer abgestimmten Schaltung eingefügt.

Im Betrieb wird die Spannung der Quelle 18 so eingestellt, daß heiße Elektronen in dem Teil der η-leitenden Zone erzeugt werden, der unterhalb des pn-Überganges liegt. Es ergibt sich dann das Bändermodell nach Fig. 4.

Wie in dieser Figur zu erkennen ist, liegt das »Imref«-Niveau auf der η-leitenden Seite des Übergangs oberhalb der unteren Grenze des Leitf ähigkeitsbandes. In nicht entartetem Material liegt das Ferminiveau normalerweise in der verbotenen Zone und damit unterhalb der unteren Grenze des Leitfähigkeitsbandes. Auf der entarteten p-leitenden Seite liegt das Ferminiveau normalerweise über der oberen Grenze des Valenzbandes.

Mit Hilfe des Bändermodells, ist zu erkennen, daß ein Tunnelstrom durch den Übergang für jede Richtung der angelegten Vorspannung fließen kann. Für Vorspannungen in Sperrichtung ergibt sich die typische Kennlinie eines Zenerstroms mit niedriger Impedanz. Für Vorspannungen in Flußrichtung ergibt sich die typische Tunneldiodenkennlinie, die im vorliegenden Fall in Richtung negativer Spannungen versetzt ist, und zwar durch das Potential in Sperrichtung, das der pn-übergang bei offenem Kreis wegen der heißen Elektronenverteilung annimmt, weil das elektrostatische Potential genügend groß sein muß, um die wachsende Neigung heißer Elektronen den Übergang zu durchqueren, auszugleichen. Die Strom-Spannungs-Kennlinie, die sich daraus ergibt, ist in Fig. 5 dargestellt. Der Strom /, der im Kreis zwischen den Elektroden 13 und 16 fließt, ist in Abhängigkeit von der Spannung V aufgetragen, die zwischen den Elektroden 13 und 16 gemessen wird. Es sind verschiedene Werte der Elektronenverteilungstemperatur T, die direkt von der Spannung der Quelle 18 abhängt, dargestellt.

Höhere Werte von T sind mit höheren Indizes bezeichnet. Wie zu erkennen ist, ist der negative Widerstand um so kleiner (d. h. besser), je höher die Temperatur T ist. Daraus ist zu ersehen, daß eine Modulation der Spannungsquelle 18 eine Modulation des effektiven negativen Widerstandes zwischen den Elektroden 13 und 16 ergibt. Um anzudeuten, daß die zwischen die Elektroden 15 und 16 angelegte Spannung geändert werden kann, ist die Spannungsquelle 18 veränderlich dargestellt. Normalerweise würden Modulationsspannungen, die zwischen die Eelektro-

den 15 und 16 angelegte Spannung modulieren und damit eine entsprechende Modulation des Stroms zwischen den Elektroden 13 und 16 bewirken.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung, in der die Energieerhöhung der Elektronen dadurch erreicht wird, daß die Elektronen zur Zylotronresonanz angeregt werden. Bei dieser Anordnung wird eine halbleitende Diode 21 in einem Hohlraumresonator 22 gebracht, und zwar in einen Bereich, in dem das elektrische Feld stark ist (durch nicht dargestellte Mittel). Ein konstantes Magnetfeld liegt zwischen den Polschuhen eines Magnets 24 am Resonator an.

Die Diode 21 besteht aus einem Halbleiterkörper mit einer η-leitenden Zone 25 und einer p-leitenden Zone 26 sowie mit Elektroden 27 und 28, die an die beiden Zonen angeschlossen sind. Zone 25 ist so dotiert, daß sie nicht ganz entartet ist, während die Zone 26 so dotiert ist, daß sie entartet ist. Die Stärke des angelegten konstanten Magnetfeldes ist so gewählt, daß die Zyklotronresonanzfrequenz der freien Elektronen in Zone 25 der Resonanzfrequenz des Hohlraumes entspricht. Wie bekannt ist, ist die Elektronenresonanzfrequenz durch ^e-— gegeben, wobei e

die Ladung des Elektrons ist, m seine effektive Masse und B die Größe des angelegten magnetischen Feldes bedeutet. Zusätzlich wird Hochfrequenzenergie mit der Zyklotronresonanzfrequenz an den Hohlraumresonator über die Öffnung 29 von der Hochfrequenzquelle 30 geliefert. Die Elektronen nehmen dann Energie aus dem Hochfrequenzfeld auf. Wenn die Elektronen so weit »aufgeheizt« sind, so daß ihr »Imref «-Niveau oberhalb der unteren Grenze des Leitfähigkeitsbandes liegt, liegt die Situation nach Fig. 4 vor, und der quantenmechanische Tunneleffekt tritt auf.

Zum Betrieb als Tunneldiode wird über den pn-übergang der Diode 21 eine Spannungsquelle 31 so angelegt, daß er in Flußrichtung vorgespannt ist. Der negative Widerstand zwischen den Elektroden 27 und 28 kann dadurch moduliert werden, daß die an den Hohlraum gelieferte Hochfrequenzenergie moduliert wird.

Fig. 3 zeigt eine weitere Anordnung zur Energieerhöhung der Elektronen in einer η-leitenden Zone. Ein Halbleiterkörper besitzt einen p-leitenden Hauptteil 41 mit einer dünnen η-leitenden Oberflächenzone 42 und einer diskreten p-leitenden Zone 43, die an einem Teil der Oberflächenzone 42 anliegt. Die Elektroden 44, 45 und 46 stellen niederohmige Anschlüsse an die einzelnen Zonen her. Die Zone 41 weist einen relativ hohen Widerstand auf. Die Zone 42 ist fast entartet und die Zone 43 ist entartet. Eine Spannungsquelle 47 ist zwischen die Elektroden 44 und 45 geschaltet, um den pn-übergang 48 zwischen den Zonen 41 und 42 in Sperrichtung vorzuspannen. Die Größe der angelegten Spannung wird so eingestellt, daß im Übergang 48 der Lawinendurchbruch eintritt, wodurch in der Zone 42 heiße Elektronen erzeugt werden. Die Dicke der Zone 42 zumindest im Bereich des pn-Übergangs 49 ist nicht größer als einige mittlere freie Weglängen der heißen Elektronen, so daß diese Elektronen durch die Sperrschicht tunneln können. Es kann vorteilhaft sein, den Lawinendurchbruch auf den Teil des Übergangs 48 zu begrenzen, der dem Übergang 49 gegenüberliegt. Das kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß die Zone 41 in diesem Bereich einen kleineren Widerstand hat als längs des übrigen Teils.

Durch eine geeignete Vorspannung des pn-Übergangs 49 in Flußrichtung mittels einer Spannungsquelle zwischen den Elektroden 45 und 46 ergibt sich ein negativer Widerstand. Eine Modulation des negativen Widerstandes ist durch Modulation der zwischen die Elektroden 44 und 45 angelegten Spannung möglich.

Selbstverständlich hängt die Erfindung nicht von einem bestimmten Halbleiter ab. Andere Halbleiter wie Germanium, Germanium-Silizium-Legierungen und halbleitende Verbindungen können benutzt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Verfahren zum Erzeugen eines negativen Widerstandes in einem Halbleiterbauelement mit einem so dünnen pn-übergang zwischen zwei Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, daß eine quantenmechanische Durchtunnelung möglich ist, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone über die Entartung und die zweite Zone bis nahe an die Entartung dotiert werden und daß die Energie der Ladungsträger in der zweiten Zone so durch elektrische oder elektromagnetische Felder erhöht wird, daß eine quantenmechanische Durchtunnelung des pn-Überganges auftritt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone p-leitend und die zweite Zone η-leitend dotiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß für den Halbleiterkörper Silizium verwendet wird, daß die erste Zone bis zu einer Konzentration von etwa 10²⁰/ccm und die zweite Zone bis zu einer Konzentration von etwa 10¹⁸/ccm dotiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Energie der Ladungsträger in der zweiten Zone an die zweite Zone des Halbleiterkörpers ein quer zum pn-übergang gerichtetes elektrisches Feld angelegt wird und daß der pn-übergang durch eine Spannungsquelle in Flußrichtung vorgespannt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Energie der Ladungsträger in der zweiten Zone der Halbleiterkörper in einen Hohlraum eingeschlossen wird, der unter dem Einfluß eines konstanten Magnetfeldes steht und bei Resonanz den Ladungsträgern Zyklotronresonanz vermittelt, daß dieser an eine auf die Resonanzfrequenz eingestellte Energiequelle angeschlossen wird und daß der pn-übergang durch eine Spannungsquelle in Flußrichtung vorgespannt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Energie der Ladungsträger in der zweiten Zone an dem Halbleiterkörper eine dritte Zone angebracht wird, deren Leitfähigkeitstyp demjenigen der ersten Zone entspricht und die mit der zweiten Zone einen im Abstand von nur einigen mittleren freien Weglängen der Ladungsträger von dem pn-übergang liegenden zweiten pn-übergang bildet, daß die zweite und dritte Zone an eine Spannungsquelle angeschlossen werden, welche den zweiten pn-übergang in Sperrichtung bis über den Lawinendurchschlagspunkt vorspannt, und

daß der erste pn-übergang durch eine Spannungsquelle in Flußrichtung vorgespannt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein Teil der zweiten Zone von der ersten Zone berührt wird und daß der Querschnitt der zweiten Zone im Bereich des mit der ersten Zone gebildeten pn-Überganges verjüngt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1044285; Proc IRE, JuH 1959, S. 1201 bis 1206;

Phys. Rev. Letters, Bd. 5, 15. Juli 1960, Nr. 2, S. 57 und 58;

R. F. Shea, Principles of transistor circuits, 1953, S. 466 bis 471.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

® 309 689/206 9.63