DE1155190B

DE1155190B - Steuerbarer Tunnelwiderstand

Info

Publication number: DE1155190B
Application number: DEJ18214A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Dr Reinhard Dahlberg
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1960-05-30
Filing date: 1960-05-30
Publication date: 1963-10-03

Description

Steuerbarer Tunnelwiderstand Unter einem elektrischen Tunnelwiderstand versteht man eine Isolierschicht, die sich zwischen zwei Leitern befindet und deren Dicke geringer ist als die Wellenlänge der Ladungsträger, vorzugsweise Elektronen, in den Leitern. Bei dieser Größenordnung der Isolierschicht wird der wellenmechanische Tunneleffekt wirksam. Eine bestimmte, unter anderem von der Dicke der Isolierschicht abhängende Zahl von Ladungsträgern wird diese durchtunneln, so daß zwischen den beiden benachbarten Leitern ein Strom fließen kann. Man kann daher den Tunnelwiderstand auch als ohmschen Widerstand oder Leitwert beschreiben.
Jedes Verstärkerelement, z. B. die Elektronenröhre oder der Transistor, läßt sich formal als Leitwert beschreiben, der mit Hilfe einer relativ geringen elektrischen Leistung variiert werden kann. Bei der Elektronenröhre wird die Änderung des Leitwertes durch ein Gitter mit veränderbarem Potential bewirkt. Bei einem Transistor erhält man eine Änderung des Leitwertes durch Änderung des Sperrwiderstandes eines pn-überganges. Dieser kann durch die Zahl der injizierten Minoritätsladungsträger beeinflußt werden. Es sind auch Verstärkerelemente, z. B. der Unipolartransistor, bekannt, bei denen ohmsche Bahnwiderstände mit Hilfe von Raumladungszonen, z. B. dadurch moduliert werden, daß ein Teil des leitenden Querschnitts durch Trägerverarmung sehr hochohmig wird.
Weiterhin ist es bekannt, infolge Verunreinigungen der Berührungsflächen entstandene Tunnelwiderstände bei metallischen Kontakten durch Anwendung von Druck zu verringern. In Fig. 1 ist ein solcher metallischer Kontakt dargestellt, bei dem eine Metallspitze 1 mit einer Metallfläche 2 in Berührung steht. Die gestrichelt eingezeichnete Linie zeigt die Stellung der Spitze ohne Anwendung von Druck, während die ausgezogene Linie die Stellung der Spitze bei Anwendung von Druck in der angegebenen Pfeilrichtung darstellt. Die Dicke w der Isolierschicht 3 zwischen der Metallspitze 1 und der Metallfläche 2 wird dadurch vermindert. Es ist ohne weiteres einzusehen, daß der Widerstand R1 größer ist als der Widerstand R.. Der Wert des Tunnelwiderstandes folgt einem Exponentialgesetz, bei dem im Exponenten die Dicke w der isolierenden Zwischenschicht steht. Infolgedessen wirkt sich die durch den Druck verursachte Dickenänderung der Isolierschicht sehr stark auf den Tunnelwiderstand aus. Es ist dadurch prinzipiell möglich, mit Hilfe relativ geringer Druckamplituden eine starke Modulation des Tunnelwiderstandes zu erreichen. Eine solche mechanische Steuerung eines elektrischen Leitwertes ist jedoch für die technische Anwendung viel zu ungenau und zu träge.
Die Erfindung betrifft einen steuerbaren elektrischen Tunnelwiderstand, bei dem zwischen zwei oder mehreren leitenden Teilchen, die miteinander punktförmige elektrische Kontakte haben, eine einen Tunnelwiderstand darstellende, in ihrer Dicke veränderbare Schicht geringer Leitfähigkeit liegt.
Gemäß der Erfindung ist die Dicke der Schicht durch Änderung einer von außen über ein die Berührungsstelle umgebendes elektrisch leitendes Material einwirkenden Spannung veränderbar. Die sich berührenden leitenden Teilchen können dabei aus allen Materialien bestehen, bei denen es möglich ist, zumindest an der Berührungsstelle elektrisch steuerbare Tunnelwiderstände zu erhalten. In Ausführung der Erfindung eignen sich dazu Metalle, die elektrolytisch oxydierbar sind, beispielsweise Teilchen aus Wolfram oder Silber. Auch Metalle mit hohem Elektronen-Austrittspotential sind geeignet, z. B. Platin und Nickel.
Weiterhin eignen sich alle Halbleitermaterialien, bei denen bekanntlich durch Anlegen einer Spannung zwischen der Oberfläche und dem Inneren der sich berührenden Teilchen eine Raumladungszone erzeugt werden kann. Bei Änderung der angelegten Spannung ändert sich auch die Dicke der Raumladungszone.
Die Erfindung soll im folgenden an Hand der Fig. 2 bis 4 näher erläutert werden. Es werden dazu die Verhältnisse bei Verwendung von Halbleitermaterialien betrachtet, die sich besonders einfach darstellen lassen. Die Fig. 2 und 3 dienen der Erläuterung des allgemeinen Erfindungsgedankens, während in Fig. 4 ein technisch anwendbares Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
Gemäß Fig. 2 ist eine feine Spitze aus Halbleitermaterial 4 auf eine Halbleiteroberfläche 5 aufgesetzt. Man kann dazu beispielsweise Halbleitermaterialien gleicher Zusammensetzung verwenden. Wenn man den Druck, mit dem die Halbleiterspitze 4 auf dem großflächigen Halbleiterkörper 5 aufliegt, hinreichend groß macht, wird ein elektrischer Kontakt erhalten. Infolge der geringen Berührungsfläche zwischen beiden Halbleitern bezeichnet man diesen Kontakt auch als Engewiderstand. Bei Anlegen einer Spannung zwischen beiden Halbleiterkörpern kann ein Strom beispielsweise in der angegebenen Pfeilrichtung fließen. Dieser Strom hängt von der angelegten Spannung, den Bahnwiderständen, dem Halbleitermaterial und von dem Engewiderstand an der Berührungsstelle ab.
Gemäß Fig. 3 sieht die Erfindung vor, die BerÜhrungsstelle der beiden Halbleiterkörper z. B. mit einem Elektrolyten 6 zu umgeben. Es kann dazu jeder bekannte Elektrolyt verwendet werden, der das Halbleitermaterial nicht in unerwünschter Weise beeinflußt. An Stelle des Elektrolyten ist es auch möglich, ein Metall, beispielsweise in flüssiger Form, oder ein elektrisch leitendes Gas (Plasma) zu verwenden. Durch Berührung der umgebenden Masse mit der Oberfläche der Halbleiterteilchen 4 und 5 kann im Halbleitermaterial entlang der Oberfläche eine Raumladungszone erzeugt werden. Verstärkt wird diese Raumladungszone durch Anlegen einer Sperrspannung zwischen dem umgebenden Material und den sich berührenden Halbleiterteilchen. Wenn die Berührungsfläche der beiden Halbleiterteilchen genügend klein ist, dann wird die Raumladungszone auch an den Oberflächenteilen der Halbleiterkörper 4 und 5 vorhanden sein, an denen diese sich berühren. Da die Raumladungszone eine Verarmung an Ladungsträgern aufweist, wird der elektrische Widerstand zwischen den beiden Halbleiterteilen stark erhöht.
Zwischen der durch den Elektrolyten oder das umgebende Metall erzeugten leitenden Oberflächenschicht auf dem Halbleiterteilchen 4 und dem Kern des Halbleiterteilchens darf keine leitende Verbindung bestehen, da in diesem Falle der in Pfeilrichtung fließende Strom über die Oberfläche den Tunnelwiderstand umgehen würde. Diese Möglichkeit wird aber zwangläufig verhindert, weil die Raumladungszone 7 an den Stellen 7 a über die obere Grenze des umgebenden Materials hinaus ausgebildet wird, so daß zwischen dem Kern des Halbleiterkörpers und der leitenden Oberfläche eine durch Trägerverarmung bedingte Isolierschicht liegt.
Die Dicke der Raumladungszone 7 hängt im wesentlichen von der Trägerkonzentration des Halbleitermaterials und der Größe der angelegten Spannung ab. Wenn man an der Berührungsstelle der Halbleiterteilchen einen Tunnelwiderstand erhalten will, ist es notwendig, die effektive Schichtdicke der Raumladungszone 7 kleiner als die Wellenlänge der Elektronen zu machen. In weiterer Ausbildung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Halbleitermaterial hoher Dotierung, vorzugsweise entartetes Halbleitermaterial, zu verwenden. Dieses gewährleistet die Ausbildung ausreichend dünner Raumladungszonen. Da die Dicke der Raumladungszonen außerdem von der angelegten Spannung abhängt, ist es möglich, diese und damit den Tunnelwiderstand der Berührungsstelle mit Hilfe der Spannung zu modulieren.
Im allgemeinen werden zusätzlich zur Raumladungszone noch dünne Verunreinigungsschichten, z. B. Oxydschichten, zwischen den beiden Halbleiterteilen vorhanden sein. Sie stören jedoch den Effekt nicht, wenn nur die Bedingung beachtet wird, daß die Summe aller isolierenden Schichten kleiner ist als die Elektronenwellenlänge.
Es ist ferner möglich, an der Berührungsstelle der Halbleiterteilchen einen pn-Übergang zu erzeugen und die Raumladungszone des pn-Übergangs durch eine angelegte Spannung zu modulieren. Der pn-Übergang kann beispielsweise durch Legierung oder Diffusion von Verunreinigungen in die Oberfläche der Halbleiterteilchen erzeugt werden. Zu beachten ist auch dabei, daß das verwendete Halbleitermaterial hochdotiert sein muß.
Die in Fig. 2 und 3 beschriebene Anordnung eines steuerbaren elektrischen Tunnelwiderstandes hat jedoch wenig Aussicht auf technische Verwendbarkeit. Einmal dürfte es nicht ganz einfach sein, Halbleiterspitzen mit einem Durchmesser von 100 A herzustellen und stabil auf einem Halbleiter zu fixieren, und zum anderen hätte eine derartige Anordnung auch noch einen sehr hohen elektrischen Grundwiderstand. In Fig. 4 ist daher ein technisch verwendbares Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Hochdotiertes p- oder n-leitendes Halbleitermaterial wird sehr fein pulverisiert, so daß Teilchen der Größenordnung 1 #t vorliegen. Durch einen geeigneten Preß- und/oder Sintervorgang werden diese Teilchen in einen porösen Formkörper übergeführt. Dabei erhalten die einzelnen Halbleiterteilchen praktisch zwischenschichtfrei miteinander flächenkleine elektrische Kontakte.
Füllt man nun die Zwischenräume zwischen den Halbleiterteilchen in dem porösen Formkörper 8 durch einen Elektrolyten, ein flüssiges Metall oder ein Plasma aus, dann wird sich bei geeignetem Potential zwischen dem Halbleiter und der Flüssigkeit in den Halbleiterteilchen eine Raumladungszone von der Oberfläche her ausbilden. Wenn der Durchmesser der Halbleiterteilchen bzw. ihre gegenseitige Berührungsfläche hinreichend klein ist, bildet sich die trägerverarmte Raumladungszone auch an der Kontaktstelle der einzelnen Teilchen aus und vergrößert den Gesamtwiderstand des porösen Formkörpers.
Das in Fig. 4 dargestellte Ausführungsbeispiel besteht aus einem solchen porösen Formkörper 8, dessen Stirnseiten mit kompaktem Halbleitermaterial 9 der gleichen Zusammensetzung verbunden sind. Auf den Stirnseiten des kompakten Halbleitermaterials befinden sich sperrschichtfreie Elektroden 10, die zum Anschluß der Stromzuführungen dienen. Die Halbleiterstücke 9 aus kompaktem Material haben die Aufgabe, zu verhindern, daß das in den porösen Formkörper infolge der Kapillarwirkung eindringende leitende Material eine elektrisch leitende Verbindung mit den Elektroden 10 besitzt.
Der Elektrolyt, das flüssige Metall oder Plasma 12 wird in den Raum eingefüllt, der von einer durch Isolierkörper 11 getragenen Metallelektrode 13, die den Formkörper umgibt, und dem Formkörper gebildet wird. Der zu modulierende Strom fließt zwischen den beiden Elektroden 10. An die Metallelektrode 13 wird eine Spannung gelegt, die gegenüber der Spannung des Formkörpers an allen Punkten positiv oder negativ ist, je nachdem der Halbleiter vom n- oder p-Typ ist, so daß zwischen dem Formkörper und der Metallelektrode eine Potentialdifferenz liegt. Durch diese wird auf der Oberfläche der im Formkörper befindlichen Teilchen eine Raumladungszone erzeugt. Bei Veränderung der an der Metallelektrode liegenden Spannung ändern sich die Dicke der Raumladungszonen sowie die Tunnelwiderstände zwischen den einzelnen Teilchen des Formkörpers und damit der Gesamtwiderstand des Formkörpers. Man kann so in der bei Elektronenröhren bekannten Weise eine Steuerwirkung erzielen.
In weiterer Ausbildung der Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den porösen Formkörper bei relativ niedrigem Druck und die punktförmigen Kontakte zwischen den einzelnen Teilchen durch Anlegen einer hinreichend hohen Spannung zwischen den Stirnseiten und eine dadurch bewirkte Frittung herzustellen.
Ein poröser Formkörper der soeben beschriebenen Art kann auch aus anderen Materialien hergestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, Metallteilchen aus einem Metall, das sich anodisch oxydieren läßt, in punktförmige Berührung zu bringen und mit Hilfe eines Elektrolyten, in dem sich keine stabile Oxydschicht ausbildet, steuerbare Tunnelwiderstände zu erzeugen. Der Formkörper kann auch aus Metallteilchen mit hohem Elektronen-Austrittspotential, beispielsweise Platin oder Nickel, bestehen.
Die Vorteile der Erfindung liegen vor allem darin, daß wie bei Transistoren eine praktisch leistungslose Steuerung eines aktiven Vierpols möglich ist, der aber im Gegensatz zu den üblichen Halbleiter-Vierpolen wegen der Verwendung von sehr niederohmigem Material, das bei Entartungskonzentrationen der Ladungsträger der Fermi-Statistik folgt, praktisch temperaturunabhängig ist. Ein weiterer Vorteil einer nach der Erfindung hergestellten Anordnung besteht darin, daß die Frequenzgrenze, bis zu welcher die Anordnung brauchbar ist, praktisch nur vom Widerstand und der Kapazität gegeben ist. Bei entsprechender Kleinheit ist die Verwendung bis zu sehr hohen Frequenzen möglich.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand, bei dem zwischen zwei oder mehreren leitenden Teilchen, die miteinander punktförmige elektrische Kontakte haben, eine einen Tunnelwiderstand darstellende, in ihrer Dicke veränderbare Schicht geringer Leitfähigkeit liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht durch Änderung einer von außen über ein die Berührungsstelle umgebendes elektrisch leitendes Material einwirkenden Spannung veränderbar ist.
2. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zwischen der Oberfläche und dem Inneren der sich berührenden leitenden Teilchen angelegte veränderbare Spannung eine Raumladungszone erzeugt und steuert.
3. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich Teilchen aus Metall punktförmig berühren.
4. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallteilchen aus einem elektrolytisch oxydierbaren Metall, beispielsweise Wolfram oder Silber, bestehen.
5. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterteilchen aus einem Metall mit hohem Elektronen-Austrittspotential bestehen.
6. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich Teilchen aus Halbleitermaterial, beispielsweise aus Silizium oder Germanium, punktförmig berühren.
7. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial der sich berührenden Teilchen eine hohe Dotierung, vorzugsweise Entartungsdotierung, aufweist. B.
Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich berührenden Halbleiter- oder Metallteilchen (4 und 5) von einem Elektrolyten (6) umgeben sind.
9. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich berührenden Halbleiter- oder Metallteilchen von einem flüssigen Metall umgeben sind.
10. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich berührenden Halbleiter- und Metallteilchen von einem elektrisch leitenden Gas (Plasma) umgeben sind.
11. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der Berührungsstelle der Halbleiterteilchen ein pn Übergang vorhanden ist.
12. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in die Oberfläche der sich berührenden Halbleiterteilchen entgegengesetzte Leitfähigkeit erzeugendes Verunreinigungsmaterial eindiffundiert ist.
13. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus kleinen, vorzugsweise Halbleiterteilchen der Größe 1 #t bestehender poröser Formkörper (8), beispielsweise Sinterkörper, von einem Elektrolyten, flüssigem Metall oder Plasma (12) umgeben ist, das infolge der Kapillarwirkung in den Sinterkörper eindringt und die Halbleiterteilchen umhüllt.
14. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper (8) an seinen Stirnseiten mit einem kompakten Halbleiterkörper (9) verbunden ist, auf dessen Stirnseite sperrfreie Elektroden (10) angebracht sind.
15. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Ansprächen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß .eine durch Isolierkörper (11) getragene Metallelektrode (13) in Abstand um den Formkörper (8) gelegt und der Hohlraum zwisehen Formkörper und Metallelektrode mit einem Elektrolyten, flüssigem Metall oder Plasma (12) ausgefüllt ist, die infolge der Kapillarwirkung in den Formkörper eindringen.
16. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Ansprüchen 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, d'aß die Isolierkörper (11) auf dem kompakten Halbleitermaterial (9) befestigt sind und eine Verbindung des Elektrolyten, des flüssigen Metalls oder Plasmas (12) mit den sperrfreien Elektroden (10) verhindern.
17. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Ansprüchen 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine hinreichend: hohe zwischen den Stirnseiten des porösen Formkörpers angelegte Spannung durch Frittung die punktförmigen elektrischen Kontakte zwischen den einzelnen Teilchen des porösen Formkörpers herstellt.
18. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach Ansprüchen 4, 5 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sinterkörper aus kleinen Metallteilchen besteht.
19. Steuerbarer elektrischer Tunnelwiderstand nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine steuerbare Spannung zwischen der Metallelektrode (13) und dem Sinterkörper (8) an dem Kontaktpunkt der einzelnen Teilchen im Formkörper (18) eine, mit der angelegten Spannung sich ändernde Raumladungszone erzeugt.