DE1160106B

DE1160106B - Halbleiterverstaerker mit flaechenhaften pn-UEbergaengen mit Tunnelcharakteristik und Verfahren zum Herstellen

Info

Publication number: DE1160106B
Application number: DEJ19004A
Authority: DE
Inventors: Dr Hans Peter Kleinknecht
Original assignee: TDK Micronas GmbH
Current assignee: TDK Micronas GmbH
Priority date: 1960-11-11
Filing date: 1960-11-11
Publication date: 1963-12-27
Also published as: GB999273A; DE1160106C2; US3309586A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

J19004 Vmc/21g

ANMELDETAG: U. NOVEMBER 1960

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 27. DEZEMBER 1963

In neuerer Zeit sind Halbleiterbauelemente unter dem Namen »Tunneldioden« oder »Esakidioden« bekanntgeworden, die zur Verstärkung bei sehr hohen Frequenzen geeignet sind (vgl. z. B. Electrical Engineering, April 1960, S. 270 bis 277). Die ausgezeichneten Hochfrequenzeigenschaften dieser Bauelemente beruhen im wesentlichen auf der Trägheitslosigkeit des Tunneleffektes. Ein Nachteil der Tunneldioden als Verstärker besteht darin, daß bei einer Diode Eingang und Ausgang an denselben Klemmen liegen und somit die Trennung von Eingang und Ausgang, d. h. die rückwirkungsfreie Verstärkung, eines unerwünscht großen Schaltaufwandes bedarf. Dieser Schaltaufwand kann bei Beibehaltung der Vorteile des Tunneleffektes durch eine Triode vermieden werden. Es liegt dann ein relativ rückkopplungsfreier Vierpol vor, dessen Hochfrequenzverhalten dem der Tunneldiode entspricht.

Die Verwendung von verhältnismäßig hochdotierten Schichten bei Halbleiterbauelementen ist bekannt. Derartige Schichten werden zum Beispiel an der Oberfläche eines Halbleiterkörpers zur Verminderung der Oberflächenrekombination verwendet. Es ist auch bekannt, derartige Schichten gegebenenfalls in Verbindung mit zusätzlichen Elektroden zur Beeinflussung des pn-Überganges zu verwenden. Bei allen diesen Schichten handelt es sich jedoch nicht um Schichten mit Entartungsdotierung, wie sie bei Tunneldioden vorliegen. Auch die Einwirkung elektrischer Felder auf Halbleiterbauelemente bzw. deren pn-Übergänge ist bekannt. So kann z. B. die Raumladungskapazität eines Halbleiterbauelementes durch geeignete Einwirkung eines elektrischen Feldes herabgesetzt werden. Ferner sind sogenannte Unipolartransistoren bekannt, bei denen elektrische Felder eine Steuerwirkung ausüben. Bei allen bekannten Bauelementen handelt es sich jedoch nicht um die Beeinflussung von pn-Übergängen mit Tunnelcharakteristik, bei denen Halbleiterschichten mit Entartungsdotierung einen pn-übergang bilden.

Die Erfindung hat sich zum Ziel gesetzt, einen Halbleiterverstärker mit steuerbarem Tunneleffekt zu schaffen, bei dem die Nachteile der Tunneldioden vermieden werden. Die Erfindung bezieht sich somit auf einen Halbleiterverstärker mit einem Halbleiterkörper mit zwei oder mehreren mindestens an der Oberfläche abwechselnd aufeinanderfolgenden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und flächenhaften pn-Übergängen mit Tunnelcharakteristik zwischen diesen Zonen sowie zwei sperrfreien Elektroden, zwischen denen ein Strom über die pn-Übergangsflächen fließt und einem steuernden elektrischen Feld.

Halbleiterverstärker mit flächenhaften

pn-Übergängen mit Tunnelcharakteristik

und Verfahren zum Herstellen

Anmelder: INTERMETALL Gesellschaft für Metallurgie

und Elektronik m.b.H., Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19

Dr. Hans Peter Kleinknecht, Emmendingen, ist als Erfinder genannt worden

Dieser Halbleiterverstärker zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß die Zonen des einen Leitfähigkeitstyps gleichmäßig und über die Entartung dotiert sind, daß die Zonen des anderen Leitfähigkeitstyps nur an der Oberfläche eine über die Entartung dotierte Schicht aufweisen, und daß das elektrische Feld senkrecht zu dieser Oberfläche gerichtet ist und auf die Raumladungszonen der pn-Übergänge an der Oberfläche einwirkt und den Strom über die pn-Übergänge steuert.

Bei der Erfindung wird die an sich bekannte Erscheinung ausgenutzt, daß der Strom durch eine Tunneldiode von der Dicke der zu durchtunnelnden Sperrschicht abhängt. Eine Änderung der Sperrschichtdicke wird in der Nähe der Oberfläche durch eine Änderung der Oberflächenladung erreicht. Die Änderung stellt das Eingangssignal dar, während die resultierende Änderung des Tunnelstromes das Ausgangssignal ergibt.

Die weitere Ausbildung und die Vorteile der Erfindung werden an Hand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Halbleiterverstärkers nach der Erfindung; Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Anwendung der Erfindung im Zusammenhang mit einem Wellenleiter;

Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel für die Anwendung der Erfindung im Zusammenhang mit einem Hohlraumresonator;

Fig. 4 dient zur Erläuterung der Herstellung eines Halbleiterverstärkers nach der Erfindung, und

309 770/313

3 4

Fig. 5 dient zur Erläuterung der Wirkungsweise des Ziehen aus der Schmelze, durch Aufwachsen aus

Halbleiterverstärkers nach der Erfindung. einer metallischen Lösung, durch Aufwachsen aus

Nach dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel besteht der Gasphase oder durch Legieren erzeugt werden, der Halbleiterverstärker aus einem Halbleiter- Die erhöhte Oberflächendotierung der Schicht 4 wird körper 1 mit einem stark dotierten Teil 2 eines be- 5 zweckmäßig durch Diffusion erreicht. Diese Schicht stimmten Leitfähigkeitstyps, der praktisch entartet sollte so dünn wie möglich sein, um die Ausgangsdotiert ist. Dieser ist durch einen pn-übergang 5 mit impedanz möglichst hoch zu halten. Man kann das einem Teil 3 des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps durch sehr kurze Diffusionszeiten erreichen. Der verbunden, der weniger stark dotiert ist. Die an dem Diffusionsvorgang verflacht unter Umständen den pn-übergang ausgebildete Raumladungszone, die io pn-übergang 5, was zu einem Verlust der Tunneldurch die gestrichelten Linien 6 a und 6 b begrenzt charakteristik führen würde. Durch geeignete Wahl wird, erstreckt sich vorwiegend in den hochohmigen der Verunreinigungen und der Temperaturen bei der Teil 3. Dieser hochohmige Teil 3 ist an seiner Ober- Herstellung des pn-Überganges kann dem jedoch fläche 4, z. B. durch Eindiffundieren von den gleichen entgegengewirkt werden. Außerdem ist es auch mög-Leitfähigkeitstyp erzeugendem Verunreinigungsmate- 15 lieh, die pn-Verbindung erst nach der Erzeugung der rial, stärker dotiert. Wegen der stärkeren Dotierung hochdotierten Oberflächenschicht 4 herzustellen. Die an der Oberfläche im Bereich 4 wird die Raum- Isolierschicht 7 an der Oberfläche wird entweder ladungszone infolge der sich an den Oberflächen durch Aufdampfen von Quarz oder Silikaten oder gegenüberliegenden beiden stark dotierten Schich- durch Oxydation der Halbleiteroberfläche erzeugt, ten 2 und 4 eingeengt und erhält damit eine Größen- 20 Das kann gegebenenfalls während des Diffusionsvorordnung, die das Fließen eines Tunnelstromes ermög- ganges geschehen. Als Metallelektrode 8 kann entlicht, weder ein Spitzenkontakt oder ein kleiner aufge-

Nach dem in Fig. 1 dargestellten Beispiel weist die dampfter Flächenkontakt bzw. ein feiner Strich enthochdotierte Zone 2 p-Leitf ähigkeit und die niedrig- lang des pn-Überganges 5 verwendet werden, dotierte Zone mit der hochdotierten Oberflächen- 25 Zur Betrachtung der Hochfrequenzeigenschaften schicht η-Leitfähigkeit auf. Es ist ebensogut aber des Halbleiterverstärkers nach der Erfindung können auch eine umgekehrte Anordnung der Leitfähigkeits- die Verhältnisse beim Unipolartransistor wegen der typen möglich. prinzipiellen Ähnlichkeit herangezogen werden. Es

Auf der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers 1, ist dabei lediglich zu beachten, daß sich im Gegen-

die senkrecht zum pn-übergang liegt, ist eine dünne 30 satz zum Unipolartransistor bei dem Bauelement nach

Isolierschicht 7 nach irgendeinem bekannten Ver- der Erfindung die Ladungen, die im Ausgangs- und

fahren, z. B. durch Oxydieren eines Teils der Ober- Eingangskreis fließen, nicht entsprechen. Für den

fläche, aufgebracht. Die Schicht 7 isoliert einen auf Unipolartransistor gilt als Gütefaktor für die Strom-

ihr zumindest über dem pn-übergang aufgebrachten verstärkung die bekannte Beziehung

Metallbelag 8 von dem Halbleiterkörper. 35 2 _d j

Der Halbleiterkörper wird an den beiden gegen- Gf f— -=—· -τγτ· überliegenden Enden, zwischen denen die p- und ^ η-Schicht liegen, mit metallischen Abnahmeelektro- Darin bedeutet G₁ die Stromverstärkung, / die den 9 und 10 versehen. Diese sind mit einer Gleich- Bandbreite oder die obere Grenzfrequenz, / den Spannungsquelle U₁ geeigneter Vorspannung sowie 40 Strom im Ausgangskreis und Q die Ladung an der einem Lastwiderstand R mit den beiden Abnahme- Eingangselektrode. Der Gütefaktor für die Leistungselektroden 14 und 15 verbunden. Der Metallbelag 8 verstärkung ist durch die Beziehung wird über eine Abnahmeelektrode 11 und über die 1—^- Eingangsklemmen 12 und 13, an denen das hoch- V(f_v ./ = Gt ·/]/—-■ frequente Eingangssignal liegt, mit einem Pol einer 45 y C_a geeigneten Vorspannungsquelle U₀ verbunden, deren gegeben. Darin bedeuten G₁, die Leistungsverstärkung, anderer Pol an der Abnahmeelektrode 9 des Halb- C_e die Eingangskapazität und C_a die Ausgangsleiterkörpers liegt. kapazität.

Eine elektrische Ladung auf dem Metallbelag 8 Bei der Berechnung eines Zahlenbeispiels muß wie

erzeugt ein Feld im Halbleiterinneren senkrecht zur 5° bereits oben erwähnt berücksichtigt werden, daß bei

Oberfläche, welches die Dicke der Sperrschicht in der dem Tunnelverstärker nach der Erfindung die Ladun-

Nähe der Oberfläche und damit den Diodenstrom von gen, die im Ausgangs- und Eingangskreis fließen,

der Klemme9 zu der Klemme 10 verändert. Mit der , . , . . , „ _x, ,..,. . d/ _a

„·*· r>i ■*··* α Ά*· * ti f ι.* ο · · einander nicht entsprechen. Das Verhältnis ₁₇rmuß positiven Polarität an der Metallschicht 8, wie in ^r dg

Fig. 1 dargestellt, tritt eine Verkleinerung der Raum- 55 vielmehr aus der Abhängigkeit des Stromes / von der ladungszone ein, was durch die punktierte Linie 6 c Sperrschichtdicke W und der Abhängigkeit von W angedeutet ist. Damit wird der Tunnelstrom größer. von der Ladung Q berechnet werden. Bei dem vor-Eine gegenläufige Veränderung des im p-Gebiet liegen- liegenden in Fig. 1 dargestellten Beispiel soll angeden Anteils der Sperrschicht ist wegen der starken nommen werden, daß der Halbleiterkörper 1 aus Ger-Dotierung des p-Gebietes sehr gering. Die Abschirm- ⁶° manium besteht, die diffundierte Oberflächenschicht 4 wirkung der Oberflächenzustände gegenüber dem Feld eine Donatorendichte von 1,6-10¹⁹ cm-³ bei 1μ der Oberflächenelektrode kann außer Betracht blei- Diffusionstiefe aufweist, die Steuerelektrode 8 eine ben, da die Anordnung im wesentlichen bei hohen Breite von 1 μ besitzt und die Isolierschicht 7 aus Frequenzen über 10 MHz betrieben wird, bei denen Quarz von 0,1 μ Dicke mit einer Dielektrizitätskondie Oberflächenzustände nicht mehr folgen können. 65 stante ε = 5 besteht. Es ergibt sich daraus ein

i„ SSKA SÄÄT Κ*—»—»* % = 10". Der GU₁^o₁ für gestellt werden. Der pn-übergang kann z. B. durch die Stromverstärkung G₁ ■ f liegt dann in der Größen-

5 6

Ordnung von 1000 GHz und der Gütefaktor für die vektor H und die Ladungen in der Wandung des

_T . _A ^.. , τ r^r , . j „ .._n j Wellenleiters mit dem elektrischen Feldvektor £ ver-

Leistungsverstärkung ]/G„ ■ f in der Größenordnung ^_{1 Das FeM £ der} _chküom^_{eüschm wdl&}

von 100 GHz. Der letztere Gütefaktor gibt die maxi- beeinflußt, wie bereits vorstehend erläutert wurde, die

male Oszillatorfrequenz an. 5 Breite der Raumladungszone an den pn-Übergängen.

Es liegt auf der Hand, daß die guten Hoch- Dadurch wird ein Gleichstrom, der über eine Spanfrequenzeigenschaften des Halbleiterverstärkers nach nungsquelle U₃ an die Halbleiteranordnung 18 angeder Erfindung nur in Verbindung mit Schaltmitteln legt ist, durch Änderung der Tunnelwiderstände örtausgenutzt werden können, die bei derartigen Fre- lieh moduliert. An den Stellen, wo das Feldf? nach quenzen üblich sind. Im folgenden soll daher ein io oben gerichtet ist, wird der Strom geschwächt, wo E Ausführungsbeispiel der Erfindung in Verbindung nach unten zeigt, wird er verstärkt. Dies stellt eine mit einem Wellenleiter sowie ein Ausführungsbeispiel Wechselstromkomponente dar, die sich dem durch in Verbindung mit einem Hohlraumresonator be- die Welle selbst hervorgerufenen Wandstrom übertrachtet werden. lagert und wegen der Verknüpfung der Feldvektoren

Fig. 2 zeigt einen Wellenleiter, bei dem ein Teil 15 mit dem Strom zu einer Verstärkung der Welle führt,

der Wandung aus schwach dotiertem η-leitendem Die verstärkende Wirkung tritt an jeder pn-Verbin-

Halbleitermaterial mit einer stärker dotierten Ober- dung auf, gleichgültig ob der Gleichstrom von ρ

flächenschicht des gleichen Leitfähigkeitstyps besteht, nach η oder umgekehrt fließt. Eine örtliche Modula-

in die mehrere Flecken aus stark dotiertem Material tion des Stromes in einem Stromfaden, d. h. eine

des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (p⁺) ein- 20 nicht verschwindende Stromdivergenz ist deshalb

gebracht sind. Der Wellenleiter kann aus einem möglich, weil der Vorgang mit einer abwechselnden

metallischen Rohr bestehen, das im Inneren ein Aufladung und Entladung der Sperrschichtkapazitäten

Dielektrikum enthält und von rechteckigem Quer- der pn-Verbindungen verknüpft ist, die parallel zu den

schnitt ist, wobei ein Teil des Metallrohres durch eine Tunnelwiderständen liegen. Eine genauere Betrach-

Halbleiteranordnung nach der Erfindung ersetzt ist. 25 tung eines geeigneten Ersatzschaltbildes zeigt, daß

Ebensogut kann der Wellenleiter auch aus zwei dadurch tatsächlich Energie von der Batterie U₃ an

durch ein Dielektrikum getrennten parallelen metal- die Welle abgegeben wird.

lischen Streifen 16 und 17 bestehen, wie in Fig. 2 Die erhaltene Verstärkung ist rückwirkungsfrei, dargestellt. In den Metallstreifen 17 ist eine Halb- Die vorstehenden Erläuterungen und die Fig. 2 und 5 leiteranordnung 18, durch Streifen 21 aus Isolier- 30 zeigen, daß bei einer bestimmten Polung der Spanmaterial von dem Metallstreifen getrennt, eingesetzt, nungsquelle U₃ nur die in einer Richtung laufende die im Prinzip der in Fig. 1 dargestellten Halbleiter- Welle verstärkt wird.

anordnung entspricht. Sie unterscheidet sich von Die Spannungsquelle t/₄ erzeugt ein konstantes dieser lediglich dadurch, daß sie mehrere pn-Über- Feld zwischen den beiden Wänden 16 und 17 des gänge aufweist. Die Halbleiteranordnung 18 besteht 35 Wellenleiters, das sich dem Feld E der Welle überaus schwach dotiertem η-leitendem Germanium mit lagert. Es dient dazu, die Halbleiteroberfläche auf einer dünnen stärker dotierten Schicht 19 des gleichen einen günstigen Wert bezüglich der Feldabhängigkeit Leitfähigkeitstyps, die durch Diffusion von Verunrei- der Tunnel-Widerstände vorzuspannen, nigungsmaterial erhalten wird. Diese Schicht ist mit Die Leistungsverstärkung pro pn-Verbindung, d. h. vielen kleinen hochdotierten Recken 20 aus p-leiten- 40 die Zunahme des Energieflusses der Welle an jeder dem Material versehen. Die Form der p-leitenden pn-Verbindung, liegt bei Annahme einer Stromdichte Flecken ist nicht kritisch. Entscheidend ist nur, daß von 600 A/cm² bei etwa 4,7%. Bei größeren Strommöglichst viele pn-Verbindungen vorhanden sind. dichten von 4 ■ 10⁴ A/cm², die bei Germanium-

Am einfachsten ist eine statistische Verteilung Tunneldioden bereits erreicht worden sind, erhält

runder Flecken zu erhalten wie in Fig. 4 dargestellt 45 man eine Leistungsverstärkung von 300%. Demnach

ist. Eine solche Struktur kann durch Aufdampfen ist mit einer durchschnittlichen Dichte der pn-Über-

eines p-dotierenden Materials oder Metallgemisches, gänge von 100/cm bei einem Flächendurchmesser

z. B. aus Indium oder Zinn-Gallium, erhalten werden. von etwa 100 μ für jeden p-Flecken einVerstärkungs-

Der Halbleiterkörper mit der aufgedampften p-dotie- faktor von 300/cm bzw. 25 db/cm zu erreichen. Dabei

renden Schicht wird in einer leicht oxydierenden 50 muß allerdings berücksicht werden, daß bei der

Atmosphäre erhitzt. Dabei zieht sich der auf- statistischen Verteilung der pn-Verbindungen, wie sie

gedampfte Film in viele kleine Kügelchen zusammen, in Fig. 4 beschrieben sind, nur ein Bruchteil der pn-

die beim weiteren Erhitzen in den Halbleiterkörper Übergänge wirksam ist. Wenn man diesen Bruchteil

einlegieren. Das überschüssige Metall kann nachträg- mit einem Faktor 5 berücksichtigt, dann würden sich

lieh abgeätzt werden. 55 für eine Verstärkung von 25 db 5 cm Länge als not-

Die Wirkungsweise eines Halbleiterverstärkers in wendig erweisen.

Verbindung mit einem Wellenleiter wird an Hand der Eine Erhöhung der Verstärkung kann man errei-Fig. 2 und 5 im folgenden näher erläutert. Fig. 5 chen, indem beide Wände des Wellenleiters mit stellt einen kleinen Ausschnitt aus Fig. 2 dar, der einem Halbleiterkörper 19 versehen werden. Es kann einen pn-übergang umfaßt. Gleiche Teile sind mit 60 auch der ganze Wellenleiter durch die Kombination den gleichen Bezugszeichen versehen. Halbleiter-Oxyd-Metallschicht gebildet werden. Wei-In dem Wellenleiter fließt eine reguläre trans- terhin besteht die Möglichkeit, den Verstärkungsversale elektromagnetische Welle, die sich in Rieh- faktor durch eine geeignete Wahl des Dielektrikums tung des Pfeiles 22 ausbreitet. Die physikalischen im Wellenleiter zu erhöhen.

Verhältnisse bei Wellenleitern werden als bekannt 65 Ein anderes Beispiel der Erfindung ist in Fig. 3 vorausgesetzt und nur erwähnt, soweit sie für die Er- dargestellt. Dort wird eine Halbleiteranordnung nach findung von Bedeutung sind. Der Oberflächenstrom der Erfindung in Verbindung mit einem Resonanzin dem Wellenleiter ist mit dem magnetischen Feld- hohlraum verwendet. Hohlraumresonatoren eignen

sich bekanntlich dazu, elektromagnetische Wellen in einem bestimmten Modus nach Art einer stehenden Welle aufrechtzuerhalten, wobei an einer oder mehreren Stellen des Hohlraums ein Maximum der elektrischen Komponente des Feldes entsteht. Es sind verschiedene Ausführungsformen von Hohlraumresonatoren bekannt, die im Prinzip alle in Verbindung mit der Erfindung verwendet werden können. Besonders vorteilhaft ist jedoch eine in Fig. 3 dargestellte Ausführungsform, die unter der Bezeichnung »Topfkreis« bekannt ist. Er besteht aus einem zylindrischen Hohlraum, dessen eine Abschlußfläche nach innen einspringend ausgebildet ist, so daß an dieser Stelle ein Maximum des elektrischen Feldes auftritt. Es ist auch bereits bekannt, die Begrenzung derartiger Hohlräume zum Teil aus Halbleitermaterial herzustellen. Das Halbleitermaterial der Wandung wird von einem Strom durchflossen und steht in ähnlicher Weise, wie bereits bei Fig. 2 beschrieben, mit dem elektromagnetischen Feld des Topfkreises in Wechselwirkung. Durch den sogenannten Feldeffekt, der in einem Halbleiter bei Vorhandensein eines äußeren Feldes eine Änderung der Leitfähigkeit zur Folge hat, kann man auf diese Weise durch erne Gleichstromquelle Energie zuführen. Allerdings werden dazu sehr dünne Halbleiterplättchen benötigt, da der Feldeffekt nur an einem geringen Teil der Oberfläche des Halbleiterplättchens auftritt und zudem einen sehr geringen Wirkungsgrad besitzt. Demgegenüber ist bei der Verwendung einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung durch die Steuerung des Tunnelwiderstandes ein wesentlich größerer Wirkungsgrad zu erzielen.

In Fig. 3 ist ein Topfkreis 29 dargestellt, dessen Hohlraum von metallischen Wänden 23 umgeben ist und dessen eine Abschlußwand eine Ausweichung nach innen aufweist. In dieser Ausweichung ist der Halbleiterkörper 18 nach der Erfindung mit dem Topfkreis leitend verbunden untergebracht. Ferner besitzt der Topfkreis eine Vorrichtung in Form einer koaxialen Leitung 24 zum Auskoppeln eines Teils der in dem Topfkreis vorhandenen Energie. Eine Gleichspannungsquelle U₅ ist mit einem Pol an die Halbleiteranordnung über einen ohmschen Anschluß 27 und mit dem anderen Pol an die gegenüberliegende Wandung des Metallteiles 28 gelegt. Es fließt somit ein Strom, wie er durch die Pfeile 25 und 26 angedeutet ist.

Die Wirkungsweise der Anordnung ist an Hand der früheren Erläuterungen leicht zu verstehen. Wenn auf irgendeine bekannte Art im Hohlraum des Topfkreises eine Schwingung erzeugt wird, entsteht eine einfache Schwingung im Hohlraum. Das dadurch erzeugte elektromagnetische Feld besitzt elektrische Vektoren, die in Fig. 3 durch die Pfeile E angedeutet sind. Wie bereits erwähnt, ändert das elektrische Feld über die Ladungen den Tunnelwiderstand, wodurch wiederum der Strom durch die pn-Verbindungen geändert wird und über den Strom das magnetische Feld im Hohlraum beeinflußt wird. Damit ist es möglich, die Verluste der Schwingungen durch Zuführung von Energie aus der Gleichspannungsquelle U₅ auszugleichen und gegebenenfalls einen Teil der Energie aus dem Hohlraum auszukoppeln. Es liegt damit ein Oszillator- bzw. Resonanzverstärker für sehr hohe Frequenzen vor.

Die Wirkung kann ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 auch in dem Beispiel nach Fig. 3 erhöht werden, indem man auch den der Halbleiteranordnung 18 gegenüberliegenden Teil der Wandung aus Halbleitermaterial entsprechend der Anordnung 18 ausbildet. Zu diesem Zweck wird man den Topfkreis symmetrisch ausbilden, so daß die obere Wandung ebenfalls nach innen in der gleichen Weise eingreift wie die gegenüberliegende Seite.

Voraussetzung für die Wirkung der Erfindung ist in jedem Falle das Vorhandensein von entartet dotierten Ionen an pn-Übergängen. Erst die Verwendung von stark dotiertem Halbleitermaterial unterschiedlicher Leitfähigkeit ermöglicht die Ausbildung einer Raumladungszone an dem pn-übergang, deren Breite in der Größenordnung der Wellenlänge der Ladungsträger liegt. Die Ladungsträger können somit die Raumladungszone in mehr oder weniger großer Zahl je nach Breite der Raumladungszone durchtunneln. Durch Verändern der Breite der Raumladungszone wird die Zahl der Ladungsträger, die für einen Stromtransport maßgebend sind, beeinflußt und damit der Gesamtstrom.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleiterverstärker mit einem Halbleiterkörper mit zwei oder mehreren mindestens an der Oberfläche abwechselnd aufeinanderfolgenden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und flächenhaften pn-Übergängen mit Tunnelcharakteristik zwischen diesen Zonen sowie zwei sperrfreien Elektroden, zwischen denen ein Strom über die pn-Übergangsflächen fließt, und einem steuernden elektrischen Feld, dadurch gekennzeich net, daß die Zonen des einen Leitfähigkeitstyps gleichmäßig und über die Entartung dotiert sind, daß die Zonen des anderen Leitfähigkeitstyps nur an der Oberfläche eine über die Entartung dotierte Schicht aufweisen und daß das elektrische Feld senkrecht zu dieser Oberfläche gerichtet ist und auf die Raumladungszonen der pn-Übergänge an der Oberfläche einwirkt und den Strom über die pn-Übergänge steuert.

2. Halbleiterverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der an den pn-Übergängen erzeugten Raumladungszone durch geeignete Wahl der Konzentration des Dotierungsmaterials zumindest in der Nähe der Oberfläche klein genug ist, um das Fließen eines Tunnelstromes zu ermöglichen.

3. Halbleiterverstärker nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung des elektrischen Feldes über der durch die entartet dotierten Schichten gebildeten Oberfläche des Halbleiterkörpers in der Nähe des pn-Uberganges eine durch eine dünne Isolierschicht (7) vom Halbleiterkörper getrennte metallische Elektrode (8) angebracht ist und daß zwischen der Elektrode und dem Halbleiterkörper eine solche Spannung liegt, daß das dadurch senkrecht zur Oberfläche entstehende elektrische Feld die Breite der Raumladungszone des pn-Uberganges in der Nähe der Halbleiteroberfläche beeinflußt.

4. Halbleiterverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Elektrode als Spitzenelektrode unmittelbar über dem pn-übergang ausgebildet ist.

5. Halbleiterverstärker nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Elek-

trode (8) als den pn-übergang überlappende und aufgedampfte Flächenelektrode ausgebildet ist.

6. Halbleiterverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Wandung eines metallischen Wellenleiters aus schwach dotiertem Halbleitermaterial eines bestimmten Leitfähigkeitstyps (n) mit einer stärker dotierten Oberflächenschicht (19) des gleichen Leitfähigkeitstyps besteht, in die mehrere über die Entartung dotierte Flecken (20) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (p) eingebracht sind, daß das Halbleiterteil von dem anderen Teil des Wellenleiters isoliert (21) ist, daß die beiden Enden des Halbleiterteiles durch ohmsche Kontakte mit einer Gleichspannungsquelle (EZ₃) verbunden sind und daß zwischen dem einen ohmschen Kontakt des Halbleiterteiles und der gegenüberliegenden Wand des Wellenleiters eine Gleichspannungsquelle (U₄) geschaltet ist.

7. Halbleiterverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter aus einem metallischen Rohr mit rechteckigem Querschnitt besteht, dessen Innenraum mit einem Dielektrikum ausgefüllt ist und bei dem mindestens ein Teil der vier ebenen Innenflächen aus Halbleitermaterial unterschiedlicher Dotierung besteht.

8. Halbleiterverstärker nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wellenleiter aus zwei durch ein Dielektrikum getrennten parallelen metallischen Streifen (16 und 17) besteht und daß ein Teil der inneren Oberfläche des einen Streifens (17) aus Halbleitermaterial (18) unterschiedlicher Dotierung (19, 20) besteht.

9. Halbleiterverstärker nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei einander gegenüberliegende innere Oberflächenteile des Wellenleiters aus Halbleitermaterial bestehen.

10. Halbleiterverstärker nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Wandung (23) eines Hohlraumresonators (29) aus schwach dotiertem Halbleitermaterial (18) eines bestimmten Leitfähigkeitstyps (n) mit einer stärker dotierten Oberflächenschicht (19) des gleichen Leitfähigkeitstyps besteht, in die mehrere Flecken (20) aus stark dotiertem Material des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (p) eingebracht sind, und daß ein Pol einer Gleichspannungsquelle (U₅) mit dem Halbleiterkörper (18) und der andere Pol der Gleichspannungsquelle mit der gegenüberliegenden metallischen Wand des Hohlraumresonators verbunden sind.

11. Halbleiterverstärker nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Teile der beiden gegenüberliegenden Abschlußflächen eines Hohlraumresonators aus Halbleitermaterial bestehen.

12. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterverstärkers nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in der aus schwach dotiertem Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps bestehenden Wand eines Wellenleiters oder Hohlraumresonators durch Diffusion eine entartet dotierte Oberflächenschicht des gleichen Leitfähigkeitstyps erzeugt wird, daß auf diese Oberflächenschicht ein entgegengesetzt dotierendes Metall oder Metallgemisch, z. B. Indium, Zinn-Gallium bei Germanium-Halbleiterkörpern, aufgedampft und in leicht oxydierender Atmosphäre so erhitzt wird, daß sich der aufgedampfte Film zu vielen kleinen Kügelchen zusammenzieht, die beim weiteren Erhitzen in den Halbleiterkörper einlegieren und entartet dotierte Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit bilden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift S 32766 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 15.11.1956);
österreichische Patentschrift Nr. 197435;
französische Patentschrift Nr. 1245 720;
USA.-Patentschriften Nr. 2 857 527, 2 918 628;
Electr. Eng., April 1960, S. 270 bis 277.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen