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Schaltdiode mit drei Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps sowie
je einer ohmschen Elektrode an den beiden äußeren Zonen Die Erfindung betrifft eine
Schaltdiode, die bei Zuführung von elektrischer Steuerenergie in einen gutleitenden
Zustand in Sperrichtung gebracht und anschließend unter Aufwand einer sehr geringen
Steuerenergie in diesem Zustand gehalten werden kann.
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Eine solche Halbleiterdiode wird bei überschreitung eines bestimmten
Sperrstromes bzw. einer Sperrspannung gut leitend und führt anschließend einen beträchtlichen
Sperrstrom bei geringer Spannung. Dieses Phänomen ist weder ein Zenerdurchbruch
noch ein Lawinendurchbruch. Die Durchbruchkennlinie kann unbegrenzt wiederholt werden.
Man kann sagen, daß die ,erfindungsgemäße Diode einen Durchbruch mit Hyperleitfähigkeit
aufweist.
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Eine Diode mit Hyperleitfähigkeit ist als Viersehichtendiode bekanntgeworden.
Die Erfindung bezieht sich dagegen auf eine Dreischichtendiode, bei der durch entsprechende
Bemessung der Schichtdicke und Anbrmgung einer Metallmasse ebenfalls Hyperleitfähigkeit
erzielt werden konnte. Es wird also erfindungsgemäß die vierte Halbleiterschicht
eingespart, die den Herstellungsvorgang wesentlich komplizierter macht.
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Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Schaltdiode mit drei Zonen
abwechselnden Leitfähigkeitstypsund je einem pn-Übergang zwischen zwei Zonen sowie
je einer ohmschen Elektrode an den beiden äußeren Zonen. Eine solche Schaltdiode
ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß an der einen äußeren Zone eine Metallmasse
aus einem solchen Metall in rein ohmschem flächenhaftem Kontakt angebracht ist,
das in der äußeren Zone nicht oder im gleichen Sinne wie der vorhandene Leitungstyp
dotierend wirkt, und daß diese äußere Zone eine Dicke kleiner als zehn Diffusionslängen
ihrer Minderheitsladungsträger hat, so daß bei Belastung des angrenzenden pn-Überganges
in Sperrichtung aus der an dieser Zone angebrachten Metallmasse Minderheitsladungsträger
in :dieser Zone in solcher Menge injiziert werden, daß .sie teilweise den pn-Übergang
erreichen.
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Infolge der großen Menge der in der Metallmasse vorrätigen Minderheitsträger
kann die Diode bei der Ausführung von Schaltvorgängen unter Aufwand eines geringenLeistuugsbetrages
wirksamverwendetwerden.
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Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
eines bevorzugten Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnung. Hierin ist F i g.1
eine vergrößerte Seitenansicht einer Schaltdiode gemäß der Erfindung, F i g. 2 die
gemessene Betriebskennlinie einer erfindungsgemäßen Schaltdiode, F i g. 3 die vergrößerte
Seitenansicht einer Schaltdiode, wobei ein. Kristallplättchen dargestellt ist, nachdem
es teilweise bearbeitet wurde, um alle zur Bildung :der fertigen Diode erforderlichen
Teile anzubringen, F.ig.4 eine vergrößerte Seitenansicht der Schaltdiode nach F
i g. 3, nachdem alle überflüssigen Teile entfernt wurden, um den fertigen Bauteil
herzustellen, F i g. 5 eine schematische Darstellung des Aufbaues der erfindungsgemäßen
Schaltdiode und F i g. 6 ein Schaltbild einer einfachen Anwendungsmöglichkeit der
erfindungsgemäßen Diode zur Ausführung von Schaltvorgängen.
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Die in den Zeichnungen dargestellte Schaltdiode mit Hyperleitfähigkeitsdurchbruch
besteht aus einer dotierten Halbleiterscheibe mit daran angebrachten Teilen, deren
Aufbau und Arbeitsweise nachstehend beschrieben wird.
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Bei der Herstellung der Schaltdiode wird ein halbleitender Kristall
mit den erforderlichen Eigenschaften in bekannter Weise vorbereitet. Die Eigenschaften
des Kristalls hängen von den Anforderungen ab, die durch die Halbleiterdiode erfüllt
werden sollen. Wenn es sich um eine Diode vom pnp-Typ handeln soll, so wird der
Einkristall während des Wachstums im erforderlichen Ausmaß mit einem Fremdstoff
bzw. einer Verunreinigung dotiert, der ihm p-Eigenschaften verleiht. Bei der Herstellung
von Halbleiterdioden der nachstehend beschriebenen Art kann sowohl Germanium als
auch Silizium Verwendung finden.
In F i g. I ist ein erfindungsgemäßer
Diodenaufbau dargestellt. Die Diode enthält eine Zone 12, die aus einem Halbleitermaterial
besteht, das mit einer Verunreinigung dotiert ist, um einen ersten Typ des Halbleitermaterials
darzustellen, entweder den n-Typ oder den p-Typ. Auf der Zone 12 befindet sich eine
äußere Zone 13, die aus einem Halbleitermaterial besteht, das mit dem entgegegengesetzten
Leitfähigkeitstyp dotiert ist. Die Zone 13 kann hergestellt werden, indem ein Kügelchen,
das eine Dotierungsverunreinigung enthält, mit einer Scheibe aus halbleitendem Werkstoff
legiert wird, welche die Zone 12 bildet. Zwischen den Zonen 12 und 13 befindet sich
ein pn-Übergang. Um die Einschaltung der Diode in einen Stromkreis zu erleichtern,
kann eine Schicht 20 aus Silber oder einem anderen gutleitenden Metall auf die Oberfläche
dar Zone 13 aufgeschmolzen, aufgelötet oder auflegiert werden. An die Schicht 20
können dann Zuleitungsdrähte aus Kupfer leicht angelötet werden.
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Eine äußere Zone 16 von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp ist auf
der anderen Oberflächenseite der Zone 12 vorgesehen. Zwischen den Zonen 12 und 16
befindet sich ein zweiter pn-Übergang.
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Anschließend an die äußere Zone 16 befindet sich eine Metallnasse
15, die eine entscheidende Rolle in der Arbeitsweise der Diode spielt.
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Der hier verwendete Ausdruck Metallmasse bezieht sich auf ein Metall,
das in rein ohmschem flächenhaftem Kontakt mit der einen äußeren Zone steht, wobei
die Kontaktfläche mindestens so groß wie der benachbarte pn-übergang ist und parallel
zu diesem :läuft. Die Metallmasse kann neutral sein oder die gleichen Dotierungseigenschaften
wie der vorhandene Leitungstyp der angrenzenden äußeren Zone aufweisen. Die Metallmasse
kann durch Löten, Legieren, Schmelzen oder andere bekannte Verfahren angebracht
sein.
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Es wurde gefunden, daß bei nicht zu großem Abstand zwischen der Metallnasse
und dem benachbarten pn-Übergang die Metallmasse 15 einen großen Vorrat an Minderheitsträgem
darstellt und diese Minderheitsträger in die äußere Zone 16 injiziert, wenn der
pn-übergang zwischen den Zonen 12 und 16 in Sperrichtung belastet wird.
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Der rein ohmsche Kontakt zwischen der Metallmasse und der angrenzenden
Halbleiterzone ist grundsätzlich verschieden von der Kollektorelektrode bei Flächentransistoren,
bei denen die Kollektorsperrschicht, die Kollektorzone und die Kollektorelektrode
dadurch hergestellt werden, daß man an eine Halbleiterzone von einem Leitf'ähigkeitstyp
ein Metall anlegiert, das Dotierungsstoffe enthält, welche dem Halbleitermaterial
den entgegengesetzten Leitf'ähigkeitstyp erteilen können. In diesem Zusammenhang
wird darauf hingewiesen, daß die Kollektorelektrode bei Flächentransistoren keine
Minderheitsträger in die Kollektorzone injiziert. Eine solche Injektion von Minderheitsträgern
ist sogar bei Flächentransistor sehr unerwünscht.
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Der Abstand zwischen der Metallmasse 15 und dem pn-Übergang zwischen
den Zonen 12 und 16, also die Dicke der äußeren Zone 16, ist sehr wesentlich und
soll erfindungsgemäß nicht mehr als zehn Diffusionslängen der Minderheitsträger
betragen. Bei Flächentransistoren, bei denen, wie erwähnt, keine Injektion von Minderheitsträgem
aus der Kollektorelektrode erwünscht ist, ist die Kollektorzone so stark dotiert,
daß die Diffusionsläng,- der Minderheitsträger in ihr außerordentlich gering ist.
Es kann deshalb keine merkliche Menge von Minderheitsträgern aus der Kollektorelektrode
den pn-übergang erreichen, auch wenn die Dicke der Kollektorzone absolut gemessen
sehr gering ist.
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Dies gilt auch für eine bekannte Dreischichtendiode mit negativem
Widerstandsbereich, deren äußere Halbleiterzonen in der gleichen Legierungstechnik
hergestellt sind, wie sie bei Legierungskollektoren von Flächentransistoren Verwendung
findet. Infolgedessen injizieren die Metallelektroden dieser bekannten Dreischichtendiode
nur sehr wenig Minderheitsträger in die angrenzenden Halbleiterzonen, wie sich aus
der Kennlinie der betreffenden Diode ergibt. Die Kennlinie zeigt, daß es sich nicht
um eine Schaltdiode mit Hyperleitfähigkeit handelt, denn die Spannung im negativen
Widerstandsbereich sinkt nur von einem Spitzenwert von etwa 42 Volt auf etwa 30
Volt ab.
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Eine Grundplatte 21 kann zur Befestigung der Diode beim Gebrauch und
zur Zuleitung des Stromes zur Masse 15 vorgesehen sein. Sie erfüllt keine wesentliche
Aufgabe bei der Arbeitsweise der Diode. Die Grundplatte 21 besteht vorzugsweise
aus einem der bekannten Metalle oder einer der Legierungen, die den elektrischen
Strom gut leiten. Eine Anschlußklemme 22 ist an der Grundplatte befestigt, um einen
Zuleitungsdraht aufzunehmen, der zur Einschaltung der Diode in einen Stromkreis
verwendet werden kann. Die Grundplatte 21 kann durch Hart- oder Weichlöten mit der
Metallmasse 15 vereinigt werden.
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Ein Verfahren zum Herstellen der Schaltdiode wird an Hand der F i
g. 3 und 4 beschrieben. Als Beispiel sei eine Halbleiterdiode gewählt, die aus einer
Germaniumscheibe 10 besteht, die mit einer Verunreinigung wie Gallium dotiert ist,
um ihr p-Eigenschaften zu verleihen. Wenn die Scheibe 10 aus einem Germaniumeinkristall
geschnitten wurde, wird sie in bekannter Weise geätzt und gereinigt. Um eine Zone
vom n-Typ in der Scheibe zu schaffen, wird eine dünne Oberflächenschicht des ganzen
Plättchens mit einer Verunreinigung vom n-Typ wie Arsen, Antimon, Phosphor od. dgl.
dotiert. Die Dotierung kann in verschiedener Weise vorgenommen werden. Ein vorteilhafter
Weg besteht darin, die Scheibe in eine evakuierte Kammer zu bringen und durch Gasdiffusion
Arsendampf auf ihrer Oberfläche niederzuschlagen, der die Dotierung von p-Typ auf
der Oberfläche der Scheibe überwiegt. Wie aus F i g. 3 hervorgeht, diffundiert das
Arsen in die Scheibe bis zu der durch die gestrichelte Linie 11 gezeigten Tiefe.
Die Konzentration der dotierenden Verunreinigung vom n-Typ ist an der Oberfläche
der Scheibe stärker und nimmt bis zu der gestrichelten Linie 11 allmählich ab. Hierdurch
wird eine definierte n-Zone 12 an der Oberfläche der Scheibe gebildet.
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Als nächstes wird ein bestimmter Bereich der Oberfläche der Scheibe
weiter mit einer Verunreinigung vom p-Typ dotiert. Zu diesem Zweck kann eine Verunreinigung
vom p-Typ wie Indium, Gallium, Aluminium oder ähnliche Werkstoffe mit p-Eigenschaften
Verwendung finden. Bei der Dotierung mit Aluminium kann eine dünne Folie aus Aluminium
oder einer Aluminiumlegierung auf die Scheibe aufgelegt und auf die erforderliche
Temperatur aufgeheizt werden, um ihre Legierung mit der n-Zone 12 zu bewirken. Nach
Fertigstellung der Legierung ergibt sich eine p-Zone 13 an der Oberseite der Scheibe
10. Die
Dotierung mit Aluminium ist so überwiegend, daß die Dotierung
mit der Verunreinigung vom n-Typ überdeckt wird. Eine mittlere Zone 16 der Scheibe
10 mit Leitfähigkeit vom p-Typ bleibt bestehen.
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Da die Zone 13 p-Eigenschaften hat und in inniger Berührung mit der
n-Zone 12 steht, wird ein pn-Übergang 14gebildet. Wenn das Leitfähigkeitsverhältnis
der beiden Zonen einen günstigen Wert hat, emittiert die p-Zone Löcher oder Defektelektronen
in überwiegender Weise in die n-Zone 12.
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Auf der anderen Seite der Scheibe 10 wird eine Metallmasse 15 in .inniger
Berührung mit der Zone 16 angebracht. Wenn eine pnp Diode hergestellt wird, wählt
man die Metallmasse 15 so, daß sie neutrale oder Dotierungseigenschaften vom p-Typ
wie die p-Zone 16 innerhalb der gestrichelten Linie 11 aufweist. Bei einer Anzahl
von erfindungsgemäß hergestellten Schaltdioden war die Metallmasse mit Dotierungseigenschaften
vom p-Typ, die an der äußeren Zone 16 angebracht wurde, Indium. Zur Anbringung der
Metallnasse 15 wurden die Germaniumscheibe 10 und das Indium z. B. bis auf eine
Legierungstemperatur erhitzt, bis das Indium durch die Zone 12 hindurchdrang, um
eine innige Berührung mit der p-Zone 16 zu ergeben. Die mit Verunreinigungen vom
n-Typ :dotierte Zone 12 in der Umgebung der Masse 15 kann vor der Anbringung der
Metallmasse 15 entfernt werden, jedoch ist dies nicht unbedingt erforderlich.
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Auf diese Weise werden zwei Zonen 12 und 16 geschaffen, die miteinander
in Berührung sind. Wo die Zone 12 und die Zone 16 an der Linie 11 zusammenstoßen,
bildet sich ein pn-Übergang 17.
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Die Zone 12 ist vom n-Typ und die Zone 16 besteht aus Germanium vom
p-Typ. Die Metallnasse 15 kann auch aus einer Legierung bestehen. Bei einer Ausführungsform
wurde eine Germanium-Indium-Legierung erzeugt, indem Indium auf das Germanium aufgebracht
wurde. Die Metallmasse kann auf die Zone 16 durch Löten, Legieren, Plattieren oder
ein anderes Verfahren aufgebracht werden.
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Die Zone 16 aus p-Germanium hat keine große Elektronenzahl, die bei
Erregung frei fließen könnte. Die Metallmasse 15, z. B. eine Germanium-Indium-Legierung,
hat eine große Elektronenzahl, die bei Erregung mit elektrischem Strom frei wandern
können. Ferner macht die Metallmasse 15 beim Legierungsprozeß einen so innigen Kontakt
mit der Zone 16, daß die Elektronen leicht von der einen Zone in die andere übertreten
können.
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Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform befindet sich nun
eine p-Zone 13 an der Oberseite und darunter eine n-Zone 12. Zwischen den beiden
Zonen 12 und 13 befindet sich die Sperrschicht 14.
An die Zone 12 schließt
sich die Zone 16 aus Germanium vom p-Typ an, zwischen denen sich die Sperrschicht
17 befindet. Die Metallmasse 15, die in diesem Falle aus einer Germanium-Indium-Legierung
besteht, ist in inniger Berührung mit der Zone 16 vom p-Typ.
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Bei der in F i g. 3 dargestellten Form erstreckt sich um die Außenseite
der Scheibe noch die mit Verunreinigungen vom n-Typ dotierte Schicht 12. Dies würde
natürlich die Anordnung kurzschließen, wenn sie so wie die F i g. 3 verwendet werden
sollte. Der nächste Herstellungsschritt besteht deshalb darin, daß die wesentlichen
Teile wie 13 und 15 abgedeckt und dann die überschüssigen Teile der Schicht 12,
die mit Verunreinigungen vom n-Typ dotiert sind, abgeätzt werden, so daß sie vollständig
entfernt sind, außer unter der Zone 13. In der Praxis wird die Scheibe bis zu den
Linien 18 und 19 und den Seiten der Metallmasse 15 abgeätzt. Wenn die Ätzung fertig
ist, verbleibt eine betriebsfähige Halbleiterdiode gemäß F i g. 4.
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Die Ätzung kann durch Verwendung irgendeiner geeigneten Lösung vorgenommen
werden. Eine Atzflüssigkeit aus einem Gemisch aus Salpeter- und Fluorwasserstoffsäure
wurde erfolgreich verwendet.
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Wenn der in F i g. 4 dargestellte Bauteil fertiggestellt ist, werden
Vorkehrungen zu seiner Befestigung und zur Anbringung der erforderlichen elektrischen
Anschlüsse getroffen. Eine solche vollständige Diode ist in F i g. 1 gezeigt. Silber
oder ein anderes geeignetes Material kann auf die Aluminium enthaltende p-Zone 13
aufgebracht werden, um die elektrischen Anschlüsse herzustellen. Die Silberschicht
20 ist ein guter Leiter und ein Zuleitungsdraht oder eine Klemme aus Kupfer kann
leicht daran angelötet werden. Um die Schaltdiode in dem Gerät anzubringen, mit
dem sie verwendet werden soll, ist ein Träger vorgesehen. Im vorliegenden Beispiel
ist ein Träger 21 z. B. aus einer Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung vorgesehen, und
die Metallmasse 15 ist daran angeschweißt oder angelötet. Die Legierung ist ein
recht guter elektrischer Leiter, und die Klemme 22 ist an ihr angebracht, um eine
Zuleitung anzuschließen. Damit sind zwei Klemmen 20 und 22 vorhanden, um die Schaltdiode
in einen elektrischen Stromkreis einzufügen.
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Statt Germanium ist auch Silizium mit Erfolg für eine erfindungsgemäße
pnp-Diode mit Metallmasse verwendet worden.
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Die beschriebene Ausführungsfarm der Erfindung ist schematisch in
F i g. 5 dargestellt. Sie besteht wie gesagt aus einer pnp-Schichtenfolge und einer
zusätzlichen Metallmasse. Wenn man von einem Kristallplättchen aus Germanium oder
Silizium ausgeht und die Dotierungsstoffe entsprechend wählt, kann eine npn-Schichtenfolge
sowie eine zusätzliche Metallmasse mit Dotierungseigenschaften vom n-Typ ebenfalls
realisiert werden. Bei der Herstellung einer Diode vom npn-Typ ergibt die Dotierungsverunreinigung
eine Leitfähigkeit, bei der die Träger in der zweiten Zone 16 nicht Elektronen,
sondern statt dessen Löcher sind. Die Löcherströmung beim Betrieb einer npn-Diode
wäre umgekehrt wie die Elektronenströmung bei der vorliegenden Ausführungsform der
Erfindung.
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Bei der Herstellung von Schaltdioden vom pnp-Typ, wie sie oben beschrieben
wurde, können viele verschiedene Metalle und Legierungen als Metallmasse 15 Verwendung
finden. Die verwendete Metallmasse soll entweder Dotierungseigenschaften haben,
die den Trägereigenschaften der mit ihr in Berührung stehenden Basis 16 entsprechen,
oder sie soll neutral erscheinen. Die Metallmasse 15 wurde erfolgreich z. B. aus
folgenden Materialien hergestellt: 1. Reines Indium.
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2. Reines Zinn.
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3. 10/a Gallium, Rest Indium.
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4. 10% Gold, 3 a/o Aluminium, Rest Silber.
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5. 3 % Aluminium, 10 % Silber, Rest Indium. 6. 5% Indium, Rest Zinn.
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7. 5% Indium, 2 % Aluminium, Rest Zinn. B. 10% Aluminium, 20 0/0 Silber,
Rest Indium. 9. 10% Aluminium, 30 % Silber, Rest Indium.
Der Abstand
der Sperrschicht 14 von der Sperrschicht 17 soll innerhalb einer Diffusionslänge
der Minderheit liegen, und die Zone 12 soll solche Trägereigenschaften aufweisen,
daß ein hoher Anteil aller aus der Zone injizierten Minderheitsträger die Sperrschicht
17 erreicht.
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Da die Metallmasse 15 bei Erregung eine Ladungsträgerquelle darstellt,
deren Minderheitsträger beim Durchbruch in Sperrichtung mitwirken, muß die Anbringung
der Metallmasse bezüglich der Sperrschicht 17 beachtet werden. Abgesehen davon,
daß die Metallmasse 15 in inniger Berührung mit der Zone 16 angeordnet ist, um die
Trägerströmung zu ermöglichen, muß auf die Diffusionslänge der betreffenden Minderheitsträger
geachtet werden. Andernfalls könnte keine angemessene Zahl von Minderheitsträgern
die Sperrschicht 17 erreichen. Bekanntlich stellt die Diffusionslänge diejenige
Strecke dar, die von einem bestimmten Anteil von Minderheitsträgern durchlaufen
wird, bevor sie absorbiert oder eingefangen werden. Deshalb muß die Metallmasse
15 so angebracht sein, daß eine angemessene Zahl der Minderheitsträger die Sperrschicht
erreicht. In vielen Fällen war der Abstand von dem pn-Übergang wesentlich geringer
als eine Diffusionslänge. Man erhält jedoch noch gute Ergebnisse, wenn der Abstand
mehrere Diffusionslängen umfaßt, z. B. in der Größenordnung von zwei bis zehn Diffusionslängen.
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Der Minderheitsträger ist ein Elektron in Stoffen vom p-Typ und ein
Loch in Stoffen vom n-Typ. Diese Träger müssen die Sperrschicht in einer bestimmten
Menge erreichen, um den Durchbruch oder die Leitfähigkeit der Diode in Sperrichtung
hervorzurufen. Dies wird durch die angebrachte Metallmasse, die einen großen Trägervorrat
bereitstellt, erleichtert.
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Die Wirkungsweise der Anordnung beruht vermutlich darauf, daß bei
Belastung der Diode in Sperrrichtung hinsichtlich des der Metallmasse benachbarten
pn-Überganges die beiden äußeren Zonen der Diode Träger emittieren. Bei einer pnp-Diode
gelangen also Löcher aus der freiliegenden p-Zone durch den einen pn-1Tbergang in
die mittlere n-Zone, da dieser pn-übergang in Durchlaßrichtung belastet ist. Gleichzeitig
werden Elektronen aus der Metallmasse in die andere p-Zone injiziert, durchwandern
diese Zone und erreichen den anderen pn-übergang. An diesem pn-Übergang stoßen also
die emittierten Löcher und Elektronen zusammen und neutralisieren sich gegenseitig.
Wenn die an der Diode liegende Spannung einen bestimmten Durchbruchswert nicht überschreitet,
so ist die Zunahme der Gesamtstromstärke mit der Spannung langsam. In der Nähe der
Durchbruchspannung wird aber die Gesamtstromzunahme praktisch unabhängig von der
Spannung, so daß die Diode einen sehr geringen Widerstand aufweist.
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Die erwähnten Baumaßnahmen und Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen
Schaltdiode sind praktisch erprobt und wirksam. Die Kennlinie in F i g. 2 zeigt,
wie die Diode auf die Anlegung verschiedener Spannungen anspricht. Wenn in Durchlaßrichtung
rechts oben eine Spannung von der Größenordnung 1 Volt angelegt wurde, ergab sich
eine Stromstärke von etwa 3 Amp. Wenn die Spannung umgekehrt wurde, stieg sie in
Sperrichtung bis auf etwa 55 Volt, wobei nur ein Strom von einem kleinen Bruchteil
eines Ampere floß. Dann wurde die Diode plötzlich kräftig leitfähig und die Spannung
fiel auf etwa 1 Volt ab, wie links unten ersichtlich ist. Die Diode wurde ein Leiter
mit geringem ohmschem Widerstand und die Stromstärke nahm schnell mehrere Ampere
an.
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Wie aus der Kennlinie im Sperrbereich ersichtlich ist, fiel die Spannung
nach dem Durchbruch auf einer nahezu geraden Linie bis auf etwa 1 Volt ab. Bei der
Aufrechterhaltung des Hyperleitfähigkeitszustandes der Diode wird demnach sehr wenig
Leistung verbraucht. Die Diode kann wieder einen hohen Widerstand erhalten, wenn
die Stromstärke unter einen kleinsten Schwellenwert abgesenkt wird, während die
Spannung sich unterhalb des Durchbruchwertes befindet. Demgemäß kann die Kurve nach
Wunsch wiederholt durchlaufen werden, indem die Größe der Sperrspannung und des
Sperrstromes entsprechend gesteuert wird.
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Der Durchbruch der Diode in Sperrichtung geschieht in sehr kurzer
Zeit. Untersuchungen haben gezeigt, daß vom Zeitpunkt der Anlegung der erforderlichen
Spannung in Sperrichtung zwecks Hervorrufung der Hyperleitfähigkeit bis zu dem Zeitpunkt,
in dem die Diode einen verhältnismäßig hohen Strom bei niedriger Sperrspannung führt,
eine Zeitspanne von der Größenordnung einer Zehntelmikrosekunde verstreicht. Ferner
wurde gefunden, daß der Durchbruch der Diode in Sperrichtung bei Wechselströmen
in einem großen Frequenzbereich bis zur Größenordnung von 1 MHz erfolgt.
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Bei der Verwendung der Diode für Schaltvorgänge in Steueranlagen legt
man vorzugsweise eine konstante Sperrspannung an, die etwas unterhalb der Durchbruchspannung
liegt. Eine Steuerspannung, welche die konstante Spannung erhöht, kann dann zur
Auslösung des Durchbruchs Verwendung finden. Die Steuerspannung hängt von der angelegten
konstanten Spannung ab und kann je nach den Erfordernissen von der Größenordnung
1 bis 2 Volt sein. Die durch die Anwendung der Steuervorrichtung ausgeführten Schaltvorgänge
machen die Unterbrechung kräftiger Ströme oder die Verwendung hoher Spannung nicht
erforderlich.
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Halbleiterdioden der beschriebenen Art können leicht in bekannter
Weise fabrikmäßig hergestellt werden. Es wurden schon sehr viele Dioden mit zufriedenstellenden
Eigenschaften erfindungsgemäß gebaut.
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Die beschriebene Halbleiterdiode kann entweder als Schalter oder als
Gleichrichter Verwendung finden. Es kann eine große Anzahl verschiedener Schaltungen
angegeben werden, um die Diode zur Ausführung der Funktionen heranzuziehen, zu denen
sie imstande ist. Ein einfaches Anwendungsbeispiel für die Diode 23 in der Verwendung
als Schalter ist in F i g. 6 gegeben.
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Es sei angenommen, daß die Halbleiterdiode 23 so gebaut ist, daß sie
durchbricht, wenn eine Sperrspannung von 110 Volt an sie angelegt wird. Ein Regeltransformator
24 ist mit einer Primärwicklung 25 versehen, die an eine nicht dargestellte Netzspannungsquelle
angeschlossen ist. Der Transformator wird so eingestellt, daß er an den Klemmen
seiner Sekundärwicklung 26 eine Spannung von 108 Volt liefert. Um die Spannung der
Sekundärwicklung 26 auf 110 Volt zu bringen, um einen Durchbruch der Diode 23 herbeizuführen,
ist ein Steuerübertrager 31 vorgesehen. Dieser Steuerübertrager kann von irgendeiner
geeigneten nicht dargestellten Spannungsquelle versorgt werden. Im vorliegenden
Falle hat der
Steuerübertrager 31 einen hohen Scheinwiderstand und
ist imstande, 2 Volt an den Klemmen seiner Sekundärwicklung abzugeben.
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Die Sekundärwicklung 26 und die Sekundärwicklung des Steuerübertragers
31 sind in Reihe geschaltet und mit der Diode 23 verbunden. Eine Klemme der Sekundärwicklung
26 ist an einen Pol der Diode 23 über die Leitung 28 angeschlossen, während die
freie Klemme des Hilfsübertragers 31 über die Ader 27 n ät,dem anderen Polder Diode
verbunden ist. Eine Ü Glühlampe 29 ist in die Leitung 27 eingeschaltet, um anzuzeigen,
wenn die Diode leitfähig geworden ist und Strom nach Art eines geschlossenen Schalters
führt. Ein Gleichrichter 30 ist parallel zur Sekundärwicklung des Hilfsübertragers
31 geschaltet.
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Normalerweise bei 108 Volt an der Wicklung 26 geht nur ein kleiner
negativer Strom durch die Diode 23 hindurch. Beim Betrieb der in F i g. 6 dargestellten
Schaltung wird eine negative Halbwelle auf den übertrager 31 gegeben, so daß eine
Spannung von 2 Volt dem Gleichrichter 30 aufgeprägt wird. Der Gleichrichter 30 .gestattet
aber keinen Stromdurchgang, und der Strom kann nur über die Adern 27 und 28 fließen.
Deshalb addiert sich die Spannung von 2 Volt zu der negativen Spannung von 108 Volt
an den Klemmen der Sekundärwicklung 26. Demgemäß ergibt sich eine Gesamtsperrspannung
von 110 Volt an der Diode 23. Die Diode 23 bricht deshalb durch und zeigt eine hohe
Leibfähigkeit. Infolgedessen fließt von d er Wicklung 26 durch die Lampe 29, die
Ader 27, die Diode 23 und die Ader 28 zurück zum Übertrager. Infolge des hohen Scheinwiderstandes
es Übertragers 31 ergibt dieser starke Strom eine Gegenspannung in den Wicklungen
des Übertragers 31, und es wird eine positive Spannung erzeugt, welche die Diode
30 in Durchlaßrichtung bringt. In der nächsten positiven Halbwelle in der Wicklung
26 fließt kein merklicher Strom im Stromkreis 28-23-27-29. In der nächsten Halbwelle
wiederholt sich dieses Spiel.
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Es wurden schon viele erfindungsgemäße Halbleiterdioden hergestellt
und :erprobt. Durch entsprechende Auswahl der Elemente können die Ergebnisse etwas
abgeändert werden. Es wurde gefunden, daß bei gewissen Ausführungsformen eine Sperrspannung
in der Größenordnung von 45 bis 50 Volt zum Durchbruch der Diode ausreicht. Die
Spannung fällt dann sofort auf 1 Volt ab, und bei dieser Spannung kann ein Stromfluß
bis zu mehreren Ampere aufrechterhalten werden. In vielen Fällen wurde gefunden,
daß 1 Volt ausreichte, um einen Stromfluß in der Größenordnung von 10 Ampere für
längere Zeitabschnitte aufrechtzuerhalten. Ferner wurden mit sehr kleinen Spannungen
wesentlich stärkere Ströme für verschiedene kürzere Zeitabschnitte, z. B. für kurze
Impulse erzielt.
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Bei dem Entwurf von Dioden für die Ausführung von Schaltvorgängen
ist es erforderlich, .die Sperrang hoher Spannungen mit vernachlässigbarem Sperrstrom
vorzusehen, wobei trotzdem eine sehr hohe Leitfähigkeit nach dem Durchbruch vorhanden
sein soll. Es wurden Dioden entworfen und gebaut, die bei Sperrspannungen leitfähig
werden, die bis zu mehreren 100 Volt betragen. Ferner hält die Diode im Sperrbereich
kurz vor dem Durchbruch eine Spannung von der Größenordnung von 100 Volt aus, wobei
ein Sperrstrom von nur etwa 1 Miniampere fließt.
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Die nachfolgende Tabelle stellt Mittelwerte von Spannungen und Strömen
dar, die bei einer großen Anzahl von Versuchen an einer herausgegriffenen Halbleiterdiode
ermittelt wurden.
| V, (Volt) 1, |
| -3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,8 Mikroampere |
| -10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6,2 Mikroampere |
| -20 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9,8 Mikroampere |
| -30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Mikroampere |
| -40 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 Mikroampere |
| -45 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Mikroampere |
| -46 = VU . . . . . . . . . etwa 1 Miniampere |
| -1 . . . . . . . . . . . . . . bis zu 10 Ampere |
Vh ist die Durchbruchspannung, bei der der Strom etwa 1 Milliampere beträgt. Danach
führt die Diode bis zu 10 Ampere Sperrstrom bei einer Klemunenspannung von :etwa
1 Volt.
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Der Verdeutlichung halber seien die Abmessungen eines Ausführungsbeispieles
einer pnp-Diode angegeben. Um vorgeschriebenen Anforderungen zu genügen, wurde eine
Germanium-Kristallscheibe 10 von etwa 6,3 mm Durchmesser und 0,125 bis 0,175 mm
Dicke hergestellt. Dieses Kristallplättchen wurde mit Arsen dotiert und wie oben
beschrieben geätzt. Nach der FertigsteBung hatte die n-Zone :etwa 2,5 min Durchmesser
:und 0,005 mun Dicke. Die p-Zone 16 hatte etwa 6,3 mm Durchmesser und 0,075 bis
0,125 mm Dicke. Die Metallmaue 15 hatte denselben Durchmesser wie die Zone
16 und war 0,1 mm dick. Während diese Abmessungen eine Vorstellung von der Größe
der Schaltdiode :geben sollen, können sie selbstverständlich je nach den betreffenden
Erfordernissen und Betriebsbedingungen .abgeändert werden.
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Bei den beschriebenen Ausführungsformen wird der Durchbruch der Diode
durch Anlegung einer hohen Sperrspannung bewirkt. Dies geschah nur beispielsweise,
da ein Durchbruch bekanntlich .auch durch Zufuhr von Energie in anderen Formen,
z. B. als Strahlungsenergie, bewirkt werden kann. Bekanntlich ruft Strahlungsenergie
einen Strom in einer Diode hervor. Wenn die Stromstärke .den festgelegten Wert für
die betreffende Diode erreicht, tritt der Durchbruch ein und die Diode wird zum
guten Leiter.
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Die beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung gingen von Germanium
und Silizium mit bestimmten Dotieruugsatoffen aus. Dies soll keine Begrenzung auf
bestimmte Halbleitermaterialien darstellen. Die Richtleiter können auch aus stöchiometrischen
Verbindungen von Elementen der Gruppen III und V des Periodischen Systems hergestellt
werden.
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Die Anwendung von Dioden gemäß der Erfindung ist zahlreich. Grundsätzlich
handelt es sich um eine Diode, die zur Ausführung von Schaltvorgängen Verwendung
finden kann. Es gibt zahlreiche naheliegende Anwendungen, z. B. in elektronischen
Anlagen und anderen Gebieten, die dem Fachmann bekannt sind, z. B. auch im Gebiet
des Blitzschutzes. Ferner kann die erfindungsgemäße Halbleiterdiode in der üblichen
Weise als Gleichrichter dienen, falls die Spannung in Sperrichtung den Durchbruchswert
im normalen Gebrauch nicht erreicht.