DE1166381B - Verstaerkendes Halbleiterbauelement mit einer isolierten Steuerelektrode ueber einemin Sperrichtung vorgespannten pn-UEbergang und Verfahren zu seinem Herstellen - Google Patents

Verstaerkendes Halbleiterbauelement mit einer isolierten Steuerelektrode ueber einemin Sperrichtung vorgespannten pn-UEbergang und Verfahren zu seinem Herstellen

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Description

  • Verstärkendes Halbleiterbauelement mit einer isolierten Steuerelektrode über einem in Sperrichtung vorgespannten pn-übergang und Verfahren zu seinem Herstellen Die Erfindung bezieht sich auf ein verstärkendes Halbleiterbauelement mit mindestens zwei sperrschichtfreien Elektroden sowie einem pn-Obergang und mit mindestens einer Steuerelektrode, die isoliert über dem an die Oberfläche tretenden pn-Übergang angeordnet ist und die eine Steuerwirkung auf den Strom des in Sperrichtung vorgespannten pn-übergangs ausübt.
  • Bekannte Halbleiterbauelemente dieses Typs sehen eine Isolation zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleiterkörper vor, die aus einem ferroelektrischen Material besteht. Hierdurch wird eine hohe Empfindlichkeit der Steuerung erreicht, anderseits führen die Hystereseerscheinungen einer solchen Isolation zu Umpolarisierungsverlusten und anderen Störungen.
  • Aus diesen Gründen ist ein solches verstärkendes Halbleiterbauelement so ausgebildet, daß die Isolierschicht zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleiterkörper aus Siliziumoxyd besteht, daß die Sperrspannung am pn-übergang etwa gleich der Zenerspannung ist und daß die Steuerelektrode negativ vorgespannt ist.
  • Durch diese Maßnahmen werden nicht nur die auf Grund der Hystereseerscheinungen auftretenden Nachteile vermieden, sondern gleichzeitig auch mindestens eine den bekannten Anordnungen mit ferroelektrischem Material äquivalente Steuerwirkung und eine hohe Verstärkerwirkung erreicht. Eine Isolation an der Halbleiteroberfläche aus S'0, ist an sich bekannt. Sie läßt sich beispielsweise durch Aufoxydieren oder Aufdampfen in sehr dünner Schicht herstellen und besitzt auch bei extrem geringer Stärke ein ausgezeichnetes Isolationsvermögen. Um jedoch die durch die dünne Schicht einer S'02 Isolation erzielbare hohe Steuerempfindlichkeit noch weiter zu steigern, ist außerdem vorgesehen, daß bei einem verstärkenden Halbleiterbauelement die Spannung des in Sperrichtung liegenden pn-übergangs so gewählt ist, daß sie etwa gleich der Zenerspannung und die Steuerelektrode negativ vorgespannt ist.
  • Außer den genannten Vorteilen tritt noch als weitere günstige Eigenschaft eines verstärkenden Halbleiterbauelements nach der Lehre der Erfindung trotz der hohen Verstärkerwirkung ein hoher Eingangswiderstand wie bei Unipolartransistoren und Elektronenröhren auf. Schließlich ist auch noch die geringe Trägheit der Steuerung als vorteilhaft zu nennen.
  • Einzelheiten der Erfindung gehen aus dem in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiel- hervor. In der F i g. 1 ist ein Halbleiterbauelement entsprechend der Lehre der Erfindung beispielsweise dargestellt. 1 und 2 stellen zwei sperrschichtfreie elektrische Anschlüsse dar, die an die p- bzw. n-Zone eines Halbleiter-Kristalls angeschlossen sind. An der Oberseite des pn-übergangs, durch eine aus S'02 bestehende Isolierschicht 3 vom Halbleiterkörper getrennt, ist eine Steuerelektrode 4 angebracht. Die p-Zone des halbleitenden Kristalls soll vorzugsweise im Vergleich zur n-Zone schwach mit Störstellen dotiert sein. An die Elektrode 2 wird eine gegenüber der Elektrode 1 positive Spannung angelegt, die Anordnung ist also in Sperrichtung vorgespannt. Die Steuerelektrode 4 enthält eine negative Vorspannung.
  • Dem Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung liegt im wesentlichen folgende physikalische Wirkung zugrunde. Bei nicht vorgespannter Steuerelektrode 4 bildet sich an der pn-übergangszone in bekannter Weise eine Raumladung aus, weil die Defektelektronen aus der Übergangszone in Richtung der negativ geladenen Elektrode 1 und die Elektronen in Richtung der positiv geladenen Elektrode 2 wandern. Die Übergangszone innerhalb des p-Bereichs ist daher positiv aufgeladen, während die Grenzzone des p-Bereiches negativ geladen ist. Die Äquipotentiallinien verlaufen im Idealfall parallel zu der pn-Übergangszone, in der Praxis jedoch nicht. An der Oberfläche des Halbleiters werden nämlich unter Umständen durch Kanalwirkung, z. B. durch Ionen und durch polare Moleküle, die Äquipotentiallinien zur Grenzschicht hingedrängt, wie es in der F i g. 1 an den Stellen 6' und 6" gestrichelt angedeutet ist. In diesen Randzonen kann der kleinen Sperrschicht wegen der Zenerdurchbruch bevorzugt erfolgen. Der gleiche Effekt kann aber auch durch Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes hervorgerufen werden. Die negativ vorgespannte Steuerelektrode 4 bildet in dem durch den Isolator 3 getrennten angrenzenden Bereich des Halbleiterkristalls eine negative Raumladung aus, die dort die Sperrzone verkleinert und den Ladungsträgerdurchbruch erleichtert.
  • In der F i g. 2 ist zu Veranschaulichung der beschriebenen Wirkung ein Stromspannungsdiagramm mit dem Strom 1 und der Spannung U für ein in Sperrichtung betriebenes Halbleiterbauelement gezeigt. Der rechts befindliche Kurvenast zeigt das steile Anwachsen des Stromes 1 beim Zenerdurchbruch ohne Einfluß einer negativ vorgespannten Steuerelektrode. Der weiter links verlaufende Kurvenast zeigt den bei geringerer Spannung U einsetzenden Zenerdurchbruch bei negativ vorgespannter Steuerelektrode.
  • Da bei einem Halbleiterbauelement nach der Lehre der Erfindung der Arbeitspunkt in dem unteren Knick, d. h. in den Anfangspunkten des Zenerdurchbruchs bei in Sperrichtung liegendem pn-Übergang gelegt wird, ist wegen der steilen Charakteristik mit einer besonders hohen Verstärkung zu rechnen.
  • Die Isolierschicht 3 besteht nach der Lehre der Erfindung aus SiOz, welches vorteilhaft durch Aufdampfen oder durch Aufoxydieren 'auf den Halbleiterkörper aufgebracht ist. Die Steuerelektrode besteht aus einem metallischen Belag, der zweckmäßig auf die Isolierschicht aufgedampft ist. Sie kann auch so ausgebildet sein, daß sie. nicht nur einen kleinen Bereich der pn-Übergangszone, sondern den ganzen pn-Übergangsbereich bedeckt.
  • Neben einer Unsymmetrie der Dotierung des p-und n-Bereichs ist für verschiedene Verwendungszwecke auch eine unsymmetrische Verteilung der Bandbreite des Leitfähigkeitbands des Halbleitermaterials im Kristall vorteilhaft. Es kann aber auch der Halbleiterkristall nur mit Ladungsträgern einer Art dotiert sein, wobei jedoch die Ladungsverteilung im Halbleiterkristall unsymmetrisch ist.
  • Für manche Fälle kann es auch zweckmäßig sein, die Steuerelektrode in der Nähe der Randzone entweder nur im p- oder nur im n-Gebiet anzuordnen und in jedem Gebiet eine oder mehrere Elektroden vorzusehen, welche gleichzeitig oder abwechselnd, gegebenenfalls mit verschiedener Spannung, beaufschlagt werden.
  • Ein besonders wichtiger Vorzug der Anordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß sie insbesondere als Gleichspannungsverstärker eine große Verstärkerwirkung aufweist, trotz eines relativ hohen Eingangswiderstands. Damit werden die Kennlinien denen einer Verstärkerröhre ähnlich, die ebenfalls, im Gegensatz zum normalen Transistor, einen hohen Eingangswiderstand aufweist.
  • Statt eines pn-übergangs, der in einem einheitlichen Halbleitermaterial erzeugt ist, kann dieser auch in der Weise hergestellt werden, daß ein Halbleiterkörper, beispielsweise aus Arsen oder Silizium, in Kontakt mit einem Metall, beispielsweise Gold oder Indium, gebracht ist. Die Steuerelektrode kann zweckmäßig auf dem Halbleiterkörper in der Nähe des pn-Übergangs angeordnet sein.

Claims (5)

  1. Patentansprüche: 1. Verstärkendes Halbleiterbauelement mit mindestens zwei sperrschichtfreien Elektroden sowie einem pn-Übergang und mit mindestens einer Steuerelektrode, die isoliert über dem an die Oberfläche tretenden pn-Übergang angeordnet ist und die eine Steuerwirkung auf den Strom des in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergangs ausübt, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleiterkörper aus Siliziumdioxyd besteht, daß die Sperrspannung am pn-Übergang etwa gleich der Zenerspannung ist und daß die Steuerelektrode negativ vorgespannt ist.
  2. 2. Verfahren zum Herstellen eines verstärkenden Halbleiterbauelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolierschicht aufoxydiert oder aufgedampft wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode als metallische Belegung auf die Isolierschicht aufgedampft wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die im pn-Übergang aneinanderstoßenden Zonen unterschiedlichen Leitungstyps solche Halbleitermaterialien verwendet werden, daß eine unsymmetrische Verteilung der Bandbreite des Leitfähigkeitsbandes des Halbleitermaterials am pn-Übergang erreicht wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des pn-Übergangs die Stärke der Dotierung des p- und n-Bereichs unterschiedlich gewählt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 814487; belgische Patentschrift Nr. 545 324; schweizerische Patentschrift Nr. 273 525; USA.-Patentschrift Nr. 2 612 567; Prov. IRE, Bd. 40, 1952, Nr. 11, S. 1377 bis 1381.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE545324A (de) * 1955-02-18
CH273525A (de) * 1948-02-26 1951-02-15 Western Electric Co In einer elektrischen Schaltung angeordnetes Verstärkungselement.
DE814487C (de) * 1948-06-26 1951-09-24 Western Electric Co Feste, leitende elektrische Vorrichtung unter Verwendung von Halbleiterschichten zur Steuerung elektrischer Energie
US2612567A (en) * 1949-10-04 1952-09-30 Stuetzer Otmar Michael Transconductor employing field controlled semiconductor

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