DE1201493B - Halbleiterdiode mit einer pnp- bzw. npn-Zonenfolge und einem Esaki-pn-UEbergang - Google Patents

Halbleiterdiode mit einer pnp- bzw. npn-Zonenfolge und einem Esaki-pn-UEbergang

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DE1201493B
DE1201493B DEW29994A DEW0029994A DE1201493B DE 1201493 B DE1201493 B DE 1201493B DE W29994 A DEW29994 A DE W29994A DE W0029994 A DEW0029994 A DE W0029994A DE 1201493 B DE1201493 B DE 1201493B
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Melvin W Aarons
John Bentley
John Dzimianski
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CBS Corp
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Westinghouse Electric Corp
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:
HOIl
Deutsche KL: 21 g -11/02
Nummer: 1201493
Aktenzeichen: W 29994 VIII c/21 j
Anmeldetag: 15. Mai 1961
Auslegetag: 23. September 1965
Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiterdiode mit einer pnp- bzw. npn-Zonenfolge im Halbleiterkörper, einem Esaki-pn-Übergang und je einer an den äußeren Zonen angebrachten Kontaktelektrode. Eine derartige bekannte Anordnung stellt eine Gegenschaltung einer normalen Diode mit einer Tunneldiode dar und führt zu einer Strom-Spannungs-Charakteristik, bei der bei in Sperrichtung vorgespannten Dioden sich kein merklicher Sperrstrom, sondern ein sofortiger Stromanstieg einstellt. Im Durchlaßbereich hat man einen langsamen Stromanstieg, dem sich dann bei höheren Strömen die Tunnelcharakteristik der Esaki-Diode überlagert. Eine ähnliche Charakteristik erhält man bei einer Gegenschaltung, bei der eine sogenannte Backward-Diode und eine Tunneldiode angewendet werden.
Demgegenüber ist die Halbleiterdiode nach dei Erfindung derart ausgebildet, daß die beiden äußeren Zonen vom gleichen Leitungstyp über die Entartung dotiert sind, daß die mittlere Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp am ersten pn-übergang zu einer ersten äußeren Zone über die Entartung und am zweiten pn-übergang zu der anderen zweiten äußeren Zone fast bis zur Entartung dotiert ist und daß der erste pn-übergang als Esaki-pn-Übergang mit einer Dicke von etwa 80 Ä und der zweite pn-übergang mit einer Dicke von etwa 150 A ausgebildet ist.
Ein solches Halbleiterbauelement führt, wie man den Zeichnungen entnimmt, zu einer wesentlich anders verlaufenden Charakteristik, die vor allem auch das Kennzeichen eines merklich ausgeprägten Sperrbereiches im dritten Quadranten der Strom-Spannungs-Charakteristik aufweist. Zudem ist in einem Teilstück der Strom-Spannungs-Charakteristik ein negativer Widerstandsverlauf gegeben, wenn einer der beiden Übergänge in Durchlaßrichtung vorgespannt ist und deren Strom-Spannungs-Kennlinie von dem anderen Übergang beeinflußt wird, wenn dieser in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.
Die Erfindung wird nach dem Studium der Zeichnungen verständlich.
Fig. 1 stellt einen Seitenquerschnitt durch ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel der Halbleiteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dar; in
Fig. 2 sind die Energiebänder der Halbleiteranordnung nach der Fig. 1 dargestellt, wenn keine Vorspannung angelegt ist;
F i g. 3 zeigt die gesamte Kennlinie der Halbleiteranordnung nach der Fig. 1; in
Fig. 4 bis 7 sind graphische Darstellungen gezeigt von den Charakteristiken der Grenzschichten Halbleiterdiode mit einer pnp- bzw.
npn-Zonenfolge und einem Esaki-pn-Übergang
Anmelder:
Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. R. Barckhaus, Patentanwalt,
München 2, Wittelsbacherplatz 2
Als Erfinder benannt:
Melvin W. Aarons, Baltimore, Md.;
John Dzimianski, Catonsville, Md.;
John Bentley, Glen Bumie, Md, (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St, v. Amerika vom 16. Mai 1960 (29 464) - -
der Halbleiteranordnung nach der Fig. 1 unter bestimmten Vorspannungsverhältnissen.
In der F i g. 1 ist ein Halbleiterstück 10 dargestellt, das beispielsweise die gezeichnete Form aufweist. Lediglich aus Übersichtlichkeitsgründen sei angenommen, daß dieses Halbleiterstück aus einem Block 11 aus Material von η-Leitfähigkeit gebildet worden ist. Aus später im folgenden noch im einzelnen erläuterten Gründen ist die Dotierung der gesamten Zone im mittleren n-Leitfähigkeitstyp nicht gleichmäßig. Ein mit n" bezeichneter Teil der Zone 16 von η-Leitfähigkeit ist so stark dotiert, daß das Halbleitermaterial an dieser Stelle fast, aber nicht ganz entartet ist. Die Zone IS oder n' ist stärker dotiert, so daß sie entartet ist. Eine geeignete Trägerkonzentration für die Zone n" liegt bei ungefähr 5 · 10« Träger pro Kubikzentimeter und für den Bereich n' bei ungefähr 5 -1019 bis 1 · 1021 Träger pro Kubikzentimeter. Die Art und Weise, auf die derartige Dotierungskonzentrationen erhalten werden können, wird später noch erläutert. Eine Zone 12 aus stark dotiertem Material vom p-Typ weist einen mit ihr verbundenen ohmschen Kontakt 13 auf und bildet mit der Zone 15 oder n' eine sehr dünne und schmale pn-Grenzschicht 14 mit einer Dicke von beispielsweise 80 A. Die Zone 12 vom p-Typ ist so stark dotiert, daß sie entartet ist. Sie kann beispielsweise eine Trägerkonzentration von 5 · 1020 Träger pro Kubikzentimeter aufweisen. Demzufolge besteht also
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an der Stelle 14 ein abrupter, schmaler pn-übergang zwischen den Zonen 12 und 15. Charakteristisch füi die Grenzschicht 14 ist, daß bei Anlegen einer geringen Vorspannung in Durchlaßrichtung die Elektronen infolge des quantenmechanischen Tunneleffekts über den pn-übergang gelangen. Hierdurch ergibt sich ein hoher Strom in Durchlaßrichtung bei Anlegen einer niedrigen Spannung in Durchlaßrichtung. Bei Erhöhen der Vorspannung in Durchlaßrichtung wird ein Punkt erreicht, bei dem der über die Grenzschicht fließende Strom geringer wird und sich über das entsprechende Teilstück der Strom-Spannungs-Charakteristik (/-{/-Kennlinie) der Anordnung ein negativer Widerstandsverlauf ergibt.
An die Zone 16 oder n" schließt sich eine Zone 17 aus Halbleitermaterial vom p-Typ an, die einen an ihr angebrachten ohmschen Kontakt 18 aufweist und mit der Zone 16 einen pn-übergang 19 bildet. Die Zone 17 vom p-Typ ist so stark dotiert, daß sie entartet ist. Sie kann beispielsweise eine Trägerkonzentration in der Größenordnung von 5 · 1020 Träger pro Kubikzentimeter aufweisen. Die Zone 16 vom η-Typ dagegen ist, wie bereits erwähnt, nahezu entartet. An der Stelle 19 besteht demzufolge ein pnübergang, der im folgenden als Sperrdioden-Grenzschicht bezeichnet wird. Die Berechtigung dieses Ausdrucks ergibt sich aus den folgenden Erläuterungen. Weitere Erläuterungen über Sperrdioden-Grenzschichten können dem Beitrag »Electron devices« in »Proceedings of the WESCON conference«, J. 1959, Vol. 3, entnommen werden.
Bei der Herstellung der Halbleiteranordnung nach der Fig. 1 mit zwei Anschlußklemmen und drei Zonen kann von einem Plättchen aus Halbleitermaterial ausgegangen werden, das eine solche Konzentration von Verunreinigungen aufweist, daß es nahezu entartet ist. Die beiden Seiten des Plättchens können anschließend durch Eindiffusion von Verunreinigungen, die einen dem Halbleitermaterial gleichen Leitfähigkeitstyp aufweisen, so stark dotiert werden, daß die Oberfläche des Plättchens und die sich anschließenden Bereiche entartet sind. Anschließend kann eine der beiden Flächen so weit abgeätzt werden, bis eine nicht entartete Zone erreicht ist. Dann können zwei entartete Emitter an die Anordnung anlegiert werden. Die nicht geätzte Oberfläche bildet die im folgenden kurz als Tunneldioden-Grenzschicht bezeichnete Grenzschicht 14, während die geätzte Oberfläche die Sperrdioden-Grenzschicht bildet.
Die Strom-Spannungs-Kennlinie der Sperrdioden-Grenzschicht 19 allein ist in den F i g. 5 und 7 dargestellt. Sowohl die F i g. 5 als auch die F i g. 7 sind um 180° gedreht, und die Kennlinie ist jeweils in dem Quadranten dargestellt, der dem eigentlich richtigen Quadranten diagonal gegenüberliegt. Hierdurch wird das Verständnis der Erfindung erleichtert, da, wie in Zusammenhang mit der Fig. 1 ersichtlich ist, die Sperrdioden-Grenzschicht 19 in Sperrichtung vorgespannt ist, wenn die Tunneldioden-Grenzschicht 14 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, und da umgekehrt die Sperrdioden-Grenzschicht in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wenn die Tunneldioden-Grenzschicht 14 in Sperrichtung vorgespannt ist. Wie aus den folgenden Ausführungen noch klarer hervorgeht, kann die gesamte Strom-Spannungs-Kennlinie der Anordnung über die Tunneldioden-Grenzschicht 14 gesteuert werden, wenn die Tunneldioden-Grenzschicht in Durchlaßrichtung vorgespannt ist. Umgekehrt kann die gesamte Strom-Spannungs-Kennlinie der Anordnung über die Sperrdioden-Grenzschicht 19 gesteuert werden, wenn diese in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.
In den Fig. 4 und 6 sind die Strom-Spannungs-Kennlinien der Tunneldioden-Grenzschicht 14 mit negativem Widerstandsbereich dargestellt, wenn diese Dioden-Grenzschicht in Durchlaßrichtung bzw.
ίο in Sperrichtung vorgespannt ist. Wie zu erkennen ist, erhöht sich der über die Grenzschicht 14 fließende Strom sehr schnell bis zu dem Punkte, wenn die an der Grenzschicht liegende Vorspannung in Durchlaßrichtung auf einen sehr kleinen Wert erhöht wird. Anschließend verringert sich der Strom sehr schnell bis zu dem Punkt B, wenn die Vorspannung weiter erhöht wird. In dem ungefähr zwischen den Punkten^ und B liegenden Kennlinienbereich ergibt sich also ein negativer Widerstandsverlauf.
Wenn die Tunnneldioden-Grenzschicht 14 in Sperrrichtung vorgespannt wird, so ergibt sich die in der F i g. 6 dargestellte Kennlinie. Wie ersichtlich, erhöht sich der Sperrstrom bei steigender Spannung sehr stark und ungefähr linear.
Für die Sperrdioden-Grenzschicht 19 ergibt sich, wie aus der F i g. 2 ersichtlich ist, folgender Aufbau der Energiebänder bei thermischem Gleichgewicht und bei Fehlen jeglicher Vorspannung: Das Fermi-Niveau liegt auf der p-Seite der Grenzschicht nahezu am oberen Ende des Valenzbandes und auf der η-Seite der Grenzschicht nahezu am Ende des Leitfähigkeitsbandes.
Wenn nunmehr eine Vorspannung in Durchlaßrichtung angelegt wird, so werden die Energiebänder relativ zueinander weiter auseinandergeschoben. Eine elektrische Leitung ist nur durch normale Trägerinjektion möglich, d. h., die Grenzschicht verhält sich wie ein normaler, in Durchlaßrichtung vorgespannter pn-übergang. Ein großer Stromfluß kann erst dann zustande kommen, wenn die angelegte Vorspannung so stark erhöht wird, daß eine merkliche Trägerinjektion möglich wird.
Wenn nunmehr an die Sperrdioden-Grenzschicht eine Spannung umgekehrter Richtung angelegt wird, so wird die Grenze des Valenzbandes unmittelbar nach Anlegen der Spannung relativ zu dem Leitfähigkeitsband nach oben verschoben, und in dem Valenzband befindliche Elektronen können sich freie Stellen in dem Leitfähigkeitsband auf der anderen Seite der Grenzschicht suchen. Es ergeben sich hohe Werte für die Feldstärke bei sehr niedrigen Spannungswerten. Es ergeben sich Zenerdurchbrüche, und die Elektronen des Valenzbandes gelangen durch Tunneleffekte zu freien Stellen in dem Leitfähigkeitsband.
Damit sich ein starkes Feld ausbilden kann, muß die Grenzschicht sehr dünn sein und in der Größenordnung von 150 bis 200A liegen. In diesem Fall ergeben sich bei niedrigen Werten der Sperrspannung hohe Feldstärken, die Bedingungen für Zenerdurchbrüche sind erfüllt, und es fließen hohe Ströme bei niedrigen Spannungen.
Die Durchlaß- und Sperrkennlinie der Sperrdioden-Grenzschicht 19 ist in der Fi g. 7 bzw. 5 dargestellt. Die Kennlinie nach der F i g. 7 wird im folgenden auch als die normale Kennlinie eines pn-Überganges bei positiver Vorspannung bezeichnet.
In der Fig. 3 ist die gesamte Strom-Spannungs-Kennlinie der Anordnung nach der Fig. 1 darge-
stellt. Es sei daran erinnert, daß die Sperrdioden-Grenzschicht 19 in Sperrriehtung vorgespannt ist. wenn die Tunneldioden-Grenzschicht oder Grenzschicht mit negativem Widerstandsverhalten 14 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, und daß umgekehrt die Sperrdioden-Grenzschicht 19 in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, wenn die Tunneldioden-Grenzschicht 14 in Sperrichtung vorgespannt ist.
Es sei beispielsweise angenommen, daß an die Grenzschicht 14 eine kleine Spannung in Durchlaßrichtung angelegt wird. Die Grenzschicht mit negativem Widerstandsverhalten 14 weist dann die in der F i g. 4 dargestellte Kennlinie auf, und über die Sperrdioden-Grenzschicht 19 fließt ein Strom, der durch den über die Grenzschicht mit negativem Widerstandsverhalten 14 fließenden Strom begrenzt ist und diesen nicht überschreiten kann, obwohl die Sperrdioden-Grenzschicht 19, wie aus der F i g. 5 ersichtlich ist, sich in einem Kennlinienbereich befindet, wo ein hoher Durchbruchsstrom fließen könnte. Wenn die an der Grenzschicht 14 anliegende Spannung erhöht wird, z. B. bei Germanium auf eine Spannung von ungefähr 50 Millivolt, beginnt die Grenzschicht 14 zu sperren, d. h., es wird der Kennlinienbereich zwischen den Punkten λ( und B erreicht, und der hohe Gleichstromwiderstand der Grenzschicht 14 verhindert einen weiteren, durch infolge des Tunneleffekts über die mit einer niedrigen Sperrspannung vorgespannte Sperrdioden-Grenzschicht 19 gelangende Elektronen verursachten Stromfluß. Die gesamte Kennlinie der Anordnung 10 wird also nahezu vollständig von der Grenzschicht mit negativem Widerstandsverhalten 14 bestimmt, wenn diese Grenzschicht in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.
Nunmehr sei angenommen, daß die über die Zuleitung 13 und 18 zugeführte Gleichspannung in der Polung umgekehrt wird. Die Grenzschicht 14 weist jetzt die in der Fig. 6 dargestellte Kennlinie auf, während über die Sperrdioden-Grenzschicht, wie aus der Fig. 7 ersichtlich ist, trotz Vorspannung in Durchlaßrichtung kein hoher Strom fließt, bis eine genügend hohe Spannung in Durchlaßrichtung angelegt wird, die, wie vorher erwähnt, eine merkliche Injektion von Minoritätsträgern bewirkt. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die dem Halbleiterblock zugekehrte Seite 16 oder n" der Sperrdioden-Grenzschicht nicht entartet ist. Der hohe Widerstand der Sperrdioden-Grenzschicht 19 bei niedrigen Vorspannungen in Durchlaßrichtung verhindert das Fließen eines höheren Stroms, der sonst von der in Sperrichtung vorgespannten Tunneldioden-Grenzschicht 14 hervorgerufen werden würde. Deshalb ergibt sich als Gesamtkennlinie die in der Fi g. 3 dargestellte Kennlinie.
Die oben beschriebene Halbleiteranordnung weist folgende wichtige Eigenschaften auf: Es können positive und negative Impulse bei sehr niedrigen Spannungswerten in der Größenordnung von Millivolt unterschieden werden. Wenn beispielsweise Germanium als Halbleitermaterial verwendet wird, so betragen die Spannungen an den Punkten M und N in der F i g. 3 ungefähr 300 Millivolt, und die Spannung am Punkt P liegt bei ungefähr 50 Millivolt. Die elektrische Leitung in Durchlaßrichtung setzt in diesem Fall bei 0 Volt ein.
Die vorstehend beschriebene Anordnung kann bei sehr niedrigen Spannungswerten betrieben werden und ist insbesondere zur Verwendung in Rechenmaschinen geeignet, deren Leistungsbedarf in der Größenordnung von einem Tausendstel des Leistungsbedarfs einer mit Transistoren ausgestatteten Rechenmaschine liegt. Mit der beschriebenen An-5 Ordnung kann auch eine Verringerung des Leistungsbedarfs in nach dem Baukastenprinzip aufgebauten Anlagen erreicht werden.
In der Fig. 2, in der die Energiebänder für die Ladungsträger in den beiden Grenzschichten dargestellt sind, stellt die Linie 30 das Fermi-Niveau dar, und die Linien 31 und 32 kennzeichnen die Energiebänder, wenn keine Vorspannung an der Anordnung liegt.
In diesem Fall ist die Elektronenverteilung in den verschiedenen Energiebändern ungefähr gleich, und es herrscht ein Gleichgewichtszustand, bei dem kein Stromfluß zustandekommt. Wenn eine Vorspannung in Durchlaßrichtung an die Grenzschicht mit negativem Widerstandsverhalten 14 angelegt wird, werden die beiden Linien 31 und 32 nach unten, wie durch die Pfeile 33 angedeutet, verschoben. Wie ersichtlich, zeigt die Verschiebung der Linien 31 und 32 nach unten die Bewegung von Ladungsträgern in den Energiebändern an, die einen Stromfluß ermöglichen.
In dem gleichen Augenblick, in dem eine Vorspannung in Durchlaßrichtung an die Grenzschicht mit negativem Widerstandsverhalten 14 angelegt wird, ergibt sich eine Sperrspannung an der Sperrdioden-Grenzschicht 19 und bewirkt die Verschiebung der entsprechenden Teilstücke der Linien 31 und 32 nach oben, wie dies durch die Pfeile 34 angedeutet ist. Wenn die an der gesamten Anordnung anliegende Spannung, die durch die zwischen den oben erwähnten ohmschen Kontakten 13 und 18 liegende Spannung gegeben ist, in der Polung umgekehrt wird, so ergeben sich die umgekehrten Verhältnisse wie in der Fig. 2.
Man erhält also eine Halbleiteranordnung, die den oben erwähnten Aufgaben der vorliegenden Erfindung gerecht wird.
Die Erfindung wurde an Hand einer Vorrichtung mit pnp-Schichten beschrieben. Selbstverständlich können die Schichten jedoch auch in der Kombination npn angeordnet sein, wenn dies wünschenswert ist.
Der in der Beschreibung verwendete Ausdruck »entartet« besagt, daß das dotierte Material eine so hohe Ladungsträgerkonzentration aufweist, daß es sich im wesentlichen wie ein elektrischer Leiter und nicht wie ein Halbleiter verhält.
Als Grundmaterial für die Anordnung kann jedes Halbleitermaterial verwendet werden, bei dem die Leitfähigkeit so beherrscht werden kann, daß sich die gewünschten Eigenschaften der Grenzschichten ergeben. Beispielsweise kann Germanium, Silizium und jeder der aus Elementen der Gruppen III und V des Periodischen Systems zusammengesetzten Halbleiter, wie beispielsweise Galliumarsenid, Galliumphosphid und Indiumantimonid, beliebig verwendet werden.

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Halbleiterdiode mit einer pnp- bzw. npn-Zonenfolge im Halbleiterkörper, einem Esaki-pn-Ubergang und je einer an den äußeren Zonen angebrachten Kontaktelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden äußeren
Zonen vom gleichen Leitungstyp über die Entartung dotiert sind, daß die mittlere Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp am ersten pnübergang zu einer ersten äußeren Zone über die Entartung und am zweiten pn-übergang zu der anderen zweiten äußeren Zone fast bis zur Entartung dotiert ist und daß der erste pn-übergang als Esaki-pn-Übergang mit einer Dicke von etwa 80 Ä und der zweite pn-übergang mit einer Dicke von etwa 150 A ausgebildet ist. iö
2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die erste äußere Zone bildende Halbleitermaterial eine Ladungsträgerkonzentration in der Größenordnung von 5 -1020 Träger pro Kubikzentimeter aufweist.
3. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet^ daß das den ersten Teilbereich der mittleren Zone bildende Halbleitermaterial eine Trägerkonzentration zwischen 5 · lö19 und 1 · lö21 Träger pro Kubikzentimeter, Vorzugs-
weise in der Größenordnung von 5 · 1019, aufweist.
4. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das den zweiten Teilbereich der mittleren Zone bildende Halbleitermaterial eine Trägerkonzentration aufweist, die niedriger als die zur Entartung dieses Teilbereichs notwendige Konzentration ist und in der Größenordnung von 5' lö18 Ladungsträger pro Kubikzentimeter liegt.
5. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die zweite äußere Zone bildende Halbleitermaterial eine Trägerkonzentration in der Größenordnung von 5-1020 Ladungsträger pro Kubikzentimeter aufweist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
IBM Techn. Disclosure Bulletin, Vol. 2, Nr. 3, Oktober 1959, S. 63;
IRE Wescon Conv. Rec, Part. 3, 1959, S. 9 bis 31.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
509 688/366 8.65 © Bundesdruckerei Berlin
DEW29994A 1959-09-29 1961-05-15 Halbleiterdiode mit einer pnp- bzw. npn-Zonenfolge und einem Esaki-pn-UEbergang Pending DE1201493B (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US843185A US3027501A (en) 1959-09-29 1959-09-29 Semiconductive device
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