DE1213075C2

DE1213075C2 - Elektronisches Festkoerperbauelement zum Schalten

Info

Publication number: DE1213075C2
Application number: DE1964D0044894
Authority: DE
Inventors: Arne Jensen
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1964-07-04
Filing date: 1964-07-04
Publication date: 1966-10-20
Also published as: DE1213075B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Int. α.:

HOIs

Deutsche KL: 21g-41/00

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

D 44894 VIII c/21 g

4. Juli 1964

24. März 1966

20. Oktober 1966

Auslegetag:

Ausgabetag:

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Festkörperbauelement zum Schalten, dessen Festkörper im wesentlichen aus Zink und Arsen besteht.

Es sind Halbleiterschaltelemente dieser Art bekannt, die fast ausschließlich aus Zink und Arsen bestehen, das in einer für Halbleiter üblichen Reinheit hergestellt und mit geringen Verunreinigungen dotiert wird. Das Zinkarsenid soll vorzugsweise in großen Einzelkristallen verwendet werden und dient als Gleichrichter, Transistor, Infrarotfilter u. dgl. ίο

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Festkörperbauelement zum Schalten anzugeben, das einen hochohmigen upd einen niederohmigen Zustand einnehmen kann und unter dem Einfluß einer elektrischen Spannung, bzw. eines elektrischen Feldes, umgeschaltet wird.

Die bekannten Festkörperbauelemente dieser Art bestehen aus mehreren monokristallinen Lagen, die jeweils über Sperrschichten aneinander grenzen. Für Wechselstrombetrieb benötigt man symmetrisch aufgebaute Mehrschichtdioden, beispielsweise eine Fünfschichtdiode. Die Herstellung solcher Bauelemente ist sehr aufwendig, weil die einzelnen Schichten sorgfältig hergestellt und aufeinandergelegt werden müssen. Der Sperrwiderstand im nichtleitenden Zustand ist relativ niedrig. Der Durchlaßwiderstand im leitenden Zustand hat einen konstanten Wert, so daß bei starkem Strom eine große Verlustleistung auftritt.

Erfindungsgemäß ergibt sich, ausgehend von einem Festkörper, der im wesentlichen aus Zink und Arsen besteht, ein völlig anders aufgebauter Festkörperschalter mit sehr vorteilhaften Eigenschaften durch den Gehalt eines Zusatzstoffes im Festkörper, derart, daß das Dreikomponentensystem eine amorphe oder mikrokristalline Phase bildet, deren Leitfähigkeit durch ein elektrisches Feld sprunghaft geändert werden kann.

Ein solches Festkörperbauelement ist ohne besondere Zusatzmaßnahmen absolut symmetrisch. Seine Herstellung ist äußerst einfach, da es durch Aufdampfen auf eine Metallplatte, durch Sintern, durch Erstarrenlassen einer Legierungsschmelze od. dgl. erzeugt werden kann. Sein Sperrwiderstand im leitenden Zustand ist nicht konstant, sondern derart stromdichtenabhängig, daß sich eine relativ kleine Verlustleistung ergibt. Demzufolge ist das Festkörperbauelement auch wesentlich höher belastbar.

Als Zusatzstoff kommen vor allem Germanium, Silizium oder Mischungen dieser beiden Elemente in Frage. Es brauchen jedoch nicht immer reine Elemente verwendet zu werden; vielmehr genügt Elektronisches Festkörperbauelement zum
Schalten

Patentiert für:

Danfoss A/S, Nordborg (Dänemark)

Vertreter:

Dr.-Ing. U. Knoblauch, Patentanwalt,

Frankfurt/M. 1, Kühhornshofweg 10

Als Erfinder benannt:

Arne Jensen, Havnbjerg (Dänemark)

eine normale chemische Reinheit. In manchen Fällen kann man auch aus mehreren Elemente bestehende chemische Verbindungen als Zusatzstoff benutzen.

Die besten Ergebnisse zeigen sich, wenn das Verhältnis von Zink und Arsen etwa dem stöchiometrisehen Mischungsverhältnis entspricht, wie es sich beispielsweise bei der Verbindung Zn₃AS₂ oder ZnAs₂ ergibt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Dreikomponentendiagramm des Systems Zn—As—Si und

F i g. 2 ein typisches Strom-Spannungs-Diagramm des erfindungsgemäßen Festkörperbauelementes.

Wenn man eine große Zahl von verschiedenartigen Mischungsverhältnissen der drei Komponenten herstellen und den Aufbau der so entstehenden Festkörper betrachtet, ergibt sich, daß innerhalb eines bestimmten Bereichs A, der schematisch durch die gestrichelte Linie G bezeichnet ist, der Festkörper einen amorphen Zustand hat, während in dem außerhalb liegenden Bereich B entweder überhaupt keine Reaktion zwischen den Komponenten stattfindet oder ein ausgeprägter kristalliner Zustand zu beobachten ist. Die Grenzlinie G ist in der Nähe der Grundlinien abgebrochen, da an den Grundlinien nur ein Zweikomponentengemisch vorliegt. Bereits kleinere Zusätze des dritten Stoffes, die jedoch über der üblichen Dotierung liegen, führen aber schon in den amorphen Bereich A. In diesem Bereich hat der Festkörper die angegebenen Halbleitereigenschaften und erfüllt die angestrebte Schaltfunktion.

609 706/230

Eine Theorie, die das Verhalten eines solchen Festkörperbauelementes erklären kann, liegt noch nicht vor. Es wird vermutet, daß durch Anlegen eines elektrischen Feldes und wegen des negativen Temperaturverhaltens des Halbleitermaterials ein Vorgang eingeleitet wird, der zu einer Umstrukturierung des Materials führt, bei der sich eine Leitfähigkeit ergibt, die in der Größenordnung der Metalle liegt. Unter dem Begriff »amorph« wird ein physikalischer Zustand verstanden, bei dem durch das Mikroskop keine Kristalle erkennbar sind. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, daß unsichtbar kleine Kristalle vorhanden sind, weshalb auch der Ausdruck »mikrokristallin« oder »polykristallin« verwendet wird.

In dem Diagramm der F i g. 2 ist der Strom / eines erfindungsgemäßen symmetrischen Festkörperbauelementes über der Spannung C/ aufgetragen. Unterhalb der Schwellenspannung ± U_s ist der Strom nahezu Null, da das Bauelement seinen hochohmigen Zustand eingenommen hat, bei dem sein Widerstand bis zu mehreren Megohm betragen kann (Kurve I). Sobald jedoch die Schwellenspannung U_s überschritten ist, springt das Bauelement in seinen niederohmigen Zustand (Kurve II) um, bei dem es einen Widerstand in der Größenordnung von 1 Ohm oder weniger hat. Bemerkenswert ist hieran, daß die Kurve Π nahezu parallel zur Abszisse verläuft. Dies beweist, daß der Durchlaßwiderstand »stromdichteabhängig« ist; es ist daher wahrscheinlich, daß der Strompfad nur einen kleinen Querschnitt des Festkörperbauelementes durchsetzt, wobei sich dieser Strompfad in Abhängigkeit vom hindurchfließenden Strom verbreitert. Den niederohmigen Zustand behält das Bauelement bei, bis der hindurchfließende Strom einen Haltewert I_n unterschreitet, der ziemlich in der Nähe des Nullpunktes liegen kann. Beim Unterschreiten von I_H schaltet das Festkörperbauelement in den hochohmigen Zustand zurück.

Durch Änderung der Dicke des Festkörperbauelementes kann man die Schwellenspannung U_s ändern. In gleicher Weise kann diese Schwellenspannung durch Änderung der Menge des Zusatzstoffes oder durch Wahl des Zusatzstoffes beeinflußt werden. Beispielsweise führt der Zusatz von Silizium zu einer höheren Schwellenspannung als derjenige von Germanium.

Claims

Patentansprüche:

1. Elektronisches Festkörperbauelement zum Schalten, dessen Festkörper im wesentlichen aus Zink und Arsen besteht, gekennzeichnet

ao durch den Gehalt eines Zusatzstoffes im Festkörper, derart, daß das Dreikomponentensystem eine amorphe oder mikrokristalline Phase bildet, deren Leitfähigkeit durch ein elektrisches Feld sprunghaft geändert werden kann.

as 2. Elektronisches Festkörperbauelement nach

Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff Germanium, Silizium oder ein Gemisch dieser beiden Stoffe ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr.

2 955 269;
»Phys. Rev.«, Vol. 121, Nr.

3, S. 759 bis 767.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

609 539/345 3.66 Q Bundesdruckerei Berlin