DE1241010B

DE1241010B - Tieftemperatur-Widerstandselement

Info

Publication number: DE1241010B
Application number: DEK52570A
Authority: DE
Inventors: Kiichi Komatsubara
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1963-04-03
Filing date: 1964-04-03
Publication date: 1967-05-24
Also published as: GB1073131A; US3284750A

Description

DEUTSCHES WTWQSSP PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-41/00

Nummer: 1241010

Aktenzeichen: K 52570 Vffl c/21 g

^ 24 1010 Anmeldetag: 3. April 1964

Auslegetag: 24. Mai 1967

Die Erfindung betrifft ein Tieftemperatur-Widerstandselement mit negativer Widerstandscharakteristik, wie es unter der Bezeichnung »CRYOSAR« bekannt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Widerstandselement der eingangs genannten Art zu schaffen, dessen Widerstandscharakteristik wahlweise veränderbar ist. Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch einen hochkompensiert dotierten Halbleiterkörper sowie durch eine den Halbleiterkörper auf tiefer Temperatur haltende Vorrichtung und durch eine Vorrichtung für das Einwirken einer mechanischen Kraft auf den Halbleiterkörper.

Es kann eine Vorrichtung zum Ausüben einer Druckkraft, einer Torsionskraft, einer Biegekraft oder einer Kombination wenigstens zweier dieser Kräfte auf den Halbleiterkörper vorgesehen sein. Vorzugs- weise ist die Vorrichtung zum Aufbringen einer mechanischen Kraft so ausgebildet, daß durch diese Kraft das Widerstandselement wahlweise in rascher ao Folge leitend oder nichtleitend gemacht werden kann.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung an zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen .

Fig. la und Ib graphische Darstellungen der as Spannungs-Strom-Charakteristik von Halbleiterelementen bei niedriger Temperatur, und zwar zeigt Fig. la eine Kennlinie eines Halbleiters mit einer einzigen Verunreinigungsart, während Fig. Ib eine Kennlinie eines hochkompensierten Halbleiters, zeigt, der sowohl Akzeptor- als auch Donator-Verunreinigungen enthält,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der Spannungs-Strom-Charakteristiken eines Tieftemperatur-Widerstandselementes mit negativer Widerstandscharakteristik gemäß der Erfindung unter verschiedenen mechanischen Bedingungen,

Fi g. 3 a und 3 b zwei vereinfachte Seitenansichten von Ausführungsbeispielen der Erfindung,

Fig. 4a und 4b graphische Darstellungen, welche die Ergebnisse der an den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen vorgenommenen Messungen zeigen.

Um das Wesen und die Vorteile des Widerstandselements nach der vorliegenden Erfindung deutlich zu machen, werden im folgenden Widerstandselemente mit besonderen Merkmalen beschrieben, wie z. B. solche mit hoher Schaltgeschwindigkeit und niedriger Verlustleistung.

Wenn ein Halbleiterkörper z. B. aus Germanium oder Silizium oder einer intermetallischen Verbindung der Gruppen III und V auf eine niedrige Temperatur gebracht wird, kehren die meisten der bei Tieftemperatur-Widerstandselement

Anmelder:

Kabushiki Kaisha Hitachi Seisakusho, Tokio
Vertreter:

Dr.-Ing. E. Maier, Patentanwalt,
München 22, Widenmayerstr. 5

Als Erfinder benannt:

Kiichi Komatsubara, Kodäira-Shi (Japan)

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 3. April 1963 (16 377)

Raumtemperatur die elektrische Leitfähigkeit des Halbleiters begründenden Elektronen oder Defektelektronen in den Verband der Verunreinigungsatome zurück, so daß der elektrische Widerstand einen Wert erreicht, der beispielsweise zehntausendmal größer als bei Raumtemperatur ist. Dieses Verhalten ist bekannt durch die Messung von einem schwachen elektrischen Feld ausgesetzten Halbleiterelementen. Da einerseits dieses Verhalten bei niedriger Temperatur beobachtet; worden ist, wird die Wirkung der Gitterstreuung des Halbleiters klein, und es wird die Beweglichkeit der Elektronen und Defektelektronen groß. Infolgedessen werden auch bei einem verhältnismäßig schwachen elektrischen Feld die Elektronen und Defektelektronen leicht beschleunigt, und es tritt eine Stoßionisation der Verunreinigungsatome auf, die in den. Halbleiter eingebracht sind, wodurch neue Leitungselektronen oder -defektelektronen gebildet werden. Wenn dieser Vorgang laufend auftritt und eine Spannung oberhalb eines bestimmten Wertes erreicht wird, tritt infolge der Stoßionisation ein vollständiger Durchbruch ein. Dabei nimmt der elektrische Widerstand plötzlich ab und wird nahezu Null. F i g. 1 zeigt die oben beschriebene Charakteristik. Fig. la zeigt die Spannungs-Strom-Charakteristik eines Halbleiterelementes mit Aktivatoren einer einzigen Art, nämlich entweder Donator- oder Akzeptorverunreinigungen. Fig. Ib zeigt die Spannungs-Strom-Charakteristik eines Halbleiterelementes mit beiden Verunreinigungen, d. h., der Halbleiterkörper enthält auch Minoritäts-Verunreinigungs-Atome zum Zweck der Kompensation der Majoritäts-Ladungs-

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träger. Solche kompensierten Halbleiter zeigen bei niedriger Temperatur verhältnismäßig hohe Widerstandswerte bei niedriger Spannung.

Elemente mit der nichtlinearen Kennlinie eines Halbleiters, bei denen eine solche niedrige Temperatur angewendet wird, sind bisher als »Cryosare« bezeichnet worden. Insbesondere ein Element mit der in Fig. Ib gezeigten Charakteristik kann zusätzlich zu seinem negativen Widerstand zwei stabile Zustände einnehmen. Infolgedessen kann ein solches Element bestimmte Operationen ausführen, wie z. B. eine Schaltung, eine Informationsspeicherung und eine Impulsverstärkung. Cryosare, die diese äußerst wünschenswerten Eigenschaften, nämlich die negativen Widerstandscharakteristiken, besitzen, sind weitgehend untersucht worden.

Auf Grund solcher Untersuchungen, bei denen verschiedene Experimente an bekannten Cryosaren vorgenommen worden sind, sind besondere Verfahren zur Verwendung der Cryosare vorgeschlagen worden. Insbesondere in der japanischen Patentanmeldung 11820/1962 ist ausgeführt, daß bei einem Cryosar, der einer Lichtstrahlung ausgesetzt ist, die kritische Spannung E_c (die maximale Spannung vor dem Auftreten des negativen Widerstandes) an einem bestimmten Punkt zu einer Spitze ansteigt, während man bisher angenommen hat, daß diese kritische Spannung mit der Strahlung abnimmt. Im allgemeinen nimmt die kritische SpannungS_c fortschreitend ab mit dem Ansteigen der Intensität der Strahlung, jedoch nimmt die kritische SpannungE_c eine Spitze an, wenn zusätzlich zu der bereits vorhandenen Verunreinigung (Akzeptor- oder Donatorverunreinigung) eine geeignete Menge eines Metalls oder mehrerer Metalle, wie Nickel, Gold, Eisen und Thallium dem Halbleiterkörper zugefügt wird zur Herstellung eines niedrigen Haftstellenniveaus. Weiterhin ist durch die japanische Patentanmeldung 42 816/1962 bekannt, daß bei Einwirkung eines magnetischen Feldes auf einen bekannten Cryosar die kritische SpannungE_c (kritisches Feld) und die UnterhaltungsspannungE_s (Unterhaltungsfeld) anwachsen und daß bei weiterer Verstärkung des magnetischen Feldes eine ständige Schwingung auftritt, deren Frequenz mit dem Anwachsen des magnetischen Feldes steigt. *

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, einem Cryosar ganz bestimmte gewünschte negative Widerstandskennlinien zu geben.

Insbesondere ist festgestellt worden, daß bei Ausübung einer mechanischen Druckkraft oder einer Zugkraft auf einen hochkompensierten Halbleiterkörper, z.B. einen Halbleiterkörper, der als ganzes Element im Bereich tiefer Temperaturen einen hohen Widerstand besitzt (ein Cryosar) und beispielsweise aus einem Germaniumkörper mit IO¹⁵ bis IO¹⁶ Atomen pro Kubikzentimeter Indium als p-Verunreinigung und von 50 bis 90% der Indiummenge an Antimon enthält, und bei Ausübung der genannten Kraft parallel oder senkrecht zu dem durch den Körper fließenden Strom sich die negative Wider-Standscharakteristik der Anordnung verändert; d. h., die kritische Spannung bzw. das kritische Feld E_c und die Unterhaltungsspannung bzw. das Unterhaltungsfeld verändern sich, und zwar nehmen beide ab mit dem Anwachsen des Druckes.

Der grundlegende Vorgang dieser Erscheinung dürfte sich auf Grund verschiedener Faktoren ergeben, wie Veränderungen in dem Valenzband und

Streuung der Wellenfunktion der Verunreinigungselektronen auf Grund der Druckspannung. In bezug auf die genannte Erscheinung gibt es einen Bericht von Konig, Price u. a., in dem ausgeführt ist, daß bei Aufbringen einer Druckspannung auf p-Germanium bei niedriger Temperatur (nicht hochkompensiert) sich die Tieftemperatur-Durchbruchs-Charakteristik verändert. Ein anderer Bericht von Fritsche u. a. bezieht sich auf die Widerstandsänderung eines Halbleiterelements bei niedriger Temperatur.

Die Gründe für die Änderung der negativen Widerstandscharakteristiken von hochkompensierten Halbleitern und intermetallischen Verbindungen auf Grund äußerer Druckkräfte oder äußerer Zugkräfte sind nicht genau bekannt. Es wird aber angenommen, daß die Aufbringung einer Druckkraft auf einen hochkompensierten Halbleiter bei niedriger Temperatur eine Änderung in der Bandstruktur bewirkt, welche einer der wesentlichen Faktoren ist, welche zur Erzeugung der negativen Widerstandscharakteristik beitragen, und es wird die Potentialdoppelfalte (twofold) die in der Mitte der Brillouin-Zone erzeugt wird, in zwei durch Spannungs- bzw. Druckenergie getrennte Bänder aufgespalten, mit dem Ergebnis, daß dort Änderungen eintreten, wie Änderungen in der Verunreinigungsniveaudichte und der Aktivierungsenergie, eine Änderung in der wechselseitigen Wirkung auf zwei Bänder des freien Trägers oder eine Änderung in der effektiven Masse des freien Trägers, wodurch die Änderung der negativen Widerstandscharakteristik bewirkt wird.

Die wesentliche Veränderung des negativen Widerstandes eines Cryosars, auf den ein Druck einwirkt, ist in Fi g. 2 gezeigt, in welcher die Kurve 1 die negative Widerstandscharakteristik des Cryosars zeigt, auf den keine Druckspannung wirkt, während die Kurve 2 die negative Widerstandscharakteristik bei einwirkender Druckspannung zeigt. Aus dieser Darstellung ergibt sich ohne weiteres, daß sich das kritische Feld und das Unterhaltungsfeld des negativen Widerstandes verändert. Daraus ergibt sich, daß mit Hilfe eines Druckes eine Steuerung des Widerstandselementes möglich ist. Im Hinblick auf die Veränderung der effektiven Masse und die Abnahme des Wertes des Verunreinigungsniveaus ist es möglich, ein Element zu erhalten, dessen Schaltgeschwindigkeit größer als bei einem üblichen Cryosar ist.

Um das Wesen der Erfindung deutlicher zu zeigen, werden einige bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben. In der Fig. 3a und 3b sind in vereinfachter Darstellung Vorrichtungen zum Ausüben einer Druck- oder Zugkraft auf einen Germanium-Cryosar 1 gezeigt, der jeweils im Mittelteil jeder Vorrichtung angeordnet ist. Der Germanium-Cryosarl hat die Abmessungen von 2-2-4,2 mm, einen Majoritätsverunreinigungsgehalt (Indium) von IO¹⁵ Atomen pro Kubikzentimeter und ein Kompensationsverhältnis von 0,82 (Antimon). Jede Vorrichtung ist in flüssiges Helium mit einer Temperatur von 4,2° K eingesetzt. Eine Druck- oder Zugkraft wird durch die Quarzhalter 2 auf den Cryosarl ausgeübt, welcher mit den Elektroden 3 versehen ist.

Die mit einer Vorrichtung der oben beschriebenen Konstruktion gemachten Messungen haben die in den Fig. 4a und 4b gezeigten Werte ergeben.

Fig. 4a zeigt die Veränderung des kritischen Feldes des Elementes 1 in bezug auf die einachsige Druckspannung x. Fig. 4b zeigt die Veränderung

Claims

1 241 OlO des unterhaltenden Feldes (sustaining field) des Cryosars in bezug auf die einachsige Druckspannung. Die Kurven 1 und la zeigen die Größe der Veränderung bei einem Cryosarelement mit einem kritischen Feldfico von 56,0 Volt und einem unterhaltenden Feld Eso von 23,5 Volt bei der Druckkraft 0 und bei Aufbringung der Druckkraft parallel zu dem durch das Element fließenden Strom und zu der Kristallorientierungsachse 111. Die Kurven 2 und 2 a zeigen die Größe der Veränderung in dem Fall, wenn die Richtung der auf das Cryosarelement mit einem kritischen Feld von 30,0 Volt und einem unterhaltenden Feld von 11,7 Volt bei der Druckspannung 0 aufgebrachten Druckspannung und die Richtung des durch das Element fließenden Stromes parallel zur Kristallorientierung 100 des Elementes selbst sind. Hieraus kann entnommen werden, daß ein Cryosar eine Anisotropie in Abhängigkeit von seiner Kristallorientierung aufweist und daß seine negative Widerstandscharakteristik sich nicht gleichförmig ändert. Während die vorhergehende Beschreibung der dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung sich auf Germanium-Cryosare bezieht, ist es auch möglich, andere Halbleiter-Substanzen zu verwenden, die eine entsprechende Bandstruktur besitzen wie z.B. Silizium- und aus den Gruppen ΙΠ und IV zu- sammengesetzte Halbleiterverbindungen. Außerdem kann die negative Widerstandscharakteristik eines Cryosars auch durch Aufbringen einer Torsionskraft an Stelle einer Druck- oder Zugkraft verändert werden. Patentansprüche:

1. Tieftemperatur-Widerstandselement mit negativer Widerstandscharakteristik, g e k e η η -

ίο zeichnet durch einen hochkompensiert dotierten Halbleiterkörper sowie durch eine den Halbleiterkörper auf tiefer Temperatur haltende Vorrichtung und durch eine Vorrichtung für das Einwirken einer mechanischen Kraft auf den Halbleiterkörper.

2. Widerstandselement nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Ausüben einer Druckkraft, einer Torsionskraft, einer Biegekraft oder einer Kombination wenigstens

ao zweier dieser Kräfte auf den Halbleiterkörper.

3. Widerstandselement nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Vorrichtung zum Einwirken der mechanischen Kraft, daß durch diese Kraft das Widerstandselement wahlweise in rascher Folge leitend oder nichtleitend gemacht werden kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen