DE1283978B - Elektronisches Festkoerperbauelement mit durch Ladungstraegerinjektion steuerbarem elektrischem Widerstand - Google Patents

Elektronisches Festkoerperbauelement mit durch Ladungstraegerinjektion steuerbarem elektrischem Widerstand

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Description

1 2
Es ist bekannt, daß eine hochohmige Halbleiter- gegenüberliegenden Seite an der Widerstandsschicht oder Isolatorschicht zwischen zwei leitenden Elek- angebracht ist, eine Spannung angelegt, die nicht troden von Elektronen durchtunnelt werden kann, größer als die Durchbruchsspannung der Widerwenn die Dicke der Halbleiter- oder Isolatorschicht Standsschicht ist.
hinreichend klein ist. Eine hochohmige Halbleiter- 5 Die Dicke der durch die heißen Elektronen modu- oder Isolatorschicht stellt für Elektronen einen lierten Widerstandsschicht ist zweckmäßig größer oder Potentialberg dar, dessen Höhe durch die Austritts- gleich 102 Angström und kleiner als 105 Angström, arbeit der Elektronen in die Halbleiter- oder Isolator- Bei Verwendung von Halbleitermaterial als Material schicht gegeben ist. Ist die hochohmige Halbleiter- für die Widerstandsschicht soll der Bandabstand des oder Isolatorschicht in ihrer Dicke kleiner als etwa io Halbleitermaterials größer als 0,7 Elektronenvolt sein. 100 Angström, dann besteht für Elektronen, deren Als Isolatormaterialien für eine Isolatorschicht als thermische Energie kleiner als die Austrittsarbeit ist, , Widerstandsschicht eignen sich beispielsweise Oxyde, trotzdem eine endliche Wahrscheinlichkeit, den Po- Nitride, Halogenide, organische Isolatoren oder auch tentialberg zu überwinden, indem sie ihn durchtun- ein Vakuumspalt. Die n- bzw. p-Schenkel des Thermoneln. Da die Tunnelwahrscheinlichkeit für ein Elek- 15 elementes können beispielsweise aus n- bzw. p-leitentron exponentiell von der Dicke der Halbleiter- oder den Halbleitern bestehen. Als Thermoelement kön-Isolatorschicht abhängt, variiert sozusagen der spezi- nen auch metallische Thermopaare verwendet werden, fische Widerstand dünner isolierender oder halb- Das steuerbare elektronische Bauelement nach der leitender Schichten sehr stark mit der Dicke der Erfindung eignet sich beispielsweise als aktives Bau-Schicht. Legt man eine Spannung an den Tunnel- 30 element in integrierten Schaltungen oder Mikroschalwiderstand einer sehr dünnen, etwa 100 Angström tungen und zur Verstärkung sehr hoher Frequenzen, dicken Halbleiter- oder Isolatorschicht an, dann wird Da die Thermokraft bei den Temperaturen des flüsder Strom, der durch den Tunnelwiderstand fließt, im sigen Stickstoffs, Wasserstoffs oder Heliums zum Teil wesentlichen durch Elektronen gebildet, deren Ener- stark ansteigt, kann man das Bauelement nach der gie kleiner als ihre Austrittsarbeit in die Halbleiter- as Erfindung auch mit Vorteil bei diesen Temperaturen oder Isolatorschicht ist. Mit wachsender Dicke der benutzen.
Halbleiter- oder Isolatorschicht geht jedoch dieser Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungs-
Tunnelstrom sehr schnell zurück, und der dann noch beispielen erläutert.
fließende Strom wird schließlich nur von Elektronen Die Fig. 1 zeigt ein steuerbares elektronisches
erzeugt, deren thermische Energie größer als die Aus- 30 Festkörperbauelement nach der Erfindung. Dieses trittsarbeit ist, d. h. also von »heißen« Elektronen. besteht aus einem elektrischen Widerstand 1 aus Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleitermaterial oder Isolatormaterial, einem neues elektrisches Bauelement anzugeben, welches n-Schenkel 2 sowie den beiden p-Schenkeln 3 und 4. mit heißen Elektronen arbeitet und beispielsweise als Der Widerstand 1 ist als Schicht auf eine Kollektoraktives Bauelement verwendet werden kann. Zur 35 elektrode 5 aufgebracht.
Lösung der gestellten Aufgabe wird als neues elek- Als Materialien für den elektrischen Widerstand 1
trisches Bauelement ein elektronisches Festkörper- eignen sich z. B. SiO, Al2O3, BeO, SiC, Si, GaAs bauelement mit durch Ladungsträgerinjektion Steuer- usw. Der Widerstand kann beispielsweise auch aus barem elektrischem Widerstand vorgeschlagen, bei organischen Schichten oder aus einem Vakuumspalt dem auf eine aus halbleitendem oder im Normalfall 40 bestehen. Der n-Schenkel 2 des Thermoelementes der isolierendem Material bestehende elektrische Wider- F i g. 1 besteht aus einer Schicht aus n-leitendem Standsschicht eine elektrisch leitende Schicht thermoelektrischem Material, wie z. B. Wismut, als n-Schenkel eines Thermoelementes und auf diese η-Silizium, n-InSb usw. Die beiden p-Schenkel 3 Schicht zwei thermoelektrische p-Kontakte als züge- und 4 bestehen aus einem zweiten thermoelektrischen hörige p-Schenkel aufgebracht sind und daß die 45 Material, wie z.B. Antimon, p-Silizium, p-Ger-Dicke des η-Schenkels so dünn gewählt ist, daß maniumusw.
heiße Elektronen aus einem p-Schenkel durch den Wird nun zwischen den p-Schenkel 3 und den
n-Schenkel in die Widerstandsschicht gelangen und p-Schenkel 4 des Thermoelementes mit Hilfe der deren Widerstandswert beeinflussen. Spannungsquelle 6 eine Spannung angelegt, die kleiner
Das Wesen des Bauelementes nach der Erfindung 50 als die doppelte ■ Peltierspannung und vorzugsweise besteht somit darin, daß dessen elektrischer Wider- gleich der Peltierspannung zwischen dem p-Schenstand durch heiße Elektronen moduliert wird, die aus kel 4 und dem n-Schenkel 2 ist, so werden je nach einem thermoelektrischen Kontakt in die Wider- Vorzeichen dieser Spannung aus dem p-Schenkel 3 Standsschicht injiziert werden. Das steuerbare elektro- oder aus dem p-Schenkel 4 heiße Elektronen in den nische Bauelement nach der Erfindung hat gegenüber 55 n-Schenkel 2 und von diesem aus in die Widerstandsbekannten Halbleiteranordnungen bzw. Halbleiter- schicht 1 emittiert. Diese heißen Elektronen gelangen verstärkern den Vorteil, daß es nur mit Elektronen durch die etwa 102 bis 105 Angström dicke Widerarbeitet, also ein sogenanntes Majoritätsladungsträger- Standsschicht 1 zu der gegenüberliegenden Kollektor-Bauelement ist. Da die Ausgleichsvorgänge im Elek- elektrode 5, wenn über dem p-Schenkel 3 zwischen tronengas nur Zeiten von 10~13 bis 10~14 Sekunden 60 dem n-Schenkel 2 und der Kollektorelektrode 5 und benötigen, liegt die Grenzfrequenz des Bauelementes somit an der Widerstandsschicht 1 mit Hilfe der Spangemäß der Erfindung sehr hoch. nungsquelle 7 eine Spannung liegt, die nicht größer Die an die beiden p-Schenkel angelegte Spannung als die Durchbruchsspannung der Widerstandssoll kleiner als die doppelte Peltierspannung und schicht 1 ist. Diejenigen Elektronen, die aus dem vorzugsweise gleich der Peltierspannung des Thermo- 65 Thermokontakt durch die Widerstandsschicht hinelementes sein. Außer dieser Spannung wird an das durch zur Kollektorelektrode gelangen, leisten einen Bauelement zwischen den n-Schenkel über den einen Beitrag zum Strom, der zwischen dem n-Schenkel und p-Schenkel und die Kollektorelektrode, die auf der der Kollektorelektrode durch die Widerstandsschicht
fließt. Ist das Produkt der an der Widerstandsschicht 1 liegenden Spannung mal dem Strom durch diese Schicht, der von den heißen Elektronen herrührt, größer als das Produkt der zwischen dem p-Schenkel 3 und dem p-Schenkel 4 liegenden Spannung mal dem durch diese Spannung hervorgerufenen Gesamtstrom, dann stellt die Anordnung der F i g. 1 einen aktiven Vierpol dar.
Bei der Anordnung der F i g. 2 besteht die Kollektorelektrode nicht wie bei der Anordnung der F i g. 1 aus einer metallischen Schicht, sondern aus einem p-Halbleiter 5, auf den eine Isolierschicht 8, vorzugsweise eine Oxydschicht, aufgebracht ist. Wie in der Halbleiter-Planartechnik wird aus dieser Isolierschicht in der Mitte eine Öffnung herausgeätzt, in der die Widerstandsschicht 1 als Widerstand und eine n-Halbleiterschicht 2 als n-Schenkel eines Thermoelementes abgeschieden werden. Die beiden p-Schenkel 3 und 4 sind Metallschichten und bestehen z. B. aus Aluminium oder Chrom-Gold. Die beiden Metallschich- ao ten 3 und 4 stehen nicht unmittelbar in Berührung mit dem n-Schenkel 2 aus n-Halbleitermaterial, sondern sind von dem n-Halbleitermaterial durch Metallschichten (9 und 10) getrennt, die einen n+-Kontakt liefern und für eine nichtsperrende Verbindung as zwischen den p-Schenkeln und dem n-Schenkel sorgen. Die beiden p-Schenkel erstrecken sich seitlich auf die Isolierschicht 8.
Die F i g. 3 zeigt eine Mehrfachanordnung, die beispielsweise aus 35 der in der F i g. 2 dargestellten Einzelelemente besteht. Sämtliche Einzelelemente haben eine gemeinsame Kollektorelektrode 5, auf die 35 Widerstandsschichten und ebenso viele n-Schenkel aufgebracht sind. Da es sich um einen Aufriß handelt, sind nur die n-Schenkel 2 und nicht die darunter befindlichen Widerstandsschichten zu sehen. Auf jedem n-Schenkel 2 sind zwei thermoelektrische p-Schenkel 3 und 4 aufgebracht. Wie die F i g. 3 zeigt, sind sämtliche p-Schenkel der Einzelelemente miteinander in Reihe geschaltet. Die Mehrfachanordnung der F i g. 3 hat den Vorteil, daß die Spannung am Eingang dieser Anordnung höher sein kann als bei den Einzelelementen der F i g. 1 und 2.
Die F i g. 4 zeigt schließlich noch ein Bauelement nach der Erfindung, bei der die p-Schenkel 3 und 4 eine kammförmige Struktur haben und kammförmig ineinandergreifen. Unter der thermoelektrischen n-Schicht2 befindet sich die in der Draufsicht der F i g. 4 nicht sichtbare Widerstandsschicht 1.

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Elektronisches Festkörperbauelement mit durch Ladungsträgerinjektion steuerbarem elektrischem Widerstand, d a d u r c h gekennzeichnet, daß auf eine aus halbleitendem oder im Normalfall isolierendem Material bestehende elektrische Widerstandsschicht eine elektrisch leitende Schicht als n-Schenkel eines Thermoelementes und auf diese Schicht zwei thermoelektrische p-Kontakte als zugehörige p-Schenkel aufgebracht sind und daß die Dicke des n-Schenkels so dünn gewählt ist, daß heiße Elektronen aus einem p-Schenkel durch den n-Schenkel in die Widerstandsschicht gelangen und deren Widerstandswert beeinflussen.
2. Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der als Widerstand dienenden Halbleiter- oder Isolatorschicht größer oder gleich 102 Angström und kleiner als 103 Angström ist.
3. Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterschicht aus einem Halbleitermaterial besteht, dessen Bandabstand größer als 0,7 Elektronenvolt ist.
4. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Kollektorelektrode eine Isolierschicht, vorzugsweise eine Oxydschicht, mit einer Öffnung aufgebracht ist, in der sich die Widerstandsschicht und darüber die thermoelektrische η-Schicht befinden, und daß sich die auf der η-Schicht angeordneten p-Schenkel seitlich auf die Isolierschicht erstrecken.
5. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf dem n-Schenkel befindlichen p-Schenkel kammförmig ausgebildet sind und kammförmig ineinandergreifen.
6. Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Thermoelementen sich auf einer allen Thermoelementen gemeinsamen Widerstandsschicht befindet.
7. Bauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3 sowie 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich die auf der η-Schicht angeordneten p-Schenkel seitlich auf die Isolierschicht erstrecken.
8. Verfahren zum Betrieb des steuerbaren Widerstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die an die beiden p-Schenkel angelegte Spannung kleiner als die doppelte Peltierspannung des Thermoelementes ist.
9. Verfahren zum Betrieb des steuerbaren Widerstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei tiefen Temperaturen, wie z. B. bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs, Wasserstoffs oder Heliums.
10. Anwendung des elektronischen steuerbaren Bauelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche in integrierten Schaltungen.
11. Verwendung des elektronischen steuerbaren Bauelementes nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verstärkung von Mikrowellen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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