DE1439122C3

DE1439122C3 -

Info

Publication number: DE1439122C3
Application number: DE19511439122
Authority: DE
Inventors: Eberhard Dipl.-Phys. Dr. 8000 Muenchen Groschwitz
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1951-01-28
Filing date: 1951-01-28
Publication date: 1975-01-02
Also published as: DE1439122B2; DE1439122A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einer Strom-Spannungskennlinie mit einem Bereich veränderbaren negativen differentiellen Widerstands, bei dem je eine sperrschichtfreie Elektrode an den zwei zueinander entgegengesetzten Enden des Halbleiterkörpers einheitlichen Leitungstyps zwischen diesen beiden Enden und aus einem Halbleitermaterial ,,·' mit verschieden großer Beweglichkeit der Elektronen und der Defektelektronen angebracht ist und das derart ausgebildet ist, daß im Betrieb eine erhöhte Ladungsträgerkonzentration in dem Halbleiterkörper erzeugt und aufrechterhalten wird.

Ein solches Halbleiterbauelement ist aus der Zeitschrift »Proceedings of the IRE«, November 1960, S. 1833 bis 1841 bekannt, in der eine sogenannte Doppelbasisdiode beschrieben ist.

In der schweizerischen Patentschrift 282 857 ist ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper beschrieben, in welchen ähnlich wie beim Fadentransistor Minoritätsladungsträger bei verschiedenen Elektroden und zu-Übergangs-Anordnungen injiziert werden. Hierbei ergeben sich jedoch Änderungen der elektronischen Verhältnisse lediglich im Modulationsbereich der Minoritätsladungsträgerkonzentrationen, durch die der Gesamtwiderstand des Halbleiterkörpers moduliert werden und auch ein gewisser Verstärkungsgrad zwischen Modulationssignal der Injektion und Ausgangssignal auftreten kann.

Es ist auch bekannt, daß bei Halbleiterbauelementen mit pn-Übergängen negative Kennlinienbereiche erzeugt werden können. Dabei handelt es sich um Durchbruchseigenschaften von pn-Übergängen, welche bei bestimmten Werten der am Halbleiterbauelement anliegenden Spannung auftreten. So ist z. B. bei der bekannten Vierschichtdiode, welche vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, bei jeder Polarität der an den zwei Elektroden anliegenden Spannung immer ein pn-Übergang in Sperrrichtung gepolt. Wird nun die außen anliegende Spannung über einen bestimmten Wert erhöht, so bricht der in Sperrichtung geschaltete pn-Übergang durch, so daß ein Stromfluß durch die gesamte Vierschichtdiode stattfindet. Da bei diesem Durchbruchsvorgang die Spannung am Halbleiterbauelement wenigstens teilweise zusammenbricht, entsteht in der Stromspannungskennlinie ein Bereich mit negativem differentiellen Widerstand.

Die Erfindung geht nunmehr von der Erkenntnis aus, daß auch in Halbleiterkörpern, welche keine pn-Übergänge aufweisen, Konzentrationswerte der freien Ladungsträger realisierbar sind, bei denen im Hinblick auf den Stromfluß durch einen derartigen Halbleiterkörper negative differentielle Widerstände erzielbar sind. Dabei werden anders als bei den bekannten Halbleiterbauelementen thermodynamische Zustände in dem Halbleiterkörper ausgenutzt, welche stark vom thermodynamischen Gleichgewicht abweichen.
Bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art ist daher gemäß der Erfindung vorgesehen, daß an den zwei sperrschichtfreien Elektroden an den zwei zueinander entgegengesetzten Enden des Halbleiterkörpers eine Stromquelle angeschlossen ist,

ίο die im Betrieb dem Halbleiterkörper zwischen diesen beiden Elektroden einen elektrischen Strom wählbarer Größe und Richtung aufprägt, daß im Betrieb die erhöhte Ladungsträgerkonzentration an dem einen, die erste stromführende Elektrode aufweisenden Ende des Halbleiterkörpers mit einem gegen die Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers großen, wählbaren Wert und mit einer Verteilung erzeugt und aufrechterhalten wird, die von dem Ende des Halbleiterkörpers mit der ersten stromführenden Elektrode zu

zo dem Ende des Halbleiterkörpers mit der zweiten stromführenden Elektrode hin monoton abfällt, daß der Abstand der zwei stromführenden Elektroden und die Intensität der Erzeugung und Aufrechterhaltung der erhöhten Ladungsträgerkonzentration derart aufeinander abgestimmt sind, daß die erhöhte Ladungsträgerkonzentration auch an dem Ende des Halbleiterkörpers mit der zweiten stromführenden Elektrode noch gegen die Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers groß ist und daß an dem Stromweg im Halbleiterkörper zwischen den zwei stromführenden Elektroden je eine weitere sperrschichtfreie Elektrode in der Nähe von jeder der zwei stromführenden Elektroden angebracht ist, wobei über die zwei weiteren sperrschichtfreien Elektroden das Halbleiterbauelement an einen elektrischen Stromkreis anschließbar ist. Durch unabhängige Zuordnung der Werte des über die zwei stromführenden Elektroden dem Halbleiterkörper aufgeprägten Stromes und der Randkonzentration der Ladungsträger im Halbleiterkörper können in gewissen Grenzen Kennlinien mit negativem Widerstand von beliebiger Gestalt parametrisch erzeugt werden. In dieser Hinsicht unterscheidet sich das Halbleiterbauelement nach der Erfindung grundsätzlich von den bisher realisierten Halbleiterbauelementen mit einer Strom-Spannungskennlinie mit einem Bereich mit negativem differentiellen Widerstand wie Tunneldiode oder Vierschichtendiode, die durch ihren Aufbau festgelegt sind.

Zweckmäßigerweise findet Halbleitermaterial mit einer Eigenleitungsdichte kleiner als 10¹³ cm"³ Verwendung.

Die Dotierungskonzentration und die Konzentration der Rekombinationszentren sind klein, verglichen mit der Konzentration der beweglichen Ladungsträger.

Es ist insbesondere darauf zu achten, daß der Halbleiterkörper eine Oberflächenrekombination aufweist, die klein oder von gleicher Größenordnung ist, verglichen mit der Volumenrekombination, damit die an der Oberfläche des Halbleiterkörpers erzeugten La-

dungsträger in das Innere des Halbleiterkörpers diffundieren können und nicht an der Oberfläche rekombinieren. Aus dem gleichen Grunde sind die an den Halbleiterkörper anzuschließenden Elektroden in einer solchen Weise anzubringen, daß keine zusätzliehen Rekombinationszentren entstehen.

Zur Erzeugung von frei beweglichen Ladungsträgerpaaren an einer Begrenzungsfläche des Halbleiterkörpers ist entweder elektromagnetische Strahlung,

thermische Erregung oder hohe elektrische Felder vorzusehen. Es ist ebenso möglich, an einer Begrenzungsfläche des Halbleiterkörpers in einem weiteren an ihn angrenzenden Halbleiterbereich Ladungsträgermultiplikation durch hohe elektrische Felder, z. B. in pn-Übergängen, zu erzeugen. Insbesondere ist zur Ladungsträgermultiplikation in dem Halbleiterbereich ein solcher pn-Übergang vorzusehen, an dem eine äußere Spannung angelegt ist.

Es ist vorzusehen, daß die Länge des Halbleiterkörpers klein ist gegenüber der ungestörten Erstrekkung des Konzentrationsabfalls, damit der gesamte Halbleiterkristall mit zusätzlichen Ladungsträgern überschwemmt ist.

Weiterhin ist vorzusehen, daß als Halbleiterkörper ein Einkristall höchster Reinheit und Störstellenfreiheit Verwendung findet, damit die elektrischen Eigenschaften des Halbleiterkörpers, die durch die zusätzlichen Ladungsträger bedingt sind, über den Einfluß der Störstellen dominieren.

Als Stromquelle für den über die zwei stromführenden Elektroden dem Halbleiterkörper aufgeprägten Strom sind eine Spannungsquelle und ein Widerstand, der groß, verglichen mit dem im Betrieb sich einstellenden Bahnwiderstand zwischen den beiden stromführenden Elektroden des Halbleiterkörpers ist, vorzusehen.

Es ist vorzusehen, daß die Größe des über die zwei stromführenden Elektroden dem Halbleiterkörper aufgeprägten Stromes so klein ist, daß sowohl bei einer unabhängig vorgegebenen Randkonzentration der Ladungsträger an der Begrenzungsfläche des Halbleiterkörpers, an der die zusätzlichen Ladungsträger erzeugt werden, der quasi neutrale Raumiadungszustand im Inneren des Halbleiterkörpers erhalten bleibt als auch die Ladungsträgerkonzentration im Halbleiterkörper, die sich einstellt ohne Einwirkung der äußeren Spannungsquelle, sich nur wenig ändert.

Die den Spannungsabfall abgreifenden Elektroden, die sperrschichtfrei in der Nähe der Enden des Halbleiterkörpers und von jeder der zwei stromführenden Elektroden angebracht sind, weisen zweckmäßigerweise Ringform auf und umschließen den stabförmigen Halbleiterkörper.

Bei einer Ausführungsform eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung ist vorgesehen, daß die erste stromführende Elektrode, also die Elektrode des Halbleiterkörpers, an der die zusätzlichen Ladungsträger mit einer beliebigen Randkonzentration erzeugt und aufrechterhalten werden, gitterförmig ausgebildet ist.

Als Prinzip für den Betrieb des Halbleiterbauelements ist vorgesehen, daß der über die zwei stromführenden Elektroden dem Halbleiterkörper aufgeprägte Strom und die erzeugte Randkonzentration den Ladungsträgern im Halbleiterkörper als zwei unabhängige Größen zeitlich monoton gleich und/oder gegensinnig variiert werden. Es können aber auch zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, die eine Kopplung der zeitlichen Veränderungen dieser Größen ermöglichen.

Eine Verfahrensweise des Betriebs des Halbleiterbauelements nach der Erfindung besteht darin, daß die eine dieser Größen monoton verändert wird, während die andere periodische Schwankungen aufweist, d. h., daß entweder der Strom monoton verändert wird, wenn die Randkonzentration periodische Schwankungen aufweist oder daß die Randkonzentration monoton verändert wird und der Strom periodische Schwankungen aufweist.

Gemäß einer anderen Verfahrensweise des Betriebs ist vorzusehen, daß beide unabhängige Größen periodische Schwankungen aufweisen, wobei sich diese Schwankungen in den Frequenzen unterscheiden können, insbesondere, daß die eine ein ganzzahliges Vielfaches der anderen Frequenz ist, und insbeosndere, indem der Phasenbeziehung entweder ein festes oder ein zeitlich veränderbares Verhältnis gegeben wird.

Während die elektrischen Eigenschaften bekannter Halbleiterbauelemente durch den Aufbau und die Bemessung der Dotierungen bestimmt sind und für sie das Verhalten der Minoritätsladungsträger eine dominierende Rolle spielt, sind im Gegensatz hierzu bei dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung für dessen elektrische Eigenschaften, äußere Einflüsse ausschlaggebend, durch die zusätzliche Ladungsträger in einem so hohen Maße in dem Halbleiterkörper erzeugt werden, daß eine Konzentrationsverteilung der beweglichen Elektronen und Löcher entsteht, die sehr stark von den thermischen Gleichgewichtskonzentrationen dieser Ladungsträger abweicht.

Bei diesen starken Abweichungen der Zustandsgrößen vom thermodynamischen Gleichgewicht werden die Ladungsträgerbewegungen im Halbleiterkörper durch nicht entkoppelte Vorgänge bestimmt. Charakterisch für diese Vorgänge sind die Nichtlinearität der Beziehungen zwischen den Zustandsgrößen sowie der Einfluß einer Stromaufprägung und der Einfluß des Raumladungszustandes auf die Zustandsgrößen.

Bei linearen oder linearisierten Beziehungen für die Zustandsgrößen treten die Randwerte der Zustandsgrößen lediglich als Faktoren vor die linear superponierten Partiallösungen der Beziehungen der Zustandsgrößen. Im Gegensatz hierzu werden die Zustandsgrößen in einem trägerüberschwemmten Halbleiterkörper infolge der Nichtlinearität der Abweichungen der Zustandsgrößen vom thermodynamischen Gleichgewicht Funktionen ihrer Rand- bzw. Anfangswerte. Bereits dieser Sachverhalt führt in den physikalischen Konsequenzen über den Erfahrungsbereich linearer oder linearisierter Probleme hinaus, die bei den bekannten Halbleiterbauelementen im allgemeinen zu Grunde liegen.

Bei dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung ist ein räumlich ausgedehntes, trägerüberschwemmtes Halbleitergebiet vorhanden, in dem ambipolare Ladungsträgerbewegungen sowie Rekombination und Paarbildung auftreten.

Auch bei Stromlosigkeit des Halbleiterbauelements wird von vornherein eine starke Erhöhung der Ladungsträgerdichten von einem Rand her aufrechterhalten. Die Bedingung des quasi-neutralen Raumladungszustandes ist infolge der hohen Ladungsträgerdichte weitgehend erfüllt. Um die aus den nichtlinearen Zusammenhängen sich ergebenden Eigenschaften eines trägerüberschwemmten Halbleitergebietes in grundsätzlichen Wesenszügen hervortreten zu lassen, werden die Verhältnisse im folgenden Beispiel etwas idealisiert.

Die gegen die Dichte der beweglichen Ladungsträger kleinen Konzentrationen der Dotierung und der Rekombinationszentren werden vernachlässigt, der Rekombinationskoeffizient der direkten Rekombination spielt dann die Rolle einer phänomenologischen Modellgröße des Halbleiterkristalls.

Die Stromaufprägung mit Hilfe eines hinreichend großen äußeren Widerstandes hat zur Folge, daß die räumliche Verteilung der Zustandsgrößen des trägerüberschwemmten Halbleitergebietes von dem aufgeprägten Strom abhängig wird. Dies bedeutet physikalisch, daß die in der Zeiteinheit transportierte Ladungsmenge als integrale Größe eine Einwirkung des Raumladungszustandes auf die räumliche Verteilung des gesamten Nichtgleichgewichtszustandes im Innern des Halbleitergebietes erzwingt. Dies kommt dadurch zu Stande, daß sich die elektrische Feldstärke bzw. das elektrostatische Potential als Resultierende des inneren Mechanismus frei ausweichend einstellt.

Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung wird an Hand der in den Figuren dargestellten Kennlinien und Ausführungsbeispiele näher erläutert.

In Fig. 1 ist ein spezifisches Kennlinienfeld eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung dargestellt. In der Ordinate ist die Stromdichte j, gemessen in A/cm², und in der Abszisse, die unter den gemachten Voraussetzungen ortsunabhängige elektrische Feldstärke E, gemessen in V/cm, im Innern des Halbleiterkörpers aufgetragen.

Infolge der vernachlässigten Dotierungskonzentration ist die Feldstärke E ortsunabhängig und deshalb der Spannung direkt proportional. Ersichtlich gehen die Kennlinien nicht durch den Nullpunkt des Diagramms. Dies ist eine Folge der zur ambipolaren Diffusion äquivalenten inneren elektromotorischen Kraft.

Das Kennlinienfeld ist für ein Germanium ähnliches Kristallgittermodell berechnet. Kurvenparameter ist die unabhängige Randkonzentration /J₀. Der aufgeprägte Gesamtstrom hat die physikalische Bedeutung einer weiteren Integrationskonstante.

Im Bereich positiver Stromrichtung kann jeder Punkt des Kennlinienfeldes durch zwei verschiedene Zustände erreicht werden. Das zweifach überdeckte Gebiet, es ist das Gebiet positiver Stromrichtung, ist durch eine Einhüllende S von einem verbotenen Gebiet 5¹ getrennt. Mit größer werdenden Rekombinationskoeffizienten dehnt sich dieses verbotene Gebiet 5 in Richtung größerer Feldstärke aus. Mit wachsender Randkonzentration nimmt die Nichtlinearität zwischen Strom und Spannung ersichtlich zu. Die Randkonzentration «₀ und der aufgeprägte Strom lassen sich jeweils in unabhängigen Schritten variieren. Hierauf beruht die Möglichkeit, Kennlinien mit negativem Widerstand parametrisch zu erzeugen.

Im Gebiet I des in Fig. 2 dargestellten Zustandsdiagramms, das die Abhängigkeit der elektrischen Feldstärke E, gemessen in V/cm, von der Randkonzentration «₀, gemessen in cm-³, zeigt, nimmt die elektrische Feldstärke bei festgehaltenem Strom im Gebiet positiver Stromrichtung mit wachsender Randkonzentration /J₀ ab, im Gebiet II hingegen zu.

Es ist von den vielen möglichen Kennlinienfeldern mit spezifischen negativen differentiellen Widerständen eines in Fig. 3 als Beispiel angegeben. Das Kennlinienfeld nach Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der Stromdichte j und der ortsunabhängigen Feldstärke E. Um zu diesem Kennlinienfeld zu gelangen, wurden mit dem Zustandsbereich II der Fig. 2 .zunehmende Schritte von/ mit abnehmenden Schritten von /J₀ verknüpft. Allgemein ergeben sich auch im Zustandsbereich I andere negative Kennlinien, wenn zunehmende Schritte von_/ mit zunehmenden Schritten von /J₀ verknüpft werden.

Jeder Zuordnung von Stromwerten j und Konzentrationswerten /J₀ entspricht in den Kennlinien der Fig. 1 bis 3 ein stationärer Zustand.

Das Kennlinienfeld nach Fig. 2, das die Abhängigkeit der ortsunabhängigen Feldstärke £ von der Randkonzentration /J₀ bei verschiedenen Stromdichten zeigt, zeigt die Existenz von Minima im Gebiet positiver Stromrichtung. Bei negativer Stromrichtung, das ist im Gebiet III, treten ersichtlich keine Minima auf. Die

ίο allen Minima gemeinsame Kurve und die Kurve für verschwindenden Gesamtstrom (j = O) teilt das Kennlinienfeld in drei Gebiete. Aus einer Untersuchung der räumlichen Verteilung der Quasi-Fermi-Potentiale der Elektronen und Löcher ergibt sich, daß jedem dieser Gebiete I bis III im Kennlinienfeld nach Fig. 2 ein verschiedener Bewegungszustand der beiden Ladungsträgerkollektive entspricht. Neben den bisher betrachteten stationären Vorgängen kommen auch Wechselstromvorgänge zur Anwendung, wobei dem trägerüberschwemmten Gebiet nunmehr ein Wechselstrom aufgeprägt wird und unabhängig davon gleichzeitig auch die Randkonzentration /J₀ periodische Schwankungen ausführt. Je nach dem Phasenverhältnis zwischen Wechselstrom und den Schwankungen der Randkonzentration sowie nach dem Verhältnis der Frequenzen der beiden periodischen Schwankungen ist es möglich, eine an den Enden des ladungsträgerüberschwemmten Halbleitergebiets durch Potentialsonden abgegriffene Signalspannung parametrisch zu verstärken. Im Prinzip ist es auch möglich, diesen Vorgang umzudrehen, in dem man das abfallende elektrostatische Potential als vorgegeben betrachtet und den durch das Halbleitergebiet fließenden Gesamtstrom verstärkt. Diese Möglichkeiten sind lediglich eine Frage der äußeren Schaltung. Zur technischen Ausführung und Anwendung des erörterten physikalischen Sachverhaltes sei folgendes ausgeführt:

Für das Halbleiterbauelement nach der Erfindung ist ein Halbleiterkörper von einer Dicke in der Größen-Ordnung einiger 100 μ zweckmäßig. Für den Halbleiterkörper ist ein hochgereinigter Halbleiterkristall zu verwenden, der weitgehend von Störstellen befreit ist. Um die Dotierungseinflüsse klein zu halten wird angestrebt, beispielsweise einen eigenleitenden HaIbleiterkristall zu verwenden.

Ausführungsbeispiele des Halbleiterbauelements nach der Erfindung werden an Hand von den Darstellungen in den Fig. 4 bis 9 näher erläutert.

In der Fig. 4 ist die Konzentrationsverteilung der Ladungsträger η (χ) als Funktion der Erstreckung χ durch den Halbleiterkörper bei zwei verschiedenen Werten der Randkonzentration /J₀ der Ladungsträger an der linken Begrenzungsfläche des Halbleiterkörpers schematisch dargestellt; dabei bedeutet L die Länge des Halbleiterkörpers. Die zu einem festgehaltenen Wert der Randkonzentration /J₀ jeweils dargestellten Kurvenverläufe gehören zu verschiedenen Stromaufprägungen.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform des Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung schematisch dargestellt. Der Halbleiterkörper 1 besitzt zwei sperrfreie und rekombinationsarme Elektroden 2 und 3, die durch Aufdampfen oder elektrolytische Abscheidungen anzubringen sind. An der Begrenzungsfläche des Halbleiterkörpers 1 an der Elektrode 3 ist zur Erzeugung der frei wählbaren Randkonzentration /J₀, z. B. durch Paarerzeugung an der freien Oberfläche des Halbleiterkörpers, die durch die Elektrode 3 kontak-

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tierte Fläche klein gegenüber der Stirnfläche des Halbleiterkörpers 1 zu halten. Ein Ausführungsbeispiel dieser Elektrode 3 ist in Fig. 6 schematisch dargestellt.

In dem an die Elektroden 2 und 3 anzuschließenden Stromkreis befindet sich ein ohmscher Widerstand 4, der groß ist im Vergleich zu dem inneren Widerstand des Halbleiterkörpers 1. Die zu wählende Größe des Widerstandes 4 bestimmt den Arbeitspunkt in der Charakteristik des Diagramms der Fig. 1.

Wenn kein äußerer Strom durch eine zusätzliche Spannungsquelle in dem Stromkreis dem Halbleiterkörper aufgeprägt wird, dann liefert der Halbleiterkörper bei einer vorgegebenen Randkonzentration n₀ den Ladungsträger nach Maßgabe der zur ambipolaren Diffusion äquivalenten elektromotorischen Kraft einen Strom negativer Richtung, d. h. im Halbleiterkörper von rechts nach links, dessen Größe an dem Schnittpunkt der Widerstandsgeraden des Widerstandes 4 mit der Kennlinie, die zu dem Wert /I₀ der Randkonzentration gehört, abzulesen ist. Wird hingegen durch eine äußere Spannungsquelle 6 über den Widerstand 5, der klein gegenüber dem Widerstand 4 ist, im Zusammenwirken mit dem Widerstand 4, ein äußerer Strom dem Halbleiterkörper aufgeprägt, so können auf der betrachteten Kennlinie auch die anderen möglichen Strom- bzw. Spannungswerte erreicht werden. Die sich hierbei im Halbleiterkörper als Resultierende der jeweils vor sich gehenden inneren Ladungsträgerbewegungen einstellende Spannung ist mit dem Spannungsmesser 8 über die zwei ringförmigen Elektroden 7 abzugreifen. Also können je nach Größe und Richtung des dem Halbleiterkörper aufgeprägten Stromes die in den Fig. 1 und 2 dargestellten durch die Stromdichte _r, die F31dstärke E und die Randkonzentration n₀ gekennzeichneten Zustände des Halbleiterkörpers 1, die einen entsprechenden Zusammenhang zwischen dem dem Halbleiterkörper 1 aufgeprägten Strom und der am Halbleiterkörper 1 abfallenden Spannung repräsentieren, erreicht werden.

Variiert man die Randkonzentration /J₀, den Ladungsträger und den dem Halbleiterkörper aufgeprägten Strom, so erhält man ein Kennlinienfeld mit negativen Widerständen, wie es beispielsweise in Fig. 3 dargestellt ist. Das Diagramm der Fig. 3 ist ein Beispiel für ein Kennlinienfeld, in dem abnehmende Werte der Randkonzentration /J₀ der Ladungsträger zunehmende Schritte des dem Halbleiterkörper aufgeprägten Stromes entsprechen.

Die Gestalt der negativen Kennlinien hängt von der frei wählbaren Zuordnung zwischen den Änderungen der Randkonzentration /I₀ und den Änderungen des dem Halbleiterkörper aufgeprägten Stromes ab, wobei außerdem noch der Ausgangspunkt dieser Änderungen im Kennlinienfeld einen Einfluß auf die Gestalt der negativen Kennlinienschar besitzt.

Die Existenz negativer Kennlinienbereiche rührt physikalisch gesehen von dem Energiereservoir der inneren elektromotorischen Kraft her, die durch ambipolare Diffusion entsteht und deren Größe durch die Randkonzentration n₀ der Ladungsträger bestimmt wird.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel der an der Stirnseite des Halbleiterkörpers 1 angebrachten Elektrode 3 schematisch dargestellt. Die Elektrode 3 soll die Stirnfläche des Halbleiterkörpers nicht vollständig bedecken, da nach einer Ausführungsform des Halbleiterbauelements Ladungsträgerpaare erzeugende elektromagnetische Wellen auf den Halbleiterkörper auftreffen sollen, wodurch die Randkonzentration /J₀ der Ladungsträger erzeugt und aufrechterhalten wird. In dem in Fig. 6 dargestelltem Ausführungsbeispiel der Elektrode 3 ist diese gitterförmig auf dem Halbleiterkörper angebracht. Die einzelnen Gitterstege aus Metallbelegungen sind elektrisch leitend miteinander verbunden. Es sind ebenso andere netz- oder maschenartige Gebilde als Elektrode 3 verwendbar, wenn ladungsträgerpaarerzeugende elektromagnetische VVeI-len Verwendung finden sollen.

Es ist auch möglich, die Randkonzentration /I₀ der Ladungsträger auf andere Weise zu erzeugen, beispielsweise durch die in Fig. 7 scheamtisch dargestellte Ausbildung des Halbleiterbauelements.

Der Aufbau eines solchen Halbleiterbauelements ist weitgehend der gleiche wie der in dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 5.

Die Elektrode 3 kann dabei ringförmig den Halbleiterkörper 1 umgeben, sie kann aber auch ähnlich wie in Fig. 6 auf der Stirnfläche des Halbleiterkörpers 1 angebracht sein. Zur Einstellung der Randkonzentration der Ladungsträger sind in dem Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements nach Fig. 7 aber nicht elektromagnetische Wellen vorgesehen, sondern ein an den Halbleiterkörper 1 angrenzenden rekombinationsfreier Halbleiterbereich 10, in dem mit Hilfe eines pn-Überganges eine Ladungsträgervervielfachung erzeugt wird. Der Halbleiterbereich 10 wird von einer eigenen Stromquelle 11 über den Widerstand 12 gespeist.

Das Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements nach Fig. 8 stimmt im wesentlichen mit dem in Fig. 5 dargestellten überein. Der Halbleiterkörper 1 wird dabei von einer Spannungsquelle 13 gespeist, die ihm einen Wechselstrom aufprägt gemäß

/= Ig +1₀ sin (ω^+ίΊ)-

Ig sei ein Gleichstromanteil, I₀ die Amplitude der .₀ sinusförmigen Stromaufprägung mit der Kreisfrequenz Co₁ und einer beliebigen Phase <p_v

Die zugehörige Randkonzentration n₀ der Ladungsträger kann entweder konstant gehalten werden oder monoton zeitlich variieren oder ebenfalls wie die Spannungsquelle 13 nach einem periodischen Zeitgesetz verändert werden, im letzteren Falle beispielsweise nach der Gleichung

tiR = n_o+n sin (ω₂/+<ρ₂).

η ist die Randkonzentration wie sie sich ergibt aus einer zeitlich konstanten Paarerzeugung /I₀ an der Stirnfläche des Halbleiterkörpers 1 und dem sich sinusförmig ändernden Anteil mit einer Amplitude η , der Kreisfrequenz ω₂ und einer beliebigen Phase φ_ζ.

Die Kreisfrequenzen Co₁ und ω₂ sind im allgemeinen voneinander verschieden und können vorzugsweise ganzzahlige Vielfache voneinander sein.

In dem Ausführungsbeispiel des Halbleiterbauelements nach Fig. 9 ist zusätzlich eine Rückkopplung vorgesehen. Die Randkonzentration der Ladungsträger an der Stirnfläche des Halbleiterkörpers 1 wird in der gleichen Weise wie bei dem Halbleiterbauelement nach Fig. 7 erzeugt. Gleichzeitig wird von dem den eingeprägten Strom liefernden Stromkreis über einen Überträger 14 dem die Randkonzentration bestimmenden Stromkreis ein Teil der Energie zugeführt, wodurch in bekannter Weise bei richtiger Polung des Übertragers 14 Rückkopplung auftritt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einer Strom-Spannungskennlinie mit einem Bereich veränderbaren negativen differentiellen Widerstands, bei dem je eine sperrschichtfreie Elektrode an den zwei zueinander entgegengesetzten Enden des Halbleiterkörpers einheitlichen Leitungstyps zwischen diesen beiden Enden und aus einem Halbleitermaterial mit verschieden großer Beweglichkeit der Elektronen und der Defektelektronen angebracht ist und das derart ausgebildet ist, daß im Betrieb eine erhöhte Ladungsträgerkonzentration in dem Halbleiterkörper erzeugt und aufrechterhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß an den zwei sperrschichtfreien Elektroden (2, 3) an den zwei zueinander entgegengesetzten Enden des Halbleiterkörpers (1) eine Stromquelle (4, 6) angeschlossen ist, die im Betrieb dem Halbleiterkörper (1) zwischen diesen beiden Elektroden (2, 3) einen elektrischen Strom wählbarer Größe und Richtung aufprägt, daß im Betrieb die erhöhte Ladungsträgerkonzentration an dem einen, die erste stromführende Elektrode (3) aufweisenden Ende des Halbleiterkörpers mit einem gegen die Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers (1) großen, wählbaren Wert und mit einer Verteilung erzeugt und aufrechterhalten wird, die von dem Ende des Halbleiterkörpers (1) mit der ersten stromführenden Elektrode (3) zu dem Ende des Halbleiterkörpers (1) mit der zweiten stromführenden Elektrode (2) hin monoton abfällt, daß der Abstand der zwei stromführenden Elektroden (2, 3) und die Intensität der Erzeugung und Aufrechterhaltung der erhöhten Ladungsträgerkonzentration derart aufeinander abgestimmt sind, daß die erhöhte Ladungsträgerkonzentration auch an dem Ende des Halbleiterkörpers (1) mit der zweiten stromführenden Elektrode (2) noch gegen die Dotierungskonzentration des Halbleiterkörpers (1) groß ist und daß an dem Stromweg im Halbleiterkörper (1) zwischen den zwei stromführenden Elektroden (2, 3) je eine weitere sperrschichtfreie Elektrode (7) in der Nähe von jeder der zwei stromführenden Elektroden (2, 3) angebracht ist, wobei über die zwei weiteren sperrschichtfreien Elektroden (7) das Halbleiterbauelement an einen elektrischen Stromkreis anschließbar ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Halbleitermaterial mit einer Eigenleitungsdichte kleiner als 10¹³ cm"³, Verwendung findet.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2,

>» dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) eine Oberflächenrekombination aufweist, die klein oder von gleicher Größenordnung, verglichen mit der Volumenrekombination, ist.

4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von frei beweglichen Ladungsträgerpaaren an einer Begrenzungsfläche des Halbleiterkörpers (1) elektromagnetische Strahlung vorgesehen ist.

5. Halbleiterbauelement nach einem der An-Sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von frei beweglichen Ladungsträgerpaaren an einer Begrenzungsfläche des Halbleiterkörpers (1) in einem an ihn angrenzenden Halbleiterbereich (10) Ladungsträgermultiplikation durch hohe elektrische Felder vorgenommen ist.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ladungsträgermultiplikation in dem Halbleiterbereich (10) in diesem ein pn-Übergang vorgesehen ist, an den eine äußere Spannung angelegt ist.

7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Halbleiterkörper (I) ein Einkristall Verwendung findet.

8. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Stromquelle eine Spannungsquelle (6) und ein Widerstand (4), der groß, verglichen mit dem im Betrieb sich einstellenden Bahnwiderstand zwischen den beiden stromführenden Elektroden (2, 3) des Halbleiterkörpers (1) ist, vorgesehen sind.

9. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) stabförmig ist und daß die zur Spannungsabnahme vorgesehenen Elektroden (7) den Halbleiterkörper (1) ringförmig umschließen.

10. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die erste stromführende Elektrode (3) gitterförmig ausgebildet ist.

11. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der über die zwei stromführenden Elektroden (2, 3) dem Halbleiterkörper (1) aufgeprägte Strom ein modulierter Gleichstrom ist.

12. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der über die zwei stromführenden Elektroden (2, 3) dem Halbleiterkörper (1) aufgeprägte Strom monoton sich ändert und die Randkonzentration der Ladungsträger im Halbleiterkörper (1) periodisch schwankt.

13. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche I bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Randkonzentration der Ladungsträger im Halbleiterkörper (1) sich monoton ändert und der über die zwei stromführenden Elektroden (2, 3) dem Halbleiterkörper (1) aufgeprägte Strom periodisch schwankt.

14. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der über die zwei stromführenden Elektroden (2, 3) dem Halbleiterkörper (1) aufgeprägte Strom als auch die Randkonzentration der Ladungsträger im Halbleiterkörper (1) periodische Schwankungen, insbesondere mit verschiedener Frequenz, ausführen.

15. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzen sich um ein ganzzahliges Vielfaches unterscheiden.

16. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenbeziehung der periodischen Schwankungen des über die zwei stromführenden Elektroden (2, 3) dem Halbleiterkörper (1) aufgeprägten Stromes und der Randkonzentration der Ladungsträger in dem Halbleiterkörper (1) zeitlich konstant ist.

17. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenbeziehung der periodischen Schwankungen des über die zwei stromführenden Elektroden (2, 3) dem Halbleiterkörper (1) aufgeprägten Stroms und der Randkonzentration der Ladungsträger im Halbleiterkörper (1) zeitlich veränderbar ist.