DE1489107A1 - Steuerbares Halbleiterbauelement - Google Patents

Steuerbares Halbleiterbauelement

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DE1489107A1 DE19641489107 DE1489107A DE1489107A1 DE 1489107 A1 DE1489107 A1 DE 1489107A1 DE 19641489107 DE19641489107 DE 19641489107 DE 1489107 A DE1489107 A DE 1489107A DE 1489107 A1 DE1489107 A1 DE 1489107A1
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voltage
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Description

Dipi.-ino Zimmermann . '
München I1 Roseate! 7 " 1 48 9 1 Q7
Z/RiAo .
M 60 -512 VIIIc/21g,11/ö2
Matushita Electric ...
19. Juli 1968
. . ' (Neue) Unterlagen:
Α..
, " Steuerbares Halbleiterbauelement
Die Erfindung bezieht sich auf ein steuerbares Halbleiterbauelement mit einer Halbleiterζone, an der zwei Ohm'sche Kontaktelektroden angeordnet sind, insbesondere auf einen Unipolartransistor.
Halbleiterbauelemente werden auf den unterschiedlichsten •Anwendungsgebieten verwendet, wobei sie jeweils den Gegebenheiten, angepaßte Kennlinien 'aufweisen müssen. Es sind deshalb Halbleiterbauelemente in verschiedenster Ausführung und mit unzähligen diversen, auf einen jeweiligen Verwendungszweck zugeschnittenen Charakteristiken bekannt. Diese Kennlinien sind im allgemeinen
' ·.. . 90 9 819/05B 2 . ~2~
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durch die verwendeten Materialien und den Aufbau des Halbleiterbauelements bestimmt und bei einem fertigen Element kaum mehr auf Wunsch veränderbar.
An Halbleiterbauelementen mit besonderen, für Spezialzwecke hervorragend geeigneten, jedoch unveränderlichen Charakteristiken ist beispielsweise eine Schaltdiode bekannt (deutsche Auslegeschrift 1 057 695), die als Vierschichtdiode ausgebildet ist und in Durchlaßrichtung durch tiberschreiten einer bestimmten Spannung gezündet wird. Bei diesen Schaltdioden .ist es bekannt, den Durchbruch in Durchlaßrichtung schon vor Erreichen dieser Zündspannung dadurch zu erzielen, daß die Schaltdiode oder Teile derselben mit einer. Beleuchtungsstärke von etwa 20 OOOlx bestrahlt werden, so daß der zum Erreichen des Durchbruchs notwendige Zündstromwert durch den lichtelektrischen Effekt hervorgerufen wird.
Weiterhin sind Feldeffekttransistoren bekannt (US-Pa- .· tentschrift 2 900 531), bei denen zwischen der Steuerelektrode und dem Halbleiterkörper ein auf dem Halbleiterkörper gewachsener Isolator angeordnet ist. Dieser Isolator mit der daraufsitζenden Elektrode oder den Elektroden kann zur Erzielung besonderer Eigenschaften in mannigfacher Form auf
. . ·■'·,'··.'. BAD ORiGfNAL
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dem Halbleiterkörper angeordnet sein. Weiterhin ist es mög- : lieh, im Bereich der Quelle und/oder des Abflusses dieses Feldeffekttransistors noch Sperrschichten anzuordnen, so daß also durch derartige Wahl des Transistoraufbaues die Wahl zahlreicher, jedoch im Einzelfall nicht variierbarer Transistorcharakteristiken möglich ist.
■ Zum.Zweck der Informationsspeicherung ist ein Halbleiterbauelement bekannt (US-Patentschrift 2 791 75B), das | als Feldeffekttransistor aufgebaut ist, dessen Steuerelektrode aus einem ferroelektrisch©]! Material besteht. Ein der Steuerelektrode aufgeprägtes elektrisches Feld wird somit von dieser aufrechterhalten, wodurch auch die entsprechende Steuerwirkung beibehalten wird. Die Steuerelektrode läßt sich durch Anlegen eines Gegenfeldes in gewünschter Stärke wieder anders polen. Es wird also von der bekannten Eigen-, schaft eines ferroelektrischen Körpers Gebrauch gemacht, ein ä elektrisches Feld in ähnlicher Weise aufrechtzuerhalten, wie ein ferromagnetischer Körper ein angelegtes magnetisches Feld. ·. ,"
'■' · ■ Weiterhin ist ein Feldeffekttransistor bekannt (US-Patentschrift 2 994 811), bei dem besondere Charakteristiken durch ungewöhnliche Formgebung und räumliche Anordnung der
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■ ■ · ι
verwendeten Elektroden und aktiven felle erzielt sind»
' -Soll jedoch eine Charakteristik JUp&eh weitere. Jin-, ,
- ■" ' V' .;■■·.■.■■:■■■■■,;·■■■·■■..· · . veräJideVt ■ gangsparameter einer Schaltung in bestimmter Weise definiert werden, so bedarf es hieriu »umeist einer Kombination ver- - ' schiedener elektronischer Bauelemente und anderer veränderlichst
ι Schaltelemente, welche die verschiedenen' Eingangsparameter zu '" einem insgesamten Ausgangssignal, weiterverarbeiten. Dies führt jedoch' zu einem vergrößerten Aufwand einer Gesamtschaltung und obendrein zu einer vergrößerten StOianfallijgkeit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Halbleiter-V! bauelemente 2u'schaffen, deren Verhalten eine weitere Besonderheit auf. dem Gebiet der Halbleiterbauelemente darstellt UJaaj
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deren Charakteristik durch Steuerwirkungen leicht geändert werden kann, so daß ein leichtes Nachadjustieren oder eine Steuerung des Halbleiterbauelements durch mehrere Eingangsparameter möglich ist. ' " ' ■
.*·*■■
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung im wesentlichen dadurch gelöst, daß an der Halbleiterzone eine Steuerelektrode inter Zwischenschaltung einer nichtleitenden Ladungsspeicherschicht7in der sich'nicht berührende halbleitende
' ·.·■·. ■ ;" ■'.· BADORiGlNAL
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Teilchen eingelagert sind, angebracht ist.
■ ' .. Biese Ladungsspeicherschieht besteht also aus eimr Mischsubstanz eines Halbleitermaterials mit einem Isolator. Die. in die Ladungsspeicherschicht eingelagerten.Halbleiterkörner können hierbei schnell'; durch Injektion von Ladungsträgern in die Speicherschicht eine elektrische'Ladung annehmen, die sie jedoch nur langsam wieder abgeben. Diese Ladung beeinflußt die Stromdurchflußcharakteristik eines leitfähigen· Kanals. Es ergibt sich, daß bei Anlegen einer Steuerwechselspannung einnGleichrichtereffekt ohne Sperrschicht auftritt. Durch die Verwendung weiterer Beimengungen in die Ladungsspeicherschicht oder weiterer Schichten im Halbleiterbauelement kann die Variationsmöglichkeit des Bauelements noch' erheblich erweitert werden. .... -j ;*■
Gemäß einer einfachen Ausführungsform steht die Steuerelektrode unmittelbar mit der Speicherschicht in Kontakt. Zur " Erzielung weiterer-Variations- und Steuermöglichkeiten kann es jedoch erwünscht sein, zwischen der Steuerelektrode und der Speicherschicht noch mindestens eine weitere Schicht vorzusehen. Beispielsweise kann zwischen der Speicherschicht und der Steuerelektrode eine Isolationsschicht eingebracht sein.
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Dies kann zur Isolierung zwischen dem leitenden Kanal und der
· ■ ' . ■ ■
Steuerelektrode, zwischen denen unter Umständen auch relativ · hohe Spannungen· angelegt werden, notwendig sein und erlaubt .
; obendrein die Einspeicherung besonders hoher Ladungen. Die letztgenannte Ausführung kann auch noch dahingehend er-' weitert werden, daß zwischen die Steuerelektrode'und die .isolationsschicht eine weitere Mischschicht eingebracht ist, die eine fluoreszierende Substanz oder einen lichtelektrischen Leiter enthält. . ' . . ■
Die Verwendung einer derartigen auf Licht reagierenden
l Schicht beeinflußt das zwischen der Quelle und der-Steuer-
! · ■ '■
•elektrode liegende Feld je nach seiner Lichtaufnähme und hat die Bindung bzw. Freisetzung von Oberflächenladungen zur Folge. Somit ändert sich die gesamte1 Charakteristik des Halbleiterbauelements mit der Lichteinstrahlung. Ein Transistor dieser Art ist beispielsweise in solchen Fällen verwendbar, bei denen Licht ein Eingangsparameter einer Steuer- oder !Regelschaltung ist. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn die mit der lichtempfindlichen Mischschicht .in Kontakt stehende 'Elektrode transparent ausgebildet ist.
Die Ladungsbewegungen und -bindungen innerhalb der Ladungsspeicherschicht sind weiterhin dadurch beeinflußbar,
• . * ' · " BAD OFJGiNAL
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■ daß dieser Speicherschicht selbst eine fluoreszierende und/
■oder eine ferroelektrisch© Substanz erhält. Es ergibt sich, daß im ersteren Fall durch Lichteinwirkung und im letzteren Pall stets eine höhere Speicherfähigkeit erzielbar ist. Die
• Lichtabhängigkeit.kann ferner durch eine derartige Ausbildung
der Speieherschicht bewirkt werden, daß diese ein zusammen
■ mit- den Halbleiter teilchen einen Photoeffekt bewirkendes Metall enthält. Die Menge der in der Speicherschacht gespeicher- ^
• ten Ladung "nimmt auch bei dieser Ausbildung durch Lichteinwirkung zu. ι
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist die Halbleiterzone mit einer Gleichrichterschicht versehen. Diese Schicht, die zwar zur Gleichrichtung an sich nicht notwendig ist, ermöglicht durch Anlegen einer Signalspannung, insbesondere einer Wechselspannung zwischen.der.Steuerelektrode j und der Quelle, die Diodencharakteristik in gewissen Grenzen d zu verändern. .
, Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus. der folgenden Beschreibung. Auf der Zeichnung ist. die Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen: . " .
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Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines bekannten
.Halbleiterbauelements,
Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen von Bauelementen "" · ' zur Veranschaulichung des der Erfindung zugrundeliegenden Prinzips, ....
Fig. 4.-6 graphische Darstellungen mehrerer ^Charakte- ;";'"';.."' ristiken des Bauelements gemäß Fig. 5, £ .'Fig. 7 · oine schematische Schnittansicht einer Grundform
' ·\ -;eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements, Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung der
Wellenform einer Eingangswechselspannung mit einem gleichgerichteten Ausgangsstrom, Fig. 9 eine graphische Darstellung des Stromes und der
Wechselspannung bei unterschiedlichen Frequenzen, Fig. 10 - 15 graphische Darstellungen verschiedener ,Cha- ^ rakteristiken des Bauelements gemäß Fig. 7 mit
Gemischen aus unterschiedlichen Bestandteilen, Fig.16 eine schematische Ansicht einer abgewandelten ι ' ,, '-,. Struktur des erfindungsgemäßen Halbleiterbauele-■ 'V': ' ·. '- ments, · .. .....-.■
; ϊ ■ _ ■ , ■ ■
. Fig.17 eine graphische Darstellung einer Charakteristik • · · . des Bauelements gemäß Fig. 16,
; BAD
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™" •
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Fig. 18 eine schematische Schnittansicht einer weiteren . Grundform des Halbleiterbauelements gemäß der
Erfindung,"
·' · Fig. 19 - 21 graphische Darstellungen von Charakteristiken des Bauelements'gemäß Fig. 18, und
■ Fig. 22 eine graphische Darstellung einer Gleichrichtungs-■ ' ' charakteristik eines Bauelements mit der Struktur gemäß Fig. 7. μ
■ Bei dem genannten aktiven und auf dem Tunneleffekt begründeten Element mit dünnem.Film wird ein durch einen
• Isolator verlaufender Trägerfluß nutzbar gemacht, während andere herkömmliche Bauelemente unveränderlich drei Elektrodenklemmen aufweisen, wie in Fig, 1 dargestellt ist. Das herkömmliche Bauelement gemäß Fig. 1 umfaßt einen Halbleiterkörper 1, einen elektrischen Isolator oder eine p- oder η-leitende Halbleiterschicht 2, je'nachdem, ob es sich um " einen Transistor mit dünnem Film oder einen Feldeffekttransistor handelt, und eine Elektrode 3. Auf den einander gegenüberliegenden Seiten des Halbleiterkörpers 1 sind eine Quellenelektrode A und eine Abflußelektrode B angeordnet; •mit C ist eine Steuerelektrode bezeichnet. Bei jedem Tran-
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— IU-
BAD
sistor mit dünnem i)1ilm bzw. jedem Feldeffekttransistor wird • ein zwischen den Elektroden A und B verlaufender TrägerfIuJi von einem elektrischen Feld zwischen den Elektroden A und C gesteuert.
" Gemäß der Erfindung wird jedoch ein Gemisch aus mindestens einem Halbleiter und einem elektrischen Isolator anstelle des bei der herkömmlichen Anordnung gemäß Fig. 1 ver- ^ wendeten Isolators bzw. der p- oder η-leitenden Schicht benutzt, die somit zu einer ladungsepeicherschicht wird. · -
Das Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung zeichnet sich also dadurch aus, daß ein Gemisch aus mindestens einem Halbleiter und einem Isolator in Knntakt mit einem weiteren Halbleiter gebracht ist. Der einen Bestandteil des Gemisches bildende Halbleiter besteht z.B. aus Se, Cu2U, UiO,ZnO, PbO, CdS, Si, Ge, ZnSe oder Anthrazen, und der den weiteren Bestandteil des Gemisches darstellende Isolator besteht aus einem Werkstoff wie Glas, Porzellan, Schwefel, Silikonharz, Polyvinylchlorid, Polyvinylacetat, Epoxyharz, Polyvinylbutyral oder Wachs·. Die Darstellung des Gemisches aus diesen Werkstoffen kann mit Hilfe zahlreicher Verfahren erfolgen. Eines der Verfahren besteht im Vermischen des Halbleiters mit einem organischen Isolator wie Harz oder Wachs, während ein zweites
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..;··■;. ■ . ·· .( BAD L
— I I —
Verfahren das Vermischen des Halbleiters mit einem anorganischen Isolator wie Glas, Porzellan oder Schwefel betrifft. Weiterhin kann dem Gemisch eine fluoreszierende Substanz, wie .ZnS (Zn, Cd) S oder ZnSiO4 oder eine ferroelektrische Substanz, wie BaTiO, oder SrTiO,, zugesetzt werden und weiterhin ein Metall, das durch Kontakt mit dem Halbleiter im Gemisch einen Photovolteffekt bewirkt.
■Im nachstehenden werden die Grundeigenschaften eines · Gemisches aus einem Halbleiter und einem Isolator beschrieben. Wenn eine Gleichspannung an einen gewöhnlichen mit einer Elektrode in Kontakt stehenden Isolator gelegt wird, stellt sich an der mit der Elektrode in Kontakt stehenden Isolatorfläche eine elektrische-Ladung von zur Elektrode entgegengesetzter Polarität ein. Wird jedoch eine Gleichspannung an das Halbleiter-Isolator-Gemisch angelegt, so wird im Ge- ] misch eine elektrische Ladung mit der gleichen Polarität wie der mit dem Gemisch in Kontakt stehenden Elektrode gespeichert. In Fig. 2 ist eine derartige Struktur dargestellt, die ein zwischen zwei Elektroden 5 und.6 eingebrachtes Gemisch 4 aus einem Halbleiter und einem Isolator und eine daran eine Gleichspannung anlegende Spannungsciuelle 7 umfaßt. Wird, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Gleichspannung an die Elektroden 5 und ' '·. . 9098 19/055 2
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. -KL· ' H?89107
angelegt, so wird im Gemisch 4 eine elektrische Ladung einer ! einzigen Polarität gespeichert. Dieser Effekt wurde von der
Anmelderin herausgefunden und sei als' einpoliger Ladungsspeiche-I rungseffekt bezeichnet··.Vermutlich wird ein derartiger Effekt 'durch Injektion τοη ladungen*aus der Elektrode 5 ins Gemisch' •erzielt. Diese Annahme beruht auf der Beobachtung, daß sich 'bei Einbringen eines Isolators zwischen die Elektrode 5 und
ι das Gemisch 4 die Polarität der im Gemisch 4 gespeicherten La— dung umkehrt. Im vorliegenden Beispiel ist das Halbleitermaterial derart verteilt, daß es auf der Seite der Elektrode eine höhere und auf der Seite der Elektrode 6 eine niedrigere
- ■ 'i -
Dichte besitzt. Dadurch treffen die Ladungen während der In- I jektion in das Gemisch an der mit der Elektrode 6 in Kontakt
stehenden Fläche auf einen höneren Widerstand auf· Durch das
Einbringen eines Isolators zwischen das Gemisch 4 und dieElek-t
I ' 'Vl · '
trode 6 werden die Ladungen von der Elektrode 5 in das Gemisch 4 injiziert, und im Gemisch 4fcann eine hohe Ladung gespeichert' werden. , ' .
• Es wird ein Gemisch Nais'70^ eines p-leitenden Oxyd-
Halbleiters, Cu2O, und 305« Si einer Beschichtung auf ein B| dem Gemisch versehene Papier
ikonharz dargestellt und in Form tit.Papier aufgebracht. Das mit wLzwischen zwei Elektroden ein-
•9 09jB19;/dr|S2 :
■?■' ■'■':- ■ -13-
■t
gelegt, so daß die Sehiehtenstruktüri;-gemäß FIg-.3 entsteht. Eine Ladungsspeicherschicht aus dem Halbleiter-Isolator-Gemisch -8 und ein Isolator-9 liegen zwischen Elektroden und 11; eine Spannungsquelle 12-dient zum Anlegen einer ' Gleichspannung an die Elektrodeni :" ' ■■·■■
." In Fig. 4 ist das Verhältnis zwischen der Ladungsmenge und der angelegten Spannung dargestellt, wenn an das Bauelement gemäß" Fig. 3 vier Minuten lang eine Gleichspannung angelegt wird. In dieser Figur zeigen die Kurve 13 die Veränderung der Ladungsmenge an der mit der Anode in Kontakt stehenden Seite der Speicherschicht 8 und die Kurve 14 diejenige an der mit der Kathode in Kontakt·stehenden Fläche der IsolierscHicht 9. J3ie in der'Speicherschicht gespeicherte Ladung besitzt die gleiche Polarität wie die Elektrode, mit der sie in itontalc't stent. In beiden Fällen " " nimmt die Menge der gespeicherten Ladung linear"mit der angelegten Spannung zu. Die Tatsache, daß der Lactungsspeicherungseffekt selbst bei niedriger Spannung zu beob-,. achten ist, zeigt, daß er nicht von einer Nebenwirkung wie Örtlicher Entladung abhängt. '
• -14-
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In Fig. 5 ist die Beziehung zwischen der Zeltvder Spärmungseinwirkung und der Ladungsmenge -dargestelltf wenn eine Gleichspannung von 600 Volt 'angelegt wird. Die Messung '. wurde auf der Anodenseite des Bauelements vorgenommen. Die-Kurve zeigt die Speicherung von positiven-Ladungen in der Speicherschient in einer Ladungsmenge,ι die./ wenn die Spannung angelegt wird, schnell zunimmt ünd'nach 4 Mihuten'eine^Sättigung'erreicht. Bieöe Kurte läßt jsich etwa €urch die formel P β Pq^ £i — exp C -/Lt) j ausdrücken', wöbei; 5P- :die'-Ladungsmenge nach einer langen Spannungseinwirkungszeit und Q^eine Konstante'darstellt ν die einer Eeziprolcender-dieleMtrischen Eelaxationszeit vergleichbar- ist;· * ij '-- -:->"'-£~-£ϊ. riL·. ■ ·
Fig. 6 zeigt die Abhängigkeit der gespeicherten ladungsmenge von der Zeit, während derer die Anordnung ruht, " alS1Of. eine nätüf 1 ίehe Dekrementchärükteristik-ter; ladungen. £>ie Mesiung viurde auf: der- inodense-i'ti" vorgenommen. ■-■ JA' %&& Kurve ist-ersichtlich,- cLaß' zuerste!^ hoMs^l^^eiieSi^ arui-^ tritt undr danach' allmählich a^nammtr.^ie-turve^emM' ^bgv 6 IaBt0sibh'etwa-"durch' ίίφΨ6-ή^ΡΨ^?^:βχρ- { ^ drücken^woief'i3^ eike'1ibns:tairt& tihcTf ?eirie^ -Z darstellt. . · ' - '
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• Fig.; 7 zeigt eine Grundstruktur des erfindungsge-' mäßen Halbleiterbauelements, gemäß der die Speicherschicht aus dem Halbleiter-Isolator-Gemisch mit den vorstehend aufgeführten Charakteristiken mit einer Halbleiterzone 15 in Kontakt gebracht ist, die mit Klemmen A„und B verbunden ist. Bei einer derartigen Anordnung beeinflussen die in der Ladungsspeicherschicht 16 enthaltenen Ladungen Träger im Innern 'der Halbleiter zone 151 die beispielsweise aus η-leitendem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 2OiI cm besteht. Bas Gemisch der Speicherschicht 16 enthält einen .
.■»
p-leitenden Oxyd-Halbleiter, CUpO, und als Isolator Epoxyharz. Ein Isolator 17 besteht aus einem Mylarfilm, einer Elektrode 18, an der eine Klemme C sitzt, aus einer Nickelplatte und Elektroden 19 aus vernickeltem Film.
Wird nun eine Wechselspannung an die Klemmen A und C .■ angelegt, so tritt zwischen den Klemmen A und B eine elektro- " motorische Kraft auf, und es fließt ein halbwellengleichge- ' richtetet Strom über sie. In Fig. 8 gibt eine Kurve 20 die Wellenform der an die Klemmen A und C" angelegten Wechselspannung und eine Kurve 21 die Wellenform des Stromes über die Klemmen A und B wieder. Die Halbwellenform ergibt sich unbeeinflußt von der Art des im Gemisch der Speicherschicht ·
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16 enthaltenen Halbleiters. Bei einer höheren Wechselspannungsfrequenz wird eine bessere Gleichrichtungscharakteristik erzielt.. Die Gleichrichtung wird gemäß -der. Erfindung durch den Ladungsspeicherungseffekt ohne ^rwendung irgendeiner Gleichriohterschicht erzielt. . .....
Fig. 9 zeigt die Beziehung zwischen dem Wert des über die" Klemmen A und B fließenden Stromes und der Wechselspannung bei unterschiedlichen Frequenzen.· Bei höherer Wechselspannung · und Frequenzen fließt demnach.ein stärkerer Strom.
Diese .Erscheinung dürfte·auf einen unausgeglichenen Zustand der Ladungen im Halbleiter 15 zurückzuführen sein, da, wenn die Klemme C ein höheres Potential aufweist als die Klemme A, die in der Halbleiterzone 15 als -Majoritätsladungsträger vorhandenen Elektronen im Gemisch der Speicherschicht 16 gespeichert werden; hierbei ist die Elektronendichte auf der Seite der Klemme A hoch und der Klemme.B niedrig. Die Elektronen wandern also von der Seite mit hoher Dichte zur Seite mit geringer Dichte, und es entsteht ein Stromfluß. In der entgegengesetzten Halbperiode list nun die Elektronendichte auf der Seite der Klemme B'hoch und auf derjenigen der Klemme A niedrig, wodurch die Elektronen das Bestreben haben, von der
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Seite der Klemme B in Richtung auf die Klemme A zu fließen. In diesem Falle kann jedoch der Elektronenfluß aufgrund der größeren Zahl an.in der Speicherschicht 16 auf der Seite der Klemme.A gespeichertexSlektronen'kaum stattfinden, und es fließt praktisch kein Strom. '.·■■·
■ ■ Die Menge der in der. Speicherschicht gespeicherten - Ladung ist durch Lichteinwirkung auf das Gemisch dieser
• Schicht veränderlich, wenn ihr eine fluoreszierende Substanz
• zugesetzt wird. Dadurch kann die elektromotorische Kraft in der Halbleiterzone 15 variiert werden.
Im nachstehenden wird die Veränderung der Ladungsmenge im Gemisch beschrieben. In Fig. 10 ist die Beziehung zwischen der Menge der im Gemisch der Speicherschicht gespeicherten Ladung und dem Mischungsverhältnis von (Zn,Cd) S für den Fall graphisch dargestellt, daß die Speicher- ■ schicht (Zn,Cd) S als fluoreszierende'Substanz, Cu9O als p-leitenden .; 'Oxydhalbleiter und Silikonharz als Isolator enthält. In dieser Figur zeigen die Kurven 22 und 23 die ■ Ladungsmenge nach Anlegen, einer Spannung von 600 Volt für .'60 Sek.an das im Dunkeln befindliche Bauelement unmittel-
■ bar danach (22) bzw. nach anschließendem 60-sekündigem Belichten mit' einer Beleuchtungsstärke von 501x (25). E3
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ersichtlich, daß der Zusatz von (Zn1Cd) S die Ladungsmenge erhöht. Der Grund hierfür ist, daß die Ladungen mit einer Polarität entgegengesetzt, zu derjenigen vonCupO, die sich an der Oberfläche des Gemisches durch die innere Polarisierung von (Zn,Gd) S bilden, durch die Lichteinwirkung aufgehoben werden, was ein Ansteigen der Ladungsmenge aur Folge hat.
Wird nun die?e Ladungsspeicherschicht in Kontakt mit der Halbleiterzone 15 gemäß Fig. 7 gebracht und werden transparente Werkstoffe für die Elektrode 18 und den Isolator 17 •verwendet, so kann die Ladungsmenge in der Speicherschicht 16 durch Aufstrahlen von Licht durch die transparente Elektrode 18 verändert werden.· Weiterhin ergibt sich bei der Halbleiteranordnung gemäß Fig. 7 bei Lichteinwirkung durch die transparente Elektrode 18 unter gleichzeitigem Anlegen von Spannung an die Klemmen A und C eine Zunahme der Ladungen entgegengesetzter Polarität durch (Zn,Cd) S, während die Ladungen gleicher Polarität durch Cu?0 unverändert bleiben, so daß die Ladungsmenge im Vergleich zu im Dunkeln abnimmt und an den Klemmen A und- B eine kleinere elektromotorische •Kraft auftritt. Das entsprechende Ergebnis ist in Fig. 11 dargestellt. Die Kurve 24 zeigt die Beziehung zwischen dem
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über die Klemmen A und B fließenden Strom und der angelegten Wechselspannung, wenn an die Klemmen A und C eine Wechselspannung von* 30 kHz angelegt wird: Die Kurve 25 gibt die gleiche Beziehung bei derselben Wechselspannung, jedoch bei einer Beleuchtung von 100 Ix wieder, und es ist ersichtlich, daß der Strom durch die Lichteinwirkung abnimmt.
Eine weitere Zunahme der im Halbleiter-Isolator-Gemisch .der Ladungsspeicherschicht gespeicherten Ladungsmenge ist durch Zusatz einer ferroelektrischen Substanz zu.diesem Gemisch erzielbar; dadurch kann die an den Klemmen A und B auftretende elektromotorische Kraft erhöht werden. NiO als p-leitender Halbleiter und die ferroelektrische Substanz BaTiO, wurde in verschiedenen Mischungsverhältnissen vermengt, und als Isolator wurde Silikonharz zugesetzt. Das Gemisch aus diesen Werkstoffen wurde als Schicht auf einen Mylar-Film aufgebracht, so daß eine Struktur gemäß Fig. 3 entstand, an die Spannung gelegt wurde. In Fig. 12 ist die Veränderung der Höhe der ge- · speicherten Ladung dargestellt,' wenn das Mischungsverhältnis · von BaTiOx zu KiO verändert wird. Danach steigt die Ladungsmenge bis zu einem Mischungsverhältnis von etwa 60$ BaTiO* an? fällt jedoch bei einem Prozentsatz von über 60$ plötzlich ab. Eine gleiche Tendenz .gilt auch für andere ferroelektrische .' Substanzen.
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.Nun wurden der Halbleiter UiO und die ferroelektrische Substanz BaTiO, in einem Verhältnis von β : 4 vermengt und das Gemisch in Polystyrol dispergiert. Diese Schicht wurde mit einem dünnen.Siliziumplättchen - einem Halbleiter — in Kontakt gebracht, und es ergab sich die Struktur gemäß .Pig. 7. Aus Vergleichsgründen wurde nach ein gänzlich aus KiO • · bestehendes Muster gefertigt, das keinerlei BaTiQ5 enthält. P In Fig. 15 ist die Veränderung des über die Klemmen A und B fließenden Stromes dargestellt, wenn an die Klemmen A und.G eine Wechselspannung von 10 kHz angelegt wirdl Die Kurve 26 stellt die Charakteristik des Musters ohne und die Kurve 27 diejenige mit BaTiO, dar. Durch Zusatz von BaTiO5 kann also ein höherer Strom erzielt werden. - ■
Durch Zusatz sowohl von fluoreszierender als auch von ferroelektrischer Substanz zum Gemisch überlagert sich die Charakteristik der Ladungsmenge durch die fluoreszierende
Substanz mit der Charakteristik der ferroelektrisehen Substanz, eine größere Ladungsmenge zu erzielen..
,. .Weiterhin kann die Charakteristik des Halbleiterbauelements durch Zusatz eines Metalls zum Halbleiter-Isolator-Gemisch der Speicherschicht verändert werden, das.in Kombination mit. dem .im Gemisch ,enthaltenen Halbleiter einen Photo-
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'· '·■-· . . · . -;·- '."'" -21-
volteffekt erzeugt. Als Halbleiter, der einen derartigen Photovolteffekt entwickelt, wird CUpO gewählt. Durch Vermengen von 65$ CupO in Form von Pulver mit einer Korngröße von 2 bis 3 Mikron, 5cfi Cu in Form von Pulver mit einer Korngröße von 2 bis 3 Mikron und 30$ Silikonharz wurde ein Gemisch hergestellt. Mit diesem Gemisch wurden Mylar-Filme beschichtet - und Muster mit einer Struktur gemäß Fig. 3 gefertigt. An die Muster wurde sowohl in einem dunklen als auch einem hellen ™ Baum Spannung angelegt. Es wurde eine transparente leitende Glaselektrode 10 verwendet. In Fig. 14 ist die Beziehung zwischen der Spannungseinwirkungszeit und der in der Speicherschicht gespeicherten Ladungsmenge dargestellt, wenn eine Spannung von 600 Volt angelegt wird und die transparente Elektrode 10 dabei positiv ist. Die Kurve 28 gibt die Charakteristik im Dunkeln wieder und die Kurve 29 diejenige bei. einer Beleuchtung von 1QQIx und gleichzeitigem Anliegen der Spannung. Die Menge der gespeicherten Ladung nimmt also.durch die Lichteinwirkung zu.. .
Diese Ladungsspeicherschicht wird nun in Kontakt mit einem Halbleiter gebracht, und zwar mit η-leitendem Silizium, so. daß eine Struktur gemäß Fig. 7 entsteht. Die Elektrode 16
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und der Isolator 17 sind hierbei lichtdurchlässig. Wird eise· Wechselspannung von 1 kHz an die Klemmen A und C gelegt, dann
"fließt über die Klemmen A und B Strom. In Fig. 15 ist die Abhängigkeit des über die Klemmen A und B fließenden Stromes von der angelegten Spannung dargestellt, und zwar in Kurve
'' bei. Anlegen einer Wechselspannung in einem dunklen Kaum und in Kurve 3,1, wenn gleichzeitig mit dem Anlegen der Wechsel·-
■ spannung mit einer Beleuchtungsstärke von 100 Ix beleuchtet wird. Der Strom nimmt somit durch die Beleuchtung zu, durch die ein Photovolteffekt auftreten dürfte, und zwar aufgrund der Kombination von Cu?0--Cu, wodurch sich- eine höhere Ladung ■ergibt. Es wird angenommen, daß diese höhere ladung durch diejenigen Ladungen zustande kommt, die aus dem Halbleiter durch ein elektrisches durch den Photοvolteffekt erzeugtes Feld abgezogen werden, und nicht durch die in der Speicher schicht durch den Photovolteffekt entstandenen Ladungen.
Im vorstehenden wurden Halbleiterbauelemente der Struktur gemäß Fig. 7 beschrieben. Im folgenden werden solche beschrieben, bei denen eine fluoreszierende Schicht, eine eine fluoreszierende Substanz" enthaltende Schicht, eine lichtelektrisch leitende Schicht oder eine einen lichtelektrischen
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Leiter enthaltende Schicht auf den Isolator 17 gemäß Fig. aufgebracht ist.
Die Ladungsmenge kann durch Lichteinwirkung verändert werden, wenn eine fluoreszierende Schicht oder eine eine fluoreszierende Substanz enthaltende Schicht auf die Isolierschicht aufgebracht ist. Es wurde eine Struktur gemäß Fig. 16 .gefertigt· Bas Halbleiterbauelement gemäß Fig. λ 16 umfaßt ein Gemisch einer ladungsspeicherschicht 32 aus einem Halbleiter und einem Isolator, eine Isolierschicht 33» eine Schicht 34 aus einer fluoreszierenden Substanz und einem Isolator, eine transparente leitende Glaselektrode 35, eine Metallelektrode 36 und eine Gleichspannungsquelle 37. Bei Anlegen einer Gleichspannung an die Glaselektrode 35 und die Metallelektrode 36 wird eine elektrische Ladung der gleichen Polarität wie diejenige der Metallelektrode 36 in ä der Speicherschacht 32 gespeichert. Da die Ladungsmenge in der fluoreszierenden Schicht 34 durch Lichteinstrahlung durch die Glaselektrode 35 verändert wird, verändert sich die La-,cLungsmenge in der Speicherschicht 32 aus Halbleiter und Isolator dementsprechend. * .
. Beispielsweise wird zur Herstellung der Struktur ge-
maß Fig. 16 die fluoreszierende Schicht 34 aus einem Gemisch
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aus (Zn,Cd) S und Silikonharz, die Isolierschicht 33 aus eij hem Mylar-Film und die Speicherschicht 32 aus Cu0O und SiIi-. • konharz verwendet. In Fig.·, 1| „isji^JLie,Beziehung zwischen der Spannungseinwirkungszeit und der Ladungsmenge an der Ober-. fläche der Speicherschicht'32 auf der Seite der Metallelek- * strode 36 dargestellt, wobei das Bauelement.mit unterschiedlicher Stärke beleuchtet ist. Die Kurve 33 zeigt die Charakteristik in einem dunklen Baum und die Kurven 39 und 40 diejenige, wenn gleichzeitig mit dem Anlegen der*Spannung eine Beleuchtungsstärke von 20,bzw. 40 Iz einwirkt. Die
Schichtung mit dieser Charakteristik wird mit einem Halbleiter in Kontakt gebracht, so daß eine Struktur, gemäß Fig. .18 mit e,iner Halbleiterzone 41, einer. Speicher schicht 42 aus dem Halbleiter-Isolator-Gemisch, einer Isolierschicht 43, einer Schicht 44 aus dem Gemisch aus fluoreszierender Substanz · und Isolator, einer transparenten Elektrode 43 und mit Metallelektroden 46 entsteht. Wird an dieses Bauelement an die Klemmen A und C eine Wechselspannung von 30 kHz angelegt, so fließt ein Strom über die Klemmen A und B. In Fig. 19 oist die Abhängigkeit .des Stromes von der Wechselspannung dargestellt, und zwar als Kurve 46 für einen dunklen Raum und als Kurve 4? bzw. 48 für* die Fälle, daß gleichzeitig mit
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*■■■■ .-*"■
dem Anlegen der Spannung mit Beleuchtungsstärken von 20 bzw. 40 Ix beleuchtet wird. Eine zwischen den Klemmen A und B ' ■ induzierte elektromotorische Kraft ist also durch Belichtung veränderbar." *··■ . · „ / , ■
Anstelle der fluoreszierenden Schicht kann eine licht-
■\ ■ ■ ■ . ■ . elektrisch leitende Schicht oder eine einen lichtelektrischen -Leiter enthaltende Schicht auf die Isolierschicht aufgebracht •werden, um ebenfalls die Ladungsmenge durch Licht einwirkung ' zu verändern, beispielsweise eine Schicht 34 (Fig. 16), die in Silikonharz dispergiertes Cadmiumsulfidpulver enthält. Diese lichtelektrisch leitende Schicht würde in einer Stärke von rund 60 Mikron auf eine transparente leitende Glasplatte aufgebracht. Ein Mylar-Film einer Stärke von 1.2 Mikron wurde ! auf die lichtelektrisch leitende Schicht aufgeklebt, und ein Gemisch, das in-Silikonharz dispergiertes pulverförmiges Cu2O enthält, wurde auf den Mylar-Film als Speieherschicht * mit einer Stärke von 60 Mikron aufgebracht. Als Gegenelektrode, wurde ein Messingblech verwendet; An die Glaselektrode und die Metallelektrode wurden überlagert Gleich- und Wechselspannungen angelegt,. Die Wechselspannung von 100 Volt und .60 Hertz wurde derart angelegt, daß die Metallelektrode
909819/0552 · ne
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positiv wirkte.
• In Fig.. 20 ist in Kurve 49 die ladungsmenge in der Speicherschicht des vorstehend beschriebenen Bauelements bei Dunkelheit in Abhängigkeit von der Gleichspannung aufgetragen. Es stellte sich heraus, daß im Dunkeln ein Gleichspannungsan- -süeg eine entsprechende Erhöhung, der Ladungsmenge gleicher Po-'larität wie die Metallelektrode zur Folge hat. Die Kurven 50 und 51 zeigen die entsprochende Abhängigkeit, wenn die Spannungen auf gleiche Weise unter einer Beleuchtung von 20 bzw. 100 la angelegt werdon. Die ladungsmenge nimmt demnach anfangs mit zunehmender Gleichspannung zu, bei einer bestimmten Spannungshöhe fällt sie jedoch steil ab. Die diesen Kurven zugrundeliegende Schichtung wurde auf eine Halbleiterzone aufgebracht, so π daß das Halbleiterbauelement gemäß Fig. 18 entstand. Wurde hierbei die Beleuchtung bei gleichzeitigem Anliegen einer Wechselspannung von 100 Volt und einer Gleichspannung von 200 Volt an de:n Klemmen A und C verändert, so änderte sich der Strom, der d'iirch die an den Klemmen A und B induzierte elektromotorische -Kraft erzeugt wird, entsprechend der Kurve 52 in Fig. 21. Aus : der Kurve ist ersichtlich, daß der Strom bei einer Beleuchtungsstärke von 20 Ix plötzlich abfällt. Bei Anliegen einer Wechselspannung von 100 Volt und einer Gleichspannung von 100 Volt
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variiert der Strom mit der Beleuchtung entsprechend der Kurve 53 in Fig. 21 und fällt bei einer Beleuchtungsstärke von 100 Ix plötzlich ab. Ein darartiges Bauelement ist z.B. .als lichtabhängiger Schalter verwendbar.
Nachstehend wird eine Ausführungsform mit einer Gleichrichterschicht an der Halbleiterzone 15 der Anordnung gemäß Fig. 7 beschrieben. Allgemein weist eine Halbleiter- j
diode eine p-n-übergangsschicht auf und ist au» einem p-leitenden und einem n-leitandem Halbleiter si^ammengssetat oder ist eine Punktkontaktdiode, bei der ein Metall i& Gleichrichterkontakt mit einem Halbleiter gebracht isz. £-.ne derartige Diode besitzt unter ihren Strom-Spannungs-Charäkteristiken sicher eine Gleichrichtercharakteristik* Dia S iTom-Spannungs-Charakteristiken werden durch Faktoren wia ζ.Β. Werkstoffe und Verfahren aur Herstellung der Elemente bestimmt. Eine Elektrode A wird in Gleichrichterkontakt mit einem Halbleiter gebracht, und zwar in einer Struktur gemäß Fig. 7 oder es wird an diesem ein p-n-tfbergang gebildet. Anschließend wird die Gleichrichtercharakteristik zwischen den Klemmen A und- B durch Anlegen eines· Signals an die Klemmen A und C ver- ■ ändert. Das gleiche Ergebnis wird beispielsweise durch Anlegen
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einer Signalspannung an die Klemmen B und C in Fig. 7 erzielt, ohne daß eine Signalspannung an die Gleichrichter- ■ schicht angelegt wird. Es hat sich jedoch herausgestellt, r daß durch Anlegen der Signalspannung an die Gleichrichter- ■·" schicht eine größere Veränderung der Diodencharakteristik * erzielbar ist. ' . '
' ' Man legierte Aluminium an ein· Ende eines n-leitenden Siliziumkörpers mit einem spezifischen Widerstand von 0,2X1 cm, so daß "ein p-n-Übergang entstand und schloß die Klemme A daran an. Ein Gemisch aus einem p-leitenden Oxyd-Halbleiter, CUpO, und Polystyrol wurde mit dem die Basis bildenden η-leitenden Siliziumkörper in Kontakt gebracht und ein Mylar-Film &uf das Gemisch aufgebracht. Durch Vakuumverdampfung wurde Aluminium auf ,-ä,em Mylar-Film abgelagert, das lals Elektrode C dient. Das andere Ende des η-leitenden Silizium^ö· körpers wurde mit Gold plattiert und die Elektrode B durch Anschmelzen in ohmischen Kontakt dazu gebracht. Im Betrieb -wird ein Signal, z.B. Wechselstromimpulse, an die Klemmen A und C gelegt. Wenn an die Klemmen A und C keine Signalspannung angelegt wird, so entspricht die Gleichrichtercharakteristik zwischen den Klemmen A und B der Anordnung der Kurve 54 in Fig. 22. Die Kurven 55. und 56 zeigen die
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'Gleichrichtercharakteristik zwischen den Klemmen A und B, wenn Wechselspannung von 50 bzw. 100 Volt und 1 kHz an die Klemmen A und C-angelegt wird. Eine höhere Signalspannung hat demnach einen stärkeren Durchlaßstrom zur Folge. Außerdem variiert die Durchlaßcharakteristik bei einer Frequenzänderung des Eingangsignals. Gemäß diesem ,Beispiel ist zwar ein p-n-Übergang verwendet, jedoch kann mit gleichem Effekt beispielsweise auch ein Golddraht in Punkt- oder Gleichrichterkontakt mit einem Halbleitär|"wle Si oder Ge gebracht werden. Anstelle von Si und Ge kann auch ein aus einer Ver-
bindung bestehender Halbleiter verwendet werden, z.B. GaAS, das vorteilhaft bis zu einem Ultrahochfrequenzb.ereich verwendbar ist, · ··
Aus der erfinduifgsgemäßen Grundstruktur, mit einer mit einem Halbleiter in Kontakt gebrachten Ladungsspeicherschicht aus einem Gemisch eines Halbierter» mit einem Isolator können also Halbleiterbauelemente mit zahlreichen neuartigen Funktionen aufgebaut werden. . . · ; . \;' ' .:■'■:.:■.·. . ' i
. ORlGiNAt INSPECTED

Claims (1)

  1. ' . Patentansprüche:
    ι ■ . .
    • · 1. Steuerbares Halbleiterbauelement mit einer Halb- . ■leiterzone, an der zwei Ohm'sche Kontaktelektroden angeordnet sind, insbesondere Unipolartransistor, dadurch gekennzeichnet daß an der Halbleiterzone (15,41) eine Steuerelektrode (18, . =45) unter Zwischenschaltung einer nichtleitenden Ladungsspeicherschicht (16,42), in der sich nicht berührende halb-" v.leitende. Teilchen eingelagert sind, angebracht ist.
    . 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch ge-
    kennzeichnet, daß die Steuerelektrode (18,45) unmittelbar mit der Speicherschicht (16,42) in Kontakt steht,.
    3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuerelektrode (18,45) und der Speicherschicht (16,42) zumindest eine weitere Schicht (z.B. 17) vorgesehen ist.
    4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, -dadurch ge- ■ ! kennzeichnet, daß zwischen die Steuerelektrode (18) und die
    Speicherschicht (löbjine Isolationsschicht (17) eingebracht ■'ist (Fig. 7).
    ■ · 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Steuerelektrode (45) und die
    ;V:V-;;··, 90981.9/05.52 ■.
    Neue. Unterlagen (Art 7 g ι AtB.-.2 Nr. i.s^y^-A.T-snjngsaeajiAk ,*·.*· . -31-
    Isolationsschicht (45) eine weitere Mischschicht (44) eingebracht ist, die eine fluoreszierende Substanz oder einen lichtölektrischen Leiter enthält (Fig.. 18).
    6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5,_ dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Mischschicht (44) in Kontakt „stehende Elektrode transparent,ist. \ -'■-■-
    7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschicht (16,42) weiter eine fluoreszierende und/oder eine ferroelektrisch© Substanz enthält. " ·;.■-.
    8. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherschicht (16,42) ein' zusammen mit den Halbleiterteilchen einen Photoef-fekt bewirkendes Metall enthält. · ;
    9. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterzone 05,41) miteeiner Gleichrichterschicht versehen ist. · '
    909 819/0552
    INSPECTED
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