DE1514913C

DE1514913C - Steuerbares Halbleiterbau element

Info

Publication number: DE1514913C
Application number: DE19651514913
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl Phys Dr 7100Heübronn Dahlberg
Original assignee: Telefunken Patentverwertungsge Seilschaft mbH, 7900 Ulm
Priority date: 1965-12-30
Filing date: 1965-12-30
Publication date: 1973-06-20

Description

Wenn man die Oberfläche eines η-leitenden Halbleiterkristalls sperrschichtfrei mit einem Metalldraht kontaktiert, dann hat diese Anordnung bis zu sehr hohen Frequenzen Diodeneigenschaften. Diese Diodeneigenschaften sind darauf zurückzuführen, daß der sperrschichtfreie Kontakt in den Halbleiterkörper immer dann heiße Elektronen injiziert, wenn der Elektronenstrom vom Metall in Richtung auf den Halbleiterkörper fließt. Durch die Injektion der heißen Elektroden wird eine Nichtlinearität des Widerstandes des n-Halbleiterkörpers erzielt.

Elektronen, die nicht im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung stehen, werden vielfach, wie sich beispielsweise aus dem Artikel »Heiße Elektronen für elektronische Bauelemente«, erschienen in der Zeitschrift »Radio mentor«, Bd. 28, 1962, Nr. 10, S. 822 und 824, ergibt, auch als heiße Elektronen bezeichnet.

Es sind bereits Halbleiteranordnungen bekanntgeworden, die aus einer Kombination von Halbleiterbauelementen mit Peltierelementen bestehen. Bei diesen bekannten Anordnungen, bei denen das Peltierelement allein Kühlzwecken dient, wird stets die kalte Lötstelle des Peltierelements zur Wärmeabführung an den Halbleiterkörper angeschlossen, während die warme Lötstelle nicht mit dem Halbleiterkörper in Verbindung gebracht wird. Ferner sind aus der

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USA.-Patentschrift 3 051 840 Feldeffekttransistoren p-Halbleiterzone bestehen. Diese beiden p~-Zonen des

bekannt, bei denen der Widerstand einer dünnen zweiten Schenkels des Peltierelements müssen thermo-

Halbleiterschicht dadurch geändert wird, daß ein an elektrisch positiv sein gegenüber den ersten Schenkel

die Halbleiterschicht angrenzender pn-Übergang in des Peltierelements bildenden Halbleiterzone vom

Sperrichtung vorgespannt wird und das von ihm aus- 5 p-Leitungstyp.

gehende ladungsträgerfreie Raumladungsgebiet in Im folgenden werden Ausführungsbeispiele des

seiner Ausdehnung variiert wird. Der Widerstandswert oben beschriebenen Halbleiterbauelements erläutert,

dieser Schicht zwischen zwei an der Schicht befestigten Die F i g. 1 zeigt einen Halbleiterkörper 1 mit zwei

sperrschichtfreien Kontakten kann auch durch Licht- aneinandergrenzenden Halbleiterzonen 2 und 3 vom

einstrahlung verkleinert werden. io n- bzw. p-Leitungstyp. Die Halbleiterzone 2 vom

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein n-Leitungstyp ist in den Halbleiterkörper 1 vom Leisteuerbares Halbleiterbauelement anzugeben, das mit tungstyp durch Diffusion nach einem Planarverfahren Hilfe von injizierten heißen Elektronen gesteuert wird. eingebracht. Die Begrenzung der Halbleiterzone 2 auf

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Kombination einen begrenzten Bereich des Halbleiterkörpers 1

einer von einem pn-Übergang in einem Halbleiter- 15 erfolgt dadurch, daß auf den Halbleiterkörper eine

körper gebildeten Halbleiterdiode und einem Peltier- Oxydschicht 4 aufgebracht wird, aus der eine Öffnung

element, bei der die eine Halbleiterzone der Halbleiter- herausgeätzt wird, die als Diffusionsfenster beim Ein-

diode gleichzeitig den ersten Schenkel des Peltier- diffundieren der Halbleiterzone 2 dient,

elements bildet und der zweite Schenkel des Peltier- Die beiden Teile 5 und 6 des zweiten Schenkels des

elements aus zwei voneinander getrennten Teilen be- 10 Peltierelements sind im Ausführungsbeispiel der

steht, die die den ersten Schenkel des Peltierelements F i g. 1 n+-Zonen, die ebenfalls durch Diffusion oder

bildende Halbleiterzone sperrschichtfrei kontaktieren, durch Legieren in die Halbleiterzone 2 vom n-Lei-

und daß die den ersten Schenkel des Peltierelements tungstyp eingebracht, werden. An den Grenzflächen

bildende Hälbleiterzone so dünn bemessen ist, daß bei der n⁺-Zonen 5 und 6 mit der Halbleiterzone 2 vom

Anlegen einer Spannung an die beiden Teile des 25 n-Leitungstyp entstehen dann die nicht sperrenden

zweiten Schenkels des Peltierelements einer von ihnen thermoelektrischen Kontakte 7 und 8. Die Kontak-

Elektronen, die nicht im thermischen Gleichgewicht tierung der n+-Zonen erfolgt durch die sich auf die

mit ihrer Umgebung stehen, in die Halbleiterdiode Oxydschicht 4 erstreckenden Leitbahnen 9 und 10.

injiziert, die durch den in Sperr- oder Flußrichtung Am Halbleiterkörper 1 ist schließlich noch auf der

gepolten pn-Übergang gelangen. 30 den n+-Zonen 5 und 6 gegenüberliegenden Seite eine

Das oben beschriebene Halbleiterbauelement hat (p+-)Kontaktelektrode 11 zur sperrschichtfreien Kongegenüber bekannten Halbleiteranordnungen den Vor- taktierung der Halbleiterzone 3 vom p-Leitungstyp teil, daß es zur Modulation keine Defektelektronen angebracht.

verwendet, wodurch die Frequenzgrenze höher als bei Legt man mit Hilfe der Spannungsquelle 12 an die

bipolaren Transistoren liegt. 35 Leitbahn 9 und die sperrschichtfreie Kontaktelektrode

Die Sperr- oder die Flußspannung für den pn-Über- 11 eine Spannung an, die den pn-Übergang 14 zwischen

gang liefert eine erste Spannungsquelle, die zwischen den Halbleiterzonen 2 und 3 in Sperrichtung schaltet,

einen der zwei Teile des zweiten Schenkels des Peltier- und legt man zwischen die beiden n+-Zonen 5 und 6

elements und einen Kontakt geschaltet ist, der sperr- mit Hilfe der Spannungsquelle 13 eine Spannung an,

schichtfrei auf der keinen Schenkel des Peltierelements 40 die nicht größer als die doppelte Peltierspannung des

bildenden Halbleiterzone befestigt ist. Die Sperr- oder durch die beiden n+-Zonen 5 und 6 mit der dazwischen-

die Flußspannung am pn-Übergang wird kleiner oder liegenden n-Halbleiterzone 2 gebildeten Peltierelements

höchstens gleich der Durchbruchsspannung oder der ist, dann emittiert derjenige der n+-Kontakte 7 und 8,

Schwellspannung des pn-Übergangs gewählt. An die der negativ gegenüber dem anderen n⁺-Kontakt ge-

beiden Teile des zweiten Schenkels des Peltierelements 45 schaltet ist, heiße Elektronen, die durch die dünne

wird eine Gleich- und/oder Wechselspannung angelegt, und weniger als 1 μ dicke n-Halbleiterzone 2 in die

die nicht größer als die doppelte Peltierspannung Raumladungszone des pn-Übergangs 14 und weiter

zwischen den beiden Schenkeln des Peltierelements ist. in die p-Halbleiterzone 3 des Halbleiterbauelements

Die beiden Teile des zweiten Schenkels des Peltier- gelangen können. Wenn dieser, den pn-Übergang

elements bestehen bei einer den ersten Schenkel des 5° durchsetzende Teil des injizierten Stromes multipliziert

Peltierelements bildenden Halbleiterzone vom η-Lei- mit der am pn-Übergang anliegenden Spannung

tungstyp z. B. aus in diese η-leitende Halbleiterzone größer ist als der gesamte über die beiden Teile des

eingebrachten n+-Zonen, die an die Oberfläche des zweiten Schenkels, d. h. über die n+-Zonen 5 und 6

Halbleiterkörpers grenzen. Diese n+-Zonen können fließende Strom multipliziert mit der Spannung

z. B. durch Diffusion oder durch Legierung hergestellt 55 zwischen den beiden n+-Zonen 5 und 6, dann ist die

werden. Damit die von dem einen der beiden Teile des Anordnung der F i g. 1 ein aktiver Vierpol,

zweiten Schenkels des Peltierelements injizierten heißen Die Anordnung der F i g. 1 ist im Prinzip eine

Elektronen in die andere, also in die p-Halbleiterzone, Halbleiterdiode mit einem Peltierelement, aus dem

gelangen können, muß die n-Halbleiterzone möglichst heiße Elektronen in die Diode injiziert werden. Außer

dünn und beispielsweise dünner als 1 μ sein. 60 dem einen pn-Übergang können natürlich auch noch

Sind die beiden Teile des zweiten Schenkels des weitere pn-Übergänge vorhanden sein. Ebenso ist die

Peltierelements nicht mit einer den ersten Schenkel des Zahl der Teile des zweiten Schenkels des Peltier-

Peltierelements bildenden Halbleiterzone vom η-Lei- elements, die mit der Halbleiterzone vom n-Leitungs-

tungstyp, sondern mit einer Halbleiterzone vom typ nicht sperrende thermoelektrische Kontakte er-

p-Leitungstyp verbunden, so sind die beiden Teile des 65 geben, natürlich nicht auf zwei beschränkt,

zweiten Schenkels des Peltierelements beispielsweise Die F i g. 2 zeigt ein Halbleiterbauelement, bei

in die p-Halbleiterzone eingebrachte p~-Zonen, die dem am pn-Übergang eine Spannung nicht in Sperr-

z. B. aus einem anderen Halbleitermaterial als die richtung, sondern in Flußrichtung anliegt. Die beiden

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Teile 5 und 6 des zweiten Schenkels des Peltierelements nung der F i g. 3 hat den Vorteil, daß eine bis zu befinden sich an der Oberfläche einer Halbleiterzone 2 40mal größere Eingangsspannung angelegt werden vom p-Leitungstyp und bilden mit der Halbleiter- kann als bei dem Einzel-Bauelement der F i g. 1. zone 2 einen sperrfreien, thermoelektrischen Kontakt. Diese Spannung darf jedoch höchstens so groß wie Die beiden Teile 5 und 6 des zweiten Schenkels des 5 die Spannung sein, die an den parallelgeschalteten Peltierelements sind thermoelektrisch positiv gegen- pn-Übergängen der Halbleiterdioden steht,
über der Halbleiterzone 2 vom p-Leitungstyp. Diese Die F i g. 4 zeigt schließlich noch eine Ausbildung Bedingung ist beispielsweise dann erfüllt, wenn die des Halbleiterbauelements, bei der die beiden Teile 5 Teile 5 und 6 aus einem p-Halbleitermaterial bestehen, und 6 des zweiten Schenkels des Peltierelements eine das eine höhere Beweglichkeit besitzt als das p-Halb- io kammf örmige Struktur haben und kammf örmig ineinleitermaterial der Halbleiterzone 2. andergreifen. Unter der Siliziumdioxydschicht 4 be-Die F i g. 3 zeigt eine Halbleiteranordnung, bei der findet sich der Halbleiterkörper der Halbleiterdiode, vierzig der Halbleiterbauelemente nach F i g. 1 einen Bei den beschriebenen Halbleiterbauelementen kann gemeinsamen Halbleiterkörper vom p-Leitungstyp der Halbleiterkörper beispielsweise aus Germanium, haben, und die Halbleiterdioden zueinander parallel 15 Silizium, einer III-V-Verbindung oder einer II-VI-Vergeschaltet sind. Die Teile 5 und 6 des zweiten Sehen- bindung oder aus einem Ionenhalbleiter oder aus kels des Peltierelements, die sich als n+-Zonen in einem organischen Halbleiter bestehen. Die HaIbvoneinander getrennten n-Halbleiterzonen 2 der Halb- leiterzone, die den ersten Schenkel des Peltierelements leiterdioden befinden, sind dagegen, beispielsweise bildet, kann beispielsweise durch Diffusion mittels durch aufgedampfte Leitbahnen, in Reihe hinter- ao eines Planarverfahrens oder durch Einlegieren aufeinandergeschaltet. Von den Halbleiterdioden sind gesdampfter Metallschichten hergestellt werden. Die in der F i g. 3 nur die Halbleiterzonen 2 vom η-Lei- beschriebenen Halbleiterbauelemente eignen sich beitungstyp zu sehen, die von der Oxydschicht 4 aus spielsweise zur Anwendung als aktive Vierpole in inte-Siliziumdioxyd umgeben sind. Die Mehrfachanord- grierten Schaltungen oder in Mikrowellen-Schaltungen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerbares Halbleiterbauelement, dadurch gekennzeichnet, daß es aus der Kombination einer von einem pn-Übergang (14) in einem Halbleiterkörper (1) gebildeten Halbleiterdiode und einem Peltierelement besteht, bei der die eine Halbleiterzone (2) der Halbleiterdiode gleichzeitig den ersten Schenkel des Peltierelements bildet und der zweite Schenkel des Peltierelements aus zwei voneinander getrennten Teilen (5, 6) besteht, die die den ersten Schenkel des Peltierelements bildende Halbleiterzone (2) sperrschichtfrei kontaktieren, und daß die den ersten Schenkel des Peltierelements bildende Halbleiterzone so dünn bemessen ist, daß bei Anlegen einer Spannung an die beiden Teile (5, 6) des zweiten Schenkels des Peltierelements einer von ihnen Elektronen, die nicht im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung stehen, in die Halbleiterdiode injiziert, die durch den in Sperr- oder Flußrichtung gepolten pn-übergang (14) gelangen.

2. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Teile (5, 6) des zweiten Schenkels des Peltierelements n+-HaIbleiterzonen sind, die in die den ersten Schenkel des Peltierelements bildende Halbleiterzone (2) vom n-Leitungstyp eingelassen sind und an die Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) grenzen.

3. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten Schenkel des Peltierelements bildenden Halbleiterzone (2) vom p-Leitungstyp ist und die zwei Teile (5, 6) des zweiten Schenkels aus p-Halbleitermaterial mit einer derart großen Defektelektronenbeweglichkeit bestehen, daß die p-Halbleiterzone (2) den thermoelek Irischen negativen Schenkel des Peltierelements bildet.

4. Steuerbares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den ersten Schenkel des Peltierelements bildende Halbleiterzone (2) dünner als 1 μ ist.

5. Steuerbares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) der Halbleiterdiode aus Germanium, Silizium, aus einer III-V-Verbindung, aus einer ll-VI-Verbindung, aus einem Ionenhalbleiter oder aus einem organischen Halbleiter besteht.

6. Steuerbares Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Teile (5, 6) des zweiten Schenkels des Peltierelements kammförmig ausgebildet sind und kammförmig ineinandergreifen.

7. Schaltungsanordnung mit einem steuerbaren Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine die Sperroder Flußspannung liefernde erste Spannungsquelle (12) zwischen einen der zwei Teile (5, 6) des zweiten Schenkels des Peltierelements, und die keinen Schenkel des Peltierelements bildende Halbleiterzone (3) der Halbleiterdiode geschaltet ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von der ersten Spanniiiigsqtielle (12) gelieferte Sperr- oder Fluß-

spannung am pn-übergang (14) kleiner oder hoch-. stens gleich der Durchbruchsspannung oder der Schwellspannung des pn-Übergangs (14) ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Spannungsquelle (13) zwischen die zwei Teile (5, 6) des zweiten Schenkels des Peltierelements geschaltet ist und die von ihr gelieferte Gleich- und/oder Wechselspannung nicht größer als die doppelte Peltierspannung zwischen den beiden Schenkeln des Peltierelements ist.

10. Halbleiteranordnung, bestehend aus mehreren steuerbaren Halbleiterbauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche einzelnen Halbleiterbauelemente eine gemeinsame Halbleiterzone (3) haben, während die die ersten Schenkel der Peltierelemente bildenden Halbleiterzonen (2) voneinander getrennt sind, und daß die Teile (5, 6) der zweiten Schenkel sämtlicher Peltierelemente in Reihe hintereinanderliegend miteinander verbunden sind.

11. Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungen (9) zwischen den zweiten Schenkeln der einzelnen Peltierelemente Leitbahnen (9) sind.

12. Schaltungsanordnung mit einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Enden der in Reihe geschalteten zweiten Schenkel der einzelnen Peltierelemente eine Spannüngsquelle geschaltet ist und die von ihr gelieferte Spannung höchstens so groß wie die Zahl der vorhandenen einzelnen Peltierelemente multipliziert mit der doppelten Peltierspannung zwischen den beiden Schenkeln des Peltierelements ist.