DE1639041A1 - Halbleiter-Verstaerker unter Verwendung einer Feldeffekt-Modulierung der Tunnelwirkung - Google Patents
Halbleiter-Verstaerker unter Verwendung einer Feldeffekt-Modulierung der TunnelwirkungInfo
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Description
Western Electric Company, In· -Kahng 2-13
New Yorky V._St. A._
der Tunnelwirkung
Die Erfindung befaßt sich mit einem Halbleiter-Gerät aus einem Körper
aus halbleitendem Material, einer ersten Zone in diesem Körper des einen Leitfähigkeits-Typs, einer zweiten Zone von entgegengesetztem
Leitfähigkeits-Typ, der mit der ersten Zone einen p-n-Übergang bildet.
Bei bestimmten Verstärker-Anwendungen ist es wünschenswert, daß
die Eingangs-Impedanz im wesentlichen kapazitiv ist. Indessen haben
die meisten üblichen Transistoren, beispielsweise bipolare Transistoren mit zwei Übergängen, in erster Linie leitende Eingangs-Impedanzen.
Wenn beispielsweise eine dem Emitter folgende Schaltausbildung erforderlich ist, war es bisher notwendig, zwei oder mehr Transistoren
zu verwenden, um die gewünschte Eingangs-Impedanz zu " erhalten. Überdies haben konventionelle Transistor-Geräte relativ
hohe Basisschicht-Widerstände, welche die Strom durchgangs-Kapazität
und das Frequenz-Folge vermögen des Geräts begrenzen.
Das Problem, ein Transistor-Gerät für die Verwendung in einer Verstärkerschaltung
bereitzustellen, die eine im wesentlichen kapazitive Eingangs-Impedanz liefert und dennoch verhältnismäßig niedrigen
Basisschicht-Widerstand, eine hohe Stromdurchgangs-Kapazität und
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verbessertes Frequenz-Folgevermögen hat, wird durch die Erfindung des Anmelders gelöst, wonach das besagte Gerät weiterhin einen
dielektrischen Film auf wenigstens einem Teil der Oberfläche der erwähnten Zone hat, sowie eine Elektrode, die dem dielektrischen
Film überlagert ist und eine separate Verbindung geringen Widerstands zu jeder der beiden Zonen. Die erwähnte erste Zone hat einen Abstand
von der Oberfläche von wenigstens einer Träger-Diffusionslänge und
eine genügend hohe Konzentration an Verunreinigung, um das Tunneln zu ermöglichen,
Die Erfindung und ihre Wirkungsweise ergeben sich aus der nachfolgenden
detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen.
Fig. 1 zeigt eine illustrative Ausführungsform gemäß Erfindung sowohl im Querschnitt als auch als Schaltschema.
Fig. 2 ist ein Energieband-Diagramm, das die Arbeitsweise des dargestellten Geräts gemäß Erfindung zeigt.
Es ist bekannt, daß zur Injektion bestimmte Minoritätsträger in einem
Raumladungsbereich durch Lavinenbildung und Tunneln geliefert
werden können, aber daß für bestimmte Anwendungen der Tunnel-Mechanismus
nachteilig ist. Die vorliegende Erfindung jedoch beruht auf der Erkenntnis, daß die Art des Tunnelns zur Herbeiführung einer
Injektion von Minoritätsträgern in bequemer Weise durch den gleichen Feldeffekt-Aufbau moduliert werden kann, der für den Injektions-
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Vorgang vorgesehen ist, um ein einzigartig vorteilhaftes Verstärker-Gerät
im Festzustand zu erhalten.
In einer erläuternden Ausführungsform gemäß Erfindung wird ein dielektrischer Film zwischen einer Metall-Elektrode und einem Halbleiter-Körper
angeordnet. Der Teil des Halbleiter-Körpers, der an
den dielektrischen Film angrenzt, enthält eine sehr dünne Zone eines Leitfähigkeits-Typs, die eine sehr hohe Konzentration an bedeutsamer ,
Verunreinigung enthält. Insbesondere ist die Dotierung mit Verunreinigung
in dieser Zone schon in dem als degeneriert bezeichneten Niveau, um ein quantenmechanisches Tunneln von Elektronen zwischen
dem Leitungsband nach Anlegen eines starken elektrischen Feldes über das Valenzband und die Metall-Elektrode an den dielektrischen
Film zu ermöglichen. Diese hochdotierte Zone ist sehr dünn und mit der Diffusionslänge eines Minoritätsträgers vergleichbar oder sogar
kleiner.
Der übrige Teil des Halbleiter-Körpers enthält einen dickeren Unterlagsteil
des entgegengesetzten Leitfähigkeits-Typs mit einer mäßigen Verunreinigungs-Konzentration. Der p-n-Übergang, der so zwischen
der dünnen Zone des einen Leitfähigkeits-Typs und dem Unterlagsteil des entgegengesetzten Leitfähigkeits-Typs definiert ist, wird rückwärts
geschaltet, um als Kollektor-Übergang für die Minoritätsträger zu dienen, die in der dünnen Zone vorgesehen sind. Dieser Sammelprozeß
009884/0560
. BAD ORIGINAL
hängt zum Teil von der dünnen Zone ab, die eine der Diffusions-Länge
der Träger wie auch dem angelegten Feld vergleichbare Dimension hat.
So induziert ein hohes Gleichstrom-Potential, das an die dielektrische
Schicht gelegt wird, den Tunnel-Prozeß innerhalb der dünnen Zone in der Nähe der dielektrischen Halbleiter-Grenzschicht, wodurch
Minoritätsträger zur Injektion in die dünne Zone bereitgestellt werden, um einen Strom zur Kollektion durch den rückwärts geschalteten
p-n-Übergang zu erzeugen. Dieser Strom wird durch ein schwaches Wechselstrom-Signal moduliert, das durch den dielektrischen Film
angelegt wird, um die durch Tunnelwirkung verfügbar gemachte Dichte der Minoritätsträger zu beeinflussen und demzufolge Trägerladungen
zu injizieren und danach zu sammeln. Zum Schluß erscheint ein verstärktes Signal des modulierten Stroms durch den Kollektor-Übergang
von hoher Impedanz.
In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung enthält das Festzustand-Element
10 einen Silicium-Körper 11 mit einer Unterlage 12 von n-Typ-Leitfähigkeit
und eine dünne Zone 13 von p-Typ-Leitfähigkeit. Eine metallplattierte Elektrode 14 hat Kontakt niedrigen Widerstandes mit der
n-Typ-Unterlage 12 und eine Metall-Elektrode 15 hat gleicherweise Kontakt mit der Zone 13 vom p-Typ. Typischer weise ist der Silicium-Halbleiterkörper
ein einkristallines Material und kann ein Plättchen von 0,15 mm χ 0,15 mm im Quadrat und etwa 0, 08 mm Gesamtdicke
009884/0560 BA0 0RlelNAL
enthalten. Die Zone 13 vom p-Typ ist, wie im Folgenden ausführlicher
besprochen wird, sehr dünn und liegt im Bereich von ein Zehntel Mikron.
Ein Teil der Oberfläche der Zone 13 vom p-Typ wird von einem dielektrischen
Film 16 aus einem Material überlagert, das zu einer geeignet hohen Verdrängung fähig ist. Im speziellen kann der Film 16 Siliciumnitrid
sein mit einer Dicke von etwa 1500 A. Wenigstens ein Teil des
dielektrischen Feldes 16 ist von einer Metall-Elektrode 17 überlagert,
die typischerweise aus einer Grundschicht aus Chrom und einer Auflage-Schicht aus Gold als Schutz zur Erleichterung der Kontaktbildung
besteht.
Wie in dem erläuternden Schaltschema angedeutet, wird eine Gleichstromquelle
18 und ein Wechselstrom-Signalgeber 19 durch den dielektrischen
Film durch Verbindung ζμ den Elektroden 15 und 17 miteinander
verbunden. Kennzeichnenderweise hat die Gleichstromquelle 18 eine Spannung (V ) von etwa 20 V und die Spannungsquelle des Wechselstrom-Signals
einen Wert oberhalb von etwa 1 Mikrovolt, gewöhnlich im Millivolt-Bereich. Ein zweites Gleichstrom-Potential 20 wird
zwischen die Elektroden 14 und 15 gelegt, um den p-n-Übergang 21 in Sperr-Richtung zu schalten. Die Spannung der Quelle 20 liegt kennzeichnenderweise
bei etwa 10 V. Die Abgabeleitungen 22 sind über eine geeignete Last 23 miteinander verbunden, um das vom Gerät
verstärkte Signal zu beobachten.
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Wie weiter oben vorgeschlagen, ist die Zone 13 vom p-Typ sehr dünn
und hat sehr stark dotiertes Material, das für quantenmechanisches Tunneln geeignet ist. Im speziellen ist ein Dotierungs-Niveau von
19 3
mehr als 10 Verunreinigungs-Atomen/cm vorgesehen. Diese Zone
wird leicht durch ein Festzustand-Diffusions-Verfahren bei hoher Temperatur hergestellt, unter Verwendung einer Verunreinigung wie
Bor, die durch eine Ofenbehandlung mit dem Diffusions-Stoff in gasförmigem
Zustand vorgesehen werden kann. Diese Technik ist der Fachwelt wohlbekannt und die Herstellung einer 0,1 Mikron starken
19 3
Zone mit mehr als 10 Atomen/cm ist kein außergewöhnliches Verfahren. Die Herstellung des Siliciumnitrid-Films auf der Oberfläche
der Zone 13 vom p-Typ kann in ähnlicher Weise nach bekannter Technik erfolgen. Geeignete Maskierungs-Techniken sind zur Begrenzung
des Ausmaßes des dielektrischen Films 16 verfügbar, um einen
Teil der Oberfläche der p-Typ-Zone 13 zwecks Herstellung der Elektrode 15 mit geringem Widerstand freizulegen. Die Herstellung
der Metall-Elektroden 14, 15 und 17 durch Niederschlags-Techniken ist gleichermaßen wohlbekannt.
Eine mehr ins einzelne gehende Erläuterung der Arbeitsweise der illustrativen Apparatur nach Fig. 1 wird durch das hier gezeigte
Energieband-Diagramm gegeben. Es ist ein konventionelles Diagramm des Aufbaus der Fig. 1 und zeigt von links nach rechts die Band-Konfiguration
innerhalb des Isolators, die p-Typ-Halbleiterschicht
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und die n-Typ-Halbleiterschicht. Das Anlegen des Gleichstrom-Potentials
V von der Gleichstromquelle 18 ergibt ein Feld, das die Energiebänder ziemlich steil an die Grenzfläche Isolator/Halbleiter
heranführt. Diese Kombination von Verunreinigungs-Konzentration und elektrischem Feld führt zum quantenmechanischen Tunneln von
Ladungsträgern zwischen dem Valenzband und dem Leitfähigkeitsband. Die durch solche Tunnelwirkung gelieferten Minoritätsträger diffundieren
gegen den in Sperr-Richtung geschalteten p-n-Übergang und gehen dort zum Kollektor, wenn die Dicke der p-Typ-Zone mit einer
Diffusionslänge eines Minoritätsträgers vergleichbar wird. Wie oben dargelegt, ist diese Dimension kennzeichnenderweise 0, 2 Mikron
stark. Praktisch kann die dünne Zone von 0,1 bis 0, 5 Mikron Dicke
haben.
Der Wechselstrom-Signaleingäng zur Modulierung dieses Tunnelstroms
wird als sinusförmige Spannung gezeigt, die von den Grenzen V Λ und
el,
V „ um die Gleichstromspannung V eingeschlossen wird. Die
Wirkung dieser wechselnden Spannung ist die Änderung des an die Grenzfläche Isolator/Halbleiter angelegten Feldes und ändert demzufolge
die Verschiebung, die mit dem Produkt aus der Stärke des Feldes und der Dielektrizitäts-Konstante des Isolators in Beziehung
steht. Insoweit die Dichte der Minoritätsträger innerhalb des Halbleiters bei angelegtem Feld gleichermaßen mit der Verschiebung in
Verbindung steht, ändert sich diese Dichte in Abhängigkeit vom
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Eingangs-Signal. Schließlich steht die Anzahl der Minoritätsträger,
die in das Leitfähigkeitsband durch die p-Typ-Zone diffundieren und den Injektions-Strom darstellen, in Beziehung zur. Minoritätsträger Dichte,
die innerhalb des Feldes im Halbleiter in der Nähe der Grenzfläche Isolator/Halbleiter erzeugt wird.
Diese Modulierung der Minoritätsträger-Injektion ist graphisch durch
die gestrichelte Linie der Ablenkung der Band-Kanten an der Grenzfläche Isolator/Halbleiter in Fig. 2 wiedergegeben. Die Wirkung dieser
Bewegung der Band-Kanten auf die Minoritätsträger-Dichte an der Grenzfläche kann durch den Wechsel im Leitungsband-Bereich gewürdigt
werden, das dem Tunneln zugänglich ist. Diese Trägerdichte spiegelt sich wieder in der Menge an Ladungsträgern, die in das
Leitungsband eindiffundieren wie von der m>t Pfeilen versehenen Linie
wiedergegeben. Der Kollektor-Effekt dieser Träger durch die hohe
Impedanz des in Sperr-Richtung geschalteten p-n-Übergangs ergibt dann ein Ausgangs-Signal, welches die verstärkte Antwort des Eingangs-Signals
ist.
Es versetht sich, daß der Leitfähigkeits-Typ der Zonen bei der oben
beschriebenen Ausführungsform umgekehrt werden kann bei einer entsprechenden Umkehr in der Polarität der Spannungs-Gefälle. Außerdem
können andere Werkstoffe, andere Bauarten und spezielle Schaltanordnungen getroffen werden. Insbesondere kann der dielektrische Film
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aus einer sehr dünnen Schicht mit einer sehr hohen Dielektrizitäts-Konstante
bestehen, in der ein ausreichend eingebautes Feld vorgesehen werden kann, um eine Injektion von Minoritätsträgern zu ermöglichen.
Auch kann das Gerät mit dem ρ -η- Übergang in Durchlaßrichtung betrieben werden, womit die Modulierung der Durchlaß-Charakteristik
mit den gleichen vorteilhaften Eigenschaften der Geräte-Anordnung erreicht wird wie zuvor beschrieben.
Beispielsweise können andere Werkstoffe als die speziell offenbarten
verwendet werden. Außer Silicium als Halbleiter-Material können Germanium und intermetallische Halbleiter-Verbindungen der III-V
und II-VI Gruppe des periodischen Systems verwendet werden. Es
können (auch) andere Dielektrika außer Siliciumnitrid, wie Siliciumoxid, Tantaloxid und Aluminiumoxid verwendet werden. Überdies
können planare Techniken angewandt werden, um den einzelnen p-n-Übergang herzustellen, wobei die Übergangs-Grenzen die aktive
Oberfläche durchstoßen. Indessen liegen alle Anordnungen der größeren ebenen Oberfläche des p-n-Übergangs parallel zur Grenzfläche
Dielektrikum/Halbleiter.
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Claims (7)
1. Halbleiter-Gerät bestehend aus:
einem Körper aus Halbleiter-Material,
einem Körper aus Halbleiter-Material,
einer ersten Zone in diesem Körper vom einen Leitfähigkeits-Typ,
einer zweiten Zone in diesem Körper vom entgegengesetzten Leitfähigkeits-Typ, die mit der ersten Zone einen p-n-Übergang bildet,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Bewirkung einer im wesentlichen kapazitiven Eingangs-Impedanz in diesem Gerät, einer Basis-Schicht
von relativ geringem Widerstand, einer verbesserten Strombehandlungs· Kapazität und Frequenz-Folgemöglichkeit dieses Geräts
ferner aus
einem dielektrischen Film (16) auf wenigstens einem Teil der Oberfläche
der ersten Zone,
einer den dielektrischen Film aufliegenden Elektrode (17) und einer
getrennten Verbindung (14 und 15) geringen Widerstands zu jeder der
beiden Zonen besteht und
daß die erwähnte erste Zone einen Abstand von der Oberfläche von mindestens einer Diffusionslänge eines Ladungsträgers hat und eine
ausreichend hohe Verunreinigungs-Konzentration, um Txinnelwirkung
zu ermöglichen.
2. Halbleiter-Gerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
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das Halbleiter-Material aus der Gruppe Silicium, Germanium und
intermetallische Halbleiter-Verbindungen aus Kombinationen (der III-V
und H-VI Gruppe des periodischen Systems) ausgewählt wird.
3. Halbleiter-Gerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
der dielektrische Film aus der Siliciumnitrid, Siliciumoxid, Tantaloxid und Aluminiumoxid umfassenden Gruppe ausgewählt wird.
4. " Halbleitendes Signalübermittlungs-Gerät nach Anspruch 1 dadurch
gekennzeichnet, daß die Hauptebene des p-n-Übergangs praktisch parallel zur Ebene der Oberfläche angeordnet ist,
5. Halbleiter-Gerät nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß
die Verunreinigungs-Konzentration in der ersten Zone wenigstens
19 3
10 Atome/cm beträgt und daß die Dicke der ersten Zone 3 Diffusionslängen
eines Ladungsträgers nicht überschreitet.
6. Halbleiter-Gerät nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß
das halbleitende Material Silicium ist und daß die Dicke der ersten
Zone etwa 0, 2 Mikron beträgt und die Verunreinigungs-Konzentration
19 3
wenigstens 10 Atome/cm Bor.
7. Halbleiter-Gerät nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß
der dielektrische Film eine Schicht aus Siliciumnitrid mit einer Dicke von etwa 500 bis 3000 R enthält.
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