DE1947103C3 - Reversibel in zwei verschiedene elektrische Leitfähigkeitszustände schaltbares Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein reversibel in zwei verschiedene elektrische Leitfähigkeitszustände schaltbares Halbleiterbauelement mit einem Halblciterkörper, der zwei Kontaktelektroden mit niedrigem elektrischen Übergangswiderstand aufweist und aus Aluminium, Gallium, Indium, Schwefel, Selen oder Tellur enthaltendem Halbleitermaterial besteht, das einen Zustand hohen elektrischen Widerstands und einen Zustand mit um Zchnerpotenzen niedrigem Widerstand hat, zwischen denen das Bauelement im wesentlichen plötzlich durch an die Kontaktelektrodcn angelegte elektrische Signale umschaltbar ist, und zwar vom Zustand hohen elektrischen Widerstandes in den Zustand niedrigen elektrischen Widerstandes durch eine an die Kontaktelektroden angelegte Spannung oberholb einer bestimmten Schwellenspannung und vom Zustand niedrigen elektrischen Widerstandes in den Zustand hohen elektrischen Widerstands durch Vermindern des Stroms unter einen bestimmten Schwellenstrom.

Ein derartiges Halbleiterbauelement ist bereits bekannt (USA.-Patentschrift 3 336 486). Dabei kann das Halbleitermaterial kristallin oder amorph sein. Bei einem Halbleiterbauelement mit gleichem Gehaltverhalten kann das Halbleitermaterial ein amorpher Halbleiterfilm sein (USA.-Patentschrift 3271591). Infolge seiner im wesentlichen plötzlichen Änderbarkeit vom Zustand hohen in den Zustand niedrigen elektrischen Widersinnds und zurück wird das eingangs genannte Halbleiterbauelement bevorzugt /__u Schaltzwecken verwendet. Es ist möglich, mit einer verhältnismäßig geringen Leistung eine große Leistung zu steuern; das Halbleiterbauelement ist daher auch in übliche Lastkreise einschaltbar. Weitere Vorteile sind die räumlich kleine Bauart und der Umstand, daß die Bestrahlung mit Kernenergie — im Unterschied zu dotierten Halbleitermaterialien — praktisch keine Änderung der Struktur des Halbleitermatenals und daher der Eigenschaften des Halbleiterbauelements verursacht. Seine Anwendbarkeil im exterestrichen Raum ist ein weiterer Vorteil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art dahingehend noch weiter zu verbessern, daß es auch bei hohen Temperaturen stabile Schalteigenschaften aufweist.

Die Erfindung besteht darin, daß das Halbleitermaterial im wesentlichen aus einer der folgenden nichtmetallischen polykationischen 111-VI-Verbindungen besteht:

GaS, InS, GaSe, InSe, GaTe, InTe, AlTe.

Werden derartige spezielle polykationische Verbindungen insbesondere kristalliner, jedoch auch amorpher Art verwendet, dann sind die Schalteigenschaften des Halbleiterbauelements bei höheren Temperaturen stabiler als die vorbekannten. Dadurch können mit derartigen Halbleiterbauelementen bestückte Schaltungen auch bei höheren Temperaturen betrieben werden, ohne daß die Gefahr besteht, daß sie — beispielsweise in elektronischen Datenverarbeitungsanlagen — Fehlmeldungen machen bzw. Schaltungen an falschen Schaltzeitpunkten vornehmen.

Sofern ein Halbleitermaterial mit amorphen zwischen den Elektroden angeordneten Halblciterfilni verwendet wird, der einen kristallinen von der einen zur anderen Elektrode verlaufenden Pfad enthält, empfiehlt es sich, daß der amorphe Halbleiterfilm einen höheren elektrischen Widerstand und eine höhere Durchschlagspannung zwischen den Elektroden hat als der umschaltbare elektrische Widerstand bzw. die Schwellenspannung des kristallinen Pfades.

In den fraglichen Verbindungen bilden die Elemente der Gruppe III kleine kationische Moleküle (zweiatomige kationische Moleküle), die mit Elementen oder Anionen der Gruppe VI kovalente Bindungen haben. Dank dieser polymeren Anordnung ergeben sich Halbleitereigenschaften, die in idealer Weise für die Zwecke der Erfindung geeignet sind; sie weisen eine im wesentlichen polymerkristallinc oder polykristallinartige Struktur auf.

An Hand der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung im folgenden näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische ÜarMellung eines Halbleiterbauelements in Reihenschaltung in einem Laststromkreis;

Fig. 2 ein Strom-Spannungs Diagramm zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Halbleiterbauelemente in einem Gleichsirom-Lastkreis;

Fig. 3 und 4 Strom-Spannungs-Diagran.nie zur Veranschaulichung der Wirkungsweise des Halbleiterbauelements in einem Wechselstrom-Lasikrei.s;

Fig. 5 ein schematischer Schnitt einer Ausführungsiorm des Halbleiterbauelements aus einem im wesentlichen polymer kristallinen oder pol\ kristallinartigen Material in größerem Maßstab;

Fig. 6 ein schemaiischer Schnitt einer anderen Ausführungsform des Halbleiterbauelements aus einem im wesentlichen pol\mer-amorph-arti«en Material in größerem Maßstab.

Gemäß Fig. I weist das Halbleiterbauelement K) ein Halbleitermaterial 11 von einem einzigen Leitfähigkeitstyp und hohem elektrischen Widerstand auf. Es steht mit zwei Elektroden 12, 13 in Berührung und hat zu diesen einen niedrigen elektrischen Übergangswiderstand. Mittels der Elektroden 12 und 13 ist daß Halbleiterbauelement 10 in Reihe in einen elektrischen Lastkreis eingeschaltet, der eine Last 14 und zwei Anschlußklemmen 15, 16 für die Zufuhr elektrischer Energie aufweist. Die zugeführte Energie kann je nach Wunsch eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung sein.

Fig. 2 ist ein Strom-Spannungs-Diagramm /ur Veranschaulichung des Gleichstrombetriebes. Das Halbleiterbauelement 10 befindet sich normalerweise im Zustand hohen elektrischen Widerstandes, wenn die Strom-Soannungs-Kurve 20 berücksichtigt wird; der elektrische Widerstand des Halbleilermaterials ist ^5 hoch, und der Stromdurchgang durch das Halbleiterbauelement 10 ist im wesentlichen gesperrt. Erreicht die Spannung die Schwellenspannung, dann sinkt in mindestens einem Pfad zwischen den Elektroden 12, 13 der Widerstand des Halbleitermaterials im wesentliehen augenblicklich \on dem hohen Wert auf einen niedrigen Wert; dieses im wesentlichen augenblickliche Umschalten ist durch die Kurve 21 angedeutet. Auf diese Weise wird ein Zustand der Leitfähigkeit oder ein niedriger elektrischer Widerstand geschaffen, !5 bei dem elektrischer Strom geleitet wird. Der niedrige elektrische Widerstand ist um zahlreiche Zehnerpotenzen niedriger als der hohe elektrische Widerstand. Der Leitfähigkeitszustand wild durch die Kurve 22 veranschaulicht. Es ist leicht einzusehen, daß hier die Strom-Spannungs-Charakteristik im wesentlichen linear ist und die Spannung im wesentlichen konstant ist, sie ist die gleiche für steigende und sinkende Stromstärke. Mit anderen Worten wird der elektrische Strom bei im wesentlichen konstanter Spannung geleitet. Im Leitfähigkeitszustand niedrigen Widerstandes hat das Halbleitermaterial einen Spannungsabfall, der nur einen kleinen Bruchteil seines Spannungsabfalls im Sperrzustand hohen Widerstandes in der Nähe der Schwellenspannung beträgt.

Bei Abnahme der Spannung sinkt die Stromstärke entlang der Kurve 22; wenn die Stromstärke unter einen Mindestwert, den Haltestrom oder Schwellcnstrom sinkt, kehrt der Widerstand des Pfades äugenblicklich von seinem niedrigen Wert auf seinen hohen Wert zurück, wie dies durch die Kurve 23 veranschaulicht wird: der Sperrzustand hohen Widerstands wird wieder hergestellt. Diese Steigerung des elektrischen Widerstandes von dem niedrigen Wert auf der, hohen Wert erfolgt ebenfalls augenblicklich.

Das Halbleiterbauelement 10 ist im Beirieb s\mine'.risch, das Sperren und das Leiten des elektrischen Stroms erfolgt im wesentlichen in gleichem Maß in beiden Richtungen. Das Umsehallen zwischen dem Sperrzustand und dem Zustand der Leitcrlähigkeit erfolgt äußerst schnell.

Beim Wechselstrombetrieb würde die Strom-Spannungs-Kennlinie für die /weite Halbperiode des Wechselstroms in demjenigen Quadranten liegen, der dem in Fig. 2 dargestellten gegenüberliegt.

Den Wechselst rombetrieb veranschaulichen die 1" i g. 3 und 4. und zwar Pin. 3 im Sperrzustand, bei dem die Spannungsspitze der Wechselspannung niedriger als die Schwellenspannung ist. Die Kurve 20 veranschaulicht den .Sperrzustand in beiden Halbperioden. Wenn iedoch die Spannungsspitze der angelegten Wechselspannung über die Schwellenspannung des Halbleiterbauelements 10 hinaus steigt, schallet dieses, wie durch die Kurve 21 veranschaulicht, im wesentlichen augenblicklich in den durch die Kurve 22 veranschaulichten Leitfähigkeits/ustand um; dieses Umschalten erfolgt während jeder Halbperiode der angelegten Wechselspannung. Wenn die angelegte Wechselspannung sich dem Wert Null nähen, so daß die Stromstärke des Stroms unter den Schwellenstrom absinkt, schaltet das Halbleiterbauelement 10. wie durch die Kurve 23 angedeutet, gegen Ende jeder Halbperiode \0111 Zustand niedrigen elektrischen Widerstandes in den Zustand hohen elektrischen Widerstandes (Kurve 20) um.

Für eine gegebene Ausbildung des " lalbleiterbauelementes 10 betragen der hohe elektrische Widerstand etwa 1 MlJ und der niedrige elektrische Widerstand etwa 10 il. die Schwellenspannung etwa 15 V und der Spannungsabfall über das Halbleitermaterial I 1 im Leitfähigkeitszustand weniger als 1 V; die Schaltzeiten können Nanosekunden oder weniger betragen.

Das Halbleitermaterial kann als dicker Körper verwendet werden. Beim Herstellen von Halbleitermaterialien in Form dicker Körpe; können entsprechende Mengen der sie bildenden Elemente oder Bestandteile in einem geeigneten geschlossenen Gefäß bis zu einem Zustand, in dem die Bestandteile eine geschmo'zene Masse bilden, erhitzt und im Interesse der Gleichförmigkeit dieser Masse gerührt werden. Die Masse kann dann zur Bildung eines Barrens gekühlt werden, und es hat sich gezeigt, daß der Barren im wesentlichen eine polymer kristalline oder pol y k rislal I i η a rt ige Struktur aufweist. Von dem Barren kann Halbleitermaterial in der gewünschten Form abgeschnitten oder in anderer Weise abgetrennt werden. Statt dessen können die Halbleitermaterialien in Form der geschmolzenen Masse vergossen werden. Auch können die Barren durch Mahlen oder Fräsen od. dgl. in feine Partikel oder in ein Pulver des Halbleilermaterials zerkleinert werden und zu Körnchen von gewünschtter Gestalt verpreßt werden.

Bei der Herstellung dünner Schichten oder Filme können feine Teilchen oder Pulver des Hableitermaterials, die von einem Barren des Halbleitermaterials in der oben erwähnten Weise erhalten werden, in einem geeigneten Träger, beispielsweise einer Farbe, einem Lack od. dgl. dispergiert werden und als solche durch Streichen. Siebdrücken, Drucken od. dgl.

aul einen geeigneten Träger aufgetragen werden. In diesem Fall, ebenso wie im Fall von Halbleitermaterialien in Form dicker Körper, ist das Halbleitermaterial im wesentlichen von polymer kristalliner oder polykristallinartiger Struktur.

Fig. 5 veranschaulicht schematisch eine Ausführungsform der Erfindung mit einem Halbleitcrfilm 11 von im wesentlichen polymer kristalliner oder polykristallinartiger Struktur.

Dünne Schichten oder Filme können auch, ausgehend von einem Barren des Hablcilermaterials, durch Aufspritzen des Halbleilennaterials auf einen Träger oder eine Unterlage oder durch gemeinsames Aufspritzen der das Halbleitermaterial bildenden Elemente oder Bestandteile selbst auf dem Träger oder die Unterlage gebildet werden. Wenn auf diese Weise dünne Schichten oder Filme durch Aufspritzen gebildet werden, ist das Halbleitermaterial von im wesentlichen amorpher Struktur.

Gemäß Fig. 6 hat der Halbleiterfilm 11 zwischen den Elektroden 12, 13 eine im wesentlichen amorphe Struktur mit einem hohen Widerstand und einer hohen Durchschlagspannung. Wenn eine solche Struktur einer hohen Spannung, beispielsweise von 55 V für eine gegebene räumliche Form, ausgesetzt wird, wird ein Pfad 17 durch den Halbleitcrfilm 11 geschaffen, der annahmeweise eine von der amorphen Struktur abweichende Struktur, und zwar eine im wesentlichen polymer kristalline oder polykristallinartige Struktur, aufweist. Dieser Pfad 17 durch das im wesentlichen amorphe Halbleitermaterial wirkt im wesentlichen as polymer kristalline oder polykristallinartige Struktur des Halblcitcrbauclcmentcs von Fig. 5. Mit anderen Worten: bei der Ausführungsform der Erfindung gemäß F i g. 6, bei der das HaIbleitermaterial aus einem aufgespritzten dünnen Film bestellt, wird der amorphe Halbleilerfilm 11 anfangs zur Schädling eines Pfades 17 durch eine verhältnismäßig hohe Spannung zum Zusammenbrechen gebracht, und dieser Pfad 17 hat bei einer gegebenen

ίο Gestalt eine Schwellenspannung von im wesentlichen 15 V. Wenn auf diese Weise das Halbleiterbauclemcni gemäß F i g. 6 erstmalig erzeugt worden ist, wirkt ei im wesentlichen in der gleichen Weise wie dasjenige gemäß Fig. 5.

Die Berührung der Elektroden 12, 13 mit deir Halbleitermaterial 11 kann auf mannigfaltige Weise herbeigeführt werden. Die Elektroden 12, 13 könncr mechanisch angepreßt werden, sie können in da: Halbleitermaterial warm eingepreßt werden oder sie können durch Aufdampfen in Vakuum, durch Spritzen oder durch Auftrag aus einer Lösung od. dgl. auf gebracht werden. Statt dessen kann das Halbleiter material auf die Elektroden 12. 13 durch Streichen Siebdrucken, Drucken, Spritzen od. dgl. aufgetrager werden.

Die Elektroden 12, 13 sollten gute elektrische Lei ter sein und sollen mit dem Halbleitermaterial nich ungünstig reagieren. Sie sollten aus feuerfesten Metal lcn. wie Wolfram. Tantal. Molybdän, Niob od. dgl.

oder aus Metallen, wie rostfreier Stahl, Nickel, Chron od. dul. bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnunaen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Reversibel in zwei verschiedene elektrische Leitfähigkeitszustände schaltbares Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der zwei Koniaktelektroden mit niedrigem elektrischen Übergangswiderstand aufweist und aus AI, Ca, In, S, Se oder Te enthaltendem Halbleitermaterial besteht, das einen Zustand hohen elektrischen Widerstands und einen Zustand mit um Zehnerpotenzen niedrigerem Widerstand hat, zwischen denen das Bauelement im wesentlichen plötzlich durch an die Kontaktelektroden angelegte elektrische Signaie umschaltbar ist, und zwar vom Zustand hohen elektrischen Widerstand in den Zustand niedrigen elektrischen Widerstands durch eine an die Kontaktelektrodcn angelegte Spannung oberhalb einer bestimmten Schwellenspannung und vom Zustand niedrigen elektrischen Widerstands in den Zustand hohen elektrischen Widerstands durch Vermindern des Stroms unter einen bestimmten Schwellenstrom, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial im wesentlichen aus einer der folgenden nichtmetallischen polykationischen IH-VI-Verbindungen besteht:

GaS, InS,

GaSe, InSe,

GaTe, InTe, AlTe.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial kristallin ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial ein amorpher, zwischen den beiden Elektroden (12, 13) angeordneter Halbleiterfilm (11) ist, der einen kristallinen von der einen zur anderen Elektrode verlaufenden Pfad (17) enthält (Fig. 6).

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der amorphe Halbleiterfilm (11) einen höheren elektrischen Widerstand und eine höhere Durchschlagsspannung zwischen den Elektroden (12, 13) hat als der umschaltbare elektrische Widerstand bzw. die Schvvellcnspannung des kristallinen Pfades (17).