DE1960370B2 - Elektronisches festkoerperschaltelement - Google Patents

Description

i 960 370

auch mis der »Zeitschrift für Angewandte Physik«, Die folgenden Elektronen können d»nn ungehindert

Bd, 28, 1969, H. 3, S. 143 bis 148, bekannt. wandern und erhöhen sprunghaft die Leitfähigkeit

Der Umschakeffekt in den Glnshalbleitem kann des Halbleiterkörpers, Im Gegensatz zu den vornach Ovshinsky auf eine »Lücke« in der Beweg- stehend genannten bekannten elektronischen Festlichkeit der Ladungsträger zwischen dem Energie- 5 körperschaltelementen findet der Schaltprozeß wenig- und dem Leitfähigkeitsband beruhen, wie in dem stens annähernd auf der gesamten Halbleiterfläche Artikel »Simple Band Model for Amorphous Semi- parallel zu den Schichten statt. Ein solcher Halbleiterconducting Alloys« in »Physical Review Letters«, körper kann aus aufeinanderfolgenden Schichten des Mai 1969, S. 1065 bis 1068, ausgeführt ist. In diesem gleichen Materials bestehen, bei denen die Potential-Energiebereich sind die Elektronen nahezu unbeweg- io schwellen in dem Leitungsband durch Zusätze eines lieh. Die Ladungsträger werden deshalb leicht ein- anderen Stoffes hergestellt sind,
gefangen. Sobald die Energiezustände zwischen dem Die Wirksamkeit eines solchen Halbleiterkörpers Leitungsband und dem Fermi-Niveau aufgefüllt sind, beruht auf einem Majoritätsträgereffekt. Es ist deshalb schaltet das Element in den niederohmigen Zustand insbesondere polykristallines Material für den HaIbiim, weil die zusätzlich injizierten Elektronen sich im 15 leiterkörper geeignet, das bekanntlich wesentlich Energiezustand oberhalb der Beweglichkeitslücke be- leichter als ein Einkristall herstellbar ist, und es ist finden und dadurch gut leiten. auch amorphes Halbleitermaterial ausreichend.

Diese Beweglichkeitslücke kann auch dadurch Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dienen die

erklärt werden, daß im amorphen Halbleiter das F i g. 3 bis 5.

Valenzband und das Leitungsband örtlichen Schwan- ao Tn F i g. 3 sind die ,rschiedenen Energiehöhen der kungen unterliegen, wie in F i g. 2 schematisch ver- Ladungsträger über ihrer·, räumlichen Abstand χ im »nschaulicht ist. Dort ist die Energie E der Ladungs- Halbleiterkörper von einer Elektrode eines Schaltträger in einer Schnittebene des Halbleiterkörpers in elementes nach der Erfindung h einem Diagramm Abhängigkeit von ihrer Entfernung λ: von einer der aufgetragen. Auf einen η-leitenden Germaniumkörper2 Elektroden des Halbleiterkörpers aufgetragen. Valenz· 25 wird abwechselnd η-leitendes Silizium 3 und n-leitenband E_c und Leitungsband E₀ haben unterschiedliche des Germanium 4 aufgebracht, vorzugsweise durch Höhen über der Ausdehnung des Halbleiterkörpers. Abscheidung aus einer gasförmigen Verbindung der Das Fermi-Niveau ist mit Ef bezeichnet. Im hoch- beiden Halbleitermaterialien, insbesondere Germa-Ohmigen Gebiet kann zunächst der Energiezustand niumtetrachlorid mit Wasserstoff H₂GeCl₄ und SiIizwischen der maximalen Energie E₂ und dem Fermi- 30 ziumtetrachlorid mit Wasserstoff H₂SiCl₄. Silizium Niveau E_F aufgefüllt werden. Hier ist die Beweglich- hat einen größeren Bandabstand als Germanium, und keit sehr gering. Bei größerer Injektion von Ladungs- es entsteht somit jeweils eine Potentialschwelle der trägern mit Energien E > E₂ schaltet das Element in Leitungsbandkante E_c. Die Dicke d der aufgebrachten den niederohmigen Zustand, weil sich dann die Siliziumschichten 3 kann vorzugsweise kleiner als di" Ladungsträger frei bewegen können. Energietäter und 35 Debye-Länge und größer als die Schichtdicke d_T ge-Energieberge des Leitungsbandes E₀ sind statistisch wählt werden, bei der bereits ein merklicher Tunnelverteilt. Dies gilt aber nicht nur in der dargestellten strom fließt. Es wird somit
Eb"ne des Feldes. Der Strompfad bildet sich dann
dort aus, wo sich der niedrigste Paß des Potential- , / ; _{ε K} . _T

gebirges befindet. Die bekannten Schaltelemente mit 40 dr < d < \j—1

Glashalbleiterkörper haben deshalb den Nachteil, daß I ^e ' "^D

sich der Strompfad nur in diesen vorgegebenen gewählt, wobei

Tälern ausbildet und nicht über die gesamte Fläche .. _. , , .....

vorteilen kann. Die Fo/ge ist eine übermäßige Er- ^ε> ^ε° ^die Dieiektnzitatskonstante

wärmung des Halbleiterkörpers im Strompfad bei 45 ^{K die} Boltzmannkonstante

größeren Leistungen, die zum Schmelzen des dünnen T die absolute Temperatur

Halbleiterkörpers führen kann. _e die Elementarladung und

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, _{dje Donatorendichte}
die Belastbarkeit der bekannten Schaltelemente fur

beide Stromrichtungen mit einem Glashalbleiterkörpet 5° ist.

wesentlich dadurch zu erhöhen, daß der Stroir ülsr Unter dieser Voraussetzung sind im Gleichgewicht

die gesamte Fläche des Halbleiterkörpers verteilt wird. die den Donatoren entsprechenden Elektronen aus den

Diese Aufgabe wird bei einem elektronischen Siliziumschichten 3 in die Germaniumschichten 4

Festkörperschaltelement der eingangs genannten Art bzw. 2 abgeflossen. Die Siliziumschichten sind dann

erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Halbleiter- 55 hocnohmig und können somit eine vorbestimmte

körper aus abwechselnden Schichten gleichen Lcitungs- Spannung aufnehmen. Nach dem Auffüllen der Ger-

lyps besteht und daß mindestens ein leitende? Band maniumtäler mit Elektronen schaltet das Schalt-

mindestens einer der Schichten Potentialschwellen element in den niederohmigen Teil der Kennlinie

enthält. nach F i g. 1 um.

In einem solchen Halbleiterkörper ist zwar die 6° Nach F i g. 4 kann der fertige Halbleiterkörper aus

Leitungsbandkante in der Richtung zwischen den abwechselnden Germaniumschichten 2 und 4 sowie

Elektroden des Schaltelementes unterschiedlich, nicht Siliziurrschichtcn 3 mit zwei nichtsperrenden Elek-

aber in den beiden anderen räumlichen Ausdehnungen. troden 5 und 6 versehen werden, an denen jeweils ein

Es werden somit Potentialbarrieren gleichmäßig Leiter 7 bzw. 8 befestigt ist. Da die Umschaltung in

parallel zu den Kontaktflächen der Elektroden er- 65 einem solchen Schaltelement auf einem Majoritäts-

richtet. Die injizierten Elektronen dienen zunächst trägereffekt beruht, ist dieser Schalter weitgehend

zum Auffüllen des Energieniveaus zwischen der un- unempfindlich gegen äußere Störungen des Schalt-

teren Leitungsbandkante und den Potentialbarrieren. Vorganges. Dennoch kann es zweckmäßig sein, den

fertigen Halbleiterkörper gegen mechanische Beschädigung oder Kriechströme zu schützen. Zu diesem Zweck kann das Schaltelement beispielsweise in einem Gehäuse angeordnet oder von einem sclbsthärtenden Kunststoff eingeschlossen sein. Der Halbleiterkörper kann beispielsweise etwa 100 Schichten unterschiedlicher Bandbreite enthalten, deren Dicke d beispielsweise etwa jeweils 1 μ betragen kann. Die Länge des gesamten Halbleiterkörpers wird deshalb im allgemeinen 100 μ nicht wesentlich überschreiten.

Die Breite d und die Anzahl der Siliziumschichten 3 bestimmen die Schaltspannung (/.«des Schaltelemcntes. Sein Schaltstrom h ist gegeben durch die Beweglichkeit der Ladungsträger und durch den Abstand α, der Leitungsbandkanten von Silizium und Germanium. Ist das Verhältnis der verbotenen Bänder £,(/£„,> und somit im allgemeinen auch die Energiedifferenz o, zu groß, so kann die Siliziumschicht 3 auch durch eine Silizium-Germanium-Legierung ersetzt werden. Mit einer solchen lückenlosen Mischkristallreihe, deren Bandabstand in F i g. 5 schematisch veranschaulicht ist, kann der erforderliche Schaltstrom kontinuierlich geändert und somit auch ein gewünschter Schaltstrom Is eingestellt werden. Dort ist die Breite der verbotenen Zone . IE in Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis der Legierungen Silizium und Germanium in einem Diagramm aufgetragen. Die Breite der verbotenen Zone JE beträgt für reines Silizium 1,1 eV und für reines Germanium 0,6 eV. Bei einem Silizium-Germanium-Mischkristall mit z. B. 80°/₀ Germanium und 20% Silizium ist die Breite IE um einen Wert höher, der in der Figur mit einer Strecke α dargestellt ist. und den Bandabstand nach F i g. 5 um die Anteile O₁ und a₂ vergrößert, da a - a_x \ a₂ gilt. Bei n-leitendem Halbleitermaterial bestimmt der Abstand α, die Größe des Schaltstromes /.,.

Die Halbleiterkörper können aus Halbleiterelementen oder Verbindungen der Elemente der III. und V. sowie II. und VI. Gruppe des Periodischen Systems hergestellt werden. Gut geeignet sind vorzugsweise Halbleiter mit hoher Trägerbeweglichkeit von etwa μ> 100cm²Vsec und die Mischkristalle bilden. Diese Eigenschaften haben beispielsweise Galliumarsenid GaAs und Galliumphosphid GaP. In n-leitenden Mischkristallen ist im allgemeinen die Beweglichkeit der Elektronen größer als die Beweglichkeit der Defektelektronen. Mit einer lückenlosen Mischkristallreihe nach F i g. 5 kann mit dem Anteil der beiden Materialien die Höhe der Potentialsehwelle kontinuierlich eingestellt werden, weil der Schaltstrom /.« von der Höhe der Potentialschwellc im Leitungsband bestimmt wird.

Neben Galliumarsenid und Galliumphosphid sind auch andere Halbleiter erbindungen, die Mischkristalle bilden, beispielsweise Indiuinarsenid InAs und Indiumphosphid InP. geeignet.

Die einzelnen Schichten können vorzugsweise durch die bekannte Epitaxie oder auch durch Aufdampfen im Vakuum auf den Halbleiterkörper aufgebracht werden. Auch das Aufsprühen eines das Halbleitermaterial enthaltenden Lösungsmittels ist möglich. Außerdem ist auch das Aufstäuben, insbesondere Kathodenzerstäubung, zum Aufbringen der einzelnen Halbleiterschichten geeignet.

Silizium und Germanium können vorzugsweise durch Abscheidung aus einer gasförmigen Halogenid verbindung, insbesondere durch Hochtemperaturreduktion des Germanium- bzw. Siliziumtetrachlorids mit Wasserstoff als Trägergas:

SiCI₄ ι 2 H_s-Si f 4HCl

gewonnen werden.

Zu diesem Zweck kann jeweils abwechselnd ein das Halbleitermaterial enthaltender Gasstrom über den Halbleiterkörper geleitet werden. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, dem Gasstrom mit der gasförmigen Halbleiterverbindung, beispielsweise der gasförmigen Germaniumverbindung, stoßweise eine gasförmige Siliziumverbindung zuzuführen. Dann wird jeweils abwechselnd eine Schicht Germanium und als weitere Schicht eine Germanium-Silizium-Verbindung abgeschieden.

Die A^nIB^v-Verbindungen ergänzen die Elemente Germanium und Silizium durch Kalbleiterstoffe mit ähnlichen Eigenschaften, wobei die verbotenen Zonen im wesentlichen unterhalb derjenigen von Germanium und oberhalb derjenigen von Silizium liegen. Galliumarsenid und Galliumphosphid bilden ebenfalls eine lückenlose Mischkristaüreihe. Diese Verbindungen können deshalb vorteilhaft zur Hersteilung von Schaltelementen nach der Erfindung verwendet werden. Wie im Ausführungsbeispiel für Germanium und Silizium erläutert, kann von solchen A^m-B^v-Verbindungen ebenfalls jeweils abwechselnd eine Schicht, vorzugsweise Galliumarsenid GaAs, und eine folgende Schicht mit dem gleichen Element der III. Gruppe und einer anderen der V. Gruppe, vorzugsweise Galliumphosphid GaP, aufgebracht werden. Ferner kann die zweite Schicht ebenfalls das Material der ersten Schicht und zusätzlich eine weitere Halbleiterverbindung enthalten, die zur Herstellung der Potentialschwellen zugesetzt wird und vorzugsweise dem Gasstrom des Materials dir ersten Schicht stoßweise zugeführt werden kann. Auf diese Weise kann nach der Erfindung ein Halbleiterkörper mit abwechselnden Schichten aus Galliumarsenid GaAs und Galliumarsenid mit Galliumphosphid GaAsP hergestellt werden.

Im Ausführungsbeispiel wurde zur Erläuterung der Erfindung ein η-leitender Halblciterkörpei gewählt.

weil im allgemeinen die Beweglichkeit der Ladungsträger in n-leitendcn Halbleitermaterialien größer ist. Es sind jedoch auch p-leitende Materialien geeignet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche· Germanium weiteres Halbleitermaterial aus Ger- ' maniumtetrachlond mit Wasserstoff (H„GeC|4)

1. Elektronisches Festkörperschaltelement mit abgeschieden wird und dem Gasstrom zeitweise einem Halbleiterkörper, der zwei flächenhafte, Siliziumtetrachlorid (SiCl₄) zugesetzt wird,
ohmsche Kontaktelektroden und mehrere Schich- 5

ten aus Halbleitermaterial aufweist und dessen

Widerstand sich wesentlich vermindert, sobald

der Strom einen vorgegebenen Wert überschreitet, Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches

dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperschaltelement mit einem Halbleiterkörper,

Halbleiterkörper aus abwechselnden Schichten io der zwei flächenhafte, ohmsche Kontaktelektroden

(2, 3, 4) gleichen Leitungstyps besteht und daß und mehrere Schichten aus Halbleitermaterial auf-

mindestens ein leitendes Band (E_c und/oder E_v) weist und dessen Widerstand sich wesentlich vermin-

mindestens einer der Schichten (2, 3, 4) Potential- dert, sobald der Strom einen vorgegebenen Wert

schwellen enthält. •'iberschreitet.

2. Festkörperschaltelement nach Anspruch 1, 15 Es ist ein kontaktloses elektronisches Schaltelement dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (2, 3, 4) bekannt, dessen Halbleiterkörper aus einkristallinem aus zwei Materialien mit unterschiedlicher Band- Halbleitermaterial mit fünf Schichten abwechselnd breite bestehen. gegensätzlichen Leitfähigkeitstyps besteht. Legt man

3. FestkÖF^erschaltelement nach Anspruch 2, an dieses in der Literatur nach seinem Erfinder als dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien 20 »Shockley Diode« bezeichnete Schaltelement eine Span-Mischkristalle bilden. nung, so steigt die Stromstärke etwa proportional der

4. Feslkörperschaltelement nach Anspruch 1, angeschlossenen Spannung bis zu einem vorbestimmdadnrch gekennzeichnet, daß die Schichten jeweils ten Wert, in dem der Widerstand sich sprunghaft im wesentlichen aus einer Verbindung einer ersten vermind*:;. und die Stromstärke ebenso sprunghaft A^mB^v-Verbindung mit einer ^weiten A^mB^v-Ver- 25 um ein Vielfaches ansteigt. Ihre Schaltzeit beträgt etwa bindung, die das gleiche Element der III. Gruppe 10~^e see.

des Periodischen Systems wie die erste A^mB^v-Ver- Ein unter der Bezeichnung »Diac« bekanntes Schaltbindung und ein anderes Element der V. Gruppe element wird vorzugsweise in der Fernmeldetechnik enthält, besteh.^, und daß die Mengenanteile der und elektronischen Steuerungstechnik verwendet. Es Komponenten dieser Verbindung bei aufeinander- 30 schaltet den Strom in der genannten Weise in beiden folgenden Schichten ve.schied%.n sind. Richtungen. Die Änderung des Schaltzustandes beim

5. Festkörperschaltelemcnt nach Anspruch 4, Überschreiten der Schaltspannung ist in F i g. 1 verdadurch gekennzeichnet, daß uie Schichten aus anschaulicht. Sie zeigt die Strom-Spannungskenneiner Verbindung von Galliumphosphid (GaP) mit linie des Schaltelementes. Wird an die Elektroden Galliumarsenid (GaAs) bestehen. 35 des Schaltelementes eine Spannung gelegt, so fließt

6. Festkörperschaltelement nach Anspruch 2, ein verhältnismäßig geringer Strom, der etwa linear dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit der angelegten Spannung .XTiimmt. Sobald ein jeweils abwechselnd eine Schicht aus einer A^m-B^v- vorbestimmter Spannungswert, die sogenannte Schalt-Verbindung und eine folgende Schicht aus der spannung U₁, überschritten wird, schaltet das Element Verbindung einer A^nlB^v-Verbindung mit einer 40 in den niederohmigen Zustand um. Diese Kennlinie anderen A^mB^v-Verbindung, die das gleiche EIe- ist aus der Literatur bekannt.

ment der III. Gruppe des Periodischen Systems Aus »Ideen des exakten Wissens« (Wissenschaft und

und ein anderes Element der V.Gruppe enthält, Technikinder Sowjetunion), 1969, H. 8, S. 505 bis 511,

aufweist. ist ferner bekannt, daß der Halbleiterkörper von Bau-

7. Festkörperschaltelement nach Anspruch 6, 45 elementen mit der in F i g. 1 veranschaulichten Kenndadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper linie auch aus glasartigen Halbleitern hergestellt werden jeweils abwechselnd eine Schicht aus Gallium- kann. Diese Halbleiter bestehen aus Legierungen der arsenid (GaAs) und eine folgende Schicht aus einer Sulfide, Selenide und Telluride und bilden eine uni-Verbindung von Galliumarsenid mit Gallium- f-^igrciche Gruppe von amorphen Stoffen, die in phosphid (GaAsP) aufweist. 50 ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften dem

8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter- Glas ähnlich sind. Sie unterscheiden sich von den körpers für ein Festkörperschaltelement nach An- bekannten Oxidgläsern lediglich durch ihre Färbung. Spruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ihre elektrische Leitfähigkeit ist rein elektronischer auf einem Halbleiterkörper aus einer Verbindung Art und unabhängig vom Gehalt an Beimengungen, zweier Elemente der IV. Gruppe oder einer 55 Es hat sich erwiesen, daß dünne Scheiben solcher A^mB^v-Verbindung jeweils abwechselnd die gleiche Glashalbleiter ebenfalls den erwähnten Umschalt-Verbindung mit unterschiedlichen Anteilen der effekt, aufweisen, der jedoch beim Überschreiten einzelnen Elemente aus einer gasförmigen Verbin- eines vorbestimmten Stromwertes, des Schaltstromes dung aufgebracht wird. nach F ί g. 1, ausgelöst wird. Im Gegensatz zu den

9. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter- 60 bekannten Schaltelementen mit einkristallinem Halbkörpers für ein Festkörperschaltelement nach leiterkörper enthalten diese amorphen Glashalbleiter-Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 und 3, körper keine Schichten mit abwechselnd gegensätzdadurch gekennzeichnet, daß auf einem Kalbleiter- lichem Leitfähigkeitstyp. Sie haben gegenüber den körper aus einem Element der IV. Gruppe jeweils bekannten Schaltelementen den Vorteil einer wesentabwechselnd ein anderes Element der IV. Gruppe 65 Hch geringeren Schaltzeit, die etwa 10~⁸ see beträgt,
aus der Gasphase abgeschieden wird. Elektronische Festkörperschaltelemente dieser Art,

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge- deren Halbleiterkörper aus Elementen der III., IV. kennzeichnet, daß auf Einern Halbleiterkörper aus und V. Gruppe der Periodischen Systems besteht, sind