DE2141398C3 - Festkörperbauelement mit negativem Widerstand und Verfahren zu dessen Steuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Festkörperbauelement mit negativem Widerstand mit einem Festkörper aus einem Material mit mehreren Impuls-Energie-Dispersionsbeziehungen, der mit Elektroden versehen ist.

Allgemein läßt sich die Bewegung eines Elektrons, das sich im dreidimensionalen Raum in einem Kristall ohne irgendeine Beschränkung durch Randbedingungen frei bewegen kann, durch eine Dispersionsbeziehung beschreiben, die den Impuls und die Energie verknüpft, was beides Eigenschaften des betreffenden Materials sind. Nach Ridley und W a t k i η s (vgl. »Proceeding of Physical Society«, London, Bd. 78, 1961, Seite 293, herausgegeben von der British Physical Society), wurden folgende Tatsachen theoretisch verifiziert. In einem Material mit einer Mehrzahl von Impuls-Energie-Dispersionsbe7iehungen entsprechen einige Dispersionsbeziehungen mit einer höheren Beweglichkeit μβ Niedrigenergietälern, während andere Dispersionsbeziehungen mit niedriger Beweglichkeit μι. zu Hochenergietälern gehören. Wenn der Abstand Δ des Bodens des Hochenergietals vom Niedrigenergietal ausreichend groß im Vergleich mit der Umgebungstemperatur des Materials ist, kann ein Elektron im Niedrigenergieband zum Hochenergieband, also zum heißen Elektronen-Zustand. bei Anwesenheit eines elektrischen Feldes E erregt werden, das etwa gleich oder kleiner als 10⁶ V/cm ist. So ist das Verhalten des zu dem heißen Elektronen-Zustand angeregten Elektrons das eines Leitungselektrons in dem Leitungsband, das auf dem höheren Energieniveau ist, das eine niedrige Beweglichkeit hat. Infolgedessen zeigt die Spannungs-Strom-Kennlinie des Materials einen negativen Widerstand. Gunn beobachtete, daß, wenn ein elektrisches Feld von höherer Stärke als ein bestimmter Schwellenwert zwischen den Elektroden an den gegenüberliegenden Seiten eines Körpers aus n-Galliumarsenid angelegt wird, die Strom-Spannungs-Kennlinie einer N-förmigen Negativwiderstandskurve folgt. Diese Erscheinung tritt auf, weil GaAs zwei oder mehr Leitungsbänder aufweist, in denen die Elektronenbeweglichkeit verschiedene Werte annimmt, so daß, wenn der GaAs-Körper in ein elektrisches Feld größerer Stärke als ein Schwellenwert gebracht wird, Elektronen von Leitungsbändern mit höherer Beweglichkeit zu denen mit niederer Beweglichkeit angeregt werden, wobei die niedere und die höhere Beweglichen mit μι. (Effektivmasse m⁺l) bzw. iU/i(Effektivmasse m⁺ /) bezeichnet werden.

Indessen läßt sich nach dem von Gunn beschriebeien Verfahren nur eine Art eines Negativwiderstandsyerhaltens in einem Material entwickeln, d.h., das Verhalten liegt fest und ist für das Material typisch. So ist es bisher unmöglich, die erzielte Kennlinie zu steuern oder etwas zu ändern.

Ein Festkörperbauelement der eingangs genanntan Art ist bereits bekannt (DT-AS 12 69 257). Bei diesem bekannten Festkörperbauelement, das ebenfalls ein Material mit mehreren Impuls-Energie-Dispersionsbe- Ziehungen, wie beispielsweise Germanium, Silizium, Galliumarsenid usw. benutzt, wird der negative Widerstand durch eine Änderung der Raumladungsträgerverteilung erzeugt. Diese Änderung der Raumladungsträgerverteilung erfolgt durch Anlegen eines zu einem elektrischen Feld parallelen magnetischen Feldes. Dabei kann der Bereich negativen Widerstands in der Kennlinie verändert werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Festkörperbauelement der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Negativwiderstandsverhalten auf vielfältige Weise steuerbar ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel zum Quantein der Dispersionsbeziehungen vorgesehen sind.

Durch die Quantisierung der Dispersionsbeziehungen 2; wird das Negativwiderstandsverhalten auch im Hochfrequenzbereich geändert, so daß das erfindungsgemäße Festkörperbauelement auch bei hohen Frequenzen steuerbar ist.

Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß zum Quantein der Dispersionsbeziehungen eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die an einem Paar von parallel gegenüberliegenden Oberflächen des Festkörpers angebrachten Elektroden vorgesehen ist, das s*ark genug ist, um einen Abstand zwischen den Energiebändern zu schaffen, der größer als die der Umgebungstemperatur des Materials des Festkörpers im Betrieb entsprechende Energie ist. Dabei ist vorteilhaft, daß eine Einrichtung zum Anlegen eines äußeren Magnetfelds parallel zum elektrischen Feld an das Material vorgesehen ist.

Während bei dem bekannten Festkörperbauelement (DT-AS 12 69 257) das Magnetfeld in einer solchen Stärke an einem Germaniumkörper liegt, die ausreicht, um eine Raumladungsverteilung in diesem zu bestimmen, wird bei der Erfindung die Stärke des Magnetfeldes durch die Quantisierung der Dispersionsbe/iehungen festgelegt.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß eine Einrichtung zum Bestrahlen des Festkörpers mit einer elektromagnetischen Strahlung mit einer dem Energieabstand zwischen den gequantelten Energiebändern des Materials des Festkörpers äquivalenten Wellenlänge vorgesehen ist.

Die Bestrahlung eines Halbleiterkörpers mit einer elektromagnetischen Strahlung zur Änderung der Raumladungsträgcrkonzentration ist zwar schon bei einem Festkörperbauelement der in Rede stehenden Art bekannt (DT-OS 15 41 431), jedoch gibt dies keine Anregung zu einer Quantisierung der Dispersionsbezie- (>o hungen.

Schließlich ist bei einer Weiterbildung der Erfindung der Festkörper ein Halbleiterkörper eines ersten Leitfähigkeitstyps, der mit Störstoff dotierten Bereichen eines zweiten, zum ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps versehen ist, die bis zu einer bestimmten Tiefe in den Teilen einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörners mit Ausnahme seines mittleren Teils erzeugt sind.

Ferner ist eine Quellen- und eine Senkenelektrode mit Fremdstoff dotierten Bereichen verbunden und am Mittelteil der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers zwiscnen der Quellen- und der Senkenelektrode ist ein Isolierfilm angebracht unter dem die Dicke einer Oberflächeninversionsschicht gleichmäßig ist und der ein zur Schaffung eines größeren Energieabstandes zwischen den Energiebändern als der der Umgebungstemperatur des Halbleiterkörpers im Betrieb entsprechende Energieabstand genügendes angelegtes elektri sches Feld aushalten kann, und auf dem Isolierfilm in dem mittleren Teil der Hauptoberfläche des Körpers ist eine Steuerelektrode angebracht. Der Aufbau dieses Festkörperbauelements entspricht dem bekannten Aufbau von Feldeffekttransistoren (vgl. z. B. Electronics, 30. Nov. 1964, S. 50-61).

Das Negativ widerstandsverhalten wird also erzielt, indem der Abstand Δ des Bodens des Hochenergietals von dem Niedrigenergietal ausreichend groß im Verhältnis zu dem der Umgebungstemperatur des Materials entsprechenden Energieabstand gemacht wird, wobei eine Mehrzahl von Impuls-Energie-Dispersionsbeziehungen vorliegt und die Elektronenbeweglichkeit ii_L im niedrigeren Energieband hoch ist, während die Beweglichkeit μ» im höheren Energieband niedrig ist.

Das Negativwiderstandsverhalten läßt sich zu einem merklichen Grad durch Einstellen der Abmessung des Abstands Δ steuern. Und zwar wird das Negativwiderstandsverhalten durch Quantein der Dispersionsbeziehungen erreicht, um anfänglich degenerierte Täler zu nichtdegenerierten zu machen, und indem die Täler in gequantelte Niveaus gruppiert werden, um die Elektronenbeweglichkeit μ ζ. in den niedrigeren Energiebändern groß und die Elektronenbeweglichkeit μ» in den höheren Energiebändern niedrig zu machen.

Es wird ein Festkörper aus einem Material verwendet, das eine Mehrzahl von Impuls-Energie-Dispersionsbeziehungen umfaßt und viele Täler von äquivalentem Aufbau aufweist; die Impuls-Energie-Dispersionsbeziehungen des Materials werden mit der Hilfe eines äußeren Einflusses gequantelt, so daß ein Negativwiderstandsverhalten entsteht, und dieses Verhalten wird durch Steuern des äußeren Einflusses gesteuert.

Materialien, die mehrere Impuls-Energie-Dispersionsbeziehungen aufweisen, sind solche mit Vieltalaufbau, d.h. Halbleiter und Halbmetalle, wie z.B. Ge, Si, GaAs, Bi usw.

Es soll nun beschrieben werden, wie die Quantelung bewirkt wird, wenn zum Beispiel Elektronen zur Leitung in einem Halbleiter beitragen. Anstelle des Halbleiters kann auch ein Halbmetall verwendet werden, und die elektrischen Ladungsträger, die der Quantelung zu unterwerfen sind, können auch positive Löcher im Valenzband sein.

Typische Halbleiter mit Vieltalaufbau sind Ge und Si, wie bereits erwähnt wurde. In Germanium oder Silizium gibt es in der Terminologie des Impulsraums (Wellenvrktor-^-Raum) mehrere Konstantenergieoberflächen, deren jede die Form eines Rotationsellipsoids aufweist, die an mehreren zueinander äquivalenten Punkten in der Nachbarschaft des Bodens des Leitungsbandes liegen. Es soll nun angenommen werden, daß die v-, y- und z-Achse so ausgewählt werden, daß die 2-Achse mit der Umdrehungsachse eines der Rotationsellipsoide zusammenfällt, während die x- und die y-Achse zueinander sowie zur ^-Achse senkrecht stehen. Ein Si-Körper hat sechs identische

Täler (Energieellipsoide) in den sechs Richtungen, die äquivalent zu einer Richtung (100) in dem Impulsraum Ar sind, wie in F i g. la erläutert ist. Andererseits enthält ein Ge-Körper acht identische Täler (Energieellipsoide) in den acht Richtungen, die äquivalent zu einer Richtung (111) sind, wie in Fig. Ib erläutert ist. Was solche Halbleiter, die Vieltalaufbau haben, betrifft, so entspricht eine besondere Impuls-Energie-Dispersionsbeziehung jedem der vielen Täler. Zum Beispiel ist für das [10O]-TaI des Siliziumkörpers die Dispersionsbeziehung

£[100] _ ⁿ (I. _ j. γ
(K) ~ 1 nt * * *⁰'

/ m.

. lc_y

JL

2 m,

kl,

worin mi die effektive Masse gleich 0,98 m₀ (mo ist die Masse eines Elektrons im Vakuum) in der Längsrichtung des Rotationsellipsoids entsprechend dem Tal ist, m, die effektive Masse gleich 0,19 m₀ in der Querrichtung des Ellipsoids, Λ das Plancksche Wirkungsquantum h/2 π, k der Impuls, A"*, ky, k₂d\e Komponenten von k jeweils in den Richtungen der x-, y- und z-Achse im /r-Raum und k,iü = nlao ■ 0,35 ist (a₀ ist die Gitterkonstante des Siliziumkristalls), was den Mittelpunkt des Rotationsellipsoids bedeutet.

(1) Wenn ein starkes elektrisches Feld an den Siliziumkörper in der Richtung parallel zur (100)-Richtung angelegt wird, ändert sich die obige Dispersionsbeziehung zu

In gleicher Weise folgt, daß für das [01O]-TaI

2 m,

und daß für das [00I]-TaI ft²

3°

35

(fc) = El _r + -g- (fc, - L₀Y +

m,

Dabei wird die Energie des [001]- und [OlO]-TaIs durch £!,,.· und £'„, _h ausgedrückt. Es gilt

/ 3\ 2

^i

F Feldstärke, η Quantenzahl, e Elektronenludung.

Im Fall von Silizium gilt eine Ungleichung nv>nh. In den meisten Fällen bei Halbleitern mit Vieltalaufbau gilt eine ähnliche Ungleichung mi>m,. Flg.2 Ist eine graphische Darstellung der Impuls-Energie-Dlsperslonsbezichungcn bei Silizium. In dieser Figur ist die Vci'tikalnchsc E eine zu der ky und /irAchse, die zueinander senkrecht sind, senkrechte Energieachse.

(II) Das gleiche gilt von der Quantelung durch ein Magnetfeld. Wenn ein Magnetfeld B an Germanium in (Ill)-Richlung angelegt wird, sind die erhaltenen Iüipuls·Energiebeziehungen solche für das [111]-TaI (die

Längs- und Quer-Effektivmassen /H; und m, sind so, daß m/= 1,58 mound m, = 0,082 /D₀ist),d. h.

E_n. bM ⁼ ^_n β + » _ κ, ,

worin ί;, die Komponente von k parallel zur Richtung 111 ist, und

HeB

.β =

m,c

B Feldstärke, c Lichtgeschwindigkeit
worin E„,b die bezüglich der Quermasse aufgrund der Anlegung des Magnetfelds gequantelte Energie ist.
Die Impuls-Energie-Dispersionsbeziehung für das [111]-TaI ist im folgenden gegeben:

m, =

9 m, ■ m, m, + 8m,'

m₂ =

fm, (m, + 8 m,)

KeB

In den vorstehenden Ausdrücken ist Ε',,.α die bezüglich der Masse in der Richtung senkrecht zur Richtung (111) gequantelte Energie.

Fig.3b ist die graphische Darstellung des Aufbaus der Energiebänder von Germanium, wobei die Quantelung auf einem Magnetfeld beruht. In der Figur ist die Abszisse k\ die senkrecht zur Richtung (111) genommene Achse, und die Ordinate Egibt das Maß der Energie. Es ergibt sich ohne weiteres aus den F i g. 3a und 3b, daß der Energiebandaufbau entsprechend Fig.3b, der durch das Anlegen eines Magnetfelds hervorgerufen wird, von dem verschieden ist, der in Fig.3a gezeigt ist und in dem Fall existiert, wenn kein Magnetfeld angelegt ist.

(Ill) Die Elektronenenergiebundstruktur eines HaIbleiterkörpers kann auch durch Quantein der Bewegung der Elektronen unter Einschränkung hinsichtlich der Geometrie des Körpers geändert werden. Und zwar lassen sich, wenn ein sehr dünner Film von Einkristall-Struktur auf der (lOO)-Ebene erzeugt wird, die Energien für das [100]-, das [010]- und das [00I]-TaI in folgendet Weise ausdrücken:

55 und

worin

und

Die Beziehung zwischen Impuls und Energie gleicht in diesem Fall sehr der in F i g. 2 dargestellten.

(IV) Die Beispiele der Quantelung entsprechend obiger Beschreibung sind für Silizium und Germanium genommen, bei denen die Bedingung mi> m, eingehalten ist. Jedoch kann die Bedingung mi< m, gelten, um die Energieverteilung nach den F i g. 2 und 3b zu erhalten.

Wie man in den Figuren sieht, sind die Energiebänder mit hoher Elektronenbeweglichkeit auf niedrigerem Energieniveau, während die Energiebänder mit niedriger Elektronenbeweglichkeit auf höherem Energieniveau sind. Dies ist so, da die Beweglichkeit sich direkt wie die Relaxationszeit der Elektronendiffusion und umgekehrt wie die effektive Masse (Kurvenradius des Energiebandes nahe dem Boden) ändert. Es ist auch gut bekannt, daß die Relaxationszeit mit Anstieg der Energie verkürzt wird. Daher ist es möglich, daß, auch wenn in den Tälern noch Entartung bleibt wie im Fall, daß die Elektronenbewegung in der Richtung (111) im Siliziumkristall gequantelt wird, die Beweglichkeit des höheren Energiebandes in einem Tal niedriger als die des niedrigeren Energiebandes im gleichen Tal ist.

Als Ergebnis ist es, um das Negativwiderstandsverhalten zu erzielen, notwendig:

(!) Elektronenbänder mit hoher Beweglichkeit auf niedrigerem Energieniveau und Elektronenbänder mit niedriger Beweglichkeit auf höherem Energieniveau zu schaffen und

(2) den Energieabstand Δ zwischen dem Hochbeweglichkeit und dem Niedrigbeweglichkeitsband ausreichend groß im Vergleich mit der Wärmeenergie kT?.u machen, die durch die Umgebungstemperatur T bestimmt wird.

Die Art, in der das negative Widentandsverhalten aufgrund solcher oben beschriebener Quantelung unter Erfüllung der beiden oben angegebenen Erfordernisse erreicht wird, soll nun anhand der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiele naher erläutert werden:darin zeigen

Fig. la und Ib Konstantcncrgicellipsoide im Impulsraum von Silizium bzw. Germanium,

F i g. 2 einen Bandaufbau der Elektronenenergie von Silizium mit einem Vicltalaufbaii, wobei eine Quantelung mittels eines elektrischen Feldes erfolgt, das in eier Richtung[001 jangelegt wird,

I" i g. 3a und 3b den Energicbutuhiufbuu eines Germaniumkörpers vor bzw. nach dem Anlogen des Magnetfeldes,

Fig.4a und 4b einen Germaniumkörper in einem Ausrührungsbeispiel der Erfindung,

F i g. 5 die Strom-Spannungs-Kennlinic des Germaniumkörpers für verschiedene an den Körper angelegte Magnetfelder,

F i g. 6 die Strom-Spannungs-Kennlinie des Germaniumkörpers bei verschiedenen Temperaturen, wobei die Temperaturabhängigkoit des Negatlvwiderstandsverhnltcns zu beobachten ist,

F i g. 7 einen Teilquerschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig,8 die Strom-Spannungs-Kennlinie des Ausführungsbeispiels nach Fi g. 7, wobei die Abhängigkeit des Negativwiderstandsverhaltens von der an der Steuerelektrode angelegten Spannung gezeigt Ist,

F i g. 9 einen Teilquerschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 10 einen Teilquerschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 11a bis lic die Schritte zur Herstellung eines

Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 12a einen Teilquerschnitt eines anderen Ausführungsbeispiels der Erfindung,

F i g. 12b die Strom-Spannungs-Kennlinie der Anordnung nach F i g. 12a für verschiedene Dicken von in der Anordnung ausgebildeten Epitaxialschichten,

Fig. 13 einen Querschnitt eines MIS-Feldeffekttransistors zur Erläuterung seines grundsätzlichen Aufbaus,

Fig. 14 die Strom-Spannungs-Kennlinie des Feldeffekttransistors von Fig. 13 für verschiedene Steuerspannungen,

Fig. 15 die Strom-Spannungs-Kennlinie eines Festkörperbauelements für verschiedene elektrische Quantelungsfelder und

Fi g. 16 die Strom-Spannungs-Kennlinie eines MOS-Feldeffekttransistors bei verschieden starker Lichteinstrahlung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Beispiel 1

Ein n-Germaniumkörper 41 mit Abmessungen 1 mm χ 0,5 mm χ 0,5 mm wird hergestellt und mit Verunreinigungen bis zu einer Konzentration von 10¹⁶Cm-³ dotiert, dessen parallele gegenüberliegende Ebenen senkrecht zur Richtung (111) des Germaniumkristalls geschnitten werden, wie in F i g. 4a erläutert ist. An den (111)-Ebenen des Germaniumkörpers wird nach einem Legierungsverfahren unter Verwendung von SnSb ein Paar von Elektroden 42 angebracht, die ihrerseits mit entsprechenden Zuführungsdrähten 43 versehen werden. Die so hergestellte Probe wird in flüssiges Helium bei 4,2⁰K eingetaucht, das in einer Dewar-Flasche 44 enthalten ist. wie F i g. 4b zeigt. Über die Elektroden 42 wird an den Germaniumkörper 41 ein elektrisches Feld über 10³ V/cm angelegt, das genügend stark ist, um die Leitungselektroncn zum heißen Zustand (100 V je I mm) anzuregen. Gleichzeitig wird ein Magnetfeld über 70 kG an den Körper 41 in seiner Axialrichtung (in der Richtung parallel zum durchfließenden Strom) mittels eines Magnets 45 angelegt. In diesem Stadium ist der Abstand Δ zwischen den Energiebandern, wie Fig.3b zeigt, etwa 2O⁰K, und diese Temperatur ist viel höher als die Umgcbungstempcratur,d. h, Kristallgiiicrtcmpcrutur(4,2"K).

Man beobachtet, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie der Probe unter diesen Bedingungen einen N-förmigen negiiliven Widerstand der spannungsgesteuerten Art zeigt. Fig. 5 zeigt die Kennlinie des negativen

jo Widerstünde* bei ungelegtem Magnetfeld als Parameter. Wie man Fig.S entnimmt, ist der negative Widerstand um so ausgeprägter, je stärker das angelegte Magnetfeld B(Bi>Bi>B\) ist. Die Tempern· turabhängigkcit der Strom-Spannungs-Kennlinie des Germaniumkörpers 41 unter Einfluß des Magnetfeldes ist In F i g. 6 (Ti > 7]> Γι) gezeigt. Wie F i g. 5 zeigt, ist bei einem Magnetfeld geringer Starke das Negativ· widerstandsvcrhalten nicht ausgeprägt, und der Ab' stand Δ liegt hier in der gleichen Größenordnung wie

du die Umgebungstemperatur dos Körpers, so daß da! Verhalten eher vom Stromsttttigungstyp als von Negativwiderstandstyp ist. Die Nichtlinearltät dei Kurven rührt von der Landau-Quantelung durch eit Magnetfeld her. Die Ausdehnung Im Raum vot

<>5 Landau-Elektronen, die durch ein Magnetfeld gcquan telt sind, wird wiedergegeben durch die Gleichung

/-B07/ff[kO}A.

Wenn der Bedingung λ/1^ω_Γ ν > 1 nicht genügt wird, wird der Effekt einer solchen Quantelung nicht vorherrschend; dabei ist λ die mittlere freie Weglänge, τ die Elektronenstoßzeit und Co₁₇= eB/m*c.

Die Änderung der Strom-Spannungs-Kennlinie mit wachsender Umgebungstemperatur ist in Fig.6 gezeigt. Wie man hier sieht, verschwindet das Negativwiderstandsverhalten nach und nach mit dem Anstieg der Temperatur. Dies erfolgt teilweise, weil, wenn die Umgebungstemperatur steigt, die Elektronenstoßzeit τ kurz wird,die Bedingung ω_ίτ> 1 nicht langer gilt und die Wirkung der Quantelung verschwindet, und teilweise, weil der Abstand Δ zwischen den Energiebändern mit verschiedenen Elektronenbeweglichkeiten im Vergleich mit der Umgebungstemperatur nicht ausreichend groß wird.

Daher verschwindet das negative Widerstandsverhalten des Germaniumkörpers, falls nicht die Stärke des angelegten Magnetfeldes mit wachsender Umgebungstemperatur erhöhl wird. Die unterste Kurve in Fig. 6 zeigt diesen Zustand. In Fig.6 ist angenommen, daß T\<T₂< Ti. Da der Abstand Δ zwischen den Energiebändern init dem Ansteigen der Stärke des angelegten Magnetfeldes wuchst, muß auch die Stärke des elektrischen Feldes, das zur Erregung der Elektronen auf das Leitungsband mit geringerer Beweglichkeit erforderlich ist (Schwellenfeld), mit der Intensität des Magnetfeldes gesteigert werden.

Beispiel 2

Ein p-Siliziunikörper 71 mit einer Dicke von 250 μm und einem Widerstand von 7 Ω · cm v.'ird hergestellt, dessen Hnuptoberflächc in der (lOO)-Ebcne des Sili/iumkristalls liegt. Eine Fläche von 1500 μηι χ 500 μιη wird auf der Hauptoberfläche definiert, die außer ihrer 100 μηι breiten Mittelzone mit Phosphor als Verunreinigung bis zu einer Konzentration von I0-¹ cm ' /ur Bildung leitender Zonen 72 mit einer Dicke von 2 μηι dotiert wird, wie F i g. 7 erläutert. Aluminiumelektroden 73 werden nn diesen Zonen 72 /ur Schaffung einer Quelle und einer Senke angebracht. An der I huipioberfläche des .Siliziunikörpers /wischen der Quellen· und eier Senkenelektrode 73, 73 wird ein Si(),>-I^;ilm 74 mit einer Dicke von 6000 A erzeugt. Im minieren Toil des SiO₂-FMmS 74 wird eine Steuerelektrode 75 angebracht. So wird ein Feldeffekttransistor gefertigt. Dann wird der FeldeffeKttriinsisior durch flüssiges Helium abgekühlt, und die Quellenelektrode wird geerdet, .vahiend die .Senkenelektrode und die Stcuci elektrode uuf Potentialen von 10—20 V bzw. 5 bis 100 V gehalten werden. Fig.8 zcigl die Strom Span· iHiiigs· Kennlinie der Probe unter diesen Bedingungen. In dieser Figur ist die Abszisse die Spannung /wischen der Quelle und der Senke in Volt (V), und die Ordinate ist der Qucllcn-Senken-Strom In mA. Die Kurven A, B und Γ entsprechen dem Verhüllen, bei denen die Stcucrspunnungen !>, 30 bzw. 35 V sind,

Fig.8 lilßt erkennen, daß dus Ncgutivwidcrstiindv verhalten innerhalb des Bereichs auftritt, wo die Qiiellen-Senken-SpnniHing im Bereich von I0—20 V liegt und die Stcuerspannung über IO V Ist, Man kann daher den Schluß ülchcn, daß sich das Negativwider· standsverhaltcn {Indern Hißt, Indem man die Spannung lindert, die un der Steuerelektrode angelegt wird. Weiter zeigten durchgeführte Versuche, daß der Schwellenwert für dos zwischen der Quelle und der Senke angelegte elektrische Feld /um Er/iclcn des Negiitivwiderstiindsverhnltens etwa I kV/cm war. Die untere Grenze für die obenerwähnte Steuerspannunj d. h. 10 V ist so gewählt, daß der Abstand zwischen dei Leitungsbändern in der Inversionsschicht des p-Silizi umkörpers einen Wert über dem Doppelten von 4,2⁰F bei der gleichen Temperatur wie der des flüssige! Heliums annehmen kann.

Beispiel 3

Bei diesem Beispiel wird ein n-Siliziumkörper 91

ίο dessen Widerstand bei Raumtemperatur genügem hoch, d.h. mindestens 50Q-Cm ist, verwendet während im Beispiel 2 ein p-Siliziumkörper verwende wurde. Es wird nun hinsichtlich dieses Ausführungsbei spiels auf Fig.9 Bezug genommen. Die Hauptoberflä

ι.s ehe des Körpers fällt mit der (lOO)-Ebene de; Siliziumkristalls zusammen. Auf dem Mittelteil dei Hauptoberfläche ist ein SiO₂- oder SiO₂-Al₂O₃-FiIm 9< vorgesehen, auf dem eine Steuerelektrode 95 ange bracht ist. Der n-Siliziumköiper91 ist mit Ausnahme dei mit dem Film 94 bedeckten Zone mit Phosphoratomer bis /.j einer Konzentration von 10¹⁸ Atomen/cm³ zui Bildung von η+ -Zonen 92 dotiert. An den so erzeugter η+ -Zonen sind eine Quellen- und eine Senkenelektrode 93 angebracht. So läßt sich in gleicher Weise wie iir

J5 Beispiel 2 eine Negativwiderstandanordnung herstellen.

Wenn bei dieser Anordnung eine positive Spannung

Vc an der Steuerelektrode, eine positive Spannung ar

der Quellenelektrode und eine negative Spannung an

der Senkenelektrode angelegt wird, kann man aufgrund

.ίο eines negativen Widerstandsvcrhaltens eine Strom-Spannungs-Kennlinie ähnlich wie im Zusammenhang mit der Anordnung nach dem Beispiel 2 beobachten Hierbei muß jedoch eine geometrische Beschränkung hinsichtlich des Siliziunikörpers berücksichtigt werden,

so daß /;, . t<n_s (n₅ Obcrflüchenelektroncndichte in cm -J) ist, worin /die Dicke des Körpers in cm und /i,dic Elektronendichte im Körper in cm-' ist. Wenn z.B. π,» 10" cm-2 ist (Va : 6 V, c/,_n : 3000 A, V, Spannung un der Steuerelektrode. _£/„_v Dicke der Isolierschicht), dann

•to muß die Elektronendichte eines Körpers mit einer Dicke von 50 μηι geringer als 2 · 10>« cm ^] sein. I Im den Spannungsabfall am n-Siliziumkörper in diesem Ausfilhrungsbmpiel so klein wie möglich /u halten und wirksam ein elektrisches Fold nur an der Akkumula-

is tionsschidit nn/ulegen, reduziert man vorzugsweise die Dicke des Körpers bis /u einer en oichbaren (iren/e.

Beispiel 4

liin p-Sili/iumkörper 101 mit einem Widerstund über

20 η ■ cm und seiner Hnuptoberflttche in Übereinstimmung mit der (IOO)-Ebene des Siliziumkrisialls wird hergestellt, wie in Fig. lOcrlUutcrt ist. Eine As-dotierte ivSiliziuimchichi 102 mit einer Dicke von 6000 A wird uuf der Hauptoberflllche des Körpers 101 noch der

Epitaxialwaehstiimstechnik erzeugt, wobei SiCli-Gas in Mischung mit AsClj-Gas in einem Ofen mit Hj-Gas reduziert wird.

Im mittleren Teil der n-Siliziumschicht 102 wird durch Hochvakuumelektroncnstrahlverdampfung bei weniger

fto eis 10-» Torr eine MOS-Elekirode (MOS bedeutet wie üblich eint Meiall-Oxyd-Hulblciterschicht) 103 angeordnet. Aluminiumfolie 104 werden durch Dampfniederschlag nur der n-Schlchi 102 mit Ausnahme der Zone angebracht, an der sich die MOS-Elektrode

''5 befindet, wobei ein geeignter Abstand zwischen den niedergeschlagenen Muminiumfllmen 104 und der MOS-Elektrode 103 verbleibt. Die Aluminiumfllme 104 werden dann einer WlirmebehandluiiB von IDmIn hei

400⁰C zur Bildung ohmscher Kontakte unterworfen, die als Quellen- und Senkenelektroden 104 dienen.

So wird ein Epitaxialschicht-Feldeffekttransistor erzeugt. Dieser Epitaxialschicht-Feldeffektlransistor wird unter Anlegen einer Spannung von -100 V am s Körper über die Steuerelektrode 103 betrieben. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann der n-Siliziumkörper durch einen p-Siliziumkörper mit einem Widerstand von mehr als 500 Ω · cm oder einen Heterogenübergangskörper ersetzt werden. Dabei erhöht man vorzugsweise die Wirkung der Begrenzung der Ladungsträger (durch Ausnutzen einer Potentialsperre aufgrund des Heterogenübergangs), wobei ein Halbleiter, dessen verbotene Bandbreite größer als die von Silizium ist, wie z. B. Cr-dotiertes GaAs verwendet werden sollte. Ein Feldeffekttransistor wird in folgenden Verfahrensschritten hergestellt: Eine dünne n-Epitaxialschicht mit einer Dicke von 5000 A oder weniger wird zunächst auf einem halbleitenden Siliziumkörper mit einem Widerstand von mehr als 100 Ω · cm erzeugt. Ein SiOrFiIm wird dann auf der Epitaxialschicht durch thermische Oxydation erzeugt, um die Dicke der eigentlichen Epitaxialschicht auf 500 A oder weniger zu reduzieren. Schließlich wird Aluminium unter Vakuum auf dem SiOj-FiIm zur Ausbildung einer Steuerelektrode niedergeschlagen. Bei jedem der so erhaltenen Transistoren läßt sich das Negativwiderstandsverhalten beobachten, wenn man ein ausreichend starkes elektrisches Feld ($ 10^J V/cm) z.v, ischen Quelle und Senke anlegt,

B c i s ρ i e I 5

Wie man in Fig. 1 la sieht, wird eine Aluminiummaske 132 von I bis 2 μηι D'cke auf Oberfläche eines p-Sili/iumkörpcrs 131 mit einem Widerstand von mehr als 50 Ω ■ cm angebracht. Danach wird ein bestimmter ,15 Teil der Maske 132, /.. B. ein solcher Teil wie 132t durch Foloätzcn entfernt, um P'-Ionen oder As'-Ionen in den Teil des Körpers, wo der Maskenteil 132_t entfernt wurde, bis zu einer hohen Konzentration mittels eines loncnbcschlcunigcrs der Maximulkapa/ität von |o 200 KeV z.u injizieren. So wird eine liefe η ' -Schicht 133 erzeugt, wie Fig. I Ib zeigt. Ein η-Kanal wird ebenfalls i.i dem Körper unterhalb dos Teils 1322 in der Tiefe von HK) bis 500 A aufgrund von Ionen erzeugt. Dann wird der Maskenteil I32„> entfernt, ein Oxydfilm l35ausSiO.i .is oder SiO.-AIjOi wird auf dem Teil der Körperoberfläche angebracht, wo der Aluminiummuskcntcil 132^ entfernt ist, and eine Elektrode 13h wird auf dem Oxydfilm 135 angebracht, wie Fig. lic zeigt. Auf der η⁺-Schicht 133 werden eine Quellen- und eine Senkenelektrode angebracht.

Nach einem anderen empfehlenswerten Verfuhren nimmt man die Herstellung folgendermaßen vor: P ⁺-Ionen aus einer Quelle von PlI₁ im Plusmttzustund werden in die Oberfluche des Siliziumkörpers in Übereinstimmung mit der (100)-Ebene des Siliziumkristalls bis zu einer Tiefe von 1500 A unter Beschleunigung in einem elektrischen Feld von 100 kcV eingetrieben, so daß eine η-Schicht irgendeiner gewünschten Dotierungskonzentration erzeugt werden kann. Dann (>o wird der Teil der n-Sehichi bis zu einer Tiefe von 1300 A von der Oberfläche durch thermische Oxydation in Luft bei W¹C in SiOj umgewandelt. Der restliche Teil der »•Schicht mit einer Dicke von nur noch 200 A dient ah Kanal. Wenn ein hohes Potential an die SiOj-Schicht <>s über eine daruuf angebrachte Steuerelektrode aufgedrückt wird, wird der Kanal gequantclt, du er sehr dünn ist. obwohl er mit Verunreinigungen bis /u einer hohen Konzentration dotiert ist. Wenn daher eine Quelle und eine Senke längs der Oberfläche vorgesehen sind, beobachtet man das Negativwiderstandsverhalten bezüglich des Stromes, der zwischen der Quelle und der Senke fließt.

Beispiel 6

Die Richtung des Kristallwachstums von Bi, das man epitaxial durch Aufstäuben auf die Oberfläche eines NaCl-Kristalls 140 in Übereinstimmung mit dessen (100)-Ebene wachsen läßt, stimmt mit der zweifachen Rotationsachse von Bi überein. Dieser Zustand ist in Fig. 12a erläutert. Wenn die Dicke der so erzeugten Epitaxialschicht 141 in der Größenordnung von 100 bis 200 A liegt, läßt sich die Bewegung von Elektronen längs der Richtung der Dicke quantein. Dabei ist der Abstand Δ zwischen den Energiebändern von Bi mit verschiedenen Elektronenbeweglichkeiten etwa 0,1 eV, so daß die in Fig. 12a gezeigte Anordnung ein Negativwiderstandsverhalten bei Raumtemperatur zeigt. Die Strom-Spannungs-Kennlinien A, /j, /3 in Fig. 12b entsprechen den Fällen, in denen die Dicke der Bi-Epitaxialschicht 1000 bzw. 500 bzw. 100 A beträgt. Kein Negativwiderstandsverhalten ergibt sich, wenn die Dicke 1000 A ist. Bei diesem Beispiel muß kein elektrisches oder magnetisches Feld in der Richtung der Dieke dor Epitaxialschicht angelegt werden, so daß sich der Nach'eil ergibt, daß die Quantelung der Elektronenbewegung äußerlich nicht gesteuert werden kann. Mit anderen Worten ist der Abstand Δ zwischen den Energiebändern konstant und kann nicht geändert werden, wenn die Dicke der Epitaxialsxhieht konstant ist. Bei diesem Beispiel ist es erforderlich, daß die Bedingung

λ> I

gilt, worin λ die miniere freie Weglänge eines Elektrons und / die Dicke des Kristalls ist, und daß die Probe im CJitterraum homogen ist.

B e i s ρ i c I 7

Ein p-Siliz.iumkörper 151 mil einer Dicke von 250 μ und einem Widerstand von 7 Ohm ■ cm wird hergestellt, dessen I lauploberfläche mil der (lOO)-Ebene des Siliz.iumkristalls übereinstimmt. Auf der Hauptoberfläehe wird eine Fläche von 1500 μ χ 500 μ definiert, die mil Ausnahme ihres Mittelteils von 100 μ Breite mil Phosphor uls Verunreinigung bis zu einer Konzentration von H)-'¹ cm ' dotiert wird, um !eilende Zonen 154 mit einer Dicke von 2 μ zu bilden, wie Fig. Ii zeigt Aluminiumclektruden 152| und 152₂ weiden auf diese Zonen 154 angebracht, um eine Quellen- und eine Senkenelektrode zu schaffen. Auf der Huuptoberfluchc des Siliziumkörpers /wischen der Quellen- und dci Senkenelektrode 152₍ bzw. 152_a wird ein SiOa-FiIm 15: mit einer Dicke von 6000 A erzeugt. Im Mittelteil de; SiOj-Films 153 wird eine Steuerelektrode 152j ungc bracht So wird ein Feldeffekttransistor erzeugt. Dam wird der Feldeffekttransistor mit flüssigem Hcliun gekühlt, wie in F ί g. 4b erläutert ist, und die Qucllenclck trodc wird geerdet, während die Senkenelektrode un> die Steuerelektrode auf Potentialen von 10—20 V bzv 3-100 V gehalten werden. Fig. 14 zeigt Strom-Spur nungs-Kennlinicn der Probe unter diesen Bedjngungei In der Figur ist die Abszisse die Spannung zwischen de Quelle und der Senke in V, und die Ordinate ist de Quellcn-Senkui-Strom in 111A. Die Kurven A, B und entsprechen den Eigenschaften, bei denen die Steuc spannung V₁,5,30 bzw. 35 V ist.

Man entnimmt der Fig. 14, daß der negative Widerstand innerhalb des Beteichs auftritt, wo die Quellen-Senken-Spannung Vsd=10—20 V und die Steuerspannung über 10 V ist. Daher kann man den Schluß ziehen, daß das Negativwiderstandsverhalten S durch Ändern der an die Steuerelektrode angelegten Spannung geändert werden kann. Weiter wurde empirisch gesichert, daß der Schwellenwert für das zwischen der Quelle und der Senke angelegte elektrische Feld, um das Negativwiderstandsverhalten ίο zu schaffen, etwa 1 kV/cm war. Die Untergrenze für die obenerwähnte Steuerspannung, d. h. 10 V₁ ist so gewählt, daß der Abstand zwischen den Leitbändern in der Inversionsschicht des p-Siliziumkörpers einen Wert über dem Zweifachen von 4,2° K bei der gleichen Temperatur als der von flüssigem Helium annehmen kann.

Beispiel 8

20

Ein p-GaA s-Körper, dessen Hauptoberfläche mit der (lOO)-Ebene des p-GaAs-Kristalls übereinstimmt, wird hergestellt, und der Körper wird den gleichen Herstellungsverfahrensschritten wie im Beispiel 1 unterworfen. Wie Fig.3b zeigt, wird das so gefertigte Element weiter unten die gleichen Bedingungen wie im Ausführungsbeispiel 1 gestellt, und die Abstände treten im Hauptleitband (im folgenden als Γ-Band bezeichnet) am Γ-Punkt der Brillouin-Zone im untergeordneten Leitungsband (im folgenden als L-Band bezeichnet) am L-Punkt der Brillouin-Zone auf. Da die Effektivmasse eines Elektrons im L-Band sehr groß ist, ist der Abstand in diesem Band klein. Andererseits ist der Abstand im L- Band groß und wird wiedergegeben durch

{4170-2670 χ (F/10⁶)|}K,

worin Fdas angelegte elektrische Feld in V/cm ist.

Wenn irgendeine Inhomogenität des Magnetfeldes in der Probe des Beispiels 1 vorliegt, nimmt der Abstand Δ zwischen den Energiebändern an Stellen aufgrund der Unregelmäßigkeit des Feldes verschiedene Werte an, so daß die Wirkung der Quantelung der Elektronenbewegung auf die Leitfähigkeit weniger ausgeprägt wird.

Daher ist die Homogenität des Magnetfeldes ein wesentliches Erfordernis. Der Grad der Homogenität muß so sein, daß

<AB>j
B

< 10

-1

worin ßdie Stärke des Magnetfeldes ist.

Im Fall der Quantelung durch ein elektrisches Feld muß ein ähnliches Erfordernis eingeführt werden. In dem Beispiel, bei dem eine MOS-Inversionsschicht verwendet wird, legt man die Quantelungssteuerspannung Va zwischen der Steuerelektrode und der Senkenelektrode an. Inzwischen wird eine Spannung V_SD zwischen der Quellenelektrode und der Senkenelektrode zwecks eines starken Feldüberganges von Leitungselektronen angelegt. Um den Effektivwert des elektrischen Feldes in der Inversionsschicht über den gesamten Kanal gleichmäßig zu machen, wird vorzugsweise die Bedingung Vc> Vsd eingehalten. Allgemein ist die Dicke der Steuerelektrodenisolierschicht von einem gleichmäßigen Wert d„„ während die Kanallänge L derart ist, daß L>d_ox, da L-100 μ und d_o,~300 A ist. Um daher die gleichmäßige Quantelung der Elektronenbewegung im Kanal zu erzielen, ist es erforderlich entweder die Steuerelektrodenisolierschicht so dick wie möglich und die Steuerspannung Vc höher zu macher oder den Kanal so kurz wie möglich und die Spannung Vsd kleiner zu machen.

Auch gilt das gleiche für den Fall der Quantelung aufgrund der geometrischen Beschränkung für die Elektronenbewegung. Die Dicke der aktiven Zone muß gleichmäßig sein, und der Ungleichmäßigkeitsgrad sollte innerhalb 5% gehalten werden.

Das Negativwiderstandsverhalten läßt sich ändern oder steuern, indem man den Betrag der äußeren Einflüsse variiert. Dieser Zustand ist in den F i g. 5 und 15 gezeigt. In Fig. 15 bezeichnen Fi, Fi und F₃ die Stärken des elektrischen Steuerfeldes aufgrund der angelegten Steuerspannung, wobei Fi<F2<F₃. Allgemein tritt das Negativwiderstandsverhalten nicht auf wenn die Stärke des angelegten elektrischen oder magnetischen Feldes zur Quantelung der Elektronenbewegung niedrig ist, doch wird das Verhalten durch Steigerung der Feldstärke verbessert. Wenn ein Magnetfeld verwendet wird, verbessert sich das Verhalten kontinuierlich mit dem Anstieg der Stärke des angelegten Feldes. Wenn andererseits ein elektrisches Feld verwendet wird, zeigt das Verhalten eine Verschlechterung bei einer extrem hohen Feldstärke, άΐ dann aufgrund des zu hohen Feldes Raumladunger erzeugt werden. Bei einer MOS-Inversionsschicht z. B. die ein bis zu einer Tiefe von 5000 Ä in der mit dei kristallographischen (lOO)-Ebene übereinstimmender Oberfläche eines Siliziumkörpers erzeugter SiO2-Filrr ist. tritt eine solche Verschlechterung zuerst bei einen Wert von Vc von angenähert gleich 5 kV auf.

Wenn ein unaxialer Druck zwischen dex Steuerelek trode auf der MOS-Inversionsschicht, die in dei (lOO)-Ebene eines Siliziumkörpers gebildet ist, unc diesem Körper einwirkt, steigt der Abstand Δ, wodurcr das Negativwiderstandsverhalten verbessert wird Wenn nun das elektrische Steuerfeld E~\WV/cm unc eine Belastung 10 (1700 kg/cm²) ~ 10~³ ist (t ist di< Dicke des verwendeten Körpers), dann ist di< Gesamtwirkung durch das Steuerfeld und die Belastung gleich dem l,3fachen der Wirkung durch das Feld allein Diese Wirkung aufgrund des Druckes ist nicht s< ausgeprägt, und es ist viel leichter, das Negativwider jtandsverhalten durch Änderung der Steuerspannun; oder der Magnetfeldstärke zu steuern. Nach J. C McGroddy in »Proceedings of International Confe rence on Semiconductor Physics« (Moskau 1968), S. 95C ist eine solche Wirkung von Druck auf einen Ge- ode Si-Körper ein Körpereffekt (Bulkeffekt), der auf den Prinzip beruht, daß die Symmetrie der Energiebände eines Vieltalaufbaus durch das Einwirken eines Druck; so verschlechtert wird, daß die Energiebänder gegensei tig vorgespannt werden.

Das Negativwiderstandsverhalten kann auch durcl Lichteinstrahlung gesteuert werden. Fig. 16 zeigt dii Strom-Spannungs-Kennlinie eines nach den Verfah rensschritten gemäß Beispiel 2 hergestellten MOS-FeId effekttransistors, das erzielt wird, indem man auf dei aktiven Teil des MOS-Feldeffekttransistors ein Lieh projiziert, das eine dem Abstand Δ zwischen dei gequantelten Energiebändern des p-Siliziumgrundkör pers gleiche Energie (üblicherweise gleich der Energie die Infrarotstrahlen mit Wellenlängen von einigei ΙΟμίη besitzen) aufweist. Die Kurve 191 gilt für di Bestrahlung mit solchen Infrarotstrahlen, während di Kurve 192 für die Bestrahlung mit Infrarotstrahle

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niedrigerer Wellenlänge gilt. Die Empfindlichkeit gegenüber der niedrigeren Wellenlänge von Infrarotstrahlen ändert sich etwas, jedoch ift diese Änderung in diesem Fall vernachlässigbar. In Fig. 16 ist eine Lastlinie mit der Bezugsziffer 194 bezeichnet. Der Arbeitspunkt an einer Stelle 195 ohne Bestrahlung geht zur Stellung 1% über, wenn Infrarotstrahlen niedriger Wellenlänge eingestrahlt werden, und bleibt in der Stellung 197 nach Unterbrechung der Bestrahlung. Dies ist eine Schaltfunktion aufgrund der Bestrahlung mit äußeren Infrarotstrahlen.

Um den Arbeitspunkt von der Stellung 197 zur Stellung 195 zurückzuführen, sind folgende zwei Schritte erforderlich: Zunächst werden Infrarotstrahlen höherer Wellenlänge (11 260 A), die Elektronen im Ausgleichs- oder Gleichgewichtsband von Silizium bis zum Leitungsband anregen können, eingestrahlt, so daß das verfügbare Verhalten durch die Kurve 193 geliefert werden und der Arbeitspunkt in einer Stellung 198 bleiben kann. Zweitens wird die Bestrahlung unterbrochen so daß die verfügbare Kennlinie der Kurve 191 folgen und der Arbeitspunkt zur Stellung 195 zurückkehren kann.

Das Festkörperbauelement in Form eines Feldeffekttransistors ist von einem Zweipol, wie einer Gunn-Di-

ode, verschieden, und das Negativwiderstandsverhalten

dieses Bauelements läßt sich leicht steuern, indem man

die an die dritte Elektrode, d.h. Steuerelektrode,

angelegte Spannung steuert.

Weiter tritt auch bei einer Dünnfilmkonfiguration ein

ο äußerst starkes elektrisches Feld, wie es bei dem Körper einer Gunn-Diode der Fall ist, unter der Bedingung, daß

n_sis5x10^l2cm-²,

nicht auf, worin n_sdie Oberflächenelektronendichte von z. B. Silizium ist, wobei die Steuerspannung unter 140 V ist, wenn die Dicke des S1O2-Isolierfilms 5000 A ist.

Die Schwingungsfrequenz oder die zu verstärkende Frequenz wird also durch einen äußeren Kreis bestimmt, während die Schwingungsfrequenz einer Gunn-Diode mit einem GaAs-Kristall einsinnig in Abhängigkeit von der Länge des Kristalls festgelegt ist.

Hierzu 10 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Festkörperbauelement mit negativem Widerstand mit einem Pestkörper aus einem Material mit mehreren Impuls-Energie-Dispersionsbeziehungen, der mit Elektroden versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (44,45; 74,75; 94, 95; 103; 135, 136; 162₃, 153) zum Quantein der Dispersionsbeziehungen vorgesehen sind.

2. Festkörperbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Quantein der Dispersionsbeziehungen eine Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an die an einem Paar von parallel gegenüberliegenden Oberflächen des Festkörpers (41) angebrachten Elektroden (42, 43) vorgesehen ist, das stark genug ist, um einen Abstand zwischen den Energiebändern zu schaffen, der größer als die der Umgebungstemperatur des Materials der Festkörper (41) im Bietrieb entsprechende Energie ist (F i g. 4a und b).

3. Festkörperbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (45) zum Anlegen eines äußeren Magnetfelds parallel zum elektrischen Feld an den Festkörper (41) vorgesehen ist (F ig. 4a und b).

4. Festkörperbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke einer in der Oberfläche des Festkörpers erzeugten Halbleiterschicht (141) auf einen viel geringeren Wert als die mittlere freie Weglänge eines Elektrons in dem Material des Festkörpers derart bemessen ist, daß die zum Material gehörigen Impuls-Energie-Dispersionsbeziehungen gequantelt werden (F ig. 12a).

5. Festkörperbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eir.e Einrichtung zum Bestrahlen der Festkörper mit einer elektromagnetischen Strahlung mit einer dem Energieabstand zwischen den gequantelten Energiebändern des Materials des Festkörpers äquivalenten Wellenlänge vorgesehen ist.

6. Festkörperbauelement nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, d.iß das Material des Festkörpers (41) aus der Gruppe Ge, Si, GaAs und Halbmetall gewählt ist.

7. Festkörperbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörper ein Halbleiterkörper (71, 91, 131, 151) eines ersten Leitfähigkeitstyps ist, der mit Störstoff dotierten Bereichen (72, 92, 133, 154) eines zweiten, zum ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps versehen ist, die bis zu einer bestimmten Tiefe in den Teilen einer Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (71, 91, 131, 151) mit Ausnahme seines mittleren Teils er/eugt sind, daß eine Quellen- und eine Senkenelektrode (73, 93, 152i, 152₂) mit den dotierten Bereichen (72, 92, 153, 154) verbunden sind, daß am Mittelteil der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (71, 91, 131, 151) zwischen der Quellen- und der Senkenelektrode ein Isolierfilm (74,94,135, 153) angebracht ist, unter dem die Dicke einer Oberflächeninversionsschicht gleichmäßig ist und der ein zur Schaffung eines größeren Energieabstandes zwischen den Energiebändern als der der Umgebungstemperatur des Halbleiterkörpers (71, 91, 131, 151) im Betrieb entsprechende Energieabstand genügendes angelegtes elektrisches Feld aushalten kann, und daß auf dem Isolierfilm (74, 94, 135,153) in dem mittleren Teil der Hauptoberfläche des Halbleiterkörpers (71, 91, 131, 151) eine Steuerelektrode (75, 95, 13S_t 152₃) angebracht ist (Fig.7.9,llundl3).

8. Verfahren zum Steuern des Betriebsverhaltens eines Festkörperbauelements nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß Spannungen zwischen der Quellen- und der Senkenelektrode (152i, 152₂) und an die Steuerelektrode angelegt werden, die so bemessen sind, daß zwischen der Quellen- und der Senkenelektrode im Halbleiterkörper eine Inversionsschicht gleichmäßiger Dicke gebildet wird und daß das elektrische Feld stark genug ist um einen Energieabstand zwischen den Energiebändern des Halbleiterkörpers zu schaffen, der größer als der der Umgebungstemperatur des Halbleiterkörpers entsprechende Energieabstand ist.