DE2325555A1 - SOLID COMPONENT AS STORAGE WITH INDEPENDENT STORAGE CONDITIONS - Google Patents
SOLID COMPONENT AS STORAGE WITH INDEPENDENT STORAGE CONDITIONSInfo
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Description
Festkörperbauelement als Speicher mit Stromversorgungs-unabhängiqen Spei eher zuständen Solid-state component as storage with power supply-independent storage rather states
Die Erfindung betrifft ein Festkörperbauelement als Speicher mit Stromversorgungs-unabhängigen Speicherzuständen, bestehend aus einem Substrat schwer schmelzbaren Metalls wie entsprechende Elemente der Nebengruppen Va und VIa als erster Elektrode mit hierauf aufgebrachtem eine Gegenelektrode tragenden Dünnfilm aus einer AIII-BV-Verbindung.The invention relates to a solid-state component as a memory with power supply-independent memory states, consisting of a substrate of difficult-to-melt metal such as corresponding elements of subgroups Va and VIa as the first electrode a thin film made of an AIII-BV compound and carrying a counter-electrode applied thereon.
Bauelemente dieser Art sind beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 480 843 beschrieben, wobei als AIII-BV-Verbindung jedoch eine halbleitende Verbindung wie Galliumarsenid gewählt ist. Als den Dünnfilm kontaktierende Elektrode ist dabei eine solche aus Tellur gewählt.Components of this type are for example in the USA patent 3 480 843, although a semiconducting compound such as gallium arsenide was selected as the AIII-BV compound is. An electrode made of tellurium is selected as the electrode contacting the thin film.
Nachteilig ist hier aber, daß die jeweils angenommenen Speicherzustände nicht beibehalten werden, wenn die Versorgungsspannung aus irgendwelchen Gründen ausfällt. Nach einem solchen Ereignis muß dann immer wieder neu eingespeichert werden. Als weiterer Nachteil zeigt sich, daß die Schaltgeschwindigkeiten relativ gering sind und nicht den erhöhten Erfordernissen, wie sie nunmehr auf allen Gebieten verlangt werden, gerecht werden können.The disadvantage here, however, is that the memory states assumed in each case not be maintained when the supply voltage fails for any reason. After such an event, you have to save again and again. As another The disadvantage is that the switching speeds are relatively low and do not meet the increased requirements as they are now can be demanded in all areas.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist zwar ein heterogenes Halbleiterbauelement vorgeschlagen worden, das aus einer Aluminiumnitridschicht zwischen einem Siliziumkontakt und einem Siliziumkarbidsubstrat liegt, jedoch lassen sich hiermit nicht die an sich erwünschten kurzen Umsehaltzeiten erzielen und außerdem ergibt sich der ganz entscheidende Nachteil, daß bedingt durch die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats und der Dünnschicht die Aluminiumnitridschicht rissig und brüchig wird. Ganz abgesehen davon, daß ein relativ hoher Herstellungsaufwand hierbei erforderlich ist.A heterogeneous semiconductor component is used to avoid these disadvantages has been proposed that consists of an aluminum nitride layer between a silicon contact and a silicon carbide substrate is, however, the short changeover times, which are desired per se, cannot be achieved in this way and moreover there is the very decisive disadvantage that due to the different thermal expansion coefficients of the Substrate and the thin layer, the aluminum nitride layer becomes cracked and brittle. Quite apart from the fact that a relatively high one Manufacturing effort is required here.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Festkörperbauelement der genannten Art bereitzustellen, das neben stromversorgungs- ' unabhängigen Speicherzuständen kurze Umsehaltzeiten besitzt, wobei gewährleistet ist, daß zur zuverlässigen Betriebsweise eine temperaturänderungsbedingte Zerstörung des Festkörperbauelements ausgeschaltet wird, so daß ein Betrieb in einem verhältnismäßig großen Temperaturbereich störungsfrei gewährleistet ist.The object of the invention is to provide a solid-state component to provide the type mentioned, in addition to power supply ' independent memory states has short switchover times, with it is ensured that, for reliable operation, destruction of the solid-state component due to temperature change is switched off, so that an operation in a relatively large temperature range is guaranteed without interference.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß als Dünnfilm eine höchsten 5 pn, vorzugsweise jedoch 1 pa starke Schicht· ■ aus Aluminiumnitrid dient, wobei der Temperaturausdehnungskoeffizient des Substrats mindestens angenähert gleich dem des Dünnfilms ist.According to the invention this object is achieved in that as a thin film a maximum 5 pn, but preferably 1 pa thick layer · ■ of aluminum nitride is used, with the coefficient of temperature expansion of the substrate is at least approximately the same as that of the thin film.
Im "IBM Technical Disclosure Bulletin::, Band 13, Nr. 11, April 1971 auf den Seiten 3305 und 3306 zeigt das dort beschriebene Festkörperbauelement eine Aluminiumnitridschicht, die 5 pm dick ist, jedoch, wie bereits erwähnt, auf Siliziumkarbid aufgetragen ist. Hierbei tritt nicht nur der Nachteil auf, daß die Umschaltgeschwindigkeit höher ist als bei dem erfindungsgemäßen Festkörperbauelement, sondern auch daß bedingt durch die verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten die Aluminiumnitridschicht brüchig und rissig wird, wenn nicht eine konstante Temperatur des Festkörperbauelements gewährleistet ist. Es hat sich gezeigt, daß Brüche und Risse im Aluminiumnitriddünnfilm des bekannten Festkörperbauelements sogar schon bei Herstellung nicht zu umgehen sind,In "IBM Technical Disclosure Bulletin :: , Volume 13, No. 11, April 1971 on pages 3305 and 3306, the solid-state component described there shows an aluminum nitride layer which is 5 μm thick, but, as already mentioned, is applied to silicon carbide there is not only the disadvantage that the switching speed is higher than with the solid-state component according to the invention, but also that, due to the different expansion coefficients, the aluminum nitride layer becomes brittle and cracked if a constant temperature of the solid-state component is not ensured and cracks in the aluminum nitride thin film of the known solid-state component cannot be avoided even during manufacture,
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wenn nicht besondere aufwendige Maßnahmen getroffen werden»if no special complex measures are taken »
Demgegenüber zeigt das erfindungsgemäß aufgebaute Festkörperbauelement eine wesentlich verkürzte ümschaltzeit und außerdem die Möglichkeit, einen Betrieb zwischen 4 °c bis zu etwa 500 °c störungsfrei zu gewährleisten. Die Umschaltzeiten betragen 0,3 Nanosekunden. Während bei relativ niedrigen Frequenzen das Umschaltimpedanzverhältnis (hochohmiger Zustand zu niedrigohmigem Zustand) 10000:1 beträgt, zeigen sich bei hohen Frequenzen, d.h. oberhalb 100 kHz noch Umschaltimpedanzverhältnisse von 20:1. Dabei ist ein Betrieb bei 40 Megahertz ohne-weiteres noch möglich,In contrast, the solid-state component constructed according to the invention shows a significantly shortened switchover time and also the possibility of ensuring trouble-free operation between 4 ° C. and approximately 500 ° C. The switching times are 0.3 nanoseconds. While the switching impedance ratio (high-resistance state to low-resistance state) is 10,000: 1 at relatively low frequencies, switching impedance ratios of 20: 1 are still found at high frequencies, ie above 100 kHz. Operation at 40 megahertz is still possible without further ado,
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen., daß als Gegenelektrodenmaterial störstellenbehaftetes Silizium, Aluminium oder eine Legierung.hieraus dient. Bei Verwendung von Silizium als Gegenelektrodenmaterial wird in vorteilhafter Weise eine entartete Dotierung der Gegenelektrode vorgesehen.In an advantageous further development of the invention it is provided that the counter electrode material is silicon, aluminum or an alloy. from this is used. When using silicon as the counter electrode material, it is advantageous a degenerate doping of the counter electrode is provided.
Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken dient als Verfahren zur Herstellung eines solches Festkörperbauelements die Anwendung eines Kathodenzerstäubungsverfahrens, bei dem Aluminium in einer Stickstoffatmosphäre zerstäubt und als Reaktionsprodukt auf das Substrat niedergeschlagen wird. Damit wird gewährleistet, daß sich eine homogene Aluminiumnitridschieht auf das Substrat niederschlägt, die eine äußerst hohe Reproduzierbarkeit bei Anwendung der Speicherzyklen gewährleistet, so daß selbst nach vieltausendfachem Umschalten des erfindungsgemäßen Festkörperbauelements keine Änderung der Charakteristik festzustellen ist.According to a further idea of the invention, the application serves as the method for producing such a solid-state component a sputtering process using aluminum in a Nitrogen atmosphere is atomized and deposited as a reaction product on the substrate. This ensures that a homogeneous aluminum nitride layer is deposited on the substrate, which ensures an extremely high reproducibility when using the memory cycles, so that even after many thousands of times Switching the solid-state component according to the invention no change in the characteristic can be determined.
Um das Kathodenzerstäubungsverfahren in seiner Wirksamkeit zu erhöhen, d.h. eine absolut einwandfreie Haftung der Aluminiumnitrid schicht auf dem Substrat zu gewährleisten, ist gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken vorgesehen, daß unmittelbar vor Niederschlag der Aluminiumnitridschicht das Substrat einem Ausgasungsprozeß unterworfen wird, in dem während eines Zeitraums von zu-To increase the effectiveness of the cathode sputtering process, i.e. to ensure absolutely perfect adhesion of the aluminum nitride layer on the substrate, is according to another According to the invention, the substrate undergoes an outgassing process immediately before the aluminum nitride layer is deposited is subject to, in which during a period of
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mindest 10 min. unter Anwendung einer Temperatur zwischen 350 Cat least 10 minutes using a temperature between 350 ° C
und 1500 0C, vorzugsweise jedoch von etwa 500 0C bis etwa 1000 °C,and 1500 0 C, but preferably from about 500 0 C to about 1000 ° C,
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und bei einem Druck von.etwa 2 χ 10 bis etwa 2 χ 10 Torr ein AufheizungsVorgang vorgenommen wird.and at a pressure of about 2 10 to about 2 χ 10 Torr Heating process is carried out.
Weitere Vortreile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der unten aufgeführten Zeichnungen und aus den Patentansprüchen.Further advantages and features of the invention emerge from the following description of exemplary embodiments with reference to the drawings listed below and from the claims.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Strom-Spannungscharakteristik für eine Halblei1 shows a current-voltage characteristic for a semiconductor
terdiode üblicher Bauart,common type of diode,
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Halbleiterbau2 shows a schematic side view of a semiconductor structure
elements gemäß der Erfindung,elements according to the invention,
Fig. 3 eine Strom-Spannungscharakteristik für ein Halblei3 shows a current-voltage characteristic for a semiconductor
terbauelement gemäß der Erfindung,terbauelement according to the invention,
Fig. 4 eine Schaltungsanordnung zur vorteilhaften Anwendung4 shows a circuit arrangement for advantageous use
des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements,of the semiconductor component according to the invention,
Fig. 5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung derFig. 5 is a graph for explaining the
Betriebsweise des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements .Mode of operation of the semiconductor component according to the invention.
Zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung werden Aluminiumnitridschichten mit Hilfe reaktiver Kathodenzerstäubung auf ein schwer schmelzbares Metallsubstrat wie Molybdän, Niobium, Tantal oder Wolfram aufgetragen, indem zur Kontaktierung des Aluminiumnitrids Silizium oder andere leitende Materialien, wie z.B. Aluminium auf die Aluminiumnitridoberfläche anlegiert werden. Fig. 2 zeigt dementsprechend eine Seitenansicht einer typischen Anordnung eines Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung.To produce a semiconductor component according to the invention, aluminum nitride layers are made with the aid of reactive cathode sputtering on a hard-to-melt metal substrate such as molybdenum, Niobium, tantalum or tungsten is applied by using silicon or other conductive materials to contact the aluminum nitride, such as aluminum can be alloyed onto the aluminum nitride surface. 2 accordingly shows a side view a typical arrangement of a semiconductor device according to the invention.
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Dieses Halbleiterbauelement besteht aus dem Substrat IO aus einer schwer schmelzbaren Metallplatte mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der angenähert dem des aufgestäubten Aluminiumnitridfilms 12 entspricht» Eine Elektrode 14 leitenden Materials, wie z.B. Silizium, Aluminium oder eine Aluminium-Siliziumlegierung ist auf dem Aluminiumnitridfilm 12 angebracht. This semiconductor component consists of the substrate IO made of a hard-to-melt metal plate with a coefficient of thermal expansion that approximates that of the sputtered aluminum nitride film 12. An electrode 14 of conductive material, such as silicon , aluminum or an aluminum-silicon alloy, is attached to the aluminum nitride film 12.
tut Hilfe des KathodenzerstaubungsVerfahrens werden die entsprechenden Schichten.in verhältnismäßig einfacher Weise aufgebracht, wobei sie außerdem frei von Rissen und Fehlstellen sind. In der Zeitschrift "Journal of Vacuum Science Technol«" von 1969, Seiten 194 ff. ist zwar beschrieben? wie Aluminiumnitridschichten durch reaktive Kathodenzerstäubung von Aluminium in einer Argonstickstoff atmosphäre niedergeschlagen werden können, jedoch wird zur Herstellung des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements Aluminiumnitrid als polykristalliner Film durch hochfrequente reaktive Kathodenzerstäubung in reiner Stickstoffatmosphäre mit Hilfe einer Auftreffplatte aus 99,99 prosentigem Aluminium niedergeschlagen. Hierzu dient ein Kathodenzerstaubungssystem überlicherdoes help of the sputtering process be the appropriate Layers applied in a relatively simple manner, and they are also free of cracks and defects. In the "Journal of Vacuum Science Technol" "1969, pages 194 ff. Is described? like aluminum nitride layers reactive sputtering of aluminum in an argon-nitrogen atmosphere can be deposited, however, is used for Production of the semiconductor component according to the invention aluminum nitride as a polycrystalline film by high-frequency reactive Cathode sputtering in a pure nitrogen atmosphere with the help of knocked down on a target made of 99.99 prosentigem aluminum. A cathode sputtering system is used for this purpose
Bauart. Das System wird zunächst auf einen Druck von 2 χ 10 bisDesign type. The system is initially up to a pressure of 2 χ 10
—8-8th
etwa 2 χ 10 Torr gebracht, so daß die Substrate unter Wärmebehandlung oberhalb von 350 0C bis etwa 1500 °C entgast werden können. Der bevorzugte Temperaturbereich liegt etwa zwischen 500 0C bis zu etwa 1000 0C. Aluminium wird in Stickstoffatmosphäre für zumindest 10 min oder in Argon für 1 vorzerstäubt, um anschließend Stickstoff einzulassen gegebenenfalls als Ersatz für Argon, um den VorzerstaubungsVorgang für eine zusätzliche halbe Stunde fortzusetzen., Die Substrats lassen sich in Argon unter Anwendung erhöhter Temperatur während 10 min sauber zerstäuben. Dann wird Stickstoff eingelassen, um das Argon zu ersetzen und den eigentlichen Zerstäubungsvorgang vorzunehmen. Die Niederschlagstemperatur für das Aufwachsen der Epitaxieschicht liegt bei 1100 0C,, wobei eine Leistungsdichte von 8 WattBrought about 2 χ 10 Torr, so that the substrates can be degassed with heat treatment above 350 0 C to about 1500 ° C. The preferred temperature range is between about 500 0 C up to about 1000 0 C. Aluminum is pre-atomized in a nitrogen atmosphere for at least 10 min or in argon for 1 to subsequently admit nitrogen optionally continue as a substitute for argon in order to VorzerstaubungsVorgang for an additional half hour ., The substrates can be neatly atomized in argon using an elevated temperature for 10 minutes. Then nitrogen is admitted to replace the argon and to carry out the actual atomization process. The precipitation temperature for the growth of the epitaxial layer is 1100 ° C., with a power density of 8 watts
2
pro cm Anwendung findet; die HF-Vorspannung beträgt dabei 50 V
unter Anlegen des negativen Potentials an die Substrate.2
per cm is used; the HF bias is 50 V when the negative potential is applied to the substrates.
971 065 3098 5.1 /079S971 065 3098 5.1 / 079S
Wie bereits erwähnt, bestehen die Substrate aus schwer schmelzbarem Metall. Ein solches Metall besitzt einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der sich dem des Aluminiumnitrids nähert und beispielsweise in der Größenordnung von 4-9 χ 10 / C im Herstellungsbereich beträgt. As already mentioned, the substrates consist of difficult to melt Metal. Such a metal has a coefficient of thermal expansion that approaches that of aluminum nitride and, for example on the order of 4-9 χ 10 / C in the manufacturing area.
Die Substrate für die Halbleiterbauelemente lassen sich aus polykristallinen Platten oder Einzelkristallen bereitstellen. So lassen sich z.B. Wolframsubstrate mit einer (111)-Orientierung und Molybdänsubstrate mit einer (111)-Orientierung verwenden. Die auf polykristallinem Wolfram niedergeschlagenen Aluminiumnitridschichten sind polykristallin mit einer typischen Korngröße von etwa 500 A. Demgegenüber zeigen Aluminiumnitridschichten auf (111)-orientierten Wolframeinkristallen eine größere Fehlstellenfreiheit und bilden angenähert Einzelkristalle, obgleiche eine verhältnismäßig hoehe Versetzungdichte vorliegt, wie es jrtzfiguren zeigen. Der Aluminiumnitridfilm wird in einer Dicke von etwa 0,2 pm bis etwa 10 um Dicke aufwachsen gelassen,, um dann auf seine freie Oberfläche eine Siliziumgegenelektrode anzulegieren. Es lassen sich auch dünnere Aluminiumnitrid-Schichten anwenden, wobei dann jedoch äußerste Sorgfalt beim Anbringen von Elektroden geboten ist.The substrates for the semiconductor components can be provided from polycrystalline plates or single crystals. For example, tungsten substrates with a (111) orientation and molybdenum substrates with a (111) orientation can be used. The deposited on polycrystalline tungsten aluminum nitride layers are polycrystalline with a typical grain size of about 500 A. In contrast, show aluminum nitride layers on (111) -oriented Wolframeinkristallen a larger voids freedom and form approximated single crystals obgleiche a relatively hoehe dislocation density is present as j show r tzfiguren. The aluminum nitride film is grown to a thickness of about 0.2 μm to about 10 μm in order to then alloy a silicon counter-electrode on its free surface. Thinner aluminum nitride layers can also be used, but extreme care is then required when attaching electrodes.
Elektroden werden an die Aluminiumnitridschicht durch'Legieren von Siliziumplättchen bei Temperaturen oberhalb von 1420 C bis etwa 1800 C in einer Stickstoff- oder Argonatmosphäre kontaktiert. Das Silizium ist dabei entweder mit P- oder N-Fremdatomen entartet dotiert. Diese Aluminumelektroden lassen sich auf die Aluminiumnitrid-Oberfläche mit Hilfe bekannter Maßnahmen niederschlagen, z.B. Kathodenzerstäuben, Aufdampfen oder Legieren. Beim Anlegieren des Aluminiums auf die Aluminiumnitridoberfläche werden Temperaturen von etwa 660 C bis etwa 1800 C angewendet* Aluminium-Silizium-Legierungen können als Elektrodenmetall angewendet werden und lassen sich bei Temperaturen oberhalb von etwa 576 C auftragen.Electrodes are alloyed to the aluminum nitride layer of silicon wafers at temperatures above 1420 C to contacted about 1800 C in a nitrogen or argon atmosphere. The silicon is either with P or N foreign atoms degenerate endowed. These aluminum electrodes can be attached to the aluminum nitride surface with the help of known measures precipitate, e.g. cathode sputtering, vapor deposition or alloying. When alloying the aluminum to the aluminum nitride surface, temperatures of around 660 C to around 1800 C are used * Aluminum-silicon alloys can be used as electrode metal and can be used at temperatures above about Apply 576 C.
Aluminiumnitrid-Dünnfilmbauelmente, wie oben beschrieben, zeigenShow aluminum nitride thin film devices as described above
309851/079 5.309851/079 5.
YO 971 065YO 971 065
9 zunächst eine sehr hohe Impedanz, d»h„ mehr als 10 Ohm und erfordern für gewöhnlich ein elektrisches Formieren, indem im Vergleich zur Spannung bei beabsichtigter Anwendung des Bauelements eine hohe Spannung angelegt wird,, um die gewünschten Schalt- und Speichereigenschaften herbeizuführen. Die Formierungsspannung kann zwischen 1 bis 1000 V liegen, vorzugsweise jedoch bei 50 V und ist dabei in etwa gleich für verschiedene Halbleiterbauelemente, die sich auf dem gleichen Substrat befinden» Die bevorzugte Polarität ist positiv gegenüber der Leiterelektrode. Nach dem elektrischen Formieren besitzen die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente jeweils eine Impedanz in der Größenordnung von 100 0hm im Kiedrigwiderstandszustande also irc Einzustand. Der Hochwiderstandszustand oder Auszustand wird durch die Betriebsfrequenz und. das Impedanzverhältnis bestimmt» Sind die Halbleiterbauelemente formiert, dann liegen die Schaltspannungen im Bereich von etwa 1 bis etwa 100 V oder mehr. So hat in typischer Weise ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung mit einem Aluminiumnitridfilm von etwa 1 pm Dicke Umschaltspannungen im Bereich von 1 bis etwa 10 Vo Anordnungen mit dickeren Filmen scheinen höhere Umschaltspannungen zu erfordern»9 initially has a very high impedance, ie more than 10 ohms and usually require electrical forming by im Compared to voltage when the component is intended to be used a high voltage is applied in order to achieve the desired switching and to bring about storage properties. The formation voltage can be between 1 and 1000 V, but preferably 50 V. and is roughly the same for different semiconductor components located on the same substrate »The preferred one Polarity is positive compared to the conductor electrode. After the electrical forming, the semiconductor components according to the invention have in each case an impedance in the order of magnitude of 100 ohms in the low resistance state, i.e. irc single state. The high resistance state or the off state is determined by the operating frequency and. the impedance ratio is determined »Once the semiconductor components have been formed, the switching voltages are present in the range of about 1 to about 100 volts or more. So typically has a semiconductor component according to the invention an aluminum nitride film about 1 µm thick. Switching voltages in the range from 1 to about 10 Vo arrangements with thicker films seem to require higher switching voltages »
Wie zuvor erwähnt, zeigt die graphische Darstellung nach Fig. 1 eine typische Strom-Spannungscharakteristik von Halbleiterdioden üblicher Bauart. Hieraus ergibt sich ohne weiteres j, daß die Diode in der Vorwärtsrichtung bis zum Erreichen der 'Kniespannung im Ast 1 eine relativ hohe Impedanz besitzt, um bei weiterem Ansteigen der Spannung einen niedrigen Impedanzwert zu erhalten. D.h. für relativ kleine Spannungserhöhungen ergeben sich hohe Stromzunahmen. In der Sperrichfcung zeigt die Diode zunächst einen relativ hohen Impedanzwert, und zwar ebenfalls bis zum Erreichen der Kniespannung im Ast 2, bis schließlich bei weiterem Absenken der Spannung die Lawinendurchbruchsspannung V. erreicht xvirdoAs mentioned above, the graph of FIG. 1 shows a typical current-voltage characteristic of semiconductor diodes of conventional design. From this it follows without further ado that the diode has a relatively high impedance in the forward direction until the knee voltage is reached in branch 1, in order to obtain a low impedance value when the voltage rises further. This means that there are high increases in current for relatively small increases in voltage. In the blocking mode, the diode initially shows a relatively high impedance value, also until the knee voltage is reached in branch 2, until the avalanche breakdown voltage V.
Die Strom-Spannungscharakterisik des Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung ist in Figo 3 gezeigt? welche speziell^auf ein typisches Halbleiterbauelement., wie in Figo 2 gezeigt, gerichtet ist,The current-voltage characteristics of the semiconductor component according to the invention is shown in FIG. which is specifically directed ^ to a typical semiconductor device. As shown in Figure 2 o,
971 065 3 0 985 1/07 9 S971 065 3 0 985 1/07 9 p
Der Verlauf dieser Charakteristik ist im einzelnen von der Vorgeschichte des Betriebs des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements abhängig und läßt sich am besten anhand des Einsatzes in einer Schaltung, wie in Fig. 4 gezeigt, beschreiben; wobei diese Schaltungsanordnung die Möglichkeit besitzt, eine asymmetrische Treiberspannung bereitzustellen, und Lastwiderstände besitzt, deren Belastungskennlinien sich durch die Widerstandsgeraden R1 und R2 in Fig. 3 darstellen lassen. Befindet sich das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement in einem Hochwiderstandszustand (Gerade D-E in Fig. 3) und zur Zeit 0, dann ist die Treiberspannung 0 und wächst zunächst in positiver Richtung, d.h. bei Anlegen eines positiven Potentials an der Siliziumgegenelektrode, in Abhängigkeit von der Zeit. Beim Anlegen einer Wechselspannung mit einer positiven Amplitude V und einer negativen Amplitude V„ ,ergibt sich ein Charakteristikverlauf wie er durch die stark ausgezogenen Geraden in der graphischen Darstellung nach Fig. 3 zwischen den Punkten OEaABdDO dargestellt ist.The course of this characteristic depends in detail on the previous history of the operation of the semiconductor component according to the invention and can best be described on the basis of its use in a circuit as shown in FIG. 4; this circuit arrangement has the possibility of providing an asymmetrical drive voltage, and has load resistances, the load characteristics of which can be represented by the resistance lines R 1 and R 2 in FIG. If the semiconductor component according to the invention is in a high resistance state (straight line DE in FIG. 3) and at time 0, then the drive voltage is 0 and initially increases in a positive direction, ie when a positive potential is applied to the silicon counterelectrode, as a function of time. When an alternating voltage with a positive amplitude V and a negative amplitude V "is applied, a characteristic curve results as it is shown by the strongly drawn straight lines in the graph according to FIG. 3 between the points OEaABdDO.
Die Spannung am Punkt E entspricht dabei der Schwellenspannung zur Umschaltung vom Zustand hohen Widerstandes in den Zustand geringen Widerstandes und der Strom am Punkt B ist der Schwellenstrom zum Umschalten vom Zustand hohen Widerstandes in den Zustand kleinen Widerstandes. Eine bemerkenswerte Eigenschaft der Charakteristikschleife bei hohen Frequenzen z.B. bei Frequenzen größer als 100 kHz besteht darin, daß der Absolutwert des Umschaltstromes I, das Bestreben hat, den gleichen Wert einzunehmen, wie der höchste Wert für den Strom I , auf den das Halbleiterbauele-The voltage at point E corresponds to the threshold voltage for switching from the state of high resistance to the state of low resistance and the current at point B is the threshold current for switching from the state of high resistance to the state little resistance. A remarkable property of the Characteristic loop at high frequencies, e.g. at frequencies greater than 100 kHz, consists in the absolute value of the switching current I who strive to have the same value as the highest value for the current I to which the semiconductor component
ment nach Umschaltungen von den Hochimpedanzzuständen jeweils eingestellt worden ist.ment after switching from the high-impedance states has been set.
Eine weitere Eigenschaft der Stromspannungscharakteristik liegt in dem Bestreben der Umschaltpunkte (E, A, B und D) für aufeinander folgende Zyklen der Treiberspannung unterschiedlich zu sein. Dies ist ganz besonders bemerkenswert, bei sehr niedrigen Frequenzen im Bereich von 0 bis 100 Hz. Bei hohen Frequenzen im mHz-Bereich wird jedoch der Schwankungsbereich der Umschaltpunkte äußerstAnother property of the voltage characteristic is the effort of the switching points (E, A, B and D) for each other following cycles of the drive voltage to be different. This is especially noticeable at very low frequencies in the range from 0 to 100 Hz. At high frequencies in the mHz range, however, the fluctuation range of the switching points becomes extreme
YO 971 065 309861/0795YO 9 71 065 309861/0795
klein. Dies gestattet die Messung der Übergangs- oder Umschalt-' zeiten, die vorgenommen werden können, mit schnell ansprechenden Oszilloskopen. Es hat sich gezeigt, daß die entsprechenden Zeitabschnitte bis zu weniger als 300 Pikosekungen auflösbar sind. Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement, wie es in Fig. 2 schematisch dargestellt ist, kann demnach bei so hohen Frequenzen, wie 4O mHz, betrieben werden.small. This allows the measurement of the transition or switching times that can be made with quick response Oscilloscopes. It has been shown that the corresponding time periods up to less than 300 picoseconds can be resolved. The semiconductor component according to the invention, as shown in FIG is shown schematically, can therefore be operated at frequencies as high as 40 mHz.
Aus der graphischen Darstellung nach Fig. 3 läßt sich ersehen, daß das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement jeweils eine große Anzahl von Zwischenimpedanzzuständen besitzt, deren Lage im schraffierten Bereich jeweils auftreten kann. Ganz allgemein, gesagt, besitzen die Zwischenzustände geringere Schwellenwertspannungen als die Zustände bei sehr geringem Widerstand (geringer als 100 Ohm). Diese Zustände lassen sich in folgender Weise einnehmen. Soll angenommen sein, daß die Betriebsspannung eine positive Amplitude V besitzt und eine negative Amplitude V2 dann wird die gesamte Schleife OEaABdDO ausgenutzt. Wird jedoch die negative Amplitude auf V' reduziert, wobei die positive Amplitude V1 beibehalten bleibt, dann wird beginnend mit dem Ursprung 0 im Zustand niedriger Impedanz und bei negativer Umlaufrichtung die kleinere Schleife OBdOE'a'aAO durchlaufen und durch das Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung ausgenutzt; d.h. das schraffierte Gebiet in der graphischen Darstellung nach Fig. 3 wird umfahren. Das bedeutet, daß die Hochwiderstandszustände, wie sie durch die Punkte DOE dargestellt sind, ausgelassen werden. Diese Hochwiderstandszustände verschwinden ebenfalls aus der durchfahrenen Schleife bei relativ hoch festgesetzten Treiberfrequenzen, so daß anzunehmen ist, daß sie relativ großen Zeitkonstanten zugeordnet sein müssen. Es ist klar, daß bei Reduzieren der positiven Amplitude eine gleiche Verringerung der umfahrenen Schleife stattfinden wird. In diesem Falle nimmt das Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung einen neuen Zustand geringen Widerstandes bei etwas höherem Widerstand und geringerem Schwellenwertstrom als vorher ein. Offensichtlich lassen Amplitudenvergrößerungen in einer Richtung entsprechendeFrom the graph according to FIG. 3 it can be seen that the semiconductor component according to the invention has a large number of intermediate impedance states, the position of which can occur in the hatched area. Generally speaking, the intermediate states have lower threshold voltages than the very low resistance states (less than 100 ohms). These states can be assumed in the following way. If it is to be assumed that the operating voltage has a positive amplitude V and a negative amplitude V 2, then the entire loop OEaABdDO is used. If, however, the negative amplitude is reduced to V ', the positive amplitude V 1 being retained, the smaller loop OBdOE'a'aAO is traversed starting with the origin 0 in the low impedance state and in the negative direction of rotation and through the semiconductor component according to the invention exploited; ie the hatched area in the graphic representation according to FIG. 3 is bypassed. This means that the high resistance states as represented by the points DOE are omitted. These high resistance states also disappear from the loop passed through at relatively high set drive frequencies, so that it can be assumed that they must be assigned to relatively large time constants. It is clear that if the positive amplitude is reduced there will be an equal reduction in the loop being traversed. In this case, the semiconductor component according to the invention assumes a new state of low resistance with a somewhat higher resistance and lower threshold current than before. Obviously, amplitude increases in one direction leave corresponding ones
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Änderungen, in der Schleifenform auftreten. Ist diese Änderung zu groß, dann stellt das Halbleiterbauelement jegliche Umschaltung ein, indem es dann in einem einzigen Impedanzzustand gehalten wird.Changes that occur in the loop shape. Is this change too large, then the semiconductor component makes any switchover one by then holding it in a single impedance state.
Die Stabilität der Umschaltschleifen bei Frequenzen im mHz-Bereich ist praktisch nachgewiesen worden, indem ein Halb- . leiterbauelement gemäß der Erfindung kontinuierlich in einer Schleife betrieben worden ist, die ein Impedanzverhältnis von 4:1 bei 10 Hz aufgewiesen hat. Es über 10 Operationszyklen durchgeführt worden. Die Umschaltschleife eines Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung hat sich dabei als nahezu unabhängig von der Temperatur im Bereich zwischen 4 K und etwa 5000K erwiesen. The stability of the switching loops at frequencies in the mHz range has been proven in practice by using a half. Conductor component according to the invention has been operated continuously in a loop which has an impedance ratio of 4: 1 at 10 Hz. It has been performed over 10 surgical cycles. The switching loop of a semiconductor component according to the invention has proven to be almost independent of the temperature in the range between 4 K and approximately 500 ° K.
Für fest vorgegebene Belastungsgeraden und vorgegebener Treiberwellenform ist das Impedanzverhältnis zwischen Hochwiderstandszustand und Niedrigwiderstandszustand bei sehr geringen Frequenzen am größten, wohingegen dieses Verhältnis mit wachsender Frequenz abnimmt, wobei allgemein der Hochwiderstands zustand in seinem Wert mehr und mehr herabgesetzt wird. So ergibt sich bei einer niedrigen Treiberfrequenz von 10 Hz ein Impedanzverhältnis von 10 000:1 oder mehr. Bei einer Frequenz von 1 mHz beträgt der typische Wert für dieses Verhältnis immerhin noch 20:1.For predefined load lines and predefined driver waveforms is the impedance ratio between high resistance states and low resistance state at very low frequencies greatest, whereas this ratio decreases with increasing frequency, with the high resistance state generally in its Value is being depreciated more and more. This results in an impedance ratio of at a low driver frequency of 10 Hz 10,000: 1 or more. At a frequency of 1 mHz, the typical value for this ratio is still 20: 1.
Eine hervorstechende Eigenschaft der Anordnung gemäß der Erfindung besteht darin, daß wenn einmal das Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung in einen speziellen Impedanzzustand geschaltet ist, dieser Zustand auch für eine lange Zeitperiode beibehalten bleibt, selbst wenn die Spannung auf den Wert 0 reduziert ist. Zustände hoher Impedanz sind am stabilsten, obgleich Halbbauelemente gemäß der Erfindung, die auf einen Niedrigimpedanzzustand eingestellt sind, diesen Wert bei einer Vorspannung 0 über eine Zeitdauer von über 9 Monaten beibehalten haben.A salient characteristic of the arrangement according to the invention is that once the semiconductor device according to the invention is switched to a specific impedance state is, this state is maintained for a long period of time even when the voltage is reduced to zero. High impedance states are most stable, although semi-devices according to the invention target a low impedance state have maintained this value for a period of more than 9 months with a preload of 0.
Versuche in Anwendung von kompletten Umsehaltzyklen, die jeweils nach Zeitintervallen wiederholt wurden, welche zwischen demTry using complete switching cycles, each were repeated after time intervals between the
3 09851/07953 09851/0795
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