DE2417248A1

DE2417248A1 - Elektronische festkoerper-steuervorrichtung und schaltung fuer diese

Info

Publication number: DE2417248A1
Application number: DE2417248A
Authority: DE
Inventors: Melvin Phillip Shaw
Original assignee: Energy Conversion Devices Inc
Current assignee: Energy Conversion Devices Inc
Priority date: 1973-04-26
Filing date: 1974-04-09
Publication date: 1974-11-21
Also published as: FR2227643A1; NL7405351A; CA1024221A; JPS5015484A; US4015282A; JPS579517B2; FR2227643B1; GB1469814A; IT1014609B

Description

Pa ten ta π wäl te)

Dr. E. Boettner
Dipl.-Ing. H.-J. Müller

Dr. Th. Berendt

D 8 München 80

EvoNe-Grafan-Str. 3«, Tel. 47 Sl SS

Case 10 315 As/P

Energy Conversion Devices, Inc.

1675 West Maple Road, Troy , Mich.48084

V.St.A.

Elektronische Festkörper-Steuervorrichtung und Schaltung

für diese

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektronische Festkörper-Halbleiter-Steuervorrichtung, die ihre vorteilhafteste Anwendung als Strom- oder Spannungsverstärker findet* Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine elektronische Festkörper-Halbleiter-Steuervorrichtung, die sich gegenüber Flächentransistoren durch gewisse Vorteile, wie durch höhere Verstärkungspegel oder durch äußerste Verminderung der nachteiligen Beeinflußbarkeit durch ionisierende Strahlung oder Neutronenstrahlung, auszeichnet. Da die elektronische Steuervorrichtung gemäß der Erfindung nach einem ähnlichen Prinzip wie Transistoren arbeitet, dürfte eine kurze Erläuterung der Funktionsweise von Transistoren zum

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-2-ORiGiNAL INSPECTED

Verständnis der verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung von Nutzen sein.

Die gewöhnlichste Form einer Festkörper-Verstärkervorrichtung ist der Flächentransistor, der gewöhnlich aus einem Körper aus kristallinem Halbleitermaterial besteht, das mit Verunreinigungen "dotiert" oder legiert ist, die sich «it der Gitterstruktur des Halbleiters nur unvollkommen binden. Unterschiedliche Bereiche oder Schichten des Körpers aus Halbleitermaterial sind mit Verunreinigungen vom p- oder n—Typ dotiert, durch die die Schichten oder Bereiche mit einer Überzahl an elektrischen Ladungsträgern ausgestattet werden, die als Löcher bzw. als Elektronen bezeichnet werden. Ein Flächentransistor weist im allgemeinen drei aneinandergrenzende Schichten oder Bereiche aus abwechselnd unterschiedlich dotiertem Halbleitermaterial auf, die einen p-n-p- oder einen n-p-n-Transistor bilden (die Buchstaben ρ und η bezeichnen die Verunreinigungen in der Schicht oder dem Bereich der betreffenden Vorrichtung, die die Defektelektronen (Löcher) bzw. die Elektronen bilden). Der Übergang zwischen der einen der Außenschichten (die als Emitterelektrode bezeichnet wird) und der Zwischenschicht (die als Basiselektrode bezeichnet wird) ist mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, die den Übergang zwischen diesen Schichten in Vorwärtsrichtung vorspannt, so daß elektrische Ladungsträger, die die Hehrzahl der Ladungsträger der Emitterelektrode bilden, an dem letzteren Übergang angezogen werden und von dort in die die Basiselektrode bildende Schicht eintreten. Der Übergang zwischen Basis- und Kollektorelektrode ist im allgemeinen durch eine Gleichspannungsquelle in Sperrichtung gepolt vorgespannt. Die Dicke der die Basiselektrode bildenden Schicht ist für die Verstärkungswirkung einer Transistorvorrichtung entscheidend und wird hinreichend gering gehalten, so daß sie geringer ist als die sogenannte Diffusionslänge der elektrischen Ladungsträger durch diese Schicht. Mit anderen Worten,

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die die Basiselektrode bildende Schicht ist so ausreichend dünn, , daß die aus der Emitterelektrode eingeführten elektrischen Ladungsträger nicht neutralisiert oder eingefangen werden, bevor sie den Übergang zwischen den die Basis- bzw· die Kollektorelektrode bildenden Schichten erreicht.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß bei transistorartigen Verstärkervorrichtungen und Schaltungen für diese Verbesserungen erzielt werden können, indem für mindestens eine der Elektroden, in höchst vorteilhafter Weise für iie Emitterelektrode, ein von den bisher verwendeten Fehlstellen-Halbleiterraaterlallen verscHedenes Material verwendet wird, und zwar ein solches aus der Materialklasse der sogenannten Halbleiterschaltmaterialien, die in höchst vorteilhafter Weise glasartige oder amorphe Materialien sind wie diejenigen gemäß der deutschen Patentanmeldung P 1h 6k 57^.0-33 vom 25. September 1963, entsprechend der US-PS 3 271 591, S.R. Ovshinsky, erteilt am 6. September I966. Halbleiterschaltmaterialien sind Materialien, die bei Anlegen einer Spannung oberhalb einer gegebenen Schwellenspannung an gegenüberliegenden Seiten oder an in einem Abstand voneinander liegenden Stellen einer Schicht aus einem solchen Material aus einem verhältnismäßig nichtleitenden Zustand, in dem das Material als Halbleiter hohen Widerstandes (Halbisolator) d.h. als beispielsweise ein Mater! al mit einem spezifischen Widerstand im Bereich von ca. 10"^ bis ca. 10 XX. cm wirkt, in einen leitfähigen Zustand umschaltbar ist, in dem das Material als Leiter, d.h. als ein Material mit beispielsweise einem spezifischen Widerstand im Bereich von 10 bis ca. 10~ ilcm wirkt. Halbleiterschaltmaterialien, die zur Anwendung gemäß der Erfindung nützlich sind, sind die gemäß der genannten Patentanmeldung P 1464574, und zu ihnen gehören Materialien, die mitunter als "Schwellenschaltvorrichtungen" bezeichnet werden und die nach Umschalten in den leitfähigen Zustand durch eine Spannung oberhalb der genannten Schwellenspannung ihren

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leitfähigen Zustand beibelaLten, bis der hindurchfließende Strom unter eine gegebene Haltestromstärke absinkt. Diese Schaltmaterialien sind im allgemeinen glasartige Halbleitermaterialien, die sich unter den dreidimensional vernetzten chalcogenid-legierten Gläsern finden. Zu solchen Materialien gehören Massen aus (a) 25 (At.-)% Arsen und 75 % eines Gemisches aus 909ε Tellur und 10% Germanium; (b) 4θ% Tellur, 35% Arsen, 18% Silicium, 6,75% und 0,25% Indium? und (c) 28% Tellur, 34,5% Arsen, 15,5% Germanium und 22% Schwefel.

Einen anderen Typ von Halbleiterschaltmaterialien, die gemäß der Erfindung von Nutzen sind, bilden die mitunter als "SpeiehersehaltVorrichtungen" bezeichneten Materialien. Dabei handelt es sich um eine Vorrichtung, die, wenn sie durch Anlegen einer Spannung oberhalb einer gegebenen Schwellenspannung in einen leitfähigen Zustand umgeschaltet worden ist, den leitfähigen Zustand auch dann beibehält, wenn sie von jeglicher Energiezufuhr abgeschnitten ist, und in ihren verhältnismäßig nichtleitenden Zustand durch Zufuhr eines Rückschalt impuls es zurückschaltbar ist, wie dies in der genannten Patentanmeldung 14 64 574 beschrieben ist. Der Spannungsimpuls zum Umschalten eines eine Speichervorrichtung bildenden Materials hat gewöhnlich eine Dauer in der Größenordnung von Millisekunden· Ein Ruckschaltimpuls ist ein äußerst kurzer Stromstoß, der im allgemeinen weniger als ca. 6 ms dauert. Speichernde Halbleiterschaltmaterialien (gemäß der genannten Patentanmeldung P 14 64 574) sind glasartige Halbleitermaterialien, die in reversibler Weise zwischen zwei Strukturzuständen umschaltbar sind und deren Zusammensetzungen an der Grenze der Glasbereiche liegen und die im allgemeinen binäre Massen aus Tellur und Germanium mit einem Germaniumanteil von über 10% der Masse, oder Massen wie diese, einschließlich zusätzlicher Elemente aus den Gruppen V oder VI des periodischen Systems sind. Beispiele von Speichermaterialmassen sind (a) 15 (At.-)% Germanium, 81% Tellur, 2% Antimon und 2% Schwefel; und (b) 83% Tellur und 17% Germanium.

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+ Germanium

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine "verbesserte Verstärkervorrichtung dadurch erzielt, daß anstelle der Emitterschicht eines herkömmlichen p-n-p- oder n-p-n-Flächentransistors ein Halbleiterschaltmaterial der beschriebenen Art eingesetzt wird. Da die Halbleiterschaltmaterialien, speziell die gemäß US-PS 3 271 591 * in Anwesenheit wesentlicher ionisierender Strahlungen und Neutronenstrahlungen funktionsfähig sind, werden gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung die beschriebenen Halbleiterschal tmaterialien für die Emitter-, Basis- und Kollektorelektroden von Pestkörper-Verstärkervorrichtungen verwendet, wenn eine strahlungsfeste Verstärkervorrichtung benötigt wird, obwohl die Verstärkungsfähigkeit einer solchen Verstärkervorrichtung geringer ist als die der Vorrichtung, bei der nur die Emitterelektrode aus solchem Material besteht. Auf jeden Fall werden bei der Verstärkervorrichtung gemäß der Erfindung die Halbleiterschaltmaterialien gewöhnlich in ihrem leitfähigen Zustand betrieben, da die mannigfaltigen Schichten einer funktionstüchtigen Pestkörperverstärkervorrichtung ausreichend leitfähig sein müssen, um die auftretenden elektrischen Ladungsträger leiten zu können. Die Schicht oder Schichten aus Halbleiterschaltmaterial werden in ihrem verhältnismäßig leitfähigen Zustand betrieben, indem sie entweder durch Anlegen einer Umsehaltspannung aus einer Umsehaltspannungsquelle, die von der normalen Verstärkungsschaltung unabhängig ist, oder im vorteilhaftesten Fall mittels der gleichen Spannungsquellen, die zur Schaffung der korrekten Spannungsbedingung/ an den Übergängen der Verstärkervorrichtung verwendet werden, wie im Falle der oben beschriebenen Flächentransistorvorrichtung, zuerst umgeschaltet werden. Der Übergang zwischen der Emitterelektrodenschicht und der Basiselektrodenschicht wird dabei in Vorwärtsrichtung, der Übergang zwischen Basiselektrodenschicht und Kollektorelektrodenschicht in Sperrichtung gepolt vorgespannt. Schaltungsanordnungen

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entpsrechend der Basisschaltung, der Emittershaltung oder der Emitterfolgerschaltung können verwendet werden.

Die Erfindung schafft also eine Festkörper-Verstärkervorrichtung mit aneinandergrenzenden Materialschichten, die Emitter-, Basis— und Kollektorelektroden bilden, von denen die die Emitterelektrode bildende Schicht aus einem Halbleiterschaltmaterial hergestellt ist, das bei Anlegen einer Spannung oberhalb einer gegebenen Schwellenspannung an deren gegenüberliegenden Seiten von einem verhältnismäßig nicht leitenden in einen verhältnismäßig leitenden Betriebszustand umschaltbar ist. Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die sich durch maximale Verstärkung auszeichnet, sind die Schichten, die die Kollektorelektrode und die Basiselektrode bilden, aus Störstellen-Halbleitermarerialien von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp zur Bildung einer transistorartigen Vorrichtung hergestellt, mit der Ausnahme, daß die die Emitterelektrode bildende Schicht aus einem Halbleiterschaltmaterial hergestellt ist. Als eine weitere Ausführungsform schafft die Erfindung eine strahlungsharte Verstärkervorrichtung, bei der auch die die Basiselektrode und die Kollektorelektrode bildenden Schichten aus einem Halbleiterschaltmaterial des beschriebenen Typs hergestellt sind.

In der Zeichnung sind einige bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch die bevorzugte Ausführungsform einer Festkörper-Verstärkungsvorrichtung gemäß der Erfindung, bi der mindestens die Emitterelektrode aus einem Halbleiterschaltmaterial hergestellt ist, und zeigt den allgemeinen Charakter der Basis- und Emitterelektrodenschichten einer solchen Vorrichtung;

Fig. 2 veranschaulicht eine Verstärkmngsschaltung unter Verwendung einer Festkörper-Verstärkervorrichtung gemäß

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der Erfindung, bei der die Basis- und Kollektorelektrode aus Fehlstellen-Halbleitermaterialien vom p- bzw. η-Typ bestehen, und die Schaltunganordnung ist eine Basisschaltung;

Fig. 3 veranschaulicht ein Strom-Spannungs-Diagramm, der die Emitterelektrode bildenden Schicht der Festkörperverstärkervorrichtungen gemäß Fig« 1 und 2;

Fig. k zeigt Kollektorstrom-Basisspannungs-Kurven für die Festkörper-Verstärkungsvorrichtung gemäß Fig. 2 für den Zustand, in dem sich die Emitterschicht in ihrem verhältnismäßig leitfähigen bzw. nicht leitenden Zustand befindet;

Fig. 5 veranschaulicht eine Verstärkerschaltung unter Verwendung einer Festkörper-Verstärkungsvorrichtung gemäß der Erfindung, bei der die Basis- und Emitterschichten aus Störstellen-Halbleitermaterialien vom n- bzw. p-Typ sind, und die Schaltungsanordnung ist eine Emitterfolgerschaltung;

Fig. 6 ist eine Verstärkerschaltung einschließlich einer Festkörper-Verstärkervorrichtung gemäß der Erfindung, bei der die drei Schichten der Vorrichtung durchwegs aus Halbleiterschaltmaterialien bestehen und die ScIaL-tungsanordnung als Emitterschaltung ausgebildet ist; und

Fig. 7 veranschaulicht in perspektivischem Schnitt ein Beispiel einer Konstruktion des schematisch in Fig. 2 dargestellten Typs einer Festkörper-Verstärkungsvorrichtung.

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Fig. 1 veranschaulicht in verallgemeinerter Darstellung eine Festkörper-Verstärkungsvorrichtung gemäß der Erfindung. Wie dargestellt, weist die mit 2 bezeichnete Vorrichtung drei übereinanderliegende Schichten k_f 6 und 8 auf, die die Emitter-, die Basis- und die Kollektorelektrode einer flächentransistorartigen Vorrichtung bilden, und die Emitterelektrode besteht aus einem Halbleiterschaltmaterial SM laut oben gegebener Beschreibung. Die Materialien sind im meist bevorzugten Fall chalcogenide Glasmaterialien, die im allgemeinen als vorherrschende Ladungsträger Löcher aufweisen, obwohl einige derselben als vorherrschende Ladungsträger Elektronen aufweisen, (im I_nteresse der Anschaulichkeit werden im folgenden die ersteren Halbleiterschaltmaterialien als Materialien vom p-Typ und die letzteren Halbleiterschaltmaterialien als solche vom η-Typ bezeichnet, selbst wenn diese Materialien nicht dotiert sind).

Die Basiselektrode kann nach dem allgemeinen Erfindungsgedanken aus einer Schicht eines Materials gebildet sein, das ein Halbleitermaterial bildet, welches ein kristallines Störstellen- Halbleitermaterial vom η- oder p-leitenden Typ, jedoch von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie die Emitterelektrodenschicht, oder ein nichtschaltender amorpher Halbleiter vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie die Emitters dicht, beispielsweise derjenige gemäß einem Artikel von J. Stuke in Journal of Non-crystalline Solids, Bd. 4, 1970, S. 1 bis 26, oder ein schaltendes amorphes Halbleitermaterial vom Speicher- oder Schwellentyp von entgegengestztem Leitfähigkeitstyp wie die Emitterelektrodenschicht sein kann. Xm letzteren Falle muß das Halbleiterschaltmaterial im verhältnismäßig leitfähigen Zustand betrieben werden, so daß es elektrische Ladungsträger zur Basiselektrodenschicht 6 le'.ten kann. Die Basiselektrodenschicht 6 hat einen genügend hohen Widerstand, so daß sie den Übergang 10 zwischen Emitter- und Basiselektrodenschicht 6 bzw. 8 nicht kurzschließt. Auch hat die Basiselektrodenschicht eine hinreichend geringe Dicke

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und Leitfähigkeit, daß sie im wesentlichen die von dem Übergang 10 gegen den Übergang 12 wandernden elektrischen Ladungsträger im wesentlichen nicht einfängt oder neutralisiert, bevor sie den Übergang 12 erreichen, wie im Falle herkömmlicher Flächentransistoren. Die Kollektorelektrodenschicht 8 kann nach dem allgemeinen Erfindungsgedanken aus beliebigen leiterbildenden Materialien oder beliebigen geeigneten Halbleitermaterialien von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie die Basiselektrodenschicht sein. Die Kollektorelektrodenschicht sollte ein verhältnismäßig guter Leiter für die elektrischen Ladungsträger sein, die sie über den Übergang 12 erreichen. Wenn eine strahlungsharte Vorrichtung benötigt wird, weist die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung eine Emitterelektrodenschicht aus einem Halbleiterschaltmaterial gemäß obiger Beschreibung und Basis- und Kollektorschichten aus einem dotierten, kristallinen Halbleitermaterial auf. Wenn Strahlungshärte gewünscht wird, werden Emitter-, Basis- und Kollektorelektrodenschichten aus amorphen, schaltenden oder nicht-sehaltenden Halbleitermaterialien von abwechselnd unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp hergestellt.

Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung in Basisschaltung unter Anwendung einer Fest-körper-Verstärkervorrichtung 2a mit verschiedenen Spannungs- und Signalquellen zur Bildung einer Verstärkerschaltung. Die Festkörper-Verstärkervorrichtung 2a weist eine Emitterelektrodenschicht 4a, bestehend aus einem Halbleiterschaltmaterial laut obiger Beschreibung, eine Basiselektrodenschicht 6a aus einem dotierten Störstellen- Halbleitermaterial vom p-Typ und eine Kollektorelektrodenschicht 8a aus einem dotierten StörsteHen-Halbleitermaterial vom n-Typ auf. Obwohl die Schaltung von der dargestellten in mannigfaltiger Weise abweichen kann, weist sie, wie dargestellt, eine Quelle der zu verstärkenden Signale 13 auf, die, wie dargestellt ,zwischen die Emitterelektrodenschicht ka. der Verstärkervorrichtung 2a und einem Strombegrenzungswiderstand

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-10- + ausreichende

-1 ΟΙ k geschaltet 1st, der seinerseits mit der negativen Klemme oder dem negativen Anschluß einer Gleichspannungsquelle 16 verbunden ist. Der positive Anschluß der Gldchspanaungsquelle 16 ist, wie die Basiselektrodenschicht 6a, geerdet, so daß der Übergang 10a zwischen der Emitter- und der Basiselektrodenschicht 4a bzw. 6a in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist und folglich der elektrische Ladungsträger, der sich von der Emitter- zur Basiselektrodenschicht bewegt, zur Mehrheit der Ladungsträger der Basiselektrodenschicht komplementär ist« Die Ausgangsgröße der Gleichspannungsquelle 16 kann in weiten Grenzen variieren. Zu Zwecken der Veranschaulichung sei angenommen, daß sie von einer Größe ist, die typisch ist für diejenige, die bei allen handelsüblichen Transistoren vom n-p-n- Typ verwendet wird, und daß die Basis- und Kollektorelektrodenschicht 6a bzw. 8a die gleichen Parameter haben wie die Basis- und Kollektorelektrodenschicht solcher Transistoren.

Die Emitterelektrodenschicht 4a aus einem Halbleiterschaltmaterial kann durch Kathodenzerstäubung oder durch Aufdampfen auf die Basiselektrodenschicht 6a in solcher Dicke aufgetragen werden, daß die Ausgangsgröße der Gleichspannungsquelle 16 wesentlich über der Schwellenspannung des die Emitterschicht bildenden Halbleiterschaltmaterials liegt. Wie bekannt, ändert sich der Schwellenspannungspegel eines Halbleiterschaltmaterials der beschriebenen Art mit der Dicke der aufgetragenen Schicht. Die Basis- und die Emitterelektrodenschicht 6a bzw. 8a können beispielsweise in gleicher Weise wie die Basis- und Emitterelektrodenschicht eines beliebigen gewöhnlichen handelsüblichen Flächentransistors aufgebaut sein.

Fig. 2 zeigt einen Lastwiderstand 22, der zwischen die Kollektorelektrodenschicht 8a und die positive Klemme einer Gleichspannungequelle 2k geschaltet ist. Die negative Klemme der Gleichspannungsquelle 2k ist geerdet, so daß der Übergang 12a zwischen der Basis- und der Kollektrelektrodenschicht zur Beschleunigung der dort ankommenden elektrischen Ladungsträger

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aus der Emitterelektrodenschicht in Sperrichtung gepolt vorgespannt ist.

Das Halbleiterschaltmaterial der Emitterelektrodenschicht 4a ist, wenn sie einer Basiselektrodenschicht vom p-Typ benachbart ist, ein Halbleiter mit Elektronen als überwiegenden Ladungsträgern. Die Art und Weise, in der diese Schicht 6a aus Halbleiterschaltmaterial wirkt, wenn an sie eine Spannung angelegt wird, ist durch die Strom-Spannungs-Kurven in Fig. 3 veranschaulicht. Venn sich das Halbleiterschaltmaterial im nicht-loitenden Zustand befindet, hat bei allmählicher Steigerung einer an gegenüberliegenden Seiten desselben angelegten Spannung beliebiger Polarität, von Null beginnend, der verhältnismäßig hohe Widerstand mindestens von Teilen oder Pfaden des Halbleiterschaltmaterials einen sehr kleinen, allmählich steigenden Stromfluß zur Folge, wie dies durch den Kurvenabschnitt 30 oder 30* anged-eutet ist. Wenn die angelegte Spannung auf einen Wert - V₁ entsprechend dem Spannungsschwellenwert der Vorrichtung gesteigert wird, werden diese mindestens vorhandenen Teile oder Pfade des Halbleiterschaltmaterials (mindestens ein Pfad oder Faden oder Strang desselben) im wesentlichen augenblicklich in einen Zustand niedrigen Widerstandes oder einen Leitfähigkeitszustand umgeschaltet, der das Hindurchfließen von Strom gestattet. Dieses im wesentlichen augenblickliche Umschalten dieser mindestens vorhandenen Teile ader Pfade des Halbleitermaterials aus ihrem nicht-leitenden Zustand hohen Widerstandes in ihren Leitfähigkeit szustand geringen Widerstandes ist durch den in unterbrochenen Linien dargestellten Kurvenabschnitt 31 oder 31' veranschaulicht. Die Umschaltzeit für das Umschalten aus dem nicht-leitenden Zustand in den leitenden Zustand ist äußerst kurz, im wesentlichen augenblicklich, obwohl üblicherweise beim Herbeiführen dieses im wesentlichen augenblicklichen Umsehaltens eine kurze Zeitverzögerung auftritt. Dieser Leitfähigkeitszustand des Halbleiterschaltmaterials ist durch den Kurvenabschnitt 32 bzw. 32* veranschaulicht. Wenn die

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+-schalt-

angelegte Spannung auf einen Wert gesenkt wird, bei dem die Stromstärke bis zu einem Wert unterhalb eines Minimums, der Haltestromstärke, absinkt, folgt der Leitfähigkeitszustand niedrigen Widerstandes im wesentlichen dem Kurvenabschnitt 33 bzw. 33', und dies bewirkt ein sofortiges Zurückschalten in den Zustand hohen Widerstandes oder Sperrzustand. Das Halbleiterschaltmaterial verbleibt in seinem nicht-leitenden Zustand, bis es durch Anlegen einer Schwellenspannung in der beschriebenen Weise wieder in den Zustand der Leitfähigkeit geschaltet wird. Das Spannungs-Strora-Schaubild ist in Fig. nicht maßstäblich dargestellt, denn das Verhältnis der Widerstandswerte im Sperrzustand und im Zustand der Leitfähigkeit beträgt üblicherweise mehr als 100 000:1* Im Zustand niedrigen Widerstandes oder Leitfähigkeitszustand kann der Widerstand, der durch den geringfügigen Spannungsabfall bestimmt ist, etwa nur 1 bis 10 JT- betragen, und auch die Haltestromstärke kann äußerst gering, d.h. nahe-zu Null sein.

Die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 16 in der Verstärkerschaltung gemäß Fig. 2 ist vorzugsweise im wesentlichen so gewählt, daß sie die Schwellenspannung des Halbleiterschaltmaterials, das die Emitterelektrodenschicht 4a bildet, wesentlich überschreitet, und der Widerstand der Emitterelektrodenschicht im nicht-leitenden Zustand ist weitaus größer als der Widerstandswert des Widerstandes 14 und der Basiselektrodenschicht, so daß die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle im wesentlichen zur Gänze an der Emitterelektrodenschicht anliegt und die Schicht 4a in ihren verhältnismäßig 1 dt fähigen Zustand getrieben wird« Dann werden wesentliche Mengen an elektrischen Ladungsträgern in der Form von Elektronen an dem Übergang 10a an der Trennfläche zwischen der Emitter- und der Basiselektrodenschicht angezogen. Wenn die Signalquelle 13 eine Ausgangsspannung liefert, wird angenommen, daß deren Amplitude geringer als die Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 16 ist, so daß der Verstärker linear betrieben wird und der Stromfluß durch die

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EmittereJdctrodenschicht 4a zu keinem Zeitpunkt die Haltestromstärke unterschreitet, deren Pegel in der Nähe von Null liegt· Wenn die Emitterelektrodenschicht 4a durch die Signalspannungsquelle 13 in einen nicht-leitenden Zustand getrieben werden müßte, würde dies Verzerrungen in der Verstärkungstätigkeit der Festkörper-Verstärkervorrichtung hervorrufen, obwohl diese augenblicklich in ihren leitfähigen Zustand geschaltet würde, wenn die Ausgangsgröße der Signalquelle 13 zur Spannungsquelle 16 in eine additive Beziehung zu treten beginnt.

Für den Fall, daß die Spannungsbedingungen zwischen der Emitterelektrodenschicht 4a und der Basiselektrodenschicht 6a nicht ausreichen, um die Schicht 4a in ihren leitfähigen Zustand zu treiben, zeigt die Kurve 34 in Fig. 4 die Änderung der Kollektorstromstärke in Abhängigkeit von der Änderung der Größe der Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle Wie dargestellt, ist die Kollektorstromstärke sehr gering, bis eine unnormale Spannungsgröße E1 erreicht ist. Wenn andererseits die Emitterelektrodenschicht 4a in ihren leitfähigen Zustand umgeschaltete wird, fließt, wie durch die Kurve 36 veranschaulicht, in normalem Betrieb der Vorrichtung ein nennenswerter Kollektorstrom·

Vie im Falle herkömmlicher Transistoren ist die Basiselektrodenschicht 6a hinreichend dünn, so daß die elektrischen Ladungsträger, die zwischen den Übergängen 10a und 12a hindurchgehen, nicht in wesentlichem Maß eingefangen oder neutralisiert werden, bevor sie den Übergang 12a erreichen. Wegen der ziemlich hohen Wirksamkeit der elektrischen Ladungsträger bei dem Halbleiterschaltmaterial, das die Emitterelektrodenschicht 4a bildet, tritt eine erhöhte Verstärkungswirkung auf,

Fig. 5 veranschaulicht nun eine Verstärkerschaltung unter Verwendung einer Festkörper-Verstärkervorrichtung 2b ent-

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sprechend der Vorrichtung 2a gemäß Flg. 2, mit der Ausnahme, daß bei der Schaltung Spannungsquellen und Widerstand« verwendet werden, die derart geschaltet sind, daß si· ein· Emitter folger schaltung bilden. Dies dient lediglich als Beispiel einer abgewandelten Schaltungsanordnung. Außerdem ist das Halbleiterschaltmaterial der Emitterelektrodenschicht 4b vom Pr-Typ, der Defektelektronen (Löcher) leitet. Ein Lastwiderstand 22' ist, wie dargestellt, zwischen die Emitterelektrodenschicht 4b und Erde geschaltet; Die negative Klemme einer Gleichspannungsquelle 24' ist mit einer kristallinen Halbleiter-Kollektorelektrodenschicht 8b vom p-Typ verbunden, und ihre positive Klemme ist geerdet, und zwischen eine kristalli-

6b

ne Halbleiter-Basiselektrodenschicht vom η-Typ und die negative Klemme einer Gleichspannungsquelle 16*, deren positive Klemme geerdet ist, ist ein Strombegrenzungswiderstand 14· geschaltet. Eine Signalspannungsquelle 13* ist zwischen die Basiselektrodenschicht 6b und Erde geschaltet. Es ist zu bemerken, daß die Gleichspannungsquellen 16' und 24* Ausgänge aufweisen und derart geschaltet sind, daß sie den Übergang 10b zwischen der Emitter- und der Basiselektrodenschicht 4b bzw. 6b in Vorwärtsrichtung vorspannen und den Übergang 12b zwischen der Basis- und der Kollektorelektrodenschicht 6b bzw. 8b in Sperrichtung gepolt vorspannen. (Hierzu muß die Größe der Ausgangsspannung der Spannungsquelle 24' die Ausgangsspannung der Spannungsquelle 16· überschreiten)·

Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung in Emitter-Basis— Schaltung unter Verwendung einer Festkörper-Verstärkervor— richtung 2c, bei der die Emitter-, die Basis- und die Kollektorelektrodenschicht 4c, 6c bzw. 8c durchwegs aus amorphen Materialien, vorzugsweise aus Halbleiterschaltmaterialien der beschriebenen Art,mit abwechselnd unterschiedlichem Leitfähigkeitstypus hergestellt sind und die Spannungsquellen und Widerstände mit der Festkörper-Verstärkervorrichtung 2c in Emitterschaltung geschaltet sind. Es ist also ein Last— widerstand 22" zwischen die Kollektorelektrodenschicht 8c

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und die negative Klemme einer Gleichspannungsquelle 24^M geschaltet, deren positive Klemme geerdet ist* Die Emitterelektrodenschicht '4c ist ebenfalls mit Erde verbunden. Die Basiselektrodenschicht 6c ist über einen Strombegrenzungswiderstand 14ⁿ mit der negativen Klemme einer Gleichspannungsquelle 16" verbunden, deren positive Klemme geerdet ist. Die Gleichspannungsquellen 16" und 24" sind mit den Elektrodenschichten der Festkörper-Stromsteuervorrichtung 2c in solcher Weise verbunden, daß der Übergang 10c zwischen der Emitter— und der Basiselektrodenschicht in Vorwärtsrichtung und der Übergang 12c zwischen der Basis- und der Kollektorelektrodenschicht in Sperrichtung gepolt vorgespannt sind. Eine Signalspannungsquelle 13" ist, wie dargestellt,zwischen Basiselektrodenschicht 6c und Erde geschaltet.

Die Schaltung gemäß Fig. 6 hat gegenüber den weiter oben beschriebenen Schaltungen den Vorteil, daß sämtliche Schichten der Festkörper-Verstärkervorrichtung 2c aus amorphem Material bestehen, das zum Unterschied von kristallinen Störstellen-

j*

Halbleitermaterialien strahlungshart ist , so daß die Schaltung in Anwesenheit von ionisierender Strahlung und Neutronenstrahlung wirksam arbeiten kann.

Fig. 7 veranschaulicht ein Beispiel einer Konstruktion für die Feetkörper-Verstärkervorrichtung 2a gemäß Fig. 2. Wie dargestellt, weist die Festkörper-Verstärkervorrichtung 2a einen Halbleiter-Trägerkörper 42 aus η-leitendem Halbleitermaterial auf* Die untere Fläche des Trägerkörpers 42, ist, wie dargestellt, mit einer geeigneten metallischen Elektrode

43 überzogen, die den einen der Anschlüsse der Festkörper-Verstärkervorrichtung 2a bildet. Ein begrenzter Teil des oberen Abschnittes des Trägerkörpers 42 ist zur Bildung eines pleitenden Bereiches, der die dünne Basiselektrode 6a bildet, entsprechend der bekannten Technik der Transistorherstellung dotiert. Der Trägerkörper 42 weist einen Film oder eine Schicht

44 aus oxydiertem Silicium oder einem anderen isolierenden

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Material mit einer Öffnung 44a auf, die auf dem die Basiselektrodenschicht 6a bildenden p-leitenden Bereich zentriert ist. Der Isolierfilm 44 weist ferner eine ringförmige Öffnung 45a auf, durch die die Randbereiche des die Basiselektrode bildenden Bereiches 6a freigelegt sind. Die kreisringförmige Öffnung 45a ist mit einem geeigneten Metall, wie Aluminium, das einen Leiter bildet, zurBildung eines Anschlusses an die Basiselektrodenschicht 6a der Festkörper-Verstärkervorrichtung 2a ausgefüllt.

Innerhalb der Öffnung 44a in dem isolierenden Film 44 ist in beliebiger geeigneter Weise eine Schicht aus Halbleiterschal tmaterial der beschriebenen Art aufgetragen, niedergeschlagen o.dgl., die die Emitterschicht 4a bildet. Die Emitterschicht 4a ist im dargestellten Falle auf einen Bereich des isolierenden Filmes 44 aufgetragen und erstreckt sich zur Herstellung eines direkten Kontaktes mit der oberen Fläche der Basiselektrodenschicht 6a in die Öffnung 44a in dem isolierenden Film. Das Halbleiterschaltmaterial, das die Emitterschicht 4a bildet, ist mit einer Schicht eines amorphen feuerfesten oder hitzebeständigen Metalls 48, wie Molybdän, bedeckt, so daß sie von einer einen Leiter bildenden Schicht 50 aus Aluminium o.dgl. isoliert ist, die eine Anschlußverbindung für die Emitterschicht 4a bildet.

Es ist zu bemerken, daß Abwandlungen der beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ohne Abweichen vom Erfindungsgedanken in mannigfaltiger Weise möglich sind.

Pat entansprüche

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Claims

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Pat entansprüche

Elektronische Festkörper-Steuervorrichtung, gekennzeichnet durch aneinandergrenzende Materialschichten, die Emitter-, Basis- und Kollektorelektroden einer Festkörpervorrichtung mit Übergängen bilden und von denen mindestens eine aus einem Halbleiterschaltmaterial hergestdlt ist, das bei Anlegen einer Spannung oberhalb einer gegebenen Schwellenspannung an gegenüberliegenden Seiten der betreffenden Schicht aus einem verhältnismäßig nicht-leitenden Zustand in einen verhältnismäßig leitenden Betriebszustand umschaltet und von denen die die Kollektorelektrode bildende Schicht von der die Emitterelektrode bildenden Schicht durch die die Basiselektrode bildende Schicht getrennt ist und aus einem Material besteht, das einen Betriebszu« stand aufweist, in dem es durch die die Basiselektrode bildende Schicht darauf gerichtete elektrische Ladungsträger sammelt und von denen die die Basiselektrode bildende Schicht von so geringer Dicke ist und in einem Betriebszustand ausreichend leitfähig ist, daß es den Durchgang elektrischer Ladungsträger vom Übergang zwischen den die Emitterelektrode bzw. die Basiselektrode bildenden Schichten zum Übergang zwischen den die Basis bzw. den Kollektor bildenden Schichten gestattet.

2. Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Schicht die die Emitterelektrode bildende Schicht ist.

3· Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die Basiselektrode bzw. die Kollektorelektrode bildenden Schichten ebenfalls aus einem Halbleiterschaltmaterial gebildet sind, das bei Anlegen einer Spannung oberhalb einer gegebenen Schwellenspannung

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an gegenüberliegende Seiten der Schicht aus einem verhältnismäßig nicht-leitenden Zustand in einen verhältnismäßig leitenden Zustand umschaltet.

k. Steuervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die die Basiselektrode bzw. die Kollektorelektrode bildenden Schichten Störstellen-Halbleiter vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp sind.

5. Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet t daß die die Basiselektrode bildende Schicht aus einem Störstellen-Halbleitermaterial besteht.

6. Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer ersten Spannungsquelle kombiniert ist, die an die die Emitterelektrode bzv. die Basiselektrode bildenden Schichten der Vorrichtung derart angeschlossen ist, daß sie den übergang zwischen diesen beiden Schichten in Vorwärtsrichtung vorspannt und die Bewegung elektrischer Ladungsträger aus der die Emitterelektrode bildenden Schicht in die die Basiselektrode bildende Schicht ermöglicht.

7. Steuervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die die EmitteiöLektrode, die Basiselektrode bzw. die Kollektorelektrode bildenden Schichten aus amorphen strahlungsharten Materialien bestehn.

8. Steuervorrichtung nach Anspruch 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Spannungsquelle die Schwellenspannung des Halbleiterschaltmaterials, aus der die die Emitterelektrode bildende Schicht gebildet ist, überschreitet, so daß die Schicht in dem genannten Betriebszustand arbeitet, und daß eine Signalquelle, die die mittels der Stromsteuervorrichtung zu verstärkenden Signale liefert, zwischen die die Emitterelektrode bzw.

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die Basiselektrode bildenden Schichten angeschlossen ist.

9· Steuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannungsquelle vorhanden ist, die zwischen den die Basiselektrode bzw. die Kollektorelektrode bildenden Schichten der Vorrichtung angeschlossen ist und an dem Übergang zwischen diesen eine Spannung erzeugt, die die von der die Emitterelektrode bildenden S_chicht gelieferten elektrischen Ladungsträger beschleunigt .

10. Festkörper-Verstärkerschaltung, gekennzeichnet durch eine elektronische Festkörper-Steuervorrichtung, bestehend aus: aneinandergrenzenden Materialien, die Emitter-, Basis- und Kollektorelektroden einer Festkörpervorrichtung mit Übergängen bilden und von denen die die Emitterelektrode bildende Schicht aus einem Halbleiterschaltmaterial hergestellt ist, das bei Anlegen einer Spannung oberhalb einer gegebenen Schwellenspannung an gegenüberliegende Seiten der Schicht aus einem verhältnismäßig nicht-leitenden Zustand in einen verhältnismäßig 1eitfähigen Betriebszustand umschaltbar ist, die die Kollektorelektrode bildende Schicht von der die Emitterelektrode bildenden Schicht durch die die Basiselektrode bildende Schicht getrennt ist und aus einem Material besteht, das einen Betriebszustand hat, in dem es durch die die Basiselektrode bildende Shicht darauf gerichtete elektrische Ladungsträger sammelt, und die die Basiselektrode bildende Schicht von so geringer Dicke ist und in einem Betriebszustand hinreichend leitfähig ist, um den Durchtritt elektrischer Ladungsträger von dem Übergang zwischen den die Emitterelektrode bzw. die Basiselektrode bildenden Schichten zu dem Übergang zwischen den die Basis bzw. den Kollektor bildenden Schichten

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zu gestatten; eine erste Gleichspannungsquelle und eine Signalquelle, von denen die erste Gleichspannungsquelle von solchem Wert ist, daß sie das Umschalten des Halbleitermaterials, aus dem die die Emitterelektrode bildende Schicht gebildet ist, in den leitfähigen Betriebszustand bewirkt und eine Vorspannung des Überganges zwischen den die Emitterelektrode bzw. die Basiselektrode bildenden Schichten in der Vorwärtsrichtung schafft; eine zweite Gleichspannungsquelle, die bei Anschluß zwischen den die Basiselektrode bzw. die Kollektorelektrode bildenden Schichten den Übergang zwischen diesen beiden Schichten in Rückwärtsrichtung vorzuspannen vermag; eine Lastimpedanzeinrichtung; und eine Einrichtung in Form einer Schaltung, die die Gleichspannungsquellen, die Lastimpedanzein? ichtung und die die Elektroden bildenden Schichten der elektronischen Steuervorrichtung zur Bildung einer Basisschaltung, einer Emitterschaltung und einer Emitterfolgerschaltung bildet.

11« Festkörper-Verstärkerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Basiselektrode bildende Schicht und die die Kollektorelektrode bildende Schicht der Verstärkervorrichtung' ebenfalls aus einem Halbleiters chaltmaterial gebildet sind, das bei Anlegen einer Spannung oberhalb einer gegebenen Schwellenspannung an gegenüberliegenden Seiten der Schicht aus einem verhältnismäßig nicht-leitenden Zustand in einen verhältnismäßig leitfähigen Betriebszustand schaltbar ist.

12. Festkörper-Verstärkerschaltung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Ausgangsspannungen der mit allen die Elektroden bildenden Schichten verbundenen Spannungsquellen ausreicht, um in diesen eingangs Spannungsbedxgungen zu schaffen, die deren Schwellenspannungen überschreiten, um deren Betrieb in deren

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Betxiebszuständen zu bewirken.

13· Festkörper-Verstärkerschaltung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die die Emitter-, die Basis- und die Kollektorelektrode bildenden Schichten aus amorphen strahlungsharten Materialien bestehen.

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