DE2443470C3

DE2443470C3 - Elektrisch steuerbares Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2443470C3
Application number: DE2443470A
Authority: DE
Inventors: Gabor Dipl.-Ing. Wien Badics
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-09-11
Filing date: 1974-09-11
Publication date: 1979-10-04
Also published as: DE2443470B2; DE2443470A1

Description

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Die Erfindung betrifft ein elektrisch steuerbares Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges elektrisch steuerbares Halbleiterbauelement ist bekannt (DE-AS 11 79 644).

Halbleitermaterialien, in denen die dielektrische Relaxationszeit groß gegenüber der Lebensdauer der Minoritätsträger ist, werden als Relaxationshalbleiter bezeichnet (vgl. »Physical Review Letters«, Bd. 30 [1973], Nr. 24 [11. Juni], Seiten 1200 bis 1202). Theoretische Untersuchungen und praktische Versuche haben ergeben (vgl. »Phys. Rev. Β«, Bd. 5 [1972], Nr. 6 [15. März], Seiten 2154 bis 2175), daß bei entsprechender ■;■> Wahl einer über eine injizierende Kontaktelektrode am Halbleiterkörper liegenden Spannung ein Punkt innerhalb des Halbleiterkörpers vorhanden ist, in dem die lokale Leitfähigkeit ihren kleinsten Wert annimmt. Dies gilt für eine in Sperr- und eine in Durchlaßrichtung &o anliegende Spannung und folgt aus der charakteristischen Bedingung np=n? (p, /7 = Ladungsträgerdichte der Löcher beziehungsweise Elektronen; /j,·= Eigenleitungsdichte), die in Relaxationshalbleitern in guter Näherung überall erfüllt ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art anzugeben, das diese steuerbare lokale Leitfähigkeit zum Verstärken und

Schalten ausnutzt

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch die Ausbildung nach den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmalen gelöst

Das einen Vierpol bildende Halbleiterbauelement ermöglicht als Schalter sehr kleine Schaltzeiten. Im Verstärkerbetrieb eignet es sich zur Verstärkung von Hochfrequenzsignalen. Weiterhin sind sowohl für den Betrieb im Arbeitspunkt als auch für die Steuerung nur geringe Leistungen erforderlich. Schließlich sind die elektrischen Eigenschaften (Kennlinien) des Halbleiterbauelements durch weitere Parameter, wie beispielsweise Umgebungstemperatur und/oder Lichteinstrahlung, beeinflußbar, so daß damit weitere Steuerungsmöglichkeiten bestehen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Halbleiterbauelements nach der Erfindung sind in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 2 und 3 angegeben.

Nachfolgend wird das Halbleiterbauelement nach der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 ein Beispiel eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung, und

F i g. 2 ein Leitfähigkeits-Orts-Diagramm zur Erläuterung der Leitfähigkeit in einem Halbleiterbauelement mit einem Relaxationshalbleiterkörper.

Bei dem Halbleiterbauelement nach F i g. 1 ist ein Halbleiterkörper aus einem Relaxationshalbleiter 10 mit den Elektroden 1,2,3 und 4 versehen. Die Elektroden 1 und 2 sind injizierende Kontakte. Die Elektroden 3 und 4 können ohmsche Kontakte sein. Es genügt aber, wenn von den Elektroden i und 2 nur eine injizierend ist. Die Elektroden 1 und 2 sind miteinander über eine Gleichspannungsquelle V₀, eine Steuerspannungsquelle Vs und einen Innenwiderstand R₁ verbunden. Die Gleichspannungsquelle Vo und die Steuerspannungsquelle V₅ liefern jeweils eine Gleichspannung Uo und eine Steuer-Wechselspannung U_y Zwischen den Kontakten 1 und 2 liegt eine Spannung U_x und fließt ein Strom I_x.

Die Elektroden 3 und 4 sind miteinander über einen Lastwiderstand R_A und eine Spannungsquelle V_A verbunden. Die Spannungsquelle Va erzeugt eine Gleichspannung Ua, bei der zwischen den Kontakten 3 und 4 ein Strom I_y fließt.

Die Ausdehnung der Elektroden 3 und 4 in x-Richtung (vergleiche das Achsenkreuz) beträgt L]. Der Halbleiterkörper 10 tTPt einem Querschnitt A hat zwischen den Elektroden 1 und 2 eine Länge Li und zwischen den Elektroden 3 und 4 eine Breite D.

Zunächst wird der Leerlauf im Ausgangskreis, I_y—0, betrachtet: Bei einem bestimmten Wert der Vorspannung Uxo gibt es im Halbleiterkörper 10 einen Punkt X=Xc an dem die lokale Leitfähigkeit a = o(x) ihren minimalen Wert annimmt. In der F i g. 2 ist der Verlauf a = a(x) schematisch dargestellt, wobei die Kurve 11 (Vollinie) für eine Vorspannung {Ux0)1 und die Kurve 12 (Strichlinie) für eine Vorspannung (U_x 0)2 > (U_x 0)1 gilt.

Aus den Grundgleichungen

ö = β(μ_ρρ+μ_ηη)υηά σο = e (μ_ρρι>+μ/,πο) mit

— Ladungsträgerdichten der Löcher beziehungsweise Elektronen,
Po, no — Ladungsträgerdichten der Löcher beziehungsweise Elektronen im Gleichgewicht,
Beweglichkeit der Löcher beziehungsweise Elektronen,

e = Elemtarladung.und
π, = Eigenleitungsdichte

folgt:

2 en, μ_π

Der Verlauf von a(x) kann für eine in Durchlaßrich- ι η tung anliegende Vorspannung durch die sogenannte »rekombinative Raumladungsinjektion« von Minoritätsträgern erklärt werden. Dies bedeutet, die injizierten Minoritätsladungsträger rekombinieren rasch mit Majoritätsladungsträgern, so daß in einem schraffierten Bereich σ < σο ist

Dadurch und wegen des Bestrebens des Halbleiterkörpers ίΟ insgesamt, das heißt nach außen, neutral zu bleiben, entsteht in einem Bereich M eine Anhäufung von Majoritätsladungsträgern. Dieser Raumladungsbereich M schirmt einen Bereich G von den geschilderten Einflüssen ab, so daß dort E=IlOo, also das Ohmsche Gesetz, mit E= Feldstärke und /= Stromdichte, Gültigkeit hat Im Punkt x_c herrscht die maximale Feldstärke Emax = IlOmin-

Bei dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung wird nun die durch die angelegte Spannung U_x steuerbare lokale Leitfähigkeit in der Umgebung von *- zur Verstärkung eines Signals U_s beziehungsweise zum Schalten des Stromkreises zwischen den Elektroden 3 und 4 ausgenutzt Dies kann durch die Anordnung der Elektroden 3 und 4 im Bereich B und durch die Wahl von Ua/Uo>\ bei einfacher Geometrie erreicht werden. Wird nämlich die Spannung Ua ausreichend hoch gewählt, so führen schon relativ kleine Dichteschwankungen in der p- beziehungsweise η-Leitfähigkeit (das heißt in ο=^_ρρ+μ_ηη)) zu erheblichen Spannungsschwankungen am Lastwiderstand Ra· Wie weiter unten noch näher erläutert wird, sind selbst bei einer vollen Aussteuerung nur kleine Leistungen im Eingangsstromkreis erforderlich.

Die Schaltung wird selbstverständlich bo ausgelegt, daß zwischen den Elektroden 3 und 4 eine möglichst starke Änderung der Leitfähigkeit mit der Steuerspannung auftritt. Das ist im Bereich B zu erwarten.

In der F i g. 2 ist der Leitfähigkeitsverlauf für den stationären Zustand U_x= U_x0 dargestellt. Dieser Zustand stellt sich jedoch mit einer Zeitkonstante ein, die in der Größenordnung der Lebensdauer der Ladungsträger liegt Da die Zeitkonstante ν etwa ΙΟ-⁹ s beträgt, kann die Leitfähigkeit α auch durch Hochfrequenzsigia-Ie (/"< 1 Iv = 1 GHz) gesteuert und für solche Signale eine Verstärkung erzielt werden.

Es werden nun Abschätzungen der im Eingangsstromkreis benötigten kleinen Leistungen für einen halbisolierenden η-leitenden GaAs-Halbleiterkörper als Relaxationshalbleiterkörper mit den folgenden Daten gegeben:

JJo = 3 · W cm-³, po = 2,7 - 1(H cm-³,

Jj/= 9 - 105cm-³,
μ_π = 4,5-103 cmWs, μ_ρ = 225 cm²/Vs,

T= 295° K,
A = 4 · ΙΟ-³ cm², L₂ = 4,5 · 10-²Cm₁P₁

(Konzentration der Löcher an der Oberfläche

bei der Elektrode 1)> 10²° crr.-³.

a) Polung der Spannung im Emgangsstromkreis
in Durchlaßrichtung

FQr eine wirksame minoritäisiadiinpsträgerinjektion ist eine Spannung i/*o>13V erforderlich. Die obere Grenze für ΖΛο ist durch U_xo=8O V gegeben, wobei fast der ganze GaAs-Halbleiterkörper aus einem Verarmungigebiet (σ < σο) besteht

Wählt man ίΛο=40 V, so folgt aus der Kennlinie:
I_x0 = 4 . 10-⁹A und die Verlustleistung

beträgt:
Pxo = U_xOho= 1,6· 10-⁷W._

Bei voller Aussteuerung! &l = 30 V beträgt die Verlustleistung:

P_x = γ Re',UJt) = 3· 10 ⁸W,

wobei |Λ I =2 · ΙΟ-^Α.

b) Polung der Spannung im Eingangsstromkreis
in Sperrichtung

Für U_xo ist die untere Grenze durch U_x 0=0,1 V und die obere Grenze durch U_x0= 10 V gegeben.

Wählt man U_x 0=5 V, so folgt aus der Kennlinie:
Ixo = 3 · 10-'⁰A und die Verlustleistung

beträgt:
P_xO= 1,5· 10"⁹W-bei voller Aussteuerung

mit|Üx| = 5Vund[/_r| = 2 · 10-'°Asomit
P_x = 5 · lO-io W.

Die untere Grenze für U_x0 kann durch tiefere Temperatur und Lichteinstrahlung noch weiter herabgesetzt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

24 43 4/0 Patentansprüche:

1. Elektrisch steuerbares Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper und mit vier den Haltleiterkörper kontaktierenden Elektroden, von denen wenigstens eine einen injizierenden Kontakt mit dem Halbleiterkörper bildet, und bei dem der Eingangsstromkreis mit einer Steuerspannungsquel-Ie zwischen der ersten und der zweiten Elektrode und der Ausgangsstromkreis mit einem Lastwiderstand zwischen der dritten und der vierten Elektrode angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (10) aus einem Relaxationshalbleitermaterial besteht, daß die erste Elektrode (1 oder 2) einen injizierenden Kontakt mit dem Halbleiterkörper bildet, und daß die dritte und die vierte Elektrode (3,4) beiderseits eines Bereichs des Halbleiterkörpers (10) angebracht sind, in dem der Verlaiir der elektrischen Leitfähigkeit zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (i, 2) im Betrieb auf Grund der zwischen der ersten und der zweiten Elektrode (1,2) und der zwischen der dritten und der vierten Elektrode (3, 4) angelegten Gleichspannung ein Minimum aufweist

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Relaxationshalbleitermaterial aus halbisolierendem η-leitenden Galliumarsenid (GaAs) oder Galliumphosphid (GaP) oder n-leitendem Zinkselenid (ZnSe) oder SbSJ oder Bii₂Ge0₂o oder einer., amorphen Halbleiterstoff oder CdSe oder CdTe oder golddotiertrm Silicium oder Selen oder Germanium bei tiefen Temperaturen besteht.

3. Halbleiterbauelement nac¹· Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder drei der vier Elektroden (1, 2, 3, 4) ohmsche Kontakte mit dem Halbleiterkörper (10) bilden.