DE2545908A1 - Gatt-modulierter bipolarer transistor - Google Patents
Gatt-modulierter bipolarer transistorInfo
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Description
Gatt-modulierter bipolarer Transistor
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Gatt-modulierten
bipolaren Transistor, der als negatives Widerstandselement mit drei Anschlüssen wirkt.
Bisher hatten die meisten negativen Widerstandselemente nur zwei Anschlüsse. Diese Elemente sind in Mikrowellenoszillator-Stromkreisen
eingesetzt worden. Diese bekannten Elemente haben jedoch verschiedene Nachteile. Ein Nachteil ist es, daß der Stromkreis
in Anpassung an den besonderen Widerstandswert des Elementes mit den zwei Anschlüssen, das in dem Stromkreis benutzt werden soll,
entworfen werden muß. Ein zweiter Nachteil ist, daß diese Elemente
mit zwei Anschlüssen auf Anwendungen bei Stromkreisen für mittlere
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264b90b .
Energie beschränkt sind, da die Größe des Widerstandes nur von
einigen IO bis zu einigen 100 Ohm reicht. Ein dritter Nachteil der gegenwärtigen Elemente ist, daß die Größe des negativen
Widerstandes thermisch instabil ist und daß ein komplexer Stromkreis
erforderlich ist, um die Elemente vorzuspannen.
Durch die vorliegende Erfindung wird ein Gatt-modulierter bipolarer
Transistor geschaffen, der einen Körper aus halb leitendem Material mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen aufweist,
welche die obere und die untere überfläche des Körpers bilden.
Der Körper enthält auch zwei aneinanderstoßende Regionen abwechselnder und entgegengesetzter Leitfähigkeit. Jede Region weist
einen ausgewählten spezifischen Widerstand auf und eine Oberfläche, die mindestens teilweise eine Hauptoberflache des Körpers
umfaßt. Eine der Regionen ist die Emitterregion des Transistors.
Ein erster PN-Übergangsbereich wird durch die aneinanderstoßenden Oberflächen der beiden Regionen entgegengesetzter Leitfähigkeit
gebildet und dieser Ubergangsbereich verläuft im wesentlichen
parallel zu der Hauptoberfläche des Körpers. Mindestens eine dritte Region, die Kollektorregion, wird in der anderen Region
des Körpers gebildet und sie weist einen ausgewählten spezifischen Widerstand auf und den gleichen Leitfähigkeitstyp wie die
Emitterregion. Die Kollektorregion hat eine Oberfläche, die teilweise die obere Oberfläche des Körpers umfaßt. Durch die aneinanderstoßenden
Oberflächen der anderen Region des Körpers und jeder Kollektorregion wird ein zweiter PN-Übergangsbereich gebildet.
Jeder zweite PN-Übergangsbereich weist einen Endteil auf, der in der oberen Oberfläche des Körpers endet. Mindestens eine
Gatt-Region, die entfernt von der Umfangskante des Körpers angeordnet
ist, ist einstückig mit der anderen Region des Körpers ausgebildet und weist den gleichen Leitfähigkeitstyp wie diese
auf und hat eine Oberfläche, die sich über den gleichen Bereich wie die Oberfläche der Kollektorregion erstreckt. Die Gatt-Region
13t durch einen ausgewählten Teil mindestens eines zweiten PN-Übergangsbereiches
begrenzt, der den in der oberen Oberfläche,
endenden Endteil aufweist. An jeder der Kollektorregionen, jeder der Gatt-Regionen und der Emitterregion sind ohms ehe elektrische
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Kontakte angebracht. Der Transistor hat die Fähigkeit, seinen negativen Widerstand zu steuern, wenn zwischen die ohmschen elektrischen
Kontakte von Kollektor- und Emitterregionen eine Last und an den ohmschen elektrischen Widerstand der Gatt-Regionen
eine Spannung gelegt wird. Die Größe des negativen Widerstandes des Transistors wird durch Variieren der an den Kontakt der Gatt-Region
gelegten Spannung moduliert.
Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
Figur 1 einen Aufriß im Schnitt eines Gatt-modulierten Bipolartransistors gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche des Transistors der Figur 1,
Figur 3 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche einer anderen Ausführungsform des Transistors der Figur 1,
Figur 4 eine grafische Darstellung der Iß-Vp-Charakteristik
eines Transistors gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 5 eine Darstellung des Stromflusses, wenn der abgebildete
Transistor in Sättigung gehalten ist,
Figur 6 eine schematische Darstellung des Stromflusses des Transistors
der Figur 1, wenn der Kollektor in Sperrichtung vorgespannt ist,
Figur 7 eine Seitenansicht im Schnitt einer anderen Ausführungaform
des Transistors nach Figur 1,
Figur 8 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche des Transistors der Figur 7»
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Figur 9 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche einer anderen
Ausführungs form des Transistors der Figur 7,
Figur 10 eine Seitenansicht im Schnitt einer anderen Ausführungsform des Gatt-modulierten Bipolartransistors der Fig. 1,
Figur 11 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche des Transistors der Figur 10,
Figur 12 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche einer anderen Ausführungsform des Transistors der Figur 1O5
Figur 13 eine Seitenansicht im Schnitt einer weiteren Ausführungsform des Gatt-modulierten bipolaren Transistors der
Figur 1,
Figur Ik eine Draufsicht auf die obere Oberfläche des Transistors
der Figur 13,
Figur 15 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche einer anderen Ausführungsform des Transistors der Figur 13 und
Figur 16 eine Seitenansicht im Sdhnitt einer Abwandlung des Transistors
der Figur 1, die der vorliegenden Erfindung entspricht.
In Figur 1 ist ein Gatt-modulierter bipolarer Transistor (abgekürzt
GAMBIT genannt) 10 gezeigt, der einen Körper 11 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial mit ausgewähltem spezifischem
Widerstand und einem ersten Leitfähigkeitstyp umfaßt. Der Körper 10 weist gegenüberliegende riauptoberflachen 12 und 14 auf, welche
die obere und die untere Oberfläche des Körpers bilden. Das den Körper 11 bildende Halbleitermaterial kann Silicium, Germanium,
Siliciumcarbid, Galliumarsenid, eine halb leitende Verbindung aus einem Element der Gruppe II und einem Element der Gruppe VI und
eine halbleitende Verbindung eines Elementes der Gruppe III und . eines Elementes der Gruppe V des Periodischen Systems der Elemente
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Der Körper 11 wird mit geeigneten Verfahren für Halbleiter behandelt,
die, wo geeignet, z. B. das epitaktische Aufwachsen von Material, Diffusion, Ionenimplantation, Temperaturgradient-Zonen-3Chmelzen
und ähnliche Techniken umfassen. Die erhaltene Struktur umfaßt eine Emitterregion 16, mindestens eine Kollektorregion 18
und eine Basisregion 19, Die Kollektorregion 18 und die Emitterregion 16 weisen den gleichen Leitfähigkeitstyp auf, der dem Leitfähigkeitstyp
des Körpers 11 und der Basisregion 19 entgegengesetzt ist. Durch die aneinanderstoßenden Oberflächen des Materials
der Regionen 16, 18 und 19 mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp werden die PN-übergangsbereiche 22 und 2k gebildet. Die Kollektorregion
18 ist in der Basisregion 19 angeordnet und weist eine Oberfläche auf, die sich über den gleichen Bereich erstreckt
wie die Oberfläche der Basisregion, wobei die Oberflächen die obere Oberfläche 12 des Elementes umfassen. Der PN-Übergangsbereich
2k weist mindestens einen Endteil 23 auf, der in der oberen Oberfläche 12 freigelegt ist. Eine selektive Seitenoberfläche 25
einer oder mehrerer Kollektorregionen 18 begrenzt einen Strukturteil der Ba3isregion 19, welche eine Gatt-Region 20 ist. Die Gatt-Region
20 hat eine Oberfläche, die sich über den gleichen Bereich erstreckt, wie die Oberflächen der Kollektorregionen 18 und der
Basisregion 19.
Die Abmessungen des Körpers 11 und der Regionen 16, 18, 19 und 20 sind durch die Größe des zu steuernden negativen Widerstandes und
des Materials für den Körper 11 bestimmt. Die Dicke und die spezifischen Widerstände der Regionen 16 und 18 sind durch die Betriebscharakteristiken
dee fertigen Elementes bestimmt. Die Weite
der Gatt-Region 20 ist auch durch die Betriebscharakteristiken
des fertigen Elementes bestimmt.
Ohmsche elektrische Kontakte 28 und 30 3ind an Kollektorregionen
18 und Gatt-Regionen 20 befestigt, um geeignete Mittel zum Verbinden des GAMBIT mit einem äußeren elektrischen Stromkreis zu
schaffen.
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Die Figuren 2 und 3 illustrieren andere Konfigurationen der Regionen
18 und 20 des GAMBIT 10. In Figur 2 ist die Kollektorregion 18 ringförmig und umfaßt die Gatt-Region 20 des Transistors
10. Der Endteil 23 des PN-Übergang3bereiches 24 endet in der oberen
Oberfläche 12 und begrenzt die zylindrische Gatt-Region 20, die einstückig mit der Basisregion 19 des Körpers 11 ausgebildet
ist. Kollektor- und Gatt-Regionen 18 bzw. 20 haben Oberflächen, die 3ich über den gleichen Bereich erstrecken und die obere Oberfläche
12 des Körpers 11 umfassen. Die nicht dargestellte Region
16 ist die Emitterregion des Transistors 10.
Die Konfiguration des Transistors 10 der Figur 3 umfaßt eine
rechteckförmige Gatt-Region 20, die durch Fenster in der Kollektorregion
18 begrenzt wird. Die nicht dargestellte Emitterregion 16 ist die gleiche wie bei der Ausführungs form der Figur 1 und
sie weist eine Oberfläche auf, welche die untere Oberfläche 14 des Körpers 11 und damit des Transistors 10 umfaßt.
Das GAMBIT kann eine NPN- oder eine PNP-Konfiguration haben. An
den jeweiligen Emitter-, Kollektor- und Gatt-Regionen sind ohmsche Kontakte 26, ,28 und 30 befestigt, damit das GAMBIT an einen
elektrischen Stromkreis angeschlossen werden kann.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 1, 4, 5 und 6
der Betrieb eines P+N^P+-GAMBIT beschrieben. Führt man dem GAMBIT
10 Energie zu, dann wird die von der P-leitenden Emitterregion
injizierte Ladung durch die Elektronenladung in der Gatt-Region 20 gesteuert. Der Elektronenstrom wird wiederum durch die Sperrrichtungs-Vorspannung
von Kollektor zu Gatt moduliert. Befindet sich das GAI1IBIT im Sättigungszustand, dann ist der Stromfluß
darin in Figur 5 dargestellt. In diesem Sättigungszustand injizieren
sowohl Emitter als auch Kollektor Löcher in den Gatt-Stromkreis, so daß L-, + I0 = I- ist.
Ii Ο U
Legt man an den Kollektor eine Vorspannung in Sperrichtung, wie
in Figur 6 gezeigt, dann wird das GAMBIT aus dem Sättigungszustand
herausgenommen. Der Emitterstrom IE wird nun zwischen der
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Kollektorregion l8 und der Gatt-Region 20 aufgeteilt. Da die geerdete
Emitterverstärkung ß des GAMBIT erhöht wird, erhöht sich der Kollektorstrom Ip bis zu einem Maximum, wie durch den Teil
"ab" in der Kurve der Figur 1I gezeigt ist. Nimmt der Kollektoratrom
I„ zu, so nimmt der Gatt-Strom In ab. Die Abnahme des Gattin
u
Stromes Iß ist das Ergebnis der zunehmenden Größe der geerdeten
Emitterstromverstärkung ß des GAMBIT.
Wird die Größe der Sperrichtungs-Vorspannung von Gatt zu Kollektor
weiter erhöht, dann wird der Gatt-Kanal, die Region 20, begrenzt durch einen selektiven Teil 23 des PN-Übergangsbereiche3 21I, der
in der oberen Oberfläche 12 endet, durch die Zunahme in den Verarmungsregionen
von der Kollektorregion 18 abgeschnitten. Das Ergebnis dieser Aktion auf den Gatt-Kanal ist es, den Elektronenstrom
zum Gatt-Kontakt 30 zu verringern. Diese Aktion dominiert
gegenüber der Zunahme in ß, dem Verstärkungsgrad des Transistors/
und Kollektor- und Emitterströme beginnen ebenfalls abzunehmen. Da die Kollektorspannung, das ist die Vorspannung zwischen Gatt
und Kollektor in Sperrichtung, weiter ansteigt, nehmen Emitter- und Kollektorströme weiter ab, wie durcn den Teil "bc" der Kurve
der Figur 1I gezeigt. Die Größe des negativen Widerstandes wird
durch die Gatt-Spannung V- bestimmt.
Nach dem Erreichen des Punktes c auf der Kurve der Figur 4 ist
der Gatt-Kanal (Basis des bipolaren Transistors) abgeschnitten. Eine weitere Zunahme der Vorspannung in Sperrichtung zwischen
Gatt und Kollektor führt nur zu einem Leckstrom von dem Übergangsbereich
2Ί zwischen Gatt und Kollektor. Der Gatt-modulierte
Bipolartransistor hat somit einen steuerbaren negativen Widerstand im Bereich von einigen 100 bis zu einigen Megohm.
In Figur 7 ist ein Gatt-Transistor 50 gezeigt, der eine andere
Au3führungsform des Gatt-Transistors nach Figur 1 ist. Der einzige
Unterschied ist der, daß der Transistor 50 eine Vielzahl von Gatt-Regionen 20 aufweist. Alle Bezugszahlen, die mit denen
der Figur 1 übereinstimmen, bezeichnen gleiche Teile, die auch in der gleichen, wie vorstehend beschriebenen Weise arbeiten.
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Die Regionen l8 und 20 können, wie mit Bezug auf die Figuren 8 und 9 ausgeführt, ringförmig oder rechteckförmig sein.
In Figur 10 ist ein GAMBIT 110 abgebildet. Dieser Transistor 110 umfaiot einen Körper 111 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial
mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen 112 und 114,
welche die obere bzw. die untere Oberfläche des Transistors 110 bilden.sowie eine Emitterregion 116, eine Kollektorregion 118 und
eine Gatt-Region 120. Ein PN-Übergangsbereich 121J wird durch die
aneinanderstoßenden Oberflächen der Regionen 118 und 120 entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps gebildet. Ein Endteil 123 jeden
PN-übergangsbereiches 124 endet in der oberen Oberfläche 112 und
ist somit dort freigelegt. Ein ausgewählter Teil 125 jedes Paares der wechselseitig benachbarten PN-übergangsbereiche 124 definiert
die Gatt-Region 120, die einstückig mit der Region 119 ausgebildet ist und die aus dem ursprünglichen Material des Körpers 111
besteht. Das Material des Körpers 111 iet das gleiche wie das des Körpers 11 des Transistors 10.
Der Transistor 110 unterscheidet sich von dem Transistor 10 der Figur 1 dadurch, daß das Material des Körpers 111 und damit der
Gatt-Region 119 und das Material der Emitterregion 116 aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen. Das Halbleitermaterial
des Körpers 111 und der Region 116 eind so ausgewählt, daß die aneinanderstoßenden Oberflächen der Regionen verschiedenen Materials
einen Hetero-übergangsbereich 122 bilden. So kann z. B, der
Körper 111 aus N-leitendem Siliciumhalbleitermaterial bestehen und der Emitter 116 aus Galliumarsenid, das P -leitend ist.
Der Emitter 116 kann nach irgendeinem geeigneten Verfahren gebildet
werden, z. B, durch Aufdampfen des geeigneten Materials auf eine vorbereitete Oberfläche des Materials des Körpers 111. Vorzugsweise
wird die Emitterregion 116 auf dem Material des Körpers 111 aufgewachsen, bevor die Kollektorregion 118 in dem Körper 111
zur Begrenzung der Region 120 gebildet wird. Die Kollektorregion 118 wird entweder durch Diffusion, Ionenimplantation, Temperatur-*
gradienten-Zonenschmelzen und ähnliches oder durch andere geeignete Halbleiter-Bearbeitungstechniken gebildet,
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An der Emitterregion Il6 wird mit ohmschem elektrischen Kontakt
eine elektrische Zuleitung 126 angebracht. An der Kollektorregion 118 wird mit ohmschem Kontakt eine elektrische Zuleitung
angebracht. An der Gatt-Region 120 wird mit ohmschem Kontakt eine elektrische Zuleitung 130 angebracht.
Der Gatt-modulierte bipolare Transistor 110 arbeitet in genau der
gleichen Weise wie die Transistoren 10 und 50.
Wie in Figur 11 gezeigt, kann der Transistor 110 konzentrische ringförmige Kollektor- und Gatt-Regionen II8 bzw. 120 haben. Wie
in Figur 12 gezeigt, kann der Transistor 110 aber auch eine rechteckförmige Konfiguration für den Kollektor II8 aufweisen,
wobei die Gatt-Region 120 innerhalb dieser Kollektorregion angeordnet ist.
In Figur 13 ist ein GAMBIT 150 dargestellt, das eine andere Ausführungsform
des Transistors 110 ist. Alle Bezugsziffern, die gleich denen in Figur 10 sind, wurden für Teile benutzt, die
gleich sind und die in der gleichen Weise arbeiten, wie die entsprechenden Teile der Figur 10. Der Unterschied zwischen den beiden
Transistoren ist der, daß der Transistor 150 eine Vielzahl
von Gatt-Regionen 120 umfaßt, die durch Fenster in der Kollektorregion
118 begrenzt sind. Der Transistor 150 arbeitet in genau der gleichen Weise wie die Transistoren 10, 50 und 110.
Kollektor- und Gatt-Regionen 118 bzw. 120 des Transistors I50
können eine konzentrische ringförmige Konfiguration aufweisen, wie in Figur 14 gezeigt. Andererseits kann die Konfiguration der
Kollektorregion 118 aber auch rechteckförmig sein, und die Gatt-Regionen
120 können jeweils zwischen jedem Paar ausgewählter benachbarter Teile der Regionen 118 gebildet werden und sie sind
durch einen ausgewählten Teil 125 des PN-t)bergang3bereiches 121I
begrenzt, der in der Oberfläche 112 endet, wie in Figur 15 gezeigt.
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Vorzugsweise wird das GAMBIT in einer Weise hergestellt, bei der
Kollektor- und Gatt-Region den Hauptteil des Volumens des Körpers aus halbleitendem Material einnehmen. In solchen Fällen, in denen
die Kollektorregion so nahe an der äußeren Umfangsoberflache des
Körpers wie möglich hergestellt ist, sind Mittel vorzusehen, um die elektrische Integrität der PN-Übergangsbereiche zu schützen.
So ist z. B. in Figur 16 ein gegenüber dem Element in Figur 1 modifiziertes GAMBIT dargestellt, bei dem die Kollektorregion 18
in der Oberfläche 12 des Körpers 11 angeordnet ist und den ohmschen Kontakt der Zuleitung 30 umgibt. Durch selektives chemisches
Ätzen wird ein Graben, der durch die Wände HO begrenzt ist, in
dem äußeren peripheren Oberflächenteil der oberen Oberfläche 10 gebildet, und dieser Graben erstreckt sich ausreichend weit nach
unten, um den PN-Übergangsbereich 24 darin freizulegen. Zum
Schütze der freigelegten Teile des PN-Übergangsbereiches 24 wird
dann eine Schicht 42 aus elektrisch isolierendem Material, wie
Siliciumoxyd, Siliciumnitrid,gummiartigen Beschichtungen und
ähnliches, auf diese freigelegten Teile aufgebracht.
Der Gatt-modulierte Bipolartransistor nach der vorliegenden Erfindung
ist geeignet für Anwendungen als Stromkreiselement vom Gleichstrom bis zum Mikrowellenbereich.
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Claims (6)
- 254S9Ü8PatentansprücheGatt-modulierter bipolarer Transistor, gekennzeichnet durch eine erste Region (19) aus halbleitendem Material mit einem ersten Leitfähigkeitstyp und gegenüberliegenden Hauptoberflächen, welche die obere (12) und die untere Oberfläche bilden, eine zweite Region (16) aus einem Halbleitermaterial eines zweiten Leitfähigkeitstyps mit gegenüberliegenden Hauptoberflächen, welche die obere und die untere (I2O Oberfläche bilden, wobei sich die obere Oberfläche der zweiten Region und die untere Oberfläche der ersten Region berühren und 3ich über den gleichen Bereich erstrecken, einen ersten PN-übergangsbereich (22) zwischen den sich berührenden Oberflächen der ersten und zweiten Region, mindestens einen ersten ohmschen elektrischen Kontakt (30) an einem ausgewählten Bereich der oberen Oberfläche der ersten Region,eine dritte Region (18) des Halbleitermaterials mit zweitem Leitfähigkeitstyp, die in der oberen Oberfläche (12) der ersten Region angeordnet ist und mindestens einen ersten ohmschen elektrischen Kontakt umgibt, einen zweiten PN-übergangsbereich (24) zwischen jeder dritten und jeder ersten Region,einen zweiten ohmschen elektrischen Kontakt (28) an der dritten Region und einen dritten ohmschen elektrischen Kontakt (26) an der unteren Oberfläche der zweiten Region, wobei der negative Widerstand des Elementes durch Variieren der an den ersten elektrischen Kontakt gelegten Spannung gesteuert wird, wenn zwischen dem zweiten und dem dritten Kontakt eine Last liegt.
- 2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die dritte Region eine ringförmige Konfiguration aufweist, welche den gesamten Bereich umgibt, an dem der erste ohmsche elektrische Kontakt befestigt ist.6f)9819/n796254S9Ü8
- 3. Translator nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl erster ohmscher· elektrischer Kontakte vorhanden ist, von denen jeder an einem ausgewählten Bereich der oberen Oberfläche befestigt ist und eine dritte Region auf der oberen Oberfläche der ersten Region in einer solchen Weise angeordent ist j daß jederder Vielzahl ausgewählter Teile einen der ersten ohmschen Kontakte umgibt.
- l\. Transistor nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet , daß die dritte Region eine rechteckförmige Konfiguration hat und daß jederder Vielzahl der ausgewählten Teile der dritten Region eine rechteckförmige Konfiguration für den Oberflächenbereich begrenzt, an der der erste ohmsche elektrische Kontakt angebracht ist.
- 5. Transistor nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet , daß eine Vielzahl im Abstand voneinander angeordneter, konzentrischer, ringförmiger dritter Regionen in der oberen Oberfläche der ersten Region angeordnet ist, die eine Vielzahl im Abstand voneinander angeordneter ringförmiger Oberflächenbereiche auf der oberen Oberfläche begrenzen, eine Vielzahl zweiter ohmscher elektrischer Kontakte, von denen jeder an einer anderen der dritten Regionen angebracht ist, und eine Vielzahl von ersten ohmschen elektrischen Kontakten, von denen jeder an einer anderen der Vielzahl der im Abstand voneinander angeordneten ringförmigen Oberflächenbereiche angebracht ist, die durch die dritten Regionen begrenzt werden.
- 6. Transistor nach Anspruch 1, weiter gekennzeichnet durch V/ände (^0), welche einen ringförmigen Graben in dem äußeren peripheren Teil des Körpers begrenzen und sich von der Oberfläche aus zumindest so weit nach unten erstrecken, daß sie die zweiten PN-Übergangsbereiche schneiden und freilegen, sowie eine Schicht aus elektrisch isolie- · rendem Material (42) auf den freigelegten Teil der zweitenPN-übergangsbereiche in dem Graben.
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