DE2804165C2 - Halbleiteranordnung mit einem für die Stromführung geeigneten Kanal und Verfahren zum Betrieb dieser Halbleiteranordnung - Google Patents

Halbleiteranordnung mit einem für die Stromführung geeigneten Kanal und Verfahren zum Betrieb dieser Halbleiteranordnung

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DE2804165C2 DE2804165A DE2804165A DE2804165C2 DE 2804165 C2 DE2804165 C2 DE 2804165C2 DE 2804165 A DE2804165 A DE 2804165A DE 2804165 A DE2804165 A DE 2804165A DE 2804165 C2 DE2804165 C2 DE 2804165C2
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Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung mit einem für die Stromführung geeigneten Kanal nach den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Halbleiteranordnung.
Es sind Feldeffekttransistoren bekannt, bei denen der durch den Kanalbereich zwischen einer Source- und einer Drain-Elektrode geführte Strom mit Hilfe einer Gate-Steuerspannung verändert wird. Dabei wird die Stromveränderung im Kanal dadui vh bewirkt, daß der Kanalquerschnitt durch Variation der vom Gatekontakt ausgehenden Raumladungszone eingeengt oder ausgeweitet wird. Dies gilt für die sogenannten MOS- oder die MIS-Feldeffekttransistoren, bei denen der Kanalbereich von einer Isolierschicht bedeckt ist, auf der der Gatekontakt angebracht wird. Bei selbstleitenden MOS- oder MIS-Feldeffekttransistoren ist ein Stromkanal auch bei fehlender Gatespannung vorhanden, der dann durch ein entsprechendes Potential am Gateanschluß abgeschnürt werden kann. Bei den selbstsperrenden MOS- oder MIS-Feldeffekttransistoren wird der Kanal erst beim Anlegen einer Gatespannung geeignetpr Polarität durch Inversion erzeugt. Ferner sind noch die Sperrschicht-Feldeffekttransistoren zu erwähnen, bei denen an den Kanalbereich eine Sperrschicht aus einem pn-Übergang oder aus einem Schottky-Kontakt angrenzt.
Die von dieser Sperrschicht bei entsprechend angelegtem Potential an der Ga'eelektrode ausgehende Raumladungszone dient zur Steuerung des zwischen der Source- und der Drain-Elektrode fließenden Stromes.
Es ist auch bekannt, den Von einer Source-Elektrode ausgehenden Strom zu verschiedenen Drain-Elektroden abzulenken oder in zu diesen Elektroden gelangende Teilströme aufzuteilen (US-PS 29 84 752 und DE-PS 10 07 887). Die Stromaufteilung ist dabei vom Potentialgefälle zwischen zwei Steuerelektroden abhängig.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sleuefmechäfiisrnus für einen Kanal-
strom anzugeben, bei dem nicht primär der Querschnitt des stromführenden Kanals verändert wird. Es so'! vielmehr eine Querablenkung des Trägerstroms ermöglicht werden, ohne daß hierzu magnetische Felder herangezogen werden. Der der Erfindung zugrundeliegende Steuermechanismus soll zur Signalverarbeitung und zur Verstärkung bei sehr hohen Frequenzen einsetzbar sein. Die genannte Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Steuermechanisrnus wird die Tatsache ausgenutzt, daß die im Kanal fließenden Ladungsträger beim Vorhandensein einer Potentialmulde im Kanal im Minimum dieser Mulde geführt werden. Durch das Anlegen passender Potentiale kann diese Potentialmulde quer zur Ausbreitungsrichtung des Trägerstroms verschoben werden, womit eine Ablenkung der Trägerströmung ermöglicht wird. Die Potentialmulde kommt durch Oberlagerung der Potentialverläufe zustande, die von den das Kanalgebiet einschließenden Randschichten ausgehen. Der stromführende Kanal liegi daher zwischen mindestens zwei Randschichten, von denen zur Herstellung des thermischen Gleichgewichts ein sich jeweils in das Kanalgebiet hinein erstreckender gekrümmter Potentialverlauf im stromlosem Zustand ausgeht Die Randschichten werden von gleichrichtenden Schoi ky-Kontakten, von pn-Übergängen oder von Halbleiter-Isolator-Übergängen gebildet. An den an die Randschichten angrenzenden äußeren Bereichen, die aus dem Schottky-Metallkontakt, einem Halbleitergebiet mit zum Kanal entgegengesetztem Leitungstyp oder aus Isolierschichten bestehen, sind Anschlußkontakte angebracht, an die die Steuerspannungen oder Vorspannungen angelegt werden können. Besteht die Randschicht aus einem Schottky-Metallkontakt, dann kann der Anschlußkontakt mit dem den Schottky-Kontakt bildenden Metall identisch sein.
Der Abstand zwischen den Randschichten oder den von ihnen ausgehenden Raumladungszonen muß so bemessen se; i, daß durch die Überlagerung der Potentialverläufe im stromführenden Kanal quer zur Trägerströmung ein muldenförmiger Potentialvenauf mit definiertem Minimum entsteht. Dies bedeutet, daß das Minimum auf einen kleinen Bereich des Kanalquerschnitt beschränkt sein muß. Die genannte Bedingung wird erfüllt, venn die Breite des stromi jhrenden Kanals quer /ur Trägerströmung kleiner als ca. 10 Debye-Längen ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Steuerungsprinzip gibt es im stromführenden Ka.-albereich keine Laufzeiteffekte mehr, sondern entscheidend für das Frequenzverhalten der S'euervorgänge ist die Relaxationszeit, die kleiner ist als die Laufzeit bei den bisher verwendeten Steuermechanismen. Der beschriebene Steuermechanismus läßt sich insbesondere bei schwach dotiertem und dadurch hochohmigem Kanalmaterial realisieren, wobei jedoch zu berücksichtigen ist. daß mit dem spezifischen Widerstand des Kanalmaterials auch die Relaxations/nt zunimmt. Vorzugsweise w:rd der Kanal η dotiert und weist eine Störstellenkonzentration zwischen 1OIS und 10lb Atomen/cm3 auf. Der unipolare TrägerstrOm besteht somit aus Elektronen.
Das erfindungsgemäße Steuerprinzip kann auch zur Herstellung eines Quadrupole, d. h. eines zweidimensional ablenkbaren Trägerstfoms verwendet werden. Hierzu wird der Kanal zwischen vier Randschichten mit angeschlossenen Steuerkontakten angeordnet, wobei die durch ein Randschichtpaar erzeugbare Vurschieberichtung für den Trägersirom von der durch das andere Randschichtpaar erzeugbaren Verschieberichtung abweicht, so daß eine beliebige Verschiebung in der Querschnittsebene des Kanals möglich ist. Die Verschieberichtungen stehen vorzugsweise in etwa senkrecht zueinander. Das Kana'ende ist bei einem derartigen Quadrupol vorzugsweise in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Trägerstroms mit einer
ίο Vielzahl von Drain-Elektroden versehen, so daß durch die Wahl der Potentiale an den verschiedenen Randschichten eine definierte Drain-Elektrode angesteuert werden kann. Zur Erzeugung eines Mikro-Displays können die Drain-Elektroden auch durch lichtemittierende Bereiche ersetzt werden.
Die Erfindung und ihre weitere vorteilhafte Ausgestaltung soll im folgenden noch anhand von Ausführungsbeispielen noch näher erläutert worden.
In der F i g. 1 ist in einer perspektivischen Ansicht der
so prinzipielle Aufbau der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung dargestellt;
die F i g. 2 zeigt den zugehörigen Potentialverlauf quer zur Ausbreitungsrichtung des Yrägerstroms zwischen der Source- und den Drain-Elektroden;
F i g. 3 zeigt eine praktikable Ausführungsform einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung;
Fig.4 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Halbleiteranordnung mit vier Drain-Elektroden.
Der Halbleiterkörper 1 gemäß Fig. 1 besteht
iß beispielsweise aus η-leitendem Silizium mit einer Störstellenkonzentration von 1015-1016 Atomen/cm3. Der Halbleiterkörper ist langgestreckt und hat einen rechteckigen Querschnitt. An dem einen Ende befindet sich die η+ -leitende Source-Zone Z die mit einer
Ji Metallelektrode 3 versehen ist. Der äußere Anschluß der Source Elektrode ist mit »S« bezeichnet. Am anderen Ende des langgestreckten Halbleiterkörpers befinden sich die Drain-Zonen 4a und 4b, die beispielsweise gleichfalls η+ -leitend sind und durch einen hochohmigen Teil 5 voneinander getrennt sind. Auch diese Drain-Zonen 4a und 4b sind mit Metallelektroden versehen und weisen äußere Anschlüsse D1 und Di auf. Zwischen der Source-Zone und den Drain-Zonen liegt der stromführende Kanal, in dem der Trägerstrom 8 in Pfeilrichtung fließt. Der Kanal befindet sich zwischen zwei Randschichten 6 und 7, die beispielsweise aus gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Übergängen bestehen. Die zugehörigen Metallkontakte bilden dann gleichzeitig die äußeren Anschlüsse an die Randschichten: in der Fig.) sind die äußeren Zuleitungen zu diesen Metallkontakten mit G\ und Gi bezeichnet. Die Metallkontakte 6 und 7 befinden sich auf gegenüberliegenden h-eiten des Kanals mit rechteckigem Querschnitt.
Quer zur Trägerströmung 8 b'ldet sich nun eine Potentialverteilung durch Überlagerung gemäß der F i g. 2 auch schon im stromlosen Zustand aus. Dieser sich aus der Einstellung des thermischen Gleichgewichts ergebende Potentialverlauf ist in der F i g. 2 dargestellt.
Mit a ist die Kanalonite zwischen den Randschichten 6 und 7 bezeichnet. Von der einen Randschicht 7 geht ein Potentialverläuf 9 aus, der sich dem von der Randschicht 6 ausgehenden Potentialverlauf 11 überlagert Unmittelbar an den Randschichten herrschte die Diffusiönsspah-
nurig Uo- Mit x\ und Xi ist der Abstand von den Randschichten 6 bzw, 7 bezeichnet. Beide Potentialverläufe 9 und 11 treffen sich beim Minimum 12r das örtlich begrenzt ist und in dem sich die Ladungsträger des
Trägerslroms sammeln. Wird nun beispielsweise an der Randschicht 6 durch Zuführung eines äußeren Potentials die Spannung L/o um den Betraget/erhöht und die Spannung an der Randschicht 7 gleichfalls durch Zuführung eines äußeren Potentials um den Betrag Au > erniedrigt, so verschiebt sich das dargestellte Minimum 13 des resultierenden Potentialverlaufs 14 nach links, wodurch der Trägerstrom mit nach links verschoben wird, da die Ladungsträger nach wie vor das Bestreben haben, sich im Minimum des Potentialverlaufs zu m sammeln. Auf entsprechende Weise kann der resultierende Potentialverlauf quer zur Trägerströmung und damit das Minimum des Potentialverlaufs auch nach rechts verschoben werden, so daß beispielsweise gezielt die Drain-Anschlüsse D\ und Di gemäß der Fig. 1 r> angesteuert werden können. Es besteht auch die Möglichkeit, das Potential nur an einer Randschicht zu verändern, während die andere Randschicht auf
fi:-n-_-j_„ n—*-.„*:-i ι ι „ ...:_j
IflCUCIfUCIff Γ UtCIIlIcIf UCfclSaCI! WIlU.
Die Ausdehnung der Potentialmulde in einer Weise, daß sich ein definiertes, örtlich begrenztes Minimum ergibt, wird durch die Debye-Länge des Materials bestimmt und zwar erstreckt sich der Abfall vom Maximum bis zum Minimum der Spannung über etwa 3 Debey-Längen. Diese charakteristische Länge ergibt 2~> sich aus
JIl
dabei ist
k- T
die Temperaturspannung UT
q die Elementarladung c die Dielektrizitätskonstante des Materials
und
η die Dotierung des Kanalgebiets.
Bei einer Kanaldotierung von beispielsweise IO16 Atomen/cm3 ergibt sich Ζ.ο=0,04μΐη. Die Größenordnung der Debeye-Länge bestimmt die Querabmessung des Kanalbereichs, in dem das Minimum des Potentialverlaufs unter Auslösung eines wirksamen Steuereffektes verschoben werden soll. Diese Querabmessung muß vorzugsweise kleiner als 10 Debye-Längen sein, so daß bei einer Kanaldlotierung von 1016 Atomen/cm3 der Kanal nur ca. 0.4 μιτι breit sein darf.
Eine praktikable Ausführungsform einer derartigen Anordnung ist iß der Fig.3 dargestellt Auf einem Grundkörper 15 befindet sich ein mesaförmig ausgebildeter Halbleiterbereich 16. der η-dotiert ist und den steuerbaren Kanalbereich darstellt Die Source-Zone 21 ist η+ -dotiert und befindet sich in Form einer vergrabenen Schicht zwischen dem mesaförmigen Bereich 16 und dem Grundkörper 15. Der Mesaberg ist beispielsweise mit zwei Drain-Elektroden 19 und 20 bedeckt die die Form schmaler, langgestreckter und parallel zueinander verlaufender Streifen aufweisen. Die Flanken des Mesaberges sind beispielsweise mit Metall-Schottky-Kontakten 17 und 18 bedeckt die beispielsweise gleichfalls als langgestreckte Metallstreifen ausgebildet sind. Die Länge des mesaförmigen Bereichs 16 in der Ausdehnungsrichtung der Elektroden ist unkritisch, da der Trägerstrom 22 senkrecht zu dieser Ausdehnungsrichtung zwischen der Source-Zone 21 und den Drain-Elektroden 19 und 20 verläuft Kritisch ist nur
30
35
40
45
50
55
60 die Breite des mesaförmigen Steges, die vorzugsweise den Wert von IO Debeye-Längen nicht übersteigen soll. Bei breiteren Kanälen ist eine Qterablenkung allerdings dann möglich, wenn an beide Randschichten Gleichspannungspotentiale gleicher Polarität angelegt werden, die sich in den Kanal zwischen den Randschichten hineinerstfeckende Raumladungszonen erzeugen, ohne daß der Kanal ganz abgeschnürt wird. Diese Gieichspannungspotentiale werden dann derart gewählt, daß zwischen den Raumladungszonen ein stromführender Kanal mit einer Breite verbleibt, in dem sich ein muldenförmiger Potentialverlauf mit wiederum definiertem Minimum einstellt. Dann wird dem an den beiden Randschichten herrschenden Gleichspannungspotential gegenphasig ein Signalwechselspannungspotential überlagert, durch das das Minimum des muldenförmigen Potentialverlaufs quer zur Trägerströmung mit der Signalfrequen? hin- und hergeschoben
WtTu ünu urtiTiii uic VuriiBriucficu L^röin-LticKtföucri
wechselweise angesteuert werden. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, die Breite des Kanals auf einige Debye-Längen zu beschränken. Die genannte Dimensionierungsvorschrift gilt dann nur für den zwischen den Raumladungszonen verbleibenden stromführenden Kanalquerschnitt.
In der Fig.4 ist der prinzipielle Aufbau eines Quadrupols dargestellt. Der Halbleiterkörper 1 hat wiederG.T. einen rechteckigen Querschnitt und besteht aus einem langgestreckten Halbleiterbereich mit relativ schwacher Dotierung. Auf den vier Längsseiten des Halbleiterkörpers befindet sich je eine Randschicht, die wiederum beispieslweise durch gleichrichtende Metall-Halbleiter-Übergänge gebildet werden. Die Schottky-Kontakte sind in der Fig.4 mit 6a, 6b. und 7a, Tb bezeichnet. Mit den beiden Randschichtpaaren 6a und 6b sowie 7a und Tb lassen sich Verschieberichtungen für den Trägerstrom 8 durch Verschiebung des jeweiligen Potentialminimums zwischen den beiden Randschichten erzeugen, die im wesentlichen senkrecht zueinander verlaufen, so daß der Trägerstrom 8 in der senkrecht zu seiner Ausdehnungsrichtung verlaufenden Ebene praktisch beliebig verschoben werden kann. Die eine Stirnseite des Halbleiterkörpers weist daher auch eine Vielzahl von Drain-Elektroden 4 auf, die jeweils mit einem äußeren Anschluß D, bis D) versehen sind. Je nach den Potentialverhältnissen an den vier Steuerelektroden Gi, Gi. Gz oder Gt wird eine der vorhandenen Drain-Elektroden angesteuert Es ist daher leicht ersichtlich, daß mit der in der Fig.4 dargestellten Halbleiteranordnung ein Mikro-Display aufgebaut werden kann, wenn die Drain-Elektroden durch lichtemittierende Zonen ersetzt werden, so daß sich auf diese Weise beispielsweise ein Mikro-Fernsehbildschirm erzeugen läßt Bei einer Anordnung gemäß der F i g. 4 muß jedoch die mehrfach erwähnte Dimensionierungsvorschrifi sowohl bezüglich des Abstandes zwischen den Randschichten 6a und 6b als auch bezüglich des Abstandes zwischen den Randschichten 7a und 7b eingehalten werden.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß die gleichrichtenden Metall-Halbleiterkontakte auch durch pn-Übergänge ersetzt werden können. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnungen kann eine Schalterfunktion realisiert werden, durch die beliebige Stromkreise an- oder abgeschaltet werden. Ferner kann periodisch eine Fremdstromquelle geschaltet werden, wenn die Gleichspannungsverhältnisse an den Steuerelektroden durch ein Wechselstromsignal überlagert
werden. Die Randschichten können mit Vofspannungspotentialen versehen werden, um einen definierten Ausgangszustand einzustellen oder um den stromführenden Kanalberetch, in dem das Potentialminimum verschoben werden soll, auf das erforderliche Maß durch Einstellung der Raümiadungszonen zu bringen.
Hicr/u 2 iJlntl Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:
1. Halbleiteranordnung mit einem für die Stromführung geeigneten Kanal, der zwischen mindestens zwei Randschichten liegt, einer Source-Elektrode und mindestens zwei an den stromführenden Kanal angeschlossenen Drain-Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (a) des stromführenden Kanals derart dimensioniert ist, daß durch die Verschiebung des definierten Minimums (12,13) einer quer zur Trägerströmung im Kanal verlaufenden Potentialverteilung (9/11, 14) eine Quersteuerung des Trägerstroms (8) und damit eine gezielte Ansteuerung der verschiedenen Drain-Elektroden is (4) möglich ist, wobei zur Herstellung des Potentialverlaufs mit definiertem Minimum von den Randschichten (6, 7) bei sich einstellendem thermischen Gleichgewicht ein sich in das Kanalgebiet hinein erstreckender gekrümmter Potentialverlauf im stromlosen Zustand ausgeht.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Randschichten (6, 7) aus gleichrichtenden Metall-Haibleiterübergängen, pn-Übergängen oder Halbleiter-Isolator-Obergängen bestehen.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Randschichten (6, 7) angrenzenden äußeren Bereiche aus Schottky Metailkontakten, Halbleitergebieten mit zum Kanal e 'tgegengesetztem Leitungstyp oder aus Isolierschichten mit Anschlußkontakten zur Zuführung von Steuer- und Vorspannungen versehen sind.
4. Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (a) des stromführenden Kanals (1) quer zur Trägerströmung(8) kleiner als 10 Debyelängen ist.
5. Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal η-dotiert ist und eine Störstellenkonzentration von 1015- lO'^Atomen/cm'aufweist.
6. Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kanal zur Erzeugung eines zweidimensional ablenkbaren Trägerstroms (8) zwischen vier Randschichten mit außen angeschlossenen Steuerkontakten liegt, wobei die durch ein Randschichtpaar (6a, 6b) erzeugbare Verschieberichtung für den Trägerstrom von der durch das andere Randschichtpaar (7a, Tb) erzeugbaren Verschieberichtung abwcii
7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 6, dadun. ί gekennzeichnet, daß am Kanalende in der Ebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Trägerstroms eine Vielzahl von Drain-Elektroden angeordnet sind.
8. Halbleiteranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drain-Elektroden zur Erzeugung eines Mikro-Displays aus lichtemittierenden Bereichen bestehen.
9= Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüehe 6 — 8, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Rändsdhichtpaäfeii auslösbaren Verschieberichtungen in etwa senkrecht zueinander verlaufen.
10, Verfahren zum Betrieb für eine Halbleiteranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Halbleiteranordnung mit einer derart kleinen Käriälbreite (ä), daß sich zwischen den Randschichten ein muldenförmiger Potentialverlauf (9/11) einstellt, durch ein einer Randschicht über einen zugehörigen äußeren Bereich zugeführtes Potential das Minimum (12) des muldenförmigen Potentialverlaufs derart (13) verschoben wird, daß der Trägerstrom (8) im wesentlichen zu einer Drain-Elektrode hin abgelenkt wird.
11. Verfahren zum Betrieb einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß beiden Randschichten Gleichspannungspotentiale gleicher Polarität zugeführt werden, die sich in den Kanal zwischen den Randschichten hinein erstreckende Raumladungszonen erzeugen ohne den Kanal ganz abzuschnüren, daß diese Gleichspannungspotentiale derart gewählt werden, daß zwischen den Raumladungszonen ein stromführender Kanal mit einer Breite verbleibt, in dem sich ein muldenförmiger Potentialverlauf mit definiertem Minimum einstellt und daß dem an den beiden Randschichten herrschenden Gleichspannungspotential gegenphasig ein Signal-Wechselspannungspotcntäa! überlagert wird, durch das das Minimum des muldenförmigen Potentialverlaufs quer zur Trägerströmung mit der Signalfrequenz hin und her geschoben wird und damit die vorhandenen Drain-Elektroden wechselweise angesteuert werden.
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DE3432901C1 (de) * 1984-09-07 1986-01-16 Licentia Patent-Verwaltungs-Gmbh, 6000 Frankfurt Halbleiteranordnung

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