DE4028528A1 - Avalanche transistor mit heterouebergang - Google Patents

Avalanche transistor mit heterouebergang

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Avalanche Transistor mit Heteroübergang gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und insbesondere auf einen derartigen Avalanche Transistor, der sowohl ein bistabiles Verhalten als auch einen S-förmigen, negativen differentiellen Widerstand aufweist.
Die Fig. 2(a) zeigt einen Querschnitt durch einen konventionellen Heteroübergangs-Avalanche Transistor. In der Fig. 2(b) ist der Kollektorstrom über die Kollektorspannung mit dem Basisstrom als Parameter aufgetragen, und zwar für eine Schaltung mit gemeinsamem Emitter (common-emitter configuration). In der Fig. 2(c) ist dagegen der Kollektorstrom über die Kollektorspannung mit der Basisspannung als Parameter aufgetragen, und zwar bei einer Schaltung mit gemeinsamem Emitter (common-emitter configuration). Mit dem Bezugszeichen 1 ist in Fig. 2 ein halbisolierendes InP Substrat bezeichnet. Eine InGaAsP Kontaktschicht 2 vom n⁺-Typ liegt auf der gesamten Oberfläche des Substrats 1 auf. Ferner liegt eine InP Emitterschicht 3 vom n-Typ im Zentralteil auf der Kontaktschicht 2. Eine InGaAsP Basisschicht 4 vom p- Typ befindet sich auf der gesamten Oberfläche der Emitterschicht 3. Im Zentralbereich auf der Basisschicht 4 ist eine InP Kollektorschicht 5 vom n-Typ angeordnet. Eine Kollektorelektrode 6 ist mit der Kollektorschicht 5 über eine InGaAsP Kontaktschicht 2A vom n⁺-Typ verbunden. Eine Basiselektrode 7 ist über einen Zn Diffusionsbereich 9 mit der Basisschicht 4 verbunden, wobei der Bereich 9 an der Peripherie der Basisschicht 4 liegt. Eine Emitterelektrode 8 ist mit der Emitterschicht 3 über die Kontaktschicht 2 verbunden.
Der Kollektorstrom in Abhängigkeit der Kollektorspannung mit dem Basisstrom als Parameter in einer Gemeinschaftsemitterschaltung ist in Fig. 2(b) dargestellt. In einem bipolaren Transistor bestimmt sich der Kollektorstrom Ic durch die nachfolgende Gleichung:
Hierin sind IB der Basisstrom, M der Trägervervielfachungsfaktor im Basis-Kollektor-Übergang, α der Transportfaktor und γ der Emitterinjektionswirkungsgrad. Da beim konventionellen Heteroübergangs-Avalanche Transistor die Energiebandlücke der Emitterschicht größer ist als die der Basisschicht, liegt der Emitterinjektionswirkungsgrad γ bei etwa 1. Wird der Kollektorstrom Ic erhöht, so liegt die Kollektorspannung hauptsächlich am Emitter-Basis-Übergang an, und zwar bei kleinem Kollektorstrom Ic. Nimmt jedoch der Widerstand des Emitter-Basis-Übergangs ab, so erhöht sich die Emitter-Basis-Spannung weiterhin nur schwach, so daß der Strom an diesem Übergang zu einer Konstantspannungsquelle führt. Bei weiterer Erhöhung des Kollektorstromes Ic wird daher die Kollektorspannung an den Basis-Kollektor-Übergang gelegt, was zu einer Erhöhung der Sperrvorspannung am Basis-Kollektor-Übergang führt. Der Transportfaktor α nähert sich dem Wert 1, wenn der Kollektorstrom Ic steigt, während der Trägervervielfachungsfaktor M ansteigt, wenn sich die Rückwärtsvorspannung am Basis-Kollektor-Übergang erhöht. Mit zunehmender Kollektorspannung nähert sich auch der Ausdruck Mαγ in Gleichung (1) dem Wert 1, wodurch sich der Kollektorstrom Ic drastisch vergrößert. Bei noch weiterer Erhöhung des Kollektorstromes könnte der Ausdruck Mαγ den Wert 1 überschreiten. Allerdings läßt die Gleichung (1) erkennen, daß der Ausdruck Mαγ nicht größer als 1 werden kann. Da sich mit zunehmendem Kollektorstrom Ic der Transportfaktor α dem Wert 1 nähert, nimmt der Trägervervielfachungsfaktor M ab, so daß dadurch der Ausdruck Mαγ unterhalb von 1 gehalten wird. Eine Abnahme des Trägervervielfachungsfaktors M bedeutet eine Abnahme der Kollektorspannung. Auf diese Weise wird der S-förmige, negative differentielle Widerstand erhalten, was bedeutet, daß die Kollektorspannung in Übereinstimmung mit der Zunahme des Kollektorstromes Ic abnimmt. Entsprechende Basisströme sind in Fig. 2(b) mit dem Bezugszeichen A gekennzeichnet.
Bei einigen Werten des Basisstromes wird kein S-förmiger, negativer differentieller Widerstand erhalten, sondern eine Charakteristik, gemäß der der Kollektorstrom drastisch ansteigt, wenn sich die Kollektorspannung erhöht. Dies geschieht dann, wenn der Ausdruck Mαγ sich dem Wert 1 nähert, diesen jedoch nicht überschreitet. Die entsprechenden Basisströme sind in Fig. 2(b) mit dem Bezugszeichen B gekennzeichnet.
Die Fig. 2(c) zeigt die Abhängigkeit des Kollektorstromes von der Kollektorspannung bei einer Gemeinschaftsemitterschaltung der genannten Art, wobei die Basisspannung als Parameter dient. Ist die Kollektorspannung kleiner als die Basisspannung, so erhöht sich der Kollektorstrom in Übereinstimmung mit der Zunahme der Kollektorspannung, da sowohl der Emitter-Basis-Übergang als auch der Basis-Kollektor- Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt sind und sich der Transistor in einem Sättigungsbereich befindet. Bei weiterer Erhöhung der Kollektorspannung wird der Basis-Kollektor-Übergang in Rückwärtsrichtung (Sperrichtung) vorgespannt. Daher wird der Kollektorstrom wenigstens näherungsweise durch die Basisspannung bestimmt. Wird die Kollektorspannung weiter erhöht, so erhöht sich auch die Rückwärtsvorspannung (Sperrspannung) am Basis-Kollektor-Übergang, was zu einer Erhöhung des Trägervervielfachungsfaktors M führt, so daß sich der Ausdruck Mαγ in Gleichung (1) dem Wert 1 nähert. Auf diese Weise wird ähnlich wie bei der Kennlinie nach Fig. 2(b) ein S-förmiger, differentieller Widerstand bei der Basisspannung erhalten, bei der sich der Ausdruck Mαγ anschickt, den Wert 1 zu überschreiten, während weiterhin eine Charakteristik erhalten wird, nach der der Kollektorstrom drastisch ansteigt, und zwar mit zunehmender Kollektorspannung, die an der Basisspannung erscheint, wenn sich der Ausdruck Mαγ dem Wert 1 nähert, diesen jedoch nicht überschreitet.
Da sich bei einem derartigen konventionellen Heteroübergangs-Avalanche Transistor der Transportfaktor α dem Wert 1 in Übereinstimmung mit dem Anstieg des Kollektorstroms nähert, wird nur der S-förmige, negative differentielle Widerstand erhalten, und zwar bei der Gemeinschaftsemitterschaltung sowohl in dem Fall, bei dem der Basisstrom als Parameter verwendet wird, als auch in dem Fall, bei dem die Basisspannung als Parameter verwendet wird. Soll eine Speicherschaltung mit Hilfe eines derartigen Heteroübergangs- Avalanche Transistors aufgebaut werden, so ist es erforderlich, von dem als Triggerelement verwendeten Heteroübergangs-Avalanche Transistor unterscheidet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, daß oben angesprochene Problem zu überwinden und einen Heteroübergangs-Avalanche Transistor zu schaffen, der sowohl ein bistabiles Verhalten als auch einen S-förmigen, negativen differentiellen Widerstand aufweist, um als bistabiles Element eingesetzt werden zu können.
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Ein Avalanche Transistor mit Heteroübergang nach der Erfindung zeichnet sich durch eine Abstandsschicht aus, die zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht des Transistors angeordnet ist. Die Abstandsschicht weist eine Energiebandlücke auf, die zwischen der der Basisschicht und der der Emitterschicht liegen kann, wobei sie auch die Energiebandlücke der Basisschicht aufweisen kann. Die Abstandsschicht weist ferner eine Träger- bzw. Ladungsträgerkonzentration auf, die kleiner ist als die der Basisschicht, sowie eine Dicke, die so gewählt ist, daß die Abstandsschicht als Ganzes eine Verarmungsschicht im thermischen Gleichgewicht bilden kann. Die Dicke ist darüber hinaus so gewählt, daß in der Abstandsschicht ein neutraler Bereich bei einer Spannung erzeugbar ist, die kleiner ist als die Schwellenspannung des Emitter-Basis-Übergangs, wobei diese Spannung am Emitter-Basis-Übergang anliegt.
Wird beim Transistor nach der Erfindung ein neutraler Bereich in der Abstandsschicht erzeugt, so fließt ein Diffusionsstrom von Löchern in diesen neutralen Bereich und reduziert den Trägerinjektionswirkungsgrad (carrier injection efficiency). Dadurch wird ein bistabiles Verhalten bei Gemeinschaftsemitterschaltung (common-emitter configuration) erzeugt, wenn der Basisstrom als Parameter herangezogen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1(a) einen Querschnitt durch einen Heteroübergangs- Avalanche Transistor in Übereinstimmung mit einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
Fig. 1(b) den Kollektorstrom in Abhängigkeit der Kollektorspannung bei einer Gemeinschaftsemitterschaltung mit dem Basisstrom als Parameter,
Fig. 1(c) den Kollektorstrom in Abhängigkeit der Kollektorspannung bei einer Gemeinschaftsemitterschaltung mit der Basisspannung als Parameter,
Fig. 2(a) einen Querschnitt durch einen konventionellen Heteroübergangs-Avalanche Transistor,
Fig. 2(b) den Kollektorstrom in Abhängigkeit der Kollektorspannung mit dem Basisstrom als Parameter für einen Fall, bei dem der Heteroübergangs-Avalanche Transistor nach Fig. 2(a) in Gemeinschaftsemitterschaltung betrieben wird und
Fig. 2(c) den Kollektorstrom in Abhängigkeit der Kollektorspannung mit der Basisspannung als Parameter für einen Fall, bei dem der Heteroübergangs-Avalanche Transistor nach Fig. 2(a) in Gemeinschaftsemitterschaltung betrieben wird.
Ein Ausführungsbeispiel nach der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend im einzelnen näher beschrieben.
Fig. 1(a) zeigt einen Querschnitt durch einen Heteroübergangs-Avalanche Transistor in Übereinstimmung mit diesem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel. In der Fig. 1(b) ist der Kollektorstrom in Abhängigkeit der Kollektorspannung dargestellt, und zwar bei Gemeinschaftsemitterschaltung und bei Verwendung des Basisstromes als Parameter. Dagegen zeigt die Fig. 1(c) den Kollektorstrom über die Kollektorspannung bei Gemeinschaftsemitterschaltung, wobei die Basisspannung als Parameter dient. In diesen Figuren sind entsprechende Teile bzw. Größen wie in Fig. 2 mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Gemeinschaftsemitterschaltung kann auch als common-emitter configuration bezeichnet werden.
Gemäß Fig. 1(a) liegt eine InGaAsP Abstandsschicht 10 vom n- Typ zwischen der InP Emitterschicht 3 vom n-Typ und der InGaAsP Basisschicht 4 vom p-Typ. Ein Zn Diffusionsbereich 9a durchdringt die Basisschicht 4 und reicht bis ins Innere der Abstandsschicht 10 hinein. Die InGaAsP Abstandsschicht 10 vom n-Typ weist eine Energiebandlücke auf, die zwischen der der InP Emitterschicht 3 vom n-Typ und der der InGaAsP Basisschicht 4 vom p-Typ liegt, wobei die Abstandsschicht 10 ferner eine Träger- bzw. Ladungsträgerkonzentration besitzt, die hinreichend kleiner ist als die der InGaAsP Basisschicht 4 vom p-Typ und z. B. ∼3×10¹⁶ cm-3 liegt. Die Abstandsschicht 10 ist etwa 0,1 µm dick, wobei durch diese Filmdicke erreicht wird, daß die gesamte Abstandsschicht eine Verarmungsschicht wird, und zwar im thermischen Gleichgewicht. Ist die gesamte Abstandsschicht 10 eine Verarmungsschicht, so tritt keine Injektion von Löchern aus der InGaAsP Basisschicht 4 vom p-Typ in die InP Emitterschicht 3 vom n-Typ auf, so daß der Emitterinjektionswirkungsgrad γ als bei 1 liegend angesehen werden kann, ähnlich wie im konventionellen Heteroübergangs-Avalanche Transistor. Ist dagegen der Emitter-Basis-Übergang in Vorwärtsrichtung vorgespannt, so schrumpft bzw. verschwindet die Verarmungsschicht, so daß ein neutraler Bereich auch in der InGaAsP Abstandsschicht 10 vom n-Typ erhalten wird. In diesem Zustand fließt ein Diffusionsstrom von Löchern von der InGaAsP Basisschicht 4 vom p-Typ zur InP Emitterschicht 3 vom n-Typ, was zu einer Reduzierung des Emitterinjektionswirkungsgrades γ führt. Die InGaAsP Abstandsschicht 10 vom n-Typ dient also zur Reduzierung des Emitterinjektionswirkungsgrades γ, um dadurch die Stromverstärkung zu reduzieren, wenn der Emitterstrom einen vorbestimmten Wert überschreitet.
Nachfolgend wird die Abhängigkeit des Kollektorstromes von der Kollektorspannung unter Bezugnahme auf die Fig. 1(b) näher beschrieben, wobei der Basisstrom als Parameter dient. Erhöht sich der Kollektorstrom, so liegt die Kollektorspannung hauptsächlich am Emitter-Basis-Übergang an, ähnlich wie im Fall der Kollektorstrom-Kollektorspannungs-Charakteristik nach Fig. 2(b), wenn der Kollektorstrom klein ist. Bei weiterer Erhöhung des Kollektorstromes nimmt der Widerstand des Emitter-Basis-Übergangs ab, während der Basis- Kollektor-Übergang in umgekehrter bzw. Sperrichtung vorgespannt wird, um die Basis-Kollektorspannung zu erhöhen. Der Transportfaktor α nähert sich dem Wert 1 in Übereinstimmung mit der Erhöhung des Kollektorstromes, während sich der Trägervervielfachungsfaktor M in Übereinstimmung mit der Zunahme der Basis-Kollektorspannung vergrößert. Ist in diesem Zustand die gesamte InGaAsP Abstandsschicht 10 vom n-Typ eine Verarmungsschicht, so wird der Emitterinjektionswirkungsgrad γ als auf dem Wert 1 liegend betrachtet, wobei sich der Ausdruck Mαγ dem Wert 1 nähert. Der Kollektorstrom vergrößert sich daher gegenüber der Kollektorspannung, wie die Gleichung (1) erkennen läßt. Erhöhen sich der Kollektorstrom und die Kollektorspannung weiter, so könnte der Ausdruck Mαγ den Wert 1 übersteigen. Anhand der Gleichung (1) wird jedoch deutlich, daß der Ausdruck Mαγ aus physikalischen Gründen nicht größer als 1 sein kann. Er muß vielmehr unterhalb von 1 liegen. Bei Heteroübergangs-Avalanche Transistor nach Fig. 1(a) erhöht sich der Basisstrom, wenn der Kollektorstrom ansteigt und ein neutraler Bereich in der Abstandsschicht 10 vorhanden ist. Da hier der Basisstrom kleiner ist als der Emitterstrom und der Kollektorstrom, kann davon ausgegangen werden, daß der Emitterstrom und der Kollektorstrom wenigstens annähernd gleich sind. Wenn also der Kollektorstrom ansteigt und sich der Ausdruck Mαγ anschickt, den Wert 1 zu überschreiten, nehmen der Trägervervielfachungsfaktor M und der Emitterinjektionswirkungsgrad γ ab, so daß der Ausdruck Mαγ kleiner als 1 wird. Da der Trägervervielfachungsfaktor M abnimmt, vermindert sich auch die Kollektorspannung. Ferner nimmt auch die Stromverstärkung ab, da sich der Emitterinjektionswirkungsgrad γ vermindert. Infolge des konstanten Basisstromes nimmt ferner der Kollektorstrom ab, wenn sich die Stromverstärkung verkleinert. Wie oben beschrieben, zeigt die Kollektorstrom- Kollektorspannungs-Charakteristik ein bistabiles Verhalten, wenn der Basisstrom als Parameter herangezogen wird.
Im nachfolgenden wird die Kollektorstrom-Kollektorspannungs-Charakteristik nach Fig. 1(c) näher beschrieben. Da in Fig. 1(c) die Basisspannung konstant ist, liegt auch am Emitter-Basis-Übergang eine konstante Spannung an. Der Zustand des neutralen Bereichs in der Abstandsschicht 10 verändert sich daher nicht so sehr. Selbst wenn sich daher der Kollektorstrom erhöht und sich der Ausdruck Mαγ anschickt, den Wert 1 zu überschreiten, nimmt nur der Trägervervielfachungsfaktor M ab, was zu einer Abnahme der Kollektorspannung führt, so daß ein S-förmiger, negativer differentieller Widerstand ähnlich wie in Fig. 2(c) erhalten wird.
Das obige Ausführungsbeispiel bezieht sich auf eine Abstandsschicht, die dieselbe Energiebandlücke wie die Basisschicht aufweist, eine Trägerkonzentration von 3×10¹⁶ cm-3 sowie eine Dicke von 0,1 µm besitzt. Die Erfindung ist auf die Verwendung einer derartigen Abstandsschicht jedoch nicht beschränkt. Vielmehr kann irgendeine Abstandsschicht zum Einsatz kommen, die bewirkt, daß der Emitterinjektionswirkungsgrad γ abnimmt, wenn sich der Ausdruck Mαγ in Gleichung (1) anschickt, den Wert 1 zu überschreiten. Vorzugsweise weist die Abstandsschicht 10 eine Energiebandlücke auf, die zwischen der Emitterschicht 3 und der der Basisschicht 4 liegt, wobei die Abstandsschicht 10 um so wirksamer ist, je näher die Energiebandlücke an derjenigen der Basisschicht 4 liegt. Vorzugsweise liegt die Trägerkonzentration (Ladungsträgerkonzentration) der Abstandsschicht 10 um eine Größenordnung unterhalb derjenigen der Basisschicht 4, um noch bessere Ergebnisse zu erhalten. Die Dicke der Abstandsschicht 10 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,2 µm.
In Übereinstimmung mit der vorangegangenen Beschreibung ist bei der Erfindung eine Abstandsschicht vorhanden, die zwischen der Emitterschicht und der Basisschicht angeordnet ist, und deren Energiebandlücke zwischen derjenigen der Emitterschicht und derjenigen der Basisschicht liegt. Die Trägerkonzentration (Ladungsträgerkonzentration) der Abstandsschicht ist geringer als die der Basisschicht. Die Dicke der Abstandsschicht ist so gewählt, daß durch sie ein neutraler Bereich erzeugt wird, und zwar bei einer Spannung, die niedriger ist als die Schwellenspannung des Emitter-Basis-Übergangs. Auf diese Weise lassen sich mit ein und demselben Element ein bistabiles Verhalten bei Wahl des Basisstroms als Parameter sowie ein S-förmiger, negativer differentieller Widerstand mit der Basisspannung als Parameter erhalten.
Die Zusammenfassung stellt zwecks Offenbarung einen Teil der Beschreibung dar.

Claims (6)

1. Avalanche Transistor mit einem Heteroübergang für einen Emitter-Basis-Übergang, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - eine Abstandsschicht (10) zwischen einer Emitterschicht (3) und einer Basisschicht (4) angeordnet ist, wobei die Abstandsschicht (10) eine Energiebandlücke aufweist, die zwischen der der Basisschicht (4) und der der Emitterschicht (3) liegt,
  • - die Abstandsschicht (10) eine Ladungsträgerkonzentration aufweist, die kleiner ist als die der Basisschicht (4), und
  • - die Dicke der Abstandsschicht (10) so gewählt ist, daß sie als ganzes eine Verarmungsschicht im thermischen Gleichgewicht bildet und in der Abstandsschicht (10) ein neutraler Bereich bei einer Spannung erzeugbar ist, die kleiner als die Schwellenspannung des Emitter-Basis-Übergangs ist sowie am Emitter-Basis-Übergang anliegt.
2. Avalanche Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandsschicht (10) eine Trägerkonzentration aufweist, die um eine Größenordnung kleiner ist als die der Basisschicht (4).
3. Avalanche Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Abstandsschicht (10) 0,1 µm bis 0,2 µm beträgt.
4. Avalanche Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiebandlücke der Abstandsschicht (10) gleich derjenigen der Basisschicht (4) ist.
5. Avalanche Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerkonzentration der Abstandsschicht (10) etwa 3×10¹⁶ cm-3 beträgt.
6. Avalanche Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein unterhalb einer Basiselektrode (7) liegender Diffusionsbereich (9A) die Basisschicht (4) durchdringt und bis in die Abstandsschicht (10) hineinreicht.
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