DE812091C - Verstaerker aus einem Halbleiterkoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verstärker aus einem I falhleiterkörper zur verstärkten Wiedergabe von elektrischen Signalen.

Vorrichtungen dieser Art, welche als Transistoren bekannt sind, bestehen in einer Ausführungsform aus einem Körper aus Halbleitermaterial, ζ. B. Germanium, zwei nahe beieinanderliegenden Spitzenkontakten, die als Strahler und Kollektor bezeichnet sind und an einer Fläche des ίο Körpers anliegen, und einem großflächigen oder Ohmschen Anschluß, der die Basis genannt wird und an der entgegengesetzten Fläche des Körpers anliegt. Verstärkte Wiedergaben von Signalen, welche z. 1?. zwischen dem Strahler und der Basis aufgedrückt werden, erscheinen in dem Belastungsoder Ausgangskreis, welcher beispielsweise zwischen Strahler und Basis angeschlossen ist.

Es hat sich gezeigt, daß solche Vorrichtungen, wenn sie bei Benutzung der Basis als gemeinsame oder geerdete Elektroden betrieben werden, eine wesentliche positive Rückkopplungsimpedanz, insbesondere einen Widerstand in der Größenordnung von 100 bis mehreren 100 Ohm zeigen, welcher dem Eingangs- und dem Ausgangskreis gemeinsam ist. Für einige Anwendungen, z. B. bei Verstärkern, kann eine solche Rückkopplungsimpedanz unerwünscht sein, weil sie zu Verzerrungen und Unstabilitäten Anlaß gibt.

Ein Hauptziel der Erfindung besteht in der Verbesserung der Betriebsverhältnisse von Halbleiter-Verstärkervorrichtungen der oben angegebenen Art. Insbesondere ist ein Ziel der Erfindung die Tierabsetzung der positiven Rückkopplungsimpedanz bei solchen Vorrichtungen. Entsprechend einem Merkmal der Erfindung sind bei einer Halbleiterübersetzungsvorrichtung, die Strahler-, Kollektor- und Basisanschlüsse der beschriebenen Art aufweist, der Halbleiterkörper sowie der Strah-

ler und der Kollektor so ausgebildet und angeordnet, daß ein geringer Wert für den positiven Rückkopplungswiderstand besteht, beispielsweise in der Größe von etwa io Ohm oder weniger. Insbesondere ist der Körper so gestaltet, daß er eine Korngrenzschicht enthält, welche durch den Körper hindurchgeht und eine gute elektrische Verbindung mit der Basiselektrode hat, und der Strahler und der Kollektor sind so angebracht, daß sie an dem Körper auf entgegengesetzten Seiten der Korngrenzschicht anliegen, und zwar nahe beieinander. Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, erscheint es angebracht, eine Übersicht über gewisse Prinzipien und die Terminologie zu geben.

»5 Bekanntlich können Halbleitermaterialien nach zwei Typen unterschieden werden, die man mit N- und P-Typ bezeichnet, was von ihren Leitfähigkeitseigenschaften abhängt. N-Typ-Material ist ein solches, welches dem Stromfluß zwischen ihm und einem daran angeschlossenen Kontakt den kleineren Widerstand entgegensetzt, wenn das Material mit Bezug auf den Kontakt negativ ist; P-Typ-Material zeigt den kleineren Widerstand, wenn das Material mit Bezug auf den Kontakt positiv ist.

Ein Körper aus Halbleitermaterial kann aneinanderstoßende Zonen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp enthalten. Der Zwischenflächenbereich zwischen zwei solchen Zonen ist als NP-Verbindung oder als Sperrschicht bekannt.

Es hat sich gezeigt, daß einige Kristallgrenzschichten in einem solchen Körper die Besonderheiten einer Zone von einem Leitfähigkeitstyp aufweisen, der zwischen zwei Zonen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp liegt. So hat im Falle eines Körpers aus N-Typ-Germanium der Bereich an der Kristallgrenzschicht die Eigenarten einer dünnen P-Zone zwischen zwei N-Zonen und kann als eine NPN-Verbindung bezeichnet werden. In dem Falle eines Körpers aus P-Typ-Germanium zeigt der Bereich an der Kristallgrenzschicht die Besonderheiten einer dünnen N-Zone zwischen zwei P-Zonen und kann als PNP-Verbindung bezeichnet werden.

Natürliche Korngrenzschichten in Halbleitern sind gewöhnlich sehr dünn, in der Größenordnung von wenigen Hundertstel eines Millimeters oder noch geringerer Dicke. Ihre Lage kann in einigen Fällen durch mikroskopische Prüfung des Körpers festgestellt werden; ihre Feststellung kann auch erfolgen, indem man einen konzentrierten Lichtfleck entlang einer Oberfläche des Körpers vorbeiführt und den Stromfluß zwischen zwei Anschlüssen an entgegengesetzten Endbereichen dieser Fläche beobachtet. Wenn der Lichtfleck über eine Korngrenzschicht hinweggeht, wird ein «Photostrom erzeugt, welcher in umgekehrter Richtung verläuft. Die Erfindung wird im nachstehenden unter besonderer Bezugnahme auf Verstärkervorrichtungen beschrieben, die einen Körper aus N-Typ-Germanium hoher Sperrspannung enthalten, welches eine NPN-Kristallgrenzschicht aufweist. Es ist natürlich verständlich, daß die Erfindung auch bei Vorrichtungen verwirklicht werden kann, welche einen Körper aus anderem Halbleitermaterial, z. B. aus Silicium enthalten, oder bei der der Körper aus P-Typ-Material besteht und die Kristallgrenzschicht den Charakter einer PNP-Verbindung hat.

Die Erfindung und die vorgenannten sowie weitere Kennzeichen derselben werden klarer und vollständiger aus der folgenden, ins Einzelne gehenden Beschreibung verständlich, und zwar in Verbindung mit den Abbildungen. Die Abbildungen zeigen:

Fig. ι ein Schaubild einer Verstärkervorrichtung von der Art, für welche die Erfindung bestimmt ist;

Fig. 2 eine der in Fig. 1 veranschaulichten Vorrichtung analoge Ersatzschaltung;

Fig. 3 und 4 schematische Draufsicht und Vorderansicht der Darstellung der Hauptteile einer Verstärkervorrichtung, die entsprechend der Erfindung ausgeführt ist;

Fig. 5 und 6 Draufsicht und Ansicht einer Halbleitervorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 und 8 Draufsicht und Ansicht einer Vorrichtung nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In den Fig. 3 bis 8 sind die Vorrichtungen in einem stark vergrößerten Maßstabe wiedergegeben, wie aus den speziellen Dimensionen hervorgeht, die für diese Vorrichtungen angegeben werden.. In den Abbildungen sind außerdem die Korngrenzschichten der einfacheren Darstellung wegen mit einer einigermaßen regelmäßigen Kontur angegeben. Es ist jedoch verständlich, daß in gewissen praktischen Vorrichtungen die Grenzschichtkonturen sehr unregelmäßig sein können.

Es soll nunmehr auf die Abbildungen Bezug genommen werden. Die Verstärkervorrichtung nach Fig. ι besteht aus einem Körper in Form einer Scheibe oder eines Plättchens 10 aus Halbleitermaterial, z. B. aus N-Typ-Germanium mit hoher Sperrspannung, bei der Strahler- und Kollektoranschlüsse 11 bzw. 12, die aus Phosphorbronzespitzen bestehen können, an einer Fläche des Körpers angebracht sind, während ein großflächiger oder Ohmscher Basisanschluß 13 an der anderen Fläche des Körpers angebracht ist. Der Ausgangskreis ist zwischen den Kollektor 12 und die Basis 13 gelegt und enthält eine Belastung 14 und eine Gleichstromquelle 15 für die Vorspannung des Kollektors in der entgegengesetzten Richtung. Wenn der Körper 10 aus Material mit N-Typ-Leitfähigkeit besteht, so wird der Kollektor mit Bezug auf den Körper negativ vorgespannt. Bei einer derartigen Vorrichtung kann die Vorspannung mit Bezug auf die Basis 13 in der Größenordnung von 10 bis 100 V betragen. Der Eingangskreis ist zwischen dem Strahler 11 und der Basis 13 angeschlossen und umfaßt eine Wechselstromsignalquelle 16, einen Widerstand 17, der in einigen Fällen weggelassen werden kann, und eine Gleichstromquelle 18, um den Strahler auf ein niedriges

Potential in der Größenordnung von ι V oder weniger mit Bezug auf die Basis 13 vorzuspannen. Gewöhnlich wird der Strahler positiv mit Bezug auf den Körper 10 vorgespannt, wenn der Körper aus N-Typ-Material besteht, obwohl in einigen Fällen die Strahlervorspannung negativ sein kann. Die in Fig. 1 veranschaulichte Halbleitervorrichtung kann durch die in Fig. 2 dargestellte Ersatzschaltung wiedergegeben werden. Nach Fig. 2 werden die Strahler-, Kollektor- und Basisimpedanzen durch die Widerstände r_e, r_c bzw. r_b dargestellt. Bei einer derartigen Vorrichtung kann der Strahlerwiderstand in der Größenordnung von einigen too Ohm liegen und der Kollektorwiderstands kann die Größenordnung von 10 000 Ohm haben. Bei Vorrichtungen vorbekannter Bauweise hat der Basiswiderstand r_b gewöhnlich eine Größenordnung von einigen 100 Ohm. Die Ersatzschaltung enthält außerdem eine Gleichstromquelle S, welche die Übertragungsstromvervielfachung veranschaulicht, welche beim Betrieb der Vorrichtung auftritt. Die Strahler-, Kollektor- und Basisströme sind durch die Pfeile i_e, i_c bzw. i_b angegeben, wobei die Richtung des Stromflusses im üblichen Sinne verläuft.

Wie ersichtlich, ist der Basiswiderstand r_b dem Eingangs- und Ausgangskreis gemeinsam, und er hat den Charakter einer positiven Rückkopplungsimpedanz. Wie bereits gesagt, hat der Widerstand bei Vorrichtungen bekannter Bauart eine wesentliche Größe und ist somit bei einigen Anwendungen, z. B. in Verbindung mit anderen Verstärkern, unerwünscht, weil er Verzerrung und Unstabilität veranlassen kann. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß diese Basis- oder positive Rückkopplungsimpedanz auf einen geringen Wert herabgesetzt wird, der beispielsweise in der Größenordnung von 10 Ohm oder weniger Hegt. Fig. 3 und 4 veranschaulichen die Hauptelemente einer Verstärkervorrichtung, die im Sinne der Erfindung hergestellt ist.

Wie gezeigt, enthält der Halbleiterkörper 10 eine durchlaufende Korngrenzschicht 19. Wenn der Körper 10 aus N-Typ-Material besteht, so stellt die Korngrenzschicht einen P-Typ-Bereich zwischen zwei N-Typ-Bereichen dar, wie es durch die Buchstaben X und P in Fig. 3 angegeben ist. Der Halbleiterkörper ist auf einem Metallsockel 20 befestigt und mit demselben vermittels des Basisanschlusses 13 verbunden, welcher im wesentlichen gleichrlächig mit der dem Sockel 20 gegenüberliegenden Fläche des Körpers 10 verbunden ist. Die Basis 13 kann beispielsweise aus einer Schicht von hochleitfähigem Lot bestehen, welches dazu dient, den Körper auf den Sockel 20 festzulegen. Nach einer anderen Ausführung kann die Basis 13 aus einer hochleitfähigen Metallschicht bestehen, die auf den Körper elektrolytisch niedergeschlagen ist. Von dem Sockel 20 geht ein Zuführungsanschluß 21 aus.

Wie in Fig. 3 deutlich gezeigt ist, liegen der Strahler und der Kollektor 11 und 12 an einer Oberfläche des Körpers 10 an, und zwar auf entgegengesetzten Seiten der Korngrenzschicht 19. Der Abstand zwischen dem Strahler und dem KoI-lektor sollte in der Größenordnung von 0,05 bis 0,08 mm liegen. Wie Fig. 4 zeigt, verläuft die Korngrenzschicht durch den ganzen Körper 10 und bildet eine gute elektrische Verbindung mit der Basis 13.

Bei einer solchen Vorrichtung kann der Körper 10 eine Dicke von etwa 0,5 mm, eine Länge von 1,25 mm und eine Breite von 1,25 mm haben, wobei der Kollektor und der Strahler in dem bereits angegebenen Abstand voneinander liegen.

Die Anordnung des Strahlers und des Kollektors auf entgegengesetzten Seiten der Korngrenzschicht, welche durch den Halbleiterkörper hindurchführt und eine gute elektrische Verbindung mit der Basis 13 hat, bewirkt, wie festgestellt wurde, eine auffallende Verminderung der positiven Rückkopplungsimpedanz r_b bis zu der oben angegebenen Größenordnung.

Ein Halbleiterkörper kann zwei oder mehr Korngrenzschichten enthalten. Wie in Fig. 5 und 6 veranschaulicht ist, können zwei Grenzschichten 19 und Ι9^Λ vorgesehen sein, von denen aber nur eine, nämlich die Korngrenzschicht 19, durch den Körper hindurchführt und mit der Basis 13 Verbindung ha't. Die Anbringung des Strahlers und des Sammlers auf entgegengesetzten Seiten dieser einen Grenzschicht hat den geringen Wert positiver Rückkopplungsimpedanz zur Folge, während ein solcher niedriger Wert der Impedanz nicht erzielt wird, wenn der Strahler und der Sammler den Körper 10 auf entgegengesetzten Seiten der Korngrenzschicht \g^A berühren, welche nicht mit der Basis 13 in Verbindung steht.

Die Fig. 7 und 8 veranschaulichen eine Vorrichtung nach der Erfindung, wobei der Körper 10 zwei eng benachbarte Korngrenzschichten 19 und 19^s enthält, die durch den Körper hindurchgehen. Die Kontaktspitzen 11 und 12 sind so angebracht," daß sie an einer Oberseite des Körpers anliegen, wobei der Spitzenkontakt 11 und jeder Kontakt 12 auf entgegengesetzten Seiten einer entsprechenden Korngrenzschicht 19 bzw. ig^B liegen. Der Kontakt 11 kann als Strahler betrieben werden, während die zugehörigen Kontakte 12 als Kollektoren dienen und unabhängig voneinander oder als Kollektoren mit selbständigem zugehörigem Belastungs- no kreis betrieben werden. Nach einer anderen Ausführung kann der Kontakt 11 als der Kollektor benutzt werden, während die beiden Kontakte 12 als Strahler zusammenarbeiten. Der Abstand zwischen dem Kontakt 11 und jedem Kontakt 12 sollte in der Größenordnung von 0,05 bis 0,08 mm liegen.

Claims (7)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verstärker aus einem Halbleiterkörper, der eine Strahler-, Kollektor- und Basiselektrode aufweist, die mit dem Halbleiterkörper in Berührung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper zwei Zonen gleicher Leitfähigkeit und eine dazwischenliegende dünne Zone vom entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp

   aufweist und daß die Strahler- und Kollektorelektrode mit je einer der Zonen gleicher Leitfähigkeit neben den gegenüberliegenden Flächen der dünnen Zone in Berührung stehen, während die Basiselektrode mit der dünnen Zone Kontakt hat.
2. 2. Verstärker nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Zone eine Stärke in der Größenordnung von 0,02 mm hat.
3. 3. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sich die dünne Zone zwischen zwei Flächen des Körpers erstreckt und die Strahler- und die Kollektorelektrode die eine der beiden Flächen berühren, während die Basiselektrode mit der anderen der beiden Flächen und der dünnen Zone in Berührung steht.
4. 4. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Zonen gleicher Leitfähigkeit durch eine zweite dünne Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in zwei Zonen weiter unterteilt ist und daß eine zusätzliche Strahler- oder Kollektorelektrode mit derjenigen dieser beiden Zonen neben der zweiten dünnen Zone Kontakt macht, welche von der ersten dünnen Zone am weitesten entfernt ist.
5. 5. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zonen bzw. die beiden Bereiche einer der zwei Zonen N-Typ-Leitfähigkeit haben, während die Leitfähigkeit der dünnen Zone bzw. Zonen vom P-Typ ist.
6. 6. Verstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zonen bzw. die beiden Bereiche einer der zwei Zonen P-Typ-Leitfähigkeit haben, während die Leitfähigkeit der dünnen Zone bzw. Zonen vom N-Typ ist.
7. 7. Verstärker nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Germanium besteht.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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