DE837732C - Verbesserung an Halbleiter-Verstaerkern und Gleichrichtern - Google Patents

Description

(WGBL S. 175)

AUSGEGEBEN AM 2. MAI 1952

R jooj VIII c/3ig

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleitervorrichtungen und insbesondere auf eine Mehrelektroden-I laLbleitervorrichtung, die gleichzeitig als Verstärker und als Gleichrichter benutzt werden kann.

Es sind bisher viele Versuche gemacht worden, einen Verstärker zu bauen, der ohne eine Vakuumröhre arbeitet. Einer der neuesten Verstärker dieser Art Ixmutzt einen Drei-Elektroden-Halbleiter und ist ein Transistor genannt worden. Ein derartiger Verstärker enthält ein Stück eines halbleitenden Materials, z.B. Silicium oder Germanium, auf welchem zwei nahe benachbarte punktförmige Klektroden angebracht sind, die Sendeelektrode (ein dem englischen Ausdlruck emitter electrode oder emitter nachgebildeter Ausdruck) und Kollektorelektrode (ein dem englischen Ausdruck collector electrode oder collector nachgebildeter Ausdruck) genannt werden und auf einer Fläche des Halbleiterkörpers aufsitzen, wahrend eine Basiselektrode (ein dem englischen Ausdruck base electrode nachgebildeter Ausdruck) einen großflächigen Kontakt von geringem Widerstand mit einer anderen Fläche des Halbleiterkörpers bildet. Der Eingangskreis für diesen Verstärker ist zwischen die Sendeelektrode und die Basiselektrode as eingeschaltet, während der Ausgangskreis zwischen der Kollektorelektrode und der Basiselektrode liegt. Die Basiselektrode ist somit dem Eingangs- und • Ausgangskreis gemeinsam und kann geerdet werden.

Kristallgleichridhter sind 'bereits seit längerer Zeit bekannt. Diese Gleichrichter besitzen gewöhnlich eine großflächige Elektrode und eine Elektrode von kleiner Fläche auf einem Stück eines halb-

leitenden Materials, ζ. B. auf einem Germaniüm- oder einem Selenkristall. Gemäß der Erfindung wird ein Halbleiterverstärker so angeordnet, daß er gleichzeitig als Gleichrichter dienen kann.
Ein Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, daß 4er Halbleiterverstärker gleichzeitig als Gleichrichter benutzt werden kann.

Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß ein zusammenhängender Kristall eines halbleitenden

ίο Materials mit einer Mehrzahl von Elektroden versehen wird, die derart als kombinierter Verstärker und Gleichrichter geschaltet werden, daß eine Elektrode für beide Zwecke gemeinsam benutzt wird. Eine Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung besteht aus einem Stück eines halbleitenden Materials, das mit einer Basiselektrode von verhältnismäßig großer Kontaktfläche sowie mit einer Sendeelektrode und einer Kollektorelektrode, die beide kleine Kontaktflächen besitzen, versehen ist.

ao Die Gleichrichterelektrode wird in einem gewissen Abstand von der Sende- und der Kollektorelektrode angebracht, der merklich größer ist als der Abstand zwischen der Sende- unld der Kollektorelektrode selbst, um eine gegenseitige Beeinflussung der Gleichrichterelektrode einerseits und der Sende- und Kollektorelektrode andererseits auszuschließen. Die Basiselektrode und die Gleichrichterelektrode können daher zusammen als Gleichrichter wirken, während die Basiselektrode zusammen mit der Sende- und der Kollektorelektrode als Verstärker arbeitet. Die Basiselektrode ist daher dem Verstärker- und dem Gleichrichterkreis gemeinsam.

Fig. ι ist eine perspektivische Ansicht einer Halbleitervorrichtung gemäß der Erfindung, die als kombinierter Gleichrichter und Verstärker arbeiten kann;

Fig. 2 ist ein Schaltbild eines Verstärkers mit Amplitudenbegrenzung, bei dem die Vorrichtung nach Fig. 1 benutzt wird;

Fig. 3 sind Kurven der Eingangs- und Ausgangsspannung des Verstärkers nach Fig. 2.

In Fig. ι besteht die Halbleitervorrichtung aus einem Stück 10 eines halbleitenden Materials, beispielsweise aus einem Kristall von Germanium, Silicium, Bor, Tellur oder !Selen mit einer kleinen aber ausreichenden Zahl von eingebauten Fremdatomen oder von Fehlstellen im Kristallgitter, d. h. aus einem Kristall, wie er in Kristallgleichrichtern allgemein verwendet wird. Das bevorzugte Material für den Kristallkörper 10 ist Germanium, das so behandelt wird, daß es einen elektronischen Halbleiter vom N-Typus darstellt. Man kann zwar auch einen elektronischen Halbleiter von P-Typus benutzen, der aus Germanium oder Silicium besteht und gewisse bekannte Verunreinigungen enthält. Die Oberfläche des halbleitenden Körpers 10 kann in bekannter Weise poliert und geätzt werden. Es läßt sich auch ein Stück aus einem handelsüblichen" Germaniumgleichrichter verwenden, wobei dann keine nachträgliche Oberflächenbehandlung mehr notwendig ist.

Der Halbleiter 10 ist mit einer großflächigen Elektrode 11 geringen Widerstandes versehen, welche als die Basiselektrode für den Verstärkerteil dient. Der Halbleiter 10 ist weiterhin mit den beiden Punktelektroden 12 und 13 ausgerüstet, die als Sende- und als Kollektorelektrode des Verstärkerteils benutzt werden. Schließlich trägt der Halbleiter 10 noch eine Gleichrichterelektrode 14 gemäß der Erfindung. Die punktförmigen Elektroden 12 und 13 können beispielsweise aus Wolfram- oder Phosphorbronzedrähten bestehen und einen Durchmesser von der Größenordnung 0,05 bis 0,1125 mm besitzen. Die Sende-und dieKollektorelektrode 12, 13 sind im allgemeinen nahe beieinander angebracht und können einen Abstand von beispielsweise 0,05 bis 0,1 mm besitzen. Die Kollektor- und die Sendeelektrode 12, 13 können auch auf einander gegenüberliegenden Stirnflächen einer sehr dünnen Scheibe von halbleitendem Material angebracht werden.

Die Gleichrichterelektrode 14 hat vorzugsweise einen Abstand von wenigstens 0,5 mm sowohl von der Sendeelektrode 12 als auch von der Kollektorelektrode 13. Der Abstand zwischen der Gleichrichterelektrode 14 und enweder der Elektrode 12 oder der Elektrode 13 soll so gewählt werden, daß die Sende- und Kollektorelektrode nicht die Gleichrichterelektrode durch einen Oberflächenstrom auf dem Kristall 10 oder umgekehrt beeinflussen 9" können. Insbesondere darf die Gleichrichterelektrode 14 nicht auf Ladungsträger ansprechen, die von der Sendeelektrode 112 herrühren, und die Sammelelektrode 13 darf nicht durch Spannungen an der Gleichrichterelektrode 14 beeinflußt werdlen.

Die Basiselektrode 11 und die Gleichrichterelektrode 14 bilden also zusammen ein Gleichrichterteil, während die Basiselektrode 11 und die Sende- und Kollektorelektroden 12, 13 den Verstärkerteil darstellen. Wenn der Halbleitefkörper 10 aus halbleitendem Material vom N-Typus besteht und mit einer Oberflächenschicht vom P-Typus versehen ist, bildet die Elektrode 14 die Anode der Gleichrichterstrecke, während die Basiselektrode 11 ihre Kathode darstellt. Besteht jedoch der Körper 10 aus einem Halbleiter vom P-Typus und nur seine Oberflächenschicht aus einem Halbleiter vom N-Typus, so ist die Elektrode 14 die Kathode, die Basiselektrode 11 dagegen die Anode des Gleichrichterteils. Für die nachfolgende Erklärung der Wirkungsweise eines amplituderibegrenzenden Verstärkers nach Fig. 2 sei angenommen, daß der Kristallkörper 10 vom N-Typus sei. und seine Oberflächenschicht vom P-Typus, so daß also Elektrode 14 die Anode des Gleichrichterteils ist, wie in Fig. 2 eingezeichnet.

Die Fig. 2 zeigt als Beispiel einen Verstärker, der unter Benutzung einer Vorrichtung nach Fig. 1 die negativen Aplituden begrenzt. Ein zu begrenzendes Eingangssignal wird an die Eingangsklemmen 15 der Schaltung angeschlossen, von denen die eine über einen Kopplungskondensator 16 mit der Anode der Gleichrichterelektrode 14 verbunden ist. Diese Anode ist über den Ableitungswiderstand 17 geerdet. Die Basiselektrode 11 ist über den Vorspannungswiderstand 20 ebenfalls geerdet, der die

Kopplungsimpedanz zwischen dem Gleichrichterteil und dem Verstärkerteil darstellt. Die Sendeelektrode ist, wie dargestellt, ebenfalls geerdet. Die Sammelelektrode 13 liegt an der negativen Klemme einer geeigneten Spannungsquelle, z. B. der Batterie 21, deren positive Klemme ebenfalls geerdet ist. Der Batterie 21 kann ein für Signalfrequenzen durchlässiger Kondensator 22 parallel geschaltet werden. Zwischen der Batterie 21 und der Kollektorelektrode 13 liegt ein Lastwiderstand 23. Die begrenzten und verstärkten Ausgangssignale können von den Klemmen 26 abgenommen werden, von denen die eine mit der Kollektorelektrode 13 über den Kondensator 27 verbunden ist.
■ 15 Der Verstärikerteil der Schaltung nach Fig. 2 arlKMtet folgendermaßen: Die Batterie 21 liefert eine Vorspannung zwischen die Kollektorelektrode 13 und die Basiselektrode 11, so daß zwischen diesen beiden Elektroden kein Strom übergeht. Der Verstärkerteil nimmt daher nur Strom auf, welcher von Erde ül>er den Widerstand 20, die Basiselektrode 11, die Kollektorelektrode 13, den Lastwiderstand 23 und die Batterie 21 zurück nach Erde fließt. Da die Sendeelektrode 12 auf Erdpotential Megt, wird normalerweise eine Vorspannung zwischen der Sendeelektrode 12 und der Basiselektrode 11 vorgesehen, die einen Stromfluß zwischen diesen beiden Elektroden erlaubt. Die Sendeelektrode 12 wird also auf einem Potential gehalten, das positiv zur Basiselektrode 11 ist.

Es sei nun angenommen, daß ein Signal von der in Fig. 3 mit 30 bezeichneten Kurvenform den Eingangsklemmen 15 zugeführt werden möge. Der positive Teil 31 dieses Eingangssignals, das abgeschnitten werden soll, macht die Anode 14 gegenüber Erde positiv. Es fließt deshalb ein Strom von der Anode 14 zur Basiselektrode 11, dem Widerstand 20 und Erde zu den Eingangsklemmen 15 zurück. Hierdurch wird das Potential der Basiselektrode 11 in positiver Richtung angehoben, so daß die Vorspannung zwischen der Sendeelektrode 12 und der Basiselektrode sich vermindert. Der Strom zwischen der Basiselektrode 11 und der Kollektorelektrode 13 vermindert sich oder kann sogar ganz unterbrochen werden, so daß das Potential der Kollektorelektrode 13 sich in negativer Richtung verlagert und demjenigen der Batterie 21 nahe kommen kann. Es wird deshal'b eine Ausgangsspannung der in Fig. 3 mit 32 dargestellten Form an den Ausgangsklemmen 26 erscheinen. Das Ausgangssignal 32 hat negative Polarität und wird in dem Verstärkerteil der Vorrichtung verstärkt. Die negative Polarität des Ausgangssignals 32 ist auf die Phasenumkehr im Verstärkerteil zurückzuführen, da das Eingangssignal an der Basiselektrode liegt.

Wenn der negative Teil 33 des Eingangssignals

30 den Eingangsklemmen 15 zugeführt wird, wird die Anode 14 negativ. In diesem Fall kann kein Strom zwischen der Anode 14 und der Basiselektrode ία fließen. Die Vorspannung zwischen der Sendeelektrode 12 und der Basiselektrode 11 ist genügend groß, um einen Stromfluß durch den Verstärkerteil hervorzurufen. Der Strom fließt durch den Belastungsfeder stand 23 und erhöht das Potential der Kollektorelektrode 13, wie bei 34 in Fig. 3 angedeutet.

Die Schaltung nach Fig. 2 arbeitet also wie ein negativer Amplitudenbegrenzer oder Halbwellengleichrichter und wie ein Verstärker, der den negativen Teil des Eingangssignals abschneidet. Das begrenzte Eingangssignal wind dann durch den Verstärkerteil der Schaltung verstärkt. Es bedarf keiner Erläuterung, daß der Abschneidevorgang umgekehrt verlaufen würde, wenn der Körper 10 aus einem Halbleiter vom P-Typus bestünde, wobei dann die Elektrode 14 die Gleichrichterkathode sein würde. In diesem Fall wunde der positive Teil 31 des Eingangssignals abgeschnitten und der negative Teil 33 würde verstärkt werden.

Die Schaltung nach Fig. 2 kann in ihren einzelnen Schaltelementen nach dem jeweils vorliegenden Verwendungszweck bemessen werden. Die folgende Bemessung stellt nur ein Beispiel dar:

Widerstand 17 10,000 Ohm

Widerstand 20 2,000 Ohm

Widerstand 23 50,000 Ohm

Kondensator 16 0,004 Mikrofarad

Kondensator 27 0,004 Mikrofarad

Kondensator 22 2 Mikrofarad

Batterie 21 67,5 Volt

Es sei auch darauf hingewiesen, daß mehr als eine Gleichrichterelektrode 14 verwendet werden kann, so daß die Vorrichtung aus einem Verstärkerteil und zwei oder mehr Gleichrichterteilen bestehen würde.

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleitervorrichtung, bestehend aus einem Stück halbleitenden Materials, einer ersten Elektrode von verhältnismäßig großer Fläche auf diesem Halbleiter und wenigstens einer zweiten, dritten und vierten Elektrode, von denen jade eine Kontaktfläche auf diesem Halbleiter bedeckt, die klein gegenüber der ersten Kontalktfläche ist, und wobei diese zweite, dritte und vierte Elektrode einen Abstand voneinander besitzen, der für die vierte Elektrode gegenüber no der zweiten und dritten so gewählt ist, daß keine Einwirkung seitens der genannten Sendeelektrode und Kollektorelektrode stattfindet, so daß die genannte erste und vierte Elektrode als Gleichrichter arbeiten.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, in welcher die genannte zweite und dritte Elektrode verhältnismäßig nahe benachbart zueinander angebracht sind, so daß die erste, die zweite und die dritte Elektrode als Verstärker arbeiten.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, an welcher die genannte zweite und dritte Elektrode eine Sendeelektrode und eine Kollektorelektrode darstellen und in welcher der Abstand der genannten vierten Elektrode von

den genannten anderen Elektroden größer ist als der Abstand zwischen der genannten zweiten und dritten Elektrode.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch i, 2 oder 3, in welcher eine oder mehrere weitere Elektroden zusätzlich zu den genannten vier Elektroden vorhanden sind, jede der genannten weiteren Elektroden eine Kontaktfläche mit dem Halbleiterkörper bildet, die klein gegenüber der von der ersten Elektrode gebildeten Kontaktfläche ist und jede weitere Elektrode von der zweiten und dritten einen solchen Abstand besitzt, daß sie praktisch auf Ladungsträger, die entweder von der zweiten oder dritten Elektrode herrühren, nicht anspricht, so daß die genannte erste und die weiteren Elektroden als ein oder mehrere zusätzliche Gleichrichterteile dienen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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