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Signalübertragungsanordnung mit einem Transistor mit vier Zonen verschiedenen
Leitfähigkeitstyps Die Erfindung. bezieht sich auf Halbleiter-Signalübertragungsanordnungen
mit Elementen, wie sie unter dem Namen Verbindungstransistoren bekanntgeworden sind.
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Verbindungstransistoren bestehen im allgemeinen aus einem Körper aus
halbleitendem Material, z. B. aus Germanium oder Silizium, der drei einander angrenzende
Zonen aufweist, von denen die mittlere Zone den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp
(N oder P) hat wie die beiden anderen Zonen. An den äußeren Zonen sind Anschlüsse
angebracht; sie werden Steuerelektrode und Sammelelektrode genannt. An der mittleren
Zone ist ein dritter Anschluß angebracht; sie heißt Basiselektrode. Bei manchen
Transistoren, wie sie in der Zeitschrift »Physical Review«, Bd. 83, S. 151 bis i62
(195z), beschrieben sind, ist im Körper eine zusätzliche Zone, angrenzend an die
Sammelelektrodenzone, vorgesehen, deren Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt demjenigen
der Sammelelektrodenzone ist. Durch
die Kombination der Sammelelektrodenzone
und der beiden an sie angrenzenden Zonen entsteht eine sogenannte Koppel-Sammelelektrode,
deren Merkmal eine Erhöhung des Stromvervielfachungsfaktors a des Transistors ist.
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Die allgemeine Aufgabe der Erfindung betrifft die Verbesserung von
Signatübertragungsanordnungen mit Transistoren des Verbindungstyps, um vorgeschriebene
Arbeitskennlinien bei solchen Anordnungen leichter erreichen zu können. In erster
Linie handelt es sich darum, eine leichte Regelung der Arbeitskennwerte zu erreichen,
z. B. des effektiven Stromvervielfachungsfaktors und seines Zusammenhangs mit dem
Steuerelektrodenstrom und dem Sammelelektroden-Sättigungsstrom, und insbesondere
einen hohen effektiven Stromvervielfachungsfaktor und zugleich einen niedrigen Sammelelektroden-Sättigungsstrom
zu erreichen.
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Ein weiterer Zweck der Erfindung besteht darin, den Übergang bei Halbleiter-Signalübertragungsanordnungen
von einem Zustand mit niedrigem Strom bzw. als offener Kreis in einen Zustand mit
hohem Strom bzw. als geschlossener Kreis zu ermöglichen und dabei die Regelung von
einigen besonderen Parametern beim Betrieb eines Transistors als Steuerelement zu
erreichen.
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Gemäß der Erfindung sind bei einer Signalübertragungsanordnung mit
einem Transistor, dessen Halbleiterkörper vier aufeinanderfolgend angeordnete angrenzende
Zonen enthält, wobei angrenzende Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweisen,
und bei der an die äußeren Zonen und an die erste Zwischenzone Steuerelektroden-,
Sammelelektroden- und Basiselektrodenanschlüsse angebracht sind, Mittel zur Regelung
des relativen Potentials der letzten Zwischenzone vorgesehen. Gemäß dem kennzeichnenden
Merkmal der Erfindung sind bei einer solchen Anordnung individuelle elektrische
Anschlüsse an alle Zonen angebracht. Die Anschlüsse an den beiden Außenzonen dienen
als Steuerelektrode und Sammelelektrode, der Anschluß an der ersten Zwischenzone
dient als Basiselektrode und der an der letzten Zwischenzone zur Regelung. Das relative
Potential dieser Zone kann geregelt werden, z. B. durch Aufdrücken einer Spannung
zwischen den beiden letzten Zonen über einen linearen oder nicht linearen Widerstand,
der zwischen der Regelklemme und der Sammelelektrodenklemme angeschlossen ist.
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Die Erfindung und ihre weiteren Merkmale werden klarer und vollständiger
an Hand der folgenden Erläuterung und der Zeichnung zu verstehen sein.
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Fig. i zeigt schematisch einen Verbindungstransistor für die Signalübertragungsanordnung
gemäß der Erfindung; Fig. 2 stellt ein Ersatzschaltbild für das Element nach Fig.i
dar; Fig. 3 ist ein Schaltschema, das eine Ausführung der- Erfindung zeigt; Fig.
3 A, 3 B und 3 C zeigen besondere Formen des Widerstandes zwischen der Sammelelektrode
und der Zwischenzone bei der Anordnung nach Fig. 3 ; Fig.4 und 5 sind ähnlich Fig.3
Schaltbilder, die andere Ausführungsbeispiele der Erfindung zeigen, bei denen an
einer der Zonen ein Punktkontaktanschluß angebracht ist; Fig.6 zeigt eine weitere
Ausführung der Erfindung; Fig. 7 bis io sind graphische Darstellungen, die gewisse
Betriebskennlinien von erfindungsgemäß aufgebauten Anordnungen wiedergeben.
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. In den Zeichnungen sind im Interesse der Klarheit die Halbleiterkörper
in stark vergrößertem Maßstab gezeichnet. Das Maß der Vergrößerung ergibt sich aus
den typischen Abmessungen von später als Beispiele beschriebenen Elementen. Ferner
ist in den Zeichnungen der Leitfähigkeitstyp jeder Zone eines Halbleiterkörpers
durch entsprechende Buchstaben, d. h. N oder P, angegeben.
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Das in Fig. i dargestellte Element besteht aus einem Körper oder einer
Stange io aus halbleitendem Material, z. B. aus Germanium oder Silizium, mit vier
Zonen i i bis 14. Aneinander angrenzende Zonen haben entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp,
so daß in dem Körper drei P-N-Verbindungen J1, J2 und J3 definiert sind. Vorteilhafterweise
besitzt der Körper io Einkristallaufbau und ist nach einem bereits bekannten Verfahren
hergestellt. An die Zonen sind. durch' die Leiter 15 bis 18 individuelle, im wesentlichen
ohmsche Anschlüsse angebracht. Die Anschlüsse an den End- oder Außenzonen i i und
14 werden mit Hilfe von Metallüberzügen an den Enden dieser Zonen angebracht. Die
Anordnung kann somit als Vierpolelement angesehen werden, dessen Klemmen in Fig.-i
mit E, C, B
und A bezeichnet sind.
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Die allgemeinen Arbeitsprinzipien werden durch die nachfolgenden Betrachtungen
verständlich werden. Es sei angenommen, daß die Klemme E positiv und die Klemme
C negativ vorgespannt ist, wie in Fig., i angegeben ist. Dann sind offensichlich
die Verbindungen J1 und J3 in Flußrichtung vorgespannt, während die Verbindung J2
in Sperrichtung vorgespannt ist. Es treten Löcher von der Zone i i in die Zone 12
ein und fließen durch die letztere Zone, so daß ein Löcherstrom I, durch die Verbindung
J2 entsteht. Irr ähnlicher Weise treten Elektronen von der Zone 14 in die Zone 13
ein und fließen durch die letztere, so daß ein Elektronenstrom 12 durch die Verbindung
J2 entsteht.
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Die Anordnung kann so betrachtet werden, als bestehe sie aus einem
P-N-P-Elementl i i, 12, 13 und einem N-P-N-Element 14, 13, 12, wobei die Zonen i
i und 14 .die Steuerelektrodenzonen der jeweiligen Elemente sind, und die Verbindung
J2 die Sammelelektrodenverbindung ist, die beiden Elementen gemeinsam ist. Außerdem
kann die Anordnung schaltungsmäßig in der Praxis durch das in Fig.2 gezeichnete
Ersatzschaltbild dagestellt werden. Bei diesem Schaltbild sind yEr und rE2 die Widerstände
der Verbindungen J1 und J3 und r. der Widerstand der - Sammelelektrodenverbindung
J2. Die Widerstände der Verbindungen J1 und J3, die voraussetzungsgemäß in Flußrichtung
vorgespannt sind, sind klein, während der Widerstand
der in Sperrichtung
vorgespannten Sammelelektrodenverbindung 12 groß ist.
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Der durch die Sammelelektrodenverbindung I2 fließende Löcherstrom
kann dargestellt werden durch die Formel Il = a1 IEl und der durch diese Verbindung
fließende Elektonenstrom durch I2 = a2 ,E 2 , @2) wobei a1 und a2 die Stromvervielfachungsfaktoren
für die obergenannten P-N-P- und N-P-N-Elemente sind. Diese Faktoren nähern sich
bekanntlich im Grenzfall dem Wert Eins. Der Strom I, durch die Sammelelektrodenverbindung
ist durch die Beziehung
ausgedrückt, wobei I"der Sättigungsstrom der Sammelelektrodenverbindung, q die Größe
der Elektronenladung, k die Boltzmannsche Konstante, T@ die absolute Temperatur
in Grad Kelvin und VA und VB die Vorspannungen der Zonen 12 und 13, wie in
Fig. 2 angegeben; sind.
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Die Anordnung nach Fig. i kann im Betrieb als Transistor mit Koppel-Sammelelektrode
geschaltet werden, wie er in Fig. 3 .gezeichnet ist, wobei die Klemme E zur Steuerelektrode,
die KlemmeC zur Sammelelektrode und-die KlemmeB zur Basiselektrode führt. Die Verbindungen
h und I3 sind durch die Batterien i9 bzw. 20 in Flußrichtung vorgespannt, wodurch
offensichtlich die Verbindung I2 in Sperrichtung vorgespannt wird. Die Belastung
ist durch den Widerstand 21 dargestellt. Die Eingangssignale werden zwischen den
Klemmen E und El angelegt; im Eingangskreis liegt ferner ein geeigneter Widerstand
22 und ein Kondensator 23. Zwischen die Klemmen A und C wird ein Widerstand 24 geschaltet,
der, wie nachstehend beschrieben, eine lineare oder eine nicht lineare Kennlinie
hat. Bei einer typischen Ausführung ist z. B. der Körper io eine Stange aus Germanium,
deren Querschnitt im wesentlichen 0,76 mal 0,76 mm beträgt und bei der die Zonen
11, 12, 13 und 14 etwa 1,27, 0,05, 0,05 und
1,27 mm dick
sind. Die Spannungsquellen i9 und 20 können 4 bzw. 4o Volt haben, der Belastungswiderstand
21 1o ooo Ohm, der Eingangswiderstand io ooo Ohm und der Kondensator i ß F.
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Der Ausgangsstrom des Transistors ist mit sehr großer Annäherung für
praktische Zwecke durch die Beziehung
gegeben, wobei IL der Strom in der Belastung und R der Wert des Widerstands
24 ist. Der Faktor
kann als effektiver Stromvervielfachungsfaktor des Transistors aufgefaßt werden.
-Wenn der Steuerelektrodenstrom Null ist, ist der in der Belastung fließende stationäre
Strom gegeben durch die Gleichung
Aus der vorangegangenen Untersuchung kann eine Anzahl von allgemeinen Schlüssen
gezogen werden. Aus der Gleichung (5) wird klar, daß der Sättigungsstrom der Sammelelektrodenverbindung
infolge des Vorhandenseins der Verbindung ,s effektiv vergrößert wird. Jedoch kann
dieser Effekt durch Verkleinerung von R vermindert werden. Auch ist klar, daß das
effektive a von einer Anzahl von Faktoren abhängig ist. Diese sind, wie man gefunden
hat, leicht und in vorgeschriebener Weise zu regeln.
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Einige Beziehungen, insbesondere wichtige Betriebseigenschaften für
einen Transistor des in Fig. 3 dargestellten und oben beschriebenen Aufbaus sind
in den Fig. 8, 9 und io dargestellt. In Fig. 8 ist als Kurve A die Beziehung zwischen
a, d. h. dem effektiven Stromvervielfachungsfaktor des Transistors, und dem Wert
R des Widerstandes 24 für den Fall aufgetragen, ,daß es sich dabei um einen linearen
Widerstand handelt, 'wie er in Fig. 3 A als 241 dargestellt ist. Die Beziehung zwischen
dem Belastungsstrom IL beim Steuerelektrodenstrom Null und dem Wert des Widerstandes
24 ist in Kurve B der Fig. 8 dargestellt. Die Kurve B wurde mit Hilfe der Gleichung
(5) erhalten und veranschaulicht den im eingeschwungenen Zustand in dem Belastungswiderstand
2i fließenden Strom, wenn der Emitterstrom IE1 Null ist. Wie aus Fig.8 hervorgeht,
werden sowohl a als auch IL a mit dem Widerstand 24 größer. Es sei jedoch
bemerkt, da3 a sich bei einem Wert von etwa io ooo Ohm für den Widerstand 24 einem
Maximum nähert, und daß an dieser Stelle der Sättigungsstrom sehr klein, etwa 5oo
,uA ist. Es ist außerdem ersichtlich, daß der Vervielfachungsfaktor a in einem weiten
Bereich durch einfache Regelung des Widerstandes 24 geändert werden kann, z. B.
von a = 2 bis a = 70 bei Änderung des Widerstandes von etwa iooo bis etwa
io ooo Ohm.
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Fig. 9 veranschaulicht die betriebsmäßig ermittelte Beziehung zwischen
dem Stromvervielfachungsfaktor a und dem Steuerelektrodenstrom IL" für eine Anzahl
von Werten für den Widerstand 24l, wobei der Widerstandswert bei
jeder
Kurve angegeben ist. Durch die Kurvenschar wird offensichtlich, daß die Betriebskennlinien
des Transistors leicht jedem vorgegebenen Steuerelektrodenarbeitspunkt angepaßt
werden können. Aus Fig. g ist erkennbar, daß die das Verhältnis von a zu
IE kennzeichnenden Kurven ziemlich nicht linear sind und daß sie im allgemeinen
bei höheren Steuerelektrodenströmen eine starke Neigung aufweisen.
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Sowohl die Nichtlinearität als auch die Stärke und das Vorzeichen
der Neigung sind @ regelbar, wie es in Fig. io als Ergebnis praktischer Ermittlungen
dargestellt ist. In dieser Figur stellen die Kurven C, D und E die Kennlinien
für den Fall dar, daß der Widerstand 24 der Fig. 3 aus einer asymmetrischen Diode25
besteht, die in der in Fig. 3.B gezeigten Weise geschaltet ist. Insbesondere gilt,
wie durch die Beschriftung in Fig. io angegeben ist, die Kurve C für den Fall, daß
die Diode 25 ein Germaniumpunktkontaktelement ist, z. B. der handelsüblich erhältliche
Varistor der Western Electric 40o A. Kurve B zeigt den Fall, daß die Diode 25 ein
-P-N-Verbindungselement ist, und Kurve E stellt den Fall dar, daß die Diode 25 aus
einem Paar parallelen P-N-Verbindungselementen besteht. In diesen Fällen nähern
sich, wie man sieht, die Kennlinien a abhängig von IE eng der Linearität.
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Die Kurven F, G und H der Fig. io zeigen den erwähnten Zusammenhang,
wenn der Widerstand 24 der Fig. 3 aus einer asymmetrischen Diode 25 und einem Reihen-widerstand
241 zusammengesetzt ist, wie eie Fig. 3 C zeigt, wobei die Diode 25 ein P-N-Verbindungselement
ist. Bei den Kurven F, G und H hatte der Widerstand 2q.1 der Fig. 3 C jeweils io,
22 und 95 Ohm, wie in der Beschriftung angegeben ist. Wie sich aus den Kurven
ergibt, kann die Kennlinie a abhängig von IE im wesentlichen linear sein
und eine positive Neigung haben (F), oder sie kann im wesentlichen linear sein und
eine negative Neigung haben (G und H).
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Wenn auch die Erfindung bis hierher mit besonderer Berücksichtigung
von Halbleiteranordnungen beschrieben wurde, die an jeder der vier Zonen im wesentlichen
ohmsche Anschlüsse aufweisen, so kann sie auch mit Anordnungen mit anderen und im
besonderen verschiedenen Anschlüssen ausgeführt werden. Zum Beispiel besteht bei
dem in Fig. 4 dargestellten Transistor die Steuerelektrode aus einem Punktkontakt
26, z. B. aus Phosphorbronze, der auf der N-Zone 12 aufliegt und mit ihr ein gleichrichtendes
Element bildet. Der Punktkontakt 26 wird einer elektrischen Formierungsbehandlung
unterworfen, wodurch, wie in Fig. ¢ dargestellt ist, eine P-Zone i iA und eine Verbindung
J1 gebildet wird. Im Betrieb ist der in Fig.,4.dargestellte Aufbau im wesentlichen
gleich der in Fig. 3 gezeichneten Anordnung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung, die insbesondere als Steuerelemente
oder Schalter brauchbar sind, sind in den Fig. 5 und 6 dargestellt. In Fig.5 liegt
wie bei Fng.4 eine Anordnung von P-N-P-N-Aufbäu vor, .die durch Kombination eines
Körpers io mit zwei Verbindungen und eines Punktkontakts 26 entstanden ist. Bei
der Anordnung der Fig. 6 hat der Körper den in den Fig. i und 3 dargestellten Aufbau.
Die Arbeitsweise der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Anordnungen ergibt sich aus
der folgenden Untersuchung an Hand der Fig. 7. Diese Figur zeigt die Kennlinie Spannung
V abhängig von Strom I der Anordnung, wobei V und I die bei den Fig.
5 und 6 angegebene Bedeutung habe.
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Wie sich aus Fig.7 ergibt, steigt der Strom, wenn die Spannung fr
von Null bis zu einem Wert hp gesteigert wind, bis zu einem Maximum an, und der
Widerstand ist positiv und groß. Jedoch kippt die Anordnung bei der SpannungVp in
einen Zustand mit negativem Widerstand, der zwischen hp und hs angegeben ist, und
dann in einen Zustand mit hohem Strom und niedrigem Widerstand, der bei S angegeben
ist, und bei dem der Widerstand positiv ist. Wenn dieser Zustand einmal hergestellt
ist, muß die Spannung auf Null gebracht werden, um die Anordnung in den offenen
Zustand zurückzuführen. Somit sind bei V= o oder bei kleinen Werten von h die Halbleiteranordnungen
der Fig. 5 und 6, zwischen den Klemmen E und C bei der ersteren und zwischen
A und B bei der letzteren betrachtet, in einem Zustand mit niedrigem
Strom, bzw. sie stellen einen offenen Kreis dar, während die Anordnungen bei Werten
von V, die zu dem in Fig. 7 mit S bezeichneten Zustand führen, in einem Zustand
mit hohem Strom sind, bzw. sie stellen einen geschlossenen Kreis dar. Infolgedessen
sind diese Anordnungen hervorragend zur Verwendung als Schalter geeignet, z. B.
als Kreuzungspunktschalter in Telefonschaltsystemen.
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Die spezielle Form der Kennlinie gemäß Fig. 7 kann bei besonderen
Anordnungen besonderen Forderungen angepaßt werden. Zum Beispiel kann bei der Anordnung
der Fig. 5 der Strom I, der in Fig. 7 dargestellt ist, um einen Faktor von
wenigstens mehreren Zehnerpotenzen durch Einstellung eines oder beider Widerstände
22 und 24 geändert werden. Bei einer typischen Anordnung der in Fig. 5 dargestellten
Art, bei der der Körper aus Germanium bestand und die Zonen 12, 13 und 14 jeweils
1,524, 0,05 und 1,524 min dick waren und der Körper in den drei Zonen einen Querschnitt
von 0,76 - 0,76 mm hatte, konnte der Strom 1.o von etwa i ,u A bis
ioa,u A durch Änderung eines oder beider Widerstände 22 und 24 geändert werden.
Zusätzlich konnte der in Fig.7 dargestellte Wert von VP von etwa 2 bis ioo Volt
geändert werden, wobei sich lp entsprechend änderte.
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Erfindungsgemäß aufgebaute Übertragungsanordnungen können außer in
den bisher geschilderten Fällen auf verschiedenen Gebieten angewendet werden. Zum
Beispiel können Anordnungen, wie sie in den Fig. 3 und 4 dargestellt sind, als Modulatorverstärker
Anwendung finden. In diesem Falle wird ein Trägersignal zwischen den Klemmen E und
Ei und eine Modulationsspannung in Reihe mit dem Widerstand 24 zwischen den Klemmen
A
und C angelegt. Auch kann bei einer Anordnung mit dem in Fig.
3 dargestellten Aufbau der Widerstand ein indirekt geheizter Thermistor sein, d.
h. ein Widerstand mit einem hohen Temperatur-Widerstandskoeffizienten. Ein zwischen
den Klemmen E und El angelegtes Trägersignal kann dann durch Anlegen einer Modulationsspannung
an das Heizelement des Thermistors moduliert werden.
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Wenn auch die Erfindung mit besonderer Bezugnahme auf Anordnungen
beschrieben wurde, bei denen der Halbleiterkörper P-N-P-N-Aufbau hat und die End-P-Zone
als Steuerelektrodenzone betrieben wird, kann sie selbstverständlich auch bei Anordnungen
angewendet werden, bei denen die Steuerelektrodenzone N-Leitfähigkeit und der Körper
hT-P-N-P-Aufbau aufweist.