DE960373C - Halbleitendes Material - Google Patents
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Description
AUSGEGEBEN AM 21. MÄRZ 1957
W 14863 VIIIc
I
Big
Halbleitendes Material
Bisher sind Germanium und Silicium als halbleitende Materialien in Transistoren und Gleichrichtern
verwendet worden. Germanium besitzt ein veibotenes Band von etwa 0,75 Elektronenvolt, eine
Elektronenbeweglichkeit von etwa 3600 cm2 pro Voltsekunde und einen Schmelzpunkt von 9360 C.
Silicium besitzt ein verbotenes Band von etwa 1,15 Elektronenvolt, eine Elektronenbeweglichkeit
von etwa 1200 cm2 pro Voltsekunde und einen ίο Schmelzpunkt von 14200 C. Obwohl diese beiden
Werkstoffe für die genannten Anwendungen außergewöhnlich brauchbar sind, bestehen jedoch in
dieser Hinsicht gewisse Beschränkungen. Wegen seines eine geringe Energie aufweisenden verbotenen
Bandes ist Germanium als asymmetrischer Leiter, d. h. ein Leiter mit verschiedenem Widerstand
bei positiven und negativen Betriebsspannungen, nui bei Temperaturen unter yo° C brauchbar.
Demgegenüber äst Silicium bei höheren Temperaturen brauchbar, jedoch ergeben sich infolge
seines hohen Schmelzpunktes Schwierigkeiten bei seiner Verarbeitung.
Aluminiumantimonid und Galliumantimonid sind als halbleitende Verbindungen bekannt und für
verschiedene Anwendungszwecke besonders brauchbar, bei denen eine asymmetrische Leitfähigkeit
erforderlich ist, wie beispielsweise bei Gleichrichtern und Transistoren. Es wird in dieser Hinsicht
beispielsweise auf die Veröffentlichungen von R. K. Willardscn, A. Beer und A. E. Middleten,
»Electrical Properties of Semiconducting AlSb« (vorgetragen in der Frühjahrssitzung der
Electrochemical Society vom 12. bis 16. April 1953)
und H. Welker, Zeitschrift für Naturforschung, Bd. 8A, April 1953, verwiesen. Aluminiuniantimonid
besitzt ein verbotenes Band von etwa 1,6 Elektronenvolt, einen Schmelzpunkt von etwa
10500 C und eine Trägerbeweglichkeit von mindestens 100-cm2 pro Voltsekunde für Träger der
P- und N-Typen in polykristallinem Material. Galldumantimonid besitzt ein verbotenes Band von
0,7 Elektronenvolt, eine Tfägerbeweglichksit bis
zu 2000 cm2 pro Voltsekunde in einem polykristallinen Material und einen Schmelzpunkt von 7020 C.
Es ist festzustellen, daß das verbotene Band von Aluminiumantimonid wesentlich höher als das von
Germanium oder Silicium ist, während der Schmelzpunkt der angegebenen Verbindung geringer ist als
derjenige von Silicium. Dies zeigt also, daß Aluminiumantimonid bei höheren Temperaturen
brauchbar ist und dabei nicht die Fabrikationsschwierigköiten auftreten, wie es bei Silicium der
Fall ist. Die Beweglichkeit der Elektronen in Aluminiumantimonid ist jedoch nicht so hoch, wie es
bei Silicium oder Germanium der Fall ist. Andererseits haben die Elektronen im Galliumantimonid
eine Beweglichkeit, die zwischen derjenigen der Elektronen in Silicium und Germanium liegt, jedoch
ist dessen verbotenes Band geringer als dasjenige von Germanium. So ist also die Anwendung
von Galliumantimonid als Halbleiter beschränkt. Die Erfindung bezieht sich auf ein besonderes
halbleitendes Material, welches insbesondere für Gleichrichter und Transistoren geeignet ist. Dieses
halbleitende Material besteht erfindungsgemäß aus einer Legierung von Aluminiumantimonid sund
Galliumantdmonid, die etwa 33,5 bis 0,93 Gewichtsprozent
Aluminium und als Rest Antimon enthält, und bei der die Summe der Gewichtsprozente von
Gallium und des 2,oifachen der von Aluminium etwa dem Wert 36,4 entspricht, die eine Korrosionsbeständigkeit
besitzt, die besser ist als diejenige von Aluminiumantimonid allein.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung besteht das halbleitende Material aus
einer Legierung oder Mischung, die 33,5 bis 8,85 Gewichtsprozent Gallium, 1,44 bis 13,7 Gewichtsprozent
Aluminium und als Rest Antimon enthält, und diese Legierung besitzt eine höhere Trägerbeweglichkeit
und einen geringeren Schmelzpunkt als Aluminiumantimonid.
Das sich ergebende halbleitende· Material besitzt . ein verbessertes verbotenes Band und läßt sich
leichter herstellen als Silicium oder Germanium selbst.
Das sich ergebende halbleitende Material besitzt eine bessere Trägerbeweglichkeit und Korrosionsbeständigkeit
als Aluminiumantimonid. Darüber hinaus weist es eine verbesserte Beständigkeit gegenüber Korrosion durch Wasser und Sauerstoff
auf als Aluminiumantimonid.
Dieses verbesserte halbleitende Material ist auch bei hohen Temperaturen brauchbar.
Das bei hoher Temperatur wirksame halbleitende Material kann bei Temperaturen unter 11000C
. hergestellt werden.
Die Erfindung ist in dem folgenden Teil der Beschreibung an Hand dar Zeichnungen näher erläutert.
Fig. ι zeigt in einem Diagramm eine charakteristische
StromspannungskuTve eines Gleichrichters des N-Typs mit mittlerem Flußwiderstand, wobei
der Halbleiter aus etwa 71,6 Gewichtsprozent Antimon, 20,5 Gewichtsprozent Gallium und 7,9 Gewichtsprozent
Aluminium besteht und wobei eine Punktkontaktelektrode aus Phosphorbronze verwendet
wird.
Fig. 2 zeigt in einem Diagramm eine charakteristische
Stromspannungskurve eines Gleichrichters des N-Typs mit niedrigem Flußwdderstand, wobei
der Halbleiter aus etwa 71,6 Gewichtsprozent Antimon,
20,5 Gewichtsprozent Gallium und 7,9 Gewichtsprozent Aluminium besteht und wobei eine
Punktkontaktelektrode aus Phosphorbronze verwendet wird.
Fig. 3 zeigt in einem Diagramm eine charakte- go ristische Stromspannungskurve eines Gleichrichters
des N-Typs, wobei der Halbleiter aus etwa 71,6 Gewichtsprozent Antimon, 20,5 Gewichtsprozent Gallium und 7,9 Gewichtsprozent Aluminium
besteht und wobei ein Wolframpunktkontakt verwendet wird.
Fig. 4 zeigt ein Phasendiagramm, das die Schmelztemperaturen und Verfestigungstemperaturen
des Aluminiumantimonid-Galliumantimoniid-Systems erkennen läßt.
Reines Aluminiumantimonid zersetzt sich schon in ι oder 2 Tagen nach seiner Herstellung zu einem
schwarzen, amorphen Pulver (Zeitschrift für Anorganische und Allgemeine Chemie, G. Tarn mann
und A. Ruhenbeck, Bd. 223, 1935, S. 288). Es
wurde gefunden, daß diese Zersetzung durch Zusatz von 2 Molprozeiit oder mehr von Galliumantimonid
zu dem Aluminiumantimonid verringert oder vollkommen verhindert werden kann. Es
wurde weiterhin gefunden, daß durch den Zusatz von weiteren 2 bis 20 Molprozent an Galliumantimonid
zu Aluminiumantimonid einmal wesentlich verbesserte Korrosionsbeständigkeiten erzielt werden
und gleichzeitig die elektrischen Eigenschaften dieses Halbleiters nicht wesentlich beeinflußt
werden.
Zusätze von mehr als 20 Molprozent Galliumantimonid zu Aluminiumantimonid haben ergeben,
daß hierdurch die Beweglichkeit des Halbleiters vergrößert wird. So besitzt beispielsweise ein
Halbleiter, der 50 Molprozent Galliumantimonid und den Rest Aluminiumantimonid enthält, eine
Beweglichkeit von etwa 1000 cm2 pro Voltsekunde
bei einem polykristallinen Material. Das verbotene Band bei dieser Probe beträgt etwa 1,1 Elektronenvolt.
Es ergibt sich also·, daß dieses Material eine
wesentlich höhere Beweglichkeit als polykristallines Aluminiumantimonid besitzt und ein höheres verbotenes
Band als Galliumantimonid aufweist. Obwohl die Elektronenbeweglichkeit in dieser Legierung
etwas geringer ist als bei Aluminium, ist das verbotene Band höher als bei Germanium, und es
würde so bei einer höheren Temperatur brauchbar sein. Damit die elektrischen Eigenschaften dieses
Halbleiters gemäß der Erfindung sich wesentlich
ίο von denjenigen von Galliumantimonid unterscheiden,
sollte der Halbleiter mindestens 5 Atomprozent Aluminium enthalten.
Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die Schmelztemperatur
der Legierung gemäß der Erfindung geringer ist als diejenige von Aluminiumantimonid, und demgemäß
läßt sich die Legierung wesentlich leichter herstellen und verarbeiten als Aluminiumantimonid
bzw. Silicium. Es wurde gefunden, daß ein Halbleiter, welcher etwa 25 Atomprozent Antimon enithält,
ein verbotenes Band und eine Trägerbeweg·^ lichkeit beisitzt, die etwa die gleichen sind wie diejenigen
von Silicium, obwohl dieser Halbleiter nicht den hohen Schmelzpunkt wie Silicium aufweist.
Für die Herstellung der Legierung gemäß der Erfindung mag es zweckmäßiger sein, die Zusammensetzung
des Halbleiters in Gewichtsprozenten als in Atomprozenten auszudrücken. In diesem Fall
kann die Zusammensetzung wie folgt angegeben werden: Die Summe der Gewichtsprozente an Gallium
plus dem 2,01 fachen der Gewichtsprozente an Aluminium entspricht dem Wert von etwa 36,4.
Dieser Wert wird durch die Einschränkung modifiziert, daß ein Material, das im wesentlichen die
gleichen elektrischen Eigenschaften wie Aluminiumantimonid besitzt, jedoch verbesserte Κοτ-rosionseigenschaften,
einen Galliumgehalt von 8,85 bis 0,930Zo, einen Aluminiumgehalt von 13,72 bis
17,65%, Rest Antimon aufweist, während ein Material,
das eine wesentlich größere Trägerbeweglichkeit als auch eine bessere Korrosionsbeständigkeit
als Aluminiumantimonid aufweist, einen Galliumgehalt von 33,5 bis 8,85 °/o, einen Aluminiumgehalt
von 1,44 bis 13,721Vo, Rest Antimon besitzt. Innerhalb
dieser Mengenbereiche der Bestandteile hat sich gezeigt, daß die Legierung gemäß der Erfindung
Gleichrichter- und Transistoreneigenschaften besitzt, die für die meisten Anwendungen als Halbleiter
geeignet sind. Die Fig. r, 2 und 3 zeigen typische Stromspannungseigenschaften einer Legierung,
die 20,5 Gewichtsprozent Gallium und 7,9 Gewichtsprozent Aluminium, Rest Antimon enthält.
Diese Legierungen1 können auf zwei verschiedene Weisen hergestellt werden. Die Verbindungen AIuminiumantknonid
und Galliumantimonid können in dem gewünschten Verhältnis bei einer geeigneten Temperatur miteinander gemischt werden, jedoch
tritt bei diesem Verfahren insofern eine Schwierigkeit auf, als die Schmelzpunkte dieser Stoffe verschieden
sind. Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren besteht darin, daß das Aluminium, Antimon,
und Gallium zusammen umgesetzt * werden. Die angewandten Mengen an Aluminium und Gallium
bestimmen die endgültigen Eigenschaften des Materials. Eine geringe Menge an Aluminium, die in
der Stoffzusammensetzung zugegen ist, dient dazu, das verbotene Band zu vergrößern, obwohl hierbei
die Beweglichkeit des Chargenträgers etwas verringert wird. Obwohl größere Mengen an Aluminium
das verbotene Band vergrößern, wird hierbei eine weitere Verringerung der Beweglichkeit der Chargenträger
in der Verbindung herbeigeführt. Selbst wenn sich die Beweglichkeit beträchtlich verringert,
besitzt trotzdem die sich ergebende Legierungszusammensetzung wertvolle halbleitende Eigen-
schäften. Es ist festzustellen, daß der Schmelzpunkt von Galliumantimonid nur 7020 C beträgt im Vergleich
zu 10500 C für Aluminiumantimonid. Wenn diese beiden Verbindungen zusammengeschmolzen
werden, hat es sich gezeigt, daß, wenn nicht ein sorgfältiges Rühren stattfindet, die größte Menge
an Aluminiumantimonid an die Oberseite der Lösung aufsteigt und. sich nicht genügend mit dem
Galliumantimonid mischt. Diese Schwierigkeit ist nicht so bemerkenswert, wenn die drei Elemente
miteinander umgesetzt werden. Die Legierungszusammensetzung gemäß einer weiteren Ausbildung,
der Erfindung kann dadurch hergestellt werden, daß die Bestandteile in einem Tiegel aus Graphit
oder aus einem anderen Material geschmolzen werden, das sich nicht wesentlich mit dem Aluminium,
Gallium oder Antimon oder mit den Verbindungen Galliumantimonid und Alumiimiumantimonid umsetzt.
Ebenso wie es bei Germanium und Silicium der g$
Fall ist, können der Legierung verschiedene Verunreinigungen zugesetzt werden, um die Leitfähigkeit
des Halbleiters zu beeinflussen. Diese Verunreinigungen werden der Legierung· während der
Herstellung zugesetzt. So können beispielsweise Zinkantimonid, Cadmiumantimonid oder ähnliche
Verbindungen zugesetzt werden, um einen Halbleiter des P-Typs zu: erhalten, und Galliumtellurid,
Galliumselenid, Galliumsulfid oder ähnliche Verbindungen können zugesetzt werden, um einen
Halbleiter des N-Typs zu ergeben. Vorzugsweise beträgt der Gehalt an der betreffenden Verunreinigung
nicht mehr als 0,01 Atomprozent. Eine Regelung der Leitfähigkeit kann ebenso wie bei anderen
Halbleitern durch Neutronenbeschießung und Elektroformierung herbeigeführt werden.
Die Kontakte für Vorrichtungen, die unter Anwendung der Halbleiter gemäß der Erfindung hergestellt
werden,, können Halbleiter oder Metalle sein. In dem Falle eines Gleichrichters können entweder
Punktkontakte (beispielsweise solche aus Phosphoorbronze) oder abgeschiedene Metallkontakte
verwendet werden. Durch Kontrolle der Verunreinigungen können in der Legierung ebenfalls
p-n-VerbindungSschichten gebildet werden.
Obwohl in der obigen Beschreibung die Legierungszusammensetzurig
insbesondere mit Bezug auf ihre Verwendung für Gleichrichter und Transistoren
beschrieben würde, ist es einleuchtend., daß diese Legierung auch für andere Zwecke angewandt
werden kann, insbesondere da gefunden wurde, daß
diese sowohl thermoelektrische ,und fotoelektriische
Eigenschaften als auch eine asymmetrische Leitfähigkeit und Transistoieneigeoschaften besitzt.
Claims (1)
- Patentanspruch:HaTbleiitetndes Material insbesondere für Gleichrichter und Transistoren, dadurch g&- kennzeichnet, daß eine 'Legierung von AIuminiumantimonid und Galliumantimonid ν erwendet wird, die etwa 33,5 bis 0,93 Gewichtsprozent Gallium, 1,44 bis 17,65 Gewichtsprozent Aluminium und als Rest Antimon enthält und bei der die Summe der Gewichtsprozente von Gallium und des 2,01 fachen der von Aluminium etwa dem Wert 36,4 entspricht und die eine Korrosionsbeständigkeit besitzt, die besser ist als diejenige von Aluminiumantimonid allein.Hierzu 1 Blatt Zeichnungen© 609 620/366 9.56 (609 843 3.57)
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GB758588A (en) | 1956-10-03 |
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