DE961176C - Elektrische Schaltungsanordnung mit fallender Strom-Spannungs-Kennlinie - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 4. APRIL 1957

I 6988 VIII a / 21 a^

Pierre R. R. Aigrain, Paris

ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltelemente mit negativem Widerstand, die in Oszillatoren, Impulsrückkopplungskreisen oder Kippschaltungen, wie sie in Zählschaltungen benötigt werden, angewendet werden können.

In der Impulstechnik werden oftmals Anordnungen benötigt, deren Strom-Spannungs-Kennlinie einen Bereich umfaßt, in dem diese fällt, während sie an anderen Stellen steigt. Derartige Anordnungen, die im allgemeinen eine oder mehrere Röhren oder einen oder mehrere Transistoren enthalten, werden gewöhnlich »negative Widerstände« genannt.

Die Erfindung hat zum Ziele, einen negativen Widerstand dadurch zu schaffen, daß die Kontakteigenschaften zwischen Metall und Halbleitermaterial ausgenutzt werden. Dabei sollen die mechanischen Toleranzen bei der Fertigung leichter einhaltbar sein, als dies bei der Fertigung von Transistoren der Fall ist. Bevor die Erfindung und ihre Anwendungen selbst erläutert werden, sei kurz auf die wesentlichen Eigenschäften der Halbleiter und der Halbleiter-Metallkontakte eingegangen. Ein Halbleiter ist ein Körper, in dem nur wenige frei bewegliche Ladungsträger vorhanden sind. Dies kann daher rühren, daß beim absoluten Nullpunkt überhaupt keine Ladungsträger vorhanden sind, sondern erst mit steigender Temperatur auftreten, oder daher, daß Ladungsträger nur dann erscheinen, wenn innerhalb des Halbleiter-

materials Regionen mit Verunreinigungen vorhanden sind. Eine solche Verunreinigung kann entweder durch das Vorhandensein eines Atoms von einem fremden Element gegeben sein oder, ,allgemeiner, dadurch, daß der Halbleiter Regionen mit Unstetigkeiten im Kristallgitter enthält. Wenn man Halbleiter im Gleichgewichtszustand betrachtet, d. h. dann, wenn im gesamten Halbleiter kein Strom fließt, so zeigt sich, daß die beiden obenerwähnten Erscheinungen gleichzeitig auftreten.

Man muß zwischen zwei Typen von Ladungsträgern unterscheiden, nämlich einerseits zwischen den freien Elektronen, deren Eigenschaften nahezu denen der Elektronen im Vakuum gleichen, und andererseits zwischen den Ladungsträgern, die man »positive Löcher« genannt hat. Ein solches Loch wird durch eine Stelle im Halbleiter gebildet, an der ein Elektron fehlt. Es benimmt sich wie ein freies Elektron mit positiver Ladung. Bei normaler Temperatur und für solche Halbleiter, die technisch von Interesse sind, hat man festgestellt, daß die Verunreinigungszonen entweder auf das Vorhandensein freier Elektronen oder positiver Löcher zurückzuführen sind, daß aber niemals beide gleichzeitig auftreten. Zu diesen Ladungsträgern gleicher Art sind Ladungsträger beider Arten in gleicher Zahl hinzuzudenken, die durch die direkte Erregung der Atome des Halbleiters erzeugt werden. Wenn man als speziellen Fall Germanium betrachtet, das ein typisches Verhalten aufweist, so ist festzustellen, daß jedes Verunreinigungszentrum auf freie Ladungsträger zurückzuführen ist. Entsprechend der Art der Verunreinigung erhält man einen Überschuß freier Elektronen oder einen Überschuß positiver Löcher, und man spricht demgemäß von einem Halbleiter der N-Art (negativ) bzw. der P-Art (positiv). Wenn mit η die Anzahl der Elektronen, mit φ die Zahl der Löcher und mit ni die Zahl der Verunreinigungszentren (positiv gerechnet, wenn die Zentren N und negativ gerechnet, wenn die Zentren P gezählt werden) bezeichnet sind, dann ist die Zahl der freien Träger für den Gleichgewichtszustand durch die folgenden zwei Gleichungen· gegeben:

n-p—2.

A²

Hierbei ist i die spezifische Anregungsenergie des Halbleiters in der Größenordnung von 1 Elektronenvolt, während m die Elektronenmasse, k die Boltzmannsche Konstante, T die absolute Temperatur, h das Plancksche Wirkungsquantum und e. die Elektronen-»- oder Elementarladung bedeutet. Im Falle von N-Germanium, das als typisch angesehen werden kann, gilt

i = 0,750 eV,
η = io¹⁶/cm³,

N = io^ie/cm³,

Wenn man' nun zwischen einem metallischen Punkt und einem Stück Halbleitermaterial, ζ. Β. N-Germanium, Kontakt herstellt, so ist ein Gleichrichtereffekt zu beobachten, d. h. daß nur dann Strom fließt, wenn der metallische Punkt gegenüber dem Germanium auf positives Potential gebracht ist. Besitzt er negatives Potential, so fließt nur ein sehr kleiner Strom, der gemäß Theorie und Experiment zum größten Teil darauf zurückzuführen ist, daß die positiven Löcher bei negativer Spannung nur sehr langsam fließen. Die Elektronen dagegen passieren, wenn der metallische Punkt positiv gespannt ist, in großer Zahl.

Shockley hat gezeigt, daß es nicht möglich ist, die Zahl der freien Elektronen, die in einem Halbleiter der N-Type existieren, in nennenswertem Maße zu erhöhen. Wenn an irgendeiner Stelle zusätzliche Elektronen zugeführt werden, so gehen sie während einer Periode in der Größenordnung, von 10-¹² Sekunden durch den Halbleiterkörper hindurch, und das Gleichgewicht ist sofort wieder hergestellt. Wenn dagegen positive Löcher örtlich eingeführt werden, so zeigt sich, daß diese nicht sofort verschwinden. Sie vereinigen sich jedoch schließlich mit den negativen Elektronen, so daß das Gleichgewicht ebenfalls wieder hergestellt wird. Hierfür wird jedoch ein Zeitraum in der Größenordnung einiger Mikrosekunden benötigt, während dem die positiven Löcher eine gewisse Strecke wandern.

Andererseits hat Brattain gezeigt, daß es möglich ist, positive Löcher in N-Germanium dadurch einzuführen, daß das Germanium mit einer positiv vorgespannten, metallischen Elektrode in Kontakt gebracht wird, also in der Richtung, in der der Kontakt den niedrigsten Widerstand bietet. Der Gleichstrom wird dann zum guten Teil nicht von freien Elektronen gebildet, sondern von solchen, die normalerweise im Halbleiter gebunden sind und ihn nunmehr, positive Löcher zurücklassend, verlassen. In die Nähe einer ersten positiv vorgespannten Elektrode wird eine zweite, in Richtung hohen Widerstandes (negativ) vorgespannte Elektrode gesetzt. Dann werden die von der ersten Elektrode erzeugten positiven Löcher von der zweiten Elektrode angezogen und erhöhen somit den sie durchfließenden Strom. Eine solche Einrichtung heißt »Transistor« und kann wegen der Widerstandsdifferenz (dv/di) zwischen den beiden Kontaktpunkten als Verstärker verwendet werden. Die vorstehenden Überlegungen sind in bezug auf Germanium vom N-Typ angestellt worden. Zu analogen Resultaten kommt man bei Betrachtung anderer Halbleiter, wie z. B. Silizium oder Bleiglanz oder auch Germanium vom P-Typ.

Transistoren können auch eine Stromverstärkung hervorrufen. Die theoretische Erklärung hierfür ist zwar weniger klar, experimentell ist die Erscheinung jedoch nachgewiesen. Nach der vorstehenden Theorie kann das Anwachsen des Stromes in der zweiten Elektrode nicht größer sein als der die erste Elektrode durchfließende Strom. Tatsächlich aber hat man oft ein Anwachsen um das zwei- bis dreifache beobachtet. 120. Es ist sogar schon von Transistoren berichtet worden, bei denen die Verstärkungszahl 26 erreicht.

Es sind bereits Anordnungen mit teilweise fallender Strom-Spannungs-Kennlinie unter Verwendung von Detektorkristallen bekannt. Dabei ist aber das Entstehen einer fallenden Strom-Spannungs-Kennlinie

vom Kontaktdruck und auch vom Luftdruck abhängig.

Weiterhin ist das Entstehen einer teilweise fallenden

Kennlinie bei Sperrschichtzellen beobachtet worden, wenn die Sperrspannung wesentlich überschritten wurde. Dies wurde vor allem auf Wärmeeffekte am Spitzenkontakt zurückgeführt.

Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß Materialien, wie Germaniumkristalle, die zwar

ίο formiert sind, bei denen jedoch die Lebensdauer der eingeführten Ladungsträger zu kurz ist, zur Erzeugung einer Strom-Spannungs-Abhängigkeit mit teilweise fallender Charakteristik verwendet werden können. Derartige Germaniumkristalle haben eine besonders kleine Rekombinationszeit, was sich schon aus der verhältnismäßig geringen Anzahl von Löchern oder Defektelektronen ergibt, die normalerweise etwa bei p = io¹⁴/cm³ liegt.

Es wird daher eine elektrische Schaltungsanordnung mit fallender Strom-Spannungs-Kennlinie vorgeschlagen, bei dem gemäß der Erfindung ein Halbleiter-Metallkontakt mit kleiner Rekombinationszeit des Halbleiters in Reihe mit einer Gleichspannungsund einer Wechselspannungsquelle angeordnet ist, deren Spannungsscheitelwerte größer als die Potentialdifferenz der Gleichspannungsquelle sind und bei der die Frequenz der Wechselspannung derart gewählt ist, daß die in den Halbleiter eingeführten elektrischen Ladungsträger trotz kurzer Rekombinationszeit des Halbleiters nicht völlig verschwinden.

Diese sowie andere Merkmale der Erfindung und ihre Anwendung sollen im folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.

Fig. ι zeigt ein Schaltelement, wie es für die Ausführung der vorliegenden Erfindung benötigt wird und das aus einem Halbleiter-Metallkontakt besteht; Fig. 2 zeigt eine Schaltungsanordnung, in der das in

Fig. ι dargestellte Element enthalten ist;

Fig. 3 gibt eine Kennlinie der in Fig. 2 gezeigten Anordnung wieder, und

Fig. 4 stellt eine Kippschaltung mit zwei stabilen Zuständen dar, in der ebenfalls Erfindungsmerkmale hervortreten.

In Fig. ι stellt 1 eine Isolierbuchse dar, die z. B.

zylindrische Gestalt haben möge. Metallstücke 2 und 3 sind an den Enden der Buchse 1 angebracht. Auf dem Metallstück 3 sitzt ein Germaniumblock 4, z. B. vom N-Typ, und eine Spiralfeder 5 in Gestalt eines metallischen Drahtes, z. B. aus Phosphorbronze, ist am Metallstück 2 befestigt. Die Metallspitze der Spiralfeder 5 hat Kontakt mit der Oberfläche des Germaniumblocks 4, so daß die gesamte Anordnung äußerlich einer Germaniumdiode ähnelt. Eine solche Einrichtung mit Halbleiter-Metallkontakt muß jedoch, wie bekannt ist, durch die plötzliche Anlegung einer gegenpoligen Überspannung formiert werden. Als Material für den Halbleiterblock 4 kann solches verwendet werden, bei dem die Lebensdauer der eingeführten, irregulären elektrischen Ladungsträger zu kurz ist, als daß das Material zur Fertigung von Transistoren verwendet werden könnte, wenn man nicht untragbare mechanische Toleranzen beim Aufsetzen der Kontakte in Kauf nehmen will.

In den weiteren Figuren ist das in Fig. 1 dargestellte Schaltelement in bekannter Weise schematisch als asymmetrisches Leitungselement dargestellt und durch einen Kreis umrandet.

In Fig. 2 liegt der Halbleiter-Metallkontakt 6 (entsprechend Fig. 1) in einer Reihe mit der Sekundärwicklung 7 eines Übertragers zwischen den Klemmen 8 und 9. Vom Generator 10 her wird an die Primärwicklung 11 des Übertragers eine hochfrequente Wechselspannung angelegt, die mittels der Sekundärwicklung 7 in Reihe mit dem Element 6 liegt. Im Diagramm der Fig. 3 gibt die Kurve 12 den Verlauf des Stromes in Abhängigkeit von der Spannung für den Fall wieder, daß die hochfrequente Wechselspannung Null ist. Diese Kennlinie gilt, wenn man bei der Betrachtung der Schaltung einen niederfrequenten Wechselstrom durch den Übertrager zugründe legt, so daß der Wechselstrom-Widerstand des Übertragers noch vernachlässigt werden kann. Nun werde an die Primärwicklung des Übertragers eine Wechselspannung angelegt, deren Frequenz hoch genug ist, so daß die irregulären, in den Halbleiter eingeführten Ladungsträger während einer Periode nicht völlig verschwinden. Die Kennlinie 12 entartet in diesem Falle zu der ausgezogenen Kurve 13. Man erkennt, daß Kurve 13 zwischen den Punkten 14 und 15 fällt.

Diese Erscheinung kann folgendermaßen erklärt werden: Wenn die in der Gegenrichtung angelegte Spannung größer als die Scheitelspannung der Wechselspannung ist, dann ist das Gleichrichterelement 6 dauernd in Richtung seines höchsten Widerstandes vorgespannt, und es geht praktisch kein Gleichstrom hindurch. Die Eigenschaften des Elementes 6 werden durch das Anlegen der hochfrequenten Wechselspannung nur sehr wenig geändert. Ist jedoch die hochfrequente Wechselspannung größer als die angelegte Spannung, so fließt während eines Teiles der Periode der angelegten Spannung ein Gleichstrom, der, wie schon erwähnt wurde, zum guten Teil aus den eingeführten irregulären Ladungsträgern besteht. Während der sehr kurzen Zeit des Stromflusses kann Letzterer nicht über 5 (Fig. 1) hinausgehen. Während des größten Teils der Periode jedoch wird die Spannung in der umgekehrten Richtung zugeführt, und die irregulären Ladungsträger werden angezogen und gesammelt. Wie schon erwähnt wurde, ruft dies für jede aufgefangene irreguläre Ladung im Außenkreis den Fluß von mehr als einer Ladung hervor. Wenn die Stromverstärkung hoch genug ist und wenn die Frequenz der angelegten, hochfrequenten Wechselspannung so gewählt ist, daß die Wiedervereinigung der irregulären elektrischen Ladungsträger während der Dauer einer Hochfrequenzperiode vernachlässigt werden kann, so ergibt sich ein Anwachsen des Gleichstromes, der das Element 6 in der Richtung seines höchsten Widerstandes durchfließt. Dies ist durch das Kurvenstück zwischen den Punkten 14 und 15 der Kennlinie 13 (Fig. 3) wiedergegeben.

Es ist experimentell festgestellt worden, daß sich leicht Elemente finden lassen, bei denen die maximale negative Steilheit der Strom-Spannungs-Kennlinie mehr als ι Milliampere pro Volt beträgt. Bei Verwendung

von Germanium als Halbleiter kann man einen Generator io benutzen, der eine Frequenz in der Größenordnung von 2 bis 3 MHz abgibt. Je nach der verwendeten Schaltung können indessen auch höhere Frequenzen angewendet werden. Wenn die Frequenz nicht ausreichend hoch ist, so müssen Kapazitäten parallel geschaltet werden.

Es sei festgestellt, daß die äußeren Kennzeichen der beschriebenen Anordnung mit den in Fig. 3 gezeigten Kurven nicht sehr verschieden von den Kennzeichen eines Transistors mit Stromverstärkung sind, die zwischen der Basis- und der Emitterelektrode gemessen wird, wobei zwischen Emitter-und Kollektorelektrode eine Gleichspannungsquelle in geeigneter Polarität liegt. Die beschriebene Anordnung hat jedoch den Vorteil, daß nur ein einziger Kontaktpunkt verwendet wird und daß als Material für die Basiselektrode 4 Halbleiter dienen können, bei denen die Lebensdauer der irregulären elektrischen Ladungsträger zu kurz ist, als daß das Material zur Fertigung von Transistoren verwendet werden könnte. Voraussetzung ist, daß die vom Generator 10 gelieferte, hochfrequente Wechselspannung ausreichend hoch ist. Fig. 4 zeigt eine Anwendung der Erfindung, und

zwar eine Anordnung mit zwei stabilen Zuständen. Soweit die Funktionen übereinstimmen, sind die Bezugszeichen der Fig. 2 übernommen. Der Kondensator 16 ist hinzugefügt worden, um dem Hochfrequenzstrom einen niederohmigen Weg anzubieten.

Zwischen Klemme 9 und Erde liegt ein Gleichstrompotential 17, während die Klemme 8 über einen Widerstand 18 mit Erde verbunden ist. Die zugehörige Ladekennlinie ist bei 23 in Fig. 3 gezeigt. Man erkennt, daß sie die Kennlinie 13 des innerhalb des gestrichelten Rahmens 19 liegenden Schaltelements in den drei Punkten 20, 21 und 22 schneidet. Die Punkte 20 und 22 entsprechen stabilen Gleichgewichtszuständen, während im Punkt 21 labiles Gleichgewicht herrscht. Setzt man voraus, daß sich

das Element entsprechend einem relativ starken Strom in stabiler Lage befindet, z. B. im Punkt 22, so ruft ein plötzliches Anwachsen der Gleichspannung, die in Reihe mit der Quelle 17 angelegt wird, ein Kippen der Anordnung hervor, die nun in die stabile

Lage 20, entsprechend einem niedrigen Strom, übergeht. Ein negativer Impuls geeigneter Amplitude läßt dann die Schaltung wieder in die Gleichgewichtslage 22 umkippen.

Solche Schaltungen mit zwei Gleichgewichtszuständen oder -lagen werden in Zählschaltungen und ähnliche Schaltungen angewendet.

Die Prinzipien der Erfindung wurden obenstehend in Verbindung mit bestimmten Ausführungsformen erläutert. Es ist jedoch klar, daß dies nur zum besseren Verständnis geschah und daß hierin keine Begrenzung des Wesens der Erfindung zu sehen ist.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Elektrische Schaltungsanordnung mit fallender Strom-Spannungs-Kennlinie, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiter-Metallkontakt mit kleiner Rekombinationszeit des Halbleiters in Reihe mit einer Gleichspannungs- und einer Wechselspannungsquelle angeordnet ist, deren Spannungsscheitelwerte größer als die Potentialdifferenz der Gleichspannungsquelle sind, und daß die Frequenz der Wechselspannung derart gewählt ist,, daß die in den Halbleiter eingeführten elektrischen Ladungsträger trotz kurzer Rekombinationszeit des Halbleiters nicht völlig verschwinden.

2. Anordnung nach Anspruch x, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter-Metallkontakt eine Germaniumdiode ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle durch einen Kondensator überbrückt ist.

4. Anwendung der elektrischen Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 bis 3 in einer bistabilen elektrischen Kippschaltung derart, daß die in Reihe mit den Ausgangsklemmen des Halbleiter-Metallkontaktes liegende Gleichspannungsquelle zwischen verschiedenen Werten, die den beiden Gleichgewichtszuständen der Anordnung entsprechen, einstellbar ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Vilbig, »Lehrbuch der Hochfrequenztechnik«,

Leipzig, 1944, insbesondere S. 133 bis 135;

H. K. Henisch, »Metal Rectifiers«, Oxford, 1949,

S.21 und 22;
deutsche Patentschrift Nr. 487 452.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

© 609657/148 10.56 (609 853 3. 57)