DE966492C

DE966492C - Elektrisch steuerbares Schaltelement aus Halbleitermaterial

Info

Publication number: DE966492C
Application number: DEP32044A
Authority: DE
Inventors: John Bardeen; Walter Hauser Brattain
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1948-02-26
Filing date: 1949-01-20
Publication date: 1957-08-14
Also published as: FR975245A; FR978836A; US2524034A; GB694023A; NL84054C; GB694021A; NL85857C; BE484779A; BE486170A; CH273525A; FR972207A; CH277131A; NL85856C

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 14. AUGUST 1957

ρ 32044 VIIIc/2igD

John Bardeen, Summit,

ist in Anspruch genommen

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch steuerbares Schaltelement aus Halbleitermaterial. Es ist das Ziel der Erfindung, mit Hilfe eines derartigen Schaltelementes in einer neuen Art und Weise Verstärkungen durchzuführen, Schwingungen zu erzeugen und ähnliche Vorgänge zu verwirklichen.

Es sind bereits Versuche gemacht worden, feste Gleichrichter, welche Selen, Kupfersulfid oder andere Halbleitermaterialien benutzen, in Verstärker zu verwandeln unter Zuhilfenahme des Kunstgriffs, eine gitterähnliche Elektrode in einer dielektrischen Schicht einzubetten, welche zwischen der Kathode und der Anode des Gleichrichters angeordnet ist. Man nimmt an, daß das Gitter dadurch, daß es eine Feldwirkung an der Oberfläche der Kathode ausübt, deren Emission beeinflußt und auf diese Weise den Kathoden-Anoden-Strom ändert. Es ist dazu notwendig, ein Gitter in eine Schicht einzubetten, welche so dick ist, daß sie das Gitter von den anderen Elektroden isoliert, und trotzdem so· dünn ist, daß sie Stromfluß zwischen ihnen, gestattet.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, einen Strom von einem Ende, zum anderen Ende eines Streifens aus isotropem Halbleitermaterial fließen zu lassen und durch das Anlegen eines starken transversalen elektrostatischen Feldes den Wider-

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stand des Streifens und dadurch, den durchfließenden Strom zu steuern.

Soweit bekannt ist, können diese früheren Vorschläge in der für eine Verstärkung erforderlichen Feinheit nicht verwirklicht werden. Auf jedan Fall scheinen si'e keinen piraktischen. Erfolg gehabt zu haben.

Bekanntlich gibt es in Halbleitern zwei Arten von Elektrizitätsträgern, welche sich in den Vorzeichen der wirksamen beweglichen Ladungen unterscheiden. Die negativen Träger sind überschüssige Elektronen, welche frei beweglich sind, und werden mit dem Ausdruck »Leitungselektronen« oder einfach »Elektronen« bezeichnet. Die positiven Träger sind »Fehl- oder Defekt-Elektronen« und werden mit »Löcher« bezeichnet. Die Leitfähigkeit eines Halbleiters wird als Überschußoder Ersatzleitung bzw. η-Typ oder p-Typ bezeichnet, das hängt davon ab, ob die beweglichen Laao düngen, welche normalerweise im Überschuß in dem Material unter Gleichgewichtsbedingungen vorhanden sind, Elektronen (negative Träger) oder Löcher (positive Träger) sind.

Wenn eine Metallelektrode in Kontakt mit einem Halbleiter gebracht wird und eine Potentialdifferenz über die Verbindung angelegt wird, hängt die Größe des durchfließenden Stromes oft sowohl von dem Vorzeichen als auch von der Größe des . Potentials ab. Eine Verbindung dieser Art wird 3u »Gleichrichter-Kontakt« genannt. Wenn der Kontakt mit einem n-Typ-Halbleiter gemacht wird, ist die Vorzugsstromflußrichtung diejenige, bei welcher 'der Halbleiter mit Bezug auf die Elektrode negativ ist. Bei einem p-Typ-Halbleiter ist die Vorzugsstromflußrichtung diejenige, bei welcher der Halbleiter positiv ist. Ein ähnlicher Gleichrichter-Kontakt besteht an der Grenze zwischen zwei Halbleitern von entgegengesetztem Leitungstyp. Diese Grenze kann zwei Halbleitermaterialien von verschiedenen Beschaffenheiten trennen, oder sie kann nur Zonen oder Gebiete in einem aus dem gleichen Grundmaterial bestehenden Halbleiterkörper trennen, wobei die Gebiete verschiedene Leitfähigkeitscharakteristiken aufweisen. Die Erfindung macht zuir Verwirklichung einer Verstärkung von Halbleitergleichrichtern Gebrauch. Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch steuerbares Schaltelement, welches aus einem Halbleiterelement und drei daran angebrachten Elektrodenanschlüssen bestellt.

Die Besonderheit der Erfindung besteht im Gegensatz zu den bekannten elektrisch steuerbaren Schaltelementen darin, daß an einem Halbleiter wie Germanium oder Silizium einerseits eine Basiselektrode und andererseits zwei je mit der Basiselektrode eine gleichrichtende Wirkung ergebende Elektroden angeordnet sind und¹ daß jede dieser Elektroden in einem zur Ausdehnung der gemeinsamen Oberflächenschicht kleinen Bereich Kontakt macht und sie so angeordnet sind, daß bei einer Vorspannung der einen Elektrode (Emitter) mit Bezug auf die Basis in Flußrichtung und der ander ren Elektrode (Kollektor) mit Bezug auf die Basis in Sperriditung durch den Emitter Ladungsträger, deren Vorzeichen demjenigen der in dem Gebiet der Basiselektrode vorhandenen Ladungsträger entgegengesetzt ist, in das Gebiet der Basiselektrode eingeführt werden und wenigstens zum Teil zu dem Kollektor fließen.

Beim Fehlen eines Emitterstromes kommt der zu dem Kollektor fließende Strom ausschließlich von der Basiselektrode und wird durch den hohen Widerstand dieses Kollektorkontaktes behindert. Das Vorzeichen des Kollektorvorspannpotentials ist derart, däß es die Träger von entgegengesetztem Vorzeichen, welche bei Betrieb von dem Emitter kommen, anzieht. Der Kollektor ist mit Bezug auf den Emitter so angeordnet, daß ein großer Teil des Emitterstromes zu dem Kollektor gelangt. Der Teilstrom hängt teils von der geometrischen Art-Ordnung ab und teils von den angelegten Vorspannpotentialen. Da der Emitter in der Richtung leichten Stromflusses vorgespannt ist, ist der Emitterstrom von kleinen Potentialänderungen zwischen dem Emitter und der Ba¹Si¹S abhängig.

Das Anlegen einer kleinen Spannungsänderung zwischen Basis und Emitter hat eine relativ große Änderung des Stromes zur Folge, welcher von. dem Emitter in den Halbleiter eintritt, und dementsprechend eine große Änderung des zu dem KoI-lektor fließenden Stromes. Eine auf der Änderung des Emitterstromes beruhende Wirkung besteht darin, daß der zu dem Kollektor fließende Gesamtstrom geändert wird, so daß die Gesamtänderung des Kollektorstromes größer sein kann als die Änderung des Emitterstromes. Der Kollektorkreis kann eine Belastung von hoher, an den. inneren Widerstand des Kollektors angepaßter Impedanz enthalten. Der innere Widerstand des Kollektors ist groß, da er in Sperrichtung vorgespannt ist. Infolgedessen werden Spannungs verstärkung, Stromverstärkung und Leistungsverstärkung des Eingangssignals erhalten.

Nach ihrem äußeren Verhalten und ihrer Anwendung hat die Vorrichtung nach der Erfindung eine Ähnlichkeit mit einer Vakuum-Dreipolröhre. Die als Emitter-, Kollektor- und Basiselektrode bezeichneten Elektroden können außen in verschiedener Art und Weise zusammengeschaltet werden, wie es sich für Trioden als vorteilhaft erwiesen hat, z. B. in der üblichen Weise, mit »geerdetem Gitter« oder mit »geerdeter Anode« (»Kathodenverstärker«) u. dgl. Tatsächlich ergab sich die der Erfindung zugrunde liegende Erkenntnis zuerst in Verbindung mit Schaltungen, welche den. sögenannten gittergeerdeten Verstärkerröhrenschaltungen sehr ähnlich sind. Die Analogie bezüglich der Schaltungen geht natürlich nicht weiter als die Analogie zwischen Emitter und Kathode, Basis und Gitter, Kollektor und Anode.

Durch in richtiger Phase erfolgende Rückkopplung eines Teiles der Ausgangsspannung zu den Eingangsklemmen kann man die Vorrichtung zum Schwingen bringen, und zwar bei einer Frequenz, welche durch die äußeren Schaltelemente bestimmt wird.

Um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, wird im folgenden an Hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel näher -beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. ι ein schematisches, teilweise perspektivisches Schauibild, welches eine bevorzugte Ausführungsfbrm der Erfindung zeigt,

Fig. ι a einen Teil der Fig. I in Querschnitt unter Anwendung eines größeren Maßstabs,
ίο Fig. 2 die der Fig. ι äquivalente Vakuumröhrenschaltung,

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Block nach Fig. i, welche die Anordnung der Elektroden zeigt,

Fig. 3 a eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung, welche den. Einfluß des Kollektors bei der Steuerung des Emitterstromes erkennen läßt,

Fig. 4, 5, 6 und 7 Eäektrodenanordnungen, die von Fig. ι abweichen,

Fig. 8 und 9 von Fig. 1 abweichende Elektrodenkonstruktionen,

Fig. 10 eine geänderte Einheit nach der Erfindung, die in der bei einer Triode üblichen Art geschaltet ist,

Fig. 11 eine andere Einheit der Erfindung, die für den Betrieb in einem Kreis mit geerdeter Anode (Kathodenverstärker) geschaltet ist,

Fig. 12 eine Einheit nach der Erfindung, die für die Erzeugung ungedämpfter eigenerregter Schwingungen geschaltet ist.

Es hat sich gezeigt, daß das Verhalten einer Vorrichtung der dargestellten Art in guter Annäherung durch folgende funktioneilen Beziehungen ausgedrückt werden kann:

{V_c) + al_e

(i a)

Hierin bedeutet

/„ = Emitterstrom
I_c = Kollektorstrom

I°c (V_c) — Kollektorstrom bei abgetrenntem Emitter,

V_e = Spannung der Emitterelektrode mit Bezug auf die Basiselektrode,

V_c = Spannung der Kollektorelektrode mit Bezug auf die Basiselektrode,

Rp- ein von der Vorspannung unabhängiger Ersatzwiderstand,

a = ist ein numerischer Faktor, der von den Vorspannungen abhängt, und

/ (V_e) = die Beziehung zwischen Emitterstrom und Emitterspannung bei offenem Kollektork r ei s.

Aus der Gleichung (i) geht hervor, daß der Kollektorstrom das Potential der Oberfläche des Blockes in der Nähe des Emitters relativ zur Basiselektrode um einen Betrag RpI_c erniedrigt und so die effektive Vorspannung an dem Emitter um denselben Betrag vergrößert. Der Ausdruck Rpl_c gibt somit die positive Rückkopplung an.

Die Materialien, mit welchen sich die Erfindung befaßt, sind solche Halbleiter, deren elektrische Charakteristiken in großem Maße abhängig sind von dem Einschluß von sehr kleinen Beträgen, von bezeichnenden Verunreinigungen. Der Ausdruck »bezeichnende Verunreinigungen« wird hier gebraucht, um solche Verunreinigungen zu bezeichnen, welche auf die elektrischen Charakteristiken des Materials, z. B. dessen spezifischen Widerstand, Photoempfindlichkeit, Gleichrichtungundähnliches, einwirken zum. Unterschied von anderen Verunreinigungen, welche keinen sichtbaren Effekt auf diese Charakteristiken haben. Der Ausdruck »Verunreinigungen« soll sowohl absichtlich zugegebene Bestandteile als auch Bestandteile umfassen, welche in dem Ausgangsmaterial, wie es in der Natur gefunden wird oder im Handel erhältlich ist, enthalten sind. Germanium ist ein solches Material, welches zusammen mit einigen typischen Verunreinigungen für die Erläuterung der Erfindung dienlich ist, Silizium ist ein anderes Material dieser Art.

Kleine Beträge von Verunreinigungen bis beispielsweise ο, ι Vo, gewöhnlich von höherer Valenz als das Halbleitergrundmaterial, ζ. B. Phosphor in Silizium, Antimon und Arsen in Germanium, werden als »Geber-Verunreinigungen« (»Donator«) bezeichnet, weil sie zu der Leitfähigkeit des Grundmaterials beitragen, indem sie Elektronen an das ungefüllte »Leitungs-Energieband« in dem Grundmaterial abgeben. In einem solchen Fall stellen die abgegebenen negativen Elektronen Strom träger dar, und man bezeichnet das Material und seine Leitfähigkeit als η-Typ. Ähnliche kleine Beträge von Verunreinigungen, gewöhnlich von niedrigerer Valenz als das Grundmaterial¹, z. B. Bor in Silizium oder Aluminium in Germanium,, werden »Nehimer-Verunreinigungen.« (»Akzeptor«) genannt, weil sie zu der Leitfähigkeit durch »Annehmen« von Elektronen von den Atomen des Grundmaterials in dem gefüllten Band beitragen. Solch ein Annehmen läßt eine Lücke oder »Loch« in dem gefüllten Band zurück; durch Elektronenaustausch von Atom zu Atom bewegen sich diese positiven Löcher effektiv und bilden die Strom- 1x0 träger, und man bezeichnet das Material und seine Leitfähigkeit als p-Typ.

Es ist bekannt, wie .man durch Steuerung der Verteilung von Verunreinigungen, einen Block aus Silizium herstellt, dessen Hauptkörper von einem Leitfähigkeitstyp ist, während eine dünne Oberflächenschicht, welche von dem Haiuptkörper durch eine hochohmige Sperrschicht getrennt ist, den anderen Leitfähigkeitstyp besitzt. In diesem Falle wird, angenommen, daß es sich um eine Schicht handelt, die auf dem Vorhandensein bezeichnender Verunreinigungen beruht. Eine derartige Schicht soll als »chemische Schicht« bezeichnet werden.

Im Gegensatz dazu sollen die Ausdrücke »physikalische Schicht« und die damit verbundene »physikalische Sperrschicht« sich auf eine Schicht

von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp nächst der Oberfläche und die hochohmige Sperrschicht beziehen, welche beide als ein Ergebnis von Oberflächenbedingungen bestehen und nicht als Ergebnis einer verschiedenen Natur oder Konzentration von bezeichnenden Verunreinigungen. Derartige »physikalische Schichten« sind ebenfalls bekannt Sowohl physikalische als auch chemische Schichten sind für die Erfindung geeignet. ίο Vorzugsweise wird die Erfindung· in Verbindung mit solchem Material beschrieben, welches so behandelt war, daß eine hohe Sperrspannung erreicht werden konnte, wenn es in einem Spitzenkontaktgleichrichter benutzt wurde. Als derartiges Material hat sich Germanium vom η-Typ erwiesen, bei welchem eine Sperrspannung in der Größe von 100 bis 200· Volt erhalten wurde.

Ein geeignet hergestelltes Stück dieses Materials wird zur erfindungsgemäßen Verwendung in Blöcke von etwa 6 mm Durchmesser und 1 mm Dicke geschnitten. Der Block wird dann an beiden Seiten eben geschliffen. Dann wird er 1 Minute lang geätzt. Die Ätzlösung kann aus 10 ecm konzentrierter Salpetersäure, 10 ecm handelsüblicher 5o°/oiger Flußsäure und 5 ecm Wasser bestehen, in welcher eine kleine Menge, z. B. 0,2 g Kupfernitrat aufgelöst worden ist. Diese Ätzbehandlung befähigt den Block, höheren (Gleichrichter-) Sperrspannungen zu widerstehen.

Danach wird eine Seite des Blockes nach bekannten Methoden mit einem Überzug von Metall, z. B. Kupfer oder Gold, versehen, welcher einen elektrischen Kontakt von niedrigem Widerstand darstellt. Zur Beseitigung einer Verunreinigung der anderen (nichtplattierten) Seite des Blockes, welche während des Plattierungsprozesses aufgetreten sein kann, wird die nichtplattierte Seite einem erneuten Ätzprozeß unterworfen.

Dem Block kann nun eine anodische Oxydationsbehandlung gegeben werden, z. B. mit polymerisiertem Glycolborat oder mit einem anderen, vorzugsweise viskosen Elektrolyt, in welchem Germaniumdioxyd -unlöslich ist. Danach wird der Block mit warmem Wasser saubergewaschen und mit feinem Papiergewebe getrocknet, gefolgt von einer geeigneten Endtrocknung. Wenn Fleckenelektroden, wie später beschrieben, auf der oberen Oberfläche verlangt werden, können sie im Laufe des Endtrocknungsprozesses aufgedampft werden. Der vorangehende Oxydationsprozeß ist jedoch nicht wesentlich. Verstärkung wurde mit Mustern erhalten, bei welchen im Anschluß an die Ätzbehandlung keine andere Oberflächenbehandlung Anwendung gefunden hat als die weiter unten beschriebene elektrische Formierung.

Fig. ι zeigt einen Block 1 aus Germanium, welcher in der vorangehenden Weise behandelt wurde, und Fig. 1 a zeigt den mittleren Teil des Blockes ι im Schnitt und in einem vergrößerten Maßstab. In Fig. 1 und 1 a ist der untere Teil des Blockes i, dessen Oberfläche mit dem Metallfilm 2 plattiert ist, welcher als Basiselektrode dient, als η-Typ bekannt. Die dünne Schicht 3 an der oberen Oberfläche ist vom p-Typ, in welchem Falle bekanntlich, die Grenzschicht 4, welche diese p-Typ-Schicht von dem n-Typ-Material des Hauptkörpers des Blockes trennt, sich wie eine hochohmige gleichrichtende Sperrschicht verhält. Eine erste, in an sich bekannter Weise als Spitzenelektrode ausgeführte Elektrode 5, die Emitterelektrode, macht mit der Oberseite des Blockes Kontakt, d. h. mit der p-Typ-Schieht 3, <und zwar zweckmäßig in deren Mitte oder wenigstens mehrere Spitzendurchmesser von der nächsten Kante entfernt. Dieser Kontakt kann aus einem gebogenen Draht aus federndem Material von ο,οΐ bis 0,1 mm im Durchmesser bestehen, welcher vorzugsweise an der Kontaktstelle angespitzt ist, und zwar elektrolytisch oder durch Schleifen. Die Drahtspitze wird in Kontakt mit der Oberseite 3 des Blockes mit einer Kraft von 1 bis 10 g in Kontakt gebracht, wodurch ein Kaltfluß des die Spitze bildenden Metalls stattfindet, der das Metall befähigt, sich jeder kleinsten Unregelmäßigkeit der Blockoberfläche anzupassen. Zu diesem Zweck sollte der Draht der Spitze weich sein im Vergleich mit dem Blockmaterial. Wolfram, Kupfer und Phosphorbronze sind Beispiele von geeigneten Materialien. Eine zweite Elektrode 6, die Kollektorelektrode, macht mit der Oberseite 3 des Blockes an einer go Stelle Kontakt, die nahe an der Emitterelektrode 5 liegt. Die besten Ergebnisse wurden erzielt, wenn der längs der Blockoberfläche gemessene Abstand zwischen der Kollektorelektrode und der Emitterelektrode zwischen 0,01 bis 0,1 mm beträgt. Diese Elektrode 6 kann wie die Elektrode 5 aus einem zugespitzten Federdraht bestehen, der so geformt und angeordnet ist, wie es weiter oben mit Bezug auf die Emitterelektrode 5 beschrieben wurde. Sie kann aber auch aus einem kleinen Metallfleck, z. B. Gold, bestehen, welcher durch Verdampfung auf der Oberseite des Blockes während des abschließenden Trockenvorgangs aufgebracht wurde und durch welchen ein zentrales Loch gebohrt wurde (Fig. 6) oder durch welchen hindurch ein diametraler Schlitz geschnitten wurde (Fig. 7). Eine dritte Verbindung wird beispielsweise durch Anlöten an dem die Basiselektrode darstellenden Metallfilm 2 angebracht, welcher auf die Unterseite des Blockes 1 aufplattiert wurde. Auf Grund der gleichrichtenden Sperrschicht ist erkennbar, daß sowohl der Emitter als auch der Kollektor mit der Basis Gleichrichter bilden.

Wenn auch die Einheit nunmehr gebrauchsfertig ist, so läßt sich ihre Arbeitsweise allgemein mit Hilfe eines elektrischen Formierungsprozesses verbessern, wobei ein die Spitzensperrspannung überschreitendes Potential an eine oder beide Spitzenlektroden 5, 6 angelegt wird, d. h. zwischen einer oder beiden dieser Elektroden und der Basiselektrode 2. Die Einheit wird vor Beschädigungen durch starke Ströme durch Reihenschaltung eines Widerstandes geschützt. Die Wirkung des Formierungsprozesses scheint darauf zu beruhen, daß an das Material in unmittelbafer Nähe der Spitze in konzentriertes elektrisches Feld unter konzen-

trierter Erwärmung angelegt wird. Beide Einwirkungen haben eine Verbesserung der elektrischen Charakteristik des Kontaktes zur Folge.

Vorspannungen werden jetzt an die Elektroden angelegt, und zwar eine kleine, gewöhnlich positive Vorspannung in der Größenordnung eines Bruchteiles eines Volts an den Emitter und eine größere negative Vorspannung, die gewöhnlich in dem Bereich von —5 bis —50 Volt liegt, an den Kollektor; in jedem Falle wird diese Spannung zwischen dem Körper des Blockes und der Spitzenelektrode gemessen. Diese Vorspannungspotentiale können von den Batterien 7, 8 erhalten werden, welche entsprechend der Darstellung oder auch anders angeschlossen werden können.

Eine Belastung von 1000 bis 100 000 Ohm kann nunmehr an dem Kollektorkreis angeschlossen werden, beispielsweise mit Hilfe eines Ausgangsübertragers 9; das zu verstärkende Signal kann

ao zwischen der Emitter- und der Basiselektrode, z. B. mittels eines Eingangsübertragers 10 angelegt werden. Oder die Anschlüsse können nach Art j einer Triode entsprechend Fig. io erfolgen oder nach Art der sogenannten anodengeerdeten oder Kathodenverstärkerschaltung entsprechend Fig. In diesen Figuren wird das Eingangssignal symbolisch durch eine Quelle 11 dargestellt und die Belastung durch einen Ausgangswiderstand Ri. Die Feststellung der verstärkenden Eigenschaften der Anordnung wurde jedoch mit der Schaltung von Fig. ι mit der geerdeten Basiselektrode gemacht, deren Vakuumröhrengegenstück die sogenannte »gittergeerdete« Schaltung von Fig. 2 ist.

Das grundsätzliche Unterscheidungsmerkmal dieser Schaltung im Vergleich zu einer Vakuumröhrentriode besteht darin, daß in der letzteren der Belastungsstrom durch die Quelle fließt. Dieses gilt nicht für die Einheit nach vorliegender Erfindung, weil die Basiselektrode wesentlichen Strom führen kann. Die Vorrichtung hat in dieser Schaltung Leistungsverstärkungen bis zu einem Faktor über 75 gegeben. Die Arbeitsdaten von drei verschiedenen Mustern sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben:

Eingangswiderstand (Ohm) .
Ausgangswiderstand (Ohm) .
Eingangsspannung (Volt) . ..
Ausgangsspannung (Volt) ..

Spannungsverstärkung

Eingangsleistung (Watt)
Ausgangsleistung (Watt) ...

Leistungsverstärkung

Eingangsvorspannung (Volt)

Gleichspannung

Ausgangsvorspannung (Volt)

Gleichspannung

Muster-Nummer
2

640 3 · ΙΟ⁴ 0,29 18 62

1,3 · 10-⁴ 100 · io~⁴

80

+ 0,2 -40 500
3 · 10⁴
0,30
15
50

1,8 · 10-⁴

75 · 10-⁴

42

+ 0,25
—20

1000 3 · 10⁴ 0,10 3,6 36

1,15 · 10-⁵

42,5 · 10-⁵

36

+ 0,2 — 10

Eine Bestätigung für das Bestehen einer Leistungsverstärkung ergab sich auch aus der Rückkopplung eines Teiles der Ausgangsspannung auf den Eingangskreis, z.B. aus der Kopplung zwischen den Wicklungen eines Transformators 12 gemäß Fig. 12, die eine ungedämpfte eigenerregte Schwingung zur Folge hatte.

Es ist zu bemerken, daß in dem Falle des Musters Nr. 1 der obigen Tabelle die Leistungsverstärkung größer ist als die Spannungsverstärkung, und zwar um einen Faktor So/62 oder 1,3. Da in jeder Verstärkungsanordnung, welche sowohl Leistungsverstärkung als auch Spannungsverstärkung liefert, die Stromverstärkung dem Quotient aus den beiden anderen Verstärkungen entspricht, ist ersichtlich, daß das Muster Nr. 1 eine Stromverstärkung von 1,3 liefert.

Experimentelle Messungen haben ergeben, daß, wenn eine kleine positive Vorspannung an den Emitter angelegt wird und Strom in den Halbleiterkörper fließt, die Stromträger mit denjenigen, der Oberflächenschicht übereinstimmen, d. h. aus Löchern und nicht aus Elektronen bestehen, Außerdem hat es sich gezeigt, daß die Konzentration dieser Löcher und damit die Leitfähigkeit in der Nähe der Emitterspitze mit größer werdendem Vorwärtsstrom zunehmen.

Dieser Lochstrom breitet sich in allen Richtungen von der Emitterelektrode 5 aus, bevor er die hochobmige Sperrschicht 4 durchquert. Bei geöffnetem Kollektorkreis nimmt er dann seinen Weg durch den Körper des Blockes zu der plattierten Unterseite 2. In dem n-Typ-Körper des Blockes kann der Strom die Form eines aufwärts gerichteten Elektronenflusses annehmen, um den abwärts gerichteten Löcherfluß von der p-Typ-Schicht aus zu neutralisieren. Beim Fehlen der Kollektorelektrode 6 ist dieser Strom der einzige Strom. Sein Weg ist in Fig. 1 a durch Stromlinien 13 angegeben. Wenn nunmehr der Kollektorkontakt 6 hergestellt und ei'n negatives Vorspannungspotential in der Größe von —5 bis —50 Volt angelegt wird, erscheint ein starkes elektrostatisches Feld über der p-Typ-Schicht 3 und über die hochohmige Sperrschicht 4, welches durch die fixierten positiven Ladungen in dem n-Typ-Körpermaterial in

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der unmittelbaren Nähe des Kollektors aufrechterhalten wird. Die Sperrschicht und die p-Typ-Schicht zusammen haben annahmeweise eine Dicke in der Größenordnung von io-⁴ cm. Somit beträgt bei ι ο Volt und einem Abstand von ι O^-4Cm die Durchschnittsstärke dieses Feldes etwa 10⁵VoIt pro cm. Die Feldstärke ist am Kollektor am größten und breitet sich nach allen Richtungen von dem Kollektor aus. In Fig. 1 a ist sie durch die gestrichelte Linie 14 gekennzeichnet, in welcher einige der fixierten positiven Ladungen durch Pluszeichen angedeutet sind.

Damit das Material imstande ist, einen großen Spannungsabfall über dieses Gebiet aufrechtzuerhalten, wird Material, welches hohe Sperrspannungen ermöglicht, vorgezogen. Wenn nun der Strom der positiven Löcher, wie durch die Stromlinien 15 gezeigt, in den Einfluß dieses Feldes kommt, werden die Löcher in die Gegend des niedrigsten Potentials angezogen, nämlich zu dem Punkt, an welchem die Kollektorelektrode 6 mit der Schicht 3 Kontakt macht. Da werden sie durch den Kollektor abgenommen, um als Strom in einem äußeren Belastungskreis 8, 9, der mit der Kollektorelektrode 6 verbunden ist, zu erscheinen. Mit der großen negativen Vorspannung an dem Kollektor verursacht eine Änderung von mehreren Volt an dem Kollektor eine sehr kleine Differenz in der Stärke oder der Ausdehnung des Feldes, welches den Kollektor umgibt, und hat daher nur einen sekundären Einfluß auf den Teil des Emitterstromes, welcher von dem Kollektor aufgefangen wird. Mit anderen Worten, der Kollektor arbeitet unter Bedingungen, welche nahe der Sättigung sind, und die Wechselstromimpedanz des Kollektorkreises ist hoch. Wie in der vorher aufgestellten Tabelle gezeigt, wurde sie auf Werte zwischen 10 000 und 100 000 Ohm gemessen. Für maximale Ausgangsleistung soll die "äußere Belastungsimpedanz an die innere Impedanz des Kollektors angepaßt werden. Andererseits bewirkt eine Spannungsänderung zwischen der Emitterelektrode 5 und der Basiselektrode 2, um einen kleinen Bruchteil eines Voltes, z. B. durch ein Signal, welches an die Eingangsklemmen angelegt und so den Elektroden aufgezwungen wird, z. B. mittels des Transformators 10, eine große Änderung des Emitterstromes und daher auch des Kollektorstromes. Demgemäß erscheint eine verstärkte Nachbildung der Eingangssignalspannung an dem Belastungswiderstand.

Wie in Fig. 1 a gezeigt, ist das Gebiet des Kontaktes einer jeden der beiden Elektrodenspitzen mit der Blockoberfläche im Vergleich zu der Schichtdicke groß. Dadurch wird der wirksame Kontaktwiderstand im Vergleich zu- dem Widerstand, der dem in der Oberflächenschicht fließenden Strom entgegenwirkt, d. h. im Vergleich zu dem seitlichen Ausbreitungswiderstand der Schicht verringert. Ein Teil des Emitterstromes' findet, nachdem er sich seitlich in der p-Typ-Schicht ausgebreitet hat, möglicherweise seinen Weg durch die Sperrschicht 4 zu der plattierten Elektrode 2 auf ■!

der unteren Fläche des Blockes, d. h. zur Basiselektrode. Von dem Teil des Emitterstromes, weleher die Sperrschicht durchquert, wird ein gewisser Anteil die Sperrschicht in der Nähe des Kollektors erneut durchqueren und .gesammelt werden, so daß er die Basiselektrode nicht erreicht, sondern nun Teil des Kollektorstromes wird. Der Kollektorstrom enthält noch eine andere Komponente, welche aus^einem Elektronenfluß vom Kollektor zur Basis besteht, welcher die Sperrschicht einmal auf seinem Wege durchquert.

Diese Stromkomponente kann am Verstärkungsprozeß teilnehmen, soweit sie von dem Emitterstrom beeinflußt wird.

Die Situation ist in Fig. 3 gezeichnet, welche eine Draufsicht des Blockes wiedergibt, welche die Stromlinien 13 zeigt, wie sie in allen Richtungen vom Emitter aus auseinandergehen. Die Strömungslinien 13 des Stromes sind gerade beim Fehlen des Kollektorfeldes. Wenn ein Kollektorfeld 14 besteht, wird das S'tromfeld, wie in Fig. 3 a, verzerrt; diese Figur läßt erkennen, daß selbst bei einer Kollektorelektrode 6 mehr als die Hälfte des Emitterstromes gesammelt wird. Tatsächlich kann der Teil des Emitterstromes, welcher den Kollektor erreicht, in günstigen Fällen bis zu 90% betragen.

Um dieses Verhältnis besonders im Fall von Einheiten, in welchen dieses Verhältnis weniger günstig ist, zu vergrößern, ist eine abgeänderte Elektrodenanordnung erforderlich. Wenn das starke Feld 14, welches die Kollektorelektrode 6 umgibt, die Emitterelektrode 5 zu überlappen bzw. einzuschließen hätte, würde offensichtlich der ganze Emitterstrom von der Kollektorelektrode aufgefangen werden. Dadurch würde aber die Steuerbarkeit im wesentlichen Ausmaß verlorengehen. Eine Lösung besteht darin, daß man zwei Kollektorelektroden 6 und 6 α wie in Fig. 4 oder deren drei, 6, 6a, 6b, wie in Fig. 5 vorsieht, die symmetrisch um die Emitterelektrode 5 angeordnet sind. Augenscheinlich wird mit solchen Anordnungen ein beträchtlich größerer Teil des Emitterstromes aufgefangen. Für jeden Fall sind die Grenzen des Kollektorfeldes durch die gestrichelten Linien 14 eingezeichnet. Die Kollektoren können miteinander verbunden werden, und es können so viele benutzt werden, wie wünschenswert erscheint. Die Verfolgung dieser Lösung führt weiter zu dem Ringkollektor 6 d von Fig. 6, in welchem Falle das Kollektorfeld 14 die Gestalt eines Hohlwulstes hat. Die gestrichelten Linien 14a und 14& veranschaulichen die Begrenzung des Feldes auf der Ebene der Blockoberfläche. Die beiden halbkreisförmigen Flecken 6e, 6f von Fig. 7 sind im wesentlichen dem Kreis von Fig. 6 äquivalent.

Ferner kann eine Vergrößerung des effektiven Widerstandes der Sperrschicht 4 und daher des inneren Widerstandes des Emitter-Basis-Elektrodenkreises und des Verhältnisses des Kollektorstromes zum Emitterstrom dadurch verwirklicht werden, daß die Fläche der Sperrschicht 4 auf einem verhältnismäßig kleinen, die Emitterelektrode 5 und die Kollektorelektrode 6 umgebenden

Bereich beschränkt wird. Dies kann durch Begrenzen des Bereichs des Blockes ι bewerkstelligt werden, welches der anodischen Oxydationsbehandlung unterworfen worden ist, oder durch Bearbeiten des Blockes nach der Behandlung. Im ersten Fall ist das Resultat eine schalenförmige p-Typ-Schicht 3', die durch eine schalenförmige Sperrschicht4' begrenzt ist, wie es Fig. 11 zeigt; in dem letztgenannten Falle wird ein Block 1' in Form einer abgestumpften Pyramide erhalten, wobei die Sperrschicht 4" gemäß Fig. 10 nahe der kleinsten Fläche 3" liegt.

Für den Fall, daß eine Feder für die Emitter- und Kollektorkontaktspitzen nicht erwünscht ist, können verschiedene andere Konstruktionen angewendet werden. Zum Beispiel können zwei Seiten eines keilförmigen Stückes aus Isoliermaterial 16 mit Metallfilmen wie in Fig. 9 plattiert werden, von welchen der Metallfilm 51 als

ao Emitterkontakt und der Metallfilm 61 als Kollektorkontakt dient; oder es kann ein konusförmiges Stück 17 auf seiner konischen Oberfläche plattiert werden und ein Draht durch ein zentrales Loch wie in Fig. 9 eingesetzt werden. Der zentrale Draht 52 wird vorzugsweise als der Emitterkontakt und der umgebende Plattierungsfilm 62 als Kollektorkontakt verwendet. Der Konus und der Keil dienen dazu, die Kapazitäten zwischen den Elektroden auf einem Minimum zu halten; gleichzeitig bringen sie die Kontakte an der Stelle sehr nahe aneinander, wo sie an der Oberfläche des Halbleiterkörpers anliegen.

Aus der vorhergehenden Beschreibung wird verständlich, daß die Polaritäten von allen Vor-Spannungsquellen der Fig. 1, 10, 11 und 12 umgekehrt werden müssen, wenn es erwünscht ist, einen Halbleiterblock zu verwenden, dessen Hauptkörper vom p-Typ ist, so daß die Leitfähigkeit der dünnen Oberflächenschicht entweder entsprechend den Verunreinigungen oder entsprechend den Raumladungseffekten vom η-Typ ist. Es ist außerdem verständlich, daß die Größen der Vorspannungen für bestes Arbeiten von dem benutzten Halbleitermaterial und von dessen Wärmebehandlung und Bearbeitung abhängen. Ferner ist es möglich, eine p-Typ-Schicht von einem Halbleitermaterial auf einen n-Typ-Körper aus irgendeinem anderen Halbleitermaterial oder umgekehrt zu benutzen. Alle solchen Änderungsmöglichkeiten liegen im Rahmen der Erfindung.

Claims

Patentansprüche:

i. Elektrisch steuerbares Schaltelement, be^ stehend aus einem Halbleiterelement: und drei daran angebrachten Elektrodenanschlüssen, dadurch gelkennzeichnet, daß an einem Halbleiter wie Germanium oder Silizium einerseits eine Basiselektrode und andererseits zwei je mit der Basiselektrode eine gleichrichtende Wirkung ergebende Elektroden angeordnet sind und daß jede dieser Elektroden in einem zur Ausdehnung der gemeinsamen Oberflächenschicht kleinen Bereich Kontakt macht und. sie so angeordnet sind, da,ß bei einer Vorspannung der einen Elektrode (Emitter) mit Bezug auf die Basis in Fluß richtung und der anderen Elektrode (Kollektor) mit Bezug auf die Basis in Sperrichtung durch den Emitter Ladungsträger, deren Vorzeichen demjenigen der in dem Gebiet der Basiselektrode vorhandenen Ladungsträger entgegengesetzt ist, in das Gebiet der Basiselektrode eingeführt werden und wenigstens zum Teil zu dem Kollektor fließen.
2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement aus einheitlichem Grundmaterial besteht.
3. Schaltelement nach Ansprüchen. 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der die Gleichrichterbildung bewirkende unterschiedliche Leitfähigkeitstyp der Anschlußgieibiete von Basis einerseits und. Emitter und Kollektor andererseits durch chemische Verunreinigungen bewirkt ist.
4. Schaltelement nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der unterschiedliche Lekfähigkeitstyp der Anschlußgebiete durch physikalische Einflüsse bewirkt ist.
5. Schaltelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode und/ oder die Kollektoirelektrode aus einem Spitzenkontakt bestehen.
6. Schaltelement nach einem de.r Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterelektrode und die Kollektorelektrode auf die im Winkel getrennten Oberflächen eines abgestumpften Keiles von Isoliermaterial aufgebracht sind, wobei die Enden der Elektroden, welche der abgestumpften Spitze des Keiles am nächsten sind, mit der Oberfläche des Halbleiterelementes Kontakt machen (Fig. 8).
7. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1

bis S, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode die Emitterelektrode im wesentlichen ring's umgibt (Fig. 6).
8. Schaltelement naah Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorelektrode ein Metallfilm ist, der sich auf dar konischen Oberfläche eines konischen Isolators befindet, und daß die Emitterelektrode axial durch den ko>nusförmigen Isolator geführt ist, wobei die Koillektorelektroide einen kreisförmigen Linienkontakt mit dem Halbleiterelement bildet (Fig. 9).
9. Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von KoUeiktoirelektroden symmetrisch um die Emitterelektrode angeordnet sind (Fig. 4, 5 und 7).
10. Schaltelement nach einem der Ansprüche ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleiterelement die Foirm einer abgestumpften Pyramide hat, wobei die Emitter- und Kollektoran'SchlÜB'se auf der kleineren der

zwei parallelen Oberflächen des Halbleitereletnants angebracht sind (Fig. io).
11. Schaltung mit einem Schaltelement nach einem der Ansprüche ι bis io, gekennzeichnet durch einen Ausgangskreis zwischen Basiselektrode und Kollektorelektrode und einen Eingangskreis zwischen Emitterelektrode und B asii selektrode.
12. Schaltung mit einem Schaltelamieint nach einem der Ansprüche ι bis io, gekennzeichnet durch -einen Ausgangskreis zwischen Emitterelektrode und Kollektarelektrode und einen Eingangskreis zwischen Basiselektrode und Kollaktoreilektroide.
13. Schaltung mit einem Schaltelement nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch einen Auisgangskreis zwischen Emitterelektrode und Kollektarelektrode und einen Eingangskreis zwischen Emitterelektrode und Basiselektrode.
14. Schaltung nach einem der Ansprüchen bis 13, gekennzeichnet durch Mittel zur Rückkopplung der Energie vom Ausganigskreis auf den Eingangskreis zwecks Aufrechterhaltung selbsterregter Schwingungen des Schaltdements.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Österreichische Patentschrift Nr. 130 102;

britische Patentschriften Nr. 349 584, 439 457, 500342;

USA.-Patentschiriften Nr. 1 251 378, 1 745 175, ι 900 018, 1949383, 2173904, 2208455, 402 661, 2 402 662;

Zeitschrift für Physik, 1939, S. 399 ff.; ■

Jahrbuch dar drahtlosen Telegraphic und TeIefonie, Bd. 37, 1931, S. 162 ff. und 175 ff.; Journal of Applied Physics, 1946, S. 912;

Bericht über »German Research on Rectifiers and Semi-Conductors« des British Intelligence objectives sub-committee vom ι. J. 1946) S. 22, 23.

Entgegengehaltene ältere Rechte: Deutsche Patentanmeldungen H11624VIIIC/21 g, W 2733 VIIIc/21g.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 709632/40 8.57