DE968666C - Halbleiterkristallverstaerker - Google Patents

Description

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, elektrische Verstärkereinrichtungen auf der Grundlage von halbleitenden Stoffen zu verbessern. Solche Einrichtungen werden gewöhnlich als Kristalltrioden bezeichnet. Es ist bereits bekannt, daß gewisse kristalline halbleitende Stoffe geeignet sind, als Spitzengleichrichter (Kristalldetektoren) zu wirken. Solche Stoffe können jedoch auch die Grundlage für Verstärkereffekte abgeben, indem ein Körper dieses Stoffes auf oder in einer geeigneten Metallgrundlage oder -halterung befestigt wird, und zwar so, daß er in flächenhafter Ausdehnung elektrischen Kontakt mit dieser Grundlage hat. Außerdem wird er mit zwei feinen Drahtelektroden versehen, welche punktförmigen Kontakt auf seiner Oberfläche haben und welche sehr nahe beieinander angeordnet sind. Indem diese Drahtelektroden gegenüber dem Körper ein geeignetes Potential erhalten, kann dieses System ähnlich einer Gleichrichterröhre wirken und wird dementsprechend ao Kristalltriode genannt. Genau wie bei Röhren können aber bei solchen Trioden zusätzlich weitere Elektroden für Steuerzwecke angebracht werden.

In den bis heute bekanntgewordenen Kristalltrioden werden zwei Spitzenkontakte vorgesehen, welche als feine drahtförmige Elektroden ausgebildet, sind. Als Emitter wird diejenige Elektrode bezeichnet, welche gegen die Grundelektrode in der gutleitenden Richtung polarisiert ist, während die andere, die sogenannte Kollektorelektrode in der schlechtleitenden, sperrenden Richtung gegen die Grundelektrode polarisiert ist. Als am besten geeigneter halbleitender Stoff für die Herstellung solcher Kristalltrioden erwies sich bis jetzt Germa-

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nium, während die punktförmigen Elektroden vorteilhaft aus Phosphorbronze bestehen.

Die Verstärkerwirkung in einer Kristalltriode wird im allgemeinen auf eine Wechselwirkung zwisehen den Kollektor- und den Emitterströmen zurückgeführt. Somit kann die Steuerwirkung des Kollektorstromes auf den Emitterstrom geändert, z. B. intensiviert werden, wenn die Wechselwirkung zwischen den Strömen beeinflußt wird. ίο DieErfindung bezieht sich auf Halbleiterkristallverstärker mit einem halbleitenden Körper, z. B. aus Germanium, auf dessen Oberfläche je eine Kollektor- und Emitterelektrode und zwei Basiselektroden vorgesehen sind. Das Maß der gegenseitigen Einwirkung zwischen Kollektor- und Emitterströmen bei solchen Halbleiterkristallverstärkern wird erfindungsgemäß dadurch verbessert, daß die Kollektor- und Emitterelektrode je einer Basiselektrode derart zugeordnet und über eine Spanao nungsquelle zusammengeschaltet sind, daß die Kollektor- und Emitterströme durch einen Teil des halbleitenden Körpers gemeinsam und in der gleichen Richtung fließen.

Es sind zwar schon Halbleitervorrichtungen beas kanntgeworden bzw. vorgeschlagen worden, die außer der Emitter- und Kollektorelektrode noch zwei Basiselektroden aufweisen. Bei den bekannten bzw. vorgeschlagenen Anordnungen durchfließen die Kollektor- und Emitterströme nicht gemeinsam einen Teil des halbleitenden Körpers und verlaufen auch nicht in derselben Richtung, so daß eine Verbesserung der gegenseitigen Beeinflussung von Emitter- und Kollektorstrom gegenüber den Anordnungen mit einer Basiselektrode nicht eintritt. Erst durch die Anordnung gemäß der Erfindung wird eine wesentlich stärkere Wechselwirkung zwischen' beiden Strömen und damit eine Verbesserung der Steuerwirkung erzielt.

Jede der beiden Elektroden erhält gegen die zugehörige Grundelektrode eine Vorspannung, welche von der anderen unabhängig ist. Wenn nötig, können die beiden Grundelektroden durch einen Blockkondensator miteinander verbunden werden, der als gemeinsamer Anschluß für den Eingangs- und Ausgangskreis dient und hinsichtlich der zu verstärkenden Frequenz gleiches Potential für beide Grundelektroden ergibt.

Indem die Grundelektrode in dieser Weise in zwei Teile aufgeteilt wird, ergibt sich eine beträchtliche Freizügigkeit hinsichtlich der Anordnung der Elektroden, um das wünschenswerte Maß an Wechselwirkung zwischen den in Frage kommenden Stromkreisen zu erhalten. So mag die eine Grundelektrode als Metallhalterung der üblichen Ausführungsform entsprechen, während der andere Teil als Spitzenelektrode ausgebildet sein kann, welche punktförmigen Kontakt auf der Oberfläche des Halbleiters bewirkt. Ja, diese Grundelektrode kann auf derselben Fläche des Halbleiters Kontakt machen wie Emitter und Kollektor.

Es liegen also insgesamt nunmehr vier Elektroden vor, nämlich außer Emitter und Kollektor die beiden Teile der Grundelektrode. Wenn diese Aufteilung der Grundelektrode lediglich durch einen Schnitt durch eine etwa einheitlich gedachte einzige Grundelektrode bewirkt wird, so kann dieser Schnitt gegenüber der Verbindungslinie von Emitter- und Kollektor verschiedene Richtung haben. Die Anordnung wird symmetrisch, wenn der Schnitt, der die Grundelektrode aufteilt, durch die Verbindungsstrecke von Emitter und Kollektor senkrechte Mittelebene bestimmt wird. Andererseits wird, wie leicht ersichtlich, eine große Freizügigkeit hinsichtlich der Elektrodenanordnung erzielt, wenn die eine Grundelektrode als Spitzenelektrode ausgebildet ist.

Durch die Aufteilung der Grundelektrode in zwei Teile wird es möglich, die Eingangs- und/oder Ausgangsimpedanz der Anordnung zu beeinflussen, indem die beiden Teilelektroden an einer entsprechend gewählten Stelle des halbleitenden Körpers Kontakt geben. So hat es sich z. B. gezeigt, daß die Eingangsimpedanz des Gerätes vergrößert und dieAusgangsimpedanz verringert werden kann, wenn diejenige Grundelektrode, welche der Kollektorelektrode zugeordnet ist, auch in der Nähe der Kollektorelektrode angebracht wird. Man erhält auf diese Weise eine erhöhte Leistung, und die Kopplung von aufeinanderfolgenden Verstärkerstufen wird einfacher. Es kann hinzugefügt werden, daß diejenige Grundelektrode, welche dem Emitter zugeordnet ist, nicht gar zu nahe bei diesem angeordnet sein sollte. Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt. Fig. ι stellt einen Schnitt durch eine Verstärkertriode gemäß der Erfindung dar, zugleich ist die Schaltung eines Verstärkerkreises mit eingezeichnet. Fig. 2 stellt eine abgewandelte Form der Kristalltriode dar.

Nach Fig. 1 besteht der Kristallverstärker aus einer Germaniumscheibe 1 (es kann natürlich auch ein anderer geeigneter Halbleiter gewählt werden). Der Germaniumkristall ist mit einer Grundelektrode oder Halterung 2 verbunden und steht in gutem elektrischem flächenhaftem Kontakt mit der Grundelektrode. Zwei Elektroden 3 und 4 stellen Emitter- und Kollektorelektrode dar. Sie geben punktförmigen Kontakt auf der Halbleiteroberfläche und sind durch Pfeilspitzen dargestellt. Eine dritte punktförmige Elektrode macht gleichfalls punktförmigen Kontakt auf der Oberfläche des Halbleiters und dient als zusätzliche Grundelektrode S ■

Geht man davon aus, daß dem Emitter 3 die als Halterung dienende Grundelektrode zugeordnet ist, darin sollte die Elektrode 5. zweckmäßig zur KoI-lektorelektrode 4 geringeren Abstand haben als zur Emitterelektrode 3.

Die Emitterelektrode 3 erhält eine positive Vorspannung gegen die Grundelektrode 2, wenn der Halbleiter zur η-Type gehört. Das Potential der iao Spannungsquelle 6 sollte einen Wert von 1 Volt nicht überschreiten. Diese Spannungsquelle ist mit dem Emitter 3 über die Sekundärwicklung des Eingangstransformators 7 verbunden. Durch diese werden die zu verstärkenden Signale dem Verstär- las ker zugeleitet. Diese Signale gehen mittels der An-

Schlüsse 8 und g durch die Primärwicklung des Transformators und werden durch Induktion auf die Sekundärwicklung übertragen.

Immer noch unter der Voraussetzung, daß der Halbleiter zur η-Type gehört, wird die Kollektorelektrode 4 gegen die punktförmige Grundelektrode 5 negativ vorgespannt. Die dafür vorgesehene Stromquelle io soll eine Spannung von 5 bis 50 Volt besitzen. Zwischen der Spannungsquelle 10 und dem Kollektor 4 liegt die Primärwicklung des Ausgangstransformators 11. Die Sekundärwicklung dieses Transformators führt zu den Ausgangsklemmen 12 und 13, welche die verstärkten Signale weitergeben. Die beiden Grundelektroden 5 und 2 sind miteinander durch einen großen Blockkondensator verbunden, welcher hinsichtlich der Signalfrequenz beide Grundelektroden auf demselben Potential erhält.

Wenn der Halbleiter zur p-Type gehört, dann müssen die Stromquellen 6 und 10 umgepolt werden. Fig. 2 zeigt eine Abänderung des Verstärkerkristalls nach Fig. 1. In diesem Falle sind zwei Grundelektroden 15 und 16 vorgesehen, welche beide in flächenhaftem Kontakt mit dem Halbleiterkörper stehen. Die Elektrode 15 mag als Grundelektrode der Halterung 2 in Fig. 1 entsprechen, während die Elektrode 16 der Spitzenelektrode 5 in Fig. ι entspricht. In der Schaltung gemäß Fig. 1 sind also nur die entsprechenden Vertauschungen der Kontakte durchzuführen. Die zweite Grundelektrode muß also nicht unbedingt in Spitzenkontakt mit dem Halbleiterkörper stehen, sie muß aber auch in dieser P'orm nicht unbedingt auf derselben Seite des Halbleiterkristalls Kontakt machen wie die andere Grundelektrode.

Eine weitere Verbesserung der durch die erfindungsgemäße Anordnung angestrebten Wirkung kann dadurch erzielt werden, daß der Querschnitt des Halbleiters an der Stelle, wo die Spitzenelektroden Kontakt geben, reduziert wird und daß durch diese Einschnürung des stromführenden Teiles Kollektor- und Emitterstrom gezwungen werden, im wesentlichen denselben Bereich des Halbleiterkristalls zu durchfließen. Erfmdungsgemäß ist das in der Weise durchgeführt, daß man den Kristall aus zwei Hauptteilen bestehen läßt, welche durch einen im Querschnitt stark geschwächten Teil aus Halbleitersubstanz miteinander verbunden sind. Auf diesem Teil von geringem Querschnitt werden Kollektor- und Emitterelektrode angesetzt, während die Grundelektroden an je einem Hauptteil des Kristalls angebracht sind. Kollektor- und Emitterelektrode werden gegen die zugehörigen Grundelektroden unabhängig voneinander vorgespannt, und zwar in einer solchen Weise, daß Emitter- und Kollektorstrom gezwungen werden, die gleiche Strombahn im geschwächten Teil des Halbleiterkörpers zu benutzen.

Eine Möglchkeit der praktischen Ausführung ist die, den Halbleiterkörper auf einer aus einem Stück bestehenden Grund- oder Trägerelektrode in der üblichen Weise zu befestigen und dann einen Sägeschnitt durch Träger- und Halbleiter hindurchzulegen, so daß die Trägerelektrode vollständig, der Halbleiterkristall jedoch nur nahezu in zwei getrennte Teile zerlegt wird. Die beiden Spitzenelektroden werden auf dem Halbleitermaterial genau über den Sägeschnitt eingebracht und erhalten eine Vorspannung, wie oben ausgeführt. Diese Spannungsverteilung bewirkt, daß eine über Kreuz gehende Vorspannung entsteht, so daß jeder Spitzenkontakt über Kreuz je einer Grundelektrode zugeordnet wird. Kollektor- und Emitterströme werden so gezwungen, zusammengeschnürt in der gleichen Richtung in dem verengten Querschnittteil des Halbleiters zu fließen.

Die beiden Spitzenkontakte Emitter und Kollektor müssen nicht unbedingt außen auf dem Kristall aufgesetzt werden, sie können unter der Voraussetzung, daß der Sägeschnitt genügend weit ist, auch auf dem Grunde des Schnittes mit dem Halbleiter in Kontakt gebracht werden. Zweckmäßig werden wiederum die beiden Grundelektroden über einen Kondensator miteinander verbunden, so daß sie im Hinblick auf die Wechselspannung kurzgeschlossen sind.

Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 3 der Halbleiterkristall 1 aus Germanium oder einem anderen geeigneten Material im Schnitt dargestellt. Der Halbleiterkristall ist mit zwei Grundelektroden 2 und 5 versehen, welche in flächenhaftem Kontakt mit ihm stehen. In die Halbleitersubstanz hinein ist eine engeNut oder Ritze 17 hineingeschnitten worden, welche den Halbleiter nahezu, aber eben nicht vollständig, in zwei Teile teilt, die durch den sehr dünnen Steg 18 noch miteinander in Verbindung stehen. Dieser Vorgang kann etwa so ausgeführt werden, daß man das Stück Halbleitermaterial als Ganzes in oder auf einem Metallhaltestück befestigt und den Schnitt durch das Haltestück sowie in den Halbleiterkristall hinein ausführt und so den Schlitz oder die Nut 17 herstellt. Die Emitter- und Kollektorelektroden 3 und 4 bestehen wieder aus feinen, spitzen Drähten, die als Pfeilspitzen dargestellt sind. Sie machen punktförmigen Kontakt mit der Oberfläche des Halbleiterkristalls an der Stelle verengten Querschnittes 18. Die Spitzenkontakte werden vorzugsweise aus Phosphorbronzedraht hergestellt. Wiederum unter der Voraussetzung, daß ein η-Halbleiter vorliegt, erhält die Emitterelektrode3 eine positive Vorspannung gegenüber der Grundelektrode 5. Diese Elektrode 5 muß auf der gegenüberliegenden Seite des Schlitzes 17 liegen. Wieder ist für diese Gittervorspannung eine Spannungsquelle 6 vorgesehen, deren Potential nicht über ι Volt liegen soll. Zwischen der Spannungsquelle 6 und der Emitterelektrode 3 liegt die Sekundärwicklung des Eingangstransformators 7. Die zu verstärkenden Signale gehen über die Eingangsklemmen 8 und 9 in die Primärwicklung des Transformators ein. Die Kollektorelektrode 4 erhält eine negative Vorspannung gegen die Grundelektrode2. Dazu dient die Stromquelle 10, deren Potential zwischen 5 und 50 Volt liegen kann. Die Stromquelle 10 ist mit der Kollektorelektrode 4 über die

Primärwicklung des Ausgangstransformators 11 verbunden. Die Sekundärwicklung dieses Transformators führt zu den Ausgangsklemmen 12 und 13, an welchen die verstärkten Signale abgenommen werden können. Der Blockkondensator 14 dient wieder dazu, die beiden Grundelektroden 2 und 5 hochfrequenzmäßig kurzzuschließen.

Mit der gekennzeichneten Anordnung werden Emitter- und Kollektorstrom stark zusammengeschnürt, indem sie als Strombahn den verengten Teil 18 des Halbleiterkristalls benutzen müssen. Die gewählten Vorspannungen gehen dabei über Kreuz und zwingen die beiden Ströme, sich miteinander zu mischen.

Liegt übrigens ein Halbleitermaterial mit p-Leitung vor, dann sind die beiden Stromquellen umzupolen. In Fig. 4 ist die obenerwähnte weitere Ausführungsmöglichkeit dargestellt, bei welcher Emitter und Kollektor unter der Voraussetzung eines genügend breiten Schlitzes 17 auf dem Grunde dieses Schlitzes angebracht worden sind. Die Bezeichnung der Einzelheiten entspricht der Fig. 3.

Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleiterkristallverstärker mit einem halbleitenden Körper, z. B. aus Germanium, auf dessen Oberfläche je eine Kollektor- und Emitterelektrode und zwei Basiselektroden vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor- und Emitterelektrode je einer Basiselektrode derart zugeordnet und über eine Spannungsquelle zusammengeschaltet sind, daß die Kollektor- und Emitterströme durch einen Teil des halbleitenden Körpers gemeinsam und in der gleichen Richtung fließen.

2. Halbleiterkristallverstärker nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß beide Grundelektroden flächenhaften Kontakt mit dem Halbleiterkristall machen.

3. Halbleiterkristallverstärker nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundelektrode flächenhaften Kontakt mit dem Halbleiterkristall macht, während die andere im Spitzen-(Punkt-) Kontakt mit der Halbleiterschicht steht.

4. Halbleiterkristallverstärker nach Anspruch ι bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Grundelektrode auf derselben Kristallfläche Kontakt gibt wie die Emitter- und Kollektorelektrode.

5. Halbleiterkristallverstärker nach Anspruch ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die der Kollektorelektrode zugeordnete Grundelektrode in geringem Abstand von der Kollektorelektrode Kontakt macht, jedenfalls in geringerem Abstand von der Kollektorelektrode als von der Emitterelektrode.

6. Halbleiterkristallverstärker nach An-Spruch ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen von η-Leitfähigkeit der Emitter eine positive Vorspannung gegenüber der ihm zugeordneten Grundelektrode, zweckmäßig in der Größenordnung von bis zu 1 Volt erhält und daß die Kollektorelektrode eine negative Vorspannung gegenüber der zugeordneten Grundelektrode zweckmäßig in der Größenordnung zwischen 5 und 50 Volt erhält bzw. daß bei p-Leitfähigkeit umgepolt wird.

7. Halbleiterkristallverstärker nach Anspruch ι bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall in zwei Hauptteile aufgeteilt ist, welche durch einen Steg von geringem Querschnitt aus Halbleitermaterial miteinander verbunden sind, daß auf diesem Teil verringerten Querschnittes Kollektor- und Emitterelektrode aufgesetzt sind und daß mit jedem Hauptteil des Kristalls eine Grundelektrode verbunden ist.

8. Halbleiterkristallverstärker nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen Sägeschnitt, der einen dünnen Verbindungssteg des Kristallmaterials übrigläßt, die beiden Hauptteile des Kristalls aus einem Stück hergestellt sind.

9. Halbleiterkristallverstärker nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter- und Kollektorelektrode auf dem Grunde des Schlitzes aufgesetzt sind.

10. Halbleiterkristall verstärker nach Anspruch ι bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuordnung der Grundelektroden zu Emitter- und Kollektorelektrode über Kreuz geht.

In Betracht gezogene Druckschriften: Bell System Technical Journal, 1949, S. 344 bis und 435 bis 489;

Electrical Engineering, 1949, S. 222 bis 223.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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