DE972909C - Halbleiteranordnung unter Verwendung eines Halbleiterkoerpers, auf dem mindestens zwei gleichrichtende Elektroden und eine weitere Elektrode angebracht sind, und Einrichtung mit einer solchen Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 5. NOVEMBER 1959

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ist in Anspruch genommen

Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung unter Verwendung eines Halbleiterkörpers, auf dem mindestens zwei gleichrichtende Elektroden und eine weitere Elektrode angebracht sind, wobei mindestens zwei gleichrichtende Elektroden in so geringem, gegenseitigem Abstand aufgedrückt sind, daß sie einander im Halbleiterkörper beeinflussen, sowie auf eine Einrichtung, bei der diese Anordnung verwendet ist.

Es ist bekannt, daß es beim Anlegen gewisser Spannungen an die Elektroden möglich ist, die elektrischen Erscheinungen (Strom, Spannung) in dem mit der einen gleichrichtenden Elektrode verbundenen Kreis durch die Ströme und Spannungen in dem mit der anderen gleichrichtenden Elektrode verbundenen Kreis zu beeinflussen, und zwar derart, daß sich eine Verstärkung ergibt. Solche Anordnungen werden als Transistoren bezeichnet.

Ihre Wirkungsweise läßt sich wie folgt beschreiben: Wenn auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers ■— meist einem Germanium oder Siliziumkristall — eine gleichrichtende Elektrode angebracht wird, hängt es von der Polarität der an diese Elektrode angelegten Spannung, die negativ oder positiv mit Bezug auf den Halbleiterkörper sein kann, und von der Art des Halbleiters ab, der vom sogenann-

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ten η-Typ oder p-Typ sein kann, ob die Elektrode in der Durchlaßrichtung oder in der Sperrichtung liegt. Es wird vorausgesetzt, daß' bei einem Halbleiter des η-Typs die Leitung im wesentlichen durch eine Verschiebung von Überschußelektronen erfolgt, während dies bei einem Halbleiter des p-Typs im wesentlichen durch Verschiebung offener Stellen in den Schalen der Atome erfolgt.

Ist nun der Kristall vom η-Typ und die aufgedrückte Elektrode negativ in bezug auf den Kristall, so fließt ein schwacher Strom, wobei Elektronen aus der Elektrode in den Halbleiter fließen und etwaige offene Stellen aus dem Halbleiter in die Elektrode fließen. Ist die Elektrode positiv, so werden bedeutend mehr Elektronen aus dem Halbleiter gezogen, wobei gleichzeitig offene Stellen in das Kristallgitter hineinfließen können.

In diesem Fall fließt also ein höherer Strom, wenn die Elektrode positiv in bezug auf den HaIbleiterkörper ist, als wenn sie negativ ist. Nachstehend soll in einem solchen Fall von einer anodischen Durchlässigkeit gesprochen werden.

Ist der Kristall vom p-Typ und ist die Elektrode

positiv, so wird ein schwacher Strom von offenen Stellen aus der Elektrode in den Halbleiterkörper hineinfließen, wobei gegebenenfalls Elektronen aus dem Halbleiter in die Elektrode hineinfließen. Ist die Elektrode negativ, so fließen bedeutend mehr offene Stellen aus dem Halbleiter zur Elektrode und gegebenenfalls Elektronen aus der Elektrode in den Halbleiter.

In diesem Falle fließt also ein höherer Strom, wenn die Elektrode negativ in bezug auf den Halbleiterkörper ist, als wenn sie positiv ist, so daß hier von einer kathodischen Durchlässigkeit gesprochen werden kann.

Es kann vorkommen, daß sich infolge von oberflächlichen Störungen auf dem Halbleiter eine sehr dünne Schicht von entgegengesetztem Leitfähig-40' keitstyp bildet, die bei sehr geringen Spannungen eine Umkehrung der Wirkung der Elektrode herbeizuführen vermag, bei den zum Betrieb notwendigen höheren Spannungen aber wirkungslos bleibt. Eine solche durch Störungen hervorgerufene +5 Schicht kann außer Betracht bleiben, da sie die Anwendung der Erfindung nicht hindert.

Wenn nun in der Nähe einer positiv polarisierten, auf einem η-leitenden Halbleiter aufliegenden Elektrode (anodisch durchlässig) bzw. in der Nähe einer negativ polarisierten, auf einem p-leitenden Halbleiter aufliegenden Elektrode (kathodisch durchlässig) eine entgegengesetzt polarisierte, auf die gleiche Weise durchlässige Elektrode vorgesehen wird, werden die elektrischen Erscheinungen (Strom, Spannung) in dem mit dieser Elektrode verbundenen Kreis von den Strömen und Spannungen in dem mit der zuerst genannten Elektrode verbundenen Kreis gesteuert. Da diese Steuerung mit der Art des Halbleiters zusammenhängt und mit dem kleinen gegenseitigen Abstand der aufgedrückten Elektroden, müssen diese Elektroden sich gegenseitig im Halbleiter beeinflussen. Die Beeinflussung ist gegenseitig ungleich und zur Erzeugung einer Verstärkung verwendbar. Die erste Elektrode wird meistens als der Emitter, die zweite als der Kollektor bezeichnet.

Gemäß der Erfindung liegt nun bei der eingangs beschriebenen Halbleiteranordnung eine der auf den Halbleiterkörper aufgedrückten gleichrichtenden Elektroden auf einem η-leitenden Bereich des Halbleiterkörpers auf (anodisch durchlässig), und mindestens eine andere gleichrichtende Elektrode liegt auf einem p-leitenden Bereich des Halbleiterkörpers auf (kathodisch durchlässig). Hierdurch wird eine Halbleiteranordnung mit einem besonders hohen Verstärkungsfaktor erreicht, der vor allem für die Stromänderungen algebraisch positiv ist. Zur Herstellung einer solchen Anordnung ist es also erforderlich, einen halbleitenden Körper auszusuchen oder herzustellen, der Bereiche von verschiedenem Leitfähigkeitstyp aufweist.

Unter dem Strom verstärkungsfaktor wird das Verhältnis der algebraischen Veränderung des Kollektorstromes infolge einer algebraischen Veränderung des Emitterstromes bei gleichbleibender Kollektorspamiung verstanden. Man kann also schreiben:

α =

ÖL

E_c = konstant.

Der Verstärkungsfaktor α wird hier algebraisch positiv gerechnet, wenn eine Steigerung des Emitterstromes eine Steigerung des Kollektorstromes zufolge hat. Es wird dabei angenommen, daß die positive Richtung sämtlicher Ströme diejenige ist, bei welcher der Strom von einer Elektrode in den Halbleiter fließt. Bei den meisten bekannten Transistoren ist das Vorzeichen der beiden Ströme verschieden; bei diesen Transistoren führt eine Vergrößerung des Absolutwertes des Emitterstromes zu einer Vergrößerung des Absolutwertes des Kollektorstromes; dennoch ist der Verstärkungsfaktor algebraisch negativ. Es ist möglich, bei einem solchen Transistor den Emitterstrom umzukehren; die Vorzeichen der Ströme sind dann gleich; in diesem Falle führt eine Vergrößerung des Absolutwertes des Emitterstromes aber zu einer Verkleinerung des Kollektorstromes, und der Verstärkungsfaktor ist noch immer negativ.

Bei den bekannten Transistoren, bei denen beide Elektroden auf einem p-leitenden oder einem n-leitenden Bereich aufliegen (gleiche Durchlässigkeit), sind die Polaritäten der Vorspannungen entgegengesetzt, und der Stromverstärkungsfaktor ist algebraisch negativ.

Bei der Anordnung nach der Erfindung, bei der eine von den mit Eingangskreis und Ausgangskreis verbundenen gleichrichtenden Elektroden auf einem η-leitenden Bereich und die andere auf einem p-leitenden Bereich des Halbleiterkörpers aufliegt (entegengesetzte Durchlässigkeit), haben die Vorspannungen gleiche Polarität in bezug auf den Halbleiterkörper. Hierdurch wird eine Einrichtung mit einer Halbleiteranordnung geschaffen, die, wie bereits ausgeführt wurde, einen besonders hohen

Verstärkungsfaktor aufweist, der im Gegensatz zu den bekannten Transistoren für die Stromänderungen algebraisch positiv ist.

Wenn z. B. die mit dem Eingangskreis verbundene Elektrode eine positive Vorspannung aufweist, muß diese Elektrode auf einem n-leitenden Bereich des Halbleiters aufliegen (anodisch durchlässig) ; die mit dem Ausgangskreis verbundene Elektrode hat auch eine positive Vorspannung und

ίο Hegt auf einem p-leitenden Bereich auf (kathodisch durchlässig).

Die Erfindung wird an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert, die in drei Figuren schematisch dargestellt sind.

!•5 Von diesen Figuren bezieht sich Fig. ι auf eine bekannte Anordnung, während sich die Fig. 2 und 3 auf eine Halbleiteranordnung nach der Erfindung beziehen.

Die Anordnung nach Fig. 1 besteht aus einem halbleitenden Körper 1, z. B. einem Germaniumblock, der an einem als Stromabnehmer wirksamen Elektrodensockel 2 befestigt ist. Zwei gleichrichtende Elektroden 3 und 4 sind gegen die freie Oberfläche gedruckt und können aus kleinen Wolframdrähten bestehen. An die eine Elektrode 3 ·— den Emitter — ist eine positive Spannung mittels der Batterie 5 gelegt. Die Steuerspannung wird bei den Klemmen 6 eingeschaltet. Die dritte Elektrode 4 —· der Kollektor — ist in bezug auf den Elektrodensockel 2 auf ein verhältnismäßig hohes negatives Potential durch die Batterie 7 gebracht worden.

Da, wie bereits gesagt wurde, der Strom in dem mit dem Kollektor verbundenen Kreis durch die Spannungsschwankungen in dem mit dem Emitter 3 verbundenen Kreis gesteuert werden kann, ist die am Widerstand 8 auftretende Spannungsschwankung von der an die Klemmen 6 gelegten Spannung abhängig. In günstigen Fällen kann auf diese Weise eine 100- bis 2oofache Energieverstärkung erzielt werden. Bei den dargestellten Vorrichtungen liegen die beiden Elektroden auf einem n-leitenden Kristall auf (anodisch durchlässig). Bei anderen bekannten Transistoren liegen die Elektroden auf einem p-leitenden Kristall auf (kathodisch durchlässig). Wie bereits erwähnt, sind in beiden Fällen die Stromverstärkungsfaktoren algebraisch negativ. Dies heißt also, daß, wenn bei dem in dieser Figur beschriebenen Beispiel der Emitterstrom absolut vergrößert wird, der Kollektorstrom auch absolut vergrößert wird. Da jedoch die Richtung der Ströme verschieden ist, ist der Verstärkungsfaktor algebraisch negativ anzusehen.

Es ist bekannt, daß bei gewissen Exemplaren z. B. die Emitterspannung umgekehrt werden kann

55. und daß dann, wenn die Spannung besonders niedrig gehalten wird, noch eine Beeinflussung des Kollektorstroms möglich ist. Bei dieser Einstellung bedingt jedoch eine absolute Vergrößerung des Emitterstromes eine absolute Verkleinerung des Kollektorstromes. Auch hier ist also der Verstärkungsfaktor algebraisch negativ. Außerdem war dieser besonders klein, so daß solche Transistoren für die Praxis wertlos waren.

Bei der Halbleiteranordnung nach der Erfindung sind mindestens zwei Elektroden auf Bereichen von verschiedenem Leitfähigkeitstyp vorhanden, die so nahe aneinander angeordnet sind, daß sie einander im Halbleiter beeinflussen. Dies ist in Fig. 2 dargestellt. Der halbleitende Körper 1 besteht hier wieder aus Germanium. Die an den Emitter 3 und den Kollektor 4 gelegten Spannungen sind jetzt nicht entgegengesetzt, sondern gleichgerichtet, und zwar sind diese beiden negativ, wenn der Emitter auf einem p-leitenden Bereich (kathodisch durchlässig) und der Kollektor auf einem η-leitenden Bereich (anodisch durchlässig) angeordnet ist (Fig. 2).

Ist der Emitter auf einem η-leitenden Bereich (anodisch durchlässig) und der Kollektor auf einem p-leitenden Bereich (kathodisch durchlässig) angeordnet, so müssen beide Vorspannungen positiv sein (Fig. 3).

Mittels solcher Einrichtungen wurde eine 1000-bis I4oofache Energieverstärkung erzielt, wobei praktisch keine Verzerrung auftrat.

Dabei ist der Stromverstärkungsfaktor algebraisch positiv. Wird der Emitterstrom absolut vergrößert, so erfolgt das gleiche mit dem Kollektorstrom, der die gleiche Richtung hat.

Ein zweiter Vorteil der Halbleiteranordnung nach der Erfindung besteht in der geringen Rückwirkung der Stromänderungen im Kollektorkreis auf den Strom des Emitterkreises. Diese Rückwirkung ist beim bekannten Transistor verhältnismäßig stark und von einer das Selbstschwingen positiv verstärkenden Natur. Tritt unabsichtlich Selbstschwingen ein, so ist dies meist unmittelbar so stark, daß der Transistor dadurch zerstört wird, was bei einer Entladungsröhre nur selten der Fall ist.

Die Rückwirkung bei einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist aber besonders gering und außerdem negativ, so daß Selbstschwingen praktisch nicht auftreten kann, wenigstens solange nicht auf andere Weise eine positive Rückkopplung eingeführt wird. Tritt hier Selbstschwingen ein, so kann die Erscheinung leicht gesteuert werden.

Es ist zu bemerken, daß auf demselben halbleitenden Körper noch mehr Elektroden in einem so geringen gegenseitigen Abstand, daß sie einander im Halbleiter beeinflussen, angebracht werden können. Wenn weiter gesagt wurde, daß die Elektroden auf den Halbleiter aufgedrückt sind, braucht dies nicht wörtlich gemeint zu sein. Meistens werden allerdings die Elektroden nachgiebig angedrückt, aber die Anwendung eines Druckes ist nicht wesentlich, und die Elektroden können auch auf andere Weise in Berührung gebracht worden

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE;

   i. Halbleiteranordnung unter Verwendung eines Halbleiterkörpers, auf dem mindestens zwei gleichrichtende Elektroden und eine weitere Elektrode angebracht sind und bei der die gleichrichtenden Elektroden in einem so geringen gegenseitigen Abstand aufliegen, daß sie

   einander im Halbleiterkörper beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß eine der auf den Halbleiterkörper aufgedrückten gleichrichtenden Elektroden auf einem η-leitenden Bereich des Halbleiterkörpers aufliegt (anodisch durchlässig) und mindestens eine andere gleichrichtende Elektrode auf einem p-leitenden Bereich des Halbleiterkörpers aufliegt (kathodisch durchlässig).
2. 2. Einrichtung mit einer Halbleiteranordnung nach Anspruch i, bei der eine der gleichrichtenden Elektroden mit einem Eingangskreis und die andere der gleichrichtenden Elektroden mit einem Ausgangskreis verbunden ist und diese Kreise Vorspannungsquellen enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichrichtenden Elektroden die gleiche Polarität der Vorspannung in bezug auf den Halbleiterkörper haben.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   USA.-Patentschriften Nr. 2402662, 2476323;

   »Elektrotechnische Zeitschrift«, 70. Jahrgang, 1949, Heft 2, S. 66 bis 68;

   »Frequenz«, Bd. 2, 1948, Nr. 11, S. 309 bis 311;

   »Electrical Engineering«, März 1949, S. 215 bis 221;

   »Physical Review«, Bd. 74, 1948, S. 230 bis 232, und Bd. 75, 1949, S. 1208 bis 1225;

   »RCA Review«, März 1949, S. 16;

   »Electronics«, August 1949, S. 120, 122;

   »The Bell System Technical Journal«, TuH 1949,

   s.370.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 909 635/38 10.