DE977684C - Halbleiteranordnung - Google Patents

Description

- Es sind bereits Halbleiteranordnungen bekannt, bei denen die Steuerelektrode eine Sperrspannung gegen Kathode und Anode besitzt und der zwischen Kathode und Anode fließende Strom durch Änderung der Spannung an der Steuerelektrode gesteuert wird. Diese Steuerung erfolgt unter Ausnutzung der Tatsache, daß sich das Raumladungsgebiet an einem Grenzübergang zwischen zwei Halbleiterteilen verschiedenen Leitungstyps in Abhängigkeit

ίο von der Höhe der angelegten Sperrspannung räumlich vergrößert, und zwar dadurch, daß ein Engpaß im Wege des Stromes zwischen Kathode und Anode, die beide an nur einem Halbleiterteil gleichen Leitungstyps liegen, durch die Änderungen des Raumladungsgebietes erweitert oder verringert wird. Diese bekannte Anordnung, die ihrer Wirkungsweise entsprechend im folgenden mit »Engpaß «-Transistor bezeichnet wird, wird an Hand von Fig. ι noch näher erläutert. In Fig. 1 bedeutet 1 den Halbleiter mit den Elektroden 2, 3 und 4, von denen die Elektrode 2 im folgenden als Kathode, die Elektrode 4 als Anode und die Elektrode 3 als Steuerelektrode bezeichnet werden. Die Elektroden 3 können auch durch eine einzige Elektrode 3 ersetzt werden. Die von den Elektroden 3 kontaktierten Halbleiterteile i' haben gleichen Leitungstyp, der mittlere Teil 1" des Halbleiters, an dessen beiden Enden die Elektroden 2, 4 liegen, haben den entgegengesetzten Leitungstyp. Bei einer gegebenen Sperrspannung zwischen der Steuerelektrode 3 und der Kathode 2 bilden sich an den Grenzschichten zwischen 1' und 1" Raumladungsgebiete aus, die in

der Mitte des Halbleiters eine raumladungsfreie Zone, d. h. einen Engpaß für die von der Kathode 2 zur Anode 4 bzw. umgekehrt fließenden Ladungsträger frei lassen. Ändert man die Sperrspannung der Steuerelektrode 3 gegenüber der Kathode 2, so vergrößern oder verkleinern sich die Raumladungszonen an den Grenzschichten zwischen den Teilen 1' und ι "des Halbleiters und ändern dadurch den Querschnitt des raumladungsfreien Engpasses für den Anodenstrom der Elektroden 2, 4.

Diese bekannte Anordnung gestattet schon eine kapazitive Steuerung der Halbleiteranordnung, da die Elektrode 3 gegenüber der Kathode 2 dauernd gesperrt ist. Zwischen Steuerelektrode 3 und Kathode 2 besteht aber eine verhältnismäßig hohe Kapazität, die im folgenden »Eingangskapazität« genannt werden wird. Diese Eingangskapazität beschränkt die Brauchbarkeit der bekannten. Anordnung schätzungsweise auf Frequenzen unterhalb etwa 10 MHz. Die Empfindlichkeit der Anordnung, d. h. die Änderung des Anodenstromes in Abhängigkeit von der Änderung der Steuerspannung an der Elektrode 3, ist zudem auch noch verhältnismäßig . gering. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei einer Halbleiteranordnung mit Kathode, Anode und Steuerelektrode diese Nachteile zu vermeiden bzw. zu verringern.

Es ist ferner die als Flächentransistor benannte Anordnung bekannt, bei welcher ein mittlerer HaIbleiterteil von einem Leitungstypus zwischen zwei benachbarten Halbleiterteilen von entgegengesetztem Leitungstypus angeordnet ist und im mittleren Halbleiterteil ein Potentialwall erzeugt wird, welcher durch die von dem äußeren Halbleiterteil, nämlich dem Emitter, in den anderen äußeren Halbleiterteil, nämlich den Kollektor gelangenden Ladungsträger thermisch überwunden wird. Auch diese Anordnung gestattet bekanntlich eine Verstärkung. Sie hat jedoch den ebenfalls bekannten Nachteil, daß die Werte des Eingangs- und Ausgangswiderstandes dieser Anordnung gegenüber denjenigen einer Elektronenröhre gerade umgekehrt sind. Bei dieser Transistoranordnung besitzt der mittlere Halbleiterteil eine verhältnismäßig geringe Dicke, welche als sehr dünn bezeichnet wird, weil sie io~² cm oder weniger beträgt. Die Breite der Basiszone ist näherungsweise umgekehrt proportional der oberen Grenze der Betriebsfrequenz. So ist es bekannt, daß man bei einer Basisbreite von 0,0005 Zoll eine Grenzfrequenz von etwa 20 MHz erhalten kann.

Die Erfindung bezweckt, die Vorteile der beiden bekannten Einrichtungen unter Vermeidung ihrer Nachteile miteinander zu verbinden. Sie bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der zwei kontaktierte äußere Zonen des einen Leitungstyps und eine kontaktierte mittlere Zone entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, in dessen mittlerer Zone ein sich quer zur Richtung eines zwischen den beiden äußeren Zonen fließenden Stromes erstreckender Potentialwall erzeugt ist und die Elektroden der beiden äußeren Zonen als Anode bzw. Kathode und die der mittleren Zone als mit einer Sperrspannung gegen Anode und Kathode beaufschlagte Steuerelektrode geschaltet sind, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone eine Dicke von weniger als 10 μ, insbesondere nur etwa ι μ, aufweist, daß die Dotierungskonzentration der mittleren Zone an der Eintrittsstelle der den Anodenstrom tragenden Ladungsträger größer als im übrigen Teil der mittleren Zone ist und außerdem durch entsprechende Dotierung der Potentialwall der mittleren Zone so schmal eingestellt ist, daß er praktisch von allen den Anodenstrom tragenden Ladungsträgern überwindbar ist.

Die Erfindung bezieht sich somit auf die Ausnutzung des Tunneleffektes als Leitungsmechanismus durch den Potentialwall, der gemäß der Erfindung in vorteilhafter Weise in der Nähe der Eintrittsstelle für die den Anodenstrom tragenden Ladungsträger lokalisiert wird. Zur Erklärung der Wirkungsweise der Erfindung wird auf Fig. 2 hingewiesen, in der die Potentialverhältnisse längs des Anodenstroms bei Anwesenheit eines von dem Anodenstrom zu überwindenden Potentialwalls gezeigt sind. (Unter Anodenstrom soll jetzt und im folgenden der Strom zwischen Anode und Kathode bezeichnet werden, und zwar unabhängig von der Polarität der Ladungsträger und ihrer Fluß richtung. Ebenso soll unter »Potential« zur Vereinfachung der Darstellung das bekannte elektrostatische Potential, multipliziert mit der Ladung der Elektronen bzw. Defektelektronen des Anodenstroms, verstanden werden.) Auf der linken Seite der Fig. 2 ist die potentielle Energie der einen Elektrode (Kathode 2 bzw. Anode 4) mit I bezeichnet, während rechts die potentielle Energie II in Richtung der anderen Elektrode (4 bzw. 2) aufgetragen ist. Die Ladungsträger müssen also auf ihrem Wege von einem zum anderen Potential den Potentialwall A überwinden. Diese Überwindung wird entsprechend der Lehre der Erfindung im wesentlichen durch den Tunneleffekt, z. B. auf dem strichpunktiert gezeichneten Tunnelweg α, durchgeführt.

Diesem gewünschten Anodenstrom kann sich noch ein unerwünschter Strom infolge innerer Feldemission aus dem unteren Band nach dem Zenereffekt überlagern, z. B. auf dem Wege b. Sorgt man jedoch gemäß der Erfindung dafür, daß die Höhe<p_₄ des Berges A und/oder die Länge des Tunnelweges a, die beide ein Maß für die Dämpfung der Ladungsträger bei der Überwindung des Tunnels sind, so bemessen sind, daß der Anteil der den Anodenstrom bildenden Ladungsträger, die den Potentialwall A zwischen Kathode und Anode auf dem Tunnelweg α überwinden, verhältnismäßig groß ist gegenüber den Ladungsträgern, die auf dem Zenerweg b fließen, dann besteht eine starke Abhängigkeit des Anodenstromes von der Höhe <p_A des Berges A. Nun wird die Wahrscheinlichkeit für die thermische iao Überwindung des Potentialberges um so kleiner, je höher dieser Berg ist. Andererseits wächst die Tunnelwahrscheinlichkeit mit abnehmender Länge des bei der Durchtunnelung des Potentialwalles zurückzulegenden Weges. Im Gegensatz zu dem von Zenereffekt und thermischen Elektronen getragenen

Strom ist der Tunnelstrom temperaturunabhängig. Ein temperaturunabhängiger Anodenstrom wird demnach erhalten, wenn man einerseits die Ausbildung des Tunneleffektes begünstigt, dagegen den S Zenereffekt und die thermische Überwindung des Potentialwalles unterbindet. Eine Halbleiteranordnung entsprechend der Erfindung ist in diesem Sinn ausgestaltet.

Zunächst führt die Anwendung einer zwischen

ίο zwei entgegengesetzt dotierten Zonen angeordneten mittleren Zone mit an der Eintrittsstelle für die den Anodenstrom tragenden Ladungsträger erhöhter Dotierung zu einem Potentialwall, der nicht nur vollständig innerhalb der mittleren Zone liegt, sondem zugleich auch an den für den Eintritt der Ladungsträger maßgebenden pn-übergang gerückt ist. Hieraus ergibt sich eine erhöhte Steuerempfindlichkeit der Anordnung und außerdem die Möglichkeit, eine für die Unterdrückung einer thermischen Über-

ao windung des Potentialwalles notwendige hohe Dotierung am Ort des Potentialwalles mit einer zur Unterdrückung des Zenereffektes notwendigen niedrigen Dotierung zu kombinieren, ohne daß zugleich zum Betrieb der Anordnung übermäßighohe Anodenspannungen herangezogen werden müssen. Ein für merklichen Tunneleffekt ausreichend schmaler Potentialwall ergibt sich bei einer der Lehre der Erfindung genügenden Anordnung auf Grund der folgenden Maßnahmen:

i. Anordnung des Potentialwalles zwischen zwei höchstens 10 μ voneinander entfernten pn-Übergängen und den ihnen zugeordneten Raumladungszonen.

2. Unterschiedliche Dotierung in der mittleren Zone, derart, daß die Dotierung an der Eintrittsstelle der Ladungsträger größer als im übrigen Teil der mittleren Zone ist.

Durch eine gleichmäßige Dotierungskonzentration in der mittleren Zone ergeben sich die in Fig. 3 dargestellten Verhältnisse. Im unteren Teil der Fig. 3 sind die sich hieraus für den Anodenstrom maßgebenden Verhältnisse dargestellt. Sie sind nicht mit den Vorteilen einer Anordnung gemäß der Erfindung verbunden. Insbesondere fehlt die Temperaturunabhängigkeit des Anodenstroms.

Wesentlich verbessert werden die Verhältnisse, wenn, wie in Fig. 4 dargestellt, die Lehre der Erfindung angewendet und die Dichte der Donatoren bzw. Akzeptoren längs des zu überwindenden Potentialwalls an den Seiten, an denen die Ladungsträger die mittlere Zone betreten, am größten ist und von dort abfällt. Die Vorteile ergeben sich aus der Form des Potentialwalles, die sich aus der in Fig. 4 oben gezeigten Verteilung ergibt. Der Potentialwall besitzt in diesem Fall nur noch einen sehr kleinen Tunnelweg a, der gegenüber dem Zenerweg b wesentlich günstiger geworden ist als bei einer Wallausbildung gemäß Fig. 2 und 3.

Eine bevorzugte Halbleiterausbildung der Art gemäß der Erfindung ist in Fig. 5 im Schnitt schematisch gezeigt, bei der die mit der Kathode 2 bzw. Anode 4 verbundenen Halbleiterteile des einen

Leitungstyps sich fächerförmig gegenüberstehen und voneinander durch einen sehr dünnen Halbleiterteil 3' entgegengesetzten Leitungstyps getrennt sind, der mit der Steuerelektrode 3 verbunden ist. Die unterschiedlichen Leitungstypen sind dabei durch Schraffierungen verschiedener Richtung, und die jeweilige Dichte der Donatoren bzw. Akzeptoren ist durch die Schraffierungsdichte angedeutet. Wie ersichtlich, ist bei dem Halbleiter die Dichte der Akzeptoren bzw. Donatoren in dem zwischen den Teilen 2', 4' liegenden Steuerteil .3' des Halbleiters entsprechend der Darstellung in Fig. 3 oben geringer als in den mit der Kathode 2 bzw. Anode 4 verbundenen Halbleiterteilen 2', 4'. Eine weitere Verbesserung, die in Fig. 5 nicht angedeutet ist, besteht darin, daß diese Dichte in dem zwischen 2' und 4' liegenden Halbleiterteil entsprechend Fig. 4 unterschiedlich gemacht ist. Dabei muß die hohe Dichte der Akzeptoren bzw. Donatoren des Teiles 3' dem Halbleiterteil 2' bzw. 4' zugewandt sein, aus dem die den Anodenstrom bildenden Ladungsträger in den Teil 3' eintreten. Aus fabrikatorischen und anderen Gründen empfiehlt es sich außerdem, den Teil 3' keilförmig zwischen die Teile 2', 4' des Halbleiters hineinragen zu lassen. Die Spitze des Keiles und der Teil des Halbleiters 3' zwischen den Halbleiterteilen 2', 4' wird außerdem nur sehr dünn gemacht, um die Sattelausbildung zu begünstigen; die Dicke des Teiles 3' zwischen den Teilen 2', 4' ist kleiner als etwa 10 μ, insbesondere nur etwa ι μ stark. Statt der in Fig. 5 gezeigten symmetrischen Ausbildung des Halbleiters kann die Ausführung auch unsymmetrisch sein (s.Fig. 6), indem z. B. der Teil 3' nur von einer Seite keilförmig zwischen die Teile 2' und 4' hineinragt und die der Steuerelektrode gegenüberliegende Seite des Halbleiters, die in Fig. S durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist, nicht mit einer Elektrode versehen ist. Gegebenenfalls kann jedoch auch eine vierte Elektrode 5 auf diese Seite des Halbleiters eingelegt und mit einer weiteren Steuerspannungsquelle Verbunden werden.

Die Überlegungen und Vorschläge gemäß der Erfindung gelten sinngemäß sowohl für den Fall, daß die den Anodenstrom bildenden Ladungsträger aus Elektronen bestehen, wie auch für den Fall, daß die Ladungsträger Defektelektronen sind. Dementsprechend sind auch die verschiedenen Leitungstyps bzw. Donatoren und Akzeptoren sinngemäß vertauschbar.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: _llfi

   i. Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper, der zwei kontaktierte äußere Zonen des einen Leitungstyps und eine kontaktierte mittlere Zone entgegengesetzten Leitungstyps aufweist, in dessen mittlerer Zone ein sich quer zur Richtung eines zwischen den beiden äußeren Zonen fließenden Stromes erstreckender Potentialwall erzeugt ist und die Elektroden der beiden äußeren Zonen als Anode bzw. Kathode und die der mittleren Zone als mit einer Sperrspannung gegen Anode und Kathode beauf-

   schlagte Steuerelektrode geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Zone eine Dicke von weniger als ίο μ, insbesondere nur etwa ι μ, aufweist, daß die Dotierungskonzentration der mittleren Zone an der Eintrittsstelle der den Anodenstrom tragenden Ladungsträger größer als im übrigen Teil der mittleren Zone ist und außerdem durch entsprechende Dotierung der Potentialwall der mittleren Zone so schmal eingestellt ist, daß er praktisch von allen den Anodenstrom tragenden Ladungsträgern überwindbar ist.
2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch i, gekennzeichnet durch eine unsymmetrische Ausbildung, bei der der Potentialanstieg außer durch die Steuerelektrode auch noch durch mit anderen Zusatzelektroden (5) belegte Oberflächenteile des Halbleitermittelteiles bestimmt ist (Fig. 6).
3. 3. Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleitermittelteil keilförmig ausgebildet ist.

   In Betracht gezogene Druckschriften:

   Deutsche Patentschriften Nr. 814484, 865160; schweizerische Patentschrift Nr. 282 854; belgische Patentschrift Nr. 509 317;

   australische Patentschriften Nr. 159 547, 163258;

   USA.-Patentschrift Nr. 2 569 347;

   Falkenhagen, »Statistik und Quantentheorie«, 1950, S. 185 bis 188;

   »Proc. IRE«, Bd. 40 (November 1952), Nr. 11, S. 1307, 1312, 1313, 1348, 1349, 1365 bis 1376, bis 1400, 1424 bis 1428, 1491, 1512; »Das Elektron«, Bd. 5 (1951), S. 424, 425, 431;

   »Zeitschrift für Naturforschung«, Bd. 2 a (1947), S. 230.

   In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 977 264.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   © 609 707/287 11.56 (809 543/3 4.68)