DER0013392MA - - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Tag der Anmeldung: 21. Januar 1954 Bekanntgemacht am 19. Januar 1956

DEUTSCHES PATENTAMT

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der elektrischen Halbleiter und bezieht sich auf einen aus mehreren einzelnen Halbleiterelementen zusammengesetzten Halbleiterkörper, der eine Halbleitereinrichtung mit einer Mehrzahl von in Kaskade geschalteten Halbleiterstufen darstellt.

In der Elektronik tritt häufig die Aufgabe auf, die Gleichstromkomponente eines Signals zusammen mit den Komponenten niedriger und höherer Frequenz zu verstärken. Bei der Benutzung von Elektronenröhren stößt die Lösung dieser Aufgabe wegen der Notwendigkeit, die Elektronenröhren mit Gleichspannungen zu versorgen, und wegen der Tatsache, daß bei Elektronenröhren die Ausgangsspannung eine Funktion der Eingangsspannung ist;, auf gewisse Schwierigkeiten.

Der Zweck der Erfindung besteht darin, eine zu einem einheitlichen Bauteil vereinigte Halbleitereinrichtung zu schaffen und vorzugsweise eine Einrichtung, welche die Funktion einer Mehrzahl von einzelnen Transistoren übernehmen kann und von verhältnismäßig einfachem Aufbau ist.

Die Erfindung macht von Flächenhalbleitern als Einzelelement Gebrauch. Ein Flächenhalbleiter, nämlich ein P-N-P- oder ein iV-.P-./V-Transistor ist ein Körper aus Halbleitermaterial; in dem N- und

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und .P-Zonen miteinander abwechseln. Je zwei dieser Zonen sind durch eine Inversionsschicht getrennt, welche für den Stromfluß in der einen Richtung einen hohen und für den Stromfluß in der anderen Richtung einen niedrigen Widerstand darstellt. In einem P-/V-P-Halbleiter ist die eine der. .P-Zonen' so vorgespannt, daß sie als Emittor von elektrischen Ladungsträgern arbeitet, und die andere der P-Zonen derart, daß sie als Kollektor

ίο für diese Träger arbeitet. Die 2V-Zone arbeitet als Basiselektrode.

Die Halbleitereinrichtung der Erfindung enthält

eine Mehrzahl von in Kaskade geschalteten HaIb-

' leiterstufen, von denen jede abwechselnd P- und iy-Zonen enthält, die durch Inversionsschichten getrennt sind und die als Emittor, Kollektor und Basiselektrode arbeiten. Die Erfindung besteht darin, daß diese Halbleiterstufen zusammen einen einzigen Körper bilden und die Kollektorelektrode jeder Stufe die Basiselektrode der nächstfolgenden Stufe ist.

Dabei wird bei einer Ausführungsform der Erfindung ein Halbleiterkörper in Form einer verhältnismäßig dünnen Scheibe vorgesehen, welcher vier räumlich abwechselnde Zonen oder Streifen von P-Material und N-Material enthält, die in der Richtung der Länge des Körpers verlaufen und durch InversionsSchichten getrennt sind. Transversal zur Streifenrichtung sind mehrere die Zonen trennende Einschnitte vorhanden. Diese Einschnitte verlaufen derart von den beiden außenliegenden der vier Zonen nach innen, daß je zwei aufeinanderfolgende Einschnitte an den beiden entgegengesetzt liegenden, äußeren Zonen beginnen. Der erste Einschnitt durchläuft somit die erste und zweite Zone des ganzen Halbleiterkörpers und reicht bis in die dritte Zone hinein, so daß er auch die Inversionsschicht zwischen der zweiten und dritten Zone auftrennt. Der nächste Einschnitt durchläuft die vierte und die dritte Zone und reicht in die zweite Zone so hinein, daß er auch die Inversionsschicht zwischen der dritten und der zweiten Zone auftrennt. Der dritte Einschnitt durchläuft wieder die erste und die zweite Zone und einen Teil der dritten Zone usw. Die Vorspannungen sind mit jeder der außenliegenden Zonen zu verbinden, d. h. mit der ersten und vierten Zone, so daß diese gegen die jeweils nächste angrenzende Zone in der Vorwärtsrichtung vorgespannt sind und als Emittoren wirken können. Diese Vorspannungsquellen erteilen jeweils , auch der angrenzenden Zone eine gewisse Spannung.

Eine Signalquelle ist entweder mit der zweiten oder mit der dritten Zone zu verbinden, und zwar je nachdem, ob der erste Einschnitt an der ersten oder an der vierten Zone beginnt. Somit liegt die erste Verstärkungsstufe an der einen Seite des ersten Einschnittes und enthält einen Teil der ersten Zone als Emittor, einen Teil der zweiten Zone als Basis- und Eingangselektrode und einen Teil der dritten Zone als Kollektorelektrode. Die nächste Verstärkungsstufe enthält einen Teil der vierten Zone als . Emittor, die vorerwähnte Kollektorzone als Basis- und Eingängselektrode und einen Teil der zweiten Zone auf der anderen Seite des ersten Einschnittes als Kollektorelektrode usw. bis zum Ende des ganzen Halbleiterkörpers.

Fig. ι ist ein Grundriß einer beispielsweisen Ausführungsform nach der Erfindung;

Fig. 2 stellt einen Schnitt durch den Halbleiter nach Fig. 1 in einem Zwischenstädium der Herstellung dar;

Fig. 3 ist ein Schnitt durch die Halbleitereinrichtung nach Fig. 1 und

Fig. 4 ein Grundriß einer anderen beispielsweisen Ausführungsform nach der Erfindung.

Die ganze Einrichtung 10 nach der Ausführungsform in Fig. ι enthält einen Halbleiterkörper 12, welcher aus vier Zonen 14, 16, 18 und 20 aus Halbleitermaterial abwechselnden Leitfähigkeitstyps besteht, zwischen denen die Inversionsschichten 15, 17 und 19 liegen. Die erwähnten vier Zonen sind in dem Beispiel in Fig. 1 eine P-, eine N-, eine P- und eine N'-Zone. Eine Halbleitereinrichtung dieser Art kann auch in der Reihenfolge N-, P-, N- und P-Zone aufgebaut werden. Zur Herstellung eines solchen Halbleiterkörpers 10 kann man sich verschiedener Verfahren bedienen. Man kann z. B. gemäß Fig. 2 eine dünne Scheibe 22 aus TV-Material, vorzugsweise aus Germanium verwenden. Diese Germaniumscheibe soll so dünn sein, daß sie bei der Bombardierung mit Teilchen^ die für die Umwandlung des /V-Germaniums in P-Germanium benutzt werden, durchdrungen wird und muß eine Länge besitzen, die der gesamten gewünschten Verstärkung entspricht. Die Scheibe soll wenigstens auf ihrer einen Seite eben geschliffen sein. Diese ebene Seite wird mit einer Mehrzahl von Streifen eines Materials 24 belegt, welches geladene Kerne absorbieren kann. Diese Streifen können aus Blei, aus Palladium, aus Gold usw. bestehen. Die ganze belegte Scheibenseite wird dann mit geladenen Kernen bombardiert, wie durch die Pfeile 26 angedeutet ist, und zwar mögen die Kerne dabei auf diese Scheibenseite etwa senkrecht auftrefren.

Fig. ι zeigt den Körper 12 nach der Bestrahlung im Querschnitt. Der ursprüngliche Λ^-Germaniumkörper wird in einen Körper 12 umgewandelt, innerhalb dessen Zonen 16 und 20 aus JV-Germanium zwischen Zonen 14 und 18 aus P-Germanium liegen und Inversionsschichten 15, 17 und 19 zwischen je zwei aneinandergrenzenden Zonen auftreten.

Ein anderes geeignetes Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers 12 mit vier derartigen Zonen von jeweils entgegengesetztem Leitfähigkeitstypus besteht darin, daß man einen Kristall mit Hilfe eines großen Gefäßes aus Kohle herstellt, welches drehbar auf einer Achse innerhalb eines elektrischen Ofens angebracht ist. Dieses Gefäß ist durch Trennwände in drei kleinere Gefäße auf-* geteilt. Die kleineren Gefäße enthalten jeweils eine Schmelze des zu kristallisierenden Materials, wobei die verschiedenen Schmelzen so zusammengesetzt sind, wie es einem verschiedenen Leitfähigkeitstypus entspricht. Die kleineren Gefäße sind über Rohre miteinander verbunden. Für die Kristall-Züchtung wird ein auf einem Halter befestigter

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Samenkristall abgesenkt, bis er die Oberfläche der Schmelze in einem der kleineren Gefäße berührt. Der Samenkristall wird dann wieder aus der Schmelze herausgezogen, so daß ein Teil der Schmelze auf ihm kristallisiert und eine bestimmte Zone entsteht. Sodann wird der Kristall in ein angrenzendes Gefäß übergeführt, ohne die Berührung mit der Schmelze zu unterbrechen, so daß eine Zone der entgegengesetzten Leitfähigkeit entsteht. Dieses Verfahren läßt sich zur Erzeugung einer ganzen Reihe von Zonen fortsetzen.

Der Körper 12 mit seinen abwechselnden Zonen wird sodann durch eine Reihe von Einschnitten 28 und 30 in eine Serienanordnung von Transistorstufen aufgeteilt. Diese Einschnitte können mittels einer Schleifscheibe od. dgl. angebracht werden. Die Einschnitte lassen sich auch mit einer, mit einem Schleifmittel überzogenen Schleifklinge, einem Draht od. dgl. herstellen. Nach dem Arbeitsgang der Herstellung der Einschnitte wird eine übliche Ätzbehandlung vorgenommen. In Fig. 1 sind nur zwei Einschnitte dargestellt, jedoch kann man entsprechend der gewünschten Gesamtverstärkung für die fertige Halbleitereinrichtung auch eine größere Zahl von Einschnitten anbringen.

Die Einschnitte 28 und 30 liegen abwechselnd so, daß sie jeweils z\vei aneinandergrenzende Zonen aufteilen, wobei je eine dieser Zonen die außenliegende Zone 14 bzw. 20 ist, und daß sie ferner gerade noch in die jeweils dritte Zone 16 bzw. 18 hineinreichen. Somit durchläuft der Ausschnitt 28 die Zonen 20 und 18, durchläuft ferner die Inversionsschicht 17 und reicht gerade noch in die nächste Af-Zone 16 hinein. Der Einschnitt 30 trennt die P-Zone 14 und die iV-Zone 16 völlig auf und reicht durch die Inversionsschicht 17 hindurch gerade noch in die nächste P-Zone 18 hinein. Somit wird die A^r-Zone 20 in zwei Teile 32 und 34 zerlegt, die P-Zone 18 in zwei Teile 36 und 38, die N-Zone 16 in zwei Teile 40 und 42 und die P-Zone 14 in die Teile 44 und 46. Die Einschnitte 28 und 30 können so nahe aneinander angebracht werden, \vie es mit der freien Bewegung der Ladungsträger in dem Halbleiterkörper verträglich ist.

Die Halbleitereinrichtung 10 in Fig. 1 läßt sich folgendermaßen betreiben: die negative Klemme einer Vorspannungsquelle 52 wird mit den Teilen 32 und 34 der äußeren N-Zone 20 über die Leitungen 54 und 56 verbunden. Der positive Pol der Spannungsquelle 52 wird geerdet. Die beiden Teile der JV-Zone 20 werden somit gegenüber den Teilen 36 und 38 der P-Zone 18 in der Vorwärtsrichtung vorgespannt. Der Teil 38 wird dabei ebenfalls negativ gegenüber Erde. An dem Teil 36 ist eine Basiselektrode 58 in ohmschem Kontakt angelötet. Zwischen ihr und Erde wird eine Signalquelle 60 eingeschaltet. Eine weitere Spannungsquelle 62 mit geerdetem negativem Pol wird über die Leitungen 64 und 66 an die Teile 44 und 46 der P-Zone 14 angeschlossen, so daß diese in der Vorwärtsrichtung gegenüber den Teilen 40 und 42 der angrenzenden iV-Zone vorgespannt werden. Die Teile 40 und 42 empfangen somit eine gewisse positive Vorspannung gegen Erde. Die P-Zonen 44 und 46 arbeiten ebenfalls als EmittOTen.

Die erste Stufe der ganzen Einrichtung enthält daher den Af-P-A^-Transistor mit den Teilen 32, 36 und 40 der. Zonen 20, 18 bzw. 16. Der Af-Teil 32 arbeitet wegen seiner negativen Vorspannung als Emittor und injiziert Elektronen in den P-Teil 36, der als Basiselektrode arbeitet. Der Stromfluß wird durch das von der Quelle 36 gelieferte Signal beeinflußt. Der angrenzende TV-Teil 40 arbeitet wegen seiner positiven Vorspannung durch die Spannungsquelle 62 als Kollektor für den Elektronenstrom des Emittors 32.

Die zweite Stufe der ganzen Halbleitereinrichtung enthält einen P-Af-P-Transistor mit der P-Zone 44, der N-Zone 40 und der P-Zone 38. Die äußere P-Zone 44 mit ihrer positiven Vorspannung arbeitet als Emittor der zweiten Stufe und injiziert Löcher in die N-Zone 40, welche die Eingangselektrode oder Basiselektrode für die zweite Stufe darstellt. Unter dem Einfluß des dieser Basiselektrode 40, d. h. der Kollektorelektrode, der ersten Stufe zufließenden Stromes, werden die injizierten Löcher von dem P-Teil 38 aufgenommen, der als Kollektor für die zweite Stufe arbeitet, da er durch die Spannurigsquelle 52 negativ vorgespannt ist.

Die dritte Verstärkerstufe enthält den N-P-N-Transistor mit der N-Zone 34, der P-Zone 38 und der iV-Zone 42. Die A^-Zone 34 arbeitet als Emittor und injiziert Elektronen in den Teil 38, der gleichzeitig der Kollektor der zweiten Stufe ist und zur Basiselektrode der dritten Stufe wird. Unter dem Einfluß des Löcherüberganges zur Basiselektrode 38 tritt der Elektronenfluß des Teiles 34 in den durch die Spannungsquelle 62 positiv vorgespannten Teil 42 über, der den Kollektor der dritten Stufe darstellt. Eine an diesen Teil 42 angeschlossene Leitung verbindet den Kollektor mit einem geeigneten, in Fig. ι nicht dargestellten Verbraucher. Wenn die Halbleitereinrichtung noch mehrere Verstärkerstufen enthalten würde, würde der Teil 46 den Emittor der vierten Stufe und der Teil 42 ihre als Eingangselektrode dienende Basiselektrode darstellen.

Eine andere Ausführungsform ist durch eine Halbleitereinrichtung 70 in Fig. 4 veranschaulicht. Diese enthält einen Halbleiterkörper 72 mit vier Zonen 74, 76, 78 und 80 von ab\vechselnd entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp in der Reihenfolge P, N, P, N. Zwischen diesen Zonen liegen Inversionsschichten 75, 77 und 79. Bei dieser Ausführungsform sind zwei gegeneinander versetzte Bohrungen 82 und 84 in dem Halbleiterkörper angebracht. Die erste Bohrung 82 trennt die ganze P-Zone 78 auf und greift in die angrenzenden Af-Zonen 76 und 80 über und unterteilt ebenfalls die Inversionsschichten 77 und 79. Die Bohrung 84 ist gegenüber der Bohrung 82 versetzt, teilt die N-Zone 76 sowie die Inversionsschichten 75 und 77 auf und greift auch in die P-Zonen 74 und 78 über. Weitere Bohrungen von gleichartiger gegenseitiger Versetzung können entsprechend der Zahl der gewünschten Verstärkerstufen angebracht werden. Bei dieser Ausführungs-

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form sind die äußere P-Zone 74 und die äußere iV-Zone 80 ebenfalls in der Vorwärtsrichtung durch geeignet gepolte Batterien 86 bzw. 88 gegenüber den jeweils angrenzenden Zonen vorgespannt. Da die äußeren Zonen 74 und 80 aber nicht vollständig aufgetrennt sind, ist nur jeweils eine Batteriezuleitung erforderlich. Eine Elektrode 90 ist in ohmschem Kontakt an die P-Zone 78 angeschlossen und mit einer Signalquelle 92 verbunden.

Die Einrichtung nach Fig. 4 arbeitet in der gleichen Weise wie die Einrichtung nach Fig. 1. Somit besteht die erste Verstärkerstufe aus einem Teil 94 der Zone 80 als Emittor, aus dem Teil 96 der Zone 78 als Basiselektrode und dem Teil 98 der Zone 76 als Kollektor. Die zweite Stufe besteht aus dem Teil 100 der Zone 74 als Emittor, dem Teil 98 der Zone 76 als Basiselektrode und dem Teil 102 der Zone 78 als Kollektor. Die dritte Stufe enthält als Emittor einen Teil der Zone 94, als Basiselektrode den Teil 102 der Zone 78 und als Kollektor den Teil 104 der Zone 76, wobei eine Ausgangsleitung 106 einerseits mit dem Teil 104 und andererseits mit einem Verbraucher verbunden ist.

Claims (8)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   r. Halbleitereinrichtung mit einer Mehrzahl von in Kaskade geschalteten Halbleiterstufen, von denen jede abwechselnde P- und //-Zonen enthält, die durch Inversionsschichten voneinander getrennt sind und als Emittor, Kollektor und Basiselektrode arbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterstufen einen einzigen Körper aus Halbleitermaterial bilden und die Kollektorelektrode jeder Stufe die' Basiselektrode der nächstfolgenden Stufe ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Kaskade geschalteten Stufen abwechselnd N-P-N- und P-N-P-Stnien sind.,
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ganze Halbleiterkörper vier Zonen enthält, die abwechselnd aus P-Material und aus TV-Material bestehen, und daß die erste und vierte Zone gegenüber der jeweils angrenzenden Zone in der Vorwärtsrichtung vorgespannt sind und ein Eingangssignal an einer der beiden anderen Zonen liegt.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von transversal zu den Zonen verlaufende Einschnitte derart angebracht sind, daß der erste Einschnitt durch die erste und zweite Zone durchläuft und in die dritte hineinreicht und der nächste die vierte und dritte Zone durchläuft und in die zweite hineinreicht.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Einschnitt die ganze erste und zweite Zone unterteilt und in die dritte Zone hineinreicht und der nächste Einschnitt die ganze vierte und dritte Zone unterteilt und in die zweite Zone hineinreicht.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Öffnungen in dem Halbleiterkörper derart vorgesehen ist, daß die eine dieser öffnungen die ganze zweite Zone unterteilt und in die erste und dritte Zone hineinreicht und die nächste Öffnung die ganze dritte Zone unterteilt und in die zweite und vierte Zone hineinreicht.
7. 7. Einrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch -gekennzeichnet, daß ein Eingangssignal der zweiten Zone zugeführt wird.
8. 8. Einrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Eingangssignal 75-der dritten Zone zugeführt wird.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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