NO118002B - - Google Patents

Description

Flatetransistor.

Denne oppfinnelse angår en ny type flatetransistor som på engelsk er gitt be-tegnelsen «hook-collector junction transistor». Denne spesielle type flatetransistor vil i den følgende beskrivelse bli be-tegnet «hake»-kollektor flatetransistor.

Transistorer eller krystalltrioder av silisium og germaniumtypen er velkjente og er kommersielt tilgjengelige i to hoved-typer. Den første av disse, punktkontakt-transistoren, omfatter en blikk av halv-ledende materiale, f. eks. germanium, som har et overskudd eller underskudd av elektroner, og som har to punktformete elek-troder, emitter- og kollektorelektroder som er plasert meget nær hverandre i kontakt med en av overflatene på blokken, og en basiselektrode i kontakt med den annen overflate. Den annen type, flatetransistoren omfatter et legeme av halvledende materiale som har to soner av samme ledningstype adskilt ved en sone av motsatt ledningstype. De to soner av samme ledningstype berører de motstående flater av sonen av motsatt ledningstype, og elektriske forbindelser blir gjort til hver av disse soner. Disse soner er ordnet lagvis i n-p-n eller p-n-p lag hvor n refererer til en halvleder som har et overskudd av elektroner og p refererer til en halvleder som har et underskudd ev elektroner, eller et overskudd av «huller». Fremgangsmåten for å fremstille disse punktkontakt- og flate transistorer er velkjent. Flatetransi-stortypen blir etter fremstillingsmåten referert til som en legerings flatetransistor eller en grodd flatetransistor.

Punkt-transistoren har en strømfor-sterkning a som er større enn 1. Strømfor-sterkningen av transistoren er definert ved

sene c og e refererer seg til henholdsvis til kollektor og emitterelektrodene på transistoren, i betegner strøm, V betegner spenning og K er en konstant. Man har funnet at for visse viktige anvendelser i matrikskretser i regnemaskiner, er bruken av transistorer med en verdi av a større enn 1 meget fordelaktig. Mens punkt-kontakt-transistorer tilfredsstiller dette krav for a, har de visse andre egenskaper som gjør dem mindre hensiktsmessige som element i en bi-stabil flip-flop krets i disse matrikskretser. En punktkontakt germanium-transistor er således beheftet med støy. De er videre ustabile og variable i sin virkemåte og absorberer effekt. Av denne grunn blir flatetransistorene stort sett foretrukket som elementer i bi-stabile flip-flop kretser. Flatetransistorene er for-holdsvis stabile, og krever liten effekt for å forbli i ledende tilstand. Imidlertid har de n-p-n eller p-n-p flatetransistorer som er kjent og fremstillet inntil nå, en verdi for a som er mindre enn 1. Av den grunn er det nødvendig med minst to slike transistorer for å konstruere en bi-stabil flip-flop. Fordi det kreves hundrevis av slike elementer for konstruksjon av typiske regnemaskinkretser, vil det av økonomiske grunner være meget ønskelig med en transistor med en a større enn 1 fordi en da bare trenger én slik transistor for kob-lingsfunksjoner, sammenlignet med to transistorer som nå er nødvendig for hver bi-stabil flip-flop.

Formålet med foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe en ny type flatetransistor som har en strømforsterk-ning a, større enn 1. En slik transistor er meget fordelaktig for bruk som element i flip-flop koblingskretser.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse kobles ingen utvendig elektrisk forbindelse til mellomsjiktet i flatetransistoren.

Ifølge et annet særtrekk ved den foreliggende oppfinnelse dannes en legerings-typesone av motsatt ledningstype innen en av to tilsvarende ledningstype-soner i en grodd flatekrystall ved en legerbar emit-terforbindelse.

Andre formål og særtrekk ved denne oppfinnelse vil fremgå av tegningene i forbindelse med den etterfølgende beskrivelse. Fig. 1 viser et skjematisk snitt av den nye type flatetransistor. Fig. IA er et skjematisk snitt av en annen utførelsesform for den nye type flatetransistorer. Fig. 2 er et skjema for en flip-flop krets som bruker denne nye transistor. Fig. 3 viser et skjema for en to-trinns flip-flop krets som kan brukes i en ring-tellerkrets.

I fig. 1 er vist en «hake»-kollektor flatetransistor 1 hvor 2 og 3 er n-type permanium sjikt som inneholder et overskudd av elektroner og hvor 4 er et p-sjikt germanium som har et underskudd på elektroner eller overskudd av «huller». Selve n-p-n krystallen kan lett fremstilles ved kjente metoder og er for anvendelsen i denne oppfinnelse en grodd flatekrystall, fortrinsvis av germanium. Etter at n-p-n krystallen er grodd og germaniumet hensiktsmessig etset, blir imidlertid de ytre ledninger til krystallen forbundet på en måte som avviker endel fra det vanlige arrangement for en n-p-n transistor hvor krystallen brukes som en forsterker. De to n-typesjikt har vanligvis forskjellige motstand, og kollektorelektro-den 5 blir vanligvis festet til n-type germaniumet 2 som har den laveste motstand, eksempelvis ca. 0,1 ohm-cm. Basiselektroden 6 festes fortrinnsvis til n-type germaniumet 3 som har høyere motstand som f. eks. 2 ohm-cm. Ledningen som brukes for emitteren 7, blir imidlertid ikke forbundet til mellomsjiktet med p-type germanium 4. Emitterledningen 7 blir festet eller legert til n-type germaniumet med høyere motstand, område 3, ved et sted nær p-området 4, men uten å danne kontakt med dette. Emitteren 7 danner ikke bare forbindelse til germaniumet med høyere motstand, men danner, som et vesentlig særtrekk ved denne oppfinnelse, en sone med

legert germanium 8 med motsatt polari-tet innenfor den større germanium-sone 3. Av denne grunn er det viktig at tråden

som brukes for festing eller legering til n-type germaniumet, er av en legerbar type. Det har vist seg at for å oppnå derihe sonedannelse, utføres emittertråden 7 fortrinnsvis av en gulltråd som inneholder én akseptortype forurensning som f. eks. gal-lium, indium eller aluminium. Anvendelsen av en galliumholdig gulltråd som emit-terelektrode er spesielt ønskelig. Bruken av typiske punkt-kontakt tråder for emit-terforbindelse, som f. eks. fosforbronze eller wolframtråder, betraktes som uhen-siktsmessig for bruk i forbindelse med denne oppfinnelse, fordi det resulterer i støy, ustabilitet og mangel på reproduser-bare egenskaper, som fåes ved bruk av disse tråder.

En elektrisk puls brukes for å sveise emittertråden på plass og samtidig omdanne n-germaniumet direkte under tråden til et legert p-type germanium-sjikt 8, som antydet på fig. 1. Forbindelsene til kollektor og basiselektrodene festes til motsatte ender av germaniumskiven på en «ohmsk» måte. Ingen forbindelse gjøres til det tynne p-mellomsjikt 4 som eksisterer i krystallen mellom de to n-sjikt. Fremstillingen av disse nye anordninger er be-traktelig enklere enn fremstillingen av en vanlig n-p-n-transistor, idet det ikke er nødvendig i den foretrukne utførelsesform av oppfinnelsen å feste noen tråd ■ til et tynt p-sjikt som ofte har samme dimen-sjon som tråden selv. På denne måte er en mekanisk vanskelig forbindelse élimi-nert.

I fig. la er vist en annen utførelses-form av «hake»-kollektor flatetransistoren som omfattes av denne opfinnelse. En p-n-p grodd flatekrystall fremstilles på en' måte som er analog til den som brukes ved fremstillingen av n-p-n-krystallen, og basis- og kollektorelektrodene forbindes på den måte som er vist i tegningen. Emitteren 7a består fortrinnsvis av en gulltråd som inneholder en donortype forurensning som f. eks. antimon eller arsen. En elektrisk puls kan anvendes for å sveise emittertråden på plass og samtidig omdanne p-germaniumet direkte under tråden til et legert n-type germaniumsjikt 8a som vist i fig. la.

For en typisk n-p-n-krystall er de to n-områder tilnærmet 1,25 mm i tykkelse med det mellomliggende p-område omtrent 0,05 mm tykt. Gulltråden legeres til basisområdet ved et punkt omtrent 0,05—

0,125 mm fra det mellomliggende p-sjikt. Levetiden av minoritetsbærende i basisområdet og i mellomområdet skulle være høy, større enn 5 mikrosek.

I fig. 2 er vist en bi-stabil flip-flop

krets som bare bruker en enkel transistor 1 av den type som oppfinnelsen omfatter. Dersom vanlige flate-transistorer anvendes, er det nødvendig med to transistorer for hver flip-flop krets. På grunn av at det brukes hundrevis av slike kretser i visse regnemaskinkretser, er en transistortype ifølge den foreliggende oppfinnelse være vesentlig fordelatktig både med hensyn til transistorer og med hensyn til redusert kraftforbruk. Som eksempel er det i det følgende vist de typiske krets-parametre som brukes for å oppnå en bistabil virkemåte for kretsen i fig. 2. En «hake»-kollektor flatetransistor 1 er vist i denne fig. med kollektor C, emittere E og basis-elektrode B. Basismotstand 9 har en nominell verdi på 4700 ohm. Motstandene 10 og 11 forbundet til emitterelektroden har hver en verdi på 10 000 ohm. Verdier på 10 F på kondensatorene 12 og 13 er funnet passende. Spenningen over motstanden 9 var omtrent 1,4 volt for «på» eller høyt ledende tilstand, og 0,8 volt for «av» tilstan-den. Kretsen ble satt til «på» stilling med en 1,5 volt negativ puls på basiselektroden eller en positiv puls på emitteren. For å skifte til «av» stilling, ble det brukt en 1,5 volt positiv puls på basiselektroden, eller en negativ puls på emitterelektroden.

I fig. 3 er vist en krets som er nyttig som del av en ringteller som f. eks. kan brukes i siffer-regnemaskiner. Det er vist en to-trinns krets, men det er klart at man kan anvende mange trinn koblet etter hverandre avhengig av den type regne-kretser det er tale om. For hvert slikt trinn kan ifølge den foreliggende oppfinnelse brukes en enkelt transistor i stedet for de to vanlige flatetransistorer som ellers er nødvendige. Kretsen som er vist i fig. 3 arbeider på følgende måte: En positiv inn-gangspuls påvirker første trinn, dvs. første trinn blir utløst til «på», og det andre trinn til «av». Med første trinn i «av» tilstand og det annet trinn i «på» tilstand vil en negativ utløserpuls på inngangen sette første trinn i «av» og annet trinn i «på». En krets av denne type er som nevnt viktig i sifferregnemaskiner og i beslektede tellekretser. Verdiene på kretskomponen-tene i fig. 3 tilsvarer de som er vist i fig. 2.

Det er fremkommet flere forklaringer på opptreden av strøm-multiplikasjon, a, på den måte at et «hull» som kommer til kollektoren kan forårsake utsendelsen av (u,-l) ekstra elektroner, hvor «, er den egentlige alfa for kollektoren. I en artik-kel av W. Shockley med tittelen «Theories of High Values of Alpha for Collector Contacts on Germanium» som kom i «Physical Revue» 1. mai 1950, fremkom

«the p-n hook theory» for å forklare verdier på a større enn 1 som man fant i punkt-kontakt-transistorer. Det ble hevdet at det eksisterte en såkalt «hake» i kurven for potensiel energi som forsinket «hullene» på deres vei til metallkontakten, slik at deres romladning opsamles, hvorved de får en stimulerende virkning på elektronene.

Virkemåten for den flatetransistor som den foreliggende oppfinnelse omfatter, antas å skyldes dannelsen av en p-n «hake». Det antas at denne type transistorer virker på følgende måte: Når for-spenninger tilføres på vanlig måte, som for det viste eksempel, krever en positiv spenning på emitteren og en negativ spenning på kollektoren, begge i forhold til basiselektroden, vil huller flyte fra emitteren til n-type basismaterialet, og diffundere gjennom dette. Noen av hullene vil nå forbindelsen mellom n-type basis elektrode og det tynne p-sjikt, og disse vil bli ført inn i p-sjiktet fordi praktisk talt hele kollektorspenningen opptrer over denne forbindelse, på grunn av at forbindelsen på den annen side av p-sjiktet er forspent ved kollektorspenningen i den ledende retning. Hullene som entrer inn i p-sjiktet, vil heve potensialet i dette området (det vil bli mer positivt), hvilket vil tillate huller å flyte inn i kollektoren. Men hvis kollektoren er sterkere n-type enn «haken» er p-type, vil et ennu større antall elektroner passere fra kollektoren til «haken». Huller som går inn i «haken», blir således nøy-tralisert av elektroner fra kollektoren. Hvis levetiden i «haken» er stor, vil mange elektroner diffundere over flaten mellom «haken» og basiselektroden. På grunnav det sterke felt vil disse lett flyte inn i basisområdet hvorved de adderes til den totale strøm som passerer kollektoren til basis elektrode-barrieren. Disse strømmer adde-rer seg, fordi de huller som passerer fra basiselektrode til kollektor, omfatter en strøm i samme retning som elektroner som flyter i motsatt retning. Ethvert elektron som er trukket inn i «haken» ved dennes positive potensial som går rett gjennom og inn i basiselektroden, senker ikke potensialet på «haken», og følgelig kan den totale elektrode-strøm være meget større enn «hull»-strømmen som forårsaket den. Fordi koilektorstrømhiéri ér summen av elektron og «hull»-strømmer som passerer kdllektorbarrieren, mens emitterstrømmen i det vesentlige er «hull»-strømmen alene, (bortsett fra noen emitterte huller som aldri blir oppsamlet), er det åpenbart at man kan få meget høye verdier på alfa. Flatetransistorer med alfa-verdier på 20 og mer er oppnådd ved utførelser ifølge denne oppfinnelse. For bruk i flip-flop tellekretser er det bare nødvendig at verdien på alfa er passende større enn 1.

Det fremgår av det foregående at det for konstruksjonsøyemed er ønskelig å vel-ge høyt ledende kollektor- og emitterom-råder. Legerte områder gjøres lett høyt ledende. Det mellomliggende p-sjikt og den n-region som er forbundet til basiselektroden, utføres fortrinsvis med liten led-ningsevne for å lette innføringen av mino-ritetsbærere i denne.

Det fremgår klart at denne nye type av transistorer kan fremstilles ved å bruke praktisk talt samme utstyr, materialer og fremgangsmåter som for tiden brukes for å lage n-p-n-grodde flatetransistorer. I virkeligheten er den eneste forandring som er nødvendig å flytte gull-tråden som vanligvis er forbundet til det mellomliggende p-område, en liten bestemt avstand, f. eks. en avstad omtrent lik tykkelsen på p-sjiktet inn på et av endeområdene og sveise den fast.

Av det foregående er det klart for fag-folk på transistorområdet, at illustrasjonen som er gitt for n-p-n-krystaller likegodt kan anvendes på p-n-p-krystaller, sorri il-lustrert i den utførelsesform som er vist i fig. IA. Videre antas transistorvirkningen som er beskrevet å virke like godt med andre halv-ledende materialer, såsom silisium, blysulfit og lignende, forsåvidt som kjernen ved oppfinnelsen antas å være frembringelsen av en ny type flatetransistor-konstruksjoner som anvender en «hake»-kollektormekanisme.

En teoretisk modell av en n-p-n-p-«hake»-multiplikator-transistor er fore-slått et annet sted. I denne modell er det hevdet at det eksisterer to sentrale sjikt,

•et p-sjikt og et n-sjikt. For å fremstille en slik transistor med brukbare egenskaper indikerer teoretiske beregninger at de to sentrale sjikt av motsatt ledningstype begge må ha en liten tykkelse. Mens det ved

å bruke kjent teknikk måtte kunné være mulig å fremstille slike «hake»-kollektor-transistor-krystaller ved «flertilsatstek-nikk» (multiple-doping technique) eller muligens ved en hastighets gro-metode, er slike metoder ytterst vanskelige å anvende sett fra et praktisk synspunkt, fordi det må fremstilles to tynne nærliggende sjikt og utføres ytre elektrisk kontakt til en av disse tynne sjikt. Den foregående type av p-n-p-n-transistor avviker naturligvis be-traktelig fra metoden for nærværende oppfinnelse hvor en kjent type av flatekrys-taller blir grodd, og en emitter fremstilles som en motsatt ledningstypesjikt i en av de ytre halv-ledende lag.

I tillegg til sin spesielle nytte i telefon-sentralstrømløp, er en høy alfa flatetransistor nyttig i de fleste typer av regnemaskiner og flip-flop-kretser hvor kraftbehov er viktig og hvor mange transistorer brukes i et gitt strømløp. Disse transistorer er også nyttige i forsterker- og oscillatorkret-ser hvor man kan bruke konstruksjoner som ikke er hensiktsmessige ved vanlige transistorer.

Claims (2)

1. Flatetransistor omfattende et legeme av halvledende materiale, f. eks. germanium, med to ytre soner av ledningstype (N-type, henholdsvis P-type) hvortil er koblet elektriske forbindelsesanordnin-ger og hvor de to ytre soner er adskilt av en mellomliggende sone av motsatt ledningstype (P-type, henholdsvis N-type), karakterisert ved at det til en av de to ytre soner er tilkoblet en ytterligere forbin-delsesanordning som er festet nær den mellomliggende sone som bare er forbundet med de to ytre soner og hvortil det ikke er koblet noen ytre forbindelse.

2. Flatetransistor ifølge påstand 1, karakterisert ved at den forbindelsesanord-ning som er festet nær den mellomliggende sone består av en legerbar leder som inneholder en tilstrekkelig mengde med uren-heter til å danne en sone av motsatt ledningstype i forhold til den ytre sone hvortil den er festet.