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Halbleitervorrichtung
Die Erfindung betrifft Halbleitervorrichtungen, insbesondere Transistoren, für Schnellschaltzwecke.
Eine ideale Schaltvorrichtung soll dem Stromfluss bei offenem Schalter einen unendlichen Widerstand entgegensetzen und einen sich dem Nullwert möglichst nähernden Widerstand, wenn der Schalter geschlossen ist. Für Sctmellsehaltzwecke ist es ausserdem wünschenswert, den Schalter mittels kurzer Impulse, die geringe Grösse besitzen, ein-und ausschalten zu können.
Gebräuchliche Verbundtransistoren, die entweder der P-N-P-oder der N-P-N-Type angehören, können als Schalter verwendet werden, aber sie haben einige Eigenschaften, die man für eine solche Verwendung besser beseitigen sollte. Im offenen oder Ausschaltezustand ist der Kollektorstrom nicht gänzlich abwesend, wenn auch sehr schwach (wenige Mikroamperes). Der Schaltvorgang wird dadurch in der Regel nicht gestört. Hingegen ist es im geschlossenen oder Einschaltezustand, bei hinsichtlich der Basiszone in der Vorwärtsrichtung vorgespannter Emitterelektrodenzone, um hohe Kollektorströme zu erhalten, erforderlich, eine ziemlich hohe Kollektorspannung aufrechtzuerhalten (mindestens einige Volt).
Auch ist es nötig, einen relativ hohen Basisstrom aufrechtzuhalten, um den als Schaltvorrichtung zu verwendenden Transistor im"Ein"-Zustand zu halten. Wenn der Basisstrom entfällt oder beträchtlich vermindert wird, hört der Ausgangsstrom entweder vollständig auf, oder er sinkt auf einen unerwünscht niedrigen Wert.
Demnach kann die Vorrichtung dann nicht mehr durch Impulsgabe gesteuert werden.
Obgleich man gefunden hat, dass die Wirkungsweise eines als Schaltvorrichtung verwendeten Transistors verbessert werden kann, wenn es gelingt, ihn unter den Bedingungen des sogenannten "Lawinen"- Effekts zu betreiben, so erfordert doch auch dieses Arbeitsprinzip relativ hohe Kollektor ! Emitter- oder Kollektor/Basisspannungen, nämlich in der Grössenordnung von Voltzehnern, um die Vorrichtung im Einschaltzustand zu halten, und dies führt zu einer beträchtlichen Wärmeerzeugung und dementsprechendem Leistungsverlust. Die Wärme muss sehr schnell abgegeben werden, damit sie die Stabilität der Vorrichtung nicht stört, eine Forderung, die zu konstruktiven Schwierigkeiten führt.
Gegenstand der Erfindung ist ein verbesserter Schalttransistor, der für einen unter hoher Geschwindig- keit erfolgendenBetrieb besonders geeignet ist, relativ niedrige erforderliche Kollektor ! Emitter- und Kollektor/Basisspannungen im Einschaltzustand erfordert und der durch Impulsgabe betätigt werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einer Halbleitervorrichtung aus, mit einem Basisteil aus einem kristallinen Halbleitermaterial, welches der einen Leitfähigkeitstype angehört, und mit einer Emitterelektrode, die mit einem Bereich dieses Basisteils in gleichrichtendem Kontakt steht, sowie mit einem Kollektorbereich, der mit einem andern Bereich des Basisteils in gleichrichtendem Kontakt steht und schliesslich mit einer Kollektorelektrode für den erstgenannten Bereich des Basisteils.
Bei einer solchen Halbleitervorrichtung kennzeichnet sich die Erfindung dadurch, dass der Basisbereich eine Verunreinigungskonzentration aufweist, welche von einer seiner Seiten zur ändern Seite abnimmt, wobei die Emitterelektrode in gleichrichtendem Kontakt mit jener Seite des Basisbereiches steht, welche die höhere Verunreinigungskonzentration aufweist, und wobei der Kollektorbereich mit jener Seite des Basisbereiches. in gleichrichtendem Kontakt steht, welche die niedrigere Verunreinigungskonzentration aufweist und die Kollektorelektrode über eine im wesentlichen Ohmsche Verbindung an jener Seite des Kollektorbereiches befestigt ist, die der Seite, an welcher der Basisbereich befestigt ist, gegenüberliegt.
Für Anwendungen, bei denen sowohl eine Schnellschaltwirkung als auch eine Verstärkung benötigt wird, wird eine Basiselektrode vorgeschlagen, die mit dem Basisbereich in einem nicht gleichrichtenden
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licher Verstärkertransistor betrieben werden, aber da der Kollektorstrom durch Vergrösserung der Ba- sis/Bmitter-Vorwärtsvorspannung vergrössert wird, wird ein Wert erreicht, bei dem die Einführung von Überschussladungsträgern sehr schnell zunimmt und dieser-Strom, kombiniert mit dem Emitterstrom erlaubt es, dass ein sehr hoher Strom bei einer sehr niedrigen Spannung fliesst.
Durch Vorspannung der Vorrichtung in Nähe dieses Punktes hohen Stromflusses ist es möglich, einen zwischen Emitter-und Basiselektrode gelegten kurzen Impuls dazu zu verwenden, um die Vorrichtung in den Hochleitungszustand zu schalten. Die Polarität des Impulses hängt davon ab, ob es sich um eine Vorrichtung der P-N-P oder des N-P-N-Typs handelt. Sobald der hohe Strom fliesst, d. h. der Bereich negativen Widerstandes erreicht ist, kann der von einer äusseren Quelle stammende Basisstrom entfallen, ohne dadurch den Kollektorstrom zu beeinflussen. Jedoch kann der starke Strom dadurch, dass ein Spannungsimpuls von einer dem Einschaltim- puls entgegengesetzten Polarität zwischen Emitter und Basis gelegt wird, abgeschaltet werden.
Zusätzlich zur Brauchbarkeit der Vorrichtung als Schnellschalter kommen ihr manche andere Anwendungsmöglich- keiten zu, z. B. in einem selbsterregten Oszillatorsperrkreis oder in einem frequenzteilenden Kreis.
An Hand der schematischen Zeichnungen werden eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung der Vorrichtung und Schaltungen, welche erfindungsgemäss Vorrichtungen enthalten, erläutert, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen werden. Es zeigt :
Fig. 1 einen Querschnitt durch die Vorrichtung, Fig. 2 ein Diagramm, darstellend den Verlauf des Kollektor/Emitterstromes als Funktion der Kollektor/Emitterspannung, u. zw. für zunehmende Basisstromwerte in einer Vorrichtung nach Fig. 1 ;
Fig. 3a zeigt den Verlauf des Kollektorstromes aber der Zeitachse, für die Vorrichtung nach Fig. 1 und lässt die kurze Anstiegzeit erkennen, welche nötig ist, um den Hochleitungszustand des Betriebes. zu erreichen und die kurze Zeitspanne die man braucht, um in den Zustand niedriger Leitfähigkeit zurückzukommen ; Fig. 3b zeigt den Verlauf der Basisspannung über derselben Zeitskala, wie sie Fig. 3a verwendet, und macht ersichtlich, wie man Impulse oder Wellensignale verwenden kann, um das Schalten innerhalb der Vorrichtung herbeizuführen ;
Fig. 4 ist ein schematisches Schaltbild einer Schaltungsanordnung, die von einer Vorrichtung nach Fig. 1 Gebrauch macht, Fig. 5 ein Diagramm, das die Veränderung von ace mit dem Emitterstrom veranschaulicht, Fig. 6 ein Schaltbild eines blockierenden Oszillators, der eine Vorrichtung nach Fig. l verwendet, und Fig. 7 das Schaltbild eines Frequenzteilers, der ebenfalls eine Vorrichtung nach Fig. 1 verwendet.
Gemäss Fig. l besteht der vorliegende Schalttransistor aus einem Körper 2 aus Germanium, auf dem eine Schichte oder ein Bereich 4 einer Dicke von etwa 0,025 mm und einem Durchmesser von etwa 0, 3 mm ausgebildet ist, die bzw. der auf der Oberseite eines Sockels 6 des Körpers sitzt und den Basisbereich bildet. Dieser Bereich gehört der N-Type an und wird dadurch erhalten, dass man Arsen in den Körper von aussen her eindiffundieren lässt. An den Basisbereich schliesst, von einer gleichrichtenden Schranke 10 getrennt, ein Bereich 8 an, der eine Leitfähigkeit von 3 Ohm/cm aufweist. Dieser Bereich, der eine Dicke von etwa 0, 125 mm hat, dient als Kollektorbereich und gehört der P-Leitfähigkeitstype an ; er kann dadurch erhalten werden, dass man mit Indium oder einer andern der P-Type angehörigen Verunreinigung aktiviert.
Eine gleichrichtende Emitterelektrode 12, mit einem Durchmesser von etwa 0, 1 mm ist an einen Teil desBasisbereiches 4 durch oberflächliche Legierung angeschlossen und eine Basiselektro- de 14 steht mit einem andern Teil der Basisregion, vorzugsweise in nächster Nähe der Emitterelektrode, in ohmischer Verbindung. Der Emitter kann aus einer Legierung bestehen, die aus 99, 6% Indium und 0, 4% Aluminium besteht. Die Basiselektrode besteht aus 49% Blei, 49% Zinn und 21o Antimonlot.
Ein besonderes Merkmal der Erfindung liegt in der Art der Elektrode, die mit dem Kollektorbereich verlötet ist ; die Elektrode, die im vorliegenden Falle eine P-N.. P-Vorrichtung ist, ist befähigt, Löcher bei niedrigen Kollektorströmen zu sammeln, aber auch befähigt, Elektronen bei oberhalb dieses geringen Stromwertes liegenden Kollektorströmen zu injizieren. Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform umfasst diese Elektrode ein Nickelplättchen 16, das mittels eines besonderen Lotes 18 an den Kollektorbereich angelötet ist ; dieses Lot besteht aus 49% Blei, 49% Zinn und e Indium. Die Zusammensetzung des Plättchenmetalls ist nicht wichtig.
Das Lot besteht aus einem kleineren Anteil eines Metalles, dasder P-Leitfähigkeitstype angehört, welches hinsichtlich des Kollektorbereiches 8 eine Verunreinigung vorstellt, wogegen der Hauptanteil des Lotes aus Metallen besteht, die weder der N- noch der P-Type angehörende Verunreinigungen hinsichtlich des Kollektorbereiches sind. Versuche haben gezeigt, dass die Elektrode 16, 18 nicht gleichrichtend ist, d. h. es ist eine Gleichrichterschranke nicht vorhanden, und demnach ist die Vorrichtung kein P-N-P-N-Gebilde.
Für die einzelnen Herstellungsschritte werden herkömmliche Verfahrensschritte angewendet. Kurz wiederholt sind dies folgende :
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Ein Plättchen aus Germanium der P-Type wird einer Diffusionsbehandlung mit der Arsenverunreinigung unterworfen, um zu erreichen, dass Spuren von Arsen in eine Obertlachensch1chte einer Dicke von etwa 0,0025 mm bis 0,005 mm über die gesamte Fläche des Plättchens diffundieren. Es wird dies dadurch erreicht, dass man in Gegenwart einer Arsen abgebenden Quelle entweder im Vakuum oder innerhalb der Umgrenzung eines sehr geringen Luftvolumen einschliessenden Gefässes für die Dauer einer Stunde bei 8000C erhitzt.
Die Schicht in die das Arsen eindiffundiert ist, wird sodann mit Ausnahme des In der fertigen Vorrichtung vorhanden sein sollenden Basisbereiches 4 durch Ätzung entfernt. Es geschieht dies in der Weise, dass jener Flächenbereich der von der Ätzung ausgenommen werden soll, mittels eines Wachsauftrages geschützt wird, worauf man denRest der Oberfläche mit einer Lösung ätzt, die dadurch erhalten wurde, dass man einen Tropfen einer 0, 55% igen wasserigen Losung vonKallumjodid zu 1 Liter einer Lösung hinzufügt, die aus 600 cms konzentrierter Salpetersäure, 300 cm* Essigsäure und 100 cm* 48% iger Fluorwasserstoffsäure besteht. Die Ätzdauer beträgt ungefähr eine Minute oder etwas mehr.
Nachdem man die Ätzlösung durch Spülen und anschliessendes Trocknen entfernt hat, wird das Wachs, welches den Basisbereich geschützt hatte, durch ein Lösungsmittel (Benzone) entfernt und der gesamte Kristall für 15 Sekunden in derselben Ätzflüssigkeit als Ganzes geätzt, worauf in destilliertem Wasser gespült wird. In diesem Stadium umfasst das Gebilde den der P-Type angehörigen Kollektorbereich 8 mit einem Plateau 6 aus Germanium derselben Type, über dem sich der Basisbereich 4 erhebt.
Als nächstes wird die Emitterelektrode 12 an einem Teil des Basisbereiches angebracht, indem ein kleines, gereinigtes quadratisches Plättchen aus Indium-Aluminiumlegierung (0, 4% Al), das mit einer geringen Menge eines herkömmlichen Aluminiumflussmittels beschichtet ist, angebracht wird. Das In-
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getrocknet wird. Sodann wird die Basiselektrode angebracht, indem man ein kleines quadratisches Plätt- chen aus Lötmetall, bestehend aus 49% Blei, 49% Zinn und 2% Antimon, an das Ende eines verzinnten Platindrahtes, der zuvor in Lötmittel getaucht wurde, befestigt, das Lot hinreichend erhitzt, damit es Kugelform annimmt und an dem Platindraht haftet.
Anschliessend wird die an dem Drahtende haftende Lötmetallkugel in ein Flussmittel getaucht und so nahe als möglich im Basisbereich der Emitterelektrode an diese herangebracht, worauf dieeinheit in trockenem Wasserstoff über zwei Minuten auf 4250C erhitzt und anschliessend abgekühlt wird.
Anschliessend wird die Nickelelektrode 16 an dem Kollektorbereich befestigt, indem man eine Seite eines Nickelplättchens mit aus 49tao Blei, 49ebb Zinn und 2% Indium bestehendem Lötmetall überzieht, die beschichtete Seite in Kontakt mit der Kollektorregion des Kristalles bringt und in trockenem Wasserstoff auf 300 C für 2 Minuten erhitzt.
Der Aufbau der Vorrichtung kann in mannigfacher Hinsicht geändert werden. ohne dass sich wesentliche Abweichungen von ihrem noch zu beschreibenden Verhalten ergeben. Beispielsweise ist es nicht unbedingt erforderlich, die Emitterelektrode oberflächlich zu legieren, um eine rekristallisierte Zone zu bilden ; sie kann vielmehr auch eine gleichrichtende Elektrode mit Oberflächenschranke sein. Auch der Basisbereich ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Form beschränkt. Wie gezeigt, hat der Basisbereich eine Verunreinigungskonzentration, die von der Aussenoberfläche grösserer Konzentration zu einer der gleichrichtenden Schranke benachbarten inneren Fläche von geringerer Verunreinigung abnimmt.
Dies
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Weise auch wenn die Verunreinigungskonzentration über die Basis gleichmässig verteilt ist, oder wenn die Verunreinigung auf eine andere Weise eingeführt wird. Wenn man eine Verstärkung überhaupt nicht verlangt, kann die Basiselektrode gänzlich entfallen. Die Vorrichtung wird alsdann als Schalter und nicht als Verstärker arbeiten. Es kann sowohl ein N-P-N-, als auch ein P-N-P-Aufbau angewendet werden.
Von Bedeutung ist das Lot, das zur Befestigung der Spezialelektrode an dem Kollektorbereichdient, weil es anscheinend dazu beiträgt, um die elektrischen Eigenschaften dieser Elektrode zu bestimmen. Der Anteil an Indium im Lötmetall kann beträchtlich verändert werden. Wenn man, wie angegeben, ein Lot mit 2% Indium verwendet, tritt Schaltung bei einem Basisstrom von 3 mA auf.. Verwendet man 10% Indium, so ist der Schaltstrom höher er liegt alsdann um 5 mA. Als Ersatz für das Blei-Zinn-Indiumlot ist sowohl reines Indium als auch reines Blei versucht worden, jedoch wurde in keinem Falle ein Abschaltstrombereich festgestellt.
Wenn eine N-P-N-Einheit erzeugt wird, so kann das Lot für die Spezialelektrode aus 49% Blei, 49% Zinn und 2% Arsen oder Antimon oder einem andern Element der Gruppe Va des periodischen Systems der Elemente bestehen.
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DieFig. 2zeigtArbeitscharakteristiken beiverwendung der Vorrichtung als Hochstrom-Schnellschalt- vorrichtung. Diese Kurven entsprechen einer im Vorhergehenden beschriebenen Vorrichtung. Wie in der Figur gezeigt, arbeitet die Vorrichtung bei niedrigen Werten des Basisstromes und niedrigen Werten der Kollektor/Emitterspannung als gewöhnlicher Transistor mit einem mit steigender Kollektor/Emitterspannung gleichmässig ansteigenden Kollektor/Emitterstrom.
Indessen tritt, sogar bei einem Basisstrom Null, wenn die Kollektor/Emitterspannung hoch genug ist (für die vorliegende Vorrichtung betrug sie bei 60 V) ein Widerstandszusammenbruch auf Grund des Lawineneffekts ein und die Vorrichtung springt unvermittelt in einen Zustand hohen Kollektor/Emitterstromes. Indem der Basisstrom vergrössert wird, wird die Kol- lektor/Emitterspannung, bei welcher die Auslösung des Lawineneffektes eintritt, erheblich kleiner, so dass wie die Figur zeigt, für 9uA Basisstrom die Auslöse-oder Schaltspannung um 30V und für 12pAdie Spannung um 20 V liegt. In diesem Bereich tritt ein von Lawineneffekt verschiedener Effekt auf. Dieser Effekt wird im einzelnen später beschrieben.
Teilweise ist die verbesserte Wirkungsweise der Vorrichtung durch die Tatsache bedingt, dass, nachdem der Hochstrombereich erreicht ist, der Basisstrom auf Null reduziert werden kann, ohne den Kollek-
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niedrigen Serienwiderstand darbietet (3-10 Ohm im Beispiel) und, im Beispiel, für 100 mA Kollektorstrom der Spannungsabfall nur 0, 5V beträgt. Dies fahrt zu einem sehr geringen Leistungsverlust bei hoher Leitfähigkeit.
Einige das Verhalten der Vorrichtung als Schalttransistor kennzeichnende Charakteristiken sind in den Fig. 3a und 3b dargestellt. Eine Schaltung, in welcher die Vorrichtung als Schalter verwendet wird, ist in Fig. 4 gezeigt. Die Fig. 3a und 3b haben ein und dieselbe Zeitbasis. Wie die Fig. 3a zeigt, kann der Kollektorstrom zu einem plötzlichen Anstieg veranlasst werden, über jede gewünschte Zeit auf gleicher Höhe bleiben und dann plötzlich auf seinen früheren Pegel abfallen. Verfahren, um die Schaltwirkung herbeizuführen, sind in Fig. 3b dargestellt. Um die Vorrichtung einzuschalten, wird ein Impuls negativer Spannung mit einem Scheitelwert von etwa 50 mW oder in manchen Fällen sogar weniger, wie durch den Impuls A angedeutet, verwendet werden, um die Vorrichtung in den Einschaltezustand zu bringen.
Die Anstiegszeit, die benötigt wird, um die Vorrichtung in den leitenden Zustand zu bringen, ist sehr kurz und liegt bei etwa 0, 1 Mikrosec. Die Länge eines Impulses kann etwa 0,05 Mikrosec betragen. Ein ähnlicher aber polaritätsmässig entgegengesetzter Impuls B kann angelegt werden, um die Vorrichtung in den Ausschaltezustand zu bringen. Durch Verwendung eines beträchtlich stärkeren Impulses zur Ausschaltung der Vorrichtung, z. B. 20 V von einer Quelle mit einem inneren Widerstand von 50 Ohm, ist es möglich, die Vorrichtung in 0,04 Mikrosec auszuschalten. Für eine zweckmässiger Antriebskraft, etwa 8 V einer Quelle von 50 Ohm innerem Widerstand beträgt die Gesamtabschaltzeit um 0, 1 Mikrosec.
Um die Schaltwirkung herbeizuführen, können auch andere Wellenformen verwendet werden. Beispielsweise kann man, wie Kurve C der Fig. 3 zeigt, eine Sinuswelle anwenden, wobei die Vorrichtung einschaltet, wenn die Sinuswellenspannung den geeigneten Wert in Negativrichtung erreicht, und das Ausschalten eintritt, wenn der passende Wert in der positiven Richtung erreicht worden ist. Es könnten indes auch Rechteckimpulse verwendet werden.
Eine Schaltung, welche die Vorrichtung als Schnellschalter verwendet, ist in Fig. 4 dargestellt. Wie aus dieser Darstellung ersichtlich, ist der Transistor so geschaltet, dass eine Signalquelle 20 zwischen seine Basiselektrode 14 und seine Emitterelektrode 12 gelegt ist. Die Emitterleitung ist geerdet. Die negative Seite einer Vorspannungsbatterie 22 ist an die Spezialelektrode 16 über einen Lastwiderstand 24 gelegt, der einen Wert von 50 bis 200 Ohm besitzen möge. Die positive Seite der Batterie, die einstellbar 1, 5-20 V liefern können soll, ist geerdet. Die Signalquelle kann, wie dies früher erläutert worden ist, eine Quelle eines Sinuswellenpotentials oder einer andern Wellenform sein oder sie liefert kurze Rechteckimpulse. Im Einschaltzustand kann der Strom 0, 5 - 1 A mit etwa 1 V am Kollektor betragen.
Da die Kollektorspannung die Grösse von 20 V oder sogar mehr erreichen kann, kann der Höchstwert der Ausgangsleistung, welche die dargestellte Schaltung als Schalter verarbeiten kann, bis in die Grössenordnung von 10 bis 20 Watt gehoben werden.
Wie schon früher angegeben, ist die verbesserte Arbeitsweise der Vorrichtung hauptsächlich eine Folge der Spezialelektrode, die an den Kollektorbereich gelegt ist. Diese Elektrode hat in der im Beispiel gezeigten P-N-P-Vorrichtung die Eigenschaft, bei einem schwachen Kollektorstrom zur Sammlung von Löchern befähigt zu sein, aber bei höheren Werten des Kollektorstromes Elektronen zu injizieren.
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Fig. 5 zeigt ct"als eine Funktion des Emitterstromes für die vorliegende Vorrichtung. Wenn ace dem Einheitswert in dem geerdeten Emitterkreis gleich ist oder diesen Wert übersteigt, so erfolgt die Wirkung im Hochleitungszustand. Wie die Kurve der Figur zeigt, nimmt das steigende ixc. sehr schnell mit dem
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sondert gemessen werden, zeigt es sich, dass das Elektronen-a für geringe Werte des Emitterstromes sehr klein ist. Es steigt jedoch bei kritischen Werten des Emitterstromes sehr schnell an. Zwischen 1 mA und
25 mA tritt ein Anstieg um zwei Grössenordnungen auf.
Wenn die Vorrichtung in den Hochleitungszustand umschaltet, sind die Stossstellen wirkungsmässig verschwunden. Es findet eine Einführung von Löchern vom Emitter und eine Einführung von Elektronen vom Kollektorkontakt in ungefähr gleicher Zahl statt. Bei hohen Stromdichten (über 10 mA Emitterstrom) sinkt der durch den Emitter eingeführte Lochstrom, was zur Folge hat, dass das kombinierte Loch- und Elektronen-a sinkt.
Im folgenden wird eine Erklärung dafür gebracht, auf welche Weise die Spezialkollektorelektrode grosse Elektronenströme injiziert, ohne dass diese Erklärung schutzbeschränkend sein soll. Für kleine Werte des Kollektorstromes ist anerkannt, dass die Löcher die Potentialschranke durchbrechen und dass an der Trennfläche eine kleine aber endliche Impedanz (zusätzlich zum Serienwiderstand des Körpers), auftritt. Indem der Lochstrom zunimmt, wird die Höhe der Schranke abgebaut. Der Elektronenstrom, der sich bei einem Fluss Null im thermischen Gleichgewicht befindet, nimmt mit abnehmender Schranke zu. Da der Elektronen- und der Lochstrom wegen des verschiedenartigen in Frage kommenden Mechanismus die Höhe der Schranke in verschiedener Weise beeinflussen, tritt ein Wechsel im relativen Verhältnis von Loch- zu Elektronenstrom auf, indem der Gesamtstrom zunimmt.
Vorliegende Vorrichtung hat einige Eigenschaften, die jenen einer der Hakentype angehörige P-N-P-N-Vorrichtung ahnlich ist, aber es bestehen auch einige wichtige Unterschiede. Ein Transistor der Hakentype kann eine negative Widerstandscharakteristik besitzen, deren Form der In Fig. 2 dargestellten Kurve ähnlich ist, aber der Überschlagstrom (d. i. der Pegel, bei welchem das Schalten im Zustande niedriger Leitfähigkeit in das Schalten im Zustande hoher Leitfähigkeit übergeht), die Schaltschnelligkeit und die Arbeitstemperatur weichen wesentlich ab. Die Unterschiede rühren von der Natur der Elektronen injizierenden Elektrode her.
Für Vergleichszwecke wurde ein P-N-P-N-Transistor der Hakentype hergestellt, dessen äussere Form und Abmessungen ähnlich jenen der In Fig. 1 gezeigten Vorrichtung waren, mit der Abweichung, dass anstatt der Blei-Zinn-Indiumelektrode des dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung die Kollektorverbindung eine eutektische Blei-Arsenmischung war, die bei 600 C legiert worden war. Demnach wurde auf der ausgesetzten Oberfläche des der P-Type angehörigen Kollektorbereiches eine der N-Type angehörige Region hervorgebracht. Mit einem solchen Gebilde war es nicht möglich, die Art der In Fig. 2 gezeigten Charakteristik zu erzeugen, da der Durchbruch, d. h. Übergang zum Hochleitungszustande bei sehr schwachen Strömen eintrat.
Typische Werte für den Durchbruch für Gleichstrombedingungen waren : 1b M 1-10 mA ; I-M 10-50 mA.
Der schwache Überschlagsuom der P-N-P-N-Vorrichtung verursacht zwei Betriebsschwierigkeiten : Zunächst ist der zulässige Temperaturbereich stark herabgesetzt, weil der Kollektorstrom mit der Temperatur zunimmt. Da der Zusammenbruch bei niedrigen Werten des Kollektorstromes stattfindet, ist die oberste Arbeitstemperatur mit Nullbasisstrom sehr gering ; sie liegt bei etwa 350C verglichen mit 6sOC für typische Vorrichtungen nach der Erfindung. Zweitens Ist der niedrige Wert des Überschlagstromes mit einem sehr schwachen über dem Kollektorkörper liegenden Feld verbunden und Infolgedessen ist die Feldbeschleunigung der Minoritätsträger durch den Kollektor nicht sehr wirksam.
Die Ansprechgeschwindigkeit hängt nahezu gänzlich vom Diffusionsfluss in der P-N-P-N-Vorrichtung ab und daher mass man, um eine grosse Ansprechgeschwindigkeit zu erhalten, einen viel dünneren Kollektorkörper verwenden als dies für die vorliegende Vorrichtung der Fall Ist.
Fig. 6 zeigt eine Schaltung, in der die vorliegende Vorrichtung als selbsterregter Sperroszillator Verwendung findet. Um eine die Basiselektrode 14 speisende Quelle einer veränderbaren oder einstellbaren Vorspannung zu schaffen, ist die negative Klemme einer Batterie 26 an die Basiselektrode über ein Potentiometer gelegt, welches einen spannungsteilenden Widerstand 28 und eine Anzapfung 30 aufweist. Die
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Batterie muss Grundvorspannungen ausreichender Höhe, etwa 0, 4 oder 0, 5 V, liefern, um zu veranlassen, dass der Kollektorstrom in den Bereich negativen Widerstandes steigt.
Um die Zeitkonstante des Oszilla- tors einzustellen, wird der Emitter 12 des Transistors an ein die Zeitkonstante festlegendes RC-Glied ge- legt, das aus einem einstellbaren Widerstand 32, der zwischen den Emitter und eine ein Bezugspotential liefernde Quelle, in diesem Falle Erde, liegt und aus einem Kondensator 34 besteht, der zu diesem Wi- derstand parallel geschaltet ist. Die Kollektorelektrode ist mittels einer Batterie 36, welche Werte von
3 bis 20 V haben möge, über einen Widerstand 38 dessen Werte zwischen 50 - 200 Ohm liegen mögen, negativ vorgespannt. Die positive Batterieklemme liegt an Erde. Die Kollektorelektrode ist zu einer Aus- gangsklemme 40 geführt, wogegen die andere Ausgangsklemme an Erde liegt.
Im Betriebe ist, bevor der
Kollektorstrom zu fliessen beginnt, die Spannung am Zeitnetzwerkkondensatot 34 niedrig und indem der
Strom zu fliessen beginnt, wird der Emitter augenblicklich auf Erdpotential oder einem diesem beinahe gleichkommenden Wert gehalten. Daher erreicht der Auslöse-oder Um chaltestrom sein Maximum und hält diesen Wert bis der Kondensator auf ein Ausmass geladen ist, dass die wirkende Grundvorspannung den
Kollektorstrom veranlasst, abzunehmen, in welchem Zeitpunkte der Kollektorstrom abgeschaltet wird.
Die am Kondensator verbleibende Spannung hält den Kollektorstrom ausgeschaltet. Der Strom bleibt ausgeschaltet, bis die Ladung des Kondensators durch den Widerstand auf einen Wert abnimmt, so dass die Spannung zwischen demEmitter und der Basis abermals ein Schalten des Kollektorstromes herbeiführt. Die Wiederholungsgeschwindigkeit hängt in erster Linie von der Zeitkonstanten der aus Widerstand 32 und Kon- densator34bestehendenKombination ab und zu einem gewissen Masse auch von derEmitter/Basisspannung und der Kollektorspannung.
Wenn der Widerstand 32 etwa 100 Ohm und der Kondensator 34 um 0,02 ,ut aufweisen, so liegt die Wiederholungsgeschwindigkeit für den besonderen Transistor im Bereiche von etwa 1 MHz.. Anstatt des Kondensators 34 kann man einen Kondensator 44 zwischen den Emitter und den Kollektor legen oder man verwendet ihn in Verbindung mit ersterem, um andere Wirkungen hervorzubringen.
Wenn man den Kondensator allein benutzt, so wird der Ausgang spitzenförmig anstatt dass er die Form eines mehr oder weniger nach oben in Rechteckform begrenzten Impulses aufweist. Ein Widerstand der mit der Basiselektrode in Serie liegt, führt zu einer Herabsetzung der Basisspannung und wenn dies weit genug geht, so unterbleiben. Schwingungen.
Fig. 7 zeigt die vorliegende Vorrichtung in einer frequenzteilenden Schaltungsanordnung. Die gezeigte Schaltung ist jener nach Fig. 6 ähnlich, jedoch mit dem Unterschied, dass eine Signalquelle 46 zwischen die Anzapfung des teilenden Widerstandes und die Basiselektrode 14 des Transistors gelegt ist. In dieser Schaltung möge der Vorspannungswiderstand 38 einen Wert von 50 bis 200 Ohm besitzen und die Batterie 36 Spannungen zwischen 1,5 und 20 V. Das Vorspannungspotential für den Emitter und in Verbindung mit dem Kondensator 34 und dem Widerstand 32 werden so bemessen, dass ein Impuls solcher Beschaffenheit entsteht, dass ein Impuls und eine Pause die Anzahl von Signalschwingungen enthalten, die in der geteilten oder Endfrequenz vorhanden sein soll.
Das zu teilende Signal oder die zu teilende Frequenz wird, wie angedeutet, zwischen Basis und Emitter gelegt und es werden geringere Einstellungen der Signalspannung, der Kollektor-Basisspannung und des über dem Kondensator 34 liegenden Widerstandes vorgenommen, bis die gewünschte Teilungszahl erreicht ist. Mit steigender Teilungszahl werden die Einstellungen kritischer. Eine Teilung von 10 bis 20 ist vorteilhaft. Ein 3,6 MHz besitzendes Signal wurde durch 13 geteilt und konnte einstufig nach oben oder unten verändert werden. Da der Ausgang dieses Vervielfachers gross ist, können anschliessende Teilerstufen ohne Zwischenverstärkung betrieben werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleitervorrichtung mit einem Basisteil aus einem kristallinen Halbleitermaterial, welches der einen Leitfähigkeitstype angehört und mit einer Emitterelektrode, die mit einem Bereich dieses Basisteiles in gleichrichtendem Kontakt steht, sowie mit einem Kollektorbereich, der mit einem andern Bereich des Basisteils in gleichrichtendem Kontakt steht und schliesslich mit einer Kollektorelektrode für den erstgenannten Bereich des Basisteils, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisbereich (4) eine Verunreinigungskonzentration aufweist, welche von einer seiner Seiten zur andern Seite abnimmt, wobei die Emitterelektrode (12) in gleichrichtendem Kontakt mit jener Seite des Basisbereiches (4) steht, welche die höhere Verunreinigungskonzentration aufweist, und wobei der Kollektorbereich (8) mit jener Seite des Basisbereiches (4)
in gleichrichtendem Kontakt steht, welche die niedrigere Verunreinigungskonzentration aufweist und die Kollektorelektrode (16) über eine im wesentlichen ohmsche Verbindung an jener Seite des Kollektorbereiches (8) befestigt ist, die der Seite, an welcher der Basisbereich (4) befestigt ist, gegenüberliegt.