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Spacistor mit einem in Sperrichtung vorgespannten pin-Halbleiterkörper
und mit einer injizierenden Elektrode und einer nicht injizierenden Modulator-Elektrode
auf der i-Zone Die Erfindung betrifft asymmetrisch leitende Halbleiteranordnungen,
insbesondere solche Halbleiteranordnungen, die im allgemeinen als »Spacistoren«
bezeichnet werden.
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Ein Flächentransistor, die am meisten gebräuchliche Halbleiteranordnung
zum Übertragen von Signalen, enthält zwei Zonen vom einen Leitfähigkeitstyp, die
von einer dünnen Zone des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps getrennt sind, die
von zwei dichtbenachbarten pn-Übergängen begrenzt wird. hiinoritätsträger werden
in der mittleren Zone oder Basiszone von der einen Zone mit dem entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp injiziert, die als Emitterzone bezeichnet wird. Der Stromdurchgang
in der Emitterschaltung, einem Kreis mit geringer Impedanz, setzt den Stromfluß
im Ausgangs- oder Kollektorkreis fest. Da der Kollektorkreis ein Kreis mit hoher
Impedanz ist, kann eine Spannungs- und Leistungsverstärkung erzielt werden. Ein
Nachteil des Transistors besteht darin, daß er eine niedrige Eingangsimpedanz hat.
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Der Spacistor nutzt andererseits nur einen pn-Übergang aus, der die
Zone der einen von der des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps trennt. Eine mit
einer Stromquelle verbundene Kontaktelektrode ist an der Zone mit dem einen Leitfähigkeitstyp
vorhanden. Eine Ausgangs- oder Kollektorelektrode ist mit der Zone mit dem entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp verbunden. An dem pn-Übergang ist eine Vorspannung in der Sperrichtung
angelegt, damit ein breites Raumladungsgebiet entsteht. Ein Raumladungsgebiet ist
an allen pn-Übergängen vorhanden und durch eine fast völlige Abwesenheit von positiven
oder negativen Leitungsträgern gekennzeichnet. In einem Spacistor verbreitert die
entgegengesetzte Vorspannung, die an dem Raumladungsgebiet angelegt ist, in starkem
Maße das Raumladungsgebiet.
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Zwei Kontaktelektroden an dem verbreiterten Raumladungsgebiet vervollständigen
den Spacistor. Eine Injektorelektrode und eine Modulatorelektrode sind nämlich an
dem Raumladungsgebiet angebracht. An der Injektorelektrode liegt eine Vorspannung,
so daß Träger des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps injiziert werden. An der
Modulatorelektrode liegt eine Vorspannung, die die injizierten Träger zurücktreibt,
die von der Ausgangselektrode gesammelt werden. Zwischen der mit der Stromquelle
verbundenen Elektrode und der Modulatorelektrode wird ein Eingangssignal angelegt.
Ein Ausgangssignal wird dann an einer Belastung im äußeren Kreis zwischen der Ausgangselektrode
und der Stromquelle abgegriffen. Die Halbleiteranordnung arbeitet infolge einer
Modulation des Stroms, der in dem Kreis zwischen den Injektor-und Ausgangselektroden
fließt, mit Signalen, die an der Modulatorelektrode angelegt werden. Zu den Vorteilen
des Spacistors gehören seine hohe Eingangsimpedanz und verbesserte Hochfrequenzeigenschaften.
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Ein Ziel der Erfindung ist eine Halbleiteranordnung, bei der der Eingangs-
und Ausgangskreis dieses bekannten Spacistors mit Injektor- und Modulatorelektrode,
die stark kapazitiv gekoppelt sind, entkoppelt werden, so daß beim Betrieb mit hohen
Frequenzen keine äußeren Entkopplungskreise verwendet zu werden brauchen.
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Die Erfindung bezieht sich somit auf einen Spacistor mit einem in
Sperrichtung vorgespannten pin-Halbleiterkörper mit einer injizierten Elektrode
mit einem in Flußrichtung vorgespannten, vorgelagerten Übergang auf der i-Zone und
mit einer nicht injizierenden und zur Modulation verwendeten Elektrode mit einem
in Sperrichtung vorgespannten, vorgelagerten Übergang in der Nähe der injizierenden
Elektrode auf der i-Zone. Erfindungsgemäß ist zur weiteren Entkopplung von Eingangs-
und Ausgangskreis eine dritte, nicht injizierende Elektrode mit einem in Sperrichtung
vorgespannten, vorgelagerten Übergang zwischen den ersten beiden Elektroden und
dem am Ausgangskreis gelegenen pi- bzw. ni-Übergang des Halbleiterkörpers angebracht.
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Die Erfindung wird durch die Beschreibung der Fig. besser verständlich.
Fig.
1 ist ein Schaltbild eines Spacistors gemäß der Erfindung; Fig. 2 ist eine Auftragung
der Spannung innerhalb des Spacistors nach Fig. 1; Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform
des Spacistors nach Fig. 1.
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In Fig. 1 ist ein Spacistor mit der zugehörigen Schaltung gemäß der
Erfindung zu sehen. Der Spacistor nach Fig: 1 enthält einen Halbleiterkörper 1 mit
einem p-Bereich 2 und einem n-Bereich 3, die durch ein breites eigenleitendes Gebiet
4 getrennt sind. Eine mit einer Stromquelle verbundene Elektrode 5 befindet sich
am p-Bereich 2. Eine Ausgangselektrode 6 ist am n-Bereich 3 angebracht. Eine Emitterelektrode
7, die in diesem Falle von einem mit einem Donator legierten Kontakt gebildet ist,
ist an dem eigenleitenden Gebiet 4 relativ dicht neben dem pi-Übergang 8 angebracht,
der die Bereiche 2 und 4 trennt. Eine Modulatorelektrode 9, die ein mit einem Akzeptor
legierter Kontakt ist, befindet sich ebenfalls an dem eigenleitenden Gebiet 4 relativ
dicht am pi-Übergang B. Eine Pufferelektrode 10, die ebenfalls ein mit einem Akzeptor
legierter Kontakt ist, ist zwischen der Emitterelektrode 7 und der Modulatorelektrode
9 einerseits und dem n-Bereich 3 andererseits an dem eigenleitenden Bereich 4 angeschlossen.
Was für Donatoren und Akzeptoren für den Halbleiterkörper benutzt werden, ist allgemein
bekannt. Es sind z. B. die Elemente der Gruppe III des Periodischen Systems Akzeptoren
und die Stoffe der Gruppe V Donatoren für Germanium, Silizium und Siliziumkarbid,
dagegen sind die Elemente der Gruppe II und VI Akzeptoren bzw. Donatoren für intermetallische
Mischungen oder Verbindungen der Gruppen III und V.
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An dem pin-Übergang des Halbleiterkörpers liegt eine Vorspannung in
der Sperrichtung, so daß im wesentlichen kein Stromdurchgang von der mit der Stromquelle
verbundenen Elektrode 5 zur Ausgangselektrode 6 stattfindet. Die Emitterelektrode
7 hat gegenüber der mit der Stromquelle verbundenen Elektrode 5 eine positive Vorspannung.
An der Modulatorelektrode 9 und der Pufferelektrode 10 liegt jeweils eine positive
Vorspannung gegenüber der Elektrode 5. Die tatsächliche Vorspannung an der betreffenden
Elektrode ist jedoch nicht durch die angelegten Vorspannungen darstellbar, da die
wesentliche Eigenschaft der Vorspannung, die an einer speziellen Elektrode angelegt
ist, nicht das Potential gegenüber der mit der Stromquelle verbundenen Elektrode
oder der Ausgangselektrode ist, sondern das Potential der speziellen Elektrode gegenüber
dem Halbleiterkörper ist, mit dem die Elektrode an einem bestimmten Punkt in Berührung
steht. Da der Spacistor mit einer Injektion von Trägern, im Falle der Fig. 1 mit
einer Injektion von Elektronen, aus der Injektorelektrode 7 und mit der Sammlung
dieser Elektronen an der Ausgangselektrode6 arbeitet, muß an der Injektorelektrode7
eine Vorspannung in Durchlaßrichtung gegenüber dem Punkt des Halbleiterkörpers liegen,
mit dem die Elektrode in Berührung steht. Außerdem müssen die Modulatorelektrode
9 und die Pufferelektrode 10 eine Vorspannung in Sperrichtung gegenüber dem Punkt
des Halbleiterkörpers aufweisen, mit dem sie in Berührung stehen.
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Die genauen Verhältnisse zwischen den Potentialen, die an den Elektroden
7, 9 und 10 angelegt sind, kann man besser an Hand der Fig. 2 verstehen. Fig. -2
zeigt eine Auftragung des Spannungsgradienten über dem Halbleiterkörper 1 der Fig.
1. Wie man- aus der Fig. 2 erkennen kann, ist das Potential im p-Bereich 2 im wesentlichen
das Bezugspotential, bis der pi-1Jbergang 8 erreicht wird. Hier tritt ein Potentialanstieg
auf. Wenn nicht an den Elektroden 7, 9 und 10 eine Vorspannung angelegt wäre, würde
ein langsamer linearer Anstieg des Potentials im eigenleitenden Gebiet 4 auftreten,
wie er durch die gestrichelte Linie A angegeben ist, bis man zu dem ni-Übergang
11 gelangt, an dem die gesamte angelegte Spannung erreicht sein würde. Das tatsächliche
Potential im Gebiet 4 mit den. an den Elektroden angelegten Potentialen ist durch
die Kurve B der Fig. 2 dargestellt. Aus der Kurve B kann man erkennen, daß am Punkt
b1 eine positive Vorspannung, die an der Injektorelektrode liegt und etwas geringer
als das Potential des Punktes des Halbleiterkörpers ist, mit dem die Elektrode in
Berührung steht, einen Abfall des Potentials bewirkt. Da die Injektorelektrode 7
ein Donatorkontakt ist und gegenüber dem Halbleiterkörper, mit dem sie in Berührung
steht, negativ ist, liegt der hierdurch gebildete Übergang an einer Vorspannung
in Durchlaßrichtung, so daß die Injektion von Elektronen in das eigenleitende Gebiet
4 hinein erleichtert wird.
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An der Kurve B kann man erkennen, daß das Potential des eigenleitenden
Gebietes ansteigt, wenn man weiter in das Innere des Kristalls hinein vorschreitet
und sich von dem p-Bereich 2 und dem Punkt b1 entfernt, daß aber nicht wieder das
durch die gestrichelte Linie A angegebene Potential erreicht wird, das bei einer
Abwesenheit der an den Elektroden 7, 9 und 10 angelegten Vorspannungen erreicht
werden würde. Das Potential innerhalb des Halbleiterkörpers steigt weiterhin an,
bis der Punkt b2 erreicht ist, an dem die Modulatorelektrode 9 angeordnet ist. Die
Modulatorelektrode 9 ist genauso wie die Injektorelektrode 7 positiv gegenüber dem
p-Bereich2 und der mit der Stromquelle verbundenen Elektrode 5 vorgespannt, ist
aber nur so weit positiv, daß die Modulatorelektrode 9 gegenüber dem Punkt des Halbleiterkörpers
negativ ist, mit dem sie in Berührung steht. Hierdurch wird das Potential des Halbleiterkörpers
ein wenig gesenkt, wie durch die Vertiefung an der Stelle b2 angedeutet ist. Da
die Modulatorelektrode ein Akzeptorkontakt ist, bewirkt die Tatsache, daß sie sich
auf einem negativen Potential gegenüber dem Punkt des Halbleiterkörpers befindet,
mit dem sie in Berührung steht, daß an ihr eine Vorspannung in Sperrichtung liegt.
Infolgedessen ist die Modulatorelektrode 9 daran gehindert, einen Elektronenstrom
abzuführen, der in das eigenleitende Gebiet 4 aus der Injektorelektrode 7 injiziert
ist.
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Wenn man um ein weiteres Stück in das eigenleitende Gebiet 4 hineingeht
und von dem p-Bereich 2 aus am Punkt b, vorbeigeht, nimmt das Potential des eigenleitenden
Gebietes noch einmal langsam zu, erreicht aber nicht das Niveau, das innerhalb des
eigenleitenden Gebietes vorhanden sein würde, wenn keine Vorspannungen an den Elektroden
7, 9 und 10 liegen würden. Dieser Zustand dauert so lange an, bis ein Punkt b3 erreicht
wird., an dem die Pufferelektrode 10 angeordnet ist. An der Isolationselektrode
10 liegt ein positives Potential gegenüber der mit der Stromquelle verbundenen Elektrode
5. Diese Spannung ist jedoch derart gewählt, daß sie sich etwa unter dem Potential
des Punktes des Halbleiterkörpers befindet, mit dem die Elektrode in Berührung steht,
so daß sie tatsächlich negativ gegenüber dem Halbleiterkörper ist. Infolgedessen
fällt das Potential an ihr unmittelbar auf einen möglichst kleinen Wert am Punkt
b3 ab. Da die Pufferelektrode 10 einen Akzeptorkontakt aufweist
und
negativ gegenüber dem Halbleiterkörper ist, mit dem sie in Berührung steht, liegt
an dem Übergang zwischen dem Kontakt 10 und dem eigenleitenden Gebiet 4 eine Vorspannung
in Sperrichtung. Genauso wie an der Elektrode 9 ist dieser Zustand erforderlich,
damit die Elektrode keinen Elektronenstrom abfuhrt und den Durchgang der Elektronen
nicht nachteilig beeinflußt, die von der Injektorelektrode 7 injiziert und vom Bereich
3 gesammelt werden. Im Hinblick auf diese beiden Vorspannungen sei erwähnt, daß
die relativen Werte der Vorspannungen und das Potential des Halbleiterkörpers, mit
dem die Elektroden in Berührung stehen, derart gewählt sind, daß das Positiverwerden
der Elektroden gegenüber dem Halbleiterkörper beim Anlegen kurzer Signale nicht
ausreicht, die Elektroden positiv gegenüber dem Halbleiterkörper zu machen, so daß
Elektronen von den Elektroden angezogen werden.
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Wenn man weiter nach innen innerhalb des eigenleitenden Gebietes 4
von dem p-Bereich 2 aus vorschreitet, steigt das Potential des Halbleiterkörpers,
wie durch die Kurve B angegeben ist, bis zu einem Maximum an, das an dem in-Übergang
11 erreicht und im gesamten n-Bereich 3 im wesentlichen konstant beibehalten wird.
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In einem speziellen Beispiel für den zuvor beschriebenen Spacistor,
bei dem die Vorspannungen so ausgewählt sind, daß sie die zuvorgenannten Bedingungen
einhalten, kann der Halbleiterkörper 1 ein monokristallines Gußstück aus Silizium
von etwa 3 mm Länge sein. Das breite eigenleitende Gebiet 4 kann annähernd 1,25
mm dich sein. Der p-Bereich 2 kann mit 1018 Atomen pro cm3 Bor imprägniert
sein und einen spezifischen Widerstand von 0,02 Ohm - cm aufweisen. Der n-Bereich
3 kann mit annähernd 1018 Atomen pro cm3 Lithium imprägniert sein und weist
einen spezifischen Widerstand von 0,02 Ohm -cm auf. Eine Sperrspannung von
100 V ist zwischen der Elektrode 5 und der Ausgangselektrode 6 von einer Gleichspannungsquelle,
z. B. einer Batterie 12, hergestellt. Fast die gesamte Spannung ist dem eigenleitenden
Gebiet 4 aufgeprägt, dessen elektrisches Potential sich von dem Bezugspotential
des p-Bereichs 2 und des pi-Übergangs 8 bis zu einem maximalen positiven Potential
des n-Bereichs 3 am in-Übergang 11 ändert. Die Injektorelektrode 7 liegt 0,125 mm
vom pi-Übergang 8 entfernt. Die Modulatorelektrode 10 ist in einem Abstand von annähernd
0,25 mm von der Injektorelektrode 7 in Längsrichtung des eigenleitenden Gebietes
4 entfernt angeordnet. Die Pufferelektrode 10 liegt etwa 0,65 mm von der Modulatorelektrode
9 in Längsrichtung des eigenleitenden Gebietes 4 entfernt.
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Wenn auch die Injektor-, die Modulator- und die mit der Spannungsquelle
verbundenen Elektroden in einer Reihe angegeben sind, ist diese geometrische Anordnung
nicht unbedingt notwendig. Es ist lediglich erforderlich, daß die Modulatorelektrode
9 sich an einer Stelle befindet, an der sie den Trägerstrom vom Injektor zur Ausgangselektrode
beeinflußen kann. Sie könnten sich z. B. am Punkt 7' der Fig. 1 senkrecht gegenüber
der Elektrode 7 befinden. Die Pufferelektrode 10 braucht lediglich an einer Stelle
angeordnet zu sein, an der ein an ihr angelegtes Potential eine innere Rückkoppelung
vom Ausgangskreis zum Eingangskreis verhindert.
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Um die elektrischen Vorspannungen in der zuvor beschriebenen Weise
aufrechtzuerhalten, wird von einer Spannungsquelle, z. B. einer Batterie 13, an
die Injektorelektrode 7 ein positives Potential von 9,9 V geliefert. Damit die Modulatorelektrode
9 das richtige Potential gegenüber dein eigenleitenden Gebiet 4 aufweist, mit dem
sie in Berührung steht, wird ein positives Potential von 15 V von einer Spannungsquelle,
z. B. einer Batterie 14, zugeführt, die in einem Zweig zwischen der Modulatorelektrode
9 und der mit der Spannungsquelle 12 verbundenen Elektrode 5 liegt. Von einer Batterie
15 wird eine `'orspannung von 30 V an die Pufferelektrode 10 geliefert. Passende
elektrische Eingangssignale werden einem Eingangswiderstand 16 über Anschlüsse 17
und 18 zugeführt, der eine Modulationsspannung zwischen der Modulatorelektrode 9
und der Eingangselektrode 5 aufdrückt. Eine Ausgangsspannung wird an einem Ausgangswiderstand
19 über Klemmen 20 und 21 abgenommen, die mit der Ausgangselektrode 6 und der Eingangselektrode
5 in Verbindung stehen.
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Es ist wesentlich, das eigenleitende Gebiet 4 viel breiter als die
Raumladungsgebiete der bisherigen Spacistoren zu machen. Zur Ausbildung eines derartig
breiten eigenleitenden Gebietes kann ein bereits vorgeschlagenes Verfahren, bei
dem Störstellen als Ionen durch Feld- und Wärmeeinwirkung wandern, Verwendung finden.
Gemäß diesem vorgeschlagenen Verfahren wird ein pn-Übergang in einem Halbleiterkörper
unter Verwendung eines schnell diffundierenden, äußerst beweglichen Aktivators für
den Halb leiten auf der einen Seite des pn-Übergangs hergestellt. An den auf diese
Weise hergestellten pn-Übergang wird dann eine Vorspannung in Sperrichtung gelegt,
mit der ein elektrisches Feld von etwa 105 V/cm am Übergang aufgedrückt wird. Das
Gerät wird dann auf eine solche Temperatur erhitzt, daß die äußerst beweglichen
Aktivatorionen auf der einen Seite des Übergangs unter der Wirkung des elektrischen
Feldes zu wandern beginnen, so daß es zur Bildung eines sehr breiten eigenleitenden
Gebietes am Übergang kommt.
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Äußerst bewegliche Ionen sind für dieses Verfahren Lithiumionen in
Silizium oder Siliziumkarbid und die üblichen Donator- und Akzeptor-Verunreinigungen
für Hochtemperaturhalbleiter, z. B. Siliziumkarbid, Bor, intermetallische Mischungen
oder Verbindungen der Gruppen III-V, z. B. Aluminiumphosphid, Galliumarsenid und
Indiumantimonid, sowie die üblichen Donatoren und Akzeptoren für intermetallische
Mischungen oder Verbindungen der Gruppen II-VI, z. B. Zinktellurid und Kadmiumtellurid.
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Wie bereits erwähnt, ist es für die Arbeitsweise des Spacistors bedeutsam,
daß ein breites eigenleitendes Gebiet innerhalb des Halbleiterkörpers herbeigeführt
wird. Der hier benutzte Begriff »breites eigenleitendes Gebiet« bedeutet ein eigenleitendes
Gebiet, dessen Dicke größer als die Dicke ist, die in einem beliebigen, gegebenen
Halbleiterkörper mit vorgegebenem spezifischem Widerstand und vorgegebener Verunreinigung
durch Herstellung eines Rauinladunesgebietes an einem zugehörigen pn-Übergang erzielbar
ist. Für einen möglichst günstigen Betrieb des Spacistors und eine leichte Fertigung
sollte diese Breite vorzugsweise jedoch mindestens 0,5 mm betragen.
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In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform des Spacistors nach Fig.
1 zu sehen. Der alleinige Unterschied gegenüber dem Spacistor nach Fig. 1 besteht
darin, daß die Injektorelektrode 7 kein n-Donatorkontakt am eigenleitenden Gebiet
ist, sondern als Punktkontakt z. B. aus Platin, Platin-Ruthenium oder aus Wolfram
ausgebildet ist, wie er z. B. bei Punktkontakttransistoren und -dioden benutzt wird.
Da die alleinige Funktion der Elektrode 7 darin besteht,
Träger
in den Körper des Gerätes zu injizieren und da solche Punktkontakte in an sich bekannter
Weise Elektronen oder Defektelektronen in ein eigenleitendes Gebiet injizieren,
läßt dieser Austausch sich einfach durchführen.
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Wenn auch bei dem Spacistor nach den Fig.1 und 2 angegeben ist, daß
die Zone 2 ein p-Material und die Zone 3 ein n-Material enthält und die Injektion
der Elektronen in der Nähe der Zone 2 stattfindet, kann diese Anordnung auch umgekehrt
werden, so daß zwei Arten Geräte ohne wesentlichen Unterschied in ihrer Arbeitsweise
entstehen. Zum Beispiel kann die Zone 2 nach Fig. 1 einen n-Halbleiter und die Zone
3 einen p-Halbleiter enthalten. In diesem Fall würde die Injektorelektrode 7 ein
Akzeptor- oder Punktkontakt, die Modulatorelektrode 9 ein. Donatorkontakt und die
Pufferelektrode 10 ein Donatorkontakt sein. Dann kann der Spacistor mit einer Injektion
von positiven Löchern (Defektelektronen) aus der p-Injektorelektrode 7 arbeiten,
und die Löcher wandern dann zur p-Zone 3. Wenn ein derartiger Austausch stattfindet,
würde die Polung der Batterien 12 bis 15 umgekehrt werden müssen, damit der Spacistor
in der Sperrichtung vorgespannt ist, aber die relative Größe der Spannungen würde
dieselbe sein.