DE1764152B2

DE1764152B2 - Steuerbares feldeffekt-halbleiterbauelement mit zwei stabilen zustaenden

Info

Publication number: DE1764152B2
Application number: DE19681764152
Authority: DE
Inventors: Paul Chevilly Larue Morel Philippe Bnere Pierre Teszner Stanislas Paris Durand
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1967-04-11
Filing date: 1968-04-11
Publication date: 1977-10-06
Also published as: NL6805190A; US3482151A; DE1764152A1; GB1168219A; FR92860E; CH479954A; NL159234B

Description

Die Erfindung geht aus von einem steuerbaren Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit zwei stabilen Zuständen, welches in einer einkristallinen Platte aus Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps Source- und Drain-Bereiche mit ohmschen Kontakten an der Oberfläche der Halbleiterplatte, ferner einen Gate-Bereich aus Halbleitermaterial eines zweiten Leitungstyps an der Oberfläche der Platte und mindestens einen Kanal vom ersten Leitungstyp besitzt, der den Source-Bereich mit dem Drain-Bereich verbindet und in seinem mittleren Teil von der Gate-Elektrode überdeckt ist (»Automatik«, Mai 1965, Seiten 178-181).

Der bistabile Charakter dieser Halbleiterbauelemente wird deutlich, wenn man die Polarität der Gate-Elektrode unter der Einwirkung eines Impulses geeigneten Vorzeichens wechselt. Der eine stabile Zustand entspricht der Sperrung des zwischen Gate-Bereich und Source-Bereich fließenden Gatestromes, wobei eine Polarisation des Gate-Kanal-Überganges in Rückwärtsrichtung auftritt, der zweite stabile Zustand entspricht dem praktisch freien Durchgang des Gatestromes, wobei eine Polarisation des Gate-Kanal-Überganges in Vorwärtsrichtung auftritt. Im Sperrzustand und vor der völligen Sperrung wird der Kanal des Halbleiterkörpers im wesentlichen von Majoritätsladungsträgern durchlaufen, die zwischen Source und Drain umlaufen; im Leitendzustand dagegen wird die Strombahn zwischen Gate und Source gleichzeitig von Majoritäts- und Minoritätsladungsträgern in praktisch gleicher Zahl durchlaufen.

Halbleiterbauelemente ähnlicher Bauart oder Struktür sind bekannt.

In der DT-AS 12 28 723 ist ein Unipolartransistor beschrieben, der einen Kanal eines ersten Leitungstyps besitzt, in den eine Zone eines zweiten Leitungstyps eingelassen ist, deren eine Seite die Gate-Elektrode parallel zum Kanal und gegenüber der anderen Seite trägt, welche die mit der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode verbundenen Kanalenden trägt Der Aufbau dieses Transistors ist symmetrisch bezüglich einer Querachse zwischen der Source-Elektrode und der Drain-Elektrode. Einerseits erlaubt es dieser Aufbau nicht, die Arbeitsweise des Transistors als Diode oder als Triode auseinanderzuhalten. Andererseits läßt sich bei diesem Aufbau der Energieverbrauch nicht senken, der durch die Polarisationsspannung an der Drain-Elek trode auftritt Diese Nachteile gelten für alle Betriebsarten unter optimalen Bedingungen, wie weiter unten erklärt wird.

Die Erfindung stellt sich einen Transistor der eingangs genannten Art zum Ziel, der unter stets optimalen Bedingungen in einer ersten Ausgestaltung als Diode und in einer zweiten Ausgestaltung als Triode betreibbar ist.

Hierzu verwendet die Erfindung einige Besonderheiten von steuerbaren Feldeffekt-Halbleiterbauelementen mit zwei stabilen Zuständen vom Typ des auch als »Technotron« bekannten Unipolartransistors mit negativem Widerstand, wie er in der DT-AS 11 68 569 beschrieben ist. Diese Halbleiterbauelemente können als Kippschalter oder als Flip-Flops oder ähnliche elektronische Schaltelemente eingesetzt werden.

Diese Halbleiterbauelemente weisen zwischen Gate-Elektrode und Source-Bereich einen relativ großen Widerstand im Sperrzustand auf, hervorgerufen durch eine Einschnürung des Querschnitts des Halbleiterkörpers, durch den der Strom fließt. Diese Einschnürung befindet sich in unmittelbarer Nachbarschaft des Gate, so daß von dem in Vorwärtsrichtung polarisierten Gate-Kanal-Übergang ausgehende Minoritätsladungsträger in sie eindringen können. Andererseits besteht zusätzlich ein Widerstand zwischen Gate und Drain, der eine ausreichende Höhe hat, um den von der Drainstromquelle gelieferten Strom zu begrenzen, wobei der Abstand dieses Begrenzungswiderstandes vom Gate ohne Einfluß ist.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß der Widerstand zwischen Gate und Source durch zwei unterschiedliche Prinzipien verwirklicht werden kann. Dies führt zu unterschiedlichen Ausgestaltungen des Halbleiterbauelements, die nachfolgend als Diode-Typ bzw. als Trioden-Typ bezeichnet sind.

Diese unterschiedlichen Arbeitsprinzipien sind jedoch in den in der DT-AS 11 68 569 beschriebenen Halbleiterbauelementen nicht deutlich unterscheidbar. Der Grund hierfür ist die Stäbchenform des Halbleiters mit Einkerbungen oder einer Einschnürzone des Kanals zwischen der Source-Elektrode und der Gate-Elektrode einerseits und zwischen der Drain-Elektrode und der Gate-Elektrode andererseits. Quer- und Längsabmessungen dieser Einschnürzone erlauben weder optimale noch für die beiden Arbeitsprinzipien speziell angepaßte Arbeitsbedingungen. Es werden hier wie auch in »Automatik«, Mai 1965, Seiten 178-181, nur die Querabmessungen dieser Einschnürzone betrachtet, während beispielsweise für den Fall einer Funktion des Halbleiterbauelementes als Diode die Einschnürzone zwischen der Source-Elektrode und der Gate-Elektrode hinreichend breit sein muß, damit im Leitendzustand ein kleiner Source-Widerstand erreicht wird.

Um die optimalen Arbeitsbedingungen für beide Ausgestaltungen des Halbleiterbauelementes zu verwirklichen, stellt sich die Erfindung die Aufgabe, Strukturen integrierter Halbleiterbauelemente zu kombinieren, wie sie in der DT-AS 12 28 723 und in »Automatik«, Mai 1965, Seiten 178-181, beschrieben sind, und dabei nichtsymmetrische Strukturen zu schaffen, bei denen die beiden Einschnürungszonen oder Einkehlungen abweichend von dem in der DT-AS 11 68 569 beschriebenen Stand bezüglich ihrer Abmessungen genau definiert sind.

Hierzu geht die Erfindung aus von einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art

Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch zwei in der Halbleiterplatte angeordnete Zonen vom zweiten Leitungstyp, die im Kanal zwei Einschnürungszonen abgrenzen, wobei die

eine Einschnürungszone zwischen dem Source-Bereich und dem Gate-Bereich und die andere Einschnürungszone zwischen dem Drain-Bereich und dem Gate-Bereich angeordnet ist.

Die beiden Ausgestaltungen des Halbleiterbauelementes nach der Erfindung, d. h., der Dioden-Typ und der Trioden-Typ, unterscheiden sich grundsätzlich nach den Leitungseigenschaften und den Dimensionen der Einschnürungszone zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode.

Entspricht das Halbleiterbauelement einer Diode, dann muß im Leitendzustand die Einschnürungszone einen kleinen Source-Widerstand aufweisen, der kleiner ist als der Sättigungswiderstand. Entspricht das Halbleiterbauelement einer Triode, dann muß im Leitendzustand diese Einschnürungszone gesättigt sein, wobei die Drain-Elektrode sodann als Steuerelektrode wirkt. Der Zustand der NichtSättigung und der Sättigung dieses den Kanal verlängernden Source-Widerstandes unterscheiden sich folglich durch die Stärke des dort herrschenden elektrischen Feldes im Verhältnis zur kritischen Feldstärke des Halbleiters des ersten Leitungstyps. Bekanntlich ist die Ladungsträgergeschwindigkeit bis zu einem gewissen kritischen Feldwert proportional zum elektrischen Feld, wobei die Ladungsträgerbeweglichkeit jedoch konstant ist. Über diesem kritischen Feldwert wächst die Ladungsträgergeschwindigkeit mit dem elektrischen Feld immer weniger und nähert sich langsam einem Sättigungswert infolge einer langsamen Abnahme der Ladungsträgerbeweglichkeit.

Folglich muß bei der ersten Ausgestaltung des Halbleiterbauelementes der Source-Widerstand im Leitendzustand klein sein, und die Länge bzw. die Tiefe der Einschnürungszone zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Elektrode sind relativ groß bzw. klein, derart, daß im Leitendzustand ein elektrisches Feld unterhalb des kritischen Feldes sichergestellt ist, d. h., daß der Source-Widerstand nicht gesättigt ist. Folglich muß die Dicke des Kanals unter der Gate-Elektrode hinreichend klein sein, derart, daß dieser Kanal den Drain-Strom durch Feldeffekt begrenzt und daß infolgedessen die Gate-Source-Spannung, welche die Diode kennzeichnet, unabhängig von der Drain-Source-Spannung ist. Für diese erste Ausgestaltung, den Diodentyp, ist das Halbleiterbauelement nach der Erfindung zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß der von der Gate-Elektrode überdeckte mittlere Teil des Kanals einen hinreichend kleinen Querschnitt besitzt, damit der Spannungsabfall, der von dem zwischen Source- und Drain-Bereich fließenden Strom erzeugt ist, längs diesem mittleren Teil des Kanals die Begrenzung des Drainstromes durch den Feldeffekt bewirkt, sowie dadurch, daß die Länge der Einschnürung zwischen dem Source-Bereich und dem Gate-Bereich kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger und hinreichend groß ist, damit das in dieser Einschnürungszonc erzeugte Feld einen Wert unterhalb derjenigen kritischen Feldstärke besitzt, ab der die Beweglichkeit der Majoritätsladungsträgcr abnimmt. <*>

Bei der zweiten Ausgestaltung des Halbleiterbauelements nach der Erfindung, dem Triodentyp, muü hingegen der Sourccwidcrstand im Lcitendzustand gesättigt sein, die Länge bzw. die Tiefe der Einschnürungszonc zwischen der Gate- und der Source-Elcktro- <vs de sind klein bzw. groß, derart, daß ein elektrisches Feld oberhalb des kritischen Feldes sichergestellt ist. Folglich muß die Dicke des Kanals unter Gatc-Elektrodc hinreichend groß sein derart, daß der Drain-Strom durch den Feldeffekt nicht begrenzt wird, wobei dieser Drain-Strom wie das Gitter einer Triode die Gate-Source-Spannung steuert. Unter diesen Bedingungen muß die Gate-Source-Spannung eng mit der Drain-Source-Spannung verbunden sein wie bei einer Triode.

Bei dieser zweiten Ausgestaltung, dem Triodentyp, ist ein Halbleiterbauelement nach der Erfindung zusätzlich dadurch gekennzeichnet, daß der von der Gate-Elektrode überdeckte mittlere Teil des Kanals einen hinreichend großen Querschnitt besitzt, damit der Spannungsabfall, der von dem zwischen Source- und Drain-Bereich fließenden Strom erzeugt ist, längs diesem mittleren Teil des Kanals der Begrenzung des Drain-Stromes durch den Feldeffekt zuvorkommt, sowie dadurch, daß die Länge der Einschnürungszone zwischen dem Source-Bereich und dem Gate-Bereich kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger und hinreichend klein ist, damit das in dieser Einschnürungszone erzeugte Feld einen Wert oberhalb derjenigen kritischen Feldstärke besitzt, ab der die Grenzgeschwindigkeit der Majoritätsladungsträger erreicht ist.

In allgemeiner Weise besitzen die Halbleiterbauelemente beider Ausgestaltungen ähnlich den in »Automatik«, Mai 1965, Seiten 178-181, beschriebenen Halbleitern einen Kanal und Gate-, Source- und Drain-Zonen, die rechteckig sind.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung weist daher der Halbleiterkörper vom zweiten Leitungstyp die Form eines dünnen Plättchens mit einer dünnen Isolierschicht auf. Der Source-Bereich, der Drain-Bereich und der mittlere Teil des Kanals bestehen aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps und besitzen die Form dreier länglicher Rechteckzonen, die zueinander parallel und voneinander getrennt sind und eine Dicke von höchstens der Tiefe des dünnen Plättchens aufweisen. Die Gate-Elektrode besteht aus Halbleitermaterial des zweiten Leitungstyps und besitzt die Form einer länglichen Rechteckzone, welche die Rechteckzonen des mittleren Teils des Kanals überdeckt und eine Dicke geringer als die Tiefe des dünnen Plättchens besitzt, so daß der Kanal zwischen der dünner Isolierschicht und der Gate-Elektrode bestehenbleibt Beide Einschnürungszonen, die eine Einschnürungszone zwischen dem Source-Bereich und der Gate-Elektrode und die andere Einschnürungszone zwischen dem Drain-Bereich und der Gate-Elektrode bestehen au; Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps und besitzer die Form quer zu den Rechteckzonen des Source-Bc reichs, des mittleren Teils des Kanals und de! Drain-Bereichs verlaufender Rechteckzonen, die eim kleinere Tiefe als die erstgenannten Rechtcckzoncr besitzen und diese miteinander verbinden.

Bei einem Halbleiterbauelement des Diodentyps kanr das Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps au: Silizium vom P-Lcitungstyp bestehen. Die Lange dci quer verlaufenden, den Source-Bereich und dci mittleren Teil des Kanals verbindenden Rcchtcckzoni kann zwischen 75 und 150 μιτι betragen, und die Dick< des mittleren Teils des Kanals zwischen der dUnnci Isolierschicht und der Rcchtcck/.onc der Gatc-Elcktro de kann hinreichend klein sein, so daß der Kanal bc einer Polarisation der Gatc-Elcktrodc durch dci Pinch-Off-Effekt verengt wird.

Bei einem Halbleiterbauelement des Triodentyp kann das Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps au Silizium vom N-Lcitungstyp bestehen. Die Hinge de quer verlaufenden, den Sourcc-Bcrcich und dci

mittleren Teil des Kanals verbindenden Rechteckzone kann zwischen 5 und 20 μηι betragen, und die Dicke des mittleren Teils dieses Kanals zwischen der dünnen Isolierschicht und der Rechteckzone der Gate-Elektrode kann hinreichend groß sein, so daß der Kanal bei einer Polarisation Null der Gate-Elektrode nicht durch den Pinch-Off-Effekt verengt wird.

Bei einer anderen Ausbildungsform des Halbleiterbauelementes vom Triodentyp ist eine Struktur des »Gridistor-Typs« vorgesehen mit senkrechten Kanälen und mit kreisringförmigen Elektroden, derart, daß die Einschnürungszone des Kanals vollkommen rotationssymmetrisch ist und daß sich das Halbleiterbauelement wesentlich weiter miniaturisieren läßt als bei dem zuvor beschriebenen Aufbau. Diese besondere Ausführungsform mit senkrechten Kanälen ist dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper vom ersten Leitungstyp die Form eines kreisförmig dünnen Plättchens aufweist, daß der Source-Bereich, der Drain-Bereich und der mittlere Teil des Kanals aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps bestehen und die Form dreier ringförmiger Zonen besitzen, die zueinander axial und voneinander getrennt sind, ferner dadurch, daß die Gate-Elektrode aus Halbleitermaterial des zweiten Leitungstyps zusätzlich zu dem Bereich an der einen Oberfläche des Plättchens einen Bereich in der Form einer netzförmigen Zone mit ringförmigen Maschen besitzt, welche den mittleren Teil des Kanals überdeckt und eine axiale Ausdehnung geringer als die axiale Ausdehnung des dünnen Plättchens besitzt, so daß der Kanal zwischen den beiden Bereichen der Gate-Elektrode bestehenbleibt, und schließlich dadurch, daß beide Einschnürungszonen, die eine Einschnürungszone zwischen den Maschen der Netzzone und die andere Einschnürungszone zwischen der Netzzone einerseits und dem an der Oberfläche angeordneten Bereich der Gate-Elektrode und der Drain-Elektrode andererseits aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps bestehen und die Form quer zu den Ringzonen des Source-Bereichs, des mittleren Teils des Kanals und des Drain-Bereichs verlaufender Ringzonen besitzen, die eine kleinere axiale Ausdehnung als die Ringzone des mittleren Kanals besitzen und die erstgenannten Ringzonen miteinander verbinden.

Die Erfindung und ihre Ausgestaltungen werden in der folgenden Beschreibung und der Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 in schematischcr Darstellung die Funktionsweise eines Feldcffckt-Halbleitcrbauclemcntcs mit negativem Widerstand,

Fig.2 die Strom-Spannungs-Kennlinic des Halblcitcrbauelemcntes nach F i g. 1,

Fig.3 und 4 in Ersatzschaltbildern das Halbleiterbauelement nach F i g. 1 bei Benutzung als Diode bzw. als Triode, und zwar mit Steuerung durch zwei koinzidcntc Impulse,

F i g. 5 und 6 Kurven für die Aufteilung der Druin-Sourcc-Spnnnung auf die Grundclcmcnte des Dioden-Typs bzw. des Trioden-Typs nach F i g. 3 bzw. F i g. 4 und

F i g. 7 den Verlauf der Kippspnnnung in Abhängigkeit von der Drain-Sourcc-Spannung,

F i g. 8 als Erinnerung den Aufbau des Halblcitcrbniiclcmcntcs, wie es in der deutschen Patentschrift 11 68 569 beschrieben ist,

Fig.9 in Draufsicht ein steuerbares Fcldcffckt-Hiilbleiterbauclcment des Dioden-Typs mit ncgiitivcm Widerstand und horizontalem Kanal und Fig. 10a, tOb, 10c Querschnitte längs der Linien AA, BB, CCm F i g. 9,

F i g. 11 in Draufsicht ein steuerbares Feldeffekt-Halbleiterbauelement des Trioden-Typs mit negativem Widerstand und mit horizontalem Kanal,

Fig. 12 in größerem Maßstab eine Einzelheit aus F i g. 11 und

Fig. 13a, 13b Querschnitte längs der Linien A'A', bzw. ß'ß'in F i g. H,

ίο Fig. 14 in Draufsicht eine Abwandlungsform des steuerbaren Feldeffekt-Halbleiterbauelementes nach F i g. 9 und

Fig. 15a, 15b, 15c Querschnitte längs der Linien aa, bb,cc\n Fig. 14,

Fig. 16 in Draufsicht eine Abwandlungsform des steuerbaren Feldeffekt-Halbleiterbauelementes nach F i g. 11 und

Fig. 17a, 17b Querschnitte längs der Linien a'a', b'b' in Fig. 16,

Fig. 18 einen Längsschnitt durch ein steuerbares Feldeffekt-Halbleiterbauelement vom Gridistor-Typ mit negativem Widerstand und senkrechten Kanälen,

Fig. 19 in Draufsicht das Halbleiterbauelement in Fig. 18 und
Fig. 20 Querschnitte längs der Linie AA 'in F i g. 18,

Fig.21 eine Abwandlungsform einer Einzelheit des Halbleiterbauelementes nach F i g. 18 bis 20.

F i g. 1 zeigt im Inneren eines gestrichelt gezeichneten Rahmens 1 schematisch das Grundprinzip eines nicht integrierten Technotrons mit negativem Widerstand, das in einen auf seine einfachste Form reduzierten Kreis geschaltet ist. Das Halbleiterbauelement besitzt einen Kanal 2, z. B. aus Silizium vom N-Typ, der in seinem mittleren Teil von einer Gate-Elektrode 3 aus Silizium vom P-Typ überdeckt ist, welche so einen PN-Gate-Kanal-Übergang 4 bildet, der durch den elektrischen Feldeffekt eine Raumladungszone variabler Ausdehnung im Kanal 2 schaffen und so den nutzbaren Querschnitt dieses Kanals beeinflussen kann. Dieser Aufbau ist durch das Bezugszeichen 5 im Ersatzschaltbild der F i g. 3 und 4 dargestellt.

Das Halbleiterbauelement besitzt an einer Seite der Gate-Elektrode 3 eine Einschnürungszone 6, die an der ohmschen Source-Elektrode 7 endet, und analog an der anderen Seite der Gate-Elektrode 3 eine Einschnürungszone 8, die an der ohmschen Drain-Elektrode 9 endet. Beiden Einschnürungszonen entsprechen räumlich begrenzte definierte Widerstände in der Strombahr durch das Halbleiterbauelement.

Das Halbleiterbauelement wird von einer Stromqucl Ie 10 gespeist, deren negativer Pol an Erde liegt unc deren positiver Pol, evtl. über einen Widerstand 11, at der Drain-Elektrode liegt. Wenn man den Gatc-Bcrcicl 3 direkt mit der Source-Elektrode 7 verbindet, dam erzeugt der Spannungsabfall in der EinschnUrungszoni 6 eine Sclbstpolarisation des PN-Übcrgangcs 4 ii Rückwurtsrichtung und folglich eine Qucrschnittsvcr mindcrung des Kanals 2, woraus eine Raumludung ii diesem Kanal resultiert.

<>" In Fig. I liegt die Sourcc-Elcktrodc 7 an Erde, im der Anschluß der Gate-Elektrode 3 isl mit Erde übe einen Ladewiderstand 12 in Reihe mit einer Stromquell 13 verbunden, deren negativer Pol an Erde liegt. Di positive Gatc-Sourcc-Spnnnung kompensiert die negi '"> tivc Sclbstpolarisation des PN-Obcrgangcs 4 tu teilweise, so duü dieser Übergang in Rückwllrtsrichtun vorgespannt ist und das Halbleiterbauelement sich i seinem stabilen Spcir/.tistund befindet, in dem dt

Gate-Reststrom extrem klein ist, z. B. von der Größenordnung von Nanoampere für Silizium bei Umgebungstemperatur.

Legt man über einen Kondensator 14 an den Gate-Anschluß einen Impuls 15, der positiv bei einem N-Kanal-Halbleiterbauelement und negativ bei einem P-Kana!-Halbleiterbauelement ist, so polarisiert dieser Impuls eine ausreichende Amplitude im PN-Übergang 4 in Vorwärtsrichtung. Daraufhin fließt durch den Kanal 2 ein relativ hoher Gatestrom, der von der Stromquelle 13 geliefert wird Dieser Strom steuert bekanntlich durch die intensive Injektion von Minoritätsladungsträgern bei gleichzeitiger Bildung von Majoritätsladungsträgern in gleicher Anzahl. Diese bipolare Bewegung ist in F i g. 3 und 4 durch die dem Bezugszeichen 5 zugeordneten doppelten Pfeile dargestellt Mit der Einschränkung, daß die den Widerstand 6 bildende Einschnürungszone in unmittelbarer Nachbarschaft eines Endes des Kanals 2 liegt und daß die Länge dieser Einschnürungszone (Abstand von der linken Kante von 4 bis 7) kleiner ist als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger, wandern nun Minoritätsladungsträger in die Einschnürungszone 6 ein, und ihr Widerstand wird folglich praktisch zu Null. (Dieses »Durchdringen« des Querschnittes der Einschnürungszone 6 ist durch die Pfeile in Fig. 1 dargestellt und rechtfertigt es, den Source-Widerstand 6 durch das Zeichen eines veränderlichen Widerstandes in den Ersatzschaltbildern der Fi g. 3 und 4 darzustellen.) Jetzt verschwindet die Selbstpolarisation praktisch, und die Gate-Source-Spannung nimmt bis auf einen sehr kleinen Wert ab; der Gatestrom wird jetzt hauptsächlich von dem Ladewiderstand 12 begrenzt Der zweite stabile Zustand, nämlich der Leitendzustand, ist eingetreten.

Fig.2 zeigt die entsprechende Strom-Spannungs-Kennlinie 20 zwischen Gate 3 und Source 7, wobei die Source-Elektrode 7 an Erde liegt und die Gate-Source-Spannung veränderlich ist. Vom ersten stabilen Zustand 21 aus, wo der Gatestrom negativ und fast Null ist, nimmt die Gate-Source-Spannung unter der Einwirkung des positiven Impulses 15 schnell bis zu einem Punkt 22 zu, wo der PN-Übergang 4 in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird. In diesem Punkt 22 erfolgt ein Kippen oder eine Richtungsänderung der Kurve durch einen plötzlichen Spannungsabfall bei zunehmendem Gatestrom (hierauf geht die Bezeichnung negativer diffcrentieller Widerstand zurück). Die Spannung erreicht an einem als Talpunkt bezeichneten Knie 23 ein Minimum. Jenseits des Talpunktes 23 wird der differentiellc Widerstand wieder positiv und besitzt auf dem Zweig 24 geringe Werte. Eine derartige Kennlinie ist kennzeichnend für sinen Kippschalter; sie ermöglicht dem Halbleiter-Bauelement zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten besonders auf dem Gebiet elektronischer Schaltungen.

Die Steuerung eines derartigen Halbleitcrbauelemcnlcs kann durch einen cin/.igcn Impuls erfolgen, der entweder auf das Gate 3 als Impuls 15 (Fig. 1) aufgebracht wird oder auf die Source 7 als Impuls 16 (Fig. 3) oder auf die Drain 9 als Impuls 18 (Fig.4). Voraussetzung ist nur, daß dieser Impuls eine geeignete PolaritUt besitzt, die von dem Leitungstyp des Kanals des Halbleiterbauelements abhängt, sowie eine ausreichende Amplitude, um den PN-Übergang 4 in VorwHrlsrichtung zu polarisieren.

Bei einigen Anwendungsformen, und zwar besonders bei elektronischen Schaltungen, erfolgt die Steuerung bevorzugt durch zwei koinzidente Impulse. In F i g. 3 ist unter der Voraussetzung eines Kanals vom N-Typ der zweite Impuls, der gleichzeitig mit dem Impuls 15 wirkt, ein negativer Impuls 16, der über einen Kondensator 17 an die Source-Elektrode 7 gelegt wird. Dieser Impuls 16 hat eine doppelte Wirkung: einerseits nimmt die Gate-Source-Spannung zu, andererseits nimmt die Drain-Source-Spannung zu. Damit diese beiden Effekte einander nicht entgegenwirken, ist es erforderlich, daß

ίο die Kippspannung, die dem Kippunkt 22 der Kennlinie 20 in F i g. 2 entspricht, praktisch unabhängig von der Drain-Source-Spannung ist und zwar in einem gewissen Bereich zu beiden Seiten des Nennwertes dieser Spannung.

Dieser Fall ist in Fig.5 dargestellt wo die Strom-Spannungs-Kennlinien der drei Grundelemente des Halbleiterbauelementes 1 angegeben sind, nämlich: die Gerade 25, die Kurve 26 und die Gerade 27, die für einen Strom /odie Spannungsabfälle Vb im Drainwider stand 8, V_K im mittleren Teil des Kanals 2 sowie Vs im Sourcewiderstand 6 darstellen. Bezeichnet man den Sourcewiderstand mit Rk, dann ist zweierlei nötig, damit die Kippspannung Vs= 1_D ■ R_K praktisch unabhängig von der Drain-Source-Spannung, nämlich

Va₅= V_D+ V_K+ Vs,

ist: Einerseits muß der mittlere Teil des Kanals 2 vom Strom /_D gesättigt sein, wie das die Kurve 26 und deren gestrichelte Verlängerung zeigen, andererseits muß für den betrachteten Spannungsbereich die Majoritätsladungsträgerbeweglichkeit im Sourcewiderstand 6 praktisch unabhängig vom elektrischen Feld sein.

In Fig.4 wird der zweite Impuls 18, der gleichzeitig mit dem Impuls 15 wirkt über einen Kondensator 19 an

die Drain-Elektrode 9 gelegt. Wie der Impuls 16 besitzt der Impuls 18 eine Polarität die der des Impulses 15 entgegengesetzt ist; jedoch wirkt dieser Impuls 18 nicht im Inneren des Gate-Source-Kreises und namentlich nicht auf die Polarisation des PN-Überganges 4, sondern

außerhalb dieses Kreises; die Drain-Elektrode 9 spielt die Rolle der Steuerelektrode einer Triode. Der Impuls 18 wirkt durch Abnehmen der Spannung Vos\ damit er sich auswirkt, ist also erforderlich, daß im Gegensatz zum vorangegangenen Fall die Spannung Vs- genau der

Spannung Vds folgt. F i g. 6 zeigt, daß das um so bessei der Fall ist, je besser die für die Spannung an derr Sourcewiderstand 6 kennzeichnende Kurve 28 die Sättigung dieses Widerstandes erreicht und je geradei die für die Spannung am mittleren Teil des Kanals '*

so kennzeichnende Kurve 29 verläuft; lediglich die für dii Spannung an den Anschlüssen des Drainwiderstands 1 kennzeichnende Kurve 25 ist die gleiche wie in vorangegangenen Fall. Um das zu erzielen, ist in wesentlichen erforderlich, daß die Geschwindigkeit dci

Majoritätsladungstrttger in dem Sourcewiderstand 6 in

betrachteten Bereich der Spannung Vv praktiscl

konstant und andererseits die Spannung V_K kleiner «1

die Sttttigungsspnnnung des Kanals ist.

Die Sättigung entweder des mittleren Teils de

fto Kanals 2 (Kurve 26) oder der Einschnürungszonc ι (Kurve 28) bewirkt verschiedene Funktionsweisen de Halbleiterbauelements.

F i g. 7 zeigt die beiden unterschiedlichen Formen 3 und 32 der Funktion Kv- f(V_lvt) je nach Sättigung de

"5 ersten bzw. der zweiten dieser Strecken. Kurve 31 zeig die Quttsi-Konstnnz von Kv ab einem gewissen Bereitvon Vixs: Kv wird dann praktisch unabhängig von Vn Kurve 32 zeigt im Gegenteil eine enge Abhttngigkc

zwischen Vs und Vas- Da die Maßstäbe für Vs und Vos gleich sind, ist zu erkennen, daß von einem gewissen Wert von Vos ab genau das Gesetz Δ Vs=Δ Vds gilt. Die Kurve 32 liegt mit anderen Worten parallel zur Winkelhalbierenden der Koordinatenachsen. In diesem s zweiten Fall ist außerdem unter Bezug auf F i g. 4 und 6 festzustellen, daß für den Durchschaltvorgang, d. h. für den Kipp vom Sperrzustand zum Leitendzustand, die beiden Impulse einen hohen Wert der Eingangsimpedanz antreffen. Im ersten Fall (F i g. 3) verhält sich das Halbleiterbauelement mit negativem Widerstand wie eine Diode, im zweiten Fall dagegen (F i g. 4) wie eine Triode.

Im folgenden werden nun verschiedene Ausführungsformen eines solchen Feldeffekt-Halbleiterbauelemen- tes mit einem Kanal bzw. vielen Kanälen beschrieben, wobei beide Funktionsweisen verwirklicht werden. Zunächst wird aber auf F i g. 8 Bezug genommen, in der das Prinzip eines stabförmigen Unipolartransistors mit negativem Widerstand angegeben ist, wie er in der deutschen Patentschrift 11 68 569 beschrieben ist. Die dann folgenden Ausführungsformen der Erfindung sind von dieser Ausführungsform abgeleitet.

Das Halbleiterbauelement in F i g. 8 hat drei Elektroden: eine Source-Elektrode 33, eine Gate-Elektrode 34 und eine Drain-Elektrode 35 sowie an den beiden Enden eine Gate-Kehle 36, die die Gate-Elektrode trägt, Einschnürungszonen 37 und 38, die den Source- bzw. den Drainwiderstand bilden. Je nach der Länge der Einschnürungszone 37 und dem Durchmesser der Gate-Kehle 36 kann man bei einem gegebenen Halbleiter und einer gegebenen Majoritätsladungsträgerdichte die eine oder andere der beschriebenen Funktionsweisen verwirklichen.

Vergrößert man die Länge der Einschnürungszone 37, dann kann man das vom Drainstrom erzeugte elektrische Feld in dem stabilen Zustand, in der der Gatestrom gesperrt ist, begrenzen, so daß man eine praktisch konstante Ladungsträgerbeweglichkeit erreicht; die Begrenzung des Drainstroms erreicht man durch den Feldeffekt in der Gate-Kehle 36, und zwar durch Verringerung ihres Durchmessers.

Verringert man umgekehrt die Länge der Einschnürungszone 37, dann erreicht man Werte für das elektrische Feld, bei denen die Ladungsträgerbeweglichkeit nahezu linear mit dem Feld abnimmt, so daß die Ladungsträgergeschwindigkeit auf diese Weise praktisch unverändert bleibt; im Gegensatz zum ersten Fall wird der Durchmesser der Gate-Kehle 36 erhöht, so daß man der Begrenzung des Drainstromes durch den Feldeffekt zuvorkommt.

Die Fig. 9und 10a, IOb, IOc zeigen in Draufsicht bzw. im Querschnitt längs der Linien AA, BB, CCm F i g. 9 ein in integrierter Technik ausgeführtes Feldcffekt-Halbleitcrbauelcment mit negativem Widerstand vom Dioden-Typ mit einem Kanal, der parallel zu den Oberflächen der Hnlblcitcrplattc liegt, in die seine baulichen Merkmale eingearbeitet sind. Die Halbleiterplatte enthalt schichtförmig die Halbleiterkörper auf einer dünnen Isolierschicht. Sie sind von einem Rahmen umgeben und bilden gemeinsam ein dünnes Plättchen in einer Schale. Eine derartige Schale mit der dünnen Isolierschicht erhält man bekanntlich durch chemisches oder elektrochemisches Ätzen der Fläche einer Halblcitcrpluttc oder eines Substrates, die z. B. aus 6j Silizium besteht, bis man die Außenform der Schale des dünnen Pluttchcns erhält: Anschließend wird auf der Außenfläche der Schale eine Oxidschicht gebildet, z. B.

durch Oxidation des Siliziums in Wärme, und dann lagert man epitaktisch polykristallines Silizium ab, das den Plättchenträger bildet. Schließlich wird die entgegengesetzte Fläche der Platte abgearbeitet, bis die Seitenkanten der Isolierschicht freigelegt sind.

In Fig.9 ist in Draufsicht die Schale des dünnen Plättchens auf einer dünnen Isolierschicht 40 in einem Substrat 41 aus polykristallinem Halbleitermaterial, wie z. B. Silizium, dargestellt. In dieser Schale, die ein P-Silizium-Einkristall ausfüllt, bildet man durch Eindiffundieren einer Verunreinigung vom N-Leitungstyp, wie z. B. Phosphor, einen Rahmen 42, der mit vorspringenden Zonen 43 und 44 versehen ist. Da diese Diffusion bis zum Grund der Schale geht, ist das dünne Plättchen vom Rande deutlich abgetrennt. Zwei längliche rechteckige Source- und Drain-Bereiche 45, 49 sind mit einer länglichen rechteckigen Gate-Zone 47 des Kanals einerseits einerseits durch eine schmale Einschnürungszone 46 und andererseits eine breitere Einschnürungszone 48 verbunden. In der Gate-Zone 47 bildet man anschließend durch Eindiffundieren einer Verunreinigung der Gruppe V des periodischen Systems der Elemente, wie z. B. von Phosphor, ein rechteckiges Band 51, das eine Dicke geringer als die Tiefe des dünnen Plättchens des Rahmens 42 besitzt, wie das in F i g. 10b dargestellt ist. Das Band 51 vom N-Leitungstyp bildet die Gate-Elektrode, die die Einschnürung des mittleren Teils des Kanals 52 oder die Injektion von Minoritätsladungsträgern steuert je nachdem, ob der NP-Gate-Elektrode-Kanalübergang in Rückwärtsrichtung (Gate-Source-Spannung positiv) oder in Vorwärtsrichtung (Gate-Source-Spannung negativ) polarisiert ist. Die ohmschen Source- und Drainkontakte werden auf den P+ überdotierten Zonen 53 bzw. 54 belegt, die durch Eindiffundieren einer Verunreinigung der Gruppe III des periodischen Systems der Elemente, wie z. B. Bor, in die Source- und Drain-Bereiche 45,49 gebildet werden. Es ist zu beachten, daß die Gate-Elektrode 51 deutlich vom Rahmen 42 und den vorspringenden Zonen 43,44 getrennt ist, was wesentlich dafür ist, daß die Steuerspannung des Gate nicht auf diese Zonen übertragen wird.

Fig. 10a und 10c zeigen die den Source- bzw. Drainwiderstand bildenden Einschnürungszonen 46 und 48 im Querschnitt. Diese Einschnürungszonen aus P-Silizium sind beidseitig von den vorspringenden Zonen 43 und 44 aus N-Silizium begrenzt.

Das Halbleiterbauelement ist insbesondere durch die Lunge der Einschnürungszonen 46 und 48 besonders begrenzt, und zwar speziell durch die Länge der Einschnürungszonc 46, die zwischen dem Sourcc-Bcrcich 45 und der Gate-Zone 47 angeordnet ist. Obwohl diese Einschnürungszone 46 kürzer ist als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträgcr, ist sie hinreichend lang, damit das elektrische Feld an dieser Stelle für keine der Betriebsspannungen den Bereich überschreitet jenseits dessen die Beweglichkeit der Majoritätsladungsträger einen deutlichen Abfall verzeichnet. Als Beispiel für die Größenordnung kann man festhalten daß die Länge der Einschnürungszonc 46 in dci Größenordnung von 100 Jim liegen kann, wenn Siliziuir verwendet wird, bei dem die Diffusionslänge dei Minoritätsladungsträgcr in der Größenordnung vor mindestens 150 μπι liegt, und wenn eine maximale Kippspannung von 25 Volt angewendet wird.

Die Strom-Spannungs-Kcnnlinic 27 int in diesen Falle linear, wie in F i g. 5 dargestellt. Außerdem ist dii Kanaldickc hinreichend klein, damit bei der gegebener

Majoritätsladungsträgerdichte der Kanal für alle Betriebsnennspannungen des Halbleiterbauelementes selbst bei dem Wert Null der Gate-Source-Steuerspannung gesättigt ist. Entsprechend den vorangegangenen Erklärungen handelt es sich also um ein integriertes Feldeffekt-Halbleiterbauelernent mit negativem Widerstand vom Dioden-Typ.

Bei dem in Fig. 11, 12, 13a und 13b dargestellten Bauelement handelt es sich um ein integriertes Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit horizontalem Kanal vom Trioden-Typ. Es besitzt den gleichen Aufbau, unterscheidet sich aber durch die Dimensionierung des Halbleiterkörpers sowie durch die Anforderungen an die Wahl des Halbleitersubstrates. Hier ist es von Vorteil, ein Halbleitersubstrat zu nehmen, bei dem die Veränderung der Ladungsträgerbeweglichkeit in Abhängigkeit vom elektrischen Feld möglichst stark ausgeprägt ist, wobei alle anderen Bedingungen gleich sind. So ist bei Verwendung von Silizium z. B. das Substrat 61 der Platte oder Schale bevorzugt vom N-Leitungstyp, der Rahmen 62 und seine vorspringenden Zonen 63,64, die vom Substrat 61 durch eine dünne Siliziumoxidschicht 60 isoliert sind, sind dann vom P-Leitungstyp und werden ebenso wie die rechteckige Gate-Elektrode 71 durch Eindiffundieren einer Verunreinigung der Gruppe III, wie z. B. Bor, gebildet.

Die Draufsicht nach F i g. 11 zeigt einen iänglichrechteckigen Source-Bereich 65, eine länglichrechteckige Gate-Zone 67 des Kanals und einen länglichrechteckigen Drain-Bereich 69, die untereinander durch Einschnürungszonen 66 und 68 verbunden sind, die die Source- bzw. Drainwiderstände bilden. Die ohmschen Source- und Drainkontakte werden auf den N + überdotierten Source- und Drain-Elektroden 73, 74 der Source- und Drain-Bereiche 65 und 69 belegt, der ohmsche Gatekontakt wird auf der Gate-Elektrode 71 vom P-Leitungstyp belegt.

Bemerkenswert ist die verminderte Länge der Einschnürungszone 66, die zwischen dem Source-Bereich 65 und der Gate-Zone 67 angeordnet ist; aus dieser Tatsache resultiert, daß das elektrische Feld für alle Betriebsspannungen an dieser Stelle einen Wert erreicht, für den die Grenzgeschwindigkeit der Majoritätsladungsträger erreicht ist. Das äußert sich durch die Sättigung der Strom-Spannungs-Kennlinie 2C₁ wie in Fig. 6 dargestellt. In Fig. 12 ist in Draufsicht ausschnittsweise und in starker Vergrößerung die Einschnürungszone 66 dargestellt, um deren düsenförmige Erweiterung zu zeigen, die dazu dient, das Eindringen des Flusses von Minoritätsladungsträgern zu erleichtern, die bei einem PN-Gate-Elektrode-Kanalübergang in Vorwärtsrichtung emittiert werden. Es sei lediglich als Beispiel angegeben, daß für N-Silizium und eine minimale Kippspannung von 10 Volt die Länge der Einschnürungszone 66 in der Größenordnung von 10 μπι liegt.

Fig. 13a und 13b zeigen die Einschnürungszone 66 und die Gate-Zone 67 im Querschnitt. Der Schnitt durch die Einschnürungszone 68 gleicht dem durch die Einschnürungszone 48 und ist deshalb nicht dargestellt Es ist zu bemerken, daß die Dicke des mittleren Teiles 72 des Kanals deutlich größer ist als die des entsprechenden mittleren Teiles 52 des Kanals in Fig. 3, so daß bei dem Wert Null der Gate-Source-Spannung der Betriebspunkt des Halbleiterelements sich jenseits der gesättigten Zone der Stromspannungs-Kennlinie befindet (siehe Fig.6). So verwirklicht man das zweite Grundprinzip eines Feldeffekt-Halbleiterelementes vom Trioden-Typ.

Fig. 14, 15a, 15b, 15c zeigen eine Abwandlungsform des Halbleiterbauelementes nach Fig.9 und 10a, 10b, 10c. Die Elemente dieser Abwandlungsform der ersten Grundform, nämlich des Diodentyps, wie sie in Fig. 14 bis 15c dargestellt ist, sind mit einer Bezugsziffer über 100 versehen, deren Zehner- und Einerziffer die gleichen Elemente wie in Fig.9 bis 10c bezeichnen mit Ausnahme der Elemente 40, 41 und 140-141 unterschiedlicher Kontur. Bei dieser Abwandlungsform der ersten Grundform befinden sich die verschiedenen Halbleiterkörper des Halbleiterbauelementes in einer Schale mit Isolierschicht und werden nach den schon besprochenen Techniken hergestellt. Durch selektives Ätzen einer Halbleiterplatte schafft man in einem einzigen Arbeitsgang den länglichrechteckigen Source-Bereich 145, die schmale Brücke 146, die den Quellenwiderstand bildet, die länglichrechteckige Gate-Zone 147 des Kanals, die breite Einschnürungszone 148, die den Drehwiderstand bildet, sowie den länglichrechteckigen D ain-Bereich 149. Diese diversen Teile werden mit einer dünnen Isolierschicht 140 aus Siliziumoxid überzogen. Die Vorderseite der Halbleiterplatte wird abgearbeitet, bis man die Isolationsschicht erreicht. Durch selektives Eindiffundieren einer Verunreinigung von einem Leitungstyp, der der Majoritätsladungsträger-Verunreinigung des anfänglichen Halbleitersubstrates entgegengesetzt ist, in die Gate-Zone 147 des Kanals wird die Gate-Elektrode 151 gebildet. Die Source- und Drain-Kontakte 153,154 werden durch Eindiffundieren einer Verunreinigung der gleichen Gruppe wie die Majoritätsverunreinigung des anfänglichen Halbleitersubstrates mit höherer Konzentration in den Source-Bereich 145 und in den Drain-Bereich 149 hergestellt. Um das Anlöten der Anschlüsse zu erleichtern, kann man z. B. unter Vakuum ein Metall ablagern, das mit der überdotierten Source-Elektrode 153 und Drain-Elektrode 154 sowie mit der Gate-Elektrode 151 einen ohmschen Kontakt liefern kann.

Fig. 15a, 15b, 15c zeigen wieder Querschnitte längs der Linien aa, bb und cc in Fig. 14. Fig. 15a zeigt den Sourcewiderstand der Einschnürungszone 146, der durch die dünne Isolierschicht 140 von dem Substrat 141 getrennt ist, Fig. 15b die Gate-Elektrode 151, die den mittleren Teil 152 des Kanals in der Tiefe der Gate-Zone 147 überdeckt, wobei diese Gate-Zone ebenfalls durch die Isolierschicht 140 von dem Substrat 141 getrennt ist, und F i g. 15c den Drainwiderstand der Einschnürungszone 148, die Isolierschicht 140 und das Substrat 141. — Die geometrischen und elektrischer Eigenschaften dieses in integrierter Technik ausgeführten Feldeffekt-Halbleiterbauelementes sind die gleichen wie die des Bauelementes nach F i g. 9 und 10a, 10b, 10c der Unterschied besteht lediglich in einem modifizierter Herstellungsverfahren.

Das gleiche gilt für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 16 und 17a, 17b, das eine Abwandlung des in Fig. 11,12 und 13a, 13b dargestellten Halbleiterbauelementes ist.

Die Elemente dieser Abwandlungsform der zweiter Grundform, nämlich des Triodentyps, wie sie in F i g. 16 17a, und 17b dargestellt ist, sind mit einer Bezugsziffei über 100 versehen, deren Zehner- und Einerziffer die gleichen Elemente wie in F i g. 11 bis 13b bezeichnen mil Ausnahme der Elemente 60-61 und 160-161 unterschied licher Kontur. Fig. 16 zeigt in Draufsicht: Die dünne Isolierschicht 160 begrenzt im Substrat 161 der länglichrechteckigen Source-Bereich 165, die Einschnü

rungszone 166, die den Sourcewiderstand bildet, die länglichrechteckige Gate-Zone 167 des Kanals, die Einschnürungszone 168, die den Drainwiderstand bildet, und den länglichrechteckigen Drain-Bereich 169. Das die Gate-Elektrode bildende rechteckige Band 171 s erzielt man durch Eindiffundieren einer Verunreinigung, die den dem ursprünglichen Halbleitermaterial entgegengesetzten Leitungstyp liefert, und die überdotierten Source- und Drain-Bereiche 173, 174 erzielt man durch Eindiffundieren einer Verunreinigung der gleichen Gruppe wie die Majoritätsverunreinigung des ursprünglichen Halbleitermaterials mit höherer Konzentration. Fig. 17a und 17b zeigen Querschnitte längs der Linien a'a' bzw. b'b' in Fig. 16. In Fig. 17a ist der Source-Widerstand der Einschnürungszone 166 darge- is stellt, der von der Isolierschicht 160 gegenüber dem Substrat 161 abgegrenzt ist, und in Fig. 17b die Gate-Elektrode 171, die in der Tiefe der Gate-Zone 167 den mittleren Teil 172 des Kanals bildet, wobei die Gate-Zone 167 ihrerseits durch die dünne Isolierschicht 160 von dem Substrat 161 getrennt ist.

Fig. 18 bis 21 beziehen sich auf ein Feldeffekt-Halbleiterbauelement vom Gridistor-Typ mit negativem Widerstand und mit Kanälen, die senkrecht zu den Oberflächen der Halbleiterplatte verlaufen.

Dieser Gridistor ist in einer Oberschicht 83 einer z. B. aus Silizium bestehenden Halbleiterplatte 84 ausgebildet. Der Unterteil 84 dieser Platte dient als Träger oder Substrat. Dieser Teil 84 ist überdotiert, und zwar bevorzugt durch Verunreinigungen vom N + -Leitungstyp und trägt auf einer seiner Hauptflächen eine Source-Elektrode 85. Eine Schicht 83 vom N-Leitungstyp wird auf der anderen Hauptfläche der Platte 84 aufgebracht. Dies erfolgt entweder durch Epitaxie oder durch eine Überdotierung der Platte 84, die ursprünglich vom N-Leitungstyp war, indem man über die ganze Dicke der Platte mit Ausnahme der Schicht 83 eindiffundiert. Eine Verunreinigung der Gruppe HI, wie z. B. Bor, wird anschließend über eine Maske eindiffundiert, die den äußeren Umfang der freien Oberfläche der Schicht 83 sowie eine Vielzahl von Kanälen 90 bedeckt, welche im Mittelfeld dieser Fläche gleichmäßig verteilt sind, wie in Fig. 20 angegeben. Man erhält so ein Gatenetz 86 vom P-Leitungstyp als Teil einer Membran 87 vom gleichen Leitungstyp, die den Gate-Bereich einrahmt. Eine zweite Schicht 88 vom N-Leitungstyp von einer Leitfähigkeit in der gleichen Größenordnung wie die der Schicht 83 wird durch Epitaxie auf dieser Schicht 83 abgelagert. Während dieser Operation erfolgt eine Diffusion zwischen den Schichten 83 und 88, so daß sich Gatenet/. 86 und Membran 87 im Inneren dieser neuen Schicht erstrecken (Fig. 18). Ein Ring 89 vom P-Leitungstyp wird anschließend in die freie Oberfläche der Schicht 88 derart eindiffundiert, daß er die Membran 87 an ihrem Rande trifft und so die Zone vom N-Leitungstyp, die über dem Gatenetz 86 liegt, d. h. den Drain-Bereich vom Rest der Platte isoliert. Eine ringförmige Gate-Elektrode 82, die ebenfalls vom P-Leitungstyp ist, wird anschließend in den Teil der Schicht 88 eindiffundiert, der das Gatenetz 86 bedeckt, ohne daß die beiden Gateteile in Kontakt miteinander kommen. Anschließend wird eine ringförmige Drain-Elektrode 81 vom N +-Leitungstyp zwischen Gate-Elektrode 82 und Ring 89 eindiffundiert.

Es ist zu bemerken, daß die axiale Ausdehnung dieses Halbleiterbauelementes gegenüber der axialen Abmessung des Technotrons mit negativem Widerstand in Fig.8 beträchtlich reduziert ist. Die ringförmige Drain-Elektrode 81 befindet sich in der gleichen Ebene wie die ebenfalls ringförmige Gate-Elektrode 82, die lediglich die Rolle des Injektors für Minoritätsladungsträger spielt, so daß der Gridistor in Fig. 18 im wesentlichen vom Trioden-Typ ist. Die die Maschen des Galenetzes 86 durchsetzenden Kanäle 90 bilden den Sourcewiderstand, und die Einschnürungszone des Durchgangs zwischen dem Gatenetz 86 einerseits und der Gate-Elektrode 82 und der Drain Elektrode 81 andererseits bildet den Drainwiderstand, der kleiner ist. In Abwandlung kann die Source-Elektrode sich auf der gleichen Plattenseite wie die Drain-Elektrode befinden, und zwar auf einem Sourcering, der vom N + -Leitungstyp überdotiert ist und durch Eindiffusion rings um den Ring 89 zu gleicher Zeit mit dem Ring der Drain-Elektrode 81 hergestellt wird.

Die Länge der Kanäle 90 ist, wie in den Fällen der F i g. 11 oder 16, so weit reduziert, daß unter Betriebsbedingungen die Grenzgeschwindigkeit der Majoritätsladungsträger praktisch erreicht wird, und der Querschnitt dieser Kanäle kann hinreichend klein sein, damit der Spannungsabfall an ihnen ihre Selbsteinschnürung durch den Feldeffekt hervorruft.

Es ist zu beachten, daß die Notwendigkeit, den Ring 89 und die Gate-Elektrode 82 verschieden tief einzudiffundieren, einen zusätzlichen Diffusionsvorgang verlangt. Die Abwandlungsform des im Ausschnitt in Fig. 21 dargestellten Halbleiterbauelementes vermeidet nicht nur diesen Nachteil, weil die Gate-Elektrode 91 hier gleich tief eindiffundiert wird wie der in F i g. 18 und 19 mit 89 bezeichnete äußere Ring, sie verbessert außerdem die Wirksamkeit der Injektion durch die Gate-Elektrode 91 in den Kanal 92, der in der Membran 93 angebracht ist und den Sourcewiderstand bildet. Diese Gate-Elektrode kann ringförmig sein — in diesem Falle ist es der Kanal 92 ebenso —, oder sie kann von einer Vielzahl von halbkugelförmigen Knöpfen (oder von einem einzigen) gebildet sein, in welchem Falle entsprechend viele Kanäle mit kreisförmigem Querschnitt wie 92 vorhanden sind.

Der Drainwiderstand, der von der Einschnürungszone des Querschnittes zwischen der Membran 93 und der Gate-Elektrode 91 gebildet wird, kann durch mehr oder weniger starkes Eindiffundieren der Gate-Elektrode 91 mehr oder weniger groß gemacht werden.

Selbstverständlich können die verwendeten Werkstoffe sowie die Formen der verschiedenen Halbleiterkörper sowie auch ihre Steuerungsart unterschiedlich sein, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird sofern die beschriebenen Grundprinzipien beibehalten werden. So können andere Werkstoffe als Silizium eingesetzt werden, namentlich Germanium oder intermetallische Verbindungen, aus den Gruppen III und V des periodischen Systems der Elemente.

Rein beispielhaft und um eine Vorstellung von der Größenordnungen zu geben, wird im folgenden dei Bereich der wichtigsten elektrischen Parameter dei erfindungsgemäßen integrierten Feldeffekt-Halbleiter bauelemente mit negativem Widerstand angegeben:

Kippspannung

Verhältnis Kippspannung zu

Drain-Source-Spannung

Talpunkt genannte Minimalspannung

nach dem Kippen

Differentieller Widerstand im

Sperrzustand

Differentieller Widerstand im

5 bis 50 V
0,5 bis 0,95
0,5 bis 2 V
10¹²bisl0¹⁰f

709 540/4

	AA	Λ /i
η	den	17 64 152
ndzustand für Ströme von ä500mA zeiten vom Sperrzustand in ndzustand euerte Rückkehrzeit in den rzustand	Hierzu 8 Blatt Zeichnungen	40 bis 0,5 Ω 5 bis 50 ns 10 bis 200 ns

Claims

Patentansprüche:

1. Steuerbares Feldeffekt-Halbleiterbauelement mit zwei stabilen Zuständen, welches in einer einkristallinen Platte aus Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps Source- und Drain-Bereiche mit ohmschen Kontakten an der Oberfläche der Halbleiterplatte, ferner einen Gate-Bereich aus Halbleitermaterial eines zweiten Leitungstyp^ an der Oberfläche der Platte und mindestens einen Kanal vom ersten Leitungstyp besitzt, der den Source-Bereich mit dem Drain-Bereich verbindet und in seinem mittleren Teil von der Gate-Elektrode überdeckt ist, gekennzeichnet «Jurch zwei in der Halbleiterplatte angeordnete Zonen (43, 44; 63, 64; 87-89) vom zweiten Leitungstyp, die im Kanal zwei Einschnürungszonen abgrenzen, wobei die eine Einschnürungszone (46 oder 66 oder 90) zwischen dem Source-Bereich (45 oder 65 oder 85) und dem Gate-Bereich (47 oder 67 oder 86-82) und die andere Einschnürungszone (48 oder 68 oder zwischen 82 und 86) zwischen dem Drain-Bereich (49 oder 69 oder 81) und dem Gate-Bereich (47 oder 67 oder 86-82) angeordnet ist.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Gate-Elektrode überdeckte mittlere Teil (52) des Kanals einen hinreichend kleinen Querschnitt besitzt, damit der Spannungsabfall, der von dem zwischen Source- (45) und Drain-Bereich (49) fließenden Strom erzeugt ist, längs diesem mittleren Teil (52) des Kanals die Begrenzung des Drainstromes durch den Feldeffekt bewirkt, sowie dadurch, daß die Länge der Einschnürungszone (46) zwischen dem Source-Bereich (45) und dem Gate-Bereich (47) kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger und hinreichend groß,ist, damit das in dieser Einschnürungszone (46) erzeugte Feld einen Wert unterhalb derjenigen kritischen Feldstärke besitzt, ab der die Beweglichkeit der Majoritätsladungsträger abnimmt.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Gate-Elektrode (71 oder 82) überdeckte mittlere Teil (72 oder 90) des Kanals einen hinreichend großen Querschnitt besitzt, damit der Spannungsabfall, der von dem zwischen Source- und Drain-Bereich fließenden Strom erzeugt ist, längs diesem mittleren Teil (72 oder 90) des Kanals der Begrenzung des Drainstromes durch den Feldeffekt zuvorkommt, sowie dadurch, daß die Länge der Einschnürungszone (66 oder 90) zwischen dem Source-Bereich (65 oder 85) und dem Gate-Bereich (67 oder 86-82) kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger und hinreichend klein ist, damit das in dieser Einschnürungszone (66 oder zwischen 82 und 86) erzeugte Feld einen Wert oberhalb derjenigen kritischen Feldstärke besitzt, ab der die Grenzgeschwindigkeit der Majoritätsladungsträger erreicht ist.

4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper vom zweiten Leitungstyp die Form eines dünnen Piättchens (4i oder 6!) mii einer dünnen Isolierschicht (40 oder 60) auf weist, daß der Source- Bereich (45 oder 65), der Drain-Bereich (49 oder 69) und der mittlere Teil (52 oder 72) des Kanals aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps bestehen und die Form dreier länglicher Rechteckzonen besitzen, die zueinander parallel und voneinander getrennt sind und eine Dicke höchstens von der Tiefe des dünnen Plättchens (42 oder 62) aufweisen, ferner dadurch, daß die Gate-Elektrode (51 oder 71) aus Halbleitermaterial des zweiten Leitungstyps besteht und die Form einer länglichen Rechteckzone besitzt, welche die Rechteckzonen (47 oder 67) des mittleren Teils (52 oder 72) des Kanals überdeckt und eine Dicke geringer als die Tiefe des dünnen Plättchens besitzt, so daß der Kanal zwischen der dünnen Isolierschicht (40 oder 60) und der Gate-Elektrode (51 oder 71) bestehenbleibt, und schließlich dadurch, daß beide Einschnürungszonen (43 und 44 oder 63 und 64), die eine Einschnürungszone (43 oder 63) zwischen dem Source-Bereich (45 oder 65) und der Gate-Elektrode (51 oder 91) und die andere Einschnürungszone (44 oder 64) zwischen dem Drain-Bereich (49 oder 69) und der Gate-Elektrode (51 oder 71), aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps bestehen und die Form quer zu den Rechteckzonen des Source-Bereichs, des mittleren Teils des Kanals und des Drain-Bereichs verlaufender Rechteckzonen besitzen, die eine kleinere Tiefe als die erstgenannten Rechteckzonen besitzen und diese miteinander verbinden.

5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps aus Silizium vom P-Leitungstyp besteht, daß die Länge der quer verlaufenden, den Source-Bereich (45) und den mittleren Teil (52) des Kanals verbindenden Rechteckzone (46) zwischen 75 und 150 μπι beträgt und daß die Dicke des mittleren Teils (52) des Kanals zwischen der dünnen Isolierschicht (40) und der Rechteckzone der Gate-Elektrode (51) hinreichend klein ist, so daß der Kanal (52) bei einer Polarisation Null der Gate-Elektrode durch den Pinch-Off-Effekt verengt wird.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps aus Silizium vom N-Leitungstyp besteht, daß die Länge der quer verlaufenden, den Source-Bereich (65) und den mittleren Teil (72) des Kanals verbindenden Rechteckzone (66) zwischen 5 und 20 μπι beträgt und daß die Dicke des mittleren Teils des Kanals (72) zwischen der dünnen Isolierschicht (60) und der Rechteckzone der Gate-Elektrode (71) hinreichend groß ist, so daß der Kanal (72) bei einer Polarisation Null der Gate-Elektrode nicht durch den Pinch-Off-Effekt verengt wird.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper vom ersten Leitungstyp die Form eines kreisförmig dünnen Plättchens (84) aufweist, daß der Source-Bereich (85), der Drain-Bereich (81) und der mittlere Teil (90) des Kanals aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps bestehen und die Form dreier ringförmiger Zonen besitzen, die zueinander axial und voneinander getrennt sind, ferner dadurch, daß die Gate-Elektrode (82—89) aus Halbleitermaterial des zweiten Leitungstyps zusätzlich zu dem Bereich (82) an der einen Oberfläche des Piättchens einen Bereich in der Form einer netzförmigen Zone mit ringförmigen Maschen (86) besitzt, welche den mittleren Teil des Kanals überdeckt und eine axiale Ausdehnung geringer als die axiale Ausdehnung des dünnen Piättchens besitzt, so daß der Kanal zwischen den beiden Bereichen (82 und 86, 87) der

Gate-Elektrode bestehenbleibt, und schließlich dadurch, daß beide Einschnürungszonen, die eine Einschnürungszone zwischen den Maschen der Netzzone (86) und die andere Einschnürungszone zwischen der Netzzone (86) einerseits und dem an der Oberfläche angeordneten Bereich der Gate-Elektrode (82) und der Drain Elektrode (81) andererseits aus Halbleitermaterial des ersten Leitungstyps bestehen und die Form quer zu den Ringzonen des Source-Bereichs, des mittleren Teils (90) des Kanals und des Drain-Bereichs (81) verlaufender Ringzonen besitzen, die eine kleinere axiale Ausdehnung als die Ringzone des mittleren Kanals besitzen und die erstgenannten Ringzonen miteinander verbinden.