DE975382C - Mehrfach-Flaechentransistor mit abwechselnd in Reihe geschalteten PNP- und NPN-Transistoren - Google Patents

Description

AUSGEGEBENAM 16. NOVEMBER 1961

R 13392 VIII c/21g

Die Erfindung betrifft einen Mehrfach-Flächentransistor mit abwechselnd in Reihe geschalteten PNP- und NPN-Transistoren, die alle in einem einzigen, gemeinsamen Halbleiterkörper enthalten sind. Durch die Erfindung soll ein mehrstufiger Gleichspannungs -Transistorverstärker angegeben werden, der besonders einfach im Aufbau ist. Die Erfindung macht dabei von Flächentransistoren als Einzelbauelement Gebrauch.

In der Röhrentechnik ist es bereits bekannt, mehrere Röhrensysteme in einem einzelnen Kolben unterzubringen, die Verbindungsleitungen können dadurch kurz und die Kapazitäten klein gehalten werden. Die einzelnen Röhrensysteme sind jedoch funktionsmäßig getrennt. Aus der Frühzeit der Röhrentechnik ist außerdem eine Röhre bekannt, bei der die Anode einer ersten Röhre gleichzeitig die Kathode einer zweiten Röhre bildet. Auch hier sind die Röhrensysteme funktionsmäßig unabhängig.

Es sind auch Halbleiteranordnungen bekannt, die in einem einzigen Halbleiterkörper eine Mehrzahl von Bereichen verschiedenen Leitungstyps besitzen. Ein bekannter NPNPN-Transistor kann

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beispielsweise die Funktion einer Mehrgitterröhre ausüben, den beiden P-Zonen werden dabei zwei unabhängige Eingangssignale zugeführt. Weiterhin ist bekannt, eine Anzahl von Kontaktspitzenpaaren auf einen einzigen Halbleiterkörper aufzusetzen, so daß eine entsprechende Anzahl von Spitzentransistoren gebildet wird, die einen gemeinsamen Basisanschluß besitzen. Diese Halbleiteranordnung ist aber auf die schwierig herzustellenden Spitzentransistoren beschränkt, außerdem bringt der gemeinsame Basisanschluß schaltungsmäßig erhebliche Beschränkungen mit sich, eine unmittelbare Hintereinanderschaltung der einzelnen Transistoren wäre nur unter Verzicht auf eine Impedanzanpassung möglich.

Ferner ist eine Transistor-Verstärkerschaltung vorgeschlagen worden, bei der zwei-Transistoren zu einem einzigen Transistor mit wenigstens fünf Zonen von wechselweise entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp vereinigt sind. Die Kollektorelektrode des vorzugsweise in Emitterschaltung arbeitenden ersten Transistors ist mit der Emitterelektrode des zweiten Transistors unmittelbar verbunden, während die Basiselektrode des zweiten Transistors wenigstens in bezug auf die in seinem Ausgangskreis fließenden Wechselstromfrequenzen auf konstantem Potential liegt. Auch bei dieser Schaltung ist die Impedanzanpassung schlecht.

Die Erfindung macht von Flächenhalbleitern als Einzelelement Gebrauch. Ein Flächenhalbleiter, nämlich ein PNP- oder ein NPN-Transistor ist ein Körper aus Halbleitermaterial, in dem N- und P-Zonen miteinander abwechseln. Je zwei dieser Zonen sind durch eine. Inversionsschicht getrennt, welche für den Stromfluß in der einen Richtung einen hohen und für den Stromfluß in der anderen Richtung einen niedrigen Widerstand darstellt. In einem PNP-Halbleiter ist die eine der P-Zonen so vorgespannt, daß sie als Emitter von elektrischen Ladungsträgern arbeitet, und die andere der P-Zonen derart, daß sie als Kollektor für diese Träger arbeitet. Die N-Zone arbeitet als

Basiselektrode. ·■·

Bei einem Mehrfach-Flächentransistor mit abwechselnd in Reihe geschalteten PNP- und NPN-Transistoren mit einer Folge von je einer P- oder N-Emitterzone, N- bzw. P-Basiszone und P- bzw. N-Kollektorzone und mit einem allen Transistoren gemeinsamen Halbleiterkörper werden gemäß der Erfindung die Nachteile der bekannten Halbleiteranordnungen dadurch vermieden, daß immer die Kollektorzone eines in der -Reihe■' vorhergehenden PNP- bzw. NPN-Transitors die Basiszone'des in der Reihe nachfolgenden NPN- bzw. PNP-Transistors bildet, daß bei allen PNP- bzw. "NPN-Transistoren an die Emitterzonen Fluß spannungen und an die Basiszone des in-d'er Reiheersten'Transistors die Eingangsspannung angelegt sind und daß. an der Kollektorzone des in der Reihe letzten Tran- , sistors die Ausgangsspannung abgenommen ist.

Dabei wird bei einer Ausführungsförm der Erfindung ein Halbleiterkörper in Form einer verhältnismäßig dünnen- Scheibe vorgesehen, welcher vier räumlich abwechselnde Zonen oder Streifen von P-Material und N-Material enthält, die in der Richtung der Länge des Körpers verlaufen und ■; durch Inversionsschichten getrennt sind. Transversal zur Streifenrichtung sind mehrere die Zonen trennende Einschnitte vorhanden. Diese Einschnitte verlaufen derart von den beiden außenliegenden der vier Zonen nach innen, daß je zwei aufeinanderfolgende Einschnitte an den beiden entgegengesetzt Hegenden äußeren Zonen beginnen. Der erste Einschnitt durchläuft somit die erste und zweite Zone des ganzen Halbleiterkörpers und reicht bis in die dritte Zone hinein, so daß er auch die Inversionsschicht zwischen der zweiten und dritten Zone auftrennt. Der nächste Einschnitt durchläuft die vierte und die dritte Zone und reicht in die zweite Zone so hinein, daß er auch die Inversionsschicht zwisehen der dritten und der zweiten Zone auftrennt. Der dritte Einschnitt durchläuft wieder die erste und die zweite Zone und einen Teil der dritten Zone usw.. Die.Vorspannungen sind mit jeder der außenliegenden¹ Zonen zu verbinden, d. h. mit der ersten und vierten Zone, so daß diese gegen die jeweils nächste angrenzende Zone in der Vorwärtsrichtung vorgespannt sind und als Emitter wirken können. Diese Vorspannungsquellen erteilen jeweils auch der angrenzenden Zone eine gewisse Spannung. Eine Signalquelle ist entweder mit der zweiten oder mit der dritten Zone zu verbinden, und zwar je nachdem, ob der erste Einschnitt an der ersten oder an der vierten Zone beginnt. Somit liegt die erste Verstärkungsstufe an der einen Seite des ersten Einschnittes und enthält einen Teil der ersten Zone als Emitter, einen Teil der zweiten Zone als Basis- und Eingangselektrode und einen Teil der dritten Zone als Kollektorelektrode. Die nächste Verstärkungsstufe enthält einen Teil der vierten Zone als Emitter, die vorerwähnte Kollektorzone als Basis- und Eingangselektrode und einen Teil der zweiten Zone auf der anderen Seite des ersten Einschnittes als Kollektorelektrode usw. bis zum Ende des ganzen Halbleiterkörpers.

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

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

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

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

Die ganze Einrichtung 10 nach der Ausführungsform in Fig. 1 enthält einen Halbleiterkörper 12, welcher aus vier Zonen 14, 16, 18 und 20 aus Halbleitermaterial abwechselnden Leitfähigkeitstyps besteht, zwischen denen die Inversionsschichten 15, und 19 liegen. Die erwähnten vier Zonen sind in dem Beispiel in Fig. 1 eine P-, eine N-, eine P- und eine N-Zone. Eine Halbleitereinrichtung dieser Art kann auch in der Reihenfolge N-, P-, N- und P-Zone aufgebaut werden. Zur Herstellung eines solchen Halbleiterkörpers 10 kann man sich verschiedener Verfahren bedienen. Man kann z.B.

gemäß Fig. 2 eine dünne Scheibe 22 aus N-Material, vorzugsweise aus Germanium verwenden. Diese Germaniumscheibe soll so dünn sein, daß sie bei der Bombardierung mit Teilchen, die für die Um-Wandlung des N-Germaniums in P-Germanium benutzt werden, durchdrungen wird und muß eine Länge besitzen, die der gesamten gewünschten Verstärkung entspricht. Die Scheibe soll wenigstens auf ihrer einen Seite eben geschliffen sein. Diese ebene Seite wird mit einer Mehrzahl von Streifen eines Materials 24 belegt, welches geladene Kerne absorbieren kann. Diese Streifen können aus Blei, aus Palladium, aus Gold usw. bestehen. Die ganze belegte Scheibenseite wird dann mit geladenen Kernen bombardiert, wie durch die Pfeile 26 angedeutet ist, und zwar mögen die Kerne dabei auf diese Scheibenseite etwa senkrecht auftreffen.

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

Ein anderes geeignetes Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterkörpers 12 mit vier derartigen Zonen von jeweils entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp besteht darin, daß man einen Kristall mit Hilfe eines großen Gefäßes aus Kohle herstellt, welches drehbar auf einer Achse innerhalb eines elektrischen Ofens angebracht ist. Dieses Gefäß ist durch Trennwände in drei kleinere Gefäße aufgeteilt. Die kleineren Gefäße enthalten jeweils eine Schmelze des zu kristallisierenden Materials, wobei die verschiedenen Schmelzen so zusammengesetzt sind, wie es einem verschiedenen Leitfähigkeitstyp entspricht. Die kleineren Gefäße sind über Rohre miteinander verbunden. Für die Kristallzüchtung wird ein auf einem Halter befestigter Samenkristall abgesenkt, bis er die Oberfläche der Schmelze in einem der kleineren Gefäße berührt. Der Samenkristall wird dann wieder aus der Schmelze herausgezogen, so daß ein Teil der Schmelze auf ihm kristallisiert und eine bestimmte Zone entsteht. Sodann wird der Kristall in ein angrenzendes Gefäß übergeführt, ohne die Berührung mit der Schmelze zu unterbrechen, so daß eine Zone der entgegengesetzten Leitfähigkeit entsteht. Dieses Verfahren läßt sich zur Erzeugung einer ganzen Reihe von Zonen fortsetzen.

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

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

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

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

Die zweite Stufe der ganzen Halbleitereinrichtung enthält einen PNP-Transistor mit der P-Zone 44, der N-Zone 40 und der P-Zone 38. Die äußere P-Zone 44 mit ihrer positiven Vorspannung arbeitet als Emitter der zweiten Stufe und injiziert Löcher in die N-Zone 40, welche die Eingangselektrode oder Basiselektrode für die zweite Stufe darstellt. Unter dem Einfluß des dieser Basiselektrode 40, d. h. der Kollektorelektrode, der ersten Stufe zufließenden Stromes, werden die injizierten Löcher

von dem P-Teil 38 aufgenommen, der als Kollektor für die zweite Stufe arbeitet, da er durch die Spannungsquelle 52 negativ vorgespannt ist.

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

Eine andere Ausführungsform ist durch eine Halbleitereinrichtung 70 in Fig. 4 veranschaulicht. Diese enthält einen Halbleiterkörper 72 mit vier Zonen 74, 76, 78 und 80 von abwechselnd entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp in der Reihenfolge P, N, P, N. Zwischen diesen Zonen liegen Inversionsschichten 75, 77 und 79. Bei dieser Ausführungsform sind zwei gegeneinander versetzte Bohrungen 82 und 84 in dem Halbleiterkörper angebracht. Die erste Bohrung 82 trennt die ganze P-Zone 78 auf und greift in die angrenzenden N-Zonen 76 und 80 über und unterteilt ebenfalls die Inversionsschichten 77 und 79. Die Bohrung 84 ist gegenüber der Bohrung 82 versetzt, teilt die N-Zone 76 sowie die Inversionsschichten 7$ und 77 auf und greift auch in die P-Zonen 74 und 78 über. Weitere Bohrungen von gleichartiger gegenseitiger Versetzung können entsprechend der Zahl der gewünschten Verstärkerstufen angebracht werden. Bei dieser Ausführungsform sind die äußere P-Zone 74 und die äußere N-Zone 80 ebenfalls in der Vorwärtsrichtung durch geeignet gepolte Batterien 86 bzw. 88 gegenüber den jeweils angrenzenden Zonen vorgespannt. Da die äußeren Zonen 74 und 80 aber nicht vollständig aufgetrennt sind, ist nur jeweils eine Batteriezuleitung erforderlich. Eine Elektrode 90 ist in ohmschem Kontakt an die P-Zone 78 angeschlossen und mit einer Signalquelle 92 verbunden.

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

Claims (4)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Mehrfach-Flächentransistor mit abwechselnd in Reihe geschalteten PNP- und NPN-Transistoren mit einer Folge von je einer P- oder N-Emitterzone, N- bzw. P-Basiszone und P- bzw. N-Kollektorzone und mit einem allen Transistoren gemeinsamen Halbleiterkörper, dadurch gekennzeichnet, daß immer die Kollektorzone eines in der Reihe vorhergehenden PNP- bzw. NPN-Transistors die Basiszone des in der Reihe nachfolgenden NPN- bzw. PNP-Transistors bildet, daß bei allen PNP- bzw. NPN-Transistoren an die Emitterzonen Fluß spannungen und an die Basiszone des in der Reihe ersten Transistors die Eingangsspannung angelegt sind und daß an der Kollektorzone des in der Reihe letzten Transistors die Ausgangsspannung abgenommen ist.

2. Mehrfach-Flächentransistor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps enthält, daß eine Mehrzahl von quer zu den Zonen verlaufenden Einschnitten derart angebracht sind, daß der erste und alle ungeradzahligen Einschnitte die erste und die zweite Zone durchtrennen und in die dritte Zone hineinreichen und der zweite und alle geradzahligen Einschnitte die vierte und die dritte Zone durchtrennen und in die zweite Zone hineinreichen.

3. Mehrfach-Flächentransistor nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps enthält, daß eine Mehrzahl von in Längsrichtung der Zone versetzte öffnungen in dem Halbleiterkörper derart vorgesehen sind, daß die erste und alle ungeradzahligen öffnungen die ganze zweite Zone durchtrennen und in die erste und die dritte Zone hineinreichen und daß die zweite und alle geradzahligen Öffnungen die ganze dritte Zone durchtrennen und in die zweite und die vierte Zone hineinreichen.

4. Mehrfach-Flächentransistor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die vierte Zone als Emitterzonen der NPN- bzw. PNP-Transistoren verwendet sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 833 366;
Funk-Bastler, 1926, Heft 19, S. 219, 220.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen