-
Asymmetrisch leitende Halbleiteranordnung BEKANNTMACHUNG
DER
ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT: 18. APRIL 1957
Die Erfindung
bezieht sich auf eine asymmetrisch leitende Halbleiteranordnung mit einer p-n-Verbindung,
z. B. Flächendiode, bei dem der Halbleiterkörper mit einem Aktivator dotiert ist,
der tiefliegende Störterme aufweist.
-
Es sind derartige ITalbleiteranordnungen bekanntgeworden, die tiefliegende
Störterme besitzen, welche im Bändermodell etwa in der Mitte der verbotenen Zone
des Halbleiters liegen, die durch Spuren von Eisen, Zink, Kobalt, Gold und Kupfer
hervorgerufen werden können. Erfindungsgemäß werden zur Erzeugung von zwei stabilen
Widerstandswerten in Fluß-(bzw. Durchlaß-) Richtung bei Erregung des Halbleiters
durch geeigneten Spannungs- oder Lichtimpuls ein fast eigenleitender Halbleiterkristall
z. B. aus Germanium oder Silizium verwendet, der mit Eisenspuren dotiert ist. Unter
geeigneten Bedingungen können solche Halbleiteranordnungen in Durchlaßrichtung von
einem ersten stabilen Widerstandswert auf einen zweiten stabilen Widerstandswert
gebracht werden, wenn sie einem Spannungs- oder Lichtimpuls ausgesetzt werden. Der
Halbleiterkörper kann in einer Einrichtung, z. B. einem Kühlgefäß, angeordnet sein,
um ihn auf einer vorgegebenen festen Temperatur zu halten.
-
Halbleiteranordnungen dieser Art können als Schalter, Relais, als
Spannungsregler, Überspannungsanzeiger oder Lichtanzeigevorrichtungen sowie als
temperaturempfindliche Anordnungen verwendet werden.
-
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
hervor, in der auf die Zeichnungen Bezug genommen ist.
-
Fig.1 stellt eine bistabile Halbleitervorrichtung dar, die gemäß der
Erfindung ausgeführt ist; Fig. 2 zeigt eine Abänderung der Vorrichtung der Fig.
1; Fig. 3 a und 3 b zeigen Oszillogramme, welche die elektrischen Kennlinien von
gemäß der Erfindung ausgeführten Vorrichtungen angeben, und Fig. 4 zeigt eine weitere
Ausführungsform. Halbleiter, wie z. B. Germanium und Silizium, werden in Abhängigkeit
von der Art und dem Vorzeichen ihrer überwiegenden Leitungsträger entweder als positive
(p) oder negative (n) Halbleiter bezeichnet. Ob ein spezieller Halbleiter Eigenschaften
der n-Type oder der p-Type aufweist, hängt in erster Linie von der Art von kennzeichnenden
Verunreinigungselementen oder Aktivatoren ab, die in dem Halbleiter anwesend sind.
Einige Aktivatorelemente, die als Donatoren bezeichnet werden, liefern zusätzliche
Elektronen an den Halbleiter, so daß sich ein Halbleiter der n-Type ergibt, der
Elektronen in Überschuß aufweist, während andere Aktivatoren, sogenannte Akzeptoren,
die Eigenschaft haben, Elektronen aus dem besetzten Band herauszunehmen, so daß
sich p-Halbleiter mit einem Überschuß von positiven Leitungsträgern oder Löchern
ergeben. Halbleiter mit einem p-n-Übergang haben eine Zone eines p-Halbleiters,
die einer Zone eines n-Halbleiters benachbart ist. Die Inversionsschicht oder p-n-Schicht
bildet eine verhältnismäßig große Fläche im Unterschied zu den Halbleitervorrichtungen
mit Spitzenkontakt.
-
Ein derartiger p-n-Übergang in einem Halbleiterkörper weist ausgesprochene
gleichrichtende Eigenschaften auf. Wenn z. B. ein elektrisches Potential an den
Halbleiter angelegt wird, so daß der positive Pol an die Zone der n-Type, die Überschußelektronen
aufweist, in der Nähe des p-n-Überganges angeschlossen ist und der negative Pol
an die Zone der p-Type angeschlossen ist, dann wirkt die p-n-Übergangssperrschicht
als ein hoher Widerstand gegenüber dem Stromfluß. Diese Richtung der angelegten
Spannung wird als Sperrichtung für den Strom bezeichnet. Wenn andererseits einer
Spannung an den p-n-Übergang in der umgekehrten Weise angelegt wird, so daß der
positive Pol an die Zone der p-Type und die negative Polarität an die Zone der n-Type
angelegt wird, entsteht Stromdurchlaß. Wenn eine Wechselspannung an eine Halbleiteranordnung
mit p-n-Übergang angelegt wird, dann ist diese Einheit in der Durchlaßrichtung während
der Hälfte der Zeit und in
der Sperrichtung während der anderen
Hälfte der Zeit vorgespannt. Ein gleichgerichteter Strom fließt daher während der
einen Hälfte der Sinuswelle, dagegen fließt während der anderen Hälfte der Sinuswelle
kein nennenswerter Strom. Auf diese Weise wandelt ein p-n-Übergang den Wechselstrom
in gleichgerichteten Strom um, so daß eine Gleichrichtung stattfindet.
-
Diese Beschreibung der Grundlage des Gleichrichtereffektes einer Halbleitervorrichtung
mit p-n-Übergang richtet sich allgemein auf den Fall, bei dem Aktivatoren der Gruppe
III und V des Periodischen Systems der Elemente der Halbleitervorrichtung zugefügt
worden sind, um einen Überschuß von Elektronen oder positiven Löchern herbeizuführen.
Halbleiterkörper mit p-n-Übergang, z. B. Germanium und Silizium, können, wenn sie
mit Aktivatorelementen der Gruppe III und V dotiert sind, einen sehr niedrigen Widerstandswert
in der Durchlaßrichtung aufweisen. Diese spezifischen Widerstände können 1 Ohm -
cm oder weniger betragen. Es wurde kürzlich gefunden, daß, wenn Halbleiterkörper,
z. B. Germanium und Silizium, mit Elementen imprägniert werden, die nicht zur Gruppe
III und V der üblichen Aktivatorelemente gehören, außerordentlich hohe Widerstände
hauptsächlich bei tiefenTemperaturen erhalten werden können. Diese hohen Widerstandswerte
sind nach allgemeiner Annahme das Ergebnis von tiefliegenden, durch Verunreinigungen
aktivierten Störtermen im Bändermodell des Halbleiters. Einige Verunreinigungen,
von denen man weiß, daß sie tiefliegende Störterme etwa in der Mitte der verbotenen
Zone hervorrufen, sind Eisen, Zink, Kobalt, Gold und Kupfer. Tiefliegende Störterme
können in einem Halbleiterkörper auch durch andere Mittel als durch Verunreinigungen
hervorgerufen werden. Derartige abweichende Verfahren zur Hervorrufung tiefliegender
Störterme bestehen z. B. im Beschuß mit Teilchen hoher Energie und in plastischer
Verformung des Kristallgitters.
-
Es wurde festgestellt, daß eine bistabile Vorrichtung erzeugt werden
kann, wenn eine Halbleiteranordnung mit p-n-Übergang einen Halbleiter mit tiefliegenden
Störtermen im verbotenen Band aufweist. Eine solche sprungartig arbeitende Vorrichtung
ist durch das Vorhandensein von zwei stabilen Werten des Widerstandes in Durchlaßrichtung
für ein gegebenes angelegtes elektrisches Potential innerhalb eines gegebenen Bereiches
gekennzeichnet. Im allgemeinen zeigen diese Anordnungen bei Spannungen unterhalb
des Durchbruchpotentials einen sehr hohen Widerstand in der Durchlaßrichtung. Wenn
jedoch das Durchbruchpotential überschritten wird, findet ein Vorgang, der auch
als Injektionsdurchbruch bezeichnet wird, statt, und der Durchlaßwiderstand des
Halbleiterkörpers mit dem p-n-Übergang fällt auf einen stabilen verhältnismäßig
niedrigen Wert.
-
Der Vorgang des Injektionsdurchbruches ist, wie angenommen wird, von
der kumulativen Wirkung des Einfangens von Minderheitsleitungsträgern abhängig,
die an der p-n-Übergangssperrschicht eingeführt oder injiziert werden. Die Art der
Minderheitsleitungsträger hängt von den Leitungseigenschaften des Halbleiterkörpers
ab. In einem Halbleiterkörper der n-Type bilden die positiven Löcher die Minderheitsladungsträger.
In einem halbleitenden Körper der p-Type sind die Elektronen die Minderheitsladungsträger.
Es wird angenommen, daß diese Minderheitsladungsträger in tiefliegenden induzierten
Störtermen eingefangen werden und bewirken, daß die überwiegenden Ladungsträger
vor dem Kontakt niedrigen Widerstandes abgezogen werden, um das elektrische Gleichgewicht
oder den neutralen Zustand aufrechtzuerhalten. Die hinzugefügten Mehrheitsladungsträger
erniedrigen den Widerstand des Halbleiterkörpers zuerst im Bereich der Sperrschicht,
wo das elektrische Feld lokalisiert ist, und verursachen die weitere Einführung
von zusätzlichen Minderheitsladungsträgern. Dieser Vorgang dauert an, bis sich ein
Pfad niedrigen Widerstandes über den ganzen Körper erstreckt und ein nennenswerter
Stromfluß stattfindet. Ein Injektionsdurchbruch tritt nur ein, wenn die Spannung
in der Durchlaßrichtung angelegt ist, wobei Minderheitsladungsträger eingeführt
werden können. Der Injektionsdurchbruch ist nicht auf die Erwärmung des Halbleitergitters
zurückzuführen, sondern ist ein elektronischer Vorgang. Es findet keine zerstörende
örtliche Erhitzung statt wie bei dem dielektrischen Durchbruch oder Durchschlag
eines Isolators.
-
Wenn diese Halbleiteranordnung mit einer Wechselspannungsquelle verbunden
wird, fließt ein Strom nur während des Durchbruches und nur in der Durchlaßrichtung.
Bei den gewöhnlichen Betriebsspannungen findet kein Durchbruch der Sperrschicht
in der Sperrrichtung statt, so daß der Rückstrom niedrig bleibt, selbst nach dem
Injektionsdurchbruch. Wenn sich ein Durchbruch in dem Halbleiterkörper ausgebildet
hat, kann die angelegte Spannung auf einen sehr kleinen Bruchteil der Durchbruchspannung
erniedrigt werden, und die Vorrichtung verbleibt in einem Zustand mit stabilem niedrigem
Widerstand in Durchlaßrichtung, solange der Durchbruch anhält. Die Spannung, die
notwendig ist, um die Vorrichtung in einem Bereich niedrigen stabilen Widerstandes
in Durchlaßrichtung zu halten, ist also viel niedriger als die Spannung, die zur
Herbeiführung des Durchbruches notwendig ist.
-
Wenn eine solche bistabile Halbleitervorrichtung in einen elektrischen
Stromkreis eingeschaltet wird und eine Spannung angelegt wird, fließt im wesentlichen
kein Strom, solange kein Injektionsdurchbruch stattgefunden hat. Wenn jedoch die
angelegte Spannung auf einen solchen Wert angestiegen ist, daß ein Injektionsdurchbruch
eintritt, fließt ein starker Strom in dem Stromkreis, und der Strom in Durchlaßrichtung
ist in vielen Fällen in erster Linie nur durch den Widerstand der äußeren Schaltelemente
begrenzt. Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann daher aus dem nichtleitenden
in einen leitenden Zustand durch einen kurzen Spannungsimpuls übergeführt werden,
der so hoch ist, daß er das Durchbruchpotential übersteigt. In ähnlicher Weise bleibt
die Halbleiteranordnung, nachdem der Durchbruch stattgefunden hat, selbst wenn die
Betriebsspannung unter den Wert gesenkt wird, der notwendig war, um den Durchbruch
auszulösen, in einem leitenden Zustand, bis die angelegte Spannung unter den Minimalwert
gesenkt worden ist, der zur Aufrechterhaltung notwendig ist, und für eine Zeit,
die genügt, um eine Rekombination der 1linderheitsleitungsträger zu gestatten, so
daß der Halbleiter in den stabilen nichtleitenden Zustand mit hohem Widerstand zurückkehrt.
Die Zeit hängt von der Tiefe der Störterme (trapping states) ab, welche die wirksame
Lebensdauer der eingeführten Minderheitsladungsträger bestimmt.
-
Weiterhin kann der beschriebene Injektionsdurchbruch durch einen Impuls
von Strahlungsenergie, z. B. durch sichtbares Licht, ausgelöst werden, wenn die
an der Vorrichtung liegende Spannung unterhalb der Durchbruchsspannung gehalten
wird. Wenn die vorliegende bistabile Vorrichtung leitend geworden ist und die angelegte
Spannung auf einen Wert vermindert
worden ist, der in der Nähe
der minimalen, den Zustand aufrechterhaltenden Spannung liegt, kann die Vorrichtung
ferner durch einen eintreffenden Impuls von infrarotem Licht geeigneter Wellenlänge
nichtleitend gemacht werden.
-
Im allgemeinen soll das Halbleitermaterial folgenden Anforderungen
genügen: der Halbleiter soll tiefliegende Störterme im verbotenen Band besitzen,
welche eingeführte Minderheitsladungsträger auffangen. Der halbleitende Körper soll
unter normalen Betriebsbedingungen einen hohen Widerstandswert vor dem Injektionsdurchbruch
besitzen. In dem halbleitenden Körper soll eine gleichrichtende p-n-Schicht, die
als Quelle der eingeführten Minderheitsladungsträger dient, sowie ein nicht gleichrichtender
Kontakt mit dem Halbleiterkörper vorhanden sein, der als Quelle von Mehrheitsladungsträgern
dient.
-
In Fig. 1 ist die Ausführung einer bistabilen Halbleiteranordnung
1 dargestellt, die eine Halbleiterdiode 2 im Innern eines temperaturgesteuerten
Behälters 3 (Dewargefäß) aufweist. Die Diode 2 enthält einen halbleitenden Körper
4, der ein dünnes kristallines Plättchen, vorzugsweise von einkristalliner Struktur,
das eine Länge und Breitenabmessung aufweist, die wesentlich größer als seine Dicke
ist, sowie einen gleichrichtenden Kontakt 5, der an eine Hauptfläche des Halbleiterplättchens
4 angeschmolzen ist und damit verschmolzen ist, so daß sich ein p-n-Übergang 6 in
der benachbarten Oberflächenregion 7 bildet, während ein nicht gleichrichtender
Kontakt 8 niedrigen Widerstandes mit der gegenüberliegenden Hauptfläche des Halbleiterplättchens
4 verbunden ist. Das Halbleiterplättchen 4 muß die oben angegebenen Eigenschaften
hohen Widerstandes und tiefliegender Störterme, welche die Minderheitsladungsträger
einfangen können, erfüllen. Diesen Bedingungen genügt die Dotierung mit geeigneten
Verunreinigungsspuren, z.B. Eisen, Kobalt, Gold, Zink oder Kupfer.
-
Der gleichrichtende Kontakt 5 der Halbleitervorrichtung 1 soll ein
Aktivatorelement sein, das entgegengesetzten Leitungstyp als das halbleitende Plättchen
4 erzeugt. Wenn das halbleitende Plättchen 4 der p-Type angehört, kann der Kontakt
5 eine Legierung aus Zinn und Arsen, Antimon oder Phosphor enthalten oder eine Legierung
von Indium mit etwa 1001o eines Donatorelementes Antimon, Arsen oder Phosphor. Wenn
es andererseits der n-Type angehört, kann der gleichrichtende Kontakt 5 ein Akzeptorelement
oder eine Legierung, z. B. Indiurn, Gallium und Aluminium oder deren Legierungen,
enthalten. Der Kontakt 8 kann aus irgendeinem Metall bestehen, das einen nicht gleichrichtenden
Kontakt mit dem Halbleiterplättchen 4 herstellt. Wenn das Halbleiterplättchen der
n-Type angehört, kann der Kontakt 6 z. B. aus Zinn oder einer Legierung von Zinn
und Arsen oder Zinn und Antimon bestehen. Wenn das Halbleiterplättchen 4 der p-Type
angehört, kann der Kontakt 8 z. B. aus Zinn, Indium oder Aluminium oder einer Legierung
von Zinn mit einem Akzeptorelement oder einer Kombination derselben bestehen. Anschlußleitungen
9 und 10 sind mit den Kontakten 5 und 6 in geeigneter Weise, z. B. durch Löten,
verbunden und dienen dazu, die bistabile Vorrichtung 2 mit einer Impulsspannungsquelle
zu verbinden.
-
Das Thermosgefäß 3 kann z. B. aus einem doppelwandigen Dewargefäß
mit einer einzelnen inneren Wandung 12 und einer doppelten äußeren Wandung 13 bestehen,
wobei der Zwischenraum 14 mit einer Kühlflüssigkeit gefüllt sein kann, um die Halbleitervorrichtung
2 auf der geeigneten Temperatur zu halten und den bistabilen Betrieb derselben sicherzustellen.
Die Temperatur, bei der der bistabile Betrieb erreicht werden kann, ändert sich
etwas mit der Zusammensetzung des halbleitenden Plättchens 4.
-
Die Fig.2 der Zeichnung zeigt eine abgeänderte Ausführungsform der
Fig. 1, die geeignet ist, von einfallenden Impulsen von Strahlungsenergie ausgelöst
und gelöscht zu werden. Eine Linsenvorrichtung 15 ist in die Wandung des Thermosgefäßes
3 eingesetzt, um das sichtbare Licht von einer nicht dargestellten Lichtquelle zu
sammeln und den Injektionsdurchbruch in der Diode 2 einzuleiten, um diese leitend
zu machen. Eine zweite Linse 16 ist in den gegenüberliegenden Wandungsteil des Thermosgefäßes
3 eingesetzt, um das infrarote Licht auf die Diode 2 zu konzentrieren und sie nichtleitend
zu machen.
-
Einige elektrische Eigenschaften einer bistabilen Halbleiteranordnung
nach Fig.2 seien nun angegeben. Das halbleitende Plättchen 4 der Halbleitervorrichtung
1 enthält einen kristallinen Körper von Germanium hoher Reinheit, vorzugsweise der
n-Type, der mit einer Spur von Eisen dotiert ist. Ein halbleitender Körper aus Germanium
hoher Reinheit mit einer Spur von Eisen kann erzeugt werden, indem der Kristall
aus einer Schmelze gezogen wird, der eine kleine Menge Eisen zugeführt worden ist.
Der Ausdruck »Germanium hoher Reinheit« wird hierbei benutzt, um Germanium zu kennzeichnen,
das weniger als 5 - 1013 Atome unkompensierter Aktivatorverunreinigungen pro ccm
Germanium hat. Der Ausdruck »Spuren von Eisen« soll 1012 bis 1014 Atome Eisen pro
ccm Germanium bedeuten.
-
Das Ausgangsgermanium, dem das Eisen zugeführt wird, um das Material
des halbleitenden Plättchens 4 zu bilden, soll fast eigenleitend sein und einen
Widerstand von mehr als 40 Ohm - cm bei 25° C haben. Germanium kann bei einer gegebenen
Temperatur als eigenleitend bezeichnet werden, wenn es im wesentlichen gleich viel
Elektronen und positive Löcher enthält. Dieses eigenleitende Germanium hohen Widerstandes
kann durch Reinigung hergestellt werden oder es kann durch Kompensation erhalten
werden, indem Donatoren- und Akzeptorenanzahl im Germanium so ausgeglichen werden,
daß die positiven und, negativen elektrischen Leitungsträger im wesentlichen sich
kompensieren. Bevor das Eisen dem Ausgangsgermanium zugeführt wird, sollen sich
daher weniger als 5 . 1013 Atome unkompensierter Aktivatorverunreinigungen pro ccm
im Germanium befinden. Da der Abscheidungskoeffizient (d. h. das Verhältnis der
Menge der Verunreinigungen in einem festen Gerlnaniumkristall zu der Menge der Verunreinigungen
in einer flüssigen Phase, aus der heraus das feste Germanium gezogen wird) von Eisen
in Germanium sehr niedrig ist und nur in der Größenordnung von 10---6 oder weniger
liegt, wird nur eine sehr kleine Menge von Eisen in dem festen Germaniumkristall
anwesend sein. Die Menge des in dem festen Kristall anwesenden Eisens hängt von
der Konzentration des Eisens in der Schmelze ab, die leicht kontrolliert werden
kann. Mit ungefähr 0,05 bis 0,10 Atomprozent Eisen in der Schmelze treten etwa 1012
bis 1014 Atome Eisen pro ccm Germanium in den wachsenden Kristall ein. Diese kleine
Spur von Eisen genügt jedoch.
-
Die tiefliegenden Störterme, die durch kleine Spuren von Eisen in
Germanium hoher Reinheit hervorgerufen werden, bewirken, daß der resultierende Germaniumkörper
sehr hohe Widerstände in dem Temperaturbereich von -100 bis -200° C aufweist.
Diese
hohen spezifischen Widerstände liegen in der Größenordnung von 1010 Ohm -
cm oder darüber. Wenn die Vorrichtung der Fig.2 auf dieser niedrigen Temperatur
gehalten wird, indem z. B. das Thermosgefäß 3 mit flüssiger Luft oder flüssigem
Stickstoff gefüllt wird, kann der bistabile Betrieb in einen nutzbaren Bereich von
niedrigen aufgedrückten Betriebsspannungen erreicht werden. Wenn das Halbleiterplättchen
4 Germanium hoher Reinheit enthält, das mit 1012 bis 1014 Eisenatomen pro ccm Germanium
dotiert ist und einen Tieftemperaturwiderstand der Größenordnung von 1010
bis 1012 Ohm - cm aufweist, dann behält die bistabile Vorrichtung diesen hohen Wert
des Widerstandes für Feldstärken bis zu etwa 150 Volt pro cm ohne Durchbruch bei.
Eine bistabile Vorrichtung mit einem halbleitenden Plättchen 4 von etwa 0,33 cm
Dicke zeigt z. B. ein Durchbruchspotential von etwa 50 Volt. Nachdem die Vorrichtung
von dem ersten stabilen Zustand hohen Widerstandes in den zweiten stabilen Zustand
niedrigen Widerstandes übergeführt worden ist, kann sie im zweiten stabilen Zustand
mit nur einem Bruchteil der Durchbruchsspannung gehalten werden. Während die in
dem Beispiel erwähnte Vorrichtung eine Spannung von etwa 50 Volt für den Durchbruch
benötigt, kann sie im leitenden Zustand niedrigen Widerstandes mit einer angelegten
Spannung von nur 2 Volt gehalten werden. Es ist daher ersichtlich, daß die Vorrichtung
dieses Beispiels zwei stabile Widerstandswerte für Werte der angelegten Spannung
von 2 bis 50 Volt besitzt. Diese Werte sind nur als Beispiel angegeben, und es sei
bemerkt, daß sie durch Änderung der Abmessungen der Vorrichtung, durch Änderung
des Anfangswiderstandes des Germaniumplättchens 4 oder durch Änderung der Betriebstemperatur
geändert werden können.
-
In Fig. 3 a und 3 b sind die elektrischen Kennlinien einer Vorrichtung
dargestellt, die gemäß der Erfindung ausgeführt ist und einen bistabilen Betrieb
durch Steuerung mit Impulsen von strahlender Energie gestatten.
-
Fig. 3 a und 3 b sind Oszillogramme, welche die Stromspannungscharakteristiken
einer Vorrichtung nach Fig.2 vor und nach dem Injektionsdurchbruch darstellen, bei
der das halbleitende Plättchen 4 einen kristallinen Körper aus Germanium hoher Reinheit
der n-Type, das mit einer Spur von Eisen imprägniert ist, aufweist. In Fig. 3 a
ist eine Wechselspannung mit einem Spitzenwert von 17 Volt an die Zuführungsleitungen
9 und 10 einer bistabilen Vorrichtung 1 gelegt. Da das Germaniumplättchen 4 dieser
Vorrichtung ungefähr 0,33 cm dick ist, stellt dies eine Feldstärke von etwa 50 Volt
pro cm, d. h. einen Wert unter der Durchbruchsfeldstärke, dar. Der Bereich links
von der Nullspannungslinie stellt eine Vorspannung in der Sperrichtung der Diode
2 dar. Der Bereich rechts von der Nullspannungslinie stellt eine Vorspannung in
der Durchlaßrichtung dar. Wenn kein sichtbares Licht auf die Diode 2 fällt und die
angelegte Spannung unter der Durchbruchsspannung liegt, fließt kein nennenswerter
Strom durch die Diode 2. Fig. 3b stellt die Spannungs-Strom-Charakteristik der bistabilen
Vorrichtung 1 dar, nachdem ein Impuls von 1/loo Sekunde Dauer von einer Neonlampe
durch die Linse 15 auf die Diode 2 gefallen ist. Die Einteilung der Stromskala der
Fig. 3 b ist gegenüber der Fig. 3 a um einen Faktor von 1000 geändert worden, um
den Strom darstellen zu können. Nachdem der Durchbruch eingetreten ist, fließt kein
Strom in der Sperrichtung, jedoch ist der Strom in der Durchlaßrichtung in erster
Linie durch den äußeren Widerstand des Kreises begrenzt, während die bistabile Anordnung
1 einen vernachlässigbaren Widerstand mit dem niedrigen stabilen Wert von etwa 10
bis 100 Ohm - cm aufweist.
-
Die Vorrichtung der Fig.2 kann in den stabilen nichtleitenden Zustand
hohen Widerstandes, wie er in dem Oszillogramm der Fig. 3 a dargestellt ist, durch
einen Impuls von infrarotem Licht zurückgebracht werden, das auf das Plättchen 4
durch die Linse 16 in dem Thermosgefäß 3 gerichtet wird.
-
Die Energie der einfallenden Strahlen, welche den Durchbruch in der
bistabilen Anordnung einleitet und löscht, ist verschieden, je nach der Zusammensetzung
des halbleitenden Materials und der Störstellen, durch die die tiefliegenden Störterme
erzeugt worden sind. Als Beispiel jedoch kann angegeben werden, daß, wenn das halbleitende
Plättchen 4 der bistabilen Anordnung 1 Germanium der n-Type, das mit Eisenspuren
dotiert ist, enthält, eine Strahlung mit Energien von über etwa 0,7 eV, die z. B.
sichtbar sein kann oder neben infrarotem Licht von etwa 1,8 #t Wellenlänge oder
weniger liegen kann, einen Durchbruch auslöst, wenn die angelegte Spannung über
der minimalen, den Durchbruch aufrechterhaltenden Spannung, aber unter dem Durchbruchspotential
liegt. In ähnlicher Weise löscht strahlende Energie von etwa 0,4 bis 0,6 eV den
Durchbruch, wenn das angelegte Potential nur wenig über der minimalen Dauerspannung
liegt. Die Strahlung kann z. B. aus infrarotem Licht mit einer Wellenlänge von etwa
2 bis 3 Ei bestehen.
-
Die strahlende Energie, welche erforderlich ist, um den Durchbruch
bei der bistabilen Vorrichtung der Erfindung auszulösen und zu löschen, braucht
nicht sehr groß zu sein. Wenn die angelegte Spannung (im Fall des Durchbruchs) zusätzlich
auf einen Wert erhöht wird, der sich dem Durchbruchspotential nähert, nimmt der
Betrag der einfallenden Energie, der notwendig ist, um den Durchbruch zu erzeugen,
ab. Als Beispiel dieses Merkmales sei eine bistabile Diode entsprechend der Fig.
1 angegeben, bei der das Plättchen 4 von 0,5 cm Dicke untersucht wurde, das aus
einem Körper von Germanium hoher Reinheit mit einer Spur von Eisen bestand. Für
diese Vorrichtung betrug das Durchbruchspotential im Dunkeln 75 Volt. Mit einem
Potential von 3 Volt an der Vorrichtung wurde der Durchbruch beim Einfall von Licht
mit einer Wellenlänge von 1,5 #t und 10-5 eingeleitet. Wenn die angelegte Spannung
auf 9 Volt erhöht wurde, betrug der Wert des Lichtes bei der gleichen Wellenlänge,
der erforderlich war, um den Durchbruch auszulösen, nur 10--6. Wenn die angelegte
Spannung auf 45 Volt erhöht wurde, nahm die Durchbruchlichtenergie auf 10-7 ab.
-
In Fig.4 ist eine weitere Anordnung dargestellt. Die Vorrichtung der
Fig. 4 zeigt eine halbleitende Vorrichtung 20 mit drei Anschlüssen in einem Thermosgefäß
21. Die Halbleitervorrichtung 20 enthält ein halbleitendes Plättchen 22, das einen
nicht gleichrichtenden Kontakt 23 auf der einen Hauptfläche und zwei gleichrichtende
Kontakte 24 und 25 an der anderen Hauptfläche trägt. Der Widerstand zwischen den
Kontakten 23, 24 und 25 ist im wesentlichen unendlich, solange ein Durchbruch noch
nicht ausgelöst worden ist. Wenn jedoch der Injektionsdurchbruch zwischen dem gleichrichtenden
Kontakt 24 und dem nicht gleichrichtenden Kontakt 23 eingeleitet worden ist, arbeitet
die Vorrichtung als Transistor, wobei der Kontakt 24 als Emitter, der Kontakt 25
als Kollektor und derKontakt23 alsBasiselektrode dienen.
Die Triodenanordnung
20 kann in einen stabilen, nichtleitenden Zustand zurückgebracht werden, wenn die
Emitterspannung für einen genügend langen Zeitraum auf Null gebracht wird.
-
Das halbleitende Plättchen 22 kann in der gleichen Weise ausgebildet
sein wie das Plättchen 4 der Vorrichtung nach Fig. 1 und kann in geeigneter Weise
ein kristalliner Körper aus Germanium sein, der nicht mehr als 5 - 1013 Eisenatome
pro ccm Germanium aufweist und dem von 1012 bis 1014 Eisenatome pro ccm hinzugefügt
worden sind. Die gleichrichtenden Kontakte 24 und 25 der halbleitenden Vorrichtung
21 sollten ein Aktivatorelement von entgegengesetztem Leitungstyp als der Halbleiterkörper
enthalten. Wenn das halbleitende Plättchen 22 zum p-Typ gehört, können die Kontakte
24 und 25 eine Legierung von Zinn und Arsen, Antimon oder Phosphor enthalten oder
eine Legierung von Indium mit etwa 101/o irgendeines Donatorelementes Antimon, Arsen
oder Phosphor. Wenn andererseits das Plättchen 22 dem n-Typ angehört, können die
gleichrichtenden Kontakte 24 und 25 irgendein Akzeptorelement oder eine Legierung,
wie z. B. Indium, Gallium und Aluminium oder Legierungen derselben, enthalten. Der
Kontakt 23 niedrigen Widerstandes kann aus irgendeinem Metall bestehen, das einen
nicht gleichrichtenden Kontakt mit dem Halbleiterplättchen 22 herstellt. Wenn das
Halbleiterplättchen 22 der n-Type angehört, kann der Kontakt 23 in passender Weise
aus Zinn oder einer Legierung von Zinn und Arsen oder Zinn und Antimon bestehen.
Wenn das Halbleiterplättchen 22 der p-Type angehört, kann der Kontakt 23 in passender
Weise aus Zinn, Indium oder Aluminium oder einer Legierung von Zinn mit irgendeinem
Akzeptorelement oder einer Kombination davon bestehen.