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Spitzentransistor aus einem Halbleiterkristall wie Germanium oder
Silizium mit vier oder mehr Spitzenelektroden Der bekannte Spitzentransistor besteht
aus einem Störstellenhalbleiter, d. h. aus einem Halbleiterlcristall, wie Germanium
oder Silizium, mit sehr geringer Verunreinigung durch andere Elemente, z. B. Arsen
oder Gallium, dessen elektrische Leitfähigkeit mit Hilfe einer auf den Kristall
gesetzten Metallspitze verändert werden kann.
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Je nach Art und Anzahl der im Überschuß vorhandenen Störatome, d.
h. der reguläre Plätze des Kristallgitters einnehmenden Fremdatome, bildet sich
ein elektronenleitender Halbleiter (n-Typ), wenn die Anzahl der negativen Ladungsträger
(Elektronen) die positiven Ladungsträger (Löcher) überwiegt. Umgekehrt ist ein .defektelektron.enleitender
Halbleiter. (p-Typ) vorhanden, wenn die positiven Ladungsträger (Löcher) die negativen
(Elektronen) überwiegen. Silizium und Germanium sind Elemente der IV. Gruppe des
Periodischen Systems. Es zeigt sich, daß Einlagerungen in kleinen Konzentrationen
von dreiwertigen Fremdatomen (Akzeptoren), wie Bor, Gallium oder Indium, in den
vierwertigen Halbleitern, im allgemeinen Löcherleitung, Zusätze von fünfwertigen
Fremdatomen (Donatoren), wie Phosphor, Antimon, oder Arsen, dagegen im allgemeinen
Elektronenleitungen erzeugen.
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Der bekannte Spitzentransistor enthält auf der Halbleiteroberfläche
zwei feine Metallspitzen in sehr geringem Abstand voneinander. Davon wird die eine,
der sogenannte Emitter, in Flußrichtung des Kristalls vorgespannt, d. h. bei einem
n-Typ-Halbleiter positiv vorgespannt, während die zweite Spitze, der Kollektor,
in Sperrichtung des Kristalls betrieben wird. An der Basis des Kristalls befindet
sich ein Großflächenkontakt, die Basiselektrode.
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Der Kontakt zwischen der Metallunterlage und dem Halbleiter, d. h.
der Basiskontakt, ist rein ohmisch und hat keine Sperrschicht. Der Übergangswiderstand
der Basis ist also unabhängig von der Richtung und Stärke des Stromflusses. Die
Emitter-und die Kollektorelektrode haben mit dem Halbleiter eine gleichrichtende
oder asymmetrische Impedanz, d. h., ihre Impedanz ist für verschiedene Stromrichtungen
verschieden.
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Das für die meisten Spitzentransistoren verwendete Halbleitermaterial
ist Germanium vom n-Typ. Sein Emitter hat eine positive Vorspannung. Aus diesem
Einitter fließt ein Strom in das n-Germanium. Ein kleiner Bruchteil dieses Stromes
besteht aus Elektronen, die, von der sperrfreien Basiselektrode herkommend, quer
durch den Germaniumkristall in den Emitter hineinfließen. Der Hauptteil des Emitterstroines
besteht dagegen aus Defektelektronen (Löcher), auf die der benachbarte Kollektor
mit seiner negativen Vorspannung eine größere Anziehungskraft ausübt. Der Hauptteil
dieses Löcherstromes fließt infolge des geringen Abstandes des Kollektors zum Emitter,
vom Emitter zum Kollektor und nur in geringer Menge zur Basis. Diese Verteilung
des Löcherstromes über den Kollektor und über die Basis ist noch dadurch bedingt,
daß das Potential des Kollektors viel niedriger ist als das Potential der Basis.
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Der Austritt von Elektronen aus der negativen Kollektorspitze ist
durch die Randschicht erschwert. Wenn nun die Defektelektronen infolge des Feldes
zwischen Einitter und Kollektor in die Nähe des Kollektors geraten, so vermehren
sie nicht nur den Stromfluß nach dem Kollektor hin, viel bedeutender ist, daß sie
in Kollektornähe eine Verringerung der Sperrwirkung durch die Randschicht verursachen.
Die Defektelektronen erleichtern den Austritt der Elektronen aus dem Kollektor.
Dieser Elektronenstrom fließt infolge der Potentialverteilung im Halbleiter zum
größten Teil zur Basis und nur zu einem geringen Teil zur Emitterelektrode. Die
vom Emitter aus injizierten Defektelektronen sind bestimmend für die Verstärkerwirkung
des Transistors. Mit einer kleinen Leistung im Emitterkreis kann somit der über
die Kollektorrandschicht führende Strompfad der Batterie im Kollektorkreis gesteuert
werden. Eine bestimmte Änderung im Emitterkreis löst eine entsprechende gleich große
oder größere im Kollektorkreis aus. Diese Anordnung kann also als Verstärker verwendet
werden. Man nennt das Verhältnis der
Kallektorstromänderun.g zur
Emitterstromänderung für eine feste Kollektorspannung die Stromverstärkung x. Beim
Spitzentransistor kann der a-Wert größer als Eins sein.
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Zur Verbesserung der Stromvervielfachung eines Spitzentransistors
ist nun bereits vorgeschlagen worden, dem Halbleiterkristall eine weitere wirksame
Spitzenelektrode aufzusetzen, die eine zusätzliche Raumladung von Elektronen als
Ladungsträger erzeugt. Der Einsatz dieser zweiten Emitterelektrode nach dem älteren
Vorschlag bringt in bezug auf die Transistoreigenschaften bestimmte wesentliche
Vorteile, insbesondere einen vergrößerten Stromvervielfachungsfaktor. Der Transistor
nach dem älteren Vorschlag ist jedoch bestimmten Einschränkungen unterworfen. Eine
davon besteht darin, daß der Abstand zwischen dem zweiten Emitter, d. h. dein Hilfsemitter.
und dein Kollektor gleich oder größer sein muß als die Diffusionslänge für die durchschnittliche
Lebensdauer der Elektronen in dem Halbleitermaterial. Um diesen erforderlichen Abstand
zu verkleinern, ist es daher erwünscht, Transistoren vom Typ des älteren Vorschlages
aus Germanium mit kurzer Lebensdauer der Elektronen zu bauen.
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Eine weitere Schwierigkeit bei dem Transistor nach dem genannten älteren
Vorschlag ist eine unerwünschte Verminderung des Rückwiderstandes (Widerstand gegen
den Stromfluß, von der Basis zum Kollektor) unter bestimmten Arbeitsbedingungen.
Diese Abnahme des Rückwiderstandes ergibt sich besonders dann, wenn versucht wird,
den Abstand zwischen dem Hilfsemitter und dem Kollektor unter die Diffusionsläne
zu verkleinern. Es ist aber gerade bei Transistoren,' die in Schaltkreisen verwendet
werden sollen, sehr wünschenswert, den Rückwiderstand während des Transistorbetriebes
hochzuhalten.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin. einen
verbesserten Transistor mit einem großen Stromvervielfachungsfaktor zu schaffen.
Bei dem Transistor nach der Erfindung wird ebenfalls eine Hilfsraumladung zusätzlich
von Überschußträgern (Elektronen) erzeugt. Diese Zusatzladung wird erfindungsgemäß
laufend gesteuert.
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Spitzentransistor aus einem Halbleiterkristall
wie Germanium oder Silizium mit vier oder mehr Spitzenelektroden auf ein und derselben
n- oder p-leitenden Halbleiteroberfläche. Erfindungsgemäß sind zwischen zwei Kollektorspitzenelektroden
zwei Emitterspitzenelektroden so angeordnet, daß der eine Ernitter von beiden Kollektoren
den gleichen Abstand hat und der andere Ernitter dem einen der beiden Kollektoren
so dicht benachbart ist, wie es -zwischen dein Emitter und dem Kollektor bei den
bekannten Spitzentransistoren der Fall ist. Nur eine der beiden Kollektorelektroden
dient als Ausgangselektrode des Transistors. Die Verteilung der durch den zweiten
Emitter fließenden Ladungsträger zwischen den Kollektoren wird durch den Ladungsträgerfluß
vorn ersten Emitter aus gesteuert. Die Potentiale der verschiedenen Elektroden können
nach Wunsch so gesteuert werden, daß sie den Stromvervielfachung.-faktor regeln.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung.
Die Zeichnung enthält eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung. An Hand
dieser Zeichnung sei die Erfindung nachstehend näher erläutert.
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Die Zeichnung zeigt einen Spitzentransistor, bestehend aus einem Block
1 aus Halbleitermaterial rnit einer Basiselektrode 2, zwei Emitterelektroden 3e
und 41- und zwei Kollektorelektroden 5 c und 6c. Der Block 1 besteht aus Halbleitermaterial
vorn n-Typ. Die Stromflußrichtungen und die verschiedenen Polaritäten entsprechen
den Erfordernissen des jeweils benutzten Halbleitermaterials. Das Halbleitermaterial
kann also im Bedarfsfalle auch vom p-Typ sein, wobei jedoch die Stromrichtungen
und Polaritäten umgekehrt werden müßten.
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Die Emitterelektrode 3 e befindet sich auf der Halben Strecke zwischen
den Kollektorelektroden 5c und 6 c. Der Abstand x zwischen Ernitter 3 e und Kollektor
5 c ist also etwas gleich dem Abstand y zwischen Emitter 3 c und Kollektor 6 c.
Während diese drei Elektroden vorzugsweise auf einer geraden Linie liegen, braucht
nur der Abstand .r gleich dein Abstand _v zu sein.
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Die Emitterelektrode 4e befindet sich zwischen dem Emitter 3 c und
dem Kollektor 6 c, und zwar vorzugsweise sehr nahe am Kollektor 6c. Hier ist der
Abstand im wesentlichen derselbe wie zwischen (lern Emitter und dein Kollektor bei
bekannten Spitzentransistoren. Die Basiselektrode 2 ist geerdet. Die Emitterelektrode
3 e ist über einen Widerstand 17 und eine Vorspannungsbatterie 7 geerdet. Die Emitterelelctrode
4c ist über einen Signalgeber 8 geerdet, der z. B. aus einer Wechselstrom-Signalquelle
9 und einer Gleichstrom-Siglialquelle 10 (als Batterie dargestellt) besteht. Die
Stromflußrichtung vom Emitter4c in den Block ist die bei einem Ernitter bekannter
Spitzentransistoren übliche. Daher muß der Ernitter 4e im Falle eines n-Typ-Halbleiters
gegen das ulrmittelbar benachbarte Halbleitermaterial positiv sein. Der Emitter
braucht jedoch hinsichtlich der Basis 2 nicht positiv zu sein. Ist der Kollektor
6c negativ und der Emitter4c ihm sehr dicht benachbart, so könnte es sogar erforderlich
sein, den Ernitter4t° gegen die geerdete Basis 2 negativ vorzuspannen.
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Die Kollektorelektrode 5c ist in Reihe mit ein-er Batterie 11 und
einem Widerstand 12 und der Kollektor 6c in Reihe mit einem Belastungswiderstand
13 und einer Batterie 14 geerdet. Die Ausgangsklernmen 15 und 16 sind an den Kollektor
6c bzw. an Erde angeschlossen.
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Nachstehend wird die Arbeitsweise des Spitzentransistors nach der
Erfindung an Hand der Löcher und Elektronenleitung erörtert. Dabei soll vorausgesetzt
sein. daß der Block 1 aus halbleitendem Material vorn n-Typ besteht. ohne daß damit
die Erfindung auf Transistoren vom n-Typ beschränkt ist. In jedem Transistor erzeugen
die vom Ernitter zum Kollektor fließenden Defektelektronen (Löcher) gleichzeitig
einen Stromfluß vom Kollektor zur Basis. Der Kollektorstrom ist die Summe des Löcherstromes
und des Elektronenstromes und daher trrn einen Faktor a* oder 2i größer als der
Löcherstrom. Dieser Faktor wird als Eigenstromverstärkung oder zuweilen auch als
Kollektorverstärkungsfaktor bezeichnet. Infolge eines Verstärkerrnechanismus, dessen
exakte Theorie hier nicht besprochen werden soll, kann jedes den Kollektor erreichende
Defektelektron einen Fluß von mehreren Elektronen vorn Kollektor au: erzeugen, so
daß die Eigenstromverstärkung sehr hoch sein kann. Zum Beispiel kann der Transistor
nach dem obene 'iliiiteii älteren Vorschlag einen Eigen-Stromrw2 vervielfachungsfaktorai
von über 20 haben. Durch Versuche hat sich herausgestellt, daß. wenn ein einziger
Eniitter an einer Stelle in der -litte zwischen zwei ähnlichen Kollektoren aufgesetzt
wird, die Stromträger von dem Ernitter sich nicht - wie man
annehmen
könnte - gleichmäßig zwischen den Kollektoren aufteilen, sondern statt dessen der
meiste Strom zu dem einen oder zu dem anderen Kollektor fließt. Es ist zu vermuten.
daß diese Erscheinung einer kumulativen Wirkung zuzuschreiben ist. Zum Verständnis
dieser Wirkung berücksichtige man, daß es beim Spitzentransistor praktisch unmöglich
ist, eine Emitterelektrode genau in die Mitte zwischen zwei Kollektoren zu setzen.
Ebenso ist es unmöglich, die beiden Kollektoren mit genau gleichen Potentialen vorzuspannen.
Es ist auch nicht möglich, zwei Kollektoren genau gleichen Formierungen zu unterwerfen.
um eine gleiche Stromvervielfachung und gleiche Rückwiderstände an beiden Kollektoren
zu erhalten. Infolgedessen besteht in jedem Transistor immer eine leichte Ungleichheit
zugunsten eines Kollektors. Durch diese leichte Ungleichheit ergibt sich eine Ungleichheit
des elektrischen Feldes innerhalb des Halbleiterkörpers. Dadurch wird ein Kollektor
begünstigt; sie führt dazu, mehr als dessen Anteil der Träger vom Emitter anzuziehen.
Ist der gesamte Emitterstrom konstant, so muß dieser zusätzliche zu einem Kollektor
fließende Emitterstrom von dem nicht begünstigten Kollektor weggenommen werden.
Diese Veränderungen der zu den Kollektoren fließenden Löcherströme erzeugen wiederum
Veränderungen in den Elektronenströmen, die von den Kollektoren wegfließen. Ist
die Eigen-Stromverstärkung (a* oder ai) für jeden Kollektor groß genug, so überwinden
diese Veränderungen des Elektronenstroms alle Veränderungen der Leitfähigkeit infolge
der Defektelektronen, und die von jedem Kollektor ausgehenden elektrischen Felder
verändern sich in denselben Richtungen wie die elektronischen Ströme. Der begünstigte
Kollektor erzeugt also ein stärkeres Feld und der nicht begünstigte ein schwächeres
Feld.
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Diese Feldveränderungen neigen dazu, eine weitere Ungleichheit in
der Aufteilung des ankommenden Emitterstroms zu erzeugen. Dadurch wiederum entsteht
eine Veränderung der von den Kollektoren ausgehenden Felder usw. Bei dem in der
Zeichnung dargestellten Transistor besteht der eben beschriebene Zustand hinsichtlich
des Emitters 3 e und der Kollektoren 5 c und 6 c. Diese beiden Kollektoren müßten
Eigenschaften aufweisen, die einander weitestgehend gleichen. Dieser symmetrische
Zustand wird durch das Vorhandensein des zusätzlichen Emitters 4e. der näher am
Kollektor 6 c liegt als der Emitter 3 e, gestört. Die Vorspannungspotentiale der
beiden Kollektoren oder andere steuerbare Faktoren müssen so gewählt werden, daß,
wenn kein Strom durch den Emitter 4 e fließt, die meisten Löcher von dem Emitter
3 e zu dem Kollektor 5 c fließen und nur ein geringer Strom durch den Kollektor
6c fließt. Sobald ein Strom vom Emitter 4e aus zu fließen beginnt, wird er vom Kollektor
6 c durch dessen elektrisches Feld angezogen. Dieser Löcherstrom erhöht bei seiner
Ankunft am Kollektor den von diesem ausgehenden Elektronenstrom in einem Maße, das
durch den erwähnten Eigenstromverstärkungsfaktor a" bestimmt wird. Dieser verstärkte
Elektronenfluß vergrößert das elektrische Feld des Kollektors 6c . und dieses vergrößerte
Feld zieht mehr Löcher vom Emitter 3 e an. Der verstärkte Löcherstrom verstärkt
wiederum den Elektronenfluß vom Kollektor 6 c.
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Diese Anziehung von Defektelektronen vom Emitter 3 e aus durch das
elektrische Feld infolge des vorn Emitter 4e aus fließenden Elektronenstromes kann
als innerer Rückkopplungsmechanismus bezeichnet werden. Bei dem Transistor nach
der Erfindung ist jedoch noch ein anderer innerer Rückkopplungsmechanismus wirksam,
der den gesamten Stromverstärkungsfaktor noch weiter vergrößert. Beim Kleinerwerden
des Verhältnisses von Löchern vom Emitter 3 e aus, die zum Kollektor 5 c fließen,
nimmt das durch diesen Elektronenfluß bedingte elektrische Feld ab. Der Kollektor
5 c hat daher die Neigung, einen noch kleineren Teil der Defektelektronen vom Emitter
3e anzuziehen.
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Man sieht also, daß der Transistor nach der Erfindung einen Gesamts.tromverstärkungsfaktor
hat, der noch größer ist als der des obenerwähnten Transistors. Außerdem läßt sich
der Rückwiderstand des Transistors nach der Erfindung besser aufrechterhalten.
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Ein besonderer Vorteil des Transistors nach der Erfindung besteht
darin, daß er keiner Beschränkung in bezug auf die Lebensdauer der Überschußträger
im Halbleitermaterial oder im Hinblick auf die Diffusionslänge unterworfen ist.
Gegenüber dem älteren Vorschlag müssen die Elektronenabstände kleiner sein als die
Diffusionslänge anstatt größer wie beim obigen bekannten Transistor. Es ist zweckmäßig,
am Emitter 3 e eine hohe Vorspannung und einen hohen Widerstand damit in Reihe aufrechtzuerhalten,
damit eine reichliche, aber konstante Menge von Ladungsträgern ständig vom Emitter
verfügbar ist. Die Vorspannung am Emitter 3 e und die am Kollektor 5 c können veränderbar
sein, wie die Zeichnung zeigt, damit der Stromv erstärkungsfaktor nach Wunsch steuerbar
ist.
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Obwohl nach der Zeichnung ein Widerstand 12 mit der Batterie 11 in
Reihe liegt, kann vorteilhafterweise in vielen Fällen dieser Widerstand auch weggelassen
werden. Man könnte erwarten, daß der beste Ausgleich zwischen den Kollektoren 5
c und 6 c erhalten würde, wenn der Widerstand 12 gleich dem Widerstand 13 und das
Potential der Batterie 11 gleich dem der Batterie 14 wären. Wie jedoch bereits erklärt,
kann man praktisch keinen genauen Ausgleich zwischen den Emittern herbeiführen.
Ein solcher wird auch bei der Arbeitsweise des Transistors gar nicht verwendet außer
als vorübergehender Zustand während eines Überganges von einer Ungleichheit, die
den einen Kollektor begünstigt, zu einer den anderen begünstigenden Ungleichheit.
Es ist erwünscht, so schnell wie möglich von dem einen Zustand in den anderen überzugehen.
Die Widerstände 12 und 13 haben wie alle Widerstände die Neigung, den Stromfluß
konstant zu halten, und neigen daher dazu, die gewünschte Arbeitsweise der Schaltung
zu beeinträchtigen. Im Gegensatz zu dem Widerstand 12 kann in der Schaltung auf
den Widerstand 13 nicht verzichtet werden. Wird der Widerstand 12 weggelassen, dann
muß zur Erlangung annähernd gleicher Potentiale an den Kollektoren 5 c und 6 c das
Potential der Batterie 14 größer sein als das der Batterie 11, um den Potentialabfall
über den Widerstand 13 auszugleichen.