DE1066283B

DE1066283B -

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Publication number: DE1066283B
Application number: DENDAT1066283D
Authority: DE
Publication date: 1959-10-01
Also published as: BE548745A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltdiode mit einem plättchenförmigen Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps sowie mit auf gegenüberliegenden Oberflächen angebrachten Elektroden und diesen je eine vorgelagerte Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps. Aufgabe der Erfindung ist es, die Steuerung des Stromes in der Umgebung einer gleichrichtenden Sperrschicht innerhalb eines Halbleiterkörpers zu erleichtern. Die neue Schaltdiode soll dabei hohe Werte eines negativen Arbeitswiderstandes aufweisen, wobei die Eigenschaften dieser sogenannten Zehnerdioden weiter verbessert sind. Insbesondere soll die neue Schaltdiode so aufgebaut sein, daß sich durch einfache Steuerung während des Betriebes der wirksame Bereich eines Halbleiterübergangs verändern läßt, wodurch man ein Schaltelement erhält, das man mit Hilfe des durch das Schaltelement fließenden Stromes wahlweise zwischen einem Wert hohen Widerstandes und einem Wert niedrigen Widerstandes umschalten kann.

Es sind bereits aus mehreren Einzelschichten bestehende Halbleiter-Schaltelemente bekannt. Bisher bekannte Schaltdioden bzw. Diodengleichrichter aus Halbleitermaterial bestanden beispielsweise aus zwei aneinanderstoßenden Schichten verschiedenen Leitfähigkeitstyps, von denen die eine Schicht auch als Spitze ausgebildet sein kann. Bei aneinanderstoßenden Schichten sollte zwischen den beiden Schichten ein hoher Sperrwiderstand vorhanden sein, um die Gefahr eines Spannungsdurchschlages im Vergleich zu älteren Trockengleichrichtern zu vermeiden.

Ferner sind Gleichrichter mit nur einem Gleichrichterübergang bekannt, bei denen ein möglichst kleiner Widerstand in Durchlaßrichtung dadurch erzielt werden soll, daß die eine der Elektroden als Spitzenkontakt ausgebildet ist.

Ferner sind auch bereits aus drei Schichten oder Zonen verschiedenen Leitfähigkeitstyps bestehende Halbleiter-Schaltelemente bekannt, an deren einzelnen Zonen, die bei Transistoren als Emitter-, Basis- und Kollektorzone bezeichnet werden, drei Elektrodenanschlüsse für aktive Schaltelemente vorgesehen sind. Eine dieser Elektroden dient im allgemeinen zum Anlegen eines Potentials an die zwischen den äußeren Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps liegende ZAvischenzone. Bei solchen Halbleiter-Schaltelementen ist es bekannt, die eine der beiden außenliegenden Zonen etwas kleiner zu machen, um auf diese Weise einen vereinfachten Anschluß an die mittlere Zone zu ermöglichen.

Weiterhin ist ein mit drei Elektroden versehenes Halbleiter-Schaltelement bekannt, bei dem die mittlere Zone verhältnismäßig groß und die äußeren einlegierten Zonen verhältnismäßig klein und außerdem Schaltdiode mit einem plättchenförmigen Halbleiterkörper

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. K. Boehmert und Dipl.-Ing. A. Boehmert, Patentanwälte, Bremen 1, Feldstr. 24

Beanspruchte Prioritat: V. St. v. Amerika, vom 13. Juli, 1955

Jewell James Ebers, Whippany, N. J.,

und Solomon Leon Miller, Murray Hill, N. J. (V. St. A.), sind als Erfinder genannt worden

noch verschieden groß sind. Auch bei dieser bekannten Anordnung handelt es sich um einen Transistor und nicht um eine Schaltdiode.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, nämlich die Änderung der wirksamen Emitterfläche in Abhängigkeit von dem durch die Schaltdiode fließenden Strom, wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die vorgelagerten Zonen gleiche Form und Größe wie die Elektroden haben, daß die eine Elektrodenfläche etwa viermal so groß wie die andere ist, daß ferner im Betrieb zwischen den beiden Elektroden eine Spannung einer solchen Polarität angelegt ist, daß der gleichrichtende Übergang der größeren Elektrodenfläche in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, und zwar so hoch, daß sie über der Durchbruchsparinung der kleineren Elektrode liegt und sich bei abnehmender Spannung ein wachsender Strom ergibt, und daß der Halbleiterkörper selbst zwischen den beiden Übergängen keine Elektroden aufweist.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß der flächenmäßig größeren Elektrode die flächenmäßig kleinere Elektrode so gegenüberliegt, daß ihre Projektion auf die größere Elektrode von deren Umrandung eingeschlossen ist.

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Vorteilhafterweise hat der der flächenmäßig größeren Elektrode benachbarte Teil des Halbleiterkörpers einen abnehmbaren Gradienten des spezifischen Widerstandes in Richtung auf den Umfang des Halbleiterkörpers. Vorzugsweise weisen die beiden gleichrichtenden Übergänge einen engen Abstand von etwa 0,025 mm auf. Eine. besonders zweckmäßige Ausführungsform ist derart aufgebaut, daß der Teil des Halbleiterkörpers etwa zwischen der kleineren Elektrode und der größeren Elektrode aus N- bzw. P-HaIbleitermaterial und der übrige Teil des Halbleiterkörpers aus N⁺- bzw. P⁺-Halbleitermaterial besteht.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn der übrige Teil des Halbleiterkörpers ist seiner Seitenausdehnung auf den Bereich außerhalb der Projektion der kleineren auf die größere Elektrode beschränkt ist.

Auf diese Weise kann man eine in ähnlicher Weise wie die Stromverstärkung bei Transistoren definierte Stromvervielfachung α in einer Schaltdiode in Abhängigkeit von dem durch die Diode fließenden Strom erreichen. Dabei besteht eine solche Schaltdiode aus einer emittierenden Zone, einer Zwischenzone und einer die hindurchströmenden Ladungsträger aufnehmenden Kollektorzone. Diese Zonen können in Anlehnung an die Terminologie bei Transistoren mit Emitter-, Basis- und Kollektorzone bezeichnet werden. Bei diesem Aufbau hängt der Wert von α von dem Produkt aus dem Bruchteil γ des durch Minderheitsladungsträger vom Emitter in die Basis eingeführten Stromes und von dem Bruchteil β der den Emitter verlassenden und am Kollektor ankommenden Minderheitsladungsträger ab. Der Wert von α läßt sich dadurch ändern, daß man eine geometrische Anordnung des Halbleiteraufbaues verwendet, die eine große Abänderung der Werte von β oder γ oder von beiden diesen Werten in Abhängigkeit vom durchfließenden Strom gestattet.

Insbesondere beschäftigt sich die Erfindung mit der Verwendung des Spannungsabfalles innerhalb des Halbleitermaterials auf Grund des darin fließenden Stromes, um die Potentiale über der gleichrichtenden Sperrschicht auf dem Körper zu ändern, wobei an einem Teil der Sperrschicht ein größeres Potential anliegt als an anderen, davon entfernteren Teilen. Eine Verwendung dieser Wirkung gemäß der Erfindung betrifft das Anlegen eines abgestuften Durchlaßpotentials an einen Minderheitsladungsträger abgebenden Übergang, so daß diese Durchlaßpotentiale von den innenliegenden Teilen des Übergangs in Richtung auf die Umfangsteile abnehmen, während der Kollektor für die Minderheitsladungsträger näher an diesem inneren Teil als an den Umfangsteilen liegt. Der Strompfad innerhalb des dazwischenliegenden halbleitenden Materials ist von den außengelegenen Teilen zum Kollektor langer als von den innenliegenden Teilen, und der Spannungsabfall längs dieser längeren Wege ist größer als bei den von den innengelegenen Teilen ausgehenden Wegen. Bei hohen Strömen wird ein solcher Emitter so vorgespannt, daß im wesentlichen alle Minderheitsladungsträger vom Mittelteil des Übergangs ausgehen und daß die Wirkung der äußeren Teile praktisch beseitigt ist. Die wirksame Verringerung der Emitterfläche und das Beschränken der wirksamen Emitterfläche auf einen Bereich in der unmittelbaren Nachbarschaft des Kollektors für die Minderheitsladungsträger erhöht den Anteil β der eingeführten Minderheitsladungsträger, die den Kollektor erreichen, wodurch die Stromvervielfachung der Halbleiteranordnung als eine Funktion des Stromes vergrößert wird.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird der Bruchteil des Emitterstromes, der durch die Minderheitsladungsträger in die Basiszone eingeführt wird, dadurch von dem emittierten Strom abhängig gemacht, daß der spezifische Widerstand des an dem Emitterübergang anstoßenden Materials abgestuft wird. Ist der spezifische Widerstand des am seitlichen Umfang des Emitters anschließenden Basismaterials geringer als der des den inneren Teilen

ίο benachbarten Materials, so wird der gesamte Emitterwirkungsgrad für niedrige Ströme auf einen ziemlich niedrigen Wert herabgesetzt, während bei höheren Strömen die am Umfang liegenden Teile des Emitters gemäß der oben beschriebenen Wirkung weniger in Durchlaßrichtung vorgespannt sind, so daß ein größerer Teil des Stromes von den innenlicgenden Teilen ausgeht. Das vergrößert den effektiven Emitterwirkungsgrad und damit andererseits die Stromvervielfachung.

Obgleich Änderungen der Stromvervielfachung in Abhängigkeit vom Strom in einem Halbleiter für eine Anzahl Anwendungsgebiete von Nutzen sind, beispielsweise für Transistoren, die nach Art von A^akuumröhren mit veränderlicher Steilheit verwendet werden, wird doch anschließend ein solches Verhalten im Zusammenhang mit einer Halbleiteranordnung beschrieben, die eine lawinenartige Stromvervielfachung aufweist, wobei die erhöhte Verstärkung bei erhöhtem Strom eine Kennlinie ergibt, die über einen verhältnismäßig großen Bereich ein Anwachsen des Stromes bei Abnahme der Spannung und daher einen negativen Arbeitswiderstand liefert.

Die Erfindung und die oben beschriebenen und andere Merkmale werden leichter \'erstäncHich aus der näheren Beschreibung in Verbindung mit den Figuren. Dabei zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Lawinenvervielfachungsdiode gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Diode mit Lawinenvervielfachung, die ähnlich wie die in Fig. 1 arbeitet, Fig. 3 eine Spannungsstromkennlinie einer Anordnung nach Fig. 2 und

Fig. 4 und 5 andere Ausführungsformen gemäß der Erfindung mit anderen geometrischen Abmessungen für eine Stromvervielfachung in Abhängigkeit vom Strom.

Es ist bekannt, daß eine wesentliche Stromvervielfachung in der Verarmungszone eines in Sperrichtung vorgespannten P-N-Überganges vor sich geht, wenn das Feld in der Nachbarschaft des Überganges und der Abstand, über welchen das Feld angelegt ist, eine kritische Beziehung zueinander erreichen. Diese Wirkung wurde als Lawinenzusammenbruch bezeichnet und liefert eine Stromvervielfachung innerhalb des Halbleiterkörpers, die eine Parallele einer abgewandelten Form der /?-Entladungstheorie für Gase nach Townsend darstellt. Ein Diodenaufbau, der die beschriebene Wirkung verwendet, ist in Fig. 1 dargestellt und weist einen Halbleiterkörper 11 mit drei aneinanderstoßenden Zonen 12, 13 und 14 mit abwechselnd entgegengesetzter Leitfähigkeitsart auf. Dieser Aufbau ergibt ebenso wie die Anordnungen nach Fig. 2, 4, und 5 einen negativen Arbeitswiderstand über einen relativ großen Betriebsbereich. Die Eigenschaften dieser Halbleiteranordnung werden aus dem Folgenden noch besser verständlich, das sich auf bereits veröffentlichtes Material stützt, in dem gezeigt wird, daß die Stromvervielfachung auf Grund der lawinenartigen Vervielfachung durch eine Größe »M«

I UDb

dargestellt werden kann. Für M ergibt sich die empirische Gleichung

M =

in der V₁₁ die Durchbruchspannung in dem Körper an einer gleichrichtenden Übergangsschicht ist, V die über dem Übergang liegende Spannung und η eine Konstante für eine gegebene Art von Übergang. Für Legierungsübergänge mit z. B. einem steilen Anstieg der Störelementverteilung, welche allgemein als Sprungübergänge bezeichnet werden, liegt η für P-leitendes Germanium in der Größenordnung von 4,5 bis 6,5 und für N-leitendes Germanium in der Größenordnung von 3. Die Durchbruchspannung für einen legierten Stromübergang, bei dem das. Material auf der einen Seite des Übergangs einen wesentlichen größeren spezifischen Widerstand aufweist als auf der anderen Seite, kann aus der Gleichung

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berechnet werden, wobei K eine Konstante ist und N_D — N_A die reine Störelementkonzentration auf der Seite des Übergangs mit hohem spezifischem Widerstand darstellt. Die Gesamtstromvervielfachung einer Anordnung mit einem Emitter für Minderheitsladungsträger, der diese Träger in das Material mit hohem spezifischem Widerstand in der Nachbarschaft des in Sperrichtung vorgespannten Übergangs einführt, läßt sich berechnen aus

si

Mt — a M= —

1 —

wobei α einen ähnlich wie der Stromverstärkungsfaktor definierten Stromvervielfachungsfaktor der Anordnung unabhängig von der Lawinenvervielfachung darstellt und direkt von dem Produkt aus γ und β abhängt, wobei γ das Verhältnis der vom Emitter in das Halbleitermaterial mit hohem spezifischem Widerstand eingeführten Minderheitsladungsträger zum Gesamtstrom durch den Emitter ist, während β das Verhältnis der am Kollektor aufgenommenen Minderheitsladungsträger zu den vom Emitter ausgehenden Minderheitsladungsträgern darstellt.

Eine Halbleiteranordnung der in Fig. 1 gezeigten Art hat eine Stromkennlinie, die die folgende Gleichung befriedigt:

/ = aMI_E + MJ₀₀ = I_E.

Dies ergibt eine Beziehung zwischen Strom und Spannung

F = Vb ΙΑ — (α +

co

wobei I den Gesamtstrom durch die Anordnung darstellt, der für eine Zweipolanordnung gleich dem Emitterstrom I_E ist, während I_Co den Sättigungsstrom des in Sperrichtung vorgespannten Kollektorübergangs darstellt.

Gemäß der Erfindung kann die Spannung V über einen Arbeitsbereich, wenn der Gcsamtstrom / zunimmt, dadurch zum Abnehmen gebracht werden, daß der Stromvervielfachungsfaktor α als Funktion des Stromes geändert wird. Eine Anordnung, die sich der verschiedenen Vorgänge bedient, mit denen sich diese Änderungen am besten erreichen lassen, ist in Fig. 1 gezeigt. Diese Anordnung weist einen Halbleiterkörper 11 aus N-leitendem, einkristallinem Germanium mit einer P-leitenden Zone 12 auf einer Fläche mit einer erheblichen Seitenausdehnung und einer zweiten P-leitenden Zone 14 auf einer gegenüberliegenden Fläche mit geringeren Seitenabmessungen auf. Die Zonen 12 und 14 sind von dem Basisbereich 13 durch N-P-Übergänge 15 und 16 getrennt. Sind die Übergänge 15 und 16 in ihren seitlichen Abmessungen kreisförmig und liegen ihre Projektionen durch die Basiszone 13 zueinander konzentrisch, dann verlaufen die Strompfade durch die Basiszone von einem zum anderen Übergang in den mittleren Bereichen durch ein Gebiet mit niedrigem Widerstand, verglichen mit den wesentlich längeren Pfaden zwischen den Umfangsteilen 17 und 18. Wird die Zone 12, die größere der beiden, als Emitter verwendet, dann haben die in der Mitte des Übergangs 15 austretenden Ladungsträger eine hohe Wahrscheinlichkeit, den Übergang 16 zu erreichen, während jedoch die Ladungsträger, die von den Umfangsteilen 17, insbesondere den Teilen jenseits der Projektion des Übergangs 16, ausgehen, auf Grund der willkürlichen Art ihres Wanderns eine geringere Wahrscheinlichkeit haben, den Übergang 16 zu erreichen, bevor sie durch Rekombination verlorengehen. Daher läßt sich sagen, daß die innenliegenden Teile des Emitters in Verbindung mit dem Übergang 16 ein System ergeben, das einen hohen Wert von β aufweist, während die äußeren Teile 17 des Emitters in Verbindung mit dem Übergang 16 Systeme enthalten, deren /?-Werte mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt abnehmen.

Bei niedrigen Emitterströmen sind die Potentiale

über den verschiedenen Teilen des Emitterübergangs 15 im wesentlichen konstant, so daß die Löcher über den ganzen Bereich des Übergangs mit im wesentlichen gleichförmiger Dichte eingeführt werden und das niedrige β der Umfangsteile 17 ein niedriges α und damit gemäß der abgeleiteten Stromspannungsverhältnisse eine hohe Spannung hervorruft. Nimmt der Gesamtstrom zu, dann ruft der Teil des Minderheitsladungsträgerstromes, der längs der Pfade zwischen den Umfangsteilen des Übergangs 15 und dem Übergang 16 fließt, einen größeren Spannungsabfall in den Teilen der Basiszone in der Nähe dieser Umfangsteile 17 hervor, als sich durch den auf den kürzeren inneren Pfaden fließenden Strom ergibt. Daher sind die Umfangsteile 17 des Übergangs 15 mit einem geringeren Potential in Durchlaßrichtung vorgespannt als die inneren Teile und liefern daher einen geringeren Anteil des gesamten Emitterstromes. Dadurch werden diese Randzonen mit niedrigen /?-Werten aus der Emitterfunktion entlassen, wodurch sich die gesamte Stromvervielfachung α des Systems erhöht.

Dementsprechend wird eine Spannungsquelle 20 an den beiden Klemmen der Halbleiteranordnung angelegt, so daß das Potential zwischen den beiden Klemmen von einer solchen Polarität ist, daß das Teil 17 bezüglich der Basiszone 13 in seiner Durchlaßrichtung vorgespannt wird und eine solche Größe aufweist, daß für eine fallende Spannungskennlinie bei zunehmenden Strömen und α-Werten größer als 1 eine wesentliche Stromyervielfachung am Übergang 16 erreicht wird.

Die Basiszone 13 kann auch so aufgebaut werden, daß sie ein Vergrößern von α in dem System dadurch liefert, daß die Randzonen des Emitters bezüglich ihrer Emissionseigenschaften weiter verschlechtert werden. Diese Wirkung wird durch ein Abstufen des spezifischen Widerstandes des sich an dem Emitter-

übergang 15 in seitlicher Richtung anschließenden Materials erreicht, so daß das Material in der Nachbarschaft des inneren Teiles des Übergangs einen höheren spezifischen Widerstand, beispielsweise von 1 Ohm · cm, aufweist, während das an den Umfangsteilen des Übergangs liegende Material einen relativ niedrigen spezifischen Widerstand von z. B. 0,1 Ohm · cm besitzt.

Da ein Halbleitermaterial mit niedrigem spezifischem Widerstand eine für die Leitung zur Verfügung stehende Elektronenkonzentration aufweist, die besser mit der Löcherkonzentration, die in gleicher Weise in einem P-leitenden Emitterteil zur Verfügung steht, vergleichbar ist, ergibt eine über dem Übergang in Durchlaßrichtung angelegte Vorspannung ein Einführen von Mehrheitsladungsträgern jedes Teils in den anderen mit vergleichbaren Dichten, so daß sich ein niedriger Wert von γ ergibt. Andererseits liefert der Teil der Basiszone mit hohem spezifischem Widerstand einen sehr kleinen ' Elektronenstrom in dem anschließenden Teil der Emitterzone, so daß das γ dieses Teils hoch ist. Bei niedrigen Strömen und im wesentlichen gleichförmigen Übergangspotentialen setzt der niedrige Wert von γ in den Umfangszonen das α der Umfangszonen und damit die Gesamtstromvervielfachung α der Anordnung herab. Bei hohen Strömen ergibt die relativ niedrige Durchlaßvorspannung über den Umfangsteilen des Emitterübergangs nur einen geringen Anteil des durch diesen Übergang fließenden Gesamtstromes durch diese Teile. Demgemäß ist das niedrige γ dieser Teile weniger von Bedeutung bezüglich dem Gesamt-y des Emitters. Dadurch ergibt sich ein großer Unterschied für die Stromvervielfachung α zwischen hohem Strom und niedrigem Strom.

Die Halbleiteranordnung nach Fig. 2 verwendet den Potentialabfall· in der Basiszone ohne eine Abstufung des spezifischen Widerstandes, um die Werte der Kennlinie nach Fig. 3 zu erreichen. Das halbleitende Plättchen 21 ist aus N-leitendem einkristallinem Germanium mit z. B. einem spezifischen Widerstand von 0,7 Ohm · cm und einer Dicke von etwa 0,038 mm und quadratischen Hauptflächen mit 1,27 mm Seitenlänge. P-ieitende Zonen 22 und 23 werden auf gegenüberliegenden Teilen der Hauptflächen 24 und 25 des Plättchens 21 gebildet. Ein typisches Verfahren zur Bildung dieser Zonen besteht im Einlegieren von Indiumkörpern 26 und 27 in das Plättchen unter geeigneten zeitlichen Bedingungen und Temperaturverhältnissen, wodurch die Übergänge 28 und 29 an den Trennflächen zwischen diesen Zonen und dem Körper einen Abstand von etwa 0,025 mm aufweisen.

Diese Indiumschichten können beispielsweise durch Ausstanzen von Scheiben mit 0,38 bzw. 0,76 mm Durchmesser aus 0,205 mm starkem Indiummateria! hergestellt werden, das durch leichtes Ätzen mit verdünnter Salzsäure gereinigt und dann durch Erwärmen in trockenem Wasserstoff bei 300° C in kleine Kügelchen geformt wurde. Das größere Kügelchen wird dann in einer geeigneten Graphitschablone befestigt, die ein Loch mit 0,76 mm Durchmesser aufweist, und unter Druck gegen das Germaniumplättchen gehalten. Die Schablone wird in etwa 3 Minuten in trockener sauerstofffreier Wasserstoffatmosphäre auf 450° C gebracht und für etwa 5 Minuten zum Benetzen des Indiums mit dem Germanium auf dieser Temperatur gehalten. Nach dem Abkühlen wird die Schablone entfernt, und eine ähnliche Schablone mit einem Lochdurchmesser von 1,27 mm wird auf der gegenüberliegenden Fläche des Plättchens angebracht, so daß der Mittelpunkt auf einer senkrechten Linie zur Plättchenfläche liegt, die durch den Mittelpunkt der 0,76 mm Durchmesser aufweisenden legierten Zone hindurchführt. Das kleinere Indiumkügelchen wird in der zweiten Schablone gegen das Plättchen unter Druck angepreßt, während der Erwärmungsvorgang bei einer Ofentemperatur von 500° C wiederholt und für eine Zeitspanne von etwa 10 Minuten aufrechterhalten wird.

ίο Wird dieses Legierverfahren auf ein Plättchen angewendet, dessen Flächen in der 1-1-1-Kristallebene geschnitten sind, so bilden sich parallel mit den Hauptflächen innerhalb des Plättchens N-P-Übergänge, die etwa 0,025 mm voneinander entfernt sind. Diese Übergänge neigen an ihrer Trennfläche mit der Plättchenoberfläche dazu, durch Indiummaterial kurzgeschlossen zu werden, das sich über die Umfangszonen des zu P-leitendem Material umgewandelten Materials unterhalb der einlegierten Masse erstreckt. Um dieses den Übergang kurzschließende Material zu entfernen, kann das Plättchen für einige Sekunden in einem Ätzmittel geätzt werden, das beispielsweise aus 3 Teilen Salpetersäure und 1 Teil Fluorwasserstoffsäure besteht, mit anschließendem Spülen in Wasser und einer zweiten, 20 Sekunden dauernden Ätzung in Salzsäure, einer zweiten Spülung in Wasser und einer dritten Ätzung in konzentrierter Salpetersäure, Spülen in Wasser und Spülen in Alkohol. Leitungen 31 und 32 aus beispielsweise 0,127 mm starkem Nickeldraht können dann mit Indiumlötmittel an den Indiumflächen 26 und 27 angelötet werden.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Herstellungsverfahren beschränkt. Das beschriebene Ausführungsbeispiel soll lediglich ein Verfahren veranschaulichen, nach dem sich wirksame Anordnungen gemäß der Erfindung herstellen lassen. Diese Verfahren sind typisch für die Herstellung von Emitter- und Kollektorzonen und der elektrischen Verbindungen mit diesen Zonen für Anordnungen, wie sie in den Fig. 1, 4 und 5 gezeigt sind.

Wird eine 0,76 mm Durchmesser aufweisende

P-leitende Zone 22 als Emitter vorgespannt und ist eine Leitung 31 bezüglich der Leitung 32 positiv vorgespannt, dann ergibt sich eine Anordnung gemäß Fig. 2, die wie oben beschrieben hergestellt ist und die Eigenschaften gemäß Fig. 3 aufweist, so daß beim Überschreiten einer kritischen, etwa bei 41 Volt liegenden Spannung V_c ein Bereich mit negativem Widerstand erreicht wird, der einen negativen Widerstand von ungefähr 1500 Ohm im Bereich zwischen 0,5 und 2 mA zeigt. In der Kennlinie nach Fig. 3 ist die Durchbruchspannung der Anordnung als das kritische Potential V_c am Punkt 35 bezeichnet, bei dem die Gesamtstromvervielfachung M · T zum erstenmal gleich 1 wird.

Die Betriebsart für diese Halbleiteranordnung ist ähnlich wie die der Fig. 1. Bei niederen Stromwerten ist das α der Diode klein, so daß die volle Durchbruchspannung angelegt werden kann, ohne daß die Diode in seinen Zustand mit hohem Strom gekippt wird. Das niedrige α wird auf den niedrigen Übergangswirkungsgrad β zurückgeführt, der sich aus dem Verlust von abgegebenen Minderheitsladungsträgern im Diffusionsbereich zwischen den Übergängen 28 und 29, insbesondere an den Umfangsbereichen des Übergangs 28 ergibt. Wächst der Strom an, dann vermindert der Spannungsabfall in der Basisschicht oder Masse des Körpers 21 von den Umfangsbereichen 33 des Emitters 22 aus das Durchlaßpotential dieser Bereiche des Emitterübergangs. Dadurch wird die

Außenseite des Emitters weniger in der Durchlaßrichtung vorgespannt als die Mitte des Emitters. Demgemäß ist die Dichte der in der Mitte eingeführten Ladungsträger proportional größer als die Dichte der am Umfang eingeführten Ladungsträger, und da ß, der Übergangswirkungsgrad des Mittelteiles hoch ist im Vergleich zu den Umfangsteilen, wird das gesamte α vergrößert. Oder, mit anderen Worten: Wächst der Strom im Basismaterial in der Nähe des Emitterübergangs an, so wird die Vorspannung in Durchlaßrichtung der Randzone des Übergangs vermindert, und diese Zonen werden als Emitterbereiche wirksam ausgeschaltet, so daß diese Teile des Emitters mit geringem Wirkungsgrad, die den Stromvervielfachungsfaktor α herabsetzen, wirksam sind.

Insofern, als dieses Verfahren zum Verändern von α vom Spannungsabfall in dem Halbleiterkörper 11 abhängt, wird die Verwendung einer optimalen Anordnung mit einem Material mit den größten Leitungswiderständen vorgeschlagen, d. h. ein Plättchen aus einem Material mit möglichst hohem spezifischem Widerstand, der mit den Anforderungen bezüglich einer geeigneten Durchbruchspannung und Verlustleistung verträglich ist. Da ferner die Lawinenvervielfachung eines in Sperrichtung vorgespannten Übergangs bei Stromübergängen für N-leitende Basiszonen größer ist als für P-leitende Zonen in Germanium, so stellt eine P-N-P-Anordnung die günstigste Lösung dar. In Fig. 4 ist eine andere geometrische Anordnung dargestellt, bei der der Wert von α auf Grund der beschriebenen Wirkungsweise vom Strom abhängt. In Fig. 4 ist der Stromübergang 41 des Emitterbereichs 42 ringförmig, wobei die inneren und äußeren Umfangsbereiche mit der Projektion eines in der Mitte angeordneten Kollektorbereichs 43 und seines Übergangs 44 konzentrisch liegen. Der Durchmesser des Kollektorübergangs ist kleiner als der äußere Durchmesser des Emitterübergangs. Daher weisen, verglichen mit den innenliegenden Umfangsteilen, die äußeren Umfangsbereiche des Emitters bei hohen Stromdichten auf Grund der langen Strompfade im Basisbereich 45 eine stark verminderte Vorspannung in Durchlaßrichtung auf.

Eine andere Zweipolanordnung mit negativem Widerstand ist in Fig. 5 dargestellt. Mit dieser Anordnung erreicht man einen vom Strom abhängigen Stromvervielfachungsfaktor α in der gleichen Weise wie nach der Anordnung in Fig. 1. Diese Konstruktion unterscheidet sich von der in Fig. 1 durch die geometrische Anordnung der Basiszone 61. Diese Anordnung der Basis erfordert eine weniger starre Steuerung der Behandlung während der Herstellung. Diese Basiszone enthält einen ersten Teil 62 aus einem Material mit hohem spezifischem Widerstand, der sich von der Emitterzone 64 zur Kollektorzone 65 erstreckt, sowie einer zweiten Zone 63 mit geringem spezifischem Widerstand, der durch die Basiszone und seitlich mindestens über einen wesentlichen Teil des Emitters geht, der sich jenseits der Projektion des Kollektors erstreckt. Dieses Material mit geringem spezifischem Widerstand verringert das γ der Umfangsteile des Emitters bei niedrigen Strömen um einen wesentlichen Betrag und bewirkt bei höheren Strömen eine geringere Herabsetzung der /?-Werte, als dies im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde.

In Fig. 1 erstreckt sich der durch die horizontalen Linien dargestellte Bereich niedrigen spezifischen Widerstandes nur ein kurzes Stück in die Basiszone hinein, während die entsprechende Zone 63 in Fig. 5 die Basis durchdringt. Beide Zonen können dadurch erzeugt werden, daß ejn Donatorelement, wie z. B. Phosphor, Arsen oder Antimon, beispielsweise von einem aufgedampften Oberflächenfilm aus, in den Bereich aus N-leitendem Material hohen spezifischen Widerstandes eindiffundiert wird. In jedem Falle wird das Material mit hohem spezifischem Widerstand, an das sich der innere Teil des Emitters anschließt, durch Maskierung eines geeignet geformten Bereichs während des Aufdampfens geschützt. Da die Donatorelemente in Fig. 5 durch die Basiszone hindurchdiffundieren, sind keine bestimmten Zeiten oder Temperaturen zu beachten, wie dies der Fall wäre, wenn eine genaue Diffusionstiefe erzielt werden soll. Andererseits sollte die seitliche Ausdehnung des Materials mit geringem spezifischem Widerstand in Fig. 5 so begrenzt sein, daß dieses Material den Kollektorbereich 65 nicht schneidet, während die Ausdehnung dieses Materials in der Anordnung nach Fig. 1 nicht in dieser Weise begrenzt ist. Es leuchtet demgemäß ein, daß jede der Konstruktionen nach Fig. 1 und 5 Vorteile aufweist und sich daher entsprechend einem Kompromiß zwischen den Betriebsanforderungen an die Anordnung und der Wirtschaftlichkeit der Herstellung verwenden lassen.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind nur als Erläuterungen des Erfindungsgedankens gedacht und stellen keine Beschränkung in irgendeiner Form dar. Während die besonderen, beschriebenen Anordnungen aus Germanium mit einlegierten Sprungübergängen gebildet wurden und eine P-N-P-Anordnung darstellen, ist es doch klar, daß auch andere Halbleiter, wie z.B. Silizium, Silizium-Germanium-Legierungen und halbleitende Verbindungen der Elemente der Gruppen III und V als Halbleitermaterial in einer Anordnung in dieser Art verwendet werden können. Während die besonderen Parameter wie die Durchbruchspannung und der Lawinenverstärkungsfaktor sich mit dem Grundmaterial und der Art der darin befindlichen Übergänge ändern, folgen sie doch den allgemeinen, oben beschriebenen Eigenschaften und lassen sich für die vorgesehene Verwendung gebrauchen. Eine entsprechende Umkehr der Potentiale gestattet in den beschriebenen Ausführungsformen die Verwendung eines N-P-N-Aufbaues an Stelle eines P-N-P-Aufbaues.

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltdiode mit einem plattenförmigen Halbleiterkörper eines Leitfähigkeitstyps sowie mit auf gegenüberliegenden Oberflächen angebrachten Elektroden und diesen je eine vorgelagerte Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, dadurch gekennzeichnet, daß die vorgelagerten Zonen gleiche Form und Größe wie die Elektroden haben, daß die eine Elektrodenfläche etwa viermal so groß wie die andere ist, daß ferner im Betrieb zwischen den beiden Elektroden eine Spannung einer solchen Polarität angelegt ist, daß der gleichrichtende Übergang der größeren Elektrodenfläche in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, und zwar so hoch, daß sie über der Durchbruchspannung der kleineren Elektrode liegt und sich bei abnehmender Spannung ein wachsender Strom ergibt, und daß der Halbleiterkörper selbst zwischen den beiden Übergängen keine Elektroden aufweist.

2. Schaltdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flächenmäßig größeren Elektrode die flächenmäßig kleinere Elektrode so gegenüberliegt, daß ihre Projektion auf die größere Elektrode von deren Umrandung eingeschlossen ist.

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3. Schaltdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der der flächenmäßig größeren Elektrode benachbarte Teil des Halbleiterkörpers einen abnehmenden Gradienten des spezifischen Widerstandes in Richtung auf den Umfang des Halbleiterkörpers zu aufweist.

4. Schaltdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gleichrichtenden Übergänge einen engen Abstand von etwa 0,025 mm haben.

5. Schaltdiode nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil des Halbleiterkörpers etwa zwischen der kleineren Elektrode und der größeren Elektrode aus N- bzw. P-Halbleitermaterial und der übrige Teil des

Halbleiterkörpers aus N+- bzw. P+-Halbleitermaterial besteht.

6. Schaltdiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der übrige Teil des Halbleiterkörpers in seiner Seitenausdehnung auf den Bereich außerhalb der Projektion der kleineren auf die größere Elektrode beschränkt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschrift Nr. 814 487;

deutsche Patentanmeldungen ρ 6800 VIII c/21g (bekanntgemacht am 1. 3. 1951), ρ 2846 VIIIc/21g (be kanntgemacht am 12. 10. 1950);

USA.-Patentschrift Nr. 2 703 855;

belgische Patentschrift Nr. 523 638.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen