DE1162488B

DE1162488B - Halbleiterbauelement mit zwei Elektroden an einer Zone und Verfahren zum Betrieb

Info

Publication number: DE1162488B
Application number: DES57389A
Authority: DE
Inventors: Los Altos; William Shockley
Original assignee: Shockley Transistor Corp
Current assignee: Shockley Transistor Corp
Priority date: 1957-03-18
Filing date: 1958-03-17
Publication date: 1964-02-06
Also published as: US2936425A; BE552928A; FR1193365A; GB879977A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: HOlI

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer: 1 162 488

Aktenzeichen: S 57389 VIIIc/21 g

Anmeldetag: 17. März 1958

Auslegetag: 6. Februar 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement und ein Verfahren zu seinem Betrieb.

Zweck der Erfindung ist es hauptsächlich, ein als Verstärker geeignetes Halbleiterbauelement zu schaffen, das Zonen von entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen aufweist, die einen Übergang bilden, wobei sekundär durch den in der einen Zone fließenden Signalstrom erzeugte Minderheitsladungsträger durch den Übergang in die andere als Kollektor wirkende Zone gelangen.

Ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, ein als Verstärker geeignetes Halbleiterbauelement zu schaffen, bei dem das zu verstärkende Signal die Strömung von Minderheitsladungsträgern in einer Zone, in der diese erzeugt werden, bewirkt, wobei diese Minderheitsladungsträger durch Lawinenwirkung oder andere sekundäre Vorgänge eine Sekundärerzeugung von Minderheitsladungsträgern hervorrufen, die durch einen Übergang zu einem Kollektor gelangen.

Es sind bereits Flächentransistoren mit lawinenartiger Wirkung bekannt, bei denen mindestens drei Schichten mit zwei dazwischen befindlichen Übergängen vorhanden sind. Ein Emitterübergang dient dazu, Träger in den Basisbereich zu emittieren, und die Spannungen sind so gewählt, daß die Träger im Basisbereich eine Sekundärerzeugung von Minderheitsladungsträgern bewirken. Der Kollektor dient zum Sammeln der erzeugten Ladungsträger.

Es sind ferner als Verstärker wirkende Halbleiterbauelemente mit einem Halbleiterkörper vom einen Leitfähigkeitstyp, einer daran angebrachten Kollektorelektrode, einer weiteren Halbleiterzone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die mit der ersten Zone an einem pn-übergang zusammenhängt, und zwei an der zweiten Zone angebrachten Elektroden bekannt.

Zweck der Erfindung ist es hauptsächlich, ein als Transistor geeignetes Halbleiterbauelement von vorzüglichen Verstärkungseigenschaften und besonders vielseitiger Verwendbarkeit zu schaffen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit einer ersten Zone vom einen Leitfähigkeitstyp und einer daran angebrachten ohmschen Elektrode, mit einer zweiten Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die mit der ersten Zone einen pn-übergang bildet, und zwei an der zweiten Zone angebrachten ohmschen Elektroden. Dieses Halbleiterbauelement ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß die zweite Zone zwischen den beiden ohmschen Elektroden einen Teil mit derart verringertem Querschnitt aufweist, daß darin beim Anlegen eines hohen elektrischen Feldes an die Halbleiterbauelement mit zwei Elektroden an
einer Zone und Verfahren zum Betrieb

Anmelder:

Shockley Transistor Corporation,

Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Werdermann, Patentanwalt,

Hamburg 13, Ballindamm 26

Als Erfinder benannt:

William Shockley, Los Altos, CaUf. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 18. März 1957

(Nr. 646 654)

beiden ohmschen Elektroden der zweiten Zone eine bevorzugte Sekundärerzeugung von Minderheits-

ladungsträgern stattfindet.

Ein solches Halbleiterbauelement kann in der Weise weitergebildet werden, daß zwischen der ersten und der zweiten Zone an den pn-übergang ein solches elektrisches Feld angelegt wird, daß die in der zweiten Zone durch Sekundärerzeugung hervorgebrachten Minderheitsladungsträger in die erste Zone injiziert werden. Nach einer Weiterbildung der Erfindung kann eine zu verstärkende Signalspannung dem hohen elektrischen Feld zwischen den Elektroden der zweiten Zone überlagert werden.

Ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung kann je nach Art der Belastung als Strom- oder Spannungsverstärker dienen. Bei relativ hoher Impedanzlast eignet sich das neue Halbleiterbauelement im Vergleich zu früheren besonders gut als Spannungsverstärker, der eine Ausgangsspannung ergibt, die um ein Vielfaches größer als die Eingangsspannung ist. Andererseits hat bei einer relativ niedrigen Impedanzlast der Ausgangsstrom eine Größe, welche den Eingangsstrom um ein Vielfaches übertrifft.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert:
Fig. 1 zeigt im Schnitt beispielsweise eine Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 ist eine Grundrißansicht des Halbleiterverstärkers von Fig. 1;

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F i g. 3 zeigt im Schnitt ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

F i g. 4 zeigt im Schnitt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, und

F i g. 5 zeigt eine Schaltungsart, in welcher ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung angewendet werden kann.

Die F i g. 1 und 2 beziehen sich auf ein zur Erläuterung dienendes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das dargestellte verstärkende Bauelement umfaßt einen Block aus Halbleitermaterial eines Leitfähigkeitstyps, beispielsweise vom p-Typ, mit einer dünnen Auflage aus Halbleitermaterial des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, beispielsweise vom η-Typ, auf seiner einen Seite, welche mit ihm einen pn-übergang 11 bildet. An dem Block ist ein ohmscher Kontakt hergestellt, der als Kollektor der Ladungsträger dient. Ein Paar im Abstand befindlicher ohmscher Kontakte 12 und 13 dient als Einrichtung zum Anlegen eines elektrischen Feldes an den Arbeitsbereich der oberen Schicht oder Auflags. Der Abstand zwischen den Klemmen soll ein derartiger sein, daß ein hohes elektrisches Feld zwischen diesen besteht, so daß die strömenden Ladungsträger eine Sekundärerzeugung bewirken. Die Sekundärerzeugung kann entweder durch einen unmittelbaren Ionisationsprozeß oder durch Erzeugung von Hitze erfolgen.

Bei Fig. 1 enthält eine Auflage des η-Typs den Arbeitsbereich. Die in dieser Auflage zwischen den Klemmen 12 und 13 fließenden Elektronen gewinnen genügend Energie aus dem angelegten elektrischen Feld, um durch Lawinenbildung oder einen anderen Sekundärprozeß im Arbeitsbereich zwischen den Klemmen »Löcher« zu erzeugen. Diese »Löcher« werden über den pn-übergang in die Schicht vom p-Typ getrieben, die als Kollektor wirkt. Auf diese Weise kann eine Spannungs- und Stromverstärkung in Abhängigkeit von der an das Bauelement angelegten Last auftreten.

Das Halbleiterbauelement kann z. B. Germanium vom p-Typ und vom η-Typ enthalten, das einen pn-Übergang 11 bildet. Die Dotierung kann durch Diffusion oder andere an sich bekannte Verfahren gebildet werden. Vorzugsweise liegt die Dicke der Schicht vom η-Typ in der Größenordnung von 10~⁴ cm. Die Eingangskontakte 12 und 13 und der Kollektorkontakt 14 sind ohmsche Kontakte, die nach an sich bekannten Verfahren hergestellt sind. Die Länge des Bereiches der sekundären Erzeugung zwischen den Klemmen 12 und 13 liegt vorzugsweise in der Größenordnung von 1 bis 20 ·10~⁴«η. Für den direkten Ionisationsprozeß soll die Schicht kurz sein. Bei einer 10~⁴ cm langen Schicht und bei Anlegung von Spannungen in der Größenordnung von 20 V liegt das Feld in der Größenordnung von 2 · 10⁵ V/cm. Bei Feldern in der Größenordnung von 2 bis 3-10⁵V/cm findet eine starke Sekundärerzeugung in Germanium statt, und zwar in der Größenordnung von 10⁴ bis 10⁵ Trägern pro cm. Somit erzeugt eine Zunahme von weniger als 30 V sekundäre Ladungsträger von einem Vielfachen der anfänglichen Ladungsträger. Die sekundären Ladungsträger fallen durch zu dem Kollektor und bewirken einen erhöhten Stromfluß.

Die Elektronenlaufzeit beträgt 10~⁴/v, wobei ν in der Größenordnung von 10⁷ cm/s liegt. Die Laufzeit beträgt also 10^u~ s. Daher kann der Eingangskreis mit relativ hohen Frequenzen betrieben werden.

Die Laufzeit der Sekundärträger kann klein sein, wenn die Raumladungsschicht, die durch die punktierte Linie 16 in der F i g. 1 angedeutet ist, nicht zu breit ist. Es ist bekannt, daß die Raumladungsschicht durch an das Bauelement angelegte Spannungen und durch Bemessen der Konzentration der Träger in dem Kollektor und der Schicht der sekundären Ero zeugung gesteuert werden kann. Die Laufzeit der Sekundärträger kann also so gesteuert werden, daß sie einen Hochfrequenzbetrieb oder eine hochfrequente Arbeitsweise ergibt.

Vorzugsweise ist der Bereich der Erzeugung sehr dünn, wodurch die Sekundärträger, welche erzeugt werden, in das Feld an der Verbindungsstelle hineinfallen und über die Verbindungsstelle nach dem Kollektor getrieben werden. Bei relativ dünnen Schichten haben die Sekundärträger keine Zeit, um in Rekombinationszentren eingefangen zu werden, und daher findet ein großer Prozentsatz der Träger seinen Weg über die Verbindungsstelle, um im Ausgangskreis der Vorrichtung einen Strom hervorzubringen. In Fig. 3 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Ausführungsform von F i g. 3 enthält einen Sekundärerzeugungsbereich 17, der relativ dünn ist, so daß eine Majorität der erzeugten Sekundärträger durch die Verbindungsstelle 18 nach dem Kollektor getrieben wird. Die dargestellte Vorrichtung umfaßt einen Kollektor des η-Typs mit einer daran gebildeten Schicht oder Auflage des p-Typs. Die Schicht des p-Typs hat relativ dicke Teile, an welche die Kontakte 12 und 13 angeschlossen sind, und einen relativ dünnen Teil 17, der als Bereich der Sekundärerzeugung wirkt. Die Vorrichtung gemäß F i g. 3 wird dadurch gebildet, daß von einem Block des η-Typs ausgegangen und dann daran eine Schicht des p-Typs diffundiert wird. Anschließend an die Diffusion wird eine Rille in die Schicht des p-Typs geschnitten, die sich durch die Schicht hindurch in den Block des η-Typs erstreckt. Eine darauf bei Anwesenheit von Akzeptorstoffen durchgeführte Diffusion dient zur Bildung einer relativ dünnen Schicht 17 des p-Typs am Boden der Rillen, deren Seitenteile in die relativ dicken Teile, an welchen die Kontakte 12 und 13 angebracht sind, übergehen. Die Verunreinigungskonzentration der dicken Rippen und der relativ dünnen Arbeitsbereiche kann genau gesteuert werden. Anschließend an die beiden Diffusionen wird die Haut des p-Typs, die sich an der Vorrichtung gebildet hat, entfernt. Die Bereiche 17 haben eine Dicke in der Größenordnung von 1 Mikron oder weniger und können leicht geformt werden, während die Bereiche, an denen die Kontakte angebracht sind, eine Dicke von 10 Mikron oder mehr haben können. Die Länge der erzeugenden Schicht 17 kann durch Steuern der Eindringung der Rille in die Schicht des η-Typs so klein gemacht werden, wie es gewünscht ist. So können vorzugsweise Bereiche mit Längen von 20 Mikron oder weniger hergestellt werden.

Die Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 3 ist ähnlich derjenigen von Fig. 1. Die Sekundärträger (Elektronen) werden durch in dem relativ dünnen Bereich der Sekundärerzeugung wandernde »Löcher« hervorgebracht. Diese Träger durchfallen die Verbindungsstelle 18 und werden durch die Schicht des η-Typs gesammelt.

Die zweite Frequenzbegrenzung der Vorrichtung hat die Dicke der Raumladungsschicht, welche die Sekundärträger durchfallen müssen, um den Kollektor zu erreichen. Die in F i g. 4 dargestellte Vorrichtung ist ähnlich derjenigen von Fig. 3, enthält aber einen zusätzlichen Bereich mit hoher Trägerkonzentration, der zum Begrenzen der Breite der Raumladungsschicht dient.

Die dargestellte Vorrichtung weist einen Kollektor des p-Typs auf, der zwei Bereiche hat, nämlich einen an die Kollektorklemme angrenzenden Bereich mit einer hohen Verunreinigungskonzentration, der mit p+ bezeichnet ist, und einen daran angrenzenden Bereich des p-Typs. Auf der Oberfläche des p-Typs ist eine Schicht des η-Typs durch Diffusion oder nach einem anderen Verfahren gebildet. Eine Rille wird, wie vorher beschrieben, hergestellt, die sich in die Schicht des p-Typs hinein erstreckt. Eine anschließende Diffusion in Anwesenheit einer Donatorverunreinigung dient zur Bildung einer relativ dünnen Arbeitsschicht 21. Wie vorher beschrieben, kann die Länge der Schicht durch den Betrag des Eindringens in die Schicht des p-Typs und durch die Schärfe der Rille gesteuert werden. Die Dicke läßt sich durch Beeinflussung der Diffusionszeit steuern.

Die Vorrichtung nach Fig. 4 hat vorzugsweise einen ρ+ -Bereich mit einer Trägerkonzentration der Größenordnung von 10²⁰ cm~³ und einen p-Bereich mit einer Konzentration der Größenordnung von 10¹⁴ cm~³. Die Schicht des η-Typs in dem Arbeitsbereich kann vorzugsweise 1 Mikron dick und 10 Mikron lang sein, wodurch leicht ein Hochfrequenzbetrieb erreichbar ist.

F i g. 5 zeigt eine Schaltung, bei der verschiedene Ausführungsformen der Erfindung angewendet werden können. Die Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Erfindung beschränken sich indessen nicht auf die hier im einzelnen beschriebenen und dargestellten, nur zur Erläuterung dienenden Beispiele. Es lassen sich auch andere Schaltungen mit Vorteil verwenden. Die Vorrichtung ist schematisch als Block 22 dargestellt, der einen Arbeitsbereich 23 und einen Kollektorbereich 24 enthält. Die Anschlüsse daran sind mit dem Buchstaben/ für den Eingang und mit dem Buchstaben C für den Kollektor bezeichnet, ebenso wie es bei den übrigen Figuren der Fall ist. An die Eingangsklemmen ist die Sekundärwicklung 26 eines Eingangstransformators geschaltet. In Reihe mit dieser Wicklung ist eine geeignete Vorspannungsquelle 27 geschaltet, die dazu dient, ein Feld zwischen den Eingangsklemmen zu schaffen, das die Sekundärerzeugung bewirkt, wie es vorher beschrieben wurde. Am Eingang der Vorrichtung befindet sich die Primärwicklung 28 des Transformators.

Der Ausgang der Vorrichtung ist an eine Belastung R_L gelegt. In Reihe mit der Last ist eine geeignete Vorspannungsquelle geschaltet; sie dient zur Vorbelastung der Verbindungsstelle in der Umkehrrichtung. Die Batterie 29 hat nach der Darstellung eine Polarität, die einer Erzeugungsschicht des η-Typs und einer Kollektorschicht des p-Typs entspricht. Bei umgekehrten Leitfähigkeitstypen ist die Polarität der Batterie umgekehrt zu wählen. Die

ίο Vorrichtung dient als Strom- oder Spannungsverstärker in Abhängigkeit von der Last R_L. Bei relativ hoher Impedanzlast dient die Vorrichtung als Spannungsverstärker, der eine Ausgangsspannung ergibt, die um ein Vielfaches größer als die Eingangsspannung ist. Andererseits hat bei einer relativ niedrigen Impedanzlast der Ausgangsstrom erne Größe, welche den Eingangsstrom um ein Vielfaches übertrifft.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit einer ersten Zone vom einen Leitfähigkeitstyp und einer daran angebrachten ohmschen Elektrode, mit einer zweiten Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, die mit der ersten Zone einen pn-übergang bildet, und zwei an der zweiten Zone angebrachten ohmschen Elektroden, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone zwischen den beiden ohmschen Elektroden einen Teil mit derart verringertem Querschnitt aufweist, daß darin beim Anlegen eines hohen elektrischen Feldes an die beiden ohmschen Elektroden der zweiten Zone eine bevorzugte Sekundärerzeugung von Minderheitsladungsträgern stattfindet.

2. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten und der zweiten Zone an den pn-übergang ein solches elektrisches Feld angelegt wird, daß die in der zweiten Zone durch Sekundärerzeugung hervorgebrachten Minderheitsladungsträger in die erste Zone injiziert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine zu verstärkende Signalspannung dem hohen elektrischen Feld zwischen den Elektroden der zweiten Zone überlagert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1124 464;
Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, 1954, S. 283 bis 321;

Bell Syst. Techn. Journal, Bd. 34, 1955, S. 883 bis 901 und 761 bis 781.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen