DE1213076B - Electronic solid-state component for switching - Google Patents

Description

Elektronisches Festkörperbauelement zum Schalten Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches Festkörperbauelement zum Schälten, dessen Festkörper im wesentlichen aus Cadmium und Arsen besteht.Solid-state electronic device for switching The invention relates to relies on an electronic solid-state component for peeling, its solid-state consists essentially of cadmium and arsenic.

Es sind Halbleiterbauelemente bekannt, die fast ausschließlich aus Cadmium und Arsen bestehen, das in möglichst reinem Zustand hergestellt und mit geringen Verunreinigungen dotiert wird. Der Körper soll im wesentlichen aus einem einzigen Kristall bestehen.There are semiconductor components known that almost exclusively Cadmium and arsenic exist, which are produced in the purest possible state and with low impurities is doped. The body should essentially consist of one consist of a single crystal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektronisches Festkörperbauelement zum Schalten anzugeben, das einen hochohmigen und einen niederohmigen Zustand einnehmen kann und unter dem Einfluß einer elektrischen Spannung bzw. eines elektrischen Feldes umgeschaltet wird.The invention is based on the object of an electronic solid-state component indicate for switching that assume a high-resistance and a low-resistance state can and under the influence of an electrical voltage or an electrical field is switched.

Die bekannten Festkörperbauelemente dieser Art bestehen aus mehreren monokristallinen Lagen, die jeweils über Sperrschichten aneinander grenzen. Für Wechselstrombetrieb benötigt man symmetrisch aufgebaute Mehrschichtdioden, beispielsweise eine Fünfschichtdiode. Die Herstellung solcher Bauelemente ist sehr aufwendig, weil die einzelnen Schichten sorgfältig hergestellt und aufeinandergelegt werden müssen. Der Sperrwiderstand im nichtleitenden Zustand ist relativ niedrig. Der Durchlaßwiderstand im leitenden Zustand hat einen konstanten Wert, so daß bei starkem Strom eine große Verlustleistung auftritt.The known solid-state components of this type consist of several monocrystalline layers, each of which is adjacent to one another via barrier layers. For AC operation requires symmetrically constructed multilayer diodes, for example a five-layer diode. The production of such components is very expensive because the individual layers must be carefully manufactured and placed on top of one another. The blocking resistance in the non-conductive state is relatively low. The forward resistance in the conductive state has a constant value, so that with a high current a large value Power loss occurs.

Erfindungsgemäß ergibt sich, ausgehend von einem Festkörper, der im wesentlichen aus Cadmium und Arsen besteht, ein völlig anders aufgebauter Festkörperschalter mit sehr vorteilhaften Eigenschaften durch den Gehalt eines Zusatzstoffes im Festkörper derart, daß das Dreikomponentensystem eine amorphe oder mikrokristalline Phase bildet, deren Leitfähigkeit durch ein elektrisches Feld sprunghaft geändert werden kann.According to the invention, starting from a solid body that is in the consists essentially of cadmium and arsenic, a completely different solid-state switch with very advantageous properties due to the content of an additive in the solid such that the three-component system forms an amorphous or microcrystalline phase, whose conductivity can be changed abruptly by an electric field.

Ein solches Festkörperbauelement ist ohne besondere Zusatzmaßnahmen absolut symmetrisch. Seine Herstellung ist äußerst einfach, da es durch Aufdampfen auf eine Metallplatte, durch Sintern, durch Erstarrenlassen einerlegierungsschinelze od. dgl. erzeugt werden kann. Sein Sperrwiderstand im leitenden Zustand ist nicht konstant, sondern derart stromdichtenabhängig, daß sich eine relativ kleine Verlustleistung ergibt. Demzufolge ist das Festkörperbau-.element auch wesentlich höher belastbar.Such a solid-state component does not require any special additional measures absolutely symmetrical. Its manufacture is extremely simple because it is made by vapor deposition onto a metal plate, by sintering, by solidifying an alloy mold or the like. Can be generated. Its blocking resistance in the conductive state is not constant, but so dependent on the current density that there is a relatively small power loss results. As a result, the solid-state structural element can also be subjected to significantly higher loads.

Als Zusatzstoff kommen vor allem Germanium, Silizium oder Mischungen dieser beiden Elemente in Frage. Es brauchen jedoch nicht immer reine Elemente verwendet zu werden; vielmehr genügt eine normale chemische Reinheit. In manchen Fällen kann man auch aus mehreren Elementen bestehende chemische Verbindungen als Zusatzstoff benutzen.The main additives are germanium, silicon or mixtures these two elements in question. However, pure elements do not always need to be used to become; on the contrary, normal chemical purity is sufficient. In some cases it can chemical compounds consisting of several elements are also used as additives use.

Die besten Ergebnisse zeigen sich, wenn das Verhältnis von Cadmium und Arsen etwa dem stöchiometrischen Mischungsverhältnis entspricht, wie es sich beispielsweise bei der Verbindung CdAs2 ergibt.The best results are shown when the ratio of cadmium and arsenic corresponds approximately to the stoichiometric mixing ratio as it is for example in connection with CdAs2.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 ein Dreikomponentendiagramin des Systems Cd-As-Si und F i g. 2 ein typisches Strom-Spannungs-Diagramm des erfindungsgemäßen Festkörperbauelements. Wenn man eine große Zahl von verschiedenartigen Mischungsverhältnissen der drei Komponenten herstellt und den Aufbau der so entstehenden Festkörper betrachtet, ergibt sich, daß innerhalb eines bestimmten Bereichs A, der schematisch durch die gestrichelte Linie G bezeichnet ist, der Festkörper einen amorphen Zustand hat, während in dem außerhalb liegenden Bereich B entweder überhaupt keine Reaktion zwischen den Komponenten stattfindet oder ein ausgeprägter kristalliner Zustand zu beobachten ist. Die Grenzlinie G ist in der Nähe der Grundlinien abgebrochen, da an den Grundlinien nur ein Zweikomponentengemisch vorliegt. Bereits kleinere Zusätze des dritten Stoffes, die jedoch über der üblichen Dotierung liegen, führen aber schon in den amorphen Bereich A. In diesem Bereich hat der Festkörper die angegebenen Halbleitereigenschaften und erfüllt die angestrebte Schaltfunktion.The invention is explained in more detail below with reference to the drawing. It shows F i g. 1 a three-component diagram of the Cd-As-Si system and F i g. 2 shows a typical current-voltage diagram of the solid-state component according to the invention. If you produce a large number of different mixing ratios of the three components and consider the structure of the resulting solids, it follows that within a certain area A, which is indicated schematically by the dashed line G , the solid has an amorphous state, while in in the area B outside, either no reaction at all takes place between the components or a pronounced crystalline state can be observed. The boundary line G is broken off in the vicinity of the baselines, since only a two-component mixture is present at the baselines. Even smaller additions of the third substance, which are above the usual doping, lead to the amorphous area A. In this area, the solid body has the specified semiconductor properties and fulfills the desired switching function.

Eine Theorie, die das Verhalten eines solchen Festkörperbauelements erklären kann, liegt noch nicht vor. Es wird vermutet, daß durch Anlegen eines elektrischen Feldes und wegen des negativen Temperaturverhaltens des Halbleitermaterials ein Vorgang eingeleitet 'wird, der zu einer Umstrukturierung des Materials fährt, bei der sich eine Leitfähigkeit ergibt, die in der Größenordnung der Metalle liegt. Unter dem Begriff »amorph« wird ein -physikalischer Zustand verstanden, bei dem durch das Mikroskop keine Kristalle erkennbar sind. Es soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, daß unsichtbar kleine Kristalle vorhanden sind, weshalb auch der Ausdruck »mikrokristallin« oder »polykristallin« verwendet wird.A theory that the behavior of such a solid state device can explain is not yet available. It is believed that by applying an electrical Field and because of the negative temperature behavior of the semiconductor material Process initiated 'will lead to a restructuring of the material drives, which results in a conductivity that is in the order of magnitude of the metals lies. The term »amorphous« is understood to mean a physical state, at no crystals can be seen through the microscope. However, it is not meant to be ruled out be that invisible small crystals are present, which is why the expression »Microcrystalline« or »polycrystalline« is used.

In dem Diagramm der F i g. 2 ist der Strom I eines erfindungsgemäßen symmetrischen Festkörperbauelements über der Spannung U aufgetragen. Unterhalb der Schwellenspannung ± Us ist der Strom nahezu Null, da das Bauelement seinen hochohmigen Zustand eingenommen hat, bei dem sein Widerstand bis zu mehreren Megohm betragen kann (Kurve I). Sobald jedoch die Schwellenspannung Us überschritten ist, springt das Bauelement in seinen niederohmigen Zustand (Kurve H) um, bei dem es einen Widerstand in der Größenordnung von 1 Ohm oder weniger hat. Bemerkenswert ist hieran, daß die Kurve 11 nahezu parallel zur Abszisse verläuft. Dies beweist, daß der Durchlaßwiderstand »stromdichteabhängig« ist; es ist daher wahrscheinlich, daß der Strompfad nur einen ]deinen Querschnitt des Festkörperbauelements durchsetzt, wobei sich dieser Strompfad in Abhängigkeit vom hindurchfließenden Strom verbreitert. Den niederohmigen Zustand behält das Bauelement bei, bis der hindurchfließende Strom einen Haltewert II, unterschreitet, der ziemlich in de ' r Nähe des Nullpunktes hegen kann. Beim Unterschreiten von II, schaltet das Festkörperbauelement in den hochohmigen Zustand zurück.In the diagram of FIG. 2, the current I of a symmetrical solid-state component according to the invention is plotted against the voltage U. Below the threshold voltage ± Us, the current is almost zero because the component has assumed its high-resistance state, at which its resistance can be up to several megohms (curve I). However, as soon as the threshold voltage Us is exceeded, the component jumps to its low-resistance state (curve H), in which it has a resistance of the order of magnitude of 1 ohm or less. It is noteworthy here that curve 11 runs almost parallel to the abscissa. This proves that the forward resistance "depends on the current density"; it is therefore probable that the current path passes through only one cross section of the solid-state component, this current path widening as a function of the current flowing through it. The low-resistance state retains the device in until the current flowing therethrough a holding value II below, which can entertain quite in de 'r close to zero. If the value falls below II, the solid-state component switches back to the high-resistance state.

Durch Änderung der Dicke deg Festkörperbauelements kann man die Schwellenspannung TTS ändern. In gleicher Weise kann diese Schwellenspannung durch Änderung der Menge des Zusatzstoffes oder durch Wahl des Zusatzstoffes beeinflußt werden. Beispielsweise führt der Zusatz von Silizium zu einer höheren Schwellenspannung als derjenige von Germanium.The threshold voltage TTS can be changed by changing the thickness of the solid-state component. In the same way, this threshold voltage can be influenced by changing the amount of additive or by choosing the additive. For example, the addition of silicon leads to a higher threshold voltage than that of germanium.

Claims (2)

Patentansprüche: 1. Elektronisches Festkörperbauelement zum Schalten, dessen Festkörper im wesentlichen aus Cadmium und Arsen besteht, g e k e n n z e i c h -n e t d u r c h den Gehalt eines Zusatzstoffes im Festkörper derart, daß das Dreikomponentensystem eine amorphe oder mikrokristalline Phase bildet, deren Leitfähigkeit durch ein elektrisches Feld sprunghaft geändert werden kann. Claims: 1. An electronic solid state device for switching, the solid consisting essentially of cadmium and arsenic, g e k ennzeich -NET d urch the content of an additive in the solid state so that the three-component system forms an amorphous or microcrystalline phase, the conductivity of electrical through a Field can be changed by leaps and bounds. 2. Elektronisches Festkörperbauelement nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzstoff Germanium, Silizium oder ein Ge-. misch dieser beiden Stoffe ist. In Betracht gezogene Druckschriften: »Phys. Rev.«, Vol. 121, Nr. 3, S.. 759 bis 767. 2. Electronic solid-state component according to spoke 1, characterized in that the additive germanium, silicon or a Ge. mix of these two substances. Considered publications: »Phys. Rev. ", Vol. 121, No. 3, pp . 759 to 767.