DE2000676C3 - Halbleiterbauelement zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Schwingungen und Schaltung mit einem derartigen Bauelement - Google Patents
Halbleiterbauelement zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Schwingungen und Schaltung mit einem derartigen BauelementInfo
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Description
.ioi
j£_ Atome/cm3
ist, wobei Eav den V/ert der Feldstärke in V/cm, für
den im Halbleitermaterial der Ionisationsgrad gleich
-rgj ist, und d die Dicke der Schicht mit niedrigerer
Leitfähigkeit in cm darstellt, während εο die
Dielektrizitätskonstante des Vakuums in Farad/cm, εΓ die relative Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials,
q die Ladung eines Elektrons in Coulomb und ν die Sättigungsdriftgeschwindigkeit
in cm/sec der Majoritätsladungsträger darstellt, und daß der Anschlußkontakt (5, 6) der Schjcht mit
höherer Leitfähigkeit nichtinjizierend ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dotierungskonzentrationsunterschied
zwischen den beiden Schichten (8,9) mit verschiedener Leitfähigkeit größer als
5 . ίο» J°!i_ . JjüL. Atome/cm3
</ i'
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) mit
höherer Leitfähigkeit eine Leitfähigkeit aufweist, die höchstens gleich dem Zehnfachen der Leitfähigkeit
der Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit ist.
4. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dicke der Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit höchstens 4 μιτι beträgt.
5. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Anschlußkontakte durch an die beiden Schichten (8, 9) mit verschiedener Leitfähigkeit
grenzenden Halbleitergebiete (2, 5) vom gleichen Leitfähigkeitstyp und mit einer Dotierungskonzentration
höher als die der Schicht (9) mit höherer Leitfähigkeit gebildet sind.
6. Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Halbleiterkörper (1) aus Germanium oder Silizium besteht und daß die Dotierungskonzentration
der Schicht mit höherer Leitfähigkeit höchstens gleich IO16 Atomen/cm3 und mindestens
deich 10u Atomen/cm 'ist.
7, Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (9) mit höherer Leitfähig,
kcit und die Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit aneinander angrenzen (F i g. 1 und 2).
8. Halbleiterbauelement nach einem der mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schicht (9) mit höherer Leitfähigkeit und die Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit durch eine
Zwischenschicht (2t) vom gleichen Leitfähigkeitstyp mit einer Dotierungskonzentration höher als die der
Schicht (9) mit höherer Leitfähigkeit und niedriger als
J, *'0
(Ii/
(Ii/
(E JV - JS1) Atome/cm3
voneinander getrennt sind, wobei Es den Wert der
Feldstärke in V/cm darstellt, bei dem Sättigung der Driftgeschwindigkeit der Majoritätsträger erreicht
wird und a die Dicke der Zwischenschicht (21) in cm ist.
9. Schaltung mit einem Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Anschlußkontanten (2, 3, 5,6) eine Gleichspannung
mit einsr derartigen Polarität angelegt ist, daß im Halbleiterkörper Majoritätsladungsträger aus der
Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit in die Schicht (9) mit höherer Leitfähigkeit fließen.
10. Schaltung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die angelegte Gleichspannung derart hoch ist, daß die Driftgeschwindigkeit von Majoritätsladungsträgern
wenigstens in der Schicht (8) mit niedrigerer Leitfähigkeit ihren Sättigungswert erreich»,
und daß in dieser Schicht (8) der Ionisationsgrad einen Wert annimmt, der zwischen 1 und 10
liegt.
11. Schaltung nach Ansprucn 9 oder 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die angelegte Gleichspannung zur Regelung der Schwingungsfrequenz veränderlich
ist.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer
Schwingungen mit einem Halbleiterkörper aus einem Halbleitermaterial vom einen Leitfähigkeitstyp, der
mindestens zwei Schichten vom einen Leitfähigkeitstyp und mit verschiedener Leitfähigkeit enthält, bei dem die
Schicht mit der niedrigeren Leitfähigkeit dünner als die Schicht mit der höheren Leitfähigkeit ist und bei dem
mindestens die beiden Schichten verschiedener Leitfähigkeit jeweils mit ohmschen Anschlußkontakten
versehen und zwischen diesen Anschlußkontakten angeordnet sind.
Es wird hier und im nachstehenden angenommen, daß ;wei Schichten zwischen zwei Anschlußkontakten
liegen, wenn sie beim Fließen eines Stromes über den Halbleiterkörper von einem zu dem anderen Anschlußkontakt
nacheinander in ihrer Dickenrichtung von diesem Strom durchlaufen werden.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Schaltung mit einem derartigen Bauelement.
uie bekannten Halbleiterbauelemente dieser Art
können in zwei Gruppen geteilt werden, deren Wirkung
f ganz verschiedenen physikalischen Mechanismen
beruht Diese Gruppen sind unter den Bezeichnungen ,Lawinendioden« und »Gunn-Effekt-Bauelemente« bekannt.
Bei einer Lawinendiode, wie sie z. B. in der USA-Patentschrift 33 24 358 beschrieben wurde, werden
dadurch elektrische Schwingungen erzeugt, daß infolge eines Lawinendurchschlags in der Strom-Span- ι ο
nungskennlinie einer derartigen Diode ein Gebiet mit neeativem Differentiaiwiderstand auftritt. Dieser Lawindurchschlag
wjrcj durch eine heftige Stoßionisation
herbeigeführt und ist nicht genau reproduzierbar, so daß Bauelemente dieser Art im allgemeinen einen verhältnismäßig
hohen Rauschpegel aufweisen.
Bei Gunn-Effekt-Bauelementen, wie sie z.B. in »Electronic Design«, 2. August 1966, S. 26, beschrieben
wurden, werden elektrische Schwingungen durch die Bildung von Domänen mit hoher Feldstärke in der
Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit erzeugt, welche Domänen sich von der Kathode zu der Anode durch die
Schicht bewegen und zwischen der Anode und der Kathode elektrische Schwingungen hervorrufen, deren
Frequenz von der Laufzeit der erwähnten Domänen durch die Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit abhängig
st Diese Gunn-Effekt-Bauelemente können nur aus Materialien hergestellt werden, die eine bestimmte
Bandstruktur aufweisen, die das Auftreten derartiger Domänen ermöglicht, wie GaAs und einigen anderen
Stoffen Außer dieser Beschränkung in der Wahl des Materials haben Gunn-Effekt-Bauelemente den Nachteil
daß sie sich schwer herstellen lassen. Ferner kann bei keiner der beschriebenen bekannten Bauelemente
die Frequenz der erzeugten Schwingungen auf einfache Weise verändert werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement zum Erzeugen oder Verstärken
elektrischer Schwingungen zu schaffen, dessen Wirkung auf einem anderen Prinzip beruht und bei dem die
erwähnten bei bekannten Bauelementen auftretenden Nachteile vermieden oder wenigstens in erheblichem
Maße verringert werden, während die Frequenz der erzeugten Schwingungen auf besonders einfache Weise
elektronisch verändert werden kann.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch passende Wahl des Dotierungskonzentrationsunterschiedes
zwischen den Schichten mit höherer und niedrigerer Leitfähigkeit ein Bauelement erhalten
werden kann, in dem bei einer Gleichspannung zwischen den Anschlußkontakten, bei der nur eine
mäßige Lawinenvervielfachung auftritt, elektrische Schwingungen erzeugt werden können, der^n Frequenz
von dem Wert dieser Gleichspannung abhängig ist.
Ein Bauelement der eingangs erwähnten Art ist somit nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der
Dotierungskonzentrationsunterschied zwischen wenigstens den einander zugewandten Grenzgebieten jeder
der beiden Schichten mit verschiedener Leitfähigkeit kleiner als
tätskonstante des Vakuums in Farad/cm, erdie relative
Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials, q die Ladung eines Elektrons in Coulomb und ν die
Sättigungsdriftgeschwindigkeit in cm/sec der Majontätsladungsträger
darstellt und daß der Anschlußkontakt der Schicht mit höherer Leitfähigkeit nichtinjizierend
ist.
Unter dem lonisationsgrad ist dabei auf übliche Weise die Anzahl von Elektron-Loch-Paaren zu verstehen, die
von einem Majoritätsladungsträger pro zurückgelegter Zentimeter in Richtung des elektrischen Feldes
ausgelöst werden (siehe z. B. »Physical Review«, Band 94,1954, S. 877, den letzten Absatz).
Der lonisationsgrad χ ist als Funktion der Feldstärke
für viele Halbleitermaterialien gemessen (siehe z. B. für Germanium und Silizium, »Philips: Transistor Engineering,
New York 1962«, S. 135, Fig. 6-9). Der Wert der Feldstärke Ean der zu
" = JÖd
_^ . _£-„_ Atome/cm1
q ν
ist, wobei favden Wert der Feldstärke in V/cm darstellt,
für den im Halbleitermaterial der lonisationsgrad gleich -jTrr ist, wobei d die Dicke der Schicht mit niedrigerer
1 »itfähinkeit in cm darstellt, während εο die Dielektrizigehört,
kann daher für ein bestimmtes Halbleitermaterial ohne weiteres aus diesen Kurven abgelesen werden.
Das Bauelement nach der Erfindung weist im Vergleich zu den erwähnten bekannten Bauelementen
den erheblichen Vorteil auf, daß nicht, wie bei den bekannten Lawinendioden, eine heftige Stoßionisation
auftritt, so daß der Rauschpegel erheblich niedriger ist. Außerdem beruht die Wirkung, wie nachstehend noch
näher beschrieben wird, nicht auf der Bildung von Domänen mit hoher Feldstärke, so daß im Gegensatz zu
den erwähnten Gunn-Effekt-Bauelementen sich die Wahl des Materials nicht auf sehr spezielle Halbleitermaterialien
mit einer besonderen Bandstruktur beschränkt. Die einzige Bedingung, der das gewählte
Halbleitermaterial entsprechen muß, ist die, daß Sättigung der Driftgeschwindigkeit von Majoritätsladungsträgern
bei einer Feldstärke auftritt, die niedriger als die Feldstärke ist, bei der Lawinenvervielfachung
eintritt. Dies ist bei nahezu allen bisher untersuchten Halbleitermaterialien der Fall.
Die Wirkung des Bauelements nach der Erfindung läßt sich auf folgende Weise erklären. Wenn bei einem
Bauelement nach der Erfindung zwischen den Anschlußkontakten eine Gleichspannung mit einer derartigen
Polarität angelegt wird, daß Majoritätsladungsträger aus der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit in die
Schicht mit höherer Leitfähigkeit fließen, wird bei Erhöhung dieser Gleichspannung anfänglich die Stromstärke
nahezu proportional mit der Spannung zunehmen, wobei die Feldstärke in der Schicht mit niedrigerer
Leitfähigkeit größer als die in der Schicht mit höherer Leitfähigkeit ist. Wenn die Feldstärke in der Schicht mit
niedrigerer Leitfähigkeit einen bestimmten Wert, die Sättigungsfeldstärke Es (für Elektronen in Germanium
etwa 3 · 103 V/cm), überschreitet, erreicht die Driftgeschwindigkeit
der Majoritätsladungsträger einen Sättigungswert ν (für Elektronen in Germanium etwa
6 · 106 cm/sec). Eine weitere Erhöhung der Gleichspannung führt nahezu keine weitere Erhöhung der
Stromstärke, dagegen wohl eine erhebliche Erhöhung der Feldstärke in der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit
herbei.
In der Schicht mit höherer Leitfähigkeit bildet sich
nach dem Überschreiten der Sätügungsfeldstärke E5 in
der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit auf der Seite dieser Schicht ein Raumladungsgebiet, dadurch, daß die
Majoritätsladungsträger, die an Anschlußkontakt aus
der Schicht mit höherer Leitfähigkeit abgesaugt werden, nicht in ausreichendem Maße aus der Schicht
mit niedrigerer Leitfähigkeit ergänzt werden. Dieses Raumladungsgebiel erstreckt sich in der Schicht mit
höherer Leitfähigkeit bis zu der Stelle, an der die Feldstärke auf die Sättigungsfeldstärke abgefallen ist.
Bei weiterer Erhöhung der angelegten Gleichspannung macht sich in der Schicht mit niedrigerer
Leitfähigkeit, in der die Feldstärke stets höher als in der Schicht mit höherer Leitfähigkeit ist, beim Erreichen
einer bestimmten Feldstärke (für Germanium etwa 1,7 · 105 V/cm) der Anfang von Lawinenvervielfachung
bemerkbar, wodurch Elektron-Loch-Paare gebildet werden. Dabei durchlaufen die zusätzlichen Majoritätsladungsträger unter der Einwirkung des elektrischen
Feldes mit der Sättigungsgeschwindigkeit das Raumladungsgebiet.
Diese zusätzlichen Majoritätsladungsträger im Raumladungsgebiet führen Änderung in dem Strom und
in der Feldstärke und somit auch in dem lonisationsgrad herbei. Zwischen diesen Strom- und Feldstärkeänderungen
treten infolge der endlichen Laufzeit der Majoritätsladungsträger durch das Raumladungsgebiet Phasenunterschiede
auf. Infolge dieser verzögerten Rückkopplung können Stromschwingungen auftreten, deren
Frequenz der Laufzeit der Majoritätsladungsträger durch das Raumladungsgebiet nahezu umgekehrt
proportional ist. Da die Sättigungsgeschwindigkeit konstant ist, ist dieser Laufzeit ferner nahezu lediglich
von der Gesamtdicke D des Raumladungsgebiets abhängig, die ihrerseits von der angelegten Gleichspannung
abhängig ist, so daß die Schwingungsfrequenz innerhalb bestimmter Grenzen auf einfache Weise
mittels der angelegten Gleichspannung verändert werden kann.
Ausgehend von einem vereinfachten eindimensionalen Modell, läßt sich errechnen, daß die betreffende
Schwingungsfrequenz in der Nahe von
I N see
liegt, wobei ΔΝ den Dotierungskon/.entnilionsunlerschied
zwischen der Schicht mit hohem· und der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit darstellt und die übrigen
Größen die vorerwähnte Bedeutung haben. Da im obcnbeschricbcnen Mechanismus hei Frequenzen über
etwa 5 ■ IO10 see ' u. a. durch Diffusion von Majoritiitsladungstrilgern
in das Raumladungsgebiet sehr starke Störungen auftreten, wodurch Schwingen kaum oder
gar nicht möglich ist, soll nach der Erfindung, wie bereits erwühnt wurde.
l/V < 5 · 1010 -iÄ
qv
Atomc/cmJ
gewühlt werden.
Obgleich auch bei niedrigeren Frequenzen der beschriebene Mechanismus auftreten kann, wird unterhalb einer Frequenz von ctwn 5· 10»see-' das
benötigte Raumladungsgebiet derart ausgedehnt sein müssen, daß bei diesen niedrigeren Frequenzen im
allgemeinen die Verwendung von Transistorschaltungen bevorzugt wird, die sich bei diesen Frequenzen
bewährt haben. Daher wird vorteilhaft der erwühnte Dotierungskonzeniratlonsuntcrschied zwischen den
Schichten mit verschiedener Leitfähigkeit größer ah
5 10*
O'r
Nach einer besonderen Ausführungsform wird die Leitfähigkeit der Schicht mit höherer Leitfähigkeit
höchstens gleich dem Zehnfachen der Leitfähigkeit der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit gewählt. Dadurch
ist für nahezu alle bekannte Halbleitermaterialien die vorerwähnte Bedingung in bezug auf den Dotierungskonzcntrationsunterschied
zwischen den beiden Schichten erfüllt.
Die Dicke der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit
Die Dicke der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit
ίο wird vorteilhaft möglichst klein gewählt. Das Verhältnis
von der höchsten zu der niedrigsten Frequenz, das durch Regelung der angelegten Gleichspannung erhalten
werden kann, ist dem Verhältnis zwischen der Höchst- und der Mindestdicke des Raumladungsgebietes nahezu
proportional. Dieses Verhältnis und somit die Veränderbarkeit der Schwingungsfrequenz ist größer, je nachdem
die Dicke der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit in bezug auf die der Schicht mit höherer Leitfähigkeit
geringer ist.
Ein anderer Grund, aus dem vorzugsweise die Dicke der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit möglichst klein
gewählt wird, ist aer, daß dann unnötige Verlustleistung infolge eines unnötigen Spannungsfalls in dieser Schicht
vermieden wird.
Daher beträgt bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform des Bauelements nach der Erfindung
die Dicke der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit höchstens 4 μΐη.
Die ohmschen Anschlußkontakte, die nach der Erfindung wenigstens auf der Schicht mit höherer
Leitfähigkeit nichtinjizierend sein müssen, können am einfachsten durch hochdotierte Halbleitergcbiete vom
gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Schichten mit verschiedener Leitfähigkeit gebildet werden. Daher ist
eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkontakte
durch an die Schichten mit verschiedener Leitfähigkeit grenzende Halbleilergebicte vom gleichen Leitfähigkeilstyp
und mit einer höheren Dotierungskon/.cninition
als die der Schicht mit höherer Leitfähigkeit gebildet werden.
Wenn der Halbleiterkörper aus Germanium oder
Silizium besteht, wird vorzugsweise die Doticninnskon
zentration der Schicht mit höherer Leitfähigkeit
.t.s höchstens gleich H)"1 Atomen/cm1 und mindestens
gleich 1014 Atomen/cm1 gewählt. Bei sehr nicdiiijei
Dotierung ergibt sich eine zu starke Temperaturahliängigkeit
der Ladiingstrli^erkon/ehtniiiui) und somit der
Schwingungsfrequcnz, wahrend bei höheren Dotiuiuii
so gen die Erzielung des gewünschten Dotierungsuntorschicdes zwischen den Schichten technologische
Schwierigkeiten bereitet.
Nach einer besonderen Ausführungsform grenzen di«
erwähnten Schichten mit verschiedener Lcitftthigkcii
direkt aneinander an. Dadurch wird eine besonder!
einfache Struktur erhalten.
Unter Umstünden kann es jedoch vorteilhaft sein, dal;
die Schicht mit niedrigerer und die Schicht mit höherei Leitfähigkeit durch eine Zwischenschicht vom gleicher
Lcilfflhlgkeitstyp, aber mit einer Dotierungskanzentra
tion höher als die der Schicht mit höherer Lcitfllhigkei
und niedriger als
' 'η
(K/
(£„,, - E11) Atomen/cm*
Atomc/cm1
voneinander getrennt sind, wobei «, Ho, q und tV di
obenerwähnte Bedeutung haben, wtlhrcncl E, den Wet
der Feldstärke in V/cm, für den die Salllgungsdrlftgc
schwindigkcit von Majoritätsladungstriigern erreicht
wird, und ;/ die Dicke der Zwischenschicht in cm darstellt. Das Vorhandensein dieser Zwischenschicht
hat zur Folge, daß der Spannungsabfall und somit die Verlustleistung herabgesetzt wird, während die vorerwähnte
obere Grenze der Dotierungskonzentration der Zwischenschicht, welche Grenze von der Dicke der
Zwischenschicht abhängig ist, sicherstellt, daß im Betriebszustand die Driftgeschwindigkeit in dem ganzen
Raumladungsgebiet zur Vermeidung von Verzerrung oder Unterdrückung der Schwingungen der
Sättigungsgeschwindigkeit gleich bleibt.
Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Schaltung mit einem Halbleiterbauelement der oben
beschriebenen Art, bei dem zwischen den Anschlußkonlakten eine Gleichspannung mit einer derartigen
Polarität angelegt ist, daß im Halbleiterkörper Majorilätsladungsträger
aus der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit in die Schicht mit höherer Leitfähigkeit
fließen. Dabei wird diese Gleichspannung vorzugsweise derart hoch gewählt, daß die Driftgeschwindigkeit der
Majoritätsladungsträger wenigstens in der Schicht mit niedrigerer Leitfähigkeit ihren Sättigungswert erreicht
und daß in dieser Schicht der lonisationsgrad einen Wert annimmt, der zwischen 1 und 10 liegt. Infolge
dieses niedrigen Ionisationsgrades ist das auftretende Geräusch erheblich niedriger als in den beschriebenen
bekannten Bauelementen. Die angelegte Gleichspannung wird in diesen Schaltungen zur Regelung der
Schwingungsfrequenz vorzugsweise veränderlich gewählt.
Einige Ausführungsbcispicle der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden
näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 schematisch im Querschnitt ein Ausführungsbeispiel eines Bauclements nach der Erfindung,
F i g. 2 ein eindimensionales Modell des Bauelements nach F ι g. 1,
Fig. 3 —5 schematisch den Verlauf der Dotierung, der
Elektronenkonzentration, der Feldstärke und des Potentials im Betriebszustand des Bauelements nach
F i g. 2,
F i g. 6 das Bauelement nach F" i g. I in einer I lerstellungsstule.
F' i μ. 7 ein anderes Alisführungsbeispiel einer Bauelements nach der Erfindung,
I- i g. 8 ein eindimensionales Modell des Bauelements
mich F i g. 7 und
Fig. 1J-II schematisch den Verlauf der Dotierung,
der Ulcktroncnkonzentrution, ücr Fcldsturkc und des
Potentials im Betriebszustand des Bauelements nach F ig. 8.
Die Figuren sind schematisch und nichlschcmuiisch
gezeichnet, wobei der Deutlichkeit halber insbesondere die Abmessungen in der Dickcnrichtungcn stark
übertrieben dargestellt sind. Entsprechende Teile sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.
Flg. 1 zeigt schematisch Im Querschnitt ein Halbleiterbauelement. Dieses Bauelement enthält einen
Halbleiterkörper I uus η-leitendem Germanium, der mit zwei ohmschen nlcht-injizierenden Anschlußkontakten
versehen Ist. Ein Anschlußkontakt besteht aus einer hochdotierten η-leitenden Schicht 2 (mittlere Donatorkonzentration etwa ΙΟ'» Alomc/cm3), auf der eine
Metallschicht 3 und ein Anschlußleiter 4 angebracht sind. Der andere Anschlußkontukt besteht uus einem
hochdotierten n-leilenden Gebiet 3 (mittlere Donatorkonzentration etwa 3 · 10" Atome/cm1), auf dem eine
Metallschicht 6 und ein Anschlußleiter 7 angebracht sind.
Zwischen diesen beiden Anschlußkontakten (2,3) und (5, 6) befinden sich zwei aneinander angrenzende
n-leitendc Schichten 8 und 9 mit verschiedener Leitfähigkeit. Die Schicht 8 hat in den an die Schicht 9
grenzenden Gebiet eine Dotierung von 1.5 · 1015
Atome/cm* und eine Leitfähigkeit von etwa 1 Ω-' cm-'. Die Schicht 9 hat in dem an die Schicht 8
ίο grenzenden Gebiet eine Dotierung von 3 ■ 1015
Atomen/cm3 und eine Leitfähigkeit von etwa 2Q-1CIH-1. Die Schicht 8 hat eine Dicke d von 1 μπι
(= ΙΟ-4 cm), die Schicht 9 von 20 μηι, die Schicht 2 von
1 μπι und das Gebiet 5 von 200 μπι.
is Der Unterschied zwischen den obenerwähnten
Dotierungskonzentrationen in den Schichten 8 und 9 beträgt 1,5 · 1015 Atome/cm3, welcher Unte-schied
kleiner als
5. 10'« ..'oJ-r. . £-
und größer als
5 · 10"
Zi111.
Atome/cm1
ist. Für η-leitendes Germanium gilt nämlich, daß:
i„ - 8,85- lCr14 Farad/m
,r = 16
<l = 1,6· 10 '"Coulomb r --■· 6 ■ KV' em/si'c
(für /·; > ii, ^ 3 · K)3 V/cm).
während die Feldstärke /·.',„. bei einem lonisationsrad
von
K)- K)
4 - io(
etwa gleich 1,6· K)^ V cm ist; daraus folgt, dal.l:
5 · 10
und
1.2 -IOlft Atome/cm1
1,2 10''Atome/cm'
ist.
Das oben beschriebene Bauelement kunn bein
Anlegen einer vorzugsweise veränderbaren Gleich spannung zwischen den Anschlußkontakten (2,3) und (5
6) schwingen, wobei (siehe FIg, I) die Spannung arr
Kontakt (5,6) in bozug auf die am Kontakt (2.3) positiv
Ist, so daß sich Elektronen von der Schicht 8 mit niedrigerer Leitfähigkeit zu der Schicht 9 mit höherei
Leitfähigkeit bewegen. Das Bandelement schwingt be einer Gesamtspannung von etwa 100 V zwischen der
AnschluQleitern 4 und 7. Diese Schwingungsfrcqucni
kann von etwa 6,6 · 10qsec ' zu etwa 3,6 · 109sec- '
durch Änderung der angelegten Gleichspannung zwischen etwa 85 V und etwa 160 V variieren. Bei einer
Spannung von 110 V beträgt die Schwingungsfrequenz etwa 5,1 · 10" see-1. Die elektrischen Schwingungen
können einer Spule 10 (siehe Fig. 1) zugeführt werden, deren Magnetfeld z. B. mit dem eines Wellenleiters
gekoppelt werden kann.
F i g. 2 zeigt schematisch in vereinfachter Form die Struktur des Bauelements nach F i g. 1 als ein eindimensionales
Modell, während in den F i g. 3, 4 und 5 die Donatorkonzentration N0, die Elektronenkonzentration
n, die Feldstärke E und der Potentialverlauf V im Betriebszustand für dieses eindimensionale Modell in
Abhängigkeit von dem Abstand zu den Anschlußkontakten schematisch dargestellt sind. Das Raumladungsgebiet
erstreckt sich (siehe F i g. 3) über einen Abstand D in der Schicht 9 mit höherer Leitfähigkeit. Dieser
Abstand D beträgt in diesem Beispiel 12 μηι bei einer
Gleichspannung von 110 V über den Anschlußkontakten. In dem ganzen Raumladungsgebiet ist die
Feldstärke höher als die Sättigungsfeldstärke E5 (siehe
F ig. 4).
Das Bauelement nach Fig. 1 läßt sich z.B. auf folgende Weise herstellen. Es wird von einer n-leitenden
Germaniumplatte 5 mit einer Dotierungskonzentration von 3 · 1017 Atomen/cm3, einem Durchmesser von
30 mm und einer Dicke von 250 μηι ausgegangen. Auf einer derartigen Platte können zu gleicher Zeit eine
Vielzahl von Bauelementen hergestellt werden, die dann
auf übliche Weise durch Sägen und/oder Brechen voneinander getrennt werden. Die Herstellung wird
daher nachstehend an Hand eines einzigen Bauelements beschrieben, wobei also die unterschiedlichen erwähnten
Bearbeitungen gleichzeitig bei sämtlichen Bauelementen der Platte durchgeführt werden.
Eine Oberfläche der erwähnten Gcrmuniumpluttc
wird abgeschliffen, geätzt und poliert, damit eine Oberfläche mit einer möglichst geringen Anzahl von
Kristallfehlern erhalten wird. Nach dieser Bearbeitung beträgt die Dicke der Platte etwa 200 μηι.
Auf die geätzte und polierte Oberfläche wird nun auf
in der Halbleitertechnik allgemein übliche Weise epitaktisch eine η-leitende Gcrmuniumschichi 9 mit
einer Dicke von 15μη\ durch thermische Zersetzung
von QcCU in Hi bei einer Temperatur von 880°C
aufgewachsen. Diese Schicht wird mit Arsen dotiert und die Dotieiungskonzeniration beträgt J- 10π Atome/
cmJ. Diese Dotierung erfolgt vorzugsweise durch Funkdotierung (»spark doping«), wie ausführlich in ).
Goorissen und H. G. Bruijnlng, »Philips Technical Review«, Band 26, 1965, S. 194-207, und A.
Stirling, »Solid State Electronics«, Band 10,1967, S.
485-490, beschrieben wurde. Dabei kann die Dotierung auf besonders einfache Welse durch Änderung der
Funkenfrequonz geregelt werden, was insbesondere bei der Herstellung dünner Schichten günstig ist. Die
Dotierung kann jedoch auch dadurch erfolgen, daß dem zu zersetzenden Oas Aktivatoren, z.B. in Form von
Hydriden, zugesetzt werden.
Auf der Schicht 9 wird anschließend auf gleiche Weise
eine zweite ^leitende Schicht 8 mit einer Konzentration von 1,5 · 10" Arsenatomen/cm1 und einer Dicke
von t μηι angebracht, wonach schließlich eine mit
Antimon dotierte Schicht 2 mit einer Dicke von I μιτι
und mit einer Dotterungskonzentration von 10"
Atomen/cm1 aufgewachsen wird. Diese ganze epltaktl·
sehe Schichtstruktur kann grundsätzlich hergestellt
werden, ohne daß der Halbleiterkörper aus dem Behandlungsraum entfernt wird.
Auf den Schichten 5 und 2 werden nun ohmsche Kontakte in Form aufgedampfter Metallschichten 6 und
> 3 angebracht, die aus einer Chromschicht bestehen, die unmittelbar auf dem Germanium angebracht und mit
einer Goldschicht überzogen ist. Dadurch ist die Struktur nach F i g. 6 erhalten.
Dann wird durch Ätzen, erforderlichenfalls in ίο Vereinigung mit einem mechanischen (z. B. Ultraschall-)
Verfahren zum Entfernen von Material bis zu der gestrichelten Linie 12 (siehe Fig.6), die effektive
Oberfläche des Bauelements zur Herabsetzung der Verlustleistung verkleinert. Die effektive Oberfläche
entspricht nun der der aus den Schichten 9, 8 und 2 aufgebauten MESA-Struktur und beträgt etwa
2,5 · 10-3ITIm2. Dann werden die Anschlußleiter angebracht,
wonach das Bauelement auf übliche Weise in einer geeigneten Umhüllung untergebracht wird.
F i g. 7 zeigt schematisch im Querschnitt ein anderes Ausführungsbeispiel eines Halbleiterbauelements nach
der Erfindung. Dieses Bauelement ist in bezug auf Abmessungen und Dotierungen des Bauelement nach
Fig. I nahezu ähnlich, mit dem Unterschied, daß die Schicht 9 mit höherer Leitfähigkeit und die Schicht 8 mit
niedrigerer Leitfähigkeit in diesem Falle durch eine 11-leitende Zwischenschicht 21 mit einer Dicke a von
2 μιη und einer Dotierungskonzentration von 5 · 10ls
Atomen/cm1 voneinander getrennt sind. Die Dotie-.10 rungskonzentration dieser Zwischenschicht 21 ist höher
nls die der Schicht 9 und niedriger als
(£,„. - EJ Atome/cm1,
welcher Wert nach den obenerwähnten Daten nahezu 7 · 10|f»Atome/emJbctragi.
Durch das Vorhandensein der Zwischenschicht 21 tritt im Betriebszustand im Vergleich zu dem üuuele-.|o
ment nach Fig. 1 eine etwas andere Feldverteilung auf.
Fig.» zeigt das Bauelement nach F i g. 7 im Querschnitt
schemntisch in vereinfachter Form als ein eindimensionales Modell, wobei in F i g. 9 die Dotierungskonzentration
Nd und die Elektronenkonzentration η im
,is Betriebszustand schematisch für die uncrschiedlichen
Schichten dargestellt sind, während Fig. 10 für den betreffenden Full die Feldstärke /:'und Fig. Il das
Potential Vdnrstellt.
Die Feldstärke- und Poientialverteilung, die bei einer
gleichen Gleichspannung zwischen den Mctallschichten 3 und 6 auftreten würden, wenn die Schicht 21 die
gleiche Dotierung wie die Schicht 9 hütte (so daß eine der nach F t g. 2 analoge Struktur gebildet wird) sind in
den Fig. 10 und 11 mit strichpunktierten Linien
angegeben. Daraus ist ersichtlich, daß durch da« Vorhandensein der stürker dotierten Schicht 21 del
Spannungsabfall über dem Bauelement und somit nucr die Verlustleistung erheblich herabgesetzt ist. Aui
Fig. 10 geht welter hervor, daß Tn dem ganzer Raumladungsgebiet die Feldstärke oberhalb des Sattl
gungswertes E, bleibt, so daß in diesem ganzen Oeble die Driftgeschwindigkeit der Elektronen den Stttti
gungswert ν hot, wodurch Verzerrung und/odei
Unterdrückung der Schwingungen vermieden wird.
Das Bauelement nach den PIg.7-Il kann au
gleiche Welse wie das vorangehende Ausführungsbel
spiel hergestellt werden. Bs sei bemerkt, daß dli
Schichtstruktur auch diffundierte Schichten enthaltei
kann. Ein anderes Herstellungsverfahren, das unter Umständen zur Bildung einer dünnen Schicht 8 mit
niedrigerer Leitfähigkeit besonders vorteilhaft sein kann, ist die sogenannte »re-melt«-Teclinik (siehe
Munter, »Handbook of Semiconductor Electronics«.
New York 1956, S. 7- 11, Paragraph 7.4b, Fig. 7.8). Bei
dieser Technik wird durch Schmelzen und Rekristallisation bei Abkühlung einer Oberflächenschicht eines
hochdotierten Kristalls eine schwach dotierte Schicht gebildet, die an der Oberfläche wieder stärker dotiert ist.
was zur Bildung eines guten ohmschen Kontakts günstig
ist.
Es können statt n-leitcnder Strukturen auch p-leitende
Strukturen unter Umkehr der Polarität der angelegten Gleichspannung ungewandt werden. Fernei
können statt Germanium andere Halbleitermaterialien Anwendung finden, während auch die Geometrie dei
Halbleilerstruktur verschieden sein kann. So kontier statt flacher Schichten /.. B. auch zylindrische Schichten
Planarsirukturen u. dgl. verwendet werden.
Hierzu 3 Blatt Zeicpiuinsien
Claims (1)
1. Halbleiterbauelement zum Erzeugen oder Verstärken elektrischer Schwingungen mit einem
Halbleiterkörper au» einem Halbleitermaterial vom einen Leitfähigkeitstyp, der mindestens zwei Schichten vom einen Leitfähigkeitstyp und mit verschiedener Leitfähigkeit enthält, bei dem die Schicht mit
niedrigerer Leitfähigkeit dünner als die Schicht mit höherer Leitfähigkeit ist und bei dem mindestens die
beiden Schichten verschiedener Leitfähigkeit jeweils mit ohmschen Anschlußkontakten versehen und
zwischen diesen Anschlußkontakten angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der
Dotierungskonzentrationsunterschied zwischen we nigstens einander zugewandten Grenzgebieten der
beiden Schichten (8„ 9) mit verschiedener Leitfähigkeit kleiner als
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
NL6900787 | 1969-01-17 | ||
NL6900787A NL6900787A (de) | 1969-01-17 | 1969-01-17 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2000676A1 DE2000676A1 (de) | 1970-09-03 |
DE2000676B2 DE2000676B2 (de) | 1976-12-23 |
DE2000676C3 true DE2000676C3 (de) | 1977-08-11 |
Family
ID=
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