DE889809C - Halbleiter-Signaluebertragungseinrichtung - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AJM 14. SEPTEMBER 1953

W 7662 VIIIc 121g

ist als Erfinder genannt worden

Dk Erfindung betrifft Halbleiter-Signalübertragungseinrichtungen, insbesondere die unter dem Namen Transistor bekannten Einrichtungen... Diese Einrichtungen enthalten im allgemeinen einen Körper aus Halbleitermaterial, der einen großflächigen 'bzw. Qhmschen Anschluß aufweist, den man Basiselektrode nennt. Ferner sind an ihm zwei weitere Anschlüsse vorhanden, die mit Steuerelektrode und Sammelelektrode bezeichnet werden. Bei einer Betriebsart werden zwischen Steuerelektrode und Basiselektrode Signale angelegt, deren Abbilder man in einem an die Sammelelektrode und die Basiselektrode angeschlossenen Belastungskreis erhält.

Beim Ubertragungsvorgang werden an der Steuerelektrode in den Halbleiterkörper Ladungsträger eingeführt, die ein entgegengesetztes Vorzeichen aufweisen wie die normalerweise in der Masse des Körpers im Überschuß vorhandenen Ladungsträger. Wenn der Körper insbesondere aus Material mit N-Leitfähigkeit, z. B, aus N-Germanium, besteht, sind die normalerweise im Überschuß vorhandenen Ladungsträger Elektronen, während die eingeführten Ladungsträger Löcher sind. Wenn der Körper P-Leitfähigkeit besitzt, sind die normalerweise im Überschuß vorhandenen ^: Ladungsträger Löcher, während die eingeführten Ladungsträger Elektronen sind. Die Sammelelektrode wird mit einer Vorspannung von solcher Polarität versehen, daß die eingeführten Ladungsträger herausgezogen werden. Demnach ist z. B. bei einem Körper mit N-Leitfähigkeit die Sammel-

elektrode negativ vorgespannt, um die positiven Löcher herauszuziehen. Die zum Sammelelektrodengebiet fließenden Ladungsträger modulieren dabei den im Kreis Sammelelektrode—Basiselektrode fließenden Elektronenstrom.

Man hat festgestellt, daß der Sammelelektroden- bzw. Ausgangsstrom zufällige Änderungen bzw. Rauschikomponenten enthält, deren Größe merklich sowohl vom Steuerelektrodenstrom als auch vom ίο Potential der Sammelelektrode abhängt. Solche Änderungen bzw. Rauschkomponenten können leicht die Signalübertragung überdecken.

Ein allgemeiner Erfindungsgegenstand besteht darin, die Arbeitskennlinien von Halbleiter-Signalübertragungseinrichtungen zu verbessern. Insbesondere hat die Erfindung die Aufgabe, die Übertragungstreue der Signale bei solchen Einrichtungen zu verbessern, den Rausch am Ausgang des Transistors zu verringern und in einem großen Bereich der Sammelelektrodenspannung ein gleichmäßiges Verhältnis von Signal zu Rausch zu erzielen.

Der Rausch bei einem Transistor kann wenigstens zum Teil der zufälligen oder sporadischen Erzeugung von Ladungsträgern im Halbleiterkörper ,zugeschrieben werden, deren Vorzeichen das gleiche ist wie das der an der Steuerelektrode eingeführten Ladungsträger, und dem· Fließen der so erzeugten Ladungsträger zum Sammelele'ktrodengebiet.

Nach einem Merkmal der Erfindung wird bei Halbleiter-Übertragtmgsemrdchtungen der oben beschriebenen Art eine Grenze innerhalb des Körpers geschaffen, um das Fließen der innerhalb des Körpers fremderzeugten Ladungsträger zum Sammelelektrodengebiet zu verhindern.

Nach einem spezielleren Merkmal der Erfindung wird innerhalb des Körpers in der Nähe der Sammelelektrode eine Zone oder ein Gebiet geschaffen, das den gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Körper, aber eine wesentlich höhere Leitfähigkeit als die Masse des Körpers aufweist.

Bei einem Ausführungsibeispiel besteht ein Transistor aus einem Körper aus Germanium vom N-Leitfähigkeitstyp, innerhalb dessen eine sehr schmale Zone vorhanden ist, die eine Korngrenze sein kann, und die ebenfalls vom N-Typ ist,„aber eine wesentlich höhere Leitfähigkeit aufweist als, die Masse des Körpers. Der Transistor enthält ferner Basis- und Steuerelektroden am Körper sowie eine Sammelelektrode an dem Gebiet mit der höheren Leitfähigkeit bzw. an der Korngrenze. Die Sammelelektrode kann z. B. ein Punktkontakt sein, der auf dem Grenzgebiet aufliegt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Er-. findung enthält ein Transistor einen Körper aus Germanium vom N-Leitfähigkeitstyp, dessen eine Oberfläche mit einer dünnen Schicht aus N-Typ-Germänium mit wesentlich größerer Leitfähigkeit als diejenige der Masse des Körpers bedeckt ist. Ferner enthält der Transistor eine Basiselektrode am Körper und Steuer- und Sammelelektroden an der Oberflächenschicht. . . .

Die Erfindung und die obengenannten sowie weitere Merkmale werden klarer und vollständiger durch die nachfolgende, ins einzelne gehende Erläuterung und die Zeichnungen verständlich werden.

Fig. ι ist ein Schaltbild, das die Grundbestandteile und ihre Zusammensetzung zu einer Signalübertragungseinrichtung zeigt, die ein Ausführungsbeispiel für die Erfindung darstellt;

Fig. 2 ist ein Energieniveaudiagramm für den Halbleiterkörper, welcher in der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung zwischen Steuer- und Sammelelektrode geschaltet ist;

Fig. 3 ist ein Grundriß der Übertragungseinrichtung nach Fig. 1, bei der die Lage der Steuerelektrode und der Sammelelektrode in bezug auf das N+-Gebiet des Halbleiterkörpers zu sehen ist; ·

Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht eines Transistors, der eine andere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung darstellt, bei dem die Grenze zwischen dem N+-Gebiet und dem N-Gebiet im wesentlichen parallel zu der Oberfläche liegt, auf der die Punktkontakte angebracht sind;

Fig. 5 ist ein Energiediagramm des Halbleiterkörpers der in Fig. 4 gezeigten Einrichtung, und zwar im N-N+-Zwischengebiet;

Fig. 6 und 7 sind Aufrisse von anderen Ausführungsformen der Erfindung;

Fig. 8 und 9 sind Grund- und Aufriß eines fadenförmigen Transistors, der eine weitere Ausführungsform der Erfindung darstellt;

Fig. 10 und 11 sind graphische Darstellungen, die Arbeitskennlinien von typischen erfindungsgemäß aufgebauten Transistoren mit Punktkontakten zeigen.

Bei den Zeichnungen sind im Interesse der Klarheit gewisse Abmessungen stark vergrößert gezeichnet. Das Maß der Vergrößerung ergibt sich aus den weiter unten angegebenen typischen Abmessungen.

Ferner sind in den Zeichnungen bei den Halbleiterkörpern die Teile oder Gebiete mit verhältnis- i°5 mäßig geringer Leitfähigkeit mit dem Buchstaben N und die Teile oder 'Gebiete mit verhältnismäßig großer Leitfähigkeit mit N+ bezeichnet.

Der spezifische Widerstand des N-Materials kann

z. B. etwa 5 Ohm-cm und der des N+-Materials etwa 2 Ohm-cm betragen.

Beispiele für Halbleitermaterialien, die in erfindungsgemäß aufgebauten Einrichtungen verwendet werden können, sind Germanium und Silicium. Korngrenzen der oben angeführten Art bei Körpern aus solchem Material können dadurch gefunden werden, daß man eine Oberfläche mit Hilfe eines kleinen Lichtflecks untersucht und die Grenze festlegt, wo eine plötzliche Veränderung des Stroms zwischen Klemmen an entgegengesetzten Enden des Körpers als Funktion der Lage des Lichtflecks auftritt. Eine Wärmesonde, die einen Galvanometer- _: anschlag entsprechend der N-Konzentration liefert, ■ kann ebenfalls verwendet werden. Geeignete Ger-, maniummaterialien mit N- und N +.-Gebieten oder -Zonen, die in diesem Fall aber keine Kristallkornr

grenzen sind, können ferner mit Hilfe gewisser anderer bekannter Verfahren hergestellt werden. Die Signalübertragungsanlage nach Fig. ι enthält einen Halbleiterkörper 20, der z. B. aus Germanium besteht, mit zwei Zonen 21 und 22, die zu beiden Seiten der mit N+ bezeichneten Zone 23 angeordnet sind und an diese angrenzen, und zwar in einer geeigneten Kristallgrenze, welche sich durch den Halbleiterkörper 'hindurch erstreckt. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Körper eine Scheibe sein, die 1,90 ram lang, 1,90 mm breit und 0,50 mm dick ist. Die N+-Zone oder -Grenze kann etwa 0,013 ^mm dick sein.

Ein großflächiger bzw. im wesentlichen Ohmscher Anschluß 24, der z. B. aus einem Rodium- oder Kupferüiberzug 'bestehen kann, ist an einer Fläche des Körpers 20 angebracht. Dieser Anschluß bildet die Basiselektrode und stent sowohl mit den N-Zonen als auch mit der N+-Zone in Verbindung. Auf der entgegengesetzten Fläche des Körpers 20 liegt eine Steuerelektrode 25 und eine Sammelelektrode 26 auf, die beide Punktkontakte sein können. Zum Beispiel kann die Sammelelektrode aus Phosphorbronze und die Steuerelektrode aus Berilliumkupfer bestehen. Der Steuerelektrodenkontakt liegt auf dem N-Gebiet auf, während der Sammelelektrodenkontakt auf dem N + -Gebiet bzw. auf dessen Kante aufliegt. Der Abstand zwischen Steuer- und Sammelelektrode beträgt vorteilhafterweise etwa 0,05 mm.

Beim Betrieb der Einrichtung in der dargestellten Schaltung wird die Steuerelektrode¹25 gegen den Körper mit einer geringen Spannung in Flußrichtung durch die Spannungsquelle 27 vorgespannt. Die zu übertragenden Signale werden dem Steuerelektrodenkreis durch die Signalquelle 28 aufgedrückt. Ein geeigneter Widerstand 29 kann in den Steuerkreis, wie gezeichnet, eingeschaltet werden. Die Sammelelektrode 26 wird mit einer verhältnismäßig "hohen Spannung gegen die Basiselektrode· 24 in Sperrichtung durch die Spannungsquelle 30 vorgespannt. In den Sammelelektrodenkreis ist, wie gezeigt, eine Belastung eingeschaltet, die in allgemeiner Form durch den Widerstand 31 dargestellt ist. An der Belastung 31 erhält man verstärkte Abbilder der durch die Quelle 218 aufgedrückten Signale.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält der Halbleiterkörper 200 einen N-Typ-Teil>2io, dessen eine Oberfläche mit einer N + -Schicht 32 bedeckt ist, die z. B. etwa 0,10 mm dick sein kann. Der Basisanschluß¹24 ist an der N-Zone2io angebracht, während die Steuerelektrode 2-5 und die Sammelelektrode 26 in Form von metallischen Punktkontakten ausgeführt sein können, die auf der N+-Schicht 32 aufliegen, wobei der Abstand zwischen Steuer- und Sammelelektrode etwa 0,05 mm sein kann.

Bei einer anderen Ausführung der Erfindung, die in Fig. 6 dargestellt ist, hat der Halbleiterkörper den gleichen Aufbau wie bei der in Fig. 4 gezeigten Einrichtung, jedoch liegt die Steuerelektrode 25 auf der N-Zone 210 auf. Die Sammelelektrode 26 liegt auf der N+-Zone 32 an einer Stelle in unmittelbarer Nähe der Grenze oder Verbindung zwischen der N-Zone und der N+-Zone auf.

Die in Fig. 7 dargestellte Einrichtung ist die gleiche wie die in Fig. 4, jedoch weist sie einen zusätzlichen Kontakt 33 auf, z. B. in Gestalt eines zugespitzten Drahtes, der auf der Fläche bzw. auf der Verbindung zwischen der N-Zone 210 und der N+-Schicht 32 aufliegt. In ähnlicher Weise kann ein zusätzlicher Punktkontakt auf der Fläche zwischen den beiden Gebieten in Fig. 6 verwendet werden.

Die Erfindung kann auch bei einem fadenförmigen Transistor angewandt werden, wie z. B. in Fig. 8 und 9 .dargestellt ist. Der Halbleiterkörper besitzt zwei verbreiterte Endteile 34 und 35^ die durch einen dazwischenliegenden fadenförmigen Teil verbunden sind. Der Körper enthält eine N-Zone bzw. ein N-iGebiet 2*10 und eine dünne N+-Schicht 32, die sich über einen Teil der N-Zone erstreckt. Der Basisanschluß 240 an die N-Zone 210 ist durch einen metallischen Überzug auf den verbreiterten Endteil 34 hergestellt. Die Sammelelektrode 260 kann ein ähnlicher metallischer Überzug auf dem verbreiterten N-Teil 35 sein, der aber mit der N-|—Schicht verbunden ist. Die Steuerelektrode 25 kann ein Punktkontakt sein, der auf der N+-Schicht 32 aufliegt.

Arbeitskennlinien von erfindungsgemäß aufgebauten Einrichtungen sind in Fig. 10 und 11 gezeichnet. Insbesondere gelten die in Fig. 10A und 10B dargestellten Kennlinien für einen nach Fig. ι aufgebauten und hier beschriebenen Transistor, bei dem die Sammelelektrode 26 auf oder unmittelbar neben der Kante der N+-Korngrenze 23 aufliegt und der Steuerelektrodenstrom konstant 0,50 Milliampere beträgt. Aus Fig. 10 A ist ersieht-Hch, daß der Stromvervielfachungsfaktor a in einem weiten Bereich der Sammelelektrodenspannung im wesentlichen konstant ist. Der Basiselektrodenwiderstand und der Steuerelektrodenwiderstand sind ebenfalls in diesem Bereich im wesentlichen konstant, wobei der Basiselektrodenwiderstand etwa 50 Ohm und der Steuerelektrodenwiderstand etwa 190 Ohm beträgt. Die in Fig. 10 B aufgetragene Rauschzahl gilt für 1000 Hertz und für eine Bandbreite von 1 Hertz. Aus Fig. 10B ergibt sich, daß sowohl die Steuerelektrodenrauschzahl als auch die Sammelelektrodenrauschzahl getrennt betrachtet in diesem Bereich der Sammelelektrodenspannung im wesentlichen konstant sind.

Die durch die Erfindung erzielte Verbesserung der Sammelelektrodenrauschzahl von Transistoren geht klar aus Fig. 11A und 11 B hervor. In der erstgenannten Figur zeigt die Linie A die Abhängigkeit des Sammelelektrodenrauschs von der Sammelelektrodenspannung als Mittelwert für eine Anzahl von Transistoren bekannter Art, während die Kurve i? die gleiche Abhängigkeit für eine Anzahl von gemäß Fig. 1 aufgebauten Transistoren darstellt, 'bei denen die Sammelelektrode 26 auf oder unmittelbar neben 4er N-N+-Grenze aufliegt, und für Transistoren gemäß Fig. 4. In ähnlicher

Weise zeigen die Kurven A und B in Fig. 11B die Abhängigkeit des Steuerelektrodenrauschs von der Sammelelektrodenspannixng bei Transistoren bekannter Art und bei gemäß Fig. ι und 4 aufgebauten Transistoren. Aus Fig. 11A und 11 B ergibt sich, daß bei erfindungsgemäß aufgebauten Einrichtungen sowohl für die Samimelelektrodenals auch für die SteuerelektrodenrauschzaM in einem großen Bereich, der Sammelelektrodenspannung eine Verbesserung von größenordnungsmäßig 10 Dezibel erzielt wird.

Wie oben bereits bemerkt, ist bei Transistoren der Sammelelektrodenrattsch wenigstens zum Teil der Fremderzeugung von Löchern im Halbleiterkörper und dem Fließen dieser Löcher in das Sammelelektrodengebiet zuzuschreiben. Eine Untersuchung der Energieniveaudiagramme von erfindungsgemäß aufgebauten Einrichtungen liefert eine Erklärung -für die bei solchen Einrichtungen er-

zielte Verbesserung der Rauschzahl, In Fig. 5 sind die Energieniveaus einer gemäß Fig. 4 aufgebauten und hier beschriebenen Einrichtung aufgetragen. Hier stellt die Linie C den unteren Rand des Leitungsbandes und- die Linie F den oberen Rand des vollen Bandes der N- und N+-Zonen bzw. -Gebiete dar, wobei das Fermi-Niveau mit eingezeichnet ist. Man wird erkennen, daß an der Fläche bzw. Verbindung zwischen den Zonen oder Gebieten die Energieniveaus so verlaufen, daß' ein

Hindernis für einen leichten Übergang von Löchern, aus dem N-Gebiet in das Ei+-Gebiet entsteht. Auf diese Weise ist infolge des Aufbaus des Halbleiterkörpers die Sammelelektrode gegen Löcher abgeschirmt, die im Innern des N-Gebiets sporadisch entstehen. Hierdurch wird der Sammelelektrodenrausch verringert.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, wo die Energieniveaus für einen Halbleiterkörper von gemäß Fig. ι aufgebauten Einrichtungen aufgetragen sind, wird infolge des N + -Gebiets dem Fließen von im N-Gebiet 22 erzeugten Löchern in die Nähe der Sammelelektrode ein Hindernis bereitet, wobei eine Verringerung des Sammelelektrodenrauschs bewirkt wird.

Die Größe des Hindernisses für das Fließen der Löcher kann geregelt, z.B. vergrößert.werden, indem mit Hilfe eines Hilfsanschlusses 33 eine Spannung an das N+-Gebiet gelegt wird, wie in Fig. 7 dargestellt ist.

Obwohl bei den gezeigten und beschriebenen speziellen Ausführungsbeispielen, der . Halbleiter N-Leitfähigkeit besitzt, kann die Erfindung ebenfalls bei Einrichtungen· mit P-Körpern angewendet werden, wobei die Zone mit höherer Leitfähigkeit in diesem Fall ein Hindernis für das Fließen von Elektronen·zur Sammelelektrode bildet, die sporadisch in der Masse des Körpers erzeugt werden.

Obgleich ferner bei den dargestellten und beschriebenen speziellen Ausführungen eine scharfe Änderung der Leitfähigkeit zwischen den Zonen vorausgesetzt ist, können erfindungsgemäße Verbesserungen des Rauschs auch durch allmähliche oder stufenweise Änderung der Körperleitfähigkeit von Zone zu Zone erzielt werden.

Ferner sind selbstverständlich die verschiedenen dargestellten und beschriebenen Ausführungen der Erfindung nur Beispiele. Zahlreiche Abänderungen können vorgenommen werden, ohne vom Wesen und Ziel der Erfindung abzuweichen.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Signalübertragungseinrichtung nach Art des Transistors, dadurch gekennzeichnet, daß das iGebiet des Körpers aus Halbleitermaterial in der unmittelbaren Nähe der Sammelelektrode den gleichen -Leitfähigkeitstyp aufweist wie der übrige Körper, jedoch eine größere Leitfähigkeit besitzt.

2. Signalübertragungseinrichtung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die 80* Sammelelektrode mit dem Gebiet mit größerer Leitfähigkeit im Eingriff steht.

3. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode mit dem Körper an einem von dem Gebiet mit größerer Leitfähigkeit entfernten Punkt imEingriff steht.

4. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode sowohl mit dem· Gebiet mit. größerer Leitfähigkeit als auch mit einem Teil des übrigen Körpers ohmisch verbunden ist.

5. Signalübertragungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus Germanium mit N-Leitfähigkeit besteht.

6. Signalübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus Silicium besteht.

7. Signalübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebiet mit höherer Leitfähigkeit eine Schicht auf einer Fläche des übrigen Kör-. pers bildet, wobei die Steuerelektrode mit der Schicht und die Basiselektrode mit einem Teil des übrigen Körpers im Eingriff steht.

8. Signalübertragungseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper einen fadenförmigen Teil und an jedem Ende einen verbreiterten Teil aufweist, daß ferner eine Fläche des fadenförmigen Teils und ein verbreiterter Teil das Gebiet mit höherer Leitfähigkeit bilden, daß schließlich die Basiselektrode mit dem anderen verbreiterten Teil, die Steuerelektrode mit der Fläche des fadenförmigen Teils mit höherer Leitfähigkeit und die Sammelelektrode mit einem verbreiterten Teil auf der Fläche mit höherer Leitfähigkeit im Eingriff steht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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