DE966849C - Transistorelement und Transistorschaltung - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 12. SEPTEMBER 1957

N 8109 VIII c 121g

Die Erfindung bezieht sich auf ein Transistorelement, das aus einem Halbleiter des einen Leitungstyps besteht, in der Zonen des anderen Leitungstyps vorhanden sind, und der Halbleiter ebenso wie mindestens einige der Zonen mit Anschlußelektroden versehen sind. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Schaltung mit einem solchen Transistorelement und bezweckt, durch eine besondere Ausführung des Transistorelements, ein Universalschaltelement mit vielen Schaltmöglichkeiten zu schaffen.

Gemäß der Erfindung sind mindestens zwei mit Anschlußelektroden versehene Zonen in je einem Abstand von einer dritten, mit oder nicht mit einer Anschlußklemme versehenen Zone angeordnet, der kleiner als die charakteristische Diffusionslänge der Minderheitsladungsträger in dem Halbleiter ist, wobei der Abstand der ersten Zone von der zweiten Zone größer als diese charakteristische Diffusionslänge ist.

Ein Transistor nach der Erfindung läßt sich infolge der vergrößerten Elektrodenzahl in verschie-

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denster Weise schalten und zeichnet sich insbesondere als regelbarer Verstärker oder als Modulator oder als Verstärker mit guter Entkopplung zwischen der ersten und der zweiten Zone aus. Es ist allerdings bereits bekannt, auf einen Halbleiterkörper mehrere, je einen Transistor bildende Elektrodensysteme anzuordnen; diese sind aber so weit voneinander entfernt, daß überhaupt keine Beeinflussung zwischen den Systemen eintritt, so

ίο daß es sich nur um eine räumliche Vereinigung mehrerer Transistoren handelt, bei der sich besondere Wirkungen und Schaltungsmöglichkeiten nicht ergeben, wie sie beim Erfindungsgegenstand insbesondere durch Anordnung einer dritten, eine oder keine Anschlußelektrode tragenden Zone erzielt werden.

Bei einer anderen bekannten Anordnung wird ein Halbleiterkörper verwendet, der aus einem langgestreckten Stab des einen Leitfähigkeitstyps

so besteht, der an seinen Enden mit Elektroden versehen ist, zwischen denen eine Stromquelle geschaltet ist. Seitlich sind mit Kontakten versehene Verdickungen an dem Stab angebracht, die aus einem Material von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp bestehen. Ein dem einen Kontakt zugeführter Steuerstrom erzeugt dann einen entsprechenden Strom am anderen Kontakt. Die dort verwendeten Halbleiterkörper weisen somit eine recht verwickelte, schwierig herstellbare Form auf, während sich beim Erfindungsgegenstand ein gedrängter Aufbau und die obenerwähnten besonderen Vorteile für die Anwendung ergeben.

Die Erfindung wkd an Hand der Zeichnung näher erläutert.

.35 Fig. ι zeigt ein Transisfcielement nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt eine mit einem solchen Element versehene Schaltung zum Verstärken eines elektrischen Signals j

Fig. 3 und 4 zeigen zwei Abarten des Elements nach Fig. 1;

Fig. 5 zeigt eine Abart der Schaltung nach Fig. 2;

Fig. 6 zeigt eine Modulationsschaltung mit einem Transistorelement nach der Erfindung;

- Fig. 7 stellt eine ähnliche Amplitudengleichrichterschaltung dar;

Fig. 8 stellt eine Abart der Schaltung nach Fig. 6 dar;

Fig. 9 zeigt eine Frequenzdemodulatorschaltung mit einem Transistorelement nach der Erfindung. Fig. ι zeigt ein Transistorelement nach der Erfindung, das aus einem verhältnismäßig hochohmigen halbleitenden Material η des einen LeitungstyP^s (ⁿ) besteht, in der vorzugsweise verhältnismäßig niederohmige Zonen 1, 2 und 3 des anderen Leitungstyps (p) vorhanden sind. Solche Zonen sind z. B. dadurch erzielbar, daß ein geeigneter Halbleiter bei einer vorgeschriebenen Temperatur und während einer vorgeschriebenen Zeit in den Halbleiter η diffundiert wird. Das Transistorelement ist mit Anschlußelektroden e und c, die mit den p-Zonen 1 und 2 verbunden sind und als die Emitter- bzw. die Kollektorelektrode dienen können, und den Anschlußelektroden b_x und &₂ versehen, von denen mindestens eine als Basiselektrode wirksam ist, und weiter ist die dritte p-Zone 3 mit einer Anschlußelektrode e' versehen.

Die Wirkungsweise des Transistors beruht bekanntlich auf folgendem Prinzip: In einer p-Zone wird' die Stromleitung im wesentlichen durch Löcherleitung, in einer η-Zone durch Elektronenleitung hervorgerufen. Es werden jedoch bei einem in seiner Vorwärtsrichtung betriebenen p-n-Übergang in einem gewissen Abstand, der charakteristischen Diffusionslänge, Löcher in die n-Zone (und auch Elektronen in die p-Zone) diffundieren, welche Löcher zwar die Minderheit der Ladungsträger in dieser η-Zone bilden, aber die, wenn die Stärke der η-Zone kleiner als diese charakteristische Diffusionslänge ist, den Stromdurchgang nach einem der η-Zone folgenden, in seiner Sperrrichtung betriebenen n-p-Übergang ermöglichen.

Der Abstand zwischen den Zonen 1 und 3 bzw. 2 und 3 ist kleiner als die charakteristische Diffusionslänge der Minderheitsladungsträger in dem Halbleiter n, so daß die Teile i-ra-3 bzw. 2-71-3 des Transistorelements mit den Anschlußelektroden e-b^-e' bzw. c-b₂-e' je für sich als Transistorverstärker geschaltet werden können. Der Abstand zwischen den Zonen 1 und 2 ist jedoch größer als diese charakteristische Diffusionslänge, so daß eine unmittelbare Transistorwirkung zwischen den Teilen T-n-2 des Transistorelements verhütet wird.

Ein Transistorelement nach Fig. 1 läßt sich vorteilhaft bei der Verstärkerschaltung nach Fig. 2 verwenden. Das zu verstärkende Eingangssignal V wird der Emissionselektrode e zugeführt, und die eine Basiselektrode b_x ist mit Erde verbunden. Die Elektrode e' hat kein festes Potential und könnte gegebenenfalls weggelassen werden. Die Elektrode b_% ist über eine Spannungsquelle 5 mit einem wenigstens für die hohen Signalfrequenzen niedrigen Innenwiderstand und einer Spannung von nur einigen Volt, während die Kollektorelektrode c über eine verhältnismäßig hohe Ausgangsimpedanz 6 und eine Speisespannungsquelle 7 mit Erde verbunden ist.

Die Wirkungsweise der Schaltung ist folgende: Der p-n-Übergang zwischen der Zone 1 und dem Halbleiter η wird infolge der Spannungsquelle 5 in der Vorwärtsrichtung betrieben. Dies trifft auch zu für den p-n-Übergang zwischen der Zone 3 und dem Halbleiter η in der Nähe der Zone 2. Infolgedessen fließt ein Signalstrom von der Spannungsquelle V über die Emissionselektrode e, die Zone 1, den Halbleiter n, die Zone 3, den Halbleiter n, die Zone 2 und die Kollektorelektrode c nach der Ausgangsimpedanz 6, wobei eine Spannungsverstärkung erzielt wird, da die Eingangsimpedanz für die Signalquelle V geringer ist als die Impedanz 6. Außerdem wird eine kapazitive Rückwirkung der Ausgangsspannung über die Impedanz 6 durch innere Transistorkapazitäten auf die Signalquelle V und somit eine Erniedrigung der Grenzfrequenz bis welche der Transistor brauchbar ist, verhütet, da

die Zone 3 ein praktisch konstantes Potential (d. h. etwas weniger negativ als das der Elektrode b.₂ gegen Erde) hat, wodurch also praktisch keine schädliche Wirkung der die Rückwirkung bedingenden Transistorkapazität zwischen der Zone 3 und dem Halbleiter η in der Nähe der Zone 1 empfunden wird.

Um den direkten, durch den Halbleiter η von der Elektrode b₁ nach der Elektrode b₂ fließenden

Lo Strom zu beschränken, kann von einem Halbleiter η mit einem im Vergleich zu den üblichen Transistoren höheren spezifischen Widerstand ausgegangen werden. Der üblicherweise begleitende Nachteil, daß infolgedessen auch der Basiswiderstand des Transistors erhöht und somit die Grenzfrequenz der Brauchbarkeit des Transistors erniedrigt-wird, tritt im vorliegenden Fall nicht ein, auch da der bei der Basiselektrode b₂ auftretende Basiswiderstand durch passende Wahl der Span-

ϊο nungsquelle 5 stets niedrig gehalten werden kann, während der bei der Elektrode ^₁ auftretende Basiswiderstand nach dem vorstehenden praktisch keinen Einfluß auf die Grenzfrequenz ausübt. Unter Umständen kann sogar die Verbindung der

a5 Basiselektrode b₁ mit Erde unterbrochen werden, so daß diese Elektrode b_x weggelassen werden kann. Ein anderes Verfahren zur Erhöhung des Widerstandes zwischen den beiden Basiselektroden O₁ und b₂ ist in Fig. 3 dargestellt. Dabei ist eine vierte Zone 4 zwischen den Zonen 1 und 2 gegenüber der dritten Zone angebracht, die üblicherweise kein festes Potential hat, so daß die Durchschnittsoberfläche des Halbleiters η für den Strom von der Basiselektrode ^₁ nach der Basiselektrode b.₂ an der

Stelle der Zone 5 wesentlich verringert ist. Die Zone 4 kann dabei gewünschtenfalls die Zone 3 berühren.

Um die Herstellung der Zone 3 unter Umständen zu erleichtern, kann sie gewünschtenfalls aus zwei gesonderten, elektrisch miteinander verbundenen Zonen bestehen, die gegenüber den Zonen 1 bzw. 2 angebracht sind.

Eine weitere Ausführung, bei der der Strom durch den Halbleiter η von der Basiselektrode b_i nach der Basiselektrode b₂ nur einen geringen Einfluß auf die Transistorwirkung zwischen den Teilen 1-W-3 bzw. 3-W-2 hat, ist in Fig. 4 gezeigt, wobei die drei Zonen 1, 3 und 2 nebeneinander im Transistorelement angebracht sind.

Fig. 5 zeigt eine Abart der Schaltung nach Fig. 2, wobei die Spannungsquelle V in den Kreis der Basiselektrode b_t eingefügt ist, während die Emissionselektrode e mit Erde verbunden ist. Die Wirkungsweise dieser Schaltung ist gleich der der Schaltung nach Fig. 2.

Fig. 6 zeigt eine Abart der Schaltung nach FJg. 2, wobei die Gleichspannungsquelle 5 durch eine Wechselspannungsquelle V₂, z. B. eine impulsförmige oder eine rechteckige Spannung, ersetzt ist. Solange diese Spannung die Elektrode b₂ positiv gegen Erde macht, können die Teile 3-M-2 nicht als Transistor wirken, so daß unabhängig von der Größe der Spannungsquelle V₁ keine Signalspannung an der Ausgangsimpedanz 6 erzeugt wird. Wird jedoch, die Elektrode b₂ gegen Erde negativ, so ergibt sich infolgedessen gleichzeitig die erforderliche Vorspannung für eine gute Transistorwirkung der Teile 1-M-3 und der Teile 3-W-2, so daß- an der Ausgangsimpedanz 6 eine der QUeIIeF₁ entsprechend veränderliche Signalspannung erzeugt wird.

Gegebenenfalls kann die Spannung der Quelle V₂ auf irgendeine Weise von der Quelle V₁ abhängen. Ein Beispiel dieser Anordnung ist die Amplitudengleichrichterschaltung nach Fig. 7, wobei ein Teil der Eingangsspannung V in der einen Phase der Emissionselektrode e und ein Teil in der entgegengesetzten Phase der Basiselektrode b₂ zugeführt wird. Daher fließt nur während der einen Phase der Spannung V der Kollektorelektrode c Strom zu, so daß nach Abflachung mit Hilfe eines Kollektorkondensators 10 an der Ausgangsimpedanz 6 eine der Amplitude der Spannung V entsprechende Spannung erzeugt wird.

Fig. 8 zeigt eine Abart der Schaltung nach Fig. 7 zum Modulieren zweier von den Quellen V₃ bzw. V_i gelieferter Signale. Dabei sind die von der Quelle V₃ stammende, der Emissionselektrode e und der Basiselektrode b₂ zugeführten Spannungen derart eingestellt, daß kein Strom von der Quelle V₃ unmittelbar durch den Kreis der Quelle F₄ fließt, wodurch eine Rückwirkung der Quelle V₃ . auf die Quelle F₄ verhütet wird. Andererseits ist der über die Kollektorelektrode c die für eine Mischfrequenz selektive Ausgangsimpedanz 12 durchfließende Strom von den beiden Quellen 3 und 4 abhängig, so daß an dieser Ausgangsimpedanz 12 eine Mischschwingung erzeugt wird.

Bei all diesen Schaltungen ist es wichtig, daß die Emissions- und/oder einer der Basiskreise des Transistors für die Signalschwingungen entkoppelte Widerstände enthalten, um die eigene Verschiebung des Arbeitspunktes der Schaltung zu verringern. Selbstverständlich kann auch der Erdungspunkt in den dargestellten Schaltungen nach einer anderen Stelle der Schaltung verlegt werden.

Fig. 9 zeigt wieder eine andere Schaltmöglichkeit eines Transistorelements nach der Erfindung, und zwar bei einer Schaltung zur Demodulation eines frequenzmodulierten Signals. Dazu wird dieses Signal über zwei annähernd kritisch gekoppelte Kreise 18 und 20 geführt, wobei eine Anzapfung des Kreises 20 über eine mit dem Kreis 18 fest gekoppelte Induktivität 19 mit der als Emissionselektrode wirksamen Elektrode e' des Transistorelements verbunden ist, während die Enden des Kreises 20 mit den beiden Basiselektroden b_t bzw. b₂ verbunden sind. Auf diese Weise wird an dem Zwischenfrequenzabflachfilter 22 zwischen den als Kollektorelektrode wirksamen Elektroden e und c ein Spannungsunterschied erzeugt, der praktisch proportional zu dem Frequenzhub des Signals im Kreis 18 ist. Ein in den Kreis der Emissionselektrode e' eingefügtes Filter 21 mit hoher Impe-

danz für unerwünschte Amplitudenmodulationen des Signals"dient zum Unterdrücken dieser Amplitudenmodulationen.

Die Erfindung ermöglicht zahllose andere Varianten als die hier angegebenen. Selbstverständlich können in der Zeichnung die n- und /»-Zonen umgewechselt werden, wenn gleichzeitig die Vorzeichen der Speisespannungsquellen umgewechselt werden.

Claims (7)

PaTENTANSPBOGHS:

1. Transistorelement, das aus einem Halbleiter des einen Leitungstyps besteht und in dem Zonen des anderen Leitungstyps vorhanden sind, wobei der Halbleiter ebenso wie mindestens einige der Zonen mit Anschluß elektroden versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei mit Anschluß elektroden versehene Zonen gegenüber einer dritten, mit oder nicht mit einer Anschlußklemme versehenen Zone in je einem Abstand angeordnet sind, der kleiner als die charakteristische Diffusionslänge der Minderheitsladungsträger in dem Halbleiter ist, während der gegenseitige Abstand zwischen der erstell und der zweiten Zone größer ist als diese charakteristische Diffusionslänge.

2. Transistorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter mit zwei in der Nähe der ersten bzw. der zweiten Zone angebrachten Anschluß elektroden versehen ist.

3. Schaltung mit Transistoren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein.

Halbleiter mit hohem spezifischem Widerstand zwischen beiden erwähnten Anschlußelektroden vorgesehen ist und durch passende Wahl der angelegten Spannung der Basiswiderstand klein gehalten wird.

4. Schaltung mit Transistoren nach An-Spruch 2 zur Verstärkung eines elektrischen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalquelle zwischen der mit der ersten Zone und der in der Nähe dieser Zone mit der Masse verbundenen Anschlußelektroden eingeschaltet ist, wobei das verstärkte Signal an der mit der zweiten Zone verbundenen Elektrode erzeugt wird, und daß die in der Nähe dieser zweiten Zone mit dem Halbleiter verbundene Elektrode mit einem Punkt konstanten Potentials verbunden ist (Fig. 2, 5).

5. Schaltung nach Anspruch 4 zum Modulieren des zu verstärkenden, elektrischen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der in der Nähe der zweiten Zone angebrachten, mit dem Halbleiter verbundenen Elektrode zugeführt wird (Fig. 6).

6. Schaltung mit Transistoren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalschwingung in Gegenphase der mit der ersten Zone bzw. der in der Nähe der zweiten Zone mit dem Halbleiter verbundenen Anschlußelektrode zugeführt wird (Fig. 7, 8).

7. Schaltung mit Transistoren nach Anspruch 2 zum Frequenzmodulieren eines elekirischen Signals, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Signal mit einer von der Signalfrequenz abhängigen Phasenverschiebung einer mit der dritten Zone verbundenen Anschlußelektrode bzw. den beiden mit dem Halbleiter verbundenen Anschlußelektroden zugeführt wird, wobei das demodulierte Signal den beiden mit der ersten und der zweiten Zone verbundenen Anschlußelektroden entnommen wird (Fig. 9).

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 833 366;
USA.-Patentschrift Nr. 2 600 500.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

© 609579/404,8.56 (709 671/25 9.57)