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Elektrisch steuerbares Halbleitersystem, z. B. Flächentransistor,
aus einem einkristallinen Halbleiterkörper Die Erfindung betrifft ein elektrisch
steuerbares Halbleitersystem, z. B. Flächentransistor, aus einem einkristallinen
Halbleiterkörper mit elektronen- und defektelektronenleitenden Bereichen, diese
verbindenden pn-Übergängen und ohne Sperrschichtbildung kontaktierenden. Elektroden.
Ein solches System kann als Verstärkerelement verwendet werden. In. dieser Betriebsart
weisen Systeme gemäß der Erfindung besonderen Vorteil auf.
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Bekannte Verstärkerelemente sind sogena,nnte npn-oder pnp-Transistoren,
die sich aus einer n:-leitenden Zone, einer hieran anschließenden schmalen p-leitenden
Zone und wieder einer n-leitenden Zone zusa.mmen:setzen. Diese Flächentransistoren
weisen jedoch eine Stromverstärkung auf, welche durchweg an einen Stromverstärkungsfaktor
kleiner als Eins gebunden ist. Erst durch die Benutzung von besonderen Schaltungen,
z. B. der Emitterbasisschaltung. war es möglich, Flächentransistoren mit einem Eins
übersteigenden effektiven Stroniverstärkungsfaktor zu erhalten. Eine andere Möglichkeit,
um Stromverstärkungsfaktoren größer als Eins auszunutzen, besteht bekanntlich bei
Spitzentransistoren mit einem formierten Kollektor. Diese Transistoregart ist aber
in ihrer Ausgangsleistung besonders gegenüber den Flächentransistoren erheblich
beschränkt.
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Eine bekannte Halbleitervorrichtung zur Erlangung von einem effektiven
Stromverstärkungsfaktor größer als Eins enthält einen Halbleiterkörper aus Germanium,
der eine n- und eine p-leitende Zone sowie einen von diesen Zonen gebildeten pn-Llbergang
aufweist. An jeder Zone ist ein großflächiger Ohmscher Stroma.nschluß vorhanden.
Über diese Kontakte ist an den pn-Übergang eine Gleichspannung in seiner Durchlaßrichtung
angelegt. Die p-leitende Zone ist mit einer Spitzenelektrode versehen, welche über
eine Gleichspannungsquelle und einen Widerstand mit dem Ohmschen Kontakt der p-leitenden
Zone verbunden ist und durch diese eine positive Vorspannung erhält. Eine «eitere
Spitzenelektrode kontaktiert die n-leitende Zone, ist über eine Gleichspannungsquelle
und einen Widerstand mit dem Ohmschen Kontakt der n-leitenden Zone verbunden und
erhält durch diese eine negative Vorspannung. Die Raumladungsschichten an den beiden
Spitzenelektroden sind. also in Sperrichtung beansprucht. Beide Spitzenelektroden
sind in unmittelbarer Nähe des pn-Überganges angeordnet.
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Diese bekannte Anordnung wird als Verstärker betrieben, indem zwischen
den beiden Ohmschen Anschlüssen des pn-Überganges - in Reihe mit der Spannungsquelle,
welche die Vorspannung des pn-Überganges liefert - die Signalquelle gelegt wird.
Die Ausgangsspannung wird an dem Widerstand zwischen Olimschem Anschluß der p-leitenden
Zone und positiv vorgespannter Spitzenelektrode, an dein Widerstand zwischen Ohmschein
Anschluß der ii-leitenden Zone und negativ vorgespannter Spitzenelektrode oder an
beiden Widerständen abgenommen. Die Leistungsfähigkeit dieser Halbleiter-Signalübertragungsvorrichtung
ist jedoch gering. Die gegenseitige Beeinflussung der Ströme durch die beiden Spitzenelektroden
geht nämlich von, den kleinen Sperrströmen. durch diese Kontakte aus. Des weiteren
erfordert die bekannte Anordnung für den stabilen Betrieb, daß einer der beiden
Spitzenkontakte einen Stromverstärkungsfaktor größer als Eins ergibt bzw. einen
sogenannten Hook aufweist. Die gleichmäßige Herstellung solcher Kontakte ist aber
sehr schwierig.
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Es sind ferner Halbleiter-Signalübertragungsvorrichtungen mit einem
Halbleiterkörper bekannt, welche aus einer 1Iehrzahl von abwechselnd n- und p-leitenden
Zonen bestehen. Bei diesen Anordnungen handelt es sich durchweg um eine bloße Vereinigung
von mehreren jeweils drei Zonen enthaltenden Halbleitervorrichtungen. Eine solche
bekannte Anordnung stellt ein Halbleiterkörper mit fünf aufeinanderfolgenden Zonen
und vier von diesen gebildeten pn-Übergängen dar. Diese geht aus zwei Transistoren
vom npn- oder pnp-Tvp hervor, indem die n- bzw. p-Zone des Kollektors des ersten
Transistors als n- bzw. p-Zone des Emittors des zweiten Transistors verwendet und
eine besondere Zone für den Emittor des zweiten Transistors fortgelassen wird. Mit
dieser Ancrdnung können dementsprechend gegenüber dein Transistor mit drei Zonen
zusätzliche Funktionen durchgeführt werden; beispielsweise kann eine nichtlineare
Mischung von zwei Signalen vorgenommen werden.
Gegenstand der Erfindung
ist ein solches elektrisch steuerbares Halbleitersystem, bei welchem erstens der
Halbleiterkörper aufweist: a) einen ersten großflächigen pn-Übergang. der durch
Ziehen des Halbleiterkörpers aus der Elektronen-und Defektelektronenleitung bewirkende
Stoffe enthaltenden Schmelze mit geregelter Wachstumsgeschwindigkeit hergestellt
ist, b) einen gut Elektronen emittierenden und flächeilhaften zweiten pn-Übergang,
der mit dem defektelektronenleitenden Bereich des ersten pn-Überganges in Verbindung
steht, sich in einer Entfernung von der Größenordnung der Diffusionslänge, insbesondere
annähernd einer Diffusionslänge, von dem ersten pn-Übergang befindet und durch Einlegieren.
Eindiffusion oder/und elektrisches oder thermisches Formieren hergestellt ist, und
c) einen gut Defektelektronen emittierenden und flächenhaftenden dritten pn-Übergang,
der mit dem elektronenleitenden Bereich des ersten pn-Überganges in Verbindung stellt,
sich in einer Entfernung von der Größenordnung der Diffusionslänge, insbesondere
annähernd einer Diffusionslänge, von dem ersten pn-Übergang befindet und durch Einlegieren,Eindiffusion
oderlund elektrisches oder thermisches Formieren hergestellt ist, hei welchem zweitens
die die elektroneu- und defektelektronenleitenden Bereiche ohne Sperrschichtbildung
kontaktierenden Elektroden aus anlegierten, aufgedampften oder aufgespritzten Metallen
bestehen und bei «-elchen drittens an die Elektroden. derart gepolte Spannungen
angelegt sind, daß der erste 1 )ii- Übergang in Sperrichtung z3 und die beiden anderen
gtit emittierenden pn-Übergänge in Flußrichtung arbeiten.
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Die Anordnung nach der Erfindung ermöglicht eine hohe Ausgangsleistung
und außerdem die günstige Ausnutzung eines Stromverstärkungsfaktors größer als Eins.
Die Leistungssteigerung der mit dein elektrisch steuerbaren Halbleitersystem zu
bewirkenden Verstärkung kann durch sich gegenseitig fördernde Elektronen- und Defektelektroneninjektion
auf den in Sperrichtung arbeitenden pn-Übergang, der etwa mit dein Kollektor bekannter
Kristallverstärker verglichen werden kann, zurückgeführt werden. Eine Steigerung
der Verstärkungswirkung des elektrisch steuerbaren Halbleitersystems kann nun nach
der Erfindung durch Anordnung von gut injizierenden und in flächenhafter Ausdehnung
sowie in besonders wirksanienl Abstand von dem in Sperrichtung arbeitenden pn-Ü
tiergang vorgesehenen pn-C'1>ergängen erzielt werden, welche durch Einlegieren,
Eindiffusion oder/und elektrisches oder thermisches Formieren hergestellt worden
sind. Weiterhin ist für die vorteilhafte Erhöhung des Verstärkungsgrades des elektrisch
steuerbaren Halbleitersystems gemäß der Erfindung die Mitwirkung von Elektroden
wichtig, welche gemäß der Erfindung die elektroneu- und defektelektroneiileitenden
Bereiche ohne Sperrschichtbildung kontaktieren und aus anlegierten, aufgedampften
oder aufgespritzten 'Metallen bestehen.
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An die die elektroneu- bzw. defektelektrGnenleitenden Bereiche kontaktierenden
Elektroden sind derart gepolte Spannungen angelegt, daß der durch Ziehen des einkristallinen
Halbleiterkörpers mit geregelter Wachstumsgeschwindigkeit hergestellte 1)n-rbergang
in Sperrichtung arbeitet und daß die beiden gut emittierenden und flächenhaften
pn-Übergäiige in Flußrichtung arbeiten. Durch die Wahl der Größe der Vorspannungen
kann auch der Verstärkungsgrad des elektrisch steuerbaren Systems gemäß der Erfindung
beeinflußt werden. Insbesondere kann eine z. B. durch Vorversuch ermittelte Wahl
getroffen werden, welche ein Optimum der Verstärkungswirkung ergibt.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung kann das elektrisch steuerbare
Halbleitersystem auch so ausgebildet sein, daß der gut Elektronen emittierende und
flächenhafte pn-Übergang durch einen ebenfalls flächenhaften, sperrschichtbildend.en
Halbleitermetallkontakt guter Elektronenemissionsfähigkeit oder/und der gut Defektelektronen
emittierende und flächenhafte pn-Überga.ng durch. einen ebenfalls flächenhaften,
sperrschichtbild:enden Halbleitermetallkontakt ersetzt ist und beide Hälbleitermetallkontakte
außerdem als kontal-,tierende Elektroden dienen. Außerdem ist es in weiterer Ausführung
der Erfindung möglich, daß der Halbleiterkörper des elektrisch steuerbaren Halbleitersystems
einen in Sperrichtung betriebenen großflächigen pn-Überga.ng aufweist, der durch
Ziehen des Halbleiterkörpers aus der Schmelze und geregeltes Zugeben von Elektronen-
und Defektelektronenleitung bewirkenden Stoffen hergestellt ist. Eine durch ihre
Einfachheit vorteilhafte Spannungsversorgung des elektrisch steuerbaren Halbleitersystems
ergibt sich, wenn erfindungsgemäß die an die Elektroden angelegten, den Arbeitspunkt
der pn-Übergänge bestimmenden Spannungen, insbesondere durch Span.nungsabgriff,
einer einzigen Spannungsquelle entnommen sind.
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Eine Steuerspanilung bzw. ein Steuerstrom kann günstig an einem einzigen
gut emittierenden pn-Übergang des elektrisch steuerbaren Halbleitersystems zugeführt
und eine gesteuerte Spannung bzw. ein gesteuerter Strom an dem in Sperrichtung arbeitenden
pn-Übergang abgenommen werden.
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Besonders zweckmäßig erfolgt die Zuführung von Steuerspannungen bzw.
Steuerströmen an. beiden gut emittierenden pn-Übergängen, wobei diese Spannungen
bzw. Ströme aus einer einzigen Steuerspannungs- bzw. Steuerstrornquelle abgeleitet
sind. Eine gesteuerte Spannung bzw. ein gesteuerter Strom kann dann an dem in Sperrichtung
arbeitenden pn-Übergang abgenommen werden. Bevorzugt können die Steuerspannungen
bzw. Steuerströme an die beiden gut emittierenden pn-Übergänge mit einer gegenseitigen
Phasenverschiebung zugeführt werden. Im Zusammenhang mit der Zahl der Arbeitspunkte
der beiden gut emittierenden pn7Übergän.ge sowie des Arbeitspunktes des in Sperrichtung
arbeitenden pn-Überganges durch eine entsprechende Wahl der angelegten Vorspannungen
kann durch die Wahl einer z. B. durch Vorversuch ermittelten geeigneten Phasenverschiebung
eine optimale Verstärkung bewirkt werden.
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Das elektrisch steuerbare Halbleitersystem kann weiterhin vorteilhaft
auch zur überlagernden Verstärkung von zwei Steuerspannungen bzw. zwei Steuerströmen
verwendet werden. Hierbei kann man durch das Halbleitersystem entweder die Mischung
von zwei Steuerspannungen bzw. Steuerströmen oder lediglich die gemeinsame Verstärkung
und allschließende Trennung der verstärkten Spannung bzw. Ströme bezwecken. Dieses
Ziel der überlagernden Verstärkung wird zweckmäßig dadurch erreicht, daß der beiden
gut emittierenden pn-Übergängen Steuerspannungen bzw. Steuerströme von unabhängigen
und beispielsweise verschiedenen Steuerspannungen bzw. Steuerstromquellen zugeleitet
werden und eine gesteuerte
Spannung bzw. ein gesteuerter Strom
an dein in Sperrichtung arbeitenden pn-Übergang abgenommen wird.
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Zweckmäßig kann ein elektrisch steuerbares Halbleitersystem aus einem
einkristallinen Germaniumkörper bestehen, welcher einen gut Elektronen emittierenden,
flächenhaften und durch Einlegieren, Eindiffusion oder Anschmelzen von Antimon hergestellten
pn-Übergang, einen gut Defektelektronen emittierenden, flächenhaften und durch Einlegieren,
Eindiffusion oder Anschmelzen von Iridium hergestellten pn-Übergang aufweist. Dieser
Germaniumkörper kann außerdem vorteilhaft mit einem großflächigen und in Sperrichtung
betriebenen pn-Übergang versehen sein, der durch Ziehen aus der Antimon und Iridium
oder Gallium enthaltenden. Germaniumschrnelze hergestellt ist. Besonders günstig
ist ein hohes Sperrvermögen des durch Ziehen mit geregelter Wachstumsgeschwindigkeit
hergestellten pn-Ü berganges. Eine zweckmäßige Ausführung des elektrisch steuerbaren
Halbleitersystems kann mit einem Halbleiterkörper aus Germanium erhalten werden,
der einen großflächigen und in Sperrichtung betriebenen pn-Übergang aufweist, welcher
günstig durch Ziehen des Halbleiterkörpers aus einer Arsen und Iridium oder Gallium
enthaltenden Schmelze mit geregelter Wachstumsgeschwindigkeit hergestellt worden
ist. Ferner ist es möglich, den in Sperrichtung beanspruchten pn-Übergang mit etwas
anderen günstigen Eigenschaften zu versehen, indem dieser durch Ziehen aus der Schmelze
und geregeltes Zugeben von Arsen und Iridium oder Gallium hergestellt wird.
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Eine andere vorteilhafte Ausführung des elektrisch steuerbaren. Halbleitersystems
weist einen Halbleiterkörper aus Germanium, einen durch Anlegieren einer Blei-Antimon-Legierung
hergestellten, gut Elektronen emittierenden pn-Übergang und einen durch Anlegieren
einer Gold-Gallium-Legierung hergestellten gut Defektelektronen emittierenden pn-Übergang
auf.
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Ein elektrisch steuerbares Halbleitersystem hoher Wirksamkeit kann
andererseits einen Halbleiterkörper aus Silizium enthalten, der einen durch Ziehen
des Siliziumkörpers aus der mit Aluminium und Antimon versehenen Schmelze mit geregelter
Wachstumsgeschwindigkeit hergestellten pn-Übergang aufweist. Als Elektroden. des
elektrisch steuerbaren Halbleitersystems können beispielsweise sperrschichtbildende
und eine Sperrschichtbildung verhindernde Metalle aufgedampft werden, während die
übrigen Merkmale gegenüber dem Germanium-Ausführungsbeispiel unverändert oder nur
durch Äquivalente abgewandelt sind.
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Weiterhin kann das elektrisch steuerbare Halbleitersystem gemäß der
Erfindung aus einem einkristallinen Halbleiterkörper aus einer halbleitenden Verbindung,
insbesondere einer intermeta,llischen Verbindung oder einer Verbindung aus Elementen
der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente, oder einer Legierung
aus Silizium und Germanium bestehen sowie aus den Halbleiterkörper kontaktierenden
Elektroden, welche diesen: Halbleiterkörper je nach ihrer Funktion ohne unter der
Sperrschichtbildung kontaktieren; die übrigen Merkmale können gegenüber dem Germanium-Ausführungsbeispiel
unverändert oder nur durch Äquivalente abgewandelt sein.
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Der weiteren Erläuterung der Erfindung kann die Figur dienen, in welcher
in zum Teil schematischer Darstellung ein Beispiel eines elektrisch steuerbaren
Halbleitersystems gemäß der Erfindung gezeichnet ist.
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Der Halbleiterkörper 1 kann aus einkristallinem Germanium bestehen,
das aus der beispielsweise Antimon und Iridium oder Gallium enthaltenden Schmelze
gezogen wurde. Durch Ziehen mit geregelter Wachstumsgeschwindigkeit kann zweckmäßig
der defektelektronenleitende Bereich. 4 und der elektronenleitende Bereich 6 soEvie
der an der Grenze dieser beiden Bereiche liegende großflächige pn-Übergang 2, insbesondere
mit einem hohen Sperrvermögen, erzeugt werden. Der einen. großflächigen und durch
die Herstellung gekennzeichneten pn-Übergang 2 aufweisende Halbleiterkörper 1 aus
Germanium besitzt weiterhin einen flächenhaften und gut Elektronen emittierenden
pn-tTbergang 3, der mit dem defektelektronenleitenden Bereich 4 derart in Verbindung
steht, daß er sich von dem pn-Übergang 2 in einer Entfernung von der Größenordnung
der Diffusionslänge, insbesondere annähernd einer Diffusionslänge, befindet. Dieser
pn-Übergang 3 kann zweckmäßig durch. z. B. elektrisches Formieren nach Anbringen
einer Antimonelektrode, also beispielsweise mittels einer Umwandlung des äußeren
Teiles des defektelektronenleitenden Bereiches 4 in einen elektronenleitenden Bereich
7 gebildet worden sein.
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Außerdem enthält der Halbleiterkörper 1 aus Germanium einen flächenhaften
und gut Defektelektronen emittierenden pn-Übergang 5, der mit dem elektronenleitenden.
Bereich, 6 derart in Verbindung steht, daß er sich von dem pn-Übergang 2 in einer
Entfernung von der Größenordnung der Diffusionslänge, insbesondere annähernd einer
Diffusionslänge, befindet. Dieser pn:-Übergang 5 kann beispielsweise ebenfalls durch
elektrisches Formieren, aber mittels einer Indiumelektrode, also durch die Erzeugung
eines defektelektronenleitenden Bereiches 9, hergestellt worden sein. Alle elektronen-
bzw. defektelektronenleitenden Bereiche 4, 6, 7 und 9 werden ohne Sperrschichtbildung
von beispielsweise aaslegierten Antimon- bzw. Indiumelektroden 8 und 11 bzw. 10
und 12 kontaktiert.
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Die Antimonelektrode 8 wird in dem Ausführungsbeispiel mit dem negativen
Pol einer Batterie 13 verbunden, deren positiver Pol an die Indiumelektrode 12 angeschlossen
ist. In Reihe mit der Batterie 13 befindet sich der Eingang 14 einer z. B. aus einer
einzigen Spannungsquelle abgeleiteten Steuerspannung. Symmetrisch zu diesem Eingangskreis
7-3-4-12-13-14-8 wird die Indiumelektrode 10 mit dem positiven Pol einer Batterie
15 und die Antimonelektrode 11 mit dem negativen Pol der Batterie 15 verbunden.
In Reihe mit der Batterie 15 ist der Eingang 16 angeordnet, welcher eine zweite
aus einer einzigen Steuerspann.ungsquelle abgeleitete, insbesondere eine mit einer
Phasenverschiebung gegenüber der ersteren abgeleitete Steuerspannung aufnimmt.
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Über die Elektroden 11 und 12 wird mittels der Batterie 17 der pn-Übergang
2 in Sperrichtung vorgespannt. Dieser Ausgangskreis 4-2-6-11-17-18-12 enthält als
Ausgang beispielsweise einen Lastwiderstand 18.
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Bei diesem elektrisch steuerbaren Halbleitersystem gemäß der Erfindung
erhält der in Sperrichtung insbesondere hoch vorgespannte pn-Übergang 2 den durch
den pn-Übergang 3 emittierten Elektronenstrom und den von dem pn-Übergang 5 emittierten
Defektelektronenstrom in maximaler Stärke, und zwar durch die Steuerspannung der
Eingänge 14 und 16 in ihrer Stärke moduliert. Die gemeinsame Beeinflussung des
p
n- -C Tberganges 2 und die gegenseitige Wechselwirkung von Elektronen- und Defektelektronenstrom
haben eine vorteilhafte Steigerung der Steuerung des Stromes des den pn-Übergang
2 enthaltenden Ausgangskreises 4-2-6-11-17-18-12 zur Wirkung.