DE1060498B

DE1060498B - Transistor with partially falling characteristics for switching with short jump times

Info

Publication number: DE1060498B
Application number: DED21198A
Authority: DE
Inventors: Phil Nat Waldemar Von Muenc Dr; Dr Phil Helmut Salow
Original assignee: Deutsche Telekom AG
Current assignee: Deutsche Telekom AG
Priority date: 1955-09-01
Filing date: 1955-09-01
Publication date: 1959-07-02

Description

Transistor mit teilweise fallender Charakteristik zum Schalten mit kurzen Sprungzeiten Die Erfindung hat einen Transistor mit teilweise fallender Charakteristik zum Schalten mit kurzen Sprungzeiten und mit flächenhaften pn-Übergängen am Emitter und Kollektor zum Gegenstand.Transistor with partially falling characteristics for switching with short jump times The invention has a transistor with partially falling characteristics for switching with short jump times and with extensive pn junctions on the emitter and collector to the object.

In der Schalttechnik sind eine Anzahl instabiler Halbleiterbauelemente bekannt, z. B. der Spitzentransistor, die Kombination von n-p-n und p-n-p-Transistoren und die Doppelbasisdiode. Diese Anordnungen haben für technische Anwendungszwecke verschiedene Nachteile. Der Spitzentransistor ist in seiner Sperrkennlinie für Schaltzwecke nicht hochohmig genug. Die Transistorkombination bedeutet für einen einfachen Schaltvorgang einen beträchtlichen Aufwand, zumal zur Erreichung von Schaltzeiten von einer Mikrosekunde und darunter ausgesproch.ene Hochfrequenztransist#iren verwendet werden müssen.There are a number of unstable semiconductor components in switching technology known, e.g. B. the tip transistor, the combination of n-p-n and p-n-p transistors and the double base diode. These arrangements are for technical purposes various disadvantages. The blocking characteristic of the tip transistor is for switching purposes not high-resistance enough. The transistor combination means for a simple switching process a considerable effort, especially to achieve switching times of one microsecond and among them pronounced high-frequency transistors must be used.

Bei der Doppelbasisdiode geht von einem sperrfreien Basiskontakt ein Strom von Mehrheitsladungsträgern aus, der von einem zweiten sperrfreien Kontakt aufgenommen wird. Da die beiden Basiskontakte an den gegenüberliegenden Enden eines Halbleiterstäbchens angeordnet sind, erzeugt der Mehrheitsladungsträgerstrom im Halblei:2rstab ein linear ansteigendes Potential. In der Mitte des Stäbchens ist eine Emitterelektrode angebracht, über die durch ein Signal Minderheitsladungsträger in das Halbleiterstäbchen injiziert werden. Hierdurch wird das vor dem Emitter durch den Mehrheitsladungsträgerstrom geschaffene Potential abgesenkt, was seinerseits wiederum eine erhöhte Injektion von Minderheitsladungsträgern zur Folge hat, die das Potential weiter absenkt. Auf Grund dieser sich wechselseitig verstärkenden Vorgänge wird die Doppelbasisdiode instabil und läßt sich für Schaltzwecke ausnutzen. Die Doppelbasisdiode liefert jedoch verhältnismäßig niedrige Schaltfrequenzen und kann außerdem nur kleine Leistungen schalten.The double base diode comes in from a non-blocking base contact Current from majority carriers, from a second non-blocking contact is recorded. Since the two base contacts are on opposite ends of one Semiconductor rods are arranged, generates the majority charge carrier current in Semi-conductor: a linearly increasing potential. In the middle of the chopstick is an emitter electrode is attached, via which a signal carries minority charge carriers are injected into the semiconductor rod. This will make it through in front of the emitter the potential created by the majority charge carrier current is lowered, which in turn in turn results in an increased injection of minority charge carriers, which the potential further lowers. Because of this mutually reinforcing Processes, the double base diode becomes unstable and can be used for switching purposes. However, the double base diode provides relatively low switching frequencies and can also only switch small loads.

Die Erfindung geht ebenfalls von einer Anordnung aus, bei der ein Strom von Mehrheitsladungsträgern vor einem Emitter ein Potential erzeugt und dadurch die Injektion von Minderheitsladungsträgern am Emitter vermehrt wird. Die Erfindung unterscheidet sich von den bekannten, auf diesem Prinzip basierenden Halbleiteranordnungen dadurch, daß der Strom von MehrheitsIadungsträgern mehr als das Zehnfache des Sättigungsitroms des Kollektors beträgt, jedoch klein gegenüber dem im Flußzustand fließenden Strom ist, und daß der Mehrheitsladungsträgerstrom vom Kollektor selbst oder von einer dem Kollektor unmittelbar benachbarten, wenigstens annähernd auf Kollektorpotential liegenden sperrfreien Hilfselektrode zur Basiselektrode fließt, so daß zwischen dem Emitter und dem Kollektor ein die Minderheitsladungsträger in Richtung vom Emitter zum Kollektor beschleunigendes elektrisches Zugfeld besteht.The invention is also based on an arrangement in which a Current of majority charge carriers in front of an emitter generates a potential and thereby the injection of minority charge carriers at the emitter is increased. The invention differs from the known semiconductor arrangements based on this principle in that the current of majority carriers is more than ten times the saturation current of the collector is, however, small compared to the current flowing in the flow state is, and that the majority carrier current from the collector itself or from a immediately adjacent to the collector, at least approximately at collector potential lying non-blocking auxiliary electrode flows to the base electrode, so that between the emitter and the collector, the minority charge carriers in the direction of the emitter there is an electric tension field accelerating towards the collector.

Es sei bemerkt, daß in jedem normal vorgespannten Transistor ein sehr kleiner Sättigungsstrom von Mehrheitsladungsträgern vom Kollektor ausgeht. Hier handelt es sich jedoch um eine unerwünschte und für die Funktion des normalen Transistors nebensächliche Begleiterscheinung, weswegen man diesen Leckstrom möglichst klein zu halten versucht, während bei der Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung dieser Strom mindestens das Zehnfache des Sättigungsstromes eines gesperrten Kollektors betragen soll.It should be noted that in any normally biased transistor there is a very small saturation current of majority charge carriers emanates from the collector. here However, it is an undesirable one for the functioning of the normal transistor incidental side effect, which is why this leakage current is as small as possible tries to keep, while in the semiconductor device according to the invention this Current at least ten times the saturation current of a blocked collector should be.

Weiter sei erwähnt, daß bereits Transistoren mit zwei sperrfreien Basiskontakten bekanntgeworden sind, über die ein Strom von Mehrheitsladungsträgern senkrecht zur Bewegungsrichtung der vom Emitter ausgehenden Minderheitsladungsträger im Halbleiter fließt. Bei diesen Anordnungen, die im übrigen lediglich zur Verstärkungsregelung und Heraufsetzung der Grenzfrequenz, nicht als Schaltelement mit teilweise negativer Charakteristik angewendet werden, existiert kein die Minderheitsladungsträger beschleunigendes Zugfeld. Durch die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung werden gegenüber der Doppelbasisdiode und ihren Abwandlungen wesentlich größere Schaltleistungen und Schaltfrequenzen erzielt. Die Schaltleistungen sind deswegen höher, weil im Flußzustand nicht nur eine sperrfreie kontaktierte Elektrode wie bei der Doppelbasisdiode, die wegen des dauernd fließenden Mehrheitsladungsstromes notwendigerweise keine große Leistung übertragen kann., sondern der gesamte Kollektor zur Stromaufnahme zur Verfügung steht. Die höheren Schaltfrequenzen ergeben sich durch die geometrische Anordnung und durch das vom Mehrheitsladungsträgerstrom hervorgerufene Zugfeld.It should also be mentioned that already transistors with two non-blocking Basic contacts have become known through which a stream of majority carriers perpendicular to the direction of movement of the minority charge carriers emanating from the emitter flows in the semiconductor. In these arrangements, the rest only for gain control and increasing the cut-off frequency, not as a switching element with partially negative Characteristic are applied, there is no accelerating the minority carriers Zugfeld. By the semiconductor arrangement according to the invention compared to the Double base diode and its modifications have significantly greater switching capacities and Switching frequencies achieved. The switching capacities are higher because they are in the flow state not just a non-blocking, contacted electrode as in the case of the double-base diode, the necessarily because of the constantly flowing majority charge current no can transmit large power., but the entire collector for power consumption is available. The higher switching frequencies result from the geometric Arrangement and by the tensile field caused by the majority charge carrier flow.

Die Wirkungsweise des Transistors gemäß der Erfindung mit teilweise fallender Charakteristik wird an Hand zweier schematischer Darstellungen nachstehend näher beschrieben.The operation of the transistor according to the invention with partial falling characteristic is shown below on the basis of two schematic representations described in more detail.

Abb. 1 zeigt eine Ausführungsform des Transistors in zwei Ansichten; Abb.2a zeigt den Potentialverlauf zwischen den Elektroden eines Transistors herkömmlicher Bauart; Abb.2b zeigt demgegenüber die Wirkung des Basisstromes auf den Potentialverlauf bei dem Transistor nach der Erfindung; Abb. 2 c zeigt an Hand eines Ersatzschaltbildes die Widerstände, die der Basisstrom zwischen Hilfselektrode und Sperrpotential sowie zwischen Sperrpotential und Basiselektrode überwinden muß.Fig. 1 shows an embodiment of the transistor in two views; Fig.2a shows the potential profile between the electrodes of a conventional transistor Design type; In contrast, Fig.2b shows the effect of the base current on the potential curve in the transistor according to the invention; Fig. 2 c shows an equivalent circuit diagram the resistances that the base current between auxiliary electrode and blocking potential as well must overcome between blocking potential and base electrode.

Die Vorzeichen der Potentiale von E, C und C' sind positiv gegen B zu nehmen, falls die Basiszone aus p-leitendem Material besteht. Bei n-leitendem Material kehren sich die Vorzeichen entsprechend um.The signs of the potentials of E, C and C 'are positive compared to B. to take if the base zone consists of p-type material. With n-conducting Material reverse the signs accordingly.

Der technischen Lehre der Erfindung liegt folgende Überlegung zugrunde: In einem normalen Transistor, dessen Emitter und Kollektor in Sperrichtung vorgespannt sind, ist das vor dem Emitter liegende Potential U12 in der Basiszone praktisch übereinstimmend mit dem Potential an der Basiselektrode. Sobald aber ein merklicher Mehrheitsladungsträgerstrom, der z. B. von einer Hilfselektrode C' ausgehen möge, in der Basiszone fließt, wird dieses Potential bestimmt durch das Widerstandsverhältnis R1/R2, wobei R1 und R2 diejenigen Widerstände sind, die der Mehrheitsladungsträgerstrom einerseits zwischen Hilfselektrode und dem vor dem Emitter liegenden Potential, andererseits zwischen diesem Potential und der Basiselektrode vorfindet. Das vor dem Emitter liegende Potential wird also in Richtung auf das Kollektorpotential angehoben, falls die Hilfselektrode ein dem Kollektor benachbartes Potential enthält.The technical teaching of the invention is based on the following consideration: In a normal transistor, its emitter and collector are reverse biased the potential U12 in front of the emitter in the base zone is practical coincides with the potential on the base electrode. But as soon as a noticeable one Majority carrier current, the z. B. assume an auxiliary electrode C ', flows in the base zone, this potential is determined by the resistance ratio R1 / R2, where R1 and R2 are the resistances that make up the majority charge carrier current on the one hand between the auxiliary electrode and the potential in front of the emitter, on the other hand found between this potential and the base electrode. That before The potential lying around the emitter is thus in the direction of the collector potential raised if the auxiliary electrode contains a potential adjacent to the collector.

Wenn nun durch ein kleines Signal an E oder B eine Injektion von Elektronen in die p-leitende Basis erzeugt wird, so können die injizierten Elektronen nicht zur Basis B abfließen. Sie strömen zu den Elektroden C' und/oder C. Dadurch wird aber der Widerstand R1 beträchtlich durch Ladungsträgervermehrung herabgesetzt. Dieser Effekt ist bei hochohmigem Halbleitermaterial besonders stark. Da U12 durch das Widerstandsverhältnis von R,/R, bestimmt wird, muß es ein positiveres Potential annehmen und damit die Injektion des Emitters vermehren. Damit ist die Instabilität des Transistors eingeleitet. Der Emitter bleibt nunmehr dauernd im Zustand der Emission; der Transistor ist niederohmig (leitend) geworden. Durch ein Signal umgekehrter Polarität kann der ursprüngliche sperrende Zustand wiederhergestellt werden.If now by a small signal at E or B an injection of electrons is generated in the p-type base, the injected electrons cannot drain to base B. They flow to the electrodes C 'and / or C. This becomes but the resistance R1 is considerably reduced by the increase in charge carriers. This effect is particularly strong with high-resistance semiconductor material. Since U12 through The resistance ratio of R, / R, is determined, it must have a more positive potential accept and thus increase the injection of the emitter. That’s the instability of the transistor initiated. The emitter now remains permanently in the state of emission; the transistor has become low-resistance (conductive). Reverse by a signal Polarity can be restored to the original blocking state.

Der Mehrheitsladungsträgerstrom hat gemäß der Erfindung zusätzlich die Aufgabe, ein Potentialgefälle in die Basiszone von E nach C bzw. C' zu tragen. Durch diese Feldwirkung werden die Elektronen sehr schnell vom Emitter E zum Kollektor C getrieben. Während in einem normalen mit Diffusion der Ladungsträger arbeitenden Transistor mit einer Basisdicke von 401, z. B. Diffusionszeiten von etwa 10-5 Sekunden entstehen, treten in dem beschriebenen Transistor bei gleicher Basisdicke Sprungzeiten kleiner als 10-7 Sekunden auf. Es tritt also durch die Einführung eines vom Kollektor oder einer unmittelbar dem Kollektor benachbarten Hilfselektrode ausgehenden Mehrheitsladungsträgerstromes nach der Erfindung eine Verkürzung der Schaltzeiten auf weniger als den hundertsten Teil ein.According to the invention, the majority charge carrier current also has the task of carrying a potential gradient in the base zone from E to C or C '. This field effect causes the electrons to move very quickly from the emitter E to the collector C driven. While in a normal working with diffusion of the charge carriers Transistor with a base thickness of 401, e.g. B. Diffusion times of about 10-5 seconds arise, jump times occur in the transistor described with the same base thickness less than 10-7 seconds. So it occurs by introducing one from the collector or a majority charge carrier current emanating directly from the auxiliary electrode adjacent to the collector according to the invention a shortening of the switching times to less than the hundredth Part a.

Die Hilfselektrode C' kann aus einem sperrfreien Flächenkontakt oder aus einem Spitzenkontakt in der Nähe des Kollektors bestehen. Gemäß vorteilhafter Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird die Hilfselektrode C' als Spitze ausgebildet.The auxiliary electrode C 'can consist of a barrier-free surface contact or consist of a tip contact near the collector. According to more advantageous In a further development of the inventive concept, the auxiliary electrode C 'is designed as a tip.

Nach weiterer Ausbildung der Erfindung wird die Hilfselektrode C' auf der der Basiselektrode B abgewandten Seite des Kollektors C angeordnet.According to a further development of the invention, the auxiliary electrode C ' arranged on the side of the collector C facing away from the base electrode B.

In vielen Fällen ist es möglich, den an sich vorhandenen geringen Leckstrom durch einfache Formierungsmaßnahmen auf die gewünschte Größe zu bringen. Nach einer Fortbildung des Erfindungsgedankens genügt es dann, den Kollektor so zu formieren, daß der Leckstrom mehr als das Zehnfache seines Sättigungsstromes beträgt. Dann kann der vom Kollektor C ausgehende Leckstrom als Mehrheitsladungsträgerstrom verwendet werden, und die Hilfselektrode C' kann wegfallen Vorteilhaft wird man die Basiszone aus einem hochohmigen p- oder n-leitenden Halbleitermaterial ausführen.In many cases it is possible to reduce the actually existing small Bring leakage current to the desired size by simple formation measures. After a further development of the inventive idea, it is then sufficient to set the collector like this to form that the leakage current is more than ten times its saturation current amounts to. The leakage current emanating from the collector C can then be used as the majority charge carrier current can be used, and the auxiliary electrode C 'can be omitted execute the base zone from a high-resistance p- or n-conducting semiconductor material.

Wie bereits erwähnt, erzeugt bei einem Transistor nach der Erfindung der Mehrheitsladungsträgerstrom vor dem Emitter E ein Potential, das durch das Widerstandsverhältnis R1/R2 bestimmt wird. R1 und R2 sind dabei diejenigen Widerstände, die der Mehrheitsladungsträgerstrom einerseits zwischen dem Eintrittspunkt an der Hilfselektrode bzw. dem Kollektor und dem Potential und andererseits zwischen dem Potential und der Basiselektrode vorfindet. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird das Widerstandsverhältnis R1/R2 durch geeignete Geometrie der Elektroden größer als 1 gemacht.As already mentioned, generated in a transistor according to the invention the majority charge carrier current in front of the emitter E has a potential which is determined by the resistance ratio R1 / R2 is determined. R1 and R2 are those resistors that control the majority charge carrier current on the one hand between the entry point on the auxiliary electrode or the collector and the potential and on the other hand between the potential and the base electrode finds. According to an advantageous embodiment of the invention, the resistance ratio R1 / R2 made larger than 1 by suitable geometry of the electrodes.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Transistor with partially falling characteristics for switching with short jump times and with extensive pn junctions on the emitter and collector, in which a stream of majority charge carriers is in front of the emitter Potential generated and thereby the injection of minority charge carriers at the emitter is increased, characterized in that the stream of majority charge carriers more than ten times the saturation current of the collector, but small compared to the current flowing in the flow state, and that the majority charge carrier current from the collector (C) itself or from one directly adjacent to the collector, non-blocking auxiliary electrode lying at least approximately at collector potential (C ') flows to the base electrode so that between the emitter (E) and the collector (C) on the minority charge carriers in the direction from the emitter (E) to the collector (C) accelerating electrical tension field exists.

2. Transistor according to claim 1, characterized characterized in that the auxiliary electrode is designed as a tip.

3. transistor according to claim 1 and 2, characterized in that the auxiliary electrode (C ') on the the base electrode (B) facing away from the collector side.

4. transistor according to claim 1, characterized in that the collector is shaped so that the leakage current is more than ten times its saturation current. 5. transistor according to claim 1 or one of the following, characterized in that the base zone consists of high-resistance p- or n-conducting semiconductor material. 6. transistor after Claim 1 or one of the following claims, characterized in that the majority charge carrier current a potential generated in front of the emitter, which is determined by a resistance ratio Ri / R2 is determined, and R1 and R2 are the resistances that the majority carrier current on the one hand between the entry point on the auxiliary electrode or the collector and the potential and on the other hand between the potential and the base electrode finds. 7. Transistor according to claim 6, characterized in that the resistance ratio Ri / R2 is selected to be greater than 1 through a suitable geometry of the electrodes. Into consideration Extracted publications: Zeitschrift für Elektrochemie, Vol. 58, 1954, No.

5, p.292 and 318; Rost, Kristallode technology, 1954, Berlin, p.109; R. F. Shea, Principles of transistor circuits, 1953, chap. 21, pp. 453 to 484.