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Transistor mit einem Halbleiterkörper mit einer P- und einer N-Zone,
die sich in einem PN-Ubergang berühren, und mit einem Hook-Kollektor Es wurde bereits
ein Transistor vorgeschlagen, welcher aus einem halbleitenden Körper besteht, der
eine als Emitter benutzte Übergangsfläche zwischen Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit
hat, dessen eine Basiseingangselektrode an eine der beiden Zonen und dessen eine
Punktkontakt-Kollektorelektrode an dieselbe Zone wie die Basis angeschlossen ist.
Eine besondere Ausführungsform dieses Transistors läßt sich in einem bistabilen
Stromkreis derart verwenden, daß die bistabilen Effekte durch eine eigene innere
Rückkopplung an der Punktkontakt-Kollektorelektrode erreicht werden. Der erwähnte
Transistor hat eine sehr große Eigenstromverstärkung an der Kollektorelektrode und
vermag beträchtliche Ströme bei geringen Energieverlusten zu führen.
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In dem Artikel »PN Junction Transistors« wird von Shockley, Sparks
und Teal im Bd.83. Nr. 1, der Physical Review vom 1. 7. 1951, S. 151 bis 162, und
insbesondere in dem Abschnitt VII (B) unter dem Titel »Hook Collector in PNPN-Transistor«
ein Schichttransistor beschrieben, der dem allgemein bekannten PNP-Schichttransistor
ähnelt, jedoch einen Kollektor in Form einer weiteren, mit »PN-Hook« bezeichneten
Berührungsfläche zwischen Zonen entgegengesetzter Leitfähigkeit hat.
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Ein solcher PN-Hook hat einen hohen Eigenstromverstärkungsfaktor und
auch eine höhere Kapazität als der übliche Punktkontakt.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in der Verbesserung
des Transistors nach dem erwähnten älteren Vorschlag, und zwar insbesondere in der
Weise, daß sein Sperrwiderstand im AUS-Zustand höher, sein Durchlaßwiderstand im
Sättigungszustand niedriger und die Eigenstromverstärkung größer ist.
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Der Transistor nach der Erfindung hat den Vorteil der großen Zuverlässigkeit,
d. h. einer sehr weitgehenden Übereinstimmung zwischen einzelnen Transistoren, und
den Vorteil der kleineren Veränderungen der Kennlinien bei Änderungen von Zeit und
Temperatur.
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Für einen Transistor mit einem Halbleiterkörper mit einer P- und einer
N-Zone, die sich in einem PN-Übergang berühren, und mit einem Hook-Kollektor besteht
danach die Erfindung darin, daß auf den beiden freien gegenüberliegenden Oberflächen
der beiden Zonen je ein kleinerer Bereich von Halbleitermaterial mit entgegengesetztem
Leitfähigkeitstyp so einlegiert ist, daß benachbarte PN-Übergänge einen Abstand
gleich öder kleiner als die Diffusionslänge für die mittlere Lebensdauer der Minoritätsträger
haben und daß ohmsche Elektroden an den kleineren Halbleiterbereichen und an einer
Zone des Halbleiterkörpers angebracht sind. In der belgischen Patentschrift 495
936 ist in Fig.8 ein Flächentransistor mit einem Halbleiterkörper mit einer P- und
einer N-Zone, die sich in einem PN-Übergang berühren, und mit je einer Spitzenelektrode
auf den beiden freien gegenüberliegenden Oberflächen der beiden Zonen gezeigt. Der
dort unter jeder Spitzenelektrode schraffiert eingezeichnete Bereich soll jedoch
lediglich die Ausbreitung von Raumladungen andeuten und stellt nicht je einen kleinen
Bereich von -Halbleitermaterial von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp dar.
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Bei dem Transistor nach der Erfindung mit einem einzigen Körper aus
Halbleitermaterial sind die Bereiche entgegengesetzter Leitfähigkeit komplementär
symmetrisch und die Klemmen so angeordnet, daß der Transistor in Schaltungen eingebaut
werden kann, für die üblicherweise entweder ein NPN- oder ein PNP-Transistor nötig
wäre. Die eine Zone an der die ohmsche Elektrode angebracht ist, kann dann als Basis
des Transistors dienen. Der benachbarte Endbereich dient als Emitterzone und der
andere Endbereich als Kollektorzone.
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Durch Herstellung ohmscher Elektroden an beiden Mittelzonen kann der
Transistor entweder als NPN-oder als PNP-Schichttransistor verwendet werden.
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Es werden hier mehrere Verfahren zur Herstellung eines solchen Transistors
gemäß der Erfindung beschrieben. Nach einem besonders vorteilhaften Verfahren
wird
ein Kristall aus Halbleitermaterial mit drei Bereichen abwechselnd entgegengesetzter
Leitfähigkeit gezüchtet, bei dem der Mittelbereich die benötigte Dicke hat. Danach
werden die Endbereiche abgeschliffen, um deren Dicke auf das erforderliche geringe
Maß zu bringen, wonach ein vierter Bereich entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps
in den abgeschliffenen, Bereich einlegiert wird.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung und den Zeichnungen. Die Erfindung sei nachstehend an Hand
dieser Zeichnungen für einige beispielsweise Ausführungsformen näher erläutert.
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Fig.1 ist eine schematische Darstellung eines NPN-Schichttransistor,
aus dem ein Transistor gemäß der Erfindung gebildet werden kann; F ig. 2 ist eine
schematische Darstellung ähnlich Fig. 1 und zeigt einen Transistor mit einer Verkleinerung
der Dicken der Zonen nach einem der Endbereiche zu; Fig.3 zeigt den Transistor nach
einem weiteren Bearbeitungsvorgang; Fig.4 ist ein Schaltschema für einen Transistor
nach der Erfindung; Fig. 5 ist eine grafische Darstellung der Kennlinien des Transistors
nach Fig. 4; Fig. 6 ist ein Schema einer anderen Schaltung für die Verwendung des
Transistors nach der Erfindung; Fig. 7 ist eine grafische Darstellung der Kennlinien
der Schaltung nach Fig. 6; Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer anderen
Form eines nach der Erfindung hergestellten Transistorkörpers.
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Die Fig. 1 zeigt schematisch einen herkömmlichen NPN-Schichttransistorkörper
1 mit einem dünnen Mittel-P-Bereich 2, dessen Dicke im wesentlichen gleich oder
kleiner als die Diffusionslänge für die durchschnitliche Lebensdauer der Minoritätsträger
in dem betreffenden P-Bereich ist. Bei den gewöhnlich verwendeten Materialien muß
die Dicke des P-Bereiches 0,002 cm oder weniger betragen. Es ist üblich, NPN-Transistorkörper
mit mittleren P-Bereichen solcher Abmessungen nach den bekannten Verfahren herzustellen.
Der Körper 1 hat außerdem an jedem Ende N-Bereiche 3 und 4, deren Dicke nicht kritisch
ist.
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Fig.2 zeigt den Transistorkörper 1 nach einer weiteren Bearbeitung,
und zwar ist sein Endbereich 3 etwa auf dieselbe Dicke wie die des P-Bereiches 2
abgeschliffen worden. Vor dem Abschleifen kann der Transistorkörper mit einer der
an sich bekannten Ätzlösungen geätzt werden, z. B. mit einer Kombination von Azetylsäure,
Salpetersäure, Fluorwasserstoffsäure, Brom und Wasser, um die N- und P-Bereiche
sichtbar zu machen, damit der Schleifvorgang genau gesteuert werden kann, so daß
der N-Bereich 3 die erforderliche Dicke erhält. Vorzugsweise wird, der Bereich 3
auf etwa 0,013 cm abgeschliffen.
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Fig. 3 zeigt den Transistorkörper 1 nach einem weiteren Bearbeitungsvorgang,
in dem ein kleiner P-Bereich 5 nach einem der bekannten Legierungsverfahren in den
Endbereich 3 hineinlegiert wird. Es wird z. B. ein Draht 6, bestehend aus Gold mit
Indium als Verunreinigung, falls ein P-Bereich gebildet werden soll, in Kontakt
mit dem N-Bereich gebracht und an diesen angeschweißt durch Hindurchleiten eines
genügend starken Stromes durch 1. Dabei wird der P-Bereich 5 durch feste Diffusion
der Verunreinigung und durch Wärme und Stromfluß gebildet. Dann werden, z. B. durch
Löten, die Drähte 7 und 8 am IN-Bereich 3 bzw. am P-Bereich 2 befestigt. Die Grundfläche
des N-Bereiches 4 ist an einen großen Tragblock 9 aus elektrisch leitendem Material
angelötet, an welchen ein Zuführungsdraht 10 angeschlossen ist. Die Legierung des
P-Bereiches 5 wird so gesteuert, da.ß der Abstand zwischen dem P-Bereich 5 und dem
P-Bereich 2 etwa 0,002 cm wird, d. h. im wesentlichen nicht größer als die Diffusionslänge
für die durchschnittliche Lebensdauer der Minoritätsträger in dem dazwischenliegenden
hT-Bereich 3.
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Wenn der Transistor nach Fig. 3 in einer Schaltung verwendet wird,
welche starke Ströme führt, für die sich der Transistor besonders gut eignet, so
ist es sehr wünschenswert und in vielen Fällen notwendig, daß ein Wärmezerstreuungsmittel,
eine sogenannte »Wärmesenke«, in Verbindung mit der Emitterschicht vorgesehen wird.
Eine solche »Wärmesenke« ist bei 32 in Fig. 3 dargestellt und besteht aus einer
Schiene aus Kupfer oder einem anderen wärmeleitenden Material in wärmeleitender
Zusammenwirkung mit dem Bereich 3. Die »Wärmesenke« kann zur Verbesserung der Wärmeverteilung
mit Kühlrippen 33 versehen werden. Sie kann eine ohmsche Verbindung mit dem Bereich
3 haben. Der Wärmeahleiter 32 kann aber auch mit dem Bereich 5 verbunden sein, da
die meiste Wärme an der Berührungsfläche zwischen diesen beiden Bereichen erzeugt
wird. Der Wärmeableiter soll eine möglichts gute wärmeleitende Verbindung mit dieser
Berührungsfläche haben, darf aber natürlich die Berührungsfläche nicht kurzschließen.
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Der Transistor nach Fig. 3 kann gemäß Fig. 4 geschaltet sein. In Fig.
4 ist die Emitterverbindung über die Leitung 6 zum Bereich 5 hergestellt. Die Berührungsfläche
zwischen der P-Schicht 5 und der N-Schicht 3 dient dabei als Emitterübergang. Die
Leitung 7 bildet den Basisanschluß an den N-Bereich 3. Der P-Bereich 2 ist an keine
äußerliche Schaltung elektrisch angeschlossen, und die Leitung 8 nach Fig. 3 bleibt
unbenutzt. Die Kollektorverbindung wird über die Leitung 10 zum I\T-Bereich 4 hergestellt.
Der N-Bereich 4 und der P-Bereich 2 bilden zusammen einen PN-»Hook«-Kollektor.
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Die Leitung 6 ist an die Eingangsklemme 11 angeschlossen und außerdem
über einen Widerstand 12 und eine Vorspannungsbatterie 13 geerdet. Die andere Eingangsklemme
14 liegt unmittelbar an Erde.
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Die Leitung 10 ist an die Ausgangsklemme 15 angeschlossen. Außerdem
ist die Leitung 10 über einen Widerstand 16 und über die Batterie 17 geerdet. Die
andere Ausgangsklemme 18 liegt am Verbindungspunkt des Widerstands 16 und der Batterie
17.
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Die Fig. 5 bringt die Kollektor-Strom-Spannungs-Kennlinien des Transistors
für die Schaltung nach Fig.4. Diese Kurvenschar zeigt die Änderung der Kollektorspannung
(V,) mit dem Kollektorstrom (I") für verschiedene konstante Werte des Emitterstroms
(Ie). Man kann sehen, daß, sobald das Kollektorpotential einen Mindestwert überschreitet,
der Kollektorstrom im wesentlichen konstant bleibt, solange der Emitterstrom konstant
bleibt, und zwar über einen großen Bereich von Kollektorpotentialwerten.
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Die Fig. 6 zeigt den Transistor nach Fig. 3 in einer etwas anderen
Schaltung, und zwar ist hier der Emitteranschlußdraht 6 geerdet. Der Basisanschlußdraht
7 liegt über einen Widerstand 19 und über eine Vorspannungsbatterie 20 an Erde.
Die Leitung 7 ist außerdem an eine Eingangsklemme 21 angeschlossen. Die andere Eingangsklemme
22 ist geerdet. Die Kollektoranschlußleitung 10 liegt an der Ausgangsklemme
23
und außerdem über den Widerstand 24 und über die Batterie 25 an Erde. Die andere
Ausgangsklemme 26 ist an den gemeinsamen Verbindungspunkt des Widerstands 24 mit
der Batterie 25 angeschlossen. Die Schaltung nach Fig.6 erzeugt einen beträchtlichen
Strom im Ausgangskreis und eignet sich zum Betreiben einer Belastung, z. B. eines
Relais oder eines Elektromagneten. Das Vorhandensein einer »Wärmesenke« am Transistor
ist eine praktische Notwendigkeit bei der Schaltung nach Fig. 6.
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Die Fig. 7 zeigt eine Kollektor-Strom-Spannungs-Kennlinie für die
Schaltungsanordnung nach Fig.6 für verschiedene Basisstromwerte b- Wie man sieht,
kann für kleine Kollektorstromwerte das Kollektorpotential hoch sein. Sobald aber
ein sehr kleiner Kollektorstrommindestwert überschritten wird, bleibt danach das
Kollektorpotential konstant und sehr klein für alle weiteren Erhöhungen des Kollektorstroms.
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Beim Vergleichen der in Fig. 7 gezeigten Kurven mit denen des Transistors
nach dem obenerwähnten älteren Vorschlag ergibt sich, daß das Kollektorpotential
seinen endlichen konstanten Wert im Falle der Erfindung bei einem viel niedrigeren
Kollektorstromwert erreicht. Mit anderen Worten: Der Transistor erreicht seinen
kleinsten Ausgangsimpedanzzustand bei einem niedrigeren Kollektorstrom als der Transistor
nach dem obigen Vorschlag. In einer Ausführungsform des Transistors nach der Erfindung
beträgt der Sättigungswiderstand etwa 40 Ohm, der Sperrwiderstand im AUS-Zustand
etwa 100 000 Ohm und die Eigenstromverstärkung am Kollektor etwa 30.
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Die Transistoren nach der Erfindung haben einen höheren Sperrwiderstand
im AUS-Zustand als bei bekannten Transistoren mit vergleichbaren Kapazitäten, wodurch
der Energieverlust im AUS-Zustand auf einen niedrigeren Wert beschränkt wird. Außerdem
ist der Sättigungswiderstand niedriger als der bei den bekannten Transistoren, und
dadurch ist ein verringerter Energieverlust für einen gegebenen Energieausgang gewährleistet.
Die Eigenstromverstärkung am Kollektor des Transistors nach der Erfindung ist höher
als bei bisherigen Transistoren.
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Fig. 8 veranschaulicht eine abgewandelte Form des Transistors nach
der Erfindung, die nach einem besonderen Verfahren nach der Erfindung hergestellt
wird. Er enthält den Transistorkörper 27, bestehend aus einem P-Bereich 28 und einem
N-Bereich 29. Der aus diesen beiden Schichten bestehende Körper kann auch nach einem
beliebigen herkömmlichen Verfahren als Einkristall gezüchtet werden. Die Dicke jeder
dieser beiden Zonen muß etwa 0,013 cm oder weniger betragen. In jeden dieser Bereiche
ist ein weiterer, kleinerer Bereich vom entgegengesetzten Leitungstyp einlegiert.
Genauer gesagt ist ein kleiner P-Bereich 30 in den N-Bereich 29 und ein kleiner
N-Bereich 31 in den P-Bereich 28 einlegiert. Die Eindringtiefe der Bereiche 30 und
31 muß etwa 0,008 bis 0,009 cm betragen. Dabei bleibt der Abstand zwischen jedem
aneinandergrenzenden Paar von Grenzschichten etwa gleich oder kleiner als die Diffusionslänge
für die mittlere Lebensdauer von Minoritätsträgern in dem dazwischenliegenden Bereich.
Ohmsche Verbindungen können zu allen vier Bereichen hergestellt werden.
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Es können auch andere Verfahren für die Herstellung eines NPNP-Transistorkörpers,
dessen beide Mittelbereiche die erforderliche Dicke haben, verwendet werden, aber
die beiden beschriebenen Verfahren bieten, was die gegenwärtigen Herstellungsverfahren
betrifft, beträchtliche Vorteile. Als Beispiel für ein solches ebenfalls mögliches
Verfahren können alle drei Schichten gezüchtet werden. Die Dicke der beiden Zwischenbereiche
ist aber nach den gegenwärtigen Züchtungsvorgängen schwer zu steuern.
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Ein Wärmeableiter 33 mit Rippen 34 ist in Verbindung mit dem Bereich
28 gezeigt.
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Sollen zu allen vier Bereichen Verbindungen hergestellt werden, wie
Fig. 3 zeigt, so kann der Transistor nach Fig. 4 und. 6 in jede Schaltung eingebaut
werden, deren Polaritätserfordernisse denen eines herkömmlichen PNP-Schichttransistors
ähneln. Durch Verwendung der Leitung 8 als Basisanschluß anstatt der Leitung 7 werden
die Polaritäten im Transistor umgekehrt, so daß die Leitung 10 dann eine
Emitterverbindung und die Leitung 6 eine Kollektorverbindung wird. Eine solche Halbleiteranordnung
kann in jede Schaltung eingebaut werden, deren Polaritätserfordernisse denen eines
herkömmlichem NPN-Schichttransistors entsprechen.