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Halbleiteranordnung mit einem Halbleiterkörper aus zwei Zonen entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps Die Erfindung betrifft allgemein Übertragungseinrichtungen für
elektrische Signale mit Halbleiterkörpern und speziell eine Halbleiteranordnung
mit einem Halbleiterkörper aus zwei Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps,
die an einem pn-Übergang zusammenstoßen,- an dem an je einer Zone eine ohmsche Elektrode
und auf der einen Zone am pn-Übergang eine nichtohmsche Steuerelektrode angebracht
ist.
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Es sind sogenannte »Transistoren« bekannt, welche aus einem Halbleiterkörper
aus zwei verschiedenen Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bestehen. An jeder
der beiden Zonen ist eine ohmsche Elektrode angebracht. Weiterhin können am pn-Übergang
weitere ohmsche Elektroden vorgesehen sein.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun eine neue Gattung von Halbleiteranordnungen
vorgeschlagen, welche als »Spacistor« bezeichnet werden soll.
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Die gemäß der vorliegenden Erfindung vorgeschlagenen »Spacistoren«
unterscheiden sich von den bekannten »Transistoren« im wesentlichen dadurch, daß
an die beiden ohmschen Elektroden eine so hohe Spannung, z. B. von 250 V, in Sperrichtung
angelegt ist, daß auf der dabei entstehenden breiten Raumladungszone sowohl die
nichtohmsche Steuerelektrode als auch eine weitere Steuerelektrode angebracht ist.
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Ähnlich wie die Transistoren bestehen die Halbleiteranordnungen gemäß
der Erfindung aus einem Körper aus halbleitendem Material, z. B. Germanium oder
Silizium, mit zwei Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstvps. Der positive Leitfähigkeitstyp
kann dabei durch Verunreinigungsmaterial aus der III. Gruppe des Periodischen Systems,
der negative Leitfähigkeitstyp durch Verunreinigungsmaterial aus der V. Gruppe erzielt
werden.
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Während jedoch die Transistoren im allgemeinen nur zur Übertragung
von Hörfrequenzen oder relativ niedrigen Radiofrequenzen brauchbar sind, eignen
sich die Halbleiteranordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung auch für höhere
Frequenzen. Bei den Transistoren hängt die Wirkungsweise von einer willkürlichen
Diffusionsbewegung der Stromträger über die mittlere Basiszone ab. Da jedoch die
für einen vollständigen Durchgang der Stromträger quer über die Basiszone von dem
Emitter zu dem Kollektor erforderliche Zeit im Vergleich zu der oftmals erwünschten
Betriebsfrequenz relativ lang ist, ist die Anwendung der Transistoren für höhere
Frequenzen infolge der in diesem Bereich des elektromagnetischen Spektrums vorliegenden
schlechten Frequenzabhängigkeit stark beeinträchtigt.
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Der überraschende Vorteil hinsichtlich der Übertragung höherer Frequenzen
bei den Spacistoren gemäß der Erfindung läßt sich darauf zurückführen, daß der erste
auf der breiten Raumladungszone angeordnete Kontakt als ein Mittel zur Einführung
von Ladungsträgern direkt in die in dem Halbleiterkörper aufrechterhaltene Raumladungszone
dient, so daß die Übergangszeit der Stromträger auf ihrem Weg zum Kollektor im Vergleich
zur Übergangszeit der Stromträger durch die Basiszone der Transistoren wesentlich
verkürzt wird. Die verkürzte Übergangszeit resultiert aus den Beschleunigungskräften,
welche auf die Stromträger durch das starke elektrische Feld der Raumladungszone
wirken. Der zweite in der breiten Raumladungszone angeordnete Kontakt dient als
Steuerelektrode zur Modulierung der Emission der Stromträger durch den Emitterkontakt,
so daß also der Fluß der Stromträger durch eine von außen angelegte Signalspannung
steuerbar ist. Zusätzlich bewirkt der als Steuerelektrode dienende zweite Kontakt
eine wesentliche Verminderung des Einflusses von Spannungsänderungen über einen
an den Ausgangskreis angeschlossenen Lastkreis auf die Emission der Stromträger
durch den Einführungskontakt, so daß also eine Anordnung mit hohem Ausgangsscheinwiderstand
erzielt wird. Dementsprechend
ist die Anordnung gemäß der vorliegenden
Erfindung in der praktischen Anwendung nicht durch die Rückkopplungsbedingungen
beschränkt, wie sie zwischen dem Ausgang und dem Eingang bei den bekannten Transistoren
vorliegen.
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Es sei noch klargestellt, daß die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung
keine Transistoren in dem Sinne sind, wie diese Bezeichnung bisher in der Technik
verwendet wurde. Da in den Anordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung die Mittel
zum Einführen der Stromträger in den Halbleiterkörper in einer Raumladungszone eingeschlossen
sind, die sich von dem der Kollektorverbindung entsprechenden Teil erstreckt, liegt
auch die eigentliche Transistorarbeitsweise nicht mehr vor, da Emitter und Kollektor
im wesentlichen kurzgeschlossen sind.
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Die Zeichnungen dienen der weiteren Erläuterung des Gegenstandes der
Erfindung. Es zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines
Spacistors gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig.2 ein Diagramm, welches den Potentialverlauf
in einem Längsschnitt durch die Raumladungszone in der Anordnung gemäß Fig. 1 in
der Nähe des Modulationspunktes 12 erläutert, Fig. 3 ein Diagramm, das in übertriebener
Darstellung die Wirkung eines negativ vorgespannten Kontaktes in der Raumladungszone
der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erläutert, Fig. 4 ein Schaubild, das die Änderung des
Potentials in der Raumladungszone der Einrichtung gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit des
Abstandes von dem Modulationskontakt zeigt, Fig. 5 ein Schaubild der auf den eingeführten
Strom bezogenen Steilheit für zwei verschiedene Halbleiteranordnungen der vorliegenden
Erfindung, welche verschiedenen Abstand zwischen dem Einführungskontakt und dem
Modulationskontakt haben, Fig. 6 a ein Diagramm, das den Potentialverlauf über die
Raumladungszone in der Einrichtung gemäß Fig. 1 für zwei verschiedene Größen einer
zwischen den Klemmen 6 und 7 angelegten Vorspannung, jedoch ohne die Kontakte 9
oder 12, zeigt, Fig.6b ein Diagramm, das den Potentialverlauf über die Raumladungszone
in der Einrichtung gemäß Fig.1 für zwei verschiedene Größen einer zwischen den Klemmen
6 und 7 angelegten Vorspannung mit dem Kontakt 12 und bei Vorspannung des Kontaktes
12 mit einer konstanten Spannung relativ zu der Klemme 7 zeigt, Fig. 7 a und 7 b
Schaltpläne, die zum Messen der Strom-Spannungs-Verhältnisse und des Einführungswirkungsgrades
der in den Raumladungszonen angeordneten Kontakte, z. B. in der Einrichtung gemäß
Fig. 1, geeignet sind, Fig. 8 a ein Schaubild, das die Abhänigkeit zwischen dem
eingedrückten Strom und der angelegten Spannung zeigt, wenn der Einführungskontakt
der Einrichtung gemäß Fig. 1 eine Wolframspitze ist, Fig.8a ein Schaubild, welches
das Verhältnis des >>Loch«- und des »Elektronen«-Stromflusses für verschiedene Werte
eines eingedrückten Gesamtstromes unter Verwendung einer Wolframspitze als Einführungskontakt
in der Einrichtung gemäß Fig. 1 zeigt, Fig. 9 ein Schaubild des Energiepegels, welches
der Erläuterung der Arbeitsweise des Wolframemitterkontäktes der Einrichtung gemäß
Fig. 1 dient, Fig.10a und 10b Schaubilder ähnlich denjenigen in Fig.8a und 8b mit
Ausnahme, daß der Einführungskontakt an der Einrichtung ein stark positiver einlegierter
Bereich ist, Fig. 11a eine schematische, schaubildliche Ansicht einer abgewandelten
Ausführungsform einer Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, Fig. 11b eine
schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Einrichtung gemäß
der vorliegenden Erfindung, Fig. 12 einen Schaltplan einer Einrichtung ähnlich der
in Fig. 1 dargestellten. mit Ausnahme, daß hier der Eingang zwischen der. Klemme
7 und dem Einführungskontakt 9 und nicht zwischen der Klemme 7 und dem Modulationskontakt
12 wie in Fig. 1 liegt.
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In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines »Spacistor«-Tetrodenhalbleiteraufbaues
gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Das Bezugszeichen 10 bezeichnet allgemein
einen Körper aus halbleitendem Material, z. B. aus Germanium oder Silizium, der
zwei angrenzende Zonen 1 und 2 eines Materials vom entgegengesetzten elektrischen
Leitfähigkeitstyp aufweist. Der Körper 10 kann in irgendeiner geeigneten, dem Fachmann
bekannten Art und Weise hergestellt werden, z. B. indem man einen Einzelkristall
aus einer geschmolzenen Masse eines Halbleitermaterials wachsen läßt und indem man
wechselweise die Schmelze mit einem geeigneten Verunreinigungsmaterial versetzt,
um die N-Zone 1 und die P-Zone 2 mit einer entsprechenden PN-Stoßstelle 3 zwischen
den beiden Zonen zu bilden.
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Die P-Zone 2 ist mit der N-Zone 1 über eine Vorspanungsquelle, z.
B. eine Batterie 4, und einen geeigneten Lastwiderstand 5 verbunden. Die positive
Klemme der Batterie 4 ist, wie dargestellt, mit einer Elektrode 6 verbunden, welche
an der N-Zone 1 sitzt. Die negative Klemme der Batterie 4 ist mit einer Elektrode
7 verbunden, welche an der, P-Zone 2 sitzt, so daß der PN-Übergang 3 in Sperrichtung
vorgespannt wird und eine Raumladungszone 8 geschaffen wird, die sich in die N-Zone
1 und in die P-Zone 2 erstreckt. Der Körper 10 hat einen Stromträger-Einführungskontakt
9, welcher mit der Oberfläche desselben in der Nähe der Stoßstelle 3 verbunden ist.
Der Einführungskontakt 9 ist an die Klemme 7 über eine Batterie 11 angeschlossen,
welche den Kontakt 9 negativ in bezug auf das Potential der Barunterliegenden Raumladungszone
vorspannt. Es sei jedoch bemerkt, daß das Potential des Kontaktes 9 in bezug auf
den Konakt 7 positiv ist. Unter dieser Bedingung werden Stromträger, in diesem Falle
Elektronen, in die Raumladungszone eingeführt oder »injiziert«. Die Stromträger
fließen durch die N-Zone 1, die Baterie 4, den Widerstand 5, die Batterie 11 und
zurück zu dem Kontakt 9. Die Emission der Elektronen aus dem Kontakt 9 ist in den
meisten zu beschreibenden Fällen durch die Raumladung begrenzt. Bei dem beschriebenen
Beispiel kann der Kontakt 9 eine kleine, stark 1-,1-dotierte vorgelagerte Zone haben
oder wechselweise ein Druckkontakt mit einem spitzen Wolframpunkt sein, welcher
mit der Oberfläche des Körpers 10 Kontakt macht. In jedem Fall muß der Kontakt 9
so gestaltet sein, daß er Stromträger unter den angegebenen Vorspannungsbedingungen
emittiert.
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Der Körper 10 ist, wie in Fig. 1 dargestellt, weiterhin mit einem
zweiten Kontakt 12 versehen, welcher in der Nähe des Emissionskontaktes 9 angeordnet
ist. Der Kontakt 12 kann als Modulationskontakt angesprochen werden. Er liegt ebenfalls
innerhalb der Grenzen der Raumladungszone B. Der Modulationskontakt 12 ist an die
positive Klemme einer Batterie 13 angeschlossen. Die negative Klemme der Batterie
13
ist mit einer Seite eines Eingangsklemmenpaares 14 verbunden. Unter dieser Vorspannungsbedingung
wird der Kontakt 12 im umgekehrten Sinne relativ zu dem Potential der darunterliegenden
Raumladungszone 8 vorgespannt, d. h., der Kontakt 12 ist negativ relativ zu diesem
Potential. Dies erfüllt die wesentliche Bedingung, daß der Kontakt 12 gleichrichtend
arbeitet, wenn er in der Raumladungszone 8 sitzt, d. h., der Stromfluß in umgekehrter
Richtung durch den Kontakt 12 wird im wesentlichen Null sein, wogegen der Vorwärtsstromfluß
in den Körper 10 groß ist. Dein Modulationskontakt 12 kann beispielsweise eine stark
dotierte kleine P-Zone vorgelagert sein, um diese Bedingung zu erfüllen.
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Im Betrieb der Halbleiteranordnung wird das durch die Batterie 13
dem Modulationskontakt 12 aufgezwungene Potential immer positiv relativ zu dem Einführungskontakt
9 sein. Trotz dieses Umstandes wird keiner der von dem Kontakt9 emittierten Stromträger
von dem Kontakt 12 gesammelt. Der Grund für diese Wirkung ist teilweise aus Fig.
2 ersichtlichlich, in welcher eine schematische Darstellung des Potentials, ausgedrückt
in Elektronenenergieeinheiten, in einem Längsquerschnitt der Raumladungszone 8 der
in Fig. 1 dargestellten Halbleiteranordnung gezeigt ist. Der maschenähnliche Abschnitt
15 zeigt die Elektronenenergie der Raumladungszone. Die emittierten Elektronen fließen
den schräg verlaufenden Teil abwärts gegen die Linie C-D, die das Ende der Raumladungszone
veranschaulichen. Das Feld ist, wie dargestellt, in der Nähe des vorgespannten Punktes
12 deformiert und bildet eine angehobene Stelle 16, welche in ihrer Höhe nach außen
gegen den vorderen Teil des Feldes 15 nach und nach abnimmt. Es wird daher wirkungsmäßig
eine Stelle von höherem negativem Potential in der Fläche unmittelbar unter dem
Kontakt 12 geschaffen, welche die emittierten Elektronen zwingt, auf ihrem Weg zu
der Linie C-D um diese Fläche herumzufließen. Wenn dementsprechend der Punkt 12
negativ relativ zu dem Potential der darunterliegenden Raumladungszone vorgespannt
wird, fließt kein Elektronenstrom in den Konakt 12. Da der Kontakt 12 in einer Raumladungszone
sitzt, durchdringt das von ihm erzeugte Feld nicht vollständig die Raumladungszone
8 und ändert nicht das Gesamtfeld derselben. Das Feld erstreckt sich zu den Grenzen
der kaumladungszone, wo es sich ausbuchtet und die alte Raumladungszonengrenze deformiert,
um die neuen Raumladungsgrenzen 17 und 18, wie in Fig. 3 dargestellt, zu bilden.
In Fig. 3 wurde der Einführungskontakt 9 weggelassen und lediglich der Modulationskontakt
12 dargestellt, um die Wirkung des vorgespannten Kontaktes 12 auf die Raumladungszone
8 klarer zu veranschaulichen. Die Art und Weise, in welcher das Potential der Raumladungszone
8 durch die Anwesenheit des vorgespannten Modulationspunktes 12 geändert wird, kann
leicht gemessen werden. Für diesen Zweck wurde eine 10-Volt-Wechselspannung der
Vorspannung des Kontaktes 12 überlagert, und mit einem beweglichen Wolframeinführungskontakt
9 wurde injiziert, d. h., die Wechselspannung an der Oberfläche der Ra.umladungszone
wurde an verschiedenen Punkten gemessen. In Fig. 4 sind die Ergebnisse für eine
Germanium-Halbleiteranordnung dargestellt, bei der an den PN-Übergang eine Gesamtgleichspannung
von 220 Volt über einer 1,2 . 10-2 cm breiten Raumladungszone angelegt wurde. In
Fig.4 bedeutet die Abszisse den physikalischen Abstand zwischen dem Einführungskontakt
9 und dem Modulationskontakt 12. Der Modulationskontakt 12 übt, wie bereits weiter
oben erwähnt, eine Doppelfunktion aus. Zuerst kann die Emission der durch den Kontakt
9 eingeführten Stromträger durch Überlagerung einer Wechselspannung über die Gleichstromvorspannung
steuermäßig geändert werden. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Feldstärke
in der Nähe des Einführungspunktes 9 geändert und die durch die Raumladung beschränkte
Emission moduliert wird. Es zeigte sich, daß der Modulationsgrad in kritscher Weise
von der geometrischen Anordnung der Kontakte 9 und 12, insbesondere von ihrem geometrischen
Abstand, abhängt. Weiterhin besteht eine Abhängigkeit von der Größe des Vorspannungsstromflusses.
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Zur quantitativen Diskussion der Modulation wird üblicherweise die
Vakuumröhrenterminologie angewendet. Man definiert eine Steilheit g" wie folgt:
In der Gleichung (1) stellt IA"sg den Laststrom und I;"j den injizierten Strom dar,
während Vmoa das Potential des Modulationskontaktes 12 ist. Die Steilheit g," ist
in Fig. 5 für zwei typische Germanium-Halbleiteranordnungen als Funktion des Vorspannungsstromes
aufgezeichnet. Die Kurve 19 entspricht einer Versuchsanordnung, bei der die Kontakte
9 und 12 näher aneinanderlagen als die Kontakte bei der Aufnahme der Kurve 20. Aus
diesen Kurven ist ersichtlich, daß g," annähernd linear mit dem Vorspannungsstrom
wächst. Bei den Versuchs-Halbleiteranordnungen bestand der Modulationskontakt aus
einem goldlegierten Punkt auf einer P-Zone von etwa 5 - 10-3 cm Durchmesser, während
der Einführungskontakt 9 ein Wolf rampunkt war, welcher im Abstand von etwa 1,2
- 10-3 cm von der Kante des Modulationskontaktes 12 angeordnet war. Der Knick in
der, Kurve 19 und die Streuung der Meßpunkte in der Kurve 20 wird auf die Tatsache
zurückgeführt, daß der Abstand zwischen dem Einführungskontakt 9 und dem Modulationskontakt
12 bei beiden Einrichtungen nicht derselbe war. Der Abstand zwischen den Kontakten
in der der Kurve 19 zugeordneten Einrichtung war etwas geringer als der Abstand
zwischen den Kontakten der der Kurve 20 zugeordneten Einrichtung. Bei der Erprobung
der angegebenen Einrichtungen wurde eine Gesamtspannung von 205 Volt angelegt. Die
Raumladungzone hatte eine Breite von etwa 10-2 cm. Es sei noch darauf hingewiesen,
daß die Stellungen des Einführungspunktes und des Modulationspunktes vorzugsweise
so liegen, daß diese in Längsrichtung zu der Erstreckung der Raumladungszone fluchten.
Wenn diese Kontakte nebeneinander seitlich versetzt auf der Raumladungszone aufsitzen,
wird ein niedrigeres g," für vergleichbare Trennungsabstände erzielt.
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Die zweite Funktion des Modulationskontaktes 12 liegt darin, den Einfluß
der Spannungsschwankungen über die Last 5 auf die Emission der Stromträger durch
den Einführungskontakt 9 zu vermindern. Um die Erläuterung, wie diese Funktion von
dem Kontakt 12 bewältigt wird, zu erleichtern, wird auf die Fig. 6 a und 6 b Bezug
genommen. In Fig. 6 a ist das Potential über die Raumladungszone für zwei verschiedene,
zwischen den Klemmen 6 und 7 einer in Fig. 1 dargestellten Einrichtung liegende
Spannungen durch die Kurven 21 und 22 wiedergegeben, ohne daß hier irgendwelche
Kontakte an der Raumladungszone anliegen. Die Lage, welche ein Einführungskontakt
normalerweise einnehmen würde, ist
durch die gestrichelte Linie
23 angedeutet. Es ist klar ersichtlich, daß eine -Änderung der angelegten Spannung
das Potential der unterhalb des Einführungskontaktes liegenden Raumladungszone ändert
und dementsprechend die Emission von Stromträgern durch den Einführungskontakt beeinflußt.
Das Vorspannungspotential hinsichtlich der unterhalb des Einführungskontaktes liegenden
Raumladungszone hängt also, mit anderen Worten, von der angelegten Spannung ab.
Diese Situation steht im Gegensatz zu der in Fig. 6b dargestellten, in welcher das
Potential über die Raumladungszone in der Nähe der Oberfläche für dieselben beiden
angelegten Spannungen wie in der Fig. 6 a in den Kurven 21 und 22 dargestellt ist.
Hier ist jedoch ein Modulationskontakt vorhanden, der, wie durch die gestrichelte
Linie 24 angedeutet, angeordnet ist und der mit einer konstanten Spannung relativ
zu der Klemme 7 in Fig. 1 vorgespannt ist. Aus Fig.6b ist ersichtlich, daß die unteren
Teile der Kurven 21 und 22 in demjenigen Bereich im wesentlichen zusammenfallen,
in welchem der Einführungskontakt so angeordnet ist, daß im wesentlichen keine Änderung
des Potentials der Barunterliegenden Raumladungszone unter einer Änderung der angelegten
Spannung auftritt. Die Vorspannung des Einführungskontaktes relativ zu der Raumladungszone
ist dementsprechend im wesentlichen unabhängig von der über die Klemmen 6 und 7
der Vorrichtung gemäß Fig.1 angelegten Spannung. Dies bedeutet wiederum, daß der
von dem Einführungskontakt 9 emittierte Strom im wesentlichen von der angelegten
Spannung unabhängig ist, so daß dementsprechend eine hohe Ausgangsimpedanz für die
Halbleitereinrichtung erzielt wird. Es zeigte sich, daß die Ausgangsimpedanz bis
hinauf zu 30 Megohm für l1";=0,3 mA bei der Einheit liegen kann, für die die g"-Werte
als Kurve 19 in Fig. 5 dargestellt sind.
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Um eine maximale Betriebswirksamkeit der Vorrichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung zu erzielen, ist es erforderlich, daß der Kontakt 9 gute Stromeinführungscharakteristiken
hat und daß der Modulationskontakt 12 gute Gleichrichtungseigenschaften in der Raumladungszone
8 hat. Damit die Vorrichtung gemäß Fig. 1 einen hohen Leistungsgewinn zeigt, ist
es besonders von Bedeutung, daß der Modulationskontakt 12 eine gute Sperrstromcharakteristik
hat.
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Wie bereits weiter oben erwähnt, kann der Einführungskontakt 9 des
Spacistors gemäß Fig. 1 einen Wolframdraht haben, der Druckkontakt mit der Oberfläche
des Halbleiterkörpers 10 macht. Die Strom-Spannungs-Charakteristik eines
derartigen Kontaktes kann durch Verwendung der in Fig. 7 a dargestellten Prüfschaltung
gemessen werden. Wie dort gezeigt ist, ist ein Halbleiterkörper 40 mit P- und N-Zonen
ähnlich dem Körper der Fig. 1 mit einem Wolframeinführungskontakt 41 ähnlich dem
Kontakt 9 in Fig. 1 versehen. Der PN-Übergang 42 wird durch die Batterie 43 umgekehrt
vorgespannt. Zwischen den Kontakt 41 und der Klemme 46 ist eine regelbare Spannungsquelle
44 und ein Strommeßgerät 45 geschaltet. Es fließt kein Strom, wenn das Potential
des Kontaktes 41 im wesentlichen gleich ist dem Potential der Barunterliegenden
Raumladungszone 47. Bei der Prüfung wird die von der Batterie 44 an den Kontakt
41 angelegte Spannung relativ zu dem obenerwähnten Potential gemessen, so daß für
I=0, V=O ist. Die Stromeinführungsmenge kann dementsprechend durch Änderung der
an den Kontakt 41 angelegten Spannung geändert werden. In Fig.7b ist eine weitere
Prüfschaltung ähnlich der Schaltung der Fig. 7 a dargestellt mit Ausnahme, daß zusätzlich
ein Strommeßgerät 49 zwischen die Klemme 46 und das Meßgerät 45 und ein Strommeßgerät
51 zwischen die Klemme 48 und die Batterie 43 eingeschaltet ist. Diese Schaltung
ermöglicht, daß bestimmt werden kann, zu welchem Bruchteil der eingedrückte Strom
aus Elektronen entsprechend derAblesung des Meßgerätes 51 und aus »Löchern« entsprechend
der Ablesung durch das Meßgerät 49 besteht.
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In Fig. 8 a ist die Strom-Spannungs-Charakteristik eines typischen
Wolframkontaktes in der Raumladungszone veranschaulicht, wie sie durch Verwendung
des Prüfkreises gemäß der Fig. 7 a erzielt werden kann. Die Kurve 25 zeigt, daß
die Scheinwiderstandscharakteristik des Kontaktes 41 unter steigender Vorspannung,
d. h. wenn der Kontakt 41 steigend positiver relativ zu der darunterliegenden Rauinladungszone
gemacht wird, im wesentlichen die gleiche ist wie die umgekehrt vorgespannte Scheinwiderstandskurve
26, d. h. wenn der Kontakt 41 nach und nach stärker negativ relativ zu der Barunterliegenden
Raumladungszone gemacht wird. Die Kurven 25 und 26 deuten so an, daß praktisch keine
Gleichrichtung stattfindet, unabhängig davon, welche Polarität die an den Einführungskontakt
41 anliegende Spannung hat. Dieses überraschende Ergebnis ist grundlegend von den
Ergebnissen mit Wolframpunktkontakten auf einem neutralen N- oder P-Halbleitermaterial,
d. h. einem Halbleitermaterial, bei dem unter diesem Punkt keine Raumladung vorliegt,
verschieden. Gemäß der Erfindung zeigt es sich also dementsprechend, daß ein Wolframpunkt
wirksam in Flußrichtung vorgespannt wird, wenn der Punkt entweder positiv oder negativ
relativ zu der Barunterliegenden Raumladungszone ist. Ein derartiger Kontakt kann
dementsprechend als Emitter für Stromträger unabhängig von der Polarität, die dieser
Kontakt annimmt, verwendet werden.
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In Fig. 8 b ist der »Loch«- oder »Lückenstrom « und der Elektrostrom
I" bzw. I" als Funktion von Il"; aufgezeichnet. Es ist ersichtlich, daß für
Spannungen, die den Kontakt 41 positiv relativ zu der Barunterliegenden Raumladungszone
47 vorspannen, der injizierte Strom hauptsächlich aus Lücken oder Löchern, wie durch
die Kurve 27 dargestellt, besteht. Die Löcher oder Lücken fließen in der Raumladungszone
bis zu dem positiven Bereich. Dieser Lückenstrom wird von dem Meßgerät 49 in Fig.
7b angezeigt. Für die umgekehrte Polarität besteht der eingedrückte Strom hauptsächlich
aus Elektronen, wie durch die Kurve 28 dargestellt. Diese Elektronen fließen zu
dem negativen Bereich. Der erzielte Elektronenstrom wird von dem Meßgerät 51 in
Fig. 7b angezeigt. Das Schaubild gemäß Fig.8b zeigt ebenfalls, daß I" sich nur gering
mit Änderung von Ii"; ändert, wenn hauptsächlich ein Lückenstrom fließt, wie aus
der Kurve 30 ersichtlich, und daß weiterhin kleine Änderungen von In bei
Änderungen von Ii"; auftreten, wenn hauptsächlich ein Elektronenstrom fließt, wie
aus der Kurve 31 ersichtlich. Die Abnahme von Ip mit II"i nach links vom Ausgangspunkt
her ist das, was man normalerweise erwarten würde. Einige der in der kaumladungszone
47 oder der in der negativen Zone innerhalb etwa einer Diffusionslänge von der Raumladungszone
erzeugten Löcher werden bei ihrem Fließen durch den Wolframkontakt 41 gesammelt.
Dementsprechend wird erwartet, daß I" abnimmt, je stärker negativ der Kontakt 41
relativ zu
der Raumladungszone gemacht wird: Aus demselben Grund
könnte man jedoch auch erwarten, daß In mit steigendem Itn; nach rechts vom
Ausgang abnimmt im Gegensatz zu den beobachteten Ergebnissen. Obgleich dieses Phänomen
im Augenblick noch nicht vollständig durchschaut wird, können mehrere Gründe für
diese Beobachtung hypothetisch vorausgesetzt werden. Die Ursache für das Phänomen
kann beispielsweise darin liegen, daß der PI\T-Übergang durch die Stromträgereinführung
weit genug erwärmt wird, um den Rückstrom der Hauptdiode zu steigern. Es kann auch
die Feldstärke groß genug sein, so daß einige der eingeführten Stromträger eine
lawinenartige Vervielfältigung einleiten. Es können auch kleine vagabundierende
Ströme über die Oberfläche des Halbleiterkörpers an dem beobachteten Effekt schuld
sein.
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Es sei bemerkt, daß, obwohl die Wirkung der Stromeinführungspunktkontakte
9 und 41 unter Bezugnahme auf Wolfram beschrieben wurde, diese Kontakte nicht auf
die Verwendung von Wolfram beschränkt sind, da andere metallische Kontakte an deren
Stelle treten können und ebenfalls als Emissionskontakte entweder für »Löcher« oder
für Elektronen je nach der Polarität des Kontaktes relativ zu der Raumladungszone,
wie zuvor beschrieben, arbeiten. Obgleich die Gründe für das außerordentliche Leistungsvermögen
eines derartigen Kontaktes im Augenblick noch nicht voll verständlich sind, bietet
die Fig. 9 und die folgende Beschreibung zumindest eine plausible Erklärung.
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Entsprechend der Darstellung in Fig. 9 befindet sich das Metall im
wesentlichen in Anlage mit dem Halbleiter. Oberflächenladungen wurden vernachlässigt,
da sie nicht groß genug sind, um Umkehrschichten zu erzeugen, so daß sie auch dementsprechend
nicht die Erörterung beinflussen. In dem Halbleiter befinden sich praktisch keine
Löcher in dem Valenzelektonenband und keine Elektronen in dem Leitungselektronenband,
da die hohe Feldstärke in der Räumladungszone sämtliche Träger abzieht. Die Elektronen
aus dem -Metall fließen in das Leitungselektronenband des Halbleiters,' wie durch
den Pfeil angedeutet, welcher von den in einen Kreis eingeschlossenen Negativzeichen
32 aus.-geht. Die Größe dieses Stromes ist
In der Gleichung (7) bedeutet I", eine Konstante, welche von der Kontaktfläche der
Wahrscheinlichkeit eines Überganges eines Elektrons aus dem Metall in das Leitungselektronenband
des Halbleiters und anderen Faktoren abhängig ist. Der Boltzmann-Faktor in der Gleichung
(2) trägt der Anzahl von Elektronen Rechnung, die genug thermische Energie haben,
um den Übergang in den Halbleiter zu bewerkstelligen. Die Größe EC ist die Energie
des Leitungselektronenbandrandes an- der Oberfläche. EF ist die Fermi-Energie in
dem Metall, k ist die Boltzmann-Konstante, und T ist die absolute Temperatur. In
ähnlicher Weise werden Elektronen von dem Valenzelektronenband des Halbleiters in
das Metall übergehen, oder, was dasselbe ist, Löcher werden- von dem Metall in das
Valenzelektronenband des Halbleiters übergehen, wie durch das in einen Kreis eingeschlossene
Positiv= zeichen 33 und den Pfeil angedeutet, der die Richtung des Flusses anzeigt.
Der gesamte LochstromfluB I" hat also die Form
Die Größe I" ist von der Kontaktfläche und von der Wahrscheinlichkeit eines Überganges
eines Loches aus dem Metall in den Halbleiter abhängig. Die Energie der Valenzelektronenbandkarte
an der Oberfläche ist mit E" bezeichnet. Dementsprechend ist der Strom I, welcher
aus dem Kontakt in den Halbleiter fließt
Wenn der Kontakt schwebt, wird EF den Wert Epo annehmen, für welchen I = 0 ist.
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Aus der Gleichung (4) ergibt sich:
Wenn eine Spannung h zwischen dem Metall und dem Halbleiter liegt, fällt der größte
Teil des Potentialabfalles in die Raumladungszone. Infolge des endlichen .Abstandes
zwischen dem Metall und der Oberfläche erscheint jedoch auch ein kleiner Bruchteil
der Spannung zwischen dem Metall und der Oberfläche. Dieser Bruchteil soll c sein.
Dementspreched wird für eine angelegte Spannung h die Fermi-Energie des Metalls
sich relativ zu den Energiebanden an der Oberfläche von EFO nach Ep=EFO-qcV
(6)
verschieben, wobei q eine Elektronenladung bedeutet. Wenn die Gleichungen
(5) und (6) in die Gleichung (4) eingesetzt werden, ergibt sich
Die experimentell ermittelten Kurven zeigen die Hauptmerkmale der Gleichung (7).
Es muß jedoch berücksichtigt werden, daß die Gültigkeit der Gleichung (7) auf kleine
Ströme und Spannungen begrenzt ist. Wenn der Strom wächst, steigt auch die Konzentration
der Elektronen oder Löcher vor dem Kontakt: Dementsprechend ist die Voraussetzung
von vernachlässigbaren kleinen Elektronenkonzentrationen oder Lochkonzentrationen
in dem Halbleiter nicht mehr haltbar. Die Elektronen oder Löcher verhindern auch
das elektrische Feld in der Nähe des Kontaktpunktes, se daß dementsprechend c abnimmt.
Die Raumladung beginnt also, mit anderen Worten, die Emission aus dem Kontaktpunkt
zu begrenzen. Es existiert also ein Übergang von der Stromspannungsbeziehung gemäß
Gleichung (7) zu einer Beziehung, welche einer durch die Raumladung begrenzten Emission
entspricht. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, daß man auch noch einen anderen
Grund dafür in Erwägung ziehen kann, daß c eine Funktion ist, welche sich mit der
angelegten Spannung gering ändert. Fürangelegte Spannungen, die groß genug sind,
werden die Ränder der Raumladungszone deformiert, wodurch sich der zwischen dem
Metall und der Halbleiteroberfläche auftretende Spannungsbruchteil ändert. Immerhin
zeigt die oben angegebene Ableitung, wieso keine Gleichrichtung für eine metallische
Spitze in der Raumladungszone auftritt und wieso sowohl für positive als
auch
für negative Vorspannungen Löcher bzw. Elektronen eingeführt oder injiziert werden.
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Es wird nun wieder die Art des Kontaktes betrachtet, der als Modulationskontakt
12 in der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung verwendet werden kann. Es ist, wie
bereits weiter oben festgestellt, für einen erfolgreichen Betrieb der Vorrichtung
gemäß Fig. 1 -wesentlich, daß der Modulationskontakt eine nennenswerte Gleichrichtungscharakteristik
in der Raumladungszone 8 zeigt. Es zeigte sich nun, daß ein stark dotierter Kontakt
mit P-Zone, welcher z. B. durch Legierung einer geringen Menge eines Verunreinigungsmaterials
der positiven Gattung an einem Halbleiterkörper 10 hergestellt werden kann,
einen Kontakt liefert, der die geforderte Bedingung erfüllt. Wenn man einen derartigen
Kontakt, beispielsweise durch die Batterie 13, - in umgekehrtem Sinne vorspannt,
nimmt dieser Kontakt 12 im wesentlichen keinen Strom auf. Dies ist aus folgendem
ersichtlich: Da der Kontakt 12 relativ zu der darunterliegenden Raumladungszone
8 negativ vorgespannt ist, können die Löcher in dem kleinen Kontakt mit P-Zone nicht
in die Raumladungszone fließen. Es sind jedoch einige Elektronen in dem Kontakt
mit P-Zone vorhanden. Deren Konzentration ist jedoch an der Grenze zwischen dem
positiven Kontakt und der Raumladungszone Null. Es existiert dementsprechend ein
Konzentrationsgradient in der Elektronenverteilung von der Innenseite des Positivkontaktes
oder -bereiches zu der Grenze zwischen diesem Kontakt und der Raumladungszone, der
einen außerordentlich kleinen Gleichstrom zur Folge hat. Dieser Gleichstrom liegt
in der Größenordnung von 10-7 Ampere für Germanium. Für Silizium liegt er noch um
einige Größenordnungen niedriger. Dieser Strom hängt so lange nicht von der durch
die Batterie 13 angelegten Vorspannung ab, wie die Vörspannung größer ist als einige
zehntel Volt, so daß dementsprechend die Ausgangsdifferentialimpedanz unendlich
ist. In den positiven Kontaktbereich 12 können von der Raumladungszone 8 infolge
der durch die Batterie 13 angelegten Gegenspannung keine Elektronen fließen. Der
Positivkontakt kann jedoch im Prinzip einige Löcher sammeln, die in der Raumladungszone
8 oder in dem neutralen Teil der RT-Zone 1 innerhalb etwa einer Diffusionslänge
der Raumladungszone auf thermischem Weg erzeugt wurden. Die Anzahl der gesammelten
Löcher hängt leicht von der Gegenspannung der Baterie 13 ab, so daß dementsprechend
dieser Zuschuß zu dem Stromfluß zu einer endlichen Eingangsdifferentialimpedanz
führt. Es zeigte sich jedoch, daß Eingangsimpedanzen in der Größenordnung von 30
Megohm ohne Schwierigkeiten erzielt werden können. Verbesserte Verfahren in der
Herstellung des Modulationskontaktes und in der Vermeidung von vagabundierenden
Strömen werden aller Voraussicht nach diese Ziffer noch auf höhere Werte bringen.
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In Fig. 11a ist ein Spacistor gemäß einer anderen Ausführungsform
des Erfindungsgedankens dargestellt. Das Bezugszeichen 60 bezeichnet allgemein einen
Körper aus Halbleitermaterial, z. B. aus Germanium oder Silizum, welcher eine P-Zone61
und eine N-Zone 62 hat. Die Zwischenfläche zwischen den beiden Bereichen bildet
einen PN-Übergang 63. Der PN-Übergang 63 wird in umgekehrter Richtung von einer
Batterie 64 vorgespannt, deren negative Klemme mit der Klemme 65 und deren positive
Klemme mit der Klemme 66 über eine als Widerstand 67 dargestellte Last verbunden
ist, so daß dementsprechend eine Raumladungszone 68 gebildet wird. Der Körper 60
hat weiterhin einen Stromträger einführenden Kontakt 69, welcher an dem Körper 60
innerhalb der Grenzen der Raumladungszone 67 angeordnet ist. Weiterhin hat der Körper
60 einen Modulationskontakt 70, der ebenfalls an dem Körper 60 innerhalb der Raumladungszone
angeordnet ist. Der Einführungskontakt 69 wird relativ zu der Raumladungszone 68
durch die Batterie 71 negativ vorgespannt, während der Modulationskontakt 70 relativ
zu der Raumladungszone 68 durch die Batterie 72 negativ vorgespannt wird. Die in
Fig. 11a dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsform darin, daß der Einführungskontakt 69 und der Modulationskontakt
70 den Körper 10 längs einer Linie berühren. Es sei im Interesse der Klarheit bemerkt,
daß die Kontakte 69 und 70 stark vergrößert dargestellt sind, soweit dies Breite,
Eindringungstiefe und Abstände betrifft. Bei dieser Ausführungsform kann der Einführungskontakt
69 ein stark N-dotierter Kontakt sein, der gebildet wird, indem ein Draht aus einem
N-Material oder einer N-dotierenden Legierung in den Körper 10 bis zu einer beschränkten
Tiefe einlegiert wird, so daß eine N-Linienkontaktzone gebildet wird. Der Modulationskontakt
70 kann ein stark P-dotierter Kontakt sein, der gebildet wird, indem ein Draht aus
einem P-Material oder einer P-Legierung bis zu einer beschränkten Tiefe in den Körper
10 einlegiert wird, so daß dementsprechend ein P-Linienkontaktbereich gebildet wird.
Die Wirkungsweise dieser speziellen Ausführungsform ist im wesentlichen dieselbe,
wie die unter Bezugnahme auf die Ausführungsform gemäß Fig. 1 beschriebene, wenn
eine Modulationssignalspannung an die Signaleingangsklemmen 73 angelegt wird. Der
Vorteil des in Fig. 11a dargestellten Aufbaues liegt hauptsächlich darin, daß größere
Werte von gm als mit den im Abstand angeordneten Punktkontakten erzielt werden können
und daß weiterhin die Vorrichtung bei höheren Leistungspegeln betrieben werden kann,
als wenn der Einführungskontakt und der Modulationskontakt im wesentlichen von Punktkontakten
gebildet werden.
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In Fig. 11 b ist noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung dargestellt. Der Körper des Halbleitermaterials 80 hat wie zuvor, eine
positive Zone 74 und eine negative Zone 75, die durch den PN-Übergang 76 voneinander
getrennt sind. Von der Vorspannungsbatterie 79 ist eine Seite über die Last 81 mit
der Klemme 77 und die andere Seite mit der Klemme 78 verbunden, so daß die Stoßstelle
76 in umgekehrter Richtung vorgespannt wird und eine Raumlaungszone 82 gebildet
wird. Ein Einführungskontakt 83, z. B. mit einem stark dotierten N-Bereich, liegt
an einer Oberfläche des Körpers 10. Der Kontakt 83 wird negativ relativ zu der Raumladungszone
82 von der Batterie 84 vorgespannt. An der dem Einführungskontakt83 gegenüberliegenden
Oberfläche des Körpers 10 ist ein Modulationskontakt 84, z. B. ein stark
P-dotierter Bereich, vorgesehen. Der Kontakt 84 wird ebenfalls negativ relativ zu
der Raumladungszone 82 durch die Batterie 85 vorgespannt. In ähnlicher Weise, wie
bei den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, kann hier die Emission der
Stromträger durch den Kontakt 83 moduliert werden, indem ein Signal von außen an
die Eingangsklemmen 86 angelegt wird. Der Vorteil der Anordnung des Einführungskontaktes
83 und des Modulationskontaktes 84 an gegenüberliegenden Flächen des Körpers 10
liegt wiederum hauptsächlich darin, daß größere Werte von g"t mit diesem Aufbau
erzielbar sind.
Es sei klargestellt, daß die Vorrichtungen gemäß
der vorliegenden Erfindung nicht auf Betriebsweisen beschränkt sind, wie sie beispielsweise
unter Bezugnahme auf die zuvor erläuterten Ausführungsformen erläutert wurden. Dies
heißt also, daß ein Betrieb mit einem zwischen dem Modulationskontakt und einem
festen Bezugspunkt von außen angelegten Modu-14tionssignal nicht unbedingte Voraussetzung
ist. Die Vorrichtungen können in verschiedener Art und Weise betrieben werden, wobei
immer noch ähnliche Ergebnisse, wie zuvor beschrieben, erzielt werden können. In
Fig. 12 ist ein Beispiel einer möglichen Abänderung der Betriebsweise veranschaulicht.
In Fig. 12 wurden dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet, da er Aufbau
und die Schaltungsanordnung gemäß Fig. 12 identisch mit derjenigen der Fig. 1 sind,
mit der einzigen Ausnahme, daß die Eingangsklemmen 14 gemäß Fig. 1 zwischen dem
Einführeungskontakt9 und der Klemme? und nicht zwischen dem Modulationskontakt 12
und der Klemme 7 wie in Fig. 1 liegen. Diese Anordnung ermöglicht, daß die äußere
Signalspannung an den Einführungskontakt 9 und nicht an den Modulationskontakt 12
angelegt wird. Mit der in Fig. 12 dargestellten Eingangsanordnung zeigt der Spacistor
eine niedrige Eingangsimpedanz und eine hohe Ausgangsimpedanz im Vergleich zu der
hohen Eingangsimpedanz und der hohen Ausgangsimpedanz, wie sie mit den zuvor beschriebenen
Ausführungsformen erzielt werden.
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Obgleich die Einführungskontakte und die Modulationskontakte in den
zuvor beschriebenen »Spacistoren« entweder als metallische Druckspitzen oder als
ein stark N-dotierter Bereich für den Einführungskontakt und P-dotiert für den Modulationskontakt
beschrieben wurden, sei klargestellt, daß P- und N-Dotierung auch vertauscht sein
können. So kann beispielsweise in dem Spacistor gemäß Fig. 11a der Einführungskontakt
69 ein stark P-dotierter Kontakt und der Modulationskontakt 70 ein stark N-dotierter
Kontakt sein. In diesem Fall wurden jedoch die Lage der P-Hauptzone 61 und der N-Hauptzone
62 und die Polaritäten der Batterien 64 71 und 72 relativ zu der in Fig. 11a dargestellten
Ausführungsform vertauscht.
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In den Fig. 10a und 10b sind die Charakteristiken der Stromträgereinführungskontakte
dargestellt, welche durch Verunreinigungen dotierte Kontakte und nichtmetallische
Druckspitzenkontakte sind. Die Charakteristiken der letzteren sind in den Fig. 8
a und 8 b in ähnlicher Art wie in den Fig. 10a und 10b
beschrieben. Wie in
der einem positiv angereicherten Kontakt entsprechenden Fig. 10a dargestellt ist,
wird ein Strom nur eingeführt, wenn der Kontakt in Flußrichtung, wie durch die Kurve90
veranschaulicht, vorgespannt wird. Wenn der Kontakt umgekehrt vorgespannt wird,
wird, wie durch die Kurve 91 gezeigt, im wesentlichen kein Strom eingeführt. Aus
Fig. 10b ist ersichtlich, daß, wenn der Kontakt nach vorwärts vorgespannt wird,
der eingedrückte Strom im wesentlichen vollständig aus Löchern besteht, wie durch
die Kurve 92 dargestellt, wogegen im wesentlichen keine Elektronen eingeführt werden,
wie aus der Kurve 93 ersichtlich ist. Infolge des damit verbundenen sehr geringen
Stromes ist kein eingeführter Strom dargestellt, wenn der angereicherte Kontakt
in umgekehrter Richtung vorgespannt wird.
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Es sei weiterhin klargestellt, daß, obwohl die Vorrichtungen gemäß
der Erfindung in erster Linie unter Bezugnahme auf Fälle beschrieben wurden, in
welchen der Körper des halbleitenden Materials im wesentlichen aus Germanium oder
Silizium zusammengesetzt ist, die Vorrichtungen nicht auf die Verwendung nur dieser
beiden halbleitenden Materialien beschränkt sind. Es kann jedes feste halbleitende
Material verwendet werden, dessen elektrische Leitfähigkeitscharakteristik durch
Einfluß von Verunreinigungsatomen geändert werden kann. Beispiele derartiger halbleitender
Substanzen sind Siliziumkarbid, Verbindungen der Elemente der Gruppe III und V des
Periodischen Systems nach M e n d e 1 j e e v und Verbindungen aus den Gruppen II
und VI des Periodischen Systems. Da die Spacistoreinrichtungen gemäß der vorliegenden
Erfindung unabhängig von der Lebensdauer der Stromträger arbeiten, da diese hier
keine Basisregion zu durchlaufen haben, wie dies in einem Transistor der Fall ist,
können zur Herstellung von Spacistoren mit Erfolg viele halbleitende Materialien
verwendet werden, die infolge dieses Problems zur Herstellung von Transistoren nicht
geeignet sind. In diesem Zusammenhang sind besonders diejenigen Materialien interessant,
die bei Hochtemperaturbetrieb sehr große Energielücken haben.
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Unabhängig von den beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen gemäß
der Erfindung können verschiedene Anpassungen und Abwandlungen ohne Abweichung von
dem Erfindungsgedanken vorgenommen werden. So können beispielsweise, obgleich lediglich
zwei innerhalb der Raumladungszone des Spacistors liegende Steuerkontaktelektroden
dargestellt wurden, weitere Kontakte vorgesehen werden, um eine weitere Kontrolle
über den Stromträgerfluß in der Vorrichtung analog beispielsweise dem Schirmgitter
und dem Bremsgitter in einer Vakuumröhre zu erzielen.