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Transistor zum Schalten mit teilweise fallender Charakteristik und
einem Halbleiterkörper mit der Zonenfolge npp+n+ bzw. pnn+p+ In der Halbleitertechnik
ist eine Reihe von Bauelementen bekannt, deren Stromspannungscharakteristik einen
Bereich mit negativer Steigung aufweist. Eine solche Charakteristik, wie sie auch
von Gasentladungsröhreen bekannt ist, kann für Schaltzwecke ausgenutzt werden, weil
die an den fallenden Bereich angrenzenden Teile der Kennlinie einmal einen sehr
hohen Widerstand (Sperrzustand) und einmal einen sehr niedrigen Widerstand (Flußzustand)
repräsentieren.
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Die teilweise fallende Stromspannungskennlinie läßt sich bei allen
Halbleiterschaltelementen auf sich wechselseitig verstärkende Vorgänge zurückführen.
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Bei einer Gattung von Halbleiterschaltelementen wird von einer lawinenartigen
Ladungsträgervermehrung auf Grund der bei hohen Feldstärken auftretenden Stoßionisation
Gebrauch gemacht. Derartige Lawinentransistoren sind nur schwer mit reproduzierbaren
Daten herzustellen.
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Ein anderer Mechanismus zur Erzielung einer fallenden Kennlinie besteht
in der Potentialabsenkung in einem Halbleiterkörper durch eine Minderheitsladungsträger
injizierende Elektrode, die über einen Potentialabbau vor der Elektrode eine stärkere
Injektion hervorruft.
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Ein solcher Kippmechanismus findet einmal beim Spitzentransistor mit
Basiswiderstand, zum anderen in abgewandelter Form bei der Doppelbasisdiode, den
Doppelbasistransistoren (Fadentransistoren) und den daraus weiterentwickelten Schalttransistoren
mit gestörtem Kollektorübergangoder StromengekontaktAnwendung. Die Spitzentransistoren
besitzen neben ihren sonstigen bekannten Nachteilen ein zu kleines Schaltverhältnis,
und die Doppelbasisdiode und ihre Abwandlungen können nur kleine Leistungen in verhältnismäßig
großen Zeiten schalten.
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Verhältnismäßig große Leistungen in sehr kurzen Zeiten schaltet dagegen
der- Schalttransistor mit gestörtem Kollektorübergang oder Stromengekontakt. Bei
ihm wird die sperrfrei auszuführende Eintrittsstelle für den das Potential vor dem
Emitter absenkenden, dauernd fließenden Mehrheitsladungsträgerstrom durch eine Störung
der Sperrschicht vor dem Kollektor, z. B. durch eine die Sperrschicht durchdrinende
Wolframspitze, dargestellt. Infolge des sehr' kleinen Eintrittsquerschnitts des
Mehrheitsladungsträgerstroms spricht man hier von einem Stromengekontakt. Derartige
Stromengekontakte sind bei Germanium relativ leicht, bei Silizium dagegen nur mit
Schwierigkeiten herstellbar. Bei einer anzustrebenden Steuerung des Schalttransistors
über den Stromengekontakt auf der Kollektorseite, also einer Steuerung des Mehrheitsladungsträgerstroms,
stellt der Stromengekontakt zudem einen hohen Vorwiderstand vor der eigentlichen
steuerbaren Basisschicht vor dem Emitter dar, so daß eine solche Steuer rung wenig
aussichtsreich erscheint.
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Es ist weiter ein Transistor mit teilweise fallender Charakteristik
bekannt, der aus einem langgestreckten Halbleiterkörper vom n-Tlvp besteht, an den
sich eine Zone erhöhter p-Leitfähigkeit anschließt. An zwei gegenüberliegenden Seiten
des Halbleiterkörpers sind zwei sperrend ausgeführte Basiselektroden angebracht.
Bei diesem Transistor handelt es sich um eine Steuerung des Durchflußquerschnittes
eines von einer sperrfreien Elektrode ausgehenden Mehrheitsladungsträgerstroms,
wie sie bei Unipolar- oder Feldeffekttransistoren üblich ist. Durch eine sperrend
ausgeführte Senkenelektrode werden zusätzlich Minderheitsladungsträger in den n-Teil
des Halbleiterkörpers emittiert, welche die Vorspannung der beiden Basis-oder -
besser - Torelektroden im Sinne einer Vergrößerung des Durchflußquerschnittes des
Mehrheitsladungsträgerstroms verändern, der wiederum eine stärkere Injektion von
Minderheitsladungsträgern zur Folge hat (deutsche Patentschrift 943 964, Fig. 2).
Eine solche Halbleiteranordnung bedingt wie alle Unipolartransistoren wegen der
beiden in einem kleinen gegenseitigen Abstand anzubringenden Torelektroden eine
ziemlich schwierige Herstellung und garantiert kein hohes Schaltverhältnis, da bei
ihr der pn-Übergang der Senkenelektrode dauernd in Durchlaßrichtung vorgespannt
ist.
Die Erfindung betrifft demgegenüber einen Transistor zum Schalten
mit teilweise fallender Charakteristik und einem Halbleiterkörper mit der Zonenfolge
npp+n+ bzw. pnn+p+ und mit flächenhaften Elektroden als Emitter bzw. Kollektor an
den beiden äußeren Zonen.
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Die oben geschilderten Nachteile der bisherigen Tranistoren mit teilweise
fallender Charakteristik werden nach der technischen Lehre der Erfindung dadurch
beseitigt, daß der p+n+-Übergang an der Kollektorelektrode mit einer so hohen Dotierung
der p+- bzw. n+-Zonen versehen ist, daß der eine Durchbruchsspannung von höchstens
20 Volt aufweist, und daß beim Erreichen der Durchbruchsspannung am p+n+-Übergang
ein vom Kollektor, der an der äußeren n+- bzw. p+-Zone angebracht ist, ausgehender,
zur ohmschen Basiselektrode an der mittleren p- bzw. n-Zone fließender Mehrheitsladungsträgerstrom
das Potential vor dem pn-Übergang am Emitter absenkt und dadurch die Injektion von
Minderheitsladungsträgern an der Emitterelektrode vermehrt ist.
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Es sei erwähnt, daß Halbleiterkörper und auch Transistoren mit einer
Zonenfoge npp+n+ bzw. pnn+p+ an sich bereits bekannt sind. Dabei handelt es sich
um Transistoren, bei denen die Basiszone aus Gründen der Erhöhung der Grenzfrequenz
aus zwei Schichten verschiedener Leitfähigkeit besteht. Derartige Transistoren weisen
keine teilweise fallende Charakteristik auf und werden lediglich in Verstärkerschaltungen
betrieben (deutsche Auslegeschrift 1 005 1ß4) .
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Der bei dem bekannten Schalttransistor mit gestörtem Kollektorübergang
notwendige Stromengekontakt kann bei dem Transistor gemäß der Erfindung wegfallen,
so daß sich einmal eine einfachere Herstellung ergibt; zum anderen entfällt damit
der hohe Vorwiderstand des Stromengekontaktes im Mehrheitsladungsträgerstromkreis,
so daß nunmehr auch eine Steuerung des Mehrheitsladungsträgerstromes möglich ist.
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Für die Steuerung eine solchen Transistors ergeben sich zwei Möglichkeiten.
Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Umschalten vom Sperrzustand
in den Flußzustand zwischen der Emitter- und Kollektorelektrode durch Anlegen einer
kleinen Signalspannung zwischen Emitter- und Basiselektrode bei einer dauernd angelegten,
die Durchbruchsspannung erreichenden oder leicht übersteigenden Kollektor-Basis-Vorspannung
ausgelöst.
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:Dach einem weiteren besonders zweckmäßigen Ausführungsbeispiel der
Erfindung wird das Umschalten vom Sperrzustand in den Flußzustand zwischen der Emitter-
und Kollektorelektrode durch Anlegen einer kleinen Signalspannung und einer Ruhevorspannung,
die beide die Durchbruchsspannung überschreiten, an der Kollektorelektrode vorgenommen.
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An die Emitterelektrode ist dabei eine derartige Vorspannung angelegt,
daß das durch die Signalspannung in der mittleren p- bzw. n-Zone aufgebaute Potential
das Emitterpotential unterschreitet.
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Gegebenenfalls kann man beide Ausführungsformen kombinieren und kommt
so zu einer Koinzidenzschaltung, bei der das erste Signal am Emitter, das andere
am Kollektor zugeführt wird.
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Man kann den Transistor gemäß der Erfindung auch als einen Transistor
auffassen, bei dem der pn-Übergang des Kollektors eine Zenerdiode darstellt. Da
der Übergang vom Sperrgebiet in das Zener-Durchbruchsgebiet außerordentlich steil
erfolgt, genügt bei der letzteren Steuerungsart eine geringfügige Erhöhung der Kollektorspannung,
um einen Strom von Mehrheitsladungsträgern über die Zenerdiode des Kollektors zur
Basis fließen zu lassen und damit den instabilen Mechanismus auszulösen. Der Schalttransistor
bietet also, den Vorteil, neben der bekannten Steuerung über die Emitterelektrode
eine solche über die Kollektorelektrode zu ermöglichen, wobei der Kollektor sowohl
mit der Basis wie auch mit dem Emitter verbunden werden kann.
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Im folgenden wird an Hand von zwei Figuren der Schalttransistor nach
der Erfindung näher erläutert. Fig. 1 zeigt den Aufbau des Schalttransistors; Fig.2
zeigt die Potentialverhältnisse an den drei Elektroden des Schalttransistors bei
den verschiedenen Einsteuermöglichkeiten von der Emitter- oder Kollektorseite aus
in drei Schaubildern.
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Der Schalttransistor nach Fig. 1 besteht aus einem Halbleiterkörper
1, der vorzugsweise aus hochohmigem halbleitendem Germanium oder Silizium zusammengesetzt
ist. Ein solches Material ist im allgemeinen leicht p-leitend. Dieser Halbleiterkörper
ist beispielsweise mit einer ringförmigen Elektrode 2 als Basiselektrode sperrfrei
kontaktiert. Auf der Kollektorseite ist der Halbleiterkörper mit dem gleichen Metall,
das seinen Leitungstyp bestimmt, stark p-dotiert. Diese p-dotierte Oberflächenschicht
3 ist sehr niederohmig. Auf die Schicht 3 wird, vorzugsweise durch einen Legierungsprozeß,
ein n-leitender Kollektorkontakt 4 aufgebracht. - Durch die beiderseitige erhöhte
Dotierung ergibt sich ein pn-Übergang mit einer niedrigen Zener-Durchbruchsspannung
von etwa 10 Volt. Die gegenüberliegende Seite des Halbleiterkörpers 1 erhält einen
normalen injektionsfähigen pn-Übergang als Emitter 5. Der Schalttransistor besteht
also aus einer normalen Injektionsdiode 5 als Emitter- und einer Zener-Durchbruchsdiode
4 als Kollektor-pn-Übergang.
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Im Normalzustand erhalten beide Dioden eine Vorspannung gegen die
Basis in Sperrichtung. Der Schalttransistor ist hochohmig und sperrend im offenen
Zustand. Wenn jetzt die Zenerdiode 3-4, also der pn-Übergang des Kollektors, eine
höhere Spannung gegen die Basis erhält, so daß er durchbricht, so entsteht im Halbleiterkörper
1 ein Spannungsabfall, der auch das Potential unmittelbar vor der Emitterelektrode
5 beeinflußt, und zwar wird das Potential vor dem Emitter 5 in Richtung auf das
Zenerdioden-, d. h. Kollektorpotential vorgespannt. Das bedeutet aber, daß der Emitter
5 in Flußrichtung eine Vorspannung erhält, also emittiert. Damit wird der Weg vom
Emitter 5 zum Kollektor 4 sehr niederohmig. Der Schalttransistor befindet sich im
leitenden Zustand.
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Man kann den leitenden Zustand des Transistors hier von zwei Seiten
her auslösen.
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Einmal geschieht dies von der Emitterseite her. Hierzu wird der pn-Übergang
des Kollektors so weit vorgespannt, daß die Zener-Durchbruchsspannung erreicht oder
leicht überschritten ist. Die Emitterspannung wird so eingestellt, daß der Emitter
noch nicht emittiert. Die Zündung erfolgt jetzt von der Emitterseite. Ein kleines
Signal zwischen Emitter 5 und Basis 2 bewirkt einen Widerstandsabbau im Halbleiterkörper
1 zwischen Kollektor 4 und Basis 2, da nur Minoritätsträger injiziert werden. Man
hat hier die Möglichkeit, die Kollektorseite 4 (Zenerdiode 3-4) niederohmig unabhängig
voneinander sowohl mit der Basis 2 wie mit dem Emitter 5 (Injektionsdiode 5-1) zu
verbinden. Die einzelnen Schritte sind in den
Fig. 2 a bis 2 c in
ihrem Potentialaufbau wiederge geben.
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Zum zweiten besteht die Möglichkeit der Steuerung von der Kollektorseite
her. Hier geht man so vor, daß bereits die Spannung an der Zenerdiode 3-4 sowohl
den Durchbruch zur Basis 2 wie auch zum Emitter 5 bewirkt, d. h., die Kollektorspannung
muß so groß gewählt bzw. das Emitterpotenial der Injektionsdiode 5-1 so nahe beim
Basispotential liegen, daß in einem Schritt der Zustand der Sperrung (Fig.2a) in
den Zustand der Leitung (Fig. 2c) übergeführt wird.
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Man wird das Halbleiterbauelement mit ringförmiger Basis ausführen.
Die Widerstände zwischen Kollektor-Basis und Emitter-Basis sind dann sauber voneinander
getrennt. Die Zenerdiode des Kollektors 4 wird dann im Zentrum der ringförmigen
Basis 2 angebracht. Ebenfalls können mehrere Emitterdioden 5-1 und/oder auch mehrere
Zenerdioden 3-4 auf einem gemeinsamen Halbleitergrundkörper 1 angebracht sein. Die
Schaltmöglichkeiten vervielfachen sich dann, z. B. können bei zwei Kollektor-Zenerdioden
die beiden Kollektoren unabhängig voneinander zum Emitter mit Hilfe kleiner Schaltsignale
auf der Kollektorseite durchgeschaltet werden. .
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Der Schalttransistor nach der Erfindung bietet folgende Vorteile gegenüber
den bekannten Schalttransistoren: Er ist im gesperrten Zustand bei Steuerung über
den Kollektor bis auf geringfügige Sättigungsströme stromlos. Der bei bisherigen
Schalttransistoren notwendige sperrfreie Kontakt zur Zuführung des Mehrheitsladungsstroms
(Stromengekontakt) fällt fort, und es sind höhere Belastungen möglich. Außerdem
bietet sich die Möglichkeit der unabhängigen Durchschaltungen zur Basis oder zum
Emitter.