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Halbleiteranordnung zum Schalten mit teilweise negativer Widerstandskennlinie
mit einem langgestreckten Halbleiterkörper In der Halbleitertechnik ist eine Reihe
von Bauelementen bekannt, deren Stromspannungscharakteristik einen Bereich mit negativer
Steigung aufweist. Eine solche Charakteristik, wie sie auch von Gasentladungsröhren
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 Fehlstärken auftretenden Stoßionisation
Gebrauch gemacht. Für den Ionisationsprozeß ist jedoch eine Mindestfeldstärke notwendig,
so daß bei diesen Schaltertypen eine Restspannung zwischen Eingangs- und Ausgangselektrode
aufrechterhalten werden muß.
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Ein anderer Mechanismus zur Erzielung einer fallenden Kennlinie besteht
in der Widerstandsabsenkung 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 Kollektorübergang Anwendung. Die Spitzentransistoren besitzen neben
ihren sonstigen bekannten Nachteilen ein zu kleines Schaltverhältnis, die Doppelbasisdiode
kann nur kleine Leistungen in verhältnismäßig großen Zeiten schalten, beim Schalttransistor
mit gestörtem Kollektorübergang fließt ein dauernder, wenn auch kleiner Strom vom
Kollektor zur Basis ab.
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Eine weitere Möglichkeit, eine bei Flächentransistoren sonst nicht
erzielbare Stromverstärkung > 1 und damit eine Schaltcharakteristik zu erzielen,
besteht in der Anwendung einer pnp-npn-Transistorkombination, die auch zu einem
pnpn-Transistor (Hook-Transistor) vereinigt werden können. Ein solches aus drei
pn-Übergängen und vier Schichten, von denen zwei sehr dünn ausgeführt sein müssen,
bestehendes Bauelement ist schwer zu fertigen, und die genau einzuhaltenden verschiedenen
Stromverstärkungsfaktoren sind schlecht reproduzierbar.
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Die gleichen Nachteile haften auch der dem Hook-Transistor ähnlichen
Vierschichtendiode an, die lediglich noch an den beiden Endschichten kontaktiert
ist und sich daher leicht in Schaltungen einfügen läßt. Bei ihr bewirkt der Spannungsdurchbruch
eines pn-Übergangs die Injektion eines weiteren pn-Übergangs und damit das Leitendwerden
der gesamten Vierschichtendiode.
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Das Halbleiterschaltelement gemäß der Erfindung zeichnet sich gegenüber
den vorerwähnten Anordnungen durch einfache Fertigung und dennoch hohen Schalterwirkungsgrad
aus, obwohl es nur einen pn-Übergang besitzt und daher wie die Vierschichtdiode
mit drei pn-Übergängen nur zwei äußere Anschlüsse aufweist.
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Die Halbleiteranordnung zum Schalten mit teilweise negativer Widerstandskennlinie
besteht aus einem langgestreckten Halbleiterkörper, der auf seiner einen Stirnfläche
sperrfrei, auf seiner anderen Stirnfläche über zwei Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps,
die einen pn-Übergang bilden, kontaktiert ist. Gegenüber den verschiedenen erwähnten
Halbleiteranordnungen mit thyratronähnlicher Charakteristik ist die Halbleiteranordnung
erfindungsgemäß so ausgeführt, daß das Material des Halbleiterkörpers einen spezifischen
Widerstand von wenigstens 100 62 - cm aufweist, daß die beiden Zonen entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps derart hochdotiert, daß eine Durchbruchspannung von höchstens
20 V auftritt und daß durch eine Querschnittsverengung des Halbleiterkörpers von
der sperrfreien Elektrode zum pn-Übergang und/oder durch Freiätzung des pn-Übergangs
ein möglichst hoher Sperrwiderstand von mindestens 1 kQ erzielt ist.
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Es sei erwähnt, daß ein Transistor, also eine Halbleiteranordnung
mit mehreren pn-Übergängen bekannt
ist, der eine thyratronähnliche
Charakteristik aufweist. Dieser Transistor besteht aus einem langgestreckten Halbleiterkörper
und ist auf seiner einen Stirnfläche sperrfrei, auf seiner anderen Stirnfläche über
einen pn-Übergang kontaktiert (deutsche Patentschrift 943 664). Im Gegensatz zu-
der Anordnung nach der Erfindung handelt es sich bei diesem Transistor um eine Steuerung
des Durchflußquerschnitts eines von einer sperrfreien Elektrode ausgehenden Mehrheitsladungsträgerstromes
durch zwei einander gegenüberliegende, sperrend ausgeführte Basis- (Tor-) Elektroden.
Dabei injiziert die Kollektorelektrode zusätzlich Minderheitsladungsträger, die
die Basis- (Tor-) Elektroden im Sinne einer Vergrößerung des Durchflußquerschnitts
des Mehrheitsladungsträgerstromes vorspannen, welcher wiederum eine Erhöhung des
Minderheitsladungsträgerstromes bedingt. Eine derartige Transistoranordnung ist
mit ihren drei pn-Übergängen, insbesondere den Torelektroden, schwer zu fertigen
und ergibt wegen der injizierenden Kollektorelektrode kein gutes Schaltverhältnis.
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Erwähnt sei weiter, daß bereits ein pni- bzw. npi-Transistor, also
ein Halbleiterbauelement mit zwei pn-Übergängen bekannt ist, das aus einem eigenleitenden
Halbleiterstab bestehen soll, der auf seiner einen Stirnfläche sperrfrei über einen
np-Übergang kontaktiert ist. Der zweite pn-Übergang soll bei ihm zwischen der i-Schicht
und der p- bzw. n-Schicht des ersten pn- bzw. np-Übergangs liegen. Demgegenüber
weist,das Halbleiterschaltelement gemäß der Erfindung nur einen pn-Übergang auf.
Im übrigen hat der bekannte Transistor eine Stromverstärkung C 1 und damit keine
thyratronähnliche Charakteristik (deutsche Auslegeschrift 1035 780). Eine
solche tritt erst durch die gemeinsame Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung
auf.
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Im folgenden wird die Wirkungsweise des Schaltelementes an Hand mehrerer
schematischer Darstellungen näher erläutert.
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Fig. 1 a zeigt den prinzipiellen Aufbau des Halbleiterschaltelementes
nach der Erfindung; Fig. 1 b bis 1 d stellen die Potentialverhältnisse längs des
Halbleiterschaltelementes nach der Fig. 1 a dar; Fig. 2 zeigt schließlich ein praktisches
Ausführungsbeispiel des Halbleiterschaltelementes nach Fig. 1. Wie die Fig. 1 a
zeigt, besteht das Schaltelement aus einem Halbleiterkörper mit einem np-Übergang
1-2, der sowohl auf der n-Seite 1 (n-(-) wie auch auf der p-Seite 2 stark dotiert
(p+) ist, daß ein Zener-Durchbruch schon bei niedrigen Sperrspannungen auftritt.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß der Zener-Durchbruch auf den plötzlichen
Übergang von Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband durch hohe Dotierung,
nicht auf eine Stoßionisation infolge sehr hoher außen angelegter Spannungen zurückzuführen
ist. Aus diesem Grunde läßt_ sich bekanntermaßen bei entsprechend hohen, durch hohe
beidseitige Dotierung möglichen Potentialgradienten ein Zener-Durchbruch schon bei
Spannungen in der Größe von 6 V und weniger erzielen. An diesen np-Übergang 1-2
schließt sich eine Zone 3 an, die aus einem sehr hochohmigen Halbleitermaterial
gefertigt ist. Vorteilhaft wird man hochgereinigtes Silizium mit einem spezifischen
Widerstand von 100 bis 100009-cm verwenden, das meistens als schwach p-leitend angenommen
werden kann. Durch die langgestreckte Form des hochohmigen Teils des Bauelementes
wird so im Ruhezustand ein sehr hoher Widerstand erzielt, der jedoch stromabhängig
ist. An dem dem Zener-np-Übergang gegenüberliegenden Ende des hochohmigen Halbleiterkörpers
3 ist eine sperrfreie Kontaktierung 4 vorgesehen. Das Halbleiterschaltelement stellt
somit die Kombination einer Zenerdiode 1-2 mit einem stromabhängigen Widerstand
3 dar.
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Die Wirkungsweise wird an Hand der Fig. 1 b bis 1 d erklärt, die den
Potentialverlauf längs des Schaltelementes in drei Phasen zeigen. Wird an das Halbleiterschaltelement
eine Spannung in Sperrichtung angelegt, so fließen zunächst die sehr kleinen Sättigungsströme
der Diode 1-2, bis die Sperrspannung die Zener-Durchbruchsspannung erreicht. Der
Potentialverlauf für diesen Fall ist in der Fig. 1 b gezeigt. Solange der Stromfluß
noch sehr klein ist, tritt am Widerstand des hochohmigen Halbleiterkörpers ein Spannungsabfall
d h = I - R auf, wobei I der Strom über dem Zener-np-Übergang
und R der Widerstand des Halbleiterkörpers ist. Wird jetzt die Spannungsdifferenz
am np-Übergang gesteigert, so tritt der Moment ein, in dem der gesteigerte Strom
den Widerstand des Halbleiterkörpers abbaut (Fig. 1 c). Hierdurch wird mehr Potential
zwischen dem p- und n-Teil des np-Übergangs wirksam, so daß infolge der Zener-Charakteristik
ein erheblich größerer Strom fließt, der den Widerstand des Halbleiterkörpers weiter
herabsetzt. Hierdurch wird ein noch höheres Potential an den np-Übergang gelegt,
der einen noch größeren Strom und damit einen nahezu vollständigen Abbau des Widerstandes
des Halbleiterkörpers hervorruft (Fig. 1 d). Damit befindet sich das Halbleiterschaltelement
im Flußzustand. Es genügt dann die relativ niedrige DurchbruchsspannungZS des Zener-np-Übergangs,
um das Halbleiterschaltelement im Flußzustand zu halten.
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Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Halbleiterschaltelementes
gemäß der Erfindung. Durch Diffusion von Bor, Aluminium oder einem anderen p-dotierenden
Element erhält der langgestreckte Halbleiterkörper 3 aus hochohmigem Silizium mit
1000 62 - cm spezifischem Widerstand an seinem einen Ende eine stark dotierende
p-Schicht 2 von rund 10 1, Stärke. Auf diese p-Schicht 2 wird durch ein Legierungsverfahren
eine stark n-leitende Gold-Antimon-Legierungsschicht 1 aufgebracht. Es entsteht
so ein stark n- und ein stark p-dotierter np-Übergang 1-2, der eine niedrige Zener-Durchbruchsspannung
von rund 6 V besitzt. Um einen möglichst hochohmigen (schwach p-leitenden) Halbleiterkörper
anzuschließen, empfiehlt es sich, die Fläche des Zener-np-Übergangs 1-2 relativ
klein zu halten und den Halbleiterkörper 3 in der Längsrichtung auszudehnen.
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Um nicht durch die stark-p-leitende Oberfläche den Widerstand des
Halbleiterkörpers 3 zu vermindern, wird nach Fig.2 rings um den Zener-npÜbergang
das hochohmige Halbleitermaterial 3 abgeätzt, so daß der hochohmige Halbleiterkörper
einen veränderlichen Querschnitt aufweist, der an der dem np-Übergang zugewandten
Seite am kleinsten ist und dem wirksamen Querschnitt des Zener-np-Übergangs entspricht.
An dem sperrfrei kontaktierten Ende erreicht der Halbleiterkörper seinen größten
Querschnitt, so daß hier eine gute Wärmeableitung an die als Metallblock ausgebildete
Elektrode 4 gegeben ist. Eine gute Wärmeableitung ist wesentlich, damit sich bei
erhöhtem Stromfluß keine den Kippvorgang störenden thermischen Effekte ausbilden
können.
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Der hochohmige, infolge der Kristallbaufehler im allgemeinen leicht
p-leitende Halbleiterkörper wird sperrfrei, z. B. mit Aluminium, durch die Elektrode
4
kontaktiert. Den Widerstand R des Halbleiterkörpers kann man etwa
folgendermaßen abschätzen: Der Widerstand R ist
wobei 2 der spezifische Widerstand, L die Länge des Halbleiterkörpers 3 und F die
Fläche der Zenerdiode 1-2 darstellt. Für die Annahme l = 0,1 cm und F = 1 - 10-2
cm2 ergibt sich bei einem o von 1000 9 - cm
Ein solcher Widerstand dürfte in vielen Fällen für Schaltanwendungen ausreichen.