-
Nadeltransistor mit einem Halbleiterkörper aus einem Germaniumkristall
und Verfahren zum Herstellen Die heute üblichen Germanium-Transistoren mit Nadelelektroden
bestehen im Wesen aus einem Germaniumkristall, aus einer den Kristall tragenden
metallischen Stromzuführung, dem sogenannten Basiskontakt, und aus mindestens zwei
auf dem Kristall aufliegenden Kontaktnadeln, einer das ganze System in einer bestimmten
Lage fixierenden Halterung und einem Gehäuse. Die eine der beiden Nadeln ist die
sogenannte Emitternadel, die andere die sogenannte Kollektornadel. Nach den neuesten
Theorien dieser Nadeltransistoren kommt die Transistorwirkung, die hauptsächlich
in Leistungsverstärkung besteht, dadurch zustande, daß durch die Emitternadel Ladungsträger
in den Germaniumkristall gelangen. Diese Ladungsträger, die im Germaniumkristall
entsprechend seinem Typ (p- oder n-Typ) im Verhältnis zu den die Stromführung bewirkenden
Ladungsträgern ursprünglich nur in Minderheit sind, beeinflussen, indem sie zur
Kollektornadel wandern, in der Umgebung der Berührungsstelle des Kollektors mit
dem Kristall die elektrischen Verhältnisse im Kristall derart, daß der Strom im
Kollektorkreis zunimmt bzw. sich unter der steuernden Einwirkung des Emitterkreises
ändert. So sind in einem Germaniumkristall des n-Typs die in Mehrheit vorhandenen
Ladungsträger Elektronen, die in Minderheit vorhandenen Ladungsträger, die sogenannten
Defektelektronen, die positiven Löcher. Das Eindringen bzw. Emittieren der Defektelektronen
wird dadurch ermöglicht, daß z. B. an der Oberfläche eines Germaniumkristalls des
n-Typs zufolge des Energiezustandes der Oberfläche eine an Mehrheitladungsträgern
verarmte Schicht besteht, die das Eindringen der Defektelektronen von der Kontaktoberfläche,
z. B. von der Nadelelektrode, in den Germaniumkristall unter der Einwirkung der
auf die Emitternadel geschalteten positiven Spannung erleichtert. Die Emitterkontaktnadel
positiver Vorspannung und die an Mehrheitsladungsträgern verarmte Oberflächenschicht
des Germaniumkristalls sind also gleichwertig einer ideelen Schicht des p-Typs,
also einer als Mehrheitsladungsträger Löcher enthaltenden Schicht, die auf der Oberfläche
des Germaniumkristalls des n-Typs liegend angenommen werden kann. Es hat sich gezeigt,
daß eine gute Transistorwirkung nur mit einer Kollektornadel erreicht werden kann,
deren Material, mindestens in Spuren, Elemente enthält, welche eine dem Germaniumkristall
entsprechende Leitfähigkeit verleihen, also z. B. im Falle eines Germaniumkristalls
des n-Typs Elemente der Gruppe V des Periodischen Systems.
-
Bekanntlich spielt das sogenannte Formieren in der Technologie der
Herstellung der Germanium-Transistoren mit Nadelelektroden eine wesentliche Rolle.
Das Wesen dieses Formierens besteht darin, daß man der in Sperrichtung vorgespannten
Kollektornadel einen Stromimpuls entsprechender Größe erteilt. Es zeigt sich, daß
eine Transistorwirkung sich erst nach diesem Formierungsprozeß in einem ausreichenden
Ausmaß einstellt. Es wird allgemein angenommen, daß die Wirkung dieses Formierungsprozesses
darin besteht, daß in der unmittelbaren Umgebung der Kollektornadel im Germaniumkristall
des n-Typs sich eine Schicht des p-Typs ausbildet. Es gelang, das Vorhandensein
dieser Schicht unmittelbar nachzuweisen. Im Laufe dieses Formierungsvorganges können
jedoch auch im Material der in der Regel aus Phosphorbronze bestehenden Nadel vorhandene
Verunreinigungen, z. B. Phosphor, in den Kristall gelangen, welche in einem Germaniumkristall
Stromleitung des n-Typs verursachen, obzwar diese Verunreinigungen keine nachweisbare
Schicht des n-Typs erzeugen. Diese zum Teil nachweisbaren, zum Teil nicht nachweisbaren
Schichten werden im Schrifttum zur Erklärung der von der Theorie abweichenden Eigenschaften
des Germanium-Nadeltransistors herangezogen. So wird z. B. die den theoretischen
Wert vielfach übersteigende Stromverstärkung auf diese Ursache zurückgeführt (Theorie
der pnpn-Übergänge).
Die KollektornadeIn für Transistoren werden
im allgemeinen aus verschiedenen Legierungen hergestellt, und zwar mit Rücksicht
auf die erwünschte hohe mechanische Festigkeit meistens aus verschiedenen Bronzearten.
Es.ist bekannt, daß die eine Komponente der Bronze Phosphor, also ein Element der
Gruppe V des Periodischen Systems, ist. Das Vorhandensein des Phosphors war zwar
vorteilhaft, der Gehalt an Kupfer dieser Legierung war jedoch schädlich, da das
Kupfer rascher diffundiert als Phosphor und so im Kristall sogenannte »Fallen« bildet,
welche das Entstehen der p- bzw. n-Schichten verhindern. Außerdem ist es ein Nachteil,
daß, falls die Menge der Legierungskomponenten der Gruppe V über einem bestimmten
Maß liegt, die Bronzen brüchig werden, so daß aus solchen Bronzelegierungen Nadeln
überhaupt nicht hergestellt werden können. Die Bronzenadeln sind aber auch aus elektrischen
Rücksichten nicht vorteilhaft, da unter dem Einfluß des Formierens ihr Widerstand
in der Sperrrichtung abnimmt.
-
Zur Vermeidung dieser Nachteile ist es bereits bekannt, den Nadeltransistor
mit einem Halbleiterkörper aus einem Germaniumkristall, der den Halbleiterkörper
eines Nadeltransistors bildet, mit einer flächenhaften Basiskontaktelektrode und
mindestens je einer angedrückten Kollektor- und Emitternadelelektrode zu versehen.
Weiter ist es bekannt, bei dem Transistor beim Formieren mindestens zwischen einer
der Nadelelekroden und dem Halbleiterkörper zwei Schichten abwechselnden Leitungstyps
zu bilden, von denen die eine unter dem Einfluß der Formierimpulse durch lokale
Erwärmung und die andere aus einem dotierenden Überzug auf der Oberfläche der einen
Nadelelektrode entstanden ist. Die Erfindung bezieht sich auf einen solchen Nadeltransistor.
-
Es hat sich nun gezeigt, daß es schwierig ist, den dotierenden Überzug
gut haftend auf der Oberfläche der einen Nadelelektrode aufzubringen. Diese Aufgabe
wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zwischen dem dotierenden Überzug und
der Oberfläche der Nadelelektrode aus Tantal, Wolfram oder Molybdän eine indifferente,
d. h. nicht dotierende Zwischenmetallschicht, z. B. aus Silber, zur besseren Haftung
des dotierenden Überzuges angebracht wird.
-
Der Eingangswiderstand der Nadeltransistoren ist hierbei kleiner als
bei bisher bekannten Nadeltransistoren und der Ausgangswiderstand größer als der
übliche, wobei gleichzeitig der Stromverstärkungskoeffizient größer als bisher ist.
Ferner kann der Nadeltransistor gemäß der Erfindung insbesondere auf dem Gebiet
der Oszillatoren und der Schalttransistoren Verwendung finden. Die KontaktnadeIn
besitzen eine größere mechanische Festigkeit als die bisherigen Nadelelektroden,
beeinflussen gleichzeitig aber den Transistor selbst nicht nachteilig.
-
Der Transistor gemäß der Erfindung ermöglicht die Verwendung niedrigerer
Betriebsspannungen als bisher.
-
Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der
Zeichnungen erläutert.
-
Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des Transistors gemäß der Erfindung
teilweise im Schnitt; Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform; Fig. 3, 4, 5 und
6 zeigen Diagramme mit verschiedenen Parametern.
-
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 bedeutet 10
die Kollektorelektrode,
11 die Emitterelektrode, 12 einen Germaniumkristall des n-Typs und 13 den üblichen
Basiskontakt. 14 bezeichnet eine Schicht, die zwischen der Kollektorelektrode 10
und dem Kristall 12 liegt und dem Germaniumkristall im vorliegenden Fall Eigenschaften
des n-Typs erteilt. Diese Schicht greift zum Teil auf die Kollektorelektrode 10
über. Mit 15 ist eine Schicht bezeichnet, die bei diesem Ausführungsbeispiel eine
Schicht des p-Typs ist und die sich im Kristall in der Umgebung der Spitze der Kollektornadel
zufolge der als Formierung bekannten elektrischen Behandlung ausbildet. Mit 16 ist
jene Oberflächenschicht des p-Typs bezeichnet, welche an der Oberfläche des Kristalls
aus den oben bereits dargelegten Gründen von Anfang an vorhanden ist.
-
Mit 17 ist eine Schicht bezeichnet, die unter der in der Umgebung
der Kollektornadel zwischen der Nadel und dem Kristall liegenden Schicht 14 liegt,
und mit 15 ist eine weitere Schicht des p-Typs bezeichnet. Die Schicht 17 liegt
über der Schicht 15. Die Schicht 17 ist eine Schicht oder ein Streifen des n-Typs.
Diese Schicht bzw. dieser Streifen entsteht ebenfalls im Laufe des Formierens.
-
Die Nadelelektroden bestehen aus Wolfram oder Molybdän. Die Schicht
14 besteht aus einem Element der Gruppe V des Periodischen Systems, z. B. Arsen.
Die Schicht 14 kann nicht nur zwischen der Nadelspitze und dem Kristall liegen,
sondern auch eine kleinere oder größere Fläche der Nadel überziehen, wie es als
Beispiel in Fig. 1 dargestellt wurde. Dieses Element kann sich auch in die Oberfläche
der Nadel einlegieren bzw. an der Nadel mit Hilfe einer zwischenliegenden indifferenten
Metallschicht als Überzug vorhanden sein. Diese Zwischenschicht fördert bei der
Ausbildung der Schicht auf dem Kristall das Lösen des Antimons im Germanium und
erleichtert das Aufbringen des Überzuges auf die Nadel. Gleichzeitig kann es in
der unmittelbaren Umgebung der Nadelspitze die Oberfläche des Kristalls bedecken
und sich sogar in den Kristall einlegieren. Der Überzug an der Nadel, die Schicht
zwischen der Nadel und dem Kristall und der Überzug in der Umgebung der Nadel und
auf der Oberfläche des Kristalls, welche Schichten und Überzüge oben beschrieben
worden sind, können eine zusammenhängende Schicht bilden.
-
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform. Bei dieser liegt jene Schicht,
welche aus einem Element besteht oder ein Element enthält, welches dem Kristall
die Eigenschaften des p- bzw. n-Typs verleiht, nicht nur zwischen der Kollektornadel
und dem Kristall, sondern im Sinne der Erfindung auch zwischen der Emitternadel
und dem Kristall. Diese Schicht kann nicht nur aus einem dieser Elemente bestehen
bzw. diese Elemente enthalten, sondern kann auch aus einer Legierung bestehen, die
aus diesem Element bzw. diesen Elementen und anderen Metallen hergestellt ist.
-
In Fig. 2 ist die Kollektornadel mit 18, die Emitternadel mit 19,
der Germaniumkristall des n-Typs mit 20 und die Basiselektrode mit 21 bezeichnet.
Das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine Schicht, welche zwischen der Spitze der Kollektornadel
und dem Kristall liegt und im angenommenen Beispiel aus einem Element besteht, welches
dem Kristall n-Eigenschaften verleiht. 23 bezeichnet die Schicht zwischen der Emitternadel
und dem Kristall. Diese Schicht besteht aus einem Element, welches dem Kristall
p-Eigenschaften verleiht. 24 bezeichnet jene Schicht
des n-Typs,
welche im Germaniumkristall im Laufe des Formierens entsteht. Das Bezugszeichen
26 bezeichnet einen Abschnitt bzw. einen Teil des Kristalls, welcher unter dem oben
bezeichneten Teil des n-Typs liegt, den p-Typ aufweist und ebenfalls unter der Einwirkung
des Formierens entsteht. Der Teil 25 des p-Typs entsteht ebenfalls unter der Einwirkung
des Formierens und ist wesentlich wirksamer als die im Kristall auch ursprünglich
vorhandene, auf deren Oberfläche liegende Schicht des p-Typs.
-
Das Material, aus welchem die Elektroden hergestellt sind, ferner
die Masse bzw. die Ausarbeitung der erfindungsgemäßen Schicht bzw. dieser Schichten
kann die gleiche sein, wie an Hand der Fig. 1 beschrieben.
-
Es ist natürlich nicht unbedingt notwendig, zwischen der Kollektorelektrode
und dem Kristall eine Schicht gemäß der Erfindung herzustellen, und es genügt in
gewissen Fällen, wenn diese Schicht gemäß der Erfindung nur zwischen der Emitterelektrode
und dem Kristall ausgebildet ist.
-
Der Transistor gemäß der Erfindung kann auf verschiedene Weisen hergestellt
werden. Zwecks Ausbildung einer Schicht zwischen dem Kristall und der Nadelelektrode
bzw. zwischen dem Kristall und den Nadelelektroden muß man zunächst die Nadeln mit
einem oder mit mehreren Elementen oder mit Legierung dieser Elemente untereinander
oder mit anderen Stoffen überziehen, welche die Fähigkeit besitzen, dem Germaniurnkristall
Eigenschaften des p-Typs bzw. des n-Typs zu erteilen. Dies kann z. B. dadurch geschehen,
daß man die Nadel in ein Pulver, eine Schmelze oder eine Lösung eines oder mehrerer
Elemente der Gruppe 111 oder V des Periodischen Systems eintaucht.
-
Unter der Einwirkung des Formierens, z. B. durch einen Stromstoß von
500 mA und 0,5 Sekunden Dauer, bilden sich in den in den Fig. 1 und 2 dargestellten
Übergangsschichten bzw. Übergangsstreifen.
-
Fig. 3 zeigt die Ausgangscharakteristiken bisher bekannter Germanium-Nadeltransistoren.
Im Diagramm sind die Kurven Kollektorspannung-Kollektorstrom in Abhängigkeit vom
Emitterstrom dargestellt. Die mit gestrichelten Linien gezeichnete Kurve zeigt die
Charakteristik vor dem Formieren für I, = 0. Die Fig.4 zeigt die Eingangscharakteristik
bekannter Germanium-Nadeltransistoren. Die Kurven zeigen den Zusammenhang zwischen
Emitterspannung und Emitterstrom als die Funktion des sich ändernden Kollektorstromes.
-
Die Fig. 5 zeigt die Ausgangscharakteristik für einen Germanium-Nadeltransistor
gemäß der Erfindung für den Fall, in welchem die erfindungsgemäße Schicht zwischen
der Kollektorelektrode und dem Kristall ausgebildet und der Transistor in der beschriebenen
Weise formiert wurde. Die Figur zeigt den Zusammenhang zwischen Kollektorspannung
und Kollektorstrom als Funktion des sich ändernden Emitterstromes. Die gestrichelte
Kurve zeigt die Charakteristik vor dem Formieren für 1e = 0.
-
Fig. 6 zeigt die Eingangscharakteristik eines Germanium-Nadeltransistors
gemäß der Erfindung für den Fall, in welchem die erfindungsgemäße Schicht zwischen
der Emitterelektrode und dem Kristall ausgebildet und der Transistor, wie oben beschrieben,
formiert wurde. Die Kurven zeigen den Zusammenhang zwischen der Emitterspannung
und dem Emitter-Strom als Funktion des sich ändernden Kollektor-Stromes.
-
Aus den Fig. 3 bis 6 ist ersichtlich, daß der Nadeltransistor gemäß
der Erfindung für den Fall, daß die Umgebung der Kollektorelektrode im Sinne der
Erfindung ausgebildet wurde (Fig. 5), einen Ausgangswiderstand von ungefähr
1.00 000 bis 250 000 Ohm gegenüber dem Ausgangswiderstand bekannter Nadeltransistoren
von im allgemeinen 25 000 Ohm aufweist, wobei der Stromverstärkungsfaktor a größer
als 3 ist gegenüber dem Stromverstärkungsfaktor bekannter Nadeltransistoren mit
einem Wert von im allgemeinen a = 2,2 bis 2,5. Wurde die Umgebung der Emitterelektrode
im Sinne der Erfindung ausgebildet (Fig. 6), so beträgt der Eingangswiderstand unter
60 bis 100 Ohm gegenüber dem Eingangswiderstand von 150 bis 300 Ohm bisher bekannter
Nadeltransistoren.
-
Ferner ist ersichtlich, daß bei den bisher bekannten, insbesondere
mit Nadeln aus Phosphorbronze arbeitenden Transistoren der Widerstand in der Sperrrichtung
zufolge des Formierens abnahm, obzwar die Stromverstärkung zunahm, dagegen bei den
Transistoren nach der Erfindung mit Wolframnadeln der Widerstand in der Sperrichtung
sich im Laufe des Formierens praktisch kaum ändert bzw. eher etwas zunimmt. Die
Stromverstärkung nimmt hingegen in viel größerem Maße zu als bei bekannten Transistoren
mit Phosphorbronzenadeln.
-
Falls sowohl die Umgebung der Kollektorelektrode als auch die Umgebung
der Emitterelektrode im Sinne der Erfindung ausgebildet worden ist, so betrug die
Leistungsverstärkung mindestens 25 Dezibel. Man kann jedoch auch wesentlich höhere
Leistungsverstärkungen in der Größenordnung von 40 bis 45 Dezibel erreichen. Außerdem
beträgt die Grenzfrequenz des Transistors gemäß der Erfindung in einer Verstärkerschaltung
etwa 2 MHz und erreicht sogar höhere Werte gegenüber den üblichen Werten bisher
bekannter Transistoren in der Größe von etwa i MHz.