DE1564094A1 - Feststoff-Stromtriode mit Raumladungsbegrenzung - Google Patents

Description

"Feststoff-Stromtriode mit Raumladungsbegrenzung"

Die Erfindung bezieht sich auf eine in neuartiger Weiae gestaltete Stromtriode mit Raumladungsbegrenzung. Unfcer einer Stromtriode mit Raumladungsbegrenzung soll vorliegendenfalls ein elektronisches Gebilde in Form eines Featstoffkörpers verstanden werden, das mittels elektrischer Felder arbeitet, die in dem Feststoffkörper wirksam sind. Eine derartige Festetoffkörperanordnung kann als Gleichrichter oder Verstärker verwendet werden.

Die Stromtriode nach der Erfindung ist der auf Feldwirkung beruhenden Triode ähnlich, die in der schwebenden Patentanmeldung H 54 612 VIIIc/21g beschrieben ist. Bei Jener !Triode fließt Strom von einer als Quelle wirkenden Elektrode zu einer als Senke wirkenden Elektrode vermöge ionisierter Aktivatoren (sogenannter Verunreinigungen), die in einem Körper aus Halbleitermaterial enthalten sind. Dieser Stromfluß wird dadurch gesteuert, daß ein geeignetes

909883/0878

ORiGSMALINSPECTED

Zum Schreiben vom 10, NOV,... 1.%6. cn "M^ßlQ.ft-St.romtriode mit ....." Blatt

1564u

Signal auf ein Gittertor gegeben wird, das in der Umgebung des Gitters ein elektrisches PeId erzeugt, um auf diese Weise den Fluß der Majoritäts-Ladungsträger durch die Öffnungen des Gitters von der als Quelle wirkenden Elektrode zu der als Senke wirkenden Elektrode herabzudrücken oder zu unterbrechen.

Bei der mit Raumladungsbegrenzung arbeitenden Stromtriode nach der Erfindung ist ein "inhärenter" Torbereich zwischen benachbarten Bereichen aus Halbleitermaterial von hohem spezifischem Widerstand angeordnet. Das Wort "inhärent" wird hier als Übersetzung des in der englischen Fachsprache der Halbleiterteehnik verwendeten Wortes "intrinsic" benutzt und soll in diesem Sinne auch verstanden werden, soweit es in den Ansprüchen erscheint. Dabei wird als "intrinsic" bzw. "inhärent" hier ein Bereich aus Halbleitermaterial verstanden, der eine minimale Anzahl von beweglichen Ladungsträgern enthält, die für die Stromleitung in dem jeweils verwendeten Halbleitermaterial zur Verfügung stehen. Eine derartige Bedingung kann in einem Halbleitermaterial geschaffen werden, das entweder keine einen Leitfähigkeitstyp bestimmenden Aktivatoren enthält, oder in welchem derartige Aktivatoren von entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen sich gegeneinander aufheben oder kompensieren.

Bei der Triode nach der Erfindung durchdringt bei einem bestimmten Wert der angelegten Spannung eine Raumla-

909883/0878

dung den inhärenten Bereich und erreicht die als Senke wirkende Fläche. Eine weitere Erhöhung der Spannung ermöglicht es dem durch Raumladung begrenzten Strom, durch den inhärenten Bereich zu fließen. Eine mit umgekehrtem Vorzeichen angelegte Spannung erweitert den Verarmungsbereich, durch den der raumladungsbegrenzte Strom ,fließt. Diese Erweiterung drückt den von der Quelle zur Senke gehenden Stromfluß herunter. Auf diese Weise moduliert die Breite des effektiven Gesamtbereiches der Verarmung oder Raumladung den durch sie hindurclif ließenden Strom entsprechend den an das Tor gelegten Signalen, wie weiter unten näher beschrieben werden wird.

Die mit Raumladungsbegrenzung arbeitende Triode nach der Erfindung stellt eine Kombination der nachstehenden Merkmale dar. Sie besteht aus einem Körper aus Halbleitermaterial von hohem spezifischem Widerstand und einem bestimmten Leitfähigkeitstyp. In diesem Körper ist ein Tor aus Halbleitermaterial eingeschlossen. Dieses Tor teilt somit den Körper in zwei Bereiche auf, die beiderseits des Gitters liegen. An jedem dieser beiden Bereiche ist je ein elektrisch leitender Körper so angebracht, daß er mit ihm in elektrisch leitender Verbindung steht. Der eine dieser beiden Körper stellt die Quelle und der andere die Senke im eingangs angegebenen Sinne dar. Elektrische Verbindungen sind an das Tor und mindestens an den als Senke wirkenden Körper angeschlossen.

Der weiteren Erläuterung der Erfindung diene die 9098 83/087 8

Zeichnung, in der unter anderem einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind.

Es zeigen

Fig. 1 einen Anfangszustand in der Fertigung einer mit Raumladungsbegrenzung arbeitenden, erfindungsgemäß gestalteten Triode,

Fig. 2 eine zweite Stufe in der Fertigung,

Fig. 5 eine Ansicht der Halbleiteranordnung nach Fig. 2 von oben,

Fig. 4 einen Schnitt durch die Anordnung nach Fig. 2 und 3 nach Ablauf eines weiteren Arbeitsganges der Fertigung,

Fig. 5 eine Ansicht der Anordnung nach Fig. 4 von oben,

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Anordnung nach Fig. 5 nach einem weiteren Fertigungsschritt,

Pig. 7 eine perspektivische, teilweise geschnittene Darstellung einer von ebenen Flächen umschlossenen, mit Raumladung arbeitenden Stromtriode nach der Erfindung,

Fig. 8 eine Ansicht der Triode nach Fig. 7 von oben,

Fig« 9 einen Querschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer mit Raumladungsbegrenzung arbeitenden Triode nach der Erfindung,

Jig«10 einen Querschnitt durch eine erfindungsgeraäß gestal-909 8 8 3/0878

tete, mit Raumladungsbegrenzung arbeitende Stromtriode nach dem sogenannten Mesa-Typ (Pyramidenstumpf-Typ),

ffig. 11 eine schematische, teilweise im Schnitt gehaltene Darstellung einer mit Raumladungsbegrenzung arbeitenden Stromtriode nach der Erfindung zur Erläuterung der typischen Eigenschaften und der Arbeitsweise einer derartigen Triode und

Pig. 12 eine graphische Darstellung, die die Spannungs-Strömbeziehuhg einer erfindungsgemäß gestalteten, mit Raumladungsbegrenzung arbeitenden Halbleiteranordnung sowohl für bipolare Arbeitsweise als auch für Arbeitsweise mit Raumladungsbegrenzung wiedergibt.

Im Zusammenhang mit den Trioden nach der Erfindung soll hier unter einem Halbleiter ein Material, beispielsweise Silizium und Germanium, verstanden werden, das bei Raumtemperatur eine niedrige Konzentration von eingeschlossenen Majoritätsträgern hat, so daß bei Raumtemperatur das Material eine niedrige elektrische leitfähigkeit aufweist. Andere geeignete Stoffe sind Verbindungen zwischen Elementen aus der dritten Spalte mit Elementen aus der fünften Spalte der Tafel des periodischen Systems der Elemente, beispielsweise Aluminiumphosphit, Aluminiumarsenit, Aluminiumantimonit, Kalziuaphospb.it, Kalziumars enit und Indiumphosphid In der praktischen Durchführung der Erfindung können alle 90988 3/08 7 0

diese Stoffe verwendet werden. BLnfachheitshaiber beschränkt sich die nachstehende Beschreibung jedoch in der Hauptsache auf die Verwendung von Silizium als Beispiel.

Im nachstehenden Text sollen Halbleiterbereiche, die sich durch hohe Leitfähigkeit auszeichnen und die entweder N-leitfähig oder P-leitfähig sind mit N¹" oder P bezeichnet werden, um damit den hohen Wert der Leitfähigkeit anzuzeigen. Diese Bezeichnungen sind auch in der Zeichnung verwendet.

Im Beispiel nach Pig. 1 dient eine Unterlage 2 vom N-Leitfähigkeitstyp und hoher Leitfähigkeit zur Aufnahme einer herzustellenden Stromtriode, die mit Raumladungsbegrenzung arbeitet. Derartige Stromtrioden sollen nachstehend abgekürzt als SCLC-Triode bezeichnet werden. Bq ist bekannt, daß Halbleitermaterial, das in starkem Maße aktiviert wird, in sogenanntes degeneratives Halbleitermaterial verwandelt werden kann, das infolge der hohen Konzentration des Aktivafcore oder der Aktivatoren seine Halbleitereigenschaften verliert und sich wie ein gewöhnlicher elektrischer Leiter verholt. Das Halbleitermaterial des Körpers 4 der herzustellenden Halbleiteranordnung wird auf die in diesem Sinne degenerativ aktivierte Slliziumunterlage 2 aufgelegt.

Verschiedene Fertigungsmethoden stehen zur Verfügung, um die Anordnung nach Pig. I herzustellen. Beispielsweise wird zunächst ein Körper aus Halbleitermaterial hergestellt, dessen spezifischer Widerstand den Betrag hat, der

90 98 83/087 8

ORIGINAL INSPECTED

für die SCLC-Triode erwünscht ist. Durch Diffusion kann ein Teil dieses Körpers degei,erativ aktiviert werden, um dadurch eine als Quelle .wirkende Elektrode zu "bilden. Mit diesem Bereich wird dei* Körper auf die Unterlage 2 gesetzt, während die entgegengesetzte Fläche ihren spezifischen Widerstand unverändert beibehält, so daß dadurch ein erster Körperteil 4 der herzustellenden Anordnung entsteht. Abweichend hiervon können von Anfang an eine Unterlage und eine als Quelle wirkende Elektrode 2 aus Halbleitermaterial von hoher Leitfähigkeit vorgesehen werden und,'wie nachstehend im einzelnen beschrieben werden wird, der Teil 4 der zu schaffenden Halbleiteranordnung auf die als Unterlage dienende Elektrode 2 durch ein epitaxiales Verfahren aufgebracht werden.

Gemäß Fig. 2 und 3 kann die Herstellung einer erfindungsgemäß gestalteten Triode mit einer inhärenten Torelektrode 6 in der Welse vorgenommen werden, daß ein Aktivator, der den Leitfähigkeitstyp eines Akzeptors bestimmt, durch eine geeignete Maske auf die Oberfläche der N-leitfählgen Schicht 4 aufdiffundiert wird. Die Maske kann dadurch hergestellt v/erden, daß die Oberfläche der Siliziumsohicht oxydiert wird, worauf Teile des Oxyds entsprechend den Abmessungen und der Form des herzustellenden (Jitters entfernt werden. Die Bildung einer derartigen Oxydmaske kann nach Methoden, die in der Technik bekannt sind, etwa durch photoresistive Verfahren sowie durch Ätzverfahren, geschehen. Danach findet das Aufdiffundieren des als Akzeptor wirkenden

909883/087 8 "bad original-

Aktivators statt, so daß ein Gitter 6 gebildet wird, das aus slark P-aktiviertem Siliziuramaterial in einer Schicht 4 aus Silizium von N-Leitfähigkeit eingebettet ist. Anschließend wird die Oxydmaske vollständig entfernt, so daß das Gebilde nach Pig. ?. und 3 übrigbleibt.

In diener Phase der Fertigung wird die nicht exponierte Oberfläche des Halbleiterbereiche 4 einer Behandlung durch Ätzen bei hoher Temperatur unterworfen, die zur Folge hat, daß sich eine Vielzahl dünner Bereiche 6' oder Inseln in dem N-Leitiähigkeit axifweisenden Material 4 bilden, die durch Atome aus den stark aktivierten, aufdiffundierten P -Teilen aktiviert werden, wodurch die N-Aktivierung dieser Inselteile 6¹ kompensiert wird und diese Teile in Bereiche von inhärenter Leitfähigkeit umgewandelt werden, wie in Fig. 4 und 5 gezeigt ist. Ein für diesen Zweck geeignetes Ätzmittel ist beispielsweise Salzsäure. Die Oberfläche des Halbleiterbereichs kann diesem Ätzmittel für die Dauer von 2 bis 10 Minuten bei einer Temperatur von 1000 bis 120O⁰C ausgesetzt werden, und zwar abhängig von der Konzentration des N-Aktivators im N-Bereich 4. Das endgültige Ergebnis ist die Bildung einer Anzahl inhärenter Bereiche oder Inseln 6¹, die sich in der stark aktivierten !^-Oberfläche 6 des Halbleiterkörpers befinden, wie in Pig. 4 und dargestellt ist. Durch diese inhärenten Bereiche 6' fließt der Strom von der als Quelle wirkenden Elektrode «u dir als Senke wirkenden Elektrode.

909883/0878 _BAD original

1564Ü94

Eine Schicht 4' aua Silizium von N-Leitfähigkeit und hohem spezifischen Widerstand wird sodann epitaxial auf die gesamte Oberfläche des N-leitfähigen Teiles 4 aufgebracht, und zwar mit Einschluß der P -Oberflächenteile 6 und der in diese eingeschlossenen Inseln 6', wie in Pig. 6 dargestellt ist« Die Bereiche oder Schichten 4' von hohem spezifischen Widerstand sind in der Zeichnung getrennt oder gesondert dargestellt. In Wirklichkeit ergibt jedoch die epitaxiale Bildung der N-leitfähigen Sohicht 4', daß diese Schicht eine kristalline Fortsetzung des Kristallgitters der N-leitfähigen Sohicht 4 darstellt, so daß tatsächlich diese beiden Bereiche 4 und 4' zusammenwachsen und als einziger Bereich erscheinen. Bei diesem Arbeitsschritt wird das Silizium durch den epitaxialen Prozeß gebildet mit der Folge, daß es auf dem Körper 4 von N-Leitfähigkeit niedergeschlagen wird, und zwar durch die gleichzeitige Reduktion von Phosphortrichlorid und Silisiumtetraohlorid in Wasserstoff bei einer Temperatur von 1200 bis 130O⁰O. Der epitaxiale Prozeß ist bekannt und ausführlich beschrieben in den Arbeiten von H.O₀ Theuerer im "Journal of the Electrochemical Society", 1961, Band 108, Seite 649 und von A.Mark in der gleichen Zeitschrift 1961, Band 108, Seite 880.

Während dieses Niedersohlagprozesses bewirken die hohen Temperaturen,auf denen das gesamte Gebilde gehalten wird, nämlioli etwa 1100⁰C, daß Atome aus dem stark aktivierten P⁺-Bereich 6 weiter in den N-Bereioh 4 und in die

9098 8 37087 8

AO

epitaxial niedergeschlagene Schicht 4-¹ von N-Leitfähigkeit diffundieren, so daß sich in der Torelektrode eine Vielzahl dicker, überstehender P -Bereiche bilden, die durch eine dünne Schicht 6' von inhärentem Material verbunden sind, wie aus Figo 7 hervorgeht.

Anschließend kann gemäß Pig. 7 und 8 die obere Fläche der Schicht 4' von N-Leitfähigkeit maskiert werden, beispielsweise durch Oxydieren dieser Oberfläche und anschließendes Entfernen eines geschlossenen Flächenzuges oder Ringes aus der Oxydschicht von einem Durchmesser, der ausreicht, um die darunter liegende Torelektrode 6, 6¹ zu umgeben. Das Ganze wird dann in eine Atmosphäre gebracht, die in Dampfform einen Aktivator enthält, der P-Leitfähigkeit hervorruft, beispielsweise Bor. Dieser Aktivator diffundiert in die freigelegte Siliziumfläche von N-Ieitfähigkeit durch die ringförmige öffnung in der Oxydmaske hindurch. Diese Diffusion verwandelt einen ringförmigen Bereich 10 in den Gebieten an und nahe der Oberfläche des freigelegten Siliziums derart, daß er P-leitfähig wird, so daß dieser P⁺-leitfähige Bereich 10 sich abwärts in den Halbleiterkörper hinein erstreckt und die Torelektrode 6, elektrisch berührt. Anschließend kann die ringförmige Öffnung durch eine Oxydsohicht an der Oberfläche des Halbleiterkörpers verschlossen und gegen die Atmosphäre abgedichtet werden, und zwar durch erneutes Oxydieren der freigelegten Teile dieser Fläche.

909883/0878 ORIGINAL INSPECTED

1564UÜA

Die als Senke wirkende Elektrode, die von dem Körper 8 gebildet wird, kann dadurch hergestellt werden, daß ein Teil der Oxydmaske entfernt und in den freigelegten Teil der Schacht 4¹ von IJ-Leitfähigkeit ein als Donator wirkender 'Aktivator hineindiffundiert wird, beispielsweise Arsen. Auf diese Weise wird eine Schicht 8 aus einem Material hoher Leitfähigkeit in dem freigelegten Bereich erzeugt, wie in Fig, 7 dargestellt ist. Die Außenfläche des als Senke wirkenden Bereiches 8 kann dann erneut oxydiert werden.

Nachdem die Arbeitsschritte der Herstellung der Senke durch Diffusion und Oxydation abgeschlossen sind, können Teile des Oxydfilms entfernt werden, beispielsweise durch Atzen mit Flußsäure, so daß freiliegende Flächentei-Ie an der als Senke wirkenden Elektrodenschicht 8 und dem ringförmigen, mit dem Gitter in Berührung stehenden Bereich geschaffen werden, an denen elektrische Verbindungen 12 und hergestellt werden können, und zwar durch Niederschlag von Metall, wie in Fig. 8 angedeutet ist. Stattdessen können auch Drähte in diese Öffnungen eingesetzt und mit dem zum Gitter führenden Kontaktring 10 und dem die Senke bildenden Bereich 8 verschmolzen werden. Hervorgehoben sei, daß die ganze obere Flache der Halbleiteranordnung durch eine Oxydsohicht 16 geschützt ist, ausgenommen nur die elektrischen Verbindungen 12 und 14·

Das vollständige Gebilde ist in Fig. 7 und 8 dar-909083/0878

gestellt und setzt sich aus den folgenden Teilen zusammen: (a) einem als Senke wirkenden Elektrodenglied 8, das aus einer Schicht von N⁺-Silizium besteht; (b) einem als Quellenelektrode wirkenden Körper 2, der gleichfalls aus einer Schicht aus N⁺-Silizium besteht; (c) einem Halbleiterkörper 4, 4¹ aus Silizium von N-Leitfähigkeit hohen spezifischen Widerstandes, in den ein inhärenter, als Torelektrode wirksamer Körper 6, 6' eingebettet ist; (d) einem Bereich 10 von P⁺-Leitfähigkeit, der in elektrischer Berührung mit dem das Tor bildenden Körper 6, 6^! steht. In einem solchen Gebilde kann der Strom, der von der als Quelle wirkenden Elektrodenschicht 2 zu der als Senke wirkenden Blektrodenschicht durch das Silizium 4 und 4' von H-leitfähigkeit und durch die inhärenten Bereiche 6¹ der als Tor wirkenden Körper 6, fließt, durch Aufdrücken irgend eines gewünschten Signale auf das Tor 6, 6¹ durch den mit diesem in Berührung stehenden Bereich 10 gesteuert werden. Eine geeignete Signalspannung am Tor 6, 6¹ bewirkt, daß der Raumladungs- oder Verarmungsbereich, der sich durch die inhärenten Teile 6' des Tores 6, 6¹ bildet, sich erweitert. Somit sind die Bereiche 6¹ aue inhärentem Material für den Durchfluß von raumladungebegrenztem Stroa von elektrisch veränderlicher und steuerbarer Breite und gestatten es daher, den Durchfluß dee genannten Stroms in jeweils gewünschter Weise wirksam zu regulieren, herunterzudrücken oder abzusperren.

Als typischer Pail seien die Daten einer erfin-

909883/0878

INSPECTED

dungsgemäfl gebauten und betriebenen Halbleiteranordnung hier angegeben. Der als Unterlage und Quellenelektrode dienende Körper 2 hatte eine Sicke von 0,25 mm und bestand aus Silizium von N-Ieitfähigkeit mit einem spezifischen Wideretand von 0,001 bis 0,01 0hm cm. Der Halbleiterkörper 4, 4¹ von hohem spezifischem Widerstand bestand aus Silizium von N-Ieitfähigkeit mit einem spezifischen Widerstand von beispielsweise 2 0hm cm. Dabei hatten die beiden Teile 4, 4* des Körpers eine Dicke von ungefähr 10 Mikron. Das Tor 6, bestand aus Silizium von P-Leitfähigkeit. Dabei hatten die dickeren Teile 6 eine Dicke von etwa 5 bis 8 Mikron und einen spezifischen Widerstand von mindestens 10 0hm cm oder mehr. Die dünnen Teile 6' des Tores bestanden aus inhärentem Material und hatten eine Dicke von 1 bis 3 Mikron. Der als Senke wirkende Slektrodenkörper 8 bestand aus Silizium von N-Leitfähigkeit, dessen spezifischer Widerstand ungefähr den gleichen Wert hatte wie der als Unterlage und Quelle dienende Bereich 2. Erwähnt sei, daß die Dicke de· als Senke wirkenden Bereich· nicht kritisch ist und geringer als 0,25 mm β»in kann.

Die Halbleiteranordnung nach Pig. 7 kann auch mit umgekehrten Polaritäten gestaltet werden. Dies bedeutet, daß da· Tor 6, 6« au· Material von !-Leitfähigkeit und der Halbleiterkörper 4i 4¹ *us Material von P-Leitfähigkeit besteht. In diesem falle würden die al· Quell· und Senk· wirkenden ilektroden 2 umd 8 aus »in·* Material hoher P-Leitffihigkeit

909883/0878

BAD ORIGINAL'

(P⁺-Leitfähigkeit) bestehen, während der mit dem Tor in Berührung stehende Bereich 10 aus Material von hoher N-Leitfähigkeit (»''"-Leitfähigkeit) gefertigt werden würde.

Gemäß der obigen Beschreibung wird die als Senke wirkende Elektrode 8 durch Diffusion hergestellt. Dies ist nicht die einzige Möglichkeit, in der diese Elektrode gefertigt werden kann. Stattdessen ist es auch möglich, eine bestimmte Menge von Gold und Antimon (mit beispielsweise einem Gehalt von 1?t Antimon) auf die Oberfläche des Halbleiterkörpers aufzubringen und das Ganze für eine kurze Zeit, beispielsweise eine oder zwei Minuten, auf eine Temperatur zwischen 300 und 500⁰C zu erhitzen, so daß das Gold-Antimon mit dem Silizium eine Legierung eingeht und auf diese Weise eine als Senke wirkende Elektrode 8 von hoher Leitfähigkeit bildet. In manchen fällen ist diese Legierungsmethode der Diffusionsmethode überlegen, und zwar wegen der relativ kurzen Zeit, die notwendig ist, um den legierten Bereich zu bil-, den, im Gegensatz zu Diffusionsprozessen, die sich oft über •ine so lang« Zeit «rstreoken und so hohe Temperaturen erfordern, daß andere Bereiche der Anordnung «ine unerwünschte weitere Diffusion erfahren. Die Zeichnung zeigt «in Gitter von rechtwinkliger geometrischer Gestalt. Doch ist es nicht notwendig, dem Gitter diese Gestalt zu geben· In manchen fällen verdienen Gitter den Vorzug, die rund· oder kreisförmig begrenzt· Durchlas·· aufweisen.

Die Halbleiteranordnungen nach fig· 7 und 8 ge-

909883/0878

BAD ORIGINAL

statten es,-elektrische Verbindungen, die zum Tor 6, 6' und zu der als Senke wirkenden Elektrode 8 führen, an der oberen Pläche der Anordnung anzubringen. Dies ist von außerordentlichem Vorteil, wenn die Halbleiteranordnung in einer integrierten Schaltung verwendet werden soll· Die elektrischen Verbindungen können in der Form von Metallfilmen hergestellt werden, die aus der Dampfphase niedergesehlagen werden. Wenn gewünscht, können diese niedergeschlagenen Metallschichten gegen alle darunter befindlichen Elektrodenbereiche durch eine Isolierschicht aus Oxyd isoliert werden, beispielsweise einem Oxyd des Halbleitermaterials, wie dies in der Halbleitertechnik bekannt ist, ausgenommen nur die Stellen, an denen die Verbindung hergestellt werden soll. Stattdessen können Verbindungen mit dem Bereich 10 der mit dem Sitter in Berührung steht, sowie mit dem die Senke bildenden Elektro-

denbereich 8 durch direkte Anbringung von Drähten an diesen Bereichen durch Anwendung von Druck und Wärme, durch Löten oder selbst durch Herstellung einer Stoßverbindung geschaffen werden.

Die Herstellung des mit dem Tor in Berührung ste-r henden Bereichs 10 ist oben für den Fall der Anwendung eines Diffusionsprozesees beschrieben worden.'Diee ist jedoch nicht das einzige Verfahren, das für die Herstellung dieses Bereiches verfügbar let. Der mit dem Tor in Berührung stehende Bereich 10 kann auch dadurch erzeugt werden, daß ein Aktivator, der den entgegengesetzten Leitfähigkeitityp her-

90988 3/0878

vorruft, tief hinein in den Halbleiterkörper 4* legiert wird, und zwar ausgehend von einer freigelegten Fläche dieses Körpers, nachdem damit ein Draht auf Mechanische Weise oder durch Löten oder durch Anwendung von Wärme und Druok verbunden worden ist. Es ist gleichfalls möglich, sofern die vertieft liegende Torelektrode 6, 6' nicht zu tief unter der Oberfläche des Halbleiterkörpers liegt, den Kontaktbereioh dureh ein Stoßverbindungsverfahren herzustellen, das eich eines aktivierten oder mit Aktivaten umhüllten Drahtes bedient, wie dies in der US-Patentechrift t 792 538 von W.G.Pfann beschrieben ist.

In Pig. 9 ist eine weitere Auefühnmgsform der Erfindung dargestellt. Dort besteht die Torelektrode 6* aus einer Sohioht von gleichförmig dickem inhärentem Silizium. Diese Halbleiteranordnung kann dadurch hergestellt werden, daß eine Schicht 6^f von inhärentem Silizium epitaxial auf den Bereich 4 von !-Leitfähigkeit aufgebracht wird, oder dadurch, daß aus der Oberfläche des Bereiohes 4- von !-Leitfähigkeit Aktivatoren von !-Leitfähigkeit veranlaßt werden, nach außen zu diffundieren. Die Triode nach Fig. 9 arbeitet im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Triode nach ?ig. 7 und 8. Ein an die fläehenförmige Torelektrode 6' angelegtes Signal bewirkt also eine Erweiterung des Yerarmungtbereiohs, der von der Torelektrode 6' herrührt, so daß es den I¹IuS von raumladvngebegrenstem Strom von der als Quelle wirkenden Elektrode 2 zu der als Senke wirkenden

909883/0878

BAD

Elektrode β, der durch das for 6' fließt, herunterdrückt.

Fig. 10 zeigt ein Ausftihrungsbeispiel dtr Erfindung in der form eines sogenannten Mesa. Unter einem Mesa wird in der englischen !Fachsprache der Halbleiterteehnik bekanntlich ein Gebilde verstanden! das eine gewisse Ähnlichkeit mit einem Pyramidenstunpf hat. Ein derartige« Gebilde kann beispielsweise dadurch erhalten werden, daß durch ein photoresistive» Verfahren oder ein Itaverfahren alles Silizium entfernt wird, das das Tor 6, 6· und die als Senke wirkende Elektrode 8 bie herunter zum Bereioh 2 umgibt, der die !^-aktivierte Unterlage bildet. Auf diese Weise erhält der Halbleiterkörper 4-, 4' die Form des erwähnten, aus Mg· 10 ersichtlichen Mesas, so daß die Torelektrode 6, 6' sich im meeaförmigen Bereioh befindet und die als Senke wirkende Elektrode die obere Stirnfläche des Hesas bildet. Elektrische Verbindungen zur Torelektrode 6„ 6' und su der als Senke wirkenden Elektrode 8 können auf verschiedene leise hergestellt werden. Gemäß Jig. 10 kann ein Draht 1? direkt an der als Senke wirkenden Elektrode 8 durch Anwendung von Wärme und Druek, durch Löten oder durch da« oben erwähnte »eohanisch· StoÖrerfahren angebracht werden, wie in d»r Halbleiterteehaik bekannt ist. Sin· Verbindung zur Torelektrode 6, 5' kann dadurch geschaffen werden, daß ein Aktivator, der in bezug auf den Leitfähigkeit«typ als Akzeptor wirkt, von der Seit· dtr M«»a-?orm her einlegiert wird, um dadurch einen B»r»ieh 20 von P-Leitfähigkelt su schaffen,

909883/0878

der sioh Beitlioh in die Mesa-Form erstreckt und mit der Torelektrode 6, 6¹ Kontakt macht. Anschließend kann ein Draht 19 an den legierten Bereich 20 von P-Leitfahigkeit duroh geeignete Verfahren angeschlossen werden, wie sie bereits oben vorgeschlagen worden sind. Ss ist ferner möglich, den legierungsbereich 20 von P-Leitfähigkeit fortzulassen und einen mit eines Akzeptor umhüllten oder aktivierten Draht 19 duroh eine mechanische Stoßverbindung in die Kesa-Porm und hinein in den Halbleiterkörper 4, 4¹ so weit einzuführen, daß er mit der Torelektrode 6, 6* Kontakt macht. Dieses letzter· Verfahren hat den Vorteil, daß die Herstellung der Verbindung nur einen Arbeitsschritt erfordert.

Die elektrischen Eigenschaften der SCL-Triode nach der Erfindung lassen sich am besten durch die Beziehungen erklären, die zwischen den geometrischen Größen und den Material-Parametern der Halbleiteranordnung bestehen« Dies soll hier unter Bezugnahme auf Pig. 10 geschehen. Die für raumladungsbegrenzte Ströme geltende grundlegende Gleichung, öl* von Mott-Öurney abgeleitet worden ist, ergibt die folgende Beziehung zwischen Strom und Spannung^

Darin ist Il_Q die absolute Dielektrizitätskonstante,

^₀ die Beweglichkeit der ladungsträger, A di· Pläehe und

L₀ die Breite der Halbleiteranordnung Im Bereich d·· hohen

909883/0878

spezifischen Widerstandes vom einen Leitfähigkeitstyp (beispielsweise des inhärenten oder P-Typs), der zwischen benachbarten Bereichen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitetyp (beispielsweise Η-Typ) eingeschlossen ist. Ist ein Anschluß an-den inhärenten Bereich, der beispielsweise P-leitfähig ist, nicht vorhanden, so kann die Halbleiteranordnung für den Zweck der in Rede stehenden Analyse als Diode betrachtet werden.

Ist die Dicke L_Q der Diode verhältnismäßig gering, dann wird in dem vernünftigerweise in Betracht kommenden Spannungegebiet der Bereich feldabhängiger Beweglichkeit erreicht und kann nach Shockley (Bell System Technioal Journal 1951, Band 30, Seite 990) ausgedrückt werden durch die Gleichung

B L Ji ° O (2)

/ ° V¹⁷⁵

worin E die Feldstärke darstellt, die durch die angelegt· Spannung hervorgerufen wird und E_rt eine für Silicium gelten de Konstante ist.

Wird Gleichung (2) in Gleichung (1) eingesetzt, so erhält man die folgende Spannungs-Strombegiehung einer SCLC-Diode, welche lautet:

(3)

8 L₀

909883/0878

Eine etwas genauere theoretische Analyse ergibt,

2 ^²

daß der numerische Faktor 9/8 in Wahrheit gleich ist. Die Spannungs-Strombeziehung der mit Raumladungsbegrenzung arbeitenden Triode nach der Erfindung folgt der Beziehung, in der als Exponent die Ziffer 3/2 erscheint. Außerdem wurde gefunden, daß der Strom umgekehrt proportional der 2,5ten Potenz der Länge L ist.

Modulation des raumladungsbegrenzten Stromes wird durch Anlegen einer negativen Spannung V^q zwischen das Tor 6, 6· und die als Quelle wirkende Elektrode 2 erhalten. Bei einer Halbleiteranordnung nach Fig. 10 erweitert diese negative Spannung den Gesamtbereich der Raumladung von L₀ auf [ L₀ + L (V_GS)J. Darin ist L eine Funktion von V_ßg. Die vollständige funktioneHe Spannungs-Strombezithung lautet dann

2/5\V2 et ο a

Da die PN-Fläehenkristallode, wenn man das Gitter und die Quellenelektrode ins Auge faßt, sich annähernd linear verhält, so gilt 1"(V₀₈) * a Vgg¹ » worin a eine Konstante für den jeweils gegebenen Gradienten und das jeweils gegebene Material bildet, so kann die Verstärkung der Triode durch ihre Tran·konduktanz charakterisiert werden. Diese ist gleich

^dID « g (5)

d V_na j Y-. ■ konstant

Ρ/0878

90988B/0878

■) 564094

Aus Gleichung (4) erhält man durch Differenzieren nach V_GS

- T -7/2 -2/3

_in\/ q\3/2 3/2 1/3 , _s

^J(I/ ^{a V}D L^Lo ^{+ a7}GS J ⁷G <⁶>

In erster Haherung, nämlich dann, wenn V^g Vi < ^ gilt, ergibt sich, daß die Transkonduktanx proportional dem Wert

«m ^ ⁷GS "²^ ⁽⁷⁾

Da die Halbleiteranordnung nach der Erfindung vorzugsweise eine HPH-Anordnung darstellt, so kann sie auf zwei verschiedene Arten betrieben werden, nämlich

1e als mit Baumladungsbegrenzung arbeitende Triode und

2. als bipolarer Transistor, in dem einfach die negative Eingange spannung durch eine positive Eingangsspannung ersetzt wird.

Bipolarer Betrieb ist nur möglich unterhalb der Durchbruchspannung, weil oberhalb dieser Spannung der bipolare Betrieb unterbrochen ist. Eine typische Belastungslinie, bei der Rj₁ m 10 Kiloohm ist, ist in Pig„ 12 in Verbindung mit den Spannunga-Stromkennlinien einer typisohen Anordnung dargestellt. Dureh geeignete Spannungssignale kann die Anordnung vom Arbeitspunkt A, beispielsweise V^ « +0,6 YoIt auf einen Arbeitspunkt B umgeschaltet werden, beispielsweise Y_G = -2V. Während dieses Überganges werden die Impedanzwerte am Ein-

ORIGiIMAL INSPECTED 909883/0878

%l

gang und Ausgang reversiert. Im bipolaren Betrieb liegt der EingangBwiderstand im Bereich mehrerer hundert Ohm und der am Ausgang gemessene Differentialwiderstand im Bereich mehrerer Kiloohm, während im Betrieb mit Raumladungsbegrenzung der Eingangswiderstand sehr hoch ist und im Bereich von 10 bis 10 Ohm liegt, während der Differentialwiderstand am Ausgang nur wenige Kiloohm beträgt. Die Halbleiteranordnung ψ kann verwendet werden, um durch Anwendung verschiedener Gitterspannungen das Verstärkungsniveau linearer Signale umzuschalten.

Die mit Raumladungsbegrenzung arbeitende Triode nach der Erfindung hat im Vergleich mit Trioden in Form von Vakuumröhren eine hohe Eingangsimpedanz. Die Steuerung durch an die Torelektrode gelegte Spannungssignale erzeugt Stromänderungen, die Verstärkung der Transkonduktanz oder Spannung in praktischen Bereichen zur Folge haben, die mit Vakuumröhren im Bereich von 1000 bis 10 000 ft.mho vergleichbar sind.

Die Halbleiteranordnung nach der Erfindung ist unter anderem und vorzugsweise für Hochfrequenz-Oszillatoren und Pushpull-Verstärker besonders brauchbar. Da der raumladungsbegrenzte Strom vorherrscht, ist die Halbleiteranordnung in wesentlich geringerem MaBe temperaturabhängig als ein bipolarer Transistor. Sie ist außerdem als Verstärker mit geringem Rauschpegel verwendbar, weil die Anwesenheit der Raumladung die Wirkung hat, das Rauschen weitgehend zu unterdrücken. 909883/0878

Claims (5)

1. Hughes Aircraft Company, Centinela and Teale Street, Culver City, California, U.S.A.

   Patentansprüche:

   Peststoff-Stromtriode mit Raumladungsbegrenzung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus der Kombination der nachstehend angegebenen, zum Teil an sich bekannten Elemente besteht:

   (a) einem Halbleiterkörper (4* 4¹) von bestimmtem Leitfähigkeitstyp und hohem spezifischem Widerstand;

   (b) einem Tor (6, 6¹)» das aus einem inhärenten Halbleitermaterial besteht und in den Halbleiterkörper (4, 4«) eingebettet ist und ihn in zwei beiderseits des Tors (6, 6¹) liegende Teile (4, 4¹) trennt;

   (c) eine als Quelle wirkende Elektrode (2), die an den einen Teil (4) des Halbleiterkörpers (4, 4') elektrisch leitend angeschlossen ist;

   (d) einer als Senke wirkenden Elektrode (8), die an den anderen Teil (4¹) des Halbleiterkörpers (4, 4¹) elektrisch leitend angeschlossen ist;

   (e) elektrische Anschlüsse, von denen der eine (10) mit dem Tor (6, 6¹) und mindestens ein weiterer mit der als Senke wirkenden Elektrode (8) verbunden ist.

   90988 3/0878
2. 2. Triode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die als Quelle und als Senke wirkenden Elektroden (2, 8) aus Halbleitermaterial vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Halbleiterkörper (4, 4') bestehen und durch Umwandlung des Materials des Halbleiterkörpers (4, 4') in solches von geringem spezifischem Widerstand hergestellt sind.
3. 3. Triode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tor (6, 6¹) aus Halbleitermaterial besteht, das einen zum Leitfähigkeitstyp des Halbleiterkörpers (4, 4') entgegengesetzten Leitfähigkeitetyp hat.
4. 4. Triode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Tor die Form eines Gitters (6, 6'; hat, das aus dünnen Teilen (6¹) aus inhärentem Halbleitermaterial besteht, die durch dickere Teile (6) geringen spezifischen Widerstandes aus dem gleichen Halbleitermaterial überbrückt sind.
5. 5. Triode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die zum Tor (6, 6¹) führende Verbindung (10) aus einem Bereich von geringem spezifischem Widerstand besteht, der sich duroh den Halbleiterkörper (4¹) von dessen Außenfläche bis zum Tor (6, 6¹) erstreckt und einen dem Leitfähigkeitstyp des Halbleiterkörpers (4, 4') entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp hat.

   909883/0878

   BAD