DE19746395A1 - Transistor mit makromolekularer Basis und Ansteuerung derselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Transistor mit einer Emitter­ schicht, einer Kollektorschicht und einer Basiseinrichtung.

Der herkömmliche bipolare Transistor besteht im wesentlichen aus drei Schichten, der Emitterschicht, der Basisschicht, und der Kollektorschicht. Das Grundmaterial ist üblicherweise Si­ licium, welches quasi durch "Einschmelzen" in die gewünschte Form gebracht wird. Durch äußere Einwirkung während der Her­ stellung des Transistors lassen sich in den Schichten unter­ schiedliche elektrische Eigenschaften erreichen, nämlich durch einen Mangel oder einen Überschuß an Elektronen. Der Nachteil dieses herkömmlichen bipolaren Transistors besteht darin, daß er nur jeweils mit einem einzigen Steuerstrom be­ aufschlagt werden kann. Dies bedeutet für komplexere Schal­ tungen, daß eine entsprechend große Anzahl an Transistoren erforderlich ist.

Für die Sperrschicht von beispielsweise herkömmlichen bipola­ ren Transistoren und von Dioden wird üblicherweise eine Struktur verwendet, die Silizium bzw. dotiertes Silizium in einer Kristallanordnung enthält, wie sie in der Natur vor­ kommt, d. h. in Gestalt einer Pechblendenkonfiguration. Nach­ teilig ist dabei, daß eine derartige Pechblendenkonfiguration grundsätzlich nur mit einem einzigen Steuerstrom beschickt werden kann, der entsprechend nur eine einzige Dioden- bzw. Transistorfunktion auslösen kann. Aufgrund einer unmittelba­ ren galvanischen Verbindung mit der Umgebung ist eine derar­ tige Sperrschicht auf das Anlegen einer Bias-Spannung ange­ wiesen, um die materialbedingte Schwellenspannung von typi­ scherweise 0,7 V zu überwinden. Dies ist mit Verlustleistung verbunden, die entsprechend abgeleitet werden muß. Ein weite­ rer Nachteil besteht darin, daß aufgrund der unmittelbaren galvanischen Verbindung der Sperrschicht mit den angrenzenden Halbleiterschichten des Halbleiterbauelements nur Ströme identischer Ladungsträgersubstanz transportierbar sind.

Ein Sperrschichtmaterial für Halbleiterbauelemente, insbesondere ein Material, das als Basismaterial für den in Rede stehenden Transistor geeignet ist, welches Sperrschichtmaterial bei vollständiger galvanischer Trennung ohne die Notwendigkeit einer Bias-Spannung eine Mehrzahl differenzierter Steuerströme für eine entsprechend differenziertes Verhalten des Halbleiterbauelements, hier des Transistors, verarbeiten kann, ist in der deutschen Patentanmeldung 197 43 755.9 erläutert, deren Inhalt hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung erklärt wird.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Steuereingangsstruktur zur Ansteuerung der aus einem p-do­ tierten Silizium-Makromolekül bestehenden Basis des Transistors zu schaffen, die einfach und kostengünstig realisierbar ist und zuverlässig arbeitet.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die komplexe kristalline Makromolekülkonstruktion für die Transistorbasis nutzt die Erkenntnis aus, daß Elektronen nur zwischen zueinander parallel verlaufenden Oberflächen ausgetauscht werden können. Durch parallele Oberflächenpaare werden in der Sperrschicht gewissermaßen Ladungsträger- Übertragungskanäle geschaffen; d. h. im wesentlichen senkrecht zu diesen Oberflächenpaaren lassen sich kanalweise Ladungsträger gegenseitig unbeeinflußt übertragen. Im Falle eines Transistors mit einer dementsprechend aufgebauten Basis führt diese kanalweise Steuerung dazu, daß die Quantität und Qualität des Verstärkungseffekts durch die Quantität und Qualität des jeweiligen Eingangssignals bestimmt ist, wobei am Ausgang des Transistors ein Gemisch aus qualifizierten Spannungsquanten zur Verfügung steht, das ein zuordenbares Abbild der Steuerspannung darstellt.

Während der herkömmliche bipolare Transistor auf dem Prinzip basiert, einen definierten Verstärkungseffekt auf Grundlage einer einzigen Steuerspannung zu erzeugen, wobei am Ausgang des Transistors jeweils das Abbild dieser einzigen Steuer­ spannung zur Verfügung steht, läßt es die auf Grundlage der makromolekularen Sperrschicht aufgebaute Basis eines Transi­ stors zu, eine Vielzahl von Steuersignalen, die herkömmli­ cherweise durch eine Vielzahl von Transistoren verarbeitet werden müssen, in einem einzigen Transistor zu verarbeiten, wobei am Ausgang ein qualifiziertes Gemisch von Abbildern der Steuersignale anliegt, das problemlos interpretiert bzw. ent­ schlüsselt werden kann, wie beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung 197 34 267.1 beschrieben.

Im einzelnen lassen sich mit einem Transistor, der auf Grund­ lage einer erfindungsgemäßen makromolekularen Basis aufgebaut ist, die folgenden Vorteile erzielen: Während der herkömmli­ che bipolare Transistor angewiesen ist, die materialseitig vorgegebene Schwellenspannung mit Hilfe einer Bias-Spannung zu überwinden, kommt der Transistor auf Grundlage der makro­ molekularen Basis ohne einen durch die Bias-Spannung hervor­ gerufenen Bias-Strom aus, weil das zwischen Kollektor- und Emitterschicht bestehende elektrische Feld aufgrund der ex­ trem geringen atomaren Dichte des Basismaterials hinreicht, die vom Material vorgegebene Schwellenspannung zu überwinden, ohne einen Basisstrom zu erzeugen. Das heißt, ein derart auf­ gebauter Transistor benötigt im Ruhezustand keinerlei Strom­ versorgung, was wiederum den Vorteil erbringt, daß aus­ schließlich die angelegten Eingangsspannungen elektrische Re­ aktionen im Transistor auslösen. Da bei dem derart struktu­ rierten Transistor kein Bias-Strom fließt, wird auch keine durch entsprechende Maßnahmen abzuführende Abwärme erzeugt. Außerdem zeichnet sich ein derartig strukturierter Transistor durch einen extrem hohen elektrischen Rauschabstand aus.

Ein Vorteil eines mit der erfindungsgemäßen makromolekularen Basis aufgebauten Transistors besteht darin, daß er sowohl mit sehr geringen wie mit sehr hohen Spannungen betrieben werden kann. Im einzelnen läßt sich dieser Transistor deshalb bereits mit geringen Spannungen betreiben, weil die geringe atomare Substanz des Basismakromoleküls eine hohe elektrische Sensibilität des Gesamtsystems zur Folge hat. Hohe Spannungen können durch diesen Transistor deshalb problemlos verarbeitet werden, weil die geometrische Konfiguration des Basismoleküls die Elektronenströme weiträumig verteilt zwischen den Schichten überträgt.

Im Gegensatz zu einem herkömmlich strukturierten Halbleiter, beispielsweise einem Transistor oder einer Diode, zeichnet sich ein mit der makromolekularen Sperrschicht aufgebautes Halbleiterbauelement durch eine vollständige galvanische Trennung der Sperrschicht zu der bzw. den angrenzenden Schichten des Halbleiterbauelements aus, was im Fall eines Transistors, dessen Basis mit der erfindungsgemäßen makromo­ lekularen Sperrschicht realisiert ist, den Vorteil erbringt, daß der Transistor ein galvanisches Trennelement in einem Schaltkreis bildet. Dasselbe gilt sinngemäß für eine Diode.

Die vorstehend angesprochene galvanische Trennung zwischen der makromolekularen Sperrschicht und der bzw. den angrenzen­ den Schichten eines Halbleiterbauelements läßt sich auch wie folgt beschreiben: Aufgrund der galvanischen Trennung im Halbleiterbauelement stehen am Ausgang des Halbleiterbauele­ ments bezogen auf den Eingang des Halbleiterbauelements quan­ titative identische jedoch neue Ladungsträger zur Verfügung.

Zur Ansteuerung der vorstehend im einzelnen erläuterten Makromolekül-Basis ist erfindungsgemäß eine Steuereingangsstruktur vorgesehen, mit mit zumindest einem externen Modulationskondensator, der leitend mit einem Dipol innerhalb der Emitter/Basisgrenze des Transistors verbunden ist, aus einem am Kondensator anliegenden Steuereingangssignal ein Trägersignal gewinnt und derart bemessen ist, daß die Halbwellenlänge des Trägersignals dem Abstand vom Dipol zu der Mitte einer Fläche des inneren Silizium-Mehrflächners entspricht, um so dem Steuereingangssignal die durch diese Fläche definierte Ladungsträgerflußrichtung zur gegenüberliegenden parallelen Fläche und damit zur Kollektorschicht zu öffnen.

Wie in Fig. 1 gezeigt, besteht der Transistor in herkömm­ licher Weise aus einer Emitterschicht 1 und einer Kollektor­ schicht 2. Im Gegensatz zum herkömmlichen bipolaren Transi­ stor, bei dem die Basis ebenfalls als unstrukturierte Schicht gebildet ist, die zwischen Emitterschicht und Kollektor­ schicht liegt, ist beim erfindungsgemäßen Transistor die Basis als komplexe kristalline Makromolekülkonstruktion strukturiert.

Von dieser komplexen Makromolekülkonstruktion ist in der Fi­ gur lediglich schematisch eine einzige Elementarzelle am Bei­ spiel eines Würfels bzw. Hexaeders gezeigt, der in der flä­ chigen Darstellung der Figur in ein Quadrat projiziert ist, das mit der Bezugsziffer 3 versehen ist. Dieser Würfel bzw. dieses Quadrat 3 ist derart angeordnet, daß der Würfel jeweils mit einer pyramidalen Hälfte in die Emitterschicht 1 bzw. die Kollektorschicht 2 hineinragt. Im zweidimensionalen Abbild kommen damit jeweils zwei parallele Kanten des Qua­ drats 3 (Oberflächen im Würfel) in der Emitterschicht 1 bzw. der Kollektorschicht 2 zu liegen. Damit liegt eine Kante 3a in der Emitterschicht 1 und eine dazu parallele Kante 3b in der Kollektorschicht 2, während eine weitere Kante 3c in der Emitterschicht 1 und eine dazu parallele Kante 3d in der Kol­ lektorschicht 2 zu liegen kommt.

Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Transistors ist wie folgt: Eine an einem nachfolgend beschriebenen Steuereingang angelegte, auf die Würfelfläche bzw. die Quadratkante 3c wir­ kende Steuerspannung führt zu einem Ladungsträgertransport z. B. von der Kante (Oberfläche des Würfels) 3c zu der Kante (Oberfläche des Würfels) 3d, wie durch den Pfeil 6 schema­ tisch dargestellt ist. Zwischen diesen beiden Schichten, die durch die Kanten (Oberfläche des Würfels) 3c, 3d des Würfels 3 schematisch verdeutlicht sind, findet der normale transi­ storische Effekt statt. In ähnlicher Weise führt eine auf die Würfelfläche bzw. die Quadratkante 3a wirkende Steuerspannung zu einem Ladungsträgertransport von der Kante (Oberfläche des Würfels) 3a zu der Kante (Oberfläche des Würfels) 3b, was zu dem üblichen transistorischen Effekt in dieser Übertragungs­ richtung führt, wobei in an sich bekannter Weise zwischen Emitterschicht und Kollektorschicht eine Versorgungsgleich­ spannung angelegt ist.

Aufgrund der naturgemäßen elektrischen Verhaltensweise von Kristallen findet keine Wechselwirkung zwischen den durch die Steuerspannungen in der makromolekularen Basis 3 ausgelösten Strömen statt, so daß von einem gegenseitig unbeeinflußten Ladungsträgertransport gesprochen werden kann.

Der Transistor ist nicht auf eine Makromolekülstruktur mit einem Würfel als Elementarzelle beschränkt. Vielmehr kommt als Elementarzelle grundsätzlich jeder Mehrflächner in Be­ tracht, der zumindest vier Oberflächen hat, wie etwa ein Do­ dekaeder, von welchen Oberflächen jeweils zwei zum Ladungs­ trägertransport einander unter Abstand gegenüberliegen.

Nachfolgend wird der kristalline Aufbau der makromolekularen bzw. Mehrkanal-Basis des Transistors anhand einer Hexaeder­ struktur in bezug auf Fig. 2 und 3 näher erläutert.

Fig. 2 zeigt dreidimensional die Basis des Transistors als Makromolekül hexaederförmiger Struktur. Siliziumatome sind durch schwarz gefüllte Kreise bzw. Kugeln und Dotierstoff­ atome durch unausgefüllte Kreise bzw. Kugeln gezeigt.

Wie in Fig. 2 gezeigt, befinden sich die Siliziumatome des p-do­ tierten Silizium-Makromoleküls in den Eckenpositionen eines inneren Würfels. Dieser innere Würfel stellt einen Bindungs­ würfel für die Siliziumatome dar. Der innere Siliziumwürfel ist von einem flächenparallelen äußeren Dotierstoff-Würfel umgeben, an dessen Ecken die Dotierstoffatome sitzen, ohne jedoch gegenseitig eine Bindung einzugehen; d. h. die Dotier­ stoffatome sind in diesen Positionen ausschließlich an die zugehörigen Siliziumatome gebunden.

Aufgrund der noch nicht abgesättigten Bindungstendenzen der acht Siliziumatome des Silizium-Innenwürfels führt ein auf die acht Siliziumatome eines benachbarten Makromoleküls ge­ richtetes Bindungsbestreben zu einer optimalen nahen Anord­ nung der Siliziumatome benachbarter Makromoleküle mit der Folge, daß diese so ausgerichtet sind, daß ihre Dotierstoff­ atome in den Flächenmitten des inneren Würfels des erstge­ nannten Makromoleküls zu liegen kommen, wie in Fig. 3 für ein einziges benachbartes Makromolekül gezeigt. Mit anderen Wor­ ten stellen diese in den Flächenmitten zu liegen kommenden Dotierstoffatome (in Fig. 3 mit "X" bezeichnet) im kristalli­ nen Rahmen einen elektrisch wirksamen Abstandhalter dar, der zu einem gegenseitigen Abstand der Siliziumatome benachbarter Makromoleküle führt, der so groß ist, daß ein direkter Bin­ dungselektronenaustausch zwischen diesen Siliziumatomen un­ möglich ist. Deren Elektronentransport findet deshalb aus­ schließlich über Feldtransport statt.

Nachfolgend wird anhand von Fig. 4 und 5 die Ansteuerung des p-dotierten Basismakromoleküls erläutert.

Gezeigt ist in Fig. 4 die zweidimensionale Projektion des Makromoleküls von Fig. 2 ähnlich Fig. 1, eingebettet in die Emitterschicht des Transistors, wie in Fig. 1 gezeigt. Sche­ matisch ist in Fig. 4 ein Steuereingang 8 gezeigt, der außer­ halb des Transistors einen Modulationskondensator 9 und innerhalb der Emitterschicht einen Dipol 10 aufweist, der galvanisch mit dem einen Anschluß des Modulationskondensators 9, beispielsweise mittels eines Drahts 11 verbunden ist. An den anderen Anschluß des Modulationskondensators 9 wird ein Steuersignal angelegt, wie durch einen Pfeil 12 symbolisiert. Diese Steuereingangsstruktur wird, wenn mehr als ein Kanal des Transistors angesteuert werden soll, durch eine entspre­ chende Anzahl an Modulationskondensatoren ergänzt, die z. B. parallel über den Draht 11 an den Dipol 10 angeschlossen sind.

Der Steuereingang 8 dient dazu, ein Steuereingangssignal in das Basismakromolekül gezielt einzuspeisen und, wie in Fig. 1 rein schematisch gezeigt und erläutert, zwischen parallelen Flächenmitten des inneren Siliziumwürfels Ladungsträger zu übertragen.

Erfindungsgemäß basiert die Steuersignal-Übertragung auf einer mittels des Modulationskondensators 9 aus dem Steuer­ eingangssignal 12 abgeleiteten und diesem aufmodulierten Trä­ gersignal, dessen Frequenz aufgrund des Modulationskondensa­ tors 9 so bemessen ist, daß der Nulldurchgang einer Träger­ halbwelle exakt im Abstand zwischen Dipol 10 und einer einzi­ gen Flächenmitte des inneren Siliziumwürfels entspricht. In Fig. 4 sind entsprechende Verhältnisse zwischen dem Dipol 10 und der Flächenmitte 13 (Kante 3c in Fig. 1) des p-dotierten Basismakromoleküls bzw. der Flächenmitte 14 (Kante 3a in Fig. 1) dieses Moleküls für ein weiteres Steuereingangssignal schematisch darstellt, das über einen, nicht dargestellten, weiteren entsprechend dimensionierten Modulationskondensator in die Steuereingangsstruktur eingespeist wird. Die Ausbrei­ tungsrichtung der entsprechenden Signalwellenzüge 15 bzw. 16 ist durch eine strichlierte Linie 17 schematisch dargestellt. Zweck des Trägersignals bzw. der Trägerwelle ist, der ent­ sprechenden Flächenmitte 13, 14 das jeweilige Steuerein­ gangs(nutz)signal zuzuführen und diesem Signal die durch diese Fläche und die gegenüberliegende parallele Fläche des Makromoleküls definierte Durchlaßrichtung zuzuordnen bzw. im Sinne eines Tors bzw. Gates zu öffnen. Mit anderen Worten hat das jeweilige Trägersignal für das zugeordnete Steuerein­ gangsnutzsignal Torfunktion.

Typischerweise ist die Frequenz des Trägersignals bzw. der Trägerwelle um mehrere Zehnerpotenzen größer als die Frequenz des zugeordneten Steuereingangsnutzsignals. Für den Fall eines NF-Signals bedeutet dies beispielsweise, daß die Fre­ quenz des Trägersignals im Gigahertzbereich liegt, weshalb dieses Hilfssignal nicht relevant ist für die typische Wei­ terverarbeitung eines NF-Signals. Grundsätzlich kann das Trä­ gersignal jedoch später, d. h. nach Verlassen des Transistors vom Nutzsignal abgetrennt werden, beispielsweise durch einen inversen Vorgang wie bei der Aufmodulation des Trägersignals auf das Steuereingangssignal am Eingang des Transistors.

Claims (4)

1. Transistor mit einer Emitterschicht (1), einer Kollek­ torschicht (2) und einer Basiseinrichtung (3), die ein p-dotiertes Silizium-Makromolekül mit mehrflächiger Struktur aufweist, bei dem jedem Siliziumatom ein Dotierstoffatom molekular zugeordnet ist, das Dotier­ stoffatom der jeweiligen Silizium-Dotierstoff-Moleküle an den Ecken eines äußeren Mehrflächners angeordnet ist, und das Siliziumatom dieser Moleküle an den Ecken eines zum äußeren Mehrflächners seitenparallelen inneren Mehr­ flächners angeordnet ist, mit einer Steuereingangsstruk­ tur (8-11) mit zumindest einem externen Modulationskon­ densator (9), der leitend mit einem Dipol (10) innerhalb der Emitter/Basisgrenze des Transistors verbunden ist, aus einem am Kondensator (9) anliegenden Steuereingangs­ signal (12) ein Trägersignal gewinnt und derart bemessen ist, daß die Halbwellenlänge des Trägersignals dem Abstand vom Dipol (10) zu der Mitte (13, 14) einer Flä­ che des inneren Silizium-Mehrflächners entspricht, um so dem Steuereingangssignal die durch diese Fläche defi­ nierte Ladungsträgerflußrichtung (6, 7) zur gegenüber­ liegenden parallelen Fläche und damit zur Kollektor­ schicht zu öffnen.

2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Dipol (10) eine Vielzahl von Modulationskondensa­ toren (9) zur Einspeisung einer entsprechenden Vielzahl von Steuereingangssignalen (bis zu sechs Signale im Falle eines Makromoleküls mit Dodekaederstruktur) in das Makromolekül angeschlossen sind.

3. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß es eine hexaederförmige Struktur hat.

4. P-dotiertes Silizium-Makromolekül nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine dodekaeder­ förmige Struktur hat.