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Halbleiteranordnung Bei der bekannten, als Transistor bezeichneten
Halbleiteranordnung für die Verstärkung elektrischer Signale sind zwei Elektroden
mit feinen Spitzen in punktförmigem Federkontakt und in einem sehr kleinen Abstand
von etwa 0105 bis o,25 mm voneinander auf die Oberfläche des Halbleiters
aufgesetzt. Dieser Halbleiter ist im allgemeinen ein sehr kleiner Germaniumkristall,
der je nach Art der im Halbleiterkörper im Überschuß vorhandenen Fremdatome p oder
n leitend ist. Von den Ladungsträgern überwiegen beim p-Typ-Halbleiter die positiven
Ladungsträger, das sind Defektelektronen, beim n-Typ-Halbleiter überwiegen die Elektronen.
Die Leitungswege der beiden Kontaktstellen besitzen Gleichrichtereigenschaften.
Von den beiden dicht benachbarten Spitzenelektroden ist bei dem bekannten Transistor
die eine, die sogenannte Steuerelektrode, auch Emitter genannt, in der Durchlaßrichtung
des Halbleiterkristalls (für n-leitendes Material also positiv) vorgespannt, während
die zweite Spitzenelektrode, die sogenannte Arbeitselektrode, auch Kollektor genannt,
in der Sperrichtung des Kristalls (für n-leitendes Material also negativ) vorgespannt
ist. Die positive Vorspannung ist in der Größenordnung von r Volt, die negative
von etwa 5o Volt. Bei dem bekannten
Transistor ist außerdem der
Halbleiterkörper auf einer metallischen Grundplatte, der sogenannten Gegenelektrode,
auch Basis genannt, festgelötet. Die Basiselektrode ist dabei durch einen sperrfreien
Großflächenkontakt gegeben. Führt man nun in den Emitterkreis eine kleine Wechselspannung
ein, so werden am Arbeitswiderstand des Kollektorkreises eine verstärkte Wechselspannung
und eine größere Leistungsaufnahme auf der Kollektorseite gewonnen. Die Verstärkerwirkung
kommt dadurch zustande, daß vom Emitter aus die Randschicht des in Sperrichtung
gepolten Kollektors durch Ladungsträgerinjektion beeinflußt wird. So kann mit einer
kleinen Leistung im Emitterkreis der über die Kollektorrandschicht führende Strompfad
im Kollektorkreis gesteuert werden.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun in der Weiterbildung
der bekannten Halbleiteranordnung zur Gewinnung eines höheren Leistungsumsatzes.
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Für eine Halbleiteranordnung mit auf der Oberfläche des Halbleiters,
insbesondere eines Germaniumkristalls, aufliegenden Steuer- und Arbeitselektroden
wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine der Elektroden,
insbesondere die Arbeitselektrode, als Messerkontakt derart ausgebildet ist, daß
sie längs einer die andere Elektrode im wesentlichen konzentrisch umfassenden Linie
aufliegt.
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Der Vorteil der Anordnung nach der Erfindung besteht gegenüber dem
Bekannten darin, daß das der Steuerelektrode (Emitter) ringsum sich ausbreitende
elektrische Feld in allen radialen Richtungen die Arbeitselektrode (Kollektor) trifft,
was zu einer Verbesserung des Leistungsumsatzes führt, die die vom Emitter ausgehenden
Ladungsträger in all den erwähnten radialen Feldrichtungen und nicht nur, wie beim
Bekannten, in einer einzigen, durch die Verbindungslinie der beiden Spitzenkontakte
festgelegten Richtung die Randschicht des in Sperrichtung gepolten Kollektors durchLadungsträgerinjektion
beeinflussen. Bei der Anordnung nach der Erfindung werden die von der positiven
Steuerelektrode ausgehenden Defektelektronen durch ein im wesentlichen gleichförmiges
Feld beeinflußt, welches durch die besondere geometrische Form der Arbeitselektrode
zustande kommt. Demgemäß wird auch eine größere Anzahl von Defektelektronen vorteilhaft
ausgenutzt, um den Einfluß der Steuerspannung auf den Arbeitsstrom zu erhöhen.
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Es ist bereits für einen elektrisch steuerbaren Germaniumgleichrichter
mit zwei dem Eingangskreis und dem Ausgangskreis zugeordneten getrennten Elektroden
und einer für die Kreise gemeinsamen Elektrode vorgeschlagen worden, die Arbeitselektrode
als auf der Halbleiteroberfläche aufliegende Schneidenelektrode auszubilden. Bei
diesem älteren Vorschlag ist die Schneidenelektrode nicht so ausgebildet, daß sie
längs einer die andere Elektrode im wesentlichen konzentrisch umfassenden Linie
auf dem Halbleiter aufliegt.
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Es ist fernerhin für einen Transistor bereits eine konzentrische Umfassung
der Steuerelektrode durch als Metallfilm ausgebildete Arbeitselektroden vorgeschlagen
worden. Die Steifigkeit dieser Metallfilme ist nur durch einen Isolierträger gewährleistet,
der gleichzeitig auf der Halbleiteroberfläche aufliegen muß. Mit einem solchen Metallfilm
lassen sich aber weder der notwendige sichere Kontaktübergang noch der erforderliche
Kontaktdruck mit der gleichen Sicherheit wie mit Messerkontakten an deren Schneiden
herstellen. Die mechanischen und Gefügeeigenschaften eines auf einen Halbleiter
aufgebrachten Metallfilms sind, auch wenn die Steifigkeit dieses Metallfilms durch
einen Isolierträger verbessert werden sollte, grundsätzlich andere als die eines
massiven Elektrodenkörpers, wie ihn Messerelektroden darstellen.
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Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich bei der Halbleiteranordnung
nach der Erfindung, wenn der Messerkontakt als Arbeitselektrode mit einer Spitzenelektrode
des Steuerteils kombiniert ist.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgedankens ist
die Arbeitselektrode eine Scheibe, deren zentrische Bohrung axial in einer vorstehenden
und auf dem Halbleiterkörper aufliegenden Ringmesserkante endet.
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Die Erfindung sei für eine beispielsweise Ausführungsform an Hand
der Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen ist Fig. i ein Querschnitt eines Ausführungsbeispiels
der Erfindung, Fig. 2 eine Ansicht von oben der in Fig. i gezeigten Anordnung, Fig.
3 eine vergrößerte Ansicht desjenigen Teils von Fig. i, der sich innerhalb der geschlossenen
strichpunktierten Linie io befindet, Fig.4 ein Schaltplan für die Anordnung nach
der Erfindung, Fig. 5 eine Schar von Kennlinien für eine bekannte Kristalltriode
und Fig.6 eine Schar von Kennlinien für die erfindungsgemäße Kristalltriode.
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In der Anordnung nach den Fig. 1, 2 und 3 ist ein hexagonales Bauteil
12 so geformt, daß das Isolierorgan 14 und das mit einem Außengewinde versehene
Bauelement 16 Aufnahme finden. Das Bauelement 16 enthält die Anschlußklemme 18 für
den Kollektor. Die Bauteile 12, 14 und 16 sind z. B. durch Verkittung so miteinander
verbunden, daß jede Relativbewegung zwischen den Teilen ausgeschlossen ist. Auf
diese Weise bilden die Teile 12, 14 und 16 eine Einheit i9. Diese Einheit ig ist
für die Aufnahme eines Zapfens 2o ausgebohrt, der nach seiner Einführung durch die
Madenschraube 22 im Bauteil 12 feststellbar ist. Der Halbleiterkristall 24 ruht
auf dem oberen Ende des als Basiselektrode dienenden Zapfens 2o und ist dort festgelötet.
Der elektrische Anschluß für die Basiselektrode 2o erfolgt mit der Klemme 26 am
unteren Ende des Zapfens 2o.
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Das auf das Innenteil i9 aufschraubbare Außenteil 35 besteht aus der
Schraubmuffe 28 mit einem als Fassung dienenden Rand 3o, aus der isolierenden Hülse
32 und dem stromführenden Außenelement
34. Die Muffe 28, die Hülse
32 und das Außenelement 34 sind zur Vermeidung von Relativbewegungen der Einzelteile
untereinander verkittet.
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Die scheibenförmige Arbeitselektrode 36 hat ungefähr den gleichen
Durchmesser wie der Außenrand des Innenteils 16 und ruht auf dem oberen Ende des
Innenbauteils i9. Die Halterung der Arbeitselektrode erfolgt durch festes Anziehen
der Schraubfassung 28 bzw. 35. Von dem äußeren Teil 34 erstreckt sich ein Arm 38,
der mit einer Anschlußklemme 40 für die Spitzenelektrode 44 versehen ist. Auf der
anderen Seite des Armes ist ein Tragzapfen 42 für die Aufnahme der Spitzenelektrode
44 vorgesehen, so daß zwischen der Klemme 4o und der Elektrode 44 eine leitende
Verbindung besteht.
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Die Spitzenelektrode 44 ist eine am Zapfen 42 befestigte Kontaktfeder.
Sie ragt durch die Mittenöffnung der Scheibenelektrode 36 und drückt auf die Oberfläche
des Halbleiters 24. Die Spitze 44 ist im vorliegenden Fall die Steuerelektrode.
Die Elektrodenscheibe 36 hat (Fig. 3) in der Mitte eine vorstehende kreisförmige
Messerkante, die z. B. durch Prägen und Stanzen oder Einstechen und Ausbohren hergestellt
ist. Durch die Mitte des :Messerringes wird die Kontaktfeder 44 geführt, die einen
Kontakt mit dem Halbleiterkristall 2-1 herstellt. Die Gegenelektrode 20 ist innerhalb
des Bauteils 12 beweglich und wird justiert, bis sowohl die Messerkante der Elektrodenscheibe
36 als auch die Spitze der Kontaktfeder 44 sich mit der Oberfläche des Kristalls
24 berühren. Danach erfolgt die Feststellung durch Anziehen der Stellschraube 22,
womit die Stellung des Kristalls 24 in bezug auf die Elektroden 36 und 44 festliegt.
Der Durchmeser der Messerkante beträgt zweckmäßig o,io bis o,12 mm.
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In der Schaltung nach Fig. 4 ist eine Batterie 5o in Reihe mit einem
Potentiometer 52 zwischen der Steuerelektrode 44 und der Basiselektrode 2o angeschlossen.
Die mit einem Potentiometer 56 in Reihe liegende Batterie 54 verbindet die Basiselektrode
2o mit der Arbeitselektrode 36. Nach Fig. 4 ist die Steuerelektrode 44 positiv vorgespannt,
so daß Gleichstrom in den Kristall 24 fließt. Die Arbeitselektrode 36 ist dagegen
negativ vorgespannt, und zwar mit einer höheren Spannung als die Vorspannung an
der Steuerelektrode. Hier fließt der Gleichstrom in die Arbeitselektrode.
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Bekanntlich ist der Strom durch die Arbeitselektrode von den Stromänderungen
an der Steuerelektrode abhängig. Eine Änderung der Steuerspannung E, wird durch
Änderung der Einstellung des Potentiometers 52 bewerkstelligt. Bei konstant gehaltener
Kollektorspannung E, kann die Änderung des Kollektorstromes größer sein als die
Änderung des Emitterstromes. Im Bedarfsfalle wird nach der Einstellung der Potentiometer
52 und 56 der Gleichspannung E, eine Wechselspannung in irgendeiner Weise überlagert,
um dadurch den Emitterstrom so abzuwandeln, daß eine erhöhte Veränderbarkeit des
Kollektorstromes entsteht. Die Änderung des Kollektorstromes als Folge der Änderung
des Emitterstromes ist verschiedenen Erscheinungen zuzuschreiben. Es wird angenommen,
daB innerhalb eines n-leitenden Halbleiterkristalls der Kollektorstrom in besonderem
Maße durch positive Ladungsträger zustande kommt, die als Elektronenlöcher oder
Defektelektronen bezeichnet werden. Bei fehlendem Emitterstrom rührt der Kollektorstrom
ausschließlich von den Elektronen her. Das dem Kollektorstrom zugeordnete elektrische
Feld führt die Defektelektronen zum Kollektor hin. Diese haben zweierlei Wirkungen
auf den Kollektorstrom: Erstens hindert der Kontakt zwischen Kollektor und Halbleiterkristall
nicht den Löcherfluß, so daß sie unmittelbar den Kollektorstrom vermehren, zweitens
wird angenommen, daß die positive Ladung den Kontakt zwischen dem Kollektor und
dem Kristall ändert, so daß die Elektronen leichter aus dem Kollektor fließen.
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Es ist bekannt, daß die Wirksamkeit dieses Vorganges unter anderem
von Verunreinigungen (Störatomen) im Kristall, der Vorspannung, der Stärke des Kollektorstromes,
der Temperatur, der Anordnung der Elektroden, dem Abstand der Elektroden und dem
Kontakt zwischen dem Kristall und den Elektroden abhängt.
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In den Fig.5 und 6 sind die Leistungen der Halbleiteranordnung nach
der Erfindung denen der bekannten Transistoren mit Spitzenelektroden sowohl für
den Emitter- als auch für den Kollektorkreis gegenübergestellt.
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Die Kennlinien in Fig. 5 gelten für einen bekannten Transistor. Sie
zeigen den Kollektorstrom (in Mikroampere) in Abhängigkeit von der Kollektorspannung
in Volt für Emitterspannungen E, von o, 0,1, 0,2, 0,3 und o,4 Volt als Parameter.
Diese Kennlinien gelten für einen Kristall vom Germaniumtyp und nur dann, wenn sowohl
die Emitterelektrode als auch die Kollektorelektrode als spitze Kontaktfedern ausgebildet
sind.
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Die in Fig.6 gezeigten Kennlinien sind bei einem Halbleitersystem
nach der Erfindung gewonnen «-orden. Hierbei ist die Kollektorspannung im gleichen
Maßstab aufgetragen wie in Fig.5. Für die Ordinate ist dagegen die Milliampereeinteilung
gewählt und der Kollektorstrom so aufgetragen, daß der durch eine gegebene Entfernung
längs der Ordinate dargestellte Strom gleich 125mal dem ist, welcher durch den gleichen
Abstand entlang der Ordinate von Fig. 5 dargestellt ist. Die Fig.6 stellt die Emitterspannungskurven
von o bis 1,2 Volt, und zwar in Stufen von 0,3 Volt, dar.
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Die erhebliche Leistungserhöhung, die durch die praktische Anwendung
der Erfindung gewonnen wird, läßt sich am besten abschätzen, wenn man beispielsweise
die Kurven für eine Emitterspannung von 0,3 Volt bei einer Kollektorspannung von
20 Volt vergleicht. Hier stehen für den Kollektorstrom nach Fig. 5 ungefähr 6o ,uA
ungefähr 9 mA oder gooo yA in Fig. 6 gegenüber. Mit anderen Worten ist die durch
die erfindungsgemäße Anordnung erzielte Stromleistung etwa
z5omal
größer als die bei den bekannten Kristalltrioden gewonnene.
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In der Anordnung nach der Erfindung hat man im Vergleich zu den Kristalltrioden
vom Zwei-Punkt-Kontaktfedern-Typ einen größeren Kontaktbereich zwischen Kollektorelektrode
und dem Kristall. Der durch einen Kristalltriodenkontakt fließende Strom ist im
wesentlichen proportional dem Kontaktbereich, vorausgesetzt, daß die anderen diesen
Stromdurchfluß bewirkenden Merkmale unverändert bleiben. Dies ergibt sich auch aus
dem Vergleich der Kennlinien in Fig. 6 mit denen in Fig. 5.
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Die durch die Anwendung der Erfindung bei einer Steuerspannung von
o Volt bewirkte höhere Arbeitsspannung ruft auch gegenüber dem Bekannten einen Arbeitsstrom
mit einer größeren Änderungsgeschwindigkeit bei veränderlicher Steuerspannung hervor.
Dies ist bei der Erfindung der stärkeren Ausnutzung der an der Steuerelektrode eingeführten
Defektelektronen zuzuschreiben. Diese vergrößerte Ausnutzung ist dadurch möglich,
weil die erhöhte Feldstärke des Arbeitsstromes eine vergrößerte Anzahl von Defektelektronen
dazu bringt, den Kollektor zu erreichen, ehe sie sich mit Elektronen rekornbinieren.
Je größer der Kollektorstrom ist, desto größer ist die Anzahl von Defektelektronen,
die er führen kann, ohne daß die positive Raumladung der Defektelektronen das Feld
auf ein solches Ausmaß verringert, daß ein großer Teil zusätzlicher Defektelektronen
von der Basiselektrode anstatt von der Kollektorelektrode angezogen wird.
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Außerdem ist bei der bekannten Zwei-Kontaktfedern-Kristalltriode der
Durchflußpfad der Defektelektronen zwischen Steuerelektrode und Kollektor von verschiedener
Länge wegen der asymmetrischen Feldverteilung, die durch den Kollektorstrom auf
die Defektelektronen hervorgerufen wird, wenn sie die Steuerelektrode verlassen.
Infolgedessen reichern sich viele der Defektelektronen mit Elektronen an, ehe die
Defektelektronen den Kollektor erreichen, und tragen daher nicht dazu bei, den Kollektorstrom
zu erhöhen. Bei der erfindungsgemäßen Kristalltriode werden dagegen die Defektelektronen
an der Steuerelektrode durch ein im wesentlichen gleichförmiges Feld beeinflußt,
welches durch die geometrische Form der Arbeitselektrode zustande kommt. Demgemäß
wird eine größere Anzahl von Defektelektronen vorteilhaft ausgenutzt, um den Einfluß
der Emitterspannung auf den Kollektorstrom zu erhöhen.