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Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper
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Eine Besonderheit der Vorrichtung nach der Erfindung ist die geringe Sperrspannung zwischen der
Steuer- und der Folgeelektrode, die zum Herbeiführen des Stromdurchbruchs zwischen der Basis- und der
Folgeelektrode bei hoher Spannung erforderlich ist.
Es ist einleuchtend, dass eine Zunahme der Sperrspannung zwischen der Steuer- und der Folgeelek- trode zu einer Zunahme der Durchschlagsspannung zwischen der Basis- und der Folgeelektrode führt. Um- gekehrt veranlasst eine Abnahme der Sperrspannung zwischen der Steuer- und der Folgeelektrode eine Ab- nahme der Durchschlagsspannung zwischen der Basis- und der Folgeelektrode. Es hat sich ergeben, dass, auch wenn keine äussere Sperrspannungsquelle zwischen die Steuer- und Folgeelektrode geschalter wird, diese Elektroden somit kurzgeschlossen werden, eine Durchschlagsspannung aufrechterhalten wird, da der innere Kontaktpotentialunterschied zwischen der Steuerelektrode und der Folgeelektrode zum Erzielen einer den Stromweg zwischen der Basis-und der Folgeelektrode unterbrechenden Erschöpfungsschicht genügt.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. l zeigt.. ein Prinzipschema eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung, Fig. 2 die Strom-Spannungskennlinien zwischen der Folge-und der Basiselektrode für verschiedene Werte der Spannung an der Steuerelektrode und Fig. 3 die Beziehung zwischen der Durchschlagsspannung in der Kennlinie nach Fig. 2 und der Spannung zwischen der Steuer-und der Folgeelektrode.
In Fig. 1 ist ein Halbleiterkörper 1, vorzugsweise scheibenförmiger Gestalt, dargestellt, der aus einem Einkristall von nahezu intrinsischer Leitungsart besteht. Der Differenzgehalt an wirksamen Donatorverunreinigungen. und wirksamen Akzeptorverunreinigungen in diesem hochohmigen intrinsischen Teil ist im Absolutwert vorzugsweise kleiner als 5, 1013 pro cm3, vorzugsweise kleiner als 1013 pro cm3. Auf dem Körper 1 sind einander gegenüber zwei Elektroden verschiedenen Typs legiert, d. h. die Steuerelektrode, welche aus dem Kontakt 2 und der zugehörigen niederohmigen n-Typzone 3 besteht, und die Folgeelektrode, welche aus dem Metallkontakt 4 und der zugehörigen niederohmigen p-Typzone 5 besteht.
Am Umfang des kreissymmetrischen Halbleiterkörpers 1 ist die Basiselektrode angebracht, die aus dem ringförmigen Metallkontakt 6 und der zugehörigen ringförmigen niederohmigen n-Typzone 7 besteht. Die Basiselektrode 6,7 bildet samt der Folgeelektrode 4,5 eine p-i-n-Diodenstruktur dieses halbleitenden Elektrodensystems, Die Ringform der Basiselektrode ist für die Wirkung nicht wesentlich, wird aber vorzugsweise angewendet im Zusammenhang mit der dadurch erreichbaren weiteren Verbesserung der Dio- denkennlinie. Durch die Anwendung von intrinsisch halbleitendem Germanium im Körper 1 stellen alle drei dotierten Elektroden eine Gleichrichterverbindung mit dem Körper dar. Für die Wirkung nach der Erfindung besteht aber nur die Hauptanforderung, dass die Steuerelektrode eine gleichrichtende Verbindung darstellt.
Da die Basiselektrode und die Steuerelektrode im Typ übereinstimmen, ist die Basiselektrode auch immer eine mehr oder weniger gleichrichtende Verbindung. Für die Folgeelektrode aber besteht diese Anforderung keineswegs.
Nach der Erfindung wird nicht der Basiskontakt 6, sondern die Folgeelektrode 4 auf Grundpotential gelegt, und die zwischen der Basiselektrode 6 und der Folgeelektrode 4 gebildete Diodenstruktur wird als elektronischer Schalter benutzt. Bei Zunahme der Spannung Vbs zwischen diesen Elektroden nimmt der Strom Ib zur Basiselektrode 6 zunächst in sehr geringem Masse, dann aber beim Überschreiten der "Durch- schlagsspannung"VVbso plötzlich auf einen sehr hohen Wert zu.
In'Fig. 2 sind diese Durchschlagskennlinien dargestellt. Die Kurve. a betrifft eine äussere Spannung Vcs zwischen der Steuerelektrode 2 und der Folgeelektrode 4 von 0 V, die Kurve b eine Spannung Vcs von 0,2 V, die Kurve c eine Spannung Vcs von 0,5 V. Die Kurve d gilt für beliebige negative Werte der Spannung Vcs. Man sieht daraus, dass bereits bei einem sehr geringen Wert der Spannung Vcs eine sehr wirksame Sperrung des Strumweges zwischen der Basiselektrode 6 und der Folgeelektrode 4 her- beigeführt werden kann. Die Basisspannung Vbs muss dann die Durchschlagsspannung Vbso überschreiten, um den Strom weg zur Folgeelektrode zu schliessen.
In Fig. 3 ist dargestellt, wie diese Durchschlagsspannung Vbso bei zunehmendem Wert der Steuerspannung
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zwischen der Steuerelektrode 2 und der Folgeelektrode 4 erniedrigt. Anderseits bewirkt der Widerstand 8 eine AbnahmedesStromeszur Steuerelektrode 2in dem"Ein"-Zustand (Stromführungszustandzwischen denElek- troden 4 und 6) des Halbleiterelementes und kann daher manchmal erwünscht sein.
Ein solcher Widerstand hat dahervorzugsweise einen grösseren Wert als der innere Widerstand der Diodenstruktur zwischen der Basis - und der Folgeelektrode im gut. stromleitenden Zustand, jedoch einen kleineren Wert als der Ableitungswiderstand
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zwischen der Steuerelektrode und den beiden andern Elektroden im schlecht stromleitenden Zustand des
Halbleiterelementes, vorzugsweise einen Wert zwischen 100 und 2000 Ohm, wenn das Element 1 aus Ger- manium hergestellt ist.
Von der zwischen den Elektroden 6 und 4 erzielten Strom-Spannungskennlinie nach Fig. 2 wird Ge- brauch gemacht, um die Vorrichtung als elektronischen Schalter zu betreiben. Um eine leitende Verbin- dung zwischen mit diesen Elektroden 6 und 4 verbundenen Leitern 9 bzw. 10 zu bewirken, wird entweder diesen Leitern kurzzeitig eine Spannung Vbs zugeführt, welche die Durchschlagsspannung Vbso (Fig. 2) überschreitet, oder die Spannung Vcs wird kurzzeitig herabgesetzt, so dass ein Einstellpunkt im betreffen- den Teil der Kennlinie nach Fig. 2 erreicht wird, für den ein geringer Spannungsabfall (0,5V) bei hoher
Stromstärke (wenigstens einige mA) gilt. Die Verbindung wird dadurch wieder unterbrochen, dass die
Spannung an und bzw. oder der Strom durch die Leiter 9,10 kurzzeitig gleich Null gemacht wird.
An die Leiter 9,10 wird vorzugsweise eine Vorspannung von einigen Volt angelegt. Durch eine
Schaltspannung an der Steuerelektrode 2 kann dann eine so hohe Schwellen-Durchschlagsspannung V bso herbeigeführt werden, dass die zwischen den Leitern 9,10 wirksame Gesamtspannung nie diese Durch- schlagsspannung überschreiten kann. Eine geringe Spannung von 0, 5 V genügt bereits zum Erzeugen einer
Schwellenspannung von etwa 70 V. Wird dagegen das Vorzeichen der Schaltspannung entgegengesetzt, so wird wegen des negativen Widerstandsteiles der Kennlinien np. ch Fig. 2 selbsttätig ein Zustand von hoher
Stromleitung und niedrigem Spannungsabfall erreicht. Die dazu erforderliche Steuerspannung bzw.
Steuerenergie an der Steuerelektrode ist äusserst gering, da hiefür wenige Zehntel Volt genügen.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel mit einer Schaltspannung Vcs mit einem Ruhewert von
0,2 V und einer Vorspannung von 20 V zwischen den Leitern 9 und 10 konnte zwischen die Leiter 9,10 eine Leistung von 200 mW (20V x 10 mA) geschaltet werden. Die dazu erforderliche Einschaltenergie betrug noch keine uW sec ; der während des "Ein"-Zustandes durch den Steuerelektrodenkreis fliessende
Strom wurde von einem Widerstand 8 von 4000 auf 0,5 mA begrenzt. Dieser Strom kann gewünschten- falls nahezu auf Null herabgesetzt werden, indem die Schaltspannung Vcs von einem geringen positiven
Wert nach einem bleibenden geringen negativen Wert umgeschaltet wird.
Es ist einleuchtend, dass vielerlei Abarten möglich sind, wie dies bereits im Stammpatentbetont wurde. Insbesondere können die Form und die Leitungsarten der verschiedenen Elektroden, wie dort an- gegeben, noch abgeändert werden.
Im Prinzip ist es denkbar, die Steuerelektrode auf Grundpotential zu legen und die Schaltspannung der Folgeelektrode zuzuführen. Der Differentialwiderstand der Diodenstruktur zwischen der Basis- und der Steuerelektrode ist aber verhältnsimässig hoch, was für den beabsichtigten Zweck meist bedenklich ist.
Auch kann der Strom zur Folgeelektrode nicht auf ähnliche Weise durch einen Widerstand unterdruckt werden, da dann gleichzeitig der Strom zur Steuerelektrode unterdrückt wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleitervorrichtung mit einem Halbleiterkörper nach dem österr. Patent Nr. 218070, dessen Halbleiterkörper eine Diodenstruktur aufweist, die in an sich bekannter Weise aus zwei Elektroden von verschiedenem Leitfähigkeitstyp mit einer dazwischenliegenden hochohmigen Schicht sowie einer weiteren gleichrichtenden Elektrode auf diesem hochohmigen Teil (als Steuerelektrode bezeichnet) besteht, deren Erschöpfungsschicht den Stromweg in der Diodenstruktur von der im Typ von der Steuerelektrode verschiedenen Elektrode (als Folgeelektrode bezeichnet) zu der im Typ mit der Steuerelektrode übereinstimmenden Elektrode (als Basiselektrode bezeichnet) unterbrechen kann, ohne dass ein Durchstich zur Ba- siselektrode (Ausdehnung der Erschöpfungsschicht bis in die Basiselektrode) herbeigeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Basis- (6)
und die Folgeelektrode (4) zwischen zwei Leitern (9, 10) liegen, die durch Steuerung des unter der Einwirkung eines zwischen der Steaer- (2) und der Folgeelektrode (4) wirksamen geringen Sperrpotentials, z. B. des Kontaktpotentials zwischen der Steuer- und Folgeelektrode selbst, zwischen der Basis- (6) und der Folgeelektrode (4) erzielten Strom-Spannungsverhältnisses mit Durchschlagskennlinie und anschliessendem negativem Widerstandsteil stromleitend miteinander verbunden werden können.