DE1137078B

DE1137078B - Halbleitervorrichtung mit mehreren stabilen Halbleiterelementen

Info

Publication number: DE1137078B
Application number: DEW28727A
Authority: DE
Inventors: Richard Longini
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1959-12-17
Filing date: 1960-10-14
Publication date: 1962-09-27
Also published as: GB964579A; US3201596A

Description

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit mehreren bistabilen Halbleiterelementen, deren Arbeitszustand jeweils durch die Überschußträger ausgelöst wird, die vom Arbeitszustand des jeweils vorhergehenden Halbleiterelementes herrühren, und einem allen Halbleiterelementen gemeinsamen Halbleiterbereich für den Transport der Überschußträger. Die neuere Entwicklung in der Halbleitertechnik hat zur Unterbringung einer großen Anzahl einzelner halbleitender Elemente wie Dioden oder Transistoren in einem einzigen Körper kleiner Abmessungen geführt. Es ist bekannt, daß außer den Vorteilen der Verkleinerung der Abmessungen und der leichteren Herstellung, die bei der Vereinigung mehrerer solcher Bauelemente in einem einzigen Block entstehen, neue Wechselwirkungsformen bei derartigen Vorrichtungen auftreten können, die bei Verwendung einzelner halbleitender oder nicht halbleitender Elemente nicht möglich sind. Dies gilt insbesondere für aus bistabilen Elementen aufgebaute Halbleitervorrichtungen.

Eine solche bekannte Halbleitervorrichtung besteht aus mehreren bistabilen Halbleiterelementen, deren Arbeitszustand jeweils durch Uberschußträger ausgelöst wird, die vom Arbeitszutand des jeweils vorhergehenden Halbleiterelementes herrühren, und einem allen Halbleiterelementen gemeinsamen Halbleiterbereich für den Transport der Überschußträger. Kippt also ein Halbleiterelement von dem einen in den anderen stabilen Zustand, so gelangen die überschüssigen Träger von diesem Halbleiterelement zum benachbarten und leiten den Kippvorgang dieses benachbarten Halbleiterelementes ein. Um jeweils den Kippvorgang eines einzigen Elementes mit Sicherheit einzuleiten, müssen hierbei ganz bestimmte Bemessungsvorschriften eingehalten werden.

Die Erfindung gibt demgegenüber ein einfaches Mittel an die Hand, wodurch die erwähnten Bemessungsprobleme fortfallen. Hierdurch ergeben sich weitere Anwendungsmöglichkeiten der angegebenen Halbleitervorrichtung.

Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung der beschriebenen Art ist dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Halbleiterbereich zwischen benachbarten Halbleiterelementen jeweils einen verengten Teil aufweist, der das Auftreten einer merklichen Potentialdifferenz zwischen den benachbarten nicht verengten Teilen des gemeinsamen Halbleiterbereiches hervorruft, und daß an den gemeinsamen Halbleiterbereich eine Spannungsquelle angelegt werden kann, um die Überschußträger über den verengten Teil hinaus zu beschleunigen.

Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung läßt Halbleitervorrichtung
mit mehreren stabilen Halbleiterelementen

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. G. Weinhausen, Patentanwalt, München 22, Widenmayerstr. 46

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. Dezember 1959 (Nr. 860 174)

Richard Longini, Pittsburgh, Pa. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden

sich z. B. zum Aufbau eines Zählers oder Multivibrators verwenden.

Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung. Hierin ist

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung als bistabile Kippschaltung, Fig. 2 eine Stromspannungskennlinie eines einzelnen vierschichtigen Elementes der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm der Potentialverteilung in einem Teil der Vorrichtung nach Fig. 1 bei Anlegung eines Auslöseimpulses,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 ein Schrägbild eines Teils eines Halbleiterblocks, in dem mehrere Halbleiterelemente gemäß Fig. 1 ausgebildet sind, und

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäß aufgebauten Festkörperzählers.

In Fig. 1 ist eine bistabile Kippschaltung gemäß der Erfindung dargestellt, die aus einem einzigen Halbleiterkörper 10 besteht, der in bekannter Weise

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mit äußeren Spannungsquellen 12 und 14 verbunden ist. Der Halbleiterkörper umfaßt sechs Bereiche 15 bis 20 aus halbleitendem Material mit abwechselnden Leitfähigkeitstypen, die also in der angegebenen Reihenfolge in Fig. 1 vom Typ ρ, η, ρ, η, η und ρ sind. Zwischen Bereichen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bestehen p-n Grenzschichten 22 bis 26, deren Eigenschaften wohlbekannt sind. In Wirklichkeit kann der Halbleiterkörper 10 aus vier Schichten von abwechselndem Leitfähigkeitstyp bestehen und mit bestimmten Ausnehmungen versehen sein, um die angegebenen sechs Bereiche zu bilden und so die nachstehend beschriebene Wirkungsweise der Anordnung zu ermöglichen.

Die erste Spannungsquelle 12 liefert eine positive Gleichspannung von etwa 10 Volt gegen Erde zwischen den p-Schichten 15 bzw. 20 und der gemeinsamen Basis 18 vom η-Typ, die auf Erdpotential gehalten wird. In dem Augenblick, in welchem die erste Spannungsquelle 12 über den Schalter 42 an die Halbleiterelemente 30 und 40 angelegt wird, sind diese Elemente im Zustand geringer Leitfähigkeit bzw. hohen Widerstandes, da die Grenzschichten 23 und 25 mit einer Spannung unterhalb der Durchbruchsspannung in Sperrichtung belastet sind. Daher ist die Leitung durch die Grenzschichten 23 und 25 verhältnismäßig gering, und es kann angenommen werden, daß praktisch kein Strom fließt. Die p-n-Über-

Zum Verständnis der Wirkungsweise der Erfindung 15 gänge 23 und 25 werden nachstehend als Durchbetrachtet man am einfachsten den Halbleiterkörper bruchsübergänge bezeichnet, da infolge ihres Durchbruchs die Elemente 30 und 40 eine bistabile Eigenschaft erhalten.

In Fig. 2 ist die Stromspannungskennlinie der An-

10 als aus zwei bistabilen Elementen von je vier Schichten bestehend, die gemeinsame Bereiche 17 und 18 besitzen. Das erste bistabile Element 30 um

faßt die Bereiche mit abwechselnder Leitfähigkeit 15 20 Ordnung nach Fig. 1 gezeigt. Vor der Auslösung liegt bis 18. Das zweite bistabile Element 40 umfaßt dem- der Arbeitspunkt jedes Elementes 30 und 40 im gemäß die Bereiche mit abwechselnder Leitfähigkeit Bereich 43 zwischen dem Ursprung und dem Punkt

(F₅, /_s) auf der Kurve in Fig. 2, welche die Stromspannungskennlinie jedes der beiden Elemente 30 und 25

18, 17, 19 und 20. Die beiden Elemente 30 und 40 haben die n-Schicht 18 und die p-Schicht 17 gemeinsam. Die n-Schicht 18 dient als gemeinsame Basis für die beiden Elemente 30 und 40. Die gemeinsame Basis 18 kann gleichmäßigen Querschnitt haben. Die p-Schicht 17, die als Verbindungsschicht bezeichnet werden kann, hat jedoch vorzugsweise einen verengten Teil 21. Sie besteht demgemäß aus einem Teil 17 a, der zum ersten Element 30 gehört, und einem Teil 17 b, der zum zweiten Element 40 gehört, und dem zwischenliegenden verengten Teil 21. Die erste und die zweite Halbleiterschicht hängen nicht miteinander zusammen und bestehen beim ersten Element 30 aus den Bereichen 15 und 16 und beim zweiten Element 40 aus den Bereichen 19 und 20. Demgemäß besteht der Halbleiterkörper 10 aus einer gemeinsamen Basisschicht 18 mit einer gleichrichtenden 40 darstellt. Die Betriebswerte der Anordnung nach Fig. 1 sind so gewählt, daß die Spannungsquelle 12 an den Grenzschichten 23 und 25 ein Potential aufbauen kann, das die Durchbruchs- oder Schaltspannung V₅ in Fig. 2 übersteigt. Da die beiden Elemente 30 und 40 parallel an die Spannungsquelle 12 angeschlossen sind, sind die Werte der Kopplungswiderstände 33 und 34 so gewählt, daß die Spannung an einem der Elemente das Schaltpotential bereits bei einer geringeren Spannung als beim anderen Element übersteigt.

Der Erläuterung halber sei angenommen, daß bei der Anordnung nach Fig. 1 das erste Element 30 so eingestellt ist, daß es bereits bei geringerer Spannung anspricht und damit als erstes in den leitenden Zu-

p-n-Grenzschicht 24 gegen eine Verbindungsschicht 4° stand umschlägt. Beim Durchbruch sinkt die Spannung

17, die zusammenhängt, aber einen dünneren Teil 21 aufweist, und den beiden voneinander getrennten Schichtfolgen 16 und 15 bzw. 19 und 20.

Eine erste Spannungsquelle 12 ist über einen Schalam leitenden Element 30 auf einen sehr geringen Wert, der im allgemeinen nur einen Bruchteil eines Volts beträgt, wie im Bereich 44 der Kurve in Fig. 2 gezeigt ist. Der Kopplungskondensator 35 verhindert

ter 42 und die Kopplungswiderstände 33 und 34 mit 45 eine plötzüche Änderung der Spannungsdifferenz den beiden Elementen 30 und 40 verbunden. Zum zwischen den beiden Elementen, so daß die Spannung Anschluß an die p-Schichten 15 und 20 dienen die am zweiten Durchbruchsübergang 25 plötzlich stark Elektroden 36 und 37. Die Spannungsquelle 12 ist so verringert wird, wenn das erste Element 30 durchgepolt, daß positiver Strom parallel durch die beiden schlägt. Dies tritt ein, bevor die Spannung am Uber-Elemente 30 und 40 strömt. Zwischen den An- 50 gang 25 den Wert V₅ erreicht. Das erste Element 30

Schlüssen der Spannungsquelle 12 an die beiden Elemente 30 und 40 befindet sich ein Kopplungskondensator 35, dessen Aufgabe weiter unten noch näher erklärt wird. Ferner sind hier die Ausgangsleitungen 27 und 28 angeschlossen, die zu einem Verbraucher, einer Anzeigevorrichtung oder einer sonstigen Einrichtung führen, die durch die Anordnung gesteuert oder betätigt werden soll.

Zwischen der Verbindungsschicht 17 und der gemeinsamen Basis 18 ist mittels der Elektroden 38 und eine zweite Spannungsquelle 14 angeschlossen. Diese ist eine Impulsquelle, die normalerweise so angechlossen ist, daß die Grenzschicht 24 sich im Sperrzustand befindet. Zwecks Anlage der Elektroden und 39 ist der Halbleiterkörper 10 mit einer Verlängerung 41 versehen. Die Elektroden könnten aber auch an den Stirnflächen der Schichten 17 und 18 vorgesehen sein.

wird also im leitenden Zustand gehalten, und das zweite Element 40 bleibt im nichtleitenden Zustand. Anschließend wird der Kondensator 35 durch einen Stromfluß durch die Widerstände 33 und 34 aufgeladen.

Wenn nun ein Auslöseimpuls durch die Impulsquelle 14 an die beiden durchgehenden Schichten der Anordnung angelegt wird, so übersteigt die Spannung am zweiten Element 40 die Schaltspannung F_s, und das Element 40 wird leitend. Hierdurch sinkt die an ihm liegende Spannung plötzlich ab, und gleichzeitig wird mittels des Kopplungskondensators 35 ein negativer Spannungsstoß auf das erste Element 30 gegeben, so daß dieses sperrt. Demgemäß ist die aus dem Halbleiterkörper 10 bestehende Anordnung nach dem anfänglichen Einschalten jederzeit in einem von zwei stabilen Zuständen. Im ersten Zustand ist das erste Element 30 leitend, d. h., Spannung und Strom

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befinden sich auf dem Teil 43 der Kurve in Fig. 2, zwischen den beiden Elementen das erste Element 30

während das zweite Element 40 gesperrt ist (Teil 44 in den gesperrten Zustand übergeführt werden. Dem-

der Kurve). Im zweiten stabilen Zustand sind die gemäß stellt die Anordnung nach Fig. 1 eine Schalt-

Verhältnisse der beiden Elemente umgekehrt. Nicht vorrichtung dar, die nach Art einer bistabilen Kipp-

nur jedes der beiden Elemente 30 und 40 hat also 5 schaltung verwendbar ist.

eine bistabile Charakteristik, sondern die Gesamt- Nach Auslösung des zweiten Elements 40 und

vorrichtung 10 hat ebenfalls eine solche. Rückkehr des ersten Elements 30 in den gesperrten

Eine Ausgangsspannung kann entweder von der Zustand mittels der Kopplung über den Kondensator

Klemme 27 oder der Klemme 28 abgeleitet werden. 35 kann der Anfangszustand, bei dem beide Elemente

Die Klemmen 27 und 28 sind auf hoher positiver io gesperrt sind, durch kurzzeitiges Öffnen und Schließen

Spannung, wenn das zugehörige Element gesperrt ist, des Schalters 42 hergestellt werden. Dies könnte auch

und befinden sich auf niedriger Spannung, wenn elektrisch erreicht werden, indem die Ausgangsleitung

dieses Element leitend ist. 28 des zweiten Elements 40 mit einem Relais ver-

Zum vollen Verständnis der Bedeutung der Erfin- bunden wird, das den Schalter 42 öffnet und dann

dung ist eine Betrachtung der unter den obigen 15 wieder schließt.

Betriebsbedingungen im Halbleiterkörper auftretenden Abänderungen in der in Fig. 1 gezeigten Anordnung physikalischen Vorgänge wesentlich. Wenn eines der lassen sich vom Fachmann leicht ausführen. Beispielsbistabilen Elemente 30 oder 40 gesperrt ist, ist die weise können die Bereiche mit verschiedenem Leit-Anzahl der Löcher und Elektronen im zugehörigen fähigkeitstyp umgekehrt werden. Es kann also ein Teil der Verbindungsschicht 17 vom p-Typ nahe dem 2° n-p-n-p-Typ anstatt eines p-n-p-n-Typs verwendet Gleichgewicht, d. h., die Rekombination von Trägern werden. Es müssen dann nur die Polaritäten der findet etwa im gleichen Ausmaß wie die thermische Spannungsquellen umgekehrt werden. Ferner läßt sich Erzeugung von Trägern statt. Eine Überschußleit- eine Anordnung mit Metall-n-p-n- oder Metall-p-n-pfähigkeit, also eine das Gleichgewicht störende Typ verwenden, wie es in der französischen Patent-Trägerkonzentration wird im p-Bereich 17 a des 25 schrift 1 199 417 für ein einzelnes Element beschrieersten Elements 30 erzeugt, wenn dieses Element ben ist. In diesem Falle würden die getrennten leitend wird. Dies geschieht dadurch, daß Minderheits- p-Regionen 15 und 20 der Anordnung nach Fig. 1 träger (Elektronen) beim Durchbruch in die Schicht durch ein Metall ersetzt, das Minderheitsträger in-17 a eindringen, wobei die Löcheranzahl entsprechend jizieren kann. Der Übergang zwischen dem Metall zunimmt, um die Aufladung auszugleichen. Von der 30 und den Halbleiterbereichen muß so beschaffen sein, n-Schicht 16 beim Durchbruch der Grenzschicht 23 daß das Metall eine gewisse Stromstärke durch Ineindringende Ladungen führen also im Bereich 17 a jektion von Minderheitsträgern durch den Übergang zu einer erheblich größeren Ladungsdichte als die- hindurchführen kann. Die Bistabilität der einzelnen jenige im damit zusammenhängenden p-Bereich 17 b, Elemente 30 und 40 braucht nicht den in Fig. 2 geder sich im Gleichgewicht befindet, da das Element 35 zeigten Typ aufzuweisen.

40 gesperrt ist. Bei Anlegung des Auslöseimpulses Auch kann der Auslöseimpuls offenbar entweder

aus der Spannungsquelle 14 an das zweite Element 40 dem p-Bereich 17 b oder dem n-Bereich 19 zugeführt

tritt eine Belastung des Grenzüberganges 24 zwischen werden. Im letzteren Falle ist die Polarität der Span-

den zusammenhängenden Schichten 17 und 18 in nungsquelle 14 gegenüber der Anordnung nach Fig. 1

Sperrichtung ein. Es entsteht ein elektrisches Feld 40 umgekehrt.

zwischen den p-Bereichen 17 a und 17 b, wodurch die Ferner kann natürlich auch am ersten Element 30

Überschußladungen vom ersten Teil 17 a der Verbin- eine Elektrode zur Zuführung eines Auslöseimpulses

dungsschicht 17 zum zweiten Teil 17 & beschleunigt in ähnlicher Weise wie am zweiten Element 40 an-

werden. Die untere η-Schicht liefert Ladungen, die gebracht werden. Man bildet so einen zweiten Ein-

von den Ladungen mit entgegengesetztem Vorzeichen 45 gang, so daß der Zustand der Elemente 30 und 40

im p-Bereich 17 b angezogen werden, und hält diese durch Anlegung eines Auslöseimpulses an eines der

im zweiten Element 40 auch nach Beendigung des beiden Elemente geändert werden kann, je nachdem

Auslöseimpulses aufrecht. welches Element anfänglich leitend ist. In diesem

Fig. 3 zeigt einen Teil des Halbleiterkörpers 10 Falle können die Widerstände 33 und 34 in Fig. 1

und die Potentialverteilung, die für die Erzeugung des 5° gleichen Widerstand aufweisen. Welches der beiden

die Ladungen verschiebenden Feldes maßgebend ist. Elemente 30 und 40 zuerst in den leitenden Zustand

Der verengte Teil 21 ist wesentlich, da der starke umschlägt, wird dann durch den Zufall bestimmt.

Potentialunterschied an diesem Teil hauptsächlich für Eine weitere Abänderung, die in Fig. 4 gezeigt ist,

die Feldentstehung verantwortlich ist. Ohne einen ver- liegt im Aufbau eines Multivibrators mittels eines

engten Teil 21 wäre die Feldstärke zwischen dem 55 Widerstandes 51 und eines Kondensators 52 zwischen

ersten Bereich 17 a und dem zweiten Bereich 17 b der der Impulsquelle 55 und den Ausgängen 27 und 39

Verbindungsschicht 17 wesentlich geringer. des ersten Elements 30. In gleicher Weise befinden

Der Durchbrach des ersten Elements 30 erzeugt sich ein Widerstand 53 und ein Kondensator 54 sowie

also einen Halbleiterbereich mit überschüssiger eine Impulsquelle 56 zwischen den Ausgängen 28 und

Trägerdichte. Erfindungsgemäß kann diese über- ^e° 39 des zweiten Halbleiterelements 40. Wenn die

schüssige Trägerdichte in neuartiger Weise ausgenutzt Werte der Schaltungselemente so gewählt sind, daß

werden, da die Verbindungsschicht 17 zwischen den die Öffnung eines Elements nur durch Spannungs-

beiden Elementen 30 und 40 und die zusammen- erhöhung eintritt, nachdem ein erstes Element leitend

hängende Basis 18 vorhanden sind. Bei Anlegung des geworden ist, so ergibt sich ein Multivibrator, der die

Auslöseimpulses dient die überschüssige Trägerdichte 65 beiden Impulsquellen 55 und 56 benötigt,

zur Auslösung des zweiten Elements 40, so daß dieses Die Impulsquellen 14 in Fig. 1 bzw. 55 und 56 in

vom gesperrten in den leitenden Zustand übergeht. Fig. 4 erzeugen nicht unbedingt stets Impulse der glei-

Gleichzeitig kann mittels der kapazitiven Kopplung chen Polarität. Während ein Impuls in Sperrichtung

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an dem Übergang 24 eine Ladungsverschiebung ent- besondere zur Herstellung großer Halbleiterkörper sprechend der Lehre der Erfindung bewirkt, erzeugt mit aus gleichmäßigen miteinander verbundenen EIeauch ein Impuls in Durchlaßrichtung einen Durch- menten geeignet ist. Es sind nämlich Verfahren beschlag des der Impulsquelle benachbarten Elements, kannt, nach denen lange dendritische Kristalle aus und zwar einfach durch Aufbau einer Spannung ober- 5 Halbleitermaterial kontinuierlich gezogen werden halb des Schaltpotentials. können. Diese Verfahren sind auf die Herstellung

Die Herstellung von Halbleitervorrichtungen ge- langer Dendrite aus Halbleitern mit kubischem Gitmäß der Erfindung geschieht vorzugsweise derart, ter vom Diamanttyp anwendbar, z. B. Silicium, Gerdaß zahlreiche Halbleiterelemente auf einem kleinen manium und III- bis V-Verbindungen. Dieses Zieh-Bereich und vorzugsweise in einem einzigen halb- 10 verfahren besteht kurz darin, daß zunächst eine geleitenden Block untergebracht werden können. wisse Menge des Halbleitermaterials geschmolzen

Hierzu kann man eine Folie oder Leiste aus dem wird. Die Temperatur der Schmelze wird etwas ober-Halbleitermaterial von beliebig großer Ausdehnung halb des Schmelzpunktes des Materials gewählt, und herstellen. Die Folie oder Leiste wird in bekannter dann wird die Oberfläche der Schmelze in Berührung Weise anlegiert oder dotiert, so daß sich die erfor- 15 mit einem Keimkristall mit Zwillingsebenen gebracht, derlichen Bereiche verschiedener Leitfähigkeit er- der aus dem entsprechendem Material besteht. Der geben und ein vierschichtiger Halbleiter entsteht. Bei- Keimkristall wird durch die Schmelze benetzt und bespielsweise wird eine Scheibe aus p-Silicium in An- sitzt eine vorbestimmte kristallographische Orientiewesenheit dotierender Dämpfe vom η-Typ erhitzt rung, so daß bei Unterkühlung der Schmelze und (beispielsweise Phosphor bei 800° C), bis auf beiden 20 Herausziehen des Keimkristalls mit einer Geschwin-Seiten der Scheibe p-Schichten in der gewünschten digkeit oberhalb eines gewissen Minimalwerts das Tiefe erzeugt sind. Dann wird eine Legierung mit Material aus der Schmelze sich am Keimkristall verdotierender Verunreinigung vom p-Typ (z. B. Gold festigt und einen langgestreckten dendritischen Krimit 1% Indium) auf die eine Seite aufgebracht und stall mit ebenen Flächen erzeugt. Die Schmelze kann erhitzt, bis sie durch einen Teil der η-Schicht diffun- 25 mit einem oder mehreren dotierenden Stoffen versetzt diert ist. werden, und es können Dendrite mit einer dotieren-

Bei der Herstellung erfindungsgemäßer Halbleiter- den Verunreinigung oder mehreren Schichten parallel

vorrichtungen wird die aus vier Schichten bestehende zur Oberfläche gezogen werden. Der homogene den-

Folie wie folgt bearbeitet: Zuerst wird die Oberfläche dritische Kristall wird dann mit weiteren Verunreini-

des Halbleiters durch Anwendung organischer Lö- 30 gungen dotiert, indem er mit Diffusionslegierung oder

sungsmittel oder auf andere Weise gereinigt. Dann anderen bekannten Verfahren behandelt wird, um die

wird auf die Oberseite ein Muster aufgedruckt oder erforderlichen vier Bereiche mit abwechselndem Leit-

aufgestempelt, oder es wird eine Maske mit Öffnun- fähigkeitstyp zu erzeugen.

gen aufgelegt, die dem Muster des zur Trennung zwi- Gemäß dem soeben erwähnten Verfahren kann ein sehen den einzelnen Elementen wegzunehmenden 35 dendritischer Kristall 60 gemäß Fig. 5 mit n-p-n-p-Halbleitermaterials entsprechen. So kann das Muster Konfiguration gebildet werden, wie durch die Schichaus einem Material gebildet werden, das durch ge- ten 61 bis 64 angegeben ist. Die Ätzung bestimmter schmolzenes Wachs nicht benetzbar ist und das mit Stellen mit Hilfe von Mustern kann dann in ähneinem Stempel oder durch eine Schablone aufgebracht licher Weise wie oben ausgeführt werden. Man erhält werden kann. Hierzu kann z. B. Albumin dienen, das 40 so eine Anordnung nach Fig. 5, wobei die gestrichelwie eine Farbe verwendet werden kann. Das mit ten Linien das weggeätzte Material angeben. Dieses Albumin bedruckte Halbleitermaterial wird dann in Material kann auch in anderer Weise entfernt werden, Wachs eingetaucht und wieder herausgezogen oder in z. B. durch Säge- oder Schneidwerkzeuge in mechaanderer Weise mit Wachs überzogen. Die Konsistenz nischer Weise. Das Material wird so entfernt, daß des Wachses ist so dünnflüssig gewählt, daß das 45 sich ein breiter Spalt 71 zwischen zwei Schichten 63 Wachs die feinsten mit Albumin aufgedruckten und 64 ergibt und daß eine tiefgeätzte Nut 65 durch Linien nicht bedeckt. Das Wachs bedeckt also alles die Schicht 62 hindurchgeht und in der Schicht 61 außer den mit Albumin bedruckten Flächen. Diese endet. Zwischen je zwei tiefgeätzten Nuten 65 befin-Flächen sind gegen ätzende Säuren nicht Widerstands- det sich ein Halbleiterkörper 70, der dem Halbleiterfähig im Gegensatz zu den mit Wachs bedeckten 50 körper 10 nach Fig. 1 und 3 entspricht. Weniger tief-Steilen. Das mit Wachs überzogene Material wird gehende Spalte 66 in jedem Körper 70 trennen die dann in eine ätzende Säure eingetaucht und so lange einzelnen Elemente 80 und 90 entsprechend den EIedarin gelassen, bis die Ätzung in die gewünschte menten 30 und 40 in Fig. 1 und 3. Alle Halbleiterkör-Tiefe durch die Schichten hindurch erfolgt ist. Es per 70 haben eine gemeinsame Basis 61. Der in Fig. 5 können eine oder mehrere Ätzschritte angewandt 35 gezeigte geätzte Kristall 60 kann an den tief geätzten werden. Zur Einstellung der Ätztiefe kann die Dicke Nuten 65 zerlegt werden, so daß sich einzelne Körper der aufgedruckten Linien verändert werden, wobei 70 ergeben, oder mehrere solche Körper 70 können sehr dünne Linien langsamer geätzt werden als dicke als Ganzes in einer Schaltung Verwendung finden. Linien und das Ätzmittel deshalb im gleichen Zeit- Ferner können mehrere Blöcke 60 gemäß Fig. 5 parraum nicht so tief eindringt. Auf diese Weise kann 60 allel zueinander angeordnet werden, so daß sich eine eine Anordnung gebildet werden, bei der alle EIe- riesige Anzahl von Elementen in einer Anordnung mente eine gemeinsame Basis (18 in Fig. 1) haben ergibt.

und bestimmte Elemente eine gemeinsame Verbin- Statt dendritischer Kristalle können natürlich auch

dungsschicht (17 in Fig. 1) aufweisen. flache Leisten, die aus Gußstücken von Silicium oder

Das beschriebene Verfahren ist günstig bei Ver- 65 einem anderen Halbleitermaterial ausgeschnitten

wendung einer Scheibe von etwa 1 cm² Fläche, wo- sind oder direkt in lange Streifen gegossen sind, zur

bei etwa hundert einzelne Elemente gebildet werden Bildung der Einheit 60 nach Fig. 5 Verwendung fin-

können. Es gibt noch ein zweites Verfahren, das ins- den. Die Dendrite sind besonders vorteilhaft, weil sie

eine vollkommene (lll)-Oberfläche haben und keine Ätzung oder andere Oberflächenbehandlung benötigen, um sie als Halbleiteranordnungen verwendbar zu machen.

Die Ätzung zur vollständigen Trennung der Schichten 63 und 64 der einzelnen Elemente 80 und 90 in Fig. 5 und zur teilweisen Anätzung der Verbindungsschicht 62 kann in folgender Weise durchgeführt werden. Nachdem eine Leiste aus halbleitendem Material 60 mit den erforderlichen vier Schichten 61 bis 64 von abwechselndem Leitfähigkeitstyp gebildet ist, wird sie so geätzt, daß das Material der Schichten 64 und 63 entfernt wird, um die Nuten 66 und 71 bis zur Schicht 62 zu bilden. Dann kann eine Sperrspannung von verhältnismäßig hohem Wert an den Übergang 68 zwischen der gemeinsamen durchgehenden Basis 61 und der Verbindungsschicht 62 angelegt werden. Diese Sperrspannung kann etwa die Größenordnung von 100 Volt haben. Der Halbleiterkörper wird dann bei angelegter Spannung in ein elektrochemisches Ätzbad eingebracht, dessen Polarität so bestimmt ist, daß die p-Schicht 62 bevorzugt weggeätzt wird. Die Ätzung der p-Schicht 62 hört auf, wenn nur noch eine Verarmungsschicht 67 übriggeblieben ist. Eine Verarmungsschicht ist ein Bereich, in welchem das angelegte Feld, das hier durch die Sperrspannung geliefert wird, die darin befindlichen Ladungsträger ausschwemmt und das verbleidende Material mit den elektrischen Eigenschaften eines Isolators hinterläßt. Da keine Ladungsträger mehr verfügbar sind, hört die elektrochemische Ätzung praktisch auf, wenn dieser Bereich freigelegt ist. Bei Verwendung dieses Verfahrens braucht offenbar die Ätzzeit nicht sehr sorgfältig überwacht zu werden. Es wurde gefunden, daß die Dicke der Verarmungsschicht 67 zur Verwendung als Verbindungsteil 21 der Verbindungsschicht 17 geeignet ist.

Die Dicke der Verarmungsschicht wird durch die Größe der an den Übergang 68 angelegten Sperrspannung bestimmt. Infolgedessen kann die Dicke des verbleibenden Teils der Verbindungsschicht 67 soweit verändert werden, daß sie je nach Wunsch nur einen verschwindenden Bruchteil oder auch fast die gesamte ursprüngliche Dicke der Schicht 62 umfaßt. Bei manchen Anwendungen kann es erwünscht sein, in einem einzigen Körper verengte Teile 67 von verschiedener Dicke auszubilden. Das Ausmaß der Verengung ist nämlich, wie oben gezeigt wurde, ein wesentlicher Faktor zur Festlegung der Feldstärke zwischen den Elementen bei Anlegung eines Auslöseimpulses. Deshalb lassen sich die Geschwindigkeit und das Ausmaß der Ladungsverschiebung in gewisser Hinsicht durch die Dicke der verengten Teile 67 regeln.

Anschließend wird das Ätzmittel nur an den Stellen 65 zugeführt, um die Verarmungsschicht 67 und einen Teil der Schicht 61 dort wegzuätzen.

Die Anbringung der Elektroden an eine derartige aus einer Folie oder einem kontinuierlich gezüchteten dendritischen Kristall hergestellte Anordnung kann in verschiedener Weise geschehen. Hierzu gehören das Anlegieren, das Piatieren nach Ausfüllung der geätzten Spalte mit einem Schutzmittel, z. B. einem Siliconkunststoff, sowie das Anbringen von Bürsten, die sich in feinporigem Schaumgummi befinden, wobei die einzelnen Elektroden durch isolierenden Gummi verbunden sind. Im letzteren Falle kann eine solche Schicht aus leitendem bzw. nichtleitendem Gummi als Zwischenschicht zu einem gedruckten Stromkreis dienen, der seinerseits entsprechende Anschlüsse oder Kontaktstellen hat.

Eine Anordnung 60 nach Fig. 5, die, wie soeben beschrieben, hergestellt ist, hat z. B. Schichtdicken der Schichten 61 bis 64 von etwa 0,01 bis 0,025 mm, obwohl die gemeinsame Basis 61 erheblich dicker sein kann. Die Gesamtdicke des Halbleiters 60 kann demgemäß etwa 0,1 mm betragen. Die Fläche jedes der

ίο einzelnen Elemente 80 und 90 beträgt ungefähr 1 mm². Der Spalt 66 zwischen den Elementen 80 und 90 kann eine Breite von etwa 0,05 mm haben. Die erfindungsgemäße Einrichtung kann also außerordentlich klein und gedrängt aufgebaut sein und trotzdem Aufgaben ausführen, für die in der Vergangenheit zahlreiche sehr viel größere Elemente erforderlich waren. Das Material, aus dem die Halbleitereinheiten 60 hergestellt sind, kann z. B. Silicium oder Germanium als Grundmaterial mit entsprechenden Verunreinigungen sein. Die p-Bereiche sind mit etwa 10¹⁴ bis 10¹⁷ Atomen je Kubikzentimeter einer geeigneten Verunreinigung, z. B. Bor oder Indium, dotiert. Die η-Schichten enthalten entsprechende Verunreinigungen wie Antimon oder Phosphor in einer Konzentration von etwa 10¹⁴ bis 10¹⁷ Atomen je Kubikzentimeter. Vorzugsweise sind die Bereiche an den Durchbruchsübergängen 23 und 25 in Fig. 1 etwa gleich stark dotiert, und zwar in einer Konzentration von etwa 10¹⁴ Atomen je Kubikzentimeter. Die in der beschriebenen Anordnung verwendeten Materialien und die dotierenden Verunreinigungen werden in gewissem Ausmaß durch die Herstellungsmethode bestimmt. Im einzelnen wird deshalb auf die bekannten Vorveröffentlichungen verwiesen.

Eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit für eine lange Reihe von Elementen gemäß der Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt. Hierbei handelt es sich um einen elektronischen Zähler. Sämtliche Elemente 100, 110, 120 ... 180, 190, 200 in Fig. 6 haben eine gemeinsame Basisschicht 115 vom η-Typ und eine teilweise angeätzte daran anliegende Verbindungsschicht 125 vom p-Typ. Die Anordnung nach Fig. 6 enthält somit eine Reihe identischer Elemente mit den oben erklärten gemeinsamen halbleitenden Bereichen. Die Trennspalte 104 werden wie in Fig. 5 geätzt. Die Anzahl der Elemente in der Reihe hängt von der betreffenden Anwendung ab. Nachfolgend wird angenommen, daß es sich um eine Anordnung mit der Konfiguration p-n-p-n handelt. Die andere Leitfähigkeitsfolge kann natürlich genauso gut verwendet werden. Eine Gleichspannungsquelle 135 legt ständig eine in Durchlaßrichtung wirkende Spannung an das erste Element 100 in solchem Ausmaß, daß das Element 100 sich in leitendem Zustand befindet und den Bereich mit überschüssiger Trägerdichte bildet, der bei Fig. 1 beschrieben wurde. Bei Anlegung eines Auslöseimpulses an den Kontakt 144 mittels der Impulsquelle 145 bildet sich ein elektrisches Feld an dem verengten Teil 101 aus, das die überschüssigen Träger zum zweiten Element 110 der Anordnung verschiebt und hierdurch bewirkt, daß dieses leitend wird. Beim Betrieb eines solchen Zählers ist es vorteilhaft, wenn das erste Element 100 ständig im leitenden Zustand gehalten wird. Deswegen ist keine kapazitive Kopplung zwischen diesem Element und dem nächsten Element 110 vorgesehen. Das erste und das zweite Element 100 und 110 sind also nun leitend, und die übrigen Elemente des Zählers bleiben noch

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gesperrt. Es bildet sich nun ein Bereich mit überschüssiger Trägerdichte im zweiten Element HO bezüglich des entsprechenden Teils der Verbindungsschicht im dritten Element 130 aus. Bei Anlegung eines weiteren Auslöseimpulses wird also das EIe- S ment 120 leitend. Auf Wunsch kann ein Kopplungskondensator 155 zwischen den Elementen 110 und 120 vorgesehen sein, um gleichzeitig das zweite Element zu sperren. Dieser Vorgang kann sich durch die übrigen Elemente der Anordnung fortsetzen.

Der Auslöseimpuls, der von der Quelle 145 angelegt wird, hat keine Wirkung auf Elemente, die bereits leitend sind. Auch hat er keine Wirkung auf Elemente, die zwar gesperrt sind, aber von der Stelle 144 der Impulsanlegung durch ein leitendes Element getrennt sind. Der Impuls kippt also nur das erste gesperrte Element in seinem Weg. Dies legt eine Abänderung nahe, bei der das stets leitend bleibende Element sich in der Mitte der Reihe befindet und Auslöseimpulse an beiden Enden zugeführt werden können.

Zähler nach Fig. 6 sind besonders vorteilhaft bei Rechenanlagen, wo viele Elemente auf kleinem Raum zusammengedrängt werden müssen.

Die Anordnung nach Fig. 6 ist ein Zähler auf der Basis 10, d. h. nach der Anlegung von zehn Auslöseimpulsen erhält man ein Ausgangssignal an der Ausgangsklemme 205 des elften Elements 200. Wenn die Kopplungskondensatoren 155 nicht zur Löschung vorhergehender Elemente verwendet werden, kann die Ausgangsspannung des letzten Elements für diesen Zweck herangezogen werden.

Die Ausgangsspannung der Anordnung nach Fig. 6 beim Kippen des letzten Elements 200 kann auch als Auslöseimpuls für einen weiteren Zähler Verwendung finden. Der Leitungszustand des zweiten Zählers rückt also dann jedesmal um eine Stelle vor, wenn im ersten Zähler zehn Zählungen erfolgt sind. Eine kapazitive Kopplung kann dazu dienen, das letzte Element 200 des ersten Zählers zu löschen, so daß es dann einen neuen Zählzyklus beginnen kann.

Selbstverständlich kann der Zähler auch auf anderer Basis als 10 aufgebaut sein. Auch können mehrere Zähler das gleiche stets leitende Element besitzen, oder diese Elemente mehrerer Zähler können miteinander verbunden sein. In diesem Falle muß dafür Sorge getragen werden, daß die ersten Elemente aller Zähler sich in leitendem Zustand befinden und daß keine Verzögerungen stattfinden.

Besonders vorteilhaft ist ein Zähler in der Art des eben beschriebenen auf der Basis 4. Dieser Zähler enthält ein Leitelement, das in einer Reihe mit vier Elementen angeordnet ist, und einen Auslöseimpulskontakt auf seinen beiden Seiten. Es handelt sich also in Wirklichkeit um zwei Zähler, wobei der Ausgang des einen Zählers zur Auslösung des zweiten verwendet werden kann. Es läßt sich durch Rechnung zeigen, daß ein solcher Zähler auf der Basis 4 die Speicherung von mehr Informationen je Element als jeder Zähler auf einer anderen Basis gestattet.

Claims

60 PATENTANSPRÜCHE:

1. Halbleitervorrichtung mit mehreren bistabilen Halbleiterelementen, deren Arbeitszustand jeweils durch Uberschußträger ausgelöst wird, die vom Arbeitszustand des jeweils vorhergehenden Halbleiterelements herrühren, und einem allen Halbleiterelementen gemeinsamen Halbleiterbereich für den Transport der Überschußträger, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Halbleiterbereich (17, 18) zwischen benachbarten Halbleiterelementen (30, 40) jeweils einen verengten Teil (21) aufweist, der das Auftreten einer merklichen Potentialdifferenz zwischen den benachbarten nicht verengten Teilen des gemeinsamen Halbleiterbereiches hervorruft, und daß an den gemeinsamen Halbleiterbereich eine Spannungsquelle (14) angelegt werden kann, um die Überschußträger über den verengten Teil hinaus zu beschleunigen.

2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame Halbleiterbereich aus zwei Halbleiterschichten (17, 18) von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp mit dazwischenliegendem p-n-Übergang (24) besteht und daß sich die verengten Teile (21) in derjenigen Schicht (17) befinden, die den bistabilen Halbleiterelementen (30, 40) zugekehrt ist.

3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes bistabile Halbleiterelement aus zwei Halbleiterzonen entgegengesetzter Leitfähigkeitstypen mit dazwischenliegendem p-n-Übergang besteht, während die eine Halbleiterzone einen weiteren p-n-Übergang mit der benachbarten Schicht des gemeinsamen Halbleiterbereiches bildet.

4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes bistabile Halbleiterelement aus einer Halbleiterzone, die einen p-n-Übergang mit der benachbarten Schicht des gemeinsamen Halbleiterbereiches bildet, und einer Metallschicht besteht, die Minderheitsträger in die Halbleiterzone entsenden kann.

5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bistabilen Halbleiterelemente und der gemeinsame Halbleiterbereich aus einer halbleitenden dendritischen Kristallanordnung gebildet sind, die vier parallele halbleitende Schichten von abwechselndem Leitungstyp aufweist.

6. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine bestimmte Anzahl der verengten Teile (65) so weit verengt ist, daß die den bistabilen Halbleiterelementen zugekehrte Schicht (62) des gemeinsamen Halbleiterbereiches vollständig durchtrennt ist und der Querschnitt der anderen Schicht (61) verringert ist.

7. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei bistabilen Halbleiterelementen (30, 40) besteht, zwischen denen sich ein Kopplungskondensator (35) befindet und die mit einer gemeinsamen Spannungsquelle (12) verbunden sind, derart, daß die Anordnung als Kippschaltung arbeitet, die durch das an den gemeinsamen Bereich angelegte Potential gesteuert wird.

8. Halbleitervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zwei bistabilen Halbleiterelementen besteht und daß der gemeinsame Bereich mit zwei Spannungsquellen (55, 56) entgegengesetzter Polarität hinsichtlich des verengten Teils verbunden ist, während sich zwischen den beiden bistabilen Elementen ein Kopplungskondensator befindet und die Elemente mit einer gemeinsamen Spannungsquelle verbunden sind, derart, daß die Halbleiter-

vorrichtung als Multivibrator arbeitet, dessen Betrieb durch die beiden Spannungsquellen (55, 56) gesteuert wird.

9. Halbleitervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen je zwei aufeinanderfolgenden Halbleiterelementen ein Kopplungskondensator (155) angebracht ist und daß die bistabilen Elemente

mit einer gemeinsamen Spannungsquelle (135) verbunden sind, derart, daß die Halbleitervorrichtung als Zähler arbeitet, dessen Fortschaltung durch das an den gemeinsamen Halbleiterbereich angelegte Potential gesteuert wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1035 789.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen