DE1764911A1 - Unipolaranordnung - Google Patents
UnipolaranordnungInfo
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Description
Tel efunken PatentVerwertungsgesellschaft
m.b.H.
Ulm /Donau, Elisabethenstr. 3
Ulm /Donau, Elisabethenstr. 3
Heilbronn, den 23.8.1968 FE/PT-Ma/Na HN 49/68
"Unipolaranordnung"
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Unipolaranordnung, die beispielsweise als Unipolar- oder Feldeffekttransistor
Verwendung findet.
Es ist bereits ein Unipolartransistor aus einem plattenförmigen Halbleiterkörper mit einer Zone vom ersten Leitungstyp
bekannt geworden, die von parallel zueinander verlaufenden, kanalartigen Zonen vom zweiten Leitungstyp durchsetzt
ist. "Iierbei sind die kanalartigen Zonen auf einander
gegenüberliegenden Oberflächenseiten des Halbleiterkörpers mit flächenhaften elektrischen Kontakten versehen, während
die Zone vom ersten Leitungstyp mit einer gleichfalls flächenhaften Steuerelektrode verbunden ist. Die kanalartigen
Zonen verlaufen hierbei senkrecht zu den Oberflächenseiten
des Ilalbleiterkörpers. Bei der Entwicklung der Unipolartransistoren
ging man von einem einzigen stromführenden Kanal zu
einer Vielzahl derartiger Kanäle gleichen Querschnitts über, um den Wirkungsgrad und die Empfindlichkeit der Unipolaranordnung
zu erhöhen. Die Aussteuergrenze der Unipolartra-sisto-
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ren mit einer Vielzahl paralleler Kanäle gleichen Querschnitts ist durch die Steuerspannung bestimmt,bei der dia
stromführenden Kanäle durch die von den in Sperrichtung betriebenen pn-Übergängen ausgehenden ladungsträgerfreien Raumladungszonen
vollständig abgeschnürt werden und ein Stromfluß durch die Kanäle hierdurch unterbunden wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Verbesserung der bisherigen Unipolaranordnungen und zur Erweiterung des Anwendungsgebietes
dieser Anordnungen vorgesehen, daß die kanalartigen Zonen unterschiedliche Querschnitte aufweisen.
Durch diese Maßnahme kann die Empfindlichkeit der Unipolaranordnung
bei sehr kleinen Steuerspannungen erhöht werden,
ohne daß die maximale Aussteuerungsgrenze herabgesetzt wird. Die Querschnitte der stromführenden Kanäle werden so gewählt,
daß einige Kanäle bereits bei sehr kleinen Werten der angelegten Steuerspannung vollständig für den Stromtransport
gesperrt werden, während die Kanäle mit dem größten Quer- , schnitt erst bei der maximal vorkommenden bzw. der maximal
zulässigen Steuerspannung abgeschnürt werden. Hierdurch erhält
man eine Unipolaranordnung, die besonders im Bereich kleiner Steuerspannung sehr empfindlich ist, eine Eigenschaft,
die bei vielen Anwendungsfällen besonders erwünscht
ist. Da nur ein Teil der Kanäle den Querschnitt aufweist, der
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zur Aussteuerbarkeit bis zur maximalen Steuerspannung erforderlich
ist, können außerdem auf gleicher Grundfläche des Halbleiterkörpers sehr viel mehr Kanäle untergebracht
verden; eine Maßnahme, durch die gleichfalls die Empfindlichkeit der Anordnung besonders bei kleinen Steuerspannungswert
en wesentlich erhöht wird.
Zur Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung als Unipolartransistor
münden vorzugsweise alle kanalartigen Zonen vom zweiten Leitungstyp auf den beiden einander gegenüberliegenden
Oberflächenseiten des Halbleiterkörpers in jeweils einer allen Kanälen gemeinsamen Anschlußzone. Hierdurch
können alle parallelgeschalteten, stromführenden Kanäle mit zwei großflächigen Kontaktelektroden auf den beiden einander
gegenüberliegenden Oberflächenseiten des Halbleiterkörpers
erfaßt werden.
Die erfindungsgemäße Unipolaranordnung läßt sich jedoch auch
zur Spannungsmessung oder zur Steuerung und Regelung von Geräten aller Art verwenden. In diesem Fall wird die Unipolaranordnung
so ausgebildet sein, daß auf einer Oberflächenseite des Halbleiterkörpers alle kanalartigen Zonen in einer
dien Kanälen gemeinsamen Anschlußzone vom Leitungstyp der kanalartigen Zone münden, während auf der anderen Oberflächenseite
des Halbleiterkörpers die Kanäle vom zweiten Lei-
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tungstyp durch Bereich? der Zone vom ersten Leitungstyp
voneinander getrennt sind. Auf dieser Oberflächenseite
werden dann alle Kanäle mit je einem gesonderten elektrischen Anschlußkontakt versehen. Um die zuletzt beschriebene Unipolaranordnung zur Spannungsmessung oder zur
Steuerung und Regelung verwenden zu können, wird die Meßoder Steuerspannung derart an die ohmsche Elektrode angelegt, die die Zone vom ersten Leitungstyp kontaktiert,
daß die pn-Übergänge zwischen der Zone vom ersten Leitungstyp und den kanalartigen Zonen vom zweiten Leitungstyp in Sperrichtung beansprucht werden. Die gesonderten elektrischen Anschlußkontakte der einzelnen Kanäle sind mit Anzeige- und/oder Steuerelementen verbunden. Alle Stromzweir3 aus den lanalartigen Zonen und den angeschlossenen Steuer- und/oder Anzeigeelementen werden parallel geschaltet und mit einer Versorgungsspannungsquelle verbunden. Als Steuerelemente
können beispielsweise die Wicklungen von Relais verwendet werden, durch deren Schaltkontakte weitere elektrische Stromkreise geschlossen oder unterbrochen werden. Als Anzeigeelemente eignen sich besonders Glühlampen.
voneinander getrennt sind. Auf dieser Oberflächenseite
werden dann alle Kanäle mit je einem gesonderten elektrischen Anschlußkontakt versehen. Um die zuletzt beschriebene Unipolaranordnung zur Spannungsmessung oder zur
Steuerung und Regelung verwenden zu können, wird die Meßoder Steuerspannung derart an die ohmsche Elektrode angelegt, die die Zone vom ersten Leitungstyp kontaktiert,
daß die pn-Übergänge zwischen der Zone vom ersten Leitungstyp und den kanalartigen Zonen vom zweiten Leitungstyp in Sperrichtung beansprucht werden. Die gesonderten elektrischen Anschlußkontakte der einzelnen Kanäle sind mit Anzeige- und/oder Steuerelementen verbunden. Alle Stromzweir3 aus den lanalartigen Zonen und den angeschlossenen Steuer- und/oder Anzeigeelementen werden parallel geschaltet und mit einer Versorgungsspannungsquelle verbunden. Als Steuerelemente
können beispielsweise die Wicklungen von Relais verwendet werden, durch deren Schaltkontakte weitere elektrische Stromkreise geschlossen oder unterbrochen werden. Als Anzeigeelemente eignen sich besonders Glühlampen.
Die Erfindung soll im weiteren noch anhand der Figuren 1 bis näher erläutert werden.
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In Figur 1 ist ein Halbleiterkörper 1 dargestellt, der beispielsweise den p- oder ρ -Leitungstyp aufweist. Dieser
Halbleiterkörper wird an seiner Oberflachensexte 2 mit einer
zusammenhängenden Oxydmaske 3 abgedeckt, die die für die kanalartigen Zonen vorgesehenen Halbleiterbereiche k gegen die für
die Eindiffusion vorgesehenen Störstellen abschirmt. In die an der genannten Oberflächenseite freiliegenden Bereiche des
Halbleiterkörpers wird anschließend ein Störstellenmaterial
eindiffundiert, das im Halbleiterkörper eine von den Kanälen siebartig durchlöcherte, η-dotierte Zone 5 erzeugt. Die Oxydmaske
3 ist so dimensioniert, daß die verbleibenden p- oder ρ -leitenden Kanäle 4, die von Bereichen der nleitenden Zone
umgeben sind, unterschiedliche Querschnitte aufweisen. Die beispielsweise zylinderförmigen Kanäle 4 haben vorzugsweise
Durchmesser die zwischen 1 und Io ,um liegen. Auf der der Oberflächenseite
2 gegenüberliegenden Oberflächenseite des Halbleiterkörpers münden die zylinderförmigen Kanäle 4 in die allen
Kanälen gemeinsame p-leitende Zone 6, die mit einem flächenhaften elektrischen Anschlußkontakt 7>
der beispielsweise aufgedampft wird, versehen ist. Auf der Oberflächenseite 2 des
Halbleiterkörpers wird die Oxydschicht 3 entfernt und durch eine neue Oxydmaske 8 ersetzt, die nur den Oberflächenrandbereich
des Halbleiterkörpers abdeckt. Danach wird durch die Öffnung in der Oxydschicht 8 neues Störstellenmaterial in den Halbleiterkörper
eindiffundiert, das den p-Leitungstyp erzeugt, so
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daß alle Kanäle an der Oberfläche 2 des Halbleiterkörpers
durch eine weitere, allen Kanälen gemeinsame p-ieitende Zone 9 miteinander verbunden werden. Die verbleibende Länge
der zylinderfÖrmigen Kanäle 4 beträgt beispielsweise einige ,um. Die p-leitende Zone 9 wird gemäß Figur 3 mit einer
weiteren flächenhaften Elektrode Io versehen. Die Elektroden 7 und Io, die mit den kanalartigen Zonen k auf einander
gegenüberliegenden Oberflächenseiten des Halbleiterkörpers
ohmisch verbunden sind, dienen als Quell- und Zugelektrode, während die mit der η-leitenden Zone 5 verbundene Elektrode
11 am Rand der Halbleiteroberfläche 2 als Steuerelektrode anzusehen ist.
Zwischen die Elektroden 11 und 7 wird nun die Steuerspannung so angelegt, daß die pn-Übergänge 12 zwischen der nleitenden
Zone 5 und den Kanälen k in Sperrichtung beansprucht sind.
Wie aus der Draufsicht der Figur k hervorgeht, befinden sich
im Halbleiterkörper beispielsweise verschiedene Gruppen 13 bis l6 von kanal art ig en Zonen, %*obei innerhalb jeder Gruppe
alle Kanäle einen gleichen Querschnitt aufweisen, der Querschnitt der Kanäle in jeder Gruppe sich jedoch von den Querschnitten
der anderen Kanäle unterscheidet. Die Kanäle 13 werden als erste von der sich ausdehnenden ladungsträgerfreien
Raumladungszone bei anwachsender Steuerspannung abgeschnürt,
so daß eine merkliche Widerstands erhöhung zwischen der Zug-
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und der Quellelektrode der Unipolaranordnung die Folge ist.
Bei weiter zunehmender Steuerspannung werden nacheinander
die Kanalgruppen Ik bis 16 abgeschnitten, wobei mit zunehmender
Steuerspannung die Empfindlichkeit der Anordnung
abnimmt, die durch den Querschnitt der Kanalgruppe 16 bestimmte maximale Aussteuerbarkeit jedoch gewahrt bleibt.
In Figur 5 ist eine erfindungsgemäße Unipolaranordnung dargestellt, bei der die Kanäle nur an einer Oberflächenseite des
Halbleiterkörpers durch eine allen Kanälen gemeinsame p-leitende
Zone 6 miteinander verbunden sind. An der gegenüberliegenden
Oberflächenseite ist jeder Kanal mit einer gesonderten Elektrode 17 bis 2o versehen und von den benachbarten
Kanälen durchn-1eitende Bereiche der Zone 5 isoliert. An jede
Elektrode wird beispielsweise in Serie eine Glühlampe 21 und eine Relaiswicklung 22 angeschlossen. Alle Stromzweige aus
dem jeweiligen p-leitenden Kanal, der Glühlampe 21 und der Relaiswicklung 22 werden parallel geschaltet und mit einer
Versorgungsspannungsquelle 23 verbunden. Auch die Zugelektrode
7 wird an die noch freie Elektrode der Versorgungsspannungsquelle 23 angeschlossen. Die Relaiswicklungen und die Glühlampen
sind beispielsweise so ausgelegt, daß bei der Steuerspannung Null alle Relais angezogen sind und alle Glühlampen
aufleuchten. Wenn zwischen die Steuerelektrode 11 und die Zugelektrode 7 nun eine Steuerspannung angelegt wird, die die
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pn-Übergängen zwischen den kanal art igen Zonen 4 und der nleitenden
Zone 5 in Sperrichtung beansprucht, schnürt die sich ausdehnende ladungsträgerfreie Raumladungszone zunächst
den der Steuerelektrode 17 zugehörigen Kanal ab, die Glühlampe wird erlöschen und das Relais abfallen. Bei
weiter ansteigender Steuerspannung fällt auch die der Elektrode l8 zugehörige Glühlampe aus und auch das in diesem
Stromkreis befindliche Relais wird abfallen. Gleiches gilt für die den Elektroden 19 und 2o zugeordneten Stromkreise
bei noch weiter zunehmender S teuer spannung. Auf diese V/eise läßt sich leicht der Wert der Steuerspannung an der Anzahl
der ausgefallenen Glühlampen ablesen. Entspricht beispielsweise die Steuerspannung dem Wasserpegel in einem Wasser versorungsbehälter,
lassen sich durch den Abfall der Relais derart Pumpen steuern, daß bei höchstem Wasserstand alle
zur Verfügung stehenden Pumpen arbeiten und bei absinkendem Wasserstand eine Pumpe nach der anderen abgeschaltet wird.
Die Zahl der noch brennenden Glühlampen gibt gleichzeitig ein Maß für den jeweiligen Wasserpegel. Mit der erfindungsgemäßen
Anordnung nach Figur 5 können ferner Klassifizierungen und
Gruppeneinteilungen vorgenommen werden. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Steuerspannung dem Stromverstärkungsfaktor
von zu messenden und zu klassifizierenden
Transistoren entspricht. Durch die jeweils letzte ausgeschaltete Glühlampe läßt sich sofort die Stromverstarkungsgruppe des
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gemessenen Transistors ablesen. Eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten
für die erfindungsgemäße Anordnung nach Figur 5 sind leicht vorstellbar.
In der Figur 6 ist die Anordnung nach Figur 5 noch in der
Draufsicht dargestellt» Die Zahl der Kanäle kann selbstverständlich
beliebig variiert werden. Das gleiche gilt auch für die Querschnittsdifferenz von Kanal zu Kanal. Es ist
selbstverständlich, daß bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Dotierungen der einzelnen Zonen in weitem Maße variiert
und den Anforderungen angepasst werden können. Die Leitungstypen der in den Figuren beschriebenen Zonen sind gegen
den jeweils entgegengesetzten Leitungstyp austauschbar.
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Claims (1)
- ίο -Pat entansprüchei) Unipolaranordnung aus einem plattenförmigen Halbleiterkörper mit einer Zone vom ersten Leitungstyp, die von parallel zueinander verlaufenden, kanalartigen Zonen vom zweiten Leitungstyp durchsetzt ist, wobei die kanalartigen Zonen auf einander gegenüberliegenden Oberflächenseiten des Halbleiterkörpers mit flächenhaften elektrischen Kontakten versehen sind, während an die Zone vom ersten Leitungstyp eine weitere flächenhafte Elektrode angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die kanalartigen Zonen unterschiedliche Querschnitte aufweisen.2) Unipolaranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle kanalartigen Zonen vom zweiten Leitungstyp auf beiden einander gegenüberliegenden Oberflächenseiten des Halbleiterfc körpers in jeweils eine allen Kanälen gemeinsame Anschlußzone vom Leitungstyp der kanalartigen Zone münden.3) Unipolaranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer Oberflächenseite des Halbleiterkörpers alle kanalartigen Zonen in eine; allen Kanälen gemeinsamen Anschlußzone vom Leitungstyp der kanalartijren Zonen münden, während auf der anderen Oberflächenseite des Halbleiterkörpers die Kanäle durch Bereiche der Zone vom ersten Leitungstyp voneinander ge-109849/1433trennt sind und alle Kanäle mit je einem gesonderten elektrischen Anschlußkontakt versehen sind.k) Unipolaranordnung nach einem er vorherg ehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper verschiedene Gruppen von kanalartigen Zonen vorgesehen sind, wobei innerhalb jeder Gruppe alle Kanäle einen gleichen Querschnitt aufweisen, der Querschnitt der Kanäle in jeder Gr ppe sich jedoch von den Querschnitten der Kanäle der ander on Gruppen unterscheidet.5) Unipolaranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dc- Durchmesser der kanalartigen Zonen zwischen 1 und Io ,um liegt.6) Unipolaranordnung nach Anspruch 3i gekennzeichnet durch ihre Verwendung zur Spannungsmessung oder zur Steuerung und Regelung von Geräten aller Art.7) Schaltungsanordnung zum Betrieb einer Unipolaranordnung nach Anspruch 3 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßoder Steuerspannung derart an die Elektrode der Zone vom ersten Leitungstyp angelegt wird, daß die pn-Übergänge zwischen dieser Zone und den kanalartigen Zonen vom zweiten Leitungstyp in Sperrichtung beansprucht sind, daß an die gesonderten elektri-109849/1433sehen Anschlußkontakte der einzelnen Kanäle Anzeige- und/oder Steuerelemente angeschlossen sind, und daß alle Stromzweige aus den kanalartigen Zonen und den angeschlossenen Steuer- und/oder Anzeigeelementen parallel geschaltet und mit einer Versorgungsspannungsquelle verbunden sind.8) Schaltungsanordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerelemente die Wicklungen von Relais vorgesehen sind, durch deren Schaltkontakte weitere elektrische Stromkreise geschlossen oder unterbrochen werden.9) Schaltungsanordnung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß als Anzeigeelemente Glühlampen verwendet werden.109849/U33Leerseite
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