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Tunneldiode
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1019Die Erfindung beseitigt diese Nachteile dadurch, dass das Halbleitermaterial mit zwei aktiven Verunreinigungen entartet dotiert ist und die durchschnittliche Grösse der Atome der Dotierungssubstanz gleich der Grösse der Atome der Halbleitergrundsubstanz ist.
Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung sowie aus den nachstehend aufgeführten Zeichnungen : Fig. l (a) zeigt eine vergrösserte Draufsicht auf eine Tunneldiodenvorrichtung, die ein Halbleiterelement nach der Erfindung umfasst. Fig. l (b) zeigt einen in der Ebene 1-1 von Fig. l ausgeführten Schnitt. Fig. 2 zeigt eine Kurve, die zur Erläuterung eines Vorteils der Vorrichtung von Fig. l dient. Fig. 3 zeigt eine andere Kurve, die zur Erläuterung eines weiteren Vorteils dieser Vorrichtung dient.
Die inFig. 1 (a) und l (b) dargestellte Tunneldiode besteht aus einem Ausgangsplättchen 10 aus einem geeigneten Halbleitermaterial. das mit mindestens zwei Arten von Verunreinigungsatomen desselben Leitfähigkeitstyps in genügender Konzentration dotiert ist, um das Material entarten zu lassen, und dies so, dass die Durchschnittsgrösse dieser Verunreinigungsatome etwa gleich der der Atome des Halbleitermaterials ist. Das Plättchen 10 besteht vorzugsweise aus Germanium, das mit zwei Donatorverunreinigungen, wie z. B. Arsen und Antimon, im Verhältnis von etwa 3/1 bis 10/1 dotiert ist, so dass ihre Durchschnittsgrösse etwa der eines Germaniumatoms in dem Ausgangsplättchen gleicht. Mehr wird über das Ausgangsplättchen noch weiter unten gesagt werden.
Die Tunneldiode umfasst ausserdem eine Isolierschicht 11, z. B. aus Siliziumoxyd oder Quarz, die
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Aufdampfen des Siliziumoxyds durch eine mit Öffnungen versehene Molybdänmaske hindurch geschehen.
Weiterhin enthält die Tunneldiode eine Elektrode 12, die innig mit der Oberseite der Isolierschicht 11 verbunden ist und einen überhängenden, an den Körper 10 anlegierten Teil 13 aufweist. Die Elektrode 12 besteht aus mindestens einer'aktiven Verunreinigung, die einen sehr dünnen PN-Übergang 14 bilden kann.
Zu diesem Zweck kann die Elektrode bis zu 2% Gallium und im übrigen Indium enthalten, welch letzteres auch als Träger für das Gallium dient. Durch die hohe Konzentration der aktiven Verunreinigungselemente Indium und Gallium wird bei Legierung mit dem Germaniumplättchen 10 in herkömmlicher Weise der Übergangsbereich der Tunneldiode auf etwa 75 Angström verdünnt, und es entsteht ein P-Bereich in Verbindung mit der Elektrode 12 in der in der Technik bekannten Art und Weise. Die Elektrode 12 kann der Schicht 11 gemäss nach verschiedenen Verfahren angebracht werden, z. B. durch Zerstäubung oder Aufdampfung durch eine Molybdänmaske hindurch, wonach die Legierung bei einer passenden Temperatur ausgeführt wird. Diese bewirkt, dass sich ein PN-Übergang 14 zwischen dem überhängenden Teil 13 und dem Halbleiterplättchen 10 bildet.
Eine Verbindung in Form eines dünnen Drahtes 15 ist an ihrem Ende an der Elektrode 12 angebracht, z. B. durch Thermokompression. Ein Leiter in Form einer Metallplatte 16 ist an der Unterseite des Halbleiterplättchens mit einem ohmschen Lötmittel angebracht, wodurch mit dem Draht 15 und der Elektrode 12 elektrische Anschlüsse an entgegengesetzten Seiten des PN-Übergangs 14 hergestellt werden.
Durch einen Ätzvorgang, welcher die Grösse des PN-Übergangs 14 auf einen Wert zu reduziert, durch den die gewünschte Strom-Spannungs-Kurve der in Fig. 2 dargestellten Art hergestellt wird, wird ausserdem etwas von dem oberen Randteil des Halbleiterplättchens beseitigt, so dass die Isolierschicht 11 jetzt über einem Teil des Plättchens hängt, wie es Fig. l (b) darstellt.
Bisher wurde bei der Herstellung von N-Germanium zur Verwendung in Tunneldioden das Germanium gewöhnlich derart mit Arsen dotiert, dass die Verunreinigungskonzentration bis zu 4 x CT Atome/cm* betrug. Da die Arsenatome kleiner als die Germaniumatome sind und im wesentlichen in das Germaniumbitter hineingehen, d. h. in normale Gitterstellen, wird angenommen, dass durch die hohe Dotierung ein lohes Mass nichteinheitlicher Gitterabstände erzeugt wird, die mit zu mechanischen Spannungen im Kri-
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Es ist durch Versuche festgestellt worden, dass die durch starke Dotierung des Germaniumplättchens sinter Tunneldiode erzeugte mechanische Spannung es leichter macht, Träger von ihrem Platz zu verhängen, wenn eine elektrische Steuerspannung an die Diode gelegt wird. Dieser Effekt findet in erster linie im Talbereich der in Fig. 2 dargestellten Strom-Spannungs-Kurve der Tunneldiode statt. Diese Curve hat die allgemeine Form eines N, u. zw. steigt der Strom steil auf einen Spitzenwert bei der Span-
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dotiertem Germanium verwendet wird.
Die Kurve B, deren Talbereich durch eine strichpunktierte Linie dargestellt ist, die aber sonst mit der Kurve A übereinstimmt, ist die Kennlinie für eine gemäss der Erfindung hergestellte Tunneldiode, bei der das Germaniumplättchen die Verunreinigungselemente Arsen und Antimon so enthält, dass ihre Durchschnittsgrösse etwa der der Germaniumatome gleicht. Man sieht, dass der Talstrom IT2 der Kurve A grösser ist als der entsprechende Strom I', der Kurve B. Für manche Anwendungen ist der grössere Talstrom der Kurve A unerwünscht. Es wird angenommen, dass dieser grosse Talstrom durch die mechanische Spannung in dem einfach dotierten Germanium bewirkt wird, die die Beseitigung der Träger aus der Gitterstruktur dieses Plättchens fördert.
Wenn die mechanische Spannung in dem Plättchen dadurch reduziert wird, dass die richtige Grösse von mindestens zwei aktiven Verunreinigungselementen benutzt wird, kann man den niedrigen Talstrom IT2 der Kurve B erlangen, wodurch das Tal-Spitzen-Stromverhältnis in wünschenswerter Weise erhöht wird. Spitzen-Tal-Verhältnisse im Durchschnitt von 12/1 sind mit Tunneldioden erreicht worden, deren Germaniumkristalle die beiden eben erwähnten Verunreinigungen enthielten.
Das Missverhältnis in den Grössen der Germanium- und Arsenatome kann dadurch ausgeglichen werden, dass man einige der Arsenatome durch Antimonatome ersetzt. Hiezu dient folgende Gleichung :
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+ NSbsein. wodurch man eine annähernde Angleichung der Durchschnittsgrösse der Verunreinigungsatome an die der Germaniumatome erhält.
Dem Fachmann auf dem Halbleitergebiet dürften verschiedene Möglichkeiten zum Dotieren des Halb- leiterplättchens bekannt sein. Zum Beispiel können die Plättchen von einem Halbleiterstab abgeschnitten werden. der vorher bis zu einem bestimmten Pegel mit Antimon dotiert worden ist, und dann nach der
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hält, die ein gewünschtes Vielfaches von derjenigen des Antimons ist. Natürlich werden in Tunneldioden zur Erreichung hoher Geschwindigkeiten höhere Dotierungen verwendet.
Allgemein gibt es zwei Arten von Tunnelbildung : 1. direkte Tunnelbildung und 2. durch Phononen unterstützte Tunnelbildung. Zufällig wird durch starke Dotierung eines Germaniumplättchens mit Arsen die direkte Tunnelbildung gefördert, während durch die Dotierung mitAntimon die durch Phononen unterstützte Tunnelbildung gefördert wird. Durch die Verwendung der beiden vorgenannten Verunreinigungen in einem entartet dotierten Germaniumplättehen erhält man einen weiteren Vorteil gegenüber einem mit einer einzigen Verunreinigung entartet dotierten. Bei der direkten Tunnelbildung in einer Tunneldiode
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sinkt der Spitzenstrom mit Zunahme der Temperatur.
Dieses Absinken wird dargestellt durch die Kurve C von Fig. 3, u. zw. für den Temperaturbereich von 20 bis 7 0oC. in dem der Spitzenstrom von einem Wert 181 bei 200C auf einen Wert IS2 bei 700C absinkt. Diese Abnahme kann etwa 10-14% des Spitzenstrom- wertes bei 200C ausmachen. Die Verunreinigung Antimon fordert die durch Phononen unterstützte Tunnelbildung und kann in einem entartet dotierten Plättchen in Verbindung mit Arsen verwendet werden, um den Spitzenstrom einer Tunneldiode annähernd konstant zu halten, wie es durch die strichlierte Linie D für den Temperaturbereich von 20 bis 700C dargestellt ist.
Durch richtige Wahl der beiden Dotierungs- mittel erhält man also eine Spitzenstrom-Temperatur-Kurve mit erwünschter Neigung oder gar keiner.
Auch kleine positive Neigungen lassen sich durch entsprechende Mischungen der beiden Dotierungsmittel erreichen.
PATENT ANSPRÜCHE :
1. Tunneldiode aus Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial (10) mit zwei aktiven Verunreinigungen entartet dotiert ist und die durchschnittliche Grösse der Atome der Dotierungssubstanz gleich der Grösse der Atome der Halbleitergrundsubstanz ist.