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Die Erfindung bezieht sich auf eine Tunneltriode, die bekanntlich
aus einem normalen, d. h. einem Übergang ohne Tunneleffekt und einem Tunnelübergang
besteht. In derartigen Halbleiterbauelementen werden die Eigenschaften eines Tunnelübergangs
ausgenutzt, um dem Bauelement neue, charakteristische Eigenschaften zu geben.
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Beim Tunnelübergang erfolgt der Ladungsträgertransport auf Grund des
quantenmechanischen Tunneleffekts, der darin besteht, das Elementarteilchen, z.
B. Elektronen, einen hinreichend dünnen Potentialwall durchdringen können, ohne,
die volle, zur Überwindung des Walles nötige kinetische Energie zu besitzen. In
Halbleiterdioden besteht zwischen dem p- und dem n-Gebiet ein solcher Potentialwall,
den die Ladungsträger beim Übergang durchdringen müssen, Mit steigender Dotierung
wird der Potentialwall dünner, bis bei einer Dotierung oberhalb der Entartungskonzentration
des Halbleitermaterials die Majoritätsträger den Potentialwall der Berührungsfläche
in bekannter Weise durchdringen können.
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Beim Anlegen kleiner Spannungen an eine in Flußrichtung gepolte Tunneldiode
wächst der Strom auf Grund des Tunneleffekts zunächst mit der Spannung, bis er einen
Maximalwert erreicht. Wird die Spannung weitergesteigert, so fällt der Strom auf
ein Minimum ab; in diesem Intervall besitzt die Stromspannungscharakteristik der
Tunneldiode einen negativen Bereich. Bei weiterer Erhöhung der Spannung steigt die
Kennlinir, wie bei einer gewöhnliehen Diode an. Tunnelstrom und normaler Diodenstrom
zusammen ergeben den charakteristischen Verlauf der Tunneld;oden-Kennlinie.
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In der Tunneltriode, die praktisch einen Transistor mit einem Tunnelübergang
im Emitter-Basis-Berefch darstellt worden die Eigenschaften der Tunneldiode ausgenutzt,
um einen Transistor mit außergewöhnlicher Charakteristik darzustellen.
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Bei kleinen, von außen zwischen Emitter- und Basisbereich der Tunneltriode,
angelegten Spannungen (EMK) ist die Strom#erstärkung a noch praktisch gleich
Null, wobei a das Verhältnis von Kollektorstrom zu Emitterstrom ist. Oberhalb -einer
bestimmten EMK, deren Wert sich aus der Kennlinie. des Tunnelübergangs und dem im
Stromkreis des Tunnelübero,an-s wirksamen Widerstand in bekannter Weise ergibt,
steigt die Stromverstärkung nahezu sprunhaft auf einen Wert von angenähert
1. Oberhalb dieser Sprungspannung nimmt die Tunneltriode praktisch die Eigenschaften
eines herkömmlichen Transistors, bestehend aus pnp- bzw. npn-übergängen, an. Auf
Grund dieser Eigenschaften kann ffie Tunneltriode unter anderem als Schalter oder
als Sicherung verwendet werden.
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Bekanntlich ist für den Tunneleffekt ein Material mit klemer effektiver
Masse der Ladungsträger günstig; für den Kollektorbereich eines Transistors ist
zur Erzieluno, einer hohen Stromverstärkuno, a ein Halbleitermaterial mit hoher
Trägerlebensdauer i wichtig.
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Tunneltrioden aus Germanium sind bereits bekannt. Ebenso sind Tunneldioden
aus Germanium oder aus Galliumarsenid bekannt. Hierbei liegt der Tunnelübergang
im Germanium bzw. im Gallium- i arsenid. Dar-über hinaus gibt es auch solche Tunnelübergänge,
bei denen der Tunneleffekt zwischen Galliumarsenid und Germanium bewirkt wird. Erfindungsgemäß
wird eine Tunneltriode vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sich auf
einem #einkristallinen, insbesondere scheibenförmigen Germanium- oder Siliciumgrundkörper
bestimmten Leitungstyps eine epitaktische Galliumarsenidschicht befindet, die den
gleichen Leitungstyp besitzt wie der Germanium- oder Siliciumgrundkörper, aber bis
über die Entartungskonzentration dotiert ist, daß über dieser Galliumarsenidschicht
eine weitere bis über die Entartungskonzentration dotierte epitaktische Galliumarsenidschicht
angeordnet ist, die den entgegengesetzten Leitungstyp wie die erste Galliumarsenidschicht
besitzt, und daß sich auf der anderen Seite des Germanium- oder Siliciumgrundkörpers
ein nicht tunnelnder pn-überga o, no, g befindet.
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Eine Tunneltriode gemäß der Erfindung mit dem Tunnelübergang im Galliumarseni#d
und dem nichttunnelnden Übergang im Germanium erscheint auf den ersten Blick als
eine Verschlechterung einer vollständig aus Germanium aufgebauten Tunneltriode,
denn es ist bekannt, daß für den Tunneleffekt eine kleine effektive Masse der Ladungsträger
vorteilhaft ist. Diese effektive Masse ist aber beim Galliumarsenid größer als beim
Germanium. Die gemäß der Erfindung vorgeschlagene Tunneltriode zeichnet sich jedoch
gegenüber einer bekannten, aus Gennanium bestehenden Tunneltriode dadurch vorteilhaft
aus, daß das Strommaximum erst bei höheren Spannungen zwischen Basis- und Emitterzone
auftritt. Dadurch ist es möglich, beispielsweise einen Oszillator oder Verstärker
höherer Ausgangsleistung herzustellen, als es mit einer Germaniumtriode möglich
ist.
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Besteht der Kollektorbereich der Tunneltriode, gemäß der Erfindung
aus Silicium, so erzielt man noch den zusätzlichen Vorteil, daß höhere Betriebstemperaturen
möglich sind. Galliumarsenid-Silicium-Tunneltrioden gemäß der Erfindung zeigen eine
sehr geringe Temperaturabhängl-keit.
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Der nicht tunnelnde pn-übergang kann durch gemeinsames, epitaktisches
Abscheiden des Materials des Halbleitergrundkörpers mit einem den entgegengesetzten
Leitungstyp des Halbleitergrundkörpers hervorrufenden Dotierungsstoff aus der Gasphase
hergestellt werden oder auch durch Einlegieren einer Pille eines den entgegengesetzten
Leitungstyp hervorrufenden Dotierunasstoffes in den Halbleitergrundkörpe,r. Ebenso
läßt sich der nicht tunnelnde pn-über,-ang beispielsweise durch Eindiffundieren
eines den entgegengesetzten Leitungstyp des Halbleitergrundkörpers erzeugenden Stoffes
in den Halbleitergrundkörper herstellen.
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An Hand der F i g. 1 bis 4 wird eine Tunneltriode gemäß der
Erfindung am Beispiel einer n+p+pn-Triode näher beschrieben.
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In der F i g. 1 ist eine Germaniumscheibe 1 mit p-Leitung
dargestellt, auf die eine Galli#umarseni#dschicht 2, ebenfalls vom p-Leitungstyp,
epitaktisch aufgebracht ist; das Aufbringen der Galliumarsenildschicht erfolgt beispielsweise
dadurch, daß in einem Reaktionsraum ein Halogenid des Galliums, z. B. !ein Chlorid,
bei höherer Temperatur mit Arsen zur Reaktion gebracht wird; auf die Germaniumscheibe,
die in einem kälteren Bereich des Reaktionsraumes angeordnet ist, wird dann die
Galliumarseni#dschicht epitaktisch abgeschieden. An Stelle einer Germaniumscheibe
kann auch eine Siliciumscheibe verwendet
werden. Die p-Leitung
der Germaniumscheibe kann beispielsweise durch einen Gehalt an Bor, Aluminium, Gallium
oder Indium hervorgerufen sein; der spezifische Widerstand des Germaniums kann zwischen
0,1 und 10 000 9 - cm liegen. Die p-Leitung in der Galliumarsenidschicht
wird belspielsweise durch Zink oder Cadmium usw. bewirkt. Die
Konzentration
des Dotlerungsstoffes in der Galliumarsenidschicht beträgt mehr als 1019,/cm3.
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Bei der Abscheid-ung des Galliumarsenids auf der Germanlurnscheibe
empfiehlt es sich, die Flächen, auf denen keine Abscheldung erwünscht ist, mit einer
Maske, z. B. aus inertern Material, wie etwa Graphit oder Quarz oder ähnlichem,
abzudecken. Es ist aber auch möglich, keine Maske zu verwenden und das unerwünscht
abgeschiedene Galliumarsenid nach der Abscheidun g zu entfernen, beispielsweise
durch chemische Mittel.
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Wie aus der F i g. 2 ersichtlich, wird dann ei-ne weitere Galliumarsenidschicht
auf diese p-leidende Galliumarsenidschicht abgeschieden. Die zuletzt abgeschiedene
Schicht ist n (7 -leitend und bis über die Entartungskonzentration dotiert. Beispielsweise
enthält ste einen Zusatz von Selen mit einer Konzentration oberhalb von 10'9Atome/cm3.
D«le Dotierung wird meist bei der Abscheidung des Galliumarsenids erzeugt. Sie kann
jedoch auch nach der Abscheidung, z. B. durch Eindiffund.`eren des Dotierungsstoffes
in die Schicht, bewirkt werden. Die Dotierungsverfahren müssen sorgfältig ausgeführt
worden, damit der übergang 4 zwischen dem n- und dem p-Bereich der Galliumarsenidschichten
nicht flach oder abgestuft ist, denn die Stromspannungscharakteristik der fertiigen
Triode ist weitestgehend davon abhängig, daß dieser Übergang abrupt ist.
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Bei der in F i g. 3 dargestellten Anordnung ist eine n-leitende
Germaniumschicht auf die untere Fläche der p-leitenden Germaniumscheibe epi:taktisch
aufgebracht, wodurch der nicht tunnelnde pn-üb#ergang 6
entsteht. Die Abscheidung
des Germaniums kann beispielsweise durch thermische Zersetzung einer gasförmigen
Germaniumverbindung, wie etwa Germaniumtetrachlorid, erfolgen, die gegebenenfalls
im Gemisch mit Wasserstoff zur Anwendung gelangt. Vorteilhafterweise wird gleichzeitig
mit dem Halbleitermaterial ein Dotierungsstoff abgeschieden, der im Fall des Beispiels
ein Element der V.Gruppe des Periodischen Systems der Elemente, z. B. Phosphor,
Arsen oder Antimon usw., sein kann. Der spezifische Widerstand dieser Schicht kann
zwischen 0,1
und 1.0 000 Q -cm betragen. -
Die Halbleiteranordnung
wird, wie in der F i (y. 4 dargestellt, anschließend mit ohmschen Kontakten versehen.
Der Kontakt 7 stellt den Emitteranschluß der Anordnung dar, 9 ist
der Kollektoranschluß und, 8 die Basiskontaktierung.
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Ein weiteres Beispiel einer Tunneltri#ode gemäß der Erfindung ist
aus der F i g. 5 ersichtlich. In einem Halbleiterkörper, der im Prinzip
wie der in F ig.2 dargestellte Halbleiterkörper aufgebaut ist, ist im unteren, p-leitenden
Bereich eine Legierungsschicht 10 mit n-Leitungstyp durch Einlegieren eines
Elements der V.Gruppe des Periodischen Systems der Elemente oder einer Legierung
eines dieser Elemente mit einem nichtdotierenden Trägermetall, wie z. B. Gold, erzeugt,
wobei sich eine Gold-Antimon-Legierung als recht vorteilhaft erweist. Dabei entsteht
der pn-übergang 12. Die Legierungsschi#cht 10, die den Kollektor der Anordnung
darstellt, ist sperrfrei kontaktiert.
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Ein ebenso vorteilhaftes Beispiel einer nach dem Verfahren gemäß der
Erfindung vorgeschlagenen Tunneltriode ist in der F i g. 6 dargestellt.
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Auf einem e#;nkristallinen Halbleitergrundkörper 13
aus Germanium,
der mit Arsen bis zu einer Störstell,endichteN#10111/cm3 dotiert ist, ist c:ne mit
Selen zu einer Störstellendichte von 5-1011/CM3 dotierte, einkristalline Gatliumarsenidschicht14
angeordnet; die beiden Schichten bilden einen Übergang 17, der gewöhnlich
als Heteroübergang bezeichnet wird. Auf diese entartete, n-leitende Galliumarsenidschicht
14 ist mit abruptem Übergang eine weitere einkristalline Galliumarsenidschicht
15 aufgebracht, die ebenfalls bis zur Entartungskonzentration dotiert und
durch einen Gehalt an Zink als Dotierungsstoff p-leitend ist. Die, Störstellendichte
beträgt etwa 5-1019/em3.
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Die beiden unterschiedlichen Galliumarsenidschichten bilden den Tunn,elübergang
1.8 der Triode. Es ist darauf zu achten, daß der Übergang scharf und nicht
flach oder abgestuft ist; die Eigenschaften der Tunneitriode werden wesentlich durch
diesen Übergang bestimmt. Mit flachen Übergängen lassen sich die gewünschten Eigenschaften
nicht erzielen.
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Auf der unteren Fläche des n-leitend-en Halbleitergrundkörpers aus
Germanium ist eine mit Gallium bis zu einer Störstellendichte von N=10161cms dotierte
Germaniumschicht epitaktisch aufgebracht, wodurch der nicht tunnelnde pn-Übergan..g19
gebildet wird.
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Die Anordnunor wird, wie üblich, mit elektrischen Kontakten versehen.
Die obere, p-leitende Galliumarsenidschicht wird als Emitterzone der Triode verwendet,
die n-leitende Galliumarsenidschicht als Basiszone; die untere, n-leitende Germaniumschicht
dient als Kollektor.