DE1960370C - Elektronisches Festkörperschaltelement - Google Patents

Description

_auch aus der .Zeitschrift für Angewandte Physik«, Rd 28 1969, H. 3, S. 143 bis 148, bekannt. ^BdDer' Umschalteffekt in den Glashalbleitern kann nach O ν s h i η s k y auf eine »Lücke« in der Beweg-SchkeH der Ladungsträger zwischen dem Energie- und dem Leitfähigkeitsband beruhen, wie in dem Artikel »Simple Band Model for Amorphous Semiconducting Alloys« in »Physical Review Letters«, Mai 1969, S. 1065 bis 1068, ausgeführt ist. In diesem Energiebereich s.nd die Elektronen nahezu unbeweg-Hch. Die Ladungsträger werden deshalb leicht em- »efangen. Sobald die Energiezustände zwischen dem Kngsband und dem Fermi-Niveau aufgefüllt sind schaltet das Element in den niederohm.gen Zustand _um, weil die zusätzlich injizierten Elektronen,sich im Energiezustand oberhalb der Beweghchke.tslucke be-

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solchen Halbleiterkörpers _ffkt. Es ist deshalb für den Halbwesentlich

^_s^_hcrsteimr ist, und es .st SuSücnnrtewd ausreichend. Eiterung der Erfindung d.enen d,e

Ass r lI^kä

kungen unterliegen, wie in Fig. 2 schemat.sch veranschaulicht ist. Dort ist die Energie E der Ladungsiger ineiner Schnittebene des Halbleiterkörpers m Abhängigkeit von ihrer Entfernung χ von einer der Ekroden des Halbleiterkörpers aufgetragenen* band E_v und Leitungsband E_c haben unterschiedliche SLn über der Ausdehnung des Halbleiterkörpers. Das Fermi-Niveau ist mit Er bezeichnet. Im hochohmigen Gebiet kann zunächst der Energiezustand zwischen der maximalen Energie E₁ und dem Ferm,-Niveau Ep aufgefüllt werden. Hier ist die Beweglichkeitsehf gering Bei größerer Injektion von Ladungs-

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° Erfindung in einem Diagramm

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Jnrtt. vorzugsweise durch %_asförmigen Verbindung der S^ hübewndeie Germa- ^₀R H₁GeCl₄ und SiIif_t Wasserstoff H₁SiCl, Silizium Ldabstand als Germanium, und Potentialschwelle der aufgebrachten

Tunnel-

. Die bekannten Schalte emenu mit .·

Tälern ausbildet und nicht über die gesamte Flache verteilen kann. Die Folge ist eine übermäßige br_: wärmung des Halbleiterkörpers im'. ^⁰.^^ " größeren Leistungen, die zum Schmelzen des dünnen

"CeI⁰K iS!gt^edahTrⁿdie Aufgabe zugrunde, di Γ BelasTbarkeit der bekannten Schaltelemente fur

wmmm _{£> eo die} Dielektrizitätskonstante _χ ^ _Boltzmannkonstonte _T die absolute Temperatur Elementarladung und „_{D die Don}atorendichte

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fertigen Halbleiterkörper gegen mechanische Beschädigung oder Kriechströme zu schützen. Zu diesem Zweck kann das Schaltelement beispielsweise in einem Gehäuse angeordnet oder von einem selbsthärtenden Kunststoff eingeschlossen sein. Der Halbleiterkörper kann beispielsweise etwa 100 Schichten unterschiedlicher Bandbreite enthalten, deren Dicke d beispielsweise etwa jeweils 1 μ betragen kann. Die Länge des gesamten Halbleiterkörpers wird deshalb im allgemeinen 100 μ nicht wesentlich überschreiten.

Die Breite d und die Anzahl der Siliziumschichten 3 bestimmen die Schaltspannung l/» des Schaltelementes. Sein Schaltstrom 1, ist gegeben durch die Beweglichkeit der Ladungsträger und durch den Abstand o, der Leitungsbandkanten von Silizium und Germanium. 1st das Verhältnis der verbotenen Bänder E^\E_at und somit im allgemeinen auch die EnergiedifTerenz O₁ zu groß, so kann die Siliziumschicht 3 auch durch eine Silizium-Germanium-Legierung ersetzt werden. Mit einer solchen lückenlosen Mischkristallreihe, deren Bandabstand in F i g. 5 schematisch veranschaulicht ist, kann der erforderliche Schaltstrom kontinuierlich geändert und somit auch ein gewünschter Schallstrom I_s eingestellt werden. Dort ist die Breite der verbotenen Zone /!Ein Abhängigkeit vom Mischungsverhältnis der Legierungen Silizium und Germanium in einem Diagramm aufgetragen. Die Breite der verbotenen ZoneAE beträgt für reines Silizium 1,1 eV und für reines Germanium 0,6 eV. Bei einem Silizium-Germanium-Mischkristall mit z. B. 80% Germanium und 20% Silizium ist die Breite AE um einen Wert höher, der in der Figur mit einer Strecke α dargestellt ist, und den Bandabstand nach F i g. 5 um die Anteile O₁ und a₂ vergrößert, da a = α, + O_x gilt. Bei n-leitendem Halbleitermaterial bestimmt der Abstand α, die Größe des Schaltstromes /».

Die Halbleiterkörper können aus Halbleiterelementen oder Verbindungen der Elemente der III. und V. sowie II. und VI. Gruppe des Periodischen Systems hergestellt werden. Gut geeignet sind vorzugsweise Halbleiter mit hoher Trägerbeweglichkeit von etwa μ > 100cm²/Vsec und die Mischkristalle bilden. Diese Eigenschaften haben beispielsweise Galliumarsenid GaAs und Galliumphosphid GaP. In n-leitenden Mischkristallen ist im allgemeinen die Beweglichkeit der Elektronen größer als die Beweglichkeit der Defektelektronen. Mit einer lückenlosen Mischkristallreihe nach F i g. 5 kann mit dem Anteil der beiden Materialien die Höhe der Potentialschwelle kontinuierlich eingestellt werden, weil der Schaltstrom /„ von der Höhe der Potcntialschwelle im Leitungsband bestimmt wird.

Neben Galliumarsenid und Galliumphosphid sind auch andere Halbleiterverbindungen, die Mischkristalle bilden, beispielsweise Indiumarsenid InAs und Indiumphosphid InP, geeignet

Die einzelnen Schichten können vorzugsweise durch die bekannte Epitaxie oder auch durch Aufdampfen im Vakuum auf den Halbleiterkörper aufgebracht werden. Auch das Aufsprühen eines das Halbleitermaterial enthaltenden Lösungsmittels ist möglich.

S Außerdem ist auch das Aufstäuben, insbesondere Kathodenzerstäubung, zum Aufbringen der einzelnen Halbleiterschichten geeignet.

Silizium und Germanium können vorzugsweise durch Abscheidung aus einer gasförmigen Halogen-

xo verbindung, insbesondere durch Hochtemperaturreduktion des Germanium- bzw. Siliziumtetrachlorids mit Wasserstoff als Trägergas:

SiCI₄ + 2H₂-Si+ 4HCi

gewonnen werden.

Zu diesem Zweck kann jeweils abwechselnd ein das Halbleitermaterial enthaltender Gasstrom über den Halbleiterkörper geleitet werden. Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, dem Gasstrom mit der gasförmigen Halbleiterverbindung, beispielsweise der gasförmigen Germaniumverbindung, stoßweise eine gasförmige Siliziumverbindung zuzuführen. Dann wird jeweils abwechselnd eine Schicht Germanium

as und als weitere Schicht eine Germanium-Silizium-Verbindung abgeschieden.

Die A^mB^v-Verbindungen ergänzen die Elemente Germanium und Silizium durch Halbleiterstoffe mit ähnlichen Eigenschaften, wobei die verbotenen Zonen im wesentlichen unterhalb derjenigen von Germanium und oberhalb derjenigen von Silizium liegen. Galliumarsenid und Galliumphosphid bilden ebenfalls eine lückenlose Mischkristallreihe. Diese Verbindungen können deshalb vorteilhaft zur Herstellung von Schaltelementen nach der Erfindung verwendet werden. Wie im Ausführungsbeispiel für Germanium und Silizium erläutert, kann von solchen A^1ILB^V-Verbindungen ebenfalls jeweils abwechselnd eine Schicht, vorzugsweise Galliumarsenid GaAs, und eine folgende Schicht mit dem gleichen Element der III. Gruppe und einer anderen der V. Gruppe, vorzugsweise Galliumphosphid GaP, aufgebiacht werden. Ferner kann die zweite Schicht ebenfalls das Material der ersten Schicht und zusätzlich eine weitere Halbieitervcrb-..-dung enthalten, die zur Hersteilung der Potentialsch «vellen zugesetzt wird und vorzugsweise dem Gasstrom des Materials der ersten Schicht stoßweise zugeführt werden kann. Auf diese Weise kann nach der Erfindung ein Halbleiterkörper mit abwechselnden Schichten aus Galliumarsenid GaAs und Galliumarsenid mit Galliumphosphid GaAsP hergestellt werden.

Im Ausführungsbeispiel wurde zur Erläuterung der Erfindung ein η-leitender Halbleiterkörpet gewählt,

SS weil im allgemeinen die Beweglichkeit der Ladungsträger in η-leitenden Halbleitermaterialien größer ist Es sind jedoch auch p-leitende Materialien geeignet.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Doi.,.t,ntn,ii^.. Germanium weiteres Halbleitermaterial aus Ger- Fatentanspruche. maniumtetrachlorid mit Wasserstoff (HxGeCl4)

1. Elektronisches Festkörperschaltelement mit abgeschieden wird und dem Gasstrom zeitweise einem Halbleiterkörper, der zwei flächenhafte, Siliziumtetrachlorid (SiCl₄) zugesetzt wird, ohmsche Kontaktelektroden und mehrere Schich- 5

ten aus Halbleitermaterial aufweist und dessen ——— Widerstand sich wesentlich vermindert, sobald

der Strom einen vorgegebenen Wert überschreitet, Die Erfindung bezieht sich auf ein elektronisches

dadurch gekennzeichnet, daß der Festkörperschaltelement mit einem Halbleiterkörper,

Halbleiterkörper aus abwechselnden Schichten io der zwei flächenhafte, ohmsche Kontaktelektroden

(2, 3, 4) gleichen Leitungstyps besteht und daß und mehrere Schichten aus Halbleitermaterial auf-

mindestens ein leitendes Band (E₀ und/oder E_v) weist und dessen Widerstand sich wesentlich vermin-

mindestens einer der Schichten (2, 3, 4) Potential- der't, sobald der Strom einen vorgegebenen Wert

schwellen enthält. überschreitet.

2. Festkörperschaitelement nach Anspruch 1, 15 Es ist ein kontaktloses elektronisches Schaltelement dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (2,3,4) bekannt, dessen Halbleiterkörper aus einkristallinem aus zwei Materialien mit unterschiedlicher Band- Halbleitermaterial mit fünf Schichten abwechselnd breite bestehen. gegensätzlichen Leitfähigkeitstyps besteht. Legt man

3. Festkörperschaltelement nach Anspruch 2, an dieses in der Literatur nach seinem Erfinder als dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien 20 »Shockley Diode« bezeichnete Schaltelement eine Span-Mischkristalle bilden. nung, so steigt die Stromstärke etwa proportional der

4. Festkörperschallelement nach Anspruch 1, angeschlossenen Spannung bis zu einem vorbestimmdadurch gekennzeichnet, daß die Schichten jeweils ten Wert, in dem der Widerstand sich sprunghaft im wesentlichen aus einer Verbindung einer ersten vermindert und die Stromstärke ebenso sprunghaft AⁱⁿB^v-Verbindung mit einer zweiten AⁱⁿB^v-Ver- as um ein Vielfaches ansteigt. Ihre Schaltzeit beträgt etwa bindung, die das gleiche Element der III. Gruppe ]0"^esec.

des Periodischen Systems wie die erste A^nIB^v-Ver- Ein unter der Bezeichnung »Diac« bekanntes Schaltbindung und ein anderes Element der V. Gruppe element wird vorzugsweise in der Fernmeldetechnik enthält, bestehen, und daß die Mengenanteile der und elektronischen Steuerungstechnik verwendet. Es Komponenten dieser Verbindung bei aufeinander- 30 schaltet den Strom in der genannten Weise in beiden folgenden Schichten verschieden sind. Richtungen. Die Änderung des Schaltzustandes beim

5. Festkörperschaitelement nach Anspruch 4, Überschreiten der Schaltspannung ist in F i g. 1 verdadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus anschauiicht. Sie zeigt die Strom-Spannungskenneiner Verbindung von Galliumphosphid <GaP) mit linie des Schaltelementes. Wird an die Elektroden Galliumarsenid (GaAs) bestehen. 35 des Schaltelementes eine Spannung gelegt, so fließt

6. Festkörperschaitelement nach Anspruch 2, ein verhältnismäßig geringer Strom, der etwa linear dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit der angelegten Spannung zunimmt. Sobald ein jeweils abwechselnd eine Schicht aus einer Aⁱⁿ-B^v- vorbestimmter Spannungswert, die sogenannte Schalt-Verbindung und eine folgende Schicht aus der spannung U,, überschritten wird, schaltet das Element Verbindung einer AⁱⁿB^v-Verbindung mit einer *o in den niederohmigen Zustand um Diese Kennlinie anderen A^mB^v-Verbindung, die das gleiche EIe- ist aus der Literatur bekannt.

ment der III. Gruppe des Periodischen Systems Aus »Ideen des exakten Wissens« (Wissenschaft und

und ein anderes Element der V. Gruppe enthält, Technik in der Sowjetunion), 1969, H. 8, S. 505 bis 511,

aufweist. ist ferner bekannt, daß der Halbleiterkörper von Bau-

7. Festkörperschaitelement nach Anspruch 6, 45 elementen mit der in F i g. 1 veranschaulichten Kenndadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper linie auch aus glasartigen Halbleitern hergestellt werden jeweils abwechselnd eine Schicht aus Gallium- kann. Diese Halbleiter bestehen aus Legierungen der arsenid (GaAs) und eine folgende Schicht aus einer Sulfide, Selenide und Telluride und bilden eine umVerbindung von Galliumarsenid mit Gallium- fangreiche Gruppe von amorphen Stoffen, die in phosphid (GaAsP) aufweist. 50 ihren physikalisch-chemischen Eigenschaften dem

8. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter- Glas ähnlich sind. Sie unterscheiden sich von den körpers für ein Festkörperschaitelement nach An- bekannten Oxidgläsern lediglich durch ihre Färbung, spruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Ihre elektrische Leitfähigkeit ist rein elektronischer auf einem Halbleiterkörper aus einer Verbindung Art und unabhängig vom Gehalt an Beimengungen, zweier Elemente der IV. Gruppe oder einer 35 Es hat sich erwiesen, daß dünne Scheiben solcher A^mB^v-Verbindung jeweils abwechselnd die gleiche Glashalbleiter ebenfalls den erwähnten Umschalt-Verbindung mit unterschiedlichen Anteilen der effekt, aufweisen, der jedoch beim Überschreiten einzelnen Elemente aus einer gasförmigen Verbin- eines vorbestimmten Strömwertes, des Schaltstromes dung aufgebracht wird. nach F i g. 1, ausgelöst wird. Im Gegensatz zu den

9. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiter- 60 bekannten Schaltelementen mit einkristallinem Halbkörpers für ein Festkörperschaitelement nach leiterkörper enthalten diese amorphen Glashalbleiter-Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 und 3, körper keine Schichten mit abwechselnd gegensätzdadurch gekennzeichnet, daß auf einem Halbleiter- lichem Leitfähigkeitstyp. Sie haben gegenüber den körper aus einem Element der IV. Gruppe jeweils bekannten Schaltelementen den Vorteil einer wesentabwechselnd ein anderes Element der IV. Gruppe 6s lieh geringeren Schaltzeit, die etwa 10"· see beträgt, aus der Gasphase abgeschieden wird. Elektronische Festkörperschaltelemente dieser Art,

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch ge- deren Halbleiterkörper aus Elementen der III., IV. kennzeichnet, daß auf einem Halbleiterkörper aus und V. Gruppe der Periodischen Systems besteht, sind