, Volume 113, Issue 5-6, pp 367-414

Zur Halbleitertheorie der Sperrschicht- und Spitzengleichrichter

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Zusammenfassung

In der neuen Theorie der unipolaren Vorgänge an der Grenze Metall-Halbleiter spielt der Halbleiter nicht mehr die Rolle der schlecht emittierenden Elektrode einer Diodenanordnung, in der beide Glühelektroden durch einen Potentialberg getrennt sind (Abschnitt 1), sondern erscheint, wie das Vakuum in einer Glühelektronenröhre, als Träger eines zwischen den beiden Metallelektroden in ungleicher Dichte vorhandenen Elektronen- (oder Defektelektronen-) Gases, das allerdings anderen Strömungsgesetzen gehorcht als im Vakuum (Abschnitt 2). Bei größeren Schichtdicken ist auch diese Vakuumanalogie nicht ausreichend; wegen der in ihm vorhandenen thermisch dissoziierbaren Störstellen verhält sich vielmehr der Halbleiter ähnlich wie ein mit Natriumdampf von Glühtemperatur erfüllter Raum zwischen zwei thermisch emittierenden Elektroden. Besondere Übergangswiderstände an der Grenze Metall-Halbleiter entstehen, wenn die thermische Randdichte der Elektronen kleiner ist als die durch den Störstellenghalt bedingte Elektronendichte des neutralen Halbleiterinnern. Es bildet sich dann eine Raumladungsrandschicht aus, die sich bei einer in den Halbleiter hinein gerichteten Elektronenbewegung ausdehnt und dadurch ihren Widerstand vergrößert, während sie sich in umgekehrter Stromrichtung bis auf Null zusammenzieht (Abschnitt 3). Diese Deutung der Gleichrichterwirkung, die schon bei völlig gleichmäßiger Störstellenverteilung zu Übergangswiderständen und unipolarer Leitfähigkeit führt, wird in Abschnitt 4 und 5 durch die Betrachtung des zusätzlichen Einflusses einer ungleichmäßigen Störstellenverteilung erweitert. Besonders wird eine Störstellenverarmung des Halbleiters an der Metallgrenze („chemische Sperrschicht“) betrachtet; allgemein wird darauf hingewiesen, daß jede durch besondere Störstellenverteilung oder durch Randwirkungen hervorgerufene Ausbildung einer Raumladungszone innerhalb des Halbleiters als Ursache nichtlinearer und unipolarer Leitungsvorgänge in schwachen Feldern wirksam ist. Nachdem in Abschnitt 6 die Voraussetzungen dieser Raumladungstheorie noch einmal zusammengestellt sind, wird in den folgenden Paragraphen versucht, eine erste Übersicht über ihre Bedeutung für das ganze vorliegende Beobachtungsmaterial zu geben. In allen Fällen scheinen die sich aus der Raumladungstheorie ergebenden Schichtdicken (etwa 10−6 bis 10−3 cm, je nach der Leitfähigkeit des Störstellenhalbleiters) den tatsächlichen Abmessungen der anomal leitenden Gebiete an der Grenze Metall-Halbleiter zu entsprechen. Für Flächengleichrichter kann das aus Kapazitätsmessungen, für Spitzendetektoren durch eine Analyse der noch als „Spitzen“ wirksamen Berührungsflächen nachgewiesen werden (Abschnitt 7), wobei von der Annahme einer besonderen Sperrschicht an der Berührungsstelle Spitze-Halbleiter im allgemeinen kein Gebrauch gemacht wird. In Abschnitt 8 werden unter ähnlichen Geschichtspunkten „künstliche Sperrschichten“ behandelt, ferner die Vorgänge beim Gegenpressen von Folien, bei der losen Berührung verschiedener Halbleiter untereinander und beim Auftreten von Störzonen im Innern massiver Halbleiter. Abschnitt 9 gibt einen historischen Überblick über die Vorgeschichte der Theorie und ihre Stellung im Rahmen der sonstigen heute vorhandenen Erklärungsversuche.

Herrn E. Spenke habe ich für vielfache Diskussionen sowie für seine Ratschläge zur Darstellung der gewonnenen Ergebnisse herzlich zu danken; ich hoffe, daß sie der Lesbarkeit der vorliegenden Veröffentlichung zugute gekommen sind.