184647. lajstromszámú szabadalom • Háromrétegű felvezető eszközök
1 A találmány tárgya háromrétegű félvezető eszközök amelyeknek a backward dióda töltéshordozó áramlásán alapuló működési mechanizmusuk van. A találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök előnyösen alkalmazhatók az elektronika bármely területén minden olyan esetben amikor nagy hatásfokú egyenirányításra, illetve széles feszültség tartományban működtethető negatív belső ellenállású félvezető eszközre van szükség. A félvezető technikában jelenleg mind az egyenirányítási feladatok ellátására, mind pedig a negatív belső ellenállás megvalósítására számos eszköz szolgál, ezek közös jellemzője azonban, hogy ezt a két funkciót együttesen egyik félvezető eszköz sem képes maradéktalanul ellátni. Az eddig ismert félvezetőelemek közül csupán az Esaki, illetve backward diódák képesek mindkét funkciót egy eszközön belül közel ideális párámé írekkel megvalósítani. Ezeknek a félvezető eszközöknek a hátrányuk viszont, hogy üzemeltetési tartományuk igen szűk, hatásukat csupán néhány tized voltos feszültség tartományban képesek kifejteni. A találmány célja olyan félvezető eszközök létrehozása, amelyek a backward dióda adottságait széles feszültség tartományban' képesek biztosítani. A találmány további célja olyan új funkcionális eszközök létrehozása, amelyek néhány külső elem segítségével bonyolult áramköröket is képesek helyettesíteni. A találmány azon a felismerésen alapul, hogy a hagyományos backward dióda rétegszerkezetének egy újabb félvezető réteggel való kiegészítése, valamint a dotáció szintek kismértékű korrigálása után egy olyan új félvezető eszközhöz jutunk, amely széles feszültség tartományban is képes a backward dióda előnyös tulajdonságainak a megvalósítására. A találmánnyal háromrétegű félvezető eszközöket hoztunk létre, amelyeknek a backward dióda töltéshordozó áramlásán alapuló működési mechanizmusuk van, a félvezető testet két azonos vezetési típusú, és egy ellentétes vezetési típusú félvezető rétegek képezik, az ellentétes vezetési típusú félvezető réteg a két azonos vezetési típusú félvezető réteg között helyezkedik el, és dotáció szintje nem haladja meg az azonos vezetési típusú félvezető rétegek dotáció színjét. A találmány egy előnyös kiviteli alakjánál egyenirányításra és negatív belső ellenállást igénylő feladatok ellátására egyaránt alkalmas diódákat hoztunk létre. A találmány egy további előnyös kiviteli alakjánál a középső réteg kivezetésével funkcionális feladatok ellátására is alkalmas tranzisztorokat hoztunk létre. A találmányt a továbbiakban példák kapcsán, a rajz alapján ismertetjük részletesebben, amelyen az 1, ábra ismert félvezető eszköz nyitóirányú jelleggörbéje, az lb. ábra ismert félvezető eszköz záróirányú jelleggörbéje, az le. ábra a találmány szerinti járomrétegű félvezető eszközök npn rétegsorrendű egyenáramú dióda alakjának nyitóirányú bekötési rajza, az ld. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök egyenáramú dióda alakjaivalsorbakötött terhelőellenállás feszültség-áram jelleggörbéje, az le. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök egyenáramú dióda alakjaival sorbakötött terhelőellenállás stabilizátor üzemmódban mérhető feszültség-áram jelleggörbéje, a 2a. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök npn rétegsorrendű egyenáramú dióda alak2 jának felépítési rajza és szimbólumjelölése, a 2b. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök pnp rétegsorrendű egyenáramú dióda alakjának felépítési rajza és szimbólumjelölése, a 2c. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök npn rétegsorrendű váltakozóáramú dióda alakjának felépítési rajza és szimólumjelölöse, a 2d. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök pnp rétegsorrendű váltakozóáramú dióda alakjának felépítési rajza és szimbólumjelölése, a 3á. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök npn rétegsorrendű egyenáramú tranzisztor alakjának bekötési rajza, a 3b. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök npn rétegsorrendű egyenáramú tranzisztor alajának felépítési rajza és szimbólumjelölése, a 3c. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök pnp rétegsorrendű egyenáramú tranzisztor alakjának- felépítési rajza és szimbólumjelölése, a 4a. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök ekvivalens npn kivitelű váltakozóáramú tranzisztor alakjának felépítési rajza és szimbólumjelölése, a 4b. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök ekvivalens pnp kivitelű váltakozóáramú tranzisztor alakjának felépítési rajza és szimbólumjelölése, a 4c. ábra a találmány szerinti háromrétegű félvezető eszközök komplementer kivitelű váltakozóáramú tranzisztor alakjának felépítési rajza és szimbólumjelölése Az la. ábrán az ismert Esaki dióda nyitóirányú jel leggörbéjét tüntettük fel. Mint a jelleggörbe al szak» szán is látható ennek a mindkét rétegében erősen do tált félvezetőelemnek alapvető tulajdonsága, hogy a nyitóirányú áram már rendkívül alacsony külső feszültség mellett is megindul. A külső feszültség tovább növelésével az Esaki dióda átkerül a negatív belső ellenállású bl szakaszba, a cl szakaszban pedig már ugyanúgy viselkedik mint a hagyományos egyenirányító diódák. Az Esaki diódának ez a sajátos működési mechanizmusa az úgynevezett alagút effektuson alapul. Fordított bekötés esetén az Esaki didóda jelleggörbéje az lb. ábrán feltüntetett módon alakul. Ennek a speciális jelleggörbének az előnye, hogy ha az a2 szakaszt áteresztési tartománynak tekintjük, akkor egy rendkívül alacsony zsilipfeszültésgű egyenirányító didódát kapunk. Ez gyakorlatilag nulla voltos zsilipfeszültség ebben az esetben is párosul egy negatív ellenállású tartománnyal (b2 szakasz), és csak ezt követően lép fel a hagyományos diódákra jellemző c2 szakasz. Jelen esetben a záró tartomány szerepét az eredeti áteresztési tartomány eleje (al-bl szakasz) tölti be. Amíg ugyanis az alkalmazott feszültség nem éri el a cl szakasznak megfelelő értéket, addig csak igen gyenge áram folyik keresztül a diódán. A negatív belső ellenállás közvetlen kiváltó oka az úgynevezett forró" elektron áramlás, amely a félvezetőelemen belül uralkodó rendkívül erős potenciál viszonyok következménye. A maradék feszültséggel nem járó, veszteségmenetes egyenirányítás és a negatív belső ellenállás együttes előfordulása alkalmazástechnikai szempontból olyan értékes tulajdonságnak bizonyult, hogy az lb. ábrán látható jelleggörbét megvalósító félvezetőelem külön nevet is kapott. Az Esaki dióda fordított irányú bekötési módját a szakirodalom backward diódának nevezi. A backward dióda hátránya viszont, hogy hatása 184.647 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
