CS201113B1 - Semiconductor device particularly the semiconductor diode with ammeliorated permeability characteristics - Google Patents

Description

Vyiález se týká polovodičového zařízení, zejména polovodičové diody se zlepšenou oha^r^akterd^fi^kri^c^u ^prspιutnocti ^pro ^ráití ja^ro ^l-ovocii^vý usměrňovač nebo ^po^L.ovodLc^ov^ý vysílač - záření a polovodičový ukazatel vyslajíeí záření·

Je známo, ie v přechodu PN existuje v důsledku difúze děr z oblasti - P do - oblasti N a elektronů z oblasti N do oblasti P v rovnovážném stavu difúzní napětí

přičemž značí N^ koncentraci akceptorů v oblasti P, k Boltzmannovu kointantu, - T teplotu, q elementá:ιrní náboj, Np ksncentr1a5i donorů na straně N a n^ teoretickou ^ηοοη^ηο! elektronů a děr čistého ideálního polovodiče bez dotování· Toto difúzní napptí Vp je polováno tak, že proudy jím vyvolané působí proti difútnta proudům (plus na oblasti N, m.mua na obliti P) Při připojení vnějšího U, které je polováno opačně vzhledem k difúznímu napětí VD> se zmeinií potlačení difúzníoh proudů - jde o propustný směr. Při stanném polování jako u difúzního napětí V-p zesílí vnější napětí pro potlačování difúzníoh proudů - jde o závěrný směr· V nejjednoduěším - případě, který postačí k ‘popisu vynálezu, je možno vyjádřit ohirakteristiku proud - tappjí, určovanou difúzním proudy,

201 113

201 113 rovnicí

přičemž značí j_fl proudovou hustotu naeyoení, která hávisí jen na vlastnostech polovodiče, a nikoliv na připojeném napětí. Čím větší je šířka mezi valeněním pásmem a vodivým pás mem polovodiče, tím menší jsou hodnoty j_fl a n^· Malá teoretická koncentrace elektronů a děr čistého ideálního polovodiče bez dotování n^ znamená však velké difúzní napětí Z toho vyplývá, že charakteristika propustnosti přechodů PN v polovodičích s velkou šířkou mezi valenčním pásmem a vodivým pásmem dosáhne teprve při vyšších napětích toku stejných hodnot proudové hustoty J, , jako v polovodičích в menší šířkou mezi valenčním pásmem a vodivým pásmem. Tak zvané prahové napětí, tj, napětí, resp. potřebné napětí na polovodičové diodě na přechodu PN v propustném směru pro proudové hustoty větší —3 —2 nebo rovné 5 x 10 A cm , je tedy určeno v podstatě druhem použitého polovodičového ma teriálu.

Je známo, že polovodičové usměrňovače, jejichž působení spočívá na vytvoření přechodu PN, nebo diody vysílající záření potřebují pro provoz napětí, které je určeno druhem polovodičového materiálu a prakticky se může málo ovlivnit volbou koncentrace dotování N_A a Np,

U polovodičových usměrňovačů, u kterých usměrňovači účinek není vyvolán přechodem PN, nýbrž přechodem Schottkyho, je známo dosáhnout zlepšené oharakteristiky propustnosti, tedy zvýšení propouštěného proudu při malých propustných napětích výhodnou volbou materiálových kombinací, například druhem materiálu a odpovídajícími technologickými kroky pro výrobu přechodu Schottkyho,

Nedostatkem známých polovodičových zařízení s přechody PN, zejména diod, je to, že mají poměrně vysoká napětí v propustném směru a velký úbytek napětí potřebný pro provoz v propustném směru. Zmenšení takovýchto energetických ztrát znamená rozšíření možností použití pro diody vysílající záření v těch přístrojích, jejichž potřeba energie se musí krýt z baterie, například v hodinkách, kapesních počítačích, atd,, a současně to znamená zvýšení jejich účinnosti.

Účelem vynálezu je vyvinout polovodičové zařízení s podstatně menším napětím a energetickou ztrátou, zejména pro použití jako ukazatelů vysílajících záření v náramkových hodinkách, které se musí provozovat s monočlánky.

Úkolem vynálezu je zlepšiti charakteristiku propustnosti polovodičového uspořádání, zejména polovodičových diod,vysílajících světlo a polovodičových usměrňovačů odpovídajícím prostorovým uspořádáním pásem prostorových nábojů na přechodu PN,

Tento úkol se řeší polovodičovým uspořádáním, u kterého v důsledku prostorového uspořádání pásem prostorových nábojů na přechodu PN nepůsobí proti napětí, připcdenému zvenku na polovodičové zařízení v propustném směru, původní difúzní napětí Vp, nýbrž na

201 113 samotném polovodičovém zařízení se provádí komenzace původního dlfúzního napětí V_D· Tím se dosáhne strmějšího nárůstu propouštěného proudu při propustném napetdí, nežli je - tomu u jednoduchého přechodu·

Podle vynálezu se tohoto vhodného prostorového ' uspořádání pásem prostorových . nábojů na ^přec^hodu ^pN ^dos^áhne strukturami Ií⁺P⁺N ne^bo stírukturami P^+h+P· Vysoce do*tovan^é přechody - N*P⁺ ₉ popří^pa^{dě p4J} se ^při zatlení tfohto ' struktur v ^pro^pustném směru^- ( při stru^urách l^P⁴^ je ^plus na H^{4 ,} minus na ^Nj při strukturách ^р+К*К je ^nus na ^p4 _t plus je na. ^p) provozují v záv^ěinxém směru. Diftoní napětí vysoce ^dotovanýc^{h př}echo^dů je ve strukturách směrováno ^proti dfúznímu napětí prost;orov^ě navazují^ch ^p4ft ^, ^přípa^ N^4p přechodů.

^podle vynálezu jsou vysoce ^dotovan^é přeciio^ N^{+p+ , p}opř^ípa^{dt р+н+ ,} vytvoiřeny tak, že při provozu těchto přechodů v závěrném směru, tedy při provozu celé struktury К^+р+П 9 ^po^př:ípa^dt P⁴^⁴? v pro^pustném smeru_t je závérný ^prou^d vysoce ^dotovanych přechodů v podstatě tunelovým proudem. Vysoce dotované přechody působí tedy jako přechody tunelovým diod. Závěrn^é napětí struktury je určeno ^přec^ho^{dy p4}H ^, popř^a^ N^{4p ,} navazujícdmi na vysoce dotované přechody. Zlepšení charakteristiky propuutnooti se dosáhne tím, že tunelový proud vysoce -dotovaných přechodů ve střední obbasti, například oblast ^p+ struktury ^- N^+p+tf ne^bo oblast N⁴ struktíuy’ ^p+N^{+p ,} vytvářejí přídavné mjoritní nosiče. U známých přechodů PN bez vysoce, dotovaného přídavného pásma, například u přechodů P⁴N ne^bo N^{4p ,-} nastaví se tokem ta^kový dav, ^že ^dif^^úzn^í napětí .se v ^s^d^ prostorového posunutí rozdělení elektronů a děr tokem proudu zmenší o hodnotu napětí, připojeného zvenku, ^při zanemání jiných nap^ěíových ztrát. U drudur podle vyndezu se proudovým zatížením struktury v propustném směru vytvoří ve střední oblasti přídavně nosiče rábojú stejného ^typu ja^ko ^srtov^án^{ím, t}o znamená kíry v odasti ^p4 stiudury N^4p4® a elektaony’ v onasti N⁴ struktury ^p4^^4p. ^{- Tí}m se zm^i^E^:í toytek d^zního na^pětí na celé struktuře a -tím ¹ na ^přech^o^du ^p4K ^{, -}rew· N^+p. Tento jev se však může změěd.tj mlá dotace iontů vyvdá nejdříve nepatrné difúzn^ho napětí na struktuře, toto pak, při konstantním vnější napěěí, další proudu, což znamená přídavné zvětšení děr v ob i as ti P⁴ druktury ^p4p4N a eledronů v obl.aati N⁴ struktury ^{p4p4p ,} aW. Konečně se nastaví dav, ^při kterém je nap^ěíový ^úbyte^k na struktuře určen v poddal jen ješ^ napěíovým úb^ytkem na vysoce ^tovaném ^přec^hodu ť^⁴, res^p. a na zbývající pásmu ^ostorov^o nátoje v rázto^tova^ odasti ^p, resp. N, jakd ¹ ztrátám¹ na dporech dráhy. Při uvážení vzájemného polování těchto napějí dostane se pro celou strukturu N⁴P⁴N, res^p. ^p4N^4p, ^při zaHžení proutóem menší prahové ' napětí nežli ^pro jetoráuctó ^přecho^{dy p4}N, resp. _^p4p.

Je účelné vyráběti polovodičové zařízení podle vynálezu dotací iontů. Zejména je výhodné vytvořit takto vysoce dotované vrstvy, zlepšuuící otaMrartearLdiku propiusnodi, t.j. u ^přechodu ^p^T ^pře^d odastí ^p4 vrstvu u p^řeoho^du ^N4p p^ře^d obn-astí N⁴ vrdvu P⁴. . Tento způsob dovoluje vytvářet ^úzké prostorové rozměry potíebró pro -tunelo

201 ИЗ vý účinek vysoce dotovaných přechodů· Dotace lontů dovoluje také zhotovit přídavnou vysooe dotovanou vrstvu co nejtenčí, což je například důležité pro diody vysílající záření pro zabránění přídavných ztrát záření, vytvářeného na přechodu P*M, resp· H⁺P, absorpcí v této vrstvě·

Přednosti polovodičového zařízéní podle vynálezu spočívají ve zmenšení napětí v propustném směru a ve snížení energetických ztrát, které se vyskytují při provozu polovodičových diod, jako polovodičových usměrňovačů a polovodičových vysílačů záření· Pro polovodičové vysílače záření se tím zejména zvýší účinnost·

Současně se dosáhne zvýšení stability těchto konstrukčních prvků, nebol jejich tepelné zatížení se v důsledku snížení energetických ztrát rovněž sníží· V důsledku malých napětí v propustném směru se oblast použití těchto polovodičových zařízení zvětší, například polovodičové vysílače záření se stanou vhodnějšími pro použití v náramkových hodinkách·

Vynález bude v dalším textu blíže objasněn na příkladu provedení za pomoci připojených výkresů, kde je sohematioky znázorněno na obr· 1 polovodičové zařízení podle vynálezu, na obr· 2 prostorové rozdělení koncentrace dotování v polovodičovém zařízení a na obr· 3 schéma prostorového průběhu pásem pro polovodičové zařízení·

Pro příklad provedení byla zvolena struktura K^P^K· Souřadnice j (obr· 1) označuje vzdálenost kolmo к povrchu polovodičového tělíska do objemu tohoto tělíska· Povroh leží při x 0· Výroba struktur K⁺P*K podle obr. 1 a prostorovým rozdělením koncentrace dotování podle obr· 2 se provádí iontovou dotací akoeptorů, přičemž koncentrace akoeptorů Ид se vytváří až do hloubky x₂ v polovodičovém tělísku s koncentrací dotování Npg· Kato se opět iontovou dotací donorů v této vrstvě vytvoří přídavná konoentraoe donorů až do hloubky Xp Koncentrace а Кд , jakož i prostorové rozšíření přechodu

K⁺P* při se přitom zvolí tak, aby při připojení napětí U na strukturu K⁺PtCÍ v propustném směru (kladný pól na K⁴, záporný pól na K) tento přechod K*P⁺ fungoval Jako tunelová dioda a proud vyvolaný tímto napětím U v tomto přechodu K⁺P⁺ je tedy v podstatě tunelový proud 1^· Koncentrace а Кд , jakož i prostorové rozšíření přechodu K⁺P⁺ se známým způsobem zvolí jako u tunelových diod·

Obr· 3, ve kterém je schematicky znázorněn prostorový průběh pásů, tedy energie elektronů E v závislosti na hlouboe x , ukazuje funkci struktury K^P^K při polování v propustném směru·

Celá struktura N⁺P⁺N má výsledné difúzní napětí , které je rovno rozdílu difúzního napětí Vp přechodu P⁺K a difúzního napětí přechodu N⁺PÍ Protože přechod n+p'*’ působí jako tunelová dioda, teče při malýoh hodnotáoh připojeného napětí U již velký závěrný proud přechodu N⁺P⁺, který je v podstatě tunelovým proudem I_aj· Přídavná konoentraoe děr. vznikající v důsledku tohoto proudu v oblasti P⁺, kompenzuje svým působením prostorového náboje částečně difúzní napětí V^. přičemž již vysvětlený jev se může využít zesilujícím způsobem· Celkový proud propouštěný strukturou κ+ρ^ΙΤ

201 113 je roven I*_T· V obharti P⁺ a v oblasti N pokračuje jako difúzní proud děr a elektronů u nejčastějáích druhů polovodičů, hlavně však'jako difúzní proud elektronů 1^ (rekombinace s ^děrami v objati ^p+ je na obr· 3 schemticky znázorněna souradnlo! Ijjj)· Kommenzující účinek koncentrací děr, vytvořených prostřednictvím I_aj . ' v oblasti ^p+ na diftfzní napětí VD , vede cenově, v rámci vzájemného ^ctip^sobe^ napětí na ^přechodu E*P⁺ a ^p+H , ke z^^erá cterakterLstiky рго?!^^^!· ^ostorové rozšíření obJLasti N, ^p+ a H⁺ je tak velké, že je možné vytvoření ^pásem ^prostorov^ého ntooje prech^u N^+p+ a ^p+N. DalJí ^žadavky vyplynou . - ze speciátaí^ případů poiuiií) u diod vykajících záření mtuí býti například χ, tedy rozšíření oblas ti N⁺, co nejmee^, a^by se odstranily pMdavně ztráty eMse zuření v ^- důsle^dku a^bsorpce a rozměr oblnsti ^p+, tedy x₂ - x^ , misí být -tak ^-vel.ký, . a^by se mohla ^provést co ne;jÚpXiaějáí rekombinace e^ktronů dif Lízni ho ^prou^du a ^raM uvd.tř obi^at^X ^p+·

Claims (2)

1· polovodičové zařízení, zejména polovodičová- dioda se zlepšenou cta^rakterlstikcu proputno^i ^pro poráití jako ^lovod^ový usměrnova^č neto polovodi^vý vf^sí^lač zářetí, vyzm^uící se tím, ^že mí stiiukturu respektdLve ^p+N^+p s rozdílně dotovaným vrstvaM, přičemž při cdpocídajííí.kcntcetra¢i dotování - a geomeerickych rozměrech vysoce dotovaných ^přec^hod^{ů -} N^+p+, respektdlve ^p4H⁴, ^je proud při provozu těchto - přechodů.při závěrném zatížení tunelový proud·

2· polovodičové zařízení podle bodu 1, vyznaauuící se tím, ie nejméně jedna z rozdílně dotovaných vrstev je zhotovena dotací iontů·