DE1079212B - Halbleiteranordnung mit teilweise negativer Stromspannungscharakteristik, insbesondere Schaltdiode - Google Patents

Description

• Halbleiteranordnung mit teilweise negativer Stromspannungscharakteristik, insbesondere Schaltdiode Es ist bekannt, eine- Halbleiteranordnung mit vier hintereinanderliegenden halbleitenden Zonen, die abwechselnd p- und n-leitend sind, wegen ihrer negativen Stromspannungscharakteristik als Schaltelement zu verwenden.
• In Fig. 1 ist z. B. eine solche vierschichtige pnpn-Schaltdiode dargestellt. Der Stromkreis ist über eine Gleichspannungsquelle 4 und einen regelbaren Vorwiderstand 5 geschlossen. Liegt an dieser Anordnung eine Spannung mit der eingezeichneten Polarifät, so ist der mittlere pn-Übergang 2 gesperrt, und es fließt ein Sperrstrom, der dem Ast A der in Fig. 2 dargestellten Stromspannungscharakteristik entspricht. Die pn-Übergänge 1 und 3 liegen in Flußrichtung und injizieren Ladungsträger in die jeweils benachbarte Mittelzone. Die von der Außenzone I nach II injizierten Löcher bzw. die von der Außenzone IV nach III injizierten Elektronen bewirken eine Erhöhung des durch den Übergang 2 -fließenden Sperrstromes. Mit wachsender Spannung U und damit wachsender Injektion erhöht sich also der Sperrstrom laufend. Wenn die äußere Spannung #o groß ist (Durchbruchspannung), daß die Summe der Stromverstärkungen der beiden pn-Übergänge 1 und 3 Eins sind, wird die Anordnung instabil. Die Gebiete II und III werden mit Minoritätsträgern überschwemmt. Dieses Verhalten ist durch den Ast B der Stromspannungscharakteristik in Fig. 2 gekennzeichnet. Polt man die äußere Spannung um, so sperrt die Anordnung, bis der Zenerdurchbruch der beiden äußeren pn-Übergänge 1 und 3 erreicht ist. Dieses Verhalten entspricht dem Ast C der Stromspannungscharakteristik. Es ergibt sich also auch bei umgepolter Spannung ein Sperrverhalten der Anordnung, aber das Zusammenbrechen der Spannung, d. h. das Auftreten eines negativen Astes, bleibt aus.
• Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Halbleiteranordnung mit teilweise negativer Strornspannungscharakteristik, insbesondere Schaltdiode, mit mehreren aufeinanderfolgendenZonen mitabwechselndem Leitfähigkeitstyp. Erfindungsgemäß sind fünf halbleitende Zonen von abwechselndem Leitungstyp hintereinander angeordnet, und die beiden äußeren p n- V Tbergänge haben eine im Vergleich zu den beiden inneren pn-übergängen solch kleine Durchbruchspannungen, daß in der Stromspannungscharakteristik zusätzlich zu einem bekannten ein weiterer zweiter negativer Ast auftritt.
• Die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung weist also auch bei umgekehrter äußerer Spannung U eine negative Stromspannungscharakteristik auf. Sie ist somit z. B. dazu zu verwenden, eine Wechselspannung nach beiden Richtungen zu begrenzen.
• Die im Vergleich zu den beiden inneren pn-übergängen kleine Durchbruchspannung der beiden äußeren pn-Übergänge kann durch zeei--nete Dotierung der anLIie zenden Zonen erreicht werden. Es -ist bekannt, den Du#--cliE#r:#ch der Sperrspannung eines pn-Überganges durch die technische Maßnahme der -Dotierung der Zonen zu verändern. Eine kleine Durchbruchspannung wird bei starker Dotierung der anliegenden Zonen erreicht.
• Die Wirkungsweise der Halbleiteranordnung sei an Hand der Fig. 3 und 4 näher erläutert. Die einzelnen Übergänge können dabei z. B. durch Diffusion hergestellt sein. Hat die angelegte äußere Spannung U die in Fig. 3 angegebene Polarität, so liegen die Übergänge 2 und 4 in Sperrichtung. Da nun die Durchbrtichspannungen U:, bzw. U4 der beiden äußeren Übergänge 1 und 4 viel niedriger sind (etwa 1 bis 3 V) als die Durchbrilchspannungen U2 bzw. U, der beiden mittleren übergänge2 und 3, erfolgt im vorliegenden Fall der Durchbruch des Überganges 4 zuerst. Durch die nun von ZoneV nach IV fließenden Elektronen wird die Minoritätsträgerinjektion in die Zone III, also die Ergiebigkeit der Zone IV erhöht. Bei weiterer Erhöhung der Spannung U bis zum Wert U., bei dem der Durchbruch des überganges 2 erreicht ist, wird die Anordnung instabil, und die Zonen II und III werden durch die Ladungsträgerinjektion von den Zonen I und IV mit Minoritätsträgern überschwemmt. Dieses Verhalten der Halbleiteranordnung entspricht den KurvenästenA,.undB,. der Stromspannungscharakteristik der Fig. 4.
• Polt man nun die äußere Spannung um, so sind zunächst, so lange U kleiner als U, bzw U, bleibt, die beiden Übergänge 1 und 3 gesperrt. Die Erhöhung der äußeren Spannung U hat zunächst den Zenerdurchbruch des Überganges 1 und damit eine Injektion von Löchern in die Zone II zur Folge. Die Halbleiteranordnung ist aber immer noch gesperrt. Erst wenn die äußere Spannung U so weit erhöht wird, daß sie den Wert U, und damit den Durchbruch des Überganges 3 überschreitet, wird die Halbleiteranordnung instabil. Dieses Verhalten entspricht den Kurvenästen A2 und B2 in Fig. 4.
• Durch wechselseitiges Anlegen einer Spannung an die Anordnung der Fig. 3 ergibt sich also die in Fig. 4 dargestellte Kennlinie. Die beiden Durchbruchspannungen U2 bzw. U, können dabei so gewählt sein, daß ihre Werte gleich oder auch verschieden sind. Der Spannungsabfall im gezündeten Zustand, die Restspannung, ist von der Größenordnung der Spannungen U4 bzw. Ul.
• In Fig. 5 ist noch eine npnpn-Zonenfolge dargestellt; die Wirkungsweise ist dieselbe wie die der Fig. 3. Bei der angegebenen Polarität der angelegten Spannung U sind die Übergänge 1 und 3 gesperrt, beim Umpolen der äußeren Spannung die Übergänge 2 und 4. Erfindungsgemäß liegen dabei wieder die Werte für die Durchbruchspannungen der äußeren pn-Übergänge 1 und 4 bedeutend niedriger als die der mittleren Übergänge 2 und 3. Das Verhalten dieser Halbleiteranordnung bei wechselseitigem Anlegen einer äußeren Spannung U wird also ebenfalls durch die Stromspannungscharakteristik der Fig. 4 beschrieben. Dem Umkehrpunkt D, in der Stromspannungscharakteristik ist dann natürlich der Wert U, und dem Umkehrpunkt D2, dem die negativen Werte von Strom und Spannung entsprechen, der Wert U zugeordnet. t' 2 Bestrahlt man den jeweils in Sperrichtung gepolten Übergang 2 bzw. 3 mit Licht geeigneter Wellenlänge, d. h. mit Photonen, deren Energie zur Elektronen-Loch-Paarbildung ausreicht, so kann, wenn die Intensität des auffallenden Lichtes und damit die Zahl der gebildeten Paare groß genug ist, der Durchbruch dieses Überganges ohne Änderung der äußeren Spannung U erreicht werden. Die äußere Spannung muß dabei mindestens gleich der Durchbruchspannung der beiden äußeren pn-Übergänge U4 bzw. U, sein.
• Wie bereits weiter oben erwähnt, wird in der Halbleiteranordnung der Fig. 3 außerdem auch die Ergiebigkeit der Zone IV bei der in Fig. 3 angegebenen Polarität der -Spannung U gegenüber der einer bekannten Anordnung in Fig. 1 erhöht. Ebenso wird bei umgepolter Spannung U die Ergiebigkeit der Zone II gegenüber der der Zone I in Fig. 1 erhöht. Entsprechend gilt dasselbe für die Halbleiteranordnung der Fig. 5. Diese Erhöhung der Ergiebigkeit, insbesondere kurz vor dem Errreichen der Durchbruchspannung des Überganges 2 bzw. 3 hat den Vorteil, daß der Spannungsabfall im gezündeten Zustand, also die Restspannung, noch zusätzlich verkleinert wird.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Halbleiteranordnung mit teilweise negativer Stromspannungscharakteristik,insbesondereSchaltdiode, mit mehreren aufeinanderfolgenden Zonen mit abwechselndem Leitfähigkeitstyp, dadurch gekennzeichnet, daß fünf halbleitende Zonen (I bis V) von abwechselndem Leitungstyp hintereinander angeordnet sind und daß die beiden äußeren pn-Übergänge (1 bzw. 4) eine im Vergleich zu den beiden inneren pn-übergängen (2 bzw. 3) solch kleine Durchbruchspannung haben, daß in der Stromspannungscharakteristik zusätzlich zu einem bekannten ein weiterer zweiter negativer Ast auftritt.
2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchbruch des inneren in Sperrichtung gepolten pn-Überganges (z. B. 2 bzw. 3) durch Licht ausgelöst ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 814 487, 969 211; deutsche Auslegeschrift Nr. 1 021082; Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, 1954, Nr. 5, S.292.