DE1104071B - Vierschichten-Halbleiteranordnung mit einkristallinem Halbleiterkoerper und drei hintereinandergeschalteten pn-UEbergaengen mit abwechselnd entgegengesetzter Sperrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Vierschichten-Halbleiteranordnung mit einkristallinem Halbleiterkoerper und drei hintereinandergeschalteten pn-UEbergaengen mit abwechselnd entgegengesetzter Sperrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung

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DE1104071B DES62442A DES0062442A DE1104071B DE 1104071 B DE1104071 B DE 1104071B DE S62442 A DES62442 A DE S62442A DE S0062442 A DES0062442 A DE S0062442A DE 1104071 B DE1104071 B DE 1104071B
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Description

  • Vierschichten-Halbleiteranordnung mit einkristallinem Halbleiterkörper und drei hintereinandergeschalteten pn-Übergängen mit abwechselnd entgegengesetzter Sperrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung Es sind bereits Halbleiteranordnungen bekannt, welche aus vier Schichten von abwechselnd gegensätzlichem Leitfähigkeitstyp (p-n-p-n) bestehen. Ihre physikalischen Eigenschaften sind denen von gasgefüllten gittergesteuerten Röhren, den sogenannten Thyratrons ähnlich. In einer Polungsrichtung haben diese Anordnungen zwei stabile Arbeitsbereiche, die mit »gesperrt« und »gezündet« bezeichnet werden. In der entgegengesetzten Polungsrichtung sperren sie den Strom, solange die negative Sperrspannung nicht ihre Sperrfähigkeit überschreitet. Bei diesen als p-n-p-n-Dioden bekannten Vierschichten-Halbleiteranordnungen übernimmt der mittlere pn-Übergang, welcher hohe Sperrfähigkeit besitzt, die Sperrung der Lastspannung in der erstgenannten Richtung, die im folgenden als die positive betrachtet werde. Die beiden äußeren pn-Übergänge übernehmen gemeinsam die Sperrung in der entgegengesetzten Richtung. Die Zündung einer solchen Halbleiteranordnung kann durch einen positiven Spannungsimpuls erfolgen, dessen Höhe die Sperrspannung mindestens erreichen muß. Da bei diesen Vierschichten-Halbleiteranordnungen mindestens ein äußerer pn-Übergang mit hoher Sperrfähigkeit gegen negative Spannungen vorhanden ist, so ist für eine Zündung in negativer Richtung ein Impuls von etwa gleicher Höhe wie zur Zündung in positiver Richtung erforderlich.
  • Ferner ist eine Halbleiteranordnung mit einem Germaniumhalbleiterkörper bekannt, welche für positive Spannungsrichtung zwei stabile Arbeitsbereiche besitzt wie die vorgenannten Anordnungen. In der entgegengesetzten Spannungsrichtung besitzt die Anordnung jedoch nur geringe Sperrfähigkeit, und sie kann deshalb auch durch einen verhältnismäßig schwachen Spannungsimpuls in negativer Richtung gezündet werden. Die Herstellbarkeit dieser Anordnung ist auf Germanium beschränkt. Ihre physikalischen Eigenschaften sind nicht ausreichend definiert und infolgedessen schwierig reproduzierbar.
  • Diese Nachteile werden mit der Erfindung vermieden. Demgemäß betrifft die Erfindung eine Vierschichten-Halbleiteranordnung mit einkristallinem Halbleiterkörper und drei hintereinandergeschalteten pn-Übergängen mit abwechselnd entgegengesetzter Sperrichtung, bei der die beiden äußeren Zonen sehr hoch im Vergleich zu den mittleren Zonen dotiert sind. Erfindungsgemäß weisen die den beiden äußeren pn-Übergängen benachbarten Bereiche der mittleren Zonen annähernd gleich hohe Dotierungskonzentrationen wie die beiden äußeren Zonen auf, und der dem mittleren pn-Übergang benachbarte Bereich mindestens einer der beiden mittleren Zonen hat eine wesentlich niedrigere Dotierungskonzentration, so daß die beiden äußeren pn-Übergänge eine wesentlich geringere Sperrfähigkeit als der mittlere pn-Übergang aufweisen.
  • Mindestens eine der beiden mittleren Zonen weist eine über die Dicke unterschiedliche Dotierungskonzentration auf. Der Übergang von der hohen Dotierung am äußeren pn-Übergang zur niedrigen Dotierung am mittleren pn-Übergang erfolgt in dem zwischen ihnen liegenden Gebiet entweder stetig oder in Stufen. Durch Eindiffundieren der Verunreinigungen erreicht man einen stetigen Abfall der Dotierungskonzentration mit zunehmender Tiefe der Schicht, dagegen ist die Höhe der Dotierung abgestuft, wenn die Verunreinigungen einlegiert werden.
  • Vierschichten-Halbleiteranordnungen nach der Erfindung können auch durch einen negativen Impuls gezündet werden, dessen absolute Höhe wesentlich kleiner sein kann als die positive Zündspannung bekannter Vierschichten-Halbleiteranordnungen mit drei hintereinandergeschalteten pn-Übergängen. Wird beispielsweise an die beiden äußeren Elektroden einer in einem Laststromkreis mit der Lastspannung U2 liegenden Vierschichten-Halbleiteranordnung eine in Durchlaßrichtung des mittleren pn-Überganges und somit in Sperrichtung der äußeren pn-Übergänge gepolte Steuerspannungsquelle mit der Steuerspannung U1 angeschlossen, die nur so groß zu sein braucht, daß ein ausreichender Strom über den mittleren pn-Übergang fließt, beispielsweise etwa 0,1 A bei einigen mm2 Fläche, und wird damit ein kurzzeitiger Spannungsimpuls auf die Vierschichten-Halbleiteranordnung gegeben, so bewirkt der in Durchlaßrichtung des mittleren pn-Überganges fließende Stromstoß die Zündung der Vierschichten-Halbleiteranordnung, wobei der Lastkreis entgegen dem Zündimpuls gepolt ist, und es fließt ein durch den Widerstand des Lastkreises gegebener Strom in Sperrichtung des mittleren pn-Überganges. Der negative Zündimpuls hebt also die Sperrwirkung des mittleren pn-Überganges auf. In gleicher Weise kann die @"ierschichten-Halbleiteranordnung auch durch Entladung eines Kondensators gezündet werden, der in Durchlaßrichtung des mittleren pn-Überganges gepolt ist und dessen Spannung und Ladung ausreichend bemessen ist.
  • Die prinzipielle Anordnung der vier Zonen und die Höhe der Dotierungskonzentration in den einzelnen Zonen der Vierschichten-Halbleiteranordnung nach der Erfindung, ferner die Kennlinie einer solchen Anordming sowie zwei Ausführungsbeispiele von Schaltanordnungen zur Zündung durch negativen Impuls sind in den Fig. 1 bis 7 veranschaulicht.
  • Fig. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung der vier Zonen und deren Leitfähigkeitstyp; in Fig.2 wird ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung veranschaulicht, bei welchem die Dotierungskonzentration in den beiden mittleren Zonen am mittleren pn-Übergang niedrig ist und dann über die Dicke der Schicht stetig ansteigt bis zu den beiden äußeren pn-Übergängen. In den beiden äußeren Zonen ist die Dotierungskonzentration über die Dicke der Zone angenähert gleich. In der Figur ist die relative Höhe der Dotierungskonzentration an Akzeptoren n.A und Donatoren nD als Ordinate aufgetragen. Eine solche Ausführungsform der Vierschichten-Halbleiteranordnung kann dadurch geschaffen werden, daß die Dotierung der beiden mittleren Zonen durch Eindiffusion von entgegengesetzten Oberflächen des Halbleiterkörpers her erzeugt wird und anschließend die beiden äußeren Zonen durch beiderseitige Einlegierung hergestellt werden. Am äußeren pn-Übergang ergibt sich ein leicht sprunghafter Anstieg der Dotierung zu den beiden äußeren Zonen.
  • Ein Ausführungsbeispiel mit sprunghaftem Anstieg der Dotierungskonzentration in einer der beiden mittleren Zonen, ausgehend vom mittleren pn-Übergang, zeigt Fig. 3. In der mittleren p-Zone ist die Dotierung in unmittelbarer Nähe des mittleren pn-Überganges sehr gering, steigt dann sprunghaft auf eine höhere Dotierungskonzentration und bleibt über die Dicke der Schicht angenähert gleich bis zum äußeren pn-Übergang. Die Dotierung der äußeren Zonen ist über die Dicke der Zonen angenähert gleich und etwas höher als die Dotierung in den mittleren Zonen. Diese Ausführung kann dadurch hergestellt werden, daß die beiden mittleren Zonen zunächst durch die Einlegierung von entgegengesetzten Oberflächen des Halbleiterkörpers, der beispielsweise schwach p-leitend sein möge, dotiert werden, wobei die Eindringtiefe so begrenzt wird, daß zwischen den beiden Legierungsfronten eine Teilschicht des Grundkörpers von endlicher Breite verbleibt. Anschließend können dann die beiden äußeren Zonen ebenfalls durch Einlegieren mit entsprechend verminderter Eindringtiefe hergestellt werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel einer Vierschichten-Halbleiteranordnung mit stetigem Anstieg der Dotierungskonzentration in den vier Zonen, ausgehend vom mittleren pn-Übergang, zeigt Fig.4. Einen solchen Verlauf der Dotierung kann man erhalten, wenn jeweils eine äußere und die anschließende mittlere Zone durch Überholungsdiffusion zweier entgegengesetzt dotierender Verunreinigungen mit unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeit von einer Seite her dotiert werden und für die Verunreinigung mit der größeren Diffusionsgeschwindigkeit eine geringere Konzentration gewählt wird.
  • Die Kennlinie einer solchen Vierschichten-Halbleiteranordnung, nämlich der Strom T in Abhängigkeit von der angelegten Spannung U wurde beispielsweise in Fig. 5 aufgetragen. In positiver Spannungsrichtung hat die Anordnung zwei stabile Arbeitsbereiche a. und b, die mit »gesperrt« und »gezündet« bezeichnet werden. Die postive Lastspannung wird gesperrt, solange die Sperrfähigkeit des mittleren pn-Überganges nicht überschritten wird. Erreicht die angelegte positive Spannung den Wert der Zündspannung UZ, so wird die Anordnung gezündet, der Arbeitspunkt verlagert sich zum Bereich b der Keimlinie. Dagegen fließt bei einer schwachen negativen Spannung schon ein verhältnismäßig großer Strom, beispielsweise fließt bei der Spannung - U1 der Strom -I1 (vgl. den Bereich c der Fig. 5). Zum Vergleich wurde die Kennlinie der bekannten p-n-p-n-Dioden für negative Spannungsrichtung d strichpunktiert eingetragen.
  • Ein Beispiel einer Schaltanordnung, mit der die Zündung der Vierschichten-Halbleiteranordnung durch einen negativen Spannungsimpuls erfolgen kann, ist in Fig. 6 veranschaulicht. An die Elektroden 1 und 2, welche an den äußeren Schichten der Vierschichten-Halbleiteranordnung liegen, ist der Lastkreis mit der Gleichspannung U2 einer Spannungsquelle 3 sowie der Lastwiderstand 4 angeschlossen. Im Steuerkreis liegt eine Spannungsquelle 5, welche eine Gleichspannung U1 liefert, sowie ein Schalter 6, mit dem ein kurzzeitiger Schaltimpuls gegeben werden kann. Die Lastspannung LT 2 ist in Sperrichtung des mittleren pn-Überganges gepolt, und ihr Betrag ist kleiner als die er_orderliche Zündspannung. Die Steuerspannung U1 ist in Durchlaßrichtung des mittleren pn-Überganges und in Sperrichtung der beiden äußeren pn-Übergänge gepolt. Da die Sperrfähigkeit der beiden äußeren pn-Übergänge durch beiderseitige hohe Dotierung herabgesetzt ist, kann ein Impuls mit geringer negativer Spannung schon einen verhältnismäßig hohen Strom verursachen. Wird ein solcher negativer Impuls durch Schließen des Schalters 6 gegeben, so fließt ein verhältnismäßig hoher Stromimpuls in negativer Richtung durch den Vierschichter. Ist der kurzzeitige negative Impuls abgeklungen, so kann der mittlere pn-Übergang die unmittelbar darauf wiederkehrende positive Lastspannung nicht mehr sperren, der Vierschichter wird gezündet, und es fließt ein durch den Lastwiderstand 4 bestimmter Strom bei einem geringen Spannungsabfall.
  • Ein weiteres Schaltungsbeispiel, bei dem die Zündung der Vierschichten-Halbleiteranordnung durch den Entladestrom eines Kondensators erfolgt, ist in Fig. 7 dargestellt. An den beiden äußeren Elektroden 1 und 2 liegt sowohl der Steuerstromkreis mit der Steuerspannung U1 einer Gleichspannungsquelle 5 und einem Steuerschalter 6 als auch der Lastkreis mit der Lastspannung U2 einer Gleichspannungsquelle 3 und einem Lastwiderstand 4. Zwischen die Elektrode 1 und den Steuerschalter 6 ist ein Kondensator 7 parallel zur Spannungsquelle 5 geschaltet und in Durchlaßrichtung des mittleren pn-Überganges der Vierschichten -Halbleiteranordnung gepolt. Der Kondensator wird durch die Gleichspannung Ui aufgeladen, beispielsweise auf eine Spannung von 4 bis 6V. Zur Zündung wird der Kondensator mit dem Schalter 6 über die Vierschichten-Halbleiteranordnung kurzgeschlossen. Der Kondensator entlädt sich über die Vierschichten-Halbleiteranordnung und gibt dabei einen kurzzeitigen Impuls in Durchlaßrichtung des mittleren pn-Überganges, welcher die Zündung der Vierschichten-Halbleiteranordnung in gleicher Weise wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 bewirkt.
  • Natürlich kann die Zündung der Halbleiteranordnung nach der Erfindung auch durch den Anschluß einer mittleren Elektrode in gleicher Weise -wie bei den bekannten Vierschichten-Halbleiteranordnungen erfolgen.

Claims (5)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Vierschichten-Halbleiteranordnung mit einkristallinem Halbleiterkörper und drei hintereinandergeschalteten pn-Übergängen mit abwechselnd entgegengesetzter Sperrichtung, bei der die beiden äußeren Zonen sehr hoch im Vergleich zu den mittleren Zonen dotiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die den beiden äußeren pn-Übergängen benachbarten Bereiche der mittleren Zonen annähernd gleich hohe Dotierungskonzentrationen wie die beiden äußeren Zonen aufweisen, und daß der dem mittleren pn-Übergang benachbarte Bereich mindestens einer der beiden mittleren Zonen eine wesentlich niedrigere Dotierungskonzentration hat, so daß die beiden äußeren pn-Übergänge eine wesentlich geringere Sperrfähigkeit als der mittlere pn-Übergang aufweisen.
  2. 2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den äußeren Zonen je eine Kontaktelektrode angebracht ist und daß an diese eine in Durchlaßrichtung des mittleren pn-Überganges gepolte veränderliche Spannungsquelle zur Steuerung angeschlossen ist.
  3. 3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Steuerspannungsquelle ein sich entladender Kondensator vorgesehen ist.
  4. 4. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung der beiden mittleren Zonen durch Eindiffusion von entgegengesetzten Oberflächen des Halbleiterkörpers erzeugt wird, und anschließend die beiden äußeren Zonen durch Einlegierung hergestellt werden. 5. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die beiden mittleren Zonen durch Einlegierung von entgegengesetzten Oberflächen des Halbleiterkörpers dotiert werden und daß dabei die Eindringtiefe so begrenzt wird, daß zwischen den beiden Legierungsfronten ein schwach dotierter. Bereich von endlicher Breite verbleibt, und daß anschließend die beiden äußeren Zonen ebenfalls durch Einlegierung dotiert werden. 6. Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils eine äußere und die anschließende mittlere Zone durch Überholungsdiffusion von einer Oberfläche des Halbleiterkörpers dotiert werden. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschrift Nr. 1021891; Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, 1954, Nr.
  5. 5, S. 283 bis 321.
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DE1207010B (de) * 1963-02-01 1965-12-16 Ibm Flaechentransistor mit einem Halbleiterkoerper mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, Verfahren zum Herstellen und Schaltung solcher Flaechentransistoren
DE1279203B (de) * 1964-05-15 1968-10-03 Asea Ab Halbleiterkoerper fuer einen Thyristor

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DE1021891B (de) * 1955-11-22 1958-01-02 Western Electric Co Halbleiterdiode fuer Schaltstromkreise

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