DE1127489B - Halbleiterdiode zur Spannungsbegrenzung - Google Patents

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

W 25802 Vfflc/21g

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGESCHRIFT:

13. JUNI 1959

12. A P RI L 1962

Die Erfindung betrifft Halbleiterdioden zur Spannungsbegrenzung, und zwar solche mit einem einkristallinen Silizium-Halbleiterkörper vom n-Typ.

In modernen Fernsprechnetzen besteht ein Bedarf für Spannungsbegrenzer zur Herabsetzung unerwünschter, durch Spannungsquellen verursachter Effekte. Durch solche Bauelemente werden Knackgeräusche herabgesetzt. Da dieser Bedarf sehr groß ist, ist ein zuverlässiges und robustes, jedoch billiges Bauelement erwünscht. Andererseits werden für moderne elektronische Rechenanlagen in großem Umfang Schaltdioden benötigt, die zuverlässig, robust und billig sind und dennoch hohe Schaltfrequenzen bei geringen Schaltspannungen bewältigen können.

Darüber hinaus braucht man bei Mikrowellen-Nachrichtenanlagen Mikrowellen-Detektoren, die bei extrem hohen Frequenzen arbeiten können.

Die Erfindung will solchen und ähnlichen Bedürfnissen Rechnung tragen und spannungsbegrenzende Bauelemente, Schaltdioden, Mikrowellen-Detektoren verfügbar machen, welche den gestellten Aufgaben genügen.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß eine Siliziumdiode aus einem einkristallinen Halbleiterkörper von n-Typ-Leitfähigkeit, in dem eine gleichrichtende Sperrschicht, z. B. durch Einlegieren eines Aluminiumdrahtes, gebildet wurde, anomale Eigenschaften aufweist, wenn der spezifische Widerstand des Siliziumkörpers auf sehr kleine Werte verringert wurde. Insbesondere wurde festgestellt, daß bei Verwendung eines Sihziumkörpers der angegebenen Art, dessen spezifischer Widerstand etwa 0,005 Ohm · cm beträgt, d. h. einen Wert hat, der bisher zur Anwendung in Siliziumdioden als ungeeignet angesehen wurde, in einer solchen Diode die Spannungs-Strom-Charakteristik symmetrisch zum Koordinatennullpunkt liegt und die Sättigungsspannung ungefähr 0,7 Volt in jeder Richtung beträgt.

Darüber hinaus wurde festgestellt, daß durch weitere Herabsetzung des spezifischen Widerstandes des Siliziumkörpers unter 0,005 Ohm · cm die Sättigungsspannung in Sperrichtung weiter verkleinert wird. Beträgt die Sättigungsspannung in Sperrichtung weniger als 0,7 Volt, so kehrt sich das Vorzeichen der Gleichrichtung um, und der maximale Strom fließt, wenn ein positives Potential an die n-Typ-Zone angelegt wird.

Die Erfindung verwertet diese Feststellungen bei einer Diode zur Spannungsregelung mit einem einkristalh'nen-Siliziumkörper vom η-Typ. Diese HaIb-Halbleiterdiode zur Spannungsbegrenzung

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

• Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 18. Juni 1958 (Nr. 742 879)

Gerald Leondus Pearson,

Bernards Township, Millington, N. J. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

leiterdiode wird erfindungsgemäß so ausgebildet, daß zur Erzielung eines Sättigungswertes der Sperrspannung, der gleich oder kleiner ist als der Sättigungswert der Flußspannung, der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers zwischen 0,005 und 0,001 Ohm · cm liegt, daß in dem Halbleiterkörper durch Legierung ein p-n-Übergang gebildet ist und daß an die p- und η-Zonen ohmsche Kontaktelektroden angebracht sind. Zur Bildung des p-n-Übergangs durch Legierung wird zweckmäßig Aluminium verwendet.

Eine solche Diode ist nicht mit der manchmal unerwünschten Eigenschaft üblicher Siliziumdioden behaftet, daß Spannungen von mehr als 0,7 Volt angelegt werden müssen, ehe ein nennenswerter Strom fließt. Insbesondere beträgt die Sättigungsspannung in Sperrichtung 0,2 Volt, wenn ein Siliziumkörper mit einem spezifischen Widerstand von 0,001 Ohm · cm benutzt wird. Vorteilhaft ist außerdem, daß bei einer solchen Diode der Strom von Majoritätsträgern und nicht von Minoritätsträgern geführt wird. Die Diode kann daher bei wesentlich höheren Frequenzen arbeiten als die üblichen Minoritätsträgerdioden, da die dielektrische Relaxationszeit der Majoritätsträger bekanntlich erheblich kürzer ist, als die Rekombinationszeit der Minoritätsträger.

Die Erfindung soll im folgenden an Hand der Zeichnung noch näher erläutert werden:

209 559/424

Aluminium-Silizium-Eutektikums liegt und bei der Aluminiumdraht mit dem Block verbunden wurde. Da der ursprünglich angebrachte Golddraht dicker war, konnte diese Einlegierung durchgeführt werden, ohne daß die Verbindung mit dem Golddraht ungünstig beeinflußt wurde, obwohl die Schmelztemperatur des Aluminium-Silizium-Eutektikums höher liegt als die des Gold-Silizium-Eutektikums.
Die fertige Diode wurde dann durch Eintauchen

Fig. 1 zeigt eine Siliziumlegierungsdiode gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 zeigt die Spannungs-Strom-Charakteristik von Siliziumlegierungsdioden dieser Art bei verschiedenen Werten des spezifischen Widerstandes des Siliziumkörpers.

Die in Fig. 1 gezeigte Diode 10 besteht aus einem
einkristallinen Siliziumblock 11, der n-Typ-Leitfähigkeit aufweist. Die Elektrode 12 an einer Breitseite des Blockes bildet einen ohmschen Anschluß io von 20 Sekunden in eine Ätzlösung der bereits mit geringem Widerstand zu der Zone des Bockes 10 beschriebenen Art und anschließendes 5minütiges mit n-Typ-Leitfähigkeit. Die Elektrode 13 an der Kochen in entionisiertem Wasser gesäubert. Nach der gegenüberliegenden Breitseite bildet einen ohmschen Trocknung wurde die Diode in niedrig schmelzendes Anschluß mit geringem Widerstand an einen kleinen Glas eingesetzt und Zuleitungen an den Gold- bzw. Teil 14 mit p-Typ-Leitfähigkeit des Blockes, welcher 15 Aluminiumdraht angeschlossen, so daß ein fertiges durch Einlegieren von Aluminium gebildet wurde. Produkt vorlag. Vorteilhafterweise besteht die Elektrode 12 aus einem
Golddraht mit 0,1% Antimon und die Elektrode 13
aus einem Aluminiumdraht.

Dioden dieser Art wurden nach einem bekannten 2° ist die Charakteristik einer Diode, welche aus einem Verfahren hergestellt. Insbesondere wurde eine Ausgangsmaterial mit einem spezifischen Widerstand Diode mit einer symmetrischen Spannungs-Strom- von 0,003 Ohm ■ cm hergestellt wurde, und Kurve C Charakteristik, wie durch Kurve A in Fig. 2 gezeigt, entspricht einer Diode, die aus einem Material wie folgt hergestellt: mit 0,001 Ohm · cm spezifischem Widerstand her-

Ein einkristalliner Siliziumblock von n-Typ- 25 gestellt wurde. Es ist deutlich zu erkennen, daß, je Leitfähigkeit mit den Abmessungen 0,508 mm in der kleiner der spezifische Widerstand des Ausgangs-Dicke und 1,016 mm im Quadrat und dessen-spezi- materials ist, um so geringer ist der Wert der Sättifischer Widerstand 0,005 Ohm · cm betrug, wurde gungsspannung in Sperrichtung. Auf der anderen aus einem großen Kristall mit geeignetem Wider- Seite in Durchlaßrichtung ist der Wert der Sättigungsstand herausgeschnitten. Der Block wurde dann 30 spannung nur wenig vom spezifischen Widerstand des leicht geätzt, um ihn zu säubern und beschädigtes Ausgangsmaterials abhängig. In Dioden aus einem Oberflächenmaterial zu entfernen, indem er etwa
15 Sekunden lang in eine Lösung eingetaucht wurde,
welche aus gleichen Teilen konzentrierter Salpeter-

Nach diesem Verfahren wurden auch Siliziumlegierungsdioden mit Charakteristiken entsprechend Kurven i? und C in Fig. 2 hergestellt. Die Kurve .B

säure und konzentrierter Flußsäure bestand. Nach 35 weich.

Ausgangsmaterial von einem kleineren spezifischen Widerstand als 0,001 Ohm · cm wird der Durchschlag in Sperrichtung für die meisten Zwecke zu

Herausnahme aus der Ätzlösung wurde der Block wieder in entionisiertem Wasser und Methylalkohol gewaschen. Nach der Trocknung wurde der Block auf einen Heizstreifen aus Tantal gelegt, und ein

Es wird jetzt überall angenommen, daß der Durchschlag in Sperrichtung bei üblichen Siliziumdioden darauf beruht, daß schnelle Elektronen mit im Kristall gebundenen Elektronen zusammenstoßen und dabei

0,25-mm-Draht aus Gold mit 0,1% Antimon wurde 40 in lawinenartiger Folge Paare von Löchern und

dann so angeordnet, daß eines der Enden des Drahtes mit leichtem Druck auf einen mittleren Teil einer der quadratischen Flächen des Blockes auflag. Durch den Tantal-Heizkörper wurde dann ein Strom

geschickt, dessen Größe ausreichte, den Block schnell 45 Schwellenenergie, welche zur Erzeugung eines Lochauf eine Temperatur zu erhitzen, die über der elektronenpaares durch Zusammenstoß benötigt Schmelztemperatur eines Gold-Antimon-Silizium- wird, erheblich größer ist, als der Sättigungsspannung Eutektikums liegt, bei der der Draht mit dem Block dieser Dioden entsprechen würde. Es wird deshalb legierte und eine feste ohmsche Verbindung von angenommen, daß die hohen Ströme in Sperrichtung geringem Widerstand hieran herstellte. Die Legierung 50 solcher Dioden mit einem Emissionsvorgang auf fand in einer Stickstoffatmosphäre statt. Grund eines inneren Feldes zusammenhängen. Weiter-

Der Halbleiterblock wurde dann von dem Heizkörper weggenommen und durch Eintauchen von 5 Sekunden in die bereits genannte Ätzlösung und

Elektronen erzeugen. Die diesem Auslösungsmechanismus entsprechende Theorie reicht jedoch nicht aus, die mit Siliziumdioden entsprechend der vorliegenden Erfindung erzielbaren Ergebnisse zu erklären, da die

hin wird angenommen, daß durch die Kombination eines Grundmaterials mit kleinem Widerstand und eines legierten Bereiches mit kleinem Widerstand in

anschließendes Waschen in entionisiertem Wasser 55 solchen Dioden eine sehr enge p-n-Grenzschicht

und Alkohol gesäubert. Nach dieser erneuten Säuberung wurde der Block wieder auf den Heizkörper gelegt, und zwar so, daß diejenige der quadratischen Flächen nach oben wies, die der, auf welche der Golddraht bereits aufgebracht wurde, gegenüberlag. Ein Aluminiumdraht von etwa 0,125 mm Durchmesser, welcher zwecks Säuberung leicht geätzt war, wurde dann so angeordnet, daß ein Ende des Drahtes

gebildet wird, die ein eingebautes elektrisches Feld hoher Feldstärke enthält, so daß eine innere Feldemission möglich ist, wenn sie nur durch angelegte Felder verhältnismäßig geringer Stärke angeregt wird. Auf Grund dieser Erklärung ist es verständlich, daß ein wesentliches Merkmal einer erfindungsgemäßen Diode eine enge p-n-Grenzschicht ist, zu der ein eingebautes elektrostatisches Feld hoher Stärke gehört. Eine solche Diode kann offenbar in einer

auf der nach oben weisenden Oberfläche des Blocks

auflag. Wieder wurde in Stickstoffatmosphäre ein ⁶5 Vielzahl von anderen Formen als der oben beStrom durch den Heizkörper geschickt, und zwar von schriebenen verwirklicht werden. Insbesondere ist die solcher Größe, daß der Block auf eine Temperatur Verwendung eines mit Gallium legierten Bereiches erhitzt wurde, die über der Schmelztemperatur eines möglich, obwohl weniger geeignet als der beschriebene

mit Aluminium legierte Bereich. Ferner ist es möglich, die legierten Bereiche von Kugeln aus geeignetem Material herzustellen an Stelle der beschriebenen Drähte, vorausgesetzt, daß der Legierungsvorgang so gesteuert wird, daß ausreichend enge p-n-Grenzschichten erzeugt werden. Ähnlich kann es in manchen Fällen möglich sein, polykristallines Silizium zu verwenden.

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Diode zur Spannungsbegrenzung mit einem einkristallinen Silizium-Halbleiterkörper vom η-Typ, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines Sättigungswertes der Sperrspannung, der

gleich oder kleiner ist als der Sättigungswert der Flußspannung, der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers' zwischen 0,005 und 0,001 Ohm · cm liegt, daß in dem Halbleiterkörper durch Legierung ein p-n-Übergang gebildet ist und daß an die p- und η-Zonen ohmsche Kontaktelektroden angebracht sind.

2. Siliziumdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des p-n-Übergangs durch Legierung Aluminium verwendet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 012 697;
französische Patentschriften Nr. 1153533,1161276.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen