DE1136014B - Halbleiterdiode fuer Schalt- und Kippzwecke mit vier hintereinanderliegenden halbleitenden Zonen - Google Patents

Halbleiterdiode fuer Schalt- und Kippzwecke mit vier hintereinanderliegenden halbleitenden Zonen

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DE1136014B DES58925A DES0058925A DE1136014B DE 1136014 B DE1136014 B DE 1136014B DE S58925 A DES58925 A DE S58925A DE S0058925 A DES0058925 A DE S0058925A DE 1136014 B DE1136014 B DE 1136014B
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Description

DEUTSCHES
PATENTAMT
S58925Vfflc/21g
ANMELDETAG: 10. JULI 1958
BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UNDAUSGABEDER
AUSLEGESCHRIFT: 6. SEPTEMBER 1962
Die Erfindung betrifft eine Halbleiterdiode für Schalt- und Kippzwecke mit vier hintereinanderliegenden halbleitenden Zonen, bei der die den einen p-n-Übergang bildenden beiden Mittelzonen benachbarten Außenzonen den gleichen oder den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen.
In der modernen Steuer- und Regelungstechnik, sowie in der Vermittlungstechnik, benötigt man vielfach elektronische Schalter. Ein bekanntes schaltendes Halbleiterbauelement ist eine Anordnung mit vier hintereinanderliegenden halbleitenden Zonen von abwechselnd verschiedenem Leitungstyp, wie die n-p-n-p- bzw. p-n-p-n-Kippdiode, die ein dem Thyratron ähnliches Verhalten, also eine teilweise negative Stromspannungscharakteristik, aufweist.
Der Aufbau der bekannten p-n-p-n-Kippdiode ist in Fig. 1 dargestellt. Die Diode setzt sich aus vier Zonen abwechsend p- und η-leitenden Halbleitermaterials, z. B. Siliziums, zusammen. Zum leichteren Verständnis der Wirkungsweise kann man sich die Diode aus zwei Transistoren, nämlich einem p-n-p- und einem n-p-n-Transistor, aufgebaut denken, bei denen jeweils die Kollektorzone des einen mit der Basiszone des anderen Transistors leitend verbunden ist, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Im Betrieb liegt zwischen den beiden Elektroden A und B der Diode eine Spannung, mit der z. B. in Fig. 1 angegebenen Polarität. Bei dieser Polarität ist der p-n-Übergang 2 in Sperrichtung vorgespannt. Bezeichnet man die Kurzschlußstromverstärkung des einen Transistors der Fig. 2 mit av die des anderen Transistors mit a2, so beträgt der Gesamtstrom der Diode
(1) In^ajR+ajK+Ico
oder (2) /«=/Co/(l-[ai + a2]).
Dabei ist für kleine Werte des Sperrstromes/Co und (X1+a2 <1 der Diodenstrom/^ klein, d.h. die Diode ist gesperrt. Wesentlich für das Sperren der Diode ist also, daß
1. bis zu einer bestimmten Betriebsspannung U2, bei der der Durchbruch des Überganges 2 erfolgt, der Sperrstrom 7Co des p-n-Uberganges 2 klein ist und daß .
2. die Summe der Stromverstärkungsfaktoren
+<1 bleibt.
Für das Kippen der Diode vom Sperr- in den Flußzustand für Spannungen, die größer oder gleich U2 sind, ist wesentlich, daß
1. der Sperrstrom /Co durch Ladungsträgervervielfachung in der p-n-Schicht 2 zunimmt und
Halbleiterdiode für Schalt- und Kippzwecke mit vier hintereinanderliegenden
halbleitenden Zonen
Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2
Werner Schmidt, München,
ist als Erfinder genannt worden
2. der zunehmende Sperrstrom eine Vergrößerung der Stromverstärkungsfaktoren ctj und a2 zur Folge hat, so daß ihre Summe größer oder gleich 1 wird.
Legierte Übergänge zeigen diese Stromabhängigkeit der Stromverstärkung im allgemeinen nicht, sondern es liegt schon bei kleinen Strömen eine große Injektion von Ladungsträgern in die benachbarte Mittelzone vor. Die Erfindung gibt einen Weg an, z. B. auch bei legierten Übergängen eine durch die obengenannten Bedingungen festgelegte Stromverstärkung zu erzielen. Eine solche Halbleiterdiode wird erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß zur Erzeugung einer stromabhängigen Stromverstärkung wenigstens eine, insbesondere beide, der an die Mittelzonen (III bzw. II) anschließenden Außenzonen (IV bzw. I) eine geringere Leitfähigkeit als die jeweils benachbarte Mittelzone aufweisen.
Diese Betrachtungen bezüglich der Stromverstärkung gelten natürlich auch, wenn wenigstens eine der beiden Außenzonen den gleichen Leitfähigkeitstyp (p bzw. n) wie die jeweils benachbarte Mittelzone III bzw. II aufweist. Dabei kann diese Außenzone gemaß einem früheren Vorschlag noch zusätzliche Störstellen, die den entgegengesetzten Leitungstyp (n bzw. p) erzeugen, enthalten, und zwar in einem solchen Maße, daß einerseits in Flußrichtung eine merkliche Injektion von Minoritätsträgern in die benachbarte Mittelzone erfolgt, und andererseits in Sperrichtung nur geringe Sperrspannungen, d. h. keine Sperrung, auftritt. Die Konzentration der letzt-
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3 4
genannten Störstellen wird beim Herstellen des Über- sondern daß ein Teil, der sogenannte Rückstrom von
gangs 1 oder 3 also so groß gewählt, daß wenn die Ladungsträgern getragen wird, die von der Basis in
Übergänge 1 und/oder 3 in Flußrichtung gepolt sind, die Emitterzone injiziert werden. Der Faktor ν stellt
eine Injektion von Minoritätsträgern in die Zonen II den Bruchteil des gesamten Emitterstromes dar, der
und/oder III erfolgt. Gleichzeitig aber so gering, daß 5 von den in die Basiszone injizierten Ladungsträgern
beim Umpolen der Spannung keine Sperrung der getragen wird.
Übergänge 2 und/oder 3 auftritt. Bei einer Polarität Der Faktor β gibt die Abnahme des in die Basisder Spannung, bei der der mittlere Übergang in zone injizierten Ladungsträgerstromes auf dem Weg Sperrichtung vorgespannt ist, weist eine derartige durch die Basiszone infolge Rekombination an.
Anordnung dieselbe Charakteristik wie die p-n-p-n- io Die Emitterergiebigkeit ist, wie bekannt, vom "VerDiode auf. Polt man jedoch die Spannung um, so hältnis der Leitfähigkeit von Basis- zu Emitterzone erhält man keine Sperrung, sondern wenn die Durch- {qb/qe) abhängig, und zwar in dem Sinn, daß sie dem bruchspannung des anderen äußeren Übergangs klein Wert 1 um so näher kommt, je kleiner das Verhältnis ist, d. h. etwa einige Volt beträgt, eine ausgeprägte ist. Es wird dann ein um so größerer Anteil des ge-Flußcharakteristik. 15 samten Emitterstromes von Ladungsträgern getragen,
Diese zuletzt beschriebene bereits vorgeschlagene die von der Emitterzone in die Basiszone injiziert Anordnung weist zwar bereits eine Stromabhängig- werden. Außerdem hängt die Emitterergiebigkeit zukeit der Stromverstärkung auf. Es hat sich jedoch sätzlich von der Größe des Emitterstromes ab. Sie gezeigt, daß diese Abhängigkeit noch in der ge- nimmt mit zunehmendem Emitterstrom ab.
wünschten Richtung verbessert werden kann, wenn 20 Der Erfindungsgedanke besteht nun darin, die Leitman auch bei dieser Anordnung dafür sorgt, daß ge- fähigkeit der Emitterzone eines der »Transistoren« maß der Lehre der Erfindung wenigstens eine, insbe- oder beider »Transistoren« der Fig. 2, aus denen sondere beide an die Mittelzone III bzw. II anschlie- sich die Diode zusammensetzt, klein, die der Basisßenden Außenzonen IV bzw. I eine geringere Leit- zone dagegen groß zu machen. Die Majoritätsträgerfähigkeit als die jeweils benachbarte Mittelzone auf- 25 zahl in der Basiszone ist dann größer als die Majoriweisen. tätsträgerzahl in der Emitterzone. Das Verhältnis
Es ist eine Halbleiterdiode mit vier hintereinander- QbIQe lsi a^so groß. Dies ist gerade entgegengesetzt liegenden Zonen verschiedenen Leitungstyps bekannt, wie beim normalen Transistor. Man erreicht dadurch, die, um eine Stromabhängigkeit der Stromverstärkung daß bei kleinen Emitterströmen der Gesamtstrom im zu erzielen, so beschaffen ist, daß in wenigstens einer 30 wesentlichen durch Ladungsträger transportiert wird, Zone die Lebensdauer der Ladungsträger mit zu- die von der Basiszone II bzw. III in die Emitterzone I nehmender Ladungsträgerdichte zunimmt. Dabei bzw. IV injiziert werden. Die Emitterergiebigkeit des wird ein diese Eigenschaften aufweisendes Material Transistors und damit auch seine Stromverstärkung im wesentlichen durch Messungen entsprechend aus- ist dann sehr klein. Erhöht sich der gesamte Strom gewählt. Demgegenüber wird, durch die gemäß der 35 infolge von Stoßionisation in der p-n-Schicht2 bei Erfindung gegebene Vorschrift, zum Aufbau einer Überschreiten einer bestimmten Spannung Uz, so erHalbleiterdiode ein viel einfacherer und sicherer Weg höht sich auch in bekannter Weise die Leitfähigkeit aufgezeigt. der Emitterzone und damit die Emitterergiebigkeit ν
Es ist weiter eine Halbleiteranordnung mit vier sowie die Stromverstärkung α. Wird die Summe der
hintereinanderliegenden halbleitenden Zonen ver- 4« Stromverstärkungsfaktoren der beiden Transistoren
schiedener Leitfähigkeit bekannt, bei der die beiden der Fig. 2 bzw. der p-n-Übergang 1 und 3 in Fig. 3
Mittelzonen mit Anschlüssen versehen sind und die und 4 größer oder gleich 1, so kippt die Diode von
Gestalt der negativen Stromspannungscharakteristik ihrem Sperrzustand in den Leitfähigkeitszustand,
durch Wahl der Vorspannung der mittleren Zonen Außerdem kann es bei Verwendung der Anord-
geändert wird. Es handelt sich also nicht um eine 45 nung auch günstig sein, die Leitfähigkeit der beiden
Halbleiterdiode, deren Stromabhängigkeit der Strom- mittleren Zonen II und III so groß zu wählen, daß
verstärkung in gewünschter Weise beeinflußt werden der p-n-Übergang 2 nur geringe Sperrspannungen
soll. aushält.
Bei einer ebenfalls bekannten Anordnung mit vier In Fig. 3 ist eine p-n-p-Diode aus Germanium halbleitenden Zonen bestehen die beiden Außenzonen 5° oder Silizium, wie sie mit Hilfe bekannter Verfahren aus einem gemischten Halbleiter, während die eine hergestellt werden kann, dargestellt. Der Übergang! Mittelzone aus einem Überschußhalbbeiter und die kann z. B. durch Diffusion, die Übergänge 1 und 3 andere aus einem Defekthalbleiter besteht. Dieses durch Legieren hergestellt werden. Gemäß der Erfinbekannte Element weist keine negative Stromspan- dung haben dabei z. B. beide äußeren Zonen I und IV nungscharakteristik auf. Außerdem ist bei dieser An- 55 eine geringere Leitfähigkeit als die beiden Mittelordnung die Leitfähigkeit der Mittelzonen geringer zonen II und III, so daß die Anordnung die geals die der Außenzonen. wünschte Stromabhängigkeit von α zeigt.
Die Wirkungsweise einer gemäß der Erfindung auf- In der Anordnung der Fig. 4 hat z. B. die Außengebauten Diode läßt sich an Hand des Stromverstär- zone IV den gleichen Leitungstypus, aber eine gerinkungsmechanismus eines Transistors verstehen. Die 6° gere Leitfähigkeit als die Mittelzonen II und III. Die Kurzschlußstromverstärkung α eines Transistors in Zone I hat den entgegengesetzten Leitungstyp als die Basisschaltung läßt sich in zwei Faktoren aufspalten. benachbarte Zone II und ebenfalls geringere Leit- _ . ο fähigkeit als diese. Der Übergang 2 kann z. B. ein " durch Einlegieren bzw. Diffundieren einer Akzeptor-
Dabei bezeichnet ν die Emitterergiebigkeit eines 65 verunreinigung hergestellter Übergang mit geringer
Transistors. Sie ergibt sich dadurch, daß nicht der Durchbruchspannung sein. Der Übergang 3 ist z. B.
ganze Emitterstrom von den in die Basiszone des durch Einlegieren von Indium-Zinn und gegebenen-
Transistors injizierten Ladungsträgern getragen wird, falls nach einem früheren Vorschlag noch mit einem
geringen Zusatz, ζ. B. etwa 2%, von Arsen in Germanium hergestellt.
Diese Anordnung ist dann im Unterschied zu der in Fig. 3 dargestellten beim Umpolen der Spannung nicht gesperrt, sondern zeigt eine Flußcharakteristik. Ebenso können natürlich auch beide Außenzonen den gleichen Leitungstyp und eine geringere Leitfähigkeit als die beiden Mittelzonen aufweisen und außerdem mit Störstellen des entgegengesetzten Leitungstypus gegendotiert sein.
IO

Claims (2)

PATENTANSPRÜCHE:
1. Halbleiterdiode für Schalt- und Kippzwecke mit vier hintereinanderliegenden halbleitenden Zonen, bei der die den einen p-n-Übergang bildenden beiden Mittelzonen benachbarten Außenzonen den gleichen oder den entgegengesetzten Leitungstyp aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer stromabhängigen Stromverstärkung wenigstens eine, insbesondere beide, der an die Mittelzonen (III bzw. II) anschließenden Außenzonen (IV bzw. I) eine geringere Leitfähigkeit als die jeweils benachbarte Mittelzone aufweisen.
2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine oder die beiden Außenzonen (IV bzw. I) den gleichen Leitungstyp (p bzw. n) wie die jeweils benachbarten Mittelzonen (III bzw. II) aufweisen und zugleich Störstellen, die den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp (n bzw. p) erzeugen, in einem solchen Maße enthalten, daß einerseits in Flußrichtung eine merkliche Injektion von Minoritätsträgern in die benachbarte Mittelzone erfolgt, und andererseits in Sperrichtung nur geringe Sperrspannungen, d. h. keine Sperrung, zwischen der Außenzone und der jeweils benachbarten Mittelzone auftreten.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 926 378;
deutsche Auslegeschrift Nr. 1 021 891;
Deutsche Patentanmeldung S 36 922 VIII c/21 g, 11/02 (bekanntgemacht am 9. Mai 1956).
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 209 639/308 8.
DES58925A 1958-07-10 1958-07-10 Halbleiterdiode fuer Schalt- und Kippzwecke mit vier hintereinanderliegenden halbleitenden Zonen Pending DE1136014B (de)

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