DE1162484B - Zener-Halbleiterdiode zur Spannungsbegrenzung und Spannungsregelung mit einem aus drei durch pn-UEbergaenge getrennten Zonen bestehenden Halbleiterkoerper und Verfahrenzum Herstellen - Google Patents

Zener-Halbleiterdiode zur Spannungsbegrenzung und Spannungsregelung mit einem aus drei durch pn-UEbergaenge getrennten Zonen bestehenden Halbleiterkoerper und Verfahrenzum Herstellen

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DE1162484B DEJ19398A DEJ0019398A DE1162484B DE 1162484 B DE1162484 B DE 1162484B DE J19398 A DEJ19398 A DE J19398A DE J0019398 A DEJ0019398 A DE J0019398A DE 1162484 B DE1162484 B DE 1162484B
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Description

  • Zener-Halbleiterdiode zur Spannungsbegrenzung und Spannungsregelung mit einem aus drei durch pn-übergänge getrennten Zonen bestehenden Halbleiterkörper und Verfahren zum Herstellen Die Erfindung betrifft eine sogenannte Zenerdiode, die aus drei aneinandergrenzenden, durch zwei pn-Übergänge voneinander getrennten Halbleiterzonen aufgebaut ist und deren beide äußere Zonen durch je einen ohrnschen. Anschluß so kontaktiert und geschaltet sind, daß der eine pn-übergang in Sperrrichtung als Zenerdiode und der andere pn-übergang in Flußrichtung als Emitter wirkt.
  • Der Aufbau und die Eigenschaften von herkömmlichen Zenerdioden, die aus zwei durch einen pnübergang getrennte Halbleiterschichten entgegengesetzten Leitungstyps bestehen, wird als bekannt vorausgesetzt. Diese herkömmlichen Zenerdioden haben folgende Nachteile: 1. Die Steilheit der Stromspannungskennlinie jenseits des Durchbruchs ist nicht unendlich, d. h., der dynamische Widerstand im Regelbereich ist nicht Null, was zu einer mangelhaften Spannungskonstanz oder Spannungsregelung führt; 2. die charakteristische Abbruchsparmung ist etwas temperaturabhängig, und zwar steigend mit steigender Temperatur; 3. der Strom im Regelbereich rührt von der lawinenartigen Verstärkung weniger thermischer Träger her und schwankt deshalb stark, so daß sich ein hohes Rauschen ergibt; 4. der Lawineneffekt tritt bevorzugt an lokalisierten schwachen Stellen in der Sperrschicht auf, insbesondere dort, wo die Sperrschicht an die Oberfläche stößt; dadurch wird die Kennlinie vom Zustand der Oberfläche abhängig.
  • Zur Beseitigung der unter Ziffern 2 bis 4 angegebenen Nachteile der bekannten Zenerdioden ist be- reits vorgeschlagen worden, die eine Halbleiterzone mit einem Emitter zu versehen. Es entsteht dabei, ähnlich einem Transistor, eine Anordnung, bei der drei aneinandergrenzende Halbleiterzonen vorliegen, die durch zwei pn-übergänge voneinander getrennt sind, z. B. eine pnp- oder npn-Struktur. Durch Anlegen einer Vorspannung zwischen den beiden äußeren Zonen wird die eine pn-Verbindung in Sperrichtung als Zenerdiode, die andere in Flußrichtung als Emitter betrieben. Der Strom durch die Diode besteht deshalb unterhalb der Abbruchspannung nicht nur aus den thermisch erzeugten Minoritätsladungsträgem, sondern zusätzlich aus den Minoritätsladungsträgem, die durch den Emitter injiziert werden. Die Summe dieser beiden Anteile wird jetzt beim Erreichen der Abbruchspannung durch Lawinenmultiplikation verstärkt. Bei geeigneter Dimensionierung der Diode ist irn Durchschlagsgebiet der Injektionsstrom vielfach größer als der thermisthe Strom. Es wird damit die Ursache für das unter Ziffer 3 ausgeführte hohe Rauschen bei normalen Zenerdioden weitestgehend unwirksam gemacht. Ferner ist bekanntlich der in> zierte Minoritätsladungsträgerstrom in der Nähe der Oberfläche wegen der Obeirflächenrekombination kleiner als im Inneren, wodurch der unter' Ziffer 4 angegebene Einfluß der Oberflächenbeschaffenheit auf die Kennluuc herabgesetzt wird. Schließlich macht sich im Hinblick auf die unter Ziffer 2 angeführten Nachteile bei einer mit einem Emitter versehenen Zenerdiode, vorteilhaft bemerkbar, daß der Injektionsstrom in entgegengesetztem Sinne von der Temperatur abhängt wie die Abbruchspannung bei einer aus zwei Halbleiterzonen bestehenden normalen Zenerdiode. Es können sich dadurch beide Faktoren kompensieren, und man kann durch geeignete Dirnensionierung des gegenseitigen Abstandes der beiden pn-übergange völlig,- Temperaturunabhängigkeit in einem gewissen Strombereich erreichen.
  • Zur Beseitigung des unter Ziffer 1 aufgeführten Nach-teils der normalen Zenerdioden ist es erforderlich, daß der Ernitter einen Wirkungsgrad hat, der bei kleinen Strömen klein ist und mit dem Strom zunimmt. Man erhält dann einen schwach negativen dynamischen Widerstand, der mittels der positiven Serienwiderstände des Stromkreises auf Null kompensiert werden kann.
  • Zur Erfüllung dieser Forderung ist bereits vorgeschlagen worden, bei einer dreischichtigen Zenerdiode einen ehmschen Kontakt an der Mittelschicht anzubringen und diesen über einen Widerstand mit dem Emitter zu verbinden. Dadurch wird der Emitter für kleine Ströme kurzgeschlossen und unwirksam ge- macht, während bei hohen Strömen der ohmsche Nebenschluß unerheblich ist. Eine solche Anordnung weist aber den Nachteil auf, daß ein dritter Kontakt an dem Bauelement angebracht werden muß. Außerdem führen die notwendigen äußeren Wider-stände zu einer Verteuerung des Bauelementes und Komplizierung der Schaltung.
  • Ein weiterer Vorschlag versucht diese Nachteile zu vermeiden, indem in die Emitter-Sperrschicht zusätzliche Störstoffe, die als Rekombinationszentren wirken, eingebracht werden. Dieses Verfahren ist quantitativ außerordentlich schwierig zu beherrschen und weist außerdem den Nachteil auf, daß es unmöglich ist, in einem Verfahrensschritt gleichzeitig Widerstands- und Temperaturkompensation für einen be- stimmten Strombereich zu erzielen.
  • Es sind sogenannte Tunneldioden bekannt, die einen beiderseits von hochdotiertem Halbleitermaterial begrenzten pn-übergang enthalten. Der Strom durch solche pn-übergänge ist ein Majoritätsladungsträgerstrom. Es ist auch bekannt, derartige pn-Übergänge bei der Herstellung spezieller Transistoren und Vierschichtdioden zu Schaltzwecken zu verwenden.
  • Es liegen auch bereits Untersuchungen vor über den Einfluß eines veränderbaren Tunnelstromanteils auf die Ausbildung der Kennlinic eines pn-Überganges. Jedoch wird dabei keine gezielte Beeinflussung der Kennlinie eines aus mehreren pn-Übergängen bestehenden Bauelementes erreicht. Ebenso ist es bekannt, durch hochdotieTte oder auch entartet dotierte örtlich begrenzte Zonen in einem Halbleiterkörper Bauelemente mit bestimmten Eigenschaften, z. B. für Schaltzwecke, zu erhalten. Alle diese Maßnahmen sind jedoch nicht geeignet, eine Halbleiterdiode zur Spannungsbegrenzu,ng und Spannungsregelung zu schaffen, bei der alle anfangs unter Ziffern 1 bis 4 genannten Nachteile beseitigt sind.
  • Die Erfindung schafft eine Zener-Halbleiterdiode zur Spannungsbegrenzung und Spannungsregelung mit einem aus drei durch pn-übergänge getrennten Zonen bestehenden Halbleiterkörper und je einer ohmschen Elektrode an den äußeren Zonen. Erfindungsgemäß zeichnet sie sich dadurch aus, daß die mittlere Halbleiterzone, in die die entartet und entgegengesetzt dotierte injizierende Zone eingelassen ist, an der Oberfläche entartet dotiert ist und einen solchenDotierungsgradienten aufweist, daß dieDotierungskonzentration von dieser Oberfläche bis zum gegenüberliegenden sperrenden pn-üb--rgang abnimmt und daß die entartet dotierte injizierende Zone in die mittlere Zone derart hineinragt, daß ihr pn-übergang teilweise an den entartet dotierten Teil der mittleren Zone angrenzt, so daß der Strom durch diesen pnübergang an den entartet dotierten Teilen ein Tunnelstrom ist. Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann das Verhältnis von Tunnelstromanteil und Minoritätsladungsträgerstromanteil des injizierten Stromes durch Abtragen von Teilen der Oberfläche mit Entartungskonzentration der Verunreinigungen und durch die dadurch bedingte Änderung des Verhältnisses der Flächenteile des pn-überganges, die an Material mit entarteter Dotierungskonzentration angrenzen, zu den Flächenteilen des pn-überganges, die an Material mit nicht entarteter Dotierungskonzentration angrenzen, nachträglich so eingestellt werden, daß die Stromspannungskennlinie der Diode eine solche Steilheit erhält, daß der dynamische Widerstand im Regelbereich praktisch Null ist.
  • Die weiteren Ausbildungen und Vorteile der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert: F i g. 1 zeigt den Aufbau einer Zenerdiode nach der Erfindung im Querschnitt; F i g. 2 zeigt den Konzentrationsverlauf der Verunreinigungen in der mit dem Emitter versehenen Halbleiterzone in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche; F i g. 3 zeigt &n durch die einzelnen Strornanteile bedingten Kennlinienverlauf des emitterseitigen pnüberganges der Zenerdiode nach der Erfindung.
  • Die Zenerdiode wird nach an sich in der Halbleitertechnik bekannten Verfahren hergestellt. Zunächst wird in eine Platte oder einen Streifen aus Halbleitermaterial, beispielsweise aus p-Silizium, eine Verunreinigung entgegengesetzten Leitungstyps, beispielsweise Phosphor, eindiffundiert. Dann wird die diffundierte Schicht von einer Seite der Platte durch Ätzen oder Läppen wieder entfernt. Die von der Diffusionsschicht befreite Stelle der Halbleiterplatte wird mit einem ohmschen Kontakt versehen. Es kann zu diesem Zweck Verunreinigungsmaterial desselben Typs wie die Dotierung des Grundmaterials, z. B. Bor, eindiffundiert werden. Dazu muß man allerdings die andere Seite vorher maskieren. Im Falle der Anwendung von Phosphor bei der ersten Diffusion genügt zur Maskiemng die entstehende Phosphor-Silikat-Glasschicht. Es kann aber auch ebensogut ein Grundkontakt in geeigneter Weise einlegiert werden.
  • Der so hergestellte Halbleiterkörper besitzt zwei Zonen 1 und 2 entgegengesetzten Leitungstyps. Im vorliegenden Beispiel besteht die untere Zone 2 aus p-leitendem Silizium und ist mit einem ohmschen Kontakt 3 versehen. Die obere Zone 1 besteht durch die Phosphordiffusion aus n-leitendem Silizium und weist eine Oberflächenschicht la auf mit einer Verunreinigungskonzentration, die über der Entartungskonzentration liegt, sowie eine Schicht 1 b, die niedriger dotiert ist, also eine normale Verunreinigungskonzentration besitzt.
  • Der Konzentrationsverlauf C der Verunreinigu-ng ist in F i g. 2 als Funktion vom Abstand x senkrecht zur Oberfläche aufgetragen. Zwischen 0 und A ist die Konzentration größer als die Entartungskonzentration CD. Bei Silizium beispielsweise zwischen 1019 und 1020/CM3. An der Stelle B entspricht die Konzentration C der Dotierung C" des Grundmaterials. An dieser Stelle liegt der pn-Übergang 9.
  • Zum Herstellen der Emitterelektrode 4 wird in die durch die Phosphordotierung n-leitende SclÜcht 1 ein Material eingebracht, das p-Leitfähigkeit erzeugt. Sie kann bei dem vorliegenden Beispiel durch Einlegieren von Aluminium hergestellt werden. Die Legierungselektrode 4 bildet zwischen ihrer rekristallisierten Schicht 5 und der diffusionsdotierten Schicht 1 einen pn-übergang 6. Anschließend werden die Zuleitungen 7 und 8 an der Legierungselektrode 4 und an der ohmschen Elektrode 3 angebracht.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß es mit Hilfe einer Zenerdiode, die außer dem Zenerpn-übergang noch einen Emitter-pn-übergang aufweist, möglich ist, durch geeignete Anordnung des F-niitter-pn-überganges sowohl den Temperaturkoeffizienten der Abbruchsspannung zu kompensieren als auch die Stromspannungskennlinie im Regelbereich nach den jeweils vorliegenden Wünschen auszubilden. F i g. 1 der Zeichnung ist zu entnehmen, daß der pn-übergang 6 des Emitters mit seinem unteren flachen Teil an Material angrenzt, das niedrig dotiert ist, das also eine normale Verunreinigungskonzentration aufweist. Die Flanken des pn-überganges 6 grenzen demgegenüber an sehr hochdotiertes Material an, das eine Verunreinigungskonzentration aufweist, die gleich oder größer der Entartungskonzentration ist.
  • Der Vorteil einer solchen Anordnung wird an Hand der in F i g. 3 dargestellten Stromspannungskennlinien eines solchen Emitterüberganges deutlich. Die Stromspannungskennlinie einer pn-Verbindung, die, an normal dotiertes Halbleitermaterial angrenzt, entspricht der getrichelten Kurve in F i g. 3. Die Stromspannungskennlinie einer pn-Verbindung, die an entartungsdotiertes Material angrenzt, hat eine sogenannte Tunnelcharakteristik, die in F i g. 3 durch die strichpunktierte Linie dargestellt ist. Der insgesamt injizierte Strom der Emitterelektrode setzt sich demnach aus einem Tunnelstrom und einem normalen Strom an Minoritätsladungsträgern zusammen. Die Kennlinie ist unter Berücksichtigung der Verunreinigungsverteilung gemäß F i g. 2 eine Kombination der beiden einzelnen Kennlinien, da der Strom qualitativ als Summe beider Typen aufgefaßt werden kann. Die resultierende Kennlinie der Emitterelektrode gemäß der Erfindung ist durch die ausgezogene Linie in F i g. 3 dargestellt. Da der Minoritätsladungsträgerstrom mit wachsender Spannung stark zunimmt, während der Tunnelstrom abnimmt, liegt somit ein Emitter vor, dessen Injektionsergiebigkeit stark mit der Spannung bzw. mit dem Strom steigt.
  • Es ist leicht einzusehen, daß die Form der resultierenden Kennlinie des gesamten Emitterstromes durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses der Flächen des pn-überganges, die an das niedrig dotierte Halbleitermaterial bzw. an das hochdotierte Material angrenzen, in weiten Grenzen bestimmt werden kann. Dabei ist es nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung nicht einmal notwendig, dieses Verhältnis bereits während des Legierungsprozesses zu erhalten, was technologisch relativ schwierig wäre. Es ist vielmehr möglich, das gewünschte Verhältnis erst nachträglich, nachdem das Bauelement fertiggestellt und kontaktiert ist, kurz vor dem Einbau in ein Gehäuse einzustellen. Man erreicht das auf sehr einfache Weise durch eine Ätzung, die einen Teil der Oberfläche der entartungsdotierten Schicht la nachträglich abbaut. Man hat nicht anderes zu tun, als für ein geeignetes chemisches oder elektrolytisches Ätzbad empirisch die Zeitdauer zu ermitteln, nach der so viel von der Oberflächenschicht abgetragen ist, bis das Verhältnis der Flächen des pn-überganges ein gewünschtes Verhältnis von normalem Minoritäten- und Tunnelstrom und somit die gewünschte Kennlinienforrn ergibt.
  • Die erfindungsgemäße Anordnung der Enütterelektrode ermöglicht es auch, die an sich bereits vorgeschlagene Kompensation des Temperaturkoeffizienten zu verwirklichen. Zu diesem Zweck ist es notwendig, den unteren ebenen Teil des emitterseitigen pn-überganges in einem solchen Abstand W von dem Zenerpn-Übergang anzuordnen, daß sich die Temperaturabhängigkeit der Abbruchspannung gerade kompensieren. Der Abstand W liegt etwa in der Größenordnung der Diflusionslänge der Minoritätsladungsträger. Man hat die Legierungstiefe der Emitterelektrode technologisch genügend gut in der Hand, um die Lage des unteren Teils des pn-Überganges genügend genau festlegen zu können. Der genaue Abstand der beiden pn-übergänge wird zweckmäßig empirisch ermittelt. Eine ungefähre Abschätzung des Abstandes kann man an Hand bekannter Beziehungen zwischen dem Stromverstärkungsfaktor a, dem Lawinen-Multiphkationsfaktor, der Diffusionslänge Lp, der Ladungsträger und der Temperatur berechnen. Für Silizium ergibt sich ein Wert für W = 3 Lp oder a 0, 1.
  • Eine kurze Rechnung zeigt, daß bei Silizium schon eine Einstellung dieses W-Wertes auf ± 1011/o eine Reduktion der Temperaturabhängigkeit der Abbruchspannung um einen Faktor 5 bringt. Allein durch geeignete Führung des Legierungsprozesses ist es dann möglich, weitgehende Temperaturabhängigkeit zu erreichen.

Claims (2)

  1. Patentansprüche: 1. Zener-Halbleiterdiode zur Spannungsbegrenzung und Spannungsregelung mit einem aus drei durch pn-übergänge getrennten Zonen bestehenden Halbleiterkörper und je einer ohmschen Elektrode an den äußeren Zonen, d a d u r c h g e - kennzeichnet, daß die mittlere Halbleiterzone(1), in die die entartet und entgegengesetzt dotierte injizierende Zone(5) eingelassen ist, an der Oberfläche (la) entartet dotiert ist und einen solchen Dotierungsgradienten aufweist, daß die Dotierungskonzentration von dieser Oberfläche bis zum gegenüberliegenden sperrenden pn-Übergang abnimmt, und daß die entartet dotierte injizierende Zone (5) in die mittlere Zone (1) derart hineinragt, daß ihr pn-übergang teilweise an den entartet dotierten (la) und teilweise an den nicht entartet dotierten Teil (1 b) der mittleren Zone (1) angrenzt, so daß der Strom durch diesen pn-übergang an den entartet dotierten Teilen ein Tunnelstrom ist.
  2. 2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der am weitesten hineinragende obere Teil der injizierenden Zone (5) im Bereich nicht entarteter Dotierung (1 b) und die Flanke der injizierenden Zone (5) mindestens teilweise im'Bereich entarteter Dotierung (la) mit der mittleren injizierenden Zone (1) einen pnübergang (6) bildet. 3. Halbleiterdiode nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Halbleiterzonen aus abwechselnd p- und n-leitendem Silizium bestehen. 4. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einlegiertem Aluminium gebildete injizierende Zone (5) in die aus n-leitendem phosphordotiertem Silizium bestehende mittlere Halbleiterzone (1) eingelassen ist. 5. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Stroraspannungskennlinie durch das Verhältnis der an das nicht entartet dotierte Material (1 b) angrenzenden Fläche zu der an das entartet dotierte Material (la) angrenzenden Fläche des pn-überganges (6) bestimmt ist. 6. Halbleiterdiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Flächen so eingestellt ist, daß die Kennlinie jenseits des Durchbruchs im Sperrbereich einen dynamischen Widerstand von praktisch Null besitzt. 7. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (W) des injizierenden pn-Überganges (6) vom in Sperrichtung betriebenen pn-übergang (9) so groß ist, daß die Spannung der Kennlinie des fallenden Teiles praktisch temperaturunabhängig wird. 8. Halbleiterdiode nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Silizium als Halbleitermaterial der Abstand der beiden pn-übergänge etwa das Dreifache der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger beträgt. 9. Verfahren zum Herstellen einer Halbleiterdiode zur Spannungsbegrenzung und Spannungsregelung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einen Halbleiterkörper eines bestimmten Leitungstyps durch Diffusion von Verunreinigungsmaterial eine Zone (1) entgegengesetzten Leitungstyps erzeugt wird, bei der die Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche (la) mindestens Entartungskonzentration aufweist, nach dem Inneren des Halbleiterkörpers zu abnimmt und einen pn-übergang (9) bildet, daß in dieser Zone durch Legieren ein weiterer emittierender pn-übergang (6) so ausgebildet wird, daß er zum Teil an Material mit entarteter Dotierung (la) und zum Teil an Material mit nicht entarteter Dotierung (1b) angrenzt und daß das Verhältnis der Flächen der beiden angrenzenden Teile zueinander nach Fertigstellung der Diode eingestellt wird. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die durch den gesamten injizierten Strom beeinflußte Stromspannungskennlinie der Diode durch Änderung des Verhältnisses der an Material mit entarteter Dotierungskonzentration (la) angrenzenden Fläche des injizierenden pn-überganges (6) und dem daraus resultierenden Tunnelstromanteil zu der an Material mit nicht entarteter Dotierungskonzentration (1b) angrenzenden Fläche des injizierenden pn-überganges (6) und dem daraus resultierenden Minoritätsladungsträger-Stromanteil geändert wird. 11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromspannungskennlinie so eingestellt wird, daß der dynan-üsche Widerstand in der Umgebung des Regelbereiches Null wird. 12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die fertiggestellte kontaktierte Diode vor dem Einbau in ein Gehäuse so lange einem geeigneten chemischen Atzen unterworfen wird, bis durch Abtragen von Teilen der Oberfläche (la) mit Entartungsdotierung das Verhältnis vonTunnelstrom undMinoritätsladungsträgerstrom des injizierten Stromes so eingestellt ist, daß die Stromspannungskennlinie jenseits des Durchbruchs im Sperrbereich praktisch unendlich steil und damit der dynamische Widerstand Null wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr. 1154 601, 1209 304; IRE Transactions on electron devices, Januar 1960, S. 1 bis 9.
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