DE1176757B

DE1176757B - Sperrschichtkondensator

Info

Publication number: DE1176757B
Application number: DES64531A
Authority: DE
Inventors: Dr Werner Cirkler; Dr Walter Heywang; Dr Hermann Heywang; Dipl-Phys Harald Loebl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1959-08-20
Filing date: 1959-08-20
Publication date: 1964-08-27
Also published as: GB907490A; NL254929A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIg

Nummer: Aktenzeichen: Anmeldetag: Auslegetag:

Deutsche KL: 21g-10/05

S 64531 VIII c/21g
20. August 1959
27. August 1964

Die Erfindung betrifft einen Sperrschichtkondensator, dessen Kapazität in einem bestimmten Spannungsbereich von Spannungsänderungen unabhängig ist.

Es sind Halbleiteranordnungen mit einer oder mehreren Sperrschichten, insbesondere p-n-Ubergängen und/oder Randschichten, für spannungsabhängige Kondensatorschaltungen bekannt, deren Kapazität im Sperrbereich ausgenutzt wird und welche einen Verlustwinkel kleiner als 45° besitzen. Der p-n-Ubergang, der auch als p-i-n- oder p-s-n-Übergang ausgebildet sein kann, soll hierbei nach einer mindestens in einem gewissen Abschnitt wohldefinierten mathematischen Funktion räumlich verteilt sein, welche eine gewünschte Kennlinie der Spannungsabhängigkeit des Kondensators bedingt. Diese Maßnahme soll vor allem dazu dienen, den Verlustwinkel des Kondensators klein zu halten und seine spannungsabhängige Kapazität in einem weiten Frequenzbereich ausnutzen zu können. Es sind jedoch keine Hinweise gegeben, wie vorzugehen ist, um einen spannungsunabhängigen Kondensator zu erhalten.

Es sind auch schon Sperrschichtkondensatoren bekannt, bei denen wenigstens eineSperrschichtzwischen halbleitendem Keramikmaterial auf Titanatbasis und einer metallischen Belegung angeordnet ist. Bei diesen Sperrschichtkondensatoren nimmt die Kapazität pro Volt Spannung im Durchschnitt um 10% ab. Diese Sperrschichtkondensatoren sind somit nicht spannungsunabhängig.

In F i g. 1 ist ein Sperrschichtkondensator 1 mit von der Richtung der angelegten spannungsabhängigen elektrischen Eigenschaften zwischen zwei Elektroden 2 und 3 gezeigt. Dieser Sperrschichtkondensator besteht z. B. aus einem in Sperrichtung betriebenen und als Kapazität ausgenutzten Richtleiter und entspricht der oben beschriebenen Halbleiteranordnung. Der Sperrschichtkondensator 1, z.B. ein Halbleiterkristall aus einkristallinem Silizium oder Germanium, weist zwei Bereiche auf, die sich durch entsprechende unterschiedliche Dotierung in ihrer Leitfähigkeit unterscheiden. Der Bereich 1' ist p-leitend gemacht worden und der Bereich 1" n-leitend. Beide Bereiche sind in bekannter Weise durch die Kontaktschichten 2 und 3 sperrschichtfrei kontaktiert, an die die Stromzuführungen 4 bzw. 5 angelötet sind. Legt man an die Stromzuführungen 4 und 5 über einen Verbraucherwiderstand 6 eine Spannung aus einer regelbaren Gleichspannungsquelle 7, die in der in F i g. 1 angegebenen Weise derart gepolt ist, daß die Elektrode 3 ein positives Potential Sperrschichtkondensator

Anmelder:

Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr. Werner Cirkler,

Dipl.-Phys. Harald Löbl,

Dr. Walter Heywang,

Dr. Hermann Heywang, München

gegenüber der Elektrode 2 besitzt, dann bildet sich an der gestrichelt gezeichneten Grenzschicht 10 eine sogenannte Raumladungszone aus, deren Dicke bei einem nach F i g. 1 ausgebildeten Richtleiter mit zunehmender Spannung wächst. Wird die an den Richtleiter angelegte Gleichspannung 7 erhöht, so nimmt die Dicke dieser Raumladungszone zu, und für eine mittels des Übertragers 8 in den in F i g. 1 gezeigten Stromkreis eingekoppelte Hochfrequenz, deren Amplitude insbesondere wesentlich kleiner ist als die Gleichspannung 7, bildet der Richtleiter einen sogenannten Sperrschichtkondensator, dessen Kapazität mit der Erhöhung der angelegten Gleichspannung 7 fällt. Auf diese Weise kann z. B. die Wechselspannung an dem Ohmschen Widerstand 6 im Takte der Schwankungen der Gleichspannung 7 moduliert werden. Eine solche Modulation derVorspannung ist selbstverständlich auch durch eine der Gleichspannung 7 überlagerte Wechselspannung möglich, indem z. B. an die Stelle der unmittelbaren Verbindung 9 zwischen die beiden Leitungspunkte 9', 9" die gestrichelt gezeichneten Leitungen 11', 11" mit der Sekundärwicklung des Niederfrequenzübertragers 12 geschaltet werden. Die Primärseite dieses Übertragers wird von der Gleichspannungsquelle 13 über das Mikrophon 14 mit Sprachfrequenz gespeist. Die in der Sekundärseite des Übertragers 12 erzeugte Spannung, die in Reihe mit der Gleichspannung 7 liegt, soll in ihrer Amplitude ebenfalls kleiner sein als diese Gleichspannung.

In vielen Fällen ist jedoch eine gegenseitige Beeinflussung der einzelnen an dem Sperrschichtkondensator liegenden Wechselspannungen, insbesondere eine Modulation, nicht erwünscht. Die Kapazität des Sperrschichtkondensators soll zu diesem

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Zweck nicht, wie in Fig. 1 gezeigt, variabel, sondern über einen großen Spannungsbereich möglichst konstant sein. Am Widerstand 6 sind dann also die Wechselspannungen 8 bzw. 12 nur überlagert, nicht moduliert, und außerdem sind ihre Amplituden, die am Widerstand 6 abgegriffen werden, im wesentlichen von Schwankungen der Gleichvorspannung 7 unabhängig. Mit dieser Aufgabe befaßt sich die vorliegende Erfindung.

Der Sperrschichtkondensator mit in Sperrichtung zu betreibendem Übergang zwischen zwei halbleitenden Bereichen mit verschiedenartiger Störstellenleitfähigkeit, bei dem zwischen den beiden Bereichen eine Zwischenzone geringerer Leitfähigkeit (s- oder i-Leitung) als in wenigstens einem der benachbarten Bereiche liegt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß sich die zwischen den beiden Bereichen relativ hoher Leitfähigkeit ausbildende Raumladungszone infolge der eine schwache (s-) oder eine Intrinsic- (i-) Leitung erzeugenden Dotierung der Zwischenzone bereits bei sehr kleinen angelegten Spannungen über die Dicke der schwach leitenden Zwischenzone erstreckt, wobei der Anstieg der Dotierung von der schwach dotierten Zone zur benachbarten hochdotierten Halbleiterzone auf einer Strecke erfolgt, die klein ist gegenüber der Breite der schwach dotierten Zone.

Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispielen und der Beschreibung hervor:

In Fig. 2 ist ein gemäß der Erfindung ausgebildeter Sperrschichtkondensator dargestellt, der in seinem Halbleiterteil 21 aus drei Zonen besteht, von denen die Zone 211 p-leitend, die Zone 212 s„-, S₁,- oder i-leitend und die Zone 213 η-leitend ist. Ebenso wie in Fig. 1 sind auch hier die p- und n-Zonen 211 und 213 mittels je eines sperrschichtfrei aufgebrachten Kontaktes 22 bzw. 23 kontaktiert, die mit Stromzuführungen 24 bzw. 25 versehen sind. Der Stromkreis, in den dieser Sperrschichtkondensator eingeschaltet ist, ist in F i g. 2 nicht gezeigt, jedoch ist die Richtung des an den Kondensator angelegten Sperrpotentials durch das Plus- und Minus-Zeichen gekennzeichnet. Die Dicke der schwach n- (s_n-) oder schwach p- (s_p-) oder intrinsic-(i-) leitenden Zone 212 ist in F i g. 2 mit b bezeichnet. In F i g. 3 ist das Maß der Dotierung der verschiedenen Bereiche 211, 212, 213 des Richtleiters 21 aufgetragen, und zwar besitzt der Bereich 211 eine hohe p-Dotierung, die an der Grenze zwischen 211 und 212 steil auf niedrige Werte abfällt. Die Zone 213 besitzt ebenfalls eine hohe n-Dotierung, die auch wieder an der Grenze zwischen 212 und 213 steil auf niedrige Dotierungswerte abfällt. Für die Dotierung des Bereiches 212 sind zwei Grenzlinien maximaler Dotierung gestrichelt in F i g. 3 angegeben, zwischen denen die Dotierung des Bereiches 212 liegen soll. Die obere gestrichelte Grenzlinie 212' entspricht einer s_p-Leitung, die untere Grenzlinie 212" einer s_n-Leitung und die O-Linie der Fig. 3 einer Intrinsic-Leitung der Zone 212. Wesentlich für die Erfindung ist, daß der Übergangsbereich ö„ bzw. δ_η, innerhalb dessen die Dotierung der Zonen 211 bzw. 213 von ihrer Höhe auf die geringen Werte der Zwischenzone 212 absinkt, klein ist gegenüber der Dicke b dieser Zwischenzone, insbesondere höchstens nur ein Zehntel der Dicke b beträgt.

Will man nun gemäß der Erfindung die Ausdehnung der Raumladungszone und damit das Absinken der Kapazität des in Sperrichtung betriebenen Richtleiters bei Erhöhung der angelegten Vorspannung dadurch begrenzen, daß sich die Raumladungszone oberhalb einer minimalen Arbeitspannung nicht oder relativ nur sehr wenig weiter ausbreiten kann, so ist dies, wie schon oben gesagt, dann der Fall, wenn die schwach dotierte Zone 212 beidseitig an

ίο hochdotierte Halbleiterbereiche angrenzt. In diese hochdotierten Halbleiterbereiche vermag nämlich die Raumladungszone bei Erhöhung der Arbeitsspannung über ihren minimalen Wert praktisch nicht einzudringen. Damit jedoch auch bei der maximalen Arbeitsspannung U_max kein Durchbruch erfolgen kann, muß die Dicke b der schwach dotierten Zwischenzone gleich oder größer sein dem Quotienten ^U™£ {ED = Durchbruchsfeldstärke im Zwischenzonenbereich 212 des Halbleiters). Um andererseits der Forderung zu genügen, daß sich die Kapazität von einer minimalen Arbeitsspannung U_mjn ab praktisch mit der Spannung nicht erhöht, muß die bei dieser kleinen Arbeitsspannung U_min sich bildende Raumladungszone den schwach dotierten Bereich der Zwischenzone bereits ausfüllen. Hieraus folgt für unsymmetrische Dotierung, d.h. für eine Dotierung, bei der die Zwischenzone 212 nicht intrinsic-leitend ist, sondern eine schwache n- oder p-Dotierung besitzt, durch Integration der Poissonschen Differentialgleichung

d²i7
d.r²

folgt

q- s

^ q-W

wobei 5¹ die Ladungsträgerkonzentration in der schwach dotierten Zone 212, J den Bandabstand und q die Elementarladung darstellt.

Andererseits muß jedoch die durch die maximale

kapazitive Aufladung β des hochdotierten n- bzw. p-Bereiches 211 bzw. 213 bedingte zusätzliche Raumladungsschicht stets dünn gegen b sein, also gering gegenüber der Dicke dieser Zwischenzone 212. Für diese Aufladung pro Quadratzentimeter gilt einesteils

anderenteils

~ Q δ_νρ — q d_nn ,

wobei d_p und δ_η die zusätzlichen Raumladungsschichtdicken darstellen.

Da sowohl d„ als auch S_n sehr klein gegenüber b

sein sollen, ergibt sich schließlich die Forderung, daß die Dotierungsdichten ρ bzw. η groß gegenüber dem folgenden Ausdruck sein müssen:
jj

Aus der Halbleitertechnik ist es bereits bekannt, daß metallische Kontakte bzw. geeignete dotierte Halbleiter mit anderen Bandabständen mit dem Material des Hauptkristalls Sperrschichten bilden können. Insbesondere das Aufbringen von sperrenden metallischen Kontakten ist nicht nur bei den

Richtleitern bekannt, sondern auch bereits bei den sogenannten keramischen Sperrschichtkondensatoren, bei denen das halbleitende Material aus einer ferroelektrischen Keramik, z.B. aus gesintertem Pulver mit Perowskitstruktur, besteht. Bei diesen Kondensatoren ist die an sich nicht leitende ferroelektrische Keramik z. B. dadurch halbleitend gemacht, daß sie in gewissem Umfang anreduziert ist. Bei einem solchen keramischen Sperrschichtkondensator wird also gemäß der Erfindung der metallische Kontakt, insbesondere ein Silberkontakt, auf eine schwach dotierte Zone 412 der Dicke b eingebrannt, die an eine hochdotierte Zone 413 grenzt (s. Fig. 4). Um nun aber ein Bauelement zu erhalten, das nach beiden Richtungen als Kondensator wirkt, grenzt die hochdotierte n-Zone413 des aus den drei Zonen 412, 412', 413 gebildeten keramischen Körpers 41 auf ihrer anderen Seite auf eine ebenfalls schwach n-leitend gemachte Zone 412'. Auf die beiden schwach η-leitend gemachten Zonen 412 und 412' des keramischen Körpers 41 sind dann die Elektroden 42 und 43 aufgebracht. Zum Unterschied gegenüber den Elektroden 2 und 3 der F i g. 1 und den Elektroden 22 und 23 der Fig. 2 sind jedoch diese metallischen Kontakte 42 und 43 so aufgebracht, daß sie mit dem keramischen Körper 41 jeweils eine Sperrschicht bilden; diese beiden Sperrschichten sind in einander entgegengesetzten Richtungen durchlässig bzw. sperrend. Dadurch sind derartige Kondensatoren wie statische Kondensatoren wirksam, indem sich sowohl unter dem Metallkontakt 42 als auch unter dem Kontakt 43 die kapazitätsbildende Sperrschicht ausbildet. Erfindungsgemäß müssen die Dicken b der beiden schwach η-leitenden Zonen 412 und 412' möglichst klein sein, so daß die angelegte Wechselspannung Raumladungszonen unter den Metallkontakten 42 und 43 ausbildet, die bereits bei wenigen Prozent der Wechselspannungsamplitude die ganze Breite b der schwach dotierten Bereiche 412 bzw. 412' einnehmen. Die schwache Dotierung der Bereiche 412 bzw. 412' kann z. B. in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß ein zunächst relativ stark anreduzierter keramischer Körper 41, der durchgehend eine η-Leitfähigkeit entsprechend der der Zone 413 besitzt, in einer dünnen Schicht unterhalb der aufzubringenden Kontakte 42 und 43 wieder so weit aufoxydiert wird, daß der dadurch entstehende schwach η-leitende Bereich 412 bzw. 412' den gemäß der Erfindung an ihn gestellten Anforderungen bezüglich seiner Breite b genügt.

Kondensatoren der in den F i g. 2 und 4 gezeigten Art brauchen keine Gleichvorspannungen 7 wie die Kondensatoren der Fig. 1. Sie sind also in gleicher Weise in Schaltungen verwendbar wie die bekannten statischen Kondensatoren. Da zudem die schwach leitenden Zonen 212 bzw. 412 und 412' in der Praxis sehr dünn ausgebildet werden können, sind auch die Einflüsse der beim Nulldurchgang der Spannung noch vorhandenen Spannungsabhängigkeit der Kapazität verschwindend klein.

Claims

Patentansprüche:

1. Sperrschichtkondensator mit in Sperrichtung zu betreibendem Übergang zwischen zwei halbleitenden Bereichen mit verschiedenartiger Störstellenleitfähigkeit, bei dem zwischen den beiden Bereichen eine Zwischenzone geringerer Leitfähigkeit (s- oder i-Leitung) als in wenigstens einem der benachbarten Bereiche liegt, dadurch gekennzeichnet, daß sich die zwischen den beiden Bereichen relativ hoher Leitfähigkeit ausbildende Raumladungszone infolge der eine schwache (s-) oder ein Intrinsic- (i-) Leitung erzeugenden Dotierung der Zwischenzone bereits bei sehr kleinen angelegten Spannungen über die Dicke der schwach leitenden Zwischenzone erstreckt, wobei der Anstieg der Dotierung von der schwach dotierten Zone (212, 412, 412') zur benachbarten hochdotierten Halbleiterzone (211, 213, 413) auf einer Strecke (δ_η bzw. δ_ρ) erfolgt, die klein ist gegenüber der Breite (b) der schwach dotierten Zone.

2. Sperrschichtkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der beiden hochdotierten p- oder n-Bereiche durch sperrende metallische Kontakte bzw. durch dotierte Halbleiter mit anderem, insbesondere kleinerem Bandabstand ersetzt ist.

3. Sperrschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Metallkontakten liegende Halbleiter aus einer hochdielektrischen Keramik auf Titanatbasis besteht.

4. Sperrschichtkondensator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Bereich (413) η-leitend ist und der andere Bereich durch eine Kontaktierung des Halbleiters mit einem Metall niedrigen Fermipotentials, insbesondere mit Silber, gebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschriften Nr. 1025 994,
346;

so deutsche Auslegeschriften S 32747 VIII c/ 21 g (bekanntgemacht am 6.10.1955), S 43732 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 4.10.1956);

deutsche Patentanmeldung S 19630 VIIIc/21g (bekanntgemacht am 18.12.1952);
USA.-Patentschrift Nr. 2 841 508.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen