DE1194065B - Halbleiterbauelement mit teilweise fallender Charakteristik und Betriebsschaltung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer: 1194 065

Aktenzeichen: W 28880 VIII c/21 g

Anmeldetag: 10. November 1960

Auslegetag: 3. Juni 1965

Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf ein Halbleiterbauelement und im besonderen auf ein mit drei Elektroden versehenes, stromgesteuertes Halbleiterbauelement mit negativem Widerstand.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine mit drei Elektroden versehene, stromgesteuerte Halbleiteranordnung mit negativem Widerstand zu schaffen.

Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mit drei Elektroden versehene, stromgesteuerte Halbleiteranordnung mit negativem Widerstand zu schaffen, die für die Verwendung als stromgesteuerter Schalter geeignet ist.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es außerdem, J-S eine mit drei Elektroden versehene, stromgesteuerte Halbleiteranordnung mit negativem Widerstand zu schaffen, die für die Verwendung als Ruhekontaktrelais geeignet ist.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine mit drei Elektroden versehene, stromgesteuerte Halbleiteranordnung mit negativem Widerstand zu schaffen, in der der Eingangsstrom, der vier halbleitende Bereiche durchfließt, durch einen Strom gesteuert wird, der über eine hochdotierte Zone der Anordnung zugeführt wird.

Zum besseren Verständnis der Art und der Aufgaben, die der Erfindung zugrunde liegen, wird auf die folgende, ins einzelne gehende Beschreibung und die Zeichnungen verwiesen.

Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht eines Plättchens aus halbleitendem Material im Querschnitt;

F i g. 2 bis 5 sind Seitenansichten des Plättchens von F i g. 1 im Querschnitt, die die aufeinanderfolgenden Verfahrensschritte gemäß der Lehre dieser Erfindung erkennen lassen;

F i g. 6 ist ein schematisches Schaltbild, das die Anwendung der Halbleiteranordnung gemäß dieser Erfindung zeigt;

F i g. 7 zeigt ein Stromspannungsdiagramm, das die Arbeitskennlinie der Halbleiteranordnung gemäß dieser Erfindung in der Funktion eines stromgesteuerten Schalters wiedergibt;

F i g. 8 zeigt ein Stromspannungsdiagramm, daß die Arbeitskennlinie der Halbleiteranordnung gemäß dieser Erfindung in der Wirkungsweise als Ruhekontaktrelais wiedergibt.

Gemäß den vorgenannten Aufgaben bezieht sich die Erfindung auf eine stromgesteuerte Halbleiteranordnung, d. h. genauer auf ein Halbleiterbauelement, mit teilweise fallender Charakteristik. Ein solches Halbleiterbauelement wird erfindungsgemäß Halbleiterbauelement mit teilweise fallender
Charakteristik und Betriebsschaltung

Anmelder:

Westinghouse Electric Corporation,

East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. R. Barckhaus, Patentanwalt,

München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Gene Strull, Baltimore, Md.;

W. Herbert Henkels, Rockwood, Pa. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 10. November 1959
(852038)

in der Weise verbessert, daß an die eine Oberfläche einer ersten Halbleiterzone eines Leitfähigkeitstyps eine dünne zweite hochdotierte Zone von gleichem Leitfähigkeitstyp angrenzt und daß eine dritte Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps auf der freien Oberfläche der zweiten Zone angeordnet ist, so daß sich zwischen der zweiten und dritten Zone ein tunnelnder pn-übergang bildet, daß an der entgegengesetzten Oberfläche der ersten Zone eine weitere Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufgebracht ist und daß die zweite bis vierte Zone mit ohmschen Elektroden versehen sind.

Die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung besitzt drei Elektroden, ihre Wirkung ist jedoch mit der einer Tunneldiode eng verwandt, weil in beiden Anordnungen die Elektronen mit Lichtgeschwindigkeit durch die Sperrschicht oder den Übergang wandern, auch wenn sie nicht die Energie besitzen, um den Potentialwall der Sperrschicht zu überwinden. Diese Erscheinung ist bekanntlich als quantenmechanischer Tunneleffekt bekannt.

Halbleiteranordnungen mit vier Zonen unterschiedlicher Leitfähigkeit, insbesondere auch unterschiedlichen Leitungstyps, wie z. B. mit einer Zonenfolge pnn + p, sowie mit die beiden äußeren Zonen und eine mittlere Zone sperrfrei kontaktierenden Elektroden sind als Transistoren bekannt, die bei hohen Frequenzen betrieben werden können und

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außerdem kleinen Basisausbreitungswiderstand, verringerte Emittereingangskapazität und verhältnismäßig hohe Kollektordurchbruchsspannung besitzen. Eine weitere bekannte Anordnung wird mit einem Verfahren zur Herstellung einer Halbleiteranordnung mit Sperrschichtelektroden erhalten, bei dem auf einem halbleitenden Körper, der eine bestimmte Verunreinigung von einem Typus im Übermaß enthält, mindestens eine Legierungselektrode angebracht wird; dabei wird eine Verunreinigung vom gleichen Typ direkt aus einem den Halbleiterkörper umgebenden Dampf einer Verbindung dieser Verunreinigung in die Oberflächenschicht durch Erhitzen eindiffundiert und dann mindestens eine gleichrichtende Legierungselektrode auf der Oberfläche des halbleitenden Körpers angeschmolzen. Ziel ist dabei die Verhinderung eines unbeabsichtigten Umschlagens des Leitungstyps an der Oberfläche einer Halbleiteranordnung, z. B. eines Transistors. Eine ähnliche Anordnung besitzt nur eine Zone mit abgewandeltem Leitungstyp und ist derart kontaktiert, daß sie als Tetrode geschaltet werden kann.

Zur Klarstellung wird die vorliegende Erfindung im besonderen an den Bedingungen einer np + pn-Siliciumanordnung beschrieben. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise anwendbar, um pn + np-Anordnungen herzustellen. Als Halbleitermaterial kann Silizium, Germanium, Siliziumcarbid oder eine stöchiometrische Zusammensetzung aus Elementen der III. Gruppe des Periodischen Systems, z. B. Gallium, Aluminium und Indium, und Elementen der V. Gruppe des Periodischen Systems, z. B. Arsen, Phosphor und Antimon, verwendet werden. Beispiele geeigneter stöchiometrischer Ill-V-Zusammensetzungen sind Galliumarsenid und Indium-Antimonid.

In der F i g. 1 ist ein Siliziumplättchen 10 mit p-Leitfähigkeit dargestellt. Das Plättchen kann den bei Transistoren üblichen Wert von Beimengungen, z. B. mit einem spezifischen Widerstand von 1 bis 10 000 Ohm · cm, enthalten. Das Plättchen 10 kann nach einem an sich bekannten Verfahren hergestellt werden. Zum Beispiel kann ein Siliziumstab aus einer Schmelze gezogen werden, die Silizium und mindestens ein Element der III. Gruppe des Periodischen Systems, z. B. Bor, Aluminium, Gallium oder Indium, enthält. Das Plättchen 10 wird dann mit Hilfe einer Diamantsäge von dem Stab abgeschnitten. Die Oberfläche des Plättchens kann dann geschliffen oder geätzt werden oder beides, um nach dem Sägen eine glatte Oberfläche zu erzeugen.

Das Plättchen 10 wird dann in einen Diffusionsofen gebracht. Die heißeste Zone dieses Ofens hat eine Temperatur im Bereich von 1100 bis 1250° C und eine Dampfatmosphäre eines Akzeptordotierungsmaterials, z. B. Bor, Aluminium, Gallium oder Indium. Die Zone des Ofens, in der ein Schmelztiegel mit der Akzeptorverunreinigung liegt, kann eine Temperatur von 600 bis 1250° C haben, wobei die angegebene Temperatur so gewählt ist, um einen gewünschten Dampfdruck und eine gewünschte Oberflächenkonzentration des Diffusionsmaterials vom Schmelztiegel her sicherzustellen. Die Akzeptorverunreinigung diffundiert in die Oberfläche des p-Plättchens. Weil die Akzeptorverunreinigung normalerweise von allen Seiten her in das Plättchen eindiffundiert, kann es notwendig sein, die Seiten oder andere Oberflächen, durch die keine Diffusion erwünscht ist, mit einer Maske, z. B. einer Oxydschicht od. ä. abzudecken. Andererseits kann aber auch eine Diffusion sich über alle Oberflächen des Plättchens erstrecken und die unerwünschte Diffusionsschicht danach durch Läppen oder Ätzen 5 oder kombiniertes Läppen und Ätzen entfernt werden.

In der Fig. 2 ist ein Plättchen 110 dargestellt, das ein p-Typ-Plättchen nach der F i g. 1 ist, in das Dotierungsverunreinigungen nur durch die obere Fläche

ίο 16 des Plättchens eindiffundiert werden. Das Plättchen 110 besteht aus einer unteren Zone 12 mit p-Leitfähigkeit und einer oberen Schicht 14 mit p(+^Leitfähigkeit. Die Zone 14 hat eine Dotierungsträgerkonzentration von mehr als 10¹⁹, aber nicht mehr als 10²⁴ Akzeptoratomen pro Kubikzentimeter Silizium. Die Dicke der Schicht 14 kann sehr verschieden sein.

Wie in der F i g. 3 gezeigt, wird dann eine Schicht 18 mit η-Leitfähigkeit durch Aufbringen von Donatormaterial oder -legierung in Form einer Folie oder eines Kügelchens, die vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,015 mm bis 0,05 mm hat, auf die Oberfläche 16 der p(+gleitenden Schicht 14 und Einlegierung der Folie oder des Kügelchens in die p(+)-Zone durch Erhitzen im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre, z. B. in einer Argon- oder Heliumatmosphäre bei einer Temperatur von 650 bis 750° C, gebildet. Es muß dafür gesorgt werden, daß die Schicht 18 nicht durch die Schicht 14 in die Zone 12 dringt, sondern einen pn-übergang 20 bildet. Es ist wichtig, daß der so gebildete pn-übergang ein scharfer, abrupter und nicht abgestufter Übergang ist. Die Auswahl der Dotierungsverunreinigungen und das Dotierungsverfahren sollten sorgfältig ausgeführt werden, um diesen abrupten Übergang zu erhalten.

Es wurde festgestellt, daß die endgültige Anordnung die gewünschten Stromspannungskennlinien nicht aufweist, wenn der pn-übergang flach ist.

Beispiele von geeigneten Dotierungsmaterialien oder Legierungen, aus denen die Schicht 18 bestehen kann, enthalten Arsen, Phosphor oder Antimon und Legierungen davon. Beispiele sind auch Verbindungen von Gold mit Antimon, Phosphor oder Arsen. Zum Beispiel ist eine Folie aus einer Legierung von 99,5 Gewichtsprozent Gold und 0,5 Gewichtsprozent Arsen geeignet.

In der Fig. 4 ist eine Legierungsschicht22 mit η-Leitfähigkeit oder Donatordotierungseigenschaft durch Legierung mit der unteren Fläche 24 der p-leitenden Zone 12 verbunden worden. Die Donatorlegierung der Schicht 22, die aus einer Folie, einem Kügelchen od. ä. bestehen kann, enthält mindestens ein Element der V. Gruppe des Periodischen Systems, z. B. Antimon, Arsen oder Phosphor.

Die Legierung 22 kann auch aus einem Element der V. Gruppe und einem nicht dotierenden Trägermetall, wie z. B. Gold, bestehen. Eine solche Legierung, die als besonders für die Verwendung in der Praxis dieser Erfindung geeignet gefunden wurde, ist eine Gold-Antimon-Legierung mit 99,5 Gewichtsprozent Gold und 0,5 Gewichtsprozent Antimon.

Wie in der Fig. 5 gezeigt, wird dann ein metallischer, ohmscher Kontakt 28, der z. B. aus einer Aluminium-Antimon-Legierung besteht, aufgebracht und mit der Oberfläche 16 der p(+)-Schicht 14 verschmolzen. Die Zusammensetzung des Kontaktes 28 wird als nicht kritisch angesehen und kann aus einem geeigneten ohmschen Material, das entweder neutral

oder vom p-Typ ist, bestehen. Der ohmsche Kontakt 28 ist physikalisch von der Schicht 18 isoliert. Der ohmsche Kontakt28 ist in der Fig. 5 ringförmig dargestellt, er kann jedoch auch eine rechteckige oder andere geeignete Form haben.

Ein ohmscher Kontakt 32 ist mit der Oberfläche 30 der Schicht 18 verbunden. Der ohmsche Kontakt 32 kann aus einem beliebigen geeigneten ohmschen Material bestehen. Als besonders geeigneter ohmscher Kontakt wurde Gold oder eine Gold-Antimon-Legierung gefunden. Elektrische Anschlüsse können in herkömmlicher Weise an den Kontakten 22, 32 und 28 angebracht werden.

Die gesamte Anordnung 210, wie sie in der F i g. 5 dargestellt ist, ist eine stromgesteuerte Halbleiteranordnung mit negativem Widerstand, die unter anderem für den Gebrauch als stromgesteuerter Schalter und Ruhekontaktrelais geeignet ist. Das Arbeiten der Anordnung210 gemäß Fig. 5 kann auf verschiedene Weise gesteuert werden, einschließlich der Anwendung einer getrennten elektrischen Schaltung, wie sie im einzelnen nachher beschrieben wird.

In der Fig. 6 ist eine Halbleiteranordnung210 in Verbindung mit einer Schaltungsanordnung in der Funktion als stromgesteuerter Schalter gezeigt. Die Anordnung 210 ist vermöge der Leitung 50 mit einer Stromquelle 53 und der Last 52 verbunden. Die Leitung 50 vervollständigt den Stromkreis mit der Anordnung 210 und führt zu den Kontakten auf den Schichten 18 und 22. Die Anordnung 210 ist außerdem mit einer Steuerstromquelle 58 über die Leitungen 54 und 56 verbunden. Die Leitung 54 ist dabei mit dem ohmschen Kontakt 32 der Schicht 18 verbunden. Der Leiter 56 von der Steuerstromquelle 58 ist mit dem ohmschen Kontakt 28, der auf der Oberfläche 16 der p(+)-Zonel4 angebracht ist, verbunden.

Die in der Fig. 5 dargestellte Anordnung210 kann auf zweierlei Weise verwendet werden. Gemäß dem Diagramm nach der Fig. 7 kann die Anordnung210 durch die Spannungsquelle 53 mit einer kritischen Steuervorspannung vorgespannt werden und arbeitet dann als stromgesteuerter Schalter oder Sicherung. In dieser Betriebsart würde die Anordnung im Strombereich zwischen den Punkten O und A arbeiten und den Strom mit einem sehr geringen Spannungsabfall zur Last durchlassen. Von der Anordnung 58 wird ein bestimmter Strom zugeführt. Wenn der Gesamtstrom durch eine Änderung des Betriebszustandes der Anordnung, z. B. durch einen Fehler, den Strom 5 überschreiten würde, schaltet die Halbleiteranordnung sogleich zum Punkt C, in dem nur ein kleiner Strom fließt, wodurch ein nennenswerter Leistungsverlust an der Last verhindert wird.

Eine zweite Betriebsart der Anordnung 210 ist in der Fig. 8 dargestellt. In dieser Betriebsart arbeitet die Anordnung mit einer gewissen Vorspannung durch die Spannungsquelle 53, die einen Stromfluß im Bereich O bis B hervorruft. Wenn die Vorspannung durch den Anstieg des Stromes um den Wert ΔI, hervorgerufen durch die Steuerstromquelle 58, angewachsen ist, wird im Lastkreis durch einen abrupten Wechsel der Impedanz der Halbleiteranordnung eine starke Reduzierung der Größe des Stromes oder der Leistung in der Last auf einen sehr kleinen Wert bewirkt. Dadurch kann die Steueranordnung die Schaltungsanordnung abschalten. In dieser letzten Betriebsart hat die Anordnung 210 ähnliche Kennlinien wie ein Ruhekontaktrelais.

Außer als stromgesteuerte Anordnung mit vielseitiger Anwendung hat die Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung den weiteren Vorteil, daß sie durch die Mittel einer getrennten Schaltungsanordnung gesteuert werden kann. Dadurch kann mittels einer Steuerelektrode ohne Verwendung von Elementen mit beweglichen Teilen, wie es in der Praxis allgemein üblich ist, eine Last abgeschaltet werden.

Das folgende Beispiel erläutert die Anwendung dieser Erfindung.

Ein flaches, kreisförmiges Plättchen aus p-Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 200 Ohm · cm und einem Durchmesser von etwa 2 cm und einer Dicke 0,075 mm wurde in einen Diffusionsofen gebracht. Der Diffusionsofen war auf einer Maximaltemperatur von 1200° C und hatte eine Galliumdampfatmosphäre. Das Gallium konnte in das Plättchen bis zu einer Tiefe von 0,025 mm eindiffundieren. Das Plättchen wurde aus dem Diffusionsofen entfernt und die Schicht, in die das Gallium diffundiert war, von allen Oberflächen mit Ausnahme der oberen Fläche des Plättchens abgeschliffen. Die obere Oberflächenschicht mit hineindiffundiertem Gallium hatte eine p-(+^Leitfähigkeit und eine Akzeptorkonzentration, die größer war als 10¹⁹ Träger pro Kubikzentimeter des Silizums.

Das Plättchen wurde dann in einen zweiten Diffusionsofen gebracht. Der Diffusionsofen hatte eine Maximaltemperatur von 1250° C und eine Phosphordampfatmosphäre. Das Phosphor konnte nur in einem inneren Teil der p(+)-Zone bis zu einer Tiefe von 0,0025 mm der p-Zone diffundieren. Das Plättchen wurde dann aus dem Ofen entfernt.

Ein Gold-Antimon-Kügelchen aus 95 Gewichtsprozent Gold und 5 Gewichtsprozent Antimon mit einer Dicke von annähernd 0,025 mm wurde dann auf die untere Fläche der ursprünglichen p-Zone aufgebracht und bei einer Temperatur von annähernd 750° C einlegiert. Nach der Legierung des GoId-Antimon-Kügelchens mit dem Plättchen war der Aufbau im wesentlichen so, wie er in der Fig. 4 dargestellt ist.

Ein Kontakt aus einer Gold-Antimon-Legierung wurde auf die untere Fläche des durch die Diffusion mit Phosphor hergestellten, kreisförmigen, n-leitenden Teiles aufgeschmolzen und ein ringförmiger ohmscher Kontakt aus einer Aluminium-Antimon-Legierung die p(+)-Zone derart aufgeschmolzen, daß er von der n-Phosphorzone physikalisch getrennt ist. Der Aufbau war so, wie in der Fig. 5 gezeigt.

Die Stromspannungskennlinien der so hergestellten Anordnung wurden bestimmt und entsprechen im wesentlichen den in den Fig. 7 und 8 dargestellten.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Halbleiterbauelement mit teilweise fallender Charakteristik, dadurch gekennzeichnet, daß an die eine Oberfläche einer ersten Halbleiterzone eines Leitfähigkeitstyps eine dünne zweite hochdotierte Zone gleichen Leitfähigkeitstyps angrenzt und daß eine dritte Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps auf der freien Oberfläche der zweiten Zone angeordnet ist, so daß sich zwischen der zweiten und dritten Zone

ein tunnelnder pn-übergang bildet, daß an der entgegengesetzten Oberfläche der ersten Zone eine weitere Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps angebracht ist und daß die zweite bis vierte Zone mit ohmschen Elektroden versehen wird.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hochohmige erste Zone einen spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 1 bis 2000 Ohm-cm aufweist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Zone eine Trägerkonzentration von mindestens 10¹⁹ Träger pro Kubikzentimeter im Halbleitermaterial besitzt.

4. Betriebsschaltung mit einem Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichspannungs-

quelle zwischen den elektrischen Kontakten der zweiten und dritten Zone angeschlossen ist, die einen, vorzugsweise im selben Stromkreis liegenden Verbraucher speist.

5. Betriebsschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerspannungsquelle zwischen den elektrischen Kontakten der ersten und der zweiten Zone angeschlossen ist, die das Halbleiterbauelement je nach Schaltzustand einen relativ hohen oder relativ niedrigen Widerstand annehmen läßt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1044 283,
071 844;

USA.-Patentschrift Nr. 2 811653;
französische Patentschrift Nr. 1235 720;
Proc. IRE, Dezember 1955, S. 1807 bis 1819.

Bei der Bekanntmachung der Anmeldung wurde ein Prioritätsbeleg ausgelegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 578/284 5. 65 ® Bundesdruckerei Berlin