DE1208408B - Steuerbares und schaltbares Halbleiterbauelement mit vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps - Google Patents

Steuerbares und schaltbares Halbleiterbauelement mit vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps

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DE1208408B
DE1208408B DEG35145A DEG0035145A DE1208408B DE 1208408 B DE1208408 B DE 1208408B DE G35145 A DEG35145 A DE G35145A DE G0035145 A DEG0035145 A DE G0035145A DE 1208408 B DE1208408 B DE 1208408B
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Israel Arnold Lesk
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General Electric Co
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRiFT
Int. CL:
HOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1208 408
Aktenzeichen: G 35145 VIII c/21 j
Anmeldetag: 6. Juni 1962
Auslegetag: 5. Januar 1966
Die Erfindung betrifft steuerbare und schaltbare Halbleiterbauelemente mit vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps.
Es sind Halbleiterbauelemente mit vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps bekannt, die drei PN-Übergänge enthalten und mit je einer elektrischen Anschlußklemme auf den beiden äußeren Schichten versehen sind. Wenn die eine Anschlußklemme hinsichtlich der anderen mit einer bestimmten Polling vorgespannt ist, werden die beiden äußeren PN-Übergänge in Sperrichtung und der mittlere PN-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt; auf diese Weise entsteht eine große Impedanz zwischen den Anschlußklemmen. Wenn zwischen den Anschlußklemmen ein ausreichend großes Potential angelegt wird, schlagen die beiden äußeren PN-Übergänge durch und leiten den Strom in Sperrichtung. Wenn dagegen die eine Anschlußklemme hinsichtlich der anderen in der entgegengesetzten Richtung vorgespannt ist, dann werden die beiden äußeren PN-Übergänge in Durchlaßrichtung und der mittlere PN-Übergang in Sperrichtung vorgespannt, so daß wiederum eine große Impedanz zwischen den Anschlußklemmen entsteht. Wenn jedoch, das zwischen den Anschlußklemmen angelegte Potential vergrößert wird, bricht schließlich nicht nur der mittlere PN-Übergang durch, sondern es wird seine Polung umgekehrt, so daß eine sehr geringe Impedanz zwischen den Anschlußklemmen vorhanden ist. Es sind zwei Anforderungen zu erfüllen, wenn eine Umkehr der Polung des mittleren P\'-Übergangs erzwungen und eine Leitung durch diesen erhalten werden soll.
1. Es muß mindestens einer der beiden Transistorabschnitte, in die das Gerät zerlegbar ist, nämlich ein XPN- und ein PNP-Transistorabschnitt, deren mittlerer Übergang der Kollektorübergang beider Transistorabschnitte ist, einen Stromverstärkungsfaktor \ aufweisen, der mit dem Strom zunimmt.
2. Die Summe der Stromverstärkungsfaktoren beider Transisiorabschnitte muß bei einem mittleren Strom gieich. oder größer als Eins sein. Infolge von Kriech- oder Lawinenwirkungen wird am mittleren Übergang ein ausreichender Strom hinein rchgelassen, um diese Anforderungen erfüllen zu können.
Die oben beschriebenen Halbleiterbauelemente haben noch den "Nachteil, daß beim normalen Betrieb ihre Schaltströme und Schaltspannungen, bei denen sie vom geringer leitenden in den stark leitenden bzw. vom stark leitenden zurück in den geringer leitenden Zustand umschalten, stark von äußeren Einflüssen, Steuerbares und schaltbares
Halbleiterbauelement mit vier Schichten
abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps
Anmelder:
General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13
Als Erfinder benannt:
Israel Arnold Lesk,
Scottsdale, Ariz. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 12. Juni 1961 (116 478)
z. B. von der Temperatur, abhängen. Im allgemeinen verlaufen nun die Empfindlichkeit und die Temperaturabhängigkeit solcher Schalter in die gleiche Richtung,
d. h., Schalter, die sehr empfindlich auf Einschaltströme reagieren, sind gleichzeitig auch sehr empfindlich gegenüber Temperaturschwankungen. Sorgt man aber für eine größere Temperaturstabilität, dann wird der Schalter auch gegenüber dem Einschaltstrom relativ unempfindlich.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, steuerbare und schaltbare Halbleiterbauelemente vorzusehen, bei denen die zur Steuerung wichtigen Parameter von den äußeren Einflüssen, wie z. B. der Temperatur, unabhängig gemacht werden können und gleichzeitig durch Wahl z. B. der Dotierungen einstellbar sind, ohne daß dadurch die Empfindlichkeit des Schaltvorgangs beeinträchtigt wird.
Es ist hierfür ein steuerbares und schaltbares HaIbleiterbauelement mit vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit je einer Elektrode an den äußeren Schichten und mit einer Steuerelektrode an einer inneren Schicht vorgesehen, bei dem gemäß der Erfindung ein Teil der PN-Übergangsfläche zwischen der inneren Schicht, an der die Steuerelektrode angebracht ist, und der benachbarten äußeren Schicht ein Tunnelübergang ist.
509 777/323
3 4
Wenn der Tunnelübergang durch eine entartet Zustand erreicht und daß der Übergang der Dotiedotierte Zone vom Leitfähigkeitstyp der äußeren rungen so stark und steil abfällt, daß sich ein enges Schicht gebildet ist, dann kann die Steuerelektrode Raumladungsgebiet am Übergang ausbildet,
entweder an einem diesem Übergang benachbarten Entartetes Dotieren bedeutet für ein Halbleiter-Teil oder an einem von diesem Übergang entfernten 5 material, daß das Fermi-Niveau entweder im Leit-Teil der inneren Schicht angebracht sein. fähigkeits- oder Valenzband des Energiebändermo-
Wenn dagegen der Tunnelübergang durch eine dells dieses Materials liegt, was davon abhängt, ob entartete Zone vom Leitfähigkeitstyp der inneren das Material N- oder P-leitfähig ist. Die Konzen-Schicht gebildet wird, dann ist die Steuerelektrode tration des Donators oder Akzeptors, bei der ein vorzugsweise auch an dieser entartet dotierten Zone io Halbleiter entartet, hängt von dem speziellen Halbangebracht, leitermaterial ab. Zum Beispiel beträgt die Konzen-
Durch das Einfügen eines teilweisen Tunnelüber- tration des Aktivators, bei der das Germanium ent-
gangs zwischen einer äußeren und einer angrenzenden artet, bei Raumtemperatur etwa 1019Atome/cm3,
inneren Schicht wird das Bauelement in bezug auf was bis zu einem gewissen Grade von dem speziellen
Temperaturschwankungen nahezu unempfindlich, ohne 15 Aktivator abhängt.
daß seine Empfindlichkeit gegenüber den ein- bzw. Ein in bezug auf die Dicke enges Raumladungsausschaltenden Steuerströmen vermindert wird. gebiet bedeutet ein derart enges Raumladungsgebiet, Schaltströme, Halteströme und Durchbruchspannun- daß bei geringen Spannungen ein Stromfluß im wesentgen solcher Bauelemente sind nahezu temperatur- liehen durch den quantenmechanischen Tunneleffekt unabhängig. 20 festgelegt ist. Die Dicke des Raumladungsgebiets
Die Erfindung soll nun auch an Hand der Zeichnung am PN-Übergang, das die beiden Bereiche unterausführlich beschrieben werden, wobei alle aus den schiedlicher Leitfähigkeit trennt, hängt von verFiguren und der Beschreibung hervorgehenden Einzel- schiedenen Faktoren, z. B. von dem speziellen Halbheiten und Merkmale zur Lösung der Aufgabe im leitermaterial und der Konzentration des Donators Sinne der Erfindung beitragen können. 25 bzw. Akeptors in den betreffenden Bereichen, ab. Zum
F i g. 1 ist ein Schnitt durch ein Halbleiterbauele- Beispiel ist ein Raumladungsbereich zwischen einem
ment mit vier Schichten und drei Elektroden gemäß entartet dotierten P-Bereich und einem entartet
der Erfindung; dotierten N-Bereich aus Germanium gewöhnlich
F i g. 2 zeigt die Charakteristik einer Tunneldiode, schmaler als etwa 200 Ä.
die zur Erklärung der Arbeitsweise des Bauelements 30 Wenn der eine oder beide Bereiche der Schichten
der F ig. 1 gebraucht wird; der Halbleiterbauelemente mit Tunnelübergängen
F i g. 3 ist die Strom-Spannungs-Charakteristik nur etwa annähernd entartet dotiert sind, dann kann
des Halbleiterbauelements nach der Fig. 1; das Bauelement nur einen Kurventeil mit einem
F i g. 4 ist ein Schnitt durch eine weitere Aus- schwachen negativen Widerstand oder gar keinen
führungsform eines Halbleiterbauelements mit vier 35 solchen Teil aufweisen.
Schichten und drei Elektroden gemäß der Erfindung; An der äußeren Fläche der Schicht 4 ist eine Elek-
F i g. 5 zeigt einen Schnitt durch noch eine weitere trode 7 und am Bereich 6 eine Elektrode 8 in ohm-Ausführungsform eines Halbleiterbauelements mit vier schem Kontakt befestigt. Außerdem ist eine Steuer-Schichten und drei Elektroden gemäß der Erfindung. elektrode 10 mit der Schicht 5 in ohmscher Verbin-
In F i g. 1 ist ein Querschnitt durch ein Halbleiter- 40 dung.
bauelement 1 mit einem Halbleiterkörper 2 zu sehen, In F i g. 2 ist ein Diagramm zwischen dem Strom der vier Schichten oder Zonen, nämlich eine innere und der Spannung eines Bauelements mit einem P-Schicht 3, eine danebenliegende äußere N-Schicht 4, Tunnelübergang zu sehen, der z. B. zwischen den eine weitere benachbarte innere N-Schicht 5 und eine Schichten 5 und 9 der F i g. 1 ausgebildet ist. Durch neben der N-Schicht 5 liegende äußere P-Schicht 6 45 Anlegung einer Spannung in Durchlaß- oder Sperraufweist. Die N-Schicht 5 umgibt die P-Schicht 6 richtung an den Übergang wird ein Tunnelstrom her- und ist in sie eingelassen, so daß beide eine gemein- vorgerufen, der schnell mit zunehmenden kleinen same Außenfläche besitzen. Die Schichten bilden angelegten Spannungen ansteigt. In der Durchlaßdrei etwa parallele PN-Übergänge Jc, Je1 und Je2- richtung erreicht der Tunnelstrom an einem Punkt 20 Der Übergang Jc wird als Kollektor- oder mittlerer 50 ein Maximum und fällt anschließend auf einen Übergang bezeichnet und ist zwischen der P-Schicht 3 Punkt 21 ab. Bei noch größeren Spannungen wird ein und der N-Schicht 5 ausgebildet. Der Übergang Ze1 normaler Injektionsstrom an einem Punkt 22 bewird als erster Emitterübergang bezeichnet und liegt merkbar, der mit zunehmender Spannung ansteigt, zwischen der N-Schicht 5 und der P-Schicht 6. Der bis er bei höheren Spannungen vorherrscht. Die Summe Übergang JE% wird als zweiter Emitterübergang be- 55 der beiden Ströme ist derjenige Strom, der in dieser zeichnet und ist zwischen der P-Schicht 3 und der Figur durch eine ausgezogene Linie angegeben ist. N-Schicht 4 ausgebildet. Eine Zone 9 eines stark und Die Art, in der der Tunnelübergang und seine entartet dotierten P-Halbleitermaterials ist auf dem Eigenschaften beim Bauelement der F i g. 1 aus-Übergang Je1 vorgesehen und bildet einen Tunnel- genutzt werden, sind in Verbindung mit der F i g. 3 übergang Jt mit der N-Schicht 5. Das oberflächennahe 60 näher erläutert. In dieser ist ein Diagramm zwischen Gebiet der N-Schicht 5 ist nämlich mit Aktivatoren der Spannung und dem Strom des Bauelements der derart dotiert, daß dieses Ergebnis erzielt wird. Fig. 1 zu sehen. Der Strom zwischen den Elektroden?
Ein Tunnelübergang ist zwischen zwei nebenein- und 8 ist als Ordinate und die an den Elektroden
anderliegenden Bereichen entgegengesetzter Leit- liegende Spannung als Abszisse gewählt. Falls eine
fähigkeit in einem Halbleiterkörper immer dann vor- 65 zunehmende Spannung angelegt wird, die die Schicht 6
handen, wenn die beiden Bereiche so stark mit Akti- zunehmend negativ gegenüber der Schicht 5 macht,
vatoren dotiert sind, daß mindestens ein Bereich ent- so werden die Übergänge Jej und Je2 in Sperrichtung
artet dotiert ist und der andere etwa auch diesen vorgespannt. Da der Übergang Jt ein Tunnelüber-
5 6
gang ist, blockiert nur der Übergang Je« den Strom- Das Halbleiterbauelement der F i g. 1 kann in zufluß durch das Gerät. Der Kollektorübergang Jc verschiedener Weise hergestellt werden. Zur Ausbilist in Durchlaßrichtung vorgespannt. Somit ist an den dung der verschiedenen Schichten kann das Diffu-Elektroden 7 und 8 eine große Impedanz vorhanden, sionsverfahren angewendet werden. Dabei wird ein bis die Durchschlagspannung des Emitterübergangs ■/#■> 5 quadratisches Plättchen aus P-Silizium mit einem bei der Spannung erreicht ist, die durch die Abszisse 14 spezifischen Widerstand von 3 Ohm · cm, mit einer in dem Diagramm der F i g. 3 angegeben ist. Kantenlänge von etwa 2,5 mm und einer Dicke von
Falls eine zunehmende Spannung zwischen den etwa 0,38 mm als Ausgangsmaterial verwendet. In Elektroden 7 und 8 angelegt wird, die die Schicht 6 beide Seiten des Plättchens wird Phosphor eindiffunzunehmend positiv in bezug auf die Schicht 5 macht, io diert, das z. B. von Phosphorpentoxyd abgegeben so werden die Übergänge /^1 und Je2 in Durchlaß- wird. Zu diesem Zweck wird das Plättchen bei einer richtung und der Übergang Jc in Sperrichtung vor- Temperatur von etwa 12000C 4 bis 12 Stunden lang gespannt. Bei geringen Strömen ist der Übergang Je1 einer Phosphorpentoxidatmosphäre ausgesetzt, in der als Emitter unwirksam, da der gesamte durch ihn Stickstoff als Trägergas benutzt wird. Die Oberfläche hindurchfließende Strom ein Tunnelstrom ist. Wenn 15 des Plättchens wird dann bei hohen Temperaturen die Spannung am Gerät zunimmt, fließt nur ein kleiner in einem Wasserdampf strom oxidiert. Die Oberfläche Sättigungsstrom, der vom Sperrstrom am Über- des Plättchens, in dem die P-Schicht6 ausgebildet gang Jc dargestellt wird, wie durch die Ordinate 15 werden soll, kann gegen eine Oxydation geschützt im Diagramm der Fig. 3 zu sehen ist, bis die Durch- werden oder wird nach der Oxydation geätzt, um schlagsspannung Vbo des Übergangs Jc erreicht wird. 20 die Oxidschicht an einer bestimmten Stelle zu ent-Bei dieser Spannung wird der Übergang Jc durch- fernen. Dann wird Bor, das aus einer Bortrioxidquelle schlagen, so daß der Strom zunimmt. Wenn der stammt, in die nichtoxydierte Oberfläche des Plätt-Strom einen Punkt 16 erreicht, der dem Spitzenstrom chens eindiffundiert. Zu diesem Zweck wird das des Tunnelbereiches entspricht, springt die Spannung Plättchen bei einer Temperatur von etwa 12000C am Übergang Je1 zwischen dem Bereich 9 und dem 25 1 bis 4 Stunden lang einer Bortrioxidatmosphäre ausßereich 5 auf einen Wert im Injektionsbereich, so gesetzt, in der wiederum Stickstoff als Trägergas daß der Bereich 6 als normaler Emitter arbeiten kann. benutzt wird. Die Oberflächen des Plättchens werden Bei diesem Strom /,·, der als Anschaltstrom bezeichnet dann geschliffen und geätzt oder nur geätzt, um die sei und bei dem die x-Summe der NPN- und PNP- Oxidschichten zu entfernen. Die P+-Zone 9 wird Transistorabschnitte des Bauelements bei kleinen 30 dadurch gebildet, daß eine P-Legierung, z. B. Alu-Spannungen größer als Eins ist, schaltet das Bau- minium mit 2 % Bor, in das Plättchen einlegiert wird, element auf seinen Zustand geringer Impedanz und Auf den Halbleiterkörper wird dann ein leitender eine Spannung um, die der Abszisse 17 im Diagramm Goldüberzug aufgedampft, der die Elektrode 7 bilder F i g. 3 entspricht. det; außerdem wird auf den Halbleiterkörper ein
Wenn der äußere Stromkreis derart bemessen ist, 35 leitender Überzug aus Aluminium aufgedampft, der
daß der Strom geringer als der Haltestrom ist, der die Elektrode 8 bildet. An Stelle der genannten Über-
zum Aufrechterhalten der Leitfähigkeit des Bauele- züge können auch leitende Überzüge aus anderen
ments benötigt wird, wie durch den Strom Ih in der Metallen, z. B. Nickel und Blei, auf bekannte Weise
F i g. 3 und die Ordinate 18 angegeben ist, dann sperrt aufgebracht werden. An der Schicht 5 wird dann
das Bauelement bzw. schaltet in seinen nichtleitenden 40 nach irgendeinem bekannten Verfahren eine leitende
Zustand um. Dieser Zustand wird in der Nähe oder Elektrode 10 befestigt. Die Emitter-Basis-Tunnel-
am Talpunkt 23 der F i g. 2 erreicht. eigenschaften können durch Ätzen und durch den
Da der Spitzenstrom des Tunnelübergangs scheinbar anfänglichen Gradienten des diffundierten Aktivators von der Temperatur unabhängig ist, kann der An- der N-Schicht 5 beeinflußt werden,
schaltstrom des Bauelements von der Temperatur 45 Das Halbleiterbauelement der F i g. 4 ist dem unabhängig gemacht werden. Außerdem kann der Halbleiterbauelement der F i g. 1 ähnlich und unter-Anschaltstrom genau dadurch eingestellt werden, scheidet sich nur dadurch, daß die Steuerelektrode 10 daß der Spitzenstrom des Tunnelübergangs fest- an einem von der Zone 9 abgelegenen Teil der inneren gesetzt und dieser Strom größer als der Anschalt- Schicht 5 befestigt ist. Bei einer derartigen Anordstrom für ein normales Bauelement aus vier Schichten 50 nung fließt der Steuerstrom zwischen den Elektroden 8 ohne die Zone 9 gemacht wird. Schließlich kann der und 10 über den Timnelübergang Jt auf einem zum Haltestrom dadurch eingestellt werden, daß der Übergang Je1 parallelen Weg und spannt den Teil Talstrom des Tunnelübergangs z. B. durch eine ent- des Übergangs Je1 in Durchlaßrichtung vor_, der sprechende Dotierung der Bereiche, die den Tunnel- von dem Punkt abgekehrt ist, der durch den Überübergang bilden, festgesetzt wird. Mit abnehmenden 55 gang Jt kurzgeschlossen ist. Wenn der Schichtwider-Strömen schaltet das Bauelement bei den Strömen stand der Schicht 5, der diese Vorspannung bedingt, ab, die sehr nahe am Talstrom des Tunnelübergangs so gewählt ist, daß der Spannungsabfall am Überliegen, gang JEl ein wenig geringer als derjenige ist, bei dem
Das Halbleiterbauelement der F i g. 1 kann so der abgelegene Rand des Übergangs Je1 beim
ausgebildet werden, daß es für verschiedene zwischen 60 Spitzenstrom des Tunnelübergangs injiziert, dann
den Elektroden 7 und 8 angelegte Spannungen bei schaltet das Bauelement zwischen den Elektroden 7
Anlegung von Steuerpotentialen zwischen den Elek- und 8 in den Zustand niedriger Impedanz um, wenn
troden 8 und 10 eingeschaltet wird. Wenn an diesen der Tunnelübergang den Spitzenstrom erreicht. Na-
Elcktroden eine Spannung angelegt ist, die den Vor- türlich ist bei einer solchen Injektion angenommen,
wärtsstrom durch den Tunnelübergang Jt über dessen 65 daß die Erfordernisse des Faktors ■% in bezug auf Spitzenstrom ansteigen läßt, dann arbeitet das Bau- den Strom erfüllt sind.
element als normales PNPN-Vierschichtenbauelement, Das Flalbleiterbauelement der F i g. 5 ist ebenfalls
wie oben erklärt ist. dem der F i g. 1 ähnlich und unterscheidet sich von
dem Gerät der F i g. 4 dadurch, daß die stark dotierte Zone 30, die am Übergang Je1 ausgebildet ist, die gleiche Leitfähigkeit wie die innere Schicht 5 besitzt und mit der äußeren Schicht 6 einen Tunnelübergang bildet; außerdem ist diese Zone mit einer Elektrode 31 ohmsch kontaktiert. Der Tunnelübergang schließt bei geringen Strömen den Emitterübergang Je1 kurz, da seine Impedanz niedrig ist. In Abhängigkeit von den zwischen den Elektroden 8 und 31 angelegten Spannungen kann der Strom am Tunnelübergang bis zum Spitzenstrom gesteigert werden, wobei gleichzeitig das Bauelement in den Zustand hoher Impedanz umschaltet und einen unmittelbaren Stromfluß von der Elektrode 8 zur Elektrode? zuläßt. Natürlich ist vorausgesetzt, daß zwischen den Elektroden 7 und 8 eine ausreichende Spannung angelegt ist, die beim Fehlen der Zone 30 eine Umschaltung des PNPN-Bauelements in den Zustand geringer Impedanz zuläßt.
20

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Steuerbares und schaltbares Halbleiterbauelement mit vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, mit je einer Elektrode an den äußeren Schichten und mit einer Steuerelektrode an einer inneren Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der PN-Übergangsfläche (Je1) zwischen der inneren Schicht, an der die Steuerelektrode angebracht ist, und der benachbarten äußeren Schicht (6) ein Tunnelübergang (Jt) ist.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tunnelübergang durch eine entartet dotierte Zone (9) vom Leitfähigkeitstyp der äußeren Schicht (6) gebildet ist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode an einem dem Tunnelübergang benachbarten Teil der inneren Schicht (S) angebracht ist (F i g. 1).
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektrode an einem vom Tunnelübergang entfernten Teil der inneren Schicht (5) angebracht ist (F i g. 4).
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Tunnelübergang durch eine entartet dotierte Zone (30) vom Leitfähigkeitstyp der inneren Schicht (5) gebildet ist, an der auch die Steuerelektrode angebracht ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 090 330;
französische Patentschriften Nr. 1263 961, 1265016.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
509 777/323 12.65 © Bundesdruckerei Berlin
DEG35145A 1961-06-05 1962-06-06 Steuerbares und schaltbares Halbleiterbauelement mit vier Schichten abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps Pending DE1208408B (de)

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