DE1210088B - Schaltbares Halbleiterbauelement mit drei Zonen abwechselnden Leitfaehigkeitstyps und Schaltung eines solchen Halbleiterbauelements - Google Patents

Schaltbares Halbleiterbauelement mit drei Zonen abwechselnden Leitfaehigkeitstyps und Schaltung eines solchen Halbleiterbauelements

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DE1210088B
DE1210088B DEW22698A DEW0022698A DE1210088B DE 1210088 B DE1210088 B DE 1210088B DE W22698 A DEW22698 A DE W22698A DE W0022698 A DEW0022698 A DE W0022698A DE 1210088 B DE1210088 B DE 1210088B
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DE
Germany
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layer
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metal
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John Philips
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Westinghouse Electric Corp
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. Cl.:.
HOIl
Deutsche Kl.: 21g-11/02
Nummer: 1210 088
Aktenzeichen: W 22698 VIII c/21 g
Anmeldetag: 3. Februar 1958
Auslegetag: 3. Februar 1966
Die Erfindung bezieht sich auf ein steuerbares Halbleiterbauelement, insbesondere auf ein steuerbares bistabiles Halbleiterbauelement.
Die Hauptpatentanmeldung W 22627 VIII c/21 g betrifft eine Schaltdiode mit drei Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps und mit je einem PN-Übergang zwischen zwei Zonen sowie je einer ohmschen Elektrode an den beiden äußeren Zonen, bei dem an der einen äußeren Zone eine Metallmasse aus einem solchen Metall in rein ohmschem flächenhaf tem Kontakt angebracht ist, das in der äußeren Zone nicht oder im gleichen Sinne wie der vorhandene Leitungstyp dotierend wirkt, und bei dem diese äußere Zone eine Dicke kleiner als zehn Diffusionslängen ihrer Minderheitsladungsträger hat, so daß bei Belastung des angrenzenden PN-Übergangs in Sperrichtung aus der an dieser Zone angebrachten Metallmasse Minderheitsladungsträger in diese Zone in solcher Menge injiziert werden, daß sie teilweise den PN-Übergang erreichen. Diese Schaltdiode kann als Dreizonen-Halbleiterbauelement mit zwei PN-Ubergängen des PNPM- oder NPNM-Typs bezeichnet werden, wobei M die Metallmasse bezeichnet.
Diese Dreizonendiode mit zwei PN-Übergängen arbeitet vermutlich so, daß bei Anlegen einer Spanmmg in Sperrichtung über den PN-Übergang nächst der Metallmasse dieser PN-Übergang als Kollektorübergang wirkt, wobei beide Seiten der Diode als Emitter wirken. Bei einer PNPM-Anordnung werden bei einer im genannten Sinne angelegten Spannung Löcher aus der ersten Emitterzone vom P-Typ durch den ersten Emitter-PN-Ubergang in die dritte Zone vom P-Typ emittiert, da der erste PN-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt ist und Elektronen von der Metallmasse in die dritte P-Zone emittiert werden. Diese Elektronen oder wenigstens ein großer Anteil von ihnen läuft durch die dritte Zone und, da diese Zone weniger als zehn Minoritätsträgerdiffusionslängen dick ist, erreicht den KoHektor-PN-Ubergang. Die emittierten Löcher und Elektronen werden bei dem Kollektorübergang gesammelt. Wenn die Spannung genannter Polarität, die an der Diode liegt, unterhalb einer gewissen kritischen Höhe ist, die im folgenden auch Durchbruchspannung genannt wird, ist die Zunahme des Gesamt-Stroms in Abhängigkeit von der Spannung schwach, und daher ist die Diode in einem Zustand hoher Impedanz. Erreicht jedoch die Spannung die Durchbruchsspannung und übersteigt diese, so bricht der Spannungsabfall an dem in Umkehrrichtung vorgespannten Kollektorübergang fast momentan zusammen, und die Diode gelangt dann in einen Zustand Schaltbares Halbleiterbauelement mit drei Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps und Schaltung
eines solchen Halbleiterbauelements
Zusatz zur Anmeldung: W 22627 VIII c/21 g —
Auslegeschrift 1161 645
Anmelder:
Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Vertreter: .
Dipl.-Ing. F. Weickmann
und Dr.-Ing. A. Weickmann, Patentanwälte,
München 27, Möhlstr. 22
Als Erfinder benannt:
John Philips, Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 28. März 1957 (649 038)
niedriger Impedanz oder in einen hyperleitfähigen Zustand.
Es wurde festgestellt, daß der Übergang eines PNPM- oder NPNM-Bauelements vom Zustand hoher Impedanz zum Zustand niedriger Impedanz auch durch ein Steuersignal oder einen Steuersignalimpuls herbeigeführt werden kann, der an die innere Zone des Bauelements gegeben wird. Insbesondere wurde festgestellt, daß die genannte Durchbruchsspannung des Elements von höheren Werten auf niedrigere Werte und umgekehrt verschoben werden kann, je nach der Stärke des angelegten Steuersignals.
Von diesen Feststellungen ausgehend, befaßt sich die Erfindung mit einer Abänderung der Schaltdiode nach der Hauptpatentanmeldung. Diese Abänderung
609 503/300
3 4
besteht erfindungsgemäß darin, daß an der mittleren Kollektorelektrode von Transistoren nicht Mino-
Zone eine ohmsche Steuerelektrode angebracht ist, ritätsträger in die Kollektorzone injiziert. Eine
an der ein Steuersignal dazu dient, die Durchbruchs- solche Injizierung von Minoritätsträgern ist bei
spannung zwischen den äußeren Elektroden zu solchen Transistoren sogar höchst unerwünscht, wie
ändern. Dadurch wird das Umschalten des Bau- 5 beispielsweise aus dem Buch »Transistors I«, S. 12,
elements mittels Steuersignalen erleichtert. 2. Absatz (veröffentlicht im Jahre 1956 von der
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich R. C. A. Laboratories), hervorgeht,
aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevor- Wie schon in der Hauptpatentamneldung W 22627
zugten Ausführungsbeispiels unter Hinweis auf die VIIIc/21g erörtert wurde, ist der Abstand
Zeichnungen. io zwischen der Metallmasse und dem nächst dieser
Fig. 1 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Seiten- Metallmasse befindlichen PN-Übergang von besonansicht eines Halbleiterkristallblocks, nachdem dieser derer Wichtigkeit. Er soll vorzugsweise geringer als teilweise durch Zugabe von Elementen vorbehandelt zehn Minoritätsträger-Diffusionslängen in der Halbwurde, um aus ihm ein Halbleiterbauelement nach leiterzone sein, die zwischen dem PN-Übergang und der Erfindung zu machen; 15 der Metallmasse liegt. Bei üblichen Transistoren, bei
F i g. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab eine Seiten- denen, wie schon ausgeführt, ein Injizieren von
ansicht desHalbleiterkristallblocksnach Fig. 1 noch Minoritätsträgern von der Kollektorelektrode aus
weiter verarbeitet, um aus ihm ein Halbleiterbau- höchst unerwünscht ist, ist die Dotierungskonzentra-
element nach der Erfindung zu machen; tion so hoch, daß der Abstand zwischen der metal-
Fig. 3 zeigt in vergrößertem Maßstab in Seiten- 20 tischen Kollektorelektrode und dem Kollektor-PN-
ansicht einen Halbleiterschalter nach der Erfindung; Übergang sehr groß in Einheiten von Minoritäts-
Fig.4 zeigt eine einfache Schaltung für einen trägerdiffusionslängen ist, obwohl die tatsächliche
erfindungsgemäßen Halbleiterschalter; Dicke der Kollektorzone sehr gering sein kann. Da
Fig. 5 zeigt in einer graphischen Darstellung die Kollektorzone relativ stark dotiert ist und da
Strom-Spannungs-Charakteristiken eines Halbleiter- 25 sie eine relativ große Dicke in Einheiten von Mino-
schalters nach der Erfindung unter verschiedenen ritätsträger-Diffusionslängen hat, ist die metallische
Prüfbedingungen; Kollektorelektrode ein sehr schwacher Emitter von
Fig. 6 zeigt in einer graphischen Darstellung eine Minoritätsträgern.
charakteristische Durchbruchskurve eines Schalters Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung
nach der Erfindung. 30 kann große Ströme in der Größenordnung von 10 A
Bin Halbleiterbauelement nach der Erfindung und mehr bei geringen Spannungsabfällen in der weist entweder einen PNP- oder NPN-Aufbau auf. Größe von 1V und weniger im hyperleitfähigen Eine Metallmasse liegt an einer der P-Zonen beim Zustand führen. Diese ist in Vergleich zu setzen mit erstgenannten Aufbau oder an einer der N-Zonen Spannungen mit der Größenordnung von 100 V und beim zweitgenannten Aufbau. Eine Basiskontakt ist 35 mehr und Strömen in der Größenordnung von bei beiden Aufbauten ohmisch an den mittleren Milliampere im Sperrzustand des Halbleiterbau-Zonen angebracht. Elektrische Leitungen sind in elements.
beiden Fällen jeweils zu der ersten Leitfähigkeits- Der Halbleiterschalter nach der Erfindung arbeitet
zone zwischen Basiskontakt und zur Metallmasse in ganz neuartiger Weise. Wird eine Sperrspannung
geführt. 40 durch eine Schaltung zwischen die Metallmasse und
Der Ausdruck »Metallmasse«, wie er hier ver- die erste leitende Zone gelegt und wird keine Spanwendet wird, bezieht sich auf einen metallischen nung an den Basiskontakt gelegt, so erhält das Kontakt, der auf Grund seiner Anbringung am Halbleiterschaltelement einen so hohen Widerstand, Halbleiterkörper die Eigenschaften dieses Halb- daß bis zu einem bestimmten Wert dieser Spannung leiterkörpers nicht wesentlich ändert. Das Anbringen 45 ein Strom von weniger als 1 mA fließt, auch wenn dieses Metallmassenkontakts führt insbesondere die angelegte Spannung groß ist. Wenn jedoch das nicht zu einem PN-Übergang im Halbleiterkörper negative Potential weiter erhöht wird, so kommt und modifiziert auch nicht irgendwie nennenswert die man zu einem Punkt, bei dem ein kritischer Strom vordem vorgenommene Dotierungskonzentration in und eine kritische Spannung an dem Halbleiterbauderjenigen Halbleiterzone des Körpers, die beim 50 element liegen und dieses plötzlich in hohem Maße fertigen Halbleiterbauelement in Kontakt mit der leitfähig wird, so daß eine Spannung von annähernd Metallmasse steht. IV hohe Ströme bis zu 1OA aufrechterhält. Der
Es wurde festgestellt, daß die genannte Metall- Punkt, an dem diese überhöhte Leitfähigkeit erreicht masse ein effektiver Emitter für Minoritätsträger ist, wircLJcann bei den einzelnen Schaltern so gewählt der Minoritätsträger in die benachbarte Halbleiter- 55 werden, daß er etwa zwischen 45 und 150 V liegt. zone injiziert, wenn der PN-Übergang nächst dieser Legt man eine kleine Vorspannung an den Basisletztgenannten Zone in Sperrichtung vorgespannt kontakt an, so kann der Durchschlagspunkt, bei dem wird. die überhöhte Leitfähigkeit eintritt, derart geregelt
Daraus ist ersichtlich, daß der Metallmassenkon- werden, daß er bereits bei geringeren Spannungen
takt wesensverschieden von der Kollektorelektrode 60 und Strömen eintritt. Läßt man Vorspannungsströme
von Transistoren ist, bei denen der Kollektor-PN- von zwischen 1 und 3 mA durch den Basiskontakt
Übergang, die Kollektorzone und die Kollektor- fließen, so kann man den Durchschlagspunkt beliebig
elektrode dadurch erzeugt werden, daß man eine einstellen.
Halbleiterzone eines gewissen Leitfähigkeitstyps mit Der Halbleiterschalter besteht gewöhnlich aus
einem Metall legiert, das dotierende Verunreini- 65 einem gewachsenen oder gezogenen Germanium-
gungen enthält, welche dem Halbleitermaterial den oder Siliziumkristall. Die Art und die Menge der
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp geben. Um dies dem Kristall während seines Wachstums zugeführten
zu sichern, wurde ausdrücklich ermittelt, daß die Dotierung hängt von den geforderten Eigenschaften
des zu erzeugenden Schalters ab. Wenn der Schalter eine PNP-Struktur erhalten soll, so dotiert man den Germanium- oder Siliziumkristall während seines Wachsvorgangs mit einer P-Verunreinigung, etwa mit Indium, Bor oder Aluminium. Wenn dagegen ein NPN-Schalter geschaffen werden soll, so wird der Germanium- bzw. Siliziumkristall während seines Wachsvorganges mit einer N-Verunreinigung, etwa mit Arsen, Phosphor oder Antimon, dotiert Die Dotierungsverfahren sind an sich bekannt.
Aus dem dotierten Kristall wird eine Platte herausgeschnitten. Vorzugsweise schneidet man eine Platte heraus, welche wesentlich größer ist als das fertige Halbleiterbauelement. Bei dem Schneiden der Platte nämlich wird der Halbleiterstoff an der Oberfläche dieser Platte in gewissem Maße gestört; man läppt und ätzt daher die mechanisch verformten Teile an der Oberfläche und verringert gleichzeitig die Einkristallplatte auf die erforderliche Größe. Auch das Läpp- und Ätzverfahren ist bekannt und braucht hier nicht weiter beschrieben zu werden.
In den F i g. 1 bis 3 sind die aufeinanderfolgenden Stufen der Herstellung von Halbleiterschaltern dargestellt; bestimmte Elemente werden in die Halbleiterplatte 10 hineinlegiert und diffundiert.
Es wird angenommen, es handle sich um einen PNP-Halbleiterschalter, welcher in Form einer Platte 10 vorliege. Diese Platte 10 hat die richtige Größe und besteht aus Germanium, welches mit P-Verunreinigungen, etwa Aluminium, dotiert ist. Zur Erzeugung der Basis 12 wird eine Oberflächenschicht der Platte 10 mit einer N-Verunreinigung, etwa mit Arsen, Antimon oder Phosphor, dotiert. Die Dotierung der Platte 10 mit einer N-leitenden Verunreinigung erfolgt in bekannter Weise. Bewährt hat sich ein Verfahren, bei dem die Platte 10 in eine evakuierte Kammer gebracht und bei einer bestimmten Temperatur in dieser Kammer ein Arsendampf eingeführt wurde. Das Arsen diffundiert dann in die Platte hinein. Dabei wird eine Oberflächenschicht 12 der Platte 10, nämlich die Schicht zwischen der Oberfläche und der Linie 11 in so hohem Maße mit N-Verunreinigungen dotiert, daß diese über die ursprünglich in dieser Schicht vorhandenen P-Verunreinigungen dominieren. Eine Eindringtiefe des Arsens von 0,025 mm hat sich als ausreichend bewährt. Innerhalb der Linie 11 verbleibt ein Kern 14 P-leitend. Die Konzentration der N-Verunreinigungen ist an der Oberfläche der Platte am größten und nimmt nach der gestrichelten-Linie 11 hin nach und nach ab. Die N-leitende Zone 12 stellt in der Endform des Halbleiterschalters die Basisschicht dar. Zwischen der Zone 12 und dem Kern 14 befindet sich eine PN-Grenzschicht 16, welche die Kollektorgrenzschicht darstellt.
Sodann wird in einem bestimmten Bereich der N-leitenden Oberflächenschicht 12 die Kristallplatte mit einer weiteren P-Verunreinigung dotiert. Als eine solche P-Verunreinigung kommen Aluminium, Indium oder Gallium in Frage. Zur Dotierung mit Aluminium kann man etwa eine dünne Aluminiumfolie oder eine Folie aus einer Aluminiumlegierung auf die Platte auflegen und diese dann auf eine Temperatur erhitzen, bei der sie schmilzt und sich unter Eintritt in die N-leitende Zone 12 mit dem Halbleiterstoff dieser Zone legiert. Während des Schmelz- oder Legierungsvorgangs muß darauf geachtet werden, daß die P-Dotierung nicht vollständig durch die N-leitende Zone, d. h. die erste Basisschicht 12, hindurchdifiundiert. Nach der Durchführung dieses Legierungs- oder Diffusionsvorganges ist eine P-leitende Zone oder Schicht entstanden, welche einen Emitter 13 auf der Platte 10 darstellt.
Die Dotierung mit Aluminium in einer bestimmten Zone der Platte 10, nämlich in derjenigen Zone, in der die Aluminiumfolie aufgelegt wird, überwiegt die N-Dotierung in dieser Zone, welche zur Erzeugung
ίο der ersten Basisschicht 12 eingebracht worden war. Da man jedoch die Diffusion der P-Verunreinigungen nicht durch die ganze Basisschicht 12 hindurch zugelassen hat, bleibt eine N-leitende Halbleiterschicht zwischen dem Emitter 13 und dem P-leitenden Kern 14 bestehen.
Der Emitter 13 hat P-leitende Eigenschaften und steht in inniger Berührung mit einer N-leitenden Schicht, der Basisschicht 12. Es ist also eine PN-Grenzschicht oder Emittergrenzschicht 17 ge-
ao bildet. Hält man das Verhältnis der Leitfähigkeiten dieser beiden Zonen in einem bestimmten bekannten Verhältnis, so emittiert der P-leitende Emitter 13 Löcher in die N-leitende Basisschicht 12, wenn ein Feld angelegt wird.
Die Platte 10 besteht also jetzt aus einer dreischichtigen Struktur, der Emitter 13 ist P-leitend, die erste Basis 12 ist N-leitend, und die mittlere Schicht 14^ welche eine zweite Basis darstellt, ist P-leitend.
Um aus dem nun vorliegenden Element einen wirksamen Halbleiterschalter zu erzeugen, wird —■ wie beschrieben — eine Metalhnasse 15 angebracht, welche als Quelle von Leitungsträgern dient. Die MetallmasselS muß in innigem Kontakt mit dem zweiten Basiselement 14 stehen und mit ihm eine großflächige Metallhalbleitergrenzschicht bilden. Um einen solchen innigen Kontakt zu erzeugen, legt man die Metallschicht an die Platte 10 an und erhitzt sie bis zu ihrem Schmelzpunkt, so daß sich der Stoff der zweiten Basisschicht 14 mit dem Metall der Schicht 15 legiert. Das Legierungsverfahren wird so lange fortgesetzt, bis das Metall 15 in die N-leitende Schicht 12 an der unteren Fläche der Platte 10 eindringt und dadurch einen innigen Kontakt mit der zweiten Basisschicht 14 herstellt. Man kann auch die N-leitende Schicht 12 an den Stellen, an denen die Metallschicht angebracht werden soll, auf mechanischem oder chemischem Weg entfernen und das Metall dann direkt an der P-leitenden Schicht der zweiten Basis 14 anlöten oder sonstwie befestigen. Wenn ein PNP-Halbleiterschalter hergestellt wird, so sollte die Metallschicht 15- entweder neutrale oder P-Dotierungseigenschaften haben, ähnlich der P-leitenden Schicht der zweiten Basis 14. Bewährt haben sich Halbleiterschalter, bei denen Indium auf eine zweite, aus alummiumdotiertem Germanium bestehende Basisschicht auflegiert wurde.
Die Metallschicht 15 stellt eine Quelle von Ladungsträgern dar, welche zu fließen beginnen, wenn sie einem elektrischen Feld ausgesetzt werden. In dem hier beschriebenen speziellen Ausführungsbeispiel wurde Indium als Ladungsträgerquelle auf die zweite Basisschicht 14 aufgetragen. Es hat sich nämlich gezeigt, daß Indium, wenn es auf eine Germaniumplatte mit P-Dotierung auflegiert wird, eine sehr gute Ladungsträgerquelle darstellt. Selbstverständlich können aber auch behebige andere Metalle oder Legierungen mit dotierenden Eigen-
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schäften entsprechend den dotierenden Eigen- angeschmolzen oder angelötet. Die Nickel-Kobaltschaften der in der zweiten Basisschicht 14 verwen- Eisen-Legierung ist ein ausreichend guter elektrischer deten Verunreinigungen herangezogen werden. Dar- Leiter. Die Montageplatte 21 dient auch dazu, die über hinaus hat man gute Halbleiterschalter durch während der Verwendung des Halbleiterschalters Verwendung eines Metalls mit neutralen Dotierungs- 5 entstehende Wärme abzuführen. An der Montageeigenschaften wie etwa Zinn erzeugen können. platte 21 ist eine Anschlußklemme 22 angebracht, Bei dem Auftragen der Indium-Metallmasse 15 an welcher elektrische Drähte angeklemmt werden wird das Metall derart mit dem Germanium legiert, können.
daß ein inniger Kontakt zwischen der Indium- Neben den Anschlüssen 20 und 22 ist ein ring-Metallmasse 15 und dem zweiten Basiselement 14 io fönniger Basiskontakt 23 auf die erste Basisschicht aus Germanium besteht und daß die Indium-Metall- 12 aufgeschmolzen. Dieser Kontakt hat geringen masse in einem Abstand von dem PN-Übergang 16 Widerstand und besitzt keine Gleichrichterwirkung, ist, der nicht größer ist als zehn Minoritätsträger- Der ringförmige Basiskontakt 23 ist aus einem Diffusionslängen im zweiten Basisbereich, Vorzugs- Metall wie Silber oder Zinn oder aus einer Legierung weise nicht größer als eine Diffusionslänge, so daß 15 von Silber und Zinn hergestellt. Der ringförmige ■ Minoritätsträger frei von der Metallmasse 15 nach Basisikontakt 23 muß deshalb geringen Widerstand dem zweiten Basiselement 14 fließen und den haben, da über ihn die elektrischen Ströme nach PN-Übergang erreichen können. Die Herstellung der ersten Basisschicht 12 geleitet werden. Bevoreines innigen Verbandes zwischen der Metallschicht zugt für die Herstellung der Ringkontakte 23 wird und der zweiten Basis ist wesentlich, ganz gleich, 20 eine Legierung von Silber und Zinn, da sich an ob die Metallschicht Dotierungseigenschaften ent- diese elektrische Leiter verhältnismäßig leicht ansprechend den Dotierungseigenschaften der in der löten lassen. Bei der Anbringung des Ringkontaktes zweiten Basis enthaltenen Verunreinigungen oder 23, sei es nun durch Aufschmelzen oder durch Anaber neutrale Dotierungseigenschaften besitzt. löten, muß darauf geachtet werden, daß die Basis-
Bei einer in Fig. 1 dargestellten Struktur erstreckt 25 schicht 12 nicht durchsetzt wird,
sich die mit N-Verunreinigungen dotierte Schicht 12 Der in Fig. 3 dargestellte Schalter umfaßt einen
noch um die ganze Außenseite der Platte 10. Diese Emitter 13, eine erste Basisschicht 12, eine zweite
Schicht würde natürlich einen Kurzschluß des Basisschicht 14 und eine Metallschicht 15 in inniger
Schalters bedeuten, wenn man diesen in der Form Berührung mit der zweiten Basisschicht 14. Außer-
der F i g. 1 verwenden würde. Es wird daher nur 3° dem erkennt man zwei Anschlüsse 20 und 22 an
der direkt unter dem Emitter 13 liegende Teil dieser den Emitter 13 bzw. die Metallschicht 15. Der ring-
Schicht als erste Basis 12 verwendet. Nur dieser förmige Basiskontakt 23 stellt den elektrischen An-
Teil darf nicht beschädigt und nicht entfernt werden. Schluß an die erste Basisschicht 12 dar.
Der nächste Verfahrensschritt besteht nun darin, An Stelle des in dem vorbeschriebenen Ausfühdaß man auf die wesentlichen Teile, d. h. auf den 35 rungsbeispiel erwähnten Germaniumkristalls bzw. Emitter 13. und die Metallschicht 15, eine Maske auf- der Germaniumplatte, der die verschiedenen Zusatzlegt und dann die übrigen Teile der N-Verunreini- stoffe einverleibt werden, kann auch ein Siliziumgungen dotierten Schicht 12 bis zu den gestrichelten ' kristall Verwendung finden. Wenn ein Silizium-Linien 18 und 19 und bis an die seitliche Begren- kristall verwendet wird, so lassen sich die gleichen zung der Metallschicht 15 heran entfernt. Wenn die 40 Dotierungen anwenden wie bei Germanium.
Beseitigung dieser Schicht — sie erfolgt gewöhnlich In dem vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel durch Ätzung — beendet ist, so bleibt ein betriebs- wurde von einer Germaniumplatte 10 ausgegangen, fertiger Halbleiterschalter übrig, wie er in Fig. 2 welche während ihres Wachstums mit einer P-Verundargestellt ist. reinigung dotiert worden war. Auf dieser Germanium-Die überflüssigen Teile der Schicht 12 können 45 platte hat man eine. Metallschicht angebracht, deren entweder vor oder nach der Anbringung der Metall- Dotierungseigenschaften entweder denjenigen der schicht 15 beseitigt werden. Wenn die Schicht 12 zweiten Basisschicht 14 entsprachen oder aber neubeseitigt wird, bevor die Metallschicht auflegiert ist, tral waren. Einen NPN-Schalter stellt man nach dem d. h., wenn die Metallschicht direkt auf die zweite gleichen Verfahren her, nur setzt man der Kristall-Basis 14 auflegiert wird, so besteht das Problem, 50 platte aus Germanium oder Silizium während ihres eine völlige Durchdringung der Schicht 12 während Wachstums Antimon od. dgl. als Dotierung zu, um des Legierungsvorganges sicherzustellen, nicht. ihr dadurch N-leitende Eigenschaften zu verleihen. Die Ätzung wird mit Hilfe einer beliebigen Ätz- Wenn von einer Platte 10 mit N-leitenden Eigenlösung vorgenommen. Bewährt hat sich als Ätz- schäften ausgegangen wird, so wird auch der lösung eine Lösung von Salpeter- und Flußsäure. 55 Emitter 13 N-Verunreinigungen als Dotierung entWenn die in Fig. 2 gezeigte Struktur fertiggestellt halten. Die erste Basisschicht 12 dagegen wird mit ist, so wird sie auf einem Träger befestigt und mit einer Verunreinigung dotiert, welche P-Leitfähigkeit den notwendigen elektrischen Anschlüssen versehen. verleiht. In diesem Falle wird man eine Metall-Ein fertiger Schalter ist in Fig. 3 gezeichnet. In der schicht 15 auf die zweite Basisschicht 14 auftragen, Ausführungsform dieser Fig. 3 ist eine Silberschicht 60,welche entweder N-dotierende oder neutrale Eigen-
20 auf den aluminiumhaltigen, P-leitenden Emitter schäften besitzt.
13 aufgedampft. Diese Silberschicht 20 erleichtert Wenn ein NPN-Schalter in einen Stromkreis
das Anlöten von Kupfer- oder anderen Anschluß- gelegt wird, so wird die Metallschicht 15 als Mino-
drähten an den Schalter. ritäts-Ladungsträger Löcher liefern, welche nach
Für technische Zwecke wird eine Montageplatte 65 der Kollektorgrenzschicht 16 hinlaufen. Die Elek-
21 vorgesehen. Die Montageplatte 21 besteht etwa tronen fließen dagegen von dem N-leitenden Emitter aus einer Nickel-Kobalt-Eisen-Legierung (Kovar). durch die erste Basisschicht nach der Kollektorgrenz-Diese Montageplatte wird an die Metallschicht 15 schicht. :
Bei der Herstellutfg von HäBleiterseMltern inii PNP-Struktur hat- man viele Metalle und Le'gibrüagen· für die Metallschicht" IS verwendet. Die Metallschicht 15 wird so ausgewallt,- daß- sie entweder Dotierungseigenschaften' entsprechend deft Eigensehafteri der anliegemden· zweiten BäsisseMcM 14' oder aber neutrale Eigenschaften; besitzt-
Für die Mefällseffichten 15 von Halblefterschaltern haben sich- die folgenden· Metalle1 und Legierungen bewährt:
1. Reines IödiumV
2. Reines Zürn,
3- 1 °y& Gallium und im ÜÖrigefi Indium",
4.10*/» Gold, 3«/» Aluminium und un übrigen
. . Silber,
5. 3% Aluminium^ 10%> Silber und im übrigen
Indium,
6. 5%> Iridium ml im übrigen Zinö,
7. 5% Indium, 2*7» Aluminum ürid im übrigen
8. Iff·/» Aluffliiiium, 2Ö*/(, Silber üfid im Übrigen
λ in«/ if --' ' Ort*/ ο·«. λ ■ -u ■ *S 9.10*/» Aluminium, 3D«/o Silber und im übrigen
.,. ln5ium,
10.10% Silber und im übrigen Iöditim, KolIektorgremscMcht mit einer bestimmten Rate erreichen1, um- einen: Durchschlag herbeizulühren,, dl fr. um den Halbleiter gut leitend zu machen'. Wenn FMP-' oder NPN-Halbleitersehalter einen Emitter, zwei Basissehichten und eine Metallschicht umfassen, welche als ergiebige Quelle zur Injektion von MaoritäMadüngsträgern1 dient, und wenn diese Ladungen beim Anlegen Von Feldern leicht iß Fluß kommen, _ so ist eine richtige Betriebsweise des
ftf Halbleiterschalters sichergestellt.
In Fig. 4 ist ein Halbleiterschalter 24 in einen einfachen'elektrischen'Stomkreis geschaltet. An Hand: dieser Schaltung, Mßt sich die Wirkungsweise des erfmdungsgemäßen Halbleiterschalters leicht be-
*S schreiben". Wie man aus der Figur ersieht, fuhrt der Vorspanüuügsströätkreis von dim Emitter 13 nach äef erstett Sagfsschlcht 12. Dieser Kreis enthält eine Stromquelle 2$, etwa eine Batterie mit einer Klemmenspanntrng fön ungefähr 1,5 V. An eine der
so Klemmen der Batterie schließt sich ent Schalter 26 äö· Die afldere Kleiöme 25 der Batterie ist übet eine Leitung: 2f mit der Klemme 20 des Emitters 13 verbFde?· ,P3*^ ?nde des, ^1?flS ^*,.*1 ttbei einen Leiter 28 mit eiöem Veranderiicheü Widerstand
verbunden, an welchen sich, wiederum ein Leiaüscliü6ßf) def nadi ,def Basisschicht 12' führt. Weoil ^er g^äitef 26 geschlossen ist, so ist dem Eüiitter 13 und def eisten Basisschicht 12 eine Vorspannung aufgeprägt.
Zwischen dem Emitter 13 und der Metallschicht 15 liegt eine zweite Stromquelle, welche ebenfalls in Form einer Batterie 31 dargestellt ist und welche etwa 45 V liefert. Eine Klemme der Batterie 31 ist über einen Leitet 32 mit der Anschlußklemme 22
Daneben sind für- die Metallschicht 15 natürlich auch viele andere Legierungen möglieh.
Bei deT Herstellung derartiger Legierungen ist immer zu beachten, daß diese Metallschicht als eine Quelle von Ladungsträgern zu dienen hat.
Die Emittergrenzfläehe 17 soll um wenige^ .als eine 3$ und der Metallschidht verbunden. Die andere Diffusionslänge von def KöÜe°lt0rgrenz8äche ifi Klemme der Batterie 31 ist über einen Leiter 33, eine entfernt sein, Die erste Basis 12 soll hinsichtlich der Glühlampe 34, einen Leiter 35 mit dem Leiter 27 der Eigenschaften ihrer Leittingstragef und ihrer Größe VqrSpanfiüngsSchaltüng verbunden,
so gewählt sein, daß ein großer Teil aller von dem Wenn der Schalter 26 geschlössen ist, so liegt an
Emitter injizierten Lädüngstfkgef die Kollektorgrenz- 46 dem Emittef 13 und der Basis 12 eiüe Spannung. Der schicht erreicht. Da die Metallschicht 15 bei Feld- dank dieser Spannung fließende Strom laßt sich einwirkung eine Quelle von Ladungsträgern ist, durch den veränderlichen Widerstand 29 regulieren, welche den Schalter stark leitend machen, muß auf Wenn ein bestimmter Basisstrom fließt (s. Kurven
d Fi 5) id Sh l
die Läge der Metallschicht 15 relativ zu der Kollektorgrenzsehieht 16 geachtet werden. Die Metallschicht 15 liegt daher gewöhnlich um weniger als eine Diffusiohslänge von den Kollektorgrenzsehicht entfernt, so daß ein ausreichender Ström von Ladungsträgern nach der Kollektorgrenzsehicht
der Fig. 5) so wird der Schalter gut leitend, und es fließt ein verstärkter Ström in dem den Emitter und die Metalischicht enthaltenden Stromkreis von der Batterie 31 über den Leiter 33, die Glühlampe 34, die Leiter 35 und 27, den Emitter 13, die Emittergfenzsehicht 17, die erste Basis 12, die Kollektori B 14
gg g g
sichergestellt ist. Wenn Ladungsträger die Kollek- §6 gfenzschicht 16, die zweite Basis 14, die Metalltorgrenzschicht mit einer bestimmten Rate erreichen, schicht 15 und den Leitet 32 zurück nach der Bat-So wird diese gut leitend. terie 31.
Die Difiusionslänge ist bekanntlich ein Maß für In einem derartigen Halbleiterschalter läßt sich die
diejenige Strecke, welche ein bestimmter Anteil der Spannung, bei der der Schalter gut leitend wird, Minoritätsträger erreicht, bevor diese absorbiert §s durch Veränderung der an dem Emitter und der oder eingefangen werden·. Die Metallschicht 15 muß ersten Basisschicht anliegenden Spannung und damit daher örtlich so angebracht seins daß eine aus- des durch die Emittergrenzschicht fließenden Stroms reichende Anzahl von Minori'tätsträgeM dfe KoI- variieren. Versuche haben gezeigt, daß man nur lektorgrenzschicht erreicht. In vielen Fällen ist der Sö i d Gößd Milli i
Abstand nach der Kollektorsehicht kleiner als eine Diffusiottslänge; man hat aber auch gute Ergebnisse dann erhalten, wenn der Abstand mehreren Diffusionslängen entsprach; so kann der Abstand entsprechend der Zahl von Dnfüsionslängen zwischen
p
2 und 10 liegen.
Der Minoritätsträger ist in P-leitenden Stoffen das Elektron, in N4eitenden Stoffen das Defektelektron öder Loch. Die Ladungsträger müssen die Ströme in der Größenordnung von Milliampere in dem Basiskreis fließen zu lassen braucht, um Ströme in der Größenordnung von Ampere in dem Emitter und Metallschicht 'enthaltenden Kreis erzeugen zu können. Das bedeutet eine sehr hohe Stromverstärkung.
Der Schältet stellt — wie Fi g. 6 zeigt —- einen sehr hohen Widerstand dar., wenn Spannungen unter der Dufchschlagsspännung an dem Emitter und der Metallschicht anlegen-. Die Kurve 41 wurde aufge-
, 609 503/300
nommen, während kein Vorspannungsstrom durch den Basiskontakt floß; der Schalter wurde in diesem Fall bei — 55 V und etwa einem Strom von 1 mA zu-einem guten Leiter, so daß die Spannung längs der Linie 42 auf einen Wert von 1V absank und ein verhältnismäßig hoher Strom in der Größenordnung von Ampere zu fließen begann, d. h. also, der Schalter wird plötzlich zu einem Leiter mit geringem ohmschem Widerstand, wenn er bestimmten Betriebsbedingungen unterworfen wird. Die Betriebsbedingungen, auf die der Schalter anspricht, können verschieden sein. Wenn der Schalter in einem Stromkreis liegt, so bestimmen die zwischen dem Emitter 13 und der Metallschicht 15 liegende Spannung und der durch den ersten Basiskontakt fließende Vorspannungsstrom zusammen den Punkt, an dem der Halbleiterschalter hochleitend wird. Wenn der Basis^- vorspannungsstrom erhöht wird, so sinkt die Spannung, bei der der Schalter gut leitend wird, während diese Spannung steigt, wenn der Basisvorspannungsstrom abnimmt. Es läßt sich also durch Variierung des Basisvörspanmmgsstroms die Durchbruchsspannung steuern.
... Der Ausdruck »imUmkehrsinne vorgespannt« bezieht sich bei dem Halbleiterbauelement; nach der Erfindung auf eine Spannung zwischen der Emitterelektrode und. der Metallmasse! von solcher-Polarität, daß der zweite PNrüb'ergang, also der, der der MetalMässe am nächsten liegt, in Sperrichtung vorgespannt, w,ird. .!,-■..- '
Die in F i g. 5 dargestellten Kurven geben ein gutes Bild von der Funktionsweise des Halbleiterschalters, Man betrachte z.B., die Kurve36: Wenn ein Basis-^ strom von 2 mA fließt, so wird der Schalter gut leitend, wenn, zwischen, dem Emitter 13 und der Metallschicht 15 eine Spannung-von —17 V liegt. Wenn die Kollektorgrenzschicht gut leitend wird, so fällt die Spannung längs, der Linie 37 auf weniger als ein halbes Volt ab. .Eine Spannung, von —IV genügt dann, um einen Strom der ,Größenordnung 1A aufzubauen und aufrechtzuerhalten. Der Übergang, des Halbleiterschalters in, seinen gut leitenden Zustand erfolgt in. weniger als. Vio μδεο und kann daher tatsächlich als Schaltvorgang aufgefaßt werden.
: Wenn der Strom; in dem Basiskreis auf 2,5 mA erhöht wird (Kurve-38), so wird der Schalter bereits bei einer Spannung von —10 V zwischen Emitter 13 und Metallschicht 15 ein guter Leiter. Wenn die Kollektorgrenzschicht gutleitend wird, so fällt die Spannung auf ungefähr ein-halbes Volt ab, und der Strom in dem Emitter und Metallschicht enthaltenden Kreis wird bei einer Spannung von 1V zu 1A. Mit weniger als — 5 V an dem Schalter können Ströme von 10 bis 15 A erhalten werden. Mit noch höheren Spannungen und einigen baulichen Änderungen lassen sich auch noch höhere Ströme erreichen.
Die Kurve 39 zeigt, daß bei einem Basisstrom von 3 mA der Durchschlag des Schalters bereits bei 1,5 V eintritt und daß bei IV ein Strom von 1A erhalten wird. Wie bereits gesagt, kann also die Durchschlagsspannung des Halbleiterschalters durch Veränderung des Basisstroms gesteuert werden. Die Steuerung des Basisstroms in dem B.asiskreis kann etwa mittels des variablen Widerstands 29 erfolgen. Wenn der Transistor gut leitend wird, so kann der Strom durch ihn mit einer verhältnismäßig geringen Spannung aufrechterhalten werden. Alle diese Merkmale weisen darauf hin, daß eine sehr genaue Steuerung des Schalters möglich ist; die Tatsache, daß ein Stromfluß durch den Schalter bei sehr geringen Spannungen möglich ist, bedeutet, daß dör Schalter mit sehr geringem Leistungsverlust arbeitet. . -
Der Z-förmige Haken 40 in Fig. 5 bedeutet einen Maßstabwechsel. Unter diesem Haken wird die Ordinate in Milliampere, darüber in Ampere gemessen. Es folgt nun ein spezifisches Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Halbleiterschalters und des-
ip. sen Betriebsdaten. Es wurde eine Germaniumkristallplatte 10 mit einem Durchmesser von 6,3 mm und einer Schichtstärke von 0,125 bis 0,175 mm hergestellt. Dieser Kristall wurde mit Arsen dotiert; es wurden ein Emitter und eine Metallplatte aufgetragen; sodann wurde der Kristall nach dem bereits beschriebenen Verfahren geätzt. Nach der Fertigstellung besaß die N-leitende Basis 12 einen Durchmesser von 2,5 mm und eine Stärke von 0,005 mm. Die P-leitende Basis 14 hatte einen Durchmesser von 6,3 mm und eine Stärke von 0,075 bis 0,125 mm. Die Metallschicht 15 hatte den gleichen Durchmesser wie die Basis 14 und eine Stärke von 0,1 mm. Diese Maßangaben können natürlich je nach den an den Schalter gestellten Anforderungen variiert werden.
Als Halbleiter wurden Germanium und Silizium mit bestimmten Dotierungen verwendet.
Einen Halbleiterschalter kann man auch aus stöchiometfischen Verbindungen von Elementen der Gruppe ΠΙ und V des Periodischen Systems herstellen, etwa aus Indiumarsenid, Indiumantimonid und Aluminiumphosphorid. Die Anwendungen der erfindungsgemäßen Schalter sind zahlreich. Der Schalter kann für alle möglichen Schaltvofgänge herangezogen werden. Es gibt auf dem Gebiet der Elek-
3.5 tronik und anderen Gebieten Anwendungen für diesen Schalter, die jeder Fachmann auf diesen Gebieten sogleich erkennen wird, wenn er von den Eigenschaften des erfindungsgemäßen Schälters erfährt.

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Schaltbares Halbleiterbauelement mit drei Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps und mit
. je einem PN-Übergang zwischen zwei Zonen sowie je einer ohmschen Elektrode an den beiden äußeren Zonen, bei dem an der einen äußeren Zone eine Metallmasse aus einem solchen Metall in rein ohmschem flächenhaftem Kontakt angebracht ist, das in der äußeren Zone nicht oder im gleichen Sinne wie der vorhandene Leitungstyp dotierend wirkt, und bei dem diese äußere Zone eine Dicke kleiner als zehn Diffusionslängen ihrer Minderheitsladungsträger hat, so daß bei Belastung des angrenzenden PN-Übergangs in Sperrichtung aus der an dieser Zone angebrachten Metallmasse Minderheitsladungsträger in diese Zone in solcher Menge injiziert werden, daß sie teilweise den PN-Übergang erreichen, nach Patentanmeldung W 22627 VIII c/ 21 g, d a durch gekennzeichnet, daß an der mittleren Zone eine ohmsche Steuerelektrode (23) angebracht ist, an der ein Steuersignal dazu dient, die Durchbruchsspannung zwischen den äußeren Elektroden (20,15) zu ändern.
2. Schaltung für ein schaltbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an die Elektroden der äußeren Zonen (20, 15) eine Spannungsquelle (31) angelegt wird zum Vorspannen des PN-Übergangs an der einen
äußeren Zone mit der Metallmasse (15) in Sperrrichtung unterhalb der Durchbruchsspannung und daß der PN-Übergang in denhyperleitfähigen Zustand durch ein Steuersignal an der Steuerelektrode (23) übergeführt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 814487; AIEE-Transactions, Bd. 74, Teil I, März 1955, S. 111 bis 121.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 503/300 1.66 © Bundesdruckerei Berlin
DEW22698A 1957-02-27 1958-02-03 Schaltbares Halbleiterbauelement mit drei Zonen abwechselnden Leitfaehigkeitstyps und Schaltung eines solchen Halbleiterbauelements Pending DE1210088B (de)

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DE1639311B1 (de) * 1968-03-08 1972-02-03 Licentia Gmbh Verfahren zum kontaktieren einer halbleiteranordnung

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DE814487C (de) * 1948-06-26 1951-09-24 Western Electric Co Feste, leitende elektrische Vorrichtung unter Verwendung von Halbleiterschichten zur Steuerung elektrischer Energie

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