DE1210490B - Steuerbares Halbleiterbauelement mit einer pnpn- oder npnp-Zonenfolge und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Steuerbares Halbleiterbauelement mit einer pnpn- oder npnp-Zonenfolge und Verfahren zum Herstellen

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DE1210490B
DE1210490B DEW31964A DEW0031964A DE1210490B DE 1210490 B DE1210490 B DE 1210490B DE W31964 A DEW31964 A DE W31964A DE W0031964 A DEW0031964 A DE W0031964A DE 1210490 B DE1210490 B DE 1210490B
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Thomas G Stehney
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Westinghouse Electric Corp
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Description

DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Deutsche KL: 21 g -11/02
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:
W 31964 VIII c/21g
4. April 1962
10. Februar 1966
Die Erfindung bezieht sich auf einen verbesserten Aufbau eines steuerbaren Halbleiterbauelements mit einer pnpn- oder einer npnp-Zonenfolge und einer Steuerelektrode an einer mittleren Zone sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen.
Wird bei einem solchen elektrischen Halbleiterschalter ein Signal bzw. eine Steuerspannung an eine der Zwischenzonen und an eine der angrenzenden äußeren Zonen angelegt, so kann der Schalter durch eine relativ kleine Spannung an seiner Steuerstrecke leitend im Stromweg über seine äußeren Elektroden gemacht werden, so daß eine solche Zündung des Halbleiterbauelements durch die Tor- bzw. Steuerelektrode für die Herbeiführung seines Zustande im Sinne eines Schalters mit in der Schließstellung befindlicher Schaltbrücke auch gegebenenfalls wegen der relativen Empfindlichkeit des Halbleiterbauelements durch äußere fremde Zeichen bzw. Spannungen erfolgen kann, welche für den eigentlichen Betrieb des Halbleiterschalters als Störspannungen anzusehen sind.
Ziel der Erfindung ist es daher, ein Halbleiterbauelement im Sinne eines Halbleiterschalters zu schaffen, bei welchem solche unerwünschten Zündungen nicht auftreten können, trotzdem aber eine erwünschte Zündung mit einem relativ hohen Maß an Genauigkeit erreicht werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe bei einem steuerbaren Halbleiterbauelement der eingangs angeführten Art ist erfindungsgemäß zum Schutz gegen äußere Störspannungen durch Freigabe des Steuerstroms oberhalb eines Mindestspannungswerts im Steuerkreis zwischen der mittleren Zone und der Steuerelektrode eine Zone entgegengesetzten Leitungstyps zur Bildung eines im Steuerstromweg in Sperrichtung beanspruchten pn-Übergangs vorgesehen, so daß durch Wahl der Stärke der Dotierung der beiden aneinandergrenzenden Zonen oberhalb einer Spannung ein Lawinendurchbruch zur Freigabe des Steuerstroms stattfindet.
Bekannt war eine Halbleiteranordnung mit einem oder mehreren Eingangsklemmen bzw. Emitterelektroden an je einer Zone vom n-Leitungstyp im Halbleiterkörper, einer Zone entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps mit der Wirkung einer geerdeten oder Bezugsbasis, einer η-leitenden Zone benachbart der gegenüberliegenden Oberfläche des Halbleiterkörpers, die nach Art eines Kollektors wirkt, wobei seine Potentialhöhe gleitend, und zwar positiv oder negativ je nach dem Emitterstrom ist, und ferner aus einem Bereich dieses pn-Übergangs zwischen der Basis und dem gleitenden Bereich dieser Bereich als Emitter wirkt, welcher Minoritätsladungsträger zu einem an der gleichen Oberfläche wie die Emitterelektrode bzw. Steuerbares Halbleiterbauelement mit einer
pnpn- oder npnp-Zonenfolge und Verfahren
zum Herstellen
Anmelder:
Westinghouse Electric Corporation,
East Pittsburgh, Pa. (V. St. A.)
Vertreter:
Dr. jur. G. Hoepffner, Rechtsanwalt,
Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50
Als Erfinder benannt:
Thomas G. Stehney, Rillton, Pa. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 17. April 1961 (103 583)
Emitterelektroden liegenden Stromverstärkungskollektor geschickt wird, der eine als np-Schichtenf olge sich an die Basiszone anschließt.
Die npnp-Schichtenfolge ist in dieser Anordnung bedingt durch den benutzten Stromverstärkungskollektor, der jedoch nicht die Funktion einer Steuerelektrode, sondern einer Ausgangselektrode hat.
Es sind ferner Hakenkollektor-Flächentransistoren mit einem Stromverstärkungsfaktor größer als 1 bekannt mit drei zwischen Endkontaktflächen aufeinanderfolgenden Zonen in Form zweier äußerer Zonen des einen elektrischen Leitungstyps und einer Zwischenzone ohne äußeren Anschluß des entgegengesetzten elektrischen Leitungstyps, bei denen an der einen äußeren Zone die Kollektorelektrode und an der anderen äußeren Zone die Basiselektrode vorgesehen ist. Ferner ist dabei an einer der äußeren Zonen in einem Abstand von der Zwischenzone ein weiterer Anschluß des Emitters vorgesehen, unter welchem ein kleiner Bereich von entgegengesetztem elektrischem Leitungstyp gegenüber demjenigen des äußeren Bereichs gebildet ist. Die Kollektorelektrode ist dabei vorzugsweise mit derjenigen äußeren η-Zone verbunden, welche den kleineren spezifischen Widerstand besitzt, die Basiselektrode vorzugsweise mit derjenigen äußeren η-Zone verbunden, welche den höheren spezifischen Widerstand besitzt.
Weitere Gegenstände, Vorzüge und vorteilhafte technische Einzelmerkmale der Erfindung werden sich
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3 . 4
aus der Erläuterung eines Ausführungsheispiels der Zusätzlich arbeitet der erste innere Bereich .12 als eine
Erfindung in der nachfolgenden Beschreibung in Ver- Basiselektrode für den äquivalenten Transistor T1 und
bindung mit der Zeichnung ergeben. als Köllektorelektrode für den äquivalenten Tran-
F i g. 1 veranschaulicht einen Stromkreis, welcher sistor Z2. Cn1, wie es in der F i g. 2 veranschaulicht ist,
einen Halbleiterschalter enthält; 5 ist der Stromverstärkungsfaktor des Stromes zwischen
F i g. 2 veranschaulicht ein gleichwertiges Schema dem Emitter und dem Kollektor des äquivalenten
des Schalters, der in der F i g. 1 gezeigt ist; "- Transistors 3T1, wogegen a2 der Stromverstärkungs-
Fig. 3 veranschaulicht in einer perspektivischen, faktor zwischen dem Emitter und dem Kollektor des
mit etwa gleichem Maß bemessenen Ansicht eine bei- äquivalenten Transistors T2 ist. Wenn der Strom, der
spielsweise Ausführung der Erfindung; ■ " io zwischen der Torklemme 17 und dem Emitter oder der
F i g. 4 veranschaulicht eine Grundrißansicht der Kathode 16 zugeführt wird, genügend positiv ist, so
Ausführung, wie sie in der F i g. 1 veranschaulicht ist; wird die Vorrichtung durch die Vergrößerung von Oc1
F i g. 5 veranschaulicht eine Querschnittsansicht der leitend gemacht werden, so daß ax + «2 größer als 1 ist.
Vorrichtung nach der F i g. 2; Im handelsüblichen vierschlchtigeh Halbleiterschal-
F i g. 6 veranschaulicht eine schematische Wieder- 15 ter mit drei Anschlußklemmen ist die Spannung, gäbe des Aufbaues einer Anordnung nach der Erfin- welche zwischen der Torklemme 17 und der Emitterdung, wie sie in den F i g. 1,2 und 3 veranschaulicht ist; klemme 16 erforderlich ist, um die Vorrichtung leitend
F i g. 7 veranschaulicht ein Kurvenschaubild für die zu machen, gewöhnlich sehr klein, und die Anordnung
Erläuterung der Erfindung. ist daher empfindlich gegenüber einer Zündung durch
Die vorliegende Erfindung bezieht sich in allge- 20 äußere bzw. unerwünschte fremde Zeichen bzw. meiner Hinsicht auf eine Verbesserung eines Halb- Signale. Weiterhin ergibt diese relativ kleine Zündleiterschalters, der vier Schichten oder vier Bereiche spannung nur einen relativ kleinen Prozentsatz der aufweist, wie z. B: auf einen solchen eines pnpn- oder Toleranz oder der Störung, wenn der Schalter zufolge eines npnp-Typs. Ein Vierbereich-Halbleiterschalter, seiner relativ hohen Empfindlichkeit zündet. In spezielwelcher drei Anschlußklemmen besitzt, eine Anoden- 25 ler Hinsicht wird, da die Vorrichtung auf relativ anschlußklemme, eine Kathodenanschlußklemme und niedrige Torsignale für die Zündung anspricht, der eine Toranschlußklemme arbeitet wie zwei Tran- relativ kleine Prozentsatz der Störung in dem Einsistoren von entgegengesetztem Leitungstyp. Ein Bei- gangstorsignal wesentlich die erwünschte Zündzeit des spielfür eine solche vierschichtige Anordnung mit drei Schalters beeinflussen, so daß der Schalter zu einem Anschlußklemmen ist in der F i g. 1 veranschaulicht in 30 unrichtigen Zeitpunkt in dem Stromkreis zünden kann, schematischer Darstellung in Form eines pnpn-Schich- in welchem er arbeitet. In der vorliegenden Erfindung tensystems und mit der allgemeinen Bezeichnung 10 jedoch ist eine vierschichtige Vorrichtung mit drei Anversehen. Dieses Halbleiterbauelement umfaßt einen schlußklemmen offenbart, in welcher das Tor nicht ersten äußeren Bereich 11 von elektrischem n-Leitungs- hochempfindlich und empfindlich gegenüber einer typ, einen ersten inneren Bereich 12 von elektrischem 35 Zündung durch äußere bzw. fremde Signale oder durch p-Leitungstyp, einen zweiten inneren Bereich 13 von Signale ist, welche an das Tor angelegt werden, welche elektrischem n-Leitüngstyp und einen zweiten äußeren in geringem Maße ungenau sind, sondern eher nur bei Bereich 14 von elektrischem p-Leitungstyp. Der Halb- einer relativ hohen konstanten Torspannung zündet, leiterschalter 10 hat eine Anodenanschlußklemme 15, um auf diese Weise einen relativ hohen Grad der eine Kathodenanschlußklemme 16 und eine Tor- bzw. 40 Toleranz in der Zündung der Vorrichtung zu schaffen. Steueranschlußklemme 17, welche mit dem ersten Wie in der F i g. 1 gezeigt ist, hat der übliche vierinneren Basisbereich 12 verbunden ist. Das äqui- schichtige Halbleiterschalter mit drei Anschlußklemvalente Schaubild für diese vier Schichten oder Vier- men eine Torklemme, welche mit dem ersten inneren bereichanordnung ist in schematischer Weise in der Bereich 12 durch einen ohmschen Kontakt 17 a ver-F i g. 2 wiedergegeben, nach welcher das Bauelement 45 bunden ist. Ein äquivalentes Schema einer Ausfühwie zwei komplementäre Transistoren arbeitet und der rungsform der vorliegenden Erfindung ist in der eine ein solcher des npn-Typs ist, der aus den Be- F i g. 6 veranschaulicht, welche einen ersten äußeren reichen 11, 12, 13 besteht, und der andere ein solcher Bereich 21 vom elektrischen n-Leitungstyp, einen ersten des pnp-Typs ist, welcher die Bereiche 12, 13, 14 auf- inneren Bereich 22 vom p-Leitungstyp, einen zweiten weist. Die F i g. 1 zeigt die Vierbereichanordnung in 50 inneren Bereich vom n-Leitungstyp 23 und einen Reihe mit der Last 18 und einer Gleichstromspan- zweiten äußeren Bereich 24 vom p-Leitungstyp besitzt, nungsquelle 19. Durch Anlegen einer positiven Span- Die Anodenanschlußklemme 26 ist mit dem zweiten nung von genügender Größe zwischen der Toran- äußeren Bereich 24 durch einen ohmschen nicht gleichschlußklemme 17 und der Kathodenanschlußklemme richtenden Kontakt verbunden, da die Emitter- oder 16 wird der Halbleiterschalter leitend gemacht. Wie in 55 die Kathodenanschlußklemme 25 mit dem ersten der F i g. 2 gezeigt ist, sind das Äquivalent dieses äußeren Bereich 21 durch einen ohmschen nicht gleich-Stromkreises zwei Transistoren, von denen der eine, T1, richtenden Kontakt verbunden ist. In der Ausführungsein solcher des npn-Typs und der andere, T2, ein solcher form der Erfindung, wie sie in der F i g. 6 veranschaudes pnp-Typs ist. Wenn der Strom, welcher zwischen licht ist, ist die Torklemme 27 nicht direkt mit dem der Torklemme 17 und der Kathodenklemme 16 züge- 60 ersten inneren Bereich 22 verbunden, sondern ist vielführt wird, genügend positiv ist, um das 0C1 des mehr an einen n-Typbereich 28 angeschlossen, welcher npnp-Transistors zu vergrößern, so wird das /X1 von T1 einen gleichrichtenden Übergang J1 mit dem ersten und das a2 von T2 größer sein als 1, und das Bauelement inneren Basisbereich 22 bildet. Wenn daher ein posiwird leitend gemacht werden. ä tives Signal zwischen die Torklemme 27 und die
Wie in der F i g. 2 gezeigt ist, arbeitet der innere 65 Emitterklemme 25 angelegt wird, wird dieses Gitter-Bereich 13 in zweierlei Weise, nämlich sowohl als der signal die Neigung haben, den Übergang J1 in RückKollektor für den äquivalenten Transistor T1 und als wärtsrichtung vorzuspannen, und der Übergang J1 die Basiselektrode für den äquivalenten Transistor T2. wird natürlich dazu neigen, den Strom des Signals
zwischen den Anschlußklemmen 27 und 28 zu sperren. Wenn der Übergang J1 stark dotiert ist, so werden die Torspannung und der Strom, welche notwendig sind, um den Schalter zu zünden, relativ niedrig sein. Wenn der Übergang J1 eine relativ geringe Dotierung aufweist, so werden die Torspannung und der Strom, welche notwendig sind, um den Vierbereichschalter zu zünden, relativ hoch sein. Durch die Anwendung dieses Lawinenzusammenbruchs, um die Vierbereichvorrichtung zu zünden, wird der Tor strom allmählich ίο-anwachsen, so daß die Vorrichtung in genauer Weise gezündet werden kann, und das Tor wird nicht gegen äußere bzw. fremde Signale empfindlich sein, um durch diese gezündet zu werden. Ein typisches Schaubild der Kennlinie dieser Vorrichtung für die Zündung der Vierbereichanordnung ist in der F i g. 7 veranschaulicht, wo die Torspannung über dem Torstrom aufgetragen ist. Es wurden Versuche in Abhängigkeit von der Dotierung des Übergangs J1 angestellt, und zwar wurde die Vorrichtung mit einer Torspannung zwisehen 3 und 5 Volt gezündet bei einem Torstrom, der annähernd 5 Milliampere betrug.
Die F i g. 3 veranschaulicht in etwa gleichen Abmessungen eine Ansicht einer beispielsweisen Ausführungsform der Erfindung. Die F i g. 4 veranschaulicht eine Grundrißansicht dieser Ausführung, und die F i g. 5 veranschaulicht einen Querschnitt, welcher nach der Linie V-V der F i g. 4 ausgeführt ist. Wie in den Figuren gezeigt ist, umfaßt die Vorrichtung einen ersten äußeren Bereich vom n-Leitungstyp 21, welcher ringförmig oder ringförmig geformt ist. Der ringförmige n-Typ-Emitter 21 bildet einen gleichrichtenden Legierungskontakt mit dem ersten inneren Basisbereich 22. Dieser erste innere Basisbereich 22 ist vom elektrischen p-Leitungstyp und bildet einen gleichrichtenden Kontakt mit dem kreisförmigen zweiten inneren Basisbereich 23. Der kreisförmige Basisbereich 23 bildet einen gleichrichtenden Kontakt mit einem kreisförmig geformten p-Bereich24, welcher einen kreisförmig gestalteten Umfang hat, so daß sich der Übergang an den Seiten oder dem Umfang des n-Typ-Bereichs 23 aufwärts und über einen Teil am oberen Rand des kreisförmigen Bereichs 23 erstreckt.
Eine kreisförmige Nut 29 wird durch Ätzen erzeugt, um auf diese Weise einen Raum in dem p-Typ-Material 22 und dem, p-Bereich 24 zu schaffen. Ein ohmscher Kontakt wird zwischen der Anodenanschlußklemme 25 und dem zweiten äußeren p-Bereich 24 hergestellt. In gleicher Weise wird ein ohmscher Kontakt zwischen der Emitteranschlußklemme 23 und dem n-Typ-Bereich 21 hergestellt.
Die Toranschlußklemme 27 ist über einen ohmschen Kontakt an ein n-Typ-Material oder einen Bereich 28 angeschlossen, welcher einen gleichrichtenden Übergang J1 mit dem p-Bereich 22 bildet. Dieser Übergang kann stark auf beiden Seiten dotiert werden, so daß der Übergang eine sehr niedrige Durchbruchsspannung hat, wie es in der F i g. 7 gezeigt ist. Die Stromvergrößerung durch das Tor ist eine allmähliche, wie es in der F i g. 7 gezeigt ist, um auf diese Weise eine genauere Steuerung und Zündung der Vorrichtung zu schaffen. In den aufgebauten Anordnungen wurde eine Torzündspannung von 3 bis 20 Volt benutzt bei einem allmählichen Anwachsen des Stroms vor dem Durchbruch bei einer Sperrung der Anode gegenüber der Kathode durch Spannungen von 400 bis 500 Volt.
In einer fertig aufgebauten Vorrichtung wurde ein· kreisförmiger n-Typ-Siliziumkristall, welcher eine Störstellenkonzentration von 10ls Atomen je Kubikzentimeter hat, mit Gallium diffundiert. Dieser Siliziumkristall war 11,5 mm im Durchmesser und 0,215 mm dick. Das Gallium wurde in den Kristall eindiffundiert, um einen p-Bereich 0,05 mm tief mit einer Oberflächenkonzentration von 1018 Atomen je Kubikzentimeter zu erzeugen. Eine Rinne 29, welche konzentrisch zum Kristall ist, wurde mit 10 mm in der Breite und 0,1 mm Tiefe geformt. Der Emitterring 21 und das Tor 28 wurden aus η-leitendem Gold mit 1019 Atomen je Kubikzentimeter hergestellt. Der n-Typ-Emitter und das Tor wurden in den Basisbereich mit 0,57 mm Tiefe einlegiert. Die Vorrichtung wurde geprüft, und es waren 4VoIt an dem Tor erforderlich, um bei einer Anoden-Kathoden-Spannung von 450 Volt zu zünden.
Andere Vorrichtungen, welche auch geprüft wurden, enthielten eine Vorrichtung, welche in derselben Weise wie oben aufgebaut waren, mit der Abweichung, daß das eindiffundierte Element Aluminium war, welches in den Siliziumkristall mit einer Oberflächenkonzentration von 101β Atomen je Kubikzentimeter eindiffundiert wurde. Wenn diese Vorrichtung geprüft wurde, erforderte sie für ihre Zündung bei einer anliegenden Anoden-Kathoden-Spannung von 450 Volt eine Steuerspannung von 22 Volt.
In beiden der obigen Vorrichtungen hatte die Torelektrode einen Durchmesser von 1,27 mm und war konzentrisch zum Kristall angebaut. Der Emitter 21 hatte einen inneren Durchmesser von 2,67 mm und einen äußeren Durchmesser von 8,9 mm.
Auf diese Weise war die erforderliche Gitterspannung, um die Vorrichtung zu zünden (Vbr), gleich 40 · ρ%, wobei ρ der Widerstandswert ist und gleich
-jtq— ist, wobei JV die Trägerkonzentration inj Atomen je Kubikzentimeter ist, Q die Ladung an Elektronen und μ die Beweglichkeit ist.

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Steuerbares Halbleiterbauelement mit einer pnpn- oder npnp-Zonenfolge und einer Steuerelektrode an einer mittleren Zone, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schutz gegen äußere Störspannungen durch Freigabe des Steuerstroms oberhalb eines Mindestspannungswerts im Steuerkreis zwischen der mittleren Zone und der Steuerelektrode eine Zone entgegengesetzten Leitungstyps zur Bildung eines im Steuerstromweg in Sperrichtung beanspruchten pn-Übergangs vorgesehen ist, so daß durch Wahl der Stärke der Dotierung der beiden aneinandergrenzenden Zonen oberhalb einer Spannung ein Lawinendurchbruch zur Freigabe des Steuerstroms stattfindet.
2. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers die eine Hauptelektrode und die Steuerelektrode zueinander konzentrisch angeordnet und einlegiert sind.
3. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche, an welcher die Steuerelektrode und die Hauptelektrode einlegiert sind, einem entgegengesetzt zu einer Kernzone des Halbleiterausgangskörpers dotierten Bereich angehört, der von einem die weitere Grenzfläche der Kernzone umgebenden gleichartig dotierten, mit der anderen Hauptelek-
trode verbundenen Bereich durch einen eingearbeiteten Graben abgetrennt ist.
4. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden die dotierte Kernzone umschließenden, entgegengesetzt dotierten Bereiche ursprünglich als eine Mantelzone an einem vordotierten Halbleiterausgangskörper durch. Eindiffusion ausgebildet sind.
5. Verfahren zum Herstellen eines steuerbaren Halbleiterbauelements nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Mantelzone entgegengesetzter Dotierung an dem dotierten Halbleiterausgangskörper durch Diffusion für ein Halbleiterstromtor mit hoher erforderlicher bzw. erwünschter Steuer-
spannung in der Größenordnung von etwa 2 bis 7 Volt mittels Gallium vorgenommen wird.
6. Verfahren zum'Herstellen eines steuerbaren Halbleiterbauelements nach Anspruch 1 oder einem der folgenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Mantelzone entgegengesetzter Dotierung an dem dotierten Halbleiterausgangskörper durch Diffusion für ein Halbleiterstromtor mit niedriger erforderlicher Steuerspannung in der Größenordnung von etwa 15 bis 25 Volt mittels Aluminium vorgenommen wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1063 279;
schweizerische Patentschrift Nr. 346 293.
Bei der Bekanntmachung der Anmeldung ist 1 Prioritätsbeleg ausgelegt worden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
609 507/266 2.66 © Bundesdruckerei Berlin
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