DE1211336B - Semiconductor rectifier with two layers of different resistivity - Google Patents
Semiconductor rectifier with two layers of different resistivityInfo
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Description
DEUTSCHESGERMAN
PATENTAMTPATENT OFFICE
AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL
Int. α.:Int. α .:
HOIlHOIl
Deutsche KL: 21g-11/02 German KL: 21g-11/02
Nummer: 1211336Number: 1211336
Aktenzeichen: S 72499 VIII c/21 g
Anmeldetag: 11. Februar 1961File number: S 72499 VIII c / 21 g
Filing date: February 11, 1961
Auslegetag: . 24. Februar 1966Delivery day:. February 24, 1966
Die Erfindung betrifft Halbleitergleichrichter mit einer einwandfreien Sperrcharakteristik.The invention relates to semiconductor rectifiers with perfect blocking characteristics.
Bekanntlich wird die Sperrcharakteristik eines PN-Übergangs eines HalbleitergleichriGhters aus Materialien wie Germanium oder Silizium stark durch den an die Oberfläche tretenden Rand der PN-Ubergangsfläche beeinflußt. Man hat deswegen versucht, den nach außen tretenden Rand abzuschrägen oder mit einer Schicht aus einem eigenleitenden Material zu bedecken, um dadurch höhere Durchbruchsspannungen zu erhalten bzw. um die Durchbruchsspannungen allein von dem im Inneren des Halbleiterkörpers gelegenen Teil des FN-Ubergangs abhängig zu machen. Die bisherigen Vorschläge konnten jedoch in keiner Weise befriedigen.As is known, the blocking characteristic of a PN junction of a semiconductor rectifier is eliminated Materials such as germanium or silicon are strongly affected by the edge of the Influenced PN transition area. For this reason, attempts have been made to bevel the edge protruding outwards or to cover it with a layer of an intrinsic material, thereby creating higher To obtain breakdown voltages or to reduce the breakdown voltages solely from the one inside to make the semiconductor body located part of the FN transition dependent. The previous proposals could not satisfy in any way.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Halberleitergleichrichter anzugeben, der eine gute Sperrkennlinie aufweist, und insbesondere einen Halbleitergleichrichter mit hoher Durchbruchsspannung herzustellen.The invention is therefore based on the object of specifying a semi-conductor rectifier that has a has good blocking characteristics, and in particular a semiconductor rectifier with high breakdown voltage to manufacture.
Die Erfindung bezieht sich somit auf einen Halbleitergleichrichter mit einem Halbleiterkörper mit einer PN-Übergangsfläche zwischen zwei Schichten von verschiedenem spezifischen Widerstand. Ein soleher Halbleitergleichrichter ist erfindungsgemäß so ausgebildet, daß zum Erhöhen der Durchschlagsfestigkeit gegenüber Oberflächendurchschlägen des PN-Übergangs die hochomigere Schicht an dem an die Oberfläche tretenden PN-Übergang einen streifenförmigen Randteil um den Halbleiterkörper mit verringerter Dicke aufweist, und daß die Dicke des Randteils senkrecht zur PN-Übergangsfläche gleich oder kleiner als die Dicke der Raumladungsschicht ist, die sich an der PN-Ubergangsfläche bei der Durchbruchsspannung in Sperrichtung ausbildet. Die Randzone kann dabei die Form eines flachen Plättchens oder eines Zackens haben.The invention thus relates to a semiconductor rectifier with a semiconductor body with a PN junction between two layers of different resistivity. Such a semiconductor rectifier is so according to the invention designed that to increase the dielectric strength against surface breakdowns of the PN junction, the high-ohmic layer at the PN junction coming to the surface has a strip-like shape Has edge portion around the semiconductor body with reduced thickness, and that the thickness of the Edge part perpendicular to the PN junction area equal to or smaller than the thickness of the space charge layer which is formed at the PN junction at the breakdown voltage in the reverse direction. the The edge zone can have the shape of a flat plate or a point.
Für den Fall, daß der Gleichrichter einen PIN-Übergang aufweist, kann die I-Schicht entweder an dem an die Oberfläche tretenden PI-Übergang oder an dem an die Oberfläche tretenden NI-Ubergang oder auch an beiden als streifenförmiger Randteil ausgebildet sein, deren Dicke gleich oder kleiner als die Dicke der Raumladungsschicht ist, die sich bei der Durchbruchsspannung im innenliegenden Teil der PN-Übergangsfläche ausbildet.In the event that the rectifier has a PIN junction, the I-layer can either be on the PI transition rising to the surface or the NI transition rising to the surface or be formed on both as a strip-shaped edge part, the thickness of which is equal to or less than is the thickness of the space charge layer, which is the breakdown voltage in the inner part the PN interface forms.
Die Erfindung wird nun auch an Hand der Abbildungen ausführlich beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten oder Merkmale zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können.The invention will now also be described in detail with reference to the figures, all of which consist of The details or features of the solution shown in the description and the illustrations can contribute to the task within the meaning of the invention.
Halbleitergleichrichter mit zwei Schichten von
verschiedenem spezifischem WiderstandSemiconductor rectifier with two layers of
different resistivity
Anmelder:Applicant:
Shindengen Kogyo Kabushiki Kaisha, TokioShindengen Kogyo Kabushiki Kaisha, Tokyo
Vertreter:Representative:
Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,Dr.-Ing. W. Reichel, patent attorney,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13Frankfurt / M. 1, Parkstrasse 13th
Als Erfinder benannt:Named as inventor:
Takashi Kan,Takashi Kan,
Nakai, Hanno-Shi, Saitama-Ken (Japan)Nakai, Hanno-Shi, Saitama-Ken (Japan)
Beanspruchte Priorität:Claimed priority:
Japan vom 12. Februar 1960 (4164)Japan February 12, 1960 (4164)
A b b. 1 zeigt einen Schnitt durch einen üblichen Germaniumgleichrichter vom Legierungstyp;A b b. Fig. 1 shows a section of a conventional alloy type germanium rectifier;
Abb. 2A zeigt ein zu dem Gleichrichter der Abb. 1 gehöriges Ersatzschaltbild;Fig. 2A shows a rectifier for the Fig. 1 corresponding equivalent circuit diagram;
Abb. 2B ist eine graphische Darstellung von Kennlinien des Gleichrichters in Abb. 1;FIG. 2B is a graphic representation of FIG Characteristic curves of the rectifier in Fig. 1;
Abb. 3 zeigt einen Schnitt durch einen Germaniumgleichrichter nach der Erfindung;Fig. 3 shows a section through a germanium rectifier according to the invention;
Abb. 4 zeigt einen Schnitt durch einen Gleichrichter zum Messen des Widerstands des Bauelementes in Abb. 3;Fig. 4 shows a section through a rectifier for measuring the resistance of the component in Fig. 3;
Abb. 5 zeigt eine graphische Darstellung der Meßergebnisse, die mit dem Gleichrichter der A b b. 4 erzielt wurden;Fig. 5 shows a graphic representation of the measurement results obtained with the rectifier of A b b. 4th have been achieved;
A b b. 6 zeigt einen Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Germaniumgleichrichters nach der Erfindung;A b b. 6 shows a section through another embodiment a germanium rectifier according to the invention;
Abb. 7 zeigt einen Schnitt durch einen Transistor, und dieFig. 7 shows a section through a transistor, and the
Abb. 8A, 8B, 8C zeigen Schnitte durch Halbgleichrichter mit PIN-Übergängen gemäß der Erfindung. Figs. 8A, 8B, 8C show sections through half rectifiers with PIN transitions according to the invention.
Die A b b. 1 zeigt einen üblichen Germaniumgleichrichter vom Legierungstyp. Er enthält Schichten In aus Indium, PG aus P-Germanium, NG aus N-Germanium und B aus einem Basismetall. Der Grund für das Entfernen des Randes P des PN-Ubergangs durch Ätzen besteht darin, daß sonst ein Bereich unvollständiger Gleichrichtung in diesem Teil vorhanden wäre. Aber selbst wenn diese Maßnahme getroffen ist, bewirken noch anhaftende Ionen oderThe A b b. Fig. 1 shows a conventional alloy type germanium rectifier. It contains layers of In from indium, PG from P-germanium, NG from N-germanium and B from a base metal. The reason for removing the edge P of the PN junction by etching is that otherwise there would be an area of incomplete rectification in this part. But even if this measure is taken, ions still attached cause or
609 509/273609 509/273
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die umgebende Atmosphäre, daß in Sperrichtung die Kennlinien der Raridbereiche des PN-Ubergangs schlechter als die Kennlinien des innenliegenden PN-Übergangs b sind. Wenn an den in der A b b. 1 gezeigten PN-Übergang eine Spannung in Sperrrichtung angelegt wird, dann können die ■Gesamtkennlinien (Kennlinie 3), die sich -aus den Kennlinien des Randbereichs des PN-Übergangs (Kennlinie 1) und den Kennlinien des innenliegenden PN-Übergangs (Kennlinie .2) zusammensetzen,. gemessen werden, wobei das äquivalente Ersatzschaltbild der Abb. 2A und die Kennlinien der Abb. 2B entstehen. the surrounding atmosphere that in the reverse direction the characteristics of the rare areas of the PN junction are worse than the characteristics of the internal PN junction b. If at the in the A b b. 1 a voltage is applied in the reverse direction, then the ■ overall characteristics (characteristic 3), which result from the characteristics of the edge area of the PN transition (characteristic 1) and the characteristics of the internal PN transition (characteristic .2 ) put together,. The equivalent circuit diagram in Fig. 2A and the characteristic curves in Fig. 2B arise.
Bei.dem in der Abb. 1 gezeigten PN-Übergang, ist angenommen, daß die elektrischen Feldstärken, die .an der Randzone α des PN-Übergangs und an den inneren Bereich des PN-Ubergangs b anliegen, etwa gleich sind.In the PN junction shown in Fig. 1, it is assumed that the electric field strengths which are applied to the edge zone α of the PN junction and to the inner region of the PN junction b are approximately the same.
Bei einem PN-Übergang nach der Erfindung.ist jedoch die elektrische Feldstärke, die an den Randbereich des PN-Übergangs anliegt, wesentlich kleiner als diejenige elektrische Feldstärke, die an dem inneren Bereich des PN-Übergangs anliegt, wodurch der oben beschriebene Nachteil üblicher PN-Ubergänge vermieden'wird.In a PN junction according to the invention. Is however, the electric field strength applied to the edge area of the PN junction is much smaller than that electric field strength which is applied to the inner region of the PN junction, whereby the disadvantage of conventional PN transitions described above is avoided.
Wenn, wie es in der Abb. 3 gezeigt ist, eine Schicht mit hohem Widerstand aus N-Germanium C zwischen den Randbereich des PN-Übergangs an der Oberfläche der Zonen und das Basismetall B gelegt wird, dann ist die Folge, daß das Basismetall B von dem an der Oberfläche exponierten Randbereich a des PN-Ubergangs isoliert ist. Deshalb können die Kennlinien des Randbereichs α des PN-Übergangs vernachlässigt werden, weil kein Strom mehr zwischen den beiden genannten Teilen fließt. Nur. die Kennlinien des innenliegenden Bereichs des PN-Übergangs (A b b. 2) treten dann als Gesamtkennlinien in Erscheinung,. wodurch die Kennlinien der Halbleitergleichrichter in Sperrichtung verbessert werden.If, as shown in Fig. 3, a high resistance layer of N-germanium C is placed between the edge area of the PN junction on the surface of the zones and the base metal B , the result is that the base metal B. is isolated from the edge area a of the PN junction exposed on the surface. Therefore, the characteristics of the edge area α of the PN junction can be neglected because no more current flows between the two parts mentioned. Just. the characteristics of the inner area of the PN junction (A b b. 2) then appear as overall characteristics. whereby the characteristics of the semiconductor rectifier in the reverse direction are improved.
Die obenerwähnte Schicht aus N-Germanium mit hohem Widerstand wird in der folgenden Weise erhalten. An einem PN-Übergang wird stets eine Schicht, die als Raumladungsschicht bezeichnet wird, ausgebildet. Da- fast keine Elektronen oder Löcher in dieser Schicht vorhanden sind, besitzt sie die elektrischen Eigenschaften eines Isolators. Die Dicke dieser Raumladungsschicht beträgt maximal etwa 300 Mikron und ändert sich bekanntlich in Abhängigkeit von Größen wie dem spezifischen Widerstand des Halbleiters und der angelegten Spannung. Folglich ist es technisch einfach, eine isolierende Schicht vorzusehen, indem man die Raumladungsschicht auf der Seite des höheren spezifischen Widerstandes des PN-Übergangs verwendet. Wenn dann die Dicke der isolierenden Schicht C aus N-Germanium, wie es in .der Abb. 3 gezeigt ist, gleich oder kleiner als die Dicke dieser Raumladungsschicht gemacht wird, dann wird das obengenannte Ziel erreicht, da diese Schicht die Eigenschaften eines Isolators besitzt.The above-mentioned high resistance N-germanium layer is obtained in the following manner. A layer, which is referred to as a space charge layer, is always formed at a PN junction. Since there are almost no electrons or holes in this layer, it has the electrical properties of an insulator. The thickness of this space charge layer is a maximum of approximately 300 microns and, as is known, changes as a function of variables such as the specific resistance of the semiconductor and the applied voltage. As a result, it is technically easy to provide an insulating layer by using the space charge layer on the higher resistivity side of the PN junction. Then, if the thickness of the insulating layer C made of N-germanium, as shown in Fig. 3, is made equal to or smaller than the thickness of this space charge layer, then the above-mentioned object is achieved, since this layer has the properties of an insulator .
Unter Berücksichtigung der obigen Überlegungen ist z. B. ein PN-Gleichrichter aus Germanium vom •Legierungstyp und der Konstruktion hergestellt worden, die in Abb. 4 angegeben ist, wobei der Durchmesser des Indiums /n.12 mm und der Durchmesser der Basismetallplatte B 8 mm beträgt. Die Randzone des PN-Übergangs ist mit Nickel Ni plattiert, um den PN-Übergang kurzzuschließen. Die Dicke,Xdes"N-Ge;rmaniums· C ist,durch chemisches Ätzen veränderbar. Als Ergebnis erhält man die in A b b. 5 gezeichneten Kennlinien. Die Kennlinien für X gleich 50 Mikron in Abb. 5, die einen gesätitigten Typ. anzeigt, ergibt sich'vermutlich auf Gnjnd 4er: Tatsache,, däß eine, vollständige. Isolierung erreicht ist, da die Dicke des der Oberfläche ausgesetzten N-Germänhüns einen Wert erreicht hat, der gleich oder kleiner als die Dicke der Raumladungsschicht bei der speziell angelegten Spannung ist.Taking into account the above considerations, e.g. For example, a PN rectifier has been made of alloy type germanium and of the construction shown in Fig. 4, the diameter of the indium being 12 mm and the diameter of the base metal plate B being 8 mm. The edge zone of the PN junction is plated with nickel Ni in order to short-circuit the PN junction. The thickness, X, of the "N-Ge; rmanium · C is changeable by chemical etching. The result is the characteristic curves drawn in Fig. 5. The characteristic curves for X equal to 50 microns in Fig. 5, which are a saturated type. This probably results in the following : fact, that complete insulation has been achieved, since the thickness of the N-Germänhüns exposed to the surface has reached a value which is equal to or less than the thickness of the space charge layer in the case of the specially applied layer Tension is.
Nachdem die an die Oberfläche tretende Schicht C aus N-Germanium, die in A b b. 4 gezeigt ist, vollständig und ein Teil des P-Germaniums PG ebenfalls geätzt ist, wird die Randzone in einer gekrümmten Form, wie es in der A b b. 6 eingezeichnet ist, geätzt. Deshalb wird eine äußerst dünne Schicht C von exponiertem N-Germanium erzeugt, und es ergibt sich die gleiche Kennlinie wie diejenige, die dem Fall X gleich 50 Mikron entspricht.After the layer C made of N-germanium, which is shown in A b b. 4 is completely etched and part of the P-germanium PG is also etched, the edge zone will be in a curved shape as shown in the A b b. 6 is shown, etched. Therefore, an extremely thin layer C of exposed N-germanium is produced, and the characteristic curve is the same as that corresponding to the case where X is 50 microns.
ao Bei einem PN-Übergang, der .die in der Abb. 4 gezeigte Form besitzt, ist praktisch kein elektrisches •Feld in der an die Oberfläche tretenden Randzone festzustellen. Fast das gesamte elektrische Feld hegt ■an der N-Germaniumschicht. Da daher die Kennlinien der exponierten Randzone des PN-Ubergangs praktisch vernachlässigbar sind, sind die Kennlinien in Sperrichtung wesentlich verbessert. Da der Einfluß des PN-Übergangs, der der umgebenden Luft ausgesetzt ist, eliminiert ist, ist außerdem der Einnuß der umgebenden Atmosphäre wesentlich verringert. ao In the case of a PN junction, the one shown in Fig. 4 has the shape shown, there is practically no electrical • field in the edge zone rising to the surface ascertain. Almost the entire electric field is harbored ■ on the N-germanium layer. Since therefore the characteristics of the exposed edge zone of the PN junction are practically negligible, are the characteristics Much improved in the blocking direction. Because the influence of the PN junction, that of the surrounding air is eliminated, the impact of the surrounding atmosphere is also substantially reduced.
Im Gegensatz zu üblichen Halbleiterbauelementen, die in einen luftdichten Behälter eingeschlossen werden müssen, um zu verhindern, daß sie durch Größen wie Feuchtigkeit und Gase in der umgebenden Atmosphäre beeinflußt werden, benötigt der Gleichrichter nach der Erfindung keine derartige' hermetische Gasabdichtung. Ferner ist zu bemerken, daß der eben erwähnte Vorteil des Gleichrichters nach der Erfindung nicht nur für sich, sondern auch für die Betriebssicherheit des Gleichrichters während einer langen Verwendungszeit und bei der Herstellungstechnik kennzeichnend ist. Obwohl sich die bisherige Beschreibung nur auf Germaniumgleichrichter vom Legierungstyp bezog, ist die Erfindung auch allgemein auf Bauelemente mit einem PN-Übergang anwendbar, die nach der Legierungsmethode, Diffusionsmethode, durch Ziehen und nach anderen Verfahren hergestellt sind. Außerdem ist die Erfindung nicht auf Gleichrichter beschränkt, sondern kann auch für Halbleiterbauelemente wie Transistoren mit kombinierten PN-Übergängen verwandt werden, wie in der A b b. 7 gezeigt ist.In contrast to conventional semiconductor components, which are enclosed in an airtight container need to prevent them from getting into the surrounding area by factors such as moisture and gases Atmosphere are influenced, the rectifier according to the invention does not need such a 'hermetic Gas seal. It should also be noted that the above-mentioned advantage of the rectifier after of the invention not only for itself, but also for the operational safety of the rectifier during a long period of use and is characteristic of the manufacturing technique. Although the previous Description related only to alloy type germanium rectifiers, the invention is also general Applicable to components with a PN junction, which are made according to the alloy method, diffusion method, by drawing and other processes. In addition, the invention not limited to rectifiers, but can also be used for semiconductor components such as transistors can be used with combined PN junctions, as shown in A b b. 7 is shown.
Zusätzlich zu dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer dünnen Schicht, bei dem nach dem Legierungsvorgang die Schichtdicke durch Ätzen vermindert wird, kann der Teil, in dem die dünne Schicht hergestellt werden soll, auch vor dem Legierungsvorgang in seiner Dicke vermindert werden. Die dünne Schicht kann dann gleichzeitig mit dem Legierungsvorgang hergestellt werden.In addition to the above-described method of making a thin layer, in which after the alloying process, the layer thickness is reduced by etching, the part in which the thin layer is to be produced, also be reduced in thickness before the alloying process. The thin layer can then be produced simultaneously with the alloying process.
Obwohl bisher nur Fälle betrachtet wurden, bei denen eine an die Oberfläche tretende Halbleiterschicht auf der Seite des PN-Übergangs mit hohem spezifischem Widerstand aufgebracht ist, kann auch eine gewisse Wirkung erwartet werden, wenn die genannte Schicht auf der Seite mit dem geringeren spezifischen Widerstand aufgebracht wird. Folglich istAlthough so far only cases have been considered in which a semiconductor layer emerges on the surface is applied on the side of the PN junction with high resistivity, can also some effect can be expected if the said layer is on the side with the lesser specific Resistance is applied. Hence is
es in manchen Fällen auch möglich, dünne Schichten aus Halbleitermaterial sowohl auf der Seite der Schicht mit hohem spezifischem Widerstand als auch auf der Seite mit niedrigerem spezifischem Widerstand vorzusehen.In some cases it is also possible to have thin layers of semiconductor material on both the side of the Layer with high resistivity as well as on the side with lower resistivity to be provided.
Da eine eigenleitende Schicht / bei Betrachtung eines PIN-Ubergangs, ähnlich wie die Seite mit höherem spezifischem Widerstand im Falle eines PN-Übergangs behandelt werden kann, kann auch die gleiche Wirkung erzielt werden, wenn eine exponierte dünne Schicht auf der eigenleitenden Seite des PI-Übergangs vorgesehen wird. In der Abb. 8 sind einige Ausführungsbeispiele mit PIN-Übergängen gezeigt, die nach der Erfindung mit dünnen isolierenden Schichten versehen sind.As an intrinsic layer / when considering a PIN transition, similar to the side with higher resistivity in the event of a PN junction can also be dealt with the same effect can be obtained if an exposed thin layer is on the intrinsic side of the PI transition is provided. Fig. 8 shows some exemplary embodiments with PIN transitions shown, which are provided according to the invention with thin insulating layers.
Claims (4)
632;German exploratory documents No. 1062 821,
632;
285,1197 172, 1200 738;French patent specification No. 1194 837,
285, 1197 172, 1200 738;
388;U.S. Patents Nos. 2,770,761, 2,789,258,
388;
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