DE1269252B - Lichtempfindlicher Halbleiterschalter und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4ffl7WW> PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl :

HOIl

Deutschem.: 21g-29/10

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

1269 252
P 12 69 252.3-33
2. Mai 1962
30. Mai 1968

Die Erfindung betrifft einen lichtempfindlichen Halbleiterschalter, dessen Halbleiterkörper aus vier aufeinanderfolgenden Schichten abwechselnd unterschiedlicher Leitfähigkeit besteht, deren Berührungsflächen einen mittleren und zwei äußere pn-Übergänge bilden, und dessen äußere Schichten mit je einer ohmschen Anschlußelektrode versehen sind.

Die Wirkungsweise der Schalteranordnung ist folgende: Wenn ein Strom durch den in Sperrichtung gepolten mittleren pn-übergang fließt, injizieren die äußeren pn-Übergänge Minoritätsladungsträger in die mittleren Schichten. Die Ladungsträger der angrenzenden äußeren pn-Ubergänge überschwemmen die mittleren Schichten, von denen jede als Basisschicht einer dreischichtigen Anordnung angesehen werden kann, als Minoritäten. Dieser Stromfluß bewirkt ein Ansteigen des Stromverstärkungsfaktors <x in den Basisschichten bis zur Sättigung und Einschaltung der Anordnung. Der mittlere pn-übergang wird dabei in einen in Flußrichtung gepolten Einschaltzustand ao gebracht.

Der Zündstrom kann durch folgende Vorgänge ausgelöst werden:

1. Ansteigen der Spannung am mittleren pn-übergang bis auf einen Wert, bei dem die am mittleren pn-übergang bestehenden elektrischen Felder ausreichen, um eine Avalanche-Vervielfachung zu verursachen.

2. Durch Anlegen einer ohmschen Elektrode an eine der mittleren Basisschichten und Injizieren von Minoritätsladungsträgern in diese Basisschicht oder

3. Erzeugen eines Stromflusses durch auf den mittleren ρη-Übergäng einwirkendes Licht, wodurch Ladungsträger unmittelbar in der Raumladungszone oder innerhalb des Bereiches einer Diffusionslänge von dieser entfernt erzeugt werden. Die Ladungsträger durchlaufen die Übergangszone und verursachen einen Stromfluß durch die Anordnung, welcher einen Injektionsstrom von den äußeren emittierenden pn-Übergängen in die Basisschichten zur Folge hat.

Wenn die Anordnung durch Ansteigen der Summe der α-Werte der beiden dreischichtigen Strukturen über eins in den Zustand niedrigen Widerstandes geschaltet hat, verbleibt sie in diesem Zustand, bis der Stromfluß durch die Anordnung auf einen Wert sinkt, bei welchem λ kleiner als eins wird.

Es ist zwar ein Halbleiterschalter bekannt, dessen Emitter in zwei Teilemitter aufgeteilt ist, um eine Schaltmöglichkeit auch für Wechselstrom zu erhal-Lichtempfindlicher Halbleiterschalter und
Verfahren zu seiner Herstellung

Anmelder:

Deutsche ITT Industries
Gesellschaft mit beschränkter Haftung,
7800 Freiburg, Hans-Bunte-Str. 19

Als Erfinder benannt:

Kurt Hubner, Palo Alto, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 18. Mai 1961 (111 009) ■

ten. Bei der Aufteilung der Emitterfläche entstehen dabei jedoch lediglich aus geometrischen Gründen zwei kleinere Teilemitter.

Ferner ist ein anderer Halbleiterschalter bekannt, bei dem ein äußerer emittierender pn-übergang mehrere Male größer ist als der durchschlagende Bereich des mittleren pn-Übergangs, wodurch der Strompfad verlängert wird. Der durch den dadurch gegebenen erhöhten Widerstand hervorgerufene, erhöhte Spannungsabfall führt zu einer Verminderung der notwendigen Schaltintensität.

Außerdem ist es bekannt, Vierschichtanordnungen der bekannten Typen als lichtempfindliche Schalter zu verwenden. Wenn der mittlere pn-übergang Lichtenergie ausgesetzt wird, die im ultravioletten, sichtbaren oder nahen Ultrarot-Gebiet des Spektrums liegt, entstehen Löcher-Elektronenpaare. Die in der Raumladungszone des mittleren pn-Überganges oder in unmittelbarer Nachbarschaft dieses Überganges entstehenden Löcher-Elektronenpaare durchlaufen den mittleren pn-übergang. Dadurch nehmen Stromfluß und Stromdichte der Anordnung zu. Bei Anordnungen, in welchen der x-Wert mit dem Strom ansteigt, nimmt auch der α-Wert der beiden dreischichtigen transistorähnlichen Halbleiterkörper zu. Bei geeigneter Lichtintensität kann der gesamte Stromfluß einen Wert annehmen, bei welchem die Stromdichte ausreicht, um die Summe der α-Werte größer als eins werden zu lassen. Die Anordnung schaltet in einen Zustand niedrigen Widerstandes um. Die Anordnung wird durch Anlegen

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einer Spannung unterhalb der Durchbruchs- bzw. Avalanche-Spannung am mittleren pn-Ubergang betrieben. Wenn die passende Beleuchtungsstärke erreicht ist, fließt ein Strom durch die Anordnung, der eine Stromdichte ergibt, bei welcher die Summe der «-Werte größer als eins ist und die Anordnung in ihren Zustand niedrigen Widerstandes umschaltet. Der lichtempfindliche Halbleiterschalter besitzt zwei äußere Emitterübergänge und einen Kollektor-

F i g. 7 A bis 7 F zeigen Verfahrensschritte zum Herstellen eines lichtempfindlichen Halbleiterschalters des in F i g. 1 und 2 dargestellten Typs;

Fi g, 8 zeigt eine Schaltanordnung mit einem licht-5 empfindlichen Schalter zum Steuern der an einer Last liegenden Leistung.

In den F i g. 1 und 2 ist ein lichtempfindlicher Halbleiterschalter dargestellt, bei welchem drei aufeinanderfolgende Schichten 11,12 und 13 pn-Über-

bzw. mittleren Übergang von kleinerer Flächenaus- io gänge 14 und 16 bilden. Eine Zone bzw. Schicht 17 dehnung. Bei dieser Anordnung sind relativ hohe ist in die Schicht 13 eingebettet und bildet einen Lichtstärken notwendig, um die zum Einschalten be- pn-übergang 18 mit dieser. Dieser pn-übergang nötigte Stromdichte zu erreichen. Anordnungen der weist sowohl in der x- als auch in der y-Richtung bekannten Art reagieren bei der Erzeugung von der Anordnung geringere Abmessungen auf als der Löcher-Elektronenpaaren auch auf Wärmeenergie. 15 mittlere bzw. Kollektorübergang. Es werden also zwei Daher schaltet eine solche Anordnung sowohl bei pn-Übergänge 14 und 16 mit einer relativ großen Wärme- als auch bei Lichtenergie. Fläche im Verhältnis zu der Fläche des pn-Über-

Die vorliegende Erfindung bezieht sich somit auf ganges 18 gebildet. Bei der dargestellten Anordnung einen lichtempfindlichen Halbleiterschalter, dessen bestehen die Schichten 11,12,13 und 17 aus n-, p-, Halbleiterkörper aus vier aufeinanderfolgenden 20 n- und p-leitendem Halbleitermaterial. Es sei darauf Schichten abwechselnd unterschiedlicher Leitfähig- hingewiesen, daß selbstverständlich die Anordnung keit besteht, deren Berührungsflächen einen mittleren sowohl eine pnpn-Struktur als auch die oben be- und zwei äußere pn-Übergänge bilden, und dessen schriebene npnp-Struktur aufweisen kann. Zum Anäußere Schichten, von denen mindestens eine mit Schluß an eine Schaltung werden an den äußeren der benachbarten Schicht eine kleinere Berührungs- 25 Schichten 11 und 17 ohmsche Kontakte angebracht, fläche aufweist als die Fläche des mittleren pn-Über- Nach der Schaltungsanordnung in F i g. 8 ist der

ganges, mit je einer ohmschen Anschlußelektrode Schalter in Serie mit einer Batterie 26 und einer Last versehen sind. 28 geschaltet. Die einfallende Lichtenergie ist durch

Durch die Erfindung soll ein verbesserter licht- die Pfeile 29 angedeutet. Die Anordnung arbeitet in empfindlicher Halbleiterschalter mit verhältnismäßig 30 Abhängigkeit von der Lichtenergie und verbindet hoher Empfindlichkeit erzielt werden. Er soll im daher wahlweise die Last mit der Batterie oder einer

Gegensatz zum bekannten lichtempfindlichen Halbleiterschalter relativ empfindlich gegenüber Lichtenergie und relativ unempfindlich gegenüber Wärmeenergie sein.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die Fläche mindestens eines der äußeren pn-Übergänge weniger als ein Viertel bis zu einem Tausendstel der Fläche des mittleren pn-Überganges beträgt.

anderen Energiequelle. Vierschichtige Halbleiteranordnungen sind für relativ hohe Leistungen geeignet, da sie einen relativ niedrigen Spannungsabfall 35 aufweisen und die Last daher direkt mit der vierschichtigen Anordnung verbunden werden kann, ohne daß Relais oder sonstige ähnlich wirkende Elemente zwischen die das lichtempfindliche Element enthaltende Schaltung und die Schaltung, in der die Last

Durch die Wahl der Abmessungen nach der Er- 40 mit der Leistung beaufschlagt wird, geschaltet werfindung wird die Stromdichte an mindestens einem den müssen.

äußeren pn-übergang wesentlich höher als bei den Die Wirkungsweise des lichtempfindlichen Halbanderen Übergängen. Der Erfindung liegt damit die leiterschalters nach der Erfindung wird im Zusam-Erkenntnis zugrunde, daß die Lichtempfindlichkeit menhang mit F i g. 1 erläutert. Durch Photonen durch die erfindungsgemäße Beeinflussung der Flä- 45 innerhalb der Raumladungszone des Kollektorüberchenverhältnisse wesentlich gesteigert werden kann. ganges 16 erzeugte Ladungsträger durchlaufen diesen Der lichtempfindliche Halbleiterschalter nach der Er- Übergang und bewirken einen Stromfluß durch die findung bedarf somit zur Erhöhung der Lichtemp- Anordnung.

findlichkeit keiner zusätzlicher Schaltungsmaßnah- Ebenso können Löcher-Elektronenladungsträger

men, sondern stellt von vornherein durch seinen Auf- 50 bzw. Löcher-Elektronenpaare, die durch die Lichtbau ein empfindliches Bauelement dar. Dadurch ist energie des Abstandes innerhalb einer Diffusionser sehr einfach verwendbar. länge von der Raumladungszone um den mittleren

Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden pn-Ubergäng gebildet werden, durch Diffusion in die im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert: Raumladungszone gelangen und sich innerhalb dieser F i g. 1 stellt den Querschnitt durch einen lichtemp- 55 Zone ausbreiten. Der in der Raumladungszone 16 findlichen vierschichtigen Halbleiterschalter entlang erzeugte Stromfluß breitet sich zwangsweise über die der Linien 1-1 der F i g. 2 dar; gesamte weitere Anordnung aus. Der durch den mitt-

F i g. 2 zeigt den Grundriß eines vierschichtigen leren pn-übergang fließende Strom weist eine relativ Halbleiterschalters gemäß F i g. 1; geringe Dichte auf, während in dem äußeren Über-

F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines 60 gang 18 wegen dessen kleinerer Fläche gegenüber lichtempfindlichen Halbleiterschalters nach der Er- den Übergängen 14 und 16 eine relativ große Stromfindung; dichte entsteht. Der in die Zone 18 fließende Strom

F i g. 4 zeigt den Grundriß einer Halbleiteranord- wird zusammengedrängt. Diese hohe Stromdichte ernung nach F i g. 3; gibt einen relativ hohen α-Wert, obwohl in der Raum-

F i g. 5 zeigt einen weiteren lichtempfindlichen 65 ladungszone des mittleren pn-Überganges nur ver-Halbleiterschalter; hältnismäßig kleine Ströme erzeugt wurden. Durch

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines diese Verhältnisse kann der Stromfluß durch die An-Halbleiterschalters; Ordnung einen Wert erreichen, der trotz verhältnis-

mäßig geringer Lichtenergie zum Einschalten der Anordnung ausreicht.

Auf diese Art wird ein lichtempfindlicher Halbleiterschalter erhalten, in welchem eine relativ große Fläche für die Erzeugung von Ladungsträgern durch Lichtenergie vorhanden ist. Der gesamte pn-übergang 16 wird dem Lichteinfall ausgesetzt, das von den Seiten durch die η-leitende Schicht 13 in die Raumladungszone des pn-Überganges eindringt. Ein verhältnismäßig schmal ausgebildeter Emitter-pn-Übergang läßt die Stromdichte durch den pn-übergang 18 gegenüber der in dem pn-übergang 16 wesentlich ansteigen. Der α-Wert dieses Teiles der Anordnung steigt so stark an, daß die Summe der α-Werte der beiden Transistorstrukturen größer als eins wird. Die Zunahme der Stromdichte zwischen dem mittleren und dem äußeren Übergang ist der Fläche proportional.

Die in F i g. 1 dargestellte Anordnung kann nach den in F i g. 7 A bis 7 F dargestellten Verf ahrensschrittten hergestellt werden. Zu diesem Zweck wird ein Plättchen aus p-leitendem Halbleitermaterial gemäß F i g. 7 A einem Diffusionsprozeß unterworfen, bei dem η-leitende Diffusionsschichten 11 α und 13 a gemäß F i g. 7 B erzeugt werden. Während des Diffusionsprozesses wird gleichzeitig eine Oxydschicht 31 auf der Oberfläche der Anordnung erzeugt. Die Anordnung wird dann in geeigneter Weise durch eine ätzfeste Schicht maskiert und einem Ätzprozeß ausgesetzt, durch welchen die frei gelassenen Teile der Oxydschicht entfernt werden, so daß eine Mehrzahl von öffnungen 32, wie sie in F i g. 7 C dargestellt sind, entstehen. In einem weiteren Diffusionsprozeß werden η-leitende Zonen 17 α gemäß F i g. 7 D eindiffundiert. Die Anordnung kann dann gereinigt und unterteilt werden, so daß eine Mehrzahl von Halbleiterkörpern, wie sie in F i g. J E dargestellt sind, entstehen. Anschließend können ohmsche Kontakte 34 an der äußeren Schicht gemäß F i g. 7 F angebracht werden.

In den F i g. 3 und 4 ist ein anderer Halbleiterschalter mit den Merkmalen der Erfindung dargestellt. Die Anordnung in F i g. 3 ist in der üblichen Weise durch Ausbildung von vier aufeinanderfolgende Schichten hergestellt, bei der benachbarte Schichten entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisen. Anschließend wird die Anordnung mit einem ätzfesten Material maskiert, z. B. einem Wachs oder ähnlichem Material und geätzt, wobei die frei gelassenen Teile vollständig entfernt werden. Der Ätzvorgang wird so lange durchgeführt, bis das nicht bedeckte Material bis unterhalb des pn-Überganges 18 b abgetragen ist. Auf diese Art wird in F i g. 3 an den nicht bedeckten Stellen die gesamte n-leitende Schicht entfernt und ebenso ein kleiner Teil der p-leitenden Schicht. Es liegt damit ein relativ großer Kollektor-pn-Übergang 16 b vor, in welchem die Ladungsträger innerhalb der Raumladungszone erzeugt werden und ein entsprechender Stromfluß durch den pn-übergang entsteht. Ferner liegt ein verhältnismäßig kleiner Emitter-pn-Übergang 18 b vor, durch welchen ein ausreichender Strom in die benachbarte Basiszone injiziert wird. In der Nähe des Emitterüberganges 18 b ist die Stromdichte sehr hoch und reicht aus, um den «-Wert so stark anwachsen zu lassen, daß die Summe der «-Werte der beiden Transistorstrukturen größer als eins wird. Wenn an der Anordnung eine Spannung wesentlich unterhalb der Avalanche-Spannung für den mittleren pn-übergang liegt, wird diese eingeschaltet.

Es wurde festgestellt, daß bei Anordnungen gemäß F i g. 3 und 4 der Ätzprozeß so lange fortgesetzt werden kann, bis die p-leitende Schicht verhältnismäßig dünn ist. Photonen, die auf die obere Oberfläche auftreffen, was schematisch durch den Pfeil 36 in der Zeichnung dargestellt ist, dringen bis zur Raumladungszone des Kollektorüberganges 16 b vor

ίο und erzeugen dort Löcher-Elektronenpaare, welche sich über den gesamten pn-übergang ausbreiten und, wie bereits oben beschrieben, einen Stromfluß durch die Anordnung verursachen.

Die Empfindlichkeit kann weiter gesteigert werden, wenn gemäß F i g. 5 zwei Zonen mit kleinflächigen Emitter-pn-Übergängen eingefügt werden. Es liegt damit ein großflächiger Kollektor-pn-Übergang 16 c vor zwischen einem Paar verhältnismäßig kleiner Emitter-pn-Ubergänge 14 c und 18 c. Die Anord-

ao nung nach F i g. 5 hat eine wesentlich höhere Empfindlichkeit als die von F i g. 1.

In F i g. 6 ist eine Anordnung dargestellt, die denen in F i g. 3 und 4 ähnelt. In der Anordnung nach F i g. 6 sind die oberen und unteren Oberflächen erhaben ausgebildet, wodurch verhältnismäßig schmale Emitter-pn-Übergänge 14 d und 18 d mit einem verhältnismäßig großen Kollektor-pn-Übergang 16 d entstehen. Die η-leitenden und p-leitenden Zonen bilden einen Kollektor-pn-Übergang 16 und können verhältnismäßig dünn ausgebildet werden,wodurch die Empfindlichkeit gesteigert wird, da das Eindringen von Lichtenergie (Photonen) an den Kollektor-pn-Übergang erleichtert wird.
Bei jeder der beschriebenen Anordnungen bewirkt der kleine Emitter-pn-Übergang ein wesentliches Anwachsen der Stromdichte am Emitter-pn-Übergang, so daß mit verhältnismäßig kleinen Lichtintensitäten geschaltet werden kann.

Grundsätzlich kann nach der Erfindung ein lichtempfindlicher Halbleiterschalter hergestellt werden, der eine verhältnismäßig hohe Empfindlichkeit aufweist. Diese Steigerung der Empfindlichkeit wird erhalten durch Ausbildung eines verhältnismäßig großen Kollektor-pn-Uberganges für die Erzeugung der Ladungsträger bei Einwirkung von Lichtenergie (Photonen) mit mindestens einem Emitter-pn-Übergang verhältnismäßig kleiner Fläche, wodurch der durch die Anordnung fließende Strom konzentriert wird. Das Ansteigen der Stromdichte hat verhältnismäßig hohe α-Werte für die entsprechenden Transistoren zur Folge, so daß die Summe der α-Werte der beiden Transistoren, welche die Schalteranordnung bilden, bereits bei verhältnismäßig niedriger Lichtintensität größer als eins wird.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Lichtempfindlicher Halbleiterschalter, dessen Halbleiterkörper aus vier aufeinanderfolgenden Schichten abwechselnd unterschiedlicher Leitfähigkeit besteht, deren Berührungsflächen einen mittleren und zwei äußere p-n-Übergänge bilden, und dessen äußere Schichten, von denen mindestens eine mit der benachbarten Schicht eine kleinere Berührungsfläche aufweist als die Fläche des mittleren p-n-Überganges, mit je einer ohmschen Anschlußelektrode versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche mindestens eines der äußeren p-n-Übergänge we-

niger als ein Viertel bis zu einem Tausendstel der Fläche des mittleren p-n-Überganges beträgt.

2. Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere Schicht in die daran anschließende mittlere Schicht entgegengesetzter Leitfähigkeit eingebettet ist.

3. Halbleiterschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei äußere Schichten in die jeweils anschließende Schicht entgegengesetzter Leitfähigkeit eingebettet sind.

4. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterschalters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Abätzen eines Teils der einen äußeren Schicht bis zur Berührungsfläche mit der anschließenden Schicht und gegebenenfalls eines Teils dieser anschließenden Schicht bis zu einem geringen Abstand von dem mittleren pn-übergang die äußere Schicht mit kleiner Fläche er-

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haben und die anschließende Schicht verhältnismäßig dünn ausgebildet werden.

5. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterschalters nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide äußeren Schichten durch Abätzen erhaben mit kleinerer Fläche ausgebildet werden.

6. Verfahren zum Herstellen von Halbleiterschaltern nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer größeren Platte aus Halbleitermaterial durch geeignete Diffusions- und Maskierungsbehandlung mehrere Vierschichtstrukturen gleichzeitig hergestellt und anschließend getrennt werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1 257 111,
954;

USA.-PatentschriftNr. 2 967 793.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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