DE1439368A1 - Semiconductor current gate with ignition by field effect - Google Patents
Semiconductor current gate with ignition by field effectInfo
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Description
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Es sind Stromtore bekannt, die aus einem npnp-Halbleiterkörper bestehen, wobei sich auf der äußeren η-Zone eine Emitterelektrode und auf der äußeren p-Zone eine Kollektorelektrode befindet. Diese Stromtore werden mittels eines an der mittleren p-Zone angebrachten Basisschlusses durch einen Basisstrom J^ gesteuert. Dieser Strom J^ kann den Emitterstrom und somit den Stromverstärkungsfaktor des Stromtores vergrößern. Ein solches Stromtor hat den Nachteil, daß es nur durch einen Strom - also nicht leistungslos - steuerbar ist.Current gates are known which consist of an npnp semiconductor body, wherein an emitter electrode is located on the outer η zone and a collector electrode is located on the outer p zone. These electricity gates are controlled by a base current J ^ by means of a base terminal attached to the middle p-zone. This stream J ^ can Increase the emitter current and thus the current gain factor of the current gate. Such a power gate has the disadvantage that it is only through a current - i.e. not powerless - can be controlled.
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Es ist weiterhin bekannt, einen Transistor, zum Beispiel Planartransistor, mit Emitter-, Kollektor- und Basisanschluß durch Veränderung des Stromverstärkungsfaktors mittels Feldelektrode zu steuern. Dabei ist die Feldelektrode auf dem pn-übergang zwischen Emitter-, und Basiszone angebracht und gegen den Halbleiterkörper durch eine Oxydschicht isoliert. Eine an die Feldelektrode gelegte' Spannung dient dabei zur Steuerung der Rekombinationshäufigkeit von Elektronen und Löchern in der genannten pn-Übergangsschicht. Auf diese Weise wird unmittelbarer Einfluß auf den Stromverstärkungsfaktor des Transistors genommen. (CT.. Sah, Proceedings of the JRE 1961, 1623-1634).It is also known to use a transistor, for example a planar transistor, with emitter, collector and base connection by changing the current amplification factor by means of a field electrode. The field electrode is on the pn junction between the emitter, and base zone and insulated from the semiconductor body by an oxide layer. A voltage applied to the field electrode is used to control the recombination frequency of electrons and holes in the said pn junction layer. That way will direct influence on the current amplification factor of the transistor taken. (CT .. Sah, Proceedings of the JRE 1961, 1623-1634).
Gegenstand der Erfindung- ist ein Stromtor aus einem diffundierten . Halbleiterkörper mit vier Zonen abwechselnden Leitungstyps, mit auf der einen äußeren Zone,der Emitterzone, aufgebrachter Emitterelektrode, mit auf der anderen äußeren Zone befindlicher Kollektorelektrode und mit auf dem Halbleiterkörper aufgewachsener Oxydschicht. Die Erfindung besteht darin, daß wenigstens auf einem Teil derjenigen mittleren Zone, welche den gleichen Leitungstyp wie die Emitterzone hat, eine zur leistungslosen Steuerung des Stromtores vorgesehene Feldelektrode aufgebracht ist, die mindestens an einer Stelle diese mittlere Zone zwischen deren angrenzenden pn-Übergängen ganz bedeckt und durch die Oxydschicht gegen sie isoliert ist. _..._. ...._.-.. .The subject of the invention is a current gate from a diffused one. Semiconductor body with four zones of alternating conductivity type, with the emitter electrode applied to the one outer zone, the emitter zone, with the collector electrode located on the other outer zone and with an oxide layer grown on the semiconductor body. The invention is that at least on a part of that central zone, which has the same conductivity type as the emitter zone, one for powerless control of the power gate provided field electrode applied is that at least one point between this middle zone whose adjacent pn junctions are completely covered and isolated from them by the oxide layer. _..._. ...._.- ...
Das Stromtor mit Feldelektrode kann gemäß der weiteren Erfindung sowohl aus einem pnpn- als auch aus einem npnp-Halbleiterkörper hergestellt sein. Im ersteren Fall ist die Emitterelektrode auf der äußeren p-Zone und die Feldelektrode auf der von einer Oxydschicht bedeckten mittleren p-Zone aufgebracht. Im zweiten Fall (npnp-.Halbleiterkörper)'befindet sich die Emitterelektrode auf der äußeren n-ZoneThe current gate with field electrode can according to the further invention both made from a pnpn as well as from an npnp semiconductor body be. In the former case, the emitter electrode is on the outer p-zone and the field electrode is on the one covered by an oxide layer applied in the middle p-zone. In the second case (npnp - "semiconductor body)" is located the emitter electrode is on the outer n-zone
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und die Feldelektrode auf der äußerlich oxydierten mittleren n-Zone. In beiden Fallem sind die genannten mittleren Zonen vorzugsweise schwach dotiert. "and the field electrode on the externally oxidized middle n-zone. In both cases, the middle zones mentioned are preferably weakly doped. "
Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel eines npnp-Halbleitefkörpers genauer erläutert. Für ein Stromtor aus einem pnpn-Haibleiterkörper sind Ladungen und Spannungen sinngemäß durch solche entgegengesetzten Vorzeichens zu ersetzen.The invention is illustrated below using the example of an npnp semiconductor body explained in more detail. For a power gate made from a pnpn semiconductor body charges and voltages are to be replaced by those with opposite signs.
Für den Fall, daß das npnp-Stromtor bei niedriger Kollektor-Emitter-Spannung, beispielsweise bei"10 Volt, zünden soll, ist die Feldelektrode gegenüber dem Kollektor gemäß der weiteren Erfindung an negative Spannung gelegt. Es ist auch möglich, das Stromtor durch Spannungsstöße an der Feldelektrode zu zünden. Weiterhin läßt sich mit Hilfe einer positiven Spannung an der Feldelektrode gegenüber dem Kollektor die Kippspannung (Sperr- und Zündspannung) des Stromtores erhöhen und/oder stabilisieren. - Die mittlere η-Zone des npnp-Stromtores wird im folgenden als "Basis" bezeichnet.In the event that the npnp current gate at low collector-emitter voltage, for example at "10 volts, is to ignite, is the field electrode placed against the collector according to the further invention to negative voltage. It is also possible to shut off the current gate by voltage surges to ignite at the field electrode. Furthermore, with the help of a positive voltage on the field electrode compared to the Collector increase and / or stabilize the breakover voltage (blocking and ignition voltage) of the current gate. - The middle η zone of the npnp power gate is hereinafter referred to as "base".
Durch eine negativ vorgespannte Feldelektrode kann ein erfindungsgemäßes npnp-Stromtor mit schwach dotierter, η-leitender Basis bei niedrigen Spannungen gezündet werden. Dies erfolgt nicht über den direkten Einfluß auf den Stromverstärkungsfaktor, sondern durch Bildung einer p-leitenden Oberflächeninversionsschicht auf der hochohmig η-leitenden Basis. Die Inversionsschicht entsteht durch den Einfluß einer negativ vorgespannten Feldelektrode am Außenrand der η-leitenden Basis und zwar in unmittelbarer Nachbarschaft der als Isoliermaterial zwischen Feldelektrode und Basis dienenden Oxydschicht. Je nach der Größe der an die Feldelektrode angelegten Spannung kannBy means of a negatively biased field electrode, an inventive npnp current gate with lightly doped, η-conductive base can be ignited at low voltages. This is not done via the direct influence on the current amplification factor, but through the formation of a p-conducting surface inversion layer on the high resistance η-conductive base. The inversion layer is created by the influence of a negatively biased field electrode on the outer edge of the η-conductive base in the immediate vicinity of the oxide layer serving as an insulating material between the field electrode and the base. Depending on the size of the voltage applied to the field electrode
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die p-leitende Inversionsschicht .sswischen den beiden p-Zonen einen mehr oder weniger ausgeprägten Kurzschluß durch die η-leitende Basis bilden. Mit Hilfe dieses Kurzschlusses ist es also möglich, den für die Zündung des Stromtores erforderlichen Strom durch das Stromtor, -speziell durch den mittleren pn-übergang, schon bei kleinen Ztihd- ,*· spannungen zwischen Emitter und Kollektor zu erreichen. Da die Feldelektrode durch die genannte Oxydschicht gegen den Halbleiterkörper isoliert ist, erfolgt die Steuerung nahezu leistungslos.the p-conducting inversion layer between the two p-zones more or less pronounced short circuit through the η-conductive base form. With the help of this short circuit it is possible to pass the current required for the ignition of the power gate through the power gate, -special by the middle pn-transition, even with small Ztihd-, * · to achieve voltages between emitter and collector. Since the field electrode through said oxide layer against the semiconductor body is isolated, the control takes place almost without power.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird auf zwei als Beispiel dienende Zeichnungen Bezug genommen. Es zeigen:To explain the invention in more detail, reference is made to two examples Serving drawings are referred to. Show it:
Figur 1 eine schematische Darstellung und Figur 2 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stromtores.1 shows a schematic representation and FIG. 2 shows an exemplary embodiment of a power gate according to the invention.
In Figur 1 ist ein npnp-Stromtor idealisiert dargestellt. Die p-Zonen 1 und 2 können z.B. in die schwach dotierte mittlere n-Zone (Basis) 3 eindiffundiert und anschließend die (äußere) n-Zone 4 auflegiert sein. Das Stromtor besitzt eine Emitterelektrode 5 und eine Kollektorelektrode 6. Die n-Zone 3 ist mit einer Oxydschicht 7 bedeckt. A.uf dieser Oxydschicht 7 befindet sich eine Feldelektrode 8. Zwischen Emitter und Kollektor liegt die Spannungsquelle 9. (Bei der Herstellung eines pnpn-Stromtores können die mittlere und die äußere i-Zone in die mittlere p-Zone eindiffundiert und anschließend die iußere p-Zone auflegiert sein.)In Figure 1, an npnp stream gate is shown idealized. The p-zones 1 and 2 can, for example, diffuse into the weakly doped middle n-zone (base) 3 and then alloy the (outer) n-zone 4 be. The current gate has an emitter electrode 5 and a collector electrode 6. The n-zone 3 is covered with an oxide layer 7. A field electrode 8 is located on this oxide layer 7 The voltage source 9 lies between the emitter and collector of a pnpn current gate, the middle and the outer i-zone can diffuse into the middle p-zone and then the the outer p-zone.)
st die Feldelektrode 8 des npnp-Stromtores nach Figur 1 durch die pannungsquelle 10 (Feldspannung) über den Widerstand 11 gegenüber em Kollektor negativ vorgespannt, so kann sich auf der schwachst the field electrode 8 of the npnp current gate according to Figure 1 by the voltage source 10 (field voltage) biased negatively across the resistor 11 with respect to em collector, it can affect the weak
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dotierten η-leitenden Basis eine p-leitende Inversionsschicht 12 aus bilden. — Eine solche Inversionsschicht kann auch durch Adsorption von negativen Ionen aus einer geeigneten, das Stromtor umgebenden Atmosphäre erzeugt werden. (Einen analogen Effekt erhält man bei einen pnpn-Stromtor mit einer positiven Feldspannung.)doped η-conductive base a p-conductive inversion layer 12 from form. - Such an inversion layer can also be caused by adsorption are generated by negative ions from a suitable atmosphere surrounding the current gate. (An analog effect is obtained with a pnpn current gate with a positive field voltage.)
Vor der Zündung des npnp-Stromtores liegt nahezu die gesamte Spannung der Spannungsquelle 9 am mittleren pn-übergang und somit auch an den Enden der Inversionsschicht, so daß durch letztere ein Strom J. fließt. Analog zum anfangs genannten Basisstron J^ vergrößtert auch *L den Emitterstrom des Stromtores. Der Strom J^ wird aber nicht durch einen Basisanschluß - wie J, - von außen zugeführt, sondern lediglich mittels der Spannung an der Feldelektrode gesteuert.Almost the entire voltage is present before the npnp current gate is ignited the voltage source 9 at the middle pn junction and thus also at the ends of the inversion layer, so that a current flows through the latter J. flows. Enlarged analogous to the basic string J ^ mentioned at the beginning also * L is the emitter current of the current gate. But the current J ^ becomes not supplied from the outside through a base connection - like J - but only controlled by means of the voltage on the field electrode.
Ist das Stromtor nach Figur 1 zylinderförmig (mit Emitter und Kollektor als Deckplatten), und bedeckt die Feldelektrode den ganzen Außenrand der Basiszone 3, so ergibt sich bei geeignet gepolter Feldspannung eine ringförmige Inversionsschicht. Hat diese die Breite w und den Durchmesser d, so fließt durch sie der StromIf the current gate according to Figure 1 is cylindrical (with emitter and collector as cover plates), and the field electrode covers the whole On the outer edge of the base zone 3, a ring-shaped inversion layer is obtained with a suitably polarized field voltage. Does this have the width w and the diameter d, the current flows through it
Darin ist U die Spannung zwischen Emitter und Kollektor und g die Leitfähigkeit der Inversionsschicht pro quadratische Flächeneinheit, g hat also die Dimension XlT . In aus Silizium hergestellten Stromtoren können Inversionsschichten mit Leitfähigkeiten von 10" Sl" erzeugt werden. Liegt an der Feldelektrode eines solchen Silizium-Strontores eine .Feldspannung von einigen 100 Volt, so kann erreicht werden, daß bei einem Durchmesser von etwa d = 2 cm die Breite w derHere, U is the voltage between emitter and collector and g is the conductivity of the inversion layer per square unit of area, so g has the dimension XIT. In current gates made of silicon, inversion layers with conductivities of 10 "S1" can be produced. If a field voltage of a few 100 volts is present at the field electrode of such a silicon current gate, it can be achieved that with a diameter of approximately d = 2 cm, the width w of
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ringförmigen Inversionsschicht.etwa 0,02 cm beträgt. Wenn also zwischen Emitter und Kollektor, eine Spannung von U = 10 Volt gelegt ist»annular inversion layer. is approximately 0.02 cm. So if between Emitter and collector, a voltage of U = 10 volts is applied »
nach, οafter, ο
liger Grleiciiung ungefäiu· bei seinemlighter grating approx. in his
10"* Amperei10 "* amps
Die beiden durch die Oxydschicht 7 (Fig.1) gegeneinander isolierten Oberflächen der mittleren n-Zone 5 und der Feldelektrode 8 bilden in erster -Näherung einen Plattenkondensator. Die Kapazität eines Kondensators ist um so größer, je größer die Plattenfläche (Fläche. der Feldelektrode) und je kleiner der Plattenabstand (Dicke der Oxydschicht) ist. Weiterhin sind Spannung und Kapazität eines Kondensators umgekehrt proportional. Um also das Stromtor bei möglichst kleiner Feldspannung (Spannung an der Feldelektrode), z.B. kleiner als 100 Volt, zünden zu können, wird die Oxydschicht so dünn hergestellt, insbesondere 0,1 bis 1 Mikron, daß sie gerade noch zur Isolation der Feldelektrode gegen den Halbleiterkörper ausreicht. .The two isolated from each other by the oxide layer 7 (Fig.1) Surfaces of the middle n-zone 5 and the field electrode 8 form a plate capacitor to a first approximation. The capacity of one The larger the plate area (area. the field electrode) and the smaller the plate distance (thickness of the oxide layer) is. Furthermore, the voltage and capacitance of a capacitor are inversely proportional. So to keep the current gate as small as possible Field voltage (voltage at the field electrode), e.g. less than 100 volts, the oxide layer is made so thin, in particular 0.1 to 1 micron, that it is just sufficient to insulate the field electrode from the semiconductor body. .
In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Stromtores im Schnitt dargestellt-. Der Halbleiter-Grundkörper mit den vier Zonen η ρ η ρ kann nach bekannten Methoden hergestellt sein. Der ungefähr trapezförmige Schnitt durch das Stromtor kann zum Beispiel eine Höhe von etwa 0,02 cm und eine mittlere Breite von ca 2 cm haben.In Figure 2, an embodiment of the power gate according to the invention is shown in section. The semiconductor body with the four Zones η ρ η ρ can be produced by known methods. That about trapezoidal section through the power gate can, for example, have a height of about 0.02 cm and a mean width of about 2 cm to have.
A.uf der sorgfältig gereinigten Oberfläche des Halbleiterkörpers läßt nan zum Aufbau des erfindungsgemäßen Stromtores die Oxydschicht 14 )ei hohen Temperaturen aufwachsen. Vor dem Anbringen, insbesondere tnlegieren, der Emitter- und Kollektorkontakte (15 und 16) wird die ixydschicht an den dafür vorgesehenen Stellen des HalbleiterkörpersA. on the carefully cleaned surface of the semiconductor body In order to build up the current gate according to the invention, the oxide layer 14) grows at high temperatures. Before attaching, in particular alloy, the emitter and collector contacts (15 and 16) is the ixydschicht at the designated places on the semiconductor body
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wieder entfernt, z.B. weggeätzt. Die Feldelektrode 17 kann auf die mit einer Oxydschicht bedeckte mittlere η-Zone beispielsweise durch Aufdampfen aufgebracht sein. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 umgibt die Feldelektrode die mittlere η-Zone ringförmig und ragt über beide pn-Grenzschichten der η-Zone hinaus.removed again, e.g. etched away. The field electrode 17 can be on the middle η-zone covered with an oxide layer can be applied, for example, by vapor deposition. In the embodiment of FIG. 2 surrounds the field electrode is ring-shaped and protrudes over the middle η-zone both pn boundary layers of the η zone.
Besonders vorteilhaft ist ein solches Stromtor mit Feldelektrode, wenn es in der Planartechnik ausgeführt wird, da bei diesem Herstellungsverfahren ohnehin eine Oxydschicht aufwaohsen muß.A current gate of this type with a field electrode is particularly advantageous if it is implemented using planar technology, since this production method is used an oxide layer must anyway.
9 Patentansprüche
2 Figuren9 claims
2 figures
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| SH | Request for examination between 03.10.1968 and 22.04.1971 |