DE1464669B1 - Halbleiterdiode mit stark spannungsabhaengiger Kapazitaet - Google Patents
Halbleiterdiode mit stark spannungsabhaengiger KapazitaetInfo
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Description
Am übergang zwischen der Zone vom p-Typ und
der Zone vom η-Typ einer Halbleiterdiode ist eine schmale Zone vorhanden, in der praktisch keine freien
Ladungsträger existieren. Obwohl die festen Ladungen der ionisierten Donatoren und Akzeptoren einander
in der ganzen Zone kompensieren, ist daher ein Überschuß von positiven oder negativen Raumladungen
in jedem Teil der Zwischenzone vorhanden, die daher auch als Raumladungszone bezeichnet wird.
Wenn keine äußere Spannung an den übergang angelegt ist, hängt die Dicke der Raumladungszone
von der Zusammensetzung der p-Zone und der n-Zone an jeder Seite ab. Außerdem wirkt die Raumladungszone in mancher Beziehung wie ein Kondensator mit
parallelen Platten, da sie aus einer Zone besteht, welche keine freien Ladungsträger hat, die zwischen
zwei Zonen angeordnet ist, welche eine große Anzahl von solchen Ladungsträgern enthalten. Wenn eine
Spannung in Sperrichtung an den übergang angelegt wird, werden die freien Ladungsträger aus den
benachbarten Gebieten der p-Zone und der n-Zone, welche sich an die Raumladungszone anschließen,
entfernt, deren Dicke deshalb wächst, d. h., ihre Kapazität wird vermindert.
Das exakte Verhältnis zwischen der Spannung am übergang und dessen Kapazität hängt von der Verteilung
der Donatoren und Akzeptoren in den Teilen der p-Zone und der n-Zone ab, die dem übergang
benachbart sind.
Halbleiterdioden, deren Kapazität sich bei geringfügigen
Abweichungen der Höhe der Spannung stark ändert, werden als Kapazitätsdioden bezeichnet.
Aus der britischen Patentschrift 838 512 war bereits
eine Halbleiterdiode mit; stark spannungsabhängiger Kapazität eines pn-übergangs an einer Zone aus einer
ersten, zweiten und dritten Teilzone bekannt, von denen die zweite Teilzone zwischen der ersten und
dritten Teilzone eine niedrigere Leitfähigkeit hat als die erste und dritte Teilzone. Eine stärkere Spannungsabhängigkeit der Kapazität wird bei einer derartigen
Halbleiterdiode erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die übergänge zwischen den Teilzonen parallel
zum pn-übergang verlaufen, daß am pn-übergang und an den übergängen der Teilzonen eine mindestens
50%ige Änderung der Störstellenkonzentration von einer zur anderen Zone bzw. Teilzone innerhalb eines
Abstands von weniger als 10~5 cm vorhanden ist und daß die Teilzonen über ihre Dicke gleichmäßig dotiert
sind.
Aus den bekanntgemachten Unterlagen zur deutsehen Patentanmeldung S 32 747 VIII c/21 g ist zwar
eine Methode bekannt, um die Spannungsabhängigkeit der Kapazität in Abhängigkeit von der Störstellenkonzentration
am pn-übergang zu berechnen. Diese Berechnungsmethode ist aber ohne weiteres nur auf
einfache Spannungsabhängigkeiten und einfache Funktionen der Störstellenkonzentration anwendbar.
Im übrigen sind Halbleiteranordnungen mit an einem pn-übergang liegenden Zonen, welche aus
unterschiedlich dotierten Teilzonen bestehen, allgemein bekannt. Beispielsweise bestehen die Basiszonen
bzw. die Kollektor- oder Emitterzonen der Transistoren nach der französischen Patentschrift
1 197 044, der australischen Patentschrift 214 727, der Zeitschrift »Scientia electrica«, Bd. 5 (1959), Heft 1,
S. 33 bis 36, und der deutschen Auslegeschrift 1054 587
aus Teilzonen mit unterschiedlichen Dotierungen.
Wie die nachfolgenden Berechnungen beweisen, hat die beanspruchte Halbleiterdiode infolge ihres
Aufbaues den Vorteil, daß die Kapazität bei einer relativ geringen Spannungsänderung um den Faktor 10
und mehr abfällt.
Ausführungsformen der Erfindung sollen nun an Hand der Zeichnungen näher erläutert werden.
In F i g. 1 und 3 ist die Änderung der Störstellenkonzentration mit dem Abstand für zwei Halbleiterdioden
gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Die F i g. 2 und 4 zeigen die Änderung der Kapazität des pn-Uberganges der Halbleiterdioden
von F i g. 1 bzw. 3 mit der angelegten Spannung.
Die Änderung der Kapazität eines pn-Uberganges mit der an den übergang angelegten Spannung kann
wie folgt berechnet werden für den Fall, daß die Störstellenkonzentration sich nach der Funktion JV(x)
ändert, wobei χ der Abstand ist, der längs einer Achse senkrecht zur Ebene des Überganges gemessen wird:
Die dynamische Kapazität einer Raumladungszone pro Flächeneinheit kann definiert werden als
C =
dQ„
dV„
worin dßB die Ladungsänderung pro Flächeneinheit
der η-Seite des pn-Uberganges bedeutet, wenn die angelegte Spannung sich von Va nach Va + d Va
ändert. dQ„ wird nun an der Grenze der Raumladungszone
addiert oder subtrahiert in einer Entfernung von Ln vom übergang und besteht fast vollständig
aus überschüssigen Donatoren oder Akzeptoren, die in diese Zone eingeführt oder aus dieser
Zone entfernt werden infolge der Änderung der Raumladungstiefe. Diese Änderung ist gegeben durch
dL„ =
dL„
~dv:
Man kann daher ausdrücken:
UQn= q N (Ln)OLn
UQn= q N (Ln)OLn
q N(Ln) dVa
dV„
dLn
(2a)
worin N(x) = ND(x) — NA(x) = Nettokonzentration
der ionisierten Störstoffatome.
Wenn Gleichung (2 a) in Gleichung (1) eingesetzt wird, so erhält man für die Kapazität
C =
qN(Ln)
dV„
(3)
dL„
Um die angelegte Spannung Va als Funktion von Ln
auszudrücken, der Raumladungsschichtdicke auf der «-Seite, machen wir folgende Annahme:
JV(x) > 0 für χ > 0 (n-Typ),
JV(x) < 0 für χ < 0 (p-Typ).
JV(x) < 0 für χ < 0 (p-Typ).
Andererseits kann die Nettostörstellendichte JV(x) beliebig sein, aber integrierbar. Wie in Gleichung (2)
vernachlässigen wir durchweg die Verteilung der
beweglichen Träger der Raumladung. Dies ist jedoch
eine gute Annäherung, mindestens so lang, als Sperr- Man kann jetzt
Spannungen Va größer als die innere Spannung F1 in
Betracht gezogen werden.
Dann gilt für das Potential V in der Raumladungs- 5
zone die Poissonsche Gleichung in der einfachen Form und die innere Spannung F,- eine Konstante ist, ergibt
sich d V
irya berechnen, und da
Vn, = Va + V1 (10)
U2V
-q
Kt0
N(x).
(4) dL„
dL„
Durch einmalige Integration ergibt sich:
= ir~ (
Kt0 J
dx
Durch Differentiation der Gleichung (9) erhält man •5 d Va q
dL„
N(Ln) (Ln+Lp) . (11)
Die Randbedingungen sind:
dV
dx
= 0
Tür χ = Ln,
für χ — —Lp.
(5 a) (5 b) Man erhält schließlich die Kapazität, indem die Gleichung (11) in die Gleichung (3) eingesetzt wird:
C =
(12)
Unter Verwendung von (5a) ergibt sich:
L.
Af0 J
0
Kt0
fm.
x) dx .
(6) Lp kann aus Gleichung (7) berechnet werden als
Funktion von Ln und dann Ln aus Gleichung (9) als
Funktion von Vn. Wenn dies in Gleichung (12) eingesetzt
wird und Gleichung (10) berücksichtigt wird, so erhält man die Beziehungen zwischen der Kapazität
C und der angelegten Spannung Va.
Als Alternative zur obigen Gleichung (9) kann es vorteilhaft sein, die folgende Formel zu verwenden:
Als Alternative zur obigen Gleichung (9) kann es vorteilhaft sein, die folgende Formel zu verwenden:
Wenn man Gleichung (5b) in Gleichung (6) einsetzt, erhält man die Gesamt-Neutralitätsbedingungen
für die Ladungen:
40
N(x) dx = 0
(7)
45
Eine weitere Integration von Gleichung (6) ergibt
V(X) =
J f
55
unter der Annahme, daß V = 0 für χ = 0.
Der gesamte Potentialabfail an dem in Sperrichtung belasteten übergang ist deshalb
Vm =
= -i- f xN(x)dx.
-L.
Die Halbleiterdiode, deren Änderung der Störstellenkonzentration in der F i g. 1 dargestellt ist,
enthält eine erste Zone aus einem Halbleitermaterial vom p-Typ mit P0 Akzeptoratomen pro Kubikzentimeter
und eine zweite Zone mit η-Leitfähigkeit. Die zweite Zone besteht aus drei Teilzonen. Die erste Teilzone
hat eine Breite von X0 cm und enthält N0 Donatoratome
pro Kubikzentimeter. Die zweite Teilzone hat eine Dicke von (x2 — x0) cm und enthält JV2 Donatoratome
pro Kubikzentimeter. Die dritte Teilzone enthält N3 Donatoratome pro Kubikzentimeter. Wie in
F i g. 1 angedeutet, ist die Konzentration der Donatoratome in der zweiten Teilzone geringer als die Konzentration
der Donatoratome in der ersten Teilzone.
Die Funktion N(x) für diese Ausführungsform ist
daher gegeben durch:
Vn, =
V(-Lp
dx. (9) N(x)
P0 für χ < 0
N0 für 0 < χ < X0
N2 für x0 < χ
< x2
N3 für χ > X2 .
Weiterhin ist JV0 > JV2 und N3
> N0 und, wenn P0 » JV0 ist, die erste Zone so stark dotiert, daß
man nach Gleichung (7) Lp vernachlässigen kann.
Durch Anwendung der Gleichung (13) mit L9 = 0
ergibt sich:
T m
V*
1 / L \2
T ( —)
T ( —)
für 0 < L < x0
worm
V* =
Ke0
Die Beziehung zwischen der Kapazität des überganges und der angelegten Spannung wird erhalten
durch Anwendung dieser Gleichungen und der Gleichung (12). Das Ergebnis ist in Fig. 2 dargestellt,
C V
in der -™ aufgetragen ist in Abhängigkeit von -r~,
worin C* =
xo
Aus F i g. 2 kann entnommen werden, daß die Kapazität des Überganges anfänglich langsam mit
X0 = 3μ
X2 = 15 μ
JV0 =
JV2 =
N3 » JV0 steigender Sperrspannung fällt. Wenn jedoch die
Spannung am übergang eine bestimmte Spannung Vs
erreicht, ergibt sich ein plötzlicher Abfall der Kapazität, und für eine geringe Spannungsänderung Δ V
fällt die Kapazität um den Faktor 10.
In einer Vorrichtung mit einer Störstellenverteilung,
wie sie in F i g. 1 dargestellt ist, sind die Abmessungen und die Störstellenkonzentrationen der einzelnen
Zonen und Teilzonen folgende:
V* 13,5 Volt
C* = 3530pF/cm2
C* = 3530pF/cm2
Diese Vorrichtung hat die folgenden Eigenschaften:
K1 = 6,75 Volt C (bei 6,75 Volt) = 3530 pF/cm2 ,
Δ V = 0,16 Volt C (bei 6,91 Volt) = 706 pF/cm2 .
Eine andere Vorrichtung, die nach F i g. 1 hergestellt wurde, hatte folgende Abmessungen und Störstellenkonzentrationen
:
X0 = 1 μ
X2 = 10 μ
X2 = 10 μ
Die Eigenschaften waren folgende:
Vs = 7,5VoIt
AV = 0,75 Volt
AV = 0,75 Volt
JV0 = 1016Cm-3
JV2 = 1013Cm-3
JV3 » JV0
C (bei 7,5 Volt) C (bei 8,25 Volt) V* = 15VoIt
C* = 10600 pF/cm2
10600 pF/cm2,
lOöOpF/cm2.
lOöOpF/cm2.
In F i g. 3 ist die Änderung der Störstellenkonzentration einer weiteren Halbleiterdiode gemäß der
Erfindung dargestellt. Diese Diode hat eine erste Zone aus Material mit p-Leitung, welche P0 Akzeptoratome
pro Kubikzentimeter enthält, und eine zweite Zone mit η-Leitung. Die zweite Zone besteht aus
einer ersten, zweiten, dritten und vierten Teilzone mit JV0, JV2, JV3 bzw. JV1 Donatoratomen pro Kubikzentimeter.
Die Konzentration der Donatoratome in der zweiten Teilzone ist geringer als die Konzentration
in der ersten Teilzone und in der dritten Teilzone. Die erste, zweite und vierte Teilzone haben Dicken
von (x0 — X1), (x2 — X0) bzw. X1 cm.
Die Funktion von JV(x) für diese Ausführungsform ist gegeben durch:
JV(x) =
^ ^ χ <Q
JV1 für 0 < χ < X1
N0 für X1
< χ < x0
JV2 für x0 < χ
< x2
JV3 für χ > x2.
Weiter gilt JV0 > JV1, JV0
> JV2 und JV3 > JV2, und
unter der Annahme, daß P0 » JV1, ist die erste Zone
so stark dotiert, daß man nach Gleichung (7) Lp vernachlässigen
kann.
Die Anwendung von Gleichung! 13) mit L1. = 0 ergibt:
1 Λΐ 'LVfiir υ
<£.<*,
L V ί -ν.
Im
Γ*
Γ*
Ao V-V,
Α",
Α",
j_ [\V, / χ, \2
1 Π für χ(, < L <
,1
Wie oben wird das Verhältnis zwischen Kapazität 20 Wie im Falle von F i g. 2 ergibt sich eine bestimmte
des Überganges und der angelegten Spannung erhalten,
indem diese Ergebnisse und die Gleichung (12) verwendet werden. F i g. 4 zeigt die Abhängigkeit des
C T'
Verhältnisses -^ von — .
Spannung!', in Fig. 4. bei der die Kapazität des
Überganges plötzlich abfallt, und zwar um den Faktor 10 und mehr.
Eine Vorrichtung mit einer Störstellenverteilung nach F i g. 3 hatte folgende Abmessungen und Störstellenkonzentrationen
:
X0 = 10a
X1 = 9 μ
X1 = 9 μ
X, = 30 α
Die Eigenschaften waren folgende:
Vs = 15VoIt
1 V = 0.6 Volt
1 V = 0.6 Volt
A'o =
51 =
52 =
53 »
· 1013 cm"3
1012Cm"3
1012Cm"3
V* = 150VoIt
C* = 106OpF cm2
C* = 106OpF cm2
C (bei 15 Volt) = 1060 pF/cnr ,
C (bei 15.6 Volt) = 353 pF/cm2 .
C (bei 15.6 Volt) = 353 pF/cm2 .
45
Die schmalen Teilzonen der Dioden nach F i g. 1 und 3 können durch epitaxiales Aufwachsen hergestellt
werden.
Claims (10)
1. Halbleiterdiode mit stark spannungsabhängiger Kapazität eines pn-übergangs an einer Zone
aus einer ersten, zweiten und dritten Teilzone, von denen die zweite Teilzone zwischen der ersten und
dritten Teilzone eine niedrigere Leitfähigkeit hat als die erste und dritte Teilzone, dadurch
gekennzeichnet, daß die übergänge zwischen den Teilzonen parallel zum pn-übergang
verlaufen, daß am pn-übergang und an den übergängen der Teilzonen eine mindestens 50%ige
Änderung der Störstellenkonzentration von einer zur anderen Zone bzw. Teilzone innerhalb eines
Abstands von weniger als 10~5 cm vorhanden ist und daß die Teilzonen über ihre Dicke gleichmäßig
dotiert sind.
2. Halbleiterdiode nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die nicht aufgeteilte Zone aus
Halbleitermaterial vom p-Typ besteht.
3. Halbleiterdiode nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Teilzone
eine Dicke von 10"5 bis 2 · 10~3 cm hat.
4. Halbleiterdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet.
60
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen daß die zweite Teilzone eine Dicke zwischen 10 ~Λ
und 10""1 cm hat.
5. Halbleiterdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die eine aufgeteilte Zone eine vierte Teilzone enthält, die zwischen dem pn-übergang und der
ersten Teilzone angeordnet ist und eine niedrigere Leitfähigkeit hat als die erste Teilzone.
6. Halbleiterdiode nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Teilzone eine Dicke
zwischen 10"5 und 2 · 10~3 cm hat.
7. Halbleiterdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Teilzone zwischen 1015 und 101(1 Störstoffatome
pro Kubikzentimeter enthält.
8. Halbleiterdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Teilzone zwischen 10"5- und 10~2mal soviel Störstoffatome pro Kubikzentimeter
enthält wie die erste Teilzone.
9. Halbleiterdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8. dadurch gekennzeichnet,
daß die dritte Teilzone mehr Siörstoffatome pro Kubikzentimeter enthält als die erste Teilzone.
10. Halbleiterdiode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die Teilzonen der aufgeteilten Zone durch epitaxiales Wachstum erzeugt sind.
009585/103
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Publication number | Publication date |
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