DE1464679B2 - Doppelhalbleiterbauelement mit einem esaki uebergang und einem parallelgeschalteten gleichrichtenden uebergang - Google Patents
Doppelhalbleiterbauelement mit einem esaki uebergang und einem parallelgeschalteten gleichrichtenden uebergangInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Doppelhalbleiterbauelement, bei dem in einem Halbleiterkristall durch eine
entartet dotierte Nh-Zone und eine einlegierte, entartet
dotierte P+-Zone ein Esaki-Übergang und durch die P+-Zone und eine schwach leitende Zone ein parallelgeschalteter,
gleichrichtender Übergang gebildet ist.
Halbleiterbauelemente der genannten oder ähnlicher Art sind beispielsweise durch eine Veröffentlichung in
Proceedings of the IRE, Bd. 48, 1960, S. 1833 bis 1841, und durch die französische Patentschrift 1 265 016 bekanntgeworden.
Bei diesen bekannten Bauelementen ist durchweg der Esaki-Übergang in der Weise gebildet,
daß in die Oberfläche einer N-leitenden Zone des Halbleiterkristalls
eine N'-leitende Zone eindiffundiert ist und daß in die nunmehr die Oberfläche des Bauelements
bildende N+-Zone durch Einlegieren eine P+-dotierte
Zone eingebracht ist.
Die derart gebildeten Esaki-Sperrschichten sind einmal mit dem Nachteil behaftet, daß ein großer Teil des
Umfangs der Sperrschicht der Oberfläche ausgesetzt ist. Dadurch entstehen störende Oberflächeneffekte,
die im wesentlichen auf die Oberflächenrekombination der Ladungsträger zurückzuführen sind.
Andererseits ergeben sich bei den bekannten Bauelementen Schwierigkeiten bei den Bemühungen, die
Schaltgeschwindigkeit der Tunneldioden bei kleiner Verlustleistung zu erhöhen. Dazu ist es erforderlich,
daß der maximale Strom Ip, der sich im Strom-Spannungs-Diagramm
der Tunneldiode unmittelbar vor Beginn des negativen Widerstandsbereichs einstellt,
möglichst klein gehalten wird. Eine charakteristische Größe für die Beurteilung des Verhaltens von
Tunneldioden ist das Verhältnis IV\C, wobei C die
Kapazität der Tunneldiode darstellt. Hieraus ist ersichtlich, daß die genannten Forderungen nur durch
Sperrschichten mit sehr kleinen Flächen erfüllt werden
können, die in der Größenordnung von etwa 6,2 · 10~5 mm liegen. Da ferner für das Zustandekommen
des Tunneleffekts die Übergangsflächen sehr schmal sein müssen, sind besondere Maßnahmen erforderlich,
um gleichzeitig die mechanische Stabilität des Bauelements zu gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Doppelhalbleiterbauelement
der eingangs genannten Art anzugeben, das eine hohe Schaltgeschwindigkeit bei kleinem
maximalem Strom Iv und kleiner Verlustleistung aufweist.
Das Bauelement soll außerdem eine gute mechanische Stabilität besitzen, und es soll nur ein kleiner
Teil der Esaki-Sperrschicht der Oberfläche ausgesetzt sein. Schließlich soll das Bauelement auch für die Herstellung
von integrierten Schaltungen geeignet sein.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch einen mittels einer schmalen, entartet N+-dotierten,
streifenförmigen Zone in zwei eigenleitende oder schwach dotierte Zonen getrennten Halbleiterkörper,
der eine von einer Stirnfläche der N+-Zone und beiden Zonen des Halbleiterkörpers überdeckte, mit
einem Ohmschen Kontakt versehene, entartet dotierte P+-Zone und auf der gegenüberliegenden Seite einen
die N+-Zone und die Zonen des Halbleiterkörpers verbindenden
Ohmschen Kontakt aufweist.
Das in den Ansprüchen gekennzeichnete Bauelement ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß
die Esaki-Sperrschicht, die durch die Stirnfläche der N+-leitenden Zone und den ihr gegenüberliegenden
Bereich der P+-leitenden Zone gebildet wird, die Form eines schmalen Rechtecks aufweist, dessen in das Bauelement
eingebettete Längsseite etwa 5 · 10~2 mm beträgt und dessen an der Oberfläche liegende Schmalseite
etwa 0,12 · 10~2 mm beträgt.
Ein besonderer Vorteil wird bei einem derartigen Bauelement dadurch erreicht, daß die Länge der
streifenförmigen, zwischen der N+-leitenden und der P+-leitenden Zone gebildeten Esaki-Sperrschicht zur
Beeinflussung des Maximalstromes durch Abätzen des Materials der P+-Zone in dem über der N+-Zone liegenden
Randbereich veränderbar ist.
ίο In vorteilhafter Weise besteht die N+-leitende, streifenförmige
Zone aus mit Arsen dotiertem Germanium, der Halbleiterkörper aus eigenleitendem oder schwach
N-leitendem Germanium und die P+-leitende Zone aus
mit Gallium dotiertem Germanium. Dabei ist die Zonenfolge des Halbleiterkörpers I,N+,I bzw.
N~,N+,N~ durch epitaktisches Aufwachsen der aufeinanderfolgenden
Schichten oder durch Eindiffundieren eines N-Leitung ergebenden Dotierungsstoffes
in einen schmalen Bereich des Halbleiterkörpers erzeugt. Vorteilhaft ist es auch, daß die Strom-Spannungs-Kennlinie
des Bauelements unter Beeinflussung der Gleichrichterkennlinie durch Veränderung der
Dotierung des Halbleiterkörpers variierbar ist.
Die Erfindung wird an Hand eines durch die Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigt
Die Erfindung wird an Hand eines durch die Zeichnung erläuterten Ausführungsbeispieles beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 das Bauelement in schaubildlicher Ansicht, Fig. la das Bauelement im Querschnitt entlang der
Linie la ... la in F i g. 1,
Fig. Ib einen Teil des Bauelements in schaubildlicher
Ansicht, zur Verdeutlichung des Verlaufs der Sperrschicht vergrößert dargestellt, und
F i g. 2 Strom-Spannungs-Diagramme der Sperrschichten mit normalem und mit Tunneldioden-Charakter
sowie deren Überlagerung zur Gesamtcharakteristik des Bauelements.
In den F i g. 1, la und Ib bedeutet 1 einen Halbleiterkörper
mit den drei Zonen 2, 3 und 4. Die Zone 2 besteht aus einem Halbleitermaterial hohen spezifischen
Widerstandes, im wesentlichen also aus eigenleitendem Material, z. B. aus eigenleitendem Germanium
mit einem spezifischen Widerstand in der Größenordnung von 50 Ω · cm. Diese Zone kann dadurch
hergestellt sein, daß auf der Stirnseite der Zone 2 Arsen eindiffundiert und dann durch Läppen das überschüssige
Material bis auf die schmale Zone 3 entfernt ist. Die Zone 3 kann auch durch ein anderes in der
Halbleitertechnik bekanntes Verfahren hergestellt sein, z. B. durch Züchten der Zone 3 aus der Dampfphase.
Es sei darauf hingewiesen, daß die Zone 3 nicht notwendigerweise parallele Flächen besitzen muß, wie es
in den Figuren dargestellt ist. Die Zone 4 besteht in gleicher Weise wie die Zone 2 aus im wesentlichen
eigenleitendem Halbleitermaterial und kann beispielsweise durch Züchten aus der Dampfphase auf die
Zone 3 aufgebracht sein. Andererseits kann auch das ganze Halbleiterbauelement aus einem einzigen, eigenleitenden Halbleiterplättchen gebildet sein, in welches
die Zone 3 durch Eindiffundieren von Dotierungsmaterial in das Ausgangsmaterial hergestellt ist. Dies
empfiehlt sich besonders dann, wenn sich im Ausgangskristall innerhalb eines schmalen Gebiets Versetzungen
oder Korngrenzen befinden.
Auf die Oberfläche der Kristallstruktur mit den Zonen 2, 3 und 4 ist eine weitere Zone 6 aus entartetem Halbleitermaterial vom P-Leitungstyp aufgebracht. Diese Zone kann durch Legierungstechnik hergestellt sein, bei der auf die Oberfläche der Kristallstruktur 2,
Auf die Oberfläche der Kristallstruktur mit den Zonen 2, 3 und 4 ist eine weitere Zone 6 aus entartetem Halbleitermaterial vom P-Leitungstyp aufgebracht. Diese Zone kann durch Legierungstechnik hergestellt sein, bei der auf die Oberfläche der Kristallstruktur 2,
3, 4 eine geeignete Menge des mit 5 bezeichneten Dotierungsmaterials,
z. B. Gallium, aufgebracht wird. Durch Erhitzen, bei einer Germaniumunterlage bis zu
einer Temperatur von etwa 5000C, schmilzt ein Teil
der Oberfläche der Struktur 2, 3, 4 unter Vermengung mit dem aufgebrachten Dotierungsmaterial. Bei der
darauffolgenden Abkühlung entsteht durch Rekristallisation die Akzeptoren enthaltende Zone 6. Wegen der
hohen Konzentration des als Dotierungsmaterial benutzten Galliums ist das Halbleitermaterial der Zone 6
entartet.
Der aktive Bereich der in den F i g. 1 dargestellten HalbleiterstruktLir mit den Eigenschaften einer Tunneldiode
besteht aus der Zone 3 und demjenigen Teil der Zone 6, der die Zone 3 berührt. Die Zone 3 ist entartet
dotiert und N+-leitend, die Zone 6 dagegen ist entartet dotiert und Pf-leitend. Die Abmessungen der
Esaki-Sperrschicht 7 sind aus Fig. Ib ersichtlich.
Dort bedeutet b den schräg in die Tiefe des Kristalls weisenden Teil der Tunnelsperrschicht, während der innerhalb
des Kristalls liegende, zur Oberfläche parallele Teil der Sperrschicht mit c bezeichnet ist. Wie weiterhin
aus Fig. Ib ersichtlich, beträgt die GesamtflächeF
der Tunnelsperrschicht
F=a(c + 2b)
und der Gesamtumfang U der Sperrschicht
U = 2{a + c + 2b).
U = 2{a + c + 2b).
Demgemäß liegt die wirksame Tunnelsperrschicht entlang eines sehr schmalen Streifens, welcher derart
in den Kristallkörper eingebettet ist, daß sich nur ein sehr geringer Teil der wirksamen Sperrschicht an der
Kristalloberfläche befindet. Schädliche Oberflächeneffekte können daher nur in einem sehr kleinen Teil
des Umfangs der Sperrschicht auftreten. Wenn z. B. die Länge (2 b + c), wobei c ^>
b, der eingebetteten Schicht etwa 5 · 10~2 mm beträgt und der an der
Kristalloberfläche liegende Teil α der Schicht entsprechend
der Dicke der entarteten Zone 3 etwa 0,12 · 10~a mm beträgt, ergibt sich eine wirksame
Sperrschichtfläche von 6,2 · 10~5 mm2.
An der in F i g. 1 b mit X bezeichneten Stelle ist durch Ätzen ein kleiner Teil des die wirksame Schicht
tragenden Streifens entfernt. Durch diese Maßnahme ergibt sich die Möglichkeit, die Größe des Maximalstromes
Iv zu verändern. Wie aus F i g. 1 b ersichtlich,
wird dadurch das Verhältnis des der Oberfläche ausgesetzten Umfangs der Sperrschicht zu ihrem Gesamtumfang
nur geringfügig verändert.
Die in F i g. 2 mit A bezeichnete Strom-Spannungs-Kurve entspricht dem bekannten Verhalten einer
Tunneldiode. Diese Tunneldiode wird gebildet durch die Zone 3 und den an die Zone 3 angrenzenden Teil
der Zone 6. Die mit B bezeichnete Kurve stellt den Strom-Spannungs-Verlauf einer herkömmlichen Diode
dar, die gebildet wird durch den die Tunneldiode umgebenden Teil der in F i g. 1 dargestellten Struktur.
Dieser Teil besteht aus den an die Zonen 2 und 4 angrenzenden Teil der Zone 6. Da die Zonen 2, 3 und 4
auf ihrer Unterseite durch den mit dem Anschluß 9 versehenen Ohmschen Kontakt (F i g. 1) und auf ihrer
Oberseite durch das P+-dotierte Gebiet 5 mit dem Anschluß 10 parallel geschaltet sind, überlagern sich
die Charakteristik A der Tunneldiode und diejenige der herkömmlichen Diode B zur Gesamtcharakteristik
C.
Der Verlauf der Gesamtcharakteristik C kann bei der Herstellung beeinflußt werden. So kann beispielsweise
unter Ausnutzung der Abhängigkeit des Verlaufs der Charakteristik B vom spezifischen Widerstand und
von der Lebensdauer der Ladungsträger in dem die Esaki-Sperrschicht umgebenden Halbleitermaterial die
Lage des zweiten Gebietes positiven Widerstandes bei höheren Spannungswerten in der Gesamtcharakteristik
nach höheren oder niedrigeren Spannungswerten verschoben werden.
An Stelle von Germanium und Arsen können auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden. So
sind z. B. Galliumarsenit oder Legierungen bzw. Gemenge zweier Halbleitermaterialien wie Galliumarsenit
und Germanium für das in F i g. 1 dargestellte Bauelement verwendbar.
Eine Modifikation der Struktur der F i g. 1 entsteht dadurch, daß zwei oder mehr entartete Halbleiterzonen
in eigenleitendem Halbleitermaterial eingebettet sind. So ergibt sich z. B. eine Serienschaltung von zwei
Tunneldioden durch zwei eingebettete, entartete Halbleiterzonen von entgegengesetztem Leitungstyp und
auf der Oberfläche und der Unterfläche des Halbleiterplättchens aufgebrachte Legierungskontakte von jeweils
entgegengesetztem Leitungstyp. Werden die beiden entarteten Zonen auf den gegenüberliegenden
Oberflächen durch einen Ohmschen Kontakt verbunden und werden separate Anschlüsse für jeden Legierungskontakt
der entarteten Zonen hergestellt, so erhält man ein integriertes Halbleiterbauelement, wie
es in der Mikromodultechnik als Doppeldiode vorgeschlagen worden ist.
Claims (6)
1. Doppelhalbleiterbauelement, bei dem in einem Halbleiterkristall durch eine entartet dotierte
N+-Zone und eine einlegierte, entartet dotierte P+-Zone ein Esaki-Übergang und durch die
P+-Zone und eine schwach leitende Zone ein parallelgeschalteter, gleichrichtender Übergang gebildet
ist, gekennzeichnet durch einen mittels einer schmalen, entartet N+-dotierten,
streifenförmigen Zone (3) in zwei eigenleitende oder schwach dotierte Zonen (2,4) getrennten Halbleiterkörper
(1), der eine von einer Stirnfläche (7) der N+-Zone und beiden Zonen (6) des Halbleiterkörpers
überdeckte, mit einem Ohmschen Kontakt (10) versehene, entartet dotierte P+-Zone (5) und
auf der gegenüberliegenden Seite einen die N+-Zone (3) und die Zonen des Halbleiterkörpers (2, 4) verbindenden
Ohmschen Kontakt (8, 9) aufweist.
2. Doppelhalbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Esaki-Sperrschicht
(7), die durch die Stirnfläche der N+-leitenden Zone (3) und den ihr gegenüberliegenden Bereich
der P+-leitenden Zone (5) gebildet wird, die Form eines schmalen Rechtecks aufweist, dessen
in das Bauelement eingebettete Längsseite (c + 2b) etwa 5 · 10~2mm beträgt und dessen an der Oberfläche
liegende Schmalseite (α) etwa 0,12 · 10~2mm
beträgt.
3. Doppelhalbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Länge der streifenförmigen, zwischen der N+-leitenden und der P+-leitenden Zone gebildeten Esaki-Sperrschicht
(7) zur Beeinflussung des Maximal-
stromes (Iv) durch Abätzen des Materials der
P+-Zone (5) in dem über der N+-Zone (3) liegenden Randbereich (X) veränderbar ist.
4. Doppelhalbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
N+-leitende, streifenförmige Zone (3) aus mit Arsen dotiertem Germanium, der Halbleiterkörper
(2, 4) aus eigenleitendem oder schwach N-leitendem Germanium und die P+-leitende Zone (5) aus mit
Gallium dotiertem Germanium gebildet sind.
5. Doppelhalbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Zonenfolge des Halbleiterkörpers I,N+,I bzw. N~,N+,N~ durch epitaktisches Aufwachsen der
aufeinanderfolgenden Schichten (2, 3, 4) oder durch Eindiffundieren eines N+-Leitung ergebenden Dotierungsstoffes
in einen schmalen Bereich (3) des Halbleiterkörpers (1) erzeugt ist.
6. Doppelhalbleiterbauelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Strom-Spannungs-Kennlinie (C) des Bauelements unter Beeinflussung der Gleichrichterkennlinie (B)
durch Veränderung der Dotierung des Halbleiterkörpers (2, 4) variierbar ist.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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| GB989205A (en) | 1965-04-14 |
| US3248614A (en) | 1966-04-26 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| SH | Request for examination between 03.10.1968 and 22.04.1971 |