DE1464866A1

DE1464866A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE1464866A1
Application number: DE19641464866
Authority: DE
Inventors: Biet Jean Pierre
Original assignee: Compagnie Generale dElectricite SA
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 1963-12-12
Filing date: 1964-11-04
Publication date: 1969-06-04
Also published as: LU47062A1; FR85434E; CH416847A; US3416009A; GB1086704A; BE653829A; NL6414416A

Description

Ab schrift ' <?:rf nicht geändert werden

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24. Mai 1968
P 14 64 866.9 Mey/Pa - O 533

Compagnie Gene*rale d¹Electricity
54, rue La Bottle, Paris 8,
Frankreich

Halbleitervorrichtung

Is sind Halbleitervorrichtungen "bekannt mit wenigstens drei halfeleitenden Schichten von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp, die sich zu einem Transistor
zusammensetzen, wobei die erste Schicht den Emitter
und die zweite Schicht die Basis bildet. Die verschiedenen Schichten sind so dotiert, dass die Grenzschicht zwisohen den beiden ersten Schiohten von einem besonderen Typ ist, z.B. von jenem, der auf Französisch
"unitunnel" genannt wird. Wie jeder klassische Transistor weist ein Transistor mit einem "unitunnel¹¹-Emitter * ) das auf, was man gewöhnlich den Transistoreffekt nennt, d.h. die Möglichkeit, den am Kollektor ankommenden

*) Eintunnel-Baiitter

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Strom dadurch zu steuern, dass man einen nach Richtung und Amplitude geeigneten anderen Strom in die Basis injiziert.

Eine so ausgebildete Vorrichtung hat jedoch gewisse Nachteile, die weiter unten herausgestellt werden.

Die Halbleitervorrichtung gemäss der Erfindung, die die erwähnten Nachteile vermeiden soll, umfasst eine als Zentralschicht angesprochene Schicht und mindestens eine als Zwischenschicht bezeichnete Schicht, die auf wenigstens eine Oberfläche der Zentralschicht aufgebracht und von einem Leitungstyp ist, der demjenigen der Zentralsohicht entgegengesetzt ist. Ferner umfasst die erfindungsgemässe Vorrichtung eine sog. äussere Hauptschicht, die auf der Zwischenschicht liegt und bezüglich des Iieitungstyps dieser entgegengesetzt ist. Bas Kennzeichnende der erfindungsgemässen Vorrichtung besteht darin, dass die äussere Hauptschicht nur auf einem Teil der Oberfläche der Zwischenschicht aufgebracht ist und dass eine andere Schicht, eine sog. äussere Hilfsschicht, vom gleichen leitungstyp wie die äussere Haupsschicht, auf einen Teil jenes Abschnittes der Zwischenschicht aufgebracht ist, der von der äusseren Hauptschicht freigelassen ist, wobei die Dotierungen auf beiden Seiten der Grenzschichten zwischen den erwähnten Halbleiterschich-

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ten so sind, dass die Grenzschicht zwischen der äusseren Hilfsschioht und der Zwischenschicht Charakteristiken aufweist, die von denen der Grenzschicht zwischen der äusseren Hauptschicht und der Zwischenschicht verschieden sind.

Die beigefügten Zeichnungen erläutern mögliche Ausfiihrungsformen der Erfindung.

Fig. 1 zeigt schematiseh eine Vorrichtung jenes Typs, der aus der französischen Patentschrift 1 316 226 *) bekannt ist;

Fig. 2 stellt eine erste Ausführungsform der Erfindung dar;

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform;

Fig. 4 veranschaulicht die Verfahrungsschritte bei der Herstellung der Vorrichtung nach Fig. 3;

Fig. 5 ist ein Schema, das die Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung erläutert.

Die bekannte Vorrichtung nach Fig. 1 umfasst eine schwach dotierte Zentralschicht Ρ«» die von zwei Zwischenschichten H₁ und TTg und von zwei äusseren Schichten P. und P, eingefasst ist. Die letztgenannten vier Schichten sind

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*) deutsche Patentanm. C 26 409 "v'lllc/21g 11,02 909823/03U

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stark dotiert. Die äuseeren Grenzschichten 1 zwischen P₁ und N₁ sowie 4 zwischen N« und P, sind von jenem Typ, der als "unitunnel" 'bezeichnet wird, während die mittleren Grenzschichten 2 zwischen N₁ und P« bzw. 3 zwischen P« und N„ von normalem Typ sind. Hauptanschlüsse 5 und 6 befinden sich an den äusseren Schichten P₁ und P, und Hilfsansehlüsse 7 und 8' an den Zwischenschichten N₁ und Ng.

Die Vorrichtung bildet eine symmetrische Halbleiteranordnung, die bei Abwesenheit einer Vorspannung an den Anschlüssen 7 und 8 zwischen den Hauptanschlüssen 5 und 6 eine grosse Impedanz aufweist, allerdings unter der Bedingung, dass die zwischen den letztgenannten Anschlüssen angelegte Wechselspannung mit ihrem Spitzenwert einen bestimmten Wert nicht überschreitet, der natürliche Umkippspannung ("tension de basculement naturel") genannt wird.

Wenn man dagegen die besagte Impedanz vernachlässigbar klein machen, d.h. die Vorrichtung zwischen den Hauptanschlüssen 5 und 6 durchlässig machen will (ein Vorgang, der allgemein mit Umkippen bezeichnet wird), genügt es, einen Steuerstrom geeigneter. Richtung und Amplitude in den einen oder den anderen der Hilfsanschlüsse 7 bzw. zu injizieren. Je nach der Polarität dieses Stromes und

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je nachdem, in welchen der Hilfeanschlüase er eingespeist wird, iiird die Vorrichtung für die eine oder die andere der "beiden Halbwellen des zwischen 5 und β angelegten, Wechselstroms durchlässig gemacht werden.

Diese Steuerung des Umkippvorganges durch die unmittelbar an H. (oder 1SL·) angelegte St euer spannung "bedient sich jedoch zur Einwirkung auf den Strom zwischen 5 und 6 des aus den Schichten P₁, N^, P_ (oder P , Ng, P«) gebildeten iransistors, desseü-von der Grenzschicht 1 (oder 4) gebildeter B&itter, wie oben erwähnt, vom sog. "unitunnel*-$yp ist. Nun weiss, man aber, dass die Transistoren mit einem ^Hunitunnel^M-Knitter eine massige Verstärkung haben. Daraus ergibt sich, dass man in die Steueranachlttese 7 oder 8 einen relativ grossen Strom indizieren muss, um den Umkippvorgang (basculement) der Vorrichtung auszulösen, sofern die an den Klemmen 5 und 6 angelegte Hauptwechselspannung relativ niedrig ist..

Pig. 2 zeigt eine Vorrichtung, wie sie nachfolgend besehrieben werden soll. Sie ist entsprechend der vor-, liegenden Erfindung abgeändert^ um den oben genannten,

Nachteil Ku-beseitigen. ■-■-:.· .^v^._: , : . >

Sie unterscheidet sich von der Vorrichtung nach fig. 1 darin, dass die Steueranschlilsae 7 und 8, anstatt direkt

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an die Zwischenschichten N₁ undN₂ angeschlossen zu Bein, mit äusseren Hilfsschichten P^ und P', verbunden sind. Diese breiten sich aus auf einem Teil der Oberfläche der Zwischenschichten N₁ bzw. Ng, der von den äusseren Hauptschichten P₁, P^ freigelassen wird.

Die bo ausgeführte Vorrichtung besteht also aus der Zusammenfügung zweier Transistoren P₁ N₁ P₂ und F₁N₁ Pg (sowie P^ N₂ P₂ und P¹, N₂ Pg), die eine gemeinsame Basis N₁ (oder N₂) besitzen sowie zwei verschiedene Emitter P₁ und P¹ ^ (oder P^ und P¹O. Der eine dieser Transistoren P₁ N. P₉ (oder P~ N₉ P₉) ist der Haupttransistor, in dem zwischen den Anschlüssen 5 und 6 der gesteuerte Strom fliesst, während der andere Transistor P¹.. N.. Pg (oder P' N_g Pg) ein steuernder Hilfstransistor ist, dem der Steuerstrom über die Anschlüsse 7 oder θ zugeführt wird.

Es ist ohne weiteres klar, dass eine solche Vorrichtung aufgrund der Tatsache, dass sie zwei getrennte Transistoren umfasst, nämlich für den steuernden und für den gesteuerten Strom, in der Anwendung viel flexibler ist als 3ene bekannte Vorrichtung mit nur einem einzigen Transistor; denn man kann Jedem,dieser beiden Transistoren Eigenschaften geben, die der von ihm zu erfüllenden Funktion am besten entsprechen.

, ρ , , _y ORIGINAL INSPECTED οηαοοο /ηοι /

Man wird beeüglich der Hauptgrenzschicht zwischen P₁ und IL (oder P·, und Kg) die "unitunnel^Oharakte- ristIk beibehalten, welche fur den Durchtritt dee gesteuerten Stromes vorteilhaft 1st, während man der Hilfegrenzschioht zwischen P¹., und H₁ (oder P'^ und N₂) die Charakteristik einer normalen Biodengrenzschiehi geben wird, was den oben angedeuteten Nachteil vermei det und gestattet, die Steuerung dea Hauptstromes mit einem relativ kleinen Steuerstrom durchzuführen.

Um zu erreichen, dass die Grenzschichten N^ P₁ (oder Ng P,) sowie N- P¹- (oder Ng ^S) ⁱⁿ dieser Weise verschiedene Charakteristiken haben, kann man erfindungsgemäaa eine heterogene Schicht N₁ (oder N₂) verwenden, d.h. eine solche mit einer Störstellenkonzentration, welche In bezug auf die äuasere Hauptschicht P₁ (oder Py) anders 1st als in bezug auf die äussere Hilfssohicht P^ (oder P¹J. In dem oben betrachteten Beispiel wird diese Konzentration bezüglich der Schicht P^ deutlich geringer sein (weil man eine normale Charakteristik erhalten möchte), als bezuglich der Schicht P₁I wo man eine "unitunnel^w-Charakterlstik haben will.

Nachfolgend wird 3^Qtzt die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung erläutert.

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Kan nehme an, dass in einem bestimmten Augenblick die Polarität des durch die Haupt elektroden 5 und 6. flies-Benden Wechselstroms so ist, dass die Schicht F. gegenüber der äusseren Hauptechioht P₁ negativ ist. Wenn man jetzt an die äuesere Hilfsschioht P¹^ einen Spannungsimpuls anlegt, der diese Schicht positiv gegenüber P, macht, wird dieser Impuls den steuernden Hilfstransistor P^ N₁ P₂ öffnen. Die äussere Hauptschicht P₁ bildet dann lediglich einen Basiskontakt ("contact de base") mit der Zwischenschicht K₁; denn wie man weiss, besitzt eine rückwärts ("en inverse") gepolte "unitunnel"-Grenzschicht einen sehr kleinen Widerstand und bildet somit einen hervorragenden "ohmschen" Kontakt.

Der Strom, der in die Anordnung der Vorrichtung über den so geöffneten Transistor P¹., N₁ P₂ eingespeist wird, löst den Umkippvorgang der Vorrichtung P₁ N₁ P_g N_g P selbst dann aus, wenn der an P· angelegte Steuerimpuls relativ schwaoh ist, da ja, wie oben erläutert, der steuernde Hilfstransistor P·.. N₁ P„ einen Emitter von normaler Charakteristik hat und keinen mit "unitunnel"-Oharakteristik.

Nachdem die Vorrichtung auf dieser Weise ausgelöst worden ist, fliesst der Hauptwechselstrom praktisch ganz durch die Schicht P₁. Das setzt allerdings in

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3 enem fall, in dem zwischen dem HauptStromkreis und dem Steuerkreis eine galvanische Verbindung besteht, voraus, dass in letzterem ein Widerstand vorgesehen ist, der genügend gross ist, um den Durchtritt eines merkbaren Bruoh-

teils des Hauptstroms durch den Steuerkreis zu verhindern.

Gemäss einer anderen vorteilhaften iusführungsform der Erfindung, die in Fig. 3 dargestellt ist, ist die zweite Zwischenschicht IT₂ nicht allein auf die ganze eine Oberfläche der Zentralschicht P₂ aufgebracht (diese Oberfläche wird im folgenden "untere Oberfläche" genannt, obgleich dieser Ausdruck in keiner Weise etwas über die Lage der Vorrichtung aussagen soll), sondern auch auf die Ränder der Zentralschicht. Ausserdem erstreckt sie sich bis auf die Perepherie der oberen Oberfläche der Zentralschicht P-, während die erste Zwischenschicht H. auf den mittleren Teil dieser oberen Oberfläche aufgebracht ist und dort von der peripheren Zwischenschicht N₂ durch eine Furche oder Nut S getrennt ist, die bis zur Zentralschicht P_ eingegraben ist. Mit der zweiten Zwischenschicht N₂ sind eine äussere Hauptschicht P, auf deren unterer Oberfläche und eine äussere Hilfsschioht P¹- auf deren oberer peripheren Oberfläche verbunden. Was die äusseren Haupt- und Hilfsschichten P. bzw. P¹.. betrifft, die zu der ersten Zwischenschicht N. gehören, so befin-

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den sie sich, natürlich wie die besagte Zwischenschicht selbst auf der oberen Oberfläche der Vorrichtung.

Somit weist die erfindungsgemässe Vorrichtung auf ihrer unteren Oberfläche eine äussere Hauptschicht (P,) auf, die praktisch diese ganze untere Oberfläche einnimmt. Sie kann daher auf dieser eine Metallschicht aufnehmen, die die mechanische Montage der Vorrichtung erleichtert und die Wärmeableitung begünstigt.

Fig. 4 zeigt in Gestalt der Bilder a, b und ο drei Schritte eines Verfahrens zur Herstellung der Vorrichtung gemäse Pig. 3.

Man geht aus von einem Materialblock vom Leitungstyp P (Pig. 4a), dann umhüllt man diesen Block vollständig mit einer Lage vom Leitungstyp N (Pig. 4b) und schliesslich gräbt man die eine geschlossene Kurve bildende Nut S ein, um die Lage vom Typ N in zwei Schichten N« und N^ zu teilen, welche so angeordnet sind, wie es anhand der Pig. 3 erläutert wurde.

Pig. 5 zeigt sehematisch eine Schaltung, die für die .Anwendung der erfindungsgemässen Vorrichtung in Betracht kommt. Der Hauptstrom fliesst zwischen den Klemmen 5 und 6 an den äusseren Hauptschichten P₁ und P,. Die Klemme 5

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iet auseerdem über eine Sekundärwicklung S₁ eines Übertragers T und einen Widerstand B₁ mit der ersten äuseeren Hilfseehicht P* verbunden. In gleicher Weise stent die Klemme 6 über eine «weite Setamdärwioklung 8g des erwähnten Übertragers und eine Widerstand R₂ mit der zweiten äusaeren Hilfeechioht P' in Verbindung. Die Steuerspannung ist an den Klemmen 9 und 10 der Primärwioklung P des Übertragers T angelegt.

Ss versteht sich von seifest, dass die erfindangsgemässe Vorrichtung ohne weiteres auch Schichten vom Leitungstyp HPNPH als Bestandteile haben könnte anstelle der Schichten vom Typ PHHf wie in den beschriebenen Beispielen.

-Pat entansprttche-

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Claims

U64866 Patentansprüche

1. Steuerbares HaIhI ei terbau el ement mit fünf Schichten abwechselnden leitungstyps, die aua einer dicken, schwach dotierten Mittelschicht, zwei dünnen Zwischenschichten und zwei aufgrund ihrer Dotierung mit diesen Zwischenschichten Unitunnelübergänge bil-. dende dünnen äusseren Hauptschichten bestehen, wobei ein zu steuernder Kreis an die zwei äusseren Hauptschichten gelegt ist und eine auf das Halbleiterbauelement über einen mit ihm verbundenen Steuerkreis einwirkende Steuerspannung das Sperren oder das Durchschalten des Halbleiterbauelementes bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die äusseren Hauptschichten (P., P,) nur einen Teil der Oberfläche der Zwischenschichten (N₁, N₂) bedecken und dass auf einem Teil der verbleibenden Fläche der Zwischenschichten mit dem Steuerkreis verbundene äussere Hilfsschichten (P'-if P¹J angebracht

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•ind, deren Leitangetyp dem der äusseren Hauptschichten entspricht, aber deren Dotierung so bestirnt ist, daae sie mit den Zwischenschichten einfache Diodentiber gange bilden.

2. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erreichung von Unitunnel-Charakteristiken an den Übergängen zwischen den Zwischenschichten (N., Ng) und den äusseren Hauptschichten (P₁, Pg) und von einfachen Diodencharakteristiken an den übergängen zwischen den Zwischenschichten und den äusseren Hilfsschichten (P^, P¹ ^) die Zwischenschichten (N₁, Ng) eine homogene starke Dotierung, die äusseren HauptSchichten (P₁, P,) eine starke Dotierung und die äusseren Hilfsschichten (P'^ P' ) eine schwache Dotierung aufweisen.

3. Steuerbares Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenschichten (N₁, Ng) eine heterogene

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Dotierung aufweisen, die in dem den äusseren Hauptschichten (P₁, P,) gegenüberliegenden Bereich stärker und die in dem den äusseren Hilfsschichten (P¹,,P¹,) gegenüberliegenden Bereich schwäoher ist.

4. Steuerbares Halbleiterbauelement nach den vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Zwischenschicht (Ng) eine ganze Oberflächenseite der Hittelschicht (Pp) und ausserdem die Seitenflächen der Mittelschicht und die Randgebiete der gegenüberliegenden Oberflächenseite dieser Mittelschicht umschliesst, dass sie von der ersten Zwischenschicht (N.) durch eine eine geschlossene Kurve bildende Nut oder Furche (S) getrennt ist und dass die der zweiten Zwischenschicht (N-) zugeordnete äussere Hauptschicht (P,) auf die von dieser Zwischenschicht ganz umschlossene Oberflächenseite aufgebracht und die entsprechende äussere Hilfsschicht (P¹,) auf dem ebenfalls von dieser Zwischenschicht bedeckten Randgebiet auf der gegenüberliegenden Oberflächenseite angeordnet ist.

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5. Steuerbares Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei galvanischer Verbindung des gesteuerten Kreises (5, 6) und des Steuerkreises (7 bzw. 6) in diese Verbindung ein Widerstand (R.,Hg) geschaltet ist.

6. Steuerbares Halbleiterbauelement nach einem oder mehreren der Torhergehenden Anspräche, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Hilfsschieht (P¹.,ι Ρ¹}) an die entsprechende äussere Hauptschicht (P-, P-) über die Sekundärwicklung (S., Sg) eines K Übertragers (T) angeschlossen ist, an dessen Primärwicklung (P) die Steuerspannung liegt.

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