DE1539867C3 - Temperaturkompensierte Z-Diode und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Description

Der Temperaturkoeffizient TK der Abbruchspannung von Z-Dioden ist von der Abbruchspannung U₂ abhängig. TK ist definiert als auf die Abbruchspannung U₂ und die Temperaturänderung Δ Τ bezogene Änderung Λ U₂ der Abbruchspannung:

TK =

Δ U₇

U₂ ■ Δ Τ

oder anders ausgedrückt: Der Temperaturkoeffizient TK ist der auf die Abbruchspannung U, · bezogene Differentialquotient der Temperatur-Spannungs-Charakteristik der Abbruchspannung U,. Für U₂ kleiner als 5 V ist er negativ, und für U₂ größer als 6 V ist er positiv und nähert sich einem konstanten Wert von etwa 10~³/° C. Andererseits ist der Temperaturkoeffizient einer in Flußrichtung betriebenen Halbleiterperiode immer negativ.

Es ist bekannt, den positiven Temperaturkoeffizienten von Z-Dioden mit einer Abbruchspannung U₂ größer als 6 V dadurch zu kompensieren, daß eine oder mehrere in Flußrichtung betriebene Halbleiterdioden in Serie zur Z-Diode geschaltet werden (»Electronic Industries«, Februar 1959, S. 81 und 82).

Ausgehend von diesen bekannten Sachverhalten betrifft die Erfindung eine temperaturkompensierte Z-Diode, die aus der Serienschaltung mehrerer, teils in Fluß-, teils in Sperrichtung betriebener Halbleiterdioden besteht, wobei die in Sperrichtung gepolten Halbleiterdioden im Abbruchgebiet als Z-Dioden betrieben sind und die in Flußrichtung betriebenen Halbleiterdioden zur Temperaturkompensation der Abbruchspannung der Z-Dioden dienen.

Wenn die Abbruchspannung von Z-Dioden im Bereich größer als 6 V temperaturstabil gemacht werden soll, so müssen mehrere in Flußrichtung betriebene Dioden in Reihe geschaltet werden. Diese zusätzlichen Dioden haben einen mehrfachen Raumbedarf als derjenige einer einzelnen Z-Diode und machen die Anwendung dieses Prinzips gerade für hohe Abbruchsspannungen sehr aufwendig.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine temperaturkompensierte Z-Diode zu schaffen, bei der die zusätzlichen in Flußrichtung betriebenen Dioden Bestandteil des fertigen Bauelements sind, und die in ihren Gehäuseabmessungen etwa gleich groß wie oder nicht wesentlich größer als eine der üblichen nicht temperaturkompensierten Z-Dioden ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf oder innerhalb einer hochohmigen Halbleiterplatte und parallel zur Plattenebene sich mindestens berührende Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps angeordnet sind und daß die Endzonen der Zonenfolge sperrfrei kontaktiert sind.

Aus der deutschen Auslegeschrift 1 180 849 ist zwar eine Hintereinanderanordnung von in Fluß- und in Sperrichtung betriebenen Dioden bekannt, jedoch handelt es sich bei der einen Art von Dioden.

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um Tunnel-(Esaki-)Dioden und nicht um Z-Dioden. F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform der er-

Somit tritt bei dieser Anordnung das der Erfindung findungsgemäßen Z-Diode.

zugrunde liegende Problem gar nicht auf. F i g. 3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der

Auch ist die bekannte Anordnung so ausgebildet, Z-Dioden nach den F i g. 1 und 2.
daß die abwechselnde pn-Zonenfolge aus nachein- 5 F i g. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erander und übereinander auf einer halbleitenden Un- findungsgemäßen Z-Diode.

terlage epitaktisch aufgewachsenen Schicht besteht, F i g. 5 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der

so daß die Unterlage am fertigen Bauelement eine Z-Diode nach F i g. 4.

Endzone bildet. Der Gedanke der von der Erfindung F i g. 6 zeigt die vorteilhafte Weiterbildung der Z-

vorgesehenen Nebeneinanderanordnung der Zonen io Diode nach Fi g. 1.

auf einer hochohmigen Halbleiterplatte als Unter- F i g. 7 zeigt die Abhängigkeit der temperaturbelage ist der genannten Auslegeschrift dagegen völlig zogenen Spannungsänderung von der Abbruchfremd. . " spannung bei einer legierten Silizium-Z-Diode.

In Weiterbildung der Z-Dioden nach der Erfin- In F i g. 1 befinden sich an der einen, zur Plattendung mit einer an der ebenen Oberfläche der Platte 15 ebene parallelen Oberfläche einer einkristallinen angeordneten Zonenfolge sind die an die Oberfläche Halbleiterplatte 1 von hohem spezifischem Widertretenden Stellen der pn-Übergänge zwischen den stand und n~-Leitfähigkeit drei Zonen 2 vom p+-Typ Zonen mit Isoliermaterial bedeckt. und drei Zonen 3 vom n⁺-Typ. Die Zonen 2 und 3

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Z- sind so angeordnet, daß an jede Zone des einen Leit-Diode nach der Erfindung überlappen sich die be- 20 fähigkeitstyps auf beiden Seiten eine Zone des annachbarten Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeits- deren Leitfähigkeitstyps anschließt, so daß die Zortyps. nen 2 und 3 abwechselnd hintereinander angeordnet [j Bei einer anderen Ausführungsform der Z-Diode sind. Die Zonen 2 und 3 berühren sich gegenseitig nach der Erfindung mit einer an der ebenen Ober- und bilden miteinander pn-Übergänge 4 und 5, die fläche der Platte angeordneten Zonenfolge enthält 25 an den an die Oberfläche tretenden Stellen mit einer die Halbleiterplatte einen zwischen einer hochohmi- Schutzschicht 6, beispielsweise aus Siliziumoxyd, begen Schicht des einen Leitfähigkeitstyps und einem deckt sind. Die beiden äußeren Zonen 2 a und 3 a hochohmigen Grundkörper des entgegengesetzten sind durch eine aufgebrachte Metallschicht 7 kon-Leitfähigkeitstyps liegenden, parallel zur Platten- taktiert. Jede Metallschicht ist mit einem als Anebene angeordneten pn-übergang, wobei die Zonen 30 schluß an eine äußere Schaltungsanordnung dienenvom Leitfähigkeitstyp des Grundkörpers in den den Zuführungsleiter 8 bzw. 9 versehen. Wird bei-Grundkörper eindringen. spielsweise über einen Vorwiderstand an den An-

In Weiterbildung der Z-Diode nach der Erfindung schluß 8 der positive Pol einer Gleichspannungsquelle

können mindestens einer, höchstens aber alle außer und an den Anschluß 9 deren negativer Pol gelegt,

einem der in Sperrichtung betriebenen pn-Übergänge 35 so werden die pn-Übergänge 4 in Hußrichtung und

kurzgeschlossen sein. Ferner ist es möglich, zum die pn-Übergänge 5 in Sperrichtung betrieben. Ist

optimalen Abgleich des Temperaturkoeffizienten die angelegte Batteriespannung größer als die Sum-

mindestens einen der in Flußrichtung betriebenen me der Abbruchspannungen der pn-Übergänge 5

pn-Übergänge kurzzuschließen. und die Summe der Flußspannungen der pn-Über-

Bei einer weiteren Ausführungsform der Z-Diode 4° gänge 4, so stellt sich zwischen den Anschlüssen die

nach der Erfindung ist die Zonenfolge innerhalb der Spannung U_z ein, die weitgehend unabhängig ist von

Platte angeordnet, und die beiden Endzonen der Zo- der Höhe der Batteriespannung. Das in dieser Weise

nenfolge erstrecken sich bis zur Oberfläche der Halb- betriebene Bauelement stellt also eine Z-Diode dar,

Γ\ leiterplatte. die durch die in Flußrichtung betriebenen pn-Über-

Ein Verfahren zum Herstellen dieser Ausfüh- 45 gänge 4 temperaturkompensiert ist.
rungsform besteht darin, auf die Oberfläche einer In F i g. 2 ist eine andere Ausführungsform der erhochohmigen Halbleiterplatte Dotierungsmaterial so findungsgemäßen Z-Diode dargestellt. Auf die einaufzubringen, daß sich nach den nachfolgenden kristalline Halbleiterplatte 1 vom n~-Leitfähigkeits-Wärmebehandlungen die einander mindestens beruh- typ sind die Zonen 2 und 3 aufgebracht. Darüber berenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps ne- 50 findet sich eine epitaktisch aufgewachsene Schicht beneinander und parallel zur Plattenebene angeord- 10, die ihrerseits an der Oberfläche durch eine net bilden, danach auf diese Oberfläche eine hoch- Schutzschicht 11, beispielsweise aus Siliziumoxyd, ohmige Halbleiterschicht epitaktisch aufwachsen zu abgedeckt ist. Zu den Endzonen 2 a und 3 a erstreklassen und schließlich durch Eindiffusion von Dotie- ken sich durch die Schichten 11 und 10 hindurch rungsmaterial vom Leitfähigkeitstyp der Endzonen 55 Kontaktierungszonen 2 b und 3 b aus Material des durch die epitaktisch aufgebrachte Schicht hindurch gleichen Leitfähigkeitstyps wie das der Endzone 2 a die Endzonen bis an die Oberfläche zu führen. und 3 a. Die Kontaktierungszonen 2 b und 3 b sind

Ein Verfahren zum Kurzschließen der nicht be- mit einer aufgebrachten Metallschicht 7 und den Annötigten pn-Übergänge besteht darin, auf die an die schlußdrähten 8 und 9 versehen.
Oberfläche tretenden, kurzzuschließenden pn-Über- 60 Ein Verfahren zur Herstellung einer Z-Diode nach gänge eine Metallschicht, insbesondere eine Alu- dieser Ausführungsform kann darin bestehen, daß miniumschicht, aufzubringen. man das die Zonen 2 und 3 erzeugende Dotierungs-

Die Erfahrung und ihre Vorteile werden nun un- material auf die Halbleiterplatte aufbringt und anter Bezugnahme auf die in der Zeichnung dargestell- schließend die Schicht 10 epitaktisch aufwachsen ten Figuren näher beschrieben. In den Figuren sind 65 läßt. Infolge der beim epitaktischen Aufwachsen angleiche Teile mit gleichen Symbolen bezeichnet. gewandten Erhitzung diffundiert das Dotierungsma-

F i g. 1 zeigt eine temperaturkompensierte Z-Diode terial in die Halbleiterplatte ein und bildet dort die

nach der Erfindung. Zonen 2 und 3. Die Schutzschicht 11 kann am Ende

des Vorganges des epitaktischen Aufwachsens durch Einleiten oxydierender Gase in das Reaktionsgefäß erzeugt werden. An den Stellen über den Endzonen 2 a und 3 a wird durch Anwendung der photolithographische Technik die unter der Schicht 11 liegende epitaktisch aufgewachsene Schicht 10 freigelegt. Durch Diffusion nach bekannten Verfahren werden anschließend die Zonen 2 b und 3 b erzeugt. Die Kontaktierung mittels der Metallschichten 7 und den Zuleitungen 8 und 9 erfolgt in bekannter Weise.

Die F i g. 3 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Z-Dioden nach den F i g. 1 und 2. Den pn-Ubergängen 4 entsprechen die Diodensymbole 4 a, und die pn-Ubergänge 5 sind durch die Z-Diodensymbo-Ie 5a wiedergegeben. Im Ersatzschaltbild sind ferner die durch die Leitfähigkeit der Halbleiterplatte 1 gegebenen Parallelwiderstände R eingezeichnet. Diese Widerstände verbinden hochohmig die einzelnen Zonen 3 miteinander und liegen im Ersatzschaltbild demzufolge jeweils parallel zu der Serienschaltung einer Z-Diode Sa und einer Diode 4 a.

Die Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Z-Diode. Auf der hochohmigen Halbleiterplatte 1 vom n~-Leitfähigkeitstyp befindet sich sich eine ebenfalls hochohmige Schicht 12 vom p~-Leitfähigkeitstyp, die epitaktisch aufgebracht wurde. Diese beiden Schichten bilden miteinander den pn-übergang 12 α. An der frei liegenden Oberfläche der Schicht 12 sind fünf Zonen 2 vom p+-Leitfähigkeitstyp erzeugt worden, die vollständig in die Schicht 12 eingebettet sind. Femer sind vier Zonen 3 vom n+-Typ erzeugt worden, die die Zonen 2 teilweise überlappen und sich bis in das Grundmaterial der Halbleiterplatte 1 erstrecken. Im Überlappungsbereich der Zonen 2 und 3 liegen die wirksamen pn-Ubergänge 4 und 5. Der Überlappungsbereich ist durch eine Schutzschicht 6, beispielsweise aus Siliziumoxyd, abgedeckt. Die Endzonen 2 a sind durch Metallbeläge 7 und Zuführungsleiter 8 und 9 kontaktiert.

Das elektrische Ersatzschaltbild dieser Ausführungsform zeigt F i g. 5. Den pn-Ubergängen 4 entsprechen die Dioden 4 a, während die pn-Übergänge 5 durch die Z-Diodensymbole 5 a charakterisiert werden. Ferner sind zusätzliche Diodensymbole D eingezeichnet. Diese Dioden sind bezüglich des vom Anschluß 8 zum Anschluß 9 angenommenen Stromflusses in Sperrichtung gepolt. Die Dioden D entsprechen den in Sperrichtung betriebenen pn-Übergängen 13, die an der Grenze zwischen der p~-Schicht 12 und den n+-Zonen 3 entstanden sind. Die Dioden D liegen jeweils parallel zur Serienschaltung einer Z-Diode 5 a und einer Diode 4 a.

Ferner sind Widerstände R' eingezeichnet, die der Leitfähigkeit der Schicht 12 entsprechen. Über die Schicht 12 sind nämlich die Zonen 2 miteinander durch die der Leitfähigkeit dieser Schicht entsprechenden Widerstände R' verbunden. Im Ersatzschaltbild liegen die Widerstände R^r parallel zur Serienschaltung einer in Flußrichtung betriebenen Diode 4α und einer Z-Diode 5a, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist.

Die Ausführungsform nach den F i g. 4 und 5 ist vorteilhaft, wenn der Parallelwiderstand R nach den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen sich als zu niederohmig oder wegen seiner räumlichen Verteilung als nachteilig erweisen sollte. Die vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Z-Diode nach F i g. 6 zeigt die gleiche prinzipielle Anordnung wie die Fig. 1. Im Unterschied zur Z-Diode der Fig. 1 sind jedoch die pn-Übergänge 4 b und 5 b je durch eine aufgebrachte Metallschicht 14 und 15 elektrisch kurzgeschlossen. Somit besteht diese Z-Diode aus nur einem in Sperrichtung betriebenen pn-übergang 5 und zwei in Flußrichtung gepolten pn-Übergängen 4, die die Temperaturkompensation bewirken, d. h., es ist ein nachträglicher

ίο Abgleich durch die kurzschließenden Metallschichten 14 und 15 möglich.

Im Schaubild der F i g. 7 ist über der Abbruchspannung U₂ die auf die Temperaturänderung Δ Τ bezogene Abbruchspannungsänderung AU₂ in mV/⁰ C aufgetragen. Am rechten Rand der Fig. 7 ist eine weitere Ordinatenskala errichtet, die die Anzahl z_Pο der in Flußrichtung betriebenen Dioden angibt, die zur Kompensation des auf der linken Skala abgetragenen Wertes benötigt werden. A UJA T beträgt für eine einzelne in Flußrichtung betriebene Diode etwa -2 mV/° C.

Die eingetragenen Kurven beruhen auf Messungen an legierten Silizium-Z-Dioden und zeigen, daß oberhalb U₂-IY die bei verschiedenen Temperatüren T ermittelten Kurven sich vereinigen. Daraus folgt, daß die gezeigte Charakteristik oberhalb von U₂ = TY temperaturunabhängig ist.

Für den Punkt P, dem eine Abbruchspannung U₂ = 12 V entspricht, läßt sich beispielsweise ablesen, daß zur Temperaturkompensation fünf in Flußrichtung betriebene Dioden benötigt werden. Eine nach der Erfindung hergestellte Z-Diode besitzt somit in diesem Fall einen in Sperrichtung betriebenen pn-übergang 5 und fünf in Flußrichtung gepolte pn-Übergänge 4, wobei die bei der Fertigung entstandenen überflüssigen Sperr-Übergänge durch Metallschichten überbrückt sind.

Durch den Kurzschluß einer in Flußrichtung betriebenen Diode ist es möglich, die Temperaturkompensation optimal abzugleichen. Dieser Abgleich hat einen absoluten Fehler von ± 1 mV/° C, nämlich den Δ UJA T-Wert einer in Flußrichtung betriebenen Diode. Im gewählten Beispiel mit U₂ = 12 Y, _Zp_D = 5 hat das fertige Bauelement eine Abbruchspannung U₂ = U₂ + ZfD ' Up. Der Spannungsabfall U_P einer in Flußrichtung betriebenen Diode beträgt in Flußrichtung etwa 0,7 V bei 5 mA. Somit ergibt sich U₂ = 12 V + 5 · 0,7 V = 15,5 V. Der Temperaturkoeffizient TK_ges der Gesamtordnung ergibt sich zu:

₌ A U₂/Δ Τ U₇

^ + 6,45-10-5/⁰C.

Der Temperaturkompensationseffekt wird bei noch größerer Abbruchspannung noch weiter verbessert, wie folgende überschlägige Rechnung zeigt:

Für U₂ = 50 V werden etwa 22 in Flußrichtung betriebene Dioden benötigt. Es ergibt sich:

U₂= 50V + 22-0,7V= 65,4V,

± 1 mV/° C
65,4 V

= ± 1,53-10-5/⁰C.

Die erfindungsgemäße Z-Diode ist also bezüglich des Temperaturkoeffizienten um etwa 2 Zehnerpotenzen besser als eine Z-Diode ohne kompensierende in Flußrichtung betriebene Dioden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

1 O Di) ÖO / Patentansprüche:

1. Temperaturkompensierte Z-Diode, die aus der Serienschaltung mehrerer, teils in Fluß-, teils in Sperrichtung betriebener Halbleiterdioden besteht, wobei die in Sperrichtung gepolten Halbleiterdioden im Abbruchgebiet als Z-Dioden betrieben sind und die in Flußrichtung betriebenen Halbleiterdioden zur Temperaturkompensation der Abbruchspannung der Z-Dioden dienen, dadurch gekennzeichnet, daß auf oder innerhalb einer hochohmigen Halbleiterplatte (1) und parallel zur Plattenebene sich mindestens berührende Zonen (2, 3) abwechselnden Leitfähigkeitstyps angeordnet sind und daß die Endzonen (2 a, 3 a) der Zonenfolge sperrfrei kontaktiert sind.

2. Z-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei an der ebenen Oberfläche der Platte angeordneter Zonenfolge die an die Oberfläche tretenden Stellen der pn-Übergänge zwischen den Zonen mit Isoliermaterial (6) bedeckt sind.

3. Z-Diode nach Anspruch 1 oder 2 mit an der ebenen Oberfläche der Platte angeordneter Zonenfolge, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbleiterplatte (1) einen zwischen einem hochohmigen Grundkörper des einen Leitfähigkeitstyps und einer hochohmigen Schicht (12) des ent- gegengesetzten Leitfähigkeitstyps liegenden par- ■ allel zur Plattenebene angeordneten pn-übergang (12 a) enthält und daß die Zonen (3) vom Leitfähigkeitstyp des Grundkorpers in den Grundkörper eindringen (F i g. 4).

4. Z-Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein in Sperrichtung betriebener pn-übergang, höchstens aber alle außer einem der in Sperrichtung betriebenen pn-Übergänge kurzgeschlossen sind.

5. Z-Diode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zum optimalen Abgleich des Temperaturkoeffizienten mindestens ein in Flußrichtung betriebener pn-übergang kurzgeschlossen ist.

6. Z-Diode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei innerhalb der Platte angeordneter Zonenfolge die beiden Endzonen (2 a, 3 a) der Zonenfolge sich bis zur Oberfläche der Halbleiterplatte erstrecken (F i g. 2).

7. Z-Diode nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die benachbarten Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps sich überlappen (F i g. 4).

8. Verfahren zum Herstellen einer temperaturkompensierten Z-Diode nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche einer hochohmigen Halbleiterplatte Dotierungsmaterial so aufgebracht wird, daß sich nach den nachfolgenden Wärmebehandlungen die einander mindestens berührenden Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps nebeneinander und parallel zur Plattenebene angeordnet bilden, daß danach auf diese Oberfläche eine hochohmige Halbleiterschicht epitaktisch aufwächst und daß schließlich die Endzonen durch Eindiffusion von Dotierungsmaterial vom Leitfähigkeitstyp der Endzonen durch die epitaktisch aufgebrachte Schicht hindurch bis an die Oberfläche geführt werden.

9. Verfahren zum Herstellen einer temperaturkompensierten Z-Diode nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf die an die Oberfläche tretenden kurzzuschließenden pn-Übergänge eine Metallschicht, insbesondere eine Aluminiumschicht, aufgebracht wird.