DE1544224B2

DE1544224B2 - Siliziumdiode und verfahren zu ihrer herstellung

Info

Publication number: DE1544224B2
Application number: DE19641544224
Authority: DE
Inventors: Eishun Kyoto Kimura (Japan)
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1963-09-28
Filing date: 1964-09-25
Publication date: 1971-05-13
Also published as: US3332810A; DE1544224A1; NL6411263A; GB1079914A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Siliziumdiode aus einem polykristallinen plattenförmigen Siliziumkörper, dessen größte Kristallitabmessungen in gleicher Richtung verlaufen und senkrecht zu einer Körperoberfläche ausgerichtet sind und in dem ein PN-Übergang gebildet ist und auf ein Verfahren zu ihrer Herstellung, bei dem man aus einer Siliziumschmelze eine polykristalline Siliziumstange mit Korngrenzen, die im wesentlichen in Richtung der Stange verlaufen, zieht und aus dieser Stange dann durch eine Durchtrennung in einer senkrecht zu ihrer Wachstumsrichtung verlaufenden Richtung mindestens eine Scheibe schneidet. ^:

In der Technik besteht oft der Bedarf nach billigen, unempfindlichen Hochstromdioden.

Siliziumdioden haben gegenüber Kupferoxydul- und gegenüber Selengleichrichtern den Vorteil einer höheren zulässigen Stromdichte und einer höheren Grenze ihrer Arbeitstemperatur. Es sind poly kristalline und monokristalline Siliziumdioden bekannt.

Aus Einkristallen bestehende Siliziumdioden (bekannt z. B. aus der Zeitschrift für Metallkunde, 1958, S. 570 bis 575; »Das Elektron«, 5 [1951/52 vom 22. April 1952], S. 429 bis 439; Umschau, 23 [1961], S. 719 bis 722) sind mit einem großen Leiterquerschnitt nur unter erheblichen Herstellungskosten zu erzeugen. Die Strombelastbarkeit eines Gleichrichterelements ist der Größe der monokristallinen Basisplatte proportional. Es ist deshalb verhältnismäßig teuer, solche Dioden mit hoher Strombelastbarkeit herzustellen.

Um eine erhöhte Gesamt-Strombelastbarkeit zu erzielen, ist es auch bekannt, eine Mehrzahl monokristalliner Siliziumdioden in elektrischer Parallelschaltung zu kombinieren. Hierbei ergeben sich jedoch nicht nur schaltungs- und wartungstechnische Schwierigkeiten, sondern es treten an den Seitenflächen der zahlreichen Dioden Oberflächen-Kriechströme auf, die zur Verschlechterung der elektrischen Gesamteigenschaft des Gleichrichtersatzes führen und außerdem auch die Lebensdauer der Dioden verringern, da durch sie eine ungünstige Wirkung auf an der Oberfläche vorhandene Substanzen und Gase entsteht.

Es sind andererseits Kristallgleichrichter aus polykristallinem Silizium bekannt, bei denen das polykristalline Ausgangsmaterial nicht vollständig gereinigt war und einen hohen Anteil hochkonzentrierter Verunreinigungen sowie häufig einen sehr niedrigen Wert für die Durchbruchspannung in Sperrrichtung aufwies. Es ist äußerst schwierig, das Verhalten derartiger Materialien bei der Herstellung zu beeinflussen. Weiterhin ist es bekannt, daß durch Reduktion oder thermische Zersetzung einer siliziumhaltigen Verbindung, wie Siliziumtetrachlorid, Trichlorsilan, Silan oder Siliziumjodid, eine polykristalline Siliziumplatte mit Gleichrichterwirkung entsteht. Solche polykristallinen Siliziumdioden lassen jedoch einen erheblichen Sperrstrom durch und werden deshalb in der Praxis kaum angewandt.

Insbesondere ist eine polykristalline Siliziumdiode der eingangs genannten Gattung bekannt (deutsche Patentschrift 1130 932), deren Halbleiterkörper in Längsrichtung verlaufende Versetzungen hat und durch Ziehen aus einem entsprechende Versetzungen aufweisenden Impfkristall hergestellt wird. Bei der bekannten Diode wird die Tendenz der Diffusion, vorzugsweise längs der Versetzungen fortzuschreiten, so ausgenützt, daß damit vorspringende Grenzschichtstellen erzeugt werden, die an ihrer Spitze einen aktiven Bereich von äußerster Kleinheit bilden. Auf Grund dieser Eigenschaft ergibt sich ein sehr beschränkter Anwendungsbereich der bekannten Dioden, da die Stromdichte im Bereich der Spitzen nicht sehr hoch werden darf und auch die Durchbruchspannung durch diese Stellen erhöhter Feldstärke verhältnismäßig niedrig ist. Die bekannten Diöden sind deshalb jedenfalls als Hochstromdioden ungeeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen billig, herstellbaren Siliziumgleichrichter mit erheblichem Leiterquerschnitt und damit mit hoher Strombelastbarkeit herzustellen, dessen Sperrstrom und dessen Sperrspannung zufriedenstellende Werte aufweisen. Solche Gleichrichter werden insbesondere für Anwendungen benötigt, bei denen am Gleichrichter eine mäßige Spannung anliegt, so daß nur eine dünne p-n-Übergangsschicht vorliegt, der aber einen erheblichen Strom führen soll, beispielsweise in der Stromerzeugungsanlage von Kraftfahrzeugen, die als Lichtmaschine einen Drehstromgenerator haben.

Die erfindungsgemäße Siliziumdiode zeichnet sich dadurch aus, daß der flächenhafte p-n-Übergang in einer im wesentlichen ebenen Fläche liegt, die die Korngrenzen der Kristallite ν rechtwinklig schneidet. Mit ihren faserartig langgestreckten, etwa parallelen Kristallen, die quer von der im wesentlichen ebenen Sperrschicht durchsetzt werden, ist die erfindungsgemäße Diode einer Vielzahl .von in einem einzigen Gleichrichterkörper■ ,zusammenge_faßteri _ .parallelgeschalteten EinkristaÜdioden vergleichbar und gestattet bei einigermaßen, gleichmäßig verteilter Stromdichte eine sehr hohe Strombelastung. Sie stellt also eine billig herstellbare Hochstromdiode mit Einkristallcharakteristik dar, bei deren Herstellung jedoch nicht die für die Herstellung eines Einkristalls zu beobachtenden kritischen Bedingungen und die sehr präzise Temperaturkontrolle eingehalten werden müssen.

Das Herstellen der im wesentlichen ebenen Sperrschicht in dem polykristallinen, ausgerichteten Halbleiterkörper ist dadurch zu erzielen, daß durch die Durchführung der Diffusion unter speziellen Temperaturbedingungen die Erscheinung des schnelleren Diffusionsfortschreitens entlang den Korngrenzen unterdrückt wird. Diesbezüglich optimale Bedingungen zur Verfahrensdurchführung ergeben sich, wenn man, in die Siliziumscheibe, die von hoher Reinheit mit einer Verunreinigungskonzentration von weniger als 1:1000 000 ist, von mindestens einer ihrer Oberflächen eine Verunreinigung bei einer Temperatur T in ° C während einer Zeit t in Stunden

,55 eindiffundiert, wobei .... .. ,..,,·

Zur noch weiteren Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, das Siliziummaterial von beiden Seiten her mit Verunreinigungen einander entgegengesetzten Leitungstyps zu dotieren. Hierdurch wird die Leitfähigkeit verbessert.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt

Fig. 1 ein Schaltbild einer elektrischen Parallel-

3 4

schaltung herkömmlicher Einkristallgleichrichterele- überliegenden Seiten der Siliziumbasis vom Typ η

mente, eindiffundiert worden sind und der einen spezifischen

Fig. 2 eine schematische Darstellung für die An- Widerstand von 50 Ohm-cm hat,

Wendung'polykristalliner Gleichrichterelemente nach Fig. 17 ein Beispiel für ein polykristallines SiIi-

der Erfindung, 5 ziumgleichrichterelement nach der Erfindung,

. Fig. 3a, 3b, 3c, 3d und 3e je eine schematische Fig. 18 eine schaubildliche Darstellung der elek-

Darstellung der aufeinander folgenden Stufen eines trischen Eigenschaften des Gleichrichterelements

Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer Vor- nach Fig. 17 und

richtung mit einem polykristallinen Gleichrichter aus Fig. 19 ein Schaltbild einer Ausführungsform

einer polykristallinen Siliziumstange vom Typ η mit io einer elektrischen Stromerzeugungsanlage für Kraft-

nicht geradeaus gerichteten Polykristallen, fahrzeuge mit einer Anzahl von. Gleichrichterele-

F i g. 4 eine schematische Darstellung der Mikro- menten nach der Erfindung.

struktur des Gleichrichters im Querschnitt durch die Aus der Fig. 1 und 2 läßt sich ein Vergleich für

in seinem Inneren entstehende p-n-Verbindungs- die Herabsetzung des Oberflächenbereiches und der

schicht, 15 Kriechströme bei einer Vorrichtung mit polykristal-

F i g. 5 eine schematische Darstellung des Ver- linem Gleichrichter nach der Erfindung im Vergleich

fahrens zur Herstellung einer geradeaus. gerichteten zu herkömmlichen Emkristallgleichrichtern ablesen,

polykristallinen Siliziumstange, welches das Wachs- F i g. 1 zeigt die Anwendung einer Vielzahl üblicher

tum der Kristalle in praktisch nur einer einzigen be- Einkristallelemente in elektrischer Parallelschaltung,

stimmten Richtung umfaßt, 20 wobei die Pfeile den Oberflächen-Leckstrom i_s! be-

Fig. 6 die Ansicht eines Querschnitts durch ein zeichnen, der an jedem einzelnen "dieser Elemente

geradeaus gerichtetes polykristallines Gleichrichter- auftritt. Andererseits tritt im Falle der Verwendung

element, wobei der Schnitt durch die in diesem ge- eines Elementes mit" ausgerichteten Polykristallen,

formte p-n-Verbindungsschicht hindurchgeführt ist, wie F i g". 2 zeigt, ein Leckstrom i_sf nur an der Seiten-

, Fig. 7 die Ansicht eines schematischen Schnitts .25 fläche der gesamten Gleichrichtervörrichtüng auf. In

durch eine poly kristalline Stange, in welcher die diesen beiden Figuren ist durch den gestrichelten

Ränder des einzelnen Korns nicht nur in der speziel- Linienzug die p-n-Verbindung'sschicht angedeutet,

len Richtung des Kristallwachstums fortgeschritten die in der Siliziumbasis erzeugt wird,

sind, sondern auch quer zu dieser Richtung, Der Hauptünterschied zwischen einem Einkristall

Fig. 8 eine schematische Darstellung der Korn- 3° und einer polykristallinen Substanz ist darin zu sehen,

anordnung in dem polykristallinen Gleichrichterele- daß letztere aus zusammengefügten Einkristallen be-

ment relativ zu der p-n-Verbindungsschicht, die in steht und zwischen den einzelnen Einkristallen soge-

diesem Element hergestellt worden ist, nannte interkristalline oder Korn-Randzonen vor-

, F i g. 9 die schematische Ansicht eines Querschnitts handen sind. ,

durch einen polykristallinen Gleichrichter mit der 35 Durch eingehendes Studium der Auswirkungen

Anordnung der Umrißlinien des Korns relativ zu der ' der Randzonen auf die gleichrichtenden Eigenschaf-

p-n-Verbindungsschicht, ten und, auf die Diffusion von Verunreinigungen ist

F i g. 10 eine Darstellung des Zusammenhangs zwi- ein geradeaus . gerichtetes polykristallines Material sehen der Dicke der Sperrschicht an der p-n-Ver- gefunden worden, welches sich mit Vorteil zur Herbindungsschicht und der angelegten Spannung für 4? stellung von Gleichrichterelementen auf kontrollierverschiedene spezifische Widerstände, bare Art und unter industriell und wirtschaftlich trag-

Fig. 11 eine Erläuterung einer Ausführungsform baren Bedingungen verwenden läßt.

der p-n-Verbindungsschicht in dem polykristallinen .,Einer der bedeutendsten Unterschiede hinsichtlich Gleichrichterelement, die durch Diffusion im festen des elektrischen Verhaltens zwischen einem Einkri-Zpstand gebildet ist, -.....· 45 stall aus Silizium und poly kristallinem Silizium be-, Fig. 12 eine Darstellung des Zusammenhangs steht darin, daß "die Lebensdauer, von Mmoritätszwischen der Diffusionsgeschwindigkeit und der trägern in dem polykristallinen Silizium sich zu unwechselseitigen Temperaturen für die Diffusion an gefähr einem Zehntel oder weniger der entsprechenden Korngrenzflächen und für die Diffusion in der den Menge in dem Einkristall ergab.
Gesamtmasse, 5° In Transistoren beeinflußt die Lebensdauer das

Fig. 13 die Ansicht eines Querschnitts durch ein Verhältnis der Minorftätsträger, die den Kollektor

polykristallines Element nach der Erfindung, die erreichen, zu denjenigen, die emittiert werden, und

schematisch die Bildung einer p-n-Verbindungs- .bildet damit einen der Faktoren, welche die Strorh-

schicht zeigt, die durch Diffusion von Verunreinigun- verstärkung des Transistors bestimmen, während die

gen eines Leitfähigkeitstyps entsteht, welcher dem- 55 Strom-Spannungs-Kennlinie eines Gleichrichters iri-

jenigen des polykristallinen Materials entgegenge- nerhalb seiner umgekehrten Pufchbruchssparrhung

setzt ist, . . . · durch folgende Gleichung gegeben ist:"

; Fig. 14 eine graphische Darstellung des Zusam- . . ν \

menhangs zwischen der Flächenfunktion und der ,· — j_$ |_eXp _iL_ _ A _} (i)

Diffusionszeit bei verschiedenen Diffusionstempe- 60 \ kT ) '

^ratF?gⁿ'l5 ein Schaubild, welches den Zusammen- * ™^elcher / ^d/ ^{r Str}°^m' ⁷« ^der Sättigungsstrom, e die

hang zwischen der Diffusionstemperatur und der Elektronenladung, V die angelegte Spannung, /c die

Diffusionszeit für verschiedene Werte der Flächen- Boltzmannsche Konstante und Γ die absolute Tem-

funktion für Bor und Phosphor wiedergibt, 65 P^{eratur ist} Ferner gilt die Gleichung:

F i g. 16 die Ansicht eines schematischen Querschnitts durch einen Siliziumgleichrichter, der Bor . r₁=j4.plp_n'\/ ^v -f- N_v 1 / ^Dn \ , (2) und Phosphor enthält, die in die einander gegen-

5 6

in welcher P_n die Defektelektronendichte im Bereich polykristalline Element zeigte auch eine Strom-

des Typs n, D_n die Loch-Diffusionskonstante, τ_ρ die Spannungs-Sperrcharakteristik, die im Bereich der

Lebensdauer der Löcher, N₁, die Elektronendichte im Durchbruchsspannung auf der Kennlinie etwas

Bereich des Typs p, D_n die Elektronen-Diffusions- schräger verlief, so daß sich ein sogenannter »wei-

konstante und z„ die Lebensdauer der Elektronen ist. 5 eher« Verlauf zeigte und außerdem eine Kennlinie

Wie man diesen theoretischen Formeln entnehmen für den Vorwärtsstrom, die einen ausreichenden Ankann, ist die Strombelastbarkeit oder Stromkapazität stieg des Anfangsstroms, aber einen etwas kleineren eines Gleichrichterelementes aus einem Material mit Wert im Bereich für die höheren Ströme zeigte. Man Minoritätsträgern, die in ihrer Lebensdauer begrenzt kann diese experimentellen Ergebnisse durch theosind, also beispielsweise im Falle von polykristalli- io retische Erwägungen erhärten, die sich aus den Wirnem Silizium VK-mal so groß wie für die gleiche an- kungen der Form der Dioden-Kennlinien für die begelegte Spannung, wenn K den Reduktionskoeffizien- grenzte Lebenszeit der Minoritätsträger in dem polyten der Lebensdauer darstellt. kristallinen Gleichrichtermaterial ergeben.

Diese Tatsache gibt Veranlassung für die Zu- Außerdem hat eine mikroskopische Betrachtung nähme des Sperrstromes, Und vermutlich war dies 15 der Struktur des polykristallinen Gleichrichters, insauch der Grund, warum man bisher kein polykri- besondere im Bereich der p-n-Schicht, folgende Tatstallines Material, sondern ein monokristallines Ma- sache aufgedeckt,
terial für Gleichrichterelemente benutzt hat. In Fig. 4 bezeichnet der schraffierte Bereich die

Es ist aber gefunden worden, daß die obener- Sperrschicht äü der p-ri-Verbindüngsstelle, während wähnten Nachteile, die dem üblichen polykristallinen 20 die stark ausgezogenen Linien den interkristallinen Siliziummateriai anhaften, durch die Verwendung Bereich öder die Randzonen der Körner in dem ausgerichteten polykristallinen Siliziums vollständig polykristallinen Plättchen darstellen,
vermieden werden können, wie im folgenden noch In dieser Figur ist der Abschnitt AB besonders näher beschrieben werden soll. Im folgenden soll zu beachten, weil an dieser Stelle ein Teil der Randdas Wesen der Erfindung zunächst durch Schilderung 25 zone des Körnchens zu beobachten ist, der durch die des Weges erläutert werden, den der Erfinder be- Sperrschicht praktisch parallel zu ihrer Ebene hinschritten hat, um zu der Erfindung zu gelangen. durchgeht. Es₁ ist gefunden worden, daß eine Wieder-

Eine Scheibe mit einer Dicke von 320 Mikron vereinigung der Minöritätenträger in der Sperrwurde von einer Stange einer bestimmten Art von schicht an dieser p-n-Verbindungsstelle, die haüpt-Silizium (F i g. 3 a) vom Typ η polykristallinen SiIi- 30 sächlich infolge des Vorhandenseins der Kornrandziums abgeschnitten, und man hat hierauf in die zonen in diesem Abschnitt auftritt, die Verschlechte-Scheibe bis zu einer Dicke von 60 Mikron Phosphor rung der Gleichrichtereigenschaften herbeiführt,
aus einem Dampf von P₂O₅ (F i g. 3 b) in die Scheibe Aus Untersuchungen, die man in den anderen hineindirmndiert. Anschließend wurde eine Ober- Gleichrichterabschhitten durchgeführt hat, in weifräche der Scheibe bis zu einer Tiefe von 80 Mikron 35 chen die Rändzöheh der Körnchen sich praktisch (F i g. 3 c) abgetragen. Diese so freigelegte Ober- senkrecht zu der Ebene der p-n-Schicht erstrecken, fläche wurde dann mit Boranhydrid (B₂O₃) über- hat sich andererseits ergeben, daß diese Abschnitte zogen, um ein Eindiffundieren in die Scheibe bis zu keinerlei merkliche Differenz in den gleichrichtenden einer Tiefe von 60 Mikron· zu erzielen (Fig. 3d). Eigenschaften gegenüber moriokristallinen Gleich-Hierauf wurde die Scheibe geläppt, um eine Ober- 4° richterri zeigen.

flächenschicht von einer Stärke von 20 Mikron auf Schließlich ist hoch gefunden worden, daß pöly-

beiden Seiten abzutragen, so daß man eine end- kristalline Gleichrichterelemente zufriedenstellende

gültige Scheibendicke von 200 Mikron erhielt Eigenschaften aufweisen können, solange die Rand-

(Fig. 3e). Zonen der Körnchen sich praktisch senkrecht zu der

Die Scheibe wurde dann mit Nickel plattiert, und 45 Ebene der p-n-Schicht erstrecken. Hieraus hat der

aus der Scheibe wurde ein Element mit den Dirnen- Erfinder mit Recht den Schluß gezogen, daß man

sionen 4 · 4 mm herausgeschnitten, um ein einzelnes gute Gleichrichterelemente aus einem polykristallinen

Gleichrichterelement zu gewinnen. Material immer dann erhält^ wenn die einzelnen Kri-

Dieses Gleichrichterelement zeigte verhältnismäßig stalle in dem Material in einer Richtung zueinander

gute Gleichrichtereigenschaften trotz der Tatsache, 50 ausgerichtet sind, die praktisch senkrecht zu der

daß es sich um einen polykristallinen Gleichrichter Ebene der p-n-Verbindungsschicht in dem Material

handelte. verläuft.

Verglichen mit Gleichrichtereiementen aus mono- Es ist allgemein bekannt, daß beim Verbleiben von kristallinem Silizium des Typs n, die unter den glei- Silizium im teilweise geschmolzenen Zustand und chen Herstellungsbedingungen gewonnen worden 55 bei Abkühlung mit einem passenden Temperaturwaren und die gleichen Dimensionen aufwiesen, gradienten die feste Phase des Siliziums in Richtung zeigte das so gewonnene polykristalline Element die des Temperaturgradienten zunimmt. Man muß dafolgenden Unterschiede seiner elektrischen Eigen-_. her beachten, daß durch Verschiebung des Bereiches schäften. des Schmelzflusses in Richtung des Temperaturgrä-

Zunächst zeigte das polycristalline Siliziumgleich- 60 dienten ein ausgerichtetes polykristallines Silizium

richterelement, das durch diesen ersten Versuch ge- gewonnen wird, welches längliche Kristalle enthält,

wonnen wurde, eine p-n-Schicht im Innern, die durch, die in dieser Richtung liegen. Mit anderen Worten,

Diffusion im festen Zustand gebildet war, bei der es können die Randzonen der Körnchen bei dem

gleichen angelegten Spannung einen höheren Wert Verfahren des Wachstums einer Stange aus poly-

für den Sperrstrom verglichen mit demjenigen eines 65 kristallinem Silizium so ausgerichtet sein, daß sie

monokristallinen Siliziumgleichrichterelementes glei- sich in der Längsrichtung der polykristallinen Stange

eher Abmessungen, welches unter den gleichen Her- erstrecken, wenn man das Material aus der flüssigen

Stellungsbedingungen gewonnen worden war. Das Phase abzieht, so daß man eine progressive Ver-

festigung erhält, wie sie in Fig. 5 schematisch dargestellt ist.

F i g. 5 zeigt eine Stange M aus polykristallinem Silizium, der Pfeil A gibt die Richtung an, in welcher das Material für die Zwecke der progressiven Verfestigung nach oben gezogen wird. Mit B sind die interkristallinen Zonen oder Randzonen des Korns bezeichnet, während S die Ebene kennzeichnet, parallel zu der die Stange in Scheiben geschnitten wird. Dieses Verfahren basiert im wesentlichen auf dem gleichen Prinzip wie die bisher bekannten Schwebe- und Abziehverfahren, ist aber technologisch viel einfacher und bequemer, weil es nicht erforderlich ist, einen Einkristall über den ganzen Querschnitt zu formen.

Von der auf diese Weise gewonnenen polykristallinen Stange wird eine Scheibe längs einer Ebene abgeschnitten, die senkrecht zur Wachstumsrichtung verläuft, die ihrerseits mit dem Pfeil A bezeichnet ist (d.h. also parallel zu der EbeneS in Fig. 5). Verunreinigungen einer Art, die stromleitend sind und deren Stromleitfähigkeit derjenigen des polykristallinen Materials entgegengesetzt ist, werden durch Diffusion im festen Zustand in die Scheibenfläche eindiffundiert, um eine p-n-Schicht zu bilden. Das Gleichrichterelement, welches so hergestellt worden ist, besitzt die Randzonen B an jedem einzelnen Korn, die sich durch die Sperrschicht D der p-n-Verbindungsstelle nicht parallel zu dieser erstreckt, wie dies F i g. 6 zeigt, und besitzt elektrische Eigenschaften, die praktisch denjenigen eines monokristallinen Gleichrichterelementes gleichkommen.

Es ist ferner gefunden worden, daß selbst in den Fällen, in denen die obigen Voraussetzungen nicht vollständig erfüllt sind, ein polykristallines Gleichrichterelement gewonnen werden kann, welches praktisch die gleichen elektrischen Eigenschaften aufweist wie ein monokristallines Gleichrichterelement, solange die folgenden zusätzlichen Voraussetzungen und Bedingungen erfüllt sind.

F i g. 7 zeigt eine Form des polykristallinen Wachstums, bei der die Kornränder oder Randzonen B sich nicht nur in der Wachstumsrichtung A über die gesamte Länge der Stange erstrecken, vielmehr finden sich in der Mitte ihrer Längsausdehnung auch querverlaufende Randgebiete. Bei der Herstellung von Gleichrichterelementen aus derartigem polykristallinem Material hat die Größe der Kristallkörnchen eine erhebliche Bedeutung.

Fig. 8 erläutert diese Verhältnisse unter Zugrundelegung der einfachsten Form. Für die Zwecke der Erleichterung der Berechnung ist hier angenommen, daß die Kristallkörner in horizontaler und vertikaler Richtung identische Abmessungen G aufweisen.

In Fig. 8 bezeichnet der schraffierte Bereich D die Sperrschicht an der p-n-Verbindungsstelle, welche die Dicke d hat. Die Wahrscheinlichkeit p, mit welcher sich die Kornränder B im Bereich der Sperrschicht an der p-n-Verbindungsstelle parallel zu dieser Schicht erstrecken, ist durch folgende Formel gegeben:

In Fig. 9 bezeichnet L die Gesamtlänge der p-n-Schicht des Gleichrichterelementes; die Wahrscheinlichkeit P, mit der mindestens eine Korngrenze sich über die Sperrschicht an der p-n-Verbindungsstelle über dieses hinaus und parallel zu ihr erstreckt, ist in dem einen oder anderen Bereich des Elementes durch folgende Gleichung gegeben:

P = 1 - (1 -

(4)

L .
worin η = — ist.

Andererseits kann die Dicke d der Sperrschicht der p-n-Verbindungsschicht näherungsweise für die steile Verbindungsstelle durch folgende Gleichung gegeben sein:

d =

d_ G

In dieser Gleichung ist G die Länge der Seiten eines jeden einzelnen Kristallkorns.

worin ε die Dielektrizitätskonstante 12 · 10~¹² F/cm für Silizium ist, μ_η die Elektronenbeweglichkeit 1350 cm²/Volt · see. ist, ρ der spezifische Widerstand in Ohm/cm, V die angelegte Spannung in Volt, n_n die Elektronenkonzentration im Bereich der Type η und n_p die Elektronenkonzentration im Bereich der Type ρ ist.

Bei einer Ausführungsform des Gleichrichterelements nach der Erfindung mit einem spezifischen Widerstand von 50 Ohm · cm und einer angelegten Sperrspannung von 50 Volt erhält man eine Sperrschicht mit einer Dicke von 25,4 μ, wie sie sich aus der Formel (5) ergibt.

Der Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und der Sperrschicht ist in Fig. 10 für verschiedene spezifische Widerstände graphisch dargestellt.

Ist die Wahrscheinlichkeit P, mit der ein Kornrand sich über die Sperrschicht an der p-n-Verbindungsstelle hinaus und parallel zu dieser erstreckt, kleiner als 0,1 bzw. ist

(6)

dann hat sich ergeben, daß die Gleichrichter aus einem solchen polykristallinen Silizium mit Hilfe der Diffusionsmethode mit praktisch der gleichen Ausbeute und Qualität in Massenherstellung produziert werden können wie bei der Massenherstellung monokristalliner Gleichrichter. Mit Hilfe der obigen Gleichung kann man die erforderliche Mindestgröße der Kristallkörnchen errechnen.

Bei dem obigen Beispiel eines polykristallinen Gleichrichters mit einem spezifischen Widerstand von 50 Ohm · cm und einer angelegten Sperrspannung von 50 Volt ergibt sich die erforderliche Mindestgröße für die Kristallkörner zu

f~i

0,1

■ = 254/.,

weil die Dicke d der Sperrschicht 25,4 Mikron in diesem Falle beträgt.

109 520/153

9 ίο

Mit anderen Worten, es kann festgestellt werden, polykristallinen Siliziums vorgeschlagen, welches daß die Gleichung (6) erfüllt ist, wenn das Gleich- nach den obigen Herstellungsvorschriften fabriziert richtermaterial eine Mindestkorngröße aufweist, wie worden ist und wegen seiner geringen Herstellungssie sich aus Formel (7) ergibt, weil der Wert für η in kosten vom wirtschaftlichen Standpunkt aus sehr zu Formel (4) praktisch keinen so hohen für die tat- 5 empfehlen ist.

sächliche Gleichrichterdimension L annimmt, wie sie In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die

für den Bereich der Stromkapazität erforderlich ist, polykristalline Gleichrichterbasis nur erforderlich ist,

der bei Anwendungen gefordert werden muß, auf um einen Verunreinigungsanteil von 1 Teil je Million

welche sich die vorliegende Erfindung bezieht. Teile oder weniger zu erzielen und um einen spezifi-

Bei Berücksichtigung der möglichen Zufälle bei io sehen Widerstand von nicht weniger als einigen

dem Verfahren des Kristallwachstums ausgerichteter Bruchteilen eines Ohms zu bekommen, wodurch man

polykristalliner Materialien, gelegentlich Kristall- eine Durchbruchssperrspannung erhält, die für solche

körner zu bekommen, die beträchtlich kleiner sind Anwendungszwecke völlig ausreicht,

als die ausgerichteten Kristalle der gewünschten Obwohl oben gesagt worden ist, daß es bekannt

Größe, sieht man aus den in Fig. 10 wiedergegebe- 15 sei, daß die Lebensdauer der Minoritätsträger in dem

nen Verhältnissen, daß die Verwendung polykristal- polykristallinen Material kleiner ist als diejenige der

linen Siliziums ganz besonders für Gleichrichter zu Einkristalle, hat es sich doch als notwendig erwiesen,

empfehlen ist, die höhere Stromausgänge und niedri- die Bedeutung der Lebensdauer der Minoritätsträger

gere Sperrspannungen haben. zu erklären, um die Wirkungsweise der polykristalli-

Für derartige Gleichrichter mit hohem Ausgangs- 20 nen Gleichrichterelemente, die nach der Lehre der strom und niedriger Sperrspannung muß man dem- Erfindung hergestellt sind, besser zu verstehen. Die jenigen Siliziummaterial den Vorzug geben, welches Lebensdauer von polykristallinem Material kann mit einen begrenzten spezifischen Widerstand aufweist. an sich bekannten Methoden ermittelt werden, bei-B ei solchen Gegebenheiten hat die Sperrschicht an spielsweise durch Messung des Umfangs des Abfalls der p-n-Verbindungsstelle eine verminderte Dicke. 25 der Fotoleitfähigkeit nach Bestrahlung mit modulier-Die Dicke d der Sperrschicht ist auch infolge der tem Licht. Dabei ist gefunden worden, daß der Wert niedrigen umgekehrt angelegten Spannung (Sperr- für die Lebensdauer, der mit Hilfe einer solchen spannung) reduziert. Unter diesen Umständen wird Methode ermittelt worden ist, ein statistischer Mitteies deutlich, daß die Wahrscheinlichkeit, mit der sich wert ist, der sich über einen verhältnismäßig weiten ein Kornrad über die Sperrschicht an der p-n-Ver- 30 Bereich erstreckt, der eine große Anzahl winziger bindungssteile und praktisch parallel zu dieser er- Einkristalle enthält.

streckt, in zufriedenstellender Weise herabgesetzt Andererseits ist gefunden worden, daß im allge-

werden kann. meinen in einem Gleichrichterelement mit p-n-

Andererseits benötigt man zur Erzielung einer Schicht, auf welches sich die Erfindung bezieht, die höheren Durchbruchssperrspannung Materialien mit 35 Lebensdauer der Minoritätsträger, welche den Sperreinem höheren spezifischen Widerstand, was natür- strom des Gleichrichters bestimmt und die eine der Hch zu einer größeren Dicke der Sperrschicht im Zu- wichtigsten charakteristischen Größen für die Praxis sammenhang mit der höheren angelegten Sperrspan- ist, tatsächlich diejenige im Bereich der Sperrschicht nung steht. Unter diesen Umständen muß, wenn es ist, welche sich in der Nähe der p-n-Verbindungserwünscht ist, die Wahrscheinlichkeit herabzusetzen, 40 schicht und in Zuordnung zu der angelegten Sperrmit der sich ein Korn über und praktisch parallel zu spannung bildet, und nicht eine durchschnittliche der Sperrschicht an der p-n-Verbindungsstelle er- Lebensdauer für einen größeren Bereich außerhalb streckt, die Größe der Kristallkörner in dem poly- des Gebietes der Sperrschicht an der p-n-Verbinkristallinen Material entsprechend erhöht werden, so dungssteile ist.

daß sich letzten Endes eine monokristalline Struktur 45 Bezüglich jedes einzelnen der individuellen Kri-

ergibt. " Stallkörner in dem polykristallinen Material ist zu

Die Herstellung einer Stange aus einem Einkristall sagen, daß es tatsächlich ein einziger Kristall ist, der ist indessen nicht immer eine notwendige Voraus- von den benachbarten Korngrenzflächen begrenzt setzung für die Erzielung einer hohen Durchbruchs- oder umgeben ist, und infolgedessen besteht auch Sperrspannung, weil eine polykristalline Stange schon 50 kein Grund dafür, daß sich die Lebensdauer der den Zweck erfüllen kann, vorausgesetzt, die darin Minoritätsträger innerhalb eines solchen kleinen Einenthaltenen Kristallkörner haben eine Größe, die kristalle von derjenigen eines Einzelkristalls unternicht geringer ist als ein ganz spezieller Wert, wie er scheiden sollte, der größere Abmessungen besitzt,
sich aus den obigen Beziehungen, Versuchen und den Ein anderes wesentliches Merkmal bei der Heran sie anknüpfenden Betrachtungen ergibt. 55 stellung der vorgeschlagenen polykristallinen Gleich-

Insbesondere muß das Gleichrichtermaterial, wenn richter ist die Methode der Beifügung von Verunrei-

es sich um Gleichrichter für niedrige Spannungen nigungen zu dem polykristallinen Silizium, deren

und hohe Stromstärken handelt, nur eine Mindest- Stromleitfähigkeitstyp entgegengesetzt demjenigen

korngröße haben, wie sie sich aus der Gleichung (7) des Siliziums ist.

ergibt, und man braucht keineswegs die teuren mono- 60 Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird daher

kristallinen Materialien zu verarbeiten. von einer Diffusion im festen Zustand Gebrauch ge-

So braucht man beispielsweise für die Gleichrich- macht, die ein vorteilhaftes Verfahren der Beifügung

ter, mit denen man Kraftfahrzeugbatterien aufladen von Verunreinigungen zu dem polykristallinen SiIi-

kann, eine Mindest-Durchbruchssperrspannung von zium darstellt, welches vom Standpunkt der fabrika-

50 Volt auf Grund praktischer Erfahrungen, weil die 65 torischen Herstellung besonders vorteilhaft ist. Für

Batteriespannung in den meisten Fällen für kleinere den Fall, daß Verunreinigungen in einen Einkristall

Wagen 12 Volt und für größere Wagen 24 Volt be- hineindiffundiert werden, ist die Konzentration C der

trägt. Für solche Gleichrichter wird die Anwendung Verunreinigung in einer Entfernung X von der Ober-

fläche gegeben durch die Formel:

worin C₀ die Oberflächenkonzentration bedeutet, D die Diffusionskonstante, die eine Funktion der Diffusionstemperatur ist, t die Diffusionszeit und erfc die Fehlerfunktion darstellt. Die Diffusionskonstante D ist durch folgende Gleichung gegeben:

D = D₀ exp

kT

(9)

Ld <t,

(10)

In dieser Gleichung stellt AQ die Aktivierungsenergie in Elektronenvolt dar, k die Boltzmannsche Konstante und T die absolute Temperatur.

Beim Hineindiffundieren von Verunreinigungen in ein polykristallines Material ist die Erscheinung zu beobachten, daß die Verunreinigungen längs der Korngrenzen schneller eindiffundieren als durch die übrigen Teile der Kristallkörner selbst. Über dieses spezielle Phänomen ist in einigen Aufsätzen bereits berichtet worden, beispielsweise in folgenden Veröffentlichungen:

1. »Diffusion along Small-Angle Grain Boundaries in Silicon« von H. J. Kaiser, K. H a b η e r und W. Shockley, Physical Review, Bd. 123, Nr. 4 (1961).

2. »Calculation of Diffusion Penetration Curve for Surface and Grain Boundary Diffusion« von J. C. Fisher, Journal of Applied Physics, Bd. 22, Nr. 1 (1951).

3. »Grain Boundary Diffusion« von A. E. A u s t i η und N. A. Richard, Journal of Applied Physics, Bd. 32, Nr. 8 (1961).

Aus diesen Tatsachen ergibt sich, daß es in manchen Fällen erforderlich ist, der Diffusionskonstanten in den Formeln (8) und (9) einen Wert zu geben, der gegenüber dem Wert für einen Einkristall entsprechend korrigiert ist.

Aus dem Obigen ist ohne weiteres zu verstehen, daß die p-n-Verbindungsschicht, die in dem polykristallinen Plättchen durch Diffusion im festen Zustand erzeugt worden ist, und zwar durch Diffusion von Verunreinigungen, die zu einer unregelmäßigen Schicht führen kann, wie man dies aus Fig. 11 ersieht.

Dieses Ergebnis ist in Fig. 11 dargestellt, wobei vorausgesetzt ist, daß man ein Gleichrichterelement auch noch unter der Bedingung erhalten kann, daß

worin t die Dicke des polykristallinen Plättchens des polykristallinen Gleichrichterelementes bezeichnet und Ld die größte Ausdehnung von Diffusionen von Verunreinigungen, die längs der Ränder des Kornes erreicht worden ist. Derartige ungewöhnliche Unregelmäßigkeiten in der Diffusion von Verunreinigungen, wie sie in Fig. 11 wiedergegeben sind, sollte man besser vermeiden, weil sie dazu führen, daß das Herstellungsverfahren von Gleichrichterelementen praktisch unkontrollierbar wird.

Zur Lösung dieses Problems werden folgende Maßnahmen vorgeschlagen. Die Diffusion von Verunreinigungen ist durch die Korngrenzflächen hindurch vorherrschend, wenn die Diffusionstemperatur verhältnismäßig niedrig ist, es ist aber gefunden worden, daß bei ansteigender Diffusionstemperatur die Diffusion durch die Masse oder durch andere Teile als die Korngrenzflächen hindurch vorherrschend wird. Allerdings kann die Diffusionstemperatur keinesfalls über den Schmelzpunkt von Silizium, der bei 1420° C liegt, angehoben werden. Diese Erscheinung ist in Fig. 12 schematisch dargestellt.

Unter Bezugnahme auf Fig. 13 soll nunmehr ein praktisches Beispiel für eine p-n-Verbindungsschicht beschrieben werden, die durch Diffusion von Verunreinigungen, die einen anderen Leitfähigkeitstyp aufweisen, entgegengesetzt demjenigen des Plättchens, in das polykristalline Plättchen hinein gebildet wird. In Fig. 13 bezeichnet das BezugszeichenLG den Abstand der p-n-Verbindungsschicht von der Plättchenoberfläche, wenn diese Verbindungsschicht durch Diffusion durch die Korngrenzfläche hindurch vorgenommen worden ist, während das Bezugszeichen LB die Entfernung der p-n-Verbindungsschicht von der Oberfläche bezeichnet, wenn die Diffusion durch die gesamte Masse des Materials hindurch erfolgt ist. Definiert man das Verhältnis von LG zu LB, d. h. also LGILB als eine Flächenfunktion F, welche die Unregelmäßigkeiten oder die Unebenheit- der p-n-Verbindungsschicht darstellt, dann ist der Betrag der Flächenfunktion in starkem Ausmaß durch die Diffusionstemperatur, aber auch durch die Diffusionszeit beeinflußt. Mit anderen Worten, wird die Diffusion bei einer niedrigen Temperatur und während einer kurzen Zeitspanne durchgeführt, um eine beträchtlich begrenzte Diffusionslänge zu bekommen, dann herrscht der Effekt der Grenzflächendiffusion bei der Bildung, der p-n-Verbindungsschicht vor, um eine ausgesprochene Unebenheit zu erzeugen. Dieser Effekt wird sehr rasch vermindert, um die Unregelmäßigkeiten der Schicht zu verringern, die man erhält, wenn die Diffusionstemperatur erhöht und die Diffusionszeit verlängert wird.

Diese Zusammenhänge sind quantitativ in Fig. 14 wiedergegeben. Wie man aus dieser Figur ersieht, besteht eine Tendenz dafür, daß das Verhältnis LG zu LB, d. h. also die Flächenfunktion F, rapide bis auf den Wert 1 abnimmt, wenn die Diffusionstemperatur 1280° C überschreitet und die Diffusionszeit mehr als 5 Stunden beträgt. Bei Hochfrequenztransistoren ist die Diffusionslänge mit Rücksicht auf die Breite ihrer Basis auf einige Mikron beschränkt. Im Gegensatz dazu besteht für Silizium-Gleichrichterelemente für Wechselstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge keine solche Beschränkung hinsichtlich der Diffusionslänge wie im Falle von Hochfrequenztransistoren, und deshalb kann man eine Diffusionslänge von meheren Zehnteln von Mikron mit Erfolg benutzen. Dementsprechend kann eine p-n-Verbindungsschicht, die im Vergleich zu einer Schicht in einem Einkristall verhältnismäßig eben ist, im Wege der industriellen Fertigung durch Diffusion unter vollständig kontrollierbaren Verhältnissen dadurch erzeugt werden, daß man mit einer entsprechend angehobenen Diffusionsternperatur von beispielsweise 1280° C und einer entsprechend ausgedehnten Diffusionszeit von beispielsweise 16 Stunden arbeitet.

In Fig. 15 ist der Zusammenhang zwischen der Diffusionstemperatur und der Diffusionszeit für verschiedene Werte der Flächenfunktion F an dem Beispiel der Diffusion von Bor und Phosphor in Silizium dargestellt, weil diese beiden Elemente praktisch die

gleichen Diffusionseigenschaften haben. Dabei sei allerdings bemerkt, daß die Diffusion anderer Verunreinigungen als die dieser beiden Elemente annähernd den gleichen Gesetzmäßigkeiten folgt wie die der beiden dargestellten Elemente. ·

In Fig. 15 ist auf der Ordinate die Diffusionszeit von Phosphor und Bor in Silizium hinein und auf der Abszisse die Diffusionstemperatur aufgetragen. In einer Kurvenschar sind in diesem Diagramm verschiedene Werte für die Flächenfunktion F = LGILB dargestellt, die ein Maßstab für die Unregelmäßigkeiten ist, die durch die Korngrenzflächendiffusion verursacht sind. Der schraffierte Bereich in diesem Schaubild stellt das Gebiet der Diffusionsbedingungen dar, welches bei der praktischen Ausführung des Erfindungsgegenstandes benutzbar ist.

Bezüglich der Diffusionstemperatur ist es vom Standpunkt der fabrikatorischen Herstellung aus im allgemeinen empfehlenswert, eine möglichst hohe Temperatur und eine für den praktischen Betrieb geeignete Temperatur zu wählen, weil die Diffusionsgeschwindigkeit mit der Diffusionstemperatur zunimmt. Die Temperatur kann also auf diese Weise sehr wohl bis in die Nähe des Schmelzpunktes von Silizium, das ist 1420° C, angehoben werden. Praktische Versuche haben indessen gezeigt, daß bei Diffusionstemperaturen über 1340° C das Siliziumplättchen so weich wird, daß es sich durchbiegt, wodurch sich Komplikationen bei den nachfolgenden Verfahren der Gleichrichterherstellung ergeben. Es ist daher erforderlich, im praktischen Betrieb die Diffusionstemperatur in einem Bereich zu wählen, dessen obere Grenze 1340° C nicht übersteigt.

Zur Erzielung von Hochstromgleichrichtem ist es erwünscht, in die obere Fläche und in die Bodenfläche Verunreinigungen einzudiffundieren, die im Sinne der Bildung entsprechender Halbleiter wirksam sind, die einen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp aufweisen. Mit anderen Worten, es ist erwünscht, durch die eine Fläche der Siliziumbasis eine Verunreinigung einzudiffundieren, die einen Leitfähigkeitstyp liefert, der demjenigen der Siliziumbasis entgegengesetzt ist, beispielsweise um eine p-n-Verbindungsschicht zu erzeugen, während man durch die andere Oberfläche der Basis eine andere Verunreinigung eindiffundiert, die denselben Leitfähigkeitstyp liefert, wie ihn die Siliziumbasis aufweist. Geht man so vor, dann ergibt sich, daß der Oberflächenwiderstand der Basis und damit der Widerstand derjenigen Bereiche des Gleichrichterelementes, die mit den Elektroden verbunden sind, verringert werden kann. Eine derartige sogenannte Doppeldiffusionsmethode wirkt also im Sinne einer Herabsetzung des Spannungsabfalls und damit der Wärmeerzeugung infolge des Energieverlustes, speziell bei Anlagen für große Stromstärken.

Fig. 16 zeigt im Querschnitt einen Gleichrichter mit einer Siliziumbasis vom Typ n, die einen spezifischen Widerstand von 50 Ohm-cm hat; in den Gleichrichter sind Verunreinigungen durch die oberste Fläche und durch die Bodenfläche hineindiffundiert worden. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen Ll die Dicke der Schicht, die mit Phosphor eindiffundiert ist, und das Bezugszeichen Ll die Dicke der Schicht, die mit Bor eindiffundiert ist.

Angenommen, es handele sich um eine praktisch wirklich vorhandene maximale Sperrspannung von 50 Volt für Gleichrichter von Kraftfahrzeugen, dann ist die Dicke der Sperrschicht, die durch Anlegen der Sperrspannung an der p-n-Verbindungsschicht hervorgerufen wird, annähernd 25 Mikron stark, und dementsprechend muß der Abstand W zwischen den beiden Diffusionsschichten mindestens 25 Mikron betragen. Die Dicken dieser beiden Diffusionsschichten müssen in der Praxis tatsächlich zu L1 = 60 μ und L 2 = 50 μ gewählt werden. Um einen Gleichrichter zu bekommen, in welchem keine Kollision zwischen den Spitzen zweier Diffusionsschichten auftritt, muß im allgemeinen folgende Bedingung erfüllt sein:

(F - I)(L₁ +L₈)

(11)

L₁+ L₂

Da in der Praxis die Dicken Ll = 60μ und L 2 = 50 μ bevorzugt werden, ist

25

und infolgedessen

60 + 50

(F - 1) < 0,22
F < 1,22.

(12)
(13)

Dies ist eine weitere Voraussetzung, die erfüllt sein muß, wenn der Erfindungsgegenstand praktisch ausgeführt werden soll.

Bezüglich der Diffusionszeit gilt, daß deren Höchstwert für eine wirtschaftliche industrielle Fertigung annähernd 100 Stunden betragen muß.

Auch bei Einhaltung dieser Bedingungen muß man beachten, daß die Bereiche für die Temperatur und die Zeit für die Diffusion praktisch auf den schraffierten Bereich in Fig. 15 beschränkt sind. Der Bereich kann durch die folgende numerische Formel ausgedrückt werden, wenn man eine lineare Annäherung der Kurve für F = 1,22 wählt:

T ^ (1280 -70 log O⁰C,

worin T die Diffusionstemperatur in Grad Celsius und t die Diffusionszeit in Stunden ist. Ein ähnlicher Zusammenhang gilt auch in den Fällen, in denen eine andere Kombination von Verunreinigungen als die aus Phosphor und Bor benutzt wird.

Im folgenden soll ein praktisch ausgeführtes Beispiel des Erfindungsgegenstandes im einzelnen näher beschrieben werden.

Ein Siliziummaterial großer Reinheit, welches durch thermische Zersetzung gewonnen war, wurde einem einzigen Durchgang eines Zonenschmelzverfahrens bei einer sehr hohen berechneten Geschwindigkeit von 5 bis 10 mm je Minute ausgesetzt, um eine polykristalline Stange mit geradliniger Ausrichtung und 20 mm Durchmesser zu bekommen. Dieses geradlinig ausgerichtete polykristalline Material kann durch thermische Zersetzung von Silangas, Siliziumtetrachlorid, Siliziumtrichlorid, Siliziumjodid oder ähnliche Substanzen erzeugt werden. Zunächst wird ein Siliziumstab hoher Reinheit mit einer Länge von ungefähr 60 cm und einem Durchmesser von etwa 3 mm in ein Gefäß gelegt, und an den beiden Enden der Stange werden Elektroden angebracht, durch die ein Strom hindurchgeleitet wird, um den Stab auf

etwa 1100° C zu erwärmen. Auf den erwärmten Siliziumstab wird Silizium hoher Reinheit, welches durch thermische Zersetzung einer der obengenannten Substanzen hergestellt worden ist, bis zu einem Durchmesser von ungefähr 20 mm kondensiert. Der Siliziumstab wird dann in einem Quarzrohr von ungefähr 30 mm Durchmesser vertikal aufgestellt und an seinem einen Ende erwärmt, um über eine Länge von 8 mm dadurch zu schmelzen, daß ein Hochfrequenzstrom mit Hilfe einer Hochfrequenzspule in ihm erzeugt wird, die außerhalb des Quarzrohres angeordnet ist. Die Hochfrequenzspule wird längs des Quarzrohres mit einer Geschwindigkeit von je 5 mm je Minute oder mehr bewegt, mit dem Ziel, eine Zonenschmelzung und damit eine Stange mit geradegerichtetem polykristallinem Material zu bekommen. Dieses Verfahren erfordert keinerlei Keimung von Einkristallen, und man kann mit ihm die Behandlungszeit und damit auch die laufenden Kosten für das Gerät erheblich gegenüber den Kosten herabsetzen, die im Falle der Anwendung herkömmlicher Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aufgewendet werden müssen. Die auf diese Weise hergestellte Stange aus gerade ausgerichtetem polykristallinem Silizium des Typs η mit einem spezifischen Widerstand von 50 Ohm wird dann in Scheiben geschnitten, deren Dicke etwa 320 Mikron beträgt und bei denen die Ebene der breiten Flächen praktisch senkrecht der der Längsachse der Stange verläuft. Eine solche Scheibe wird dann in einem Ofen bei 1100° C einer Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt, während andererseits Phosphorpentoxyd auf 320° C erhitzt wird, um Phosphordampf zu erzeugen, der für die Dauer von etwa 25 Minuten in den Ofen eingeleitet wird, um Phosphor aus der Dampfphase auf die Oberflächen der Siliziumscheibe niederzuschlagen. Die Siliziumscheibe wird dann weiter für die Dauer von 20 Stunden auf 1280° C erwärmt, um den Phosphor durch die Scheibenoberflächen hindurch bis in eine Tiefe von annähernd 50 Mikron hineinzudiffundieren. Die Scheibe wird dann um etwa 70 Mikron heruntergeläppt, und zwar nur auf einer Oberfläche, und diese geläppte Scheibenoberfläche wird dann mit einer Mischung von Boranhydrid, B₂O₃, undÄthylenmonoglycol überzogen. Die überzogene Scheibe wird dann wieder auf die Dauer von 24 Stunden auf einer Temperatur von 1200° C gehalten, um das Bor bis zu einer Tiefe von annähernd 60 Mikron einzudiffundieren. Hierauf wird die Siliziumscheibe um etwa 25 Mikron auf beiden Flächen heruntergeläppt, um schädliche Oberflächenschichten zu entfernen.

Die so erzeugte Siliziumscheibe, die eine Dicke von 200 Mikron hat, wird dann mit Nickel plattiert, und aus der nickelplattierten Scheibe wird ein quadratisches Stück von 4 · 4 mm Kantenlänge herausgeschnitten, um ein Gleichrichterelement zu bekommen, wie es in Fig. 17 dargestellt ist. In Fig. 17 kennzeichnet das Bezugszeichen P die polykristalline Siliziumscheibe und die Bezugszeichen X und Y die entsprechenden Schichten mit dem eindiffundierten Phosphor und Bor. Die elektrischen Eigenschaften dieses polykristallinen Gleichrichterelementes sind in F i g. 18 wiedergegeben, in der auf der Abszisse die angelegte Spannung und auf der Ordinate der Gleichstrom aufgetragen sind.

Im folgenden soll eine praktische Anwendung des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf F i g. 19 beschrieben werden. Das polykristalline Siliziumgleichrichterelement nach der Erfindung eignet sich ganz besonders für Anlagen mit niedriger Spannung und hohen Stromstärken, bei denen eine umgekehrte Spannung auftritt, die nicht höher ist als 150 Volt, und ein Strom, der nicht kleiner ist als 1 Ampere und unter anderem für die Stromversorgungsanlage und die Batterieladeeinrichtung von Kraftfahrzeugen dient.

Bei der Einrichtung, deren Schaltbild in Fig. 19

ίο wiedergegeben ist, sind Gleichrichterelemente nach der Erfindung in eine elektrische Stromversorgungsanlage und in die Einrichtung zum Aufladen der Fahrzeugbatterie für Kraftfahrzeuge wiedergegeben. In dieser Figur ist mit 101 ein Dreiphasenwechselstromgenerator bezeichnet, der von dem Automobilmotor über einen Riemen od. dgl. angetrieben ist, während die Bezugsziffern 102 und 103 die Gleichrichter kennzeichnen, von denen jeder ein polykristallines Siliziumgleichrichterelement der oben beschriebenen Form aufweist. Wie man aus der Figur ersieht, ist ein Satz von sechs solchen Gleichrichtern elektrisch miteinander verbunden, um einen dreiphasigen Vollweggleichrichterkreis zu bilden. Das Bezugszeichen E kennzeichnet eine Akkumulatorenbatterie, die an den Ausgangsklemmen des Gleichrichterkreises liegt, und mit 104 ist die Belastung bezeichnet.

Diese Schaltanordnung einschließlich der polykristallinen Siliziumgleichrichterelemente der oben beschriebenen Art kann billig hergestellt werden trotz der Tatsache, daß sie sechs derartige Gleichrichterelemente enthält im Vergleich zu der herkömmlichen Anordnung mit einem Gleichstromgenerator und den erforderlichen Relais. Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser neuen Vorrichtung besteht darin, daß die elektrische Schaltanordnung dauerhafter und betriebssicherer ist, weil sie keine rotierenden oder aufeinander gleitenden Teile enthält, wie sie bei den Relais und dem Kommutator einer Anlage mit Gleichstromgenerator erforderlich sind. Außerdem besteht bei dieser Schaltungsanordnung keine Notwendigkeit dafür, einen Teil des Ladespannungsbereichs in der Nähe seiner unteren Grenze abzutrennen, weil kein Hysterese-Effekt wie bei einem Relais auftritt, so daß man auch dadurch einen höheren Wirkungsgrad des Ladevorgangs erzielt. Aus diesen Darlegungen dürfte mit aller Deutlichkeit hervorgehen, daß die neue Vorrichtung mit Gleichrichtern außerordentlich gut für die Stromversorgungsanlage und das Batterie-Ladesystem von Kraftfahrzeugen geeignet ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Siliziumdiode aus einem polykristallinen plattenförmigen Siliziumkörper, dessen größte Kristallitabmessungen in gleicher Richtung verlaufen und senkrecht zu einer Körperoberfläche ausgerichtet sind und in dem ein PN-Übergang gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der flächenhafte PN-Übergang in einer im wesentlichen ebenen Fläche liegt, die die Korngrenzen der Kristallite rechtwinklig schneidet.

2. Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioden nach Anspruch 1, bei dem man aus einer Siüziumschmelze eine polykristalline Siliziumstange mit Korngrenzen, die im wesentlichen in Richtung der Stange verlaufen, zieht und aus dieser Stange dann durch eine Durchtrennung in einer senkrecht zu ihrer Wachstumsrichtung ver-

laufenden Richtung mindestens eine Scheibe schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß man in die Siliziumscheibe, die von hoher Reinheit mit einer Verunreimgungskonzentration von weniger als 1:1 000 000 ist, von mindestens einer ihrer

Oberflächen eine Verunreinigung bei einer Temperatur T in Grad Celsius während einer Zeit t in Stunden eindiffundiert, wobei

Γ ;> (1280-70log*)·

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen