DE1564145A1 - Kapazitaetsdiode - Google Patents

Kapazitaetsdiode

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DE1564145A1 DE19661564145 DE1564145A DE1564145A1 DE 1564145 A1 DE1564145 A1 DE 1564145A1 DE 19661564145 DE19661564145 DE 19661564145 DE 1564145 A DE1564145 A DE 1564145A DE 1564145 A1 DE1564145 A1 DE 1564145A1
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Description

Dipl.-Ing. Heinz Ciaessen D.H. Mash - 2
Patentanwalt
7 Stuttgart-1 28. April I966
Rotebühlstr.70 , . Pat.Mo/B.
ISE/Reg.3571 - Pl 315 - D-H. Mash 2
INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK
Kapazitätsdiode
Die Priorität der Anmeldung in Grossbritannien vom 20. Mai 1965 Nr. 21344/65. ist in Anspruch genommen.
Die Erfindung bezieht sich auf Kapazitätsdioden.
Kapazitätsdioden werden in grossem Masse in parametrischen Verstärkern, harmonischen Oszillatoren und anderen Schaltungen benutzt, ebenso als veränderbare Kondensatoren. Die wichtige Eigenschaft dieser Bauelemente besteht darin, dass sich die ■ Kapazität des Überganges mit der angelegten Spannung ändert. Dieser Effekt wird bei anliegender Sperrspannung durch die Ausbreitung der Raumladungszone des pn-Uberganges. oder der Raumladungszone an einer Metall-Halbleiter-Grenze hervorgerufen. Bei einem abrupten harten Übergang hat die Ausbreitung der Raumladungszone eine Kapazität Czur Folge, die sich umgekehrt proportional zur Quadratwurzel der angelegten Spannung U ändert. Bei einem weichen Übergang ist die Kapazität C umgekehrt proportional zulf . Diese Abhängigkeit kann zur Erzeugung von harmonischen Schwingungen verwendet werden. Die kleine und schwache Kapazltäte-Spannungs-Abhängigkeit ist nicht ideal hierfür. In Üblichen Kapazitätsdioden entsteht die
9 0 S 8 51/1 ÖS 8 BAD ORIGINAL
ISE/Reg.3371 - Pl 315 - 2 - D.H. Mash - 2
28. April 1966 Pat.Mo/B.
Kapazitätsänderung nur durch die Ausbreitung der Verarmungszone, während deren Fläche konstant bleibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Weiten- und Flächenänderung der Raumladungszone mit der Spannung zu erhalten, so dass sich eine empfindliche und beeinflussbare Kapazitätsänderung bei angelegter Spannung ergibt.
Bei einer Kapazitätsdiode mit einer bei einer vorgegebenen Spannung erfolgenden unstetigen Kapazitätsänderung, bestehend aus einem Halbleiterkörper mit einer Sperrschicht, zugehöriger Raumladungszone und zwei Kontaktelektroden, wird diese Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass etwa unter einem rechten V/inkel zur Ausdehnungsrichtung der Raumladungszone und mit Abstand von der Sperrschicht eine Schicht geringer Leitfähigkeit im Halbleiterkörper angeordnet ist, die die Raumladungszone bei der vorgegebenen Spannung mit ihrer Grenzfläche erreicht.
Zwei AusfUhrungsformen der Erfindung werden nun anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren beschrieben.
Figur 1 zeigt im Schnitt den Aufriss eines Paares von Kapazitätsdioden entsprechend einer ersten AusfUhrungsform der Erfindung.
Figur 2 zeigt zur Erläuterung der Funktionsweise die vergrösserte Ansicht einer der Dioden der Figur 1.
Figur 3 zeigt im Schnitt den Aufriss einer Kapazitätsdiode entsprechend einer zweiten AusfUhrungsform der Erfindung.
Figur 4 zeigt die Kapazltäts-Sperrspannungscharakteristik einer Kapazitätsdiode entsprechend der Erfindung.
9 0 9 8 51/10 5 8 BAD ORiGiNAL
ISE/RegO371 - Pl 315 --3 ■- D.H. Mash - 2
28. April 1966 Pat.Mo/B.
In Figur 1 Wird eine Scheibe 1 aus stark dotiertem n-Silicium, d.h. n+-Silicium, auf welchem eine dünne Schicht 2 aus schwach dotiertem n-Silicium epitaktisch aufgebracht ist, mit einer Schicht 3 aus Sillciumoxyd versehen, das als Maske gegen die Diffusion von Verunreinigungen dient. In die Silioiumoxydschicht 3 werden unter Anwendung von bekannten Techniken "Fenster" geätzt. Mittels Diffusion durch diese Flachen hindurch wird eine p-Siliciumschicht 4- gebildet, wobei "planare" pn-l)bergänge 5 entstehen. Dann werden ohmsche Kontakte 6 und 7 an die p- und die n+-Schieht k und 1 angebracht.
Durch die Zone 1 hindurch und teilweise in die n-Zone 2 hinein werden mittels Abtragung unter Verwendung von Druckluft, Funkenerosion oder anderen-Verfahren zylindrische Löcher 8 gebildet. Diese Löcher können vor od@r nach dem Diffusionsprozess angebracht werden. Der Durchmesser des Loches soll wenig grosser als der der diffundierten η—Zone sein, jedoch kann dies in Abhängigkeit von den gewünschten Charakteristiken eingestellt werden. Die Bodenfläche des Loches kann mit einer passivierenden.Schicht 9 aus Siliciumoxyd, anderem Material oder p-Halbleitermaterial versehen werden. Schliesslich kann das Loch mit erstarrendem Plastikoder anderem Isoliermaterial 10, wie die rechte Diode In Figur zeigt, gefllt werden, wodurch die mechanische Starrheit des fertigen BauelGiii4Si.:es vergrössert wird. Durch Schneiden oder Brechen entlang der gestrichelten Linien 11 werden Einzeldioden hergestellt und fertig montiert.
Die Funktionsweise lässt sich anhand der vergrösserten Schnitt-Eeichnung der Figur 2 Überblicken. Der pn-'Jbergang entspricht der ausgezogenen Linie J. Die gestrichelten Linien la und Ib geben die Srenze der Raumladungszone in der n-Zone 2 bei 0 Volt Sperrspannung an, während die andere Grenze der Raumladungszone etwas innerhalb der p-Zone 4 liegt. , Bei Anlegen einer Sperrspannung an den pn-übergang dehnt sich die Raumladungszone weiter in
909851/1058 BADORiQiNAL
ISE/Reg.3371 - Pl 315 - 4 - D.H. Mash - 2
28. April I966 Pat.Mo7B.
die η- und p-Zonen aus. Die Ausdehnung d dieser Bewegung hängt von den Jeweiligen spezifischen Widerständen der Zonen ab. Der' spezifische Widerstand der η-Zone ist relativ hoch, so dass die Bewegung d von w. nach w« relativ gross ist. Die p-Zone hat einen kleinen spezifischen Widerstand. Daher ist die Bewegung in dieser Zone klein und kann im folgenden vernachlässigt werden, Die Kapazität des pn-übergangs wird durch die Fläche der Raumladungszone bestimmt, die sich aus den mit 2a und 2b bezeichneten Teilen und ihrer Breitew2 zusammensetzt. Ein weiteres Anwachsen der Sperrspannung führt schliesslich zu der durch die gestrichelte Linie J5a gezeigten Lage. Hier werden alle Ladungsträger, die sich vorher zwischen der Fläche 2b und der Kante des Loches befanden , nach jeder der Seiten gezogen. Nun wird die Kapazität allein durch die Fläche der Raumladungszone j5a und ihre Breite w* bestimmt. Diese Fläche ist wesentlich kleiner ' als die vorhergehenden Flächen 2a und 2b, weshalb die Kapazität sprunghaft abfällt. Ein weiteres Anwachsen der Sperrspannung erzeugt einen kleinen Kapazitätsabfall, da sich die Raumladungszone nach Wj. bei 4a erweitert.
Um eine steile Kapazitäts-Spannungs-Charakteristik zu erhalten, sollte der Boden des Loches 8 eben oder konvex sein. Weniger steile Kapazitäts-Spannungs-Charakteristiken können durch konkave, stufenweise abgesetzte oder geneigte Formgebung des Bodens der Löcher erhalten werden.
Der Kontakt 7 kann anstatt an der n+-Zone 1 an der n-Zone 2 angebracht werden, beispielsweise in der Form eines ringförmigen Kontaktes 6, der die p-Zone 4 umgibt.
Das obige Beispiel kann quantitativ untersucht werden. Wenn die n-Zone 2 einen spezifischen Wideretand von 2 ficm und oberhalb der ca. 2oo/u dicken n+-Zone 1 eine Dicke von 20/U hat,
■ - 5 9 0 9 8 5 1/1 0 5 8 BAD
>15 - 5 - * D.H. Mash -2
28. April 1966 Pat.Mö/B.
die p-2one 4 eine fläche von 1 mm und eine Tiefe von 6,υ aufweist» so ist die Weite der Raumladungszone bei O Volt Sperrspannung0,6/U» Wenn 6 Volt angelegt werden» dehnt sich die, Raumlädungszone fast, bis zur Oberfläche des Loches aus, und .die Kapazität beträgt. 58 pF* Bei 7,5 Völ}t erreicht die Raumladungszone den Boden des Loches, und die Ladungsträger ziehen sich auf v ihre beiden Seiten zurück. Die Kapazität des pn-Übergangs sinkt nun auf einen wesentlich kleineren Wert, ungefähr 2 pi1. Bei weiterem Ansteigen der Spannung nimmt danach die Kapazität lang» sam ab* Die theoretische Charakteristik ist in Figur 4 mit doppeltiägarithmisehem Massstab gezeigt»
Bei der in Figur 3 gezeigten zweiten Ausführungsform wird eine halbisölierende Scheibe 12 aus Salliumarsenid, auf welcher eine dünne Sohieht 13 aus n-Öalliumarsenid epitaktisch aufgebracht wurde» mit eine? als schützende Maske dienenden Schicht 14 aus Siliciumoxyd versehen» Ein zentrales Fenster1 wird in die SiIiciumoxydsöhlcht 14 geätzt* und eine p^öalllumarsenidschicht I5 mittels Diffusiöii durch dieses Fenster hindurch gebildet* was zu einem planaren pn-übergang 15 führt* ,
Auf die p-2Eöiie 15 wird dann ein ohmscher Kontakt 17 und auf die n*Eone 13 durch ein ringförmiges Fenster in der. Siliciurnoxydschiöht 14 hinduföh ein ringförmiger ohmscher Kontakt 18 aufgebraöht*
Bei Anlegen einer Sperrspannung an den pn-Öbergang 16 dehnt siöh die Raumladungszone weiter in die n- und p»-2onen aus* Wie bei der ersten Äusführungsform hat die n*2tone einen höheren spezifi*· sehen Widerstand als die p-2öne* demzufolge lediglich die.-Aus-' breitung der Eaumladungszone innerhalb der n-Söne betrachtet wird» Bei Ansteigen der Sperrspannung erreicht die Grenze der Raum'-die an dem halblsolierenden Substrat 12 anliegende
ISE/Reg.3371 - Pl 315 - 6 - D.H. Mash - 2
■■■■■-.·■. 28. April 1966
' " Pat.Mo/B.
ßrenzflache der η-Zone 13· Alle Ladungsträger, die sich vorher zwischen der Grenze der sich ausdehnenden Raumladungszone und der Grenzfläche dern-Zone befanden, werden nun nach jeder Seite gezogen. Durch Verringerung der Grenzfläche der Verarmungszone fällt die Kapazität abrupt ab.
Die innere Fläche zwischen dem Substrat 12 und der dünnen Schicht 13 kann in verschiedener Weise entsprechend der gewünschten Kapazitäts-Spannungscharakteristik geformt sein, wie es schon für die erste Ausführungsform beschrieben wurde.
Bei beiden Ausführungsformen können andere geeignete Halbleitermaterialien verwendet werden zum Aufbringen des leitenden Substrats der ersten Äusführungsform und des halbisolierenden oder isolierenden Substrats der zweiten Ausführungsform und der Schichten, die später auf das Substrat aufgebracht werden.
Anstatt einer niederohmigen p-Schicht, die die hochohmige n-Schioht kontaktiert, können die Leitfähigkeitatypen zusammen mit einer entsprechenden Umkehrung des Leitfähigkeitstyps des leitenden Substrats umgekehrt werden. Eine Metallschicht kann das niederohmige Halbleitermaterial ersetzen, was einen Metall-Halbleiter-Übergang ergibt·
909851/1058

Claims (1)

  1. ■ISE/Regvjyri - Fl 515 — 7 - D.H. Mash - 2
    28. April 1966 Pat.Mo/B.
    PATENTANSPRÜCHE
    1.) Kapazitätsdiode mit einer bei einer vorgegebenen Spannung erfolgenden unstetigen Kapazitätsänderung; bestehend aus einem Halbleiterkörper mit einer Sperrschicht, zugehöriger Raumladungszone und zwei Kontaktelektroden, dadurch gekennzeichnet, dass etwa unter einem rechten Winkel zur Ausdehnungsrlchtung der Raumladungezone und mit Abstand von der Sperrschicht eine Schicht (9) geringer Leitfähigkeit im Halbleiterkörper angeordnet ist, die die Raumladungszone bei der vorgegebenen Spannung mit ihrer Grenzfläche erreicht.
    2. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Halbleiterkörper mit einem pa-Ubergang (5) zwischen einer ersten nlederohmigen Zone (4) eines Leitfähigkeitstype und einer zweiten hochohmi^en Zone (2) des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und einer an die zweite Zone angrenzenden niederohniigen dritten Zone (1) des gleichen Leitfähigkeitetyps, wobei die Fläche der zweiten Zone grosser ist als die Fläche des pn-übergangs und diesen umgibt, eich von der der Oberfläche der ersten Zone entgegengesetzten Oberfläche aue ein mit einer Schicht (9) geringer Leitfähigkeit ausgekleidete* Loch (8.) durch die dritte Zone (1) hinduroh bis In die zweite Zone (2) nur so weit erstreckt, dass die Bodenfläehe des Loches (8) eine dem pn-übergang (5) mit Abstand gegenüberliegende Zwischenschicht bildet, und dass das Loch zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit mit Isoliermaterial (10) ausgefüllt ist.
    909851/1058 ßÄD
    '--,Fl '^15 - 8 - " D.H.. flash - 2
    '.';.;. /.■- ■ . 28, April 1906
    SaX .Uo B.
    3» Kapazitätsdiode nach Anspruch,2, dadurch,gekennzeichnet, dass sich die Bodenflache pianparallei zur Fläche des pn--Übergangs erstreckt. ...."...,..-.-
    4» Kapazitätsdiode nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, ' dass die"Bodenflache eben ist und zur Fläche des pn-Übergängs geneigt verläuft. " '.....
    5." Kapazitätsdiode nach Anspruch 2, dadurch gekenzeijohnet,, dass die Bodenflache zum pn-übergang icon vex verläuft.
    6'. ' Kapazitätsdiode nach 'Anspruch' 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenflache zum pn-übergang konkav verlSuft·
    7, Kapazitätsdiode nach Anspruch' % "dadurch gekennzeMioet,, dass die Bodenfläche in der Weise abgestuft auegebildet istj dass Jede Stufe vom pn-übergang unterschiedlIcJi weit entfernt ist.
    8. Kapazitätsdiode nach den Ansprüchen 2 bis 7» dadurch gekennzeichnet, dass die das Loch auskleidende Isolierzone (9) aus einer Schicht dielektrischen -Material* besteht*
    9* Kapazitätediode nach den Ansprüchen 2 bis 8» dadurch, gekennzeichnet, dass die erste Zone (4) in der als epi-. taktieche Schicht gewaohsenen zweiten Zone (2) durch Diffusion gebildet 1st.
    10. Kapazitätsdiode nach Anspruch 1» dadurch gekenhzeiöhnet» da*e die Schicht (9) geringer leitfähigkeit au a «ine» isolierenden Substrat (12) besteht, auf weiche«! die »weite
    ISE/RegO371 - Fl 315 - 9 - D.H. Mash - 2
    " 28. April 1966
    Pat.Mo/B.
    Zone (13) als epitaktische Schicht aufgebracht und die erste Zone (15) in dieser epitaktischen Schicht durch Diffusion erzeugt ist.
    11. Kapazitätsdiode nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster ausserer Anschluss (6, 17) die erste Zone und ein zweiter äusserer Anschluss die zweite Zone ausserhalb des Bereiches der Raumladungszone sperrfrei kontaktiert.
    12. Kapazitätsdiode nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste aussere Anschluss (6,
    17) die erste Zone und der zweite aus sere Anschluss (7* Iß) die dritte Zone sperrfrei kontaktiert. ,
    MHf wo·»
    Leerseite
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DE1564145B2 DE1564145B2 (de) 1973-08-09
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