DE1573717A1 - Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

H. LEINWEBER dipl-ing. H. ZIMMERMANN Postscheck-Konto: Bank-Konto: Telefon Tel.-Adr.

München 22045 Dresdner Bank ag. München (0811) 2< 19 89 . Lelnpat MUndiei

München 2, Marlenplatz, Kto.-Nr. 92790

8 MUndien 2, Rotental 7, 2. Aufg. (Kustermann-Passage)

den 28· Oktober 1966

MATSUSHITA ELECTRIC INDUSTRIAL CO., LTD., Osaka/Japan

Halbleiterbauelement

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einer besonderen Schaltcharakteristik, das durch Druckbeaufschlagung eingeschaltet werden kann.

Bisher ist kein Festkörper-Schaltelement bekannt, das bei Fehlen einer Druckeinwirkung aus- und bei Vorhandensein eines Druckes eingeschaltet ist·

Gegenstand der Erfindung ist ein Halbleiterbauelement, das diese Eigenschaften aufweist·

Zu den herkömmlichen Halbleiter-Schaltelementen zählen die stromgesteuerten Elemente mit einer negativen Widerstandscharakterisiik, die einen n-p-n-p- oder n-p-n-p-n-Aufbau oder

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dergleichen haben« Diese Elemente haben jedoch alle den Nachteil, daß zum Einschalten ein Steuerimpuls eingespeist werden muß. Darüberhinaus muß die Spannungsamplitude dieses Impulses ziemlich hoch sein, da er den Zusammenbruch der Spannung an der p-n-Verbindung bewir« ken muß*

Um diesen Nachteil zu beseitigen_t wurde in der Praxis bereits ein Element mit einem n-p-n-p- oder n-p-n-p-n-Aufbau verwendet, das mit einer Torelektrode versehen ist» Mit diesen Elementen ist eine Schaltwirkung mit einem Torimpuls geringer Leistung erzielbar» Bei allen derartigen herkömmlichen Elementen werden jedoch elektrische Signale als Torsignale verwendet»

Die Erfindung schafft ein Halbleiter-Bauelement mit einer Schaltcharakteristik, bei der statt eines Tor« impulses Druck verwendbar ist»

Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung«

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Auf der Zeichnung ist die Erfindung beispieleweise dargestellt und zwar zeigen

Fig* 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Halbleiter-Bauelement,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine abgewandelte Aus*· führungsform eines erfindungsgemäßen Halbleiter-Bauelementes, das bei Druckbeaufschlagung doppelt schaltet,

Fig« 3 die mit dem Element nach Fig· 1 erhaltene Spannungs-Strom-Kennlinie, und

Fig· 4 die mit dem Element nach Fig· 2 erhaltene Spannungs-Strom-Kennlinie«

Fig« 1 gibt den Grundaufbau eines erfindungsgemäßen Bauelementes wieder; dieses hat einen p-Bereich 1, einen jeweils auf eine Oberfläche des p-Bereiches 1 aufgeformten η-Bereich 2 und 3» einen in Form einer Ringröhre im η-Bereich 2 Torgesehenen p~Bereich 4* einen n⁺«Bereich

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der in den n-Bereich 2 eingeformt und mittig im Bereich 4 angeordnet ist, einen Bereich 6, der mit Störstoffen eines tiefen Energieniveaus gedopt und in den n-Bereich 2 eingeformt ist und rings um den n⁺-Bereich 5 verläuft, eine in Ohmschem Kontakt mit dem p-Bereich 4 stehende ringröhrenförmig ausgebildete Elektrode 7, eine in Ohmschem Kontakt mit dem n⁺-Bereich 5 stehende Elektrode 8 sowie eine mit dem n-Bereich 3 in Ohmschem Kontakt stehende Elektrode % Wird eine Gleichspannung derart an die Elektroden 7 und 9 angelegt, daß die Elektrode 7 zur positiven Elektrode wird, dann bleibt, bis eine bestimmte Einsehaltspannung erreicht ist, das Element ausgeschaltet und an der Grenzschicht zwischen dem n—Bereich 2 und dem p-Bereich 1 ist eine Umkehrvorspannung vorhanden* Übersteigt nun die angelegte Spannung die Einschaltspannung, dann bricht die Vorspannung zusammen und das Element ist eingeschaltet^

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Zwischen dem n⁺*»Bereich 5 und dem n-Bereich 2 ist der Bereich 6 vorgesehen, der mit einem Störstoff eines tiefen Energieniveaus gedopt ist« Wird nun eine Gleichspannung an die Elektroden 7 und 8 derart angelegt* daß die Elektrode 8 zur negativen Elektrode wird, dann bleibt das Element ausgeschaltet, bis eine bestimmte Einschaltspannung erreicht ist«. Wird diese überschritten, schaltet das Element ein.

Diese Tatsache erklärt sich wie folgt: am η ~ Bereich 5 und dem n~Bereich 2 liegt eine Umkehrvorspannung und darüberhinaus nimmt die Stärke des elektrischen Feldes in der Nähe der dazwischenliegenden Grenzschicht schnell zu, da die Konzentration der Störstoffe mit dem tiefen Ener» gieniveau, das als Akzeptorniveau wirkt, rings um diese Grenzschicht hoch ist; auf diese Weise findet ein Lawinen-

s pannung

durchschlag bei der Einschalt"/statt und das Element wird eingeschaltet* Diese Grenzschicht liegt geringfügig unterhalb der Oberfläche und wenn die Elektrode 8 mit Druck

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beaufschlagt wird, so geht die Verbindung vom n⁺-Bereich 5 und dem n-Bereich 2 vom ausgeschalteten in den eingeschalteten Zustand über» Die Einsehaltspannung der Grenzschicht nimmt also mit zunehmendem Druck ab»

Im folgenden sei angenommen, daß das Element durch Anlegen einer unterhalb der Einschaltspannung liegenden Gleichspannung an die Elektroden 7 und 9 abgeschaltet wird, wobei die Elektrode 7 die positive Elektrode ist, und durch Anlegen einer unterhalb der Einsehaltspannung liegenden Gleichspannung an die Elektroden 8 und 7» wobei die Elektrode 8 die negative Elektrode ist» srVird unter diesen Bedingungen die Elektrode 8 druckbeaufschlagt, wird der Bereich zwischen den Elektroden 7 und 8 und der Bereich zwischen den Elektroden 7 und 9 eingeschaltet. Hört die Druckbeaufschlagung auf, wird der Bereich zwischen den Elektroden 7 und 8 abgeschaltet, der Bereich zwischen den Elektroden 7 und 9 kehrt jedoch nicht in den abgeschalteten Zustand zurück. Der Bereich zwischen den Elektroden 7 und

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kann also durch kurze Druckeinwirkung auf die Elektrode 8 vom abgeschalteten in den eingeschalteten Zustand gebracht werden»

Weiterhin kann der zwischen den Elektroden 7 und 8 fließende Strom durch Verändern des Druckwertes kontinuierlich verändert werden, wenn der Konzentrationsgradient des Störstoffs im Bereich 6, der eine hohe Konzentration an ein tiefes EnergieniTeau bildenden Störstoffes hat, klein ist· Folglich kann die an die Elektroden 7 und angelegte Einschaltspannung zusammen mit dem zwischen den Elektroden 7 und 8 fließenden Strom, d.h. zusammen mit dem an die Elektrode 8 angelegten Druck, verändert werden«

Durch Verwendung eines derartigen Halbloiterbauelementes ist eine einfache Schaltwirkung erzielbar· Wird jedoch ein Halbleiterbauelement mit einem p-n-p-n-p- oder n-p-n-p-n- Aufbau verwendet, erhält man eine Doppelschaltwirkung«

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In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Halbleiterbaudar—
element/gestellt» das bei Druckbeaufschlagung doppelt wirkt* Es hat einen p-Bereich 1, jeweils einen auf eine Seite des p-Bereiches 1 aufgedampften n-ßereich 2 und 3» einen in Form einer Ringröhre im n-Bereich 2 gebildeten p-ßereich 4» einen p-Bereich 5 in dem einen Teil des n-Bereiches 3, einen n⁺-Bereich in einem anderen Teil des η-Bereiches 3₉ einen Bereich 7_f der in der Nähe der Verbindung des n⁺—Bereiches 6 Bit Störstoffen mit tiefem Energienireau gedopt ist, eine in Kontakt mit dem n-Bereich 2 und dem p-Bereich 4 stehende Metallelektrode 8, eine in Kontakt mit dem n-Bereich 3 und dem p-Bereich 5 stehende Metallelektrode 9 sowie eine mit dem n⁺~Bereich 6 verbundene Metallelektrode 10«

In Fig· 2 sind die Bestandteile außer den Bereichen 6 und 7 die gleichen wie bei einem herkömmlichen Doppel·· schaltelement mit Torwirkung»

Ist jedoch der mit Störstoffen eines Energienireaus gedopte Bereich 7 in der Nähe des n⁺-Bereiches 6 Torgesehen, dann ist ein Druckempfindlichkeitseffekt erzielt« Sie Elektrode 10 wirkt dann wie eine Torelektrode und es kann eine

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bestimmte Wechselspannung an die HaupteIektrοden 8 und 9 angelegt werden, um den dazwischenliegenden Bereich auszuschalten. An den Elektroden 9 und 10 liegt eine Torspannung»

Ist die Torspannung klein, befindet sich das Bauelement im ausgeschalteten Zustand, weil der bereich 7 ein Bereich mit hohem Widerstand ist_P Wird jedoch die Elektrode 10 druckbeaufschlagt, wechselt der Torbereich in den eingeschalteten Zustand über und führt einen Torstrom» So werden die Hauptstromkreiselektroden 8 und 9 dazu gebracht, das Element einzuschalten* Dies beruht darauf, daß im Bereich 7 ein durch die Torspannung induziertes starkes elektrisches Feld vorhanden ist und bei Druckbeaufschlagung eine Lawine auftritt, die das Element einschaltet» Zwar ist der wirkliche Grund für diese Erscheinung bisher noch nicht ganz geklärt, es wird jedoch angenommen, daß im Bereich 7 die Anzahl der Rekombination bewirkenden Zentren zunimmt, woeturch die Lebensdauer von

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Ladungsträgern herabgesetzt wird und eine Stoßionisation stattfinden kann*

Bei einem solchen Schaltelement ist es wichtig* daß sich in der Nähe der Grenzschicht des n⁺«*Bereiches 6 ein Torbereich bildet (Fig.2), der eine hohe Dichte an Störstoffen eines tiefen Energieniveaus hat und um den Druckempfindlichkeitseffekt zu erhöhen, muß die Grenzschicht des n⁺«-Bereiches 6 in der Nähe der Oberfläche vorgesehen sein·

Im Nachfolgenden sind die erfindungsgemäßen Ausführungsformen beschrieben«

(1)P wird in eine p«leitende Si-Jtfasse mit einem spezifischen Widerstand von 5Jl-cm von beiden Überflächen hereindiffundiert_f um auf den überflächen dieser Si-Masse η-Bereiche zu erhalten» Die P«diffusion wird auf bekannte Weise vorgenommen, und zwar durch Diffundieren von PpOc in der Dampfphase« Anschließend wird an der in Fig« 2 gezeigten Stelle im n«Bereich auf einer überfläche der Masse

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eine AM 0,87* B) Legierungeverbindung geformt und an einem anderen Bereich der Hasse wird Cu eindiffundiert, und zwar bei niedriger Temperatur und kurz nachdem das Cu auf diesen Bereich aufgedampft oder aufgeschichtet wird« Diffusionstemperatur und Diffusionszeit sind sehr wichtig und werden gesteuert, um ein zu tiefes Eindringen des Kupfers zu verhindern, das auftreten kann, weil das Cu sehr leicht im Si diffundiert« £rfindungsgemäß haben sich eine Diffusionstemperatur τοη ca» 800⁰C und eine Diffusionszeit τοη ungefähr 10 Minuten als am geeignetsten erwiesen· Nach Entfernen des an der Überfläche verbleibenden Cu mit Salpetersäure wird eine Au(O, 8jt Sb) ~Legie~ rungSTerbindung vorgesehen und man erhält das Element nach Fig· 1« Die Elektrode 9 besteht aus Au(0,8* Sb). Die Spannungs-Stroo-Kennlinie eines Schaltelementes nach Fig· 1 nach dem eben beschriebenen Aufbau ist in Fig« dargestellt»

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Der Bereich zwischen den Elektroden 7 und 9 ist bei 100 V und der Bereich zwischen den Elektroden' 7 und 8 bei 20 V im ausgeschalteten Zustand· Drückt man auf die Eleb* trode 8_f so geht der Bereich zwischen den Elektroden 7 und 8 in den eingeschalteten Zustand über· Anschließend geht auch der Bereich zwischen den Elektroden 7 und 9 in den eingeschalteten Zustand über· Die Erscheinung» daß der Bereich zwischen den Elektroden 7 und 9 durch einen zwischen den Elektroden 7 und 8 fließenden Strom eingeschaltet wird, beruht auf dem gleichen Prinzip wie das eines bekannten gesteuerten Gleichrichters·

(2) P wird in der Dampfphase τοη beiden Oberflächen her in ein p-leitendes Si-Plättchen eindiffundiert, das einen spezifischen Widerstand τοη 20JT- -cm hat; dadurch werden in der Nähe der Oberflächen die n-Bereiche 2 und 3 erhalten» Anschließend wird im η-Bereich auf einer Oberfläche des Plättchens der p-Bereich 4 geformt; dabei wird wie bei dem LegierungSTerfahren Al (0_f8# B) Terwendet·

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Im η-Bereich 3 auf der anderen Seite des Plättchens wird gemäß dem Legierungsverfahren der p-Bereich 5 aus Al (0,8* B) gebildet«. Nun wird Cu in einen anderen Teil des n-Bereiches 3 eindiffundiert und der n⁺~Bereich 6 mittels einer Legierungsverbindung von Au (0»8* Sb) ge« formt» Die Steuerung der Diffusionstemperatur und «zeit ist auch bei der Diffusion von Cu wichtig·

Anschließend wird eine Elektrode gebildet» die im Ohmschem Kontakt mit einem Teil des Halbleiterkörpers steht (Fig_# 2)· Ist dieser Teil des Halbleiters n~leitend,

Au dann besteht die Elektrode vorzugsweise aus/fö_f8£ Sb)·

Fig* 4 ist eine Spannungs-Strom-Kennlinie, wie man sie mit einem gemäß dem obigen Verfahren hergestellten Halbleiterelement erhält« Kurve A ist die V~I*<Kennlinie in dem Fall, wenn kein Druck anliegt* d.h. im abgeschalte·* ten Zustand, wenn kein Torsignal vorhanden ist« Die Einachaltspannung hängt zwar von der geometrischen Größe der Verbindung ab* liegt aber in der Größenordnung von einigen 100 V* Kurve B ist die V-I-Kennlinie in dem Fall, wenn ein

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Druck anliegt» der ungefähr dem Wert entspricht» den man erhalten würde» wenn man mit der Hand auf die Elektrode 10 drückt« In diesem Fall fließt ein Torsignal und bewirkt das Einschalten» Bei steigendem Druck nimmt die Einschaltspannung des Torbereiches ab und es wird folg» lieh leichter» das Element einzuschalten« Mit anderen Worten, das Element kann mit einer niedrigeren Torspannung eingeschaltet werden« Da der Hauptstromkreis des Elementes einen geraden p-n-p-n-p-Aufbau hat, ist eine Doppelschal-* tung erzielbar» ·

Wenn auch in der τοrstehenden Beschreibung die

auch Bereiche des Halbleiterkörpers eine p-leitung bzw*/eine η-Leitung haben, so ist dennoch die Art der Leitung dieser Bereiche austauschbar» Weiterhin können als Störstoff· eines tiefen Energienireaus Cu» Fe, Hi₉ Co₉ Mh, Au odtr dergleichen verwendet werden*

Wie aus der obigen Beschreibung herrorgeht, arbeitet das erfindungsgemäße halbleiterbauelement als Fest· körper^chaltelement mit einer durch Druck steuerbaren

Schaltwirkung·

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Claims (1)

1. m 15 ·"

   Patentansprüche :

   1« Halbleiter-Bauelement aus einem Halbleiter·« körper alt einem bestimmten Leitungstyp, an dessen Oberflächen Bereich· des entgegengesetzten Leitungstyps aus«· gebildet lind, dadurch gekennselehnet, daß in einem (2) dititr Bereiche (2_t 3) tin Bereich (4) des entgegengesttiten Leitungstype und ein Bereich (5,6) Torgesehen Bind, der ait S tore to ff en des tiefen KsergieniYeaus ge« dopt ist und daß mit dem anderen (5) d^r ■ beiden Bereiche (2, 3) des Halbleiterkörper eine Elektrode (9) in Ohm~ sehe· Kontakt steht (Fig« 1),

   2« 'Halbleiter~Bauelernent aus einem Halbleiterkörper alt einem bestimmten Leitungstyp* an dessen überflachen Bereiche des entgegengesetzten Leitungstyps aus·· gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß in einem (2) dieser Bereiche (2, 3) ein Bereich (4) des entgegengesetzten Leitungstype und in einem Teil des anderen O) 009840/0193

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   der Bereiche (2, 3) ebenfalls ein Bereich (5) des entgegengesetzten Leitungstyps vorgesehen ist* daß in einem weiteren Teil dieses Bereiches (3) und in der Nähe τοπ dessen Grenzschicht ein Bereich (6, 7) gebildet ist, der mit Störstoffen eines tiefen Energienireaus gedopt ist« und daß Elektroden (8, 9) mit entsprechenden Teilen des Halbleiterkörpers in Ohmsehern Kontakt stehen·

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   ORIGINAL INSPECTED