DE1573717C3 - Druckempfindliches Halbleiterbauelement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein druckempfindliches Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Bei einem bekannten Halbleiterbauelement dieser Art (DT-AS 11 32 247) handelt es sich um eine stromgesteuerte Vierschichttriode. Die Zündung des Halbleiterbauelementes, also die Einleitung des Stromflusses zwischen dem dritten Bereich und dem anderen ersten Bereich erfolgt dadurch, daß man von der Steuerelektrode auf dem vierten Bereich zur Elektrode auf dem dritten Bereich einen schwachen Steuerstrom schickt. Dieser Steuerstrom zündet das Halbleiterbauelement unmittelbar. Das Durchschalten durch Druckeinwirkung auszulösen, ist bei diesem bekannten Halbleiterbauelement nicht vorgesehen.

Es sind durch Druckeinwirkung beeinflußbare Halbleiterbauelemente bekannt (US-PS 29 29 885), bei denen ein steuerbarer Gleichrichter mit einer Sperrschicht oder ein Transistor kontinuierlich durch Druck in ihrer Durchlaßfähigkeit beeinflußbar sind. Die Druckempfindlichkeit wird dadurch erreicht, daß die auf einer Seite an der Sperrschicht anliegende Halbleiterschicht sehr dünn ausgebildet ist. Der Druck wird auf die mit dieser Halbleiterschicht verbundene Elektrode ausgeübt.

Außerdem ist es bezüglich des Widerstandwertes elastisch deformierbarer p-n-Übergänge bekannt (Jornal of Applied Physics, 1963, Bd. 34, Heft 7, S. 1958 bis 1970), daß die Druckempfindlichkeit durch am p-n-Übergang angeordnete Störstellen des Kristallgitters erhöht werden kann. Solche Störstellen entsprechen Rekombinationszentren, also tiefen Energieniveaus.

Ferner sind Vierschicht- bzw. Fünfschichthalbleiterbauelemente mit Thyristorcharakteristik bekannt, beispielsweise aus der FR-PS 12 91321. Die bekannten Bauelemente bestehen aus einem Körper aus Halbleitermaterial eines ersten Leitungstyps, an dessen einander gegenüberliegenden Hauptflächen je ein erster Bereich entgegengesetzten Leitungstyps und mindestens in einem von diesen ein zweiter und ein dritter je mit einer Elektrode verbundener Bereich des ersten Leitungstyps vorgesehen sind. Diese können als in beiden Richtungen schaltbare Thyristoren aufgebaut sein.

Gegenüber den bekannten druckempfindlichen Halbleiterbauelementen liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Bauelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das ein vollkommenes Durchschalten aufgrund eines nur mäßigen ausgeübten Drucks zeigt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Bei diesem Halbleiterbauelement bleibt der Strom- ^: fluß gesperrt, solange auf die mit dem vierten Bereich verbundene Steuer-Elektrode Druck nicht ausgeübt wird. Durch Druck wird das Bauelement plötzlich geschaltet. Es wird so ein Halbleiterbauelement zur Verfügung gestellt, das für Anwendungsfälle geeignet ist, in denen die Stromsteuerung durch eine Drucksteuerung ersetzt werden soll oder muß. Eine geringe Druckeinwirkung auf die Steuerelektrode hat zuverlässig das Durchschalten des-Halbleiterbauelementes zur Folge.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel und

F i g. 2 die mit dem Element nach F i g. 1 erhaltene Spannungs-Strom-Kennlinie.

Das in F i g. 1 gezeigte Halbleiterbauelement hat einen p-Bereich 1, einen jeweils an eine der beiden Oberflächen des p-Bereiches 1 anschließenden n-Bereich 2 bzw. 3, einen in Form eines Rings in den n-Bereich 2 eingelassenen p-Bereich 4, einen n-Bereich 5, der im n-Bereich 2 mittig innerhalb des Bereichs 4 angeordnet ist, einen Bereich 6, der im n-Bereich 2 rings um den n-Bereich 5 gebildet ist und mit tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoffen dotiert ist, eine in ohmschem Kontakt mit dem p-Bereich 4 stehende ringförmig ausgebildete Elektrode 7, eine in ohmschem Kontakt mit dem n-Bereich 5 stehende Steuerelektrode 8 sowie eine mit dem n-Bereich 3 in ohmschem Kontakt stehende Elektrode 9.

Wird eine Gleichspannung derart an die Elektroden 7 und 9 angelegt, daß die Elektrode 7 zur positiven Elektrode wird, dann bleibt, bis eine bestimmte Spannung erreicht ist, das Element gesperrt, und die Grenzschicht zwischen dem n-Bereich 2 und dem p-Bereich 1 ist in Sperrichtung vorgespannt. Übersteigt nun die angelegte Spannung den bestimmten Wert, dann bricht diese Grenzschicht durch und das Element ist leitend. .

Auch wenn eine Gleichspannung an die Elektroden 7 und 8 derart angelegt wird, daß die Steuerelektrode 8 zur negativen Elektrode wird, bleibt das Element sperrend, bis. eine bestimmte Einschaltspannung erreicht ist. Wird diese überschritten, schaltet das Element durch.

Diese Tatsache erklärt sich wie folgt: Zwischen dem n-Bereich 5 und dem n-Bereich 2 liegt der Bereich 6 mit dem tiefe Energieniveaus erzeugenden Störstoff. Die Stärke des elektrischen Feldes nimmt in der Nähe der zwischen dem n-Bereich 5 und dem n-Bereich 2 liegenden Grenzschicht schnell zu, da die Konzentration der Störstoffe rings um die Grenzschicht hoch ist; bei der Einschaltspannung findet eine Lawinenentladung statt und das Element schaltet durch.

Im folgenden sei angenommen, daß das Element bei

Anlegen einer unterhalb der bestimmten Spannung liegenden Gleichspannung an die Elektroden 7 und 9, wobei die Elektrode 7 die positive Elektrode ist, und bei Anlegen einer unterhalb der Einschaltspannung liegenden Gleichspannung an die Elektroden 8 und 7, wobei 5 die Steuerelektrode 8 die negative Elektrode ist, gesperrt bleibt. Wird unter diesen Bedingungen die Steuerelektrode 8 druckbeaufschlagt, so wird der Übergang zwischen den Elektroden 7 und 8 und infolge davon der Übergang zwischen den Elektroden 7 und 9 durchgeschaltet. Hört die Druckbeaufschlagung auf, so wird der Übergang zwischen den Elektroden 7 und 8 zwar wieder sperrend, der Übergang zwischen den Elektroden 7 und 9 kehrt jedoch nicht in den sperrenden Zustand zurück. Der Stromfluß zwischen den Elektroden 7 und 9 kann also durch kurze Druckeinwirkung auf die Steuerelektrode 8 vom abgeschalteten in den eingeschalteten Zustand gebracht werden.

Im nachfolgenden wird ein Beispiel beschrieben.

Phosphor wird in ein p-leitendes Si-Substrat mit einem spezifischen Widerstand von 5 Ω-cm von beiden Oberflächen hereindiffundiert, um auf den Oberflächen dieses Si-Substrats η-Bereiche zu erhalten. Die Phosphor-Diffusion wird auf bekannte Weise vorgenommen, und zwar durch Diffundieren von P2O5 in der Dampfphase. Anschließend wird im η-Bereich auf einer Oberfläche des Substrats Al(0,8% B) einlegiert und an einer anderen Stelle des gleichen Bereichs wird Kupfer eindiffundiert, und zwar bei niedriger Temperatur und kurz nachdem das Kupfer auf diesen Bereich aufgedampft oder aufgeschichtet worden ist. Diffusionstemperatur und Diffusionszeit sind sehr wichtig und werden gesteuert, um ein zu tiefes Eindrigen des Kupfers zu verhindern, das auftreten kann, weil das Kupfer sehr leicht im Silizium diffundiert. Es haben sich eine Diffusionstemperatur von etwa 800⁰C und eine Diffusionszeit von ungefähr 10 Minuten als am geeignetsten erwiesen. Nach Entfernen des an der Oberfläche verbleibenden Kupfers mit Salpetersäure wird an dieser Stelle Au(0,8%Sb) einlegiert und man erhält das Element nach Fig. 1. Die Elektrode 9 besteht aus Au(0,8% Sb). Die Spannungs-Strom-Kennlinie eines Schaltelementes nach F i g. 1 nach dem eben beschriebenen Aufbau ist in F i g. 2 dargestellt.

Der Übergang zwischen den Elektroden 7 und 9 ist bei 100 V und der Übergang zwischen den Elektroden 7 und 8 bei 20 V im sperrenden Zustand. Drückt man auf die Steuerelektrode 8, so geht der Bereich zwischen den Elektroden 7 und 8 in den leitenden Zustand über. Anschließend geht auch der Bereich zwischen den Elektroden 7 und 9 in den leitenden 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 bei einem gesteuerten Gleichrichter.

Wenn auch in der vorstehenden Beschreibung die Bereiche des Halbleiterkörpers p-leitend bzw. n-leitend sind, so ist dennoch die Art der Leitung dieser Bereiche austauschbar. Weiterhin können als tiefe Energieniveaus erzeugende Störstoffe Kupfer, Eisen, Nickel, Kobalt, Mangan und Gold verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Druckempfindliches Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der an seinen beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen jeweils einen ersten Bereich eines Leitfähigkeitstyps enthält, zwischen denen ein zweiter Bereich mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp angeordnet ist, wobei in einem der ersten Bereiche ein dritter Bereich mit dem Leitfähigkeitstyp des zweiten Bereiches und getrennt von diesem ein vierter Bereich mit dem Leitfähigkeitstyp dieses ersten Bereiches und mit gegenüber diesem höherer Leitfähigkeit angeordnet sind, und'der andere erste Bereich, der dritte und der vierte Bereich je mit einer ohmschen Elektrode versehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß in dem einen ersten Bereich (2) rings um den vierten Bereich (5) ein mit tiefe Energieniveaus erzeugendem Störstoff dotierter Bereich (6) angeordnet ist, und daß zur Steuerung des Stromflusses zwischen dem dritten Bereich (4) und dem vierten Bereich (5) eine Druckeinwirkung auf die Steuerelektrode (8) auf dem vierten Bereich (5) ausübbar ist.