DE1614460A1 - Gleichrichter bestehend aus einem im wesentlichen einkristallinen Halbleiterkoerper - Google Patents
Gleichrichter bestehend aus einem im wesentlichen einkristallinen HalbleiterkoerperInfo
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Description
16» März 1967
Erlangen, den
«erner-v ο η - S i ein e η s - 31 r. '
PLA:
Gleichrichter bestehend aus einem im wesentlichen einkristall inert Halbleiterkörper
Die SrT! nciuriF betrifft einen Gleichrichter bestehend aus Einern im
wesentlichen einkrlstallineii Halbleiterkörper, Inabesondere aus Silizium
(-der "ermaniam, mit einer p-leiter.den und einer n-leitenden
Zone, einein pn-übergang urvd einer schwächer dotierten Mittelsone.
Derart!^s Gleichrichter werden pewühnlich als psn-Dioden"bezeichnet.
psn-!>iöden sind wehren der 3chwaah dotierten,_ hochohmigen Mittelzone
in der IaKe, hohe Bpannun^ön au sperren. Sie können aber
auch h&ne otröme führen, weil die Mittelzone bei einer in Durchlaf3-richtunf
gepclten Sparmunii von den, beiden hochdotierten:--RandZonen
her iffiit Ladungsträgern überschweinnit und somit niederohniig wird*
009833/1Sff
PLA 67/1 ϊ 511 61446 O
V/ichti,; für die Wirkungsweise derartiger Halbleitergleichrichter ist
die Ausräumbarkelt der Ladungsträger, mit denen die schwach dotierte
;."; ttelsone in DurchlaSzustand überschwemmt ist. Diese die schwach dotierte
Mittelzone überschwemmenden Ladungsträger sind die Ursache für den sogenannten Trägerstaueffekt, der sich beim Umpolen der am Gleichrichte:·
liegenden Spannung ir. Sperrichtung unangenenm bemerkbar macht,
da in der Anfangsphase der Sperrbelastung der schwach dotierte Mittelbe
reich noch viele bewegliche Ladungsträger enthält und daher gut leitend ist. Es.fließt daher unmittelbar nach dein Umpclen für kurze
Zeit ein Kräftiger Strom in Sperrichtung, der sogenannte Rückstrom.
Der zeitliche Verlauf dieses Rückstromes ist ein Kriterium für die
Nenze der nrch in der schwach dotierten Mittelzone vr rhariienen La-.
dun ,rj ,träger»
Der Gleichrichter hat während des .lusräumprozesses einen gewissen,
seitlich veränderlichen 3pannungsbedarf in Operrichtung, den soge-
kreis
nannten rtUsräumspannungsbedarf, der von der Strom/EMK in jedem Augenblick
des Ausräumprozesses um den Spannungsabfall am ohmschen ".Viderstand
dos äußeren Stromkreises übertreffen werden muß. Es hängt von der Hohe und dem zeitlichen Verlauf der EMK im Stromkreis ab, ob
ausreichend viel Ladungsträger aus der schwach dotierten Mittelzone
ausreiv-iurot werden und der Gleichrichter in den Sperrzustand gelangt.
Der durch die Konstruktion des Oleichrichters bedingte Ausräumspannungsbedarf
soll jedoch nicht so hock sein, daß das Ausräumen der Ladungsträger durch "breakdown11 behindert wird. Die ΞΜΚ des
Stromkreises darf nicht größer werden als die Spannung, bei der
• -■■■ ■ ■■■■■■ ■■'■■■■ - - ■ ■ " BAD-OHK31MÄL '
" 009833/1587
- 2 - Wl/Fö
161446Ü ■. m.67/1f5.
"breakdown" eintritt, d.h. der Äüsräumspannungabedarf des Gleich-
-ir-lclPt%-iis· -kann durchdie EMK nur zum Teil gedeckt werden. Mit Hilfe
-durch "'breakdown"'begrenzten* Auaxäumspannung kann such nur
ie Anzahl von Ladungsträgern aus der schwäch dotierten
vMi tteTzr-öhe des Gleichrichters ausger&umt werden, der Rest' kann nur
durch öeköinfeination verschwinden. Ist der Gieiehricht?e3r so konstru-
: -i&&tr' daS; :keiß^'breakdown" auftritt, so kann der A:usräUEiSpannüngsbe-•ftäirfi
durch die ΚΓ.1Κ des außereii Strbinkreises erfüllt werden» Erwünscht
ist esäii- niedriger itusräumspanntirigsbedarf, weil dann die Äüsfäurabar-
-ξ¥^ί &esi Gleichrichters weit^efeeiid iron den Higensakaften des äußeren ,
unatbhäRgig ist» Bei eineai zu großen
man durch Eiribau von RekoraJbi nations zertiren ,irisbesondere
in; die aöJiw^cli datierte ^^ttelzone des Slelchrichtems eine gewisse
Abhilfe: schaffen, jedoch s-ind äsia öperiasri gesetzt, ;üu tas Halbleiterntaterial
nicht beliebig hoch roit Hekorabinatlonsaenireii;angereichert
werd-βίϊ darf. - '" ■■ -,-;■:....-·".■■.■ . - .■.--"■ ;:;; ;- ■■ -■ / /-.-/_ - ,."".-
1)er-SKffcduiig 1-ie^t die Aufgäbe zugrunde, einen Gleichrichter mit
i^Ä i zu sefeaffen»
Biiät^^. Aufgabe wird srfindun^s-geraäß dadurch gelost,- daß der pn-Über-
der scfewäefeer drtierten Mittelgone liegt9 tmd aa8 der
der Kitteissone um einsn Faktor isa Bereich swischen
.: xst als öer n-I&itende Teiltt
sei anhand der Zeichnung· an .A
näher erlatttert,s
0Ö9833/1S87 - 5 -
Fipur la zeigt einen Gleichrichter bekannter Bauart in schematischer,
nicht* maßstabsgetreuer Darstellung.
Pirur Ib zeigt den zeitlichen Verlauf des Rückstromes des Gleichrichters
nach Figur 1a.
Figur Za seigt einen Gleichrichter gemäß der Erfindung in schematischer,
nicht maßstabsgetreuer Darstellung.
Figur 2b «eigt den zeitlichen Verlauf des Rückstromes des Gleichrichters-
nach Figur 2a.
Figur '** und 4 zeigen Dotierungsprcfile von Gleichrichtern gemäß
der Erfindung. '
Fi.'ur 5 und 6 zeigen nicht maßstabsgetreue Schnitte durch Gleichrichter
mit einem Dotierungsprofil gemäß Figur 3 und 4.
Der jleiehrichter nach Figur 1a besteht aus einer stark dotierten,
p-leitender. Zone 1, einer schwach dotierten p-leitenden Mittelzone
? und einer starx dotierten r.-leitenden Zone 3. An den Zonen 1 und
^ sind Hleictroden A und 5 befestigt.
Der \iber die Zuleitungen 4 und 5 durch den Gleichrichter fließende
otroD sei gerade durcn ;,'u] 1 durchgegangen und das Bauelement sei nun-
cenr in .Srurri'-ritung geprlt. Der zunächst fließende Strom, der sogenannte
r.iickstrrπι, steigt nach dem Stromnulldurchgang zuerst steil
•in, iclinrt dann aber allmählich ab, se da2 schließlich durch den
Ή*?!.."iftr: -hter der statische Sperrstrcm fließt. Der zeitliche Verlauf
des Rückstromes durch den Gleichrichter nach Figur 1a ist in
Figur *h dargesteilt. ".Vie man erkennt, fällt der Rückstrom nur sehr
langsam ab, so daS äer statisshe Sperrstrom erst nach verhältnis-T,ä3ig
langer Zeix-.-erreic-nt wird. Der statische Sperrstrom ist in
Figur Ib zur Verdeutlichung stark überhöht dargestellt, BAD OFHGINAL
003833/1587
PLA 67/Π51
Der Gleichrichter nach Uigur 2a besteht aus einer hochdotierten
p-leitenden Zone 6, einer aus einem schwach dotierten p-leitenden Teil 7 und einem-schwach dotierten n^leitenäen Teil 8 bestehenden
Mittelzone sowie aus einer stark dotierten n-leitendeh Zone 9· An
den Zonen 6 und 9 sind. Zuleitungen 10 und 11 angebracht. Der pn-
Übergang des Gleichrichters nach Figur 2a liegt innerhalb der schwächer dotierten Mittelzone und der p-leltende Teil 7 der Mittelzone
1st um-einen Faktor im Bereich zwischen 3 und 10 dicker als der n-.leitende
Teil 8.
Die Srfindung: beruht auf der Erkenntnis, "daß bei einem; Gleichrichter nach Figur 2a der Büekstrom fast stufenförmig abklingt. Des-«
halb wird das Bauelement bereits nach kurzer Zeit nur noch vom staiisaften
Sp^rrstrom durchlfossen« Der Grund hierfür ist, daß der Ausräuinspannungsbedarf
bei einem Gleichrichter nach Figur 2a geringer '. ist als bei einem GIeichrichter nach Figur 1a, Der zeitliche Verlauf
des Rückstromes durch den Gleichrichter nach Figur 2a ist in
Figur L}b dargestellt.
DIo schwächer dotierte Mittelzone kann gleichmäßig: dotiert sein.
Ss kann auch nur der p-leitende Teil der Mittelzone gleichmäßig
dotiert sein, während die Dotierungskonzentration Im n-ieitenden
Teil mit zunehmender Entfernung vom p-leitenden Teil ansteigt, Soll
auSerdem der Spannungsabfall .am Gleichrichter in Durchlaßrichtung
(Jjurohl'-iuspannung) nicht zu groß werden, so darf die schwach dovlurfce
Kittelzohe das.Vierfache der Diffusionslänge der Ladungaträ-
per bei starker Injektion nicht wesentlich übersteigen,
BAD
009833/1587
- 5 - Wl/Fö
4, -
l-i3 ist daher vorteilhaft, wenn der p-leitende Teil der Mittelzone eine
Dicke von 100 bis 600 μ und eine gleichmäßige Dotierungskonzentra^
tion vcn 10 bis 10 cm" hat, während der η-leitende Teil eine,
Dioxe von 10 bis 200 μ und eine gleichmäßige Dotierungskonzentration
vn. 101^ bis 1.0 b cm" hat. Der η-leitende Teil kann auch eine Dotierungskonzentration
haben, die mit zunehmender Entfernung vom
15 IS -3
p-leitenden Teil auf einen '.Verf von 10 bis 10 cm ansteigt.
Firur 3 zeigt in einfach logarithmischer Darstellung das Dotierungsprofil,
eines Gleichrichters aus Silizium. Die Mittelzone dieses Gleich·
ricnters ist ^leichmäu-iig dotiert. Die Dicke des p-leitenden Teiles
7 betragt 34'~μ, die des η-leitenden Teiles 8C- ^. Die Dotierungskonzentration
beträgt in beiden Teilen 10 cm , Die p-leitende
" eine
nu3enzone 6 hat eine Dicke von 20 ~ und/Dotierungskonzentration
von I1' cn" , die η-leitende AuSenzone 9 eine gleichmä3ir:e Dotie-
13-3
rum-;» -onr.entratiori von H, c-ni und eine Dicke von 40 ^.
rum-;» -onr.entratiori von H, c-ni und eine Dicke von 40 ^.
Firur 4 zeigt das Dotierungsprof11 eines etwas abgewandelt en Gleichrichters
aus Silizium, Der p-leitende Teil der Mittelzcne besitzt
) eine fleichrnäßige Dctieruriirskonzentration von 10 cm~' und eine
:,ic.·.;»;; v-n 340 "r während der η-leitende Teil 8 der Mittelzone eine
, Γ-1 "Ji":--- 7fT; *ίθ ^ und eine mit zunehme'nder Entfernung vom p^leitenderi
'17-3 Teil a.nähernd exponentiell·, auf einen 7/ert von 10 cir ansteigende
jc«ieru:-.gskonzentra.ticn aufweist. Dicke und Dotierungskonzentration
der r-leitendeft Außenzone 6 und der n^leitenden Außenzone 9 sind
dieselben wie beim Gleichrichter nach Figur 3»
-..■-■ :.■■-.'■''. - BAD ORIG^ÄL
.'.·.- ß - 00 9833/15 87 wi/fö
16144 6 O PLA 67/1 τ 51;
Figur 5 zeigt einen Schnitt durch einen Gleichrichter mit einem
Dotierungsnrofii nach Figur 3. Der Gleichrichter besteht aus eink
r i s tal Ii ne m SiI i ziuir. und enthäl t ei ne s t ark d ο tier te p-1 ei t ende
3one 6, einen schwaeL datierten p-leitenden Teil 7 und einen schwach
dotierten η-leitenden Teil ü sowie eine stark dctierte n-leitende
Zone ^. Die Teile 6 und 7 bilden die schwach dotierte "ittelzone
des Gleichrichters. / _
ur Herstellunf; des Oleiehrichters nach Figur 5 wird von einem schei-.
a-leitendeh Substrat ausgegangen, auf dessen
eine Flacnseite sehwaert n-ieitendes Silizium epitaktlsch abgeschieden wird. Auf das achwach n-leitende Silizium wird sodann eine Dcnatormaterial
enthaltende Qx1dfelie unter Ausbildung der Kontaktelektrode ■ 1·Γ s^wie ti*»r stark n-drtierten RekristallisaAionszone
und mit das sehwach r-leitendö SiIizium eine Akzeptermaierial enthaltende
Goldfrlie unter Ausbilduhf: der Kontaktelektrode V5 und der
stark p-dc^tlerttMi Heicr
Pigur f: ztyip-t einex onhnitt durch einen GIexchrichter mit einem
P^tiei^nrrspreiil -;a^L Fipur 4» Hr besteht ebenfalls aus SiIisiuci
χχηά enirhilt star«·: n^ und r-Gntierte Π oner. 6 und 9 und schwach ρ-
und n-detierte Teile 7 uai ^: ; - : / - .;: -S^ .V:,:V-.:
λ«τ Herstellung: a^s JleichriLiters-nach Figur 6 kann man vor. einer
scliwach p-leit;endejr Siliziums ehe ibe ausgehen, in die allseitig Dc<
natcrnäaterial einairfundiert wird. Auf einer Flachseite wird sodann
das n-leitende Material aSgeläppttmd darauf de*· Seheiben-
16U460 PLA 67/1151
rand abgeschrägt. Schließlich werden auf das freiliegende p-leitende
'Silizium eine Akzeptormaterial enthaltende Goldfolie unter Ausbildung
der Kontaktelektrode 14 und der stark p-dotierten Rekristalliuationszone
6 und auf das η-leitende Silizium eine Donatormaterial enthaltende Goldfolie unter Ausbildung der Kontaktelektrode 15 und
der starjc η-leitenden Rekristallisationszone 9 einlegiert.
Die aus der vorstehenden Beschreibung - oder/und die aus der zugehörigen
Zeichnung - entnehmbaren Merkmale, Arbeitsvorgänge und Anweisungen sind, soweit nicht vorbekannt, im einzelnen, ebenso
wie ihre hier erstmals offenbarten Kombinationen untereinander,
als wertvolle erfinderische Verbesserungen, anzusehen.
'.· Patentansprüche
G Figuren
G Figuren
BAD ORIGINAL
- 8 - 009833/1587 wi/Pö
Claims (4)
1. G=IeIChTiGiItG-T' bestehend aus ö-ineiiir im wfs^en-tiiehenelffitriställinen
Halbleiterkörper, iiiöbesönde:!?e aiis; Siliziumöder ö^rmaMuiif mit
einer p-^1ei tenden mW erinef" η-1§;ιίβηΐ#η 2onef e^ineifi pii-tllefgärig
üii'il1--einer schwäeiier dlötierien Mitteiäöne>
ääciöfen· gelenrizeiennetf
daß der pn-übergang inrierh-äife der- ööHwMenef dotierten Mittölzoriö
liegt und daß der f^Üitend'e feil der MitfeiäöftS mm- einöri fai^tof
im Bereiöh: zWisciien j und iO diefcr $ät ä=lä &et n-ltltBride Teil»
2i GXeichfiehter· näeYtjknatfitch Tf ÖadüreM gefcößnzeiGilfKlt$ daß die
schwächer dotiertei Mittel2on? gleichmäßig dotiert i
=5-. Cilei chric'hter nach Anspruc/h 1, dadurch gekennzeichnet t. diäß der
«-leitende lieil der Mittel zone- gleichmäiBig dotieff isti während,
die Dotierungslcohzenträtion inr n-leiteniden Teil not zuÄehmender
λγ.rt'ernüag ¥oirt p-ieitendeh Jeil ansteigt. -: ,
4. Gleichrichter nach Anspruch 3# dädiirch gekennzeichnet*" daß die
D? cierungskonzentratioh im η-leitenden Teil wenigstens annähernd
exponentiell ansteigt. ;
t>. Gleichrichter nach Anspruch 1 und 2/ dadurch göEnnzeichnet, daß
der p-leitende Teil der Mittelzone eine Dicke von 100 Ms 600 μ
unci eine gleichmäßige Dotierungskonzentration von 1Ö); bis 10
ein"" hat, während der η-leitende Teil eine Dicke von TO bis 200 μ
und eine gleichmäßige DOtißrungskonzentration von 10 bis 10
' hat. - 0Ü58:33/1;S'87 ; -:; BAD
■'..;■ "■■ .' "-■■'■'■" -:',--'-9 - '■-.-■■■■ ':-"' m/Po
ISi 44 SO FM 67/115T
Glei chriehtöi* nach Anspruch 1f 3 und 4, dadurch gekefnigö lehnet,
daß der p-Ieitehde' Teil der Mittelzone eine Dicke von fÖO bia
bOC u lirid eifte gleichmäßige Dotierungsk&iizeifttration ν&ϊϊ TO J biä
15-3-10
ein hat ψ. während der η-leitende Teil eiile IJielce Vöfi 10 bis
1 tu. μ \χηά elfte DötieriihrslEoftzeatration ftäf* di§ ntit
Ehitefhuhg vom p-leitertden Teil auf elfteft Wert Vcfi 1·^'7 Bis 10
cm ansteigt*
:; BAD OR1G3NÄL
00 9833/Ί5ΪΒ7
- 10 -
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP1014453B1 (de) * | 1997-08-14 | 2016-04-27 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Halbleitervorrichtung |
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- 1967-03-18 DE DE19671614460 patent/DE1614460A1/de active Pending
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1968
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- 1968-02-26 CH CH275868A patent/CH474155A/de not_active IP Right Cessation
- 1968-03-14 FR FR143817A patent/FR1556168A/fr not_active Expired
- 1968-03-18 NL NL6803815A patent/NL6803815A/xx unknown
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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FR1556168A (de) | 1969-01-31 |
CH474155A (de) | 1969-06-15 |
BE712344A (de) | 1968-09-18 |
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NL6803815A (de) | 1968-09-19 |
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