DE1614897A1 - Zener diode - Google Patents

Zener diode

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DE1614897A1 DE19671614897 DE1614897A DE1614897A1 DE 1614897 A1 DE1614897 A1 DE 1614897A1 DE 19671614897 DE19671614897 DE 19671614897 DE 1614897 A DE1614897 A DE 1614897A DE 1614897 A1 DE1614897 A1 DE 1614897A1
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Dipl-Phys Rainer Grosholz
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Description

"Zenerdiode" Zenerdioden haben heute allgemein Eingang in die Schaltungstechnik gefunden.,Sle werden hier als Vergleichsspan-' nungsquellen in Schaltungen zum Stabilisieren von Versorgungsspannungen elektronischler Geräte verwendet-und sind. in vielen anderen Schaltstufen unentbehrlich gewo rdezi, beispielsweise zur Erzeugung genauer Vorspannungen und Festlegung von Spannungspegeln, um-Nutzsignale gegebenenfalls von-unter diesen Pegeln liegenden Störsignalen-zu trennen. In allen dlesen'Fällen ist die Wirksamkeitder eingesetzten Diode um so größer, je-kleiner der Innenwiderstand ist, den die Diode im Bereich.ihres Zenerknicks aufweist. Unter Innenwiderstand versteht man dabei bekannt- A M lieh den Quotienten R. wobei J eine gering- fügige Änderung-des durch die Diode fließenden* Stromes und die daraus resultierende Änderung der an der Diode liegenden Spannung bedeuten. Bei einer idealen Zenerdiode ist nun die Spannung an der Diode unabhängig von der jeweiligen Stromänderung, so daß nach der obigen Gleichung mit -Jh = 0 auch der Inneriwiderstand der Diode zu Null wird."Zener diode" Zener diodes have generally found their way into circuit technology today. They are and are used here as reference voltage sources in circuits for stabilizing supply voltages for electronic devices. It has become indispensable in many other switching stages, for example for generating precise bias voltages and determining voltage levels in order to separate useful signals from interfering signals below these levels. In all these cases, the effectiveness of the diode used is greater, the smaller the internal resistance the diode has in the area of its zener kink having. Internal resistance is understood to be known- AT THE lent the quotient R. where J is a slightly docile change-the current flowing through the diode * and the resulting change in the diode mean lying tension. In the case of an ideal Zener diode, the voltage across the diode is now independent of the current change, so that according to the above equation with -Jh = 0 , the internal resistance of the diode also becomes zero.

Bei allen heute erhältlichen Zenerdioden liegt dieser Innenwiderstand jedoch weit ab von diesen idealen Verhältnissen bei 6 bis 2oo Ohm, wobei dann Dioden für hohe Spannungen auch einen besonders hohen Innenwiderstand afweisen. Diese bekannten Zenderdioden bestehen dabei generell aus einem Halbleitergrundkörper, der zwei einen großflächigen pn-Übergang bildende Zonen unteracliedlichen Leitungstyps aufweist, wobei dann die als Zenerspannung ausgenutzte Durchbruchspannung dieses Überganges in ihrer Hohe von der Dotierung dieser beiden Zonen bestimmt wird.In all Zener diodes available today, however, this internal resistance is far from these ideal ratios of 6 to 2oo ohms, in which case diodes for high voltages also have a particularly high internal resistance. These known Zender diodes generally consist of a semiconductor base body which has two zones of different conductivity types forming a large pn junction, the breakdown voltage of this junction then being determined by the doping of these two zones.

Der vorliegenden.Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Zenerdiode aufzuzeigen, die einen besonders niedrigen Innenwiderstand aufweist. Die Zenerdiode nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß mindestens eine der beiden den pn-Übergang bildenden Halbleiterzonen wenigstens zwei Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeit, jedoch gleichen Leitungstyps aufweist, daß der niederohmigere Bereich parallel zum pn-Übergang in einem vorgegebenen Abstand verläuft und daß die Leitfähigkeit des zwischen dem pn-Übergang und dem niederohmigeren Bereich liegenden Halbleitermaterials und der Abstand zwischen beiden so gewählt sind, daß die Durchbruchspannung des pn-Überganges einmal 'unterhalb der Durchbruchspannung liegt, die der pn-Übergan*g ohne den niederohmigeren Bereich hätte, und zum anderen der für die Diode geforderten-Zenerspannung entspricht.The present invention is based on the object of a Zener diode to show, which has a particularly low internal resistance. The zener diode according to the invention is characterized in that at least one of the two den Semiconductor zones forming pn junction have at least two different regions Conductivity, however, has the same conductivity type that the lower-resistance area runs parallel to the pn junction at a predetermined distance and that the conductivity between the pn junction and the lower resistance area Semiconductor material and the distance between the two are chosen so that the breakdown voltage of the pn junction is once 'below the breakdown voltage that the pn junction * g without the lower resistance area, and on the other hand the Zener voltage required for the diode is equivalent to.

Der Erfindung liegt dabei dfe Erkenntnis zugrunde, daß die sich um einen pn-Übergang ausbildende Raumladungszone durch eine an diesen Übergang angelegte Spannung auseinandergedrängt wird, so daß sie mit steigender.Spannung vom pn-Übergang-ausgehend immer weiter in den Halbleiterkörper hineinreicht. Dadurch bedingt steigt die elektrische Felde stärke £m Halbleitermaterial mit dem Erhöhen der angelegten Spannung nur relativ langsam an, so daß es beim Erreichen einer bestimmten Feldstärke zunächst zu einem schleichenden Spannungsdurchbruch kommt, der bei Zenerdioden einen relativ hohen Innenwiderstand veruraacht. Ist nun, wie bei der vorliegenden Erfindung vorgeschlagen, in einer der den pn-Übergang bildenden Halbleiterzonen in einem gewissen Abstand--,tvon-,diesem Übergang eine Zone höherer Dotierung vorgesehen, so kann sich die Raumladungszone mit# dem Steigen_ der angelegten Spannung im wesentlichen nur soweit ausdehnen, bis sie an diesen höherdotierten Bereich anstößt. Da nämlich die Ausdehnung der Raumladungszone auch von der Dotierung des Materials abhängt und in dem höherdotierten Material wesentlich geringer ist als in dem niederdotierten Material, wird sie sich si31bet bei einer weiteren Erhöhung der angelegten Spannung nur ganz unwesentlich in den höherdotierten Bereich hinein ausdehnen. Dieses bedingt dann beim Erhöhen der Spannung ein plötzliches Ansteigen der elektrischen Feldstärke im Halbleiterkörper und einen dadurch verursachten abrupten Spannungsdurchbruch, der den ausgesprochen niedrigen Innenwiderstand der erfindungsgemäßen Zeuerdiode zur Foige hat.The invention is based on the finding that the space charge zone forming around a pn junction is pushed apart by a voltage applied to this junction, so that with increasing voltage it extends further and further into the semiconductor body starting from the pn junction. As a result, the electrical field strength in the semiconductor material increases only relatively slowly with the increase in the applied voltage, so that when a certain field strength is reached, a creeping voltage breakdown occurs, which causes a relatively high internal resistance in Zener diodes. If, as proposed in the present invention, a zone of higher doping is provided in one of the semiconductor zones forming the pn junction at a certain distance -, tvon-, this junction, then the space charge zone with the rise_ of the applied voltage in essentially only expand until it abuts this more highly doped area. Since the expansion of the space charge zone also depends on the doping of the material and is significantly less in the more highly doped material than in the less doped material, it will only expand insignificantly into the more highly doped area with a further increase in the applied voltage. When the voltage is increased, this then causes a sudden increase in the electrical field strength in the semiconductor body and an abrupt voltage breakdown caused thereby, which results in the extremely low internal resistance of the fire diode according to the invention.

Der Vorteil der Zenerdiode nach der Erfindung Ilegt vor allem in ihrem ausgesprochen niedrigen InnenwIderstand, der,esich bei Dioden für hohe Spannungen besonders stark bemerkbar macht. Versuche haben beispielsweise gezeigt,. daß bei Zenerdioden nach der Erfindung für eine Spannung von 8o Volt der Innenwiderstand nur ca. 9o Ohm beträgt. Eine besonders gUnstige Ausführungsform der erfindungsgemäßen Zenerdiode ergibt sich dann, wenn die von dem (den) höher dotierten Bereich(en) freie Halbleiterzone niederohmiger ist als das an den pn-Übergang angrenzende Material der anderen die niederohmigeren Bereich beinhaltenden Halbleiterzone*. Die Halbleiterzone ohne die niederohmigeren Bereiche kann auf diese Weine sehr dünn gehalten werden, so daß der auf die Leitfählgkeit den Halbleitermaterfals zurÜckzuführende Innenwiderstand der Diode auf einen minlmalen Wert begrenzt und der mit der Erfindung erzielte Effekt somit voli zur Geltungkommen kann.The advantage of the Zener diode according to the invention lies mainly in its extremely low internal resistance, which is the case with diodes for high voltages makes it particularly noticeable. Tests have shown, for example. that at Zener diodes according to the invention for a voltage of 8o volts the internal resistance is only about 9o ohms. A particularly favorable embodiment of the invention Zener diode results when the area (s) from the more highly doped area (s) The free semiconductor zone has a lower resistance than the material adjoining the pn junction the other semiconductor zone * containing the lower resistance area. The semiconductor zone Without the lower resistance areas, these wines can be kept very thin, so that the internal resistance due to the conductivity of the semiconductor material the diode to a minimum Limited value and the one with the invention The effect achieved can thus fully come into its own.

In den meisten Fällen wird es bei der Zenerdiode nach der Erfindung genügen, wenn jeweils nurEin höher dotierter Bereich vorgesehen ist. Dieser kann sich dann beispielsweise in der Halbleiterzone befinden, die den n-Leitungstyp aufweist.In most cases it will be with the Zener diode according to the invention suffice if only one more highly doped area is provided in each case. This can are then located, for example, in the semiconductor zone which has the n-conductivity type.

Besonders bei Dioden fÜr hohe Spannungen oder Zenerströme ist wegen der in diesen Dioden umgesetzten hohen Verlust-' leistung günstig, wenn sie aus einem Halbleitermaterial bestehen, das erst bei einer relativ hohen Temperatur zerstört wird. Aus diesem Grund eignet sich für die erfindungsgemäße Zenerdiode von den bekannten Halbleitermaterialien Silizium besonders gut.Especially with diodes for high voltages or zener currents is because of the high power dissipation implemented in these diodes when they are off consist of a semiconductor material that only destroys at a relatively high temperature will. For this reason, one of the known ones is suitable for the Zener diode according to the invention Semiconductor materials silicon are particularly good.

Bei einer derartigen Silizium-Zenerdiode fÜr Spannungen zwischen 8o bis loo Volt beträgt beiaiielaweise der Abstand des höher dotierten Bereichs vom pn-Ubergang 7/U,.wobei das zwischen beiden liegende Halbleitermaterial eine Leitfähigkeit von 4 Ohmcm besitzt.In such a silicon Zener diode for voltages between 8o The distance between the more highly doped region is up to 100 volts pn junction 7 / U, where the semiconductor material between the two has a conductivity of 4 Ohmcm.

In Weiterführung des Erfindungsgedankens soll nun im folgenden ein sehr vorteilhaftes Verfahren zum Herstellen einer Zenerdiode nach der Erfindung aufgezeigt werden. Diesen Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß auf einem niederohmigen Halbleitergrundkörper zunächst ein diesem Körper gegenüber hochohmigeren Halbleitermaterial gleichen Leitungstyps epitaktisch abgeschieden wird. In diese epitaktisch aufgebrachte Schicht wird dann in einem anschliessenden Verfahrensschritt eine Zone eindilrandiert, deren Dotierungsgrad so gewählt ist, daß auch sie niederohmiger ist als die epitaktische Schicht. Die Dicke dieser Schicht und die Tiefe der einditundierten Zone werden dabei so abgestimmt, daß sich bei Berücksichtigung der Leitfähigkeit den epitaktischen Materials der für dieses Bauelement erforderliche Abstand zwischen dem niederohmigeren GrundkÖrper und dem durch Diffusion erzeugten pn-Übergang ergibt. Bei diesem Verfahren wird dann beispielsweise für den Grundkörper ein Halbleitermaterial mit einem spezifischen Widerstmd von lo-3 bis lo- 2 Ohmcm und für die epitaktisch abgeschiedene Schicht ein Material mit einem spezifischen Widerstand von etwa 3,5 Ohmem verwendet. Die Bedingungen für die Diffunion zur Erzeugung des pn-Überganges werden bei dieser speziellen AusfÜhrungsform des erfindungsgemäasen Verfahrens derart gewählt, daß die eindiffundierte Zone zumindest an der Halbleiteroberfläche einen spezifischen Widerstand von lo- 1 Ohnem aufweist und bei einer Dicke der epitaktischen Schicht von lop 3/u in diese Schicht hineinreicht. Für den HalbleitergrundkÖrper und die epitaktIsch abgeschiedene Schicht wird dabei beispieleweine Materlalvom n-Leitungstyp verwendet, wobei dann die eindiffundierte Zone den p-Lettungstyp aufweist.As a continuation of the inventive concept, a very advantageous method for producing a Zener diode according to the invention will now be shown below. This method is characterized in that a conductivity type of the same conductivity type as compared to the higher-resistance semiconductor material is first deposited epitaxially on a low-resistance semiconductor base body. In a subsequent method step, a zone is then diluted into this epitaxially applied layer, the degree of doping of which is selected such that it too has a lower resistance than the epitaxial layer. The thickness of this layer and the depth of the ditused zone are matched so that, taking into account the conductivity of the epitaxial material, the distance required for this component between the lower-resistance base body and the pn junction produced by diffusion results. In this method, for example, a semiconductor material with a specific resistance of lo -3 to lo -2 ohm cm is used for the base body and a material with a specific resistance of about 3.5 ohm cm is used for the epitaxially deposited layer. In this special embodiment of the method according to the invention, the conditions for the diffusion for generating the pn junction are selected in such a way that the diffused zone has a resistivity of 10- 1 without at least on the semiconductor surface and with a thickness of the epitaxial layer of 10 3 / u reaches into this layer. For the semiconductor base body and the epitaxially deposited layer, for example, a material of the n-conductivity type is used, the diffused-in zone then being of the p-letting type.

Claims (2)

Pat en-t ans prüche 1) Zenerdiode, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der beiden den pn-Übergang bildenden Halbleiterzonen wenigstens zwei Bereiche unterschiedlicher Leitfähigkeit, jedoch gleichen Leitungstyps aufweist, daß der niederohmigere Bereich parallel zum pn-Übergang in einem vorgegebenen Abstand von diesem verläuft, und daß die Leitfähigkeit des zwischen beiden liegenden Halbleitermaterial und der Ab- stand zwischen beiden so gewählt sind, daß die Durchbruchspannung des pn-Übergangen einmal unterhalb der Durchbruchspannung-liegt, die dieser Übergang ohne den niederohmigeren Bereich hätte, und zum anderen auch der für die Diode geforderten Zenerspannung entspricht. Patent claims 1) Zener diode, characterized in that at least one of the two semiconductor zones forming the pn junction has at least two areas of different conductivity, but of the same conductivity type, that the lower resistance area is parallel to the pn junction at a predetermined distance therefrom runs, and that the conductivity of the semiconductor material lying between the two and the distance between the two are chosen so that the breakdown voltage of the pn junction is below the breakdown voltage that this junction would have without the lower resistance area, and also the corresponds to the Zener voltage required for the diode. 2) Zenerdiode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von den höher dotierten Bereichen freie Halbleiterzone niederohmiger ist als das an den pn-Übergang angrenzende Material der diese Bereiche beinhaltenden Halbleiterzone. 0 3) Zender4ode nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur ein höher dotierter Bereich vorgesehen ist. 4) Zenerdiode nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der höher dotierte Bereich in der Halbleiterzone befindet, die den.n-Leitungstyp aufweist. 5) Zenerdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch sekennzeichnet, daß sie aus Silizium besteht. 6) Zenerdiode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer geforderten Zenerspannung von 8o bis-loo Volt der Abstand des hÖher'dotierten Bereiche vom pn-Übergang etwa 7 / u und die Leitfähigkeit des zwischen beiden liegenden Halbleitermaterials etwa 4 Ohmcm betragen. 7) Verfahren zum Herstellen einer Zenerdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Halbleitergrundkörper ein diesem Körper gegenüber hochohmigeres Halbleitermaterial gleichen Leitungstyps epitaktisch aufgebracht wird und anschließend in diese epitaktische Schicht-eine ihr gegenÜber.niederohmigere Zone vom entgegengesetzten Leitungtyp eindiffundiert wird, und daß dabei die Dicke der epitaktischen Schicht und die Tiefe der eindiffundierten Zone so gewählt werden, daß sich der für das Bauelement erforderliche Abstand zwi-. sehen dem niederohmigeren GrundUrper und dem pn-Übergang ergibt. 8) Verfahren zum Herstellen einer Zenerdlode na'ch Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen HalbleitergrundkÖrper mit einem.spezifischen Widerstand von lo-3 bis lo- 2 Ohmcm eine epitaktische-Schicht mit einem spezifischen Widerstand von 3,5 Chmcm abge schieden wird und daß in diese Schicht dann eine Zone eindiffundiert wird, die einen spezifischen Widerstand von lo- 1 Ohmcm aufweist. 9) Verfahren zum Herstellen einer Zenerdiode nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die epitaktische Schicht bis zu einer Dicke von lo aufgebracht wird und die Zone vom entgegengesetzten Leitungstyp bis zu einer Tiefe von 3 / u in diese Schiät eindiffundiert wird.2) Zener diode according to claim 1, characterized in that the semiconductor zone free from the more highly doped areas is of lower resistance than the material adjoining the pn junction of the semiconductor zone containing these areas. 0 3) Zender4ode according to claim 1 or 2, characterized in that only one more highly doped area is provided. 4) Zener diode according to claim 3, characterized in that the more highly doped area is in the semiconductor zone which has den.n conductivity type. 5) Zener diode according to one of claims 1 to 4, characterized in that it consists of silicon. 6) Zener diode according to claim 5, characterized in that at a required Zener voltage of 8o to -loo volts, the distance of the higher doped areas from the pn junction is about 7 / u and the conductivity of the semiconductor material lying between the two is about 4 Ohmcm. 7) A method for producing a Zener diode according to one of claims 1 to 6, characterized in that a semiconductor material of the same conductivity type, which is higher in resistance than this body, is epitaxially applied to a semiconductor base body and then diffused into this epitaxial layer - a lower-resistance zone of the opposite conductivity type is, and that the thickness of the epitaxial layer and the depth of the diffused zone are chosen so that the distance required for the component between. see the lower resistance basic body and the pn junction results. 8) A method for producing a Zenerdlode nach'ch claim 7, characterized in that an epitaxial layer with a specific resistance of 3.5 cmcm is deposited on a semiconductor base body with a specific resistance of lo -3 to lo -2 ohm cm and in that a zone is diffused into this layer having a resistivity of 1 ohm-cm lo-. 9) A method for producing a Zener diode according to claim 7 or 8, characterized in that the epitaxial layer is applied up to a thickness of lo and the zone of the opposite conductivity type is diffused into this Schiät to a depth of 3 / u.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2412924A1 (en) * 1974-03-18 1975-10-02 Sergej Fedorowitsch Kausow Semiconductor diode has electric surface field reduced to prevent brea - by suitably dimensioning high-resistivity N-type region below electrode

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DE2412924A1 (en) * 1974-03-18 1975-10-02 Sergej Fedorowitsch Kausow Semiconductor diode has electric surface field reduced to prevent brea - by suitably dimensioning high-resistivity N-type region below electrode

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