DE1816683A1

DE1816683A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE1816683A1
Application number: DE19681816683
Authority: DE
Inventors: Masaru Tanaka; Takehiro Tsuzaki; Akio Yamashita
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1967-12-27
Filing date: 1968-12-23
Publication date: 1970-01-15
Also published as: US3808473A; GB1250020A; FR1601518A; NL6818608A; NL151215B; DE1816683B2; DE1816683C3

Description

Halbleiterbauelenent XSX2 S233 ZZtSZSZZS^- SC23Sf Bf !3 B3XS XSKM

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement und insbesondere auf ein Halbleiterbauelement, das sich dadurch auszeichnet, daß ein Teil mit der Wirkweise eines mechanoelektrischon Wandlers, bestehend aus einem parallel oder im wesentlichen parallel zu einer Ubergangszone eines Halbleiterkörpers angeordneten Metall-Halbleiter-Kontakt, und eine elektrische Schaltungsanordnung, bestehend aus Schaltelementen wie beispielsweise einem Transistor, einer Mode, einem Wideretand, einer Induktivität oder einem Kondensator, in dem Halbleiterkörper miteinander vereint sind.

Nach dem Stand der Technik sind integrierte Schaltungen bekannt, bei denen in einem Halbleiterkörper ein Transistor, eine Modo, ein Widerstand, ein Kondensator und dergleichen vorgesehen sind, doch dienen alle diese Schaltungen der Umwandlung eines elektrischen Signals in ein anderes elektrische« Signal. Andererseits besteht aber seit einigen Jahren ein dringendes Bedürfnis nach einem Festkörperbauelement mit der Wirkweiso eines mechanoelektriochon Wandlers und man hat versucht, eine Vorrichtung dieser Art unter Verwendung eines Traneistors oder einer Eoakidiode eu schaffen.

Solche

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Solohe Torrlohtungen weisen jedoch eine geringe Empfindlichkeit auf und kommen für praktische Zwooko nicht in Betracht.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, diese Mängol auszuechalton und verschiedenartige Halbleiterbauelemente geringer Größe mit der Wirkweise eines meohanoelektrisehen Wandlers zu βchaffen. Demgemäß seiohnot eioh ein duroh die Erfindung gesohaffenes Halbleiterbau· element duroh ein Teil mit der Wirkweise eines mechanoelektrisehen Wandlere aus, das aus einem in einem Halbleiterkörper in einer parallelen oder im wesentlichen parallelen Anordnung zu einer Übergangszone do β Halbleiterkörper vorgesehenen Motall-Halblelter-Kontakt besteht*

Das erfindungsgemäße Halbleiterbauelement, für welches das Teil mit der Wirkweise eines meohanoelektrisehen Wandlere kennzeichnend ist, wird dadurch gebildet, daß dieses Teil und die verschiedenen elektrischen Schaltanordnungen in einem Halbleiterkörper nitoinander vereint werden, dessen Größe gering ist, der als reine Festkörperschaltung anateile der bislang üblichen, mit einem maohanischen Schaltkontakt arbeitenden Schaltanordnungen eingesetzt werden kann und der außerdem die außergewöhnlichen Merkmale aufweist, daß ein geringes Gewicht der Anordnung, ein geräuschloser Betrieb und das Ausbleiben von Abnutzungsorscheinungen infolge Überschlags gewährleistet sind.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergobon sich aus dem Zusammenhang der nachfolgenden eingehenden Boschreibung in Verbindung mit den beigegebenen Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigern

Figur 1 eine Querschnittsanaioht eines Bauteile mit der Wirkweiee eines oeohanoelektrischon Wandlere, das in einem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement vorgesehen ist;

Figuren 2 und 3 graphische Darstellungen der Strom-Spannungs-Kennlinien des in Figur 1 wiedergegebonon Bauteils»

Figur 4 ein Schaltschema einer Vorrichtung, bei der das Bauteil mit der Wirkweise eines mechanoolektrischon Wandlore und übliohe elektrische Schaltmittel miteinander vereint sindι

Figur

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5 eino Puercchnittsnn sieht einer Ausführungeform eines erfindungngenäßen Halbleiterbauelemente» in der dae Schalteohema der Figur 4 Verkörperung findet} und

Figur 6 ein Schaltschema einer anderen Vorrichtung« die nach Art eines erfindungaßoinüQen Halbleiterbauelements aufgebaut sein kann.

Bei figur 1 handelt es sich um eine sehematische Zeichnung« in der das Teil mit der V/irkweise eines mechanooloktrischon Wandlers dargestellt ist, wobei mit der Bezugszahl 1 ein Halbleiterkörper, mit der Bezugszahl 2 ein das Teil mit der V/irkwoioa eines moohanoelektrischen Wandlers einbogroifender Bereich, der von einem Bereich, in dem andere elektrische Schaltnittel in den Halbleiterkörper 1 angeordnet sind, getrennt ist, mit dem Bezugozcichon J₁ ein die Trennungewirkung vermittelnder Übergang, mit der Bezugszahl 3 ein innerhalb des Boreichos 2 durch einen übergang J₂ abgesonderter Boreioh, mit der Eezugezahl 4 eino mit dom Halbleitorberoich 3 in oinom gleichrichtenden Kontakt stehende, parallel oder im wooeutli-Ohon parallel zu dem Übergang J. angeordnete Kotallolektrode, mit der Bezug8zahl 5 eine Oxydochicht, mit der Bezugszahl 6 eine mit dem Halbleiterberoich 2 in oinom ohnnchon Kontakt otehendo üotnllelektrode und mit dom BozucGzcichon J, ein Übergang zwiechcn dor Metallelektrode 4 und den Halbloitorboroich 3 bezeichnet nind.

Wirkt auf dio Elektrode 4 in der duroh don Pfeil verdeutlichten V/eiso eino Delactungckraft ein, v/ah rand ζτ/iochon dan Metall« elektroden 4 ^und 6 eine Vorcpannung angelegt iot, co lindert eich der elektrische Widerstand zwisohon don Mctalloloktrodon 4 und 6. Dor Grund dafür, daß beim Einwirken einer Bolastungokroft auf die Raunladungszone zwischen don Übergiingon J„ und J_ oin Stronanotieg zu verzeichnen ist, kann darin erblickt worden, daß in dienen Fall an dem übergang J. oder J, infolge der erhöhten Trägerdich to ein llakeneffekt auftritt und der elektrische Widerstand eine beträchtliche Änderung erfahrt· Bei dom hier beschriebenen Übergang J₉ handelt es sich um oinon dor bokannton Übergänge vie etwa p-n, n-n⁴", P-P⁺, n-i odor p-i, und wio sie durch oinon Störotoff nlt flachom Energieniveau oder durch einen Störstoff mit tiefliegendem Energieniveau gebildet werden. Die zugrundeliegenden Konnlinien des

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die Wirkweise eines meohanoelektrisohen Wandlers aufweisenden Teils sind in den Figuren 2 und 3 gezeigt. In der Darstellung der Figur 2» bei der es sieh um die RUckwärts-Strom-Spannungskennlinien handelt» bezeiohnet eine Kurve 7 den Fall» daß keine Belastungekraft einwirkt» während bei angelegter Belastungskraft der Strom mit dieser in der Weise ansteigt, wie dies die Kurven θ und 9 verdeutlichen. Figur 3 zeigt die Torwarte-Strom-Spannungs-Kennlinien, wobei eine Kurve 10 für den Fall gilt, daß keine Belastungekraft einwirkt« wohingegen der Strom beim Anlegen einer Belaetungskraft mit der GrSBe der angelegten Kraft in. der Weise ansteigt, wie dies die Kurven 10 und 12 erkennen lassen.

Sie Änderungen des elektrischen Widerstandes beim Einwirken einer Belastungskraft auf das Teil mit der Wirkweise eines neohanoelektrlschon Wandlers erstrecken sioh über einen breiten Bereich und erreichen Werte von drei bis fünf Zehnerpotenten. Es ist dies ein besonderes Merkmal, das keiner der bekannten Halbleiter-Wandler aufweist. Es soll nun auf die Zusammenstellung des als mechanoelektrischer Wandler wirkenden Teils mit anderen Teilen des elektrischen Schaltungoaufbaue näher eingegangen werden.

Figur 4 zeigt ein Beispiel eines solchen Schaltungsaufbaus, wobei ein mechanisches Signal mit Hilfe von Zweistufen-Transistoren verstärkt wird. Dieser Schaltungsaufbau 1st für Druokregelkreise verschiedener Art geeignet. Die in Figur 4 dargestellte Schaltanordnung besteht aus dem Teil PSS mit der V/irkweise eines mechanoelektrisohen Wendlers, Transistoren Tr₁ und Tr. sowie aus Widerständen und einem Kondensator. Ein Beispiel für eines der durch die Erfindung geschaffenen Halbleiterbauelemente erhält man, wenn man sich diese Schaltmittel in einem Halbleiterkörper vereint denkt. Eine Querschnittsansioht eines Teils eines solchen Bauelemente ist in Figur 5 gezeigt, in der mit der Bozugszahl 13 ein n-Halbleiterkörper, mit der Bezugszahl I4 eine p-Zone des als mechanoelektriccher Wandler wirkenden Teils, mit der Bozugszahl I5 eine η-Zone dieses Teils und mit der Bezugozahl 16 eine mit der η-Zone in gleiohriohtendem Kontakt stehende Metallelektrode, die der Einwirkung einer Belastungskraft ausgesetzt ist» bezeichnet sind. Die Bezugozahl 17 bezeichnet eine mit der p-Zono in ohmschem Kontakt stehende Metallelektrode

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elektrode, die Bezugszahl 18 eine Oxydsohicht, die Bezugszahl 1$ eine p-Zone des Kollektors eines Transistors» die Bezugszahl 20 eine η-Zone der Basis des Transistors, die Bezugszahl 21 eine p-Zone des Emitters des Transistors, die Bezugszahl 22 eine Emitterelektrode, die Bezugszahl 23 eine Basiselektrode und die Bezugszahl 24 eine Kollektorelektrode. Ein weiterer Transistor ist an anderer Stelle dea Halbleiterkörpers vorgesehen. Bei den Widerständen kann es eioh um in der Oxydsohioht vorgesehene Iletallschiohtwiderstände handeln oder sie können in dem Halbleiterkörper vorgesehen sein. Die in Figur 5 dargestellte Verteilung der Leitfähigkeitstypen η und ρ soll lediglich dem Zweck der Erläuterung dienen und es wäre auch eine umgekehrte Verteilung der Leitfähigkeitstypen möglich. Wie bereits erwähnt, kann statt des np-überganges des als meohanoelektrischer Wandler fungierenden Teils auoh ein übergang n-n⁺, p-p⁺, n-i oder p-i vorgesehen sein. Zur Ausbildung der n-, p-, n⁺-, p⁺- oder i-Zone können bekannte Störstoffe mit flachem Energieniveau Verwendung finden, doch ist es zweckdienlicher, zur Ausbildung einer solohen Zone einen Störstoff mit tiefliegendem Energieniveau zu verwenden, da dies eine Erhöhung der Aneprechempfindliohkeit auf eine Belastungskraft zur Folge hat. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Lebensdauer der Ladungsträger duroh das tiefliegende Energieniveau verringert ist. Als Störstoffe mit flachem Energieniveau können bekannte Störstoffe wie P, Sb, As, B, Ua und In vorgesehen sein, während als Störstoffe mit tiefliegendem Energieniveau für gewöhnlich Störstoffe wie Au, Cu, Co, Fe, No, Mn und Zn verwendet werden. Im übrigen werden diese Zonen nach einem der bekannten Diffusionsverfahren gebildet, wie beispielsweise dem der Photoätzung, Passivierung oder des Aufdampfens.

Nachstehend soll eine die Erfindung verkörpernde Anordnung eingehend erläutert werden. Hierbei braucht nur das die Erfindung kennzeichnende, als meohanoalektrischer Wandler fungierende Teil beschrieben zu werden, da bei dem erfindungsgemäßen Halbleiterbauelement die außer dem als elektromeohanischer Wandler wirkenden Teil nooh vorgesehenen Bestandteile des Schaltungsaufbaus duroh bekannt· Anordnungen, wie es ein Transistor, Widerstand, Kondensator, eine Induktivität und eine Vierschichttriode sind, gebildet werden.

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Zur Beschreibung dieser Auaführungsform, bei der unter Verwendung einer auf dem n-Halbleiterkörper ausgeformten Oxydschioht als Maske an bestimmton Stellen Bor in den Halbleiterkörper eindiffundiert und hierauf eine Maske aus der gleichen Oxydschicht darauf ausgaformt und durch diese Ilasko zur Ausbildung der η-Zone phosphor eindiffundiert wird_t sei auf Figur 5 Bozug genommen. Hierbei ist es zwockdionliohor, den pn-Ubar^anft so nahe wie möglioh an dor Oberfläche des Halbleiterkörper vorzusehen, auf der durch Vakuumbedampfung metallisches Silber abgolagert ist» das den gleichrichtenden Kontakt mit der n-Zone 15 vermittelt. Bor ohmsche Kontakt mit der ρ-Zone 14 wird durch Aluminium vermittelt, daβ gleichfalls durch Vakuumbodampfung aufgebracht ist. Wirkt bei der so beschaffenen Ausführungeform des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements beim Anlegen einer Gleichstromvorspannung zwischen den Elektroden 16 und 17 unter positiver Polung der Elektrode Ιέ auf diese Metallelektrode 16 eine Belastungskraft ein, so fließt zwisohen der Basis und dem Emitter des Transistors Tr, ein Strom, so daß also ein mechanisches Signal In ein elektrisches Signal umgewandelt und hierauf verstärkt wird. Ein solches Halbleiterbauelement kann beispielsweise als Schaltmittol einer Bogelschaltung zun Regeln des Gasdrucks, der Durchflußraongo und der Temperatur dionon und kann auch ale kontaktlosor Schaltor benutzt werdon. Ein weiteres Schaltungabeispiel ist in Figur 6 dargestellt, wobei eine in Rahmen oiner !Digitalschaltung verwendete TTL-Schaltung mit dem als meohanoelektrischer Wandler wirkenden Teil vereint ist und wobei mit den Bozugsaoichen P-, P„ und P, das als meohanoolektrischer Wandler dienendo Teil bezeichnet ist. Diese Schaltungsanordnung wird als "Software¹* einer elektronischen Rochenanlage verwendet und erhöht die Rechengeschwindigkeit beträchtlich. Auoh für andere Meßvorriohtungan und Übertragungsmittel kann diese Schaltung Verwendung finden.

Patentanspruch

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Claims

- 7 Patentanspruch

1* Halbleiterbauelement, gekennzeichnet durch die Vereinigung eines aus einem parallel oder im wesentlichen parallel zu einem übergang (J₂) eines Ilalbleitorkörpers (l) vorgesehenen lietall-IIalbloiter-Kontakt bestehenden Teils (5» 4) mit der Wirkveise eines nochanoelektriachon Wandlers und eines aus Schaltmitteln vie Transistor, Diodo, Widerstand, Induktivität oder Kondensator bestehenden Teils einer elektrischen Schaltungsanordnung in dem Halbleiterkörper (l).

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