DE2163922A1

DE2163922A1 - Feldeffekt-Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2163922A1
Application number: DE19712163922
Authority: DE
Inventors: Akio Ikeda; Fujita Takashi Toyonaka; Yamashita (Japan). P
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1970-12-28
Filing date: 1971-12-22
Publication date: 1972-07-13
Also published as: FR2120042A1; AU443096B2; AU3728971A; GB1306570A; US3753055A; DE2163922B2; JPS5135114B1; NL7117879A; FR2120042B1; CA931662A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verbesserung bei einer Feldeffekt-Halbleitervorrichtung und insbesondere auf eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung, die als Festkörperschalter mit großer Stromkapazität, hoher Durchbruchsspannung und stabilem Betrieb dienen kann, und deren negative Widerstandseharakteristik durch ein elektrisches Feld gesteuert werden kann.

Es wurden schon Feldeffektthyristoren als Halbleitervorrichtungen vorgeschlagen, deren elektrischer Widerstand durch ein elektrisches Feld gesteuert werden kann. Die konventionellen Thyristoren besitzen jedoch den Nachteil, daß sie nicht gleichzeitig eine große Stromdichte und eine hohe Durchbruchsspannung haben können.

Mit aer Erfindung wird eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung geschaffen, die von einem elektrischen Feld steuerbare ne-

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gative Widerstandskennwerte, eine große Stromkapazität und eine hohe Durchbruchsspannung hat und im Betrieb stabil ist.

Die erfindungsgemäße Feldeffekt-halbleitervorrichtung besitzt einen Halbleiterkörper mit einer Leitfähigkeitsart, öer zwei Hauptoberflächen besitzt, einen ersten und einen zweiten Bereich mit der anderen Leitfähigkeitsart, die in der einen überfläche des Körpers gebildet sind, einen dritten Bereich mit ^ aer anderen Leitfähigkeitsart, der in der der einen Oberfläche gegenüberliegenden anderen Oberfläche gebildet ist, einen vierten Bereich mit der einen Leitfähigkeitsart, der in dem zweiten Bereich gebildet ist, eine Isolierschicht, die auf der einen Oberfläche zumindest zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich gebildet ist, und Elektroden, die auf dem ersten, dritten und vierten Bereich und auf der Isolierschicht zwischen dem ersten und dem zweiten bereich gebildet sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer w Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 und 2 zeigen Querschnitte von konventionellen Feldeffekt-Halbleitervorrichtungen;

Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer Ausführungsform

einer erfindungsgemäßen Feldeffekt-Halbleitervorrichtung;

Fig. 4 zeigt ein Äquivalenzschaltbild der Vorrichtung

^{naCh Fig}· ^3; ; BAD ORIGINAL

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Fig. 5 zeigt die Spannungs-Stromkennlinien der Vorrichtung nach Fig. 3;

Fig. b zeigt eine Spannungs-Vj.-Widerstands-Rg-Kennlinie der Vorrichtung nach Fig. 3;

Fig. 7 zeigt eine Spannungs-Stromkennlinie der Vorrichtung nach Fig. 3 bei einem Widerstand R_s ⁼⁰''

Fig. 8 zeigt eine Spannungs-V^-Spannungs-Vg-Kennlinie eier Vorrichtung nach Fig. 3;und

Fiy. 9 2eigt einen Querschnitt einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Feldeffekt-Halbleitervorrichtung.

In den Fig. 1 und 2 sind konventionelle Thyristoren gezeigt. Der in Fig. 1 gezeigte Feldeffektthyristor mit drei Anschlüssen besitzt einen n-leitfähigen Halbleiterkörper 1, pleitfähige Bereiche 2 und 3, die zueinander in Abstand auf dem n-halbleiterkörper 1 gebildet sind, einen n-leitfähigen Bereich 4, der in dem p-Bereich 3 gebildet ist, eine Isolierschicht 5 und Elektroden 6, 7 und 8, die jeweils auf dem p-Bereich 2, dem n-Bereich 4 und auf der Isolierschicht 5 zwischen den Bereichen 2 und 3 gebildet sind. Diese Elektroden 6, 7 und 8 dienen als Aiooe, Kathode und Tor.

Der in Fig. 2 gezeigte Feldeffektthyristor mit vier Anschlüssen besitzt einen n-leitfähigen Halbleiterkörper 9, p-leit-

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fähige Bereiche 10 und 11, einen n-leitfähigen Bereich 12, eine Isolierschicht 13 und Elektroden 14, 15 und 16 in gleicher Weise wie aer Thyristor nach Fig. 1. Der Thyristor nach Fig. 2 besitzt ferner eine weitere Elektrode 17, die auf der anderen Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 gebildet ist. Die Elektroden 14, 15, 16 und 17 dienen jeweils als Anode, Kathode, ein erstes Tor und ein zweites Tor.

Der Thyristor nach Fig. 2 kann eine viel größere Strom-

" kapazität als der Thyristor nach Fig. 1 aufweisen; er kann jedoch keine sehr hohe Sperr-Durchbruchsspannung haben.

Die Erfindung läßt diesen Nachteil vermeiden, und eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 3 gezeigt. Die erfindungsgemäße Feldeffekt-Halbleitervorrichtung besitzt gemäß Darstellung in Fig. 3 einen n-leitfähigen Halbleiterkörper 18, p-leitfähige Bereiche 19 und 20, einen anderen nleitfähigen Bereich 21, eine Isolierschicht 22, Elektroden 23, 24, 25 und 26 und einen anderen p-leitfähigen Bereich 27, der zwischen dem Körper 18 und der Elektrode 26 sitzt; der gegenüber der konventionellen Vorrichtung nach Fig. 2 vorliegende Vorteil dieser Ausführungsform ist in dem Vorhandensein des p-leitfähigen Bereiches 27 begründet.

Im folgenden werden die Eigenschaften und Prinzipien der erfinöungsgemäßen Halbleitervorrichtung anhand von dem Schaltungsbeispiel nach Fig. 4 beschrieben. Die Bezugsziffern und Symbole

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In Flg. 4 entsprechen denen nach Flg. 3. üie Anschlüsse A, K und G sind die Anoden-, Kathoden- und Toranschlüsse. Zwischen die Elektrode 23 und den Anodenanschluß A ist ein Lastwiderstand R₁. geschaltet, während ein Widerstand R₀ zwischen die Elektroden 23 una 26 geschaltet ist. Die Strofli-rSpanrumgs kennlinien zwischen diesen Elektroden 23 und.24 sind in Fig. 5 gezeigt. Am Anfang (V=O), befindet sich die Vorrichtung im Sperrzustand (Aus-2ustand); wird die Spannung V erhöht, schaltet sie bei der Spannung V_g auf einen Leitzustanci (Ein-Zustand) um. Wird die Spannung V kleiner gemacht, schaltet aie Vorrichtung unter Rücklaufen zu einer Spannung V_R vom Leitzustand zum Sperrzustand. Der Wert von V_R hängt von dem Wert des Widerstandes R„ ab. Wird R„ klein, wie dies in Fig. 6 gezeigt ist, nähern sich die Werte V_g und V_R einander. Wird nämlich R₃ klein, wird V_R größer.

Strom-Spannung^cennlinien zwischen den Elektroden 23 und 24 in dem Zustand Rg=O, d.h. wenn die Elektroden 23 und 26 kurzgeschlossen sind,sind-in Fig. 7 gezeigt. Für die Vorrichtung nach Fig. 3 kann eine negative Widerstandscharakteristik erhalten werden, wenn die Elektrode 23 positiv wird. In Fig. 7 repräsentiert Vg₀ die Sehaltspannung bei NichtVorhandensein einer Torspannung. Wird an das Tor eine negative Spannung angelegt, nimmt die Schaltspannung nach Fig. V_fi,, V_g2, V_gS ab, wie dies in Fig. 7 gezeigt ist. Die Schaltspannung wird natürlich größer, wenn an das Tor eine positive Spannung angelegt wird. Die Art dieser Änderung ist in Fig. 8 als Beziehung zwischen der Schaltspannung V_c und der Torspannung V,, gezeigt» In Fig. 7 repräsentiert ferner V_ß die Sperrdurchbruchsspannung; ein Vorteil der erfindungsge-

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mäßen Vorrichtung liegt in der Möglichkeit einer hohen Sperrdurchbruchs spannung V_ß. In den konventionellen Vorrichtungen, wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, betrug V_B höchstens 100 V, während V„ bei dem erfindungsgemäßen Aufbau bis fast 1000 V erhöht werden kann. Dies wird dadurch herbeigeführt, daß die Sperrdurchbruchsspannung von den beiden pn-übergängen getragen wird, z.b. in Fig. 3 die übergänge zwischen den n- und p-Bereichen 18 und und zwischen den n- und p-Bereichen 21 und 20. Es wurden zwar in den vorhergehenden Ausführungen zur Erleichterung des Verständnisses Leitfähigkeitsarten angegeben; es ist jedoch ersichtlich, daß durch Änderung der Leitfähigkeitsarten keine Funktionsänderung auftritt. Ferner wird die Basis zur Bildung einer negativen Widerstandscharakteristik durch die Thyristorfunktion des konventionellen vierschichtigen pnpn-Aufbaus gebildet.

Es ist ebenfalls möglich, einen erfindungsgemäßen npnpn- oder pnpnp-Aufbau zu bilden, wie er in Fig. 9 gezeigt ist; in diesem Fall arbeitet die Vorrichtung als bidirektionales (in zwei Richtungen wirkendes) Schaltelement. Die in Fig. 9 gezeigte halbleitervorrichtung besitzt einen n-leitfähigen Halbleiterkörper 28, p-leitfähige Bereiche 29, 30 und 31, die gemäß Darstellung in dem Körper 28 getrennt gebildet sind, n-leitfähige Bereiche 32 und 33, die in den p-leitfähigen Bereichen 29 und 30 gebildet sind, eine auf einer Oberfläche gebildete Isolierschicht 34 und Elektroden 35, 36, 37.und 38, die auf den Bereichen 32 und 33, der Isolierschicht und dem Bereich 31 gebildet sind. Die Elektroden 37 und 38 arbeiten als erstes und zweites Tor. Die Halbleitermatrix wird hier durch die bekannten Elemente Ge, Si,

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GaAs, SiC, GaP, InAS, etc. gebildet.

Es wird nun eine andere und konkretere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Zuerst wurde ein in Fig. 3 gezeigtes Element durch die bekannte Störstoffdiffusionstechnik unter Verwendung von n-leitfähigem Silizium gebildet. In diesem Falle wurde als Isolierschicht 22 SiO₂ ^-FiIm verwendet. Mit diesem Element wurde eine Schaltung gebildet, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist. Mit der Einstellung Rg=O in der Schaltung wuraen die Stromspannungskennlinien gemessen und dann die in Fig. 7 gezeigte negative Widerstandscharakteristik erhalten. Da Rg=O, waren in diesem Fall die Werte von V_g und V_R identisch. Der Wert von V_g änderte sich in Übereinstimmung mit dem Abstand zwischen den p-Bereichen 19 und 20 und dem spezifischen Widers tand des n-leitfähigen Halbleiterkörpers 18 und erstreckte sich von etwa 20 bis 600 V. Die Sperrdurchbruchsspannung wurde bis zu 1000 V erhalten, was im Vergleich zu konventionellen Vorrichtungen weit besser ist. Ferner erstreckte sich der steuerbare Strom von einigen zehn Milliampere bis zu einigen zehn Ampere; diese Größe des Stroms bildet ebenfalls einen weiteren Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Wie im vorhergehenden beschrieben wurde, können mit der erfinaungsgemäßen Feldeffekt-Halbleitervorrichtung Ströme von einigen zehn Milliampere bis zu einigen zehn Ampere allein durch die Torspannung ein- und aus-gesteuert werden, und ferner ist eine DurchbruchsSperrspannung bis zu 1000 V möglich. Daher hat

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die erfindungsgemäße Vorrichtung einen großen industriellen Wert als Leistungsschaltelement.

Mit der Erfindung wird somit eine Halbleiter-Schaltvorrichtung mit hoher Durchbruchsspannung und großer Stromkapazität geschaffen, die negative Widerstandscharakteristiken hat, die von einem elektrischen Feld steuerbar sind.

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Claims

Patentansprüche

1.) Felcieffekt-Halbleitervorrichtung, gekennzeichnet durch einen Halbleiterkörper (18; 28) mit einer Leitfähigkeitsart, der zwei Hauptflächen besitzt, einen ersten und einen zweiten Bereich (19, 20; 29, 30) mit der anderen Leitfähigkeitsart, die in einer Fläche des Körpers (16; 28) gebildet sind, einen dritten Bereich (27; 31) der anderen Leitfähigkeitsart, der in der der einen Fläche gegenüberliegenden anderen Fläche gebildet ist, einen vierten Bereich (21; 33) mit der einen Leitfähigkeitsart, der in dem zweiten Bereich (20;30) gebildet ist, eine Isolierschicht (22; 34), die auf der einen Fläche zumindest zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich (19, 20; 29, 30) gebildet ist, und Elektroden (23, 24, 25, 26; 35, 36, 37, 38), die auf dem ersten, dritten und vierten Bereich (19, 27, 21; 29, 31, 33) und auf der Isolierschicht zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich (19, 20; 29, 30) gebildet sind.

2. Vorrichtung nacli Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen fünften Bereich (32) mit der einen Leitfähigkeitsart, der auf dem ersten Bereich (29) gebildet ist, wobei statt auf dem ersten Bereich nun auf dem fünften Bereich (32) eine Elektrode (35) gebildet ist.

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