DE2205307A1 - Field effect semiconductor device - Google Patents
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Description
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PATENTANWÄLTEPATENT LAWYERS
Dlpl.-Chem.Dr.D.Thomsen Dlpl.-Ing. W. WelnkauffDlpl.-Chem. Dr. D. Thomsen Dlpl.-Ing. W. Welnkauff
Dipl.-Ing. H. Tiedtke (Fuchshohl 71)Dipl.-Ing. H. Tiedtke (Fuchshohl 71)
Dipl.-Chem. G. Bühling
Dipl.-Ing. R. Kinne
Dipl.-Chem. Dr. U. EggersDipl.-Chem. G. Buehling
Dipl.-Ing. R. Kinne
Dipl.-Chem. Dr. U. Eggers
8000 München 28000 Munich 2
Kaiser-Ludwig-Platze1!. Februar 1972Kaiser-Ludwig-Platz 1 !. February 1972
Matsushita Electric Industrial Co,, Ltd.
Osaka, JapanMatsushita Electric Industrial Co ,, Ltd.
Osaka, Japan
Feldeffekt-HalbleitervorrichtungField effect semiconductor device
Die Erfindung bezieht sich auf eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung oder eine Festkörper-Schaltvorrichtung, bei der die negative Widerstandscharakteristik durch das angelegte Feld gesteuert werden kann.The invention relates to a field effect semiconductor device or a solid-state switching device in which the negative resistance characteristic is determined by the created field can be controlled.
Konventionelle Halbleitervorrichtungen, bei denen die negative Widerstandscharakteristik durch das angelegteConventional semiconductor devices in which the negative resistance characteristic is caused by the applied
•ls> Feld gesteuert werden kann, haben das Merkmal, daß alle Elektro-O • ls> field can be controlled, have the feature that all electrical O
*O den, die die Anode, die Katho.de und das Tor umfassen, auf einer j£ Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind. Die kon- _* ventionellen Halbleitervorrichtungen, die eine solche Elektro-O denanordnung haben, sind jedoch darin nachteilig, daß sie eine begrenzte Stromführungskapazität haben.* O to which comprise the anode, the Katho.de and the gate of a semiconductor substrate are arranged on a j £ surface. However, the conventional semiconductor devices having such an electrode ore arrangement are disadvantageous in that they have a limited current carrying capacity.
Mündlich« Abreden. InsbMondera durch Telefon, bedürfen schriftlich« Bestätigung Postscheck (München) Kto. 11*974 Dreidner Ben* (München) Kto. 55W7O0Oral «Agreements. In particular, by telephone, require written confirmation Postal check (Munich) account 11 * 974 Dreidner Ben * (Munich) account 55W7O0
Mit der Erfindung wird dieser Nachteil der konventionellen Vorrichtungen vermieden und eine neue und verbesserte Feldeffekt-Halbleitervorrichtung geschaffen, die eine größere Stromführungskapazität als die bisherigen Halbleitervorrichtungen hat.With the invention this disadvantage of the conventional devices is avoided and a new and improved one Field effect semiconductor device has been created which has a larger current carrying capacity than the previous semiconductor devices Has.
Mit der Erfindung wird eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung mit zumindest vier Halbleiterschichten geschaffen, die ein Halbleitersubstrat aufweist, einen ersten Bereich, der in dem Halbleitersubstrat durch Dopen (Einfügen) mit einem Störstoff von einer der Hauptflächen des Halbleitersubstrats gebildet ist und eine Leitfähigkeitsart besitzt, die der des Halbleitersubstrats entgegengesetzt ist, und einen ersten Übergang J. zwischen sich und dem Halbleitersubstrat bildet, einen in dem ersten Bereich gebildeten zweiten Bereich, der eine Leitfähigkeitsart besitzt, die der des ersten Bereichs entgegengesetzt ist, und der einen zweiten übergang J? zwischen sich und dem ersten Bereich bildet, einen in dem zweiten Bereich gebildeten dritten Bereich, der eine Leitfähigkeitsart besitzt, die der des zweiten Bereichs entgegengesetzt ist, und der einen dritten Übergang J, zwischen sich und dem zweiten Bereich bildet; der erste, zweite und dritte Übergang J., J» und J, gehen bis zur Oberfläche des Halbleitersubstrats; eine Isolierschicht bedeckt diese Oberfläche des Halbleitersubstrats mit Ausnahme des von dem dritten Bereich eingenommenen Abschnitts; auf der Isolierschicht ist eine erste Elektrode derart angeordnet, daß sie die Abschnitte des ersten Bereichs und des ersten und zweiten Übergangs J. und Jp überdeckt, dieThe invention provides a field effect semiconductor device with at least four semiconductor layers, which has a semiconductor substrate, a first region which is formed in the semiconductor substrate by doping (insertion) with an impurity from one of the main surfaces of the semiconductor substrate and has a conductivity type that corresponds to of the semiconductor substrate is opposite, and forms a first junction J. between itself and the semiconductor substrate, a second region formed in the first region which has a conductivity type which is opposite to that of the first region and which has a second junction J ? forms between itself and the first region a third region formed in the second region which has a conductivity type opposite to that of the second region and which forms a third junction J i between itself and the second region; the first, second and third junction J., J »and J, go to the surface of the semiconductor substrate; an insulating layer covers this surface of the semiconductor substrate except for the portion occupied by the third region; a first electrode is arranged on the insulating layer so as to cover the portions of the first region and of the first and second junctions J. and Jp which
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an die Oberfläche des Halbleitersubstrats ragen; eine zweite Elektrode befindet sich in Berührung mit dem an die Oberfläche tretenden Abschnitt des dritten Bereichs; und eine dritte Elektrode befindet sich in Berührung mit der anderen Hauptfläche des Halbleitersubstrats.protrude to the surface of the semiconductor substrate; a second electrode is in contact with the one on the surface stepping portion of the third area; and a third electrode is in contact with the other major surface of the semiconductor substrate.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to schematic drawings of exemplary embodiments.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines konventionellen Peldeffekt-Thyristors;Fig. 1 is a sectional view of a conventional Pelde effect thyristor;
Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Feldeffekt-Halbleitervorrichtung;2 shows a sectional view of a field effect semiconductor device according to the invention;
Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung der Strom-Spannungskennwerte der Halbleitervorrichtung nach Fig. 2; und3 shows a graphic representation of the current-voltage characteristics the semiconductor device of Fig. 2; and
Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht einer anderen Aus-Fig. 4 shows a sectional view of another embodiment
führungaform der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung. Guide to the semiconductor device according to the invention.
Ein konventioneller Feldeffekt-Thyristor hat einen in Fig. 1 gezeigten Aufbau. Wie dort gezeigt ist, besitzt der konventionelle Feldeffekt-Thyristor ein n-leitfähiges Halbleitersubstrat 1, p-leitfähige Bereiche 2 und 3, die voneinander unabhängig in dem Halbleitersubstrat 1 gebildet·.sind, einen inA conventional field effect thyristor has a structure shown in FIG. As shown there, the conventional field effect thyristor an n-conductive semiconductor substrate 1, p-type conductive areas 2 and 3 separate from each other are independently formed in the semiconductor substrate 1, one in
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dem p-leitfähigen Bereich 3 gebildeten n-leitfähigen Bereich 4, eine Isolierschicht 5, die eine der Haupt flächen des Halbleitersubstrats 1 bedeckt, und Elektroden 6, 7 und 8. Dieser konventionelle Thyristoraufbau hat das Merkmal, daß die Anode, die Kathode und das Tor auf der gleichen Oberfläche des Halbleitersubstrats langeordnet sind. Der bei diesem Aufbau auftretende Nachteil ist durch die vorliegende Erfindung beseitigt.the n-conductive area formed in the p-conductive area 3 4, an insulating layer 5, which is one of the main surfaces of the semiconductor substrate 1, and electrodes 6, 7 and 8. This conventional thyristor structure has the feature that the anode, the cathode and the gate are long ordered on the same surface of the semiconductor substrate. The one that occurs in this setup The disadvantage is eliminated by the present invention.
In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Feldeffekt-Halbleitervorrichtung gezeigt; wie dort dargestellt ist, besitzt sie ein p-leitfähiges Halbleitersubstrat 9> einen in dem Halbleitersubstrat 9 gebildeten n-leitfähigen Bereich 10, einen in dem n-leitfähigen Bereich 10 gebildeten p-leitfähigen Bereich 11, einen in dem p-leitfähigen Bereich 11 gebildeten n-leitfähigen Bereich 12 und drei übergänge J1, Jp und J,, die zwischen diesen Bereichen gebildet sind. Eine Isolierschicht 13 bedeckt eine der Hauptflächen des Halbleitersubstrats 9 mit Ausnahme eines Abschnitts des n-leitfähigen Bereichs 12. Eine Anode 14 ist auf die andere Hauptfläche des Halbleitersubstrats 9 aufgebracht, und eine Kathode 15 befindet sich in Berührung mit dem an die Oberfläche ragenden Abschnitt des n-leitfähigen Bereichs 12. Ein Tor 16 ist derart auf der Isolierschicht 13 angeordnet, daß es sich über Abschnitte der p-leitfähigen Bereiche 9 und 11 erstreckt, während es die Abschnitte des n-leitfähigen Bereichs 10, die zur Oberfläche des Halbleitersubstrats 9 ragen, körperlich überdeckt.In Fig. 2, a field effect semiconductor device according to the invention is shown; As shown there, it has a p-conductive semiconductor substrate 9> an n-conductive region 10 formed in the semiconductor substrate 9, a p-conductive region 11 formed in the n-conductive region 10, a p-conductive region 11 formed in the p-conductive region 11 n-type area 12 and three junctions J 1 , Jp and J ,, which are formed between these areas. An insulating layer 13 covers one of the main surfaces of the semiconductor substrate 9 with the exception of a portion of the n-conductive region 12. An anode 14 is applied to the other main surface of the semiconductor substrate 9, and a cathode 15 is in contact with the portion of the protruding surface n-conductive region 12. A gate 16 is arranged on the insulating layer 13 in such a way that it extends over sections of the p-conductive regions 9 and 11, while the sections of the n-conductive region 10 which protrude to the surface of the semiconductor substrate 9 , physically covered.
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positiven bzw. negativen Anschluß einer Gleichspannungsquelle verbunden und wird eine Gleichspannung an diese Elektroden lH und 15 angelegt, sind die übergänge J1 und J, in Durchlaßrichtung vorgespannt, während der übergang Jp in Sperrichtung vorgespannt ist. In diesem Zustand liegt daher ein hoher Widerstand vor, bis an dem übergang Jp ein Durchbruch stattfindet. Das Anlegen einer negativen Spannung an das Tor 16 der sich in einem solchen Zustand befindenden Halbleitervorrichtung führt zur Bildung eines Kanals an der Zwischenfläche zwischen der Isolierschicht 13 und dem n-leitfähigen Bereich 10, so daß sich Löcher in Richtung des Übergangs Jp bewegen und gleichzeitig sich Elektronen von dem n-leitfähigen Bereich 12 in Richtung des Übergangs J2bewegen, wodurch eine Vorspannung des Übergangs J2 in Durchlaßrichtung herbeigeführt wird. Demzufolge erscheint zwischen der Anode 14 und der Kathode 15 der Halbleitervorrichtung ein niedriger Widerstand. Wird die Kathode 15 und die Anode 14 an den positiven bzw. den negativen Anschluß der Gleichspannungsquelle angelegt und liegt die Spannung an diesen Elektroden 15 und 14 an, werden umgekehrt die Übergänge J1 und J, in Sperrichtung vorgespannt, während der übergang S in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. In diesem Zustand liegt daher ein hoher Widerstand vor, bis ein Durchbruch an den übergängen J1 und J, stattfindet.connected to the positive or negative terminal of a DC voltage source and if a DC voltage is applied to these electrodes 1H and 15, the junctions J 1 and J are forward-biased, while the junction Jp is biased in the reverse direction. In this state there is therefore a high resistance until a breakdown takes place at the junction Jp. The application of a negative voltage to the gate 16 of the semiconductor device in such a state results in the formation of a channel at the interface between the insulating layer 13 and the n-type region 10, so that holes move towards the junction Jp and simultaneously move Move electrons from the n-conductive region 12 in the direction of the junction J2, thereby biasing the junction J 2 in the forward direction. As a result, a low resistance appears between the anode 14 and the cathode 15 of the semiconductor device. If the cathode 15 and the anode 14 to the positive or to the negative terminal of the DC voltage source is applied and if the voltage to these electrodes 15 and 14 be reversed, the junctions J 1 and J, reverse biased, while the transition S in the forward direction is biased. In this state there is therefore a high resistance until a breakdown takes place at the junctions J 1 and J 1.
Fig. 3 zeigt die Spannungs-Stromcharakteristik der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung mit einem Aufbau nach Fig. 2. Sie ist in Durchlaßrichtung vorgespannt, wenn ein negativer Widerstand zwischen der Anode und der Kathode erscheint, und die Umsehaltspannung ist in Abhängigkeit von der an das Tor Fig. 3 shows the voltage-current characteristic of the semiconductor device according to the invention having a structure according to Fig. 2. It is forward- biased when a negative resistance appears between the anode and the cathode, and the switching voltage is a function of that across the gate
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angelegten Steuerspannung veränderlich. Die Umsehaltspannung ist Vg0, wenn an dem Tor keine Spannung anliegt. Die Umschaltspannung wird von dem Wert Vcri auf V0 „ und V„ n in Abhängigkeit von dem Wert der negativen Spannung verringert, die an dem Tor anliegt, während die Umsehaltspannung von V30 auf Vg μ vergrößert wird, wenn eine positive Spannung an dem Tor anliegt. Ein solcher negativer Widerstand erscheint, weil der die Haltleitervorrichtung bildende Thyristor einen pnpn-Aufbauapplied control voltage variable. The switching voltage is Vg 0 when there is no voltage at the gate. The switching voltage is reduced from the value V cri to V 0 "and V" n depending on the value of the negative voltage applied to the gate, while the switching voltage is increased from V 30 to Vg μ when a positive voltage is applied to the gate The gate. Such negative resistance appears because the thyristor constituting the semiconductor device has a pnpn structure
Es wurde zwar eine haltleitervorrichtung mit pnpn-Aufbau zur Erläuterung beschrieben, jedoch kann die Halbleitervorrichtung auch einen npnp-Aufbau haben.Although a semiconductor device having a PNPN structure has been described for explanation, the semiconductor device also have an npnp structure.
In Fig. *J ist eine andere Ausführungsforir» der erfindungsgemäßen Haltleitervorrichtung dargestellt, die npnpn-Aufbau hat. Diese Feldeffekt-Halbleitervorrichtung hat im Vergleich zu der Vorrichtung nach Fig. 2 eine zusätzliche nleitfähige Schicht. Diese Halbleitervorrichtung kann anstelle des in Fig. 1J gezeigten npnpn-Aufbaus einen pnpnp-Aufbau haben. Die Halbleitervorrichtung mit dem npnpn- oder dem pnpnp-Aufbau ist durch eine symmetrische negative Widerstandscharakteristik in beiden Richtungen gekennzeichnet.Another embodiment of the semiconductor device according to the invention is shown in FIG. 1, which has an NPNPN structure. Compared to the device according to FIG. 2, this field effect semiconductor device has an additional non-conductive layer. This semiconductor device may have a structure in place of the pnpnp shown in Fig. 1 J npnpn-structure. The semiconductor device having the npnpn or the pnpnp structure is characterized by a symmetrical negative resistance characteristic in both directions.
Das für die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung vorzugsweise verwendete Halbleitermaterial ist irgendeiner der bekannten Halbleiter, beispielsweise Ge, Si, GaAs, GaP undThe semiconductor material preferably used for the semiconductor device of the present invention is any one the known semiconductors, for example Ge, Si, GaAs, GaP and
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Eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung mit einem in Fig. 2 dargestellten Aufbau wurde durch Anwendung der bekannten Störstoff-Diffusionstechnik bei einem Halbleitersubstrat aus p-leitfähigem Silicium und anschließender Auflagerung der Elektroden auf dem Substrat hergestellt. Bei dieser Halbleitervorrichtung ergab sich die in Fig. 3 gezeigte Strom-Spannungscharakteristik in Abhängigkeit vom Anlegen einer Spannung an die Anode und die Kathode, wobei die an das Tor angelegte Spannung als Parameter genommen wurde. Der Wert von Y„Q betrug 60 Volt, und die an das Tor angelegte Steuerspannung hing von der Stärke der Isolierschicht ab. Diese Vorrichtung konnte einen Strom bis mehrere zehn Ampere steuern. Dies ist die wichtigste Eigenschaft der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.A field effect semiconductor device having a structure shown in FIG. 2 was manufactured by applying the known impurity diffusion technique to a semiconductor substrate made of p-type silicon and then depositing the electrodes on the substrate. In this semiconductor device, the current-voltage characteristic shown in Fig. 3 was obtained depending on the application of a voltage to the anode and the cathode, taking the voltage applied to the gate as a parameter. The value of Y “ Q was 60 volts and the control voltage applied to the gate depended on the thickness of the insulating layer. This device could control a current up to tens of amps. This is the most important property of the semiconductor device according to the invention.
Aus der vorhergehenden Erläuterung ergibt sich, daß mit der Erfindung eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung geschaffen wird, die einen Strom bis einige zehn Ampere durch eine an dem Tor anliegende Steuerspannung steuern kann und somit vorzugsweise als Festkörper-Schaltvorrichtung verwendet wird.From the preceding explanation it can be seen that the invention provides a field effect semiconductor device which can control a current of up to a few tens of amperes by means of a control voltage applied to the gate and is thus preferably used as a solid-state switching device.
Mit der Erfindung wird somit eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung geschaffen, bei der die negative Widerstandscharakteristik dur«h das angelegte Feld gesteuert werden kann. Die Halbleitervorrichtung besitzt einen einheitlichen Aufbau, wodurch sie eine Stromführungskapazität hat, die größer als bei den bisher vorgeschlagenen Halbleitervorrichtungen ist.The invention thus provides a field effect semiconductor device created in which the negative resistance characteristic can be controlled by the applied field. The semiconductor device has a unitary structure, whereby it has a current carrying capacity larger than that of is the previously proposed semiconductor devices.
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