DE2942159A1

DE2942159A1 - Lichtaktivierbarer halbleiterschalter

Info

Publication number: DE2942159A1
Application number: DE19792942159
Authority: DE
Inventors: Derrick J Page
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1978-10-18
Filing date: 1979-10-18
Publication date: 1980-04-30
Also published as: FR2439479A1; FR2439479B1; GB2034518B; BE879496A; IN151851B; GB2034518A; JPS5558582A; CA1157136A; BR7906725A

Description

WS194P-2034

Lichtaktivierbarer Halbleiterschalter

Die Erfindung betrifft einen IichtaktivierbarenHalbleiterschalter bestehend aus einem Halbleitermaterialkörper, bei welchem zwischen eine erste und eine dritte Halbleiterschicht von entgegengesetzter Leitfähigkeit eine zweite Halbleiterschicht eingefügt ist, und bei welchem ferner auf der ersten Halbleiterschicht eine erste Elektrode sowie auf der zweiten Halbleiterschicht eine zweite Elektrode aufgebracht ist.

Lichtaktivierte Halbleiterschalter lassen sich sehr vorteilhaft in Systemen der Leistungselektronik verwenden. Einer der wesentlichen Vorteile besteht darin, daß eine elektrische Trennung des steuernden Schaltkreises von dem gesteuerten Schaltkreis vorhanden ist, daß die Schalter sehr schnell einschalten, wobei auch untereinander in Beziehung stehende Schalter gleichzeitig einschaltbar sind,und daß puffernde Komponenten vermieden werden, wenn Schaltungseinheiten in Serie geschaltet werden. Außerdem sind derartige lichtaktivierbare Halbleiterschalter sehr unempfindlich - gegen Rauschen und Störgeräusche. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß bei der Verkabelung durch die Möglichkeit der Verwen-

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dung verhältnismäßig leichter F'aseroptiken eine erhebliche Gewichtseinsparung gegenüber der Verwendung von Kupferkabeln möglich ist.

Lichtaktivierbare Halbleiterschalter sind insbesondere für elektronische Leistungsschaltungen sehr gut einsetzbar, da sie optisch z.B. mit Hilfe eines Lasers oder einer anderen Lichtquelle eingeschaltet werden können. Gleichartig wie herkömmliche Thyristoren sind sie jedoch nur dadurch abzuschalten bzw. aufzutrennen, daß der von ihnen übertragene Strom auf Null verringert wird. Es ist bereits bekannt für die Zwecke der elektronischen Leistungsschaltung Transistoren als Schalter zu benutzen, die sowohl ein- als auch abgeschaltet werden können, indem ein geeignetes elektrisches Signal an die Basiselektrode angelegt wird. Die dabei verwendeten Leitsungstransistoren sind jedoch wesentlich langsamer als Thyristoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen lichtaktivierbaren Halbleiterschalter zu schaffen, der sehr schnell schaltbar ist.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten Halbleiterschalter erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine der Elektroden derart gestaltet ist, daß sie elektromagnetische Strahlung auf einen Teil der darunterliegenden Halbleiterschicht durchläßt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die erste

1 fi

Halbleiterschicht eine Störstellenkonzentration zwischen etwa 10

21 3

und 10 Akzeptoratome/cm hat, daß die Störstellenkonzentration der

1 Λ Λ C*

zweiten Halbleiterschicht etwa zwischen 10 und 10 Donatoratome/cm liegt, und daß die Störstellenkonzentration der dritten

1/7 QI O

Halbleiterschicht zwischen etwa 10 und 10 Donatoratome/cm

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liegt, wobei die erste und dritte Halbleiterschicht wesentlich dünner als die zweite Halbleiterschicht ist.

Der lichtaktivierbare Halbleiterschalter gemäß der Erfindung wird über Anschlußelektroden in einen Stromkreis eingeschaltet, wobei eine der Anschlußelektroden derart ausgebildet ist, daß die darunterliegende Halbleiterschicht von dem auffallenden Licht beaufschlagt werden kann. Die erste Halbleiterschicht ist derart dotiert, daß sie aus dem auffallenden Licht Photonen absorbiert und Löcherelektronenpaare in der ersten Halbleiterschicht bildet. Zu der ersten Halbleiterschicht benachbart ist eine zweite Halbleiterschicht von entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp mit geringer Dotierung angeordnet, so daß sich zwischen den beiden Schichten ein ρ n-Übergang ergibt. Eine dritte starkdotierte Halbleiterschicht vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die zweite Halbleiterschicht schließtan diesi an und erleichtert die Kontaktgabe zu der zweiten Elektrode.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Halbleiterkörper aus einem ρ η η -Halbleitermaterial aufgebaut, so daß er den Aufbau eines pin-Gleichrichters hat. Die Emitterelektrode liegt ohmisch auf der Oberfläche der ersten Halbleiterschicht und ist gitterförmig aufgebaut, so daß das einfallende Licht durch die Elektrode auf die erste Halbleiterschicht fallen kann. Es ist jedoch auch möglich, die auf der η -leitenden dritten Halbleiterschicht ausgebildete Kollektorelektrode gitterförmig aufzubauen.

Wenn bei einem derartigen Aufbau der ρ η-Übergang des Schalters in Sperrichtung vorgespannt ist, ergibt sich ein Verarmungsbereich und ein elektrisches Feld im Halbleiterkörper. Sobald das Licht durch die gitterförmige Emitterelektrode auf die p-leitende

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Halbleiterschicht auftrift, werden Löcherelektronenpaare in der Verarmungszone erzeugt, die eine Drift auslösen und einen Strom zu der externen Schaltung fließen lassen. Obwohl die Stärke des elektrischen Feldes im Halbleiterkörper direkt proportional der auffallenden Lichtintensität des auf die ρ-leitende Schicht auftreffenden Lichtes abnimmt, wenn der Halbleiterschalter in Serie zur Last geschaltet ist, stellt die niedrigdotierte n-Halbleiterschicht sicher, daß das elektrische Feld über den größten Teil des Absorptionsvolumens bzw. der Verarmungszone weiterhin existent bleibt, um einen Stromfluß in der externen Schaltung zu bewirken.

Die Vorteile und !Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigt: 15

Fig. 1 einen Schnitt durch einen lichtaktivierbaren

Halbleiterschalter gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Emitterelektrode der

Halbleiteranordnung gemß Fig. 1,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Amplitude

des elektrischen Feldes im Halbleiterkristall gemäß Fig. 1,
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Fig. 4 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungs -

form der Erfindung, wobei die Kollektorelektrode in Gitterstruktur aufgebaut ist,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung,

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wobei der Halbleiterkörper einen Schichtaufbau mit einer gegenüber der Ausführungsform gemäß Fig. 1 umgekehrten Polarität hat.

Der in Fig. 1 dargestellte pin-Silicium-Halbleiterkörper 10 ist gemäß der Erfindung aufgebaut und besteht aus Halbleiterschichten 14, 15und 16. Die Halbleiterschicht 14 ist p-dotiert und hat eine Dicke von etwa 25 um, wobei zur Dotierung geeignete Akzeptormaterialien wie Bor, Aluminium oder Gallium Verwendung finden können. Die Dotierungskonzentration liegt vorzugsweise für die Halbleiterschicht

IR 3

14 in einem Bereich größer als 10 Akzeptoratome/cm und vorig οι zugsweise in einem Bereich zwischen 10 bis 10 Akzeptoratome/

cm , so daß eine ρ -leitende Schicht entsteht. Die ρ -Dotierung wird bevorzugt, da sie einen steileren Anstieg der elektrischen Feldverteilung ergibt, was nachfolgend anhand der Fig. 3 noch näher erläutert wird. Aufgrund des steileren Anstiegs der elektrischen Feldverteilung in einer ρ -dotierten Schicht kann diese Schicht dünner ausgebildet sein. Die Halbleiterschicht 15 ist η -dotiert/ und stellt die i-Schicht dar, welche eine Dicke von etwa 450 jni hat. Als Dotierungsmaterial wird beispielsweise Phosphor, Antimon

oder Arsen mit einer Dotierungskonzentration von weniger als 10

3 14 3

Donatoratome/cm und vorzugsweise etwa 10 Donatoratome/cm verwendet. Dadurch erhält man eine η -dotierte Schicht. Die Neigung der elektrischen Feldverteilung ist bei einem in Sperrichtung vorgespannten pn-Übergang direkt proportional dem Dotierungsniveau. Entsprechend der Lehre derErfindung ist es wünschenswert, einen -dotierte Halbleiterschicht 1 5vorzusehen, welche eine niedere Störstellenkonzentration hat, um eine elektrische - Feldverteilung in dieser Schicht aufzubauen, die einen geringen Abfall hat, wie nachfolgend noch näher erläutert wird.

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Die ρ -dotierte Halblciterschicht 14 und die η -dotierte Halbleiterschicht 16 bilden den pn-Übergang 18. Die Halbleiterschicht IG ist stark η-dotiert und hat eine Dicke von etwa 2 5 ,um. Als Dotierungsmaterial kann das gleiche Dotierungsmaterial wie bei der Halbleiterschicht 15 verwendet werden, wobeieine Dotierungskonzentration von beispielsweise mehr als 10 Donatoratome/cm vorgesehen ist. Diese hohe Dotierung der Halbleiterschicht IG begünstigt die elektrische Kontaktgabe zwischen der Kollektorelektrode 22 auf der Oberfläche der Halbleiterschicht 16 und der η -dotierten Schicht 15. Auf der Oberfläche der ρ -dotierten Schicht 14 ist eine gitterförmige bzw. zahnförmige Emitterelektrode 24 angeordnet. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Lichtstrahlung bzw. die elektromagnetische Strahlung die ρ -leitende Schicht 14 beaufschlagen kann. Diese Emitterelektrode wird in herkömmlicher Weise durch das Aufbringen einer Metallschicht aufgebaut, wobei die !Metallschicht bereichsweise mit Hilfe eines Photoresist- und Ätzverfahrens entfernt wird.

Eine Draufsicht auf eine geeignete Emitterelektrode 24 ist in Fig. 2 dargestellt, wobei die Metallschicht einen Bereich 40 von etwa 2 cm Länge und 2,5 mm Breite umfaßt. An diesen Streifen schließen

Finger 41 bis 41 an, welche etwa 2 cm lang und etwa 2, 5 mm 1 η

breit sind. Die Veränderliche η kennzeichnet die Gesamtzahl der fingerförmigen, vom Flächenbereich 40 ausgehenden Vorsprünge.

Die Zwischenbereiche 43 bis 43 zwischen den einzelnen Fingern sind etwa 0, 5 mm breit, jedoch dürfen sie auf keinen Fall schmäler als die Wellenlänge des Lichtes oder der elektromagnetischen Strahlung 55 sein, auf welche der Schalter ansprechen soll. Bei einem ausgeführten Beispiel hat die Veränderliche η den Wert von 267.

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Gemäß Fig. 1 ist die Emitterelektrode 24 mit dem einen Anschluß 30 eines Widerstandes 31 über einen Leiter 32 verbunden. Der andere Anschluß 33 des Widerstands 31 führt über den Leiter 34 zum negativen Anschluß 35 einer Batterie 36, deren positiver Anschluß 37 über einen Leiter 38 mit der Kollektorelektrode 22 verbunden ist. Durch die Batterie 3 6 wird eine Sperrvorspannung an den pn-Übergang 18 angelegt und eine Verarmungs zone ausgebildet, die sich partiell in den ρ -Bereich 14 sowie über den η -Bereich in den η -Bereich 16 erstreckt. In der Verarmungszone wird ein elektrisches P'eld E erzeugt, dessen Amplitudenverteilung in Fig. mit den Kurvenabschnitten 52, 53 und 54 beschrieben wird. Auf der Achse 50 des Diagramms gemäß Fig. 3 wird die Amplitude des eleketrischen Feldes E aufgetragen., wogegen auf der Achse 51 die Abstände über die Halbleiterschichten 14, 15 und 16 aufgetragen werden. Die Amplitude des elektrischen Feldes E steigt im Ver-

+
armungsbereich der ρ -Schicht steil an, wie dies durch die Kurve 52 angedeutet ist. Dieser steile Anstieg der Amplitude ergibt sich durch die hohe Dotierungskonzentration der Halbleiterschicht 14. Die Amplitude des elektrischen Feldes nimmt über die η -dotierte Schicht 15 entsprechend dem Verlauf der Kurve 53 ab. Diese Kurve endet am Übergang zur η -dotierten Schicht 16, in der die Amplitude des elektrischen Feldes infolge der hohen Dotierungskonzentration stark gemäß dem Verlauf der Kurve 54 abfällt. Wenn auf die Halbleiterschicht 14 kein Licht fällt, befindet sich der Schalter im Sperrzustand, so daß kein Strom über den äußeren Schaltkreis, d.h. den Widerstand 31 fließt. Dies ist der Fall infolge der Verarmung des Siliciumhalbleiterkörpers 10 an freien Elektronen.

Wenn von einer Lichtquelle 55 aus Licht mit genügend kurzer WeI-lenlängeund ausreichender Intensität auf die Oberfläche des ρ -

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dotierten Bereichs 14, vorzugsweise unter dem sog. Brewster-

werden
Winkel, auftrifftVmi Bereich des hohen elektrischen Feldes gemäß Fig. 3 Photonen erzeugt, die Löcherpaare auslösen. Das Phänomen der Absorption von Photonen ist an sich lange bekannt und es wurde festgestellt, daß die maximale Wellenlänge des Lichtes, bei welcher die Löcherpaare in Silicium durch die Absorption von Photonen erzeugt werden, bei etwa 11, 500 A liegt. Die Spannung am Schalter, d.h. die Potentialdifferenz zwischen den beiden Leitern 32 und 38 nimmt infolge der Erzeugung der freien Elektronen ab, so daß ein Strom über den Widerstand 31 fließt. Die erzeugten Löcher rekombinieren an dem pn-übergang 18, wobei die erzeugten freien Elektronen, welche für den Stromfluß verantwortlich sind über die n-dotierten Schichten 15 und 16 sowie über den Widerstand 31 abfließen, um den Löcherstrom zu neutralisieren.
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Die Amplitude des elektrischen Feldes nimmt im Verarmungsbereich als Folge der abnehmenden, am Schalter anliegenden Spannung ab, wie dies in Fig. 3 durch die Kurvenabschnitte 56, 57 und 58 angedeutet ist. Die η -dotierte Schicht 15 stellt sicher, daß obwohl ein niederes Spannungspotential am Schalter anliegenkann, der Kurvenabschnitt 57 flach verläuft, so daß eine endliche Amplitude des Magnetfeldes aufrechterhalten wird, um die Abgabe von freien Elektronen aufgrund der Absorption von Photonen und damit den Stromfluß im äußeren Stromkreis aufrechtzuerhalten. 25

Wenn die Einwirkung des Lichtes 55 aufhört, geht der Schalter in den Sperrzustand zurück, sobald durch die Einwirkung des elektrischen Feldes die freien Elektronen und Löcher aus der Verarmungszoneabgeflossen sind. Es verbleibt ein gewisser Rest Strom aufgrund der in den nicht-verarinten Bereichen der Halbleiterschicht

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Hund IG gespeicherten Ladung, die dann in den Verarmungsbereich diffundiert, wenn die Einwirkung des Lichtes aufhört. Um diesen Rest Strom zu verringern, sollte der p-Bereich 14 und der η Bereich IG so dünn wie möglich ausgebildet sein. Mit Hilfe der gegenwärtigen Technologie ist es möglich, Schichtdicken bis etwa 25 um zu erreichen, jedoch sollten die Schichtdicken der beiden

Halbleiterschichten 14 und 16 nicht größer als 5O₇Um sein, damit der schädliche Einfluß der gespeicherten Ladung möglichst gering gehalten werden kann.
10

Die Leistungsverstärkung G des Schalters gemäß der Erfindung ergibt sich wie folgt:

G = η . s_

V P

wobei die η die Quanteneffizienz V die Sperrspannung und V die Photonenspannung ist.

Die Maßnahmen der Erfindung lassen sich in vielseitiger Ausgestaltung verwirklichen, wie z. B. auch durch die Ausführungsform gemäß Fig. 4, die sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 dadurch unterscheidet, daß der Siliciumhalbleiterkörper 10 mit einer gitterförmigen Kollektorelektrode 122 versehen ist, welche das einfallende Licht bzw. die einfallende elektromagnetische Strahlung auf die η -dotierte Halbleiterschicht 16 auftreffen läßt.

Die Emitterelektrode 114 ist als durchgehende Metallschicht ausgebildet. Eine weitere mögliche Ausgestaltung der Erfindung kann sowohl für die Kollektorelektrode als auch die Emitterelektrode Strukturen vorsehen, die ein Auftreffen des Lichtes bzw. der elektromagnetischen Strahlung auf die darunterliegende Halbleiterschicht zulassen. Dabei kann der Dotierungsaufbau des Halbleiter

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körpers entsprechend dem Aufbau gemäß Fig. 1 ausgebildet sein. Es ist jedoch auch ein Dotierungsaufbau mit entgegengesetzter Leitfähigkeit, wie in Fig. 5 dargestellt, möglich. Die gezeigte Ausführungsform hat eine gitterförmige Emittereleketrode 24 und eine durchgehende Konvektorelektrode 22, wobei jedoch auch bei diesem entgegengesetzten Leifahigkeitstyp von den beschriebenen Elektroden abweichende Ausgestaltungen möglich sind, soweit diese das Auftreffen der elektromagnetischen Strahlung bzw. des Lichtes auf die darunterliegende Halbleiterschicht zulassen.

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Leerseite

Claims

PATE NTANSPRÜCHE

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Lichtaktivierbarer Halbleiterschalter bestehend aus einem Halbleitermaterialkörper, bei welchem zwischen eine erste und eine dritte Halbleiterschicht von entgegengesetzter Leitfähigkeit eine zweite Halbleiterschicht eingefügt ist, und bei welchem ferner auf der ersten Halbleiterschicht eine erste Elektrode sowie auf der zweiten Halbleiterschicht eine zweite Elektrode aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, - daß eine der Elektroden derart gestaltet ist, daß sie elektromagnetische Strahlung auf einen Teil der darunterliegenden Halbleiterschicht durchläßt.

Halbleiterschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die erste Halbleiterschicht eine Störstellenkonzentra-

1 fi 21 3

tion zwischen etwa 10 und 10 Akzeptoratome/cm hat,

- daß die Störstellenkonzentration der zweiten Halbleiterschicht etwa zwischen 10 und 10 Donatoratome/cm liegt, und

- daß die Störstellenkonzentration der dritten Halbleiter-

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schicht zwischen etwa 10 und 10 Donatoratome/cm

liegt.

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3. Halbleiterschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die erste und dritte Halbleiterschicht eine wesentlich geringere Dicke als die zweite Halbleiterschicht hat.

4. Halbleiterschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Dicke der ersten und dritten Halbleiterschicht nicht mehr als 50 um beträgt.

5. Halbleiterschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Dicke der ersten und dritten Halbleiterschicht zwischen etwa 25um und etwa 50 um liegt.

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