DE941743C

DE941743C - Elektrisch unsymmetrisch leitendes System, insbesondere zur Verwendung als Hochspannungsgleichrichter und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE941743C
Application number: DEL18322A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Phys Adolf Elsas
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1954-03-20
Filing date: 1954-03-20
Publication date: 1956-04-19

Description

Elektrisch unsymmetrisch leitendes System, insbesondere zur Verwendung als Hochspannungsgleichrichter und Verfahren zu seiner Herstellung Bekanntlich lassen sich zur Gleichrichtung von Wechselspannungen Halbleiteranordnungen benutzen, welche sogenannte p-n-Übergänge aufweisen. Darunter versteht man den Grenzbereich zwischen Gebieten unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in ein und demselben Halbleiterkörper. Solche p-n-Übergänge können in einer Stromrichtung einen kleinen und in der entgegengesetzten Stromrichtung einen dagegen großen Widerstand aufweisen. Die Stromspannungscharakteristik solcher p-n-Übergänge ist in beiden Stromrichtungen spannungsabhängig. So ist z. B. der Strom in Sperrrichtung in einem mehr oder weniger großen Spannungsbereich verhältnismäßig ' klein, während er nach Überschreiten einer gewissen Spannung (Sperrspannung) sehr stark zunehmen kann. Dies bedingt, daß solche Gleichrichteranordnungen nur zum Gleichrichten begrenzt hoher Wechselspannungen geeignet sind. Bei zu großer gleichzurichtender Wechselspannung nimmt das Verhältnis von Gleichstrom zu Sperrstrom ab, was, abgesehen von der Zunahme der Welligkeit des Gleichstromes, zur erhöhten Verlustwärme im Gleichrichter führt und die Zerstörung der Gleichrichtereinheit zur Folge haben kann. Um diesen Nachteil zu umgehen, schaltet man bekanntlich mehrere solcher Gleichrichtereinheiten hintereinander und erreicht so eine Vergrößerung der zulässigen Sperrspannung. Dazu bedarf es jedoch einzelner Gleichrichtereinheiten, die besonders in ihren elektrischen Daten ziemlich genau übereinstimmen. Andernfalls führen unterschiedliche Werte der Gleichrichtereinheiten zu unterschiedlicher Spannungsteilung und unterschiedlicher Belastung der einzelnen Gleichrichtereinheiten.
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch unsymmetrisch leitendes System mit einem einkristallinen Halbleiterkörper, bei dem Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in der Wachstumsrichtung des Kristalls abwechselnd aufeinanderfolgen. Die Erfindung wird darin gesehen, daß die Übergänge zwischen den Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in ihrer Breite derart unterschiedlich sind, daß sich an jedem zweiten Übergang eine Sperrschicht ausbildet und die so gebildeten Sperrschichten gemeinsam in gleicher Stromrichtung durch den Halbleiterkörper sperren oder durchlassen, während- die dazwischenliegenden mindestens nahezu sperrschichtfrei sind. Dabei können die sperrenden Übergänge- entweder an den Übergängen von n-Leitung zu p--Leitung oder von p-Leitung zu n-Leitung ausgebildet sein. Es sollen also jeweils nur die p-n-Übergänge oder die n-p-Übergänge im gleichen Sinne gleichrichtend wirken.
Die Länge der einzelnen Zonen zwischen den jeweiligen Enden der Übergänge wird mit Vorteil größer gewählt als die Diffusionslänge der Träger des einen Typs in der Zone des anderen Typs, weil dadurch die -Sperrfähigkeit des Systems verbessert wird. Jedoch ist es nicht sinnvoll, diese Länge wesentlich zu überschreiten, da dadurch der innere Widerstand des Systems auch in Flußrichtung unnötig erhöht und, der Materialbedarf gesteigert wird. . Je nach den Anforderungen, die an das System hinsichtlich seines Durchlaßwiderstandes, seiner Sperrfähigkeit und seines Frequenzverhaltens gestellt werden, wird die Länge der sperrenden Übergänge zwischen o,ooi und 0,15 mm liegen. Dies hängt auch noch von der Wahl des verwendeten Materials ab. In den meisten Fällen wird jedoch bei einer Länge über o,i mm bereits eine Abnahme ,]es Sperrvermögens zu beobachten sein. Eine sperrende Wirkung ist jedoch in allen Fällen ausgeschlossen, wenn die Übergänge länger als o,25 mm sind. Die Länge der Übergänge ist dabei in Richtung des Störstellengradienten gemessen. Ein Übergang wird dann als nahezu sperrschichtfrei anzusprechen sein, wenn der an ihm auftretende Spannungsabfall höchstens io°/o. von dem an den sperrenden Übergängen beträgt.
Zur Herstellung der Systeme nach der Erfindung hat sich ein Verfahren bewährt, bei dem der Halb= leiterkristall aus einer im wesentlichen aus dem Material des Halbleiters bestehenden Schmelze gezogen wird, die sowohl Donator- al,'s auch Akzeptorverunreinigungen in einem solchen Verhältnis enthält, daß sich eine zufolge der unterschiedlichen Abscheidungskoeffizienten der Verunreinigungen für dieses Verhältnis kritische Wachstumsgeschwindigkeit ergibt, bei der der gezogene Kristall Eigenleitung zeigt, d. h. bei der Akzeptoren und Donatoren in solchem Maße eingebaut werden, daß sich ihr Einfluß auf den Leitfähigkeitscharakter gerade kompensiert: Zur Darstellung des Gegenstandes der Erfindung wird die Zonenfolge in dem Kristall durch eine derartige Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit über oder unter die kritische Wachstumsgeschwindigkeit erzeugt, daß an übergangen, die eine Sperrschicht erhalten sollen, die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit schneller vorgenommen wird als bei den im entgegengesetzten Sinne erfolgenden Änderungen der Wachstumsgeschwindigkeit, die zu mindestens nahezu sperrschichtfreien Übergängen führen. Der Kristall wird dabei vorteilhaft mittels eines einkristallinen Impfkristalls aus der Schmelze gezogen. Das Aus.-gangsmaterial der Halbleitersubstanz und vorzugsweise auch der Impfkristall zeigen günstig eine Reinheit, die einem spezifischen Widerstand von mehr als o,or Ohm/cm, vorzugsweise mehr als o, i Ohm/cm, entspricht. Die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit erfolgt zweckmäßig durch Änderung der zugeführten Heizleistung und/oder Änderung der Ziehgeschwindigkeit.
Als Material für das System nach der Erfindung eignet sich besonders Germanium, Silizium oder eine halbleitende intermetallische Verbindung, wie z. B. Indiumantimonid, Galliumarsenid, Aluminiumantimonid öder eine andere Verbindung aus Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems. Der daraus hergestellten Schmelze werden sowohl Donator- als auch Akzeptorsubstanzen zugesetzt. Gallium- und Antimonatome oder Antimon- und Indiumatome sowie Indium- und Arsenatome oder Gallium- und Arsenatome, in entsprechendem Verhältnis zugesetzt, ergeben eine gute Wirkung. Zugesetzte Mengen und Verhältnisse lassen sich aus den Abscheidungskoeffizienten der Elemente berechnen. Auch andere im Kristall p- und n-Leitung erzeugende Elemente sind für das Verfahren geeignet.
An Handeines Beispiels wird der Her.stelilungsgang erläutert. Als Grundmaterial wird Germanium gewählt.
Vor dem Ziehen des Kristalls aus der Schmelze mit Hilfe eines Impfkristalls setzt man der Schmelze die gewünschten Verunreinigungen in einem solchen Maße zu, daß jede Verunreinigung für sich dem Kristall einen spezifischen Widerstand zwischen 1,5 Ohm/cm und 1,1o-2 Ohm/cm, vorzugsweise von etwa o,6 Ohm/cm, gibt. Je 1o16 bis 1o18 Gallium- und Arsenatome pro Kubikmeter Schmelze, im Verhältnis i : i bis i : 1,6 zugesetzt, ergaben günstige Werte.
Nach Zugabe der-Verunreinigungen zur Schmelze zieht man den Kristall mit einer Wachstumsgeschwindigkeit aus der Schmelze, die kleiner als die erwähnte kritische Wachstumsgeschwindigkeit ist. Wachstumsgeschwindigkeiten zwischen o,2 und a mm/min führen zu guten Ergebnissen. Man erhält so am Kristallanfang einen p-leitenden Bereich. Hat der so entstandene p-leitende Bereich die gewünschte Größe, so ändert man möglichst schnell die Wachstumsgeschwindigkeit des Kristalls. Dieses erreicht man zweckmäßigerweise durch eine plötzliche Steigerung der Ziehgeschwindigkeit und/oder durch ein plötzliches Absenken der dem Tiegel zugeführten Heizleistung. Wachstumsgeschwindigkeiten zwischen etwa a bis 6 mm/min sowie Änderung der Heizleistung um io bis ioo Watt führten zu dem gewünschten Erfolg. Dieser erste p-n-Übergang wird dann eine gute Gleichrichterwirkung aufweisen. Nachdem man nun den Kristall eine kurze Strecke mit dieser erhöhten Wachstumsgeschwindigkeit weitergezogen hat, vermindert man die Wachstumsgeschwindigkeit wieder auf einen Betrag, der kleiner ist als die kritische Wachstumsgeschwindigkeit. Man erreicht dieses durch Absenken der Ziehgeschwindigkeit des Kristalls und/oder gleichzeitige Vermehrung der Heizleistung. Diese Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit läßt man nun aber genügend langsam vonstatten gehen, damit der so entstehende Übergang von n-Leitung nach p-Leitung eine größere Breite aufweist. Dies bewerkstelligt man zweckmäßig, indem man die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit von a bis 6 mm/min auf etwa o,a bis a mm/min sowie die Erhöhung der Heizleistung um io bis ioo Watt in einem Zeitraum von etwa io bis 6o Sekunden vonstatten gehen läßt. Ziehgeschwindigkeitsänderungen und Heizleistungsänderungen hängen von der Größe des Kristalls und der Tiegelgröße ab. Dieser zweite Übergang wird dann keinen oder nur einen v ernachlässigbar geringen Gleichrichtungseffekt aufweisen. Nachdem man nun mit verminderter Wachstumsgeschwindigkeit (p-Leitung) ein Stück weitergezogen hat, kann man durch plötzliche Erhöhung der Wachstumsgeschwindigkeit einen dritten, diesmal wieder scharfen p-n-Übergang erzeugen, der wieder, und zwar im gleichen Stromrichtungssinne gleichrichtend wirkt wie der erste p-n-Übergang. Durch sukzessive Wiederholung dieser Vorgänge ist es dann möglich, die gewünschte Zahl im gleichen Sinne gleichrichtender p-n-Übergänge im Kristall herzustellen.
Eine Folge von im entgegengesetzten Sinne gleichrichtenden p-n-Übergängen im Kristall ergibt die gleiche gewünschte Wirkung. Diese erzeugt man entsprechend, indem man mit Hilfe eines Impfkristalls nach Hinzufügen der gewünschten Verunreinigungen zur Schmelze den Kristall zuerst mit einer Wachstumsgeschwindigkeit aus der Schmelze zieht, die größer als die kritische Wachstumsgeschwindigkeit ist. Man erhält dann am Anfang des Kristalls einen 7t-leitenden Bereich. Durch plötzliches Absenken der Wachstumsgeschwindigkeit, durch Verminderung der Ziehgeschwindigkeit und/oder Erhöhung der Heizleistung erhält man dann einen p-leitenden Bereich. Nachdem der p-Bereich die gewünschte Größe hat, erzeugt man durch langsame Änderung der Ziehgeschwindigkeit und Heizleistung einen p-n-Übergang ohne oder mit nur vernachlässigbar geringer gleichrichtender Wirkung. Dann kann man einen dritten scharfen p-x-Übergang erzeugen, der wieder im gleichen Sinne gleichrichtend wirkt wie der erste p-n-Übergang. Durch sukzessive Wiederholung dieser Vorgänge läßt sich wieder eine gewünschte Zahl von im gleichen Sinne gleichrichtenden p-n-Übergänge in einem Kristall erzeugen.
Systeme nach der Erfindung, insbesondere solche, die nach dem geschilderten Verfahren hergestellt sind, eignen sich besonders als Hochspannungsgleichrichter.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Darstellung ein System gemäß der Lehre der Erfindung. Von links nach rechts betrachtet, d. h. in Flußrichtung, sind die Übergänge von den p-Zonen zu den n-Zonen scharf und räumlich eng begrenzt, während die Übergänge zwischen den n-Zonen und p-Zonen, die durch die schraffierten Gebiete dargestellt sind, breit und ausgedehnt sind. Eine Gleichrichtung findet also lediglich an den Übergängen von den p-Zonen zu den n-Zonen statt, so daß das dargestellte System wie drei hintereinandergeschaltete Gleichrichter wirkt. Das darunter befindliche Diagramm zeigt die Defektelektronenkonzentration über die Länge des Systems.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: i. Elektrisch unsymmetrisch leitendes System, insbesondere zur Verwendung als Hochspannungsgleichrichter; mit einem einkristallinen Halbleiterkörper, bei dem Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in der Wachstumsrichtung des Kristalls abwechselnd aufeinanderfolgen, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge zwischen den Zonen unterschiedlichen Leitfähigkeitscharakters in ihrer Breite derart unterschiedlich sind, daß sich an jedem zweiten Übergang eine Sperrschicht ausbildet und die so gebildeten Sperrschichten gemeinsam in gleicher Stromrichtung durch den Halbleiterkörper sperren bzw. durchlassen, während die dazwischenliegenden mindestens nahezu sperrschichtfrei sind. a. System nach Anspruch i, bei dem in dem Kristall zz-leitende Zonen und p-leitende Zonen abwechselnd aufeinanderfolgen, dadurch gekennzeichnet, daß nur an den Übergängen von den n-leitenden Zonen zu den p-leitenden Zonen in der Wachstumsrichtung des Kristalls eine Sperrschicht und damit eine Gleichrichterwirkung auftritt, während an den Übergängen von den p-leitenden Zonen zu den n-leitenden Zonen mindestens nahezu sperrschichtfreie Übergänge vorhanden sind. 3. System nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrschicht an den übergängen von den p-leitenden Zonen zu den n-leitenden Zonen in der Wachstumsrichtung des Kristalls aufbritt, während die Übergänge von den n-leitenden Zonen zu den p-leitenden Zonen mindestens nahezu sperrschichtfrei sind. q.. System nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Zonen, gemessen zwischen den jeweiligen Enden der Übergänge, größer ist als die Diffusionslänge der Träger des einen Typs in der Zone des anderen Typs. 5. System nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge, an denen eine Sperrschicht auftritt, in Richtung des Störstellengradienten zwischen o,ooi und o,oo5 mm lang sind. 6. System nach Anspruch i bis q. oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge, an denen eine Sperrschicht auftritt, in Richtung des Störstellengradienten zwischen o,oo5 und o,oi mm lang sind. 7. System nach Anspruch i bis q. oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge, an denen eine Sperrschicht auftritt, in Richtung des Störstellengradienten zwischen o,oi und o,o5 mm lang sind. B. System nach Anspruch i bis 4 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge, an denen eine Sperrschicht auftritt, in Richtung des Störstellengradientenzwischen o,o5 und o, i mm lang sind. g. System nach Anspruch i bis q. oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, däß die Übergänge, an denen eine Sperrschicht auftritt, in Richtung des Störstellengradienten zwischen o,i und 0,15 mm lang sind. io. System nach Anspruch i bis 8 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge, an denen keine Sperrschicht auftritt, in Richtung des Störstellengradienten länger als o, i mm sind. . i i. System nach Anspruch i -bis 9 öder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge,- an denen keine Sperrschicht auftritt, in Richtung des Störstellengradienten länger als o,i5 mm sind. 12. System nach Anspruch i bis 9 oder einem derselben, dädurch gekennzeichnet, daß die Übergänge, an denen keine Sperrschicht auftritt, in Richtung des Störstellengradienten länger als 0,2 mm sind. 13. System nach Anspruch i bis 9 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergänge, an denen keine Sperrschicht auftritt, in Richtung des Störstellengradienten länger als o,25 mm sind. 1q.. System nach Anspruch i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Germanium, Silizium oder einer halbleitenden intermetallischen Verbindung besteht. 15. System nach Anspruch i öder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an dem mindestens nahezu sperrschichtfreien Übergang der Spannungsabfall höchstens ioo/o von dem an den sperrenden Übergängen beträgt. 16. Verfahren zum Herstellen eines Systems gemäß Anspruch i oder einem der folgenden, bei dem der Kristall aus einer im wesentlichen aus dem Material des Halbleiters bestehenden Schmelze gezogen wird, die sowohl Donatorals auch Akzeptorverunreinigungen in einem solchen Verhältnis enthält, daß es eine bestimmte kritische Wachstumsgeschwindigkeit gibt, bei der der gezogene Kristall Eigenleitung zeigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonenfolge durch eine derartige Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit über oder unter die kritische Wadhstumsgeschwindigkeit erzeugt wird, daß an Übergängen, die eine Sperrschicht erhalten sollen, die Änderung der Wachstumsgesehwindigkeit schneller vorgenommen wird als bei den in entgegengesetztem Sinne erfolgenden Änderungen der Wachstumsgeschwindigkeit, die zu mindestens nahezu sperrschichtfreien Übergängen führen. 17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall mittels eines einkristall-inen Impfkristalls aus der Schmelze gezogen wird. 18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial der Halbleitersubstanz und vorzugsweise auch der Impfkristall eine Reinheit aufweisen, die einem spezifischen Widerstand ,von mehr als o,oi Ohm/cm, vorzugsweise mehr als o, i Ohm/cm, entspricht. i9. Verfahren nach Anspruch 16 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit durch Änderung der zugeführten Heizleistung und/ oder Änderung der Ziehgeschwindigkeit bewirkt wird. 2o. Verfahren nach Anspruch 16 bis i9 oder einem derselben, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelze Gallium- und Antimonatome oder Indium- und Antimonatome oder Indium- und Arsenä.tome oder Gallium- und Arsenatome zugesetzt werden. 21. Verfahren nach Anspruch 16 oder einem der folgenden unter Verwendung von Germanium, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelze sowohl Donator- als auch Akzeptorverunreinigungen- in einem solchen Maße zugesetzt werden, daß jede Verunreinigungsart für sich dem Kristall einen spezifischen Widerstand zwischen 1,5 Ohm/crr. und I,IO-2 vorzugsweise von etwa o,6 Ohm/cm, geben würde. 22. Verfahren nach Anspruch 2i, dadurch gekennzeichnet, daß der -Schmelze pro Kubikmeter je iols bis iole Galliumatome und im Verhältnis i :1,2 bis i :1,5 Arsenatome zugesetzt sind. 23. Verfahren nach Anspruch 21 -oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die kritische Wachstumsgeschwindigkeit zwischen 1,5 und 2,5 mm/min, vorzugsweise bei 1,8 mm/miin, liegt. 2q.. Verfahren nach Anspruch 2i oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß- die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit zur Erzielung eines mindestens nahezu sperrschichtfreien Überganges in einer Zeit zwischen io und 6o Sekunden vorgenommen wird. 25. Verfahren nach Anspruch 21 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Wachstumsgeschwindigkeit ganz oder teilweise durch eine Änderung der Heizleistung an der Schmelze um io bis ioo Watt vorgenommen wird.