NL7920184A - Dieelektrisch geisoleerde, vastestof hoogspannings- schakelaar. - Google Patents

Description

7920184 I ' _1_ ( j vo o66b — * ,

Dielektrisch geïsoleerde , vastestof hoogspanningsschakelaar.

Deze -uitvinding heeft "betrekking op vastestof-constructies, en in het bijzonder op vastestof-hoogspanningsconstructies, nuttig in telefoonschakelstelsels en vele andere toepassingen.

In een artikel, getiteld "A Field Terminated Diode" door 5 Douglas E.Houston c.s., gepubliceerd in IEEE Transactions on

Electron Devices , vol.ED-23, nr.8,augustus 1978, is een afzonderlijke vastestof-hoogspanningss-chakelaar beschreven, die een verti-kale geometrie heeft en een gebied bevat, dat kan -worden afgeknepen voor het verschaffen van een "UIT" toestand of dat sterk geleidend 10 kan worden gemaakt met inspuiting van een tweeledige drager voor het verschaffen van een "IN" toestand. Een moeilijkheid met deze schakelaar is, dat deze niet gemakkelijk is te integreren, d.w.z. te vervaardigen met andere soortgelijke schakelinrichtingen op een gemeenschappelijke onderlaag. Een andere moeilijkheid is, dat de •15 afstand tussen de roosters en de kathode klein moet zijn voor het begrenzen van de grootte van de regelroosterspanning, hetgeen echter het nuttige spanningsbereik begrenst, omdat het de doorslagspanning van rooster naar kathode vermindert. Deze begrenzing.tegrenst doelmatig het gebruik van twee van de tegen parallel geschakelde inrich-20 tingen, d.w.z. met de kathode van elk gekoppeld met de anode van de andere, tot betrekkelijk lage spanningen. Een dergelijke tweeledige orgaanconstructie zou nuttig zijn als een in twee richtingen werkzame, vaste-stof hoogspanningsschakelaar. Een bijkomende moeilijkheid is, dat het basisgebied in het ideale geval sterk moet zijn 25 gestimuleerd voor het voorkomen van doorslag vanaf de anode naar het rooster, hetgeen echter leidt tot een doorslag met lage spanning tussen! de anode en de kathode. Het verbreden van het basisgebied begrenst de doorslagwerking, maar vergroot tevens de weerstand van de inrichtingen in de "IN" toestand.

30 Het is wenselijk een vastestof-schakelaar te hebben, die gemakkelijk kan worden geïntegreerd, zodat twee of meer schakelaars gelijktijdig kunnen worden vervaardigd op een gemeenschappelijke onderlaag, en waarbij elke schakelaar tweezijdig betrekkelijk hoge spanningen kan blokkeren.

35 Een uitvoeringsvorm van de onderhavige uitvinding is een 792 0 1 84 -2- constructie, die een halfgeleiderlichaam omvat, waarvan de massa van een soort geleidbaarheid is, en dat een hoofdoppervlak heeft, waarin het halfgeleiderlichaam een plaatselijk anodegeb^ed is, dat van de ene soort geleidbaarheid is, en plaatselijke poort- en 5 kathodegebieden, die beide van de tegengestelde soort geleidbaarheid zijn. De anode-, poort- en kathodegebieden liggen op onderlinge afstanden, hebben afzonderlijke elektrodeverbindingen daarmee en zijn van een betrekkelijke lage weerstand in vergelijking met de massa van het halfgeleiderlichaam. De constructie is zodanig uitge-10 voerd, dat er tijdens bedrijf een inspuiting is van een tweeledige drager, en is verder gekenmerkt, doordat elk van de drie gebieden een gedeelte heeft, dat deel uitmaakt van het hoofdoppervlak van het halfgelei derlichaam.

In een voorkeursuitvoeringsvorm, is het halfgeleider-15 lichaam geïsoleerd van een halfgeleiderdrager door een dielektrische laag, waarbij een aantal van de lichamen is gevormd in de drager, en van elkaar gescheiden door althans een dielektrische laag.

Wanneer de constructie van de onderhavige uitvinding op passende wijze is ontworpen, kan deze worden bediend als een scha-20 kelaar, die wordt gekenmerkt door een baan met lage impedantie tussen de anode en de kathode in de IK (geleidende) toestand, en een baan met hoge impedantie tussen de anode en de kathode in de UIT (blokkeer)toestand. De aan het poortgebied gelegde potentiaal bepaalt de toestand van de schakelaar. Gedurende de IN toestand, 25 is er een inspuiting van een tweeledige drager, hetgeen resulteert in het betrekkelijk laag zijn van de weerstand tussen de anode en de kathode.

Wanneer deze constructie, die is aan te duiden als een van een poort voorziene diodeschakelaar (GDS), op passende wijze 30 is ontworpen, kan deze in de UIT toestand betrekkelijk. grote po tentiaalverschillen tussen de anode- en kathodegebieden onafhankelijk van de polariteit blokkeren, en in de IN toestand betrekkelijk grote hoeveelheden stroom geleiden met een betrekkelijk lage span-ningsval tussen de anode en de kathode.

35 Reeksen van deze GDS's kunnen worden vervaardigd op een enkel, geïntegreerde ketenblokje samen met andere hoogspannings-ketenonderdelen. De tweeledige blokkeereigenschap van de constructie' 792 0 1 84 -3- vergemakkelijkt de toepassing daarvan in een in twee richtingen werkzame schakelaar, gevormd door twee van de constructies van de onderhavige uitvinding, waarbij de kathode van elke constructie is gekoppeld met de anode van de andere, en de poorten met elkaar 5 zijn gekoppeld.

Deze en andere nieuwe kenmerken en voordelen van de onderhavige uitvinding worden duidelijker uit een beschouwing van de volgende gedetailleerde beschrijving in samenhang met de bijgaande tekening.

10 Figuur 1 illustreert een constructie overeenkomstig een uitvoeringsvorm van de uitvinding; figuur 2 illustreert een voorgesteld elektrische ketensymbool voor de constructie van figuur 1; figuur 3 illustreert een in twee richtingen werkzame 15 schakelketen overeenkomstig een andere uitvoeringsvorm van de uit vinding ; figuur U illustreert een constructie overeenkomstig een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding; figuur 5 illustreert een constructie overeenkomstig nog 20 een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding; figuur 6 illustreert een constructie overeenkomstig nog een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding; figuur T illustreert een constructie overeenkomstig een andere uitvoeringsvorm van de uitvinding; 25 figuur 8 is een bovenaanzicht van de constructie van figuur 6.

Onder het thans verwijzen naar figuur 1 is een constructie 10 weergegeven, die een draagdeel 12 omvat met de soort n-geleid-baarheid, voorzien van een hoofdoppervlak 11, en een monokristallijn 30 halfgeleiderlichaam 16, waarvan de massa van de soort p-geleid- baarheid is, en dat door een dielektrische laag 1^ is gescheiden van het draagdeel 12.

Een plaatselijk anodegebied 18, dat van de soort p+ geleidbaarheid is, is vervat in het lichaam 16 en heeft een gedeelte daar-35 van, dat zich uitstrekt naar het oppervlak 11. Een plaatselijk poortgebied 20, dat van de n+ geleidbaarheid is, is eveneens vervat in het lichaam 16 en heeft een gedeelte daarvan, dat zich uitstrekt 792 0 1 84 -U- naar het oppervlak 11. Een plaatselijk kathodegebied 2k, dat van de soort n+ geleidbaarheid is, is vervat in het lichaam 16 en heeft een gedeelte, dat zich uitstrekt naar het oppervlak 11. Een gebied 22, dat van de soort p+ geleidbaarheid is, en een gedeelte heeft, 5 dat zich uitstrekt naar het oppervlak 11, omringt het gebied 2b en is werkzaam als een afvoerlaag-doorslagscherm. Bovendien is het werkzaam voor het voorkomen van het omkeren van de gedeelten van het lichaam 16 bij of nabij het oppervlak 11 tussen de gebieden 20 en 2k. Het poortgebied 20 is aanwezig tussen het anodegebied 18 en het 10 gebied 22, en is van beide gescheiden door massagedeelten van het lichaam 16. De weerstanden van de gebieden 18, 20 en 2h zijn laag in vergelijkingDEt die van de massagedeelten van het lichaam 16.

De weerstand van het gebied 22 ligt tussen die van het kathodegebied 2b en het massagedeelte van het lichaam 16.

15 De elektroden 28, 30 en 32 zijn geleiders, die contact met een lage weerstand maken met de oppervlaktegedeelten van resp. de gebieden 18·, 20 en 2b. Een dielektrische laag 26 bedekt het hoofdoppervlak 11 voor het zodoende isoleren van de elektroden 28, 30 32 ten opzichte van alle andere gebieden dan die, welke bestemd 20 zijn voor het elektrisch contact. Een elektrode 36 verschaft een contact met lage weerstand met de drager 12 via een sterk gestimuleerd gebied 3^, dat van dezelfde soort geleidbaarheid is als de drager 12.

Met voordeel zijn de drager 12 en het lichaam 16 elk van 25 silicium, waarbij de drager 12 van de soort n of p geleidbaarheid kan zijn. Elk der elektroden 23, 30 en 32 overlapt met voordeel het halfgeleidergebied, waarmee het een contact met lage weerstand maakt. De elektrode 32 overlapt eveneens het gebied 22. Dit overlappen, dat bekend is als veldpantseren, vergemakkelijkt een hoogspannings-30 werking, omdat het de spanning verhoogt, waarbij doorslag plaatsvindt. De dielektrische laag 11+ is siliciumdioxyde, waarbij de elektroden 28, 30, 32 en 36 alle aluminium zijn. Geleidbaarheden, die complementair zijn ten opzichte van de beschreven geleidbaarheden kunnen worden gebruikt.

35 Een aantal afzonderlijke lichamen 16 kan in een gemeen schappelijke drager 12 worden gevormd voor het verschaffen van een aantal schakelaars. Van belang is, dat vlakbewerkingstechnieken kun- 792 0 1 84 -5- nen worden gebruikt voor het vervaardigen van vele inrichtingen als een geïntegreerde keten op een gemeenschappelijk oppervlak.

De constructie 10 wordt gewoonlijk bediend als een schakelaar, die is gekenmerkt door een baan met een lage impedantie tussaen 5 het anodegebied 18 en het kathodegebied 2b in de IK (geleidende) toestand, en een baan met een hoge impedantie tussen deze twee gebieden in de UIT(blokkeer)toestand. De aan het poortgebied 20 gelegde potentiaal bepaalt de toestand van de schakelaar. De geleiding tussen het anodegebied 18 en het kathodegebied 2b vindt plaats in-10 dien de potentiaal van het poortgebied 20 beneden die is van de potentiaal van het anodegebied 18 en het kathodegebied 2b. Gedurende de IN toestand, worden gaten in het lichaam 16 gespoten vanaf het anodegebied 18, waarbij elektronen in het lichaam ï6 worden gespoten vanaf het kathodegebied 2k. Deze gaten en elektronen kunnen in 15 voldoende aantallen zijn voor het vormen van een plasma, dat het lichaam 16 in geleidbaarheid moduleert. Dit vermindert de weerstand van het lichaam 16 zodanig, dat de weerstand tussen het anodegebied 18 en het kathodegebied 2b laag is wanneer de constructie 10 in de IN toestand werkzaam is. Deze soort werking wordt aangeduid als 20 inspuiting van tweeledige drager. De hier beschreven soort construc tie wordt aangeduid als een van een poort voorziene diodeschake-laar (GDS).

Het gebied 22 helpt de doorslag te begrenzen van een af-voerlaag, gevormd gedurende de werking tussen het poortgebied 2Q 25 en het kathodegebied 2b, en helpt bij het voorkomen van de vorming van een oppervlakteomkeerlaag tussen deze twee gebieden. Dit maakt een dichter bij elkaar liggen van het poortgebied 20 en het kathodegebied 2k mogelijk en resulteert in een betrekkelijk lage weerstand tussen het anodegebied 18 en het kathodegebied 22 gedurende de 30 IN toestand.

De onderlaag 12 wordt gewoonlijk op het positiefst beschikbare potentiaalniveau gehouden. De geleiding tussen het anodegebied 18 en het kathodegebied 2b wordt voorkomen of afgesneden indien de potentiaal van het poortgebied 20 voldoende positiever is dan die van 35 het anodegebied 18 en het kathodegebied 2b. De mate van bovenmatig positieve potentiaal, nodig voor het voorkomen of afsnijden van de geleiding, is een funktie van de geometrie en de verontreinigingscon- 792 0 1 84 -6- centratie (stimulatiejniveau's van de constructie 10. Deze positieve poortpotentiaal veroorzaakt het afvoeren van de stroomdrager uit het gedeelte van het lichaam 16 tussen het poortgebied 20 en de dielektrische laag 11+, zodat de potentiaal van dit gedeelte van het 5 lichaam 16 positiever is dan die van het anodegebied 18 en het kathodegebied 2k. Deze positieve potentiaalwering voorkomt de geleiding van gaten van het anodegebied 18 naar het kathodegebied 2h.

Het knijpt in beginsel het lichaam 16 af tegen de dielektrische laag 11+ in het massagedeelte tussen het poortgebied en de dielek-10 trische laag 1U. Het dient tevens voor het opvangen van elektronen, uitgezonden bij het kathodegebied 2b voordat deze het anodegebied 18 kunnen bereiken.

Gedurende de IN toestand van de constructie 10, wordt de verbindingsdiode, die het lichaam 16 en het gebied 20 omvat, onder 15 voorspanning geplaatst. Stroombegrenzende middelen (niet weergegeven) zijn bij voorkeur opgenomen voor het begrenzen van de geleiding door de onder voorspanning geplaatste diode.

Een voorgesteld elektrisch symbool, aangenomen voor deze soort schakelaar, is weergegeven in figuur 2. De anode-, poort-20 en kathodeelektroden van de GDS zijn aangeduid als respectievelijk de aansluitingen 28, 30 en 32.

Een uitvoeringsvorm van de constructie 10 is met het volgende ontwerp vervaardigd. Het draagdeel 12 is een siliciumonder-laag van de n soort, 0,1+57 tot 0,559 mm dik, met een verontreinigings-25 concentratie van ongeveer 2 x 10 verontreinigingen/cm en heeft een weerstand van meer dan 100 ohm-cm. De dielektrische laag 11+ is een siliciumdioxydelaag 11+, die 2-1+ ^um dik is. Het lichaam 16 is gewoonlijk 30-50^um dik, ongeveer 1+30^um lang, 300^um breed en is van de soort p geleidbaarheid met een verontreinigingsconcen-30 tratie in het bereik van ongeveer 5-9 x 10 verontreinigingen/cm .

Het anodegebied 18 is van de soort p+ geleidbaarheid, is gewoonlijk 2-1+yum dik, 1+U^um breed, 52^um lang en heeft een verontreinigings-concentratie van ongeveer 101^ verontreiniging/cm^. De elektrode 28 is gewoonlijk aluminium met een dikte van 1,5^um, een breedte 35 van 81+^um en een lengte van 105^um. Het gebied 20 is van de soort n+ geleidbaarheid en is gewoonlijk 2-l+^,um dik, 15y-um breed, 300 »um lang en heeft een verontreinigingsconcentratie van ongeveer 10^ 792 0 1 84 3 -7- verontreiniging/cm . De elektrode 30 is aluminium, 1^um dik, 50yum treed en 210yum lang. De afstand tussen naburige randen van de elektroden 28 en 30 en tussen naburige randen van de elektroden 30 en 32 is in beide gevallen gewoonlijk i+0^um. Het gebied 22 is 5 van de soort p geleidbaarheid, en is gewoonlijk 3-6^um dik, 6U ,um breed, 60 .urn lang en heeft een verontreinigingsconcentratie 17 18 3 van ongeveer 10 tot 10 verontreinigingen/cm . Het kathodegebied 2k is van de soort n+ geleidbaarheid en is gewoonlijk 2^um dik, 1+8^,um breed, kb^um lang en heeft een verontreinigingsconcentratie 10 van ongeveer 10 ^ verontreinigingen/cm^. De elektrode 32 is aluminium, 1,5^um dik, 10^yum breed en 10^um lang. De afstand tussen de einden van de gebieden 18 en 22 en de betrokken einden van het gebied 16 is gewoonlijk 55 ym . Het gebied 3^-is van de soort n+ geleidbaarheid en is gewoonlijk 2^um dik, 26yum breed, 26^um lang 15 en heeft een verontreinigingsconcentratie van 10*^ verontreinigingen/ 3 cm . De elektrode 36 is aluminium, die 1,5 um dik is, 26yum breed en 26 ^um lang.

Onder gebruikmaking van de hiervoor aangegeven parameters is de constructie 10 in bedrijf geweest als een van een poort voor-20 ziene diodeschakelaar (GDS) met 500 V tussen de anode en de kathode.

Een laag siliciumnitride (niet weergegeven) was door chemisch opdampen afgezet bovenop de siliciumdioxydelaag 26 voor het verschaffen van een natriumwering. De elektroden 28, 30,. 32 en 36 werden vervolgens gevormd, waarna een bekleding van met hoog fre-25 quent plasma afgezet siliciumnitride (niet weergegeven) werd aange bracht op het gehele oppervlak van de constructie 10, behalve waar elektrisch contact wordt gemaakt. De lagen siliciumnitride dienen voor het helpen voorkomen van hoogspanningsdoorslag in de lucht tussen naburige elektroden.

30 Gewoonlijk werd aan de anode + 250 V gelegd, werd aan de kathode -250 V gelegd en werd aan de onderlaag 12 +280 V gelegd.

De -250 V kan eveneens worden gelegd aan de anode, en de +250 V aan de kathode. De constructie 10 blokkeert dus tweezijdig de spanning tussen de anode en de kathode. Een potentiaal van +2δθ V 35 gelegd aan de poortgeleider 30 verbrak (brak) 350 mA van de elek trische stroom tussen het anodegebied 15 en het kathodegebied 2b. De IN weerstand van de GDS met 100 mA gaande tussen de anode en de ka- 792 0 1 84 -8-.

thode, is ongeveer 15 ohm, waarbij de spanningsval tussen de anode en de kathode gewoonlijk 2,2 V is.

OMer het thans verwijzen naar figuur 3 is een in twee richtingen werkzame schakelcombinatie weergegeven, die twee GDS's 5 (GDS en GDSa) omvat overeenkomstig de onderhavige uitvinding, waar bij de elektrode 28 (de anodeelektrode van GDS) elektrisch is verbonden met de elektrode 32a (de kathodeelektrode van GDSa), en de elektrode 32 (de kathodeelektrode van GDS) elektrisch is verbonden met de elektrode 28a (de anodeelektrode van GDSa). Deze schakel-10 combinatie kan signalen geleiden vanaf de elektroden 28 en 32a naar de elektroden 28a en 32 of omgekeerd. De tweezijdig blokkerende eigenschap van de constructie 10 vergemakkelijkt deze tweezijdige schakelcombinatie. Twee afzónderlijke lichamen 16 kunnen worden gevormd in een gemeenschappelijke drager 12, waarbij de passende 15 elektrische verbindingen kunnen worden gemaakt voor het vormen van de hiervoor beschreven, in twee richtingen werkzame schakelaar. Een aantal afzonderlijke lichamen 16 kan ineen gemeenschappelijke drager 12 worden gevormd voorliet vormen van een reeks schakelaars.

Onder het thans verwijzen naar figuur U is een constructie 20 ^-10 weergegeven, die veel gelijkenis vertoont met de constructie 10, waarbij alle in beginsel gelijke onderdelen of die welke sterk lijken op die van de constructie 10, zijn aangeduid door hetzelfde verwijzingscijfer met de toevoeging van een U aan het begin. Het grondverschil tussen de constructies 1+10 en 10 is het uit de con-25 structie 1+10 verwijderen van het halfgeleidergebied 22 van figuur 1. Het op passende wijze vergroten van de afstand van het gebied 1+21+ vanaf het gebied 1+20 verschaft voldoende bescherming tegen doorslag van de afvoerlaag naar het gebied 1+21+, en maakt het gebruik mogelijk van de constructie U10 als een hoogspanningsschakelaar.

30 Onder het thans verwijzen naar figuur 5 is een constructie 510 weergegeven, die zeer veel lijkt op de constructie 10, waarbij alle onderdelen daarvan, die in beginsel dezelfde zijn of veel op elkaar lijken, zijn aangeduid door hetzelfde verwijzingscijfer met de toevoeging van een 5 aan het begin. Het belangrijkste verschil 35 tussen de constructie 510 en de constructie 10 is het gebruik van een halfgeleiderschudringgebied 5^0, dat het kathodegebied 52l+ omringt. Het onderbroken lijngedeelte van de schudring 5^-0 illustreert, 792 0 1 84 . -9- dat de ring kan worden uitgebreid voor het in contact zijn met het kathodegehied 52b. De combinatie van het gebied 522 en de schudring 5I+O verschaft bescherming tegen omkering van gedeelten van het gebied 516 bij of nabij het oppervlak 511, in het bijzonder tussen 5 het poortgebied 520 en het kathodegebied 52b, en verschaft bescherming tegen doorslag van de afvoerlaag naar het kathodegebied 52b.

De schudring 5^0 is van dezelfde geleidbaarheid als het gebied 522 maar heeft een lagere weerstand. Deze soort tweeledige beschermingsconstructie, die het kathodegebied 52^ omringt, is de voorkeurs-10 beschermingsconstructie.

De hier beschreven uitvoeringsvormen zijn bestemd ter illustratie van de algemene beginselen van de uitvinding. Verschillende wijzigingen zijn mogelijk in overeenstemming met de strekking van de uitvinding. Voor de beschreven ontwerpen kunnen bijv. de draag-15 delen 12, U12 en 512 ook van silicium, galliumarsenide of saffier met de soort p geleidbaarheid zijn, of een geleider of een elektrisch inactief materiaal. Indien de gebieden 12, 1*12 en 512 elektrisch inactieve materialen zijn, kunnen de dielektrische lagen 1U, U1 i+ en 51^ worden weggelaten. Verder kunnen de lichamen 16, 1*16 20 en 516 nog worden vervaardigd als met lucht geïsoleerde constructies.

Dit maakt het opheffen mogelijk van de draagdelen 12, 1*12 en 512 en de dielektrische lagen 1U, U11+ en 511*. De elektroden kunnen gestimuleerd polysilicium, goud, titaan of andere soorten geleiders zijn. Verder kunnen de verontreinigingsconcentratieniveau's, de 25 afstanden tussen verschillende gebieden en andere afmetingen van de gebieden worden aangepast teneinde aanzienlijk andere werkspanningen en -stromen mogelijk te maken dan zijn beschreven. Andere soorten dielektrische materialen, zoals siliciumnitride, kunnen in de plaats worden gesteld van siliciumdioxyde. De soort geleidbaar-30 heid van alle gebieden in de dielektrische laag kan worden omge keerd, vooropgesteld, dat de spanningspolariteiten op de op dit gebied algemeen bekende wijze passend zijn veranderd. Het is duidelijk, dat de constructie van de onderhavige uitvinding een werking met wisselstroom of met gelijkstroom mogelijk maakt.

35 Onder verwijzing naar figuur 6 is een andere uitvoerings vorm weergegeven met verwijzingscijfers in de 600 reeks, overeenkomende met figuur 1, waarbij het halfgeleiderlichaam 616 van de 792 0 1 84 -10- dielektrische laag 6l4 is geisoleerd door een tussenliggende half-geleiderlaag 638, voorzien van een soort geleidbaarheid, die tegengesteld is aan die van het halfgeleiderlichaam 616. De elektroden 628 en 630 en 632 zijn geleiders, die contact met een lage weer-5 stand maken met de oppervlaktegedeelten van resp. de gebieden 618, 620 en 62^. Een dielektrische laag 26 bedekt het hoofdoppervlak 611 voor het zodoende isoleren van de elektroden 628, 630 en 632 ten opzichte van alle andere gebieden dan die, bestemd voor elektrisch contact. De elektrode 630 maakt elektrisch contact met het 10 gebied 638 aan het oppervlak 611 aan.cfe achterkant of voorkant van het lichaam 6l6 .(niet weergegeven).

De laag 638 kan zodanig worden gewijzigd, dat deze alleen aanwezig is op het onderste gedeelte van het lichaam 616, zoals weergegeven door het gebied 638a. Met een dergelijke wijziging 15 wordt een passend gediffundeerd of met ionen geïmplanteerd gebied of gebieden (niet weergegeven) gevormd tussen het oppervlak 611 en de gewijzigde laag 638a. De elektrode 630 zal zich uitstrekken voor het maken van elektrisch contact met dit gebied aan het oppervlak 611.

20 De laag 638 dient voor het isoleren van het lichaam 616 ten opzichte van de eigenschappen van de dielektrische laag 6ll+, en helpt dus de vervaardigingswerkwijze, doordat de spelingen in de vorming van de dielektrische laag 1U enigszins kunnen worden versoepeld. Dit verhoogt vervaardigingsopbrengsten en vermindert de 25 kosten. Bovendien dient de laag 638 als een onderste poortgebied, dat helpt bij het verminderen van de grootte van de poortpotentiaal, nodig voor het voorkomen of afsnijden van de geleiding tussen de gebieden van de anode 618 en de kathode 62^, Het gebruik van alleen het gedeelte 638a van de laag 638 dient voor het isoleren van het 30 lichaam 616 ten opzichte van het gebied 61U in het gedeelte van het lichaam 616, dat zich onder het gebied 620 bevindt. Dit bepaalde gedeelte van het lichaam 616 is het kritische gedeelte, omdat het lichaam 616 in beginsel in dit gedeelte wordt "afgeknepen" wanneer de constructie 610 in de UIT toestand werkzaam is.

35 De laag 638a verschaft geen volledige isolatie ten opzichte van de dielektrische laag 1U, maar vermindert de poortpotentiaal, die nodig is voor het uitschakelen onder het in beginsel niet bein- 792 0 1 84 -11- vloeden van de doorslagspanning van de constructie. De laag 638 verschaft een volledig isolatie ten opzichte van de dielektrische laag 61U, maar verlaagt enigszins de doorslagspanning van de constructie. Indien de laag 638 wordt gebruikt, wordt het lichaam 616 5 in dikte in het algemeen vergroot voor het op vooraf gekozen ni veau' s houden van de doorslagspanningen.

De laag 638 behoeft niet noodzakelijkerwijze dir&t te zijn verbonden met de elektrode 630. Omdat een positieve lading aanwezig is in de laag 626, wordt een oppervlakteomkeerlaag gevormd 10 nabij het oppervlak 611 van het lichaam 616. tussen de laag 638 en het poortgebied 620, hetgeen de twee elektrisch kan koppelen.

Zelfs zonder deze positieve lading wordt gemeend, dat als gevolg van doorslag de elektrode 630 en de laag 638 elektrisch kunnen worden gekoppeld.

15 Onder verwijzing naar de figuren 7 en 8 is nog een andere • uitvoeringsvorm weergegeven, voorzien van verwijzingscijfers in de 700 reeks, overeenkomende met figuur 1, waarbij het poortgebied 720 zich niet bevindt tussen het anodegebied 718 en het kathodegebied 72^. De constructie 710 is zodanig ontworpen, dat het anodegebied 20 18 en het kathodegebied 72h betrekkelijk dicht bij elkaar kunnen worden geplaatst, voor het verminderen van de weèrstand tussen de twee gedurende de IN(geleidende) toestand. Een geleider 738 die facultatief is, bevindt zich boven op de laag 726 tussen de elektroden J2Ö en 732. De geleider 738 is elektrisch gekoppeld 25 met de elektrode 730 en helpt bij het verminderen van de grootte van de poortspanning, nodig voor de werking van de constructie 710, maar is niet essentieel voor de werking.

Een uitvoeringsvorm van de constructie 710 is met het volgende ontwerp vervaardigd. De halfgeleiderschijf (onderlaag). 712 30 is een siliciumonderlaag van de n soort, 1+57 tot 559/Um dik met ... . 13 een verontreimgmgsconcentratie van ongeveer 5 x 10 verontrexm- 3 gingen/cm , en is materiaal van de 100 ohm-cm soort. De dielektrische laag 71^ is siliciumdioxyde, dat gewoonlijk 2-^um. dik is. Het lichaam 716 is gewoonlijk 30-UO^um dik, ongeveer U30yum lang, 170 35 ,um breed en is van de soort p geleidbaarheid met een verontreini-gingsconcentratie van ongeveer 5-9 x 10 verontreinigingen/cm .

Het anodegebied 718 is van de soort p+ geleidbaarheid, is gewoonlijk.

792 0 1 84 -12- 2-1+ ,um dik, 28/Urn breed, 55/um lang en heeft een verontreinigings-concentratie van ongeveer 10 ^ verontreinigingen/cm . De elektrode 728 is aluminium met een dikte van 1,5^um, een breedte van 55^um en een lengte van 95/um. Het poortgebied 720. is van de soort n+ 5 geleidbaarheid, is gewoonlijk 2-H ,um dik, 38/urn breed, 55/urn . '19 • lang en heeft een verontreimgingsconcentratre van ongeveer 1Q - verontreiniging/cm . De elektrode 730 is aluminium met een dikte van 1,5^um, een breedte van 76^um en een lengte 95/um* De af-rstand tussen naburige randen van de elektroden 728 en 732 is gewoonlijk 1+Q^um 10 (zonder geleider 738), waarbij de afstand tussen naburige randen van de elektroden 728 en 730 gewoonlijk i+0^um is. Eet gebied 722 is van de soort p geleidbaarheid en is gewoonlijk. 3,5/um dik, UU ,um breed, 1+1+,um lang en heeft een oppervlakteverontreinigings- -18 3 concentratie van ongeveer 10 verontreinigingen/cm . Het kathode-15 gebied 721+ is van de soort n+ geleidbaarheid en is gewoonlijk 2^um dik, 30yum breed, 30^um lang een heeft een veröntreinigingsconcentratie van ongeveer 10^ verontreinigingen/cm^. De elèktröde 32 is aluminium, 1,5^um dik, 82^um breed en 82^um lang. De afsatand tussen de einden van de elektroden J28 en 732 en de bijbehorende 20 einden van het lichaam 716 van de p soort, is 50^um. Het geleider- gebied 738, dat aluminium is, ligt op afstand van 30yum van de elektroden 728 en 732 en is 10^um breed, 1,5^um dik en 75^um lang.

Het geleidergebied 738 maakt elektrisch contact met de elektrode 730 aan de voorkant of achterkant van het gebied 16. Het is duide-25 lijk» dat de afstand van de kathode tot de anode met deze gedaante aanzienlijk is verminderd.

Onder gebruikmaking van de hiervoor aangegeven parameters is de constructie 710 in bedrijf geweest als een van een poort voorziene diodeschakelaar met 1+00 V tussen de anode en .de kathode. Aan 30 de anode was +200V gelegd, en aan de kathode -20Q V. Evenals hier voor, kan de -200Y. ook worden gelegd aan de anode, en kan de +2QQV worden gelegd aan de kathode voor het mogelijk maken van een tweezijdige spanningsblokkering. Met het aanwezig zijn van het geleidergebied 738, bleek een potentiaal van +210 V voldoende voor het 35 breken van 1 mA elektrische stroom tussen de anode en de kathode.

Geschat is, dat deze spanning 20 V hoger zou moeten zijn, indien de geleider 738 zou worden weggelaten. De IN weerstand van de van een 792 0 1 84 -13*- poort voorziene diode schakelaar met een stroom van 10.0. mA tussen de anode en de kathode, was: ongeveer 10-12. ohm, waartij de spanning-val tussen de anode en kathode gewoonlijk 2,2 V is.Een laag s.ili-ciumnitride (niet weergegeven) werd door chemisch opdampen af-5 gezet hoven op de siliciumdioxydelaag 26 om te werken als een na- triumwering. De elektroden 728, 730, 732 en 736 werden vervolgens-gevormd, waarbij een bekleding van met een hoog frequent plasma afgezet siliciumnitride (niet weergegeven) werd aangebracht op het gehele oppervlak van de constructie 710 om te helpen bij het 10 - voorkomen van een hoogspanningsdoorslag in de lucht tussen naburige elektroden.

Evenals in figuur 5, kan een schudring die het kathodege-bied 72¾ omringt of omsluit en daarmee in contact is, worden gebruikt, of, evenals in figuur k9 kan het gebied 722 worden wegge-15 laten indien de afstand van de anode tot de kathode voldoende is.

Het poortgebied 20 kan zich rechts van het kathodegebied 72¾ bevinden, zoals in figuur 7 aangeduid door de onderbroken lijnen, of aan de voorkant of achterkant van het halfgeleiderlichaam 716, , zoals aangeduid door de onderbroken lijn van figuur 2. Het poort-20 gebied 720 kan zijn gescheiden van de dielektrische laag 71¾ of zich, zoals weergegeven door de onderbroken lijnen van figuur 7, uitstrekken tot in contact met de dielektrische laag 71¾. Andere wijzigingen dan hiervoor vermeld, kunnen worden toegepast.

25 792 0 1 84

Claims (18)

1. Vastestof-schakelinrichting, voorzien van een halfgelei-derlichaam (16), waarvan een massagedeelte van een eerste soort geleidbaarheid is, van een eerste gebied (18) van de eerste soort 5 geleidbaarheid, van een tweede gebied (2U) van een tweede soort ge leidbaarheid, tegengesteld aan die van de eerste soort geleidbaarheid, van een poortgebied (20) van de tweede soort geleidbaarheid, . waarbij de eerste, tweede en poortgebieden onderling zijn gescheiden door gedeelten van het massagedeelte, de weerstanden van de 10 eerste, tweede en poortgebieden lager zijn dan de weerstand van het massagedeelte, de parameters van de inrichting zodanig zijn, dat wanneer een eerste spanning is gelegd aan het poortgebied, een afvoergebied is gevormd in het halfgeleiderlichaam,. welk gebied in hoofdzaak een elektrische stroom tussen de eerste en tweede 15 gebieden voorkomt, en dat wanneer een tweede spanning is gelegd aan het poortgebied en passende spanningen zijn gelegd aan de eerste en-tweede gebieden, een elektrische stroombaan meteen betrekkelijk lage weerstand tot stand wordt gebracht tussen de eerste en tweede gebieden door het inspuiten van een tweeledige drager, met het 20 kenmerk, dat de eerste en tweede gebieden en het poortgebied elk een oppervlakte hebben, dat is vervat op een eerste hoofdoppervlak van het halfgeleiderlichaam (16).

2. Schakelinrichting overeenkomstig conclusie 1, methet kenmerk, dat het poortgebied (20) zich bevindt tussen de eerste (18)_ 25 en tweede (2*0 gebieden.

3. Schakelinrichting overeenkomstig conclpsie 1, met het kenmerk, dat het tweede gebied (2*0 wordt omgeven door een derde gebied (22) van de eerste soort geleidbaarheid maar met een lagere weerstand dan het massagedeelte (16). 30 **. Aantal schakelinrichtingen, elk. overeenkomstig conclu sie 1, met het kenmerk, dat elke inrichting is vervat in een half-geleiderdrager (12) en dielektrisch (1*+) is geïsoleerd van de andere.

5. Paar schakelinrichtingen, elk overeenkomstig conclusie 35 15 met het kenmerk, dat de poortelektroden van het paar met elkaar zijn verbonden, waarbij het eerste gebied van elke inrichting is verbonden met het tweede gebied van de andere voor het verschaffen 7920 1 84 * -15- van een tweezijdige schakelaar (figuur 3).

6. Schakelinrichting van conclusie 1, met het kenmerk, dat een aantal halfgeleiderlichamen (16) wordt gescheiden door een dielektrische laag (16) en gedragen door een draagdeel (12), waar-5 hij het draagdeel en de halfgeleiderlichamen van silicium zijn, en een contactgebied (3*0 is vervat in het draagdeel,

7· Schakelinrichting volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de poortgebieden van de eerste en tweede halfgeleiderlichamen onderling zijn verbonden, waarbij het eerste gebied van het eerste 10 lichaam is verbonden met het tweede gebied van het tweede lichaam, en het eerste gebied van het tweede lichaam is verbonden met het tweede gebied van het eerste lichaam (figuur 3).

8. Schakelinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het halfgeleiderlichaam (16) zich bevindt in een draagdeel (12) 15 en van het draagdeel is gescheiden door een dielektrische laag (1¾).

9· Schakelinrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat het halfgeleiderlichaam een vierde gebied (¢38) bevat, van de tweede soort geleidbaarheid, vervat tussen het massagedèelte (616) en de dielektrische laag (61¾).

10. Schakelinrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat het vierde gebied (638) is verbonden met het-poortgebied (620),

11. Schakelinrichting volgens conclusie 10, met het kenmerk, dat het tweede gebied (62¾) wordt omgeven door een derde gebied {622) van de eerste soort geleidbaarheid, maar met een lagere weer- 25 stand dan het massagedeelte (616).

12. Schakelinrichting volgens conclusie 9» met het kenmerk, dat het vierde gebied (638a) zich alleen bevindt in het gedeelte van het halfgeleiderlichaam (616), dat tussen het poortgebied (620) en de dielektrische laag (61¾) is.

13. Schakelinrichting volgens conclusie 9j met het kenmerk, dat het vierde gebied (638) zich langs in hoofdzaak het'.gehele door de dielektrische laag (61¾) begrensde gedeelte bevindt van het halfgeleiderlichaam (616). 1¾. Schakelinrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, 35 <ia-t de eerste (T18) en tweede (72¾) gebieden zijn gescheiden door een deel van het massagedeelte (716), waarbij het poortgebied (720.) zich bevindt op een ander deel van het hoofdoppervlak dan het deel, 792 0 1 84 * -ι6τ· dat de eerste en tweede gebieden scheidt.

15. Schakelinrichting volgens conclusie lU, met het kenmerk, dat een geleider (738), elektrisch gekoppeld met het poortgebied (720) zich bevindt tussen de eerste (718) en tweede (72^) gebieden.

16. Schakelinrichting volgens conclusie 1^, met het kenmerk, dat het massagedeelte (716) door een dielektrische laag is gescheiden van een halfgeleiderdraagdeel. \

17. Schakelinrichting volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat het halfgeleiderdraagdeel een-afzonderlijke' daarmee in 10 contact zijnde elektrode heeft, die onder de positiefste spanning van de schakelinrichting onder voorspanning kan worden geplaatst.

18. Schakelinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de geleidbaarheid van het massagedeelte (16) van het halfgeleider lichaam, van het eerste gebied (l8),van het. tweede gebied 15 (2h), van het derde gebied (22) en van het poortgebied (20) resp. van de p-, p+, n+, p en n+ geleidbaarheid zijn.

19. Schakelinrichting volgens conclusie 3» met het kenmerk, dat het derde gebied het tweede gebied omgeeft, maar niet daarmee in contact is.

20. Schakelinrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat het tweede gebied in contact is en is vervat in het derde gebied. 792 0 1 84