SE436085B - Sett att tillverka en zenerdiod med forutbestemd genombrottsspennning - Google Patents

Description

7811135-s 2 ken ingår i konstanten k i det nya uttrycket enligt uppfinningen och som hålles konstant i enlighet med uppfinningen) och diffu- sionstiden under processen, så kommer densamma att bokstavligen bli okontrollerbar.

Uttrycket visar även att om resistiviteten för utgângsmaterialet i kristallskivan varierar även helt litet, så måste diffusionstiden kraftigt ändras för att erhålla en given genombrottsspänning. Det- ta är särskilt viktigt, eftersom halvledarkristaller i allmänhet säljes till komponenttillverkare med resistivitetstoleranser om plus eller minus 10%.

Exempelvis kan tillverkningsprocessen börja med monokristallina ki- selskivor av p-typ med en resistivitet inom intervallet 0,07-0,095 ohm cm. Ett n-typs område diffundaasdärefter in i skivan av p-typ.

Den slutliga genombrottsspänningen kommer emellertid att variera kraftigt, om samma processparametrar användes för material, som ur- sprungligen har 0,07 ohm cm som om det har 0,095 ohm cm, och kommer att okontrollerbart variera, om man försöker styra processen genom att modifiera diffusionstemperaturen och andra parametrar.

Vid tillämpning av uppfinningen mätes resistiviteten för en eller flera pilotskivor, och anordningarna diffunderas under fixerade temperaturförhållanden, tills en anordning erhållits med önskad ge- nombrottsspänning, t.ex. 34 volt. Detta möjliggör sedan bestämning av konstanten k i uttrycket enligt uppfinningen: 4 v=k/í JE.

Om exempelvis efter 55 timmars diffusionstid och under givna dif- fusionsförhållanden samt med användning av ett material, vars re- sistivitet uppmätts till 0,079 ohm cm, erhålles en anordning, vars backspänning vid genombrott är 34,5 volt, varefter uttrycket kan skrivas: 4 34,5 = k/'o",'o"7'9 /5-5.

Om de påföljande kristallskivor som skall diffunderas för att göra zenerdioder med spänningen 34,5 volt, har en resistivitet om 0,096 ohm cm, kan den därför nödvändiga diffusionstiden tx beräknas från uttrycket 7811135-8 4 34,5 = k/67079 /šš 4 34,5 = k/0,096 /tx eller 5- _ J 4 tx - 0,079 x /šš /0,096 och tx 25 37,24 timmar.

Sålunda kan den enda utnyttjade processvariabeln, nämligen diffu- sionstiden tx, nu beräknas med utgångspunkt från den ursprungliga resistiviteten för halvledarskivorna, och genom sättet enligt upp- finningen kan man tillverka anordningar med reproducibel genombrotts- spänning, där volymslavingenombrott sker, inom en tolerans om t.ex. plus eller minus 5%. Man lägger i ovanstående exempel märke till att en drastiskt ändrad diffusionstid behövs vid material med 0,096 ohm cm, jämfört med de 55 timmar som behövs för materialet med 0,079 ohm cm, för att erhålla samma genombrottsspänning.

Annorlunda uttryckt och i enlighet med uppfinningens principer gäl- ler, att om resistiviteten för grundmaterialet i kristallskivan änd- ras från p1 till pz, så kommer diffusionstiden t1, som gäller för den första skivan vid konstant temperatur, att få ändras från t1 . u 2 till t2, dar t2 = (p1/pz) t1.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas i utföringsexempelform i anslut- ning till ritningarna. Fig. 1 är en planvy av en monokristallin ki- selskiva, som skall behandlas för att alstra en zenerdiod. Fig. 2 visar ett snitt enligt pilarna 2-2 i fig. 1. Fig. 3 visar skivan i fig. 2, efter ett diffusionssteg. Fig. 4 visar skivan i fig. 3, sedan dess underyta blivit lappad. Fig. 5 visar skivan i fig. 4, ef- ter det att elektroder påsatts.

Om vi först betraktar fig. 1 och 2 ser vi en monokristallin kisel- skiva, som kan ha en tjocklek av 330 um och en diameter om 25 mm.

En eller flera anordningar skall tillverkas av denna skiva. I det följande visas uppfinningen för det fall att man vill tillverka en zenerdiod med en backspänning om 34,5 volt, plus eller minus 1,5 volt. Emellertid är uppfinningen tillämpbar vid reproducibel produk- tion av vilken som helst zenerspänning (inom ett intervall från approximativt 10 volt till 100 volt) för en godtycklig övergång i 7811135-8 en halvledarkropp av kisel.

Skivan 10 i fig. 1 och 2 kan typiskt erhållas med vilken som helst önskad resistivitet inom en tolerans av omkring 15% och med vilken som helst önskad störämnestyp. Vid det här beskrivna exemplet är skivan 10 av p-typ och har en resistivitet inom intervallet 0,07 ohm cm till 0,095 ohm cm.

För att åstadkomma zenerdioden placeras skivan 10 i en lämplig dif- fusionsugn, och etåstörämne av n-typ, såsom fosfor, diffunderas in i skivan för att bilda ett tunt skal 11 enligt fig. 3 av n-lednings- typ, vilket alstrar p-n-övergången 12. I och för sig kan vilken som helst annan diffusionsprocess användas, inklusive men ej begränsat till metoder med pâläggning från ângfas. Sedan zenerdioden gjorts färdig, förses den med lämpliga elektroder 13 och 14, såsom visas i fig. 5.

Föreliggande uppfinning avser ett nytt sätt att tillverka övergån- gen i flera anordningar såsom anordningen 12, så att de får mycket reproducibla backspänningsgenombrottsegenskaper. Närmare bestämt är uppfinningen baserad på insikten att om diffusionstemperaturen hål- les konstant, genombrottsspänningen kan beskrivas med hög noggrann- het av följande uttryck: 4 v=1 där V = genombrottsspänningen p = resistiviteten hos skivan 10 i fig. 1 och 2 innan diffusionssteget vidtagits t = den totala diffusionstiden k = en konstant.

Denna approximativa ekvation stämmer mycket bra för genombrotts- spänningar inom intervallet 10-100 volt.

Ekvationen (1) kan härledes på följande sätt: Genombrottsspänningen V är (för en graduell övergång) möjlig att uttrycka genom det kända uttrycket: væ\/__1_g_______ (2) rad Nd/x1 7811135-8 där N¿ är koncentrationen av donatoratomer i halvledarkroppen och X är övergångens 12 djup i kroppen 10. 1 Följande approximation användes för koncentrationen av donatorato- mer vid ett godtyckligt djup i kristallskivan, Nd(X): N = N e- _š_ (3) d(x) o fo? där No = ytkoncentrationen av donatoratomer X = avståndet in i ytan på halvledarkroppen D = donatoratomernas diffusivitet och t = den totala diffusionstiden.

Koncentrationen av acceptoratomer på djupet X1 är Na(X ) och kan 1 skrivas: _ -X Na(X1) - Noe 1 (4) /Dt Det följer av ekvation (4) att: X grad N = - NO e _l_ (5) a//X1 TE; /Dt och följaktligen erhålles av ekvationerna (4) och (5): N grad Na = - a (5) /X1 nï Om man kombinerar ekvationerna (2) och (6), så erhåller man: 4 va ”E h m ma p~ l_ (3) Eftersom ” Na och eftersom D är en konstant, om diffusionstemperaturen är kons- tant, så erhåller man genom kombination av ekvation (7) och (8) uttrycket (1): 7811135-8 I enlighet med föreliggande uppfinning hålles diffusionstemperatu- ren konstant, exempelvis vid 1230°C, under hela diffusionstiden t.

Man kan lägga märke till att diffusionstiden mätes från den tidpunkt då ämnena införes i diffusionsugnen och till dess temperaturen bör- jar sjunka med en kylhastighet av omkring 2°C/min. Uppvärmnings- och avkylningstiderna behöver ej tagas med i beräkningen, om de ej be- aktas vid kalibreringsproceduren, som användes för att fastställa proportionalitetsfaktorn k.

Vid användning av sättet enligt uppfinningen och för att fastställa proportionalitetsfaktorn k behandlas kristallskivor med mätt resis- tivitet p i utrustningen, under användning av fixerad diffusions- temperatur och med en given diffusionsprocess.

Apparaturen kan sedan användas för att behandla efterföljande kris- tallskivor, under det att blott diffusionstiden t ändras i enlighet med uppmätt resistivitet p för de kristallskivor som behandlas. I ett exempel befanns det sålunda att en kristallskiva 10 med resis- tiviteten 0,079 ohm cm gav en övergång med genombrottsspänningen 34,5 volt efter 55 timmars diffusion. Ett nytt kristallskiveprov med en resistivitet av 0,096 ohm cm men för övrigt likadant som den första kristallskivan, kan sedan direkt behandlas i samma diffusions- apparatur, varvid emellertid diffusionstidentk bestämmas enligt följande: gin 2 .s 37,24. foes) I det ovan beskrivna exemplet kan en typisk kristallskiva 10 med resistiviteten 0,079 ohm cm ha en ursprunglig tjocklek av 330-360 pm. Denna skiva etsas för att borttaga omkring 80 pm och polera ytan. Därefter pålägges ett skikt av fosfor på skivans yta, tills ytmotstândet på ytan är omkring 0,3 ohm. Därefter ökas temperaturen till 123000 och kvarhâlles vid denna temperatur under 55 timmar.

Den slutliga anordningen har en zenerspänning om 34,5 volt.

Vid tillämpning av föreliggande uppfinning inser man att själva be- handlingen av anordningarna är konventionell, med undantag av att diffusionstiden beräknas på ovan beskrivet sätt och diffusionstem-

Claims (4)

7811135-8 peraturen hålles konstant. Detta sätt kan även användas vid till- vedufing av anordningar med flera övergångar, varav minst en zener- diodövergång, och vilken som helst önskad donator- och/eller accep- toratom kan användas. Ehuru ett föredraget utföringsexempel av uppfinningen beskrivits, är det uppenbart att många variationer och modifikationer därav in- ses av fackmannen, och uppfinningen kan därför ej anses vara begrän- sad till detta exempel. Patentkrav

1. Sätt att tillverka en zenerdiod med förutbestämd genombrotts- spänning (V), vari ingår förfaringsstegen att en halvledarkropps resistivitet (ç) uppmätes, vilken skall förses med en zenerdiodöver- gång, samt störatomer indiffunderas i kroppen vid konstant tempera- tur och under en viss tid (t), k ä n n e t e c k n a t av att den- na diffusionstid (t) bestämmes genom uttrycket 4 V = k/B_ / t, där k är en konstant.

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att kroppen från början är av p-ledartyp och störatomerna, som indiffunderas, är av donatortyp.

3. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att konstan- ten k bestämmes genom att behandla halvledande kroppar med förut mätta resistiviteter under mätta behandlingstider t, tills en an- ordning alstras medæämnda förutbestämda genombrottsspänning V, var- vid nämnda sistnämnda anordning från början haft en mätt resistivi- tet p1 och diffunderats under en mätt tid t1.

4. Sätt enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t av att diffusions- tiden tx för efter varandra tillverkade kristallskivor, behandlade i samma behandlingsapparatur, där den förstnämnda anordningen är tillverkad, bestämmas genom att mäta deras resistiviteter px och genom bestämning av deras diffusionstider tx från uttrycket: 2 tx = (91/px) t1'