DE1043472B

DE1043472B - Semiconductor component for current stabilization

Info

Publication number: DE1043472B
Application number: DES47372A
Authority: DE
Inventors: Dr Walter Heywang
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1956-02-06
Filing date: 1956-02-06
Publication date: 1958-11-13

Description

Halbleiterbauelement zur Stromstabilisierung In vielen Gebieten der Elektrotechnik, insbesondere der Nachrichtentechnik, ist die Aufgabe bekannt, eine Anordnung zu schaffen, deren ohmscher Widerstand bei wachsender Spannung sich derart ändert, daß die Stromstärke unverändert bleibt. Diese Aufgabe wurde bisher durch Röhrenschaltungen gelöst.Semiconductor component for current stabilization In many areas of the Electrical engineering, in particular communications engineering, is known to have a task To create an arrangement, the ohmic resistance of which increases with increasing voltage changes so that the current strength remains unchanged. This task has been carried out so far Tube circuits solved.

Die Erfindung betrifft ein einfaches Widerstandsbauelement aus einem mindestens eine Sperrschicht, vorzugsweise einen p-n-Übergang, aufweisenden Halbleiterkristall, vorzugsweise Einkristall, mit einem ohmschen Widerstand, der sich mit wachsender Spannung derart ändert, daß die Stromstärke konstant bleibt.The invention relates to a simple resistance component from a at least one barrier layer, preferably a p-n junction, having semiconductor crystal, preferably single crystal, with an ohmic resistance that increases with increasing Voltage changes in such a way that the current strength remains constant.

Bekanntlich weist jeder gute p-n-Übergang in Sperrrichtung einen Stromsättigungsbereich auf. Der der Erfindung zugrunde liegende Grundgedanke besteht darin, diesen Sättigungsstrom zur Stromstabilisierung auszunutzen. Doch sind die dabei fließenden Sperrströme im allgemeinen so gering, daß sie technisch nicht verwendet werden können. Um den Sperrstrom zu erhöhen, könnte man daran denken, ein Halbleitermaterial mit einer großen Zahl von Rekombinationszentren zu verwenden; doch tritt bei solchen Dioden u. a. nur eine sehr schlechte Stromsättigung auf.It is known that every good p-n junction in the reverse direction has a current saturation region on. The basic idea on which the invention is based consists in this saturation current to use for current stabilization. But are the reverse currents flowing in the process generally so low that they cannot be used industrially. To the To increase reverse current, one might think of a semiconductor material with a to use large numbers of recombination centers; but occurs with such diodes i.a. only has a very bad current saturation.

Gemäß der Erfindung besitzt der Halbleiterkristall innerhalb des Sperrschichtgebietes im Mittel eine höhere Konzentration von Rekombinationszentren als in den angrenzenden Bereichen des Halbleiterkristalls. Zweckmäßigerweise wird für die übrigen Teile des Halbleiterkristalls ein möglichst rekombinationsarmes Halbleitermaterial verwendet. Der Unterschied der mittleren Rekombinationszentrenkonzentration innerhalb und außerhalb dieses scharf begrenzten Bereichs sollte mindestens eine, besser mehr als zwei Größenordnungen betragen. Jedenfalls muß er merklich größer sein als die bei den sonst üblichen Verfahren zur Herstellung von Sperrschichten auftretenden Unterschiede der Rekombinationszentren.According to the invention, the semiconductor crystal has within the junction region on average a higher concentration of recombination centers than in the neighboring ones Areas of the semiconductor crystal. It is useful for the remaining parts of the semiconductor crystal, a semiconductor material with as little recombination as possible is used. The difference in mean recombination center concentration inside and outside this sharply delimited area should be at least one, preferably more than two orders of magnitude be. In any case, it must be noticeably larger than the usual ones Process for the production of barriers occurring differences in the recombination centers.

An Hand der Fig. 1 sei der Erfindungsgedanke näher erläutert. Die Kurven 1 und 2 geben die Konzentration der Ladungsträger n und p in ihrer räumlichen Verteilung x im Halbleiterkristall zu beiden Seiten eines p-n-Überganges an. Bei Spannungsbelastung sinkt die Konzentration der Ladungsträger im Übergangsbereich entsprechend den Kurven 1' und 2', so daß die Trägererzeugung innerhalb des gemäß der Erfindung vorgesehenen, schraffierten Bereiches B die Rekombination größenordnungsmäßig überwiegt. Der Sperrstrom ist durch diese Trägererzeugung begrenzt und kann durch eine Spannungserhöhung nicht merklich vergrößert werden, da keine weiteren Rekombinationen in den seitlichen Bereichen in Tätigkeit treten können, weil dort rekombinationsarmes Material verwendet ist. Die Rekombinationszentren können beispielsweise in Form atomarer Störstellen im Sperrschichtgebiet anwesend sein. Diese Störstellen können bei der Herstellung der Sperrschicht, z. B. eines p-n-Überganges oder einer Randsperrschicht, bei der Herstellung der Sperrschicht und/oder durch eine anschließende thermische Behandlung durch Eindiffusion atomarer Rekombinationszentren erzeugt werden.The concept of the invention will be explained in more detail with reference to FIG. the Curves 1 and 2 give the concentration of charge carriers n and p in their spatial Distribution x in the semiconductor crystal on both sides of a p-n junction. at When exposed to voltage, the concentration of charge carriers in the transition area decreases corresponding to curves 1 'and 2', so that the carrier generation within the according to of the invention provided, hatched area B the order of magnitude of the recombination predominates. The reverse current is limited by this carrier generation and can by an increase in voltage cannot be increased noticeably, since there are no further recombinations can come into action in the lateral areas because there is little recombination there Material is used. The recombination centers can for example in the form atomic impurities be present in the junction area. These imperfections can in the manufacture of the barrier layer, e.g. B. a p-n junction or an edge barrier layer, during the production of the barrier layer and / or by a subsequent thermal Treatment can be generated by diffusion of atomic recombination centers.

Gemäß einer besonderen Ausbildung des Erfindungsgedankens liegen die Rekombinationszentren an der Oberfläche des Halbleiterkristalls.According to a special embodiment of the inventive concept, the Recombination centers on the surface of the semiconductor crystal.

Zu diesem Zweck kann die Oberfläche beispielsweise vergrößert oder aufgerauht sein, und zwar an der Stelle des Überganges. Eine andere Möglichkeit besteht darin, im Bereich der Sperrschicht eine Vielzahl von Gitterfehlstellen zu erzeugen, was beispielsweise durch eine thermische Behandlung bewirkt werden kann.For this purpose, the surface can, for example, be enlarged or be roughened at the point of transition. Another possibility consists of a large number of lattice defects in the area of the barrier layer generate, which can be achieved, for example, by a thermal treatment.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsformen von Bauelementen gemäß der Erfindung beispielsweise dargestellt.In the drawing, some embodiments of components are shown in FIG the invention shown for example.

Fig. 2 zeigt einen Halbleitereinkristall, welcher links eine n-leitende und rechts eine p-leitende Zone aufweist. Diese beiden Zonen sind mit n+ und p+ bezeichnet, wodurch angedeutet werden soll, daß diese Zonen im üblichen Sinne eine mittlere Dotierung aufweisen. Die Übergangszone weist ihrerseits mehrere Teilbereiche auf, nämlich zwei Bereiche geringerer Dotierung n und p, welche in einer eigenleitenden Zone i ineinander übergehen. Die Übergangszone m-i-p ist gemäß der Zeichnung eingeschnürt ausgebildet, wodurch an dieser Stelle die relative Größe der Oberflache im Verhältnis zum Volumen vergrößert ist. Außerdem ist die Oberfläche an dieser Stelle aufgerauht, zweckmäßig nach einem bekannten Aufrauhungsverfahren, z. B. durch Sandstrahlen oder durch chemische oder elektrochemische Atzung. Die Einschnürung an der Übergangszone des p-n-Überganges kann entweder durch Ziehen aus der Schmelze beim Herstellen des Einkristalles erzeugt sein oder - was noch vorteilhafter ist - sie kann nachträglich aus einem zunächst gleichförmigen Halbleiterkristallstäbchen durch chemische und/oder elektrochemische Behandlung auf dem Wege einer Oberflächenabtragung durch Ätzwirkung hervorgerufen sein. Die Halbleiterdiode wird in dem bezüglich der Stromstärke zu stabilisierenden Stromkreis derart gelegt, daß sie in Sperrichtung belastet ist, und durch entsprechende Dimensionierung des inneren Widerstandes des Halbleiterkristalls und der äußeren Widerstände wird dafür gesorgt, daß die Arbeitsspannungen im Sättigungsgebiet der Sperrstromcharakteristik liegen.2 shows a semiconductor single crystal which has an n-conductive zone on the left and a p-conductive zone on the right. These two zones are denoted by n + and p +, which is intended to indicate that these zones have a medium doping in the usual sense. The transition zone for its part has a plurality of partial areas, namely two areas of lower doping n and p, which merge into one another in an intrinsic zone i. The transition zone mip is constricted according to the drawing, whereby the relative size of the surface is increased in relation to the volume at this point. In addition, the surface is roughened at this point, expediently according to a known roughening process, e.g. B. by sandblasting or by chemical or electrochemical etching. The constriction at the transition zone of the pn junction can either be produced by pulling from the melt during the production of the single crystal or - which is even more advantageous - it can subsequently be made from an initially uniform semiconductor crystal rod by chemical and / or electrochemical treatment by means of surface removal Caustic effect. The semiconductor diode is placed in the circuit to be stabilized with regard to the current intensity in such a way that it is loaded in the reverse direction, and appropriate dimensioning of the internal resistance of the semiconductor crystal and the external resistances ensures that the working voltages are in the saturation area of the reverse current characteristic.

Fig. 3 zeigt eine andere Erzeugungsart des p-n-Überganges. Sie besteht darin, daß zwei verschiedene Kristalle der p-leitenden und der n-leitenden Art hergestellt und anschließend aufeinandergeschweißt oder auf eine andere Weise thermisch zusammengefügt werden, so daß sie einen durchgehenden einheitlichen Kristall bilden. Bei diesem Prozeß bilden sich an der Vereinigungsstelle, welche gleichzeitig den p-n-Übergang bildet, eine besondere große Anzahl von Gitterfehlstellen aus. Um die Rekombination im Übergangsbereich noch weiter zu erhöhen, ist vorgesehen, an den Vereinigungsstellen atomare Rekombinationszentren, z. B. in Form einer dünnen Kupferschicht, einzubringen, welche sich beim Vereinigungsvorgange zumindest teilweise in das Halbleitergitter einbauen.3 shows another way of generating the p-n junction. she consists in that two different crystals of the p-type and the n-type type are made and then welded to one another or thermally joined together in some other way so that they form a continuous unitary crystal. With this one Process are formed at the junction, which is also the p-n junction forms a particularly large number of lattice defects. About the recombination It is planned to increase this even further in the transition area at the unification offices atomic recombination centers, e.g. B. in the form of a thin copper layer, to be introduced, which are at least partially in the semiconductor lattice during the unification process build in.

Die verschiedenen im Ausführungsbeispiel angegebenen Arten der Erzeugung von Rekombinationszentren im p-n-Übergang können einzeln oder kombiniert angewendet werden. Auch sind noch andere Wege denkbar, durch die die Anzahl der Rekombinationszentren im p-n-Übergang über das übliche Maß hinaus erhöht werden kann.The various types of generation specified in the exemplary embodiment of recombination centers in the p-n junction can be used individually or in combination will. Other ways are also conceivable by which the number of recombination centers in the p-n junction can be increased beyond the usual level.

Ein besonders zweckmäßiges Verfahren zur Herstellung der an Rekombinationszentren angereicherten Sperrschicht besteht in der Anwendung des Zonenschmelzverfahrens mit auf Grund des bestehenden Temperaturgradienten sich selbsttätig fortpflanzender Schmelzzone, wie sie in dem Aufsatz von E. P f an n im Journ. of Metalls, B.7, September, 1055, S.961, beschrieben ist.A particularly useful method for producing the at recombination centers enriched barrier consists in the application of the zone melting process with automatically propagating due to the existing temperature gradient Melting zone as described in the article by E. P f an n in the Journ. of Metalls, B.7, September, 1055, p.961.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. Made of at least one barrier layer, preferably a semiconductor crystal, preferably single crystal, having a p-n junction Resistance component with an ohmic resistance that increases with increasing voltage changes in such a way that the current strength remains constant, characterized in that the semiconductor crystal within the junction area has a higher on average Concentration of recombination centers possesses than in the adjacent areas of the semiconductor crystal.

2. Resistance component according to claim 1, characterized in that that the recombination centers in the production of the barrier layer and! or through a subsequent thermal treatment by diffusion of atomic recombination centers are generated. -

3. Resistance component according to claim 1 or 2, characterized in that that to generate the recombination effect recombination centers on the surface of the semiconductor crystal are arranged.

4. Resistance component according to claim 3, characterized in that the surface of the semiconductor crystal at the point of the p-n junction or the p-n junctions enlarged and / or roughened and / or is chemically contaminated.

5. Resistance component according to one of claims 1 to 4, characterized in that the semiconductor crystal at the transition point at least a p-n junction is constricted.

6. Method of manufacturing the resistor component according to one of claims 1 to 5, characterized in that initially two zones different types of conduction produced in separate crystal pieces and then are united with one another by welding.

7. The method according to claim 6, characterized marked; that between the crystal pieces a chemical impurity is introduced, = which increases the recombination, e.g. B. Copper. $. A process for producing the barrier layer according to any one of claims 1 to 7, characterized by application of the zone melting method with due to an existing temperature gradient of propagated melting zone .. Contemplated publications:. French Patent No. 1 094,661th