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Schaltendes Halbleiterbauelement mit mindestens vier Zonen abwechselnden
Leitfähigkeitstyps Die Erfindung betrifft ein schaltendes Halbleiterbauelement mit
einem Haibleiterkörper, der mindestens vier Zonen mit abwechselndem Leitfähigkeitstyp
enthält und an dem je eine ohmsche Elektrode mindestens an den beiden äußeren Zonen
angebracht ist; insbesondere ein Halbleiterbauelement, das schnell von einem Zustand
hohen Widerstands in einen Zustand geringen Widerstands durch Anlegen eines Schaltimpulses
umgeschaltet werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zupunde, die Schalteigenschaften
von z. B. Vierschicht-Siliziumpnpn-Dioden oder Vierschicht-Oermaniumdioden zu verbessern.
Die bekannten Siliziumdioden sind so konstruiert, daß sie entsprechend einer an
die mittlere Grenzschicht angelegten Sperrspannung eine hohe Impedanz zwischen an
die beiden Endschichten angeschlossene Elektroden bis zu Spannungen unter einem
kritischen Durchschlagswert aufweist, der normalerweise der Durchbruchspannung der
mittleren Sperrschicht der Diode entspricht. Ferner sind die bekannten Dioden so
konstruiert, daß sie eine niedrige Impedanz zwischen diesen Elektroden aufweisen,
wenn die angelegte Spannung den kritischen Wert überschritten hat und diese niedrige
Impedanz aufrechtzuerhalten, auch wenn die angelegte Spannung unter den kritischen
Wert fällt, sofern eine relativ kleine Haltespannung zwischen den beiden Elektroden
stehenbleibt.
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Dieses Phänomen tritt bei einer Diode auf, deren effektiver a-Wert
kleiner als 1 in einem bestimmten Strombereich ist und mindestens 1 für einen Strom
oberhalb dieses Bereiches ist. Bei einer Siliziumdiode ergibt sich die gewünschte
Variation des a mit dem Strom aus der Sättigung der Rekombinationszentren in Silizium.
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Bei den bekannten Vierschicht-Germanium-pnpn-Dioden, z. B. bei den
sogenannten »Shokley-Dioden«, wird die Variation des a in der oben beschriebenen
Art dadurch erreicht, daß eine relativ breite Zwischenzone vorgesehen wird, in der
elektrische Feld effekte ein wachsendes a mit wachsendem Strom bewirken.
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Eine Schwierigkeit beim Betrieb der bekannten Dioden, die auf der
Variation des a mit dem Strom zum Schalten beruht, ist ein Phänomen, das allgemein
als dynamischer Durchbruch bezeichnet wird. Durch dieses Phänomen erfolgt ein Durchbruch
des Zustandes hohen Widerstandes bei einem angelegten Spannungsimpuls, dessen Amplitude
kleiner als die Durchbruchspannung ist, wenn die Impulsfront des angelegten Spannungsimpulses
steil genug ist.
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Eine Analyse dieser Erscheinung zeigt, daß sie auf den großen dielektrischen
Verschiebungsstrom zurückzuführen ist, der bei Spannungsimpulsen mit steiler Front
auftreten kann. Diese Erscheinung tritt deshalb besonders auf, weil eine Diode der
in Rede stehenden Art hauptsächlich durch den Strom betätigt wird, d. h. der Durchbruch
erfolgt, wenn der Strom einen genügend hohen Wert erreicht, so daß das effektive
a der Diode den Wert 1 ülberschreibetX In einer solchen Diode werden beim Aufladen
der Kapazität der mittleren Sperrschicht entsprechend der angelegten Spannung Majoritätsträger
zeitweilig zu den beiden Zwiscl'saschichten geführt, wodurch sich ein Stromfluß
einstellt. Wenn die angelegte Spannung eine ausreichend steile Front hat und die
Sperrschichtkapazität ausreichend groß ist, kann genügend Verschiebungsstrom fließen,
um einen Durchbruch zu verursachen.
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Der Erfindung liegt daher insbesondere die Aufgabe zugrunde, ein
schaltendes Halbleiterbauelement der eingangs beschriebonen Art zu schaffen, das
die gewünschten Schalteigenschaften aufweist, jedoch gegen dynamischen Durchbruch
relativ unempfindlich ist. Darüber hinaus sollte ein solches Halbleiterbauelement
trotzdem eine niedrige Schaltspannung aufweisen, einen Eleinen Einschaltstrom, kleine
Haltespannung und geringen Widerstand im DurchsohRags-
bereich und
trotzdem relativ stabil und leicht zu handhaben sein.
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Diese Aufgaben werden bei einem solchen schaltenden Halbleiterbauelement
erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine Zwischenzone aus zwei Schichten
gleichen Leitfähigkeitstyps besteht. daß die erste Schicht an eine Endzone angrenzt
und einen höheren spezifischen Widerstand als die zweite Schicht und die übrigen
Zonen hat, daß die erste Schicht mehrere Male dicker als die zweite Schicht ist
und daß die Fläche des Übergangs zwischen der ersten Schicht und der benachbarten
Endzone mehrere Male größer als die Fläche des Übergangs zwischen der zweiten Schicht
und der angrenzenden Zwischenzone ist.
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Die Erfindung kann auch zur Verbesserung anderer Halbleiterbauelemente,
z.B. gesteuerter Gleichrichter oder Thyristoren, benutzt werden, bei denen ebenfalls
Halbleiterblöcke mit vier Zonen benutzt werden, aber zusätzlich weitere Elektroden,
z. B. eine Steuerelektrode an einer der beiden Zwischenzonen, vorgesehen sind. Die
Halbleiterbauelemente können dadurch verbessert werden, daß die bisher benutzten
Blöcke mit vier Zonen durch Blöcke mit fünf Zonen des erfindungsgemäßen Aufbaus
ersetzt werden.
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Die Erfindung soll an Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
im einzelnen erläutert werden; in der Zeichnung zeigen F i g. 1 bis 4 verschiedene
Ausführungsformen eines pnpan-Halbleiterblocks und Fig.5 die Spannungs-Strom-Kennlinie
der Ausführungsformen.
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Die in F 1 g. 1 dargestellte Diode 10 umfaßt einen Halbleiterblock,
zweckmäßigerweise aus einkristallinem Silizium, der durch fünf aufeinanderfolgende
Bereiche oder Schichten 11, 12, 13, 14 und 15 gekennzeichnet ist, sowie Elektrodenl6
und 17, die niederohmigen Kontakt zu den Endschichten 11 bzw.
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15 herstellen. Die Schichten 11 und 13 sind ptleitend mit relativ
geringem Widerstand. Die Schichten 12 und 15 sind n-leitend mit verhältnismäßig
geringem Widerstand. Die Schicht 14 ist z leitend, d. h. pWleitend mit relativ hohem
Widerstand. Insbesondere soll der mittlere spezifische Widerstand der Schicht 14
mindestens mehrere Male größer sein als der der Schicht 13. Die Schichten 11, 12
und 13 sind relativ dünn und die Schichten 14 und 15 relativ dick. Es ist besonders
wichtig, daß die Schicht 14 mindestens mehrere Male dicker ist als die Schicht 13.
Ferner haben die Grenzschichten zwischen den Schichten 11 und 12, den Schichten
12 und 13 und den Schichten 13 und 14 eine kleinere Fläche als die der Grenzschicht
zwischen den Schichten 14 und 15. Vorteilhafterweise hat die npSperrschicht zwischen
den Schichten 12 und 13 eine mehrfach kleinere Fläche, als die n-Sperrschicht zwischen
den Schichten 14 und 15.
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In einer speziellen Ausführung hatten die aufeinanderfolgenden Schichten
Dicken von 0,0038, 0,0064, 0,075 und 0,064 mm; die Schichten 11, 12 und 13 waren
ungefähr 0,127 mm2 im Quadrat und die Schichten 14 und 15 ungefähr 0,381 mm2 im
Quadrat.
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Die Diode 10 wird so in eine Schaltung eingesetzt, daß die Umschaltung
vom Zustand hohen Widerstandes in einen Zustand geringen Widerstandes entsprechend
einer mit der gezeigten Polarität angelegten Spannung eintritt.
in F i g. 5 ist die
Strom-Spannungs-Kennlinie einer derartigen Diode als durchgezogene Kurve dargestellt.
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Die Durchbruchspannung entspricht VB, die Haltespannung V5 und der
Einschaltstrom 1T Die Diode kann durch mehrere aufeinander folgende Dampf-Festkörper-Diffusionen
bekannter Art hergestellt werden. Insbesondere kann ein .a-leitender Siliziumblock
auf einer Seite drei getrennten Dampf-Festkörper-Diffusionen ausgesetzt werden,
so daß die Schichten 11, 12 und 13 gebildet werden und die andere Oberfläche einer
getrennten Dampf-Festkörper-Diffusion ausgesetzt werden, so daß die Schicht 15 gebildet
wird. Das ursprüngliche a-leitende Material bildet die Schicht 14. Die den drei
Behandlungen ausgesetzte Oberfläche kann danach in bekannter Weise abgeätzt werden,
so daß eine Insel mit den drei Diffusionsschichten gebildet wird. Die Elektroden
16 und 17 werden in bekannter Weise angebracht.
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Eine solche Diode hat verschiedene Eigenschaften, die dazu beitragen,
daß die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst wird.
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Zunächst reduziert die Herabsetzung der Fläche der mittleren npGrenzschicht,
die in Sperrspannung betrieben wird, auf eine erheblich kleinere Fläche als der
Querschnitt im Hauptteil des Blockes entsprechend die Kapazität dieser Sperrschicht
und damit die Ladung, die bei Anlegen einer Spannung fließen muß, so daß die Wahrscheinlichkeit
eines dynamischen Durchbruchs herabgesetzt wird, ohne daß nennenswert die Robustheit
und die Behandiungsmöglichkeit des Blockes vennindert wird.
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Ferner ist der in den Zwischenschichten auf Grund der Aufladung der
Kapazität der in Sperrspannung betriebenen mittleren np-Sperrschicht fließende dielektrische
Strom umgekehrt proportional dem Quadrat der Dicke der Zwischenschichten. Die Einfügung
der relativ dicken Schicht erhöht die Dicke der Zwischenschichten wirksam und setzt
entsprechend den Dauerzustandsstrom herab, der auf Grund der von der Kapazität der
npGrenzschicht entsprechend dem Impuls einer steilen Wellenfront abgegebenen Ladung
fließt. Dementsprechend wird die Wahrscheinlichkeit eines dynamischen Durchbruchs
weiter herabgesetzt.
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Da jedoch die zusätzliche Schicht hohen spezifischen Widerstand hat,
ist das effektive a der Diode wenig beeinflußt, und zwar wegen der wenigen Rekombinationen
in der schwach dotierten Schicht.
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Demnach ist die verringerte Empfindlichkeit gegen dynamischen Durchbruch
erreicht worden, ohne daß der Einschaltstrom, der zum Umschalten der Diodenimpedanz
erforderlich ist, in unerwünschter Weise anwächst. Das würde dann nicht der Fall
sein, wenn die zusätzliche Dicke einfach durch Erhöhen der Dicke der Schicht 13
mit niedrigem Widerstand vorgenommen worden wäre.
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Dadurch, daß Schichten 14 und 15 mit relativ großer Dicke und Querschnitt
vorgesehen sind, ergibt sich eine Diode, die verhältnismäßig robust und leicht zu
handhaben ist. Darüber hinaus bewirkt der große Querschnitt dieser Schichten, daß
im Durchbruchszustand ein geringer Widerstand vorhanden ist, ohne daß die Kapazität
der Diode merkbar erhöht wird.
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Die Tatsache, daß die Schichten 11, 12 und 13 dünn gewählt wurden,
ergibt ebenfalls einen geringen Widerstand der Diode.
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Da die Schichten 12 und 13 geringen spezifischen Widerstand haben,
ist der Durchbruch der Sperrschicht
zwischen den beiden bei niedrigen
Spannungen möglich, d. h., die Diode hat eine kleine Schaltspannung. Das würde nicht
der Fall sein, wenn Schicht 12 oder Schicht 13 hohen spezifischen Widerstand hätten.
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Die Tatsache, daß diese beiden Schichten dünn sind, trägt ebenfalls
dazu bei, daß nur ein kleiner Einschaltstrom und eine geringe Haltespannung erforderlich
sind.
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Der niedrige spezifische Widerstand der Schichten 11 und 15 trägt
ebenfalls dazu bei, einen geringen Widerstand zu erzielen, sowohl direkt als auch
dadurch, daß Elektroden mit kleinem Kontaktwiderstand angebracht werden können.
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Die mit der Erfindung angestrebten Ziele können noch weiter gefördert
werden, wenn eine 7Schicht, n-leitende Schicht mit hohem spezifischem Widerstand,
zwischen der p-Schicht 11 und der Schicht 12 vorgesehen wird, das ist jedoch normalerweise
nicht notwendig.
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Die in Fig. 2 dargestellte Diode 20 weist eine np-Sperrschicht auf,
die kleiner als die an-Sperrschicht ist, ohne daß bei der Herstellung der Diode
ein Ätzvorgang erforderlich wäre. Der Halbleiterkristall enthält fünf Schichten
in der Folge 21, 22, 23, 24 und 25. Die Schicht 21 ist p-leitend und relativ dünn,
und sie erstreckt sich über den ganzen Kristall.
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Die Schicht 22 ist n-leitend, relativ dünn und erstreckt sich ebenfalls
über den ganzen Kristall. Die Schicht 23 ist p-leitend, relativ dünn und ist nur
in der Mitte des Kristalls vorhanden. Die Schicht 24 ist n-leitend, relativ dick
und erstreckt sich über den ganzen Kristall. Die Schicht 25 ist n-leitend, relativ
dick und erstreckt sich über den ganzen Kristall. Auch in diesem Kristall ist die
Fläche der np-Sperrschicht kleiner als die Flächen der n-Sperrsohichit zwischen
den Schichten 24 und 25 und der pn-Sperrschicht zwischen den Schichten 21 und 22.
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- Ein solcher Kristall kann in der Weise hergestellt werden, indem
bei der obengenannten Dampf-Festkörper Diffusion eine Maskierung angewandt wird,
um die erste der drei Diffusionen in eine Oberfläche auf eine begrenzte Fläche zu
beschränken. Die gestricheite Linie IgiQbt das Ausmaß einer solchen Diffusion an.
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In dieser Diode wird die Schaltspannung durch die Durchbruchspan,n,ung
der npSperrschicht mit begrenzter Fläche vorgegeben und kann dementsprechend leicht
auf einen bequemen niedrigen Wert gebracht werden. Die nSperrschicht mit großer
Fläche hat eine höhere Durchbruchspannung wegen des schwächeren Störstellengradienten
und hat deshalb nur einen kleinen Einfluß auf die Schaltspannung. Die Kapazität
der nndperrschicht ist jedoch trotz ihrer großen Fläche aus demselben Grunde klein
und trägt deshalb nicht nennenswert zur Kapazität der npdperrschicht bei, wodurch
der dielektrische Verschiebungsstrom beim Auftreten eines Impulses mit steiler Wellenfront
weiterhin klein bleibt.
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Die Gesichtspunkte für die Entwurfsparameter der übrigen Schichten
entsprechen denen in Verbindung mit der Diode nach Fig. 1 besprochenen.
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F i g. 3 zeigt eine pnpzn-Diode 30 aus fünf aufeinanderfolgenden
Schichten 31, 32, 33, 34 und 35 und Elektroden36, 37 an den Endschichten 31 und
35, bei der die np-Spextschicht begrenzter Fläche zwischen den Schichten 32 und
33 nicht unterhalb der
pn-Sperrschicht mit begrenzter Fläche zwischen den Schichten
31 und 32 liegt.
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In dieser Diode tritt der Durchbruch auch weiterhin an der np-Sperrschicht
auf, der sich ergebende lawinenartig anschwellende Strom wird jedoch nicht durch
clas a der Schicht 32 beeinflußt. Damit zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie der
Diode einen rechteckige ren Verlauf der negativen Widerstandskennlinie, wie durch
die gestrichelte Linie in Fig.S angedeutet ist. Dies setzt die Wahrscheinlichkeit
eines dynamischen Durchbruchs weiter herab, da mehr Strom zur Umschaltung bei Spannungen
unterhalb der Durchbruchspannung erforderlich ist.
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F i g. 4 zeigt eine Diode 40, die einen Kurzsohlußkontakt zur besseren
Beherrschung des Einschaltstromwertes aufweist. Sie enthält einen Halbleiberkörper
mit papan-Aufbau aus den Schichten 41, 42, 43, 44 bzw. 45 und den Elektroden 46
und 47. Die Elektrode 47 ist niederohmig mit der Schicht 45 verbunden, während die
Elektrode 46 niederohmig mit den beiden Schichten 41 und 42 verbunden ist. Um das
zu erleichtern, hat die pn-Sperrschicht zwischen den Schichten 41 und 42 nur eine
begrenzte Ausdehnung. Die npSperrschicht zwischen den Schichten 42 und 43 liegt
unterhalb der pn-Sperrschicht und hat eine kleinere Fläche als diese.
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Zum Schalten wird die npSperrschicht durchbrochen, und der lawinenartige
Strom fließt seitlich von der Mitte der Schicht 42 zu den Kurzschiußelektroden 46
nach außen. Dementsprechend ist der effektive Wert für den lawinenartig anschwellenden
Strom durch die Schicht 42 zur Elektrode 46 länger, als er normalerweise sein würde,
wenn die np-Sperrschicht sich über den ganzen Kristall erstrecken würde. Dementsprechend
hat der wirkliche Strompfad einen höheren Widerstand, und der Spannungsabfall darüber
ist höher. Dieser Spannungsabfall sorgt für eine entsprechendeVorspannun!g in Flußrichtung
für die pnperrschicht zwischen den Schichten 41 und 42. Dementsprechend ist der
Einschaltstrom wesentlich kleiner.
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Wie bereits erwähnt, sind die Prinzipien der Erfindung zwar vorwiegend
für pnpn-SiliXumdioden von Interesse, jedoch auch auf andere Einrichtungen anwendbar.
Insbesondere sind die Prinzipien auch auf die pnpn-Germaniumdioden anwendbar, die
eine breite Zwi,scihershicht aufweisen und elektrische Feldeffekte darin dazu benutzen,
die gewünschte Erhöhung des a mit wachsendem Strom zu erzielen, die für Schaltdioden
dieser Art bedeutsam ist. Wenn z. B. eine der Dioden der in F i g. 1 bis 4 veranschaulichten
Art aus Germanium statt aus Silizium aufgebaut werden soll, so ist die Dicke der
neitenden Zwischenschicht zu erhöhen.
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Darüber hinaus können die Prinzipien der Erfindung auch auf Thyristoren
oder gesteuerte Gleichrichter derart anewan,dt werden, die durch Hinzunahme einer
zusätzlichen Steuerelektrode, die rein ohmisch an die n-leitende oder die p-leitende
Zwischenschicht der in F i g. 1, 2 und 3 dargestellten Art angeschlossen wird.
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Daraus ergibt sich, daß die beschriebenen speziellen Auslühungsformen
lediglich die Grundprinzipien der Erfindung erläutern können. Verschiedene andere
Ausführungsformen können entworfen werden, ohne von dem Erfindungsprinzip abzuweichen.
Selbstverständlich ist z. B. ein npnx1pHalibleierblock für jede der Dioden verwendbar.
Die speziellen Konstruktionen
sind darauf abgestellt, daß die Diode
mit kleiner Spannung und kleinem Einschaltstrom umgeschaltet werden kann und im
Einschaltzustand einen niedrigen Haltestrom und einen kleinen Widerstand aufweist.
Solche Eigenschaften können leicht abgeändert werden, falls gewünscht, indem bekannte
Prinzipien angewandt werden, die mit der Lehre der Erfindung nicht in Widerspruch
stehen.