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Vierschichten-Halbleiteranordnung mit einkristallinem Halbleiterkörper
und drei hintereinandergeschalteten pn-Übergängen mit abwechselnd entgegengesetzter
Sperrichtung und Verfahren zu ihrer Herstellung Es sind bereits Halbleiteranordnungen
bekannt, welche aus vier Schichten von abwechselnd gegensätzlichem Leitfähigkeitstyp
(p-n-p-n) bestehen. Ihre physikalischen Eigenschaften sind denen von gasgefüllten
gittergesteuerten Röhren, den sogenannten Thyratrons ähnlich. In einer Polungsrichtung
haben diese Anordnungen zwei stabile Arbeitsbereiche, die mit »gesperrt« und »gezündet«
bezeichnet werden. In der entgegengesetzten Polungsrichtung sperren sie den Strom,
solange die negative Sperrspannung nicht ihre Sperrfähigkeit überschreitet. Bei
diesen als p-n-p-n-Dioden bekannten Vierschichten-Halbleiteranordnungen übernimmt
der mittlere pn-Übergang, welcher hohe Sperrfähigkeit besitzt, die Sperrung der
Lastspannung in der erstgenannten Richtung, die im folgenden als die positive betrachtet
werde. Die beiden äußeren pn-Übergänge übernehmen gemeinsam die Sperrung in der
entgegengesetzten Richtung. Die Zündung einer solchen Halbleiteranordnung kann durch
einen positiven Spannungsimpuls erfolgen, dessen Höhe die Sperrspannung mindestens
erreichen muß. Da bei diesen Vierschichten-Halbleiteranordnungen mindestens ein
äußerer pn-Übergang mit hoher Sperrfähigkeit gegen negative Spannungen vorhanden
ist, so ist für eine Zündung in negativer Richtung ein Impuls von etwa gleicher
Höhe wie zur Zündung in positiver Richtung erforderlich.
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Ferner ist eine Halbleiteranordnung mit einem Germaniumhalbleiterkörper
bekannt, welche für positive Spannungsrichtung zwei stabile Arbeitsbereiche besitzt
wie die vorgenannten Anordnungen. In der entgegengesetzten Spannungsrichtung besitzt
die Anordnung jedoch nur geringe Sperrfähigkeit, und sie kann deshalb auch durch
einen verhältnismäßig schwachen Spannungsimpuls in negativer Richtung gezündet werden.
Die Herstellbarkeit dieser Anordnung ist auf Germanium beschränkt. Ihre physikalischen
Eigenschaften sind nicht ausreichend definiert und infolgedessen schwierig reproduzierbar.
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Diese Nachteile werden mit der Erfindung vermieden. Demgemäß betrifft
die Erfindung eine Vierschichten-Halbleiteranordnung mit einkristallinem Halbleiterkörper
und drei hintereinandergeschalteten pn-Übergängen mit abwechselnd entgegengesetzter
Sperrichtung, bei der die beiden äußeren Zonen sehr hoch im Vergleich zu den mittleren
Zonen dotiert sind. Erfindungsgemäß weisen die den beiden äußeren pn-Übergängen
benachbarten Bereiche der mittleren Zonen annähernd gleich hohe Dotierungskonzentrationen
wie die beiden äußeren Zonen auf, und der dem mittleren pn-Übergang benachbarte
Bereich mindestens einer der beiden mittleren Zonen hat eine wesentlich niedrigere
Dotierungskonzentration, so daß die beiden äußeren pn-Übergänge eine wesentlich
geringere Sperrfähigkeit als der mittlere pn-Übergang aufweisen.
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Mindestens eine der beiden mittleren Zonen weist eine über die Dicke
unterschiedliche Dotierungskonzentration auf. Der Übergang von der hohen Dotierung
am äußeren pn-Übergang zur niedrigen Dotierung am mittleren pn-Übergang erfolgt
in dem zwischen ihnen liegenden Gebiet entweder stetig oder in Stufen. Durch Eindiffundieren
der Verunreinigungen erreicht man einen stetigen Abfall der Dotierungskonzentration
mit zunehmender Tiefe der Schicht, dagegen ist die Höhe der Dotierung abgestuft,
wenn die Verunreinigungen einlegiert werden.
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Vierschichten-Halbleiteranordnungen nach der Erfindung können auch
durch einen negativen Impuls gezündet werden, dessen absolute Höhe wesentlich kleiner
sein kann als die positive Zündspannung bekannter Vierschichten-Halbleiteranordnungen
mit drei hintereinandergeschalteten pn-Übergängen. Wird beispielsweise an die beiden
äußeren Elektroden einer in einem Laststromkreis mit der Lastspannung U2 liegenden
Vierschichten-Halbleiteranordnung eine in Durchlaßrichtung des mittleren pn-Überganges
und somit in Sperrichtung der äußeren pn-Übergänge gepolte Steuerspannungsquelle
mit der Steuerspannung U1 angeschlossen, die nur so groß zu sein braucht, daß ein
ausreichender Strom über den mittleren pn-Übergang fließt, beispielsweise etwa 0,1
A
bei einigen mm2 Fläche, und wird damit ein kurzzeitiger Spannungsimpuls
auf die Vierschichten-Halbleiteranordnung gegeben, so bewirkt der in Durchlaßrichtung
des mittleren pn-Überganges fließende Stromstoß die Zündung der Vierschichten-Halbleiteranordnung,
wobei der Lastkreis entgegen dem Zündimpuls gepolt ist, und es fließt ein durch
den Widerstand des Lastkreises gegebener Strom in Sperrichtung des mittleren pn-Überganges.
Der negative Zündimpuls hebt also die Sperrwirkung des mittleren pn-Überganges auf.
In gleicher Weise kann die @"ierschichten-Halbleiteranordnung auch durch Entladung
eines Kondensators gezündet werden, der in Durchlaßrichtung des mittleren pn-Überganges
gepolt ist und dessen Spannung und Ladung ausreichend bemessen ist.
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Die prinzipielle Anordnung der vier Zonen und die Höhe der Dotierungskonzentration
in den einzelnen Zonen der Vierschichten-Halbleiteranordnung nach der Erfindung,
ferner die Kennlinie einer solchen Anordming sowie zwei Ausführungsbeispiele von
Schaltanordnungen zur Zündung durch negativen Impuls sind in den Fig. 1 bis 7 veranschaulicht.
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Fig. 1 zeigt die prinzipielle Anordnung der vier Zonen und deren Leitfähigkeitstyp;
in Fig.2 wird ein Ausführungsbeispiel einer Halbleiteranordnung nach der Erfindung
veranschaulicht, bei welchem die Dotierungskonzentration in den beiden mittleren
Zonen am mittleren pn-Übergang niedrig ist und dann über die Dicke der Schicht stetig
ansteigt bis zu den beiden äußeren pn-Übergängen. In den beiden äußeren Zonen ist
die Dotierungskonzentration über die Dicke der Zone angenähert gleich. In der Figur
ist die relative Höhe der Dotierungskonzentration an Akzeptoren n.A und Donatoren
nD als Ordinate aufgetragen. Eine solche Ausführungsform der Vierschichten-Halbleiteranordnung
kann dadurch geschaffen werden, daß die Dotierung der beiden mittleren Zonen durch
Eindiffusion von entgegengesetzten Oberflächen des Halbleiterkörpers her erzeugt
wird und anschließend die beiden äußeren Zonen durch beiderseitige Einlegierung
hergestellt werden. Am äußeren pn-Übergang ergibt sich ein leicht sprunghafter Anstieg
der Dotierung zu den beiden äußeren Zonen.
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Ein Ausführungsbeispiel mit sprunghaftem Anstieg der Dotierungskonzentration
in einer der beiden mittleren Zonen, ausgehend vom mittleren pn-Übergang, zeigt
Fig. 3. In der mittleren p-Zone ist die Dotierung in unmittelbarer Nähe des mittleren
pn-Überganges sehr gering, steigt dann sprunghaft auf eine höhere Dotierungskonzentration
und bleibt über die Dicke der Schicht angenähert gleich bis zum äußeren pn-Übergang.
Die Dotierung der äußeren Zonen ist über die Dicke der Zonen angenähert gleich und
etwas höher als die Dotierung in den mittleren Zonen. Diese Ausführung kann dadurch
hergestellt werden, daß die beiden mittleren Zonen zunächst durch die Einlegierung
von entgegengesetzten Oberflächen des Halbleiterkörpers, der beispielsweise schwach
p-leitend sein möge, dotiert werden, wobei die Eindringtiefe so begrenzt wird, daß
zwischen den beiden Legierungsfronten eine Teilschicht des Grundkörpers von endlicher
Breite verbleibt. Anschließend können dann die beiden äußeren Zonen ebenfalls durch
Einlegieren mit entsprechend verminderter Eindringtiefe hergestellt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Vierschichten-Halbleiteranordnung mit
stetigem Anstieg der Dotierungskonzentration in den vier Zonen, ausgehend vom mittleren
pn-Übergang, zeigt Fig.4. Einen solchen Verlauf der Dotierung kann man erhalten,
wenn jeweils eine äußere und die anschließende mittlere Zone durch Überholungsdiffusion
zweier entgegengesetzt dotierender Verunreinigungen mit unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeit
von einer Seite her dotiert werden und für die Verunreinigung mit der größeren Diffusionsgeschwindigkeit
eine geringere Konzentration gewählt wird.
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Die Kennlinie einer solchen Vierschichten-Halbleiteranordnung, nämlich
der Strom T in Abhängigkeit von der angelegten Spannung U wurde beispielsweise in
Fig. 5 aufgetragen. In positiver Spannungsrichtung hat die Anordnung zwei stabile
Arbeitsbereiche a. und b, die mit »gesperrt« und »gezündet« bezeichnet
werden. Die postive Lastspannung wird gesperrt, solange die Sperrfähigkeit des mittleren
pn-Überganges nicht überschritten wird. Erreicht die angelegte positive Spannung
den Wert der Zündspannung UZ, so wird die Anordnung gezündet, der Arbeitspunkt verlagert
sich zum Bereich b der Keimlinie. Dagegen fließt bei einer schwachen negativen Spannung
schon ein verhältnismäßig großer Strom, beispielsweise fließt bei der Spannung -
U1 der Strom -I1 (vgl. den Bereich c der Fig. 5). Zum Vergleich wurde die Kennlinie
der bekannten p-n-p-n-Dioden für negative Spannungsrichtung d strichpunktiert eingetragen.
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Ein Beispiel einer Schaltanordnung, mit der die Zündung der Vierschichten-Halbleiteranordnung
durch einen negativen Spannungsimpuls erfolgen kann, ist in Fig. 6 veranschaulicht.
An die Elektroden 1 und 2, welche an den äußeren Schichten der Vierschichten-Halbleiteranordnung
liegen, ist der Lastkreis mit der Gleichspannung U2 einer Spannungsquelle 3 sowie
der Lastwiderstand 4 angeschlossen. Im Steuerkreis liegt eine Spannungsquelle 5,
welche eine Gleichspannung U1 liefert, sowie ein Schalter 6, mit dem ein kurzzeitiger
Schaltimpuls gegeben werden kann. Die Lastspannung LT 2 ist in Sperrichtung
des mittleren pn-Überganges gepolt, und ihr Betrag ist kleiner als die er_orderliche
Zündspannung. Die Steuerspannung U1 ist in Durchlaßrichtung des mittleren pn-Überganges
und in Sperrichtung der beiden äußeren pn-Übergänge gepolt. Da die Sperrfähigkeit
der beiden äußeren pn-Übergänge durch beiderseitige hohe Dotierung herabgesetzt
ist, kann ein Impuls mit geringer negativer Spannung schon einen verhältnismäßig
hohen Strom verursachen. Wird ein solcher negativer Impuls durch Schließen des Schalters
6 gegeben, so fließt ein verhältnismäßig hoher Stromimpuls in negativer Richtung
durch den Vierschichter. Ist der kurzzeitige negative Impuls abgeklungen, so kann
der mittlere pn-Übergang die unmittelbar darauf wiederkehrende positive Lastspannung
nicht mehr sperren, der Vierschichter wird gezündet, und es fließt ein durch den
Lastwiderstand 4 bestimmter Strom bei einem geringen Spannungsabfall.
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Ein weiteres Schaltungsbeispiel, bei dem die Zündung der Vierschichten-Halbleiteranordnung
durch den Entladestrom eines Kondensators erfolgt, ist in Fig. 7 dargestellt. An
den beiden äußeren Elektroden 1
und 2 liegt sowohl der Steuerstromkreis mit
der Steuerspannung U1 einer Gleichspannungsquelle 5 und einem Steuerschalter 6 als
auch der Lastkreis mit der Lastspannung U2 einer Gleichspannungsquelle 3 und einem
Lastwiderstand 4. Zwischen die Elektrode 1
und den Steuerschalter 6 ist ein
Kondensator 7 parallel zur Spannungsquelle 5 geschaltet und in Durchlaßrichtung
des mittleren pn-Überganges der Vierschichten
-Halbleiteranordnung
gepolt. Der Kondensator wird durch die Gleichspannung Ui aufgeladen, beispielsweise
auf eine Spannung von 4 bis 6V. Zur Zündung wird der Kondensator mit dem
Schalter 6 über die Vierschichten-Halbleiteranordnung kurzgeschlossen. Der Kondensator
entlädt sich über die Vierschichten-Halbleiteranordnung und gibt dabei einen kurzzeitigen
Impuls in Durchlaßrichtung des mittleren pn-Überganges, welcher die Zündung der
Vierschichten-Halbleiteranordnung in gleicher Weise wie im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 6 bewirkt.
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Natürlich kann die Zündung der Halbleiteranordnung nach der Erfindung
auch durch den Anschluß einer mittleren Elektrode in gleicher Weise -wie bei den
bekannten Vierschichten-Halbleiteranordnungen erfolgen.