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Halbleiteranordnung Die Erfindung bezieht sich auf eine Halbleiteranordnung
mit einer Halbleiterunterlage, einem Paar gegenüberliegender Hauptoberflächen, einer
die Hauptoberflächen verbindenden Seitenfläche, wenigstens einer ersten Schicht
eines Leitungstyps, einer zweiten Schicht des anderen Leitungstyps mit geringerer
Verunreinigungskonzentration als der der daran unter Bildung eines ersten PN-Übergan
ges angrenzenden ersten Schicht und einer an die zweite Schicht unter Bildung eines
zweiten PN-Überganges angrenzenden dritten Schicht des ersten Leitungstyps mit höherer
Verunreinigungskonzentration als der der zweiten Schicht oder mit diesen drei Schichten
und einer vierten, mit einer Oberfläche in der dritten Schicht freiliegend eingebetteten
und mit dieser einen dritten PN-Übergang bildenden Schicht des anderen Leitungstyps
mit höherer Verunreinigungskonzentration
als der der dritten Schicht,
wobei der erste und der zweite PN-Übergang bis zur Seitenfläche reichen, die einen
Seilroilenquerschnitt aufweist.
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Allgemein besteht zur Erhöhung der Durchbruchspannung von Haibleiteranordnungen,
wie z. B. Dioden und Thyristoren, ein sehr wesentliches Problem im Oberflächenzustand
von Halbleiterunterlagen, an denen ein PN-Übergang freiliegt. Eine Halbleiterunterlagenoberfläche
ist sehr aktiv und wird leicht durch die umgebende Atmosphäre beeinflußt. Wenn Feuchtigkei-t
und/oder ionisierbares Material- in der Atmosphäre vorhanden sind, haften sie an
der Unterlagenoberfläche und machen die Oberflächenfeldstärke größer als die Feldstärke
in der Halbleiterunterlage, So wird die Durchbruchsspannung einer Halbleiteranordnung
durch den Oberflächenzustand der Halbleiterunterlage beeinflußt.
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Zum Erreichen einer guten Reproduzierbarkeit der Durchbruchsspannung
von Haltleiteranordnungen ist es erforderlich, Vorsorge zu treffen, daß die Durchbruchsspannung
einer Halbleiteranordnung durch die der Halbleiterunterlage bestimmt wird, die einfach
durch die Verunreinigungskonzentration festgelegt wird. Um dies zu erreichen, soll
die Oberflächenfeldstärke einer Halbleiterunterlage ausreichend geringer als die
Feldstärke in der Unterlage sein. Es ist bekannt, daß zur Verringerung der Oberflächenfeldstärke
unter die Innenfeldstärke die Seitenoberfläche einer Halbleiterunterlage, an der
ein PN-Übergang freiliegt, mit Erfolg diesem gegenüber abgeschrägt werden kann.
Es ist ebenfalls bekannt, daß
im Fall einer positiven Abschrägung,
wo die Seitenzone höherer Verunreinigungskonzentration einen größeren Querschnitt
hat, enn sie sich von einem PN-Übergang entfernt, der Winkel zwischen der PN-Übergangsoberfläche
und der Seitenkantenoberfläche an der Seite niedrigerer Verunreinigungskonzentration:
vorzugsweise 15 - 60 beträgt und daß im Fall einer negativen Abschrägung, wo die
Seitenzone höherer VerunTelnigungskonzentration einen geringeren Querschnitt hat,
wo sie sich von einem PN-Übergang entfernt, der Winkel zwisc hen der PN-Übergangsoberfläche
und der Seitenkantenoberfläche an der Seite niedrigerer Verunreinigungskonzentration
vorzugsweise 170 - 1800 beträgt (d. h.
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0 - 10° , wenn auf der Seite höherer Verunreinigungskonzentration
betrachtet) Entsprechende Einzelheiten sind in den US-PS 3 179 860 und 3 361 943
bzw. in den DT-PS 1 464 622 und 1 212 215 beschrieben.
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Bei bekannten Thyristoren hoher Durchbruchsspannung werden sowohl
Vorwärts- als auch Rückwärtseigenschaften benötigt, und ein PN-Übergang zwischen
einer P-Emitterschicht und einer N Basisschicht wird mit einer positiven Abschrägung
von 15 - 600 und ein weiterer PN-Übergang zwischen der N-Basisschicht und der P-Basisschicht
mit negativer Abschrägung von 0 - 100 gebildet. Solche Strukturen, wo eine positive
und eine negative Abschrägung in der Seitenoberfläche einer Halbleiterunterlage
gebildet werden, nennt man auch Doppelabschrägungsstrukturen,da die abgeschrägte
Oberfläche in zwei Stufen gebildet wird.
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Beim Doppelabschrägungsaufbau wird die Fläche der Hauptoberfläche,
die auf der N-Emitterschichtseite ist, viel
kleiner als die der
P-Emitterschichtseite, und daher bestimmt sich die Maximalstromkapazität nach der
Fläche der N-Emitterschicht. So haben Halbleiteranordnungen der Doppelabschrägungsstruktur
einen Nachteil dadurch, daß die maximale Stromkapazität für eine Halbleiterunterlage
bestimmter Abmessung gering ist. Weiter muß bei der Doppelabschrägungsstruktur,
wenn die Vorwärts- und Rückwärts-Durchbruchs spannungen von gleicher Größe sein
sollen, der Winkel für die negative Abschrägung etwa 10° oder geringer sein. Dies
führt zu einem anderen Nachteil, indem nämlich Hochqualitätstechniken zum Erhalten
solcher Abschrägungswinkel mit guter Reproduzierbarkeit erforderlich sind.
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Sot hat man zur Beseitigung solcher Nachteile ein Verfahren vorgeschlagen,
nach dem die Seitenoberfläche einer Haibleiterscheibe in Seilrollenform oder V-Form
(im folgenden als Seilrollenquerschnitt bezeichnet) gebildet ist, um positive Abschrägungen
für die jeweiligen PN-Übergänge zu erzeugen. Es wurden jedoch nur wenige Untersuchungen
hinsichtlich des Abs#hrägungsaufbaus von Seilrollenquerschnitt-Oberflächen vorgenommen,
darunter solche, um zu zeigen, daß infolge Steigerns der Tiefe der Talsohle des
Seilrollenquerschnitts in gewissem Grad, d. h. Verringerung des Abschrägungswinkels
der PN-Übergangsoberfläche und dadurch Verringerung der Stärke des elektrischen
Oberflächenfeldes die Durchbruchsspannung eines Halbleiters durch diejenige innerhalb
der Halbleiterunterlage bestimmt werden kann, und daß es einen geeigneten Bereich
für die Tiefe der Talsohle geben muß, da eine übermäßige Tiefe einen Anstieg
der
elektrischen Oberflächenfeldstärke in der Talsohle sowie Verringerungen der Fläche
des Stromflusses und der mechanischen Festigkeit herbeiführt. Es war daher schwiering,
die Seilrollenqüerschnitt-Abschrägungsstruktur anzuwenden und Halbleiteranordnungen
mit bestimmten Durchbruchs spannungen für verschiedene Anforderungen zu entwerfen
und herzustellen und eine optimale Ausnutzung der Haiblelterunterlagen für einen
bestimmten Stromfluß zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung
der eingangs genannten Art so auszubilden, daß mit der Abschrägungsform der Seitenkantenoberfläche
der Halbleiteranordnung in eindeutiger Weise erreichtawird, daß die Durchbruchsspannung
der Anordnung von der innerhalb der Halbleiterunterlage bestimmt wird, wobei eine
möglichst hohe Durchbruchsspannung, eine große Stromkapazität, ein hoher Ausnutzungsfaktor
der Halbleiterunterlage für eine bestimmte Stromkapazität, möglichst kompakte Abmessungen
der Anordnung und eine Herstellbarkeit der Anordnung zu niedrigen Fertigungskosten
ermöglicht werden sollen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Talsohle
des Seilrollenquerschnitts der Seitenfläche an der zweiten Schicht liegt und der
Bedingung
genügt, worin d die Tiefe der Talsohle, w die Dicke der
Halbleiterunterlage
und ~ die spezifische Dielektrizitäts--konstante der Atmosphäre um die Talsohle
bedeuten.
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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung veranschaulichten
Ausführungsbeispiele näher erläutert; darin zeigen: Fig. 1 einen schematischen Querschnitt
zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels einer Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 Verhaltenskurven zur Erläuterung der Beziehung zwischen dem normalisierten
Spitzenoberflächenfeld E und dem Verhältnis der Tiefe der sp Talsohle des Seilrollenquerschnitts
d zur Dicke der Halbleiterunterlage w für verschiedene Werte der spezifischen Dielektrizitätskonstante
6 der Umgebungsatmosphäre als Parameter; und Fig. 3 und 4 schematische Querschnitte
anderer Ausführungsbeispiele der Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung.
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Es-sollen nun die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung
im Zusammenhang mit den Figuren erläutert werden.
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Fig. 1 zeigt eine Vierschicht-Dreianschluß-Halbleiteranordnung
gemäß
der Erfindung, und zwar einen rückwärts sperrenden Ihyristor. Eine Halbleiterunterlage
1 hat eine solche Gestalt, daß sie von einem Paar gegenüberliegender paralleler
Hauptoberflächen 11 und 12 und einer Seilrollenqerschnitt-Seitenoberfläche 13 begrenzt
wird, die die beiden Hauptoberflächen 11 und 12 verbindet, und umfaßt zusammenhängend
vier Schichten von abwechselnd verschiedenem Leitungstyp, die mit PE, NB, P3 und
NE bezeichnet sind. iteiis die PN-Übergänge J1 und J2, die zwischen den Schichten
PE und NB bzw. NB und P3 gebildet sind, reichen bis zur Seitenoberfläche. Weiter
ist die Talsohle 131 des Seilrollenquerschnitts so angeordnet, daß sie in der Schicht
NB liegt. Diese Schichten PE, NB, P3 und NE sind eine P-Emitter-, eine N-Basis-,
eine P-Basis-und eine N-Emitterscllicht, die in dieser Reihenfolge übereinandergeschichtet
sind. Dabei ist die N-Emitterschicht NE in del P-Basisschicht P3 eingebettet, und
die P-Basisschicht P3 und die P-Emitterschicht PE haben eine -höhere Verunreinigungskonzentration
als die der N-Basisschicht NB. Eine Anodenelektrode 2 ist in ohm'schen Kontakt mit
einer Hauptoberfläche 12 der Unterlage 1, und zwar der Oberfläche der P-Emitterschicht
PE gebracht Eine Kathodenelektrode 3 ist in ohm'schen Kontakt mit der anderen Hauptoberfläche
11, d. h. der Oberfläche der N-Emitterschicht NE gebracht. An der anderen Hauptoberfläche
11 ist noch eine Steuerelektrode 4 in ohm'schem Kontakt mit der P-Basisschicht PB
angeordnet. Die Halbleiterunterlage 1 ist auf einem Träger 5 befestigt, der eine
angenähert gleiche Wärmeausdehnungskonstante wie die Halbleiterunterlage 1 aufweist,
wobei die Anodenelektrode 2 als Klebmittel dient.
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Die Seitenoberfläche dieser Halbleiterunterlage 1 ist mit einem derartigen
Seilrollenquerschnitt ausgebildet, daß die Formel
erfüllt wird, worin w die Dicke der Unterlage (d. h. den Abstand zwischen den beiden
Hauptoberflächen), d die Tiefe der Talsohle des Seilrollenquerschnitts, 8 die spezifische
Dielektrizitätskonstante der Umgebungsatmosphäre und log den Logarithmus zur Basis
10 bedeuten. Der Grund, aus dem die Seitenoberfläche der Unterlage 1 mit einem solchen
Seilrollenquerschnitt ausgebildet ist, der die Gleichung (1) erfüllt, wird in der
folgenden Beschreibung offenbar.
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Nach im Rahmen der Erfindung durchgeführten Experimenten wurde bestätigt,
daß im Fall der Ausbildung der Seitenoberfläche einer Halbleiterunterlage als Seilrollenquerschnitt
das Spitzenoberflächenfeld in einer gewissen Tiefe der Talsohle konstant wird, wenn
man zu immer tieferen Niveaus der Talsohle 131 übergeht. Diese Tatsache ist in Fig.
2 angedeutet. Fig. 2 zeigt das normalisierte Spitzenoberflächenfeld E in Abhängigkeit
vom Verhältnis sp der Talsohle d des Seilrollenquerschnitts zur Dicke w der Halbleiterunterlage
in Form von Kurven bei verschiedenen spezifischen Dielektrizitätskonstanten e für
die Umgebung atmosphäre als Parameter. Das normalisierte Spitzenoberflächenfeld
Esp erhält man aus der folgenden Beziehung:
worin E das tatsächliche Spitzenoberflächenfeld in Volt p je cm,
w die Verarmungsschichtdicke des Schrittüberganges 5 und V die angelegte Spannung
bedeuten a Es läßt sich aus diesen Verhaltenskurven ablesen, daß das normalisierte
Spitzenoberflächenfeld Esp angenähert konstant wird, wenn das Verhältnis der Talsohle
d zur Dikke der Haibleiterunterlage w, d. h. d/w bestimmte Werte überschreitet (und
zwar solche Werte an den Punkten A, B, C und D für die jeweiligen Kurven). Das Mindestverhältnis
(d/w) min der Talsohle d und der Unterlagendicke w, d. h solche Werte an den Punkten
A, Bs G und D und die spezifische Dielektrizitätskonstante @ der Umgebungsat-Atmosphäre
um die Seitenoberfläche, so findet man, genügen der Beziehung
............. (2) worin der Logarithmus zur Basis 10 genommen ist. So wählt man
zum Herabdrücken der Oberflächenfeldstärke an der Seitenoberfläche der Halbleiterunterlage
von Seilrollenquerschnitt auf einen bestimmten Wert mit guter Reproduzierbarkeit
das Verhältnis der Talsohle d zur Unterlagendicke w, d. h. d/w so, daß die Gleichung
........... (3) erfüllt wird.
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Andererseits wurde gefunden, daß die Sandblasmethode, bei der Schleifpulver,
wie z. B. Aluminiumoxydpulver aus einer dünnen Düse gegen eine Unterlagenseitcnoberfläche
geblasen wird, zur Bildung einer Seitenoberfläche mit Seilrollenquerschnitt in der
Hinsicht am geeignetsten ist, daß sie eine gute Reproduzierbarkeit gewährleistet
Nach diesem Verfahren sind, bis die Talsohle d angenähert gleich der Unterlagendicke
w wird, sowohl die Reproduzierbarkeit als auch die Wirksamkeit gur, wenn jedoch
die Talsohle d größer als die Unterlagendicke w wird, ist die Reproduzierbarkeit
des Seilrollenquerschnitts schlechter, und außerdem werden solche Teile, wo die
Seitenoberfläche die Hauptoberflächen erreicht, sehr #ünn und mechanisch schwach
und können daher leicht brechen.
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Ein weiteres Vertiefen der Talsohle führt zu einer Verringerung der
Querschnittsfläche für den Stromfluß, und so gehen die guten Wirkungen der Verwendung
der Seilrollenquerschnitt-Abschrägungsstruktur anstelle des Doppelabschrägungsaufbaus
weitgehend verloren.
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Deshalb wählt man, wenn diese Seilrollenquerschnitt Abschrägungsstruktur
verwendet wird, das Verhältnis der Talsohlentiefe d zur Unterlagendicke w unter
Berücksichtigung der Reproduzierbarkeit, der Wirksamkeit und des Erhaltens eines
gewünschten Seilrollenquerschnitts mit einer ausreichend weiten Querschnittsfläche
für den Stromfluß vorzugsweise im Bereich d/w 5 1.
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Aufgrund vorstehender Überlegungen wählt man, wenn
man
in industriellem Maßstab Halbleiteranordnungen mit einer Halbleiterunterlage von
Seilrollenquerschnitt-Seitenoberflächenaufbau herstellt, das Verhältnis der Talsohlentiefe
des Seilrollenquerschnitts d zur Dicke einer Halbleiterunterlage w vorzugsweise
in dem Bereich
worin 6 die spezifische Dielektrizitätskonstante der At-Atmosphäre um die Seitenoberfläche
herum bedeutet Gemäß der vorstehend erläuterten Erfindung läßt sich eine Halbleiteranordnung
hoher Durchbruchsspannung und großer Stromkapazität im Verhältnis zur Abmessung
der Halbleiterunterlage schaffen. Z. B. ist bei der Fertigung eines Thyristors der
Durchbruchsspannung von 4000 V unter Verwendung einer Siliziumunterlage eines Durchmessers
von 40 mm und einer Dicke von 1 mm die Stromkapazität nach dem bekannten Zweistufenabschrägungsaufbau
350 Ag während sie nach dem erfindungsgemäßen Seilrollenquerschnitt-Abschrägungsaufbau
500 A, d. h. das 1,4fache gegenüber dem bekannten wird.
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Wenn die Durchbruchsspannung erhöht, d. h. die Dicke der Halbleiterunterlage
gesteigert wird, erweist sich der Unterschied in der Stromkapazität für die beiden
Fälle, d. h. die bekannte Anordnung einerseits und die erfindungsgemäße Anordnung'andererseits
noch größer.
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So lassen sich zur Herstellung von Halbleiteranords
nungen
mit bestimmter Du,rchbruchsspannung und Stromkapazität erfindungsgemäß kleinere
Halbleiterunterlagen verwenden, was zu einer Verringerung der Herstellungskosten
und gleichzeitig zu einem verbesserten Fertigungswirkungsgrad führt.
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Weiter wurde im Fall der Auslegung des Oberflächenaufbaus eines Halbleiterelementes
mit einer bestimmten hohen Durchbruchs spannung nach dem bekannten Aufbau nur der
Abschrägungswinkel verringert, um die Oberflächenfeldstärke herabzusetzen,während
nach dem erfindungsgemäßen Aufbau die Tiefe der Talsohle unter gleichzeitiger Berücksichtigung
der Dielektrizitätskonstante der Atmosphäre um die Seitenoberfläche bestimmt werden
kann. So läßt sich der Oberflächenaufbau unter Berücksichtigung des Herstellwirkungsgrades
vorteilhaft bestimmen, und dadurch läßt sich der letztere im Vergleich mit dem des
bekannten Aufbaus steigern, Fig. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel einer Halbleiteranordnung
mit einer Halbleiterunterlage des Seilrollenquerschnitt#Seitenflächenaufbaus ~der
der Beziehung der Gleichung (i) genügt, wobei Wendepunkte nahe der an die Oberfläche
tretenden PN-Übergangsoberflächen liegen.
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In Fig. 3 bezeichnen gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 gleiche Teile.
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Ein solcher Wendepunkt 132 ist nahe eines an die Seitenoberfläche
tretenden PN-Übergangs gebildet, und der Abschrägungswinkel an der Hauptoberflächenseite
ist größer als an der Tal seite ausgebildet.
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Wenn man die Sellrollenquerschnitte nach Fig. 1 und 3 vergleicht,
so ergibt sich, daß das Spitzenoberflächenfeld im Fall von Fig. 3 kleiner als das
nach Fig 1 gemacht werden kann. Dies kommt daher, daß in Fig. 1 der Maximalpunkt
des Oberflächenfeldes nur an dem Tal teil existiert, während nach Fig. 3 ein anderes
Maximum am Wendepunkt auftritt, von dem ein erheblicher Betrag von Spannung aufgenommen
wird Weiter ist auch die mechanische Festigkeit der Halbleiterunterlage im Fall
von Fig. 3 größer als nach Fig. 1. So ermöglicht der Aufbau nach Fig. 3 eine leichtere
mechanische Behandlung und führt zu einer besseren Ausbeute.
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Fig. 4 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Halbleiteranordnung
mit Seilrollenquerschnitt-Seitenoberfläche,die der Gleichung (1) genügt und mit
einer Schicht niedriger Dielektrizitätskonstante~6 und einer weiteren Schicht hoher
Dielektrizitätskonstante 7 bedeckt ist.
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Wie oben beschrieben wurde, ist die Oberfläche einer Halbleiterunterlage
aktiv und daher empfindlich gegenüber dem Einfluß der Umgebungsatmosphäre. So wird
allgemein die Oberfläche von Haibleiteranordnungen mit einem Dielektrikumsfilm,
wie z. B. Siliziumdioxyd oder Siliziumnitrid bedeckt, um den Oberflächenzustand
zu passivieren.
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In Leistungshalbleiteranordnungen ist außer der Passivierung der-Oberfläche
eine Vergleichmäßigung der Oberflächenfeldverteilung und Verringerung der Oberflächenfeldstärke
erforderlich.
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In der Beschreibung der Anordnungen nach Fig. 1 und 3 wurde-angenommen,
daß die dielektrische Festigkeit der Umgebungsatmosphäre größer als die Oberflächenfeldstärke
der Unterlage ist. In Anordnungen hoher Durchbruchsspannungen kann jedoch die-Umgebungsatmosphäre,
z. B. Luft, einen dielektrischen Durchschlag bewirken. Dann wird ohne Rücksicht
auf die Gestalt der Seitenoberfläche die Durchbruchsspannung der Anordnung allein
durch die elektrische Durchschlagsspannung der Atmosphäre bestimmt, und es wird
unmöglich, eine Anordnung mit einer höheren Durchbruchsspannung als der der umgebenden
dielektrischen Atmosphäre zu schaffen. Der leichteste Weg, dieses Problem zu lösen,
wäre die Anordnung der Halbleiteranordnung in einer Atmosphäre hoher dielektrischer
Durchschlagspannung oder die Abdeckung der Seitenoberfläche der Anordnung mit einem
dielektrischen Material hoher dielektrischer Durchschlagsspannung. Bei dem letzteren
Verfahren ist festzustellen, daß man einen Leckstrom durch die Unterlagenoberfläche
fließen lassen kann, wenn sie mit einem dielektrischen Stoff hoher dielektrischer
Durchschlagsspannung bedeckt ist. Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung löst dieses Problem.
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Und zwar ist zunächst eine Überzugsschicht 6 geringerer Dielektrizitätskonstange,
z. B. Siliziumdioxyd (spezifische Dielektrizitätskonstante 4,5), auf der Seitenoberfläche
der Halbleiterunterlage angebracht und dann ein Mantelteil 7 höherer Dielektrizitätskonstante,
z. B. eine Mischung von Bariumtitanat (spezifische Dielektrizitätskonstante 10 -
18) mit Silikongummi über der Überzugsschicht 6 so angeordnet, daß dadurch das Tal
des Seilrollenquerschnitts ausgefüllt ist. Die Überzugsschicht 6 wirkt zur Verringerung
des Leckstroms, und der Mantelteil 7
verringert die Oberflächenfeldstärke
und macht das Auftreten einer Raumentladung durch Verlängerung des Entladungsweges
schwierig.
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Vorstehend wurden nur Vierschicht-Dreianschluß-Haibleiteranordnungen
beschrieben, doch ist die Erfindung in keiner Weise auf solche Anordnungen beschränkt,
sondern läßt sich in gleicher Weise auch auf Halbleiteranordnungen anderer Art,
z. B. Vierschicht-Zweianschluß-Anordnungen anwenden.