DE1021891C2

DE1021891C2 - Halbleiterdiode fuer Schaltstromkreise

Info

Publication number: DE1021891C2
Application number: DE1956W0019922
Authority: DE
Inventors: William Shockley
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1955-11-22
Filing date: 1956-10-16
Publication date: 1958-06-12
Also published as: US2855524A; BE551952A; GB813862A; FR1157540A; CH349299A; NL99632C; DE1021891B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT 1021891

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG
DER ANMELDUNG
UND AUSGABE DER
AUSLEGE S CHRIFT:

AUSGABE DER
PATENTSCHRIFT:

kl. 21a¹ 36

INTERNAT. KL. H 03 k

16. OKTOBER 1956

2. JANUAR 19 5 8 12..JUNI 1958

STIMMT ÜBEREIN MIT AUSLE CESCHRIFT

1 021 891 (W 19922 VIII a / 21 a »)

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungen mit Halbleiterelementen und insbesondere auf solche Anordnungen, bei denen das Halbleiterelement zwei einander entgegengesetzte Impedanzzustände einnehmen und als Schalter betrieben werden kann.

Beim Betrieb einer Anzahl elektrischer Einrichtungen besteht bei Übertragungskanälen ein Bedürfnis für Verbindungselemente, die leicht und zuverlässig von einem Zustand der Impedanz, in dem sie im Übertragungweg eine hohe Dämpfung darstellen und den Strom im Übertragungsweg auf einen niedrigen Wert begrenzen, in einen Zustand mit niedriger Impedanz übergeführt werden können, in dem sie innerhalb des Übertragungsweges nur eine unmerkliche Dämpfung ergeben, so· daß verhältnismäßig große Ströme fließen können.

In Fernsprechwählanlageri beispielsweise wird allgemein eine Mehrzahl Kreuzungspunktschalter verwendet, mit deren Hilfe die Übertragungseigenschaften eines Übertragungsweges zwischen einer Anzahl möglicher Eingangs- und Ausgangsleitungen beeinflußt werden können. Insbesondere ist es in einigen kürzlich entwickelten bekannten Systemen dieser Art erwünscht, daß die zum Aufbau der Verbindungen durch die Wählschaltung zwischen ausgewählten Eingangs- und Ausgangsleitungen verwendeten Kreuzungspunktschalter auch einen Teil des Sprechweges bilden.

Am besten lassen sich die Prinzipien der Erfindung in bezug auf eine Ausführungsform beschreiben, bei der für solche Zwecke geeignete Kreuzungspunktschalter verwendet werden, obgleich natürlich die Schalter gemäß der Erfindung auch für eine Reihe anderer Anwendungsgebiete brauchbar sind.

Für die Verwendung in Fernsprechwählanlagen der genannten Art geeignete Schalter sollten Betriebseigenschaften aufweisen, die nicht nur von Schalter zu Schalter, sondern auch von einer Messung zur anderen am gleichen Schalter reproduzierbar sind. Weiterhin sollten solche Schalter einfach und relativ billig sein, da sie in großen Mengen benötigt werden. Außerdem sollten sie im Interesse hoher Schaltgeschwindigkeiten auf Kippsignale rasch ansprechen.

Es ist daher ganz allgemein Auf gäbe der Erfindung, einen Schalter zu schaffen, der den oben angeführten Anforderungen soweit als möglich entspricht. ■

Insbesondere sollen Wählanlagen dadurch verbessert werden·, daß ein Kfeulzungspunktseihial'ter vorgesehen ist, der sich für diese Schaltung besonders eignet.

Eine damit zusammenhängende Aufgabe besteht darin, einen Halbleiterschalter zu schaffen, der unempfindlich und zuverlässig ist, leicht hergestellt und auf einfache . Weise in ein Wählsystem eingeschaltet werden kann.

Halbleiterdiode für Schaltstromkreise

Patentiert für:

Western Electric Company,

Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 22. November 1955

William Shockley, Fullerton, Calif. (V. St. Α.),· ist als Erfinder genannt worden

Eine besondere Aufgabe der Erfindung ist es, einen zuverlässig arbeitenden Halbleiterschalter zu schaffen, der als einfache Zweipolvorrichtung ausgebildet ist und zum Betrieb nur wenige weitere Schaltelemente benötigt.

Um dies zu erreichen, wird ein Diodenschaltelement derart gemäß einem Merkmal der Erfindung aufgebaut, daß es einen Halbleiterkörper mit vier aneinanderstoßenden Zonen aufweist, wobei benachbarte Zonen jeweils von entgegengesetzter Leitfähigkeitsart sind und nur an den beiden außenliegenden Zonen elektrische Anschlüsse angebracht sind, während die dazwischenliegenden Zonen frei liegen.

Ein derartiges Diodenschaltelement ist vor allem ein Zweipol, der nur zwei elektrische Anschlüsse an dem Halbleiterkörper benötigt. Dies, ist ein wichtiger Gesichtspunkt, durch den sich das neue Element von bekannten Schaltern unterscheidet. Ein bekannter Schalter weist ebenfalls einen Halbleiterkörper mit vier aneinanderstoßenden Zonen auf, bei denen benachbarte Zonen jeweils die entgegengesetzte Leitfähigkeitsart aufweisen. Dieser Schalter benötigt jedoch vier elektrische Anschlüsse, einen für jede der vier Zonen -und die entsprechenden äußeren elektrischen Schaltelemente zwischen den Paaren von elektrischen Anschlüssen. Die Erhöhung der Gebrauchsfähigkeit, die sich durch das Wegfallen der, elektrischen Verbindungen nach den beiden in der

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Mitte liegenden Zonen des Halbleiterkörpers und der Alphawertes des Körpers mit zunehmender Stromdazugehörigen, äußeren Schaltelemente ergibt, läßt dichte.

sich noch besser würdigen, wenn man sich darüber Vor dem Kippen des in Sperrichtung vorgeklar wird, daß die dazwischenliegenden Zonen eines spannten, in der Mitte liegenden Gleichrichterübersolchen Körpers nur eine Dicke von Bruchteilen eines 5 ganges ist die Ladungsträgerdichte in dem Körper Millimeters aufweisen. Ferner ist es bedeutend ein- klein, und damit ist das innere Alpha jeder Zwischenfacher, Schalter mit identischen Eigenschaften herzu- zone ebenfalls klein, und das effektive Alpha des stellen, wenn diese Verbindungen nur mit den äußeren Halbleiterkörpers ist derart, daß sich ein Zustand Enden des Halbleiterkörpers hergestellt werden hoher Impedanz ergibt. Nach dem Kippen des damüssen und weitere äußere Schaltelemente nicht er- io zwischenliegenden Überganges ist die Ladungsträgerforderlich sind. ■ dichte in dem Körper hoch und damit auch das innere

Für einen Schalter gemäß der Erfindung ist es da- Alpha jeder der Zwischenzonen, welches zunimmt, bis her kennzeichnend, daß der dazu verwendete Halb- das effektive Alpha des Körpers den Wert 1 erreicht, leiterkörper so beschaffen ist, daß der Kippvorgang An diesem Punkt angekommen, geht der Körper rasch eine Änderung der effektiven Stromverstärkung Alpha 15 in einen Zustand niedriger Impedanz über. Sind die des Halbleiterkörpers von einem Wert kleiner als 1 inneren Alphas der beiden Zwischenzonen einmal auf einen Wert gleich 1 ergibt, wobei die effektive groß und fließt ein beträchtlicher Strom, dann läuft Stromverstärkung Alpha des Halbleiterkörpers defl- der Vorgang von selbst weiter, und die Diode verniert ist als die Summe der inneren Alphas der beiden bleibt in ihrem Zustand niedriger Impedanz.
Zwischenzonen und wobei das eigentliche Alpha jeder 20 In einer beispielsweisen Ausführungsform der Er-Zwischenzone definiert ist als das Verhältnis der findung ist ein PNPN-monokristalliner Silizium-Stromänderung über dem Kollektorübergang der Zone körper dargestellt, der lediglich an seinen beiden Endzu der Stromänderung über dem Emitterübergang der zonen elektrische Anschlüsse für die Halbleiterdiode Zone, wenn das Potential über dem Kollektorübergang aufweist. Der Körper hat dabei ein effektives Alpha, konstant gehalten wird. 25 das von der Stromdichte in dem Körper abhängt und

Ein Halbleiterkörper der beschriebenen Art zeigt das gegen 1 geht, wenn diese Stromdichte einen vorzwischen den beiden Anschlüssen an den Enden eine bestimmten Wert erreicht. Mit der Halbleiterdiode hohe Impedanz, wenn sein effektives Alpha kleiner ist verbunden ist eine äußere Schaltung mit einer Spanais 1, und eine niedrige Impedanz, wenn der Effektiv- nungsquelle zum Vorspannen der dazwischenliegenden wert von Alpha gleich oder größer als 1 wird. 30 Gleichrichterschicht in Sperrichtung. Ein Schalten

Für den Betrieb als Schalter wird zwischen den oder Kippen des Schalters wird erzielt, indem die beiden äußereiiAnschlüssen des beschriebenen Körpers Stromdichte in dem Körper unter Einfluß einer eine Spannung angelegt, deren Polarität so gewählt Signalinformation geändert wird,
ist, daß der Gleichrichterübergang zwischen den Die Erfindung wird besser verständlich/ an Hand beiden Zwischenzonen in Sperrichtung vorgespannt 35 der Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichwird. Dann zeigt das Schaltelement, bevor es gekippt nungen. Dabei zeigt

wird, zwischen den beiden äußeren Anschlüssen die Fig. 1 eine Schaltungsanordnung mit einem Schalter

Impedanz eines in Sperrichtung vorgespannten gemäß der Erfindung,

Gleichrichterübergangs, welche normalerweise sehr Fig. 2 ein Diagramm mit der Strom-Spannungshoch ist. Gewöhnlich wird das Schaltelement in seinen 40 Kennlinie des Schalters nach Fig. 1 und
Zustand niedriger Impedanz durch zeitweilige Er- Fig. 3 schematisch eine einfache Fernsprechwählhöhung der an den beiden Klemmen liegenden Span- schaltung unter Verwendung der erfindungsgemäßen nung auf einen über einem vorbestimmten Kipp- Schalter an Kreuzungspunkten.

Potential liegenden Wert, wodurch sich in der in In Fig. Γ ist ein Diodenelement 11 in Reihe mit Sperrichtung vorgespannten Gleichrichterschicht ein 45 einer Spannungsquelle 12a, einer Steuerspannungs-Kippen ergibt und damit eine rasche Abnahme der quelle 12 b und einer Verbrauchereinrichtung geImpedanz, die das Element zwischen seinen beiden schaltet, die schematisch durch einen Widerstand 13 Klemmen aufweist. Dieser Zustand niedriger Im- dargestellt ist, dessen Widerstandswert bezüglich des pedanz dauert so lange an, wie die anliegende Span- Serienwiderstandes der Diode hoch ist, wenn 'diese nung ausreicht, um einen Haltestrom vorbestimmter 50 sich in ihrem Zustand niedriger Impedanz befindet.
Größe durch den Halbleiterkörper fließen zu lassen. Das Diodenelement enthält vier aufeinanderfolgende In einem derartigen Zustand niedriger Impedanz ist Zonen 14, 15, 16 und 17, wobei benachbarte Zonen die zur Aufrechterhaltung .eines derartigen Stromes entgegengesetzte Leitfähigkeitsart aufweisen, wodurch erforderliche Spannung wesentlich kleiner -als die sich der dargestellte PNPN-Aufbau mit den Gleichzum Einleiten des Kippvorganges erforderliche 55 richterübergängen 18, 19 und 20 ergibt. Die Elek-Spannung. troden 14» und 17 ο liefern eine Verbindung mit

Das eben beschriebene Verhalten ist auf die Tat- kleinem Übergangswiderstand nach den beiden Endsache zurückzuführen, daß der Impedanzzustand des zonen 15 und 17. An diesen Elektroden werden die Elements vom effektiven Wert von Alpha des Halb- elektrischen Verbindungen für die Endzonen angeleiterkörpers abhängt, welcher sich aus der Summe 60 schlossen. Die beiden Zwischenzonen liegen frei und der Alphas der beiden Zwischenzonen ergibt, wobei besitzen keine elektrischen Anschlüsse,
die Werte der Alphas der Zwischenzonen von der Der Halbleiterkörper besteht vorzugsweise aus einHöhe der Ladungsträgerdichte in den verschiedenen kristallinem Silizium. Die besonderen Einzelheiten Zonen des Halbleiterkörpers abhängig gemacht eines Herstellungsverfahrens für Halbleiterelemente werden. Da eine Zunahme der Lebensdauer der 65 dieser Art werden später beschrieben.
Ladungsträger mit einer Zunahme der Stromdichte Wie in Fig. 1 gezeigt, ist die Spannungsquelle 12 a in irgendeinem Bereich das Alpha für die benachbarte derart angeschlossen, daß sie für den Gleichrichter-Zone vergrößert, ergibt eine Vergrößerung der übergang 19 eine Vorspannung in Sperrichtung Lebensdauer mit einer gleichlaufenden Vergrößerung liefert. Die von der Spannungsquelle 12a gelieferte der Ladungsträgerdichte eine Erhöhung des effektiven 70 Spannung wird ausreichend klein gehalten, so daß ein

Kippen des Übergangs 19 im normalen Ruhezustand des Elementes 11 unmöglich ist.

Es wurde festgestellt, daß der Kurzschlußstrom durch das Diodenelement 11 annähernd durch die Formel

a₂)

gegeben ist, wobei I_c0 der Sättigungsstrom in Sperr richtung über den Übergang 19 ist, wenn die Übergänge 18 und 20 durch nicht inj izieren.de Verbindungen kurzgeschlossen, sind,, und wobei O₁ und a₂ die Alphas der Zwischenzone 15 bzw. 16 sind. Das Element 11 ist so beschaffen, daß mindestens eine der Zwischenzoiien ein inneres Alpha aufweist, das mit. zunehmender Ladungsträgerdichte größer wird. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß mindestens eine. Zone vorgesehen ist, in'der die Lebensdauer der Ladungsträger mit zunehmender Ladungsträgerdichte zunimmt. Es ist weiterhin wichtig, daß die inneren Alphas der zwei Zwischenzonen bei niedrigen Ladungsträgerdichten klein sind. Wird diese Bedingung erfüllt, dann sind vor dem Kippen des Überganges 19 die inneren Alphas der beiden Zwischenzonen und das Alpha des Körpers klein, wenn der Sättigungsstrom in Sperrrichtung klein und, die Ladungsträgerdichte in dem Körper gering ist. Als Folge davon fließt durch das Element nur ein kleiner Strom, so daß das Element in der Schaltung im wesentlichen als geöffneter Schalter wirkt.

Zum Schließen des Schalters und damit ein beträchtlicher Strom in der Schaltung fließen kann, wird der über dem Diodenelement 11 liegenden Spannung aus der Spannungsquelle 12ο ein Spannungsimpuls überlagert, der aus der Steuerquelle 12& kommt und eine so ausreichende Amplitude besitzt, daß die sich über dem Diodenelement ergebende Spannung ausreicht, um.den Übergang 19 zu kippen. Bei geeignetem Aufbau des Körpers gemäß bekannten Prinzipien kann die Kippspannung auf einen gewünschten Wert eingestellt werden. Für das Kippen in einem Siliziumkörper ist eine Spannung von etwa 30' Volt üblich.

Nach dem Kippen ist die Stromdichte in dem Körper hoch, und demgemäß nehmen die inneren Alphas der Zwischenzonen zu, bis das effektive Alpha des Körpers den Wert 1 erreicht. Bei diesem Punkt fällt das Potential über dem mittleren Übergang 19 entweder auf den Wert 0 oder kehrt sein Abzeichen um, und die Impedanz des Elementes wird im wesentlichen die eines PN-Überganges in seiner Durchlaßrichtung. Unter diesen Umständen wird der maximale Strom, der in der Schaltung fließen wird, in erster Linie durch die angeschlossene Schaltung bestimmt.

Wie bereits erwähnt, ist es möglich, den Kippzustand des Diodenelementes mit einer Spannung aufrechtzuerhalten, die wesentlich kleiner ist als die zum Einleiten des Kippzustandes erforderliche Spannung.

In Fig. 2 ist die über den Klemmen des Diodenelementes . auftretende Spannung über dem in der Schaltung nach Fig. 1 flie:ßenden Strom aufgetragen. In der Schaltung fließt, entsprechend dem Zustand hoher Impedanz des Elementes 11., ein kleiner Strom, bis die Kippspannung V₁ erreicht ist. Dann folgt ein unstabiler Bereich mit negativem Widerstand in der Spannungs-Strom-Kennlinie. Anschließend folgt ein Bereich, in dem bei einem großen Strom nur eine kleine Spannung über dem Element auftritt, was dem Zustand niedriger Impedanz des Schaltelementes entspricht. In diesem Bereich fällt der größte Teil der durch die Spannungsquelle angelegten Spannung über der mit dem Element verbundenen Schaltung ab.

Nach Einleiten des Kippvorganges wird der Kippzustand aufrechterhalten, wenn über dem Element eine ausreichende Spa-nnung aufrechterhalten wird, die das Fließen eines »Brenn«-Stromes sicherstellt. Wird die angelegte Spannung unter diesen Wert V₅ erniedrigt, dann geht das Element in seinen. Zustand hoher Impedanz zurück und verbleibt in diesem Zustand, bis die

!ο das Kippen einleitende Spannung V₁ erneut erreicht wird.

Demgemäß ist die Steuerquelle 12b zum Wiederherstellen des Zustandes hoher Impedanz des Elementes eingerichtet und kann Impulse einer derartigen Polarität liefern, daß die . über dem Element 11 liegende resultierende Spannung kleiner ist als die »Brenn«-Spannung. Andererseits kann das Element 11 durch Öffnen des Stromkreises oder durch anderweitiges Herabsetzen des in, dem Element fließenden Stromes unter einen zum Aufrechterhalten des.Kippzustandes erforderlichen Wert von seinem Zustand niedriger Impedanz aus in seinen Zustand hoher Impedanz zurückgeführt werden.

Für die beschriebene Arbeitsweise ist es wichtig, daß das effektive Alpha, des Körpers von einem niedrigen Wert bei kleiner Ladungsträgerdichte zu einem hohen Wert bei hoher Ladungsträgerdichte zunimmt. Es wurde festgestellt, daß die aus einkristallinem Silizium in'der später beschriebenen Weise her gestellten Körper diese Eigenschaften besonders ausgeprägt zeigen. Es wird angenommen, ohne daß diese Erklärung als Einschränkung aufgefaßt werden soll, daß diese Erscheinung in der Hauptsache auf zwei Faktoren zurückzuführen ist. Einmal wird vermutet, daß eine Oberflächenableitung existiert, die als Parallelweg wirkt, wenn bei hoher Impedanz des Emitterüberganges nur wenige Ladungsträger eingeführt werden. Die Wirkung dieses Parallelweges wird bei hohen Minderheitsladungsträgerdichten verringert, wenn die Impedanz des Emitterüberganges klein ist. Der über diesem Parallelweg fließende Strom verringert das innere Alpha der dazwischenliegenden Zone dadurch, daß er deren Emitterübergang umgeht. Weiterhin wird angenommen, daß in dem ganzen Körper, mindestens aber in einer Zone, Rekombinationszentren vorhanden sind, wobei sich^: durch diese Zentren eine ununterbrochene Rekombination einer bestimmten Anzahl der injizierten Minderheitsladungsträger ergibt, wobei die Zone nach und nach mit zunehmender Stärke der Injektion in die Sättigung übergeht, wodurch diese Rekombinationszentren bei hohem Injektionspegel einen verminderten Gesamteinfluß ausüben. Material mit derartigen Eigenschaften weist daher eine Lebenszeit der Ladungsträger auf, die mit zunehmendem Injektionspegel zunimmt. Gleichgültig, welche Ursachen tatsächlich maßgebend sind, ein Material mit diesen erwünschten Eigenschaften ist leicht erhältlich. Das Vorhandensein dieser Eigenschaften läßt sich auch ohne weiteres durch einfache, dem Fachmann bekannte Messungen feststellen. Ferner sind eine Beimischung von Eisen oder eine plastische Deformation bekannte Verfahren, zur Einführung von Rekombinationszentren in Silizium.
Es ist auch möglich, Licht oder andere! Mittel zur Bildung von Elektronen-Löcher-Paaren zu verwenden, die die Schaltinformation für den Kippvorgang bilden können. Auf den in der Mitte liegenden Gleichrichterübergang 19 des Diodenelementes 11 in der Schaltung nach Fig. 1 auffallendes Licht ergibt die Bildung von Löcher-Elektronen-Paaren, die den in Sperrichtung

fließenden Dunkel-Sättigungsstrom vergrößern und demgemäß die Stromdichte in dem Körper ebenfalls erhöhen. Ist die Lichtintensität derart, daß die Stromdichte derart ausreichend erhöht wird, daß das effektive Alpha des Körpers den Wert 1 erreicht, dann wird das Diodenelement vor seinem Ruhezustand hoher Impedanz aus in seinen Zustand niedriger Impedanz gekippt. Es. bleibt in diesem Zustand, selbst wenn das Licht nicht mehr auftrifft, bis der durch das Element fließende Strom unter dem Wert des Brennstromes verringert wird, beispielsweise durch Unterbrechen des äußeren Stromkreises oder auf eine andere Art, durch die die über den Klemmen des Elementes liegende Spannung unter die Brennspannung herabgesetzt wird. Eine Vorrichtung dieser Art ergibt einen stabilen, aber empfindlichen Fotoschalter, der in seinem Zustand niedriger Impedanz hohe Ströme fließen lassen kann. Daher kann die Vorrichtung in einer lichtempfindlichen Steuereinrichtung mit einer sehr kleinen Menge zusätzlicher Schalteinrichtungen verwendet werden.

Ein typisches Element der beschriebenen Art wird wie folgt hergestellt. Das Silizium wird aufbereitet durch die Zinkreduktion von Siliziumtetrachlorid und wird anschließend in einem Quarztiegel' in einem Hochfrequenzinduktionsofen unter Verwendung eines Suszeptors aus Graphit geschmolzen. Aus dieser Schmelze wird ein monokristallines Siliziumblöckchen gezogen. Insbesondere hat bei dem Ziehverfahren der Kristallkeim, der zum Einleiten des Ziehvorganges verwendet wurde, eine Ausrichtung in der Richtung 1-1-1, und die Ziehgeschwindigkeit wird allmählich von 0,5 mm je Sekunde bis 0,025 mm je Sekunde geändert, um den Kristalldurchmesser über den größeren Teil der Kristallänge im wesentlichen gleichmäßig zu halten. Während des Ziehvorganges wird der Kristallkeim mit etwa zwölf Umdrehungen je Minute gedreht. Die Atmosphäre, in der der Kristall gezogen wird, besteht im wesentlichen aus Helium. Die Siliziumschmelze wird vor Beginn des Ziehvorganges mit arsenhaltigem Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 0,04 Ohm · cm versetzt, um dem gezogenen Kristall eine η-Leitfähigkeit zu geben.

Nach Herstellen des monokristallinen Siliziumblöckchens wird eine Diamantsäge zum Absägen eines kleinen Plättchens verwendet, das mit Siliziumkarbidschmirgel auf ein Plättchen von 2,5 mm im Quadrat und 0,5 mm 'Dicke abgeschliffen wird. Das Plättchen wird dann zum Entfernen beschädigter Obefflächenteile kurz in einer Mischung aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure in bekannter Weise geätzt. Das sich ergebende Plättchen weist η-Leitfähigkeit mit einem spezifischen Widerstand von 2,5 Ohm ·' cm auf.

Anschließend wird das Siliziumplättchen in einer Quarzröhre in einer Heliumatmosphäre von etwa 1 Mikron Quecksilbersäule Druck zusammen mit etwas Antimonoxyd dicht verschlossen. Die Quarzröhre wird auf eine Temperatur von 1260° C für etwa IV4 Stunden erhitzt. Die Röhre wird dann abgekühlt und aufgebrochen, das Plättchen herausgenommen und in einer neuen Quarzröhre in einer HeliumatmO'Sphäre mit einem Druck von 1 Mikron Quecksilbersäule zusammen mit etwas metallischem Aluminium dicht verschlossen. Die Röhre wird dai?n für 20 Minuten bei 1260° C erhitzt und anschließend zum Herausnehmen des Plättchens aufgebrochen.

Die beiden Erwärmungsvorgänge liefern eine NPNPN-Struktur, deren mittlere η-leitende Zone bei weitem die dickste ist, da weder das Aluminium noch das Antimon mehr als den Bruchteil eines Hundertstel eines Millimeters eindiffundieren. Unter den beschriebenen Bedingungen hat Antimon eine höhere Löslichkeit in dem Siliziumplättchen, als Aluminium, jedoch eine kleinere Diffusionsgeschwindigkeit. Daher dringt das beim zweiten Arbeitsschritt eindiffundierende Aluminium tiefer in das Plättchen ein als das zuerst eingeführte Antimon, und der Unterschied in den Eindringtiefen stellt im wesentlichen die Dicken der p-leitenden Zonen her, während die Eindringtiefe von Antimon im wesentlichen' die Dicken der n-leitenden Endzonen liefert.

Das Siliziumplättchen wird anschließend in einem geeigneten Behälter befestigt, und es wird ein Aluminiumfilm auf einer Fläche von 0,05 · 0,15 mm auf der breiten Fläche bis zu einer Dicke von etwa 50' 000' Ängströmeinheiten aufgedampft. Die Dicke des aufgedampften Films wird derart gewählt, daß bei dem folgenden Legierungsschritt das Aluminium nicht vollständig durch die darunterliegende η-leitende Zone

ao hindurchdringen kann. Das Plättchen wird dann aus dem Behälter herausgenommen und in einen. Vakuumofen eingebracht. Das niedergeschlagene Aluminium wird anschließend mit dem Plättchen legiert, und zwar durch einen Wärmezyklus, der ein allmähliches Anheben der Temperatur über etwa 10' Minuten des Ofens auf 850° C, das Halten dieser Temperatur für weitere 10 Minuten und das allmähliche Absenken dieser Temperatur auf Zimmertemperatur während weiterer 10 Minuten umfaßt. Das Ergebnis dieses Legierungsvorganges ist die Bildung einer p-leitenden Oberflächenzone auf der entsprechenden Oberfläche des Körpers. Dementsprechend weist das Plättchen einen PNPNPN-Auf bau auf, wobei wiederum die mittlere η-leitende Zone bei weitem die dickste ist. Bei dieser Struktur sollte die aluminiumlegierte, p-leitende . Oberflächenzone des Körpers die eine Endzone der gewünschten Struktur ergeben und die Masse der η-leitenden Zwischenzone die andere Endzone. Zu diesem Zweck wird die dem aluminiumlegierten Teil entsprechende Fläche der Oberfläche und der unmittelbar benachbarte Bereich mit Wachs abgedeckt, und die Oberfläche des Körpers wird durch Eintauchen des Plättchens in. eine Mischung aus Salpetersäure und Fluorwasserstoffsäure geätzt. Durch diese Behandlung werden die nicht benötigten p- und η-leitenden Zonen abgeätzt,, und, die Masse der η-leitenden Zone wird freigelegt. Das Wachs wird dann von der aluminiumlegierten Oberflächenzone entfernt und ein elektrischer Anschluß daran befestigt. In der Praxis wurde festgestellt, daß für eine Verbindung mit niedrigem Widerstand am besten ein Wolframdraht geeignet ist, der mit einem bestimmten Kontaktdruck angepreßt wird. Zum Herstellen eines elektrischen Anschlusses an die Masse der η-leitenden Zone wird ein mit einer Gpld-Antimon-Legierung überzogener Streifen an diese Zone anlegiert. Es ist natürlich auch möglich, eine elektrisch leitende Verbindung der sonst üblichen Art an der Oberfläche von p- und η-leitenden Zonen herzustellen.

Die Dicke der verschiedenen Zonen des beschriebenen PNPN-Elementes sind ungefähr 0,0025, 0,0013, 0,0038 bzw. 0,483 mm.

Zahlreiche andere Verfahren lassen sich zum Herstellen eines PNPN-Körpers verwenden. Das beschriebene Verfahren kann z. B. dahingehend abgewandelt werden, daß an Stelle des Schrittes zum .Einlegieren von Aluminium die Diffusion, von Bor in einen Teil der Oberfläche des Körpers zur Bildung einer p-leitenden Endzone verwendet wird. In diesem Fall werden die Parameter dieses Diffusionsschrittes so gewählt,

daß das Bor in die mit Antimon angereicherte Zone nur so weit eindringt, daß die gewünschte p-leitende Endzone gebildet wird, und daß die Leitfähigkeitsart in dem Eindringbereich umgekehrt wird.

Es wurde jedoch in der Praxis festgestellt, daß der Serienwiderstand des Diodenelementes in seinem Zustand niedriger Impedanz hauptsächlich durch den Ohmschen Widerstand der beiden. Endzonen bestimmt wird. Dementsprechend ist es zum Niedrighalten dieses Serienwiderstandes erwünscht, das Diodenelement so aufzubauen, daß sich ein niedriger Widerstand der Endzonen ergibt.

Zu diesem Zweck kann ein anderes Verfahren zur Herstellung einer geeigneten PNPN-Struktur verwendet werden, wobei ein p-leitendes Plättchen geinommen wird, das auf die gleiche Art wie oben hergestellt wird. Das Plättchen wird dann in Gegenwart eines Antimonoxyddampfes zur Bildung einer mit Antimon angereicherten η-leitenden Schicht auf dem Körper erhitzt. In die Oberfläche dieses Körpers wird dann bei einem zweiten Erhitzungsschritt Bor eindiffundiert, um die Oberfläche des Körpers in p-leitendes Material umzuwandeln, ohne daß dabei die darunterliegende, mit Antimon angereicherte Zone vollständig durchdrungen wird. Dann werden die Kanten dieses Körpers und die rückwärtige Fläche abgeätzt, so daß sich eine PNPN-Struktur ergibt, bei der die p-leitende Endzone mit Bor und die n-leitende Endzone mit Antimon angereichert sind.

Außerdem kann das zuletzt beschriebene Verfahren dahingehend abgewandelt werden, daß an Stelle der Bordiffusion ein Verfahrensschritt zum Einlegieren von Aluminium zurB.ildung einer p-leitenden Endzone verwendet wird.

In Fig. 3 ist ein stark vereinfachtes Fernsprechsystem mit einem Wählnetzwerk dargestellt, das Halbleiterdioden der beschriebenen Art als im Sprechweg liegende Kreuzungspunktschalter verwendet. Mit Kreuzungspunkten arbeitende Wählnetzwerke sind an sich bekannt. Kurz gesagt, weist ein derartiges Netzwerk Einrichtungen auf, durch die eine Mehrzahl von eine Information abgebenden Stationen in Nachrichtenverbindung mit einer anderen Mehrzahl solcher Stationen gebracht werden kann, und zwar durch die wahlweise Betätigung eines oder mehrerer Kreuzungspunktschalter, die zwischen diesen Stationen eingeschaltet sind. In Fig. 3 sind die Teilnehmerstationen 21, 22, 23 und, 24 jeweils über die zugeordneten Teilnehnierschleifen 25, 26, 27, 28 an ein. mit Kreuzungspunkten arbeitendes Wählnetzwerk 33 angeschlossen, wobei diese Schleifen die Primärwicklungen der Übertrager 29, 30, 31 bzw. 32 enthalten.

Um die Erläuterung eines mit Kreuzungspunkten arbeitenden Wählnetzwerkes zu erleichtern, ist dieses Netzwerk nur mit einer einzigen Stufe mit vier Kreuzungspunkt-Schaltstromkreisen dargestellt, die es ermöglichen, daß jede der Teilnehmerstationen 21, 22 mit jeder der Unterstationen 23 und 24 verbunden werden kann. In Wirklichkeit ist eine wesentliche größere Anzahl mit Kreuzungspunkten arbeitender Wählstromkreise üblich, um Verbindungswege zwischen ausgewählten Paaren einer großen Anzahl von Teilnehmerstationen herzustellen. Weiterhin ist das Kreuzungspunkt-Wählnetzwerk gewöhnlich in einem zentral gelegenen Amt oder in einem abgelegenen Amt zwischen den Teilnehmerstationen und einem Zentralamt untergebracht.

Das der Erläuterung dienende Wählnetzwerk 33 enthält einen ersten Übertragungsstromkreis mit einer in Reihe geschalteten Potentialquelle 34, einem Widerstand 35, einem Schalter 36, die Sekundärwicklung eines Übertragers 29, eine Halbleiterdiode 37 der beschriebenen Art, die Sekundärwicklung des Übertragers 30, einen Schalter 38, einen Widerstand 39 und eine Potentialquelle 40.

Das Kreuzungspunkt-Wähinetzwerk enthält ferner einen zweiten Übertragungsstromkreis, der ähnlich aufgebaut ist wie der eben beschriebene Stromkreis und der in Reihenschaltung eine Potentialquelle 45, einen Widerstand 46, einen Schalter 47, die Sekundärwicklung des Übertragers 31, ein Halbleiterdiodenelement 48, die Sekundärwicklung des Übertragers 32, einen Schalter 49, einen Widerstand 50 und eine Potentialquelle 51 aufweist. Zwischen den Klemmen 53 und 54 ist ein Halbleiterdiodenelement 52 und zwischen den Klemmen 55 und 56 ist ein Halbleiterdiodenelement 57 angeschlossen.

Die Polaritäten der Potentialquellen 34, 40, 45 und 51 sind wie dargestellt, so daß die an den Halbleiterdiodenelementen, angelegten. Potentiale die dazwischenliegenden Gleichrichterübergänge in jeder Diode in Sperrichtung vorspannen.

Beim Betrieb der beschriebenen Anlage kann eine der Teilnehmerstationen 21 oder 22 mit jeder der Teilnehmerstationen 23 und 24 durch Betätigung des .entsprechenden Schaltstromkreises verbunden werden. Sind, beispielsweise alle Schalter 36, 38, 47 und 49 offen, dann liegen über den Halbleiterdiodenelementen keine Potentiale, so daß die Teilnehmerstationen voneinander getrennt sind. In der Praxis wird die Rolle dieser Schalter durch Markierimpulse der in der Fernsprechwähltechnik üblichen Art übernommen. Zur Verbindung der Teilnehmerstation 21 mit der Teilnehmerstation 23 werden die Schalter 36 und 38 geschlossen, wodurch die Summe der Potentiale der Quellen 34 und 40 an dem Halbleiterdiodenelement 37 anliegt, wobei diese Summe ausreicht, um ein Kippen des dazwischenliegenden Gleichrichterüberganges des Diodenelementes 37 einzuleiten. Daher wird diese Diode von ihrem Ruhezustand hoher Impedanz in ihren Zustand niederer Impedanz gekippt, und zwischen den beiden Teilnehmerstationen 21 und 23 wird ein Verbindungsweg mit geringer Dämpfung geschaffen. In gleicher Weise kann eine Verbindung zwischen der Teilnehmerstation 21 und der Teilnehmerstation 24 durch Schließen der Schalter 46 und 49 hergestellt werden. AVeiterhin kann die Station 22 mit jeder der Stationen 23 bzw. 24 in analoger Weise verbunden \verden.

Es leuchtet ein, daß das Halbleiterdiodenschaltelement, das insbesondere im Zusammenhang mit Kreuzungsp-unkt-Wählnetzwerken betrieben wurde, mit Vorteil in einer großen Anzahl von Netzwerken verwendet werden kann, bei denen ein Bedürfnis für einen zuverlässigen, stabilen und schnell arbeitenden Schalter besteht.

Ferner ist es klar, daß das Element auch aus anderem Halbleitermaterial als Silizium hergestellt werden kann. Dabei können Germanium, Germanium-Silizium-Legierungen und andere Verbindungen von Elementen der Gruppe III mit Elementen der Gruppe V des Periodischen Systems der Elemente verwendet werden, wenn die Zwischenzonen der Halbleiterkörper derart ausgebildet werden, daß ihre Alphawerte in der beschriebenen Weise sich ändern.

Claims

Patentansprüche:

1. Halbleiterdiode für Schaltstromkreise mit einem Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen, bei welchem benachbarte Zonen eine

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entgegengesetzte Leitfähigkeitsart aufweisen, .dadurch gekennzeichnet, daß zwei in der Mitte liegende Zonen innere Alphawerte aufweisen, die mit wachsender Stromdichte zunehmen, und daß die elektrische Verbindung mit jeder der beiden Endzonen hergestellt und eine Potentialquelle zwischen diesen Verbindungen nach den Endzonen angelegt und so gewählt wird, daß durch zugeführte Informationssignale der Injektionspegel von Minderheitsladungsträgern in die beiden Zwischenzonen der Diode und damit die Impedanz der Diode gesteuert wird.

2. Halbleiterdiode¹ nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der beiden inneren Alphawerte der benachbarten Zwischenzonen über einen Bereich von Stromdichten im wesentlichen kleiner als 1 ist und bei höheren Stromdichten den Wert 1 erreicht.

3. Halbleiterdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Diode aus Silizium besteht und daß die vier aufeinanderfolgenden Zonen einePNPN-Leitfähigkeit aufweisen.

4. Halbleiterdiode nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Potentialquelle eine Gleichstrom-Vorspannungskomponente liefert, die eine Sperrspannung an den Körper anlegt, die kleiner als die kritische. Sperrspannung des Körpers ist, wobei dieser Spannung eine veränderbare Komponente überlagert wird, derart, daß die Summe der Vorspannungskomponente und der veränderbaren Komponente des Potentials zeitweilig größer ist als die kritische Sperrspannung.

5. Halbleiterdiode nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren Körper eine kritische Sperrspannung aufweist und bei der der Körper in seinen Zustand niedriger Impedanz übergeht, der durch einen kritischen Brennstrom aufrechterhalten werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtungen eine Potentialquelle zum Anlegen einer Sperrspannung an den Körper aufweisen, welche momentan größer als die kritische Sperrspannung ist, und daß anschließend der Körper in seinen Zustand niedriger Impedanz übergeht und ein Strom durch den Körper aufrechterhalten wird, welcher mindestens so- groß ist wie der kritische Brennstrom, und zwar so lange, als der Körper in seinem Zustand niedriger Impedanz gehalten werden soll.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

ti 709 847/115 12.57

■' (809 543/214 6.58)