DE1281584B - Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkoerper aus Silizium oder Germanium mit einem oder mehreren diffundierten PN-UEbergaengen - Google Patents

Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkoerper aus Silizium oder Germanium mit einem oder mehreren diffundierten PN-UEbergaengen

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DE1281584B
DE1281584B DEG39696A DEG0039696A DE1281584B DE 1281584 B DE1281584 B DE 1281584B DE G39696 A DEG39696 A DE G39696A DE G0039696 A DEG0039696 A DE G0039696A DE 1281584 B DE1281584 B DE 1281584B
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semiconductor
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angle
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Robert Llewellyn Davies
Gerald Charles Huth
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General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Int. CL:
HOIl
Deutsche KL: 21g-11/02
Nummer: 1281584
Aktenzeichen: P 12 81 584.8-33 (G 39696)
Anmeldetag: 25. Januar 1964
Auslegetag: 31. Oktober 1968
Im allgemeinen kann ein PN-Übergang zwischen zwei Zonen von entgegengesetztem Leitungstyp in der einen Stromrichtung eine hohe Impedanz und in der entgegengesetzten Richtung eine geringe Impedanz darstellen. Demgemäß spricht man von einem Sperrbereich und von einem Durchlaßbereich. Handelt es sich um einen Halbleiterkörper, bei dem auf der einen Seite des PN-Ubergangs ein Überschuß an freien Elektronen (N-Leitung) und auf der anderen Seite des PN-Ubergangs ein Überschuß an positiven Löchern (P-Leitung) vorliegt, dann tritt bei Polung in Sperrichtung in dem Bereich, der den PN-Übergang umgibt, dem sogenannten Verarmungsbereich, ein Mangel an freien Elektronen und positiven Löchern auf.
Die meisten Halbleiterbauelemente dieser Art können nur relativ kleine Sperrspannungen aushalten, obwohl das Bauelement im Innern an sich viel größere Sperrspannungen vorübergehend oder im Dauerbetrieb vertragen könnte. Das ist darauf zurückzuführen, daß der Durchschlag zuerst im Bereich des an die Oberfläche tretenden Randes des Übergangs stattfindet, und man nennt daher die bekannten Halbleiterbauelemente mit dieser Eigenschaft »oberflächen-, begrenzte« Halbleiterbauelemente; als Durchbruchsspannung in Sperrichtung wird diejenige Spannung bezeichnet, bei der der gesperrte PN-Übergang seine hohe Impedanz verliert.
Die Tatsache, das die meisten Halbleitergleichrichter oberflächenbegrenzt sind, bedeutet eine starke Beeinträchtigung ihrer Brauchbarkeit.
Die Instabilität der Halbleitergleichrichter ist häufig darauf zurückzuführen, daß sich der Zustand der Halbleiteroberfläche ändert. Es ist aber sehr viel schwieriger, die Oberflächenbedingungen eines Materials zu steuern, als dessen Eigenschaften im Inneren zu beeinflussen.
Wie bekannt ist, werden oberflächenbegrenzte Halbleitergleichrichter schon durch kurzzeitige Spannungsspitzen in Sperrichtung zerstört, bei denen nur einige Watt Leistung verbraucht werden. Der Oberfiächenstrom in Sperrichtung findet nämlich infolge der Spannungsspitzen einige mikroskopisch kleine Risse, auf die er sich konzentriert. Die Risse treten gewöhnlich nur an dem an die Oberfläche tretenden Rand des PN-Ubergangs in Erscheinung. An diesen winzigen Stellen kann jedoch ein Bruchteil eines Watts als konzentrierte Hitze ausreichen, um unabhängig von der Größe des Halbleitergleichrichters eine Schmelze zu bilden und die Sperrfähigkeit des Halbleitergleichrichters zu zerstören. Das Problem der Sperrspannung ist so schwerwiegend, daß eine Belastung in Sperr-Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus Silizium oder Germanium mit einem oder
mehreren diffundierten PN-Übergängen
Anmelder:
General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter:
Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
6000 Frankfurt 1, Parkstr. 13
Als Erfinder benannt:
Gerald Charles Huth, Malvern, Pa.;
Robert Llewellyn Davies,
Auburn, N. Y. (V. St. A.)
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 30. Januar 1963 (255037)
richtung hinsichtlich der Spannung nicht hinsichtlich der Energie durchgeführt wird.
Wenn ein Halbleitergleichrichter auf Grund der an ihm liegenden Sperrspannung im Inneren und nicht an der Oberfläche durchschlägt, dann kann er in Sperrichtung vorübergehend oder im Dauerbetrieb annähernd genausoviel Energie wie in der Durchlaßrichtung aufnehmen. Beim Durchschlagen im Inneren in Sperrichtung handelt es sieh um den sogenannten Lawinendurchbruch, der manchmal fälschlicherweise auch Zenerdurchbruch genannt wird. Der Lawinendurchbruch im Inneren ist eine bekannte, jedem Gleichrichter eigentümliche und nicht schädliche Eigenschaft, die in weitem Maße bei ziemlich geringer Leistung und Spannung zur Lieferung von konstanten Bezugsspannungen und für Regler verwendet wird. Wie bei Zenerdioden wird von einem Halbleitergleichrichter, der innerhalb seiner thermischen Grenzen betrieben wird, im Durchbruchsbereich eine nahezu konstante Spannung unabhängig vom Strom in diesem Bereich aufrechterhalten. Ein Halbleitergleichrichter, bei dem gleichförmig Lawinendurchbrüche bei Spannungen herbeigeführt werden, die unterhalb der Spannungen liegen, bei denen lokale
dielektrische Oberflächendurchscfiläge auftreten, kann bei vorübergehenden Überspannungen sogar mehrere hundert Mal soviel Energie in Sperrichtung wie ein
809 629/1336
Halbleitergleichrichter aufnehmen, der in Durchlaßrichtung arbeitet.
Die Oberflächendurchschläge bei Halbleiterbauelementen finden wahrscheinlich dort statt, wo hohe Spannungsgradienten vorhanden sind, d. h. wo hohe elektrische Feldstärken auftreten. Aus praktischen Gründen liegen die Stellen, an denen das elektrische Feld normalerweise am größten ist, in der Nähe des PN-Ubergangs zwischen zwei Zonen von entgegengesetztem Leitungstyp. Die Dicke eines solchen PN-"übergangs kann in der Größenordnung von 10~3 cm liegen, so daß am an die Oberfläche tretenden Rand des PN-Ubergangs sehr hohe Feldstärken möglich sind.
Zur Vermeidung der geschilderten Schwierigkeiten ist es bekannt, den an die Oberfläche tretenden Rand des PN-Ubergangs abzuschrägen. Dabei ist es aber bisher nicht angegeben worden, wie groß der Neigungswinkel sein soll, den der abgeschrägte Rand des Halbleiterkörpers und die PN-Ubergangsfläche einschließen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Halbleiterbauelemente so auszubilden, daß der Durchschlag von der' Sperrspannung im Inneren des Halbleiterkörpers und nicht von der Sperrspannung an dessen Oberfläche abhängt.
Die Erfindung geht von einem Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus Silizium oder Germanium mit einem oder mehreren diffundierten PN-Ubergängen zwischen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps und verschieden starken Dotierungen aus, bei dem der an die Oberfläche tretende Rand eines PN-Ubergangs mindestens im Bereich der Raumladungszone derart abgeschrägt ist, daß die Querschnittsfläche des Halbleiterkörpers von der geringer dotierten Zone zur höher dotierten Zone hin abnimmt.
Die Erfindung besteht darin, daß die abgeschrägte Oberfläche der höher dotierten Zone den ganzen Halbleiterkörper umgibt und mit der PN-Ubergangsfläche einen Winkel Θ einschließt, der zwischen den Werten
Äff·91
F i g. 2 ist ein Schnitt durch ein Halbleiterbauelement mit negativer Neigung der Abschrägung, au] das sich die Erfindung bezieht;
F i g. 3 zeigt für Halbleiterbauelemente nach dei 5. F ι g. 2 die Abhängigkeit der normierten Oberflächenfeldstärke vom normierten Abstand X/W längs dei Oberfläche des Halbleiterkörpers für verschiedene Neigungswinkel Θ;
F i g. 4 zeigt für Halbleiterbauelemente nach der F i g. 2 ein Diagramm, in dem die normierte maximale Oberflächenfeldstärke gegen den Neigungswinkel Θ aufgetragen ist;
F i g. 5 bis 7 zeigen die Abhängigkeit des Neigungswinkels Θ in Abhängigkeit vom Konzentrationsverhältnis AyAT6, in dem AT5 die Verunreinigungskonzentration an der Oberfläche und AT6 die Verunreinigungskonzentration im Inneren des Halbleiterkörpers in Atomen/cm3 ist, für verschiedene Werte einer Konstanten
R = 2,72 ■ 10
-18
= 38 ■ 1(T10
• X?·95
0min = |^0,326
-21
[2,47 - 1,71 · 10
liegt, worin Ns die Verunreinigungskonzentration an derjenigen Oberfläche des Halbleiterkörpers, von der aus die Diffusion vorgenommen wird, AT6 die Verunreinigungskonzentration im Innern des Ausgangsmaterials, in welchem der oder die PN-Ubergänge durch Diffusion hergestellt werden, und Xj die Dicke der Diffusionsschicht bedeutet, und worin AT5 zwischen 1016 und 1021 Atomen/cm3, AT6 zwischen 5 ■ 1013 und 1015 Atomen/cm3 und X3 zwischen 2,54 · 10~3 und 10~2 cm liegt. Die Neigungswinkel Θ liegen vorzugsweise zwischen 4 und 9°, wenn das den Rand des PN-Ubergangs umgebende Medium Luft ist. Bei Medien mit einer höheren Dielektrizitätskonstanten kann der Winkelbereich erweitert sein.
Die Erfindung wird nun an Hand der Abbildungen näher erläutert.
F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Halbleiterbauelement mit positiver Neigung der Abschrägung; die ein Maß für die Dicke X1 der Diffusionsschicht und eine gleichförmige Verunreinigungskonzentration im Halbleiterkörper darstellt;
Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit der normierten Oberflächenfeldstärke von dem negativen Neigungswinkel Θ für drei verschiedene Diffusionsschichtdicken Xj-;
Fig. 9 und 10 sind Schnitte durch PNP-HaIbleiterbauelemente mit unterschiedlichen Oberfläehenumrissen;
F i g. 11 ist ein Schnitt durch einen Strakstromthyristor mit einem Abschrägungswinkel nach der Erfindung;
F i g. 12 zeigt eine geschnittene Seitenansicht, eines Teiles des Thyristors nach der Fig. 11;
Fig. 13 ist eine auseinandergezogene, vergrößerte Ansicht des Thyristorteils nach der Fig. 12.
Die F i g. 1 zeigt einen Schnitt durch einen HaIbleiterkörper 10 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, z. B. aus Silizium oder Germanium, der nicht Gegenstand der Erfindung ist. Bei vielen Halbleiterbauelementen ist der Halbleiterkörper kreisrund und hat die Gestalt einer runden Münze, er kann jedoch auch andere Formen besitzen. An den beiden Breitseiten des Halbleiterkörpers 10 müssen elektrische Kontakte 11 und 12 als ohmsche Kontakte mit geringem Widerstand ausgebildet sein. Der Halbleiterkörper 10 enthält zwei innere Zonen unterschiedlichen Leitungstyps, nämlich eine obere Zone 13 mit N-Leitfähigkeit und eine untere Zone 14 mit P-Leitfähigkeit. An der Grenzfläche zwischen den beiden Zonen 13 und 14 ist ein PN-Übergang 15 ausgebildet. Die. untere P-Zone 14 ist mit P+ bezeichnet, da sie sehr stark dotiert ist, d. h. eine große Anzahl von positiven Stromträgern aufweist und stärker als die obere N-Zone 13 leitet, und damit also einen geringeren spezifischen Widerstand hat.
Der Halbleiterkörper 10 besteht aus einkristallinem Silizium mit N-Leitfähigkeit und weist einen spezifischen Widerstand von 18 Ohm · cm auf. Der P+-Bereich wird durch Eindiffusion von Gallium gebildet, so daß eine Dicke Xj der Diffusionsschicht von etwa 0,076 mm erreicht wird.
Die maximale elektrische Oberflächenfeldstärke im Bereich des PN-Ubergangs 15 tritt bei einer Vorspannung in Sperrichtung, d. L, wenn der obere Kontakt 11 am N-Bereich relativ zum unteren Kon-
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takt 12 am P+-Bereich positiv ist, auf. Vor dem Dadurch, daß der Rand des Halbleiterkörpers 10 Durchschlag fließt zwar gewöhnlich ein geringer im Bereich des PN-Ubergangs 15 abgeschrägt ist, Strom in Sperrichtung durch den PN-Übergang, werden die Verunreinigungsatome entfernt, die sich doch ist er weit geringer als der Strom, der in der normalerweise bei angelegter Sperrspannung innerDurchlaßrichtung fließt, und er kann daher vernach- 5 halb des Bereiches des Ladungsgleichgewichts befinden lässigt werden. Die maximale, längs der Umfangs- wurden. Wenn die Sperrspannung in Abwesenheit fläche des Halbleiterkörpers 10 vorhandene elektrische dieser Verunreinigungsatome angelegt ist, dann müs-Feldstärke wird bis unter diejenige im Inneren herab- sen die Verunreinigungsatome, die weiter von dem' gesetzt, indem der Umfangsfläche des Halbleiter- PN-Übergang 15 entfernt längs des Oberflächenkörpers 10 der richtige Oberflächenumriß gegeben 10 umrisses liegen, zu einem Teil des Bereiches des wird. Ladungsgleichgewichts werden. Die Gesamtsumme
Ein Oberflächenumriß, von dem die maximale der Ladungen zu beiden Seiten des PN-Ubergangs 15,
elektrische Feldstärke auf der Oberfläche des Halb- die in dem Verarmungsbereich enthalten ist, muß
leiterkörpers 10 herabgesetzt wird, besteht in einer im Gleichgewicht Null sein. Bei Betrachtung der
einfachen Abschrägung, durch die die Querschnitts- 15 sich ergebenden Ladungsverteilung erkennt man,
fläche des Halbleiterkörpers 10 von der stark dotierten daß die Spannungslinien nach oben gebogen sein
Seite des PN-Ubergangs 15 (P+-Zone 14) zur schwach müssen, um den Oberflächenumriß zu treffen,
dotierten Seite (N-Zone 13) hin vermindert wird. In ähnlicher Weise können die Halbleiterkörper
In anderer Weise ausgedrückt, besitzt die Seite mit auch negativ abgeschrägt werden, d. h., der HaIb-
dem höheren spezifischen Widerstand die kleinere 20 leiterkörper erhält einen derartigen Umriß, daß die
Querschnittsfläche, wenn man die Querschnitte par- Querschnittsfläche, die parallel zur Ebene der Breit-
allel zum PN-Übergang 15 betrachtet, oder die PN- Seiten und des PN-Ubergangs verläuft, sich von der
Ubergangsfläche 15 schließt mit der Umfangsseite Seite des geringeren spezifischen Widerstands zu der
der geringer dotierten Zone einen spitzen Neigungs- Seite des größeren spezifischen Widerstands hin
winkel Θ ein. Diese Art der Abschrägung sei als 25 vergrößert.
Abschrägung mit positiver Neigung im Gegensatz Ein negativ abgeschrägter, runder Halbleiterkörper zu einer Abschrägung mit negativer Neigung be- 20 mit einem für den speziellen Halbleiterkörper zeichnet, die genau entgegengesetzt ist. Die Größen- optimalen Abschrägungswinkel Θ von 6° ist in der abnähme des Halbleiterkörpers 10 erfolgt parallel F i g. 2 dargestellt. An ihm sind zur Anlegung der zur Ebene des PN-Ubergangs 15 und zu den Breit- 30 Spannung an den Breitseiten ohmsche Kontakte 21 selten oder senkrecht zum Hauptstrom, der senkrecht und 22 angebracht. Der Halbleiterkörper 20 entzum PN-Übergang 15 fließt. Am Rand des Halb- hält eine obere N+-Zone 23, die stark dotiert ist, leiterkörpers 10 ist der Strom jedoch nicht senkrecht und eine untere P-Zone 24. Ein PN-Übergang 25 zum PN-Übergang. Dies gilt nur für den Hauptstrom. ist durch die Grenzfläche zwischen den beiden Der Neigungswinkel Θ hat für den Halbleiterkörper 10 35 Zonen festgelegt. Da die obere N+-Zone sehr stark eine Größe von 6° und ist als spitzer Winkel gemessen, dotiert ist, hat sie einen geringeren spezifischen den die Abschrägung mit der PN-Ubergangsfläche 15 Widerstand. Das Verhältnis der Verunreinigungsbzw, mit den Breitseiten des Halbleiterkörpers 10 konzentration Ns an der Oberfläche der N+-Zone 23 einschließt. zu der Verunreinigungskonzentration Nb im Innern
Die eingezeichneten Potentiallinien gelten für ver- 40 der P-Zone beträgt 4 · 104. Der spezielle Halbleiterschiedene konstante Spannungen von 0, 200, 400 V körper 20 wird dadurch hergestellt, daß man von usw. und zeigen die Verteilung der elektrischen Feld- einem P-leitenden Halbleitermaterial für die untere stärke längs der abgeschrägten Fläche. Insbesondere Zone 24 ausgeht, in das man bis zu einer Tiefe von zeigen sie auch, daß die Feldstärke dort kleiner als etwa 0,076 mm N-Verunreinigungen eindiffundieren im Inneren des Halbleiterkörpers ist. Die Spannung 45 läßt, die die obere N+-Zone 23 bilden.
je Abstandseinheit längs der Abschrägung ist weit Es ist schwierig darzulegen, weshalb und wie die geringer als die Spannung je Abstandseinheit im maximale Oberflächenfeldstärke durch eine negative Inneren des Halbleiterkörpers senkrecht zu den die Neigung an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 20 Elektrode tragenden Flächen. Die Folge der Ver- vermindert werden kann. Aus diesem Grunde wird ringerung der Oberflächenfeldstärke ist, daß ein 50 an Hand der Kurven der F i g. 3 bis 7 die Einwirscharfer, lawinenartiger Durchbruch im Inneren des " kung des Oberflächenumrisses auf die Oberflächen-Halbleiterkörpers verursacht und die Fähigkeit des feldstärke erläutert. In der F i g. 3 ist die normierte PN-Ubergangs verbessert wird, hohe Leistungen ohne Oberflächenfeldstärke NSF an dem Oberflächen-Schaden aufzunehmen. umriß längs der Ordinate und der normierte Ab-
Vielleicht kann man die Einwirkung des Ober- 55 stand XfW längs der Abszisse aufgetragen. Die
flächenumrisses auf die Verteilung des elektrischen normierte Oberflächenfeldstärke NSF wird aus der
Feldes am besten verstehen, wenn man den Ver- folgenden Gleichung erhalten:
armungsbereich betrachtet, der sich in Gegenwart £t
der Sperrspannung am PN-Ubergäng 15 ausbildet. NSF = 2 · 1014 · ΛΡ3/* '
In Gegenwart eines elektrischen Feldes werden von 6c b
einer Anzahl von Verunreinigungsatomen zu beiden in der E1 die tatsächliche Oberflächenfeldstärke in
Seiten des PN-Ubergangs kompensierende Ladungen V/cm und Nb die Verunreinigungskonzentration im
(Ladungsträger) derart abgezogen, daß ein Ladungs- Inneren des Ausgangsmaterials in Atomen/cm3 ist.
gleichgewicht im Bereich der nicht kompensierten Im Falle der negativen Abschrägung ist X der Ab-
Verunreinigungsatome zurückbleibt. Der Bereich der 65 stand vom Rand des Verarmungsbereichs auf der
nicht kompensierten Verunreinigungsätome spreizt Seite des PN-Ubergangs 25 mit hohem spezifischem
den PN-Übergang und wird als Verarmungsbereich Widerstand bis zum betreffenden Punkt in cm, W
bezeichnet, der ein Dielektrikum bildet. ist die Breite des Verarmungsbereichs auf der hoch-
ohmigen Seite des PN-Übergangs 25. Der PN-Übergang entspricht dem Wert 1 des normierten Abstands. Der Wert 0 des normierten Abstands entspricht dem Randabschnitt des Verarmungsbereichs an der Seite des PN-Ubergangs mit hohem Widerstand.
Bei Benutzung eines Neigungswinkels von Θ = —90° hat die betreffende Kurve in der Fig. 3 keine Neigung, d. h., die Umfangsseiten stehen senkrecht zur PN-Ubergangsfläche 25. Durch das Minuszeichen wird angedeutet, daß die Abschrägung negativ ist. Nach der Fig. 3 vergrößert sich die maximale elektrische Feldstärke von ihrem Wert bei —90° aus längs des Oberflächenumrisses, wenn der Neigungswinkel negativ abnimmt. Der Höchstwert der maximalen elektrischen Feldstärke wird bei —45° erreicht. Die maximale Feldstärke nimmt dann bis auf ihren ursprünglichen Wert bei etwa —20° ab. Der Ort der maximalen elektrischen Feldstärke wird in die start: dotierte Diffusionszone, in der Figur über den Punkt, an dem XfW = 1 ist, hinaus nach rechts verschoben. Wenn der Neigungswinkel weiter negativ abnimmt, verringert sich die maximale Feldstärke auch weiter, bis der Ort der maximalen Feldstärke gut in den Bereich des niedrigsten spezifischen Widerstands, nämlich in die diffundierte N+-Zone 23, hineinfällt. Die maximale elektrische Feldstärke erreicht dann bei —6° ein Minimum, wie aus der F i g. 4 hervorgeht. Wegen des großen Verunreinigungsgradienten in der diffundierten Zone 23 wird die Verschiebung der maximalen elektrischen Feldstärke in diese Zone hinein vermindert. Die Größe der maximalen elektrischen Feldstärke nimmt dann wieder zu, wobei der negative Neigungswinkel fortgesetzt abnimmt, wie aus der Fig. 4 hervorgeht. Mit anderen Worten, die Spannungslinien (F i g. 2) werden durch eine negative Abschrägung in die Zone des geringen spezifischen Widerstands hinein nach oben gebogen. Wenn der negative Neigungswinkel von —90 aus verringert wird, scharen sich die Spannungslinien stärker an der Oberfläche, dringen aber weiter in die Zone 23 des niedrigen spezifischen Widerstands ein. und somit wird der Spannungsgradient und die elektrische Feldstärke größer. Die Spannungslinien scharen sich ständig stärker in der Zone 23 zusammen, bis ein Neigungswinkel von etwa —45 erreicht wird, und dann beginnen sie sich auszubreiten, bis sie an der Oberfläche so weit voneinander getrennt sind, wenn der Neigungswinkel —20" beträgt, wie sie es etwa beim Neigungswinkel von —90 waren. doch sie durchqueren die Oberfläche weiter von der unteren Breitseite des Halbleiterkörpers 20 entfernt. Wenn der negative Neigungswinkel verringert wird, entfernen sich die Spannungslinien an der Oberfläche immer weiter voneinander, bis ein Neigungswinkel von —6 erreicht ist: dann beginnen die Spannungslinien sich wieder zu sammeln.
Um einen weiteren Einblick zu gewinnen, weshalb sich die Spannungslinien stärker scharen und somit ein minimaler Neigungswinkel Θ im Fall eines negativ abgeschrägten, diffundierten PN-Ubergangs besteht, sei angegeben, daß dieser Minimalwert (-) nicht vorhanden sein würde, wenn die stark dotierte Zone 23 des PN-Ubergangs 25 mit geringem spezifischem Widerstand eine gleichförmige Verunreinigungskonzentration hätte, vorausgesetzt ist dabei. daß sich die DieIektri?:i?:i?skorKi;iri{e an der Oberfläche nicht ändert. Der Grund besteht dann darin, daß die Spannungslinien und die maximale elektrische Feldstärke versuchen, sich in einem Bereich auszubreiten, in dem die'Dichte der Verunreinigungsatome schnell in Richtung auf die Oberfläche zunimmt. In einem Bereich hoher Verunreinigungskonzentration muß ein stärkeres elektrisches Feld oder ein größerer Spannungsgradient angewandt werden als in einem Bereich geringer Verunreinigungskonzentration, um die Ladungsträger zu befördern. Somit beginnen die Spannungslinien dichter zu werden, wenn sie weiter in die Zone 23 des geringen spezifischen Widerstands hineingebogen werden. Diese Ergebnisse sind in einer anderen Weise in der F i g. 4 gezeigt, in der die normierte maximale Oberflächenfeldstärke gegen den negativen Neigungswinkel Θ aufgetragen ist. Durch eine solche Auftragung soll gezeigt werden, was etwa bei einem Neigungswinkel, bei dem die maximale Oberflächenfeldstärke ein Minimum hat, v/ie eine Unstetigkeit in der Beziehung zwischen der maximalen Oberflächenfeldstärke und dem Neigungswinkel (-) aussieht.
Wie eine Betrachtung des erläuterten» Ausführungsbeispiels ergibt, ist in der Praxis bei Halbleiterbauelementen bestimmt keine Oberflächenfeldstärke erwünscht, die größer als die bei — 90° ist. Daher kann ein maximaler negativer Neigungswinkel in dem erläuterten Ausführungsbeispiel mit einem Wert von 20~ vorgeschrieben werden. Alle negativen Neigungswinkel (-), die größer als dieser Wert sind, ergeben eine größere Oberflächenfeldstärke als bei —90; Ein anderer Wert des Neigungswinkels (-) kann für die optimale Größe der Feldstärkenreduktion gegenüber der des 90°-Wertes angegeben werden. Es besteht weiterhin ein minimaler Neigungswinkel (-), unterhalb von dem ein negativ abgeschrägter, diffundierter PN-Übergang eine Oberflächenspitzenfeldstärke aufweist, die größer als die eines mit —90" abgeschrägten PN-Ubergangs des gleichen Aufbaus ist.
Die Kurven der Fig. 3 und 4 gelten für den Halbleiterkörper 20 der F i g. 2. Bevor die Ergebnisse weiter dargelegt werden, um die verallgemeinerten maximalen, minimalen und optimalen Neigungswinkel anzugeben, sei ein Verhältnis R eingeführt, mit dem die Zahl der Variablen in den Gleichungen verringert wird, die in den F i g. 3 und 4 aufgetragen sind.
R = 2J2 ■ W~1H ■ X) ■ NJ \
worin Xj die Dicke der Diffusionsschicht in cm und Nb die Verunreinigungskonzentration im Innern des Ausgangsmaterials in Atomen cm3 (Zone 24) bedeutet, in das hinein die Diffusion erfolgt ist. Ein solches Verhältnis muß gefunden werden, weil die Auflösung der Poissonschen Gleichung für einen diffundierten PN-Übergang eine Gleichung mit vier unabhängigen Variablen ergibt (Dicke X} der Diffusions-
schicht; Verunreinigungskonzentration N11 an der Oberfläche: Verunreinigungskonzentration Nb im Inneren; Neigungswinkel (-)). Zur Auftragung der Ergebnisse müssen einige Variablen kombiniert werden. Das Verhältnis R wird aus einer Gleichung für die normierte Ladungsdichte im Poissonschen Feld und Einsetzen der entsprechenden Parameter abgeleitet. Die Normierung ist derjenigen ähnlich, die man in der Literatur findet.
Die Kurven der F i g. 3 und 4 gelten fur alle negativ abgeschrägten, diffundierten PN-Ubergänge mit einem Verhältnis von R = 2340 und einem Verhältnis von NJ Nh = 4-10*. Die Kurven der F i g. 5 bis 7 zeigen den längs der Ordinate aufgetragenen Neigungswinkel θ und das längs der Abszisse aufgetragene Verhältnis NJNh. Diese Kurven geben den maximalen, optimalen und minimalen Neigungswinkel in Abhängigkeit von dem Verhältnis NJN1, und für verschiedene Werte des Verhältnisses R an. Diese drei Auftragungen umschließen eine große Zahl diffundierter PN-Ubergänge. Als hervorstechende Eigenschaft ist zu beobachten, daß der optimale Neigungswinkel nicht stark von —6° abweicht. Ferner kann die starke Herabsetzung der Feldstärke, die bei der Anwendung einer negativen Abschrägung erwartet wird, nur an diffundierten PN-Ubergängen mit beträchtlicher Diffusionstiefe erhalten werden. Der maximale Neigungswinkel ändert sich mit dem Verhältnis der Oberflächenkonzentration zu der Konzentration im Innern und mit dem Verhältnis jR, aber nicht in starkem Maße, während der minimale Neigungswinkel sich ausgeprägter verändert.
Je weiter der Abstand zwischen dem maximalen und minimalen Neigungswinkel ist, desto stärker verringert sich die Oberflächenfeldstärke des optimalen Neigungswinkels. Die Verringerung der Feldstärke bezieht sich auf den Wert bei — 90 . Da der 90 -Wert der maximalen Oberflächenfeldstärke für tief diffundierte PN-Ubergänge geringer als für schwach diffundierte PN-Ubergänge ist, nimmt die elektrische Feldstärke für PN-Ubergänge mit einem geringeren Verunreinigungsgradienten am PN-Übergang weiter ab. Um die elektrische Feldstärke längs der Oberfläche anzuzeigen, ist in den F i g. 6 und 7 eine Kurvenschar angegeben, die den prozentualen Anteil der elektrischen Feldstärke an der Oberfläche im Vergleich mit der elektrischen Feldstärke anzeigt, die nahezu willkürlich als kritische Feldstärke gewählt ist. Diese kritische Feldstärke beträgt 125 000 V/cm und ist nicht das kritische Feld, das bei äußerster Reinheit und gutem Oberflächenschutz erhalten wird. Die elektrischen Feldstärken, die bei käuflichen Halbleiterbauelementen mit üblichen Lawinendurchbrüchen auftreten, ergeben maximale Oberflächenfeldstärken, die etwas geringer als der gewählte kritische Wert sind. Die in den Fig. 5 bis 7 eingetragenen Maximal- und Minimalkurven sind durch die folgenden Gleichungen gegeben:
emi„ = [θ.326· In (-J^)-[2,47 - 1,71
1(
X)
JV1?'*]
innerhalb der Grenzen
1 < (■) < 25 ,
IOUl < N, < 1021 Atome/cm3,
5 · 1013 < Nb < 1015 Atomecm3,
2.54· 10~3< *;< 10-
cm.
Diese Gleichungen gelten, wenn das Dielektrikum auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers Luft ist. Wenn auf der Oberfläche ein Material vorliegt.
dessen Dielektrizitätskonstante größer als Luft ist, dann ist der Bereich zwischen dem Maximum und Minimum verbreitert, und der optimale Neigungswinkel kann sich etwas ändern. Wenn das Dielektrikum an der Oberfläche des Halbleiterkörpers 20 z. B. Glas mit einer Dielektrizitätskonstanten von 11,8 ist, dann ändert sich der optimale Neigungswinkel von 6 auf 5°. Die verwendbaren Grenzwerte für den Neigungswinkel des Halbleiterkörpers 20 liegen zwischen 4 und 9n, wenn sich kein dielektrisches ■' Material an der Oberfläche befindet. Durch die Verwendung eines Dielektrikums mit der Dielektrizitätskonstanten 11,8 werden diese Grenzwerte auf etwa 1 bis 16° ausgedehnt.
Die Wirkung der Diffusionstiefe (Dicke X3, der Diffusionsschicht) ist in der F i g. 8 durch eine kurvenschar angedeutet. In dieser Figur ist der Neigungswinkel θ im Abhängigkeit von der normierten Oberflächenfeldstärke NSF. wie in der F i g. 4, aufgetragen. Diese Kurven gelten für den Halbleiterkörper 20 mit einer Verunreinigungskonzentration Nh = 2,5 · 1014 Atome/cm3 im Inneren, einer Oberflächenverunreinigungskonzentration Ns von 1019 Atöme/cm3 und Dicken X} der Diffusionsschicht
von 0,025, 0,076 und 0,101 mm, die zu den Werten des Verhältnisses R von 280, 2340 bzw. 4470, wie für die Kurven der Fig. 5 bis 7, führen. Wie man sieht, wird durch eine Änderung der Dicke X3 der Diffusionsschicht der optimale Neigungswinkel (-) nicht geändert, sondern durch eine tiefere Diffusion wird die normierte maximale Oberflächenfeldstärke NSF verringert.
In den Fig. 9 und 10 sind zwei Halbleiterkörper gezeigt, die mit Ausnahme der Oberflächenumrisse unter sich gleich sind. Die Halbleiterkörper 35 haben zwei etwa ebene PN-Ubergänge oben 36 bzw. unten 37, die zwischen einer mittleren Zone 38 vom N-Leitungstyp und einer oberen bzw. unteren Zone 39 bzw. 40 vom P-Leitungstyp liegen. In beiden Ausführungsbeispielen kann der Leitungstyp aller Zonen auch umgekehrt sein, so daß sich ein NPN-HaIbleiterbauelement ergibt. Im allgemeinen hat je8och die mittlere Zone 38 einen höheren spezifischen Widerstand als die beiden äußeren Zonen 39, 40.
Für ein Halbleiterbauelement mit drei Schichten und zwei PN-Ubergängen sollte gelten, daß durch den Oberflächenumriß die elektrische Feldstärke an der Oberfläche bis unter diejenige herabgesetzt wird, bei der das Halbleiterbauelement im Inneren durchschlägt. Der beste Oberflächenumriß ist derjenige, bei dem sich die elektrische Feldstärke an der Oberfläche am gleichförmigsten verteilt. Ein bevorzugter Oberflächenumriß wird dann erreicht, wenn unter Ausnutzung der zuvor angegebenen Regeln alle PN-Übergänge gesondert betrachtet werden.
Eine mögliche Ausführung des Oberflächenumrisses Tür einen Halbleiterkörper mit drei Zonen und zwei PN-Ubergängen ist eine Abschrägung, die an dem einen PN-Übergang positiv und am anderen negativ ist. Dieser Oberflächenumriß kann entweder von einer einzigen Abschrägung gebildet werden, die beide PN-Ubergänge durchschneidet, wie später in Verbindung mit dem gesteuerten Gleichrichter nach den Fig. 11 bis 13 erläutert wird, oder der Neigungswinkel beider Abschrägungen kann gesondert und an beiden PN-Ubergängen optimal gewählt werden. Die Halbleiterkörper der Fig. 9 und 10 zeigen eine Näherungslösung.
I» Mt/1336
Bei dem Halbleiterkörper nach der F i g. 9 wird am oberen PN-Übergang 36 eine negative Abschrägung ausgenutzt, da diese den Querschnitt der oberen stark dotierten P-Zone 39 mehr als den der in der Mitte gelegenen N-Zone .mit höherem spezifischem Widerstand vermindert. Der für diese Abschrägung gewählte Neigungswinkel beträgt etwa 6° relativ zur PN-Übergangsfläche 36. Der Oberflächenumriß fällt dann steil ab, so daß der untere PN-Übergang unter einem steileren positiven Neigungswinkel von etwa 60° durchschnitten wird. Infolge der Wahl dieses Neigungswinkels ist die elektrische Feldstärke im Bereich des unteren PN-Übergangs 37 nicht höher als im Bereich des oberen PN-Ubergangs 36, und die maximale Oberflächenfeldstärke ist so gering, daß der lawinenartige Durchschlag im Inneren des Halbleiterkörpers 35 und nicht an der Oberfläche auftritt.
Unter ähnlichen Voraussetzungen wird der Oberflächenumriß des Halbleiterkörpers 35 nach der Fig. 10 erhalten. Für den oberen PN-Übergang36 wird dieselbe negative Abschrägung von etwa 6° wie in der F i g. 9 gewählt. Eine weitere gerade Abschrägung verläuft jedoch quer zu der mittleren Zone 38 hinab bis zum unteren PN-Übergang 37. Diese ist positiv und durchquert den unteren PN-Übergang unter einem Neigungswinkel θ von etwa 45°. Bei Anwendung eines Haibleiterkörpers, der nur so groß ist, daß die zweite Abschrägung bis zum unteren PN-Übergang gelangt, wird Material gespart. Die Umfangsseite der unteren Zone 40 verläuft vertikal.
Wie man an PNP-Halbleiterbauelementen, in die Gallium eindiffundiert ist, beobachtet hat, wird durch eine Abschrägung quer zu den PN-Ubergängen der allmähliche, weiche, von der Oberfläche beherrschte Durchbruch im Bereich von 500 bis 700 V plötzlich in einen sehr scharfen, lawinenartigen Durchbruch im Inneren bei 900 bis 1000 V, also in den für den spezifischen Basiswiderstand lind die Diffusionstiefe des besonderen Halbleiterkörpers angemessenen Durchschlagswert umgewandelt. In diesem Halbleiterkörper wird N-Leitungstyp-Ausgangsmaterial mit einem Widerstand von 15 bis 40 Ohm · cm und eine P-Leitungstyp-Umwandlung mit Gallium bis zu einer Tiefe von etwa 0,076 mm an beiden Seiten benutzt. Bei einer geradlinigen Abschrägung beider PN-Ubergänge unter einem Neigungswinkel von 6°, der nicht optimal ist, wird die Oberflächendurchschlagsspannung über den Lawinendurchschlagspunkt von 1000 V im Inneren hinaus gesteigert. Wichtiger kann die Tatsache sein, daß dieser Halbleiterkörper beim Durchschlag ohne Schaden sehr große Stromstärken aufnehmen kann, die bei einem Oberflächendurchschlag nicht erreichbar sind. Typische Ströme für einen Halbleiterkörper mit einem Durchmesser von 15,2 mm liegen bei 50 bis 60 A bei 1000 V ohne Andeutung einer Instabilität.
Als ein weiteres Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper, der mehrere PN-Ubergänge aufweist, zeigen die Fig. 11 bis 13 einen Thyristor80 mit drei Anschlußklemmen.
Derjenige Teil dieses Halbleiterbauelements 80, der die Gleichrichter- und Steuerwirkung verursacht, ist ein scheibenförmiger Halbleiterkörper 86 (Fig. 12 und 13) im Hauptstromweg. Der Halbleiterkörper 86 besteht aus einem einkristallinen Halbleitermaterial, z. B. aus Silizium, mit drei PN-Ubergängen zwischen vier Zonen von abwechselnd entgegengesetztem Leitungstyp. Die vier Zonen weisen abwechselnd einen Überschuß an freien Elektronen (N-Leitung) und an positiven Löchern (P-Leitung) auf. Vom ursprünglichen Halbleitermaterial wird die eine mittlere Zone des Vierzonen-Halbleiterbauelements 87 gebildet. Bei dem speziellen Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser des Halbleiterkörpers 86 20,3 mm und die Dicke 0,23 mm.
Zur Herstellung des Haibleiterkörpers 86 für das Halbleiterbauelement wird in Silizium mit N-Leitfähigkeit ein Akzeptor, z. B. Gallium, eindiffundiert, der zu beiden Seiten der mittleren N-Zone Zonen vom P-Leitungstyp bildet. Wegen der nachfolgenden Montagearbeiten wird auf der einen Seite des Haibleiterkörpers 86 eine dünne Aluminiumschicht aufgedampft. Der Halbleiterkörper 86 wird mit seinem Aluminiumniederschlag auf die Deckplatte 89 gelegt, und auf die Oberseite des Haibleiterkörpers wird eine Gold-Antimon-Form aufgesetzt. Dieses Gebilde wird dann so weit erhitzt, bis das Aluminium den Boden des Haibleiterkörpers 86 hart verlötet; der Halbleiterkörper 86 kann auch auf die untere Wolframdeckplatte 89 gelegt werden, während gleichzeitig die Gold-Antimon-Form in die obere Zone einlegiert wird, so daß sich ein N "'"-Rekristallisationsgebiet bildet. Somit hat der Halbleiterkörper 86 vier Zonen abwechselnden Leitungstyps erhalten, die durch drei PN-Ubergänge getrennt sind; der obere Teil der geschmolzenen Gold-Antimon-Form enthält einen Kontaktkörper 79, der eine ternäre Legierung von Gold-Antimon und Silizium ist.
Die drei Zonen, die sich bis zum Rand des Haibleiterkörpers 86 ausdehnen, haben je eine Dicke von etwa 0,076 mm und bilden ein PNP-Halbleiterbauelement, das in Verbindung mit den Fig. 9 und 10 erörtert wurde. Die Erfindung wird mit Vorteil ausgenutzt, wenn eine einzige Abschrägung quer zu den drei unteren Zonen und somit quer zu den PN-Ubergängen erfolgt, die einen Neigungswinkel θ von 6° mit den Ebenen der PN-Ubergänge bildet. Durch die Abschrägung wird der Querschnitt des Haibleiterkörpers 86 vom unteren zum oberen Ende hin verringert. Da die mittlere oder innere N-Zone einen höheren spezifischen Widerstand als die beiden P-Zonen hat, die sie trennt, ist die Abschrägung für den unteren PN-Übergang positiv und für den nächsten PN-Übergang zwischen der inneren N- und der inneren P-Zone negativ. Der Neigungswinkel hat für den negativ abgeschrägten PN-Übergang einen optimalen Wert -und ist auch für den positiv abgeschrägten PN-Übergang ganz günstig. Durch die Abschrägung wird an dem Thyristor ein Oberflächendurchschlag ausgeschaltet.
Die Steuerung, die auf den im Hauptstromweg fließenden Strom ausgeübt wird, wird mit Hilfe der Zuleitung 84 auf den Siliziumkörper übertragen, die mit derjenigen P-Schicht verbunden ist, die die zweite Schicht von oben bildet.

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper aus Silizium oder Germanium mit einem oder mehreren diffundierten PN-Ubergängen zwischen Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps und verschieden starker Dotierung, bei dem der an die Oberfläche tretende Rand eines PN-Ubergangs mindestens im Bereich der Raum-
ladungszone derart abgeschrägt ist, daß die Querschnittsfläche des Halbleiterkörpers von der geringer dotierten Zone zur höher dotierten Zone hin abnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschrägte Oberfläche der höher dotierten Zone den ganzen Halbleiterkörper umgibt und mit der PN-Ubergangsfläche einen Winkel (-) einschließt, der zwischen den Werten
■ l"'max —
r10 ·
jyO,O75
(,min =[θ,326· In(^)-I] ·
[2,47 - 1,71 ■ ΙΟ"21 · Xj ■
liegt, worin N11 die Verunreinigungskonzentration an derjenigen Oberfläche des Halbleiterkörpers, von der aus die Diffusion vorgenommen wird, N1, die Verunreinigungskonzentration im Inneren des Ausgangsmaterials, in welchem der oder die PN-Ubergänge durch Diffusion hergestellt werden, und Xj die Dicke der Diffusionsschicht bedeutet, und worin Ns zwischen 1016 und 1021 Atomen/cm3,' N1, zwischen 5 · 1013 und 1015 Atomen/cm3 und X-s zwischen 2,54 · 10~3 und 10'2 cm liegt.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschrägte Oberfläche der höher dotierten Zone mit der PN-Über-
gangsfläche einen Winkel von 4 bis 9' einschließt, wenn Luft die Oberfläche umgibt, und daß dieser Winkelbereich nach beiden Seiten erweitert ist, wenn ein Medium mit einer höheren Dielektrizitätskonstanten die Oberfläche umgibt.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abschrägung an einem weiteren, zweiten PN-Uber-* gang vorgesehen ist (Fig. 9, 10).
ίο
4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen den beiden PN-Ubergangsflächen liegende Zone, deren abgeschrägte Oberfläche mit der Fläche der weiteren PN-Ubergangsfläche einen Winkel von etwa 45 bis 60° einschließt, eine geringere Dotierung als die beiden anderen Zonen aufweist (Fig. 9, 10).
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein dritter PN-Ubergang vorgesehen ist und daß der Halbleiterkörper eine durch zwei PN-Ubergangsflächen verlaufende gemeinsame Abschrägung aufweist (Fig. 12).
6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Thyristor ist
(Fig. 11).
In Betracht gezogene Druckschriften: Britische Patentschriften Nr. 876 332, 883 468; »Solid-State Electronics«, Bd. 1 (1960), S. 107 bis 122.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
109 629/1336 10.68 O Bundesdruckerei Berlin
DEG39696A 1963-01-30 1964-01-25 Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkoerper aus Silizium oder Germanium mit einem oder mehreren diffundierten PN-UEbergaengen Pending DE1281584B (de)

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US25503763A 1963-01-30 1963-01-30

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Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL6603372A (de) * 1965-03-25 1966-09-26
DE1589496A1 (de) * 1967-01-26 1970-03-26 Bbc Brown Boveri & Cie Halbleiterelement mit abgeschraegter Seitenflaeche und Verfahren zum Herstellen
GB1230368A (de) * 1968-12-05 1971-04-28
US3628107A (en) * 1969-05-05 1971-12-14 Gen Electric Passivated semiconductor device with peripheral protective junction
US3800190A (en) * 1970-11-02 1974-03-26 Bbc Brown Boveri & Cie Cooling system for power semiconductor devices
US3943547A (en) * 1970-12-26 1976-03-09 Hitachi, Ltd. Semiconductor device
US4110780A (en) * 1973-07-06 1978-08-29 Bbc Brown Boveri & Company, Limited Semiconductor power component
DE7328984U (de) * 1973-07-06 1975-05-15 Bbc Ag Brown Boveri & Cie Leistungshalbleiterbauelement
NL180265C (nl) * 1976-06-21 1987-01-16 Gen Electric Halfgeleiderinrichting voor hoge spanning.
EP0303046B1 (de) * 1987-08-11 1992-01-02 BBC Brown Boveri AG Gate-Turn-Off-Thyristor
DE4209220A1 (de) * 1992-03-21 1993-09-23 Deutsche Forsch Luft Raumfahrt Ablagerungsfreier brenner
US5398630A (en) * 1992-11-10 1995-03-21 Us Shipbuilding Corporation, Inc. Simplified midbody section for marine vessels and method and apparatus for construction
AU5726799A (en) * 1998-07-13 2000-02-07 Siemens Aktiengesellschaft Asymmetrically blocking power semiconductor component
US7268339B1 (en) * 2005-09-27 2007-09-11 Radiation Monitoring Devices, Inc. Large area semiconductor detector with internal gain
DE112015007166T5 (de) * 2015-12-04 2018-08-09 Mitsubishi Electric Corporation Leistungshalbleitervorrichtung

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB876332A (en) * 1958-08-27 1961-08-30 Siemens Ag Improvements in or relating to semi-conductor devices and methods of producing such devices
GB883468A (en) * 1959-03-11 1961-11-29 Maurice Gilbert Anatole Bernar Improvements in or relating to semi-conductor devices

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA509126A (en) * 1949-05-28 1955-01-11 Western Electric Company, Incorporated Semiconductor translating devices
US2980830A (en) * 1956-08-22 1961-04-18 Shockley William Junction transistor
NL113266C (de) * 1957-01-18
US2989424A (en) * 1958-03-31 1961-06-20 Westinghouse Electric Corp Method of providing an oxide protective coating for semiconductors
NL240714A (de) * 1958-07-02
FR1243865A (fr) * 1959-09-08 1960-10-21 Telecommunications Sa Perfectionnement à la réalisation des diodes de commutation p-n-p-n au silicium
FR1273633A (fr) * 1959-11-21 1961-10-13 Siemens Ag Procédé d'obtention d'éléments semi-conducteurs
US3260634A (en) * 1961-02-17 1966-07-12 Motorola Inc Method of etching a semiconductor wafer to provide tapered dice
US3189799A (en) * 1961-06-14 1965-06-15 Microwave Ass Semiconductor devices and method of fabricating them
NL280641A (de) * 1961-07-07
US3255055A (en) * 1963-03-20 1966-06-07 Hoffman Electronics Corp Semiconductor device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB876332A (en) * 1958-08-27 1961-08-30 Siemens Ag Improvements in or relating to semi-conductor devices and methods of producing such devices
GB883468A (en) * 1959-03-11 1961-11-29 Maurice Gilbert Anatole Bernar Improvements in or relating to semi-conductor devices

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FR1386650A (fr) 1965-01-22
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US3491272A (en) 1970-01-20

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