DE1514061A1 - Unipolarhalbleiterbauelement - Google Patents
UnipolarhalbleiterbauelementInfo
- Publication number
- DE1514061A1 DE1514061A1 DE19651514061 DE1514061A DE1514061A1 DE 1514061 A1 DE1514061 A1 DE 1514061A1 DE 19651514061 DE19651514061 DE 19651514061 DE 1514061 A DE1514061 A DE 1514061A DE 1514061 A1 DE1514061 A1 DE 1514061A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- zone
- zones
- conductivity type
- semiconductor component
- semiconductor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 33
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 claims description 41
- 239000012535 impurity Substances 0.000 claims description 19
- 239000000370 acceptor Substances 0.000 claims description 18
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims 1
- 238000005421 electrostatic potential Methods 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 9
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 5
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000000969 carrier Substances 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 4
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000006798 recombination Effects 0.000 description 2
- 238000005215 recombination Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- FMFKNGWZEQOWNK-UHFFFAOYSA-N 1-butoxypropan-2-yl 2-(2,4,5-trichlorophenoxy)propanoate Chemical compound CCCCOCC(C)OC(=O)C(C)OC1=CC(Cl)=C(Cl)C=C1Cl FMFKNGWZEQOWNK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N alpha-particle Chemical compound [4He+2] LBDSXVIYZYSRII-IGMARMGPSA-N 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 1
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002784 hot electron Substances 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- ZQPPMHVWECSIRJ-KTKRTIGZSA-N oleic acid group Chemical group C(CCCCCCC\C=C/CCCCCCCC)(=O)O ZQPPMHVWECSIRJ-KTKRTIGZSA-N 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 238000005036 potential barrier Methods 0.000 description 1
- 238000005381 potential energy Methods 0.000 description 1
- 230000036316 preload Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/86—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable only by variation of the electric current supplied, or only the electric potential applied, to one or more of the electrodes carrying the current to be rectified, amplified, oscillated or switched
- H01L29/861—Diodes
- H01L29/8618—Diodes with bulk potential barrier, e.g. Camel diodes, Planar Doped Barrier diodes, Graded bandgap diodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L29/00—Semiconductor devices specially adapted for rectifying, amplifying, oscillating or switching and having potential barriers; Capacitors or resistors having potential barriers, e.g. a PN-junction depletion layer or carrier concentration layer; Details of semiconductor bodies or of electrodes thereof ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/66—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor
- H01L29/68—Types of semiconductor device ; Multistep manufacturing processes therefor controllable by only the electric current supplied, or only the electric potential applied, to an electrode which does not carry the current to be rectified, amplified or switched
- H01L29/76—Unipolar devices, e.g. field effect transistors
- H01L29/7606—Transistor-like structures, e.g. hot electron transistor [HET]; metal base transistor [MBT]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Bipolar Integrated Circuits (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Photovoltaic Devices (AREA)
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
Description
7, Stuttgarttl·—~—-——— 10. November
RotebÜhlstr.?© Pat.Go/B.
ISE/Reg. 3278 - PL 250 1514061
INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK
Die Priorität der Anmeldung in den Vereinigten Staaten von
Amerika vom 23. November 1964 Nr. 412 959 ist in Anspruch
genommen.
In den herkömmlichen Dioden mit einem pn-übergang sind beide Ladungsträgerarten, d.h. Elektronen und Löcher, vorhanden. Während
die Leitfähigkeit hauptsächlich auf der in der Majorität
vorhandenen Ladungsträgerart beruht, ist auch ein geringer Anteil
der Leitfähigkeit den Minoritätaladungsträgern zuzuordnen. Bei
einem in Flussrichtung vorgespannten pn-übergang werden Minoritätsladungsträger
über den übergang injiziert, beispielsweise
Löcher in das η-leitende Material. Wird die Spannung umgekehrt,
dann müssen die in einer Zone verbleibenden Minoritätsladungsträger
entweder zum pn-Übergang zurüokdlffundieren oder rekombinieren,
bevor die Diode einen hohen Widerstand erlangt. Es gibt deshalb eine sogenannte Minoritätaladungsträger-speicherung.
Diese bewirkt eine Verzugszeit beim Sehalten vom eingeschalteten in den ausgeschalteten Zustand. Diese Verzugszelt kann merklich
werden, wenn die Diode für hochfrequente Anwendungen, beispielsweise
Impulsschal tungen, verwendet wird.
Bei einem Hochfrequenztransistor mit zwei pn-übergängen, die
Emitter-, Basis- und Kollektorzone begrenzen, kann die gleiche Ladungsträgerspeicherung den Hochfrequenzbetrieb des Bauelements
- 2 909 824/0 72 3
ISE/Reg.3278 · pi 250. - 2 - W. Shockley - 5*
beeinträchtigen. Durch die Basiszone fHessen Ladungen durch
Diffusion von thermisch bewegten Ladungsträgern. Sie weisen eine niedrige Geschwindigkeit auf. Die Basiszone muss für den Hochfrequenzbetrieb
relativ dünn sein. Die Transistoren arbeiten unter Verwendung beider Ladungsträgerarten.
Duron die vorliegende Erfindung soll ein Halbleiterbauelement
angegeben werden, bei dem die Minoritätsladungsträgerepeicherung
wesentlich unter Steigerung der Hochfrequenzleistungsfähigkeit vermindert ist.
w Ferner soll durch die vorliegende Erfindung ein Halbleiterbauelement
angegeben werden, dessen Leitfähigkeit und Wirkungsweise in erster Linie von einer Ladungsträgerart abhängt, d.h. ein Unipolarhalbleiterbauelement
.
Ferner soll durch die vorliegende Erfindung ein Halbleiterbauelement
angegeben werden, das ein oder mehrere übergänge von Zonen des einen Leitfähigkeitstyps zu Zonen mit überschüssigen chemischen
Verunreinigungen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps enthält, bei dem die Änderung des elektrostatischen Potentials so gering ist,
dass eine Ladungsträgerart über das gesamte Element eine vernachlässigbare
Konzentration aufweist.
Schliesslich soll durch die vorliegende Erfindung eine Unipolardiode
angegeben werden, bei der eine der Zonen derartig dünn ist, dass die Energie des elektrostatischen Potentials in der Diode
stets geringer ist als das Fermi-Niveau am übergang.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit
einem eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden Zonen aufweisenden
Halbleiterkörper, von denen jede eine bestimmte Verunreinigungskonzentration an Donatoren oder Akzeptoren aufweiet. Das Halbleiterbauelement
ist erfindungsgemäss gekennzeichnet durch eine
erste Zone mit einem überschuss von der einen Art der Verunreinigungsatome,
eine zweite, an die erste anschliessende Zone mit einem überschuss von der anderen Art der Verunreinigungsatome zur Bildung
9 0 9824/0723 .3 .
- 3 - W. Shockley - 5*
eines Potentialwalls für die Majoritätsladungsträger der ersten
Zone, eine dritte, an die zweite arisohliessende Zone und eine
vierte, an die dritte ansohliessende Zone mit einem Überschuss
an Verunreinigungeatomen der ersten Art.
Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung kann als Unipolardiode mit vier Zonen ausgebildet sein, wobei die erste und vierte
Zone einen Überschuss einer Verunreinigungsart und die zweite
Zone einen Überschuss der anderen Verunreinigungsart enthält und
die zuletzt genannte Zone relativ dünn ausgebildet ist.
Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung kann auoh als Bauelement mit drei Anschlüssen ausgebildet werden. Dabei enthält
der Halbleiterkörper ein Paar dieser Unipolardioden mit den obengenannten Zonenfolgen nach der Erfindung, wobei je eine Endzone des Paares beiden Unipolardioden gemeinsam ist * ν Eine Unipolardiode des Paares dient dabei zur Injektion von heissen
Ladungsträgern In die gemeinsame Zone, die Ihrerseits Teil der
anderen, die Ladungsträger sammelnden Unipolardiode bildet.
Die Erfindung soll im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben werden. Darin bedeuten
die Figur 1 eine Unipolardiode mit den Merkmalen der vorliegenden Erfindung,
die Figur 2 das Energie-Bändermodell der Diode naoh Figur 1,
die Figur J das Energie-Bändermodell der Diode nach Figur 1
bei unterschiedlichen Vorspannungen,
die Figur k: eine Unipolardiode mit Zonen entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps bezüglich der in Figur 1 dargestellten,
909824/0723
- 4 - W. Shookley - 54
die Figur 5 ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel nach der Erfindung,
die Figur 6 eine Halbleitertriode nach der vorliegenden Erfindung,
die Figur 7 das elektrostatische BHndermodell der Triode nach
Figur 6,
die Figur 6 das BSndermodell des Bauelementes unter Arbeitsbedingungen«
und
die Figur 9 eine Schaltung mit einem Bauelement von der in Figur 6
dargestellten Art.
Obgleich von der vorliegenden Erfindung allgemein Unipolarhalbleiterbauelemente,
wie Dioden, Trioden u.s.w. betroffen sind, soll zunächst das Verständnis der Wirkungsweise einer Triode durch
Beschreibung der Wirkungsweise einer Unipolardiode nach der vorliegenden Erfindung erleichtert werdenl
Bei einer Unipolardiode nach der vorliegenden Erfindung werden die
verschiedenen Zonen eines Halbleiterkörpers mit unterschiedlichen Konzentrationen an Donatoren und Akzeptoren derartig dotiert oder
gebildet, dass die MinoritMtsladungsträ'gerspeichtrung auf/einen
Minimalwert gebracht wird. Dies kann durch eine derartige Anordnung der Konzentrationen der Donatoren und Akzeptoren für das Halbleitermaterial
erreicht werden, dass nirgends innerhalb des Materials das mit E. bezeichnete elektrostatische Potential für ein Elektron über
das Fermi-Niveau des Materials anwächst - vgl. W. Shockley "Electrons and Holes in Semiconductors", D. van Nostrand, 1950, Seiten 302 ff.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 1 dargestellt,
wonach ein einzelner Halbleiterkörper 10 der Reihe nach über seine Länge vier anelnandergrenzende Schichten oder Zonen aufweist,
wobei jede Zone eine von der angrenzenden Zone bzw. Zonen unterschiedliche Konzentration von Donatoren oder Akzeptoren enthalt.
- 5 -9ö 98 2 A/Q7 2 3
- 5 - W· Shoolcley-5^
Dae dargestellte Element enthält eine n-leitende Zone (n+)y die
mit einer relativ dünnen p-leitenden Zone (p) einen gleichrichtenden übergang bildet. An die entgegengesetzte Fläche der p-leitenden Zone schliesst sich eine intrlnslsche Zone (1) an, an deren
ventgegengesetzter Fläche eine η-leitende Zone (n+) angrenzt. Zur
Verwendung als Diode in einer Schaltung werden an den äusseren n+-
Zonen ohmsohe elektrische Anschlüsse hergestellt. Selbstverständlich kann der Leiträhigkeitstyp gemäss dem in Figur 4 dargestell»·
ten Bauelement mit einer p-n-i-p-Zonenfolge umgekehrt werden.
Die angestrebte Unterdrückung der Minoritätsladungsträger wird
durch Wahl der relativen Breiten der Zonen und der darin vorhandenen Konzentrationen an Donatoren und Akzeptoren erreicht. Hier
und im folgenden wird die Breite senkrecht zu den übergängen oder
Zwisehenflochen gemessen. Die Überlegungen xur Dimensionierung
sind somit derart; wie sie gewöhnlioh zum Berechnen der Breiten
der Raumladungs- oder Übergangszonen in Halbleitern durchgeführt
werden, und enthalten die allgemeinen Anwendungen der Poisson-Gleichung auf die "chemischen Ladungsdiohten" der Donatoren und
Akzeptoren. Die bei den vorliegenden Bauelementen in Betracht gezogenen dünnen Schichten sind im herkömmlichen Sinne weder n-leitend, noch p-leitend, noch intrlnslsch, da sie unter Oleiohgewichtsbedlngungen Ladungsträgerkonzentrationen aufweisen« die nahezu denjenigen von intrinsisohem Material entsprechen. Andererseite
weisen sie stark oder leichter dotierten Materialien entsprechende
unkompenslerte Donatoren- und Akzeptorendiohten auf. Diese Schichten ergeben nach der Poisson-Oleiohung elektrostatische Dipolsohiohten« die Auetrittearbeiten (work functions) der Metalle naohbilden, da sie Ladungsträger innerhalb von ihnen begrenzten Körpern
zurückhalten. Sie können zweokmässig mit "Austrittsarbeitssohiohten"
(work function layers) bezeichnet werden. Diese Schichten können daher, wie unten beschrieben, eine gleichrichtende Wirkung ähnlich
der bei einem Metall-Halbleiter-Kontakt auftretenden bewirken, wobei
die Vorteilt einer homogenen einkristallinen physikalischen Struktur
bestehen bleiben.
909324/0723
- 6 - w. Shookley-5*
In der Figur 2 ist das elektrostatische Potential für die Struktur
der Figur 1 vom n-p-i-n-Aufbau ohne äussere Spannung dargestellt*
Ec bedeutet die untere Grenze des Leitfähigkeitsbanda, Ey die obere
Grenze des Valenzbandes, wobei das verbotene Energieband zwisohen
den Linien E« und Ey. liegt und Ep, das Fermi-Niveau, im Material.
Die p-leitende Zone wird hinreichend dünn ausgebildet, so dass das
E1-Niveau der Kurve E* bei den besonderen in der Struktur vorhandenen
Konzentrationen der Donatoren und Akzeptoren überall innerhalb der Struktur unterhalb des Fermi-Niveaus bleibt. Ist die Unipolardiode
nach der Erfindung so ausgebildet, dass sie Kurven der |. Elektronenenergie gemäss der Figur 2 aufweist, dann wird eine vernaohlässigbare
Minoritätsladungsträgarleitung innerhalb der Diode
zumindest unter Bedingungen beim Anlegen kleiner Spannungen vorhanden
sein. Für Bedingungen beim Anlegen von Spannungen kann die Funktion der Minoritätsladungsträgcr und der Mittel zu ihrer Unterdrückung
besser verstanden werden* wenn die Erläuterung der anhand
der Figur 3 diskutierten Glelcbriohterkennlinien berücksichtigt
worden ist.
Die Struktur nach Figur 1 kann als Gleichrichter betrieben werden.
In Figur 3 bedeutet die durchgezogene Kurve das elektrostatische Potential E^ der Figur 2 mit einer Husseren Spannung bzw. Vorspannung
von O. Die punktierte Kurve stellt das elektrostatische Potential beim Anlegen einer Spannung in Flussrichtung an die
Struktur der Figur 1 dar. Eine Spannung in Flussrichtung wird erhalten durch Anlegen einer negativen Spannung an die reohte
Seite des Bauelementes gegenüber der X^nks»* Seite, wie in Figur 1
ersichtlich. Wie anhand der Figur 1 erkennbar, ergibt dies eine Elektronenleitung von der rechten zur linken Seite. Die strichpunktierte
Linie stellt das Elektronenpotential für die Sperrriohtung dar und zeigt die hohe Potentialsohwelle, die eine Elektronenleitung
von der linken zur rechten Seite sperrt, wodurch die Gleichrichtwirkung gegeben ist. Offensichtlich spielt die
"Austrittsarbeitsschioht" aus Material mit überwiegenden Akzeptoren
eine wesentliche Rolle bei dieser Gleichrichtung, indem si·
909824/0723
BAD ORIGINAL
- 7 - W. Shockley - 54
eine unsymmetrisch angeordnete p-i-Ubergangsbarriere zwischen den
zwei n+-Zonen liefert.
Offensichtlich neigen die entweder in der positiv vorgespannten
*n-Zone oder in der i-Schicht als Minoritäten erzeugten Löcher bei
dem in Figur 3 dargestellten Zustand einer Vorspannung in Sperrichtung zum Diffundieren oder Driften. Sie werden sich folglich an
der Stelle geringsten elektrostatischen Potentials in der p-Sohioht
ansammeln; dies erfolgt am Ort maximaler Energie des Leitfähigkeitsbandes. Wird die Trägerlebensdauer in der p-Schloht wesentlich
kleiner als in der i- und η-Zone, wo sie entstehen, gewählt, so
wird diese LBoheransammlung unbedeutend* Das kann durch irgendeines
der bekannten Mittel zur Verminderung der Lebensdauer erreicht werden, beispielsweise durch Diffusion von Rekombinationszentren aus
der Oberfläche nach innen oder durch Beschädigen bis zu einer begrenzten Tiefe durch ein Bombardement mit Elektronen, Protonen oder
α-Teilchen. Diese Lebensdauerverminderung darf sich in die n-Zone
auf der linken Seite ausdehnen, da dies ebenfalls die Löcherkonzentration in der p-Sohicht im Gleichgewicht mit der Elektronenkonzentration halten wird. FUr ein Silicium-Bauelement, wie es aus dem
Aufsatz von Sah, Noyce, Shookley aus Proc. IRE, 45, 1228 (1957)
bekannt ist, ist der wirksamste Bereich für die Rekombination die
Raumladungszone des Überganges.
Ein tieferes Verständnis für die Vorteile der hier behandelten
Dioden kann erhalten werden, wenn der Unterschied zwischen der Wirkungsweise bei einer. Vorspannung in Flussrichtung und die Wirkungsweise eines p-n-überganges betrachtet wird. Bei einem
p-n-übergang wird der Fluss-Strom durch einen in sein Inneres gerichteten Fluss der Majoritätsträger von beiden Seiten her
getragen, was mit einer unvermeidlichen und unerwünschten Speicherung von Ladungsträgern beiderlei Vorzeichens in der Zone an
oder nahe dem übergang verbunden ist. Bei den Dioden nach der
vorliegenden Erfindung treten Majoritätsladungsträger in eine Seite ein und auf der anderen aus. Wie durch die den Flussfall
- 8 ■909824/072.3
- 8 - W. Shoekley - 5^
betreffende Kurve gemäss Figur J veranschaulicht, erfolgt ein
Anwachsen der Elektronenanzahl in der !«Schicht« aber nur soweit
wie es zur Verminderung der Spannung über diese Sohioht erforderlich ist; im wesentlichen ist die Ladung zur Änderung der Spannung
über die Diodenkapazität erforderlich. Dieses Anwachsen der Elektronenkonzentration ist auf die Unterdrückung der Löcher in der
p-Schioht gerichtet, und somit läuft der Fluss-Strom eher auf eine Verminderung der vorhandenen Löcheranzahl hinaus als auf ihre Vermehrung, wie es der Fluss-Strom bei einem pn-übergang bewirken
würde.
Wie bereits erwähnt, zeigt die Figur 4 eine andere AusfUhrungsform
der Erfindung, wobei ein einheitlicher Körper aus Halbleitermaterial eine Vierzonenfolge p-n-i-p und ohmsohe Anschlüsse an den Endzonen aufweist. Bei der Struktur gemäsa Figur 4 sind Löcher die
vorherrschenden und gesteuerten Ladungsträger, und es ist angestrebt, die Minoritätsladungsträger (Elektronen) zu unterdrücken.
Dies wird wiederum durch geeignete Ausbildung des Bauelementes erreicht, so dass das elektrostatische Potential bei Fehlen einer
äuseeren Spannung nicht, das Fermi-Niveau kreuzt.
Obwohl die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung oben beschrieben wurden, können weitere Ausführungsformen zur Unter-
| drückung der Minoritätsladungsträger und zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens angeführt werden. Beispielsweise kann die
intrinsisohe Zone (i) aus einem schwach dotierten n- oder p-leitenden Material bestehen, d.h. dass sie eine geringere Konzentration an Donatoren oder Akzeptoren als die anderen Zonen aufweist.
Die äusseren Zonen müssen selbstverständlich nioht die gleiche
Konzentration an Donatoren oder Akzeptoren aufweisen.
Nach den auf der oben beschriebenen Unipolardiode beruhenden Bemessungsgrundlagen sollen die folgenden Beispiele als Beleg
für praktisch verwirkliohbare Bauelemente dienen. Die Dicke der
- 9 909824/0723
- 9 - W. Shookley - 5
p-Sohioht eines n-p-1-n-Bauelementes, das aus Silicium mit einer
Doaatorenkonzentration in den n-Sohichten von 8 χ 10 /cnr und "
einer Akzeptorkonzentration in der n-Sohicht von 10 7or besteht«
mil
..'■·.
sollte raöglichat geringer als 7.3 x 10 cm betragen. In der gleichen Struktur mit einer Akzeptorkonzentration von 10 /onr sollte
die p-3chioht mögliohst weniger als 2.3 χ 10*"^om diok sein. Bei
jedem dieser Beispiele liegt die Dicke der i-Sohicht in der
Orössenordnung von 10 -Om ■· Wo eine Donator- oder Akzeptordlohte
erwähnt wird, wird der Überschuss des Elementes vom einen Leitfähigkeitstyp Über das andere angestrebt.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 5 dargestellt· Das Bauelement enthält eine n-p-i-n-Zonenfolge. Die
Struktur enthält Jedooh noch äussere η-Zonen hoher Verunreinigungskonzentration (n++), die entartet sind. Die ohmsohβ Verbindung erfolgt an der entarteten Zone.
Inder Figur 6 ist eine Unipolartriode dargestellt. Die Triode
enthält ein Paar von Unipolardioden· Die n-1-p-n-Dlode mit der
unsymmetrischen (ip)-Sperrschicht wird derartig gepolt, dass ein
Fluss-Strom von Elektronen von der linken zur rechten Seite in der Figur ermöglicht wird. Die n-p-i-n-Diode wird derartig angeordnet,, dass ein Elektronenfluss von der linken zur rechten Seite
erfolgt. Die Austrittearbeit der p-Schlohten mit vorherrschenden
Akzeptoren bewirkt eine Elektronenanstauung in der mittleren η-Zone. Die Konzentration der Verunreinigungen wird wiederum so
ausgewählt, dass eine unipolare Arbeitsweise gewährleistet ist« d*l£» die Konzentration der Donatoren und Akzeptoren Über das Bauelement sind derartig, dass das elektrostatische Potential nirgends innerhalb der ladungsträgerinjizierenden Diode gleich dem
Permi-Hlveau wird.
Bei dem AusfUhrungebeispiel gemäss Figur 6 besteht die injizierende
Unipolardiode aus der n-i-p-rt »Zonenfolge auf der linken Seite der
909824/0723
- 10 - W. Shookley - 5*
enthält die n-p-i-n-Zonenfolge auf der reohten Seite des Bauelementes. An den Enden des Bauelementes werden ohmsohe
Anschlüsse 22 und 24 und an der gemeinsamen Überführungezone ein ohmscher Anschluss 21 hergestellt.
Die Figur 7 zeigt den Verlauf des elektrostatischen Potentiale für die Struktur der Figur 6 ohne äussere Spannung. Wiederum
bedeutet E0 die untere Kante des Leitfähigkeitsbandes und Ey die
obere Kante des Valenzbandes. Die verbotene Bandlüoke liegt zwischen den Kurven Ec und Ey. Ep bedeutet das Fermi-Niveau im
Material. Die p-leltenden Zonen werden hinreichend dünn ausgebildet, so dass das Niveau der Energie E1 bei der im Bauelement
vorhandenen besonderen Konzentration an Donatoren und Akzeptoren überall in dem Element unter dem Ff.rsgi-Niveau liegt. Die p-leitenden Zonen sind ferner derartig bemessen« dass das elektrostatische Potential der ρ-Zone kleiner ist als dasjenige der
p+-Zone, wodurch eine Differenz des elektrostatischen Potentials
gegeben ist.
Durch Anlegen einer Fluss-Spannung über die linke, die n-i-p-n-Zonenfolge aufweisende Unipolar-Diode, d.h. durch negative Polung
des ohmsahen Anschlusses 22 gegen den ohmsohen Ansohluss 21 wird
die Unipolardiode Ladungsträger über die p-leitende Austrlttsarbeitssohioht gemäss Figur 8 injizieren* Diese Ladungsträger
weisen wesentlich gröasere Energien als die thermische Energie
auf. Diese sogenannten "heissen" in die mittlere überfUhrungszone injizierten Ladungsträger difi"--■-..isv&n schnell durch diese
gemeinsame Zone. Die Wirkungsweise 1st ähnlich der im Zusammenhang mit der Unipolardiode der Figuren 1 und 2 beschriebenen. Gemäss
Figur 8 wird bei Anlegen der Spannung die potentielle Energie auf der linken η-leitenden Zone angehoben, wie durch die punktierte
Linie angedeutet. Dabei fHessen Elektronen Über den Potentialberg 23 in die mittlere Zone. Da die angelegte Spannung ein halbes
Volt bei einem Silioiumbauelement betragen kann, ohne dass es zu
- 11 -24/0723 BAD ORIGINAL
- 11 - W. Shookley - 54
einer bedeutenden Löcherkonzentration in der Austrittsarbeitssohloht kommt, werden die die Sperrschicht durchdringenden Elektronen in der mittleren Überführungszone in einem "heissen" Zustand
mit regellos verteilten« etwa zwanzigmal grosseren Energien als
die der normalen Majoritetsladungsträger eintreffen. Diese injizierten "heieeen Ladungsträger" diffundieren schnell durch die
Zone und praktisch etwa vier- oder fünfmal weiter als es bei einer injektion in eine p-leitende Basiszone eines Flächentransistors der
Fall sein würde« wo sie entsprechend einer Energie von etwa einem
Vierzigstel Volt regellos verteilte thermische Geschwindigkeiten
aufweisen würden.
An die rechte Unipolardiode wird durch eine positive Spannung an
dem Anschluss 2k gegenüber dem Anschluss 21 eine Sperrspannung angelegt. Die Änderung des elektrostatischen Potentials ist in
Figur 8 dargestellt. Dadurch werden relativ hohe Felder in dieser
Unipolar-Diode erzielt» die die "heissen", durch die Überführungszone diffundierenden und in die Austrittearbeitsschicht in dem
(pi)-Kollektorübergang eindringenden Elektronen ausräumen oder
sammeln werden. Um die "heissen" Elektronen mit gutem Wirkungsgrad zum übersteigen des Potentialwalles der Austrittsarbeitsschicht zu veranlassen, sollte diese Schicht einen niedrigeren
E1-Wert als die (ip)-Schicht aufweisen, über die die Elektronen
injiziert werden. Diese erwünschte Differenz ergibt sich automatisch, wenn die Zonen der beiden Übergänge (Ip) und (pi) gleich
bezüglich der Dotierungsniveausmd Breiten sind, da die angelegten Potentiale ihre relativen Höhen wie in Figur 8 veranschaulicht
verändern. Die Differenz kann jedoch noch weiter vergrössert werden, indem die Austrittearbeitsschicht auf der injizierenden Seite
stärker als die auf der sammelnden Seite ausgebildet wird. Derartige Abwandlungen werden einen Betrieb bei dickeren Überführungszonen, in denen heisse Elektronen mehr Energie verlieren, erlauben.
- 12 -90982 A/072 3
- 12 - W. Shookley - *>k
Ladungsträgern fHessen und die Pluss-Spannung über den injizierenden
Übergang bewirken, von den "heissen" über die ÜberfUhrungszone
fliessenden Ladungsträgern lediglich durch eine Energiedifferenz getrennt werden. Die Ladungsträger des Steuerstroms werden
in der Überführungszone durch die Äustrittsarbeitsschicht zurückgehalten.
Obwohl ein Triodenbauelement mit einer besonderen Reihenfolge des Leitfähigkeitstyps der verschiedenen Zonen beschrieben wird, so
sind selbstverständlich auch die entgegengesetzten Leitfähigkeitstypen anwendbar. Ferner kann das Bauelement aus den Strukturen
der Figuren 1 oder 6 abgewandelt werden, indem p-Zonen anstelle von ip- oder pi-Zonen verwendet werden, wobei deren Breiten und
Verunreinigungskonzentrationen zur Verwirklichung der in Figur 8 gezeigten relativen Höhen eingestellt werden.
Zwar kann die Unterdrückung unerwünschter Ladungsträger durch die
Herstellung von Strukturen verwirklicht werden, die nicht, wie in Verbindung mit den Figuren 2 und 7 diskutiert, das Fermi-Niveau
Ε« kreuzende E.-Werte aufweisen. Eine ausreichende Unterdrückung
kann jedoch auch mit weniger scharfen Bedingungen erreicht werden··
Beispielsweise kann ein Halbleiter mit extrem niedrigen n.-Werten wie Siliciumkarbid bei Zimmertemperatur oder Silicium oder Germanium
bei niedrigen Temperaturen derartig niedrige n^-Werte aufweisen,
dass die unerwünschten Ladungsträger sogar einen vernachlässigbaren
Beitrag liefern, wenn diese n^ um den Faktor ICr oder
mehr übertreffen. Eine allgemein anwendbare Regel besteht darin, dass die Ladungsträgerdichte in den Austrittsarbeitsschichten
gegenüber den Majoritätsdichten in den benachbarten Schichten vernachlässigbar sein sollte·
Zweifellos rührt die unsymmetrische gleichrichtende Wirkung der Austrittsarbeitsschichten von ihrer relativen Dünnschichtigkelt
und der hohen Verunreinigungskonzentration im Vergleich zu der
.*' ■■'"" ■■' :-
- 13 -
90982470723""-
W. Shockley -
benachbarten i-Schicht her. Zweifellos sind daher die Eigenschaften
der i-Schicht unter der Voraussetzung einer schwachen
Dotierung unkritisch; sie kann ersetzt werden durch eine aus»
reichend schwache p- oder η-Dotierung oder durch einen schwach
dotierten pn- oder np-Übergang, ohne dass die Funktionsweise d^er
benachbarten Bauelemente grundsätzlich geändert wird.
Die Figur 9 zeigt die Schaltung eines Verstärkers mit einer
Unipolartriode. Die Vorppannung 31 wird in Serie mit dem zu
verstärkenden Signal 32 angelegt. Das Ausgangssignal wird an --■"
einem Belastungskreis 33, der in Serie mit der Stromquelle 34
geschaltet ist, abgenommen.
Obgleich die beschriebenen AusfUhrungsbeispiele der Erfindung
ausführlich behandelt wurden, sind selbstverständlich weitere
Ausführungsformen der Erfindung möglich. Die behandelten Ausführungsbeispiele
können Änderungen, Abwandlungen und Ersatzmassnahmen unterworfen werden, ohne vom allgemeinen Erfindungsgedanken abzugehen.
- 14 -
BAD ORIGINAL 90982Λ/0723
Claims (4)
1514Q61
PATENTANSPRÜCHE .
Halbleiterbauelement mit einem eine Mehrzahl von aufeinanderfolgenden
Zonen aufweisenden Halbleiterkörper, von denen jede eine bestimmte Verunreinigungskonzentration
an Donatoren oder Akzeptoren aufweist, gekennzeichnet durch eine erste Zone mit einem überschuss von der einen
Art der Verunreinigungsatome, eine zweite, an die erste anschliesseride Zone mit einem überschuss von der anderen
Art der Verunreinigungsatome zur Bildung eines Potentialwalles für die Majoritätsladungsträger der ersten
Zone, eine dritte, an die zweite anschl!essende Zone und
eine vierte, an die dritte ansohliessende Zone mit einem
überschuss an Verunreinigungsatomen der ersten Art.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die dritte Zone eine wesentlich gröasere Ladungsträgerlebenedauer als die zweite Zone und eine
zwischen der der ersten und zweiten Zone liegende Netto-Verunreinigungskonzentration
aufweist.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die erste und vierte Zone als Endzonen mit einer höheren Verunreinigungekonzentration
vom Leitfähigkeitstyp der benachbarten Zone ausgebildet und entartet sind.
4. Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch
:■ - ■■■' - . 15 -
909824/0723
OBIGINAL INSPECTED
- 15 - W. Shookley -
gekennzeichnet, dass die erste und vierte Zone als Endzonen
auegebildet sind und dass die Konzentration und Verteilung von Verunreinigungen des entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps in der zweiten und dritten Zone derart bemessen 1st, dass die Ladungsträgerkonzentrationen
vom entgegengesetzten Vorzeichen in Bezug auf den ersten
Leitfähigkeitstyp nirgends im Halbleiterkörper die Ladungsträgerkonzentration
vom ersten Leitfähigkeitetyp um mehr ale den Paktor io' übertrifft. ä
Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, dass der Stromflus» bei Anlegen einer
Spannung zwischen den Endzonen Im wesentlichen vollständig aus Ladungsträgern vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp
der zweiten Zone besteht.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, dass der Strom vorherrschend aus Ladungsträgern
des einen Leitfähigkeitstyps besteht und die Zahl der
Ladungsträger vom entgegengesetzten LeitfMhigkeitstyp
sich bei Anlegen einer Spannung in Plussrichtung vermindert.
(
Halbleiterbauelement nach Ansprüchen 1 bis 6, daduroh
gekennzeichnet, dass je eine Endzone zweier aus den vier Zonen bestehenden Zonenfolgen in einem gemeinsamen Halbleiterkörper
eine gemeinsame mittlere Zone bilden, dass zumindest eine Zonenfolge an ihre Endzone anschiiessend
eine in der Dicke und Verunreinigungskonzentration derart
bemessene Zone vom den Endzonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, dass die Ladungsträgerdichte
909824/0723
w. Shockiey - 54
vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie die Endzonen
gegenüber der MaJoritStsladungsträgerdionte Über den
Halbleiterkörper vernachlässigbar klein ist, und dass die mittlere Zone und die beiden Endzonen des Halbleiter·
körpers je einen ohmechen Kontakt aufweisen.
909824/0723
leers e i t e
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US412959A US3398334A (en) | 1964-11-23 | 1964-11-23 | Semiconductor device having regions of different conductivity types wherein current is carried by the same type of carrier in all said regions |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1514061A1 true DE1514061A1 (de) | 1969-06-12 |
Family
ID=23635189
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE19651514061 Pending DE1514061A1 (de) | 1964-11-23 | 1965-11-22 | Unipolarhalbleiterbauelement |
Country Status (8)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US3398334A (de) |
| BE (1) | BE672697A (de) |
| CH (1) | CH453506A (de) |
| DE (1) | DE1514061A1 (de) |
| ES (1) | ES319939A1 (de) |
| FR (1) | FR1454807A (de) |
| GB (1) | GB1103796A (de) |
| NL (1) | NL6515147A (de) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS4828114B1 (de) * | 1966-10-29 | 1973-08-29 | ||
| CH516874A (de) * | 1970-05-26 | 1971-12-15 | Bbc Brown Boveri & Cie | Halbleiterbauelement |
| DE2323592C2 (de) * | 1972-06-09 | 1981-09-17 | BBC AG Brown, Boveri & Cie., Baden, Aargau | Thyristor |
| DE3441922C2 (de) * | 1984-11-16 | 1986-10-02 | Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 8012 Ottobrunn | Fotokathode für den Infrarotbereich |
| WO1987000693A1 (en) * | 1985-07-12 | 1987-01-29 | Hewlett-Packard Company | Detector and mixer diode operative at zero bias voltage and fabrication process therefor |
| JPH0766981B2 (ja) * | 1987-03-26 | 1995-07-19 | 日本電気株式会社 | 赤外線センサ |
| GB8817459D0 (en) * | 1988-07-22 | 1988-08-24 | Gen Electric | Semiconductor devices |
| US8270131B2 (en) * | 2009-07-31 | 2012-09-18 | Infineon Technologies Ag | Electrostatic discharge protection element and electrostatic discharge protection chip and method of producing the same |
| US8530902B2 (en) | 2011-10-26 | 2013-09-10 | General Electric Company | System for transient voltage suppressors |
Family Cites Families (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| NL91725C (de) * | 1952-12-16 | |||
| US2838617A (en) * | 1953-01-13 | 1958-06-10 | Philips Corp | Circuit-arrangement comprising a four-zone transistor |
| US2777101A (en) * | 1955-08-01 | 1957-01-08 | Cohen Jerrold | Junction transistor |
| US2981849A (en) * | 1956-01-09 | 1961-04-25 | Itt | Semiconductor diode |
| US2869084A (en) * | 1956-07-20 | 1959-01-13 | Bell Telephone Labor Inc | Negative resistance semiconductive device |
| US2980810A (en) * | 1957-12-30 | 1961-04-18 | Bell Telephone Labor Inc | Two-terminal semiconductive switch having five successive zones |
| NL260007A (de) * | 1960-01-14 | |||
| NL275617A (de) * | 1961-03-10 | |||
| US3279963A (en) * | 1963-07-23 | 1966-10-18 | Ibm | Fabrication of semiconductor devices |
-
1964
- 1964-11-23 US US412959A patent/US3398334A/en not_active Expired - Lifetime
-
1965
- 1965-11-19 GB GB49259/65A patent/GB1103796A/en not_active Expired
- 1965-11-22 NL NL6515147A patent/NL6515147A/xx unknown
- 1965-11-22 DE DE19651514061 patent/DE1514061A1/de active Pending
- 1965-11-22 CH CH1604365A patent/CH453506A/de unknown
- 1965-11-23 FR FR39443A patent/FR1454807A/fr not_active Expired
- 1965-11-23 ES ES0319939A patent/ES319939A1/es not_active Expired
- 1965-11-23 BE BE672697D patent/BE672697A/xx unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ES319939A1 (es) | 1966-05-01 |
| US3398334A (en) | 1968-08-20 |
| GB1103796A (en) | 1968-02-21 |
| BE672697A (de) | 1966-05-23 |
| NL6515147A (de) | 1966-05-24 |
| CH453506A (de) | 1968-06-14 |
| FR1454807A (fr) | 1966-10-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| DE2711562C3 (de) | Halbleiterbauelement und Verfahren zu seiner Herstellung | |
| DE69428996T2 (de) | Schottky-gleichrichter mit mos-gräben | |
| DE3008034A1 (de) | Elektrodenvorrichtung fuer eine halbleitervorrichtung | |
| DE112019003790T5 (de) | Superjunction-siliziumkarbid-halbleitervorrichtung und verfahren zum herstellen einer superjunction-siliziumkarbid-halbleitervorrichtung | |
| DE2733840A1 (de) | Halbleiteranordnung mit einem gleichrichtenden metall-halbleiter- uebergang | |
| DE1154872B (de) | Halbleiterbauelement mit einem mindestens drei pn-UEbergaenge aufweisenden Halbleiterkoerper | |
| DE102018203693A1 (de) | Halbleitervorrichtung | |
| DE112011100533T5 (de) | Halbleitervorrichtung | |
| DE1489937A1 (de) | Halbleiterbauelement | |
| DE69814619T2 (de) | Siliziumkarbid feldgesteuerter zweipoliger schalter | |
| DE1808661A1 (de) | Halbleiter-Bauelement | |
| DE68923789T2 (de) | Optische halbleitervorrichtung mit einer nulldurchgangsfunktion. | |
| DE2756268C2 (de) | Temperaturkompensierte Bezugsspannungsdiode | |
| EP0978145B1 (de) | Halbleiter strombegrenzer und deren verwendung | |
| DE3231676A1 (de) | Verlustarme pin-diode | |
| DE1514061A1 (de) | Unipolarhalbleiterbauelement | |
| DE69835052T2 (de) | Kontakt auf P-Typ Gebiet | |
| CH670173A5 (de) | ||
| DE19820734A1 (de) | Unipolarer Halbleitergleichrichter | |
| DE69608651T2 (de) | Hochspannung-Siliziumdiode mit optimaler Aufstellung von Silizium-Germanium Schichten | |
| DE3878339T2 (de) | Detektor fuer ionisierende teilchen. | |
| DE1639177B2 (de) | Monolithisch integrierte gleichrichterschaltung | |
| DE1934208U (de) | Halbleiterbauelement. | |
| DE2458735A1 (de) | Transistor mit einem hohen stromverstaerkungsfaktor bei kleinen kollektorstroemen | |
| DE1439674B2 (de) | Steuerbares und schaltbares pn-Halbleiterbauelement für große elektrische Leistungen |