DE1544224B2 - Siliziumdiode und verfahren zu ihrer herstellung - Google Patents
Siliziumdiode und verfahren zu ihrer herstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Siliziumdiode aus einem polykristallinen plattenförmigen Siliziumkörper,
dessen größte Kristallitabmessungen in gleicher Richtung verlaufen und senkrecht zu einer
Körperoberfläche ausgerichtet sind und in dem ein PN-Übergang gebildet ist und auf ein Verfahren zu
ihrer Herstellung, bei dem man aus einer Siliziumschmelze eine polykristalline Siliziumstange mit Korngrenzen,
die im wesentlichen in Richtung der Stange verlaufen, zieht und aus dieser Stange dann durch
eine Durchtrennung in einer senkrecht zu ihrer Wachstumsrichtung verlaufenden Richtung mindestens
eine Scheibe schneidet. :
In der Technik besteht oft der Bedarf nach billigen, unempfindlichen Hochstromdioden.
Siliziumdioden haben gegenüber Kupferoxydul- und gegenüber Selengleichrichtern den Vorteil einer
höheren zulässigen Stromdichte und einer höheren Grenze ihrer Arbeitstemperatur. Es sind poly kristalline
und monokristalline Siliziumdioden bekannt.
Aus Einkristallen bestehende Siliziumdioden (bekannt z. B. aus der Zeitschrift für Metallkunde, 1958,
S. 570 bis 575; »Das Elektron«, 5 [1951/52 vom 22. April 1952], S. 429 bis 439; Umschau, 23 [1961],
S. 719 bis 722) sind mit einem großen Leiterquerschnitt nur unter erheblichen Herstellungskosten zu
erzeugen. Die Strombelastbarkeit eines Gleichrichterelements ist der Größe der monokristallinen Basisplatte
proportional. Es ist deshalb verhältnismäßig teuer, solche Dioden mit hoher Strombelastbarkeit
herzustellen.
Um eine erhöhte Gesamt-Strombelastbarkeit zu erzielen, ist es auch bekannt, eine Mehrzahl monokristalliner
Siliziumdioden in elektrischer Parallelschaltung zu kombinieren. Hierbei ergeben sich jedoch
nicht nur schaltungs- und wartungstechnische Schwierigkeiten, sondern es treten an den Seitenflächen
der zahlreichen Dioden Oberflächen-Kriechströme auf, die zur Verschlechterung der elektrischen
Gesamteigenschaft des Gleichrichtersatzes führen und außerdem auch die Lebensdauer der Dioden verringern,
da durch sie eine ungünstige Wirkung auf an der Oberfläche vorhandene Substanzen und Gase
entsteht.
Es sind andererseits Kristallgleichrichter aus polykristallinem
Silizium bekannt, bei denen das polykristalline Ausgangsmaterial nicht vollständig gereinigt
war und einen hohen Anteil hochkonzentrierter Verunreinigungen sowie häufig einen sehr niedrigen
Wert für die Durchbruchspannung in Sperrrichtung aufwies. Es ist äußerst schwierig, das Verhalten
derartiger Materialien bei der Herstellung zu beeinflussen. Weiterhin ist es bekannt, daß durch
Reduktion oder thermische Zersetzung einer siliziumhaltigen Verbindung, wie Siliziumtetrachlorid, Trichlorsilan,
Silan oder Siliziumjodid, eine polykristalline Siliziumplatte mit Gleichrichterwirkung entsteht.
Solche polykristallinen Siliziumdioden lassen jedoch einen erheblichen Sperrstrom durch und werden
deshalb in der Praxis kaum angewandt.
Insbesondere ist eine polykristalline Siliziumdiode der eingangs genannten Gattung bekannt (deutsche
Patentschrift 1130 932), deren Halbleiterkörper in Längsrichtung verlaufende Versetzungen hat und
durch Ziehen aus einem entsprechende Versetzungen aufweisenden Impfkristall hergestellt wird. Bei der
bekannten Diode wird die Tendenz der Diffusion, vorzugsweise längs der Versetzungen fortzuschreiten,
so ausgenützt, daß damit vorspringende Grenzschichtstellen erzeugt werden, die an ihrer Spitze einen
aktiven Bereich von äußerster Kleinheit bilden. Auf Grund dieser Eigenschaft ergibt sich ein sehr beschränkter
Anwendungsbereich der bekannten Dioden, da die Stromdichte im Bereich der Spitzen
nicht sehr hoch werden darf und auch die Durchbruchspannung durch diese Stellen erhöhter Feldstärke
verhältnismäßig niedrig ist. Die bekannten Diöden sind deshalb jedenfalls als Hochstromdioden
ungeeignet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen billig, herstellbaren Siliziumgleichrichter mit erheblichem
Leiterquerschnitt und damit mit hoher Strombelastbarkeit herzustellen, dessen Sperrstrom und
dessen Sperrspannung zufriedenstellende Werte aufweisen. Solche Gleichrichter werden insbesondere für
Anwendungen benötigt, bei denen am Gleichrichter eine mäßige Spannung anliegt, so daß nur eine
dünne p-n-Übergangsschicht vorliegt, der aber einen erheblichen Strom führen soll, beispielsweise in der
Stromerzeugungsanlage von Kraftfahrzeugen, die als Lichtmaschine einen Drehstromgenerator haben.
Die erfindungsgemäße Siliziumdiode zeichnet sich dadurch aus, daß der flächenhafte p-n-Übergang in
einer im wesentlichen ebenen Fläche liegt, die die Korngrenzen der Kristallite ν rechtwinklig schneidet.
Mit ihren faserartig langgestreckten, etwa parallelen Kristallen, die quer von der im wesentlichen ebenen
Sperrschicht durchsetzt werden, ist die erfindungsgemäße Diode einer Vielzahl .von in einem einzigen
Gleichrichterkörper■ ,zusammenge_faßteri _ .parallelgeschalteten
EinkristaÜdioden vergleichbar und gestattet bei einigermaßen, gleichmäßig verteilter Stromdichte
eine sehr hohe Strombelastung. Sie stellt also eine billig herstellbare Hochstromdiode mit Einkristallcharakteristik
dar, bei deren Herstellung jedoch nicht die für die Herstellung eines Einkristalls
zu beobachtenden kritischen Bedingungen und die sehr präzise Temperaturkontrolle eingehalten werden
müssen.
Das Herstellen der im wesentlichen ebenen Sperrschicht in dem polykristallinen, ausgerichteten Halbleiterkörper
ist dadurch zu erzielen, daß durch die Durchführung der Diffusion unter speziellen Temperaturbedingungen
die Erscheinung des schnelleren Diffusionsfortschreitens entlang den Korngrenzen
unterdrückt wird. Diesbezüglich optimale Bedingungen zur Verfahrensdurchführung ergeben sich, wenn
man, in die Siliziumscheibe, die von hoher Reinheit mit einer Verunreinigungskonzentration von
weniger als 1:1000 000 ist, von mindestens einer ihrer Oberflächen eine Verunreinigung bei einer
Temperatur T in ° C während einer Zeit t in Stunden
,55 eindiffundiert, wobei .... .. ,..,,·
Zur noch weiteren Optimierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorteilhaft, das Siliziummaterial
von beiden Seiten her mit Verunreinigungen einander entgegengesetzten Leitungstyps zu dotieren.
Hierdurch wird die Leitfähigkeit verbessert.
Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. In der Zeichnung
ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht, und zwar zeigt
Fig. 1 ein Schaltbild einer elektrischen Parallel-
3 4
schaltung herkömmlicher Einkristallgleichrichterele- überliegenden Seiten der Siliziumbasis vom Typ η
mente, eindiffundiert worden sind und der einen spezifischen
Fig. 2 eine schematische Darstellung für die An- Widerstand von 50 Ohm-cm hat,
Wendung'polykristalliner Gleichrichterelemente nach Fig. 17 ein Beispiel für ein polykristallines SiIi-
der Erfindung, 5 ziumgleichrichterelement nach der Erfindung,
. Fig. 3a, 3b, 3c, 3d und 3e je eine schematische Fig. 18 eine schaubildliche Darstellung der elek-
Darstellung der aufeinander folgenden Stufen eines trischen Eigenschaften des Gleichrichterelements
Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer Vor- nach Fig. 17 und
richtung mit einem polykristallinen Gleichrichter aus Fig. 19 ein Schaltbild einer Ausführungsform
einer polykristallinen Siliziumstange vom Typ η mit io einer elektrischen Stromerzeugungsanlage für Kraft-
nicht geradeaus gerichteten Polykristallen, fahrzeuge mit einer Anzahl von. Gleichrichterele-
F i g. 4 eine schematische Darstellung der Mikro- menten nach der Erfindung.
struktur des Gleichrichters im Querschnitt durch die Aus der Fig. 1 und 2 läßt sich ein Vergleich für
in seinem Inneren entstehende p-n-Verbindungs- die Herabsetzung des Oberflächenbereiches und der
schicht, 15 Kriechströme bei einer Vorrichtung mit polykristal-
F i g. 5 eine schematische Darstellung des Ver- linem Gleichrichter nach der Erfindung im Vergleich
fahrens zur Herstellung einer geradeaus. gerichteten zu herkömmlichen Emkristallgleichrichtern ablesen,
polykristallinen Siliziumstange, welches das Wachs- F i g. 1 zeigt die Anwendung einer Vielzahl üblicher
tum der Kristalle in praktisch nur einer einzigen be- Einkristallelemente in elektrischer Parallelschaltung,
stimmten Richtung umfaßt, 20 wobei die Pfeile den Oberflächen-Leckstrom is! be-
Fig. 6 die Ansicht eines Querschnitts durch ein zeichnen, der an jedem einzelnen "dieser Elemente
geradeaus gerichtetes polykristallines Gleichrichter- auftritt. Andererseits tritt im Falle der Verwendung
element, wobei der Schnitt durch die in diesem ge- eines Elementes mit" ausgerichteten Polykristallen,
formte p-n-Verbindungsschicht hindurchgeführt ist, wie F i g". 2 zeigt, ein Leckstrom isf nur an der Seiten-
, Fig. 7 die Ansicht eines schematischen Schnitts .25 fläche der gesamten Gleichrichtervörrichtüng auf. In
durch eine poly kristalline Stange, in welcher die diesen beiden Figuren ist durch den gestrichelten
Ränder des einzelnen Korns nicht nur in der speziel- Linienzug die p-n-Verbindung'sschicht angedeutet,
len Richtung des Kristallwachstums fortgeschritten die in der Siliziumbasis erzeugt wird,
sind, sondern auch quer zu dieser Richtung, Der Hauptünterschied zwischen einem Einkristall
Fig. 8 eine schematische Darstellung der Korn- 3° und einer polykristallinen Substanz ist darin zu sehen,
anordnung in dem polykristallinen Gleichrichterele- daß letztere aus zusammengefügten Einkristallen be-
ment relativ zu der p-n-Verbindungsschicht, die in steht und zwischen den einzelnen Einkristallen soge-
diesem Element hergestellt worden ist, nannte interkristalline oder Korn-Randzonen vor-
, F i g. 9 die schematische Ansicht eines Querschnitts handen sind. ,
durch einen polykristallinen Gleichrichter mit der 35 Durch eingehendes Studium der Auswirkungen
Anordnung der Umrißlinien des Korns relativ zu der ' der Randzonen auf die gleichrichtenden Eigenschaf-
p-n-Verbindungsschicht, ten und, auf die Diffusion von Verunreinigungen ist
F i g. 10 eine Darstellung des Zusammenhangs zwi- ein geradeaus . gerichtetes polykristallines Material
sehen der Dicke der Sperrschicht an der p-n-Ver- gefunden worden, welches sich mit Vorteil zur Herbindungsschicht
und der angelegten Spannung für 4? stellung von Gleichrichterelementen auf kontrollierverschiedene
spezifische Widerstände, bare Art und unter industriell und wirtschaftlich trag-
Fig. 11 eine Erläuterung einer Ausführungsform baren Bedingungen verwenden läßt.
der p-n-Verbindungsschicht in dem polykristallinen .,Einer der bedeutendsten Unterschiede hinsichtlich
Gleichrichterelement, die durch Diffusion im festen des elektrischen Verhaltens zwischen einem Einkri-Zpstand
gebildet ist, -.....· 45 stall aus Silizium und poly kristallinem Silizium be-,
Fig. 12 eine Darstellung des Zusammenhangs steht darin, daß "die Lebensdauer, von Mmoritätszwischen
der Diffusionsgeschwindigkeit und der trägern in dem polykristallinen Silizium sich zu unwechselseitigen
Temperaturen für die Diffusion an gefähr einem Zehntel oder weniger der entsprechenden
Korngrenzflächen und für die Diffusion in der den Menge in dem Einkristall ergab.
Gesamtmasse, 5° In Transistoren beeinflußt die Lebensdauer das
Gesamtmasse, 5° In Transistoren beeinflußt die Lebensdauer das
Fig. 13 die Ansicht eines Querschnitts durch ein Verhältnis der Minorftätsträger, die den Kollektor
polykristallines Element nach der Erfindung, die erreichen, zu denjenigen, die emittiert werden, und
schematisch die Bildung einer p-n-Verbindungs- .bildet damit einen der Faktoren, welche die Strorh-
schicht zeigt, die durch Diffusion von Verunreinigun- verstärkung des Transistors bestimmen, während die
gen eines Leitfähigkeitstyps entsteht, welcher dem- 55 Strom-Spannungs-Kennlinie eines Gleichrichters iri-
jenigen des polykristallinen Materials entgegenge- nerhalb seiner umgekehrten Pufchbruchssparrhung
setzt ist, . . . · durch folgende Gleichung gegeben ist:"
; Fig. 14 eine graphische Darstellung des Zusam- . . ν \
menhangs zwischen der Flächenfunktion und der ,· — j$ |eXp _iL_ _ A } (i)
Diffusionszeit bei verschiedenen Diffusionstempe- 60 \ kT ) '
ratF?gn'l5 ein Schaubild, welches den Zusammen- * ™elcher / d/ r Str°m' 7« der Sättigungsstrom, e die
hang zwischen der Diffusionstemperatur und der Elektronenladung, V die angelegte Spannung, /c die
Diffusionszeit für verschiedene Werte der Flächen- Boltzmannsche Konstante und Γ die absolute Tem-
funktion für Bor und Phosphor wiedergibt, 65 Peratur ist Ferner gilt die Gleichung:
F i g. 16 die Ansicht eines schematischen Querschnitts durch einen Siliziumgleichrichter, der Bor . r1=j4.plpn'\/ ^v -f- Nv 1 / Dn \ , (2)
und Phosphor enthält, die in die einander gegen-
5 6
in welcher Pn die Defektelektronendichte im Bereich polykristalline Element zeigte auch eine Strom-
des Typs n, Dn die Loch-Diffusionskonstante, τρ die Spannungs-Sperrcharakteristik, die im Bereich der
Lebensdauer der Löcher, N1, die Elektronendichte im Durchbruchsspannung auf der Kennlinie etwas
Bereich des Typs p, Dn die Elektronen-Diffusions- schräger verlief, so daß sich ein sogenannter »wei-
konstante und z„ die Lebensdauer der Elektronen ist. 5 eher« Verlauf zeigte und außerdem eine Kennlinie
Wie man diesen theoretischen Formeln entnehmen für den Vorwärtsstrom, die einen ausreichenden Ankann,
ist die Strombelastbarkeit oder Stromkapazität stieg des Anfangsstroms, aber einen etwas kleineren
eines Gleichrichterelementes aus einem Material mit Wert im Bereich für die höheren Ströme zeigte. Man
Minoritätsträgern, die in ihrer Lebensdauer begrenzt kann diese experimentellen Ergebnisse durch theosind,
also beispielsweise im Falle von polykristalli- io retische Erwägungen erhärten, die sich aus den Wirnem
Silizium VK-mal so groß wie für die gleiche an- kungen der Form der Dioden-Kennlinien für die begelegte
Spannung, wenn K den Reduktionskoeffizien- grenzte Lebenszeit der Minoritätsträger in dem polyten
der Lebensdauer darstellt. kristallinen Gleichrichtermaterial ergeben.
Diese Tatsache gibt Veranlassung für die Zu- Außerdem hat eine mikroskopische Betrachtung
nähme des Sperrstromes, Und vermutlich war dies 15 der Struktur des polykristallinen Gleichrichters, insauch
der Grund, warum man bisher kein polykri- besondere im Bereich der p-n-Schicht, folgende Tatstallines
Material, sondern ein monokristallines Ma- sache aufgedeckt,
terial für Gleichrichterelemente benutzt hat. In Fig. 4 bezeichnet der schraffierte Bereich die
terial für Gleichrichterelemente benutzt hat. In Fig. 4 bezeichnet der schraffierte Bereich die
Es ist aber gefunden worden, daß die obener- Sperrschicht äü der p-ri-Verbindüngsstelle, während
wähnten Nachteile, die dem üblichen polykristallinen 20 die stark ausgezogenen Linien den interkristallinen
Siliziummateriai anhaften, durch die Verwendung Bereich öder die Randzonen der Körner in dem
ausgerichteten polykristallinen Siliziums vollständig polykristallinen Plättchen darstellen,
vermieden werden können, wie im folgenden noch In dieser Figur ist der Abschnitt AB besonders näher beschrieben werden soll. Im folgenden soll zu beachten, weil an dieser Stelle ein Teil der Randdas Wesen der Erfindung zunächst durch Schilderung 25 zone des Körnchens zu beobachten ist, der durch die des Weges erläutert werden, den der Erfinder be- Sperrschicht praktisch parallel zu ihrer Ebene hinschritten hat, um zu der Erfindung zu gelangen. durchgeht. Es1 ist gefunden worden, daß eine Wieder-
vermieden werden können, wie im folgenden noch In dieser Figur ist der Abschnitt AB besonders näher beschrieben werden soll. Im folgenden soll zu beachten, weil an dieser Stelle ein Teil der Randdas Wesen der Erfindung zunächst durch Schilderung 25 zone des Körnchens zu beobachten ist, der durch die des Weges erläutert werden, den der Erfinder be- Sperrschicht praktisch parallel zu ihrer Ebene hinschritten hat, um zu der Erfindung zu gelangen. durchgeht. Es1 ist gefunden worden, daß eine Wieder-
Eine Scheibe mit einer Dicke von 320 Mikron vereinigung der Minöritätenträger in der Sperrwurde
von einer Stange einer bestimmten Art von schicht an dieser p-n-Verbindungsstelle, die haüpt-Silizium
(F i g. 3 a) vom Typ η polykristallinen SiIi- 30 sächlich infolge des Vorhandenseins der Kornrandziums
abgeschnitten, und man hat hierauf in die zonen in diesem Abschnitt auftritt, die Verschlechte-Scheibe
bis zu einer Dicke von 60 Mikron Phosphor rung der Gleichrichtereigenschaften herbeiführt,
aus einem Dampf von P2O5 (F i g. 3 b) in die Scheibe Aus Untersuchungen, die man in den anderen hineindirmndiert. Anschließend wurde eine Ober- Gleichrichterabschhitten durchgeführt hat, in weifräche der Scheibe bis zu einer Tiefe von 80 Mikron 35 chen die Rändzöheh der Körnchen sich praktisch (F i g. 3 c) abgetragen. Diese so freigelegte Ober- senkrecht zu der Ebene der p-n-Schicht erstrecken, fläche wurde dann mit Boranhydrid (B2O3) über- hat sich andererseits ergeben, daß diese Abschnitte zogen, um ein Eindiffundieren in die Scheibe bis zu keinerlei merkliche Differenz in den gleichrichtenden einer Tiefe von 60 Mikron· zu erzielen (Fig. 3d). Eigenschaften gegenüber moriokristallinen Gleich-Hierauf wurde die Scheibe geläppt, um eine Ober- 4° richterri zeigen.
aus einem Dampf von P2O5 (F i g. 3 b) in die Scheibe Aus Untersuchungen, die man in den anderen hineindirmndiert. Anschließend wurde eine Ober- Gleichrichterabschhitten durchgeführt hat, in weifräche der Scheibe bis zu einer Tiefe von 80 Mikron 35 chen die Rändzöheh der Körnchen sich praktisch (F i g. 3 c) abgetragen. Diese so freigelegte Ober- senkrecht zu der Ebene der p-n-Schicht erstrecken, fläche wurde dann mit Boranhydrid (B2O3) über- hat sich andererseits ergeben, daß diese Abschnitte zogen, um ein Eindiffundieren in die Scheibe bis zu keinerlei merkliche Differenz in den gleichrichtenden einer Tiefe von 60 Mikron· zu erzielen (Fig. 3d). Eigenschaften gegenüber moriokristallinen Gleich-Hierauf wurde die Scheibe geläppt, um eine Ober- 4° richterri zeigen.
flächenschicht von einer Stärke von 20 Mikron auf Schließlich ist hoch gefunden worden, daß pöly-
beiden Seiten abzutragen, so daß man eine end- kristalline Gleichrichterelemente zufriedenstellende
gültige Scheibendicke von 200 Mikron erhielt Eigenschaften aufweisen können, solange die Rand-
(Fig. 3e). Zonen der Körnchen sich praktisch senkrecht zu der
Die Scheibe wurde dann mit Nickel plattiert, und 45 Ebene der p-n-Schicht erstrecken. Hieraus hat der
aus der Scheibe wurde ein Element mit den Dirnen- Erfinder mit Recht den Schluß gezogen, daß man
sionen 4 · 4 mm herausgeschnitten, um ein einzelnes gute Gleichrichterelemente aus einem polykristallinen
Gleichrichterelement zu gewinnen. Material immer dann erhält^ wenn die einzelnen Kri-
Dieses Gleichrichterelement zeigte verhältnismäßig stalle in dem Material in einer Richtung zueinander
gute Gleichrichtereigenschaften trotz der Tatsache, 50 ausgerichtet sind, die praktisch senkrecht zu der
daß es sich um einen polykristallinen Gleichrichter Ebene der p-n-Verbindungsschicht in dem Material
handelte. verläuft.
Verglichen mit Gleichrichtereiementen aus mono- Es ist allgemein bekannt, daß beim Verbleiben von
kristallinem Silizium des Typs n, die unter den glei- Silizium im teilweise geschmolzenen Zustand und
chen Herstellungsbedingungen gewonnen worden 55 bei Abkühlung mit einem passenden Temperaturwaren
und die gleichen Dimensionen aufwiesen, gradienten die feste Phase des Siliziums in Richtung
zeigte das so gewonnene polykristalline Element die des Temperaturgradienten zunimmt. Man muß dafolgenden
Unterschiede seiner elektrischen Eigen-_. her beachten, daß durch Verschiebung des Bereiches
schäften. des Schmelzflusses in Richtung des Temperaturgrä-
Zunächst zeigte das polycristalline Siliziumgleich- 60 dienten ein ausgerichtetes polykristallines Silizium
richterelement, das durch diesen ersten Versuch ge- gewonnen wird, welches längliche Kristalle enthält,
wonnen wurde, eine p-n-Schicht im Innern, die durch, die in dieser Richtung liegen. Mit anderen Worten,
Diffusion im festen Zustand gebildet war, bei der es können die Randzonen der Körnchen bei dem
gleichen angelegten Spannung einen höheren Wert Verfahren des Wachstums einer Stange aus poly-
für den Sperrstrom verglichen mit demjenigen eines 65 kristallinem Silizium so ausgerichtet sein, daß sie
monokristallinen Siliziumgleichrichterelementes glei- sich in der Längsrichtung der polykristallinen Stange
eher Abmessungen, welches unter den gleichen Her- erstrecken, wenn man das Material aus der flüssigen
Stellungsbedingungen gewonnen worden war. Das Phase abzieht, so daß man eine progressive Ver-
festigung erhält, wie sie in Fig. 5 schematisch dargestellt ist.
F i g. 5 zeigt eine Stange M aus polykristallinem Silizium, der Pfeil A gibt die Richtung an, in welcher
das Material für die Zwecke der progressiven Verfestigung nach oben gezogen wird. Mit B sind
die interkristallinen Zonen oder Randzonen des Korns bezeichnet, während S die Ebene kennzeichnet,
parallel zu der die Stange in Scheiben geschnitten wird. Dieses Verfahren basiert im wesentlichen
auf dem gleichen Prinzip wie die bisher bekannten Schwebe- und Abziehverfahren, ist aber technologisch
viel einfacher und bequemer, weil es nicht erforderlich ist, einen Einkristall über den ganzen
Querschnitt zu formen.
Von der auf diese Weise gewonnenen polykristallinen Stange wird eine Scheibe längs einer Ebene abgeschnitten,
die senkrecht zur Wachstumsrichtung verläuft, die ihrerseits mit dem Pfeil A bezeichnet
ist (d.h. also parallel zu der EbeneS in Fig. 5).
Verunreinigungen einer Art, die stromleitend sind und deren Stromleitfähigkeit derjenigen des polykristallinen
Materials entgegengesetzt ist, werden durch Diffusion im festen Zustand in die Scheibenfläche
eindiffundiert, um eine p-n-Schicht zu bilden. Das Gleichrichterelement, welches so hergestellt
worden ist, besitzt die Randzonen B an jedem einzelnen Korn, die sich durch die Sperrschicht D der
p-n-Verbindungsstelle nicht parallel zu dieser erstreckt, wie dies F i g. 6 zeigt, und besitzt elektrische
Eigenschaften, die praktisch denjenigen eines monokristallinen Gleichrichterelementes gleichkommen.
Es ist ferner gefunden worden, daß selbst in den Fällen, in denen die obigen Voraussetzungen nicht
vollständig erfüllt sind, ein polykristallines Gleichrichterelement gewonnen werden kann, welches praktisch
die gleichen elektrischen Eigenschaften aufweist wie ein monokristallines Gleichrichterelement, solange
die folgenden zusätzlichen Voraussetzungen und Bedingungen erfüllt sind.
F i g. 7 zeigt eine Form des polykristallinen Wachstums, bei der die Kornränder oder Randzonen B sich
nicht nur in der Wachstumsrichtung A über die gesamte Länge der Stange erstrecken, vielmehr finden
sich in der Mitte ihrer Längsausdehnung auch querverlaufende Randgebiete. Bei der Herstellung von
Gleichrichterelementen aus derartigem polykristallinem Material hat die Größe der Kristallkörnchen
eine erhebliche Bedeutung.
Fig. 8 erläutert diese Verhältnisse unter Zugrundelegung
der einfachsten Form. Für die Zwecke der Erleichterung der Berechnung ist hier angenommen,
daß die Kristallkörner in horizontaler und vertikaler Richtung identische Abmessungen G aufweisen.
In Fig. 8 bezeichnet der schraffierte Bereich D die Sperrschicht an der p-n-Verbindungsstelle, welche
die Dicke d hat. Die Wahrscheinlichkeit p, mit welcher sich die Kornränder B im Bereich der Sperrschicht
an der p-n-Verbindungsstelle parallel zu dieser Schicht erstrecken, ist durch folgende Formel gegeben:
In Fig. 9 bezeichnet L die Gesamtlänge der p-n-Schicht
des Gleichrichterelementes; die Wahrscheinlichkeit P, mit der mindestens eine Korngrenze sich
über die Sperrschicht an der p-n-Verbindungsstelle über dieses hinaus und parallel zu ihr erstreckt, ist
in dem einen oder anderen Bereich des Elementes durch folgende Gleichung gegeben:
P = 1 - (1 -
(4)
L .
worin η = — ist.
worin η = — ist.
Andererseits kann die Dicke d der Sperrschicht der p-n-Verbindungsschicht näherungsweise für die
steile Verbindungsstelle durch folgende Gleichung gegeben sein:
d =
d_
G
In dieser Gleichung ist G die Länge der Seiten
eines jeden einzelnen Kristallkorns.
worin ε die Dielektrizitätskonstante 12 · 10~12 F/cm
für Silizium ist, μη die Elektronenbeweglichkeit
1350 cm2/Volt · see. ist, ρ der spezifische Widerstand
in Ohm/cm, V die angelegte Spannung in Volt, nn die
Elektronenkonzentration im Bereich der Type η und np die Elektronenkonzentration im Bereich der
Type ρ ist.
Bei einer Ausführungsform des Gleichrichterelements nach der Erfindung mit einem spezifischen
Widerstand von 50 Ohm · cm und einer angelegten Sperrspannung von 50 Volt erhält man eine Sperrschicht
mit einer Dicke von 25,4 μ, wie sie sich aus der Formel (5) ergibt.
Der Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung und der Sperrschicht ist in Fig. 10 für
verschiedene spezifische Widerstände graphisch dargestellt.
Ist die Wahrscheinlichkeit P, mit der ein Kornrand sich über die Sperrschicht an der p-n-Verbindungsstelle
hinaus und parallel zu dieser erstreckt, kleiner als 0,1 bzw. ist
(6)
dann hat sich ergeben, daß die Gleichrichter aus einem solchen polykristallinen Silizium mit Hilfe der
Diffusionsmethode mit praktisch der gleichen Ausbeute und Qualität in Massenherstellung produziert
werden können wie bei der Massenherstellung monokristalliner Gleichrichter. Mit Hilfe der obigen
Gleichung kann man die erforderliche Mindestgröße der Kristallkörnchen errechnen.
Bei dem obigen Beispiel eines polykristallinen Gleichrichters mit einem spezifischen Widerstand
von 50 Ohm · cm und einer angelegten Sperrspannung von 50 Volt ergibt sich die erforderliche Mindestgröße
für die Kristallkörner zu
f~i
0,1
■ = 254/.,
weil die Dicke d der Sperrschicht 25,4 Mikron in diesem Falle beträgt.
109 520/153
9 ίο
Mit anderen Worten, es kann festgestellt werden, polykristallinen Siliziums vorgeschlagen, welches
daß die Gleichung (6) erfüllt ist, wenn das Gleich- nach den obigen Herstellungsvorschriften fabriziert
richtermaterial eine Mindestkorngröße aufweist, wie worden ist und wegen seiner geringen Herstellungssie sich aus Formel (7) ergibt, weil der Wert für η in kosten vom wirtschaftlichen Standpunkt aus sehr zu
Formel (4) praktisch keinen so hohen für die tat- 5 empfehlen ist.
sächliche Gleichrichterdimension L annimmt, wie sie In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß die
für den Bereich der Stromkapazität erforderlich ist, polykristalline Gleichrichterbasis nur erforderlich ist,
der bei Anwendungen gefordert werden muß, auf um einen Verunreinigungsanteil von 1 Teil je Million
welche sich die vorliegende Erfindung bezieht. Teile oder weniger zu erzielen und um einen spezifi-
Bei Berücksichtigung der möglichen Zufälle bei io sehen Widerstand von nicht weniger als einigen
dem Verfahren des Kristallwachstums ausgerichteter Bruchteilen eines Ohms zu bekommen, wodurch man
polykristalliner Materialien, gelegentlich Kristall- eine Durchbruchssperrspannung erhält, die für solche
körner zu bekommen, die beträchtlich kleiner sind Anwendungszwecke völlig ausreicht,
als die ausgerichteten Kristalle der gewünschten Obwohl oben gesagt worden ist, daß es bekannt
Größe, sieht man aus den in Fig. 10 wiedergegebe- 15 sei, daß die Lebensdauer der Minoritätsträger in dem
nen Verhältnissen, daß die Verwendung polykristal- polykristallinen Material kleiner ist als diejenige der
linen Siliziums ganz besonders für Gleichrichter zu Einkristalle, hat es sich doch als notwendig erwiesen,
empfehlen ist, die höhere Stromausgänge und niedri- die Bedeutung der Lebensdauer der Minoritätsträger
gere Sperrspannungen haben. zu erklären, um die Wirkungsweise der polykristalli-
Für derartige Gleichrichter mit hohem Ausgangs- 20 nen Gleichrichterelemente, die nach der Lehre der
strom und niedriger Sperrspannung muß man dem- Erfindung hergestellt sind, besser zu verstehen. Die
jenigen Siliziummaterial den Vorzug geben, welches Lebensdauer von polykristallinem Material kann mit
einen begrenzten spezifischen Widerstand aufweist. an sich bekannten Methoden ermittelt werden, bei-B
ei solchen Gegebenheiten hat die Sperrschicht an spielsweise durch Messung des Umfangs des Abfalls
der p-n-Verbindungsstelle eine verminderte Dicke. 25 der Fotoleitfähigkeit nach Bestrahlung mit modulier-Die
Dicke d der Sperrschicht ist auch infolge der tem Licht. Dabei ist gefunden worden, daß der Wert
niedrigen umgekehrt angelegten Spannung (Sperr- für die Lebensdauer, der mit Hilfe einer solchen
spannung) reduziert. Unter diesen Umständen wird Methode ermittelt worden ist, ein statistischer Mitteies
deutlich, daß die Wahrscheinlichkeit, mit der sich wert ist, der sich über einen verhältnismäßig weiten
ein Kornrad über die Sperrschicht an der p-n-Ver- 30 Bereich erstreckt, der eine große Anzahl winziger
bindungssteile und praktisch parallel zu dieser er- Einkristalle enthält.
streckt, in zufriedenstellender Weise herabgesetzt Andererseits ist gefunden worden, daß im allge-
werden kann. meinen in einem Gleichrichterelement mit p-n-
Andererseits benötigt man zur Erzielung einer Schicht, auf welches sich die Erfindung bezieht, die
höheren Durchbruchssperrspannung Materialien mit 35 Lebensdauer der Minoritätsträger, welche den Sperreinem
höheren spezifischen Widerstand, was natür- strom des Gleichrichters bestimmt und die eine der
Hch zu einer größeren Dicke der Sperrschicht im Zu- wichtigsten charakteristischen Größen für die Praxis
sammenhang mit der höheren angelegten Sperrspan- ist, tatsächlich diejenige im Bereich der Sperrschicht
nung steht. Unter diesen Umständen muß, wenn es ist, welche sich in der Nähe der p-n-Verbindungserwünscht
ist, die Wahrscheinlichkeit herabzusetzen, 40 schicht und in Zuordnung zu der angelegten Sperrmit
der sich ein Korn über und praktisch parallel zu spannung bildet, und nicht eine durchschnittliche
der Sperrschicht an der p-n-Verbindungsstelle er- Lebensdauer für einen größeren Bereich außerhalb
streckt, die Größe der Kristallkörner in dem poly- des Gebietes der Sperrschicht an der p-n-Verbinkristallinen
Material entsprechend erhöht werden, so dungssteile ist.
daß sich letzten Endes eine monokristalline Struktur 45 Bezüglich jedes einzelnen der individuellen Kri-
ergibt. " Stallkörner in dem polykristallinen Material ist zu
Die Herstellung einer Stange aus einem Einkristall sagen, daß es tatsächlich ein einziger Kristall ist, der
ist indessen nicht immer eine notwendige Voraus- von den benachbarten Korngrenzflächen begrenzt
setzung für die Erzielung einer hohen Durchbruchs- oder umgeben ist, und infolgedessen besteht auch
Sperrspannung, weil eine polykristalline Stange schon 50 kein Grund dafür, daß sich die Lebensdauer der
den Zweck erfüllen kann, vorausgesetzt, die darin Minoritätsträger innerhalb eines solchen kleinen Einenthaltenen
Kristallkörner haben eine Größe, die kristalle von derjenigen eines Einzelkristalls unternicht
geringer ist als ein ganz spezieller Wert, wie er scheiden sollte, der größere Abmessungen besitzt,
sich aus den obigen Beziehungen, Versuchen und den Ein anderes wesentliches Merkmal bei der Heran sie anknüpfenden Betrachtungen ergibt. 55 stellung der vorgeschlagenen polykristallinen Gleich-
sich aus den obigen Beziehungen, Versuchen und den Ein anderes wesentliches Merkmal bei der Heran sie anknüpfenden Betrachtungen ergibt. 55 stellung der vorgeschlagenen polykristallinen Gleich-
Insbesondere muß das Gleichrichtermaterial, wenn richter ist die Methode der Beifügung von Verunrei-
es sich um Gleichrichter für niedrige Spannungen nigungen zu dem polykristallinen Silizium, deren
und hohe Stromstärken handelt, nur eine Mindest- Stromleitfähigkeitstyp entgegengesetzt demjenigen
korngröße haben, wie sie sich aus der Gleichung (7) des Siliziums ist.
ergibt, und man braucht keineswegs die teuren mono- 60 Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird daher
kristallinen Materialien zu verarbeiten. von einer Diffusion im festen Zustand Gebrauch ge-
So braucht man beispielsweise für die Gleichrich- macht, die ein vorteilhaftes Verfahren der Beifügung
ter, mit denen man Kraftfahrzeugbatterien aufladen von Verunreinigungen zu dem polykristallinen SiIi-
kann, eine Mindest-Durchbruchssperrspannung von zium darstellt, welches vom Standpunkt der fabrika-
50 Volt auf Grund praktischer Erfahrungen, weil die 65 torischen Herstellung besonders vorteilhaft ist. Für
Batteriespannung in den meisten Fällen für kleinere den Fall, daß Verunreinigungen in einen Einkristall
Wagen 12 Volt und für größere Wagen 24 Volt be- hineindiffundiert werden, ist die Konzentration C der
trägt. Für solche Gleichrichter wird die Anwendung Verunreinigung in einer Entfernung X von der Ober-
fläche gegeben durch die Formel:
worin C0 die Oberflächenkonzentration bedeutet, D
die Diffusionskonstante, die eine Funktion der Diffusionstemperatur ist, t die Diffusionszeit und erfc die
Fehlerfunktion darstellt. Die Diffusionskonstante D ist durch folgende Gleichung gegeben:
D = D0 exp
kT
(9)
Ld <t,
(10)
In dieser Gleichung stellt AQ die Aktivierungsenergie
in Elektronenvolt dar, k die Boltzmannsche Konstante und T die absolute Temperatur.
Beim Hineindiffundieren von Verunreinigungen in ein polykristallines Material ist die Erscheinung zu
beobachten, daß die Verunreinigungen längs der Korngrenzen schneller eindiffundieren als durch die
übrigen Teile der Kristallkörner selbst. Über dieses spezielle Phänomen ist in einigen Aufsätzen bereits
berichtet worden, beispielsweise in folgenden Veröffentlichungen:
1. »Diffusion along Small-Angle Grain Boundaries in Silicon« von H. J. Kaiser, K. H a b η e r
und W. Shockley, Physical Review, Bd. 123, Nr. 4 (1961).
2. »Calculation of Diffusion Penetration Curve for Surface and Grain Boundary Diffusion« von
J. C. Fisher, Journal of Applied Physics,
Bd. 22, Nr. 1 (1951).
3. »Grain Boundary Diffusion« von A. E. A u s t i η und N. A. Richard, Journal of Applied
Physics, Bd. 32, Nr. 8 (1961).
Aus diesen Tatsachen ergibt sich, daß es in manchen Fällen erforderlich ist, der Diffusionskonstanten
in den Formeln (8) und (9) einen Wert zu geben, der gegenüber dem Wert für einen Einkristall entsprechend
korrigiert ist.
Aus dem Obigen ist ohne weiteres zu verstehen, daß die p-n-Verbindungsschicht, die in dem polykristallinen
Plättchen durch Diffusion im festen Zustand erzeugt worden ist, und zwar durch Diffusion
von Verunreinigungen, die zu einer unregelmäßigen Schicht führen kann, wie man dies aus Fig. 11 ersieht.
Dieses Ergebnis ist in Fig. 11 dargestellt, wobei
vorausgesetzt ist, daß man ein Gleichrichterelement auch noch unter der Bedingung erhalten kann, daß
worin t die Dicke des polykristallinen Plättchens des polykristallinen Gleichrichterelementes bezeichnet
und Ld die größte Ausdehnung von Diffusionen von Verunreinigungen, die längs der Ränder des Kornes
erreicht worden ist. Derartige ungewöhnliche Unregelmäßigkeiten in der Diffusion von Verunreinigungen,
wie sie in Fig. 11 wiedergegeben sind, sollte man besser vermeiden, weil sie dazu führen, daß das
Herstellungsverfahren von Gleichrichterelementen praktisch unkontrollierbar wird.
Zur Lösung dieses Problems werden folgende Maßnahmen vorgeschlagen. Die Diffusion von Verunreinigungen
ist durch die Korngrenzflächen hindurch vorherrschend, wenn die Diffusionstemperatur
verhältnismäßig niedrig ist, es ist aber gefunden worden, daß bei ansteigender Diffusionstemperatur
die Diffusion durch die Masse oder durch andere Teile als die Korngrenzflächen hindurch vorherrschend
wird. Allerdings kann die Diffusionstemperatur keinesfalls über den Schmelzpunkt von Silizium,
der bei 1420° C liegt, angehoben werden. Diese Erscheinung ist in Fig. 12 schematisch dargestellt.
Unter Bezugnahme auf Fig. 13 soll nunmehr ein praktisches Beispiel für eine p-n-Verbindungsschicht
beschrieben werden, die durch Diffusion von Verunreinigungen, die einen anderen Leitfähigkeitstyp aufweisen,
entgegengesetzt demjenigen des Plättchens, in das polykristalline Plättchen hinein gebildet wird. In
Fig. 13 bezeichnet das BezugszeichenLG den Abstand
der p-n-Verbindungsschicht von der Plättchenoberfläche, wenn diese Verbindungsschicht durch
Diffusion durch die Korngrenzfläche hindurch vorgenommen worden ist, während das Bezugszeichen
LB die Entfernung der p-n-Verbindungsschicht von der Oberfläche bezeichnet, wenn die Diffusion durch
die gesamte Masse des Materials hindurch erfolgt ist. Definiert man das Verhältnis von LG zu LB, d. h.
also LGILB als eine Flächenfunktion F, welche die Unregelmäßigkeiten oder die Unebenheit- der p-n-Verbindungsschicht
darstellt, dann ist der Betrag der Flächenfunktion in starkem Ausmaß durch die Diffusionstemperatur,
aber auch durch die Diffusionszeit beeinflußt. Mit anderen Worten, wird die Diffusion
bei einer niedrigen Temperatur und während einer kurzen Zeitspanne durchgeführt, um eine beträchtlich
begrenzte Diffusionslänge zu bekommen, dann herrscht der Effekt der Grenzflächendiffusion bei der
Bildung, der p-n-Verbindungsschicht vor, um eine ausgesprochene Unebenheit zu erzeugen. Dieser
Effekt wird sehr rasch vermindert, um die Unregelmäßigkeiten der Schicht zu verringern, die man
erhält, wenn die Diffusionstemperatur erhöht und die Diffusionszeit verlängert wird.
Diese Zusammenhänge sind quantitativ in Fig. 14 wiedergegeben. Wie man aus dieser Figur ersieht,
besteht eine Tendenz dafür, daß das Verhältnis LG zu LB, d. h. also die Flächenfunktion F, rapide bis
auf den Wert 1 abnimmt, wenn die Diffusionstemperatur 1280° C überschreitet und die Diffusionszeit
mehr als 5 Stunden beträgt. Bei Hochfrequenztransistoren ist die Diffusionslänge mit Rücksicht auf die
Breite ihrer Basis auf einige Mikron beschränkt. Im Gegensatz dazu besteht für Silizium-Gleichrichterelemente
für Wechselstromgeneratoren für Kraftfahrzeuge keine solche Beschränkung hinsichtlich der
Diffusionslänge wie im Falle von Hochfrequenztransistoren, und deshalb kann man eine Diffusionslänge
von meheren Zehnteln von Mikron mit Erfolg benutzen. Dementsprechend kann eine p-n-Verbindungsschicht,
die im Vergleich zu einer Schicht in einem Einkristall verhältnismäßig eben ist, im Wege
der industriellen Fertigung durch Diffusion unter vollständig kontrollierbaren Verhältnissen dadurch
erzeugt werden, daß man mit einer entsprechend angehobenen Diffusionsternperatur von beispielsweise
1280° C und einer entsprechend ausgedehnten Diffusionszeit von beispielsweise 16 Stunden arbeitet.
In Fig. 15 ist der Zusammenhang zwischen der
Diffusionstemperatur und der Diffusionszeit für verschiedene Werte der Flächenfunktion F an dem Beispiel
der Diffusion von Bor und Phosphor in Silizium dargestellt, weil diese beiden Elemente praktisch die
gleichen Diffusionseigenschaften haben. Dabei sei allerdings bemerkt, daß die Diffusion anderer Verunreinigungen
als die dieser beiden Elemente annähernd den gleichen Gesetzmäßigkeiten folgt wie die der
beiden dargestellten Elemente. ·
In Fig. 15 ist auf der Ordinate die Diffusionszeit von Phosphor und Bor in Silizium hinein und auf der
Abszisse die Diffusionstemperatur aufgetragen. In einer Kurvenschar sind in diesem Diagramm verschiedene
Werte für die Flächenfunktion F = LGILB dargestellt, die ein Maßstab für die Unregelmäßigkeiten
ist, die durch die Korngrenzflächendiffusion verursacht sind. Der schraffierte Bereich in diesem
Schaubild stellt das Gebiet der Diffusionsbedingungen dar, welches bei der praktischen Ausführung des
Erfindungsgegenstandes benutzbar ist.
Bezüglich der Diffusionstemperatur ist es vom Standpunkt der fabrikatorischen Herstellung aus im
allgemeinen empfehlenswert, eine möglichst hohe Temperatur und eine für den praktischen Betrieb
geeignete Temperatur zu wählen, weil die Diffusionsgeschwindigkeit mit der Diffusionstemperatur zunimmt.
Die Temperatur kann also auf diese Weise sehr wohl bis in die Nähe des Schmelzpunktes von
Silizium, das ist 1420° C, angehoben werden. Praktische Versuche haben indessen gezeigt, daß bei Diffusionstemperaturen
über 1340° C das Siliziumplättchen so weich wird, daß es sich durchbiegt, wodurch
sich Komplikationen bei den nachfolgenden Verfahren der Gleichrichterherstellung ergeben. Es ist daher
erforderlich, im praktischen Betrieb die Diffusionstemperatur in einem Bereich zu wählen, dessen obere
Grenze 1340° C nicht übersteigt.
Zur Erzielung von Hochstromgleichrichtem ist es erwünscht, in die obere Fläche und in die Bodenfläche
Verunreinigungen einzudiffundieren, die im Sinne der Bildung entsprechender Halbleiter wirksam sind, die
einen unterschiedlichen Leitfähigkeitstyp aufweisen. Mit anderen Worten, es ist erwünscht, durch die eine
Fläche der Siliziumbasis eine Verunreinigung einzudiffundieren, die einen Leitfähigkeitstyp liefert, der
demjenigen der Siliziumbasis entgegengesetzt ist, beispielsweise um eine p-n-Verbindungsschicht zu erzeugen,
während man durch die andere Oberfläche der Basis eine andere Verunreinigung eindiffundiert, die
denselben Leitfähigkeitstyp liefert, wie ihn die Siliziumbasis aufweist. Geht man so vor, dann ergibt
sich, daß der Oberflächenwiderstand der Basis und damit der Widerstand derjenigen Bereiche des Gleichrichterelementes,
die mit den Elektroden verbunden sind, verringert werden kann. Eine derartige sogenannte
Doppeldiffusionsmethode wirkt also im Sinne einer Herabsetzung des Spannungsabfalls und damit
der Wärmeerzeugung infolge des Energieverlustes, speziell bei Anlagen für große Stromstärken.
Fig. 16 zeigt im Querschnitt einen Gleichrichter
mit einer Siliziumbasis vom Typ n, die einen spezifischen Widerstand von 50 Ohm-cm hat; in den
Gleichrichter sind Verunreinigungen durch die oberste Fläche und durch die Bodenfläche hineindiffundiert
worden. In dieser Figur bezeichnet das Bezugszeichen Ll die Dicke der Schicht, die mit
Phosphor eindiffundiert ist, und das Bezugszeichen Ll die Dicke der Schicht, die mit Bor eindiffundiert
ist.
Angenommen, es handele sich um eine praktisch wirklich vorhandene maximale Sperrspannung von
50 Volt für Gleichrichter von Kraftfahrzeugen, dann ist die Dicke der Sperrschicht, die durch Anlegen der
Sperrspannung an der p-n-Verbindungsschicht hervorgerufen wird, annähernd 25 Mikron stark, und
dementsprechend muß der Abstand W zwischen den beiden Diffusionsschichten mindestens 25 Mikron betragen.
Die Dicken dieser beiden Diffusionsschichten müssen in der Praxis tatsächlich zu L1 = 60 μ und
L 2 = 50 μ gewählt werden. Um einen Gleichrichter zu bekommen, in welchem keine Kollision zwischen
den Spitzen zweier Diffusionsschichten auftritt, muß im allgemeinen folgende Bedingung erfüllt sein:
(F - I)(L1 +L8)
(11)
L1+ L2
Da in der Praxis die Dicken Ll = 60μ und L 2 = 50 μ bevorzugt werden, ist
25
und infolgedessen
60 + 50
(F - 1) < 0,22
F < 1,22.
F < 1,22.
(12)
(13)
(13)
Dies ist eine weitere Voraussetzung, die erfüllt sein muß, wenn der Erfindungsgegenstand praktisch ausgeführt
werden soll.
Bezüglich der Diffusionszeit gilt, daß deren Höchstwert für eine wirtschaftliche industrielle Fertigung
annähernd 100 Stunden betragen muß.
Auch bei Einhaltung dieser Bedingungen muß man beachten, daß die Bereiche für die Temperatur und
die Zeit für die Diffusion praktisch auf den schraffierten Bereich in Fig. 15 beschränkt sind. Der Bereich
kann durch die folgende numerische Formel ausgedrückt werden, wenn man eine lineare Annäherung
der Kurve für F = 1,22 wählt:
T ^ (1280 -70 log O0C,
worin T die Diffusionstemperatur in Grad Celsius und t die Diffusionszeit in Stunden ist. Ein ähnlicher
Zusammenhang gilt auch in den Fällen, in denen eine andere Kombination von Verunreinigungen als die
aus Phosphor und Bor benutzt wird.
Im folgenden soll ein praktisch ausgeführtes Beispiel des Erfindungsgegenstandes im einzelnen näher
beschrieben werden.
Ein Siliziummaterial großer Reinheit, welches durch thermische Zersetzung gewonnen war, wurde
einem einzigen Durchgang eines Zonenschmelzverfahrens bei einer sehr hohen berechneten Geschwindigkeit
von 5 bis 10 mm je Minute ausgesetzt, um eine polykristalline Stange mit geradliniger Ausrichtung
und 20 mm Durchmesser zu bekommen. Dieses geradlinig ausgerichtete polykristalline Material kann
durch thermische Zersetzung von Silangas, Siliziumtetrachlorid, Siliziumtrichlorid, Siliziumjodid oder
ähnliche Substanzen erzeugt werden. Zunächst wird ein Siliziumstab hoher Reinheit mit einer Länge von
ungefähr 60 cm und einem Durchmesser von etwa 3 mm in ein Gefäß gelegt, und an den beiden Enden
der Stange werden Elektroden angebracht, durch die ein Strom hindurchgeleitet wird, um den Stab auf
etwa 1100° C zu erwärmen. Auf den erwärmten Siliziumstab wird Silizium hoher Reinheit, welches
durch thermische Zersetzung einer der obengenannten Substanzen hergestellt worden ist, bis zu einem
Durchmesser von ungefähr 20 mm kondensiert. Der Siliziumstab wird dann in einem Quarzrohr von ungefähr
30 mm Durchmesser vertikal aufgestellt und an seinem einen Ende erwärmt, um über eine Länge von
8 mm dadurch zu schmelzen, daß ein Hochfrequenzstrom mit Hilfe einer Hochfrequenzspule in ihm
erzeugt wird, die außerhalb des Quarzrohres angeordnet ist. Die Hochfrequenzspule wird längs des
Quarzrohres mit einer Geschwindigkeit von je 5 mm je Minute oder mehr bewegt, mit dem Ziel, eine
Zonenschmelzung und damit eine Stange mit geradegerichtetem polykristallinem Material zu bekommen.
Dieses Verfahren erfordert keinerlei Keimung von Einkristallen, und man kann mit ihm die Behandlungszeit
und damit auch die laufenden Kosten für das Gerät erheblich gegenüber den Kosten herabsetzen,
die im Falle der Anwendung herkömmlicher Verfahren zur Herstellung von Einkristallen aufgewendet
werden müssen. Die auf diese Weise hergestellte Stange aus gerade ausgerichtetem polykristallinem
Silizium des Typs η mit einem spezifischen Widerstand von 50 Ohm wird dann in Scheiben geschnitten,
deren Dicke etwa 320 Mikron beträgt und bei denen die Ebene der breiten Flächen praktisch
senkrecht der der Längsachse der Stange verläuft. Eine solche Scheibe wird dann in einem Ofen bei
1100° C einer Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt, während andererseits Phosphorpentoxyd auf 320° C erhitzt
wird, um Phosphordampf zu erzeugen, der für die Dauer von etwa 25 Minuten in den Ofen eingeleitet
wird, um Phosphor aus der Dampfphase auf die Oberflächen der Siliziumscheibe niederzuschlagen.
Die Siliziumscheibe wird dann weiter für die Dauer von 20 Stunden auf 1280° C erwärmt, um den Phosphor
durch die Scheibenoberflächen hindurch bis in eine Tiefe von annähernd 50 Mikron hineinzudiffundieren.
Die Scheibe wird dann um etwa 70 Mikron heruntergeläppt, und zwar nur auf einer Oberfläche,
und diese geläppte Scheibenoberfläche wird dann mit einer Mischung von Boranhydrid, B2O3, undÄthylenmonoglycol
überzogen. Die überzogene Scheibe wird dann wieder auf die Dauer von 24 Stunden auf einer
Temperatur von 1200° C gehalten, um das Bor bis zu einer Tiefe von annähernd 60 Mikron einzudiffundieren.
Hierauf wird die Siliziumscheibe um etwa 25 Mikron auf beiden Flächen heruntergeläppt, um
schädliche Oberflächenschichten zu entfernen.
Die so erzeugte Siliziumscheibe, die eine Dicke von 200 Mikron hat, wird dann mit Nickel plattiert, und
aus der nickelplattierten Scheibe wird ein quadratisches Stück von 4 · 4 mm Kantenlänge herausgeschnitten,
um ein Gleichrichterelement zu bekommen, wie es in Fig. 17 dargestellt ist. In Fig. 17 kennzeichnet
das Bezugszeichen P die polykristalline Siliziumscheibe und die Bezugszeichen X und Y die
entsprechenden Schichten mit dem eindiffundierten Phosphor und Bor. Die elektrischen Eigenschaften
dieses polykristallinen Gleichrichterelementes sind in F i g. 18 wiedergegeben, in der auf der Abszisse die
angelegte Spannung und auf der Ordinate der Gleichstrom aufgetragen sind.
Im folgenden soll eine praktische Anwendung des Erfindungsgegenstandes unter Bezugnahme auf
F i g. 19 beschrieben werden. Das polykristalline Siliziumgleichrichterelement nach der Erfindung eignet
sich ganz besonders für Anlagen mit niedriger Spannung und hohen Stromstärken, bei denen eine
umgekehrte Spannung auftritt, die nicht höher ist als 150 Volt, und ein Strom, der nicht kleiner ist als
1 Ampere und unter anderem für die Stromversorgungsanlage und die Batterieladeeinrichtung von
Kraftfahrzeugen dient.
Bei der Einrichtung, deren Schaltbild in Fig. 19
ίο wiedergegeben ist, sind Gleichrichterelemente nach
der Erfindung in eine elektrische Stromversorgungsanlage und in die Einrichtung zum Aufladen der
Fahrzeugbatterie für Kraftfahrzeuge wiedergegeben. In dieser Figur ist mit 101 ein Dreiphasenwechselstromgenerator
bezeichnet, der von dem Automobilmotor über einen Riemen od. dgl. angetrieben ist,
während die Bezugsziffern 102 und 103 die Gleichrichter kennzeichnen, von denen jeder ein polykristallines
Siliziumgleichrichterelement der oben beschriebenen Form aufweist. Wie man aus der Figur ersieht,
ist ein Satz von sechs solchen Gleichrichtern elektrisch miteinander verbunden, um einen dreiphasigen
Vollweggleichrichterkreis zu bilden. Das Bezugszeichen E kennzeichnet eine Akkumulatorenbatterie, die
an den Ausgangsklemmen des Gleichrichterkreises liegt, und mit 104 ist die Belastung bezeichnet.
Diese Schaltanordnung einschließlich der polykristallinen
Siliziumgleichrichterelemente der oben beschriebenen Art kann billig hergestellt werden trotz
der Tatsache, daß sie sechs derartige Gleichrichterelemente enthält im Vergleich zu der herkömmlichen
Anordnung mit einem Gleichstromgenerator und den erforderlichen Relais. Ein weiterer wesentlicher Vorteil
dieser neuen Vorrichtung besteht darin, daß die elektrische Schaltanordnung dauerhafter und betriebssicherer
ist, weil sie keine rotierenden oder aufeinander gleitenden Teile enthält, wie sie bei den Relais
und dem Kommutator einer Anlage mit Gleichstromgenerator erforderlich sind. Außerdem besteht bei
dieser Schaltungsanordnung keine Notwendigkeit dafür, einen Teil des Ladespannungsbereichs in der
Nähe seiner unteren Grenze abzutrennen, weil kein Hysterese-Effekt wie bei einem Relais auftritt, so daß
man auch dadurch einen höheren Wirkungsgrad des Ladevorgangs erzielt. Aus diesen Darlegungen dürfte
mit aller Deutlichkeit hervorgehen, daß die neue Vorrichtung mit Gleichrichtern außerordentlich gut für
die Stromversorgungsanlage und das Batterie-Ladesystem von Kraftfahrzeugen geeignet ist.
Claims (2)
1. Siliziumdiode aus einem polykristallinen plattenförmigen Siliziumkörper, dessen größte
Kristallitabmessungen in gleicher Richtung verlaufen und senkrecht zu einer Körperoberfläche
ausgerichtet sind und in dem ein PN-Übergang gebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der flächenhafte PN-Übergang in einer im wesentlichen ebenen Fläche liegt, die die Korngrenzen
der Kristallite rechtwinklig schneidet.
2. Verfahren zur Herstellung von Siliziumdioden nach Anspruch 1, bei dem man aus einer
Siüziumschmelze eine polykristalline Siliziumstange mit Korngrenzen, die im wesentlichen in
Richtung der Stange verlaufen, zieht und aus dieser Stange dann durch eine Durchtrennung in
einer senkrecht zu ihrer Wachstumsrichtung ver-
laufenden Richtung mindestens eine Scheibe schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß man in
die Siliziumscheibe, die von hoher Reinheit mit einer Verunreimgungskonzentration von weniger
als 1:1 000 000 ist, von mindestens einer ihrer
Oberflächen eine Verunreinigung bei einer Temperatur T in Grad Celsius während einer Zeit t in
Stunden eindiffundiert, wobei
Γ ;> (1280-70log*)·
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 | ||
EF | Willingness to grant licences |