DE1564420A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Description

■_DiD!..|nq. ERICH E. WALTHER

Anmelder: ij. V. Pü^.lrS" CLCEIUMPENFABRIEKEM . craaoq PHB 31.477

Akte: PHB- 51 477 «--/—

Anmeldung Yomi 2O.Juli 1966

"Halbleitervorrichtung."

Die Erfindung betrifft eine Vielachichthalbleitervorrichtung mit zwei Emitterübergüngen die bei der Schnittlinie mit de« Halbleiterkörper kurzgeschlossen sind, und mit symmetrischen Schaltkennlinien. Bei solchen Vorrichtungen, die in J. App. Phys. 30 (1959) 1819 beschrieben worden »ind, verläuft der Weg, auf dem der Strom in beiden Richtungen flieset, von einem Emitterübergang zu einer Kollektorelektrode, und die Vorrichtung kann in beiden Richtungen leiten, je nach der Polarität der angelegten Spannung und dem Wert der an Torzonen zwischen den Emitterübergängeη und den Kollektorelektroden angelegten Spannung. Vielßchichtvorrichtungen, auf die eich die Erfindung beliebt»

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haben mindestens fünf Schichten, wobei die etwaigen sechsten und weiteren Schichten Torübergän^e bilden können. Bei mit einer Torelektrode versehenen Schaltvorrichtungen, auf die sich die Erfindung auch bezieht, wird die Leitung durch eine Injektion von Ladungsträgern mittels der ToreleKtrode ausgelöst, und Vorrichtungen dieser Art sind in "Solid Stute Design", September 19&4» Seiten 25 ff. beschrieben worden, üne torelektrode hat nur die aufgäbe, den Jtruniflu3s durch eine Injektion von Ladungsträgern auszulösen und eine Umschaltung der Vorrichtung zu bewirken. Die beider. Elektroden der Vorrichtung, zwischen denen der Strom fliesst, «erden als die Anode und die Kathode der Vorrichtung bezeichnet, je nach der PluBsrichtung der Strom. Der Ausdruck "symmetrische wchaltkennlinie* ^ribt an, dass die Vorrichtung ochalteigenschafter. in ersten md dritten Quadranten der Kannlinie hat, und die Elektroden, die in einem ^uadranten als Anode und Kathode wirksam sind, sind nach Umschaltung in; andern Quadranten als Kathode bzw. Anode wirksam.

Jine derartige Vorrichtung hat den Nachteil, dass sie im Betrieb bei einer niedrigen Spannung umgeschaltet wixi, wenn die angelegte Spannung rasch umgekehrt wird, so du33 die Ge3cnwindigkeit, mit der der Sperratrow ansteigt, auch groos ist. Im Extremfall kann die Geschwindigkeit, mit der der Sperrstrom ansteigt, so gross sein, dass die Vorrichtung nicht imstande ist, die angelegte Sperrspannung zu sperren. Dieser Nachteil wird bei der erfindungsgenjässen Vorrichtung verringert.

Bei einer symmetrisch schaltenden Vielschichthalbleitervorrichtung gemä'ss der iJrfimlung überlappen die Projektionen der· Emitterzone auf eine iibene, die sich senkrecht zur Richtung, in der der Strom durch die Vorrichtung flieast, erstreckt, sioh nicht, sondern liefen in tinigem Abstand voneinander. Die Stromflussrichtung durch di# forriohtung kann senkrecht zu den pn-Ueb«rg»*ngen sein, dit di· aittler·

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Schioht begrenzen. Der Abstand kann 100 Mikron oder grosser oder vorzugowoiae 500 Mikron oder grosser sein.

Ein Auaführungsbeiapicl der Erfindung ist in den zeichnungen dargestellt und wird iu folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine bekannte aus fünf

schichten bestehende, mit rwei Jlektroden versehene Jchaltvorrichtung, Fig. 2 die Kennlinie ier Vorrichtung nach Fig. 1, Fi^. } die i»adun£8verteilung· in der Vorrichtung nach Fig. 1 in lietriob,

Fig. 4 einen.senkrechten schnitt durch eine aus fünf Schichten beetehende mit vior Elektroden vertiehene Schaltvorrici.tung nach dtr Er-" findung, und

Fig. 5 eine Draufsicht auf die Vorrichtung nach Fig. 4· In Fig. 1 besteht die ;it zwei Elektroden versehene Vorrichtung aus einer, ^inkrietallsiliziumkorper mit fünf aneinander grenzenden - chi oht«n ff.it ebwechselnden Loitfähi^keitstyp. Üine mittlere" nleitende Schicht 2 liegt z»it.chen und berührt die ersten und zweiten p-leitC'viän i»onen 5 und 4 und bildet mit diesen die pn-Uebergang· 5 bzw. 6. iir.t» Vr^te -and eine :.»eite η-leitende emitterzone 7 und θ berühren «nd" .-jren/en'arv die p-leitenden ionen 3 bzw. 4, alt denen eie einen ersten umi einer. £*.?;iten £nitt*r-pn-Ueberpnnf 9 btw. 1C bilden. Der Kir.fachheit h-ilhor wir-i die Verrichtung eo betrachtet, als beetünde ■ ie aus **ei !'eilen h. und B, die durch die ^trichlir.ie I5 voneinander getrennt :; τΛ, iie "aioh parallel iur Richtung des ütronflueses in jede· Teil erstreck: und die Punkte niteinander verbindet, in denen die Eaitterüb«re£n£a 9 und tC von den ^lektrodenachichten 1J und I4 kurzgeechlo»· •en «erden.

Zwei einander (Tengüberlipgende Aussenf lachen 11 und 12 des werden lurch die in Ült-iselben Kber.e liec^nden Aua-senfläcr.en der

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aneinander grenzenden Emitterzonen und p-leitenden Zonen gebildet» Auf diesen einander gegenüberliegenden Auseenflachen 11 und 12 sind Elektrodenschichten 13 bzw. I4 gebildet, die ohmsohen Kontakt mit der angrenzenden Emitterzone und der ebenfalls angrenzenden p-leitenden Zone, machen, wobei diese Elektrodenschichten je über einem Δαιίt-tarübergang liegen und diesen kurzschliessen. Auf den Elektrodenschiohten aind elektrische Kontakte angebracht, durch die der Vorrichtung elektrische Signale zugeführt werden können.

Die Vorrichtung ist ein symmetrischer Schalter und ihre Strom-SpannungB-KennliniQ ist in Fig. 2 dargestellt. Die Vorrichtung kann im 1. oder 3· Quadranten leiten und kann durch Umkehrung der angelegten !Spannung vom einen zum andern Quadranten umgeechaltet werden.

Wie Fig. 3 zeigt, erstreckt sich eine Zone 16 mit einer Ladungskonzentration bis ,jenseits des Stromweges I7 zv^inchen dem Emitterübergang und de'n KoIlektrkontakt. Dieser ütromweg wird durch die Strichlinie 15 begrenzt. Die Ladunfjukonzentration im Stromweg 17 ist nahezu konstant und nimmt ausserhalb des Stromwegee im nichtleitenden Teil der Vorrichtung mit einer logarithmischen Funktion ab. Wenn die angelegte Spannung derartig ist, dass die Vorrichtung im Teil A leitet, d#h. durch Emission von Ladungsträgern aus dem ersten rlmitterübergang 9 und Kollektion bei der zweiten Elektrodenschicht I4» besteht eine gewisse Konzentration vun Ladungsträgern jenseits der Strichlinie I5 im Teil B zwischen dem zweiten Emitterübergang 10 und der ersten Elektrodenschicht 13· Wenn der Teil A leitet, fliesst Strom parallel zu einem Teil 20 des zweiten Emitterüberganga 10, so dass sich eine Vorspannung in der Vorwärtsrichtung über dem Kraitterübergang ergibt. Wenn die Vorrichtung schnell zwischen den 1. und dom 3· Quadranten umgeschaltet wird, ist es möglich, dass sich über der zweite Emittnrübergan_t; keine Sperrspannung entwickeln kann, so das« der Teil B der Vorrichtung leitend wird.

Die Schaltkonnlinien der Vorrichtung können bei der erfindungs-

eemässen Vorrichtung verheaj:gij±p.v<eiyien* ^Bei dieser Vorrichtung hat die

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Ladungskonzentration einen hohen Wert ausserhalb des Stromweges, aber diese Ladungskonzentration 16 erstreckt sich entweder gar nicht oder nur geringfügig bis in den Stromweg des anderen Teiles der Vorrichtung, der im andern Quadranten leitet.
Beispiel _t

Pig. 4 zeigt eine Vorrichtung mit fünf Schichten und zwei Torkontakten nach der Erfindung. Bei einem scheibenförmigen iiinkristall· körper 18 aus η-leitendem Silisium mit .einer Dicke von 155 μ» einem Durchmesser von I4 mm und einem spezifischen Widerstand von 35 0 cm wurde bis zu einer Tiefe von-40 μ in die beiden einander gegenüberliegenden Äuaaenflachen Gallium eindiffundiert, wodurch 3ioh eine Oberflächenkonzentration von 2 χ 10 Atomen/cm ergab. Durch die Galliumdiffusion entstanden p-leitende üwischenzonen I9 und 35» die an eine η-leitende mittlere üchioht 21 mit einer Dicke von 75 μ grenzten, nleiten-ie Emitterzonen 22 und 23 mit einer Tiefe von I4 μ und einer Ober-

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flachenkonzentration von 10 Atomen/om wurden dann dadurch gebildet_f dans durch mittels photolithographischer Verfahren in einer Oxydmaske hergestellte Fenster hindurch Phosphor eindiffundiert wurde. Dann wurden vernickelte Molybdänscheiben 24 und 25 mit einer Dicke von 250 μ mit Hilfe von Schichten 26 und 27 eines- aus einer Blei-Nickel (o,1 #)-Legierung bestehenden Lotes auf die einander gegenüberliegenden Aussenflächen des Körpers 18 gelötet. Die Scheiben 24 und 25 maohten einen ohmschen Kontakt mit den angrenzenden η-leitenden Emitterzonen und pleitenden Zwinchenzonen und bildeten einen Kurzschluss über den Emitterübergängen bei den Linien, längs deren diese Ueberga'nge den einander

gegenüberliegenden Amisenflachen schneiden} diese Schnittlinien sind in Pig. 4 durch die Punkte 28 dargestellt. Auf den p-leitenden Zwischenzonen 19^: und 35 wurden mit Hilfe von Ultraachallechweissverfahren ., .

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Aluminiumtorkontakte 29 und 30 .angebracht.

Die Scheibe 25 der Vorrichtung wurde dann mittels eines Zinnlots auf einem Kupferträ'ger 31 befestigt, während ein biegsamer Kupferdraht 32 an die Scheibe 24 gelötet wurde. Die Vorrichtung wurde anachlieesend mit einer Hülle versehen, wobei an die Torkontakte 29 und 30 Schaltapannungen angelegt werden konnten.

Fig. 5 zeigt eine Draufsicht aus der durch den Pfeil 36 in Pig. 4 angegebenen Richtung auf eine Fläche des Körpers 1Θ vor der Anbringung der Hülle, An den freiliegenden Teil der p-leitenden Zwischenzone 19 wird der Torkontakt 29 aus Aluminium geschweisst, und die Scheibe 24 macht einen ohmschen Kontakt mit der Zone 19 und der n-leite> den Jämitterzone 22. Der biegsame Kupferdraht 32 macht elektrischen Kontakt mit der öcheibe 24, und die Projektion der Emitterzone 23 auf eine sich senkrecht zur Stromflusurichtung erstreckende Ebene wijd durch eine Strichlinie 33 angegeben. Der Pfeil 36 verläuft parallel zur Stromflussrichtung in dieser Vorrichtung. Der Abstand 34 zwischen dan Projektionen der Emitterzonen beträgt etwa 1 mm.

Eine symmetrisch schaltende Halbleitervorrichtung mit einem aug^ielen Schichten bestehenden Aufbau enthält eine mittlere Schicht 21 mit einem bestimmten Leitfähigkeitstyp, die greizt an Zwischenzonen I9 und 35 ^vom andern Leitfähigkeitstyp, in denen sich Emitterzonen 22 und 23 vom einen Leitfähigkeitstyp befinden, wodurch sich Bmitterübergänge ergeben, die bei den Schnittlinien mit den Aussenflachen des HalbleiterkÖrpers, kurzgeschlossen sind. Die Projektionen der Ümitterzonen auf eine Ebene, die sich senkrecht zur Richtung erstreckt, in der der Strom durch die Vorrichtung fliesst, überlappen eich nicht, sondern liegen in einem Abstand 34 voneinander.

Auf den Zwischenzonen 19 und 35 können Torkontakte 29 bzw. 35 angebracht werden,"die ohmschen Kontakt mit Torzonen vom einen Leitfähigkeitstyp machen können.

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Wenn es keine Torkontakte gibt, wird die Schaltwirkung dadurch erhalten, dass Strom länge des fimitter-pn-Ueberganges flieset. Dieser 'Stromfluss- erzeugt einen Spannungsabfall über dem Uebergang, der einen Teil des Uaborganges vorspannt, so dass Ladungsträger emittiert werden.

Wenn z.B. im 1. Quadranten Leitung stattfindet, wird in der Vorrichtung Ladung gespeichert. Wenn der Strom schnell auf Null herabgesetzt wird und man versucht, die Vorrichtung durch Vorspannung in.den J. Quadranten zu bringen, dann flieset ein gewisser Strom infolge der gespeicherten Ladung. Wenn dieser Strom groBS ist, kann er bewirken, dass die Vorrichtung im 3· Quadranten eingeschaltet wird, d.h. dass die Vorrichtung nicht umgeschaltet wird. Genauer gesagt« infolge der gtspeicherten Ladung werden dem zulässigen ~rr des Stromes Schranken gesetzt.

Bei einer auf die im Beispiel beschrieben« Wise hergestellten Vorrichtung stellte es sich heraus, dass die Sperrspannung bei einer Umschaltung gesperrt τ-urde, bis Geschwindigkeiten, mit der sich der Sperratrom änderte, von mindestens 2QA/^sek_t wobei dieser Wert die Grenze der bei der Untersuchung benutzten Apparatur bildete, iäine zweite Vorrichtung wurde auf aie im Beispiel beschriebene Weine hergestellt, jedoch ohne Abotand zwischen den Projektionen der Emitterzonen, d.h. mit einer Gestaltung der Emitterzonen ähnlich der nach Fig. 1. Diese zweite Vorrichtung war nicht im Stande, die Sperrspannung zu sperren, wenn die Geschwindigkeit, mit der sieh der Sperrstrcm änderte, 3 A/Vsek oder höher war. Die Anwe'ilun/r der Erfindung schafft somit eine Schaltvorrichtung mit verbcrsnrten üchaltkennlinien.

Die Erfindung uinfas3t uuch eine Schaltvorrichtung, bei iier die Emitterzonen und die mittlere Schicht aus p-leitendem Material und die Zwischenzcnen aus n-laitendem Material bestehen. - ·

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Claims (1)

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( 1. J aus noireren -ohichton bestehende symmetrisch schaltende H&lblni tervorricht in j mit zwei J:.iit terMbergänEen die bei der ochnittlinie rr.it der Oberfläche de:3 Ilaibleitorkörpere, kurzgeschlossen sind, dadurch ffekonnziiic.-ir.et, daaa die rrojektionen der Emitterzonen auf eine sich senkrecht zur uiciitung, in der dor otrom in der Vorrichtung flieset, erntreckende Jbene sich -licht überlappen und im Abstand voneinander liefen.

2. HalbleitervorricVi*, xng nac;, Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dichtung, in der der ^trom die Vorrichtung durchfliesst, eenkrecht uaf den pn-Uobf-r^änjen ct^Lt, dio die mittlere Schicht begrenzen.

3. 'i;al^leitorv.;rrichtu..g nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gelc'ennzoichnr-t, άί.3ΐ. der --.unthrA zminchen rien Projektionen mindestens 100 μ beträgt.

4. ^ulbluiter\^r irrichtun,- nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der A"-.atand zwir;c:;e'i den Projektionen mindestens 500 μ beträgt.

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