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General Electric Company, Schenectady, New York, USA Halbleitervorrichtung
Die Neuerung betrifft im allgemeinen Halbleitervorrichtungen mit mehreren Schichten,
deren Charakteristik einem Schalter ähnlich ist.
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Derartige Vorrichtungen sind in einem Aufsatz von Moll, Tanenbaum,
Goldey und Holonyak in der Zeitschrift"Proceedings of the IRE", September 1956,
Volume 44, Seiten 1174-1182 beschrieben. Eine Ausführungsform derart laufend verfügbarer
Vorrichtungen enthält zwei den Hauptstrom führende Elektroden und eine Steuerelektrode.
Wenn sie in einem Stromkreis liegt, wird die ausgezeichnete Stromleitung quer zu
den Hauptelektroden gesperrt, bis ein kleiner Steuerstrom geeigneter Größe der Steuerelektrode
zugeführt wird. Eine derartige Ausführungsform der Vorrichtung enthält einen Siliziumhalbleiterkörper
mit vier gesonderten Schichten, von denen die jeweils benachbarten Schichten die
entgegengesetzte Leitfähigkeit besitzen, so daß mehrere pn-Übergänge gebildet werden
; an den beiden äußeren Schichten befindet sich je ein elektrischer Anschluß. Wenn
an dem einen Anschluß eine Vorspannung mit dem einen Vorzeichen hinsichtlich des
anderen Anschlußes liegt, erhalten die beiden pn-Übergänge, die den Anschlüssen
am nächste liegen, eine Vorspannung in Sperrichtung, während der mittlere pn-Übergang
eine Vorspannung in Durchlaßrichtung erhält ; auf diese Weise besteht zwischen den
beiden Anschlüssen eine hohe Impedanz. Wenn zwischen den Anschlüssen ein ausreichend
hohes Potential angelegt wird, werden die beiden pn-Übergänge, die den Anschlüssen
am nächsten liegen, durchschlagen und leiten den Strom in der Sperrichtung. Wenn
der eine Anschluß eine
Vorspannung mit dem anderen Vorzeichen hinsichtlich
des anderen Anschlusses erhält, werden die beiden, den Anschlüssen am nächsten liegenden
pn-Übergänge in Durchlaßrichtung vorgespannt, während der mittlere pn-Übergang eine
Vorspannung in Sperrichtung erhält ; auf diese Weise besteht zwischen den Anschlüssen
wiederum eine hohe Impedanz. Wenn jedoch das zwischen den Anschlüssen angelegte
Potential vergrößert wird, oder ein Steuerstrom mit einer solchen Größe und Richtung
an der einen mittleren Schicht auftritt, schlägt schließlich nicht nur der mittlere
Übergang durch, sondern wird umgekehrt gepolt, so daß zwischen den Anschlüssen eine
niedrige Impedanz besteht.
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Die beiden Bedingungen, die zur Erzielung einer Polungsumkehr des
mittleren pn-Übergangs und somit zu einer Leitung quer zu diesem erfüllt werden
müssen, bestehen darin, daß erstens der eine der beiden Transistorabschnitte, in
die die Vorrichtung auflösbar ist, also des npn-oder pnp-Transistorabschnittes,
deren mittlerer Übergang der Kollektorübergang beider Transistorabschnitte ist,
einen Stromverstärkungsfaktor \ aufweist, der mit dem Strom zunimmt, und daß zweitens
die Summe der Stromverstärkungsfaktoren beider Transistorabschnitte gleich oder
größer als eins bei einem zwischen ihnen liegenden Strom ist, Das Erfordernis einer
veränderlichen Stromverstärkung ist den Siliziumvorrichtungen mit pn-Übergang eigentümlich.
Ein ausreichender Strom wird infolge von Kriech-oder Lawinenwirkungen durch den
mittleren Übergang geleitet, so daß das weitere Erfordernis zu erfüllen ist.
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Die gewünschten Eigenschaften derartiger Vorrichtungen bestehen darin,
daß sie für die Umgebungstemperaturen und eine Eigenerwärmung der Vorrichtung relativ
unempfindlich sein sollen ; insbesondere sollen sie höheren Temperaturen widerstehen
können, ohne daß sie beim Fehlen eines Steuerstroms an der Steu-
| erelektrode spontan ausgelöst werden. Eine weitere wünschens- |
| werte Eigenschaft derartiger Vorrichtung-list diejenige, daß |
| sie große Ströme mit einem sehr kleinen Steuerstrom schalten |
| sollen. Bei den zuvor beschriebenen Vorrichtungen stehen sich |
diese beiden Erfordernisse normalerweise einander entgegen.
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Wenn die Fähigkeit, starke Ströme zu schalten, verbessert werden soll,
werden normalerweise für diesen Zweck größere Steuerströme benötigt. Insbesondere
möchte man eine Steuerstromempfindlichkeit bei einer höheren Temperaturstabilität
erhalten. Eine Reihe von Vorrichtungen sind bereits vorgeschlagen worden, bei denen
eine bessere Temperaturstabilität zu erhalten ist. In einigen vorgeschlagenen Vorrichtungen
muß eine gewisse Steuerstromempfindlichkeit gegenüber der Empfindlichkeit der üblichen
Vorrichtungen geopfert werden.
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Ein Ziel der Neuerung sind Schaltvorrichtungen der zuvor beschriebenen
Art, die gleichzeitig eine bessere Steuerstromempfindlichkeit und Temperaturstabilität
aufweisen. Die Halbleitervorrichtung gemäß der Neuerung soll außerdem günstigere
Kennlinien besitzen. Ferner soll ein neues Hilfsmittel zur Steuerung der Stromleitung
in Schaltvorrichtungen mit mehreren Schichten angegeben sein ; diese Schaltvorrichtungen
sollen auch eine größere Empfindlichkeit aufweisen. Schließlich soll die Halbleitervorrichtung
mit den Schalteigenschaften gegenüber Einwirkungen der Temperatur stabil und ziemlich
unempfindlich sein.
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Ein weiteres Ziel der Neuerung ist eine Schaltvorrichtung mit mehreren
Schichten und drei Elektroden, die bei ihrer Anwendung in einer Schaltung eine größere
bauliche Anpassungsfähigkeit und eine vielseitigere Verwendbarkeit besitzt.
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Ein Halbleiterkörper gemäß der Neuerung enthält vier Schichten mit
beiden Leitfähigkeiten, wobei die Schichten der einen
Leitfähigkeit
zwischen den Schichten der entgegengesetzten Leitfähigkeit liegen, so daß drei pn-Übergänge
ausgebildet werde Eine Elektrode stellt einen Ohmschen Kontakt mit einem geringen
Widerstand an der Oberfläche einer äußeren Schicht des Körpers und an einer freiliegenden
Fläche einer benachbarten, dazwischenliegenden Schicht her. Eine weitere Elektrode
liefert einen weiteren Ohmschen Kontakt mit einem geringen Widerstand an der Oberfläche
einer weiteren äußeren Schicht des Körpers. Eine dritte Elektrode bildet einen Minoritätsträger
im injizierenden Kontakt mit der zuvor erwähnten, benachbarten Zwischenschicht und
ist arbeitsmäßig dem innersten Übergang zugeordnet, so daß mit diesem eine Transistorwirkung
entsteht.
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Die dritte Elektrode arbeitet mit der einen Elektrode zusammen, sp
daß der mittlere pn-Übergang neben der dritten Elektrode eine Leitung mit einem
möglichst kleinen, angelegten Steuerstrom ermöglicht ; hierdurch wird eine Reihenfolge
eines Vorgangs eingeleitet, durch die der mittlere Übergang in seinem ganzen Ausmaß
leitend wird, Die eine Elektrode braucht nicht mit der Zwischenschicht verbunden
zu sein, damit der zuvor beschriebene Vorgang erhalten wird. Ein ausreichender Steuerstrom
kann zwischen der dritten Elektrode und der einen Elektrode infolge von Wirkungen
erhalten werden, die als Sättigungsstrom oder Zener-Durchschlag bekannt sind.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Neuerung gehen aus der Beschreibung
der beigefügten Figuren näher Im ? vor.
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Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Schaltvorrichtung mit vier Schichten
und drei Elektroden gemäß der Neuerung.
| Fig. 2 ist eine Auftragung des S roms gegen die Spannung der |
| Vorrichtung der Fig. 1. |
| Fig. 3 ist eine idealisierte Darstellung der Strom-Spannungs- |
Kennlinien der Vorrichtung der Fig. 1 und gibt die Eigenschaften für verschiedene
Werte des Steuerstroms an.
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Fig. 4 ist ein Schnitt durch eine andere Ausführungsform der Schaltvorrichtung
aus vier Schichten mit drei Elektroden gemäß der Neuerung.
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Fig. 5 zeigt eine idealisierte Darstellung der Strom-Spannung-Kennlinien
der Vorrichtung gemäß Fig. 4.
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Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform der
Schaltvorrichtung mit vier Schichten und drei Elektroden gemäß der Neuerung.
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Fig. 7 zeigt eine idealisierte Darstellung der Strom-Spannung-Kennlinien
der Vorrichtung nach Fig. 6.
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Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht des konstruktiven Aufbaus,
der bei der Vorrichtung nach Fig. 1 vorliegen kann.
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Fig. 9 ist ein Schnitt längs der Linie 9-9 der Vorrichtung nach Fig.
8.
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Fig. 10 zeigt einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform einer
schalterähnlichen Vorrichtung mit drei Elektroden und vier Schichten gemäß der Neuerung.
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Fig. 11 zeigt eine idealisierte Auftragung der Strom-Spannung-Kennlinien
der Vorrichtung nach Fig. 10.
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Fig. 12 ist ein Schnitt durch eine Schaltvorrichtung mit fünf Schichten
und mehreren Elektroden gemäß der Neuerung.
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Fig. 13 zeigt eine idealisierte Darstellung der Strom-Spannung-Kennlinien
der Vorrichtung nach Fig. 12.
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In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch eine Ausführungsform gemäß der
Neuerung zu sehen und zeigt eine Halbleitervorrichtung 1, deren Halbleiterkörper
2 vier Schichten oder Bereiche aufweist ; ein mittlerer Bereich 3 mit n-Leitfähigkeit
befindet sich neben einem äußeren Bereich 4 mit p-Leitfähigkeit und einem i3 ? it
mittleren Bereich 5 mit p-Leitfähigkeit, dem ein äußerer Bereich 6 mit n-Leitfähigkeit
benachbart ist, Diese Bereiche bilden drei etwa parallele pn-Übergänge Je'JE1 und
JE2. Der Über-
| gang Je sei als mittlerer Kollektorübergang bezeichnet, da
er |
| zwischen dem n-Bereich 3 und dem p-Bereich 5 ausgebildet ist. |
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Der Übergang JE1 sei als erster Emitterübergang bezeichnet, da er
zwischen der p-Schicht 5 und der n-Schicht 6 ausgebildet ist. Der Übergang JE2 sei
als zweiter Emitterübergang bezeichnet und ist zwischen der n-Schitht3 und der p-Schicht
4 ausgebildet. Der mittlere p-Bereich 5 umgibt den n-Bereich 6 zu beiden Seiten
und weist eine Fläche 8 auf, die in derselben Ebene wie die äußere Fläche 7 des
Bereiches 6 liegt. Ein beträchtlicher Teil des Übergangs JE1 liegt zu der Fläche
8 parallet, während ein Abschnitt 10 mit einem geringeren Flächeninhalt etwa senkrecht
zu den äußeren Flächen 7 und 8 der Bereiche 5 bzw. 6 steht und diese trifft. Der
Körper 2 weist zwei gegenübergestellte Außenflächen auf, die etwa zu dem Kollektorübergang
Je parallel sind. Die eine gegenübergestelle Fläche 18 enthält die Außenfläche des
p-Bereiches 4, während die andere Fläche die äußere Fläche 8 des n-Bereiches 6 und
die äußere Fläche 7 des mittleren p-Bereiches 5 enthält, die in einer Ebene liegen.
In gutem leitendem Kontakt mit den äußeren Flächen 7 und 8 ist eine leitende Elektrode
12 befestigt, während eine weitere Elektrode 13 in gutem leitendem Kontakt an der
äußeren Fläche 18 festgemacht ist. Die Elektrode 12 überbrückt den Übergang JE1
bzw. schließt diesen an einer Linie kurz, deren Projektion an einem Punkt 11 senkrecht
zur Zeichenebene steht. Die Elektrode 12 bzw. 13 ist mit einer äußeren Klemme 14
bzw. 15 über Drähte 16 bzw. 17 verbunden. Ein Minoritäts-
- Gräger
injizierender Bereich 6a z. B. mit n-Leitfähigkeit ist z. B. in demjenigen Teil
des Bereiches 5 vorgesehen, der sich zur Oberfläche der Vorrichtung an der Seite
des Übergangs JE ausdehtn, die von dem kurzgeschlossenen Teil des Übergangs JE entfernt
liegt ; der Bereich 6a bildet mit dem Bereich 5 einen Übergang JE4. An dem Bereich
6a ist eine Elektrode 19 angeschlossen.
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Der Bereich 6a hat eine kleinere Ausdehnung als der Bereich 6 und
bildet mit den p-Bereichen 4 und 5 und dem n-Bereich 3 eine weitere Schaltvorrichtung
mit vier Schichten und drei Elektroden, von denen die Elektroden 12 und 13 außen
liegen.
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Der Bereich 6a ist anders als der Bereich 6 ausgebildet ; er kann
stärker n-leitfähig sein und dem Übergang Je dichter als dem Übergang JE. benachbart
sein, so daß er als Emitter beträchtlich wirkungsvoller als der Bereich 6 arbeiten
kann und nur geringe Auslöseströme benötigt, um die Vorrichtung zwischen den Elektroden
12 und 13 leitend zu machen.
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Die Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß der Fig. 1 sei anhand der Fig.
2 näher erläutert, die die zugehörige Auftragung bzw-Diagramm der Strom-Spannung-Kennlinien
zeigt. Im Diagramm wird der Strom zwischen den Elektroden 12 und 13 als Ordinate
und die an den Elektroden liegende Spannung als Abszisse dargestellt.
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Es sei angenommen, daß eine anwachsende Spannung zwischen den Elektroden
12 und 13 über einen Generator 30, einen in Reihe liegenden, den Strom begrenzenden
Widerstand 31 und einen Schalter 30a zwischen den Klemmen 14 und 15 angeschlossen
sei, um die Elektrode 12 zunehmend positiv bezüglich der Elektrode 13 zu machen.
Am Übergang JE1 sucht sich eine Vorspannung in Sperrrichtung auszubilden, während
der Übergang J. in Sperrichtung vorgespannt wird und somit den Stromfluß an diesem
sperrt. Der Kollektorübergang Je ist in Durchlaßrichtung vorgespannt. Somit besteht
zwischen den Elektroden 12 und 13 eine hohe Impedanz, bi s
eine
Spannung für einen lawinenartigen Durchschlag des Emitterübergangs JE2 erreicht
wird, die durch eine Abszisse 20 in der Fig. 2 dargestellt ist.
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Es sei angenommen, daß eine größere werdende Spannung zwischen den
Elektroden 12 und 13 angelegt sei, um die Elektrode 12 zunehmend negativ bezüglich
der Elektrode 13 zu machen. Wenn eine solche Spannung angelegt ist, erhalten die
Übergänge JE1 und
| JE2 eine Vorspannung in Durchlaßrichtung und der Übergang Je |
| <i L< |
eine Vorspannung in Sperrichtung. Bei geringen Strömen ist der Emitterübergang JE1
praktisch als Emitter unwirksam, da er die Bereiche 5 und 6 durch die Elektrode
12 kurzgeschlossen sind. Da die Spannung an der Vorrichtung zunimmt, fließt nur
ein geringer Sättigungsstrom, der einen Sperrstrom am Übergang
| Je darstellt, der als Ordinate 21 in der Fig. 2 angegeben ist. |
| L< |
Wenn sich die Spannung einer Durchschlagspannung VBO des Kollektorübergangs Je annähert,
verläuft der Stromfluß am Übergang Je parallel zum Emitterübergang JE. in Richtung
auf die Oberfläche 7 und nimmt schnell zu, wie durch PFeile 22 angedeutet ist. Der
von diesem Stromfluß hervorgerufene sich ergebende Spannungsabfall im Bereich 5
längs des Überganges JE1 bewirkt eine Vorspannung am Übergang JE., die am rechten
Rand des ÜBerganges am größten ist, weil dieser am weitesten von dem kurzgeschlossenen
Kontakt 11 entfernt ist. Die ausnutzbare Emitterleistung und somit der Faktorvnahmen
mit anwachsendem Strom-
| fluß zu. Wenn der Strom eine Größe Is erreicht, der als Ein- |
| S |
schaltstrom bezeichnet sei, bei dem die Summe der Verstärkungsfaktoren aids npn-und
pnp-Transistorabschnittes der Vorrichtung größer als eins ist, schaltet die Vorrichtung
in den niedrigen Spannungszustand auf eine Spannung um, die einer Abszisse 23 in
Fig. 2 entspricht. Der Übergang erfolgt sehr plötzlich, weil bei der Spannungsabnahme
am Kollekorübergang Je der ursprünglich über den gesamten Bereich 5 verteilte Strom
sich nun hauptsächlich auf den Rand des Bereiches 6 verschiebt, der
von
dem Abschnitt 10 entfernt ist und die Stromdichte sehr hoch wird. Die Vorrichtung
schaltet nun in den niedrigen Spannungszustand bei einer noch höheren Stromstärke
um, bei der die Bedingung für die Summe der Verstärkungsfaktoren erfüllt ist. Sobald
der Schalter eingeschaltet ist, muß eine ausreichende Vorspannung am Basisbereich
5 beibehalten wer, den, um den Emitter auf einer starken Vorspannung in der Durchlaßrichtung
zu halten. Da der Übergang Je nun in Durchlaßrichtung vorgespannt ist, haben die
lawinenartigen Wirkungen des Überganges Je keine weitere Bedeutung mehr für die
Aufrechterhalten der Leitung in der Vorrichtung. Wenn die Bedingungen für den ähßeren
Stromkreis derart gewählt sind, daß ein Strom IH in Fig. 2 geringer als der kleinste,
zur Aufrechierhaltung der Leitung in der Vorrichtung notwendige Wert ist, wie durch
eine Ordinate 24 angedeutet ist, hört die Vorrichtung zu leiten auf und kehrt in
ihren nichtleitenden Zustand zurück. In dem Bereich der starken Leitung in Durchlaßrichtung,
ist der größte Teil des Emitters leitend vorgespannt, so daß die Vorrichtung die
geringe Impedanz der üblichen pnpn-Schaltvorrichtungen aufweist. Im Hinblick auf
die in Fig. 2 dargestellten Kennlinien hat es sich als möglich erwiesen, den Wert
des Einschaltstroms Is so zu verändern, s
| daß er größer, gleich oder kleiner als der Haltestrom IR ist, |
| . I istg |
wie bereits vorgeschlagen wurde, Die Funktionsweise des Tor-oder Steuerübergangsbereiches
6a sei anhand der Kurven in Fig. 3 erläutert. Kurven IG..,IGp, IG3 und IG4 geben
Strom-Spannung-Kennlinien für wachsende Werte eines Steuerstroms IG an, der an der
Elektrode 19 angelegt ist. Eine erhöhte Injektion aus dem Bereich 6a in den Bereich
5 hinein wird durch eine angemessene negative Vorspannung der Elektrode 19 bezüglich
der Elektrode 12 mit Hilfe eines Generators 32 und eines in Reihe liegenden, strombegrenzenden
Widerstandes 33 erreicht, der über einen Schalter
32a zwischen
den Elektroden 19 und 12angeschlossen ist, so daß die Schicht 6a als Emitter arbeiten
kann. Durch die gesteigerte Vorspannung an der Elektrode 19 bezüglich der Eier,-.
trode 12 wird die Injektion in den Bereich 5 hinein unabhängig vergrößert, so daß
der Faktordes des npn-Abschnittes der Schaltvorrichtung mit vier Schichten zunimmt,
so daß die Bedingungen für eine Zunahme des dz-faktors mit dem Strom und für die
d Baktorsumme von diesem Abschnitt der Vorrichtung erfüllt werden können ; dadurch
entsteht an dem mittleren Übergang ein Durchschlag und eine Umkehrung der Polung,
wie bereits erklärt ist. In diesem Zustand, der für den angegebenen kleinen Abschnitt
der Vorrichtung besteht, kann ein Strom quer zum Übergang Je fließen, daß der Hauptabschnitt
der aus vier Schichten bestehenden Vorrichtung durchschlagen und leitend wird ;
dabei besteht eine niedrige Impedanz zwischen den Elektroden 12 und 13. Die Herbeiführung
der Leitung im Steuerabschnitt der Vorrichtung ist von einer temperaturstabilisierenden
Wirkung des verkürzten Emitteraufbaus unabhängig.
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Wie zuvor erwähnt ist, kann der Bereich 6a sehr klein ausgebildet
sein ; somit sind nur sehr geringe Injektionsströme nötig, um den Durchschlag des
Übergangs Je einzuleiten. Die Wirksamkeit des Bereiches 6a als Emitter kann auch
verstärkt
| werden, wenn dieser sehr dicht an den Übergang Je gelegt wird, |
ohne daß die Durchbruchskennlinie der Vorrichtung bei der Sperrspannung beeinflußt
wird ; aber der Faktor' des npn-Abschnittes wird vergrößert, wodurch seine Empfindlichkeit
und die gesamte Steueransprechbarkeit der Vorrichtung gesteigert werden.
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Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 kann durch unterschiedliche Verfahren
hergestellt werden. Bei einem Verfahren wird ein Plättchen aus Siliziumhalbleitermaterial
mit n-Leitfähigkeit, dessen spezifischer Widerstand annähernd 15 Ohm. cm und dessen
Dicke 9 mil (0, 23 mm) beträgt, in eine evakuierte, abgedichtete Quarzröhre zusammen
mit einer Legierung, die aus Silizium
und Gallium besteht, untergebracht,
und mit einem reaktionsunfähigen Gas gefüllt. Die Temperatur des Plättchens wird
auf etwa 12500 C erhöht, während die Temperatur der Legierung bis auf 10500 C gesteigert
wird. Das aus der Legierung stammende Gallium diffundiert in das Plättchen hinein
und bildet Bereiche, die den p-Bereichen 4 und 5 entsprechen.
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Die Konzentration des Galliums im Legierungsvorrat und die Diffusionszeit
werden so reguliert, daß die gewünschten Eindringtiefen und die sich ergebenden
Abmessungen der verschiedenen Schichten erhalten werden. Wenn sich der zuvor erwähnte
Galliumvorrat auf einer Temperatur von 10500 C und das Plättchen auf einer Temperatur
von 12500 C befinden beträgt die Diffusionszeit angenähert 60 h. Dann wird das Plättchen
von einem passenden Hilfsmittel, z. B. einem säurebeständigen Wachs in bestimmten
Bereichen verdeckt und anschließand mit einer Ätzlösung geätzt, (die 5 Raumteile
70% tiger Salpetersäure, 3 Raumteile 49 % tiger Fluorwasserstoffsäure und 3 Raumteile
Essigsäureenthält), so daß sich aus dem Plättchen eine kreisrunde Pille bildet,
deren Durchmesser 1/2 Zoll (12,7 mm) beträgt. Als nächstes wird die Pille in Trichloräthylen
und dann in konzentrierter Salapetersäure (69%) gekocht ; danach wird sie der Reihe
nach in Fluorwasserstoffsäure, in entionisiertem Wasser und in Aceton gespült. Infolge
der vorgenannten Arbeitsgänge besitzt die Pille eine 3, 6 Mil (0,09 mm) dicke n-Schicht,
die zwischen zwei p-Schichten von 2, 7 Mil (0, 07 mm) DicKe eingelegt ist. Eine
Scheibe aus Aluminium mit einem Durchmesser von 0,495 Zoll (12,5 mm) und einer Dicke
von 2 Mil (1 mm) eine Rückplatte aus Wolfram werden in dieser Reihenfolge auf die
eine Seite der Pille in einem Kohlenstoffutter oder-halter gelegt ; zwei gesonderte
Scheiben aus mit Antimon dotiertem Gold (99% Gold-1 % Antimon), von denen die eine
einen Durchmesser von 410 Mil (10,4 mm) und eine Dicke von 2 Mil (0,05 mm) und die
andere einen Durchmesser von 20 Mil (0, 51 mm) und eine Dicke von 2 Mil (0, 05mm)
besitzen,
werden auf die andere Seite der Pille in dem Spannfutter aufgelegte Der Halter mit
der Pille und die flachliegenden Scheiben werden in einer nichtoxydierenden Atmosphäre
durch einen Tunnelofen hindurchgezogen. Die Zeit und die Temperatur des Ofens werden
derart gesteuert, daß die Gold-Antimonllegierung annähernd 1 1/2 Mil (0, 038 mm)
eindringt. Auf diese Weise werden ein Hauptemitter mit n-Leitfähigkeit, der dem
Bereich 6 entspricht, und ein Steueremitter mit n-Leitfähigkeit, der dem Bereich
6a entspricht, in der Pille ausgebildet. Ebenso wird ein leitender Kontakt an dem
Bereich 4 von der Aluminiumscheibe und der Wolframplatte gebildet. Anschließned
wird die noch4 nicht fertige Anordnung mit den Kontakten aus der Gold-Antimon-Legierung
geschliffen, poliert, um das überschüssige Gold und Antimon zu entfernen, und mit
der zuvor angegebenen Ätzung geätzt.
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Auf der gesamten Oberfläche wird dann Aluminium aufgebracht und wahlweise
entfernt, um die der Elektrode 12 der Fig. 1 entsprechende Elektrode zu bilden.
Die Anordnung mit der Wolframrückplatte, an der eine Leitung befestigt wird, wird
durch den Tunnelofen geführt, um die Wolframplatte und die Aluminiumauftragung an
der Anordnung zu befestigen. Die gesamte Anordnung wird dann mit der bereits angegebenen
Ätzlösung geätzt. Schließlich wird eine Leitung an dem Bereich, Ko, z. B. durch
Anwendung von Wärme und Druck festgemacht.
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Wenn auch im verherigen Beispiel spezielle Stoffe und Aufbauten erwähnt
sind, so können doch je nach Wunsch Abänderungen vorgenommen werden. Die Gold-Antimon-Scheibe
für die Steuerelektrode kann z. B. stärker dotiert werden und eine größere Materialdicke
als die Gold-Antimon-Scheibe aufweisen, die für den Hauptemitter verwendet wird,
so daß ein stärker dotierter Torbereich und ein weiterer Bereich erzeugt werden,
der näher am Kollektorübergang liegt. Weitere Einzelheiten für die Fertigung der
Vorrichtung seien in Verbindung mit den Fig. 8 und 9 erklärt.
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Bei einem weiteren Verfahren zur Ausbildung der Vorrichtung gemäß
Fig. 1 unter Benutzung einer total diffundierten Pille wird folgendermaßen ausgeführt.
Das Ausgangsmaterial ist im wesentlichen das gleiche wie beim vorherigen Verfahren,
nämlich ein n-Siliziumplättchen mit einem spezifischen Widerstand von annähernd
15 Ohm-cm und einer Dicke von 7 Mil (0,178 mm). Wie beim vorherigen Beispiel wird
Gallium eindiffundiert ; lediglich did Diffusionszeit beträgt annähernd 17 h, so
daß ein p-Bereich von etwa 2 Mil (0,051 mm) Dicke entsteht. Das Plättchen wird dann
dadurch oxydiert, daß es feuchtem Sauerstoff etwa 5 h lang bei einer Temperatur
von annähernd 1240°C ausgesetzt wird. Das gesamte Plättchen wird dann auf geeignete
Weise z. B. durch einen Überzug mit Photoresist abgedeckt. Das Plättchen wird dann
mit einem Glasdekkel bedeckt, das ein gewünschtes Muster für den Liohtdurchgang
trägt. Dann wird Licht auf die Abschirmung geworfen und entsprechend dem gewünschten
Muster das Photoresist dem Licht ausgesetzt. Der nichtbelichtete Bereich wird anschließend
mit Ammoniumbifluorit geätzt, um das Siliziumoxyd zu entfernen.
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Dann wird das Photoresist entfernt, so daß eine pnp-Struktur zurückbleibt,
die gewisse ausgewählte Bereiche mit einem Oxydüberzug trägt. Als nächstes wird
Phosphor in den Aufbau, der nun voneinem Oxyd verhüllt wird, in einer offenen Röhre
ein-
| diffundiert, in der das Plättchen bei einer Temperatur von |
| 12500C und der Phosphorvorrat als Phosphorpentoxyd (P205) bei |
| einer Temperatur von 2000C 10 min lang gehalten werden, so |
daß sich auf dem Aufbau ein Phosphorniederschlag bildet. Der Phosphorvorrat wird
nicht weiter erwärmt und das Plättchen 6 H lang auf einer Temperatur von 125000
gehalten. Dann wird das Plättchen in Flußsäure 2 min lang geätzt, um am Plättchen
zurückbleibendes Oxyd zu entfernen und schließlich mit ionisiertem Wasser gespült,
mit Aceton getrocknet, um es zu reinigen. Auf beiden Seiten des Plättchens wird
dann Aluminium aufgedampft. Als nächstes werden bestimmte Bereiche des Plättchens
mit
einer säurebeständigen Abdeckung z. B. aus Apiezonwachs bedeckt und dann mit der
bereits erwähnten Ätzlösung geätzt, um das Plättchen als Pille auszubilden und Aluminiumkurzschlüsse
an unerwünschten Bereichen der einzelnen Pille zu entfernen. Auf beiden Seiten der
Pille werden Wolframrückplatten in Berührung mit den Aluminiumniederschlägen aufgelegt
; dann wird die soweit hergestellte Anordnung durch einen Tunnelofen gezogen, der
auf etwa 700Da einige Minuten lang gehalten wird, um die Elektroden daran festzumachen.
In anderer Hinsicht ist der Anschluß der Elektroden an die Vorrichtung der gleiche
wie bei dem vorherigen Beispiel und wird noch näher in Verbindung mit den Figuren
8 und 9 erläutert.
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In Fig. 4 ist eine Schaltvorrichtung mit vier Schichten und drei Elektroden
ähnlich der Vorrichtung nach Fig. 6 zu sehen.
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Bei dieser Vorrichtung sind jedoch die Steuerelektrode und der Steuerbereich
dicht an den Bereich gelegt, wo die Elektrode 12 mit dem Bereich 5 einen Kontakt
bildet. Diese Vor-
| richtung kann in der Weise angefertigt werden, wie in Verbin- |
| C> |
dung mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 beschrieben ist. Die Arbeitsweise ist im wesentlichen
dieselbe wie die Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Die Spannung-Strom-Kennlinien
der Vorrichtung gemäß Fig. 4 sind in Fig. 5 für verschiedene Werte des Steuerstroms
IG angegeben.
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In Fig. 6 ist eine andere Schaltvorrichtung mit vier Schichten und
drei Elektroden gemäß der Neuerung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform stellt
die Elektrode 12 keinen Ohmschen, also nichtgleichrichtenden Kontakt mit dem Bereich
5 her. Der notwendige elektrische Kontakt mit dem Bereich 5 wird, damit die Torelektrode
19 richtig arbeitet, in verschiedener Weise ausgeführt. Die Leistungsfähigkeit von
Teilen des Bereiches 6 in der Nähe der Oberfläche neben dem Übergang JE1 als Emitter
kann durch eine starke Konzentration an Verunreinigungen
in den
Oberflächenbereichen neben dem Übergang JE gesenkt werden, so daß ein Kriechstrom
zum p-Bereich 5 entsteht. Der notwendige leitende Weg zum Bereich 5 kann auch durch
einen umgekehrten Sättigungsstrom und Zener-Stromwirkungen mit Strom versorgt werden.
Die Spannung-Strom-Kennlinien der Vorrichtung gemäß Fig. 6 sind in Fig. 7 für verschiedene
Werte des Steuer-
Die Vorrichtung der Fig. 6 kann ähnlich wie die Vorrichtung der Fig. 1 angefertigt
werden, wobei natürlich unterschiedliche spezifische Widerstände für die verschiedenen
Bereiche zugelassen werden müssen, um die gewünschte Betriebsweise zu erhalten.
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Die Fig. 8 und 9 zeigen weitere konstruktive Merkmale der Vorrichtung
nach Fig. 10. Der Körper 2 ist auf einer leitenden Platte 35 montiert, die aus Wolfram
oder einem anderen Material bestehen kann, die an dieser mit einem Lötmittel 34
angelötet ist. Wie bereits erwähnt, kann der Körper 2 an der Wolframplatte durch
einen Niederschlag 36 aus Aluminium befestig ; sein, der am Körper 2 entsprechend
angebracht und an der Platte 35 angelötet ist. In ähnlicher Weise kann eine Plat-
| te 38 aus Wolfram oder einem anderen Material bestehen, an
der |
ein äußerer Leiter 39 angelötet ist ; die Herstellung des Kontaktes kann mit Hilfe
eines Niederschlages 37 aus Aluminium erfolgen, der entsprechend am Körper angebracht
und leitend an der Wolframplatte festgemacht ist. Der steuernde Leiter 19 kann ein
Draht sein, der entweder an einem Gold-Antimon-Niederschlag auf dem n-Bereich angelötet
oder durch einen Bindung mit Wärme und Druck befestigt ist. Die konstruktiven Merkmale
gemäß den Fig. 8 und 9 können auch bei den anderen Ausführungsformen angewendet
werden.
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In zig. 10 ist eine Schaltvorrichtung mit vier Schichten und mehreren
Elektroden zu sehen, Die Vorrichtung ist der Vorrichtung
gemäß
der Fig. 1 ähnlich. Bei dieser läuft die Zwischenschicht 5 auf beiden Seiten des
n-Bereiches 6 zur Oberfläche.
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In ähnlicher Weise erstreckt sich die Zwischenschicht 3 auf der Unterseite
der Vorrichtung zu beiden Seiten des p-Bereiches 4. Kurzschließende Kontakte 12
und 33 sind wie bei der Vorrichtung der Fig. 1 angebracht. Außerdem ist der Steuerbereich
6a mi n-Leitfähigkeit in gleichrichtendem Kontakt mit dem Bereich 5 an der Seite
ausgebildet, die von der kurzgeschlossenen Stelle
| abgewendet ist. Die Vorrichtung der Fig. 10 kann in ähnlicher |
| Weise wie die Vorrichtung der Fig. 1 angefertigt werden. |
| In Fig. 11 sind die Spannung-Strom-Kennlinien der Vorrichtung |
| der Fig. 10 zu sehen. Wenn die Elektrode 12 positiv gegenüber |
der Elektrode 33 ist, erhält der Übergang Je eine Vorspannung in Durchlaßrichtung,
wie im dritten Quadranten des Diagramms gemäß Fig. 11 zu sehen ist. Wenn die Elektrode
12 eine negative Vorspannung zur Elektrode 33 erhält, liegen die Kennlinien für
die Durchlaßrichtung als Kurvenschar im ersten Quadranten vor. Diese Kurven zeigen
Spannung-Strom-Kennlinien für verschiedene Werte von IG1-IG4'die an der Elektrode
19 liegen.
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In Fig. 12 ist eine Schaltvorrichtung mit fünf Schichten und mehreren
Elektroden zu sehen, deren Steuerelektroden an ihren verschiedenen Zwischenschichten
angeschlossen sind. Diese Fig. zeigt einen Querschnitt durch eine Schaltvorrichtung,
deren Spannung-Strom-Kennlinien in Fig. 13 aufgezeichnet sind. Diese
| Vorrichtung enthält fünf Schichten 40-44, von denen jeweils |
| die Leitfähigkeit benachbarter Schichten entgegengesetzt ist. |
| In der Vorrichtung liegen somit vier pn-Übergänge JE |
| CD 19 JE2'JC1 |
| und J02 vor. Der Übergang JE1 ist zwischen der n-und p-Schicht |
40 und 42 ausgebildet, während der Übergang J c1 zwischen der p-und n-Schicht 42
und 44 liegt. Der Übergang JC2 ist zwischen der p-und n-Schicht 43 und 44 hergestellt.
Die Abschlußschichten 40 und 41 weisen dieselbe Leitfähigkeit, nämlich die n-Leitfähigkeit
auf
und sind in der Breite mit den benachbarten Schichten 42 und 43 kurzgeschlossen
; sie stellen verlängerte Oberflächen dar, die in derselben Ebene wie die Außenfläche
der Schichten 40 und 41 liegen. Elektroden 45 und 46 stellen einen leitenden Kontakt
mit den äußeren Flächen des Halblei. terkörpers her, aus dem die Vorrichtung gebildet
ist, An den Elektroden 45 und 46 sind Drähte 47 und 48 angeschlossen. In den Bereichen
42 und43 ist ein Bereich 50 bzw. 51 mit n-Leitfähigkeit ausgebildet, an dem eine
Elektrode 52 bzw. 53 angeschlossen ist. Wie hervorgehoben sei, kann der Aufbau gemäß
der Fig. 12 in ähnlicher Weise wie die Vorrichtung der Fig.
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1 angefertigt werden. In Fig. 13 ist eine idealisierte Auftragung
der Spannung-Strom-Kennlinien der Vorrichtung gemäß Fig. 12 zu sehen. Die Vorrichtung
der Fig. 12 sei als symmetrischer Schalter mit fünf Bereichen und zwei verkürzten
Emittern bezeichnet, der Spannungen mit beiden Vorzeichen, die an den Klemmen liegen,
umschaltet, Der Betrieb der Vorrichtung gemäß der Fig. 12 sei in Verbindung mit
der Kurve der Fig. 13 erläutert. Es sei angenommen, daß die an der Elektrode 45
angelegte Spannung gegenüber der an der Elektrode 46 angelegten Spannung negativ
ist.
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Der Übergang JE1 wirkt als ein leistungsfähiger verkürzter Emitter.
Der Übergang J, wirkt als Kollektor, der schalten
| soll. Der Übergang J02 wirkt als weiterer Emitter, während
der |
Übergang JE2 eine Vorspannung in Sperrichtung anzunehmen sucht, aber wegen des Kurzschlusses
infolge der Elektrode 46 keine Spannung beibehalten kann. Die Vorrichtung schaltet
in der angenommenen Polung wie die Vorrichtung der Fig. 1 und weist eine Kennlinie
auf, die im ersten Quadranten der Fig. 13 zu sehen ist. Wenn nun die angelegte Spannung
das umgekehrte Vorzeichen erhält, so ergibt sich aus der Symmetrie dieser Konstruktion,
dasswieder das Schalten einsetzt, wie aus der Kennlinie im dritten Quadrant der
Fig. zu erkennen ist. Bei einer
üblichen npnpn-oder pnpnp-Vorrichtung
mit zwei Elektroden wird geschaltet, ohne daß der eine oder der andere Emitterübergang
die entgegengesetzte Vorspannung erhält, so daß ein Strom nur bei der Durchschlagspannung
des Übergangs hindurchgelassen wird. Wenn die Elektrode 45 negativ zur Elektrode
46 ate gepolt ist, wird die Vorrichtung bei einem speziellen Spannungswert VBOR
leitend ; wenn die Elektrode 45 positiv hinsichtlich der Elektrode 46 gepolt ist,
wird die Vorrichtung in ähnlicher Weise bei einem anderen speziellen Spannungswert
VBOL leitend, wie in Fig. 13 zu sehen ist. Kurvemscharen I-
| i und I C) |
| IG5 und Ip.-1-j5 zeigen die Veränderung der Spannung-Strom- |
Kennlinien an den Elektroden 45,46 der Vorrichtung für verschiedene Werte des Steuerstroms,
der an den Steuerbereichen 50 bzw. 51 angelegt ist. Bei Zunehmenden Werten des Steuerstroms
schaltet die Vorrichtung in den Leitungszustand in Durchlaßrichtung bei niedrigeren
Werten der Spannung, die zwischen Elektroden 45 und 46 eingelegt ist.
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Wie zuvor erwähnt, bestehen die Kriterien für einen Durchbruch in
der Durchlaßrichtung am Übergang Jci in dem einen Fall und am Übergang JC2 in dem
anderen Fall, sp daß die Stromverstärkung mindestens des einen Transistorabschnittes,
in den die Vorrichtung auflösbar ist, im Leitungszustand in Durchlaßrichtung einen
Verstärkungsfaktor besitzt, der mit dem Strom zunimmt ; die Summe ver Verstärkungsfaktoren
oder beiden Transistorabschnitte ist daher bei einem mittleren STrom gleich oder
größer als eins. Diese Bedingungen für die Zündung bei einer speziellen Spannung,
die an den den Hauptstrom führenden Elektroden 45 und 46 angelegt ist, können von
geeigneten Strömen in den Bereichen 50 und 51 mit n-Leitfähigkeit erfüllt werden.
Natürlich würde ein Signal an der einen Steuerelektrode 50 uder 51 nur dann eine
Wirkung haben, wenn die Hauptelektroden 45 und 46 entsprechend gepolt sind. Natürlich
kann das Umschalten
der Vorrichtung in den leitenden Zustand durch
eine gleichzeitige Zuführung von Steuerströmen an die beiden Steuerelektroden 50
und 51 erfolgen.
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Die Vorrichtung der Fig. 12 kann in Schaltungen, in denen übliche
Steuervorrichtungen mit vier Schichten und drei Elektroden verwendet werden, die
allgemein als gesteuerte Gleichrichter bezeichnet werden, und in anderen Schaltungen
verwendet werden, bei denen Schaltkennlinien in zwei Richtungen und die Multiplizität
der Steuerlemente voll ausgenutzt wird.
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Typische Vorrichtungen der zuvor beschriebenen Arten können Ströme
von mehr als 50 A in der Durchlaßrichtung durchlassen, während der Spannungsabfall
in Durchlaßrichtung geringer als 2 V ist ; die Durchschlagspannung zwischen den
den Hauptstrom führenden Elektroden ist dabei größer als 400 V. Derartige Vorrichtungen
sind bei Temperaturen oberhalb 165°0 stabil. Ein typischer Wert für einen Steuer-oder
Torstrom derartiger Vorrichtungen beträgt 200 pA.
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Die zuvor erläuterten Vorrichtungen können in Schaltungen benutzt
werden, in denen die üblichen, gesteuerten Gleichrichter benutzt werden ; für Unterschiedein
der Arbeitsweise können entsprechende Veränderungen zugelassen werden. Wenn auch
die verscheiede. nen Vorrichtungen zum großen Teil nach Diffusionsverfahren angefertigt
sind, so sind doch auch andere Verfahren und Verfahrenskombinationen zur Ausbildung
der zuvor beschriebenen Konstruktionen anwendbar.
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Obgleich der Erfindungsgegenstand in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen
beschrieben ist, können doch von einem Fachmann Abänderungen getroffen werden. Wenn
auch die Vorrichtungen im allgemeinen rechteckig dargestellt sind, so können auch
kreisrunde, zylindrische und anders geformte Vorrichtungen benutzt werden. Während
die Steuerbereiche der Vorrichtung als
| n-leitend angegeben sind, können auch S+euerbereiche mit |
| p-Leitfähigkeit bei Vorrichtungen verwendet werden, bei |
denen die Leitfähigkeit der verschiedenen Bereiche umgekehrt, also im Gegensatz
zur Beschreibung ist.