DE2320412A1

DE2320412A1 - Vierschichttriode

Info

Publication number: DE2320412A1
Application number: DE19732320412
Authority: DE
Inventors: Takeshi Matsushita
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1972-04-20
Filing date: 1973-04-21
Publication date: 1973-10-25
Also published as: JPS533233B2; CA982700A; FR2181076B1; NL7305505A; DE2320412C3; DE2320412B2; GB1425956A; JPS493584A; FR2181076A1

Description

It 2480 P/b

SONY CORPORATION, Tokyo, Japan 2320412

Vierschichttriode

Die Erfindung betrifft eine Vierschichttriode, die schnell zwischen leitenden und nicht leitenden Zuständen als Antwort auf kleine SpannungsSteuersignale umschaltet.

pnpn-Thyristören, bei denen ein kleiner Torstrom seinen Anoden-Kathodenstrom abschalten kann, oder Vierschichttrioden sind beispielsweise in der USA-Patentschrift 3 207 962 von Slusher beschrieben. Die darin beschriebene Vierschichttriode ist dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Alpha-Werte oder Stromverstärkungsfaktoren von zwei Transistoren aus drei Zonen von derselben eins nur wenig übersteigt. Das ermöglicht, daß die Vierschichttriode abgeschaltet werden kann bei Auftreten eines kleinen Stromes von einer Basis eines Steuertransistors.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vierschichttriode zu schaffen, die einen niedrigen Durchlaßspannungsabfall im Betrieb und einen kleinen Bremsstrom nach dem Abschalten besitzt. Der Leistungsverbrauch soll auf ein Minimum beschränkt v/erden. Ferner soll die Vierschichttriode relativ unempfindlich gegen Temperaturvariation sein.

Diese Aufgabe wird durch eine Vierschichttriode gelöst, die sich gemäß der Erfindung dadurch kennzeichnet, daß die Bereiche ein rechnarisches Äquivalent von zwei Transistoren bilden, die jeder mit drei aufeinanderfolgenden Schichten von den vier Bereichen ge-

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bildet sind, daß Zwischenbereiche der vier Bereiche gemeinsame Teile der.beiden Transistoren bilden und der eine der beiden Transistoren einen Stromverstärkungsfaktor von über 0,7 und der andere Transistor einen Leitungsfaktor h„_ER von weniger als 0,1 besitzen.

Die Erfindung liefert eine Vierschichttriode, in der einer der darin gebildeten Transistoren einen Alpha-Wert von .über 0,7 und der andere Transistor einen Leitungsfaktor h„_ER von weniger als 0,1 besitzen. Der Leitμngsfaktor h_pER ist gleich dem Ausdruck I./Ig, wenn die Kathodenelektrode K und die Anodenelektrode A an eine Spannungsquelle gelegt sind und der Torbereich geerdet ist,, wobei I_& den Anodenstrom darstellt, wenn eine positive Gleichspannung an der Torelektrode G anliegt, und I„ den Torstrom darstellt, wenn dieselbe Spannung an der Torelektrode G anliegt.

Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren. Von den Figuren zeigen: "

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Vierschichttriode;

Diagramme des Verhältnisses zwischen Zeit und Strom und zwischen Zeit und Spannung;

einen vergrößerten Querschnitt durch eine Ausführungsform einer Vierschichttriode;

einen Querschnitt zur Erläuterung des Verfahrens zur Messung eines Leitungsfaktors h__ER der in Fig. 3 gezeigten Vierschichttriode;

Fig. 5 ein Diagramm, in dem das Verhältnis von Strom I und

h„_r,„ nach dem Abschalten der Vierschichttriode aufger hitx

tragen ist;
Fig. 6 das Verhältnis zwischen h„_ER und Durchlaßspannung Vp;

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Fig. und	2A 2B
Fig.	3
Fig.	4

Fig. 7 eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform; und Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie A-A¹ in Fig. 7.

Zum besseren Verständnis wird eine Vierschichttriode unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 beschrieben. Wie aus Fig. 1 zu sehen ist, weist die Vierschichttriode einen Halbleiterkörper mit einem ersten Bereich 1 mit η-Leitung, einen zweiten Bereich 2 mit p-Leitung, einen dritten Bereich 3 mit η-Leitung und einen vierten Bereich mit p-Leitung auf, wobei die Bereiche aufeinanderfolgend aneinander gesdtchtet sind. Eine Kathodenelektrode K ist an den ersten Bereich 1 und eine Anodenelektrode A an den vierten Bereich 4 und eine Torelektrode G an den zweiten Bereich 2 angebracht.

Wird ein positives Signal an das Tor G in dem Fall angelegt, daß an der Anode A und der Kathode K eine Vorwärtsspannung anliegt, dann wird die Vierschichttriode angeschaltet, während sie abgeschaltet wird, wenn ein negatives Signal an die Torelektrode G unter derselben Bedingung angelegt wird.

In diesem Fall wird die Abschaltverstärkung β _QpF durch die folgende Gleichung ausgedrückt:

i_g cCn

worin i_a ein Vorwärtsanodenstrom ist, der abgeschaltet werden kann durch einen Torstrom i , <*_N ist der Stromverstärkungsfaktor eines npn-Transistors aus Bereichen 1,2 und 3 unter der Bedingung, daß ein großer Strom bei geerdeter Basis fließt, und cc_p ist der Stromverstärkungsfaktor eines pnp-Transistors aus Bereichen 4, 3 und 2 unter derselben Bedingung wie bei dem vorhergehenden npn-Transistor.

Bei den bekannten Vierschichttransistoren ist er« so gewählt, daß es gleich oder größer als 0,5 ist («^ ^0,5), und oC_p wird gleich

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oder kleiner als 0,5 gewählt (dL,~-O,5) im Hinblick auf die TemperatuDharakteristik der Vierschichttriode.

In der Vierschichttriode kann ihre Vorwärts spannung V_, zwischen Anodenelektrode A und Kathodenelektrode K ausgedrückt werden als

2Γ
V„ = ⁰^ e , worin W die Dicke des Bereiches 3 und L die Diffu-

sionslänge darstellen, so daß der Faktor W/L mit einem kleinen Wert gewählt wird, um die Vorwärtsspannung V„ klein zu machen.

Da die Vierschichttriode einen abrupten Abfall im Strom besitzt, wenn sie abgeschaltet wird, wird sie weithin in verschiedenen Schaltungen verwendet. Die Vierschichttriode wird vorteilhaft verwendet in einer horizontalen Ablenkschaltung eines Fernsehempfängers, in einem Regulator, in einer Zündung, als ein D-Verstärker und ähnlichem.

Wie Experimente gezeigt haben, weist die herkömmliche Vierschichttriode ein solches Verhalten auf, daß der Vorwärts- oder Durchlaßstrom beim Abschalten abrupt abfällt, daß er jedoch flach.abfällt, wenn der Strom niedriger als ein bestimmter Wert ist, was hervorgerufen wird durch positive Löcher, die vom vierten Bereich 4 zum dritten Bereich 3 injiziert sind, bleiben und dann diffundieren, nachdem die Vierschichttriode abgeschaltet ist.

Wird eine solche Vierschichttriode in einer horizontalen Ablenkschaltung verwendet, dann wird ein sägezahnförmiger Horizontalablenkstrom Itt als ihr Durchlaßstrom erhalten, was in Fig. 2A gezeigt ist. Der horizontale Ablenkstrom I„ fällt abrupt auf einen bestimmten Wert I nach dem Abschaltzeitpunkt t„™ ab. Der Strom

X Ur £

I„ fällt dann nach Erreichen des Stromwertes I -flach "ab und bil-

xl X

det einen Rand- oder Verzögerungs- oder Bremsteil S. Handelt es sich bei der Last um eine Induktivität wie beispielsweise im Fall der horizontalen Ablenkschaltung, dann wird die Spannung V ' zwisehen der ÄDde A und der Kathode K so hoch, daß ihr- Spitzenwert V etwa 1000 Volt erreicht, nachdem die Vierschichttriode äsjeschaitet worden ist, wie es in Fig. 2B gezeigt ist. Daraus ist zu ver-

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stehen, daß der oben genannte Randteil oder Bremsteil S eine große Dämpfung erzeugt.

Mit der Vierschichttriode gemäß der Erfindung kann der oben genannte BBmsteil oder Randteil S klein oder der Stromwert I sehr eng und damit die Dämpfung klein gemacht werden, was wiederum die Wärmeerzeugung vermindert und die Abmessung eines die Vierschichttriode bildenden Halbleiterwürfelchens minimalisiert. Als ein Ergebnis kann die Ausbeute bei der Herstellung solcher Vierschichttrioden vergrößert werden.

Mit der erfindungsgemäßen Ausführung wird der Stromwert I oder der Bremsteil der Vierschichttriode nach dem Abschalten herabgesetzt, aber es wurde auch gefunden, daß der Stromwert I proportional einem Leitungsfaktor h_F__R ist, der durch ein spezifisches Meßverfahren gemessen wird, welches vom Erfinder erfunden worden ist. Hier wird der Leitungsfaktor h_pER niedriger als 0,1 gewählt.

Im weiteren wird eine Ausführungsform anhand von Fig. 3 beschrieben, in der die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 die gleichen Elemente bezeichnen. In der Ausführungsform in Fig. 3 folgen schichtenmäßig aufeinander ein erster Bereich 1 mit n-Leitung, ein zweiter Bereich 2 mit p-Leitung, ein dritter Bereich 3 mit η-Leitung und ein vierter Bereich 4 mit p-Leitung in dieser Reihenfolge, die eine Vierschichttriode 6 aus Halbleitermaterial bilden. Eine erste Hauptelektrode, die Kathodenelektrode K und eine zweite Hauptelektrode, die Anodenelektrode A sind in Ohmschem Kontakt auf dem ersten Bereich 1 aus η-Leitung und dem vierten Bereich 4 aus p-Leitung abgesetzt. Eine Steuerelektrode G ist in Ohmschem Kontakt auf dem zweiten Bereich 2 mit p-Leitung abgesetzt. Mit 7 ist ein Isolator, beispielsweise eine Siliziumdioxydschicht bezeichnet .

Bei diesem Aufbau ist der Leitungsfaktor h„_ER kleiner als 0,1 gewählt. Der Leitungsfaktor h„„_n wird bestimmt durch 1,/I_x,, wenn

£ tK Ά Jj

die Kathodenelektrode K und die Anodenelektrode A in der in

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Fig. 4 gezeigten Weise verbunden sind, wobei I, den Anodenstrom darstellt, wenn eine positive Gleichspannung an die Steuerelektrode G angelegt wird, und I_ß der Tor- oder Steuerstrom
ist, wenn dieselbe Spannung an die Steuerelektrode G angelegt
wird. Mit anderen Worten kann für den Leitungsfaktor h_FER die
Gleichung h_FER = In/I« aufgestellt werden. Dieser Faktor h
kann auch durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Der Stromwert I kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

¹X - ²¹A e "l , .

worin £S die Dicke der Sperrschicht zwischen dem zweiten Bereich 2 und dem dritten Bereich 3 ist. In diesem Fall ist das
Gliedes hinreichend klein im Vergleich zu W und L, so daß h_,_ER und I das folgende Verhältnis besitzen:

Das obige Verhältnis wird ermittelt durch das Ergebnis der Messung des Verhältnisses zwischen h_„_n und I , das in Fig. 5 ge-

j; KK χ

zeigt ist. Es ist ferner zu bemerken, daß der oben genannte
Leitungsfaktor h_ppR praktisch unverändert bleibt, wenn er gemessen wird mit einer an der Steuerelektrode G angelegten Wechselspannung.

Wie oben beschrieben worden ist, wird h„_ER = &-Ί. befriedigt, so daß I klein gemacht werden kann, indem h„_ER klein gemacht wird. Wird h_pER kleiner als 0,1 gemacht, dann wird festgestellt, daß I extrem klein im Vergleich zu dem Stromwert I_ gerade vor dem Abschalten der VJerschichttriode wird, wie es in Fig. 2A gezeigt ist.

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Um das h_pFR in der oben beschriebenen Weise klein zu machen, wird der Term W/L im Hinblick auf Gleichung (2) groß gemacht. Um einen großen Term W/L zu bekommen,"reicht es aus, den Wert W oder die Dicke oder Breite des dritten Bereiches 3 groß zu machen. Wird jedoch die Breite W groß gemacht, dann wird der Durchlaßspannungsabfall V_p, wie er in Fig. 2B gezeigt ist, groß, und die Dämpfung in Durchlaßrichtung wächst an. Auf .der anderen Seite kann der Wert L klein gemacht werden, so daß dadurch der Wert W/L groß wird, indem beachtet wird, daß L durch die folgende Gleichung erhalten wird:

L = /2D f_eff (5)

in der D den Diffusionsfaktor und "£1 ff die wirksame Lebensdauer bezeichnen. Im allgemeinen kann der Term W/L nicht frei gewählt werden. Entsprechend ist es nicht wünschenswert, allein den Wert W klein zu halten, um die Spannung V-, zu befriedigen, sonekrn es soll auch der Wert L verkleinert werden, um den Wert h™,, kleiner

Γ JUj-K.

als 0,1 zu halten.

Es konnte herausgefunden werden, daß bei einem groß gewählten Faktor cc_N die Spannung V„ klein wird. Darauf aufbauend wird das Anwachsen von V_ durch Vergrößern des Wertes W aufgehoben durch Verkleinern von V_p durch Vergrößern des Faktors cc«, um ein Anwachsen der Spannung V„ im wesentlichen zu verhindern. In der Erfindung wird der Wert von <£„ größer als 0,7 gewählt beim Fliessen eines großen Stromes, wenn der Transistorteil aus den ersten drei Bereichen der Vierschichttriode seinen zweiten Bereich geerdet hat, d.h. wenn die Vierschichttriode angeschaltet ist.

In diesem Fall wird ein Anwachsen von cc durch ein Anwachsen des Faktors h_FER begleitet, was aus Gleichung (2) ersichtlich ist. Da das Verhältnis zwischen dem Faktor h™- und dem Term W/L durch

Γ XjK

eine Exponentialfunktion ausgedrückt wird, wie ebenfalls aus Gleichung (2) ersichtlich ist, wird der Faktor h^^ weniger durch den Faktor cc_N als durch den Term W/L beeinflußt.

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Fig. 6 zeigt in einem Diagramm das Verhältnis zwischen der Durchlaßspannung V„ und dem Leitungsfaktor h„_ER mit dem Faktor cc, als Parameter, der durch praktische Messung erhalten wird. In den Diagrammen zeigen die Kurven 10, 11, 12 und 13 das Verhältnis zwischen h„_ER und V„ bei einem öC_n von 0,7, 0,75, 0,8 und 0,9. In den Diagrammen zeigt eine Kurve 14 das Verhältnis zwischen V_p und h™_R bei cc_N = 0,65, was nicht zur Erfindung gehört sondern nur ein Beispiel zum Vergleich ist. Wird der Faktor h_FER = 0,1 gewählt, dann wird der Faktor oc_N = 0,7 und W/L = 3 gewählt.

Bei der Vierschichttriode mit einem Aufbau, wie er oben beschrieben ist und in Fig. 3 gezeigt ist, wird ein n-leitendes Halbleitersubstrat 6 genommen, welches einen spezifischen Widerstand von 40 - 80 Ohmcm besitzt und einen dritten Bereich 3 hat, in den p-Leitungsfremdatome in das n-Leitungssubstrat von einer Oberfläche desselben etwa 30 Mikron hineindiffundiert sind zur Bildung des p-leitenden vierten Bereiches 4 mit einer hohen Fremdatomkonzentration von ungefähr 0,1 Ohmcm spezifischem Widerstand, p-leitende Fremdatome diffunddaren auch von seiner anderen Oberfläche in das η-leitende Halbleitersubstrat 6 und bilden selektiv den p-leitenden zweiten Bereich 2 mit einem spezifischen Widerstand von 0,1 Ohmcm und mit einer Tiefe von etwa 25 Mikron. Dann werden n-leitende Fremdatome selektiv in den* so gebildeten p-leitenden zweiten Bereich 2 hineindiffundiert zur Bildung eines η-leitenden Bereiches 1 mit hoher Fremdatomkonzentration mit einem spezifischen Widerstand von 0,0006 Ohmcm und einer Tiefe von etwa 5 Mikron. Die Dicke des dritten Bereiches 3 oder die Dicke zwischen dem zweiten Bereich 2 und dem vierten Bereich wird zwischen 150 und 250 Mikron gewählt. Nach Beendigung der entsprechenden Diffusionsbehandlung diffundiert Gold hinein, welches als Ladungsträgerunterdrücker dienen kann, um W/L = 5 und ^hFER ^{= 0}J^{011 zu} erfüllen. In diesem Fall, in dem der Faktor ac - 0,8 und die Spannung Vp etwa 2 Volt gewählt werden, wird der Stromwert I der Vierschichttriode mit I_n = 5,Ampere 0,15 Ampere, während der Stromwert I„ einer herkömmlichen Vierschichttriode mit demselben Schaltungsaufbau etwa 1 - 2 Ampere beträgt.

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Eine weitere Ausführungsform wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 beschrieben, in denen die gleichen Bezugszeichen wie in den vorherigen Figuren die gleichen Elemente bezeichnen.

In dieser Ausführungsform wird ein erster Bereich 1 auf einem zweiten Bereich 2 durch.selektive Diffusion gebildet, der an seiner äußeren Peripherie gewellt sein soll, wie es in Fig. 7 gezeigt ist, um die Länge der Peripherie des ersten Bereiches zu vergrößern. In diesem Fall wird die Tiefe des ersten Bereiches 1 mit etwa 5-6 Mikron, die Dicke des zweiten Bereiches 2 oder der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Teilen des ersten Bereiches 1 und des dritten Bereiches 3 mit etwa 20 Mikron, die Dicke des dritten Bereiches 3 oder der Abstand zwischen den gegenüberliegenden Teilen des zweiten Bereiches 2 und des vierten Bereiches 4 mit etwa 210 Mikron und die Dicke des vierten Bereiches 4 mit etwa 25 Mikron gewählt.

In dieser Ausführungsform sind eine Mehrzahl von Bereichen, beispielsweise drei Bereiche 5, die als sogenannte Feldbegrenzungsbereiche oder Sdutzringe bezeichnet werden, in einem Abstand voneinander in dem dritten Bereich 3 beispielsweise durch Diffusion um den zweiten Bereich 2 herum gebildet, wobei jeder Ring 5 dieselbe Leitungsart besitzt wie der zweite Bereich 2. Durch diese Ringe 5 wird die Sperrspannung (withstand voltage) der Grenzschicht zwischen dem zweiten Bereich 2 und dem dritten Bereich 3 verbessert. Die Kathodenelektrode K und die Steuerelektrode G sind in dem ersten Bereich 1 und dem zweiten Bereich 2 in Ohmschem Kontakt mit diesen gebildet, und die Anodenelektrode A ist auf dem vierten Bereich in Ohmschem Kontakt mit diesem geformt. In diesem Ausführungsbeispiel wird die äußere Peripherie der Kathodenelektrode K und die innere Peripherie der Steuerelektrode G so ausgebildet, daß sie wellenförmig sind in Übereinstimmung mit der Wellenform des ersten Bereiches 1.

Der erste Bereich 1 ist nicht auf einen gewellten Bereich entlang seiner äußeren Raripherie begrenzt, sondern kann als eine Mehrzahl

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von Inselbereichen ausgebildet sein, die einen Abstand voneinander haben, von denen Kathodenelektroden, die elektrisch miteinander verbunden sind, nach außen führen, um die wirksame Peripherie des ersten Bereiches 1 durch Summieren der entsprechenden Peripherien der Inselbereiche zu vergrößern.

In der Ausführungsform gemäß den Fig. 7 und 8 ist der äußere Peripheriebereich des ersten Bereiches 1 vergrößert. Es ist jedoch möglich, den Peripheriebereich des vierten Bereiches 4 in seinen Teilen, durch die der Strom fließt, zu vergrößern. Zu diesem Zweck kann der Bereich 4 als eine Mehrzahl von Inselbereichen ausgebildet sein, die einen Abstand zueinander aufweisen, und eine gemeinsame Anodenelektrode ist dann mit der Mehrzahl von Inselbereichen verbunden in Ohmschem Kontakt damit (nicht gezeigt), oder der vierte Bereich 4 kann durch selektive Diffusion an seiner äußeren Peripherie gewellt sein.

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Claims

Patentansprüche

M.) Vierschichttriode mit aufeinanderfolgenden benachbarten Bereichen aus abwechselnd p- und η-leitendem Halbleitermaterial, dadurch gekennzeichnet/ daß die Bereiche'ein rechnerisches Äquivalent von zwei Transistoren bilden, die jeder mit drei aufeinanderfolgenden Schichten von den vier Bereichen gebildet sind, daß Zwischenbereiche der vier Bereiche gemeinsame Teile der beiden Transistoren bilden und der eine der beiden Transistoren einen Stromverstärkungsfaktor von über 0,7 und der andere Transistor einen Leitungsfaktor h_FER von weniger als 0,1 besitzen.
2. Vierschichttriode, gekennzeichnet durch vier aufeinanderfolgende benachbarte Bereiche von abwechselnd p- und n-leitendem Halbleitermaterial,

erste und zweite an den ersten und vierten Bereichen der vier Bereiche angebrachte Hauptelektroden und eine an dem zweiten Bereich der vier Bereiche angebrachte Steuerelektrode,

wobei der erste, zweite und dritte Bereich einen ersten Transistor mit einem Stromverstärkungsfaktor von über 0,7 bilden, wenn ein großer Strom hindurchfließt bei geerdetem zweiten Bereich, und ein Leitüngsfaktor h„_ER kleiner als 0,1 ist.

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