DE2916114A1

DE2916114A1 - Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2916114A1
Application number: DE19792916114
Authority: DE
Inventors: Hideharu Fujii; Heiji Moroshima; Hajime Terakado
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-04-21
Filing date: 1979-04-20
Publication date: 1979-10-31
Also published as: US4484206A

Description

HITACHI, LTD., Tokyo, Japan

Halbleitervorrichtung

Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung wie ζ. B. eine Zener-Diode bzw. Z-Diode.

In einer Z-Diode, die als Spannungskonstanthalter verwendet wird, dient die Durchbruchs spannung eines PN-Überganges als eine konstante Spannung. Die Durchbruchsspannung des PH-Überganges verändert sich abhängig von einer Fremdstoffkonzentrationsänderung, Kristallfehlern, usw. Wenn entsprechend die Übergangsfläche des PN-Überganges groß ist, sind die Durchbruchsspannungen der einzelnen kleinen übergangsteile innerhalb der Übergangsfläche wegen des Vorliegens der Fremdstoffkonzentrationsänderungen oder Kristallfehler in den jeweiligen kleinen Übergangsteilen verschieden, und die Z-Diode weist eine "weiche" Durchbruchskennlinie auf.

68Ο-Π5.26Ο-Μ 748)-Ko-E

Andererseits überwiegt in einer Z-Diode mit einer Durchbruchsspannung unter 5 V der Zener-(Tunnel-)Effekt, wogegen in einer Z-Diode mit einer Durchbruchsspannung über 5 V der Lawinendurchbruch-Effekt vorherrschend ist. Welcher Effekt auch überwiegt, die Z-Diode hat die "weiche" Durchbruchskennlinie bei der großen PN-Übergangsfläche. Gleichzeitig werden Rauschsignale durch die kleinen Durchbrüche an den kleinen übergangspunkten erzeugt, so daß die Rauscheigenschaften herabgesetzt werden.

Um daher eine große Z-Diode mit einer "harten" Durchbruchskennlinie und geringem Rauschen zu erhalten, sollte die Übergangsfläche des PN-Überganges klein sein.

Wenn weiterhin die Stromdichte des Gleichstromes, der durch den PN-Übergang nach dem Durchbruch des PN-Überganges fließt, zu groß wird, steigt die Übergangstemperatur des PN-Überganges an, und die thermische Ladungsträgererzeugung von Elektronen und Löchern wirkt als Mitkopplung, so daß die Stromdichte weiter anwächst. Infolge des übermäßigen Anwachsens der Stromdichte des Gleichstromes tritt an einer Stelle des PN-Überganges eine Strom-Zusammendrängung auf, um zum thermischen Durchbruch oder Sekundärdurchbruch des PN-Überganges zu führen, und die den zusammengedrängten Strom aufweisende Stelle des PN-Überganges wird bleibend zerstört.

Die Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, daß die bleibende Zerstörung des PN-Überganges aufgrund des thermischen Durchbruches oder des Sekundärdurchbruches in ähnlicher Weise nur auftritt, wenn ein Nicht-Gleichstrom bei einer überstromdichte durch den PN-Übergang für eine vergleichsweise kurze Zeit fließt. Der PN-Übergang der Z-Diode unterliegt al-

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so der bleibenden Zerstörung aufgrund einer Nicht-Gleichspannung, wie z. B. einer impulsförmigen Stoßspannung vom menschlichen Körper eines die Schaltung aufbauenden Technikers usw. oder einer Wechselspannung, die von einem Lötkolben ausstreut, wenn dieser zum Einbau der Z-Diode auf eine Schaltungsplatte einwirkt, und einer ungewöhnlichen Stoßspannung, die an der fertiggestellten Schaltung liegt, nachdem die Z-Diode auf der Schaltungsplatte angebracht wurde.

Die Untersuchungen der Erfinder haben experimentell gezeigt, daß sich die kritische Stromdichte, bei der die bleibende Zerstörung des PN-überganges der Z-Diode eintritt, abhängig vom Aufbau der Vorrichtung und den Abmessungen der Z-Diode, der Wärmestrahlungsstruktur eines Gehäuses oder einer Umhüllung und der Impulsbreite einer impulsförmigen Stoßspannung oder der Frequenz einer Streu-Wechselspannung ändert, und daß die kritische Stromdichte einen Wert von ca. 16 · 10 mA/

2
cm aufweist, wenn die an der Z-Diode liegende Spannung eine Wechselspannung ist. Die Untersuchungen der Erfinder haben weiterhin gezeigt, daß der der Einwirkung einer derartigen ungewöhnlichen Spannung von impulsförmiger oder Wechselspannungs-Art zugeordnete Zerstörungspunkt außerhalb der Kennlinie der höchsten erlaubten Belastbarkeit P-, während des Gleich-

dmax

Strombetriebs der Z-Diode liegt.

Um die Haltbarkeit gegenüber der bleibenden Zerstörung des PN-Überganges aufgrund der Einwirkung der ungewöhnlichen Spannung von impulsförmiger oder Wechselspannungs-Art zu verstärken, sollte daher die Stromdichte herabgesetzt werden, indem die Übergangsflache des PN-Überganges vergrößert wird.

Mit der großen Übergangsfläche des PN-Überganges weist

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die Z-Diode jedoch die "weiche" Durchbruchskennlinie und unterlegene Rauscheigenschaften auf, obwohl die Haltbarkeit gegenüber der bleibenden Zerstörung erhöht ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Halbleitervorrichtung, wie z„ B. eine Z-Diode, mit harter Durchbruchskennlinie, geringem Rauschen und hoher Haltbarkeit gegenüber einer bleibenden Zerstörung eines gleichrichtenden Kontaktteiles anzugeben.

Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung zeichnet sich dadurch aus,

daß ein Widerstand in Reihe mit einem ersten gleichrichtenden Kontaktteil der Halbleitervorrichtung liegt,

daß ein zweiter gleichrichtender Kontaktteil mit einer Durchbruchskennlinie weiterhin parallel zur Reihenschaltung aus dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil und dem Widerstand vorgesehen ist, und

daß der Widerstandswert des Widerstandes und ein Spannungswert einer Durchbruchsspannung des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles so eingestellt sind, daß der zweite gleichrichtende Kontaktteil aufgrund einer Durchbruchsspannung des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles und eines Spannungsabfalles am Widerstand durchbrechen kann, wenn ein vorbestimmter Strom, der nicht größer als ein erlaubter Stromwert des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles ist_p durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil fließt=

Die Erfindung geht dabei aus von der JP-ÄS 41-7171, der

JP-OS 50-10980 und der JP-OS 50-10981.

Bei der Erfindung hat also ein erster gleichrichtender Kontaktteil einer Halbleitervorrichtung, wie z. B. einer Z-Diode, eine kleine Fläche, um eine harte Durchbruchskennlinie und ein geringes Rauschen zu erzielen. Wenn ein vorbestimmter Strom, der nicht größer als der höchste zulässige momentane Wert von Nicht-Gleichströmen ist, durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil fließt, beginnt ein zweiter gleichrichtender Kontaktteil, der eine große Fläche aufweist, aufgrund eines Spannungsabfalles an einem Widerstand in Reihe zum ersten gleichrichtenden Kontaktteil und einer Durchbruchsspannung des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles durchzubrechen»

Da der Strom auf den ersten gleichrichtenden Kontaktteil und den zweiten gleichrichtenden Kontaktteil verteilt ist, kann eine Halbleitervorrichtung, wie z. B. eine Z-Diode mit hoher Haltbarkeit gegenüber Stoßspannungen, erzeugt werden.

ilnhand der Zeichnung wird die Erfindung nachfolgend beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarsteliung in Perspektive

einer Z-Diode nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2(A) ein Ersatzschaltbild bzw. die Äbhängig- und 2 (B) keit des Zener-Stromes I₁₇ von der An-

schlußspannung V₇ bei der in Fig. 1 dargestellten Z-Diode_f

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Fig. 3 die Abhängigkeit des Zener-Stromes I_z von der Anschluß spannung V₁₇ bei Belast barkeiten nicht größer als die höchste erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit ^ der in Fig. 1 dargestellten Z-Diode,

Fig. 4 ein Spannungskonstanthalter-Schaltbild, bei dem die Z-Diode der Fig. 1 verwendet ist,

Fig. 5 die Abhängigkeit des Zener-Stromes I„ von der Anschlußspannung V„ einer Z-Diode, die versuchsweise nach der Erfindung hergestellt wurde,

Fig. 6, 7 jeweils Schnitte von Z-Dioden nach abgewan- und 8 delten Ausführungsbeispielen der Erfindung,

Fig. 9 und die Abhängigkeit des Zener-Stromes I„ von der Anschlußspannung V„ zur Erläuterung jeweils anderer Ausführungsbeispiele, und

Fig. 11 und die Abhängigkeit des Zener-Stromes I„ von der Anschlußspannung V„ jeweils zur Erläuterung der Erfindung.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen perspektivischen Schnitt einer Z-Diode nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein Siliziumkörper (-chip) 1 besteht aus einem η-leitenden Siliziumsubstrat 10, das 150 ,um dick ist und mit einer ver-

16 gleichsweise geringen Fremdstoffkonzentration (5 · 10 Atome/ cm ) zu einem spezifischen Widerstand von 0,15 il · cm dotiert

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ist, einer n⁺-Silizi\im-Epitaxieschicht 11, die 10 ,um dick und mit einer vergleichsweise hohen Fremdstoffkonzentration (7 · 10 Atome/cm ) zu einem spezifischen Widerstand von 0,008H'cm dotiert ist, und aus einer eigenleitenden Silizium-Epitaxieschicht 12, die 1,5 ,um dick und mit keinem Fremdstoff dotiert ist.

Um einen PN-Übergang als einen ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ festzulegen, wird ein P -hochdotierter Mittenbereich 2 mit einer sehr hohen Fremdstoffkonzentration (5 · 19 3

10 Atome/cm ) durch selektive Fremdstoffdiffusion bei einer Tiefe von 1,8 ,um von der Oberfläche des Siliziumkörpers 1 gebildet.

Um einen PN-Übergang als einen zweiten gleichrichtenden

Kontaktteil J„ festzulegen, wird ein P -Schutzringbereich 3

19 3 einer hohen Fremdstoffkonzentration (10 Atome/cm ) durch die selektive Fremdstoffdiffusion bei einer Tiefe von 3,0 /Um von der Oberfläche des Siliziumkörpers 1 gebildet.

Auf der Vorderfläche des Siliziumkörpers 1 wird ein Oberflächen-Passivierungsfilm 4 aus einem Siliziumoxidfilm erzeugt. Der Oberflächen-Passivierungsfilm 4 wird mit einem Fenster 4a versehen, um die Vorderflächen des P -hochdotierten Mittenbereiches 2 und des P -Schutzringbereiches 3 freizulegen. Obwohl dies in der Figur 1 nicht dargestellt ist, wird eine erste Elektrode T₁ in ohmschem Kontakt mit dem Mittenbereich 2 und dem Schutzringbereich 3 im Fenster 4a erzeugt, und eine zweite Elektrode T₂ in ohmschem Kontakt mit dem n-Siliziumsubstrat 10 wird auf der Rückfläche dieses n-Siliziumsubstrates gebildet.

Der erste gleichrichtende Kontaktteil J₁ bricht aufgrund des Zener-(Tunnel-)Effektes oder des Lawinendurchbruch-Effek-

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tes im normalen Gleichstrombetrieb der Z-Diode durch, und die Durchbruchsspannung wird als die Zener-Spannung verwendet. Der Spannungswert der Durchbruchsspannung V₇₁ im PN-Übergang des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ kann

++ durch die Fremdstoffkonzentrationen des ρ -hochdotierten Mittenbereiches 2 und der η -Silizium-Epitaxieschicht 11 bestimmt werden. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel wird die Durchbruchsspannung V₂₁ des PN-Überganges des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ auf 7 V eingestellt.

Um eine harte Durchbruchskennlinie und geringes Rauschen im PN-Übergang des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ zu erhalten, der die Zener-Spannung der Z-Diode erzeugt, wird die Fläche des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J. klein gewählt. Zu diesem Zweck hat der Durchmesser ^₁ des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ einen kleinen Wert von z. B. 40 /um. Entsprechend wird die Fläche A₁ klein und mißt z. B. 1,256 *. 10 cm .

Wenn folglich ein Vorstrom in einem Bereich von 0,5 bis 50 mA beim normalen Betrieb der Z-Diode fließt, fällt die Stromdichte im ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ in ei-

5 2 nen Bereich von O₇398 bis 3,98 · 10 mA/cm . Daher kann das geringe Rauschen erzielt werden.

Wenn andererseits die Stromdichte durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ sehr groß aufgrund einer ungewöhnlichen Spannung eines Impulses oder eines Sinus-Wechselstromes wird, der an der Z-Diode liegt, besteht die Gefahr, daß der PN-Übergang des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J^ bleibend zerstört wird.

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Die Fig. 2(B) zeigt die Spannungs/Strom-Kennlinie der Z-Diode nach der Erfindung. Da der erste gleichrichtende Kontaktteil J_-1 eine Durchbruchs spannung V₁₇₁ von 7 V besitzt, schneiden sich die die Spannung darstellende Abszisse und die Spannungs/Strom-Kennlinie der Z-Diode in einem Punkt P₁ Wenn der Wert des durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ fließenden Stromes zunimmt, steigt der Spannungsabfall am Reihenwiderstand im Siliziumkörper, so daß die Anschlußspannung der Z-Diode anwächst.

Ein Reihenwiderstand r ^ in der η -Silizium-Epitaxieschicht 11, die dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ zugeordnet ist, wird aus der folgenden Gleichung berechnet:

9,7 · 1O~⁴ cm

^- = 0,008XX · cm ,

^A1 3,14 · (20 · 10" cm)

= · 1O⁴XL = 0,617JX (D,

1256

mit ^₁₁ = spezifischer Widerstand der n -Silizium-Epitaxieschicht,

α.. = Abstand zwischen dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ und dem n-Siiiziumsubstrat 10, und

A₁ = Fläche des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ .

Andererseits wird ein Ausbreitungswiderstand r . ii n-

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Siliziumsubstrat 10, der dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ zugeordnet ist, mittels der folgenden Gleichung berechnet:

S 10 _ 0,1 5 JQ. · cm ^Sp1 2 φ^ 2 · 40 · 10~⁴ cm

80

= 18,75.0. (2).

Demgemäß wird der dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ zugeordnete Reihenwiderstand R₁ durch die folgende Gleichung berechnet:

^R1 ^{= r}sr1 ^{+ r}sp1 ⁼ °'^{617 Λ +} 18,75Λ « 2θΛ (3) .

Wenn demgemäß der durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ fließende Strom zunimmt, ändert sich die Anschluß- oder Klemmenspannung V₁₇ der Z-Diode in der durch eine Gerade I₁ in Fig. 2(B) gezeigten Weise aufgrund der Durchbruchsspannung des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ und des Spannungsabfalles am Reihenwiderstand R₁.

Andererseits nimmt die Gleichstrom-Belastbarkeit oder -Verlustleistung P, aufgrund des Anwachsens des durch die Z-Diode fließenden Gleichstromes zu. Wenn als Ergebnis die Menge der Wärmeerzeugung die Menge der Wärmestrahlung von einem Gehäuse oder einer Umhüllung überschreitet, wird der PN-Übergang der Z-Diode thermisch zerstört. Daher muß die Gleichstrom-Belastbarkeit P, einen Wert kleiner als die '

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größte erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit P, haben, die

dmax

durch die höchste erlaubte Temperatur T. des PN-übergan-

jmax ³

ges, die Umgebungstemperatur T des Gehäuses und den Wärme-

widerstand θ. zwischen dem PN-Übergang und dem Gehäuse bestimmt ist, wie dies durch die folgende Gleichung angegeben ist:

T. - T

P < ρ = Jmax a d =

d = dmax _ (4) .

⁹JC

Da die höchste erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit P,

der Z-Diode nach dem Ausführungsbeispiel der Erfindung ca. 400 mW beträgt, hat die Belastbarkeit den in Fig. 2(B) durch eine Strichlinie 1_? dargestellten Verlauf.

Wenn der durch die Z-Diode fließende Gleichstrom auf einen Arbeitspunkt P„ angestiegen ist, bei dem die Gerade 1- die Kurve 1„ entsprechend der höchsten erlaubten Gleichstrom-Belastbarkeit P, schneidet, erreicht die Gleichstrom-

dmax

Belastbarkeit P, der Z-Diode die höchste erlaubte Gleichstrom-α

Belastbarkeit P, , und die übergangstemperatur T. des PN-überganges des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ erreicht die höchste Übergangstemperatur T. . Entsprechend besteht eine große Gefahr, daß der PN-Übergang des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ thermisch bleibend im Arbeitspunkt P» zerstört wird.

Der Aufbau der Schaltung, in der die Z-Diode angeordnet wird, muß daher so erfolgen, daß ein Vorgleichstrom eines Wertes kleiner als der Gleichstrom im Arbeitspunkt P2 durch die Z-Diode im normalen Betrieb der Schaltung fließen kann.

Wenn andererseits ein Nicht-Gleichstrom, der auf die Ein-

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wirkung einer ungewöhnlichen Spannung von Impuls- oder Wechselspannungsart zurückzuführen ist, durch die Z-Diode fließt, wird der PN-Übergang bleibend zerstört, wobei die Grenze bei einem kritischen Wert eines Parameters liegt, der von der höchsten erlaubten Gleichstrom-Belastbarkeit P, in dem Fall ver-

dmax

schieden ist, in dem der Gleichstrom durch die Z-Diode fließt. Die Leistungsaufnahme der Z-Diode bei der Einwirkung des NichtGleichstromes wird aus dem Effektivwert des Produktes zwischen dem Nicht-Gleichstrom und der PN-Übergangsspannung berechnet. Auf diese Weise wird der höchste erlaubte momentane Wert

Ιττ. ν»™ nr< f \ de*" Nicht-Gleichströme in einem Bereich, in r wujn—dl, ι max ^

dem der PN-Übergang der Z-Diode nicht der bleibenden Zerstörung unterliegt, wenn der Nicht-Gleichstrom durch die Z-Diode fließt, zu einem Wert größer als der höchste erlaubte Gleichstromwert I_ __, , . entsprechend der höchsten erlaubten Gleich-

r JJL ^maxj

strom-Belastbarkeit P, , obwohl er abhängig von der Impulsbreite der ungewöhnlichen Spannung von Impuls-Verlauf oder der Frequenz der ungewöhnlichen Spannung von Wechselspannungs-Verlauf verschieden ist. Wenn der Nicht-Gleichstrom der Strom mit Impuls-Verlauf ist, ist dieser frei von einer periodischen Wiederholung wie der Strom mit Sinus-Wechselstromverlauf. Daher wird der höchste erlaubte momentane Wert I , . des Nicht-Gleichstromes in dem Fall, in dem der ungewöhnliche Strom von Impuls-Verlauf durch die Z-Diode fließt, zu einem Wert, der größer als der höchste erlaubte momentane Wert I a_C(_max) des Nicht-Gleichstromes in dem Fall ist, in dem der Strom von Sinus-Wechselstromverlauf durch die Z-Diode fließt.

Die Erfinder haben durch Experimente erkannt, daß die bleibende Zerstörung des PN-Überganges, die einer derartigen Einwirkung des Nicht-Gleichstromes auf die Z-Diode zuzuschreiben ist, eintritt, wobei die Grenze bei dem Wert der

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kritischen erlaubten Stromdichte J ., liegt, die durch Teilen des höchsten erlaubten momentanen Wertes I non-dcf ax) ^(IF AC(max)' ¹F IMP(max)^{} des} Nicht-Gleichstromes durch die Übergangsfläche des PN-Überganges erhalten wird (die kritische erlaubte Stromdichte J .. hat einen Wert von ca. 16 · 10 mA/cm , obwohl sie abhängig vom Aufbau der Z-Diode, der Wärmestrahlung des Gehäuses usw. abweicht).

Demgemäß ist der zweite gleichrichtende Kontaktteil J₂ insbesondere in der Z-Diode nach dem in Fig. 2 dargestellten Äusführungsbeispiel der Erfindung angeordnet. Damit sind der Widerstandswert des Reihenwiderstandes R₁ und der Spannungswert der Durchbruchsspannung V₂ des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₂ so eingestellt, daß, wenn der durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ fließende Strom auf einen vorbestimmten Stromwert I aufgrund der Einwirkung der ungewöhnlichen Spannung von Impuls- oder Sinus-Verlauf auf die Z-Diode angestiegen ist, der PN-Übergang des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₂ aufgrund des Spannungsabfalles am Reihenwiderstand R₁ (= r ₁ + r ₁), der ersatzschaltungsmäßig in Reihe mit dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ liegt, und der Durchbruchs spannung V„., des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ durchbrechen kann. Weiterhin wird der vorbestimmte Stromwert I auf eine Größe kleiner als der höchste erlaubte momentane Wert I Mow-DCimax) des Nicht-Gleichstromes im PN-Übergang des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ eingestellt.

Wie bereits oben erläutert wurde, wird der PN-Übergang des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₀ zwischen dem ρ -Schutzringbereich 3 und der n"¹-Silizium-Epitaxieschicht 11 gebildet. Der Wert der Durchbruchsspannung V„_n des PN-Überganges des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₀ kann

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durch die Fremdstoffkonzentrationen oder -dichten des ρ Schutzringbereiches 3 und der η -Silizium-Epitaxieschicht 11 bestimmt werden. Beim vorliegenden Äusfuhrungsbeispiel ist der Wert der Durchbruchsspannung V„~ auf 9 V eingestellt, das größer als der Wert (7 V) der Durchbruchsspannung V₇₁ des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ ist.

Um zu verhindern, daß die PN-übergänge des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ und des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₉ leicht zerstört werden, selbst wenn ein großer Nicht-Gleichstrom durch die Z-Diode fließt, und um einen dem zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J„ zugeordneten Reihenwiderstand klein zu machen, sollte die Fläche des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J„ groß sein. Entsprechend hat der Durchmesser 0₂ ^^es zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₂ einen großen Wert von z. B. 150 ,um. Die Fläche A₀ des zweiten gleichrichtenden Kontakt-

/ -5 2

teiles J„ beträgt ca. 17,6 · 10 cm , was mehr als 10-mal größer als die Fläche A₁ des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ ist.

Demgemäß wird ein Reihenwiderstand τ ^ ±n ^^{er n} -Silizium-Epitaxieschicht 11, der dem zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J₂ zugeordnet ist, näherungsweise durch die folgende Gleichung berechnet, in der d» den Abstand zwischen dem zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J₂ und dem n-Siliziumsubstrat 10 bedeutet:

d 7 · 1O~⁴ cm

r ~ = ^₁₁ —- = 0,008X1· cm

A₂ 3,14 · (75 · 10 cm)

0,056

10*Α = 0,03 Δ (5).

17662,5

Weiterhin wird der dem zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J„ zugeordnete Ausbreitungswiderstand r „ im n-Siliziumsubstrat 10 näherungsweise aus der folgenden Gleichung berechnet:

?_1n 0,15 Λ · cm r

^Sp2 2^ 2 · 150 · 1O~⁴ cm

= 0,0005 ' 10⁴Il =5J1 (6)

Damit wird der Reihenwiderstand R₂, der dem zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J₂ zugeordnet ist, kleiner als der Wert des Reihenwiderstandes R₁, der dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ zugeordnet ist, wie dies aus der folgenden Gleichung zu ersehen ist:

^R2 = ^rsr2 ^{+ r}sp2 = °'⁰³ ^⁺ 5Λ»5Χ1 (7).

Daher kann die Ersatzschaltung der Z-Diode des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels durch das Schaltbild der Fig. 2(A) angegeben werden.

In Fig. 2(A) sind ein durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J. fließender Strom I₂₁ und ein durch den zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J₂ fließender Strom I„„ durch die folgenden Gleichungen bezüglich der Abhängigkeit des Zener-Stromes I von der Anschlußspannung V₂ zwischen der ersten Elektrode T₁ und der zweiten Elektrode T₂ der Z-Diode gegeben:

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^VZ = ^VZ1 ^+R1 · ¹ZI = ^VZ2 ^+R2

¹Z = ¹ZI ^{+ 1}Z₂ ⁽⁹⁾

Wenn die Ansehlußspannung V größer als die Durchbruchsspannung V_?1 des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ und kleiner als die Durchbruchsspannung V„₂ des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₂ ist, bricht lediglich der PN-Übergang des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ durch. Polglich wird der Zener-Strom I₂ gleich dem durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ fließenden Strom T„* , und die Ansehlußspannung V„/Zener-

I Δ I Δ

Strom 1,,-Kennlinie kann durch die Gerade 1_Λ zwischen den

Δ \

Arbeitspunkten P₁ und P₃ in Fig. 2 (B) dargestellt werden. Im Arbeitspunkt P_ wird die Ansehlußspannung V₁₇ gleich

j Δ

der Dürchbruchsspannung V„^ des zweiten gleichrichtenden

Δ/.

Kontaktteiles J„.

Wenn die Ansehlußspannung V_ größer als die Durch-

bruchs spannung V₁₇₀ des zweiten gleichrichtenden Kontakt-

ΔΔ

teiles J₉ ist, brechen der PN-Übergang des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ und der PN-Übergang des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J- gleichzeitig durch. Folglich wird der Zener-Strom 1_ gleich der Summe aus dem

durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ fließenden Strom 1^₁ und dem durch den zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J₂ fließenden Strom I₇₂/ ^un<^ die Anschluß-Spannung V_/Zener-Strom I -Kennlinie kann durch eine Ge-

£1 Δ

rade L· -dargestellt werden, die vom Arbeitspunkt P-, in Fig. 2(B) ausgeht.

Es soll nun ein Fall betrachtet werden, in dem die Z-Diode des vorliegenden Ausführungsbeispiels als Span-

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nungskonstanthalter verwendet wird, wie dies beispielsweise in Fig. 4 gezeigt ist. Durch Verbinden eines Widerstandes R_1n zwischen einer Spannungsquelle S und einer Z-Diode ZD wird eine konstante Ausgangsspannung V _s, die im wesentlichen gleich der Durchbruchsspannung V₇₁ (7 V) des PN-Überganges des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ ist, an einem Ausgangsanschluß T₁₁ des Spannungskonstanthalters trotz kleiner Änderungen in der Spannung V der Spannungsquelle S

ei

erzeugt. Wenn in einem Fall, in dem die Spannung V der Span-

nungsquelle S ca. 1OV beträgt, der Wert des Zener-Stromes I (¹Z₁) ^auf 1 1"A eingestellt ist, um die Z-Diode mit einem geringen Rauschen zu betreiben, ergibt sich der Widerstandswert des Widerstandes R₁ aus der folgenden Gleichung:

V - V₁ 10-7 [V] R_1n= —- — = IjL- = 3 kjQ. (10).

^{1 1}

Die Gleichstrom-Belastbarkeit P, der Z-Diode ZD während des Normalbetriebs des Spannungskonstanthalters wird aus der folgenden 'Gleichung berechnet und auf einen Wert ausreichend kleiner als die höchste erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit Pj₁₁₁₃, von 400 mW eingestellt;

^Pd ^{= V}Z1 * ¹ZI ^{+ R}1 ' ¹Z² « ⁷ KI · 1 M+ 20 [Λ]

• QniCj ² & 7 mW (11) .

In einem FaIl₇ in dem lediglich der erste gleichrichtende Kontaktteil J. vorgesehen und in dem der zweite gleichrich-

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tende Kontaktteil J„ nicht vorgesehen ist, fließt andererseits der Nicht-Gleichstrom I₁ mit einem momentanen Wert von ca. 200 itiA durch den Widerstand R₁ und den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ der Z-Diode, wenn eine ungewöhnliche Spannung von Impuls- oder Sinus-Verlauf mit einem momentanen Wert von ca. 600 V an einem Eingangsanschluß T_1n des Spannungskonstanthalters liegt. In diesem Fall wird eine Stromdichte J_TT„-, im ersten gleichrichtenden Kontakt-

VtI I

teil J₁ gleich der kritischen erlaubten Stromdichte ^J _cr-_t? wie dies bereits erläutert und aus der folgenden Gleichung berechnet wird, so daß für den PN-Übergang des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ die Gefahr einer bleibenden Zerstörung an einem Arbeitspunkt P. in Fig. 2(B) besteht.

I₇₁ 200 ΓιπαΊ _ς „

^JVZ1 ⁼ —^ = = ¹⁵⁹ * ^{10 (mA/cm}

^VZ1 A₁ 1,256 · 10 ⁵ [W]

«16 · 10⁶ (mA/cm²).

Dagegen sind bei der Erfindung der erste gleichrichtende Kontaktteil J₁ und der zweite gleichrichtende Kontaktteil J₂ beide vorgesehen. Wenn daher der Zener-Strom I₇₁ mit dem momentanen Wert von 200 mA durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ fließt, wird die Anschlußspannung V„ mittels der Gleichung (8) auf die folgende Weise berechnet:

^VZ = ^VZ1

= 1 + 20 · 0,2
= 11 V.

909844/oaSS

~²²~ 29161U

Wenn die Anschlußspannung V₁₇ den Wert 11V hat, wird der Zener-Strom I _ durch den zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J„ ebenfalls mittels der Gleichung (8) auf die folgende Weise berechnet:

V₁₇-V₁₇₀ 11-9 τ = 5 Z2 ₌ L^J ₌ 400

²² R

Wie aus der Gleichung (9) folgt, fließt so der Zener-Strom mit einem Wert gleich der Summe aus dem durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ fließenden Zener-Strom I₁₇₁

I Δ I

und dem durch den zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J~ fließenden Zener-Strom I_17n, d. h. , der Zener-Strom I₁₇ von

ΔΖ Δ

600 mA fließt zwischen der ersten Elektrode T₁ und der zweiten Elektrode T„. Bei der Z-Diode des vorliegenden Ausführungsbeispiels wird daher der PN-Übergang des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ bleibend zum ersten Mal zerstört, wenn eine ungewöhnliche Spannung von Impuls- oder Sinus-Verlauf mit einem momentanen Wert von wenigstens ca. 1.800 V am Eingangsanschluß T₁ liegt.

Indem der zweite gleichrichtende Kontaktteil J„ entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel angeordnet wird, kann nach den obigen Ausführungsbeispielen der höchste erlaubte momentane Wert I_ .__.. _ _ , . der Nicht-Gleichströme

F NON-DC(max)

von 200 mA auf 600 mA erhöht werden, und es kann eine hohe Haltbarkeit gegenüber der bleibenden Zerstörung des gleichrichtenden Kontaktteiles aufgrund der Einwirkung der ungewöhnlichen Spannung von Nicht-Gleichstrom-Verlauf hergestellt werden.

Andererseits liegt beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der Arbeitspunkt, bei dem der PN-Übergang des zweiten gleich-

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richtenden Kontaktteiles J„ mit der großen Fläche den Durchbruch beginnt, außerhalb der Kurve I₃ der höchsten erlaubten Gleichstrom-Belastbarkeit P, . Daher bricht im Arbeitspunkt (P₁ - P₃) , in dem die Gleichstrom-Belastbarkeit P-, der Z-Diode nicht größer als die höchste erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit P, ist und in dem der normale Schaltungsbetrieb durchgeführt wird, lediglich der erste gleichrichtende Kontaktteil J₁ der kleinen Fläche durch, so daß die harte Durchbruchskennlinie und das geringe Rauschen erzielt werden können. Daher sollte die Durchbruchsspannung V₇ ~ des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₂ auf einen Wert größer als die Anschlußspannung V₇ im Arbeitspunkt P„ eingestellt werden.

Der Widerstandswert des dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ zugeordneten Reihenwiderstandes R₁ ist so eingestellt, daß er die folgende Gleichung erfüllt, damit der zweite gleichrichtende Kontaktteil J„ aufgrund des Spannungsabfalles am Reihenwiderstand R₁ und der Durchbruchsspannung V₁₇₁ des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ durchbrechen kann, wenn ein vorbestimmter Strom I„, ,. mit einer Stromdichte in einem Bereich größer als die höchste erlaubte Stromdichte der Gleichströme im Arbeitspunkt P„ und kleiner als die kritische erlaubte Stromdichte J .. der Nicht-Gleichströme durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ fließt:

^ί12)·

Wenn jedoch der Widerstandswert des Reihenwiderstan-

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des R₁ zu groß ist, wird ein Betriebswiderstand r^ in dem Arbeitsbereich (P₁ - P-) , in dem die Gleichstrom-Belastbarkeit P, nicht größer als die höchste erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit P, ist, groß, und die Konstantspannungs-Kennlinie wird herabgesetzt. Da beim vorliegenden Ausführungsbeispiel der dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ zugeordnete Reihenwiderstand R₁ den kleinen Wert von ca. 20 Λ aufweist, kann eine hervorragende Konstantspannungs-Kexmlinie (vgl. Fig. 3 mit vergrößertem Maßstab) im Arbeitspunkt (P₁ - P„) erzeugt werden, indem die -Gleichstrom-Belastbarkeit P, nicht größer als die höchste erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit P^_1113x ist.

Um andererseits den höchsten erlaubten momentanen

Wert I non-DC(max) ^{der Nicnt}~^{Gleicnströme zu} erhöhen, sollte der Widerstandswert des dem zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J~ zugeordneten Reihenwiderstandes R2 auf den kleinsten möglichen Wert eingestellt werden.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die eigenleitende Silizium-Epitaxieschicht 12 insbesondere vorgesehen, um zu verhindern, daß sich die P-Oberflächen-Fremdstoffkonzentrationen des ρ ⁺-Mittenbereiches 2 und des ρ Schutzringbereiches 3 so verringern, daß der p-Fremdstoff dieser Bereiche 2 und 3 an der Oberfläche des Siliziumkörpers 1 durch den n-Fremdstoff der η -Silizium-Epitaxieschicht 11 kompensiert wird. Wenn sich die p-Oberflächen-Fremdstoffkonzentrationen der Bereiche 2 und 3 zu sehr verringern, wird es unmöglich, den ohmschen Kontakt mit der ersten Elektrode T₁ zu erzielen.

Die Erfindung ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt, das in verschiedener Weise abgewandelt werden kann.

Z. B. kann der Spannungswert der Durchbruchsspannung 909844/0895

V₁₇., im PN-Übergang des ersten gleichrichtenden Kontakt-

4—1-

teiles J₁ durch die Fremdstoffkonzentrationen des ρ hochdotierten Mittenbereiches 2 und der η -Silizium-Epitaxieschicht 11 geändert werden. Insbesondere kann durch Ändern der Fremdstoffkonzentration der η -Silizium-Epitaxieschicht 11 in einem Bereich von 8/1£>00 bis 100/1,000 die Durchbruchsspannung V₇₁ des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ in einem Bereich von 5,2 V bis 38 V verändert werden. Hiermit gleichzeitig kann die Durchbruchsspannung des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J„ in ähnlicher Weise verändert werden.

Fig. 5 zeigt die Anschlußspannungy_/Zener-Strom-I Kennlinie einer Z-Diode, die versuchsweise hergestellt wurde, indem die Fremdstoffkonzentration oder -dichte der η -Silizium-Epitaxieschicht 11 verändert wurde. Die Durchbruchsspannung V₂₁ des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ hat einen Spannungswert von ca. 9,8 V, während der Teil J₂ einen Spannungswert von ca. 15,3 V aufweist. Der Zener-Strom I₁₇ wird größer als der durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ fließende Strom von einem Arbeitspunkt P₃' bei der Anschlußspannung V₇ unter dem Arbeitspunkt P₃ entsprechend der Durchbruchsspannung

Fig. 6 zeigt eine Z-Diode nach einem geänderten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind vorgesehen eine η -Siliziumschicht 11 und ein ρ -Mittenbereich 2, der einen gleichrichtenden Kontaktteil J₁ entlang der Schicht bildet und in dem ein Fremdstoff mit einer Konzentration oder

19 3

Dichte von ca. 5 · 10 Atome/cm diffundiert ist. Weiterhin ist ein ρ -diffundierter Schutzringbereich 3 vorgesehen, der den Randteil des ρ ⁺-Mittenbereiches 2 überlappt und

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diesen vollständig umgibt. Dieser Schutzringbereich 3 hat eine Fremdstoffkonzentration, die etwas kleiner als die Fremdstoffkonzentration des Bereiches 2 ist und z. B. ca. 19 3

10 Atome/cm beträgt, und er legt einen zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J_ zwischen sich und der Schicht 11 fest. Weiterhin ist ein Oberflächen-Passivierungsfilm 4 vorgesehen, der auf der Vorderfläche der Schicht 1 ausgeführt ist und aus einem Siliziumoxidfilm besteht. Er hat ein Fenster 4a, das die Vorderfläche des ρ -Mittenbereiches einschließlich des ρ -Schutzringbereiches freilegt und in dem eine (nicht dargestellte) erste Elektrode T₁ in ohmschem Kontakt vorgesehen ist. Der Durchmesser φ* des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ beträgt z. B. 40 ,um, während für den Durchmesser 0_ des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₂ z. B. 200 ,um vorgesehen wird.

Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Z-Diode. Bei diesem Ausführungsbeispiel liegt eine η -Schicht 12 eines hohen Widerstandes auf der Vorderfläche der η -Siliziumschicht 11, und ein erster gleichrichtender Kontaktteil J₁ eines ρ -Mittenbereiches 2 erreicht

die η -Schicht 11 mit geringem Widerstand. Ein ρ -diffundierter Schutzringbereich 3 ist so ausgeführt, daß er vollständig den ρ -Mittenbereich 2 umgibt. Eine gemeinsame erste Elektrode T₁ ist auf den Vorderflächen des ρ -Mittenbereiches und des ρ -Schutzringbereiches angeschlossen.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfin-

- 14

dung. Eine η -Schicht 12 (Fremdstoffkonzentration: 10 bis 10 Atome/cm ) überlagert eine n⁺-Schicht 11. Ein erster gleichrichtender Kontaktteil J₁ eines ρ -Mittenbereiches

¹

erreicht die Schicht 11 eines geringen Widerstandes von 10

19 3
bis 5 · 10 Atome/cm , ausgedrückt in der Fremdstoffkonzen-

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tration (die sich jedoch abhängig von einer gewünschten Durchbruchsspannung V_z1 verändert). Ein ρ -diffundierter Schutzringbereich 3 ist in Kontakt mit dem Mittenbereich 2 und so ausgeführt, daß er den Mittenbereich 2 vollständig umschließt, wobei jedoch ein zweiter gleichrichtender Kontaktteil J₂ hiervon nicht die η -Schicht 11 des geringen Widerstandes erreicht. Bei diesem Ausführungsbeispxel können die p-Diffusion-Fremdstoffkonzentrationen des ρ Mittenbereiches 2 und des ρ -Schutzringbereiches 3 im gleichen Ausmaß eingestellt werden.

Bei jedem Ausführungsbeispiel hat die Fläche des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ einen sehr kleinen

-5 2
Wert (ca. 1,256 · 10 cm ), um die Rauscheigenschaften der Z-Diode zu verbessern. Auch sind in jedem Ausführungsbeispiel der Widerstandswert des Reihenwiderstandes R.. und der Spannungswert der Durchbruchsspannung V₂₂ des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₂ so bestimmt, daß Gleichung (12) erfüllt ist, damit der zweite gleichrichtende Kontaktteil J- aufgrund des Spannungsabfalles am Reihenwiderstand R. und der Durchbruchsspannung V₂₁ des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ durchbrechen kann, wenn der vorbestimmte Strom I₁₇,_.,. mit einer Stromdichte in dem Bereich, der größer ist als die Stromdichte des höchsten erlaubten Wertes der Gleichströme entsprechend der höchsten erlaubten Gleichstrom-Belastbarkeit P, im Arbeitspunkt P₂ der Z-Diode, und der kleiner ist als die kritische erlaubte Stromdichte J ., der Nicht-Gleichströme im Arbeitspunkt P- durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ fließt. Auf ähnliche Weise wird die Durchbruchsspannung V₇₂ des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₂ auf einen Spannungswert eingestellt, der größer als die Anschlußspannung V₁₇ der Z-Diode im Arbeitspunkt T₂ entsprechend der höchsten erlaubten Gleich-

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strom-Belastbarkeit P.. ist. Um weiterhin den höchsten

dmax

erlaubten momentanen Wert I . . der Nicht-Gleichströme groß zu machen, wird der Widerstandswert des dem zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J„ zugeordneten Reihenwiderstandes R₉ kleiner als der Widerstandswert des dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ zugeordneten Reihenwiderstandes R₁ gemacht. Entsprechend bricht lediglich der PN-Übergang des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ mit der kleinen Fläche im Arbeitspunkt (P₁ - P₂) in dem Bereich der Belastbarkeiten P, durch, die nicht größer sind als die höchste erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit P^_1113x der Z-Diode, so daß ein geringes Rauschen mit hervorragenden Eigenschaften erzielt werden kann.

In den jeweiligen Ausführungsbeispielen hat jedoch der dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ zugeordnete Reihenwiderstand R₁ einen Widerstandswert, der in der Praxis nicht vernachlässigbar ist. Daher wird selbst in dem Arbeitspunkt (P₁ - P„) in dem Bereich der Belastbarkeiten P,, die nicht größer als die höchste erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit ^Pdmax ^sind' ^der Spannungsabfall am Reihenwiderstand R. nicht vernachlässigbar, wenn der Zener-Strom "L_n groß wird. Fig. 9 ist ein Diagramm, in dem die Anschlußspannung V₂/Zener-Strom !„-Kennlinie der in Fig. 5 dargestellten Z-Diode logarithmisch bezüglich des Zener-Stromes I₁₇ dargestellt ist. Wie aus Fig. 9 folgt, ist in einem Arbeitsbereich (P₁ - P-¹'), in dem der Zener-Strom I vergleichsweise klein ist, der Spannungsabfall am Reihenwiderstand R₁ im Vergleich mit der Durchbruchsspannung V₂₁ vernachlässigbar, und daher wird die Anschlußspannung V_ eine Spannung, die dem Wert (9,8 V) der Durchbruchsspannung V_z1 des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ angenähert ist. Dagegen wird in einem Arbeitsbereich (P₃ ¹' - p_) , in dem der Zener-Strom I₁₇ groß ist, der Spannungsabfall am Reihenwider-

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stand R. nicht vernachlässigbar, wie dies durch eine Strichlinie 1_._ angedeutet ist, und die Anschlußspannung V₁₇ steigt

KX ti

stärker an als die Durchbruchs spannung V₁₇₁ des ersten gleich-

Δ I

richtenden Kontaktteiles J₁. Ein derartig großer Anstieg der Anschlußspannung V₁₇ über die Durchbruchs spannung V₁₇₁ des er-

Δ Δ I

sten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ in dem Bereich der Belastbarkeiten P,, die nicht größer als die höchste erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit P, sind, ist hinsichtlich der Konstantspannungseigenschaft der Z-Diode als Spannungskonstanthalter ungünstig. Wenn die Z-Diode mit der Kennlinie der Fig. in dem in Fig. 4 gezeigten Spannungskonstanthalter verwendet wird, sollte der Widerstandswert des Widerstandes R₁₀ in Übereinstimmung mit Gleichung (10) ausgelegt werden, so daß der Zener-Strom I₁₇ in den Arbeitsbereich (P₁ - P-,¹¹) fallen kann.

Δ Ι ο

Entsprechend einem abgewandelten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Durchbruchs spannung V₁₇₀ ¹¹ des zweiten gleich-

Δ A

richtenden Kontaktteiles J„ auf einen Wert von ca. 10,3 V aus- gelegt, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist. Wenn daher die Spannung V der Spannungsquelle S stark ansteigt und so vom Ara

beitsbereich (P₁ - P-.¹¹) abweicht, beginnt ein Strom I₉'¹ durch den zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J„ zu fließen, wie dies in der Figur angedeutet ist. Selbst wenn der Arbeitsbereich (P₁ - P₃ ¹M abweicht, ändert sich bei diesem Ausführungsbeispiel die Anschluß spannung V₁₇ ''/Zener-Strom I ''-Kennlinie

Δ Δ

der Z-Diode in der durch eine Gerade L" in der Figur angedeuteten Weise, so daß eine hervorragende Konstantspannungs-Kennlinie in einem Arbeitsbereich (P₁ - P„") bei Belastbarkeiten P, erzielt werden kann, die nicht größer als die höchste erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit P, sind. Fig. 10 ist ein Diagramm, in dem die Anschlußspannung V₁₇''/Zener-Strom I₁₇ ¹¹-

Δ Δ

Kennlinie dieses Ausführungsbeispiels mit der ungewöhnlich guten Konstantspannungs-Eigenschaft auf diese Weise in einer gewöhnlichen Skala und nicht in einer logarithmischen Skala be-

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züglich des Zener-Stromes I₁₇ ¹¹ dargestellt ist. Da der PN-übergang des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₂ mit der großen übergangsflache in dem durch die Gerade I₁'' angedeuteten Arbeitsbereich (P₃ ¹' - P,") durchbricht, wird die Rausch-Kennlinie in diesem Arbeitsbereich gegenüber den Rausch-Kennlinien der oben erläuterten jeweiligen Ausführungsbeispiele herabgesetzt.

Die Erfindung kann in verschiedener Weise abgewandelt werden. Z. B. kann der erste gleichrichtende Kontaktteil J₁ nicht nur durch die PN-Übergangssperrschicht, sondern auch durch eine Schottky-Sperrschicht eines Metall-Halbleiter-Systems oder durch eine Legierungs-Sperrschicht gebildet werden. Der erste gleichrichtende Kontaktteil J₁ und der zweite gleichrichtende Kontaktteil J₂ müssen nicht innerhalb des Halbleiterkörpers 1 in Kontakt miteinander sein, sondern sie können auch voneinander beabstandet angeordnet werden.

Die obigen Ausführungsbeispiele lösen also die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe und haben insbesondere die folgenden Vorteile:

(1) Durch den zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J₃, der in der Fläche größer als der erste gleichrichtende Kontaktteil J₁ ist, wird der Strom auf den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ und den zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J„ bei der Einwirkung einer sehr großen oder Über-Rückwärts- bzw. Sperrspannung verteilt, so daß das Auftreten des Strom-Zusammendrängens im ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ verhindert wird. Die große Elektrodenfläche ist hinsichtlich der Steigerung der Wärmestrahlung von der gesamten Fläche der Elektrode der großen Fläche bei z. B. der DHD-Struktur (DHD =

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Doppel-Wärmesenken-Diode) vorteilhaft.

(2) Die Durchbrüchsspannung V„- i^m zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J₂ ist hoch bezüglich der Durchbruchsspannung V₂₁ im ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ eingestellt. Zu diesem Zweck wird bei der Erfindung die Fremdstoffkonzentration des den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ bildenden ρ Mittenbereiches 2 etwas höher als die Fremdstoffkonzentration des ρ -Schutzringbereiches 3 gemacht, oder der Schutzringbereich wird tiefer als der Mittenbereich ausgeführt (Fig. 1,2 oder 7). Alternativ wird bewirkt, daß der den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ festlegende ρ -Mittenbereich 2 das η -Substrat 11 erreicht, und es wird bewirkt, daß der zweite gleichrichtende Kontaktteil J_? des Schutzringbereiches 3 die η -Schicht 12 mit einem hohen Widerstand erreicht, wodurch die Durchbruchs spannung V₁₇₀ ^des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₂ etwas höher als die Durchbruchsspannung V₂₁ des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ wird. Bei einer derartigen Z-Diode (vgl. Fig. 11) tritt zunächst der Durchbruch (C) im ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ auf, und eine Durchbruchserscheinung (D) im zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J₂ erfolgt im Laufe des plötzlichen Anstiegs des Durchbruches (C). Wenn z. B. die Durchbruchsspannung V₂₁ den Wert 7 V hat, sollte die Durchbruchsspannung V₂₂ etwa 9 V betragen. Da eine derartige Durchbruchskennlinie eingestellt wird, können hohe Stoßspannungen ausgehalten werden.

(3) Indem die übergangsfläche des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ klein im Vergleich zur übergangsfläche des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J_ gemacht wird, z. B. kleiner als 1/10, wird der plötzliche Anstieg der Durchbruchsspannung gehalten, und gleichzeitig kann das Rauschen herabgesetzt werden. Wenn z. B. in Fig. 1 der Durchmesser des ersten

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gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ den Wert 40 ,um und der Durchmesser des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J„ den Wert 150 ,um hat, wird das Flächenverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten übergangsteil 1:13. Für den Fall, in dem die Übergangsfläche des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J„ in dieser Weise groß ist, wird auf Fig. 12 Bezug genommen. Wenn die Durchbruchsspannungen V"_z1 = 7 V und V„^ = 9 V wie unter der obigen Bedingung betragen, bei der der Durchbruch im zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J„ beginnt, nachdem der Durchbruch des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ begonnen hat, beträgt der Reihenwiderstand R- des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J^ ca. 20 A . Wenn daher ein Zener-Strom I_z größer als 100 mA geflossen ist, beginnt der zweite gleichrichtende Kontaktteil J₂ durchzubrechen. In Fig. 12 entspricht eine Strichlinie D¹ einer Kennlinie in dem Fall, in dem der zweite gleichrichtende Kontaktteil J„ nicht vorliegt, während eine gerade Vollinie D einer Kennlinie in dem Fall entspricht, in dem der zweite gleichrichtende Kontaktteil J„ vorhanden ist. Wenn der Durchbruch lediglich im ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ eintritt, hat die Leistungsaufnahme P₂ den Wert 17 W. Nach dem Durchbruch des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J~ hat andererseits die Leistungsaufnahme P₁ in vorteilhafter Weise den Wert 9 W. Damit kann die Leistungsaufnahme aufgrund des Durchbruches des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles J₂ verringert werden, und es zeigt sich, daß die Stoßspannung-Haltbarkeit hoch wird.

(4) Da der den zweiten gleichrichtenden Kontaktteil J- bilden-

de ρ -Schutzringbereich 3 vollständig den den ersten gleichrichtenden Kontaktteil J₁ bildenden p⁺⁺-Mittenbereich 2 umgibt und tiefer als dieser ausgeführt ist (vgl. Fig. 1, 6 oder 7), kann das Zusammendrängen des elektrischen Feldes im Kantenteil

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des ρ -Mittenbereiches 2 entlang von dessen Rand verhindert werden, und es kann eine gleichmäßige elektrische Feldstärke in der gesamten Übergangsfläche des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁ erzielt werden. Demgemäß kann der Spannungswert der Durchbruchsspannung V₇₁ des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles J₁, der für die Zener-Spannung ausgenutzt wird, sehr genau durch die p-Fremdstoffkonzentration des ρ -Mittenbereiches 2 und d.
11 erhöht werden.

bereiches 2 und die n-Fremdstoffkonzentration der η -Schicht

Die erfindungsgemäße Z-Diode ist in vorteilhafter Weise nicht nur für den Spannungskonstanthalter, sondern auch für einen Amplitudenbegrenzer verwendbar.

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Claims

Ansprüche

Halbleitervorrichtung, mit

einem ersten gleichrichtenden Kontaktteil, der eine Durchbruchskennlinie aufweist, und

einem Widerstand in Reihe zum ersten gleichrichtenden Kontaktteil,

dadurch

gekennzeichnet,

daß ein zweiter gleichrichtender Kontaktteil (J₂) mit einer Durchbruch-Kennlinie parallel zur Reihenschaltung aus dem ersten gleichrichtenden Kontaktteil (J₁) und dem Widerstand (R₁) liegt, und

daß der Widerstandswert des Widerstandes (R₁) und der Spannungswert einer Durchbruchsspannung des gleichrichtenden Kontaktteiles so eingestellt sind, daß der zweite gleichrichtende Kontaktteil (J„) aufgrund einer Durchbruchsspannung des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles (J₁) und eines Spannungsabfalles am Widerstand (R₁) in dem Fall durchbrechen kann, wenn ein vorbestimmter Strom nicht größer als ein erlaubter Stromwert des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles (J₁) durch den ersten gleichrichtenden Kontaktteil (J₁) fließt.
2. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Durchbruchsspannung des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles (J2) auf einen Spannungswert größer als die

680-(15.260-M748)-Ko-E

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Durchbruchsspannung des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles (J₁) eingestellt ist.
3. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß der erlaubte Stromwert ein höchster erlaubter momentaner Wert von Nicht-Gleichströmen bei einer Belastbarkeit nicht kleiner als die höchste erlaubte Gleichstrom-Belastbarkeit der Halbleitervorrichtung ist.
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß der vorbestimmte Strom auf einen Wert größer als ein Stromwert in einem Arbeitsbereich eingestellt ist, in dem der Spannungsabfall am Widerstand (R₁) im Vergleich zur Durchbruchsspannung des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles (J₁) vernachlässigbar ist.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß der vorbestimmte Strom auf einen Wert größer als ein höchster erlaubter Gleichstromwert entsprechend der höchsten erlaubten Gleichstrom-Belastbarkeit der Halbleitervorrichtung eingestellt ist.
6. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Fläche des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles (J₁) auf einen Wert kleiner als die Fläche des zweiten gleichrichtenden Kontaktteiles (J₂) eingestellt ist.
7. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn ζ e i chne t,

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— O _mmm

daß der erste gleichrichtende Kontaktteil (J₁) aus einer PN-Übergangs-Sperrschicht, einer Schottky-Sperrschicht oder einer Legierungs-Sperrschicht besteht, die in einer Schicht eines ersten Leitungstyps eines Halbleiterkörpers (1) ausgeführt ist, und

daß der zweite gleichrichtende Kontaktteil (J„) durch einen PN-Übergang zwischen der Schicht des ersten Leitungstyps und einem Schutzringbereich eines zweiten Leitungstyps ausgeführt ist, der im Halbleiterkörper (1) so ausgebildet ist, daß er vollständig einen Oberflächenteil des ersten gleichrichtenden Kontaktteiles (J₁) auf einer Oberfläche des Halbleiterkörpers (1) umgibt.

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