DE1090331B

DE1090331B - Strombegrenzende Halbleiteranordnung, insbesondere Diode, mit einem Halbleiterkoerper mit einer Folge von wenigstens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfaehigkeitstyps

Info

Publication number: DE1090331B
Application number: DEW25639A
Authority: DE
Inventors: Ian Munro Ross; Friedolf Michael Smits
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1958-05-26
Filing date: 1959-05-16
Publication date: 1960-10-06
Also published as: NL239104A; GB923104A; FR1225369A; BE578696A; JPS374662B1; US2959504A

Description

DEUTSCHES

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit Halbleiteranordnungen und insbesondere ihrer Verwendung als Strombegrenzer.

Ein Strombegrenzer ist eine Anordnung, die einen verhältnismäßig geringen Widerstand für Ströme in einem begrenzten Strombereich zeigt, oberhalb dessen das Gerät einen verhältismäßig hohen Widerstand aufweist und dadurch den Stromfiuß zu begrenzen sucht.

Da in modernen Fernsprechanlagen Bedarf für eine große Anzahl von Strombegrenzern besteht, wünscht man einen Strombegrenzer, der preiswert, zuverlässig und robust ist. Die vorliegende Erfindung ist in erster Linie auf dieses Ziel gerichtet.

Es wird eine Diode mit einem PNPN-Halbleiterkörper geschaffen, in welchem der gesamte Stromverstärkungsfaktor α den Wert Eins oder höher in demjenigen Strombereich hat, in welchem die Diode geringen Widerstand haben soll. Jedoch ist die Diode so konstruiert, daß der Wert für α mit steigendem Strom abnimmt, so daß er am Ende dieses Strombereiches kleiner als Eins wird, in welchem Punkt die Diode einen hohen Widerstand zeigt.

Solche PNPN-Halbleiteranordnungen können nach dem bekannten Temperaturgradient-Zonenschmelzverfahren hergestellt werden, wie PNPN-Transistoren mit Hochkollektor oder PNPN-Photo-Transistoren, die jedoch beide nicht zur Strombegrenzung geeignet sind.

Es sind auch zweipolige PNPN-Halbleiteranordnungen als Schalteinrichtungen bekannt, die anfänglich unterhalb eines bestimmten Schaltbereichs einen hohen Widerstand für angelegte Spannungen aufweisen, aber nach dem Überschreiten dieses Bereichs eine geringe Impedanz zeigen, solange man einen verhältnismäßig geringen Dauerstrom fließen läßt. Diese Schaltcharakteristik wird in solchen vorbekannten Geräten dadurch erreicht, daß man für den Gesamtwert von α eine Zunahme mit wachsendem Strom von einem Wert unterhalb Eins auf einen Wert oberhalb Eins vorsieht. Das wird meist dadurch erreicht, daß man geeignete Rekombinationszentren in der Halbleiteranordnung einrichtet, welche sich allmählich auffüllen, wenn der Strom zunimmt, und damit eine Zunahme von α für das Bauelement veranlassen.

Iß Gegensatz dazu wird bei einem Strombegrenzer nach der Erfindung die gewünschte strombegrenzende Charakteristik dadurch bewirkt, daß man eine Abnahme des anfänglich über Eins liegenden Gesamtwertes für α bei wachsendem Strom in einem vorgeschriebenen Strombereich vorsieht, außerhalb dessen der Wert kleiner als Eins wird und in diesem Punkt eine begrenzende Wirkung äußert. Diese Änderung des Gesamtwertes für α mit dem Strom wird normalerweise höchst vorteilhaft durch eine Struktur des

Stromb egrenzende Halbleiteranordnung,

insbesondere Diode, mit einem Halbleiterkörper mit einer Folge von wenigstens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 26. Mai 1958

Ian Munro Ross, Summit, N. J., und Friedolf Michael Smits, Berkeley Heights, N. J.

(V. St. Α.),
sind als Erfinder genannt worden

Halbleiterbauelementes erreicht, die zu einer Konzentration der Emission führt. Andererseits ist es möglich, die gewünschte Änderung von α mit dem Strom durch Einführung geeigneter Verunreinigungszentren zu bewirken.

Die Erfindung bezieht sich daher auf eine strombegrenzende Halbleiteranordnung, insbesondere Diode mit einem Halbleiterkörper mit einer Folge von wenigstens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und mit ohmschen Elektroden an den beiden äußeren Endzonen. Erfindungsgemäß besitzt wenigstens eine der beiden mittleren Zonen einen ersten Teil mit einer Dicke von mehreren Diffusionslängen der Minderheits-Ladungsträger und einen zweiten Teil mit einer Dicke von weniger als einer Diffusionslänge der Minderheits-Ladungsträger.

Dabei wird die gewünschte Änderung des Gesamtwertes für α mit dem Strom durch geometrische Effekte erreicht.

Für viele Anwendungszwecke ist es vorteilhaft, daß

So die für eine strombegrenzende Wirkung vorgesehene Diode auch anfänglich einen hohen Widerstand für den Stromfluß zeigt, bis bestimmte Strom- und Spannungsniveaus überschritten werden. Wenn diese Charakteristik gewünscht wird, erhält man sie leichter bei

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Verwendung von Silicium an Stelle von Germanium als halbleitendes Material.

Eine Siliciumdiode dieser Art zeigt einen geringen Widerstand für einen Zwischenbereich von Strömen und einen hohen Widerstand für Ströme unterhalb und oberhalb dieses Bereiches. Da die" Diode einen hohen Widerstand für die gleiche Spannung in zwei weit auseinander liegenden Strombereichen aufweisen kann, ist sie auch für die Verwendung als Speicherbauelement brauchbar.

Die nachfolgende detaillierte Beschreibung wird in Verbindung mit den Zeichnungen das Verständnis der Erfindung erleichtern.

Fig. 1 bis 5 zeigen im Schnitt einen Strombegrenzer unter Verwendung geometrischer Effekte gemäß ^X5 der Erfindung;

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform eines Strombegrenzers nach der Erfindung unter Verwendung der Leitfähigkeitsmodulation und der Einfangwirkung;

Fig. 7 und 8 zeigen die Spannungs-Strom-Charakteristik der für die Erfindung typischen Ausführungsformen ;

Fig. 9 zeigt eine Schaltung zweier Transistoren und einer Diode, welche praktisch äquivalent zum ^a5 Strombegrenzer nach Fig. 1 ist;

Fig. 1OA bis IOD sind Schnittbilder des Strombegrenzers nach Fig. 1 in aufeinanderfolgenden Stufen eines typischen Herstellungsverfahrens.

Die in Fig. 1 gezeigte Diode 10 besitzt, wie die Betrachtung der Zeichnungen erkennen läßt, einen Halbleiterkörper mit vier aufeinanderfolgenden Zonen 11, 12, 13 und 14 mit abwechselnd entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp sowie Elektroden 15 und 16 zu den beiden äußeren Zonen 11 und 14. Es wird durchweg zweckmäßig sein, von der Dimension einer Zone parallel zur hauptsächlichen Stromrichtung zwischen den Zonen als der Dicke der Zone zu sprechen und von der quer zu dieser Stromrichtung liegenden Dimension als der Breite oder seitlichen Dimension der Zone. Bei dem gezeigten Bauelement hat jede der Zonen 11, 12 und 13 eine uneinheitliche Dicke. Von besonderem Interesse ist die Tatsache, daß die Zwischenzone 12 vom p-Typ einen zentral angeordneten Teil 12 A hat, dessen Dicke wenigstens mehrere Diffusionslängen der Elektronen als den negativen Ladungsträgern beträgt, und einen außenliegenden ringförmigen Teil 125, dessen Dicke weniger als eine Diffusionslänge der darin enthaltenen Elektronen beträgt. Das Dickenverhältnis der beiden Teile soll typischerweise wenigstens Drei und vorzugsweise Fünf betragen.

Auch ist die Tatsache wichtig, daß der seitliche Widerstand des dünneren Teils 125 von Einfluß ist, wie im einzelnen unten besprochen wird. Wie gezeigt, enthält die Zone 13 vom η-Typ einen dünneren, zentral gelegenen kreisförmigen Teil und einen dickeren, außenliegenden ringförmigen Teil. Die äußere Endzone 11 bedeckt die eine Hauptfläche völlig, während die äußere Ehdzone 14 nur einen zentral gelegenen kreisförmigen Tfeil der gegenüberliegenden Hauptflache bedeckt. Von besonderer Bedeutung ist die Tatsache, daß die Endzone 14 dem dickeren zentralen Teil 12 Λ! der Zone 12 gegenüberliegt. Der Durchmesser der Endzone 14 ist ebenso wie der Durchmesser des Teils 12 ^i der Zone 12 ein Faktor zur Bestimmung des Bereiches, in welchem sich die strombegrenzende Wirkung vollzieht, und diese Durchmesser werden dementsprechend so bemessen, daß sich das Bauelement dem gewünschten Arbeitsbereich anpaßt. Die Widerstände der Zwischenzonen 12 und 13 sind Faktoren, die die Durchschlagcharakteristik bestimmen, und werden dementsprechend gewählt. Im Betrieb wird die Diode mit ihrem Schaltkreis so verbunden, daß die in der Fig. 1 angegebenen Polaritäten an die Elektroden 15 und 16 gelegt werden.

Dieser Aufbau ist das elektrische Äquivalent für die in Fig. 9 gezeigte Schaltung 100 aus zwei Flächentransistoren und einer Flächendiode. Wie dargestellt, umfaßt diese Schaltung den NPN-Flächentransistor 101, den PNP-Flächentransistor 102 und die NP-Diode 103, in geeigneter Form mit den Elektroden 104 und 105 verbunden, an die ein Potentialgefälle mit + an 105 und — an 104 gelegt wird, um die strombegrenzende Wirkung zu erhalten. Die Kombination des Transistors 101, der Diode 103 und des Widerstandes R kann als ein Transistor betrachtet werden, dessen Wert für α von der Stärke des Nebenschlusses seines Emitterstromes durch die Diode 103 geändert wird. Insbesondere wächst mit der Zunahme des durch das ganze System fließenden Stromes auch der durch den Widerstand R fließende Strom. Eine Zunahme dieses Stromes bewirkt eine stärkere Zunahme in der Durchlaßrichtung durch die Diode 103 als durch die Emitterzone des Transistors 101 und damit eine Zunahme im Stromanteil, der durch die Di-. ode fließt. Dieser Zuwachs erfolgt auf Kosten des Stromanteils, der durch den Emitter des Transistors

101 fließt. Diese Abnahme trägt zu einer Verminderung des α-Wertes für die Kombination Transistor— Diode bei. Der Gesamtwert des Systems für α ist die Summe der individuellen α-Werte des Transistors

102 und der Dioden-Transistor-Kombination. Der α-Wert des Transistors 102 bleibt fest, aber da der α-Wert der Kombination Diode—Transistor mit zunehmendem Strom, wie besprochen, abnimmt, nimmt der Gesamtwert für α mit zunehmendem Strom ab.

In einem System in der Praxis wurden die verschiedenen Bauelemente so gewählt, daß in dem Strombereich, in dem die Impedanz klein sein soll, der Gesamtwert des Systems wenigstens Eins bleibt. Solange der Gesamtwert für α wenigstens Eins ist, ist der Gesamtwiderstand des betrachteten Systems zwischen den Elektroden 104 und 105 gering.

Wenn der Gesamtwert des Systems für α kleiner ist als Eins, ist der Widerstand zwischen den Anschlüssen 104 und 105 hoch, da sie dann den hohen Widerstand einer in Sperrichtung geschalteten Grenzschicht hat. Wenn der Stromfluß auf einen Wert zugenommen hat, der groß genug ist, um den Gesamtwert für α kleiner als Eins zu machen, zeigt das System dementsprechend einen hohen Widerstand bei Spannungen unterhalb der Durchschlagsspannung, und dies strebt die Verhinderung einer weiteren Stromzunahme an. In Fig. 7 ist die Spannungs-Strom-Charakteristik dieses Systems graphisch dargestellt.

Sieht man zusätzlich vor, daß der Gesamtwert für α für Ströme unterhalb eines gewählten Anfangswertes kleiner als Eins ist, so kann der Widerstand des Systems hoch gemacht werden, bis solcher Anfangsstrom erreicht ist. Da nun besonders Silicium-Transistoren in typischer Weise geringe α-Werte bei geringen Strömen zeigen, ermöglicht ihre Verwendung es, eine hohe Widerstandscharakteristik bei geringen Strömen zu erreichen. In einem solchen System ist der Widerstand klein für Ströme in einem Zwischenbereich und hoch für Ströme zu beiden Seiten dieses Bereiches.

In Fig. 8 ist die Spannungs-Strom-Charakteristik eines solchen Systems graphisch dargestellt.

In diesem Punkt scheint es wünschenswert, die Äquivalenz der in Fig. 1 gezeigten Diode und der in Fig. 9 gezeigten Schaltung näher darzulegen. Die Teile der Vierzonendiode, die von der Zone 11 vom η-Typ, dem dünnen Teil 12 B der Zone 12 vom p-Typ und der Zone 13 vom η-Typ dargestellt werden, entsprechen dem NPN-Transistor 101. Da die Dicke des starken zentralen Teils 12.-4 der Zone 12 vom p-Typ beachtlich größer ist als eine Diffusionslänge, erfolgt

derstand wurde einer phosphorhaltigen Atmosphäre bei 125Ö ⁰Cl Stunde lang ausgesetzt, um eine dünne Phosphor-Diffusionsschicht vom η-Typ auf der Oberfläche des Plättchens zu bilden. Diese Phosphor-Diffusionsschicht wurde danach vollständig von allen Flächen, mit Ausnahme eines zentral gelegenen kreisförmigen Teils einer Fläche, entfernt, so daß nur ein ringförmiger Diffusionsbereich 202 auf dem Plättchen verblieb, wie in Fig. 1OA gezeigt. Das Plättchen

hier tatsächlich keine Transistorwirkung, und die io wurde dann ungefähr 50 Stunden lang auf etwa

Zone 11 vorn. η-Typ ist hierdurch wirksam von einer Transistorwirkung durch die Zone 13 vom η-Typ isoliert. Dementsprechend bildet die Zone 11 vom n-Typ in Wirklichkeit nur eine NP-Diode mit dem starken

1300° C in Luft erhitzt, um die Eindringtiefe der Phosphor-Diffusionsschicht, wie in Fig. 1OB gezeigt, zu vergrößern. Das Plättchen wurde alsdann einer Erhitzung in einer Phosphoratmosphäre für 40 Mi-

emes zentral gelegenen kreisförmigen Teils der Hauptfläche, die derjenigen mit der zuvor gebildeten Schicht 202 gegenüberliegt. Wie in Fig. 10 gezeigt,

Teil der Zone 12, analog zu der NP-Diode 103 der 15 nuten bei 900° C und anschließend in Luft für Schaltung. Der hohe Schichtwiderstand des dünnen 2 Stunden bei 1300° C unterworfen, um eine Phos-Teils 125 der Zone 12 vom p-Typ spielt die Rolle des phor-Diffusionsschicht 203 auf der gesamten Ober-Widerstandes i?, der zwischen der Basiszone des fläche des Plättchens, wie in Fig. IOC gezeigt, zu bil-Transistors 101 und der Diode 103 liegt. Der starke den. Die Phosphor-Diffusionsschicht wurde dann von Teil 12 ^i der Zone 12 vom p-Typ, die Zone 13 vom 20 den Kanten des Plättchens entfernt und die Obern-Typ und die Zone 14 vom p-Typ bilden einen PNP- fläche des Plättchens völlig abgedeckt, mit Ausnahme Transistor, der dem Transistor 102 entspricht.

Im Betrieb veranlaßt ein Stromzuwachs zwischen den Elektroden 15 und 16 der Diode eine Zunahme

des seitlichen Stromes im dünnen Teil 125 der Zone 25 wurde Bor in diesen nicht abgedeckten zentralen Teil 12. Da der Schichtwiderstand dieses Teils hoch ge- zwecks Bildung eines p-Typ-Bereiches 204 in einem wählt worden ist, ergibt sich hier ein Spannungs- zweistufigen Verfahren eindiffundiert, das aus der abfall längs dieses Teils, der das wirksame Durchlaß- Erhitzung in borhaltiger Atmosphäre auf 1300° C für gefälle in der Emitterschicht zwischen der Zone 11 1 Stunde und anschließender Erhitzung in Luft auf und dem Teil 125 der Zone 12 mit seitlicher Distanz 3° diese Temperatur für die gleiche Zeit bestand. An die verringert. Dies verkleinert wirksam das Gebiet, in gegenüberliegenden äußeren Zonen wurden dann Elekwelchem der Strom durch die Emittergrenzschicht troden angebracht.

fließt, und bewirkt eine Emissionskonzentration zu- Ein nach dem geschilderten Verfahren hergestelltes

gunsten des starken Teils 12^4 der Zone 12. Dies er- Halbleiterbauelement wurde aus einem Plättchen gegibt die gewünschte Änderung des Gesamtwertes 35 macht, welches praktisch 2,03 cm im Quadrat bei für a, wie es für die Schaltung beschrieben wurde. 0,139 mm Dicke besaß. Die Zwischenzone 12 vom

Für den Betrieb in der beschriebenen Art ist es p-Typ hatte einen zentral angeordneten kreisförmigen insbesondere wichtig, daß der Schichtwiderstand des Teil 12^4 von etwa 0,102 mm Dicke und 0,406 mm dünnen Teils 125 der Zone 12 ausreichend hoch ist, Durchmesser. Der ringförmige äußere Teil 125 war damit der Spannungsabfall, der sich aus dem seit- 40 0,014 mm dick. Der spezifische Widerstand des Auslichen Stromfluß ergibt, hoch genug ist für eine gangsmaterials vom p-Typ, was auch der Widerstand Emissionskonzentration. Das Bauelement muß so ent- dieser Zone 12 ist, betrug ungefähr 0,3 Ohm-cm. Die worfen werden, daß in dem Strombereich, für welche Zwischenzone 13 vom n-Typ hatte einen kreisförmigen die Diode einen kleinen Widerstand haben soll, der Teil von 0,254 mm Durchmesser und 0,006 mm Dicke Gesamtwert für α den Wert Eins überschreitet. Die 45 und einen ringförmigen äußeren Teil von 0,0011 mm Prinzipien, die dem Fachmann für den Erhalt hoher Dicke. Die Oberfläche dieser Zone vom n-Typ, die der Werte für α in Flächentransistoren bekannt sind, kön- Hauptfläche zugekehrt ist, hatte einen Schichtwidernen hier angewendet werden. Man kann ein Elek- stand von 20 Ohm und eine Oberflächenkonzentration tronenbombardement verwenden, um den Wert für α von 4 · 10¹⁸ Phosphoratomen/ccm. Die Anschlußzone zu verkleinern und den Anschlußpunkt für den Ge- 50 14 vom p-Typ besaß 2,54 mm Durchmesser und hatte samtwert von α bei einem gewünschten Stromwert zu eine Tiefe von etwa 0,005 mm, einen Schichtwidererreichen. Ein Bauelement dieser Art kann entweder stand von 5,5 Ohm und eine Oberflächenkonzentration die in Fig. 7 oder 8 gezeigte Charakteristik durch ge- von 6 · 10¹⁹ Boratomen/ccm. Die Endzone 11 vom eignete Materialwahl erhalten. n-Typ hatte einen zentral angeordneten kreisförmigen

Aus der vorangegangenen Erklärung der Arbeits- 55 Teil von 0,635 mm Durchmesser und 0,011 mm Dicke, Prinzipien kann man ersehen, daß Ungleichförmig- der in bezug auf die übrige Fläche um 0,015 mm zukeiten in der Dicke der Zonen, außer der Zone 12, rückspringt. Der äußere ringförmige Teil der Annicht notwendig sind, um eine begrenzende Wirkung schlußzone vom n-Typ hatte eine Dicke von zu erhalten, obgleich man findet, daß dfer Bereich, in 0,114 mm, einen Schichtwiderstand von 0,16 Ohm welchem die begrenzende Wirkung auftritt, durch die 60 und eine Oberflächenkonzentration von 6 · 10¹⁹ Phos-Geotnetrie der übrigen Zonen bestimmt werden kann. phoratomen/ccm.

Die gezeigte besondere Struktur wurde deswegen vor- Diese Halbleiterdiode zeigte einen Widerstand im

teilhaft gefunden, weil sie durch bekannte Fabrikat Megohmbereich, bis die anfängliche Sperrspannung tionstechniken leicht erreicht werden kann. von etwa 44VoIt überschritten wurde, wonach ihr

Ein typisches, mit Erfolg verwendetes Verfahren 65 Widerstand auf einen Wert von wenigen Ohm fiel, zur Herstellung des in Fig. 1 gezeigten NPN-HaIb- welcher so lange bestehenbleibt, wie man einen Minileiterbauelementes arbeitet wie folgt: Fig. 1OA bis malstrom von etwa 4 mA fließen läßt. Die strombe-10D zeigen das Element im Querschnitt in verschie- grenzende Wirkung, wurde bei einem Wert von etwa denen Fabrikationsstufen. Ein monokristallines SiIi- 9 mA erreicht, oberhalb dessen der Widerstand stark ciumplättchen vom p-Typ und mit 0,3 Ohm-cm Wi- 7° zunahm. Der zweite Durchschlag erfolgte bei einer

7 8

Spannung, die etwas oberhalb des ersten Durch- des Flächentransistors 101 und die n-Typ-Zone der

Schlages lag. Die Strom-Spannungs-Charakteristik für Diode 102 eingeschaltet ist und die Basis des Flächen-

dieses Bauelement wird in Fig. 8 gezeigt. transistors 101. und die p-Tj'p-Zone der Diode 102

Man sieht, daß die abgebildete Charakteristik in kurzschließt.

einem Spannungsbereich zwei stabile hohe Wider- 5 Um die obenerwähnte elektronische Regelung zu stände zeigt, deren einer einem niedrigen Strom und erreichen, hat das Element eine mit der Elektrode 58 deren anderer einem hohen Strom entspricht. Für den verbundene fünfte Zone 57, welche an den ausgespar-Fachmann ist es klar, daß eine solche Charakteristik ten Bereich 51A der Zone 51 angrenzt. Schaltet man dies Element als binäres Speicherelement verwenden die Elektrode 58 negativ mit Bezug auf Elektrode 55, läßt. ίο so wird die Gleichrichterschicht zwischen Zone 51 und Die Prinzipien der Erfindung haben einen breiten 57 in Sperrichtung geschaltet und erzeugt eine Raum-Bereich von Ausführungsformen für Diodenbauarten. ladungsschicht, die in den Bereich 51^4 eindringt. In der in Fig. 2 abgebildeten Ausführungsform sind Schwankungen in der an Elektrode 58 angelegten die Endzonen 21 und 24 von gleichmäßiger Dicke, Spannung gestatten eine Änderung der Eindringtiefe während die Zwischenzonen 22 und 23 eine ungleich- 15 dieser Raumladungsschicht in den Bereich 51A und förmige Dicke haben. Zone 22 hat im besonderen einen dementsprechenden Wechsel ihrer Leitfähigkeit, einen zentralen Teil von mehreren Diffusionslängen Dies ist das Gegenstück zu einer Änderung des Wer-Dicke und einen äußeren Teil von weniger als einer tes für den Widerstand R im System der Fig. 9 in be-Diffusionslänge Dicke, dessen seitlicher Widerstand schriebener Form. Als Folge wird das an Elektrode ausreichend hoch ist, um für eine wirksame Emissions- 20 58 aufrecht erhaltene Potential eine Bestimmungskonzentration zu sorgen. größe für die Stromregelung, jenseits deren eine Be-

Fig. 3 zeigt eine Ausführung 30, in welcher der grenzung erfolgt.

Effekt der Emissionskonzentration den äußeren Teil Eine Abnahme von α mit wachsendem Strom eines des Plättchens begünstigt. Das Plättchen besteht aus Transistors kann auch ohne Anwendung einer Emisder ringförmigen Endzone 31, einer Zwischenzone 32 25 sionskonzentration erreicht werden. Es ist beispielsvon ungleichförmiger Dicke, einer Zwischenzone 33 weise bekannt, daß bei einem hohen Injektionsniveau von ungleichförmiger Dicke und einer Endzone 34. die Emitterwirksamkeit abnehmen kann, wenn die Eine ringförmige Elektrode 35 stellt eine Verbindung Basis in der Leitfähigkeit moduliert wird. Die Modugeringen Widerstandes zur Endzone 31 und die Elek- lierung der Leitfähigkeit tritt ein, wenn ein bedeuttrode 36 eine Verbindung geringen Widerstandes zur 30 samer Zuwachs der Dichte der Mehrheits-Ladungs-Endzone 34 dar. Bei diesem Beispiel hat die Zwischen- träger in der Basis wegen der Notwendigkeit der zone 33, in der die Emissionskonzentration auftritt, Neutralisierung einer hohen Dichte injizierter Mineinen inneren kreisförmigen Teil, dessen Dicke ge- derheits-Ladungsträger vorhanden ist. Die erhöhte ringer ist als eine Diffusionslänge der darin enthalte- Dichte der Mehrheits-Ladungsträger in der Basis nen Minderheits-Ladungsträger, und einen ringförmi- 35 strebt nach erhöhter Injektion solcher Ladungen aus gen Außenteil, dessen Dicke wenigstens mehrere der Basis in den Emitter, was andererseits eine Ab-Diffusionslängen beträgt. Tn diesem Fall ist es wich- nähme von α ergibt. Um diese Wirkung in einer tig, daß die Endzone 31, welche die von der Zwischen- PNPN-Diode gemäß der Erfindung nutzbar zu zone, in der die Emissionskonzentration aixftritt, ge- machen, ist es wichtig, daß entweder eine oder beide trennte Zone ist, ringförmig gestaltet ist, da eine 40 Zwischenzonen eine niedrige Konzentration an Versolche Endzone dem dickeren Teil gegenüberliegen unreinigungen entsprechend einem hohen spezifischen muß, der durch die Emissionskonzentration der Widerstand haben, da dies notwendig ist, um eine Zwischenzone begünstigt wird. Leitfähigkeitsmodulation mit annehmbarem Inj ekln der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform sind tionsniveau zu erreichen.

die Zonen 41 und 44 von gleichmäßiger Dicke, wäh- +5 Neben der Abnahme der Emitterwirksamkeit kann rend die beiden Zwischenzonen 42 und 43 konisch aus- eine Abnahme des Transportfaktors in einem Trangeführt sind. Auch in diesem Fall ist es wichtig, die sistor verwendet werden, damit der Wert für α mit Endzone 44 aus einer zentralen Lage gegen das dem Strom abnimmt. Für diese Wirkung ist es notdickere Ende der Zwischenzone 42, dem Bereich der wendig, daß die Lebensdauer der Minderheits-Emissionskonzentration, zu versetzen. 5° Ladungsträger in der Basis mit wachsendem Injek-In Fig. 5 wird eine Ausführungsform gezeigt, die tionsniveau abnimmt. Das ist ein Effekt, der demfür elektronische Regelung des Stromwertes geeignet jenigen in PNPN-Dioden, die als Schaltelemente verist, oberhalb dessen das Element einen weiteren Zu- wendet werden sollen, entgegengesetzt ist. Solch eine wachs begrenzt. Das Element besteht zunächst aus Abnahme der Lebensdauer mit wachsendem Injekeiner Reihenfolge von vier Zonen 51, 52, 53 und 54, 55 tionsniveau kann durch die Einführung geeigneter die zusammen mit den Elektroden 55 und 56 eine Rekombinationszentren in die Basis erhalten werden, NPNP-Diode bilden, die im Prinzip den in Verbin- deren Transportfaktor mit dem Strom abnehmen soll, dung mit Fig. 1, 2 und 3 beschriebenen ähnlich ist. Bedingung für den gewünschten Effekt ist, daß das Jedoch enthält bei dieser Ausführungsform die End- Ferminiveau unter Gleichgewichtsbedingungen im zone 51 eine Zwischenzone 51A von verringerter 60 Material dieser Zone näher an der Lückenmitte ist als Dicke und bedeutsamem seitlichem Widerstand. Die das Einfangniveau. Da die meisten Rekombinations-Zwischenzone 52 ist so gemacht, daß sie einen Bereich niveaus niedrige Niveaus sind, verlangt diese Bedinvon vielen Diffusionslängen Dicke gegenüber dem Be- gung Basiszonen hohen Widerstandes. Um diesen reich der Zone 51 hat, der mit der Elektrode 55 ver- Effekt bei einer PNPN-Diode gemäß vorliegender bunden ist, und daneben einen Bereich von weniger 65 Erfindung einzubauen, müssen ausgewählte Verunreials einer Diffusionslänge Dicke. Man sieht, daß das nigungen in eine oder beide Zwischenzonen· eingeführt von den vier Zonen 51, 52, 53 und 54 und den Elek- werden.

troden 55 und 56 gebildete Gerät praktisch das Ge- Es ist gewöhnlich vorzuziehen, beide zuletzt be-

genstück zum System der Fig. 9 ist mit der Abande- schriebenen Effekte zu benutzen, um eine Abnahme

rung, daß der Widerstand R zwischen dem Emitter 70 von α mit wachsendem Injektionsniveau zu erhalten.

Eine typische Verunreinigung, die in Silicium in dieser Art verwendet werden kann, ist Indium. Indium in Silicium hat ein Einfangniveau, welches näher am Valenzband als am Leitfähigkeitsband liegt. Da Indium ein Akzeptor ist, ist es notwendig, daß der indiumreiche Bezirk von einem Elektronengeber überkompensiert wird, um n-Typ-Leitfähigkeit zu erhalten.

Von Indium in Silicium ist bekannt, daß es einen bezeichnenden Einfangquerschnitt sowohl für den Einfang von Elektronen aus dem Leitfähigkeitsband als auch den Einfang von Defektelektronen aus dem Valenzband hat. Sein Einfangniveau liegt ziemlich dicht am Valenzband und darum nicht zu nahe in der Mitte der Bandlücke. Im n-Typ-Silicium eines Widerstandsbereiches, in welchem das Ferminiveau näher am Mittelpunkt der Bandlücke liegt als dies Einfangniveau, wird eine erhebliche Verringerung der Lebenszeit mit zunehmendem Injektionsniveau durchführbar.

Fig. 6 zeigt eine PNPN-Diode nach diesem Ge-Sichtspunkt der Erfindung. Die Diode enthält die vier Zonen 61, 62, 63 und 64, von denen die n-Typ-Zwischenzone 52 sowohl Indium als auch einen Donator, wie Phosphor, enthält. Typischerweise beträgt die Indiumkonzentration 3,0 · 10¹⁶ Atome/ccm und die Phosphorkonzentration 3,1 · 10¹⁶ Atome/ccm. Für diese Konzentration ist eine Dicke von 10 ~³ cm für diese Zone geeignet, und die Verringerung des Transportfaktors bei wachsendem Injektionsniveau tritt für Stromdichten zwischen 1 und 10 A/cm² ein. Mit Stromdichten in diesem Bereich tritt auch die Leitfähigkeitsmodulierung der Zwischenzone 52 mit sich daraus ergebender Abnahme der Emitterwirksamkeit bei steigendem Injektionsniveau, wie gewünscht, ein. Es ist dann weiter nur notwendig, daß der mit der anderen Zwischenzone 63 verknüpfte α-Wert derart ist, daß der Gesamtwert der Diode für α im Strombereich unterhalb des Einsatzes der strombegrenzenden Wirkung wenigstens Eins bleibt.

Überdies ist es möglich, eine Elektrode an eine oder beide Zwischenzonen der Aufeinanderfolge der vier Zonen zu legen, um eine zusätzliche Kontrollmaßnahme sowohl für den Einsatz der strombegrenzenden Wirkung als auch für den ersten Durchschlagspunkt für Halbleiteranordnungen mit der in Fig. S gezeigten Charakteristik zu erhalten.

Claims

Patentansprüche:

1. Strombegrenzende Halbleiteranordnung, insbesondere Diode, mit einem Halbleiterkörper mit einer Folge von wenigstens vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps und mit ohmschen Elektroden an den beiden äußeren Endzonen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden mittleren Zonen einen ersten Teil mit einer Dicke von mehreren Diffusionslängen der Minderheits-Ladungsträger und einen zweiten Teil mit einer Dicke von weniger als einer Diffusionslänge der Minderheits-Ladungsträger besitzt.

2. Strombegrenzende Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem einkristallinen PNP3ST-Siliciumkörper besteht und daß das Dickenverhältnis des ersten zum zweiten Teil der einen der beiden mittleren Zonen wenigstens 3 :1 ist.

3. Strombegrenzende Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schichtwiderstand des zweiten Teils ausreichend hoch ist, um eine Emissionskonzentration zugunsten des ersten Teils zu bewirken, und daß die von der mittleren Zone mit erstem und zweitem Teil getrennte, d. h. also die nicht anliegende äußere Zone dem ersten Teil direkt gegenüber liegt.

4. Strombegrenzende Halbleiteranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste äußere Zone seitlich die volle Breite des Halbleiterkörpers in Anspruch nimmt, einen zentralen Teil verringerter Dicke und einen den zentralen umgebenden äußeren Teil erhöhter Dicke besitzt, daß die zweite Zone mit ihrem zentral gelegenen ersten Teil und dem diesen umgebenden zweiten Teil seitlich die volle Breite des Halbleiterkörpers in Anspruch nimmt, daß ferner die dritte Zone einen zentralen Bereich verringerter Dicke mit einem diesen umgebenden Bereich erhöhter Dicke besitzt und seitlich die volle Breite des Halbleiterkörpers in Anspruch nimmt und daß schließlich die vierte und äußere Zone zentral angeordnet ist und seitlich nur einen begrenzten Teil des Halbleiterkörpers in Anspruch nimmt.

5. Strombegrenzende Halbleiteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste äußere Zone ringförmig ausgebildet ist und seitlich nur einen begrenzten Teil des Körpers in Anspruch nimmt, daß die zweite Zone die volle seitliche Breite des Halbleiterkörpers in Anspruch nimmt und aus einem dickeren, zentral gelegenen, neben einem dünneren, außenliegenden, Teil besteht, daß die dritte Zone sich über die ganze seitliche Breite des Halbleiterkörpers erstreckt und ein zentraler erster Teil dieser Zone vom zweiten Teil umgeben ist und daß die vierte Zone wieder die volle seitliche Breite des Halbleiterkörpers in Anspruch nimmt.

6. Strombegrenzende Halbleiteranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden mittleren Zonen sich über die volle Breite des Halbleiterkörpers erstreckt und einen verengten ersten Teil mit einem nach außen anschließenden zweiten Teil hat und daß die von dieser mittleren Zone getrennte äußere Zone sich seitlich über einen begrenzten Teil des Halbleiterkörpers

' erstreckt und im wesentlichen dem nach außen anschließenden zweiten Teil der mittleren Zone gegenüberliegt.

7. Strombegrenzende Halbleiteranordnung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine fünfte Zone von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp zu einer der äußeren Zonen der Vierzonenfolge an diese angrenzt und daß eine dritte Elektrode mit der fünften Zone verbunden ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschriften Nr. 2 770 761, 2 813 048.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

. 009 610/309 9.60