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DE1225765C2 - Electrical capacitor with voltage-dependent capacitance, consisting of a semiconductor body - Google Patents

Electrical capacitor with voltage-dependent capacitance, consisting of a semiconductor body

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Publication number
DE1225765C2
DE1225765C2 DE1960B0056973 DEB0056973A DE1225765C2 DE 1225765 C2 DE1225765 C2 DE 1225765C2 DE 1960B0056973 DE1960B0056973 DE 1960B0056973 DE B0056973 A DEB0056973 A DE B0056973A DE 1225765 C2 DE1225765 C2 DE 1225765C2
Authority
DE
Germany
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junction
semiconductor
capacitance
semiconductor body
voltage
Prior art date
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Application number
DE1960B0056973
Other languages
German (de)
Other versions
DE1225765B (en
Inventor
Maurice Gilbert Anatol Bernard
Original Assignee
Maurice Gilbert Anatole Bernar
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Maurice Gilbert Anatole Bernar filed Critical Maurice Gilbert Anatole Bernar
Publication of DE1225765B publication Critical patent/DE1225765B/en
Application granted granted Critical
Publication of DE1225765C2 publication Critical patent/DE1225765C2/en
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/02Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
    • H01L21/04Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer
    • H01L21/18Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof the devices having potential barriers, e.g. a PN junction, depletion layer or carrier concentration layer the devices having semiconductor bodies comprising elements of Group IV of the Periodic Table or AIIIBV compounds with or without impurities, e.g. doping materials
    • H01L21/24Alloying of impurity materials, e.g. doping materials, electrode materials, with a semiconductor body
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D1/00Resistors, capacitors or inductors
    • H10D1/60Capacitors
    • H10D1/62Capacitors having potential barriers

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Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Konden- Voraussetzung gilt unabhängig davon, welchen WertThe invention relates to an electrical condensate condition applies regardless of which value

sator mit spannungsabhängiger Kapazität, der aus die Kapazität C einnimmt, der sich bei dem Vereinem Halbleiterkörper besteht und der insbesondere 6° Stärkungsvorgang einstellt. Lediglich die Ungleichung zur parametrischen Verstärkung von Mikrowellen 1 1Sator with voltage-dependent capacitance, which takes up the capacitance C, which exists in the unified semiconductor body and which, in particular, sets a 6 ° strengthening process. Only the inequality for the parametric amplification of microwaves 1 1

dient. <β ω <sserves. <β ω <s

Es ist allgemein bekannt, daß ein Schwingungskreis Rp-C R8- C It is well known that an oscillation circuit Rp-C R 8 -C

mit einem nichtlinearen Blindwiderstand, der beim muß erfüllt sein.with a non-linear reactance, which must be met.

Anlegen einer ersten Schwingung großer Amplitude 65 .. I11. ... „Apply a first oscillation with a large amplitude 65 .. I 11 . ... "

e α· c uu -UJ-PL- u Um „ „ klein zu halten, muß weiter voraus-" E α · c uu -UJ-PL- u In order to keep"" small, further advance

aut die Subharmonische dieser Schwingung abge- Rp-C aut the subharmonics of this oscillation - Rp-C

stimmt ist, eine subharmonische Schwingung erzeugt. gesetzt werden, daß Rv einen verhältnismäßig großen Wird zur Steuerung der erzeugten Subharmonischen Widerstand darstellt. Dies ist dann gegeben, wenn deris true, a subharmonic oscillation is generated. be set that R v represents a relatively large amount to control the generated subharmonic resistance. This is the case when the

pn-Übergang in Sperrichtung gepolt ist. Ein gebräuchlicher Wert für den Widerstand Rp ist bei Germanium 105 bis 10eOhm und bei Silizium 107 bis 108 Ohm.pn junction is polarized in the reverse direction. A common value for the resistance R p is 10 5 to 10 e ohms for germanium and 10 7 to 10 8 ohms for silicon.

Damit' „ ■„ sehr groß wird, müssen C und R8 In order for '"■" to be very large, C and R must have 8

K8-CK 8 -C

sehr klein sein. Bekanntlich kann die Kapazität C auf ungefähr 1 pF gebracht werden und der Widerstand Rs auf ungefähr 1 Ohm.be very small. As is known, the capacitance C can be brought to approximately 1 pF and the resistance Rs to approximately 1 ohm.

Bei diesen Bedingungen ergibt sich für einWith these conditions, the result is a

Kp · C Kp · C

Wert von ungefähr 1 MHz bei Germanium, der auf 10 kHz bei Silizium absinkt. Hingegen erreicht der 1Value of about 1 MHz for germanium, which drops to 10 kHz for silicon. In contrast, the 1

Seite des Übergangs liegt, nämlich in dem Gebiet der geringeren Leitfähigkeit, wird bekanntlich diesem Gebiet ein großer Querschnitt bis in die Nähe der Ubergangszone zugeordnet. In diesem Fall ist der Widerstandes nicht umgekehrt proportional der Sperrschichtfläche, sondern ist durch folgende Gleichung bestimmt:Side of the transition, namely in the area of lower conductivity, this area is known to have a large cross-section up to the vicinity of the Assigned to the transition zone. In this case the resistance is not inversely proportional to the Barrier area but is given by the following equation definitely:

2nb2nb

Wert fürValue for

-=- mehrere hundert GHz.- = - several hundred GHz.

Die Rauschzahl ist dabei um so geringer, je kleiner der Widerstand Rs ist. Der eigentliche Verstärker wird durch den Blindwiderstand des pn-Übergangs und die Rauschquelle durch den Ohmschen Widerstand Rs gebildet.The smaller the resistance R s , the lower the noise figure. The actual amplifier is formed by the reactance of the pn junction and the noise source by the ohmic resistance R s .

Der maximale Verstärkungsfaktor eines parametrischen Verstärkers wird für das obere Seitenband bei Mikrowellen durgh folgende Gleichung ausgedrückt: The maximum gain of a parametric amplifier is for the upper sideband for microwaves the following equation is expressed:

/ ι

Hierin ist J1 die Frequenz des zu verstärkenden Signals, /2 die Frequenz des verstärkten Signals, (/2—/1) ist die Frequenz des Hilfsgenerators, dessen Leistung zur Verstärkung des Signals der Frequenz J1 dient.. χ ist eine reduzierte Variable, die sich aus folgender Gleichung ergibt:Here, J 1 is the frequency of the signal to be amplified, / 2 is the frequency of the amplified signal, (/ 2 - / 1) is the frequency of the auxiliary generator whose power is used to amplify the signal with the frequency J 1 .. χ is a reduced variable which results from the following equation:

mit μ = \lCax . Das heißt, μ ist gleich der Quadrat-with μ = \ l Cax . That is, μ is equal to the square

\ C min\ C min

wurzel aus dem Verhältnis der Extremwerte, die die variable Kapazität am pn-Übergang einnehmen kann. Der errechnete, optimale Wert hierfür beträgt 1 + j/2 ; fc = ■, η ^ stellt die Güteziffer des pn-Über-root from the ratio of the extreme values that the variable capacitance can assume at the pn junction. The calculated, optimal value for this is 1 + j / 2; fc = ■, η ^ represents the figure of merit of the pn over-

Z π K8- Cmm Z π K 8 - C mm

gangs dar, ausgedrückt als Grenzfrequenz. Die Kapazität Cmin ist die Kapazität des in Sperrichtung gepolten pn-Übergangs bei einer Spannung, die etwas geringer ist als die Durchbruchspannung, d. h. die maximal zulässige Sperrspannung.gangs, expressed as the cutoff frequency. The capacitance C min is the capacitance of the reverse-biased pn junction at a voltage that is somewhat lower than the breakdown voltage, ie the maximum permissible reverse voltage.

Bei einem parametrischen Verstärker für das untere Seitenband ergibt sich ebenfalls, daß der pn-Übergang Schwingungen um so höherer Frequenz verstärkt, je höher die Gütezahl/eist.In the case of a parametric amplifier for the lower sideband it also results that the pn junction The higher the figure of merit / eist, the higher the frequency, the higher the vibrations.

Die obenstehenden Ausführungen zeigen deutlich, daß die Verstärkungsei genschaften eines parametrischen Verstärkers von dem Produkt aus Minimalkapazität Cmin und Serienwiderstand Rs und von dem Verhältnis Maximalkapazität zu Minimalkapazität abhängen. Die Minimalkapazität CnHn ist nach S h ο c k 1 e y gegeben durch folgende Formel:The above statements clearly show that the reinforcement properties of a parametric amplifier depend on the product of minimum capacitance Cmin and series resistance R s and on the ratio of maximum capacitance to minimum capacitance. According to S h ο ck 1 ey, the minimum capacity C n H n is given by the following formula:

C„„-„ =- Ka*-S-V:'l C "" - "= - Ka * -SV: 'l

Hiervon ist Vmax die in Sperrichtung angelegte Spannung unter Abzug der Kontaktspannung, α der Gradient der Verteilung der Fremdatome im Bereich des pn-Übergangs, S die Querschnittsfläche des pn-Übergangs und K eine Konstante.
Da der Widerstand R3 im wesentlichen auf einer Hierin ist ρ der spezifische Widerstand in Ohm des betrachteten Gebiets und b der Radius des pn-Ubergangs in Zentimeter, kreisförmig angenommen. Da ρ = π b%, ergibt sich für die Formel 3
Thereof is V ma x the applied reverse voltage less the contact stress, the gradient of the distribution of the foreign atoms in the area of the pn junction, S α the cross sectional area of the pn junction and K is a constant.
Since the resistance R 3 is essentially on a Here, ρ is the specific resistance in ohms of the area under consideration and b is the radius of the pn junction in centimeters, assumed to be circular. Since ρ = π b % , formula 3 results

Die Formeln 2 und 4 zeigen, daß die Kapazität Cm%n proportional dem Querschnitt des pn-Übergangs ist, während der Widerstand Rs umgekehrt proportional mit der Quadratwurzel des Querschnitts ansteigt. Das Produkt R8 · Cmin variiert mit der Quadratwurzel des Querschnitts S, der damit also gering sein muß. Um den Widerstand R8 zu verringern, könnte auch der spezifische Widerstand ρ herabgesetzt werden, indem die Dotierung des Hälbleiterkörpers heraufgesetzt wird; diese Maßnahme bedingt aber eine Verringerung der maximal zulässigen Sperrspannung und hat zur Folge, daß der zu erreichende Wert der Minimalkapazität Cmin vergrößert wird.The formulas 2 and 4 show that the capacitance C m % n is proportional to the cross section of the pn junction, while the resistance R s increases inversely proportional to the square root of the cross section. The product R 8 · Cmin varies with the square root of the cross section S, which must therefore be small. In order to reduce the resistance R 8 , the specific resistance ρ could also be reduced by increasing the doping of the semiconductor body; However, this measure causes a reduction in the maximum permissible reverse voltage and has the consequence that the value to be achieved for the minimum capacitance Cmin is increased.

Wenn geringe Werte für den spezifischen Widerstand ρ und für den Querschnitt S erzielt werden sollen, dann muß also vermieden werden, daß bestimmte Grenzwerte unterschritten werden, weil sonst die maximal zulässige Sperrspannung Vmax an dem pn-Übergang zu gering für irgendeinen Anwendungszweck wird. ' , If low values of resistivity ρ and are to be obtained for the cross section S, then so must be avoided that certain limits are reached, because otherwise the maximum reverse voltage V ma x at the pn junction is too low for any application purpose. ',

Die bisher erzielten besten Resultate wurden mit Siliziumdioden mit Diffusionsübergängen bei einem Verteilungsgradienten der Fremdatome von 1023 bis 1024 Atomen/cm4 erhalten. Die Gütezahlen betragen hierbei 60 bis 120 GHz und können je nachdem auch 200 GHz erreichen.The best results achieved so far have been obtained with silicon diodes with diffusion transitions with a distribution gradient of the foreign atoms of 10 23 to 10 24 atoms / cm 4 . The figure of merit here is 60 to 120 GHz and can also reach 200 GHz, depending on the situation.

Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, den pn-Übergang eines Halbleiterkörpers, der als Kondensator mit spannungsabhängiger Kapazität für parametrische Verstärker für Mikrowellen dient, so zu gestalten, daß eine höhere Gütezahl bei einer . geringeren Rauschzahl gegenüber den bisher bekanntenThe object of the invention is now the pn junction of a semiconductor body, which as Capacitor with voltage-dependent capacitance is used for parametric amplifiers for microwaves, so to shape that a higher figure of merit with a. lower noise figure compared to the previously known

pn-Ubergängen bei Halbleiterkörpern erzielt wird,pn transitions is achieved in semiconductor bodies,

d. h., das Verhältnis Cmax : Cmin soll einen optimalen Wert erreichen. Außerdem soll ein Herstellungsverfahren beschrieben werden, das es gestattet, die Herstellungstoleranzen von solchen Halbleiterkörpern in befriedigenden Grenzen zu halten.ie the ratio C max : Cmin should reach an optimal value. In addition, a production method is to be described which allows the production tolerances of such semiconductor bodies to be kept within satisfactory limits.

Die Aufgabe wird durch einen elektrischen Kondensator mit spannungsabhängiger Kapazizätt gelöst,The task is solved by an electrical capacitor with a voltage-dependent capacitance,

6ü welcher aus einem Halbleiterkörper besteht, der in seinem Innern einen flächenförmigen pn-Übergang sowie einen Verteilungsgradienten der Fremdatome zwischen den beiden Elektroden über den pn-Ubergang aufweist und der eine mit dem pn-Übergang in Verbindung stehende Zone besitzt, deren zum pn-Übergang parallel liegende Querschnittsfläche sich stetig mit dem Abstand vom pn-Übergang ändert, wobei erfindungsgemäß der Verteilungsgradient der6ü which consists of a semiconductor body that is shown in its interior a planar pn-junction as well as a distribution gradient of the foreign atoms between the two electrodes via the pn junction and the one with the pn junction in Has connected zone, the cross-sectional area of which is parallel to the pn junction changes steadily with the distance from the pn junction, the distribution gradient according to the invention being the

Fremdatome in der Nachbarschaft des pn-Überganges 10ie bis 1021 Fremdatome je Kubikzentimeter und je Zentimeter beträgt und die Zone mit stetiger Querschnittsänderung kegelförmig gestaltet ist und der Winkel Θ zwischen der Ebene des pn-Übergangs und dem Kegelmantel zwischen 1 und 10° beträgt sowie der pn-Übergang innerhalb der kegelförmigen Zone liegt.Foreign atoms in the vicinity of the pn junction is 10 ie to 10 21 foreign atoms per cubic centimeter and per centimeter and the zone with constant cross-sectional change is conical and the angle Θ between the plane of the pn junction and the surface of the cone is between 1 and 10 ° and the pn junction lies within the conical zone.

Das Herstellungsverfahren eines solchen erfindungsgemäßen elektrischen Kondensators besteht darin, daß der Halbleiterkörper aus einem Monokristall geschnitten wird, der durch Ziehen bei einer dem gewünschten Verteilungsgradienten der Fremdatome der Übergangsschicht entsprechenden Geschwindigkeit gewonnen wird, und daß dieser Halbleiterkörper anschließend in ein elektrolytisches Bad bei umgekehrter Spannung gebracht wird, um im η-Bereich des Halbleiters in unmittelbarer Nachbarschaft des pn-Übergangs eine Einschnürung zu bilden dergestalt, daß der Halbleiter zum p-Bereich hin zu einem sehr stumpfen, den pn-Übergang umfassenden Kegel geformt wird und der pn-Übergang die gewünschte Flächenausdehnung erhält.The manufacturing process of such an electrical capacitor according to the invention consists in that the semiconductor body is cut from a monocrystal, which by pulling at one of the desired distribution gradient of the foreign atoms of the transition layer corresponding speed is obtained, and that this semiconductor body is then placed in an electrolytic bath at the reverse Voltage is brought to in the η range of the semiconductor in the immediate vicinity of the pn junction to form a constriction in such a way that the semiconductor towards the p-region to a very obtuse cone comprising the pn junction and the pn junction the desired one Area extension received.

Die Erfindung wird nachstehend für ein Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnungen näher as erläutert. Es zeigtThe invention is described in more detail below for an exemplary embodiment with reference to the drawings explained. It shows

F i g. 1 einen Halbleiterkörper gemäß der Erfindung,F i g. 1 shows a semiconductor body according to the invention,

F i g. 2 die Ladungsträgerverteilung zu beiden Seiten des pn-Übergangs,F i g. 2 the charge carrier distribution on both sides of the pn junction,

F i g. 3 eine graphische Darstellung, bei der die Kapazität C in Abhängigkeit von der angelegten Spannung für verschiedene Halbleiterkörper dargestellt ist.F i g. 3 shows a graph in which the capacitance C is shown as a function of the applied voltage for various semiconductor bodies.

In der F i g. 1 ist das η-Gebiet mit 1 bezeichnet und das p-Gebiet mit 3. Der pn-Übergang ist mit 2 bezeichnet. Mit 4 und 5 sind von pn-Übergang unabhängige Kontakte bezeichnet.In FIG. 1, the η region is denoted by 1 and the p region is denoted by 3. The pn junction is denoted by 2. Contacts that are independent of the pn junction are denoted by 4 and 5.

An das p-Gebiet 3 schließt sich ein sehr flacher Kegelstumpf oder Konus an, der eine Einschnürung im η-Gebiet aufweist. Der pn-Übergang befindet sich nicht an der Stelle des minimalen Querschnitts, sondern in der kegelförmigen Zone, und zwar dort, wo die Querschnittsänderung am größten ist. Auf diese Weise wird eine große Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von der angelegten Spannung erzielt, so daß der Kapazitätswert schneller als proportional mit dem reziproken Wert der Kubikwurzel der Spannung ansteigt. Wenn ein pn-Ubergang eines bekannten Halbleiters unter der Wirkung einer angelegten Spannung Kais Kondensator betrachtet wird, dessen Beläge die Gebiete entgegengesetzter Ladung auf der einen und der anderen Seite des Übergangs sind, dann ergibt sich bekanntlich, daß sich die Kapazität umgekehrt proportional mit der Kubikwurzel der Spannung V ändert, wobei angenommen werden kann, daß die Oberfläche dieser Beläge konstant bleibt, während der Abstand der Beläge obenstehendem Gesetz folgt.A very flat truncated cone or cone, which has a constriction in the η region, adjoins the p region 3. The pn junction is not located at the point of the minimum cross section, but in the conical zone, specifically where the change in cross section is greatest. In this way, a large change in capacitance is achieved as a function of the applied voltage, so that the capacitance value increases faster than proportionally with the reciprocal value of the cube root of the voltage. If a pn-junction of a known semiconductor is considered under the effect of an applied voltage Kai's capacitor, the surfaces of which are the areas of opposite charge on one and the other side of the junction, then it is known that the capacitance is inversely proportional to the cube root of the voltage V changes, it being possible to assume that the surface of these deposits remains constant, while the distance between the deposits follows the above law.

Wenn der pn-Ubergang, wie in F i g. 1 und 2 dargestellt, sich in der kegelförmigen Zone des Halbleiterkörper befindet, deren Erzeugende einen Winkel <~) mit der Ebene des pn-Übergangs bildet, der sehr klein ist, dann bewirkt eine Vergrößerung der Spannung V eine Verringerung der Oberfläche des Kondensatorbelages, je größer der Abstand der Beläge wird, während die Oberfläche des anderen Kondcnsatorbelagcs gleichzeitig leicht ansteigt. Bei dem Halbleiterkörper nach der Erfindung ergibt sichIf the pn junction, as shown in FIG. 1 and 2, is located in the conical zone of the semiconductor body, the generatrix of which forms an angle <~) with the plane of the pn junction, which is very small, then an increase in the voltage V causes a reduction in the surface of the capacitor coating, depending the distance between the pads becomes larger, while the surface of the other condenser pad increases slightly at the same time. In the case of the semiconductor body according to the invention, this results

demnach eine Verringerung der Oberfläche des Kondensatorbelages, wenn der Abstand zwischen seinen Belägen vergrößert wird, und zwar proportional mit der Kubikwurzel, womit demnach eine Kapazitätsverringerung verbunden ist, die schneller als die durch accordingly, a reduction in the surface of the capacitor plate when the distance between its coverings is enlarged, proportionally with the cube root, which is therefore associated with a reduction in capacity that is faster than that by

das Gesetz V 5 gegebene ist. Diese anwachsende Nichtlinearität der Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von der angelegten Spannung geht deutlich aus dem Vergleich der Kurven 1 und 2 der Fig. 3 hervor, die empirisch ermittelt wurden.the law V 5 is given. This increasing non-linearity of the change in capacitance as a function of the applied voltage can be clearly seen from the comparison of curves 1 and 2 in FIG. 3, which were determined empirically.

Die Kurve 1 entspricht einem pn-Übergang, der in einem Halbleiterkörper gemäß der Erfindung angeordnet ist, wobei ein Verteilungsgradient der Fremdatome von 1020 Atomen/cm4, ein kreisförmiger Querschnitt des pn-Ubergangs mit einem Durchmesser von 100 μ vorgesehen ist, der so in dem kegelförmigen Teil des Halbleiterkörpers angeordnet ist, wie es in F i g. 1 und 2 dargestellt ist. Der Winkel Θ beträgt dabei einige Grad. Auf diese Weise erreicht der FaktorCurve 1 corresponds to a pn junction which is arranged in a semiconductor body according to the invention, a distribution gradient of the foreign atoms of 10 20 atoms / cm 4 , a circular cross section of the pn junction with a diameter of 100 μ being provided, which is so is arranged in the conical part of the semiconductor body, as shown in FIG. 1 and 2 is shown. The angle Θ is a few degrees. In this way the factor achieves

μ =μ =

fast den theoretischen Optimalwert 1 -\- ]/2.almost the theoretical optimal value 1 - \ - ] / 2.

Die Kurve 2 entspricht einem pn-Übergang bei gleichem Verteilungsgradienten und gleichem Querschnitt, wobei aber der pn-Übergang in dem engsten Teil der Einschnürung angeordnet ist, d. h. in einem zylindrischen Profil, dessen Erzeugende mit der Ebene des pn-Übergangs einen Winkel von 90° bildet.Curve 2 corresponds to a pn transition with the same distribution gradient and the same cross-section, but the pn junction is arranged in the narrowest part of the constriction, d. H. in one cylindrical profile, the generatrix of which forms an angle of 90 ° with the plane of the pn junction.

Die Kurve 3 ist zum Vergleich aufgetragen, und zwar mit dem gleichen Maßstab wie die Kurven 1 und 2. Sie zeigt die Kapazitätsänderung in Abhängigkeit von der angelegten Spannung bei einer »Mesadiode« aus Silizium, deren Verteilungsgradient 1023 bis 1024 Atome/cm4 beträgt und wobei der pn-Übergang in einem nahezu zylindrischen Profil untergrebacht ist.Curve 3 is plotted for comparison, using the same scale as curves 1 and 2. It shows the change in capacitance as a function of the applied voltage for a "mesadiode" made of silicon with a distribution gradient of 10 23 to 10 24 atoms / cm 4 and the pn junction is undergrebacht in an almost cylindrical profile.

Bei dem Halbleiterkörper gemäß der Erfindung ergibt sich außerdem noch der Vorteil, daß der Widerstand Rg des pn-Übergangs leicht abnimmt, wenn die angelegte Spannung ansteigt. Der Widerstand Rs wird im wesentlichen durch das p-Gebiet gebildet, d. h. durch das Gebiet, wo sich der größere Kondensatorbelag befindet, dessen Oberfläche, wie leicht einzusehen ist, mit zunehmender Spannung V anwächst, so daß der Widerstand R8 zwangläufig kleiner wird. Mit dem oben beschriebenen elektrischen Kondensator kann also ein parametrischer Verstärker mit maximalem Gewinn und geringster Rauschzahl aufgebaut werden.The semiconductor body according to the invention also has the advantage that the resistance Rg of the pn junction decreases slightly when the applied voltage increases. The resistance R s is essentially formed by the p-area, ie by the area where the larger capacitor plate is located, the surface of which, as can easily be seen, increases with increasing voltage V , so that the resistance R 8 inevitably becomes smaller. With the electrical capacitor described above, a parametric amplifier with maximum gain and lowest noise figure can be built.

Das Herstellungsverfahren für einen derartigen elektrischen Kondensator mit nichtlinearer Kapazität gemäß der Erfindung ist folgendes:The manufacturing method for such an electric nonlinear capacitance capacitor according to the invention is the following:

Eine halbleitende Substanz, vorzugsweise Germanium, wird zur Herstellung eines Monokristalls verwendet, der zwei Gebiete, nämlich ein n-Gebiet und ein p-Gebiet, besitzt. Vorausgesetzt, daß der Übergang in Richtung von ρ nach η vollzogen wird, sind die Herstellungsschritte folgende:A semiconducting substance, preferably germanium, is used to make a monocrystal which has two regions, namely an n region and a p region. Provided that the When the transition from ρ to η is completed, the manufacturing steps are as follows:

1. In das Germaniumbad wird ein gewisser Anteil von Fremdatomen des Akzeptortyps wie Indium oder Gallium eingeführt, um ein Halblcitergebiet des Typs ρ mit bestimmtem spezifischem Widerstand zu erhallen.1. A certain proportion of foreign atoms of the acceptor type such as indium is in the germanium bath or gallium introduced to form a half-liter area of the type ρ with a certain specific resistance to echo.

7 87 8

2. Ziehen eines Monokristalls im p-Bereich mit bestimmten Querschnitts zu erhalten, die in einer kegeleiner bestimmten Länge. förmigen Zone mit optimalem Spitzenwinkel an-2. Pulling a monocrystal in the p-area with certain cross-section to get that in a cone certain length. shaped zone with an optimal point angle.

3. Beim fortgesetzten Ziehen, des Monokristalls geordnet ist.3. With continued pulling, the monocrystal is ordered.

wird, eventuell in steigendem Maße, der be- Abschließend sollen nachstehend die wichtigstenwill, possibly to an increasing extent, the following are the most important

stimmte Anteil von Donatorfremdatomen wie 5 Abmsssungjn, die Hsrsteüungsangibsn und dieCorrect proportion of donor foreign atoms such as 5 dimensions, the Hsrsteüungsangibsn and the

Antimon oder Arsen hinzugefügt, um das Band Charakteristiken einss pn-Hilbleiters gsmiß derAntimony or arsenic added to the band characteristics of a pn semiconductor

vom Typ ρ zum Typ η übergehen zu lassen, so Erfindung ang^gsb^n wsrdan, dir zur paramstrischento pass from type ρ to type η, so invention ang ^ gsb ^ n wsrdan, dir to paramstric

daß ein bestimmter spezifischer Widerstand im Verstärkung bsi Mikrowellen verwandet werden kann. η-Gebiet erzielt wird.that a certain specific resistance can be used in amplification bsi microwaves. η area is achieved.

,,τ? . . - ry. , , ., . . „ , . ίο Dimensionen eines Halbleiterstäbchens:,, τ? . . - ry. ,, .,. . ",. ίο Dimensions of a semiconductor rod:

4. Fortsetzen des Ziehens des Monoknstalls bis4. Continue pulling the mono stall until

zum Erreichen einer bestimmten Länge des Länge des η-Gebiets 2 mmto achieve a certain length of the length of the η region 2 mm

η-Bereichs. Länge des p-Gebiets 1 mmη range. Length of the p-region 1 mm

5. Aufteilen des Monokristalls in mehrere zylindri- Durchmesser des ^5. Dividing the monocrystal into several cylindri- diameters of the ^

sehe paraUelepipedische Stäbchen geringer Ab- 15 KhmlTef der Pin μ see paraUelepipedic rods with a small dis- 15 KhmlTef of the pin μ

messungen mittels einer Säge oder einer Ultra- uurcnmesser der bin-measurements by means of a saw or an ultra-micrometer of the

schallanlage, wobei jedes dieser Stäbchen einen »hnurung etwa 70 bis 80 μsound system, each of these rods having a value of around 70 to 80 μ

pn-Übsrgang enthält. Die Länge dieser Stäbchen Neigungswinkel etwa 1 b,s 10°contains pn junction. The length of these rods inclination angle about 1 b, s 10 °

SX Gr£ornga5rnm,QUerSChnitt * . Herstellungsangaben: SX Gr £ orn g a5rnm, QUerSChnitt *. Manufacturing information:

6. Anlöten der sperrschichtfreien Kontakte 4 und 5 Material des Halbleiters.. Germanium an diese Stäbchen. Spezifischer Widerstand6. Solder the barrier layer-free contacts 4 and 5 material of the semiconductor .. Germanium to these chopsticks. Specific resistance

_' iv. . ,' ' , des P-Gebietes 0,01 Ohm/cm_ 'iv. . , '', of the P-area 0.01 ohm / cm

7. Überziehen der sperrschichtfreien Kontakte 4 Spezifischer Widerstand7. Plating the non-barrier-layer contacts 4 Resistivity

und 5 mit einem Schutzlack. Die Stäbchen 25 im n-Gebiet ...'.... 0,002 Ohm/cmand 5 with a protective varnish. The rods 25 in the n-area ...'.... 0.002 Ohm / cm

werden in ein elektrolytisches Bad gebracht, Verteilungsgradient derare placed in an electrolytic bath, distribution gradient of

um sie anschließend einer selektiven elektro- Fremdatome 1020 Atome/cm4 around them then a selective electro- foreign atoms 10 20 atoms / cm 4

lytischen Behandlung zu unterziehen. Das Ver- Ziehgeschwindigkeit ..... 200 mm/Stdto undergo lytic treatment. The drawing speed ..... 200 mm / hour

fahren besteht darin, daß der in Sperrichtung vor- Elektrolytische Behandlung 5 bis 10 mA währenddrive is that the pre-electrolytic treatment in the reverse direction 5 to 10 mA during

gespannte Halbleiter mit seinem Übsrgangs- 30 2 bis 3 Stundenstressed semiconductors with its transition 30 2 to 3 hours

widerstand durch den Elektrolyten überbrückt 2 bis 4 mA währendresistance bridged by the electrolyte during 2 to 4 mA

ist, wodurch die verschiedenen Stellen des Halb- ungefähr 1 Stundeis, making the various places of the half-hour approximately 1 hour

leiterkörpers mehr oder weniger, je nach den Spezifischer Widerstandconductor body more or less, depending on the specific resistance

Arbeitsbedingungen, angegriffen werden, bei des Elektrolyten ·. größer als 1000 OhmWorking conditions to be attacked by the electrolyte ·. greater than 1000 ohms

denen die Leitfähigkeit des Elektrolyts eine 35 which the conductivity of the electrolyte has a 35

besondere Rolle spielt. Charakteristiken des Halbleiters gemäß der Erfindung:plays a special role. Characteristics of the semiconductor according to the invention:

Widerstand in der Durch-Resistance in the

. Durch geeignete Wahl des Elektrolyten, der Zeit laßrichtung [Rs] 0,6 Ohm. By suitable choice of the electrolyte, the time direction [R s ] 0.6 ohms

des Einwirkens der Elektrolyse und der Stromstärke Minimale Kapazität [Cm(n] 0,25 pFthe action of electrolysis and the current intensity Minimum capacity [C m (n ] 0.25 pF

ist es auf diese Weise möglich, einen pn-Übsrgang 40 Güteziffer [/c] 1000 GHz.In this way it is possible to make a pn transition 40 figure of merit [/ c ] 1000 GHz.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

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Claims (4)

1 2 Patentansnrüche- ein subharmonisches Steuersignal geringer Amplitude ' zusätzlich an den Schwingungskreis angelegt, dann zeigt eine solche Anordnung Verstärkereigenschaften1 2 patent claims - a subharmonic control signal of low amplitude is also applied to the oscillating circuit, then such an arrangement shows amplifier properties 1. Elektrischer Kondensator mit spannungs- und wird parametrischer Verstärker genannt,
abhängiger Kapazität, bestehend aus einem Halb- 5 Halbleiter als nichtlineare Blindwiderstände oder leiterkörper, der in seinem Innern einen flächen- bei genügend hohen Frequenzen als Schwingungsförmigen pn-Übergang sowie einen Verteilungs- kreise mit nichtlinearer Kapazität zu verwenden, ist gradienten der Fremdatome zwischen den beiden ebenfalls bekannt. Die Ubergangsschicht eines pn-Halb-Elektroden über den pn-Übergang aufweist und leiters stellt nämlich eine variable Kapazität in Abder eine mit dem pn-Übergang in Verbindung io hängigkeit von der angelegten Sperrspannung dar. stehende Zone besitzt, deren zum pn-Übergang Es ist bekannt, einen Halbleiterkörper mit variaparallel liegende Querschnittsfläche sich stetig mit bier Kapazität derart auszubilden, daß sich seine, dem Abstand vom pn-Übergang ändert, d a d u r ch zum pn-übergang parallele Querschnittsflache sprunggekennzeichnet, daß der Verteilungs- haft mit dem Abstand vom pn-übergang ändert (östergradient der Fremdatome in der Nachbarschaft 15 reichische Patentschrift 180 958).
1.Electric capacitor with voltage and is called parametric amplifier,
dependent capacitance, consisting of a semi-semiconductor 5 as a non-linear reactance or conductor body, which uses a flat pn junction at sufficiently high frequencies as an oscillating pn junction and a distribution circle with non-linear capacitance, is the gradient of the foreign atoms between the two also known. The transition layer of a pn-half-electrode over the pn-junction has a variable capacitance depending on the applied reverse voltage known to form a semiconductor body with variable-parallel cross-sectional area continuously with beer capacitance in such a way that its cross-sectional area parallel to the pn-junction changes with the distance from the pn-junction changes (Austrian gradient of the foreign atoms in the vicinity 15 Reichische Patent 180 958).
des pn-Ubergangs 1019 bis 1021 Fremdatome je Es ist ferner bekannt, einen Halbleiterkörper mitof the pn junction 10 19 to 10 21 foreign atoms per It is also known to have a semiconductor body Kubikzentimeter und je Zentimeter beträgt, daß pn-übergang derart zu ätzen, daß er in der Umge-■ die Zone mit stetiger Querschnittsänderung kegel- bung des pn-Übergangs eingeschnürt wird und die förmig gestaltet ist und der Winkel Θ zwischen Form eines Pyramidenstumpfes annimmt (deutsche der Ebene des pn-Übergangs und dem Kegelmantel 20 Auslcgeschrift 1 029 483).Cubic centimeter and per centimeter is that the pn-junction is to be etched in such a way that it is constricted in the surrounding area with constant cross-sectional change cone of the pn-junction and which is shaped and the angle Θ assumes the shape of a truncated pyramid ( German of the level of the pn junction and the cone jacket 20 Auslcgeschrift 1 029 483). zwischen 1 und 10° beträgt und daß der pn-Über- Entsprechend einem älteren, nicht zum Stand derbetween 1 and 10 ° and that the pn over- Corresponding to an older, not to the state of gang innerhalb der kegelförmigen Zone liegt. Technik gehörenden Vorschlag kann die Kapazitäts-gang lies within the conical zone. Technology related proposal can increase the capacity
2. Elektrischer Kondensator nach Anspruch 1, änderung eines pn-Überganges in Abhängigkeit von dadurch gekennzeichnet, daß sich an den kegel- der angelegten Vorspannung vergrößert werden, införmigen Teil des Halbleiterkörpers in Richtung 25 dem der zwischen dem Übergang und einer der Enddes Stromes ein weiterer Teil anschließt, dessen elektroden gelegenen Zone des Halbleiters eiri konti-Querschnittsfläche stetig zunimmt. nuierlich oder stufenweise sich vermindernder Quer-2. Electrical capacitor according to claim 1, change of a pn junction as a function of characterized in that the pre-tension applied to the cone is increased, in-shaped Part of the semiconductor body in the direction of that between the transition and one of the ends A further part is connected to the current, whose electrode-located zone of the semiconductor has a continuous cross-sectional area steadily increasing. nuely or gradually decreasing transverse 3. Verfahren zum Herstellen eines elektrischen schnitt gegeben wird (deutsches Patent 1 075 745). Kondensators nach mindestens einem der An- In allen genannten Fällen sind die Halbleiterkörper Sprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß 3O mit einem Verteilungsgradienten der Fremdatome der Halbleiterkörper aus einem Monokristall über den pn-übergang versehen.3. Method for producing an electrical cut is given (German Patent 1 075 745). In all cases mentioned, the semiconductor bodies Proverbs 1 and 2, characterized in that 3O is provided with a distribution gradient of the foreign atoms of the semiconductor body made of a monocrystal over the pn junction. geschnitten wird, der durch Ziehen bei einer dem Während man bisher bei der Herstellung derartiger gewünschten Verteilungsgradienten der Fremd- Halbleiter die größten Schwierigkeiten hatte, Halbatome des pn-Übergangs entsprechenden Ge- leiterbauelemente mit gleichbleibenden, genau vorschwindigkeit gewonnen wird, und daß er an- 35 geschriebenen Charakteristiken zu erhalten, was schließend in ein elektrolytisches Bad bei um- bekanntlich die unerläßliche Voraussetzung für Halbgekehrter Spannung gebracht wird, um im η-Be- leiterkörper ist, die bei der parametrischen Verreich des Halbleiters in unmittelbarer Nachbar- Stärkung von Mikrowellen Verwendung finden sollen, schaft des pn-Ubergangs eine Einschnürung zu jst es mit der Lehre der vorliegenden Erfindung erstbilden dergestalt, daß der Halbleiter zum p-Bereich 40 mais möglich, auf einfachste Weise diese hohen hin zu einem sehr stumpfen, den pn-Übergang Genauigkeitsgrade zu erzielen, und zwar in erster umfassenden Kegel geformt wird und der pn-Über- Linie dadurch, daß der Halbleiterkörper mit einem gang die gewünschte Flächenausdehnung erhält. bestimmten Verteilungsgradienten der Fremdatomeis cut, of the foreign semiconductor had by drawing at a the such While up to now in the manufacture of desired distribution gradient the greatest difficulties half atoms of the pn junction corresponding overall conductor devices with constant is obtained exactly vorschwindigkeit, and that he Toggle 35 written characteristics, which is then brought into an electrolytic bath when, as is well known, the indispensable prerequisite for half-inverted voltage is in the η-conductor body, which is to be used in the parametric application of the semiconductor in the immediate vicinity of the strengthening of microwaves , the pn junction stem has a constriction to j st it with the teachings of the present invention erstbilden such that the semiconductor to the p-region 40 ma i s possible, in a simple manner these high out very blunt to one, the pn junction accuracies to achieve, namely in the first comprehensive cone is formed un d of the pn over-line in that the semiconductor body receives the desired areal extension in one go. certain distribution gradients of the foreign atoms 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge- zwischen beiden Endflächen über den pn-Übergang kennzeichnet, daß während des Ziehens des Halb- 45 uncj mjt einer bestimmten Formgebung im Bereich leiter-Monokristalls der Schmelze die gewünschten des pn-Übergangs versehen wird.
Verunreinigungen mit einer zur Erzielung des ge- oas Ersatzschaltbild eines derartigen Halbleiterwünschten Verteilungsgradienten der Fremdatome körpers zeigt eine variable nichtlineare Kapazität C, im Bereich des pn-Übergangs erforderlichen Ge- der ein Widerstand R1, parallel geschaltet ist, wobei schwindigkeit zugesetzt werden. 50 die Kombination (C, Rv) in Serie mit einem Widerstand Rs liegt. Für die Verwendung als parametrischer Verstärker, der auf sehr hohe Frequenzen anspricht, muß dann vorausgesetzt werden, daß sich die Sperr-
4. The method according to claim 3, characterized in that between the two end faces via the pn junction, the desired pn junction is provided during the drawing of the half-45 unc j m j t of a certain shape in the area of the conductor monocrystal of the melt will.
Contaminants of the overall o as equivalent circuit to achieve such a semiconductor Wished distribution gradient of the impurity atoms body showing a variable nonlinear capacitance C in the range of the pn junction overall of a resistor R 1 is connected in parallel required, whereby speed added. 50 the combination (C, R v ) is in series with a resistor R s . For use as a parametric amplifier that responds to very high frequencies, it must then be assumed that the blocking
_ schicht für die Betriebsfrequenz ω als reiner Blind-_ layer for the operating frequency ω as a pure dummy 55 widerstand verhält, d. h. daß die Impedanz des nichtlinearen Kondensators etwa „ beträgt. Diese 55 resistance behaves, d. H. that the impedance of the non-linear capacitor is approximately ". This
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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AT180958B (en) * 1951-02-16 1955-02-10 Western Electric Co Electric circuit with a semiconductor element
DE1029483B (en) * 1954-01-28 1958-05-08 Marconi Wireless Telegraph Co Process for the manufacture of npn or pnp transistors
DE1075745B (en) * 1958-07-02 1960-02-18 Siemens 6- Haiske Aktiengesellschaft-Berlin und München Semiconductor arrangement with a pn junction, in particular for use as a voltage-dependent capacitance

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