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"Durch Feldeffekt gesteuerte Diode" Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist eine durch Feldeffekt gesteuerte Diode, insbesondere eine spannungsgesteuerte
Halbleiter-Schaltvorrichtung, welche ein Festkörper-Analogon zu einem gasgefüllten
Thyratron darstellt.
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Ein gasgefülltes Thyratron ist eine Elektronenröhre mit einer Anode,
einer Kathode und mindestens einem Steuergitter zwischen Anode und Kathode, Wenn
bei Benutzung des Thyratrons die Steuergitter-Spannung stärker negativ als ein bestimmter
kritischer Wert gehalten wird, ist die Röhre nichtleitend und der Anodenstrom bleibt
Null. Wird jedoch die Steuergitter-Spannung erhöht auf einen Wert, welcher weniger
stark negativ ist als der kritische Wert, so wird die Röhre leitend und der Anodenstrom
nimmt einen Wert an, der sich in etwa bestimmt aus der angelegten Anodenspannung
und der Impedanz des Anoden-Stromkreises, Ist allerdings die Thyratron-Röhre erst
einmal eingeschaltet, so kann sie nur dadurch wieder ausgeschaltet werden, daß man
die Anodenspannung für eine kurze Zeit auf Null erniedrigt und sodann die Steuergitter-Spannung
stärker negativ macht als der kritische Wert ist. Das Thyratron ist also eine elektronische
Schaltvorrichtung, die man durch Steuerung der Gitterspannung einschalten kann.
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Eine als Analogon zur Thyratron-Röhre entwickelte Festkörper-Schaltvorrichtung
ist der gesteuerte Silizium-Gleichrichter (Thyristor). Der gesteuerte Silizium-Gleichrichter
ist im Prinzip eine vierschichtige NPNP-Halbleiter-Anordnung mit drei Elektroden.
Die am einen Ende liegende P-Schicht ist die Anode, die am anderen Ende liegende
N-Schicht ist die Kathode, und die andere P-Schicht wird Gate genannt. Bei Benutzung
des gesteuerten Silizium-Gleichrichters besteht solange keine wesentliche Leitung
in Vorwärts-Richtung wie die Anodenspannung nicht einen bestimmten Minimalwert -
die "Durchbruch-Spannung in Durchlaßrichtung - überschreitet. Der Wert dieser Spannung
kann verändert oder gesteuert werden, indem man dem Gate des gesteuerten Silizium-Gleichrichters
ein Strom-Signal zuleitext. Durch Erhöhen des Gate-Stroms wird die Durchbruch-Spannung
herabgesetzt, Wenn also die Anodenspannung kleiner ist als die Durchbruch-Spannung
des gesteuerten Silizium-Gleichrichters und der Gate-Strom Null ist, wird der gesteuerte
Silizium-Gleichrichter nicht leitend und somit ausgeschaltet sein. Durch Erhöhung
des Gate-Stroms wird die Durchbruch-Spannung verringert bis sie die Anodenspannung
erreicht; damit wird der gesteuerte Silizium-Gleichrichter leitend und somit eingeschalte".
Ist der gesteuerte Silizium-Gleichrichter erst einmal eingeschaltet, so kann er
nicht einfach durch Verminderung des Gate-Stroms wieder abgeschaltet werden. Es
muß vielmehr zusätzlich die Anodenspannung für eine kurze Zeit auf Null verringert
werden, Insofern entspricht also ein gesteuerter Silizium-Gleichrichter einem Thyratron;
er wird nämlich wie dieses durch ein Gate- oder Gitter-Signal eingeschaltet. Der
gesteuerte Silizium-Gleichrichter unterscheidet sich aber auch vom Thyratron, denn
er ist ein stromgesteuertes Bauteil, während das Thyratron ein spannungsgesteuertes
Bauteil darstellt. Der gesteuerte Silizium-Gleichrichter benötigt deshalb höhere
Steuer-Leistungen als eine äquivalente Thyratron-Röhre,
Eine erfindungsgemäße
Halbleiter-Anordnung enthält ein Element aus Halbleiter-Material eines Leitfähigkeits-Typs,
eine Anode, die einen injizierenden Flächenkontakt mit dem Element bildet, unter
einem gewissen Abstand vom injizierenden Flächenkontakt eine Kathode in ohmschem
Kontakt mit dem Element sowie ein Gate, das eine Sperrschicht mit dem Element bildet.
Der Gate-Bereich ist zwischen dem injizierenden Flächenkontakt und der Kathode angeordnet.
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Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform der durch
Feldeffekt gesteuerten Diode gemäß der vorliegenden Erfindung; Fig. 2 die Betriebs-Charakteristik
der erfindungsgemäßen Diode; Fige 3 einen Querschnitt einer gegenüber der in Fig.
1 dargestellten Diode geänderten Ausführungsform; Fig. 4 einen Querschnitt einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung; Fig. 5 einen Querschnitt einer abgewandelten
Diode gemäß Fig. 4; und Fig 6 einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung.
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Beispiel 1 In Fig. 1 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
durch Feldeffekt gesteuerten Diode 10 abgebildet. Die Diode 10 enthält ein quaderförmiges
Element 12 aus N-leitendem Halbleiter-Material, wie z0B0 Silizium oder Germanium
Am
einen Ende des Elements 12 befindet sich ein Anoden-Bereich 14
aus halbleitendem Material vom P Leitfähigkeits-Typ. Die Anode 14 bildet mit dem
Element 12 einen injizierenden Flächenkontakt 16. Am anderen Ende des Elements 12
befindet sich eine Kathode 18 aus halbleitendem Material vom N+ Leitfähigkeits-Typ.
Die Kathode 18 ist in ohmschem Kontakt mit dem Element 12 und hat einen gewissen
Abstand von der PN-Kontaktfläche 16. Ein Gate-Bereich 20 aus Halbleiter-Material
vom P+ Leitfähigkeits-Typ erstreckt sich quer über eine Seite des Elements 12 und
bildet mit diesem eine PN-Sperrschicht. Der Gate-Bereich 20 erstreckt sich vollständig
über die eine Seite des Elements 12, und zwar so, daß er sich zwischen dem Anoden-Bereich
14 und der Kathode 18 befindet. Dadurch entsteht ein Kanal 23 zwischen Anoden-Bereich
14 und Kathode 18, der an dem Gate-Bereich 20 vorbeiführt. Anschlußdrähte 24, 26
und 28 sind an dem Anodenbereich 14, an der Kathode 18 und an dem Gate-Bereich 20
befestigt, z.B. mittels einer geeigneten Lötverbindung. Der Anoden-Bereich 14, die
Kathode 18 und der Gate-Bereich 20 können mittels bekannter Techniken hergestellt
werden, etwa durch Eindiffundieren geeigneter leitfähigkeitsändernder Störstellen
in die jeweiligen Teile des Elements 12 oder durch epitaktische Abscheidung dotierter
Halbleiter-Schichten.
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Beim Betrieb der durch Feldeffekt gesteuerten Diode 10 wird eine negative
Spannung an den Gate-Bereich 20 angelegt, während der Dioden-Ubergang 16 positiv
vorgespannt wird, indem die Anode 14 positiv in Bezug auf die Kathode 18 gemacht
wird. Die am Gate-Bereich 20 anliegende umgekehrte Vorspannung verursacht eine Elektronen-Verarmung
in dem Teil des Elements 12, der den Gate-Bereich umgibt, Die Größe der negativen
Vorspannung zwischen Gate-Bereich 20 und Kathode 18 bestimmt die Entfernung, bis
in die sich die verarmte Zone vom Gate-Bereich aus in das Element 12
erstreckt.
Wird der Gate-Bereich 20 hinreichend negativ gegenüber der Kathode 18 gehalten,
so erstreckt sich die verarmte Zone vollständig vom Gate-Bereich 20 aus über den
Kanal 23 zwischen Anoden-Bereich 14 und Kathode 18 hinweg. Wenn auf diese Weise
eine vollkommene Elektronen-Verarmung des am Gate-Bereich vorbeiführenden Teils
des Kanals 23 zwischen Kathode 18 und Anodenbereich 14 erfolgt ist, ist die PN-Kontaktfläche
16 vollständig isoliert, so daß keine Stromleitung über die PN-Kontaktfläche 16
stattfindet, was bedeutet, daß die Diode ausgeschaltet ist, Wird die Vorspannung
des Gate-Bereichs 20 jedoch weniger stark negativ gemacht, so entsteht ein nicht
mehr verarmter Teil im Kanal 23, durch welchen hindurch eine Stromleitung vom Anoden-Bereich
14 zur Kathode 18 und über die PN-Kontaktfläche 16 hinweg erfolgt, d.h. die Diode
wird in Durchlaßrichtung vorgespannt. Durch diese Leitung über die PN-Kontaktfläche
16 hinweg werden Löcher in das Element 12 injiziert, wodurch sich die Größe der
verarmten Zone des Kanals 23 solange verringert, bis letzterer vollständig offen
ist für die volle Stromleitung zwischen Anoden-Bereich 14 und Kathode 18 Es gibt
einen kritischen Wert der an den Gate-Bereich angelegten negativen Spannung, bei
der die Steuerung der Dioden-Leitfähigkeit ermöglicht wird. Dieser kritische Wert
der Gate-Spannung wird durch die Linie 30 in der graphischen Darstellung (Fig. 2)
bestimmt0 Ist die Gate-Spannung hinreichend negativ, so daß sie links der Linie
30 liegt, ist die Diode 10 ausgeschaltet. Wird die Gate-Spannung jedoch weniger
negativ eingestellt, so daß sie rechts der Linie 30 liegt, so wird die Diode 10
eingeschaltet und leitet den Strom. Leitet die Diode 10 erst einmal, so kann man
sie nicht einfach dadurch abschalten, daß man die Gate-Spannung wieder stärker negativ
macht, Man muß vielmehr auch noch die Anoden-Spannung für eine kurze Zeit zu Null
oder negativ machen, um die Leitung zu unterbrechen. Somit
ist die
durch Feldeffekt gesteuerte Diode 10 ein spannungsgesteuerter Schalter und damit
ein echtes Analogon auf Festkörper-Basis zur gasgefüllten Thyratron-Röhre.
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Die in Fig. 1 dargestellte durch Feldeffekt gesteuerte Diode 10 hat
zwar ein Element 12 aus Halbleiter-Material vom N-Typ, eine Anode 14 vom P+ Typ,
eine Kathode vom N+ Typ und ein Gate vom P+ Typ; genausogut könnte jedoch die Diode
ein Element vom P-Typ, eine Anode vom N+ Typ, eine Kathode vom P+ Typ und ein Gate
vom N+ Typ haben, Außerdem könnte ein Leck über die Gate-Kontaktfläche 22 in Richtung
auf die Anoden-Kontaktfläche 16 eine Stromleitung über die Anoden-Kontaktfläche
hinweg bewirken, wodurch sich die Diode 10 unbeabsichtigt einschalten könnte, Um
ein solches unbeabsichtigtes Einschalten der Diode 10 durch ein Leck über die Gate-Kontaktfläche
22 zu verhindern, kann man ein Register über die Anoden-Kontaktfläche 16 hinweg
schalten.
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Beispiel 2 In Fig. 3 ist eine Modifikation der durch Feldeffekt gesteuerten
Diode dargestellt und mit 110 bezeichnet. Diese Diode 110 besitzt ein zweites Gate
220 in der dem Gate 120 gegenüberliegenden Seite des Elements 112 direkt gegenüber
dem Gate 120, so daß der Kanal 123 zwischen Anode 114 und Kathode 118 zwischen den
beiden Gates hindurchführt. Die Diode 110 kann dadurch in ihrem ausgeschalteten
Zustand gehalten werden, daß eine Gate-Spannung, die niedriger ist als die kritische
Gate-Spannung, an eines der beiden Gates angelegt wird, oder indem an beide Gates
gleichzeitig eine negative Gate-Spannung angelegt wird, wobei die gesamte Gate-Spannung
ausreichend sein muß um den Kanal 123 zwischen den beiden Gates vollständig zu verarmen,
so daß dieser Kanal zwischen den beiden Gates abgeschnürt wird.
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Wenn an beide Gates eine Gate1Spannung angelegt ist, verursacht
ein
Impulst der einem der beiden Gates zugeführt wird und die gesamte Gate-Spannung
schwächer negativ macht als die kritische Gate-Spannung, ein Einschalten der Diode.
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Eine derartig aufgebaute Diode kann so als ein logisches ttoder"-Gate
Verwendung finden.
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Beispiel 3 Eine bevorzugte Ausführungsform der durch Feldeffekt gesteuerten
Diode ist in Fig, 4 dargestellt und mit 32 bezeichnet, Die Diode 32 enthält ein
kreisrundes Element 34 aus halbleitendem Material eines Leitfähigkeits-Typs, z.B.
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des N-Typs, mit ebenen Endflächen. Die eine Endfläche des Elements
34 ist von einem Anoden-Bereich 36 eines Leitfähigkeits-Typs bedeckt, der demjenigen
des Elements 34 entgegengesetzt ist, etwa vom P+ Typ. Der Anoden-Bereich 36 bildet
mit dem Element 34 einen injizierenden Flächenkontakt 38. Ein kreisringförmiger
Gate-Bereich 40 vom entgegengesetzten Leitfähigkeits-Typ wie ihn das Element 34
besitzt, etwa vom P+ Typ, ist an der anderen Endfläche des Elements 34 angeordnet
und verläuft längs des Umfangs des Elements 54. Der Gate-Bereich 40 bildet eine
PN-Sperrschicht 42 mit dem Element 54. Ebenfalls in der anderen Endfläche des Elements
34 befindet sich eine Kathode 44, und zwar in einem gewissen Abstand zum Gate-Bereich
40 in der Mitte desselben, Die Kathode 44 ist vom gleichen Leitfähigkeits-Typ wie
das Element 34, jedoch von niedrigerem spezifischen Widerstand, also etwa vom N+
Typ. Sie befindet sich außerdem in ohmschem Kontakt mit dem Element 34.
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Die Kathode 44 ist flacher als der Gate-Bereich 40, so daß sich ein
Teil des Gates zwischen Anode 36 und Kathode 44 befindet. So ergibt sich ein Leitungs-Kanal
45 längs des Elements 34 zwischen Anode und Kathode, der durch das Gate hindurchgeht.
Anschlußdrähte 46, 48 und 50 sind an Anode 36, Kathode 44 und Gate 40 beispielsweise
durch Löten angeschlossen.
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Die durch Feldeffekt gesteuerte Diode 32 arbeitet auf gleiche Weise
wie die Diode 10 gemäß Fig. 1. Wird an den Gate-Bereich 40 eine Gate-Spannung angelegt,
die stärker negativ ist als die kritische Gate-Spannung, so wird der Kanal 45 innerhalb
des Gate-Bereichs vollständig verarmt, so daß er abgeschnürt ist und eine Stromleitung
von der Anode 36 zur Kathode 44 verhindert. Macht man jedoch die Gate-Spannung weniger
negativ als die kritische Spannung, dann wird der Kanal 45 geöffnet und somit eine
Stromleitung über die PN-Kontaktfläche 38 hinweg von der Anode zur Kathode ermöglicht,
die Diode 32 als eingeschaltet. Bei einer Diode 32, deren Element 34 mit einer Störstellen-Konzentration
von 10 14cm#3 dotiert ist, die einen inneren Durchmesser des Gate-Bereichs 40 von
202 3Mikrometer und einen Abstand zwischen der PN-Kontaktfläche 38 und dem Gate-Bereich
40 von 152,4 Mikrometer hat, beträgt die kritische Gate-Spannung der Diode -7,6
Volt. Eine solche Diode kann durch eine Gate-Spannung im ausgeschalteten Zustand
gehalten werden, die stärker negativ ist als -7,6 Volt, und kann e#geschaltet werden,
indem man die Gate-Spannung weniger negativ als -7,6 Volt macht, Eine derartige
Diode hält zwischen 1500 und 1600 Volt über die Dioden-Kontaktfläche 38 aus.
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BeisPiel 4 In Fig. 5 ist eine Modifikation der durch Feldeffekt gesteuerten
Diode gemäß Fig. 4 dargestellt und mit 132 bezeichnet, die bei höheren Leistungen
betrieben werden kann.
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Die Diode 132 enthält ein flaches kreisrundes Element 134 aus halbleitendem
Material eines Leitfähigkeits-Typs mit ebenen Endflächen und von größerem Durchmesser
als das Element 34 der in Fig. 4 abgebildeten Diode 32. Die eine Endfläche des Elements
134 ist von einem Anoden-Bereich 136 eines Leitfähigkeits-Typs bedeckt, der demjenigen
des Körpers
134 entgegengesetzt ist. Der Anoden-Bereich 136 bildet
mit dem Element 134 einen injizierenden PN-Flächenkontakt 138. Ein Paar konzentrischer,
kreisringförmiger Gate-Bereiche 140 und 240 sind an der anderen Endfläche des Elements
134 angeordnet, wobei der äußere Gate-Bereich 140 längs des Umfangs des Elements
134 verläuft, Die Gate-Bereiche 140 und 240 sind beide von dem Element 134 entgegengesetztem
Leitfähigkeits-Typ und bilden PN-übergänge 142 und 242 mit dem Element 134. Ebenfalls
in der anderen Endfläche befindet sich eine erste Kathode 144, und zwar in der Fläche
innerhalb des Gate-Bereichs 240o Außerdem befindet sich in dieser anderen Endfläche
eine zweite Kathode 244 zwischen den beiden Gate-Bereichen 140 und 240.
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Die Kathoden 144 und 244 sind vom gleichen Leitfähigkeits-Typ wie
das Element 134, jedoch von niedrigerem spezifischen Widerstand. Sie befinden sich
außerdem in ohmschem Kontakt mit dem Element 134. Die Kathoden 144 und 244 sind
außerdem flacher als die Gate-Bereiche 140 und 240, so daß sich ein Teil der Gate-Bereiche
zwischen der Anode und den Kathoden befindet. Ein Anschlußdraht 146 ist mit der
Anode 136, ein Anschlußdraht 148 mit den beiden Kathoden 144 und 244 und ein Anschlußdraht
150 mit den Gate-Bereichen 140 und 240 verbunden.
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Beim Betrieb der Diode 132 wird diese dadurch im ausgeschalteten Zustand
gehalten, daß an die beiden Gate-Bereiche 140 und 240 eine Spannung angelegt wird,
die stärker negativ ist als die kritische Spannung. Die an den Gate-Bereich 140
angelegte Steuerspannung verursacht eine Verarmung im Kanal 245, der zwischen den
beiden Gate-Bereichen 140 und 240 zur Kathode 244 verläuft0 Die an den Gate-Bereich
240 angelegte Steuerspannung verursacht eine Verarmung im Kanal 145, der innerhalb
des Gate-Bereichs 240 zur Kathode 144 verläuft und auch eine Verarmung im Kanal
245, der zwischen den beiden Gate-Bereichen 140 und
240 zur Kathode
244 verläuft. Da die Diode 132 größer ist als die Diode 32 nach Fig. 4 kann sie
mit mehr Leistung betrieben werden. Die Diode 132 ist mit zwei Gate-Bereichen und
zwei Kathoden dargestellt. Je nach Größe der Diode kann sie auch mehr als zwei Gate-Bereiche
und Kathoden aufweisen.
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Beispiel 5 In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der durch Feldeffekt
gesteuerten Diode dargestellt und mit 52 bezeichnet.
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Diese Diode 52 ist von planparalleler Gestalt und kann zum Bestandteil
einer integrierten Schaltung gemacht werden.
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Die Diode 52 enthält ein ebenes Substrat 54 aus halbleitendem Material
eines Leitfähigkeits-Typs, etwa vom P-Typ, mit einer auf eine Oberfläche aufgebrachten
Schicht 56 vom entgegengesetzten Leitfähigkeits-Typ, etwa vom N-Typ.
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Die Schicht 56 bildet den aktiven Teil der Diode und kann entweder
durch Eindiffundieren eines Leitfähigkeits-Veränderers in die Oberfläche des Substrats
oder durch epitaktisches Aufwachsen einer Schicht auf die Oberfläche des Substrats
hergestellt werden. Das Substrat 54 kann auch aus isolierendem Material mit epitaktisch
sufgewachsener bzw, mit dem Substrat verbundener Schicht 56 aus Halbleiter-Material
bestehen. An der Oberfläche der Schicht 56 ist ein Anoden-Bereich 58 vorhanden,
der vom entgegengesetzten Leitfähigkeits-Typ ist wie die Schicht 56, also etwa vom
P+ Typ. Der Anoden-Bereich 58 bildet mit der Schicht 56 eine injizierende PN-Kontaktfläche
60. In einem gewissen Abstand von der Anode 58 ist eine Kathode 62 an der Oberfläche
der Schicht 56 vorhanden. Die Kathode 62 ist vom gleichen Leitfähigkeits-Typ wie
die Schicht 56, jedoch von geringerem spezifischen Widerstand, also etwa vom N+
Typ. Sie befindet sich außerdem in ohmschem Kontakt mit der Schicht 56. Zwischen
dem Anoden-Bereich 58 und der Kathode 62 befindet sich ein Gate-Bereich 64 an der
Oberfläche
der Schicht 56. Der Gate-Bereich 64 ist vom entgegengesetzten
Leitfähigkeits-Typ wie die Schicht 56, etwa vom P+ Typ. Er bildet mit der Schicht
56 eine PN-Sperrschicht 66. Der Gate-Bereich 64 geht vollständig zwischen dem Anoden-Bereich
58 und der Kathode 62 hindurch, so daß jede Stromleitung zwischen Anode und Kathode
durch den Kanal 68 unterhalb des Gate-Bereichs 64 erfolgen muß. Anoden-Bereich 58,
Kathode 62 und Gate-Bereich 64 können dadurch hergestellt werden, daß die Oberfläche
der Schicht 56 mit einer Maske, etwa aus Silizium-Dioxid, abgedeckt wird, welche
dort Öffnungen hat, wo Anode, Kathode und Gate vorgesehen sind, und daß geeignete
Leitfähigkeits-Modifizierer in die unbedeckten Flächen der Schicht 56 eindiffundiert
werden.
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Die durch Feldeffekt gesteuerte Diode 52 arbeitet auf die gleiche
Weise wie die Diode 10 gemäß Fig. 1. Indem eine Spannung an den Gate-Bereich 64
angelegt wird, die stärker negativ ist als die kritische Gate-Spannung, wird der
Kanal 68 innerhalb der Schicht 56 zwischen dem Gate-Bereich 64 und dem Substrat
54 vollständig verarmt, so daß keine Stromleitung vom Anoden-Bereich 58 zur Kathode
62 erfolgen kann. Wird die Gate-Spannung weniger negativ gemacht als die kritische
Spannung, so öffnet sich der Kanal und ermöglicht eine Stromleitung über die PN-Kontaktfläche
60 hinweg von der Anode zur Kathode, so daß die Diode eingeschaltet wird.