DE2205307A1

DE2205307A1 - Feldeffekt-Halbleitervorrichtung

Info

Publication number: DE2205307A1
Application number: DE19722205307
Authority: DE
Inventors: Akio Ikeda; Fujita Takashi Toyonaka; Yamashita (Japan)
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1971-02-08
Filing date: 1972-02-04
Publication date: 1972-08-24
Also published as: NL7201558A; FR2124542B1; FR2124542A1

Description

Thomsen - Γιε DTKE - Bühling TEL. (0β11) 530211 TELEX: 5-24 303 topat

530212

PATENTANWÄLTE

München: Frankfurt/M.:

Dlpl.-Chem.Dr.D.Thomsen Dlpl.-Ing. W. Welnkauff

Dipl.-Ing. H. Tiedtke (Fuchshohl 71)

Dipl.-Chem. G. Bühling
Dipl.-Ing. R. Kinne
Dipl.-Chem. Dr. U. Eggers

8000 München 2

Kaiser-Ludwig-Platze¹!. Februar 1972

Matsushita Electric Industrial Co,, Ltd.
Osaka, Japan

Feldeffekt-Halbleitervorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung oder eine Festkörper-Schaltvorrichtung, bei der die negative Widerstandscharakteristik durch das angelegte Feld gesteuert werden kann.

Konventionelle Halbleitervorrichtungen, bei denen die negative Widerstandscharakteristik durch das angelegte

•ls> Feld gesteuert werden kann, haben das Merkmal, daß alle Elektro-O

*O den, die die Anode, die Katho.de und das Tor umfassen, auf einer j£ Oberfläche eines Halbleitersubstrats angeordnet sind. Die kon- _* ventionellen Halbleitervorrichtungen, die eine solche Elektro-O denanordnung haben, sind jedoch darin nachteilig, daß sie eine begrenzte Stromführungskapazität haben.

Mündlich« Abreden. InsbMondera durch Telefon, bedürfen schriftlich« Bestätigung Postscheck (München) Kto. 11*974 Dreidner Ben* (München) Kto. 55W7O0

Mit der Erfindung wird dieser Nachteil der konventionellen Vorrichtungen vermieden und eine neue und verbesserte Feldeffekt-Halbleitervorrichtung geschaffen, die eine größere Stromführungskapazität als die bisherigen Halbleitervorrichtungen hat.

Mit der Erfindung wird eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung mit zumindest vier Halbleiterschichten geschaffen, die ein Halbleitersubstrat aufweist, einen ersten Bereich, der in dem Halbleitersubstrat durch Dopen (Einfügen) mit einem Störstoff von einer der Hauptflächen des Halbleitersubstrats gebildet ist und eine Leitfähigkeitsart besitzt, die der des Halbleitersubstrats entgegengesetzt ist, und einen ersten Übergang J. zwischen sich und dem Halbleitersubstrat bildet, einen in dem ersten Bereich gebildeten zweiten Bereich, der eine Leitfähigkeitsart besitzt, die der des ersten Bereichs entgegengesetzt ist, und der einen zweiten übergang J_? zwischen sich und dem ersten Bereich bildet, einen in dem zweiten Bereich gebildeten dritten Bereich, der eine Leitfähigkeitsart besitzt, die der des zweiten Bereichs entgegengesetzt ist, und der einen dritten Übergang J, zwischen sich und dem zweiten Bereich bildet; der erste, zweite und dritte Übergang J., J» und J, gehen bis zur Oberfläche des Halbleitersubstrats; eine Isolierschicht bedeckt diese Oberfläche des Halbleitersubstrats mit Ausnahme des von dem dritten Bereich eingenommenen Abschnitts; auf der Isolierschicht ist eine erste Elektrode derart angeordnet, daß sie die Abschnitte des ersten Bereichs und des ersten und zweiten Übergangs J. und Jp überdeckt, die

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an die Oberfläche des Halbleitersubstrats ragen; eine zweite Elektrode befindet sich in Berührung mit dem an die Oberfläche tretenden Abschnitt des dritten Bereichs; und eine dritte Elektrode befindet sich in Berührung mit der anderen Hauptfläche des Halbleitersubstrats.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht eines konventionellen Peldeffekt-Thyristors;

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Feldeffekt-Halbleitervorrichtung;

Fig. 3 zeigt eine grafische Darstellung der Strom-Spannungskennwerte der Halbleitervorrichtung nach Fig. 2; und

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht einer anderen Aus-

führungaform der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.

Ein konventioneller Feldeffekt-Thyristor hat einen in Fig. 1 gezeigten Aufbau. Wie dort gezeigt ist, besitzt der konventionelle Feldeffekt-Thyristor ein n-leitfähiges Halbleitersubstrat 1, p-leitfähige Bereiche 2 und 3, die voneinander unabhängig in dem Halbleitersubstrat 1 gebildet·.sind, einen in

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dem p-leitfähigen Bereich 3 gebildeten n-leitfähigen Bereich 4, eine Isolierschicht 5, die eine der Haupt flächen des Halbleitersubstrats 1 bedeckt, und Elektroden 6, 7 und 8. Dieser konventionelle Thyristoraufbau hat das Merkmal, daß die Anode, die Kathode und das Tor auf der gleichen Oberfläche des Halbleitersubstrats langeordnet sind. Der bei diesem Aufbau auftretende Nachteil ist durch die vorliegende Erfindung beseitigt.

In Fig. 2 ist eine erfindungsgemäße Feldeffekt-Halbleitervorrichtung gezeigt; wie dort dargestellt ist, besitzt sie ein p-leitfähiges Halbleitersubstrat 9> einen in dem Halbleitersubstrat 9 gebildeten n-leitfähigen Bereich 10, einen in dem n-leitfähigen Bereich 10 gebildeten p-leitfähigen Bereich 11, einen in dem p-leitfähigen Bereich 11 gebildeten n-leitfähigen Bereich 12 und drei übergänge J₁, Jp und J,, die zwischen diesen Bereichen gebildet sind. Eine Isolierschicht 13 bedeckt eine der Hauptflächen des Halbleitersubstrats 9 mit Ausnahme eines Abschnitts des n-leitfähigen Bereichs 12. Eine Anode 14 ist auf die andere Hauptfläche des Halbleitersubstrats 9 aufgebracht, und eine Kathode 15 befindet sich in Berührung mit dem an die Oberfläche ragenden Abschnitt des n-leitfähigen Bereichs 12. Ein Tor 16 ist derart auf der Isolierschicht 13 angeordnet, daß es sich über Abschnitte der p-leitfähigen Bereiche 9 und 11 erstreckt, während es die Abschnitte des n-leitfähigen Bereichs 10, die zur Oberfläche des Halbleitersubstrats 9 ragen, körperlich überdeckt.

Wird nun die Anode 1Ί und die Kathode .15 mit dem

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positiven bzw. negativen Anschluß einer Gleichspannungsquelle verbunden und wird eine Gleichspannung an diese Elektroden lH und 15 angelegt, sind die übergänge J₁ und J, in Durchlaßrichtung vorgespannt, während der übergang Jp in Sperrichtung vorgespannt ist. In diesem Zustand liegt daher ein hoher Widerstand vor, bis an dem übergang Jp ein Durchbruch stattfindet. Das Anlegen einer negativen Spannung an das Tor 16 der sich in einem solchen Zustand befindenden Halbleitervorrichtung führt zur Bildung eines Kanals an der Zwischenfläche zwischen der Isolierschicht 13 und dem n-leitfähigen Bereich 10, so daß sich Löcher in Richtung des Übergangs Jp bewegen und gleichzeitig sich Elektronen von dem n-leitfähigen Bereich 12 in Richtung des Übergangs J2bewegen, wodurch eine Vorspannung des Übergangs J₂ in Durchlaßrichtung herbeigeführt wird. Demzufolge erscheint zwischen der Anode 14 und der Kathode 15 der Halbleitervorrichtung ein niedriger Widerstand. Wird die Kathode 15 und die Anode 14 an den positiven bzw. den negativen Anschluß der Gleichspannungsquelle angelegt und liegt die Spannung an diesen Elektroden 15 und 14 an, werden umgekehrt die Übergänge J₁ und J, in Sperrichtung vorgespannt, während der übergang S in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. In diesem Zustand liegt daher ein hoher Widerstand vor, bis ein Durchbruch an den übergängen J₁ und J, stattfindet.

Fig. 3 zeigt die Spannungs-Stromcharakteristik der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung mit einem Aufbau nach Fig. 2. Sie ist in Durchlaßrichtung vorgespannt, wenn ein negativer Widerstand zwischen der Anode und der Kathode erscheint, und die Umsehaltspannung ist in Abhängigkeit von der an das Tor

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angelegten Steuerspannung veränderlich. Die Umsehaltspannung ist Vg₀, wenn an dem Tor keine Spannung anliegt. Die Umschaltspannung wird von dem Wert V_cri auf V₀ „ und V„ _n in Abhängigkeit von dem Wert der negativen Spannung verringert, die an dem Tor anliegt, während die Umsehaltspannung von V₃₀ auf Vg μ vergrößert wird, wenn eine positive Spannung an dem Tor anliegt. Ein solcher negativer Widerstand erscheint, weil der die Haltleitervorrichtung bildende Thyristor einen pnpn-Aufbau

Es wurde zwar eine haltleitervorrichtung mit pnpn-Aufbau zur Erläuterung beschrieben, jedoch kann die Halbleitervorrichtung auch einen npnp-Aufbau haben.

In Fig. *J ist eine andere Ausführungsforir» der erfindungsgemäßen Haltleitervorrichtung dargestellt, die npnpn-Aufbau hat. Diese Feldeffekt-Halbleitervorrichtung hat im Vergleich zu der Vorrichtung nach Fig. 2 eine zusätzliche nleitfähige Schicht. Diese Halbleitervorrichtung kann anstelle des in Fig. ¹J gezeigten npnpn-Aufbaus einen pnpnp-Aufbau haben. Die Halbleitervorrichtung mit dem npnpn- oder dem pnpnp-Aufbau ist durch eine symmetrische negative Widerstandscharakteristik in beiden Richtungen gekennzeichnet.

Das für die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung vorzugsweise verwendete Halbleitermaterial ist irgendeiner der bekannten Halbleiter, beispielsweise Ge, Si, GaAs, GaP und

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Eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung mit einem in Fig. 2 dargestellten Aufbau wurde durch Anwendung der bekannten Störstoff-Diffusionstechnik bei einem Halbleitersubstrat aus p-leitfähigem Silicium und anschließender Auflagerung der Elektroden auf dem Substrat hergestellt. Bei dieser Halbleitervorrichtung ergab sich die in Fig. 3 gezeigte Strom-Spannungscharakteristik in Abhängigkeit vom Anlegen einer Spannung an die Anode und die Kathode, wobei die an das Tor angelegte Spannung als Parameter genommen wurde. Der Wert von Y„_Q betrug 60 Volt, und die an das Tor angelegte Steuerspannung hing von der Stärke der Isolierschicht ab. Diese Vorrichtung konnte einen Strom bis mehrere zehn Ampere steuern. Dies ist die wichtigste Eigenschaft der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung.

Aus der vorhergehenden Erläuterung ergibt sich, daß mit der Erfindung eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung geschaffen wird, die einen Strom bis einige zehn Ampere durch eine an dem Tor anliegende Steuerspannung steuern kann und somit vorzugsweise als Festkörper-Schaltvorrichtung verwendet wird.

Mit der Erfindung wird somit eine Feldeffekt-Halbleitervorrichtung geschaffen, bei der die negative Widerstandscharakteristik dur«h das angelegte Feld gesteuert werden kann. Die Halbleitervorrichtung besitzt einen einheitlichen Aufbau, wodurch sie eine Stromführungskapazität hat, die größer als bei den bisher vorgeschlagenen Halbleitervorrichtungen ist.

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Claims

Patentanspruch

Feldeffekt-Halbleitervorrichtung mit zumindest vier Halbleiterschichten, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat (9)» einen ersten Bereich (10), der in dem Halbleitersubstrat (9) durch Dopen eines Störstoffes von einer der Hauptflächen des Halbleitersubstrats (9) gebildet ist und eine Leitfähigkeitsart besitzt, die der des Halbleitersubstrats

(9) entgegengesetzt ist, und einen ersten Übergang (J^) zwischen sich und dem Halbleitersubstrat (9) bildet, einen zweiten Bereich (11), der in dem ersten Bereich (10) gebildet ist und eine Leitfähigkeitsart hat, die der des ersten Bereichs (10) entgegengesetzt ist, und einen zweiten Übergang (Jp) zwischen sich und dem ersten Bereich (10) bildet, einen dritten Bereich (12), der in dem zweiten Bereich (11) gebildet ist und eine Leitfähigkeitsart hat, die der des zweiten Bereichs (11) entgegengesetzt ist, und einen dritten Übergang (J,) zwischen sich und dem zweiten Bereich (11) bildet, wobei der erste, der zweite und der dritte Übergang (J-, J_?, J,) zur Oberfläche des Halbleitersubstrats (9) ragen, eine Isolierschicht (13), die diese Oberfläche des Halbleitersubstrats (9) mit Ausnahme eines Abschnitts des dritten Bereichs (12) bedeckt, eine erste Elektrode (16), die derart auf der Isolierschicht (13) angeordnet ist, daß sie über den Abschnitten des ersten Bereichs

(10) und des ersten und zweiten Überganges (J₁, J_) liegt, die zur Oberfläche des Halbleitersubstrats (9) ragen, eine zweite Elektrode (15), die mit dem an die Oberfläche ragenden Abschnitt des dritten Bereichs (12) in Berührung steht, und eine

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dritte Elektrode (14), die mit der anderen Hauptfläche des Halbleitersubstrats (9) in Berührung steht.

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