DE1089072B - Semiconductor arrangement for switching with partially negative resistance characteristic with an elongated semiconductor body - Google Patents
Semiconductor arrangement for switching with partially negative resistance characteristic with an elongated semiconductor bodyInfo
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Description
Halbleiteranordnung zum Schalten mit teilweise negativer Widerstandskennlinie mit einem langgestreckten Halbleiterkörper In der Halbleitertechnik ist eine Reihe von Bauelementen bekannt, deren Stromspannungscharakteristik einen Bereich mit negativer Steigung aufweist. Eine solche Charakteristik, wie sie auch von Gasentladungsröhren bekannt ist, kann für Schaltzwecke ausgenutzt werden, weil die an den fallenden Bereich angrenzenden Teile der Kennlinie einmal einen sehr hohen Widerstand (Sperrzustand) und einmal einen sehr niedrigen Widerstand (Flußzustand) repräsentieren.Semiconductor arrangement for switching with partially negative resistance characteristic with an elongated semiconductor body In semiconductor technology is a series of components known whose voltage characteristics have a range with negative Has slope. Such a characteristic as that of gas discharge tubes is known, can be used for switching purposes because of the falling The area of adjacent parts of the characteristic curve has a very high resistance (blocking state) and represent a very low resistance (flow state).
Die teilweise fallende Stromspannungskennlinie läßt sich bei allen Halbleiterschaltelementen auf sich wechselseitig verstärkende Vorgänge zurückführen.The partially falling current-voltage characteristic can be used for all Lead back semiconductor switching elements to mutually reinforcing processes.
Bei einer Gattung von Halbleiterschaltelementen wird von einer lawinenartigen Ladungsträgervermehrung auf Grund der bei hohen Fehlstärken auftretenden Stoßionisation Gebrauch gemacht. Für den Ionisationsprozeß ist jedoch eine Mindestfeldstärke notwendig, so daß bei diesen Schaltertypen eine Restspannung zwischen Eingangs- und Ausgangselektrode aufrechterhalten werden muß.One type of semiconductor switching element is an avalanche-like one Charge carrier multiplication due to the impact ionization that occurs with high imperfections Made use of. However, a minimum field strength is necessary for the ionization process, so that with these types of switches there is a residual voltage between the input and output electrodes must be maintained.
Ein anderer Mechanismus zur Erzielung einer fallenden Kennlinie besteht in der Widerstandsabsenkung in einem Halbleiterkörper durch eine Minderheitsladungsträger injizierende Elektrode, die über einen Potentialabbau vor der Elektrode eine stärkere Injektion hervorruft.There is another mechanism for achieving a falling characteristic in the drop in resistance in a semiconductor body due to a minority charge carrier Injecting electrode, which via a potential reduction in front of the electrode has a stronger Injection.
Ein solcher Kippmechanismus findet einmal beim Spitzentransistor mit Basiswiderstand, zum anderen in abgewandelter Form bei der Doppelbasisdiode, den Doppelbasistransistoren (Fadentransistoren) und den daraus weiterentwickelten Schalttransistoren mit gestörtem Kollektorübergang Anwendung. Die Spitzentransistoren besitzen neben ihren sonstigen bekannten Nachteilen ein zu kleines Schaltverhältnis, die Doppelbasisdiode kann nur kleine Leistungen in verhältnismäßig großen Zeiten schalten, beim Schalttransistor mit gestörtem Kollektorübergang fließt ein dauernder, wenn auch kleiner Strom vom Kollektor zur Basis ab.Such a toggle mechanism is found in the tip transistor Base resistance, on the other hand in a modified form in the case of the double base diode, the Double base transistors (thread transistors) and the switching transistors developed from them with disturbed collector junction application. The tip transistors own besides Its other known disadvantages are a switching ratio that is too small, the double base diode can only switch small powers in relatively long times, with the switching transistor If the collector junction is disturbed, a permanent, albeit small, current flows from the Collector to the base.
Eine weitere Möglichkeit, eine bei Flächentransistoren sonst nicht erzielbare Stromverstärkung > 1 und damit eine Schaltcharakteristik zu erzielen, besteht in der Anwendung einer pnp-npn-Transistorkombination, die auch zu einem pnpn-Transistor (Hook-Transistor) vereinigt werden können. Ein solches aus drei pn-Übergängen und vier Schichten, von denen zwei sehr dünn ausgeführt sein müssen, bestehendes Bauelement ist schwer zu fertigen, und die genau einzuhaltenden verschiedenen Stromverstärkungsfaktoren sind schlecht reproduzierbar.Another possibility, otherwise not with flat transistors achievable current gain> 1 and thus to achieve a switching characteristic, consists in the use of a pnp-npn transistor combination, which also becomes a pnpn transistor (hook transistor) can be combined. One of three pn junctions and four layers, two of which must be made very thin, The existing component is difficult to manufacture, and the exact ones that must be adhered to are different Current amplification factors are difficult to reproduce.
Die gleichen Nachteile haften auch der dem Hook-Transistor ähnlichen Vierschichtendiode an, die lediglich noch an den beiden Endschichten kontaktiert ist und sich daher leicht in Schaltungen einfügen läßt. Bei ihr bewirkt der Spannungsdurchbruch eines pn-Übergangs die Injektion eines weiteren pn-Übergangs und damit das Leitendwerden der gesamten Vierschichtendiode.The same disadvantages also adhere to that similar to the hook transistor Four-layer diode that only makes contact at the two end layers and can therefore be easily inserted into circuits. The voltage breakdown causes her of a pn junction the injection of a further pn junction and thus becoming conductive of the entire four-layer diode.
Das Halbleiterschaltelement gemäß der Erfindung zeichnet sich gegenüber den vorerwähnten Anordnungen durch einfache Fertigung und dennoch hohen Schalterwirkungsgrad aus, obwohl es nur einen pn-Übergang besitzt und daher wie die Vierschichtdiode mit drei pn-Übergängen nur zwei äußere Anschlüsse aufweist.The semiconductor switching element according to the invention is distinguished from one another the aforementioned arrangements through simple manufacture and yet high switch efficiency off, although it has only one pn junction and therefore like the four-layer diode with three pn junctions has only two external connections.
Die Halbleiteranordnung zum Schalten mit teilweise negativer Widerstandskennlinie besteht aus einem langgestreckten Halbleiterkörper, der auf seiner einen Stirnfläche sperrfrei, auf seiner anderen Stirnfläche über zwei Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, die einen pn-Übergang bilden, kontaktiert ist. Gegenüber den verschiedenen erwähnten Halbleiteranordnungen mit thyratronähnlicher Charakteristik ist die Halbleiteranordnung erfindungsgemäß so ausgeführt, daß das Material des Halbleiterkörpers einen spezifischen Widerstand von wenigstens 100 62 - cm aufweist, daß die beiden Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps derart hochdotiert, daß eine Durchbruchspannung von höchstens 20 V auftritt und daß durch eine Querschnittsverengung des Halbleiterkörpers von der sperrfreien Elektrode zum pn-Übergang und/oder durch Freiätzung des pn-Übergangs ein möglichst hoher Sperrwiderstand von mindestens 1 kQ erzielt ist.The semiconductor arrangement for switching with partially negative resistance characteristics consists of an elongated semiconductor body, which on its one end face barrier-free, on its other end face over two zones of opposite conductivity type, which form a pn junction, is contacted. Compared to the various mentioned Semiconductor arrangements with thyratron-like characteristics are semiconductor arrangements carried out according to the invention so that the material of the semiconductor body has a specific Resistance of at least 100-62 cm has that the two zones are opposite Conductivity type so highly doped that a breakdown voltage of at most 20 V occurs and that by a cross-sectional narrowing of the semiconductor body of the non-blocking electrode to the pn junction and / or by etching the pn junction free the highest possible blocking resistance of at least 1 kΩ is achieved.
Es sei erwähnt, daß ein Transistor, also eine Halbleiteranordnung mit mehreren pn-Übergängen bekannt ist, der eine thyratronähnliche Charakteristik aufweist. Dieser Transistor besteht aus einem langgestreckten Halbleiterkörper und ist auf seiner einen Stirnfläche sperrfrei, auf seiner anderen Stirnfläche über einen pn-Übergang kontaktiert (deutsche Patentschrift 943 664). Im Gegensatz zu- der Anordnung nach der Erfindung handelt es sich bei diesem Transistor um eine Steuerung des Durchflußquerschnitts eines von einer sperrfreien Elektrode ausgehenden Mehrheitsladungsträgerstromes durch zwei einander gegenüberliegende, sperrend ausgeführte Basis- (Tor-) Elektroden. Dabei injiziert die Kollektorelektrode zusätzlich Minderheitsladungsträger, die die Basis- (Tor-) Elektroden im Sinne einer Vergrößerung des Durchflußquerschnitts des Mehrheitsladungsträgerstromes vorspannen, welcher wiederum eine Erhöhung des Minderheitsladungsträgerstromes bedingt. Eine derartige Transistoranordnung ist mit ihren drei pn-Übergängen, insbesondere den Torelektroden, schwer zu fertigen und ergibt wegen der injizierenden Kollektorelektrode kein gutes Schaltverhältnis.It should be mentioned that a transistor, that is, a semiconductor device known with several pn junctions is that a thyratron-like one Has characteristic. This transistor consists of an elongated semiconductor body and is lock-free on one of its faces and over on its other face contacted a pn junction (German patent specification 943 664). In contrast to- According to the arrangement according to the invention, this transistor is a control the flow cross-section of a majority charge carrier flow emanating from a non-blocking electrode by means of two opposing, blocking base (gate) electrodes. The collector electrode also injects minority charge carriers, the the base (gate) electrodes in the sense of an enlargement of the flow cross-section of the majority carrier current, which in turn increases the Minority carrier current conditional. One such transistor arrangement is difficult to manufacture with their three pn junctions, especially the gate electrodes and does not give a good duty cycle because of the injecting collector electrode.
Erwähnt sei weiter, daß bereits ein pni- bzw. npi-Transistor, also ein Halbleiterbauelement mit zwei pn-Übergängen bekannt ist, das aus einem eigenleitenden Halbleiterstab bestehen soll, der auf seiner einen Stirnfläche sperrfrei über einen np-Übergang kontaktiert ist. Der zweite pn-Übergang soll bei ihm zwischen der i-Schicht und der p- bzw. n-Schicht des ersten pn- bzw. np-Übergangs liegen. Demgegenüber weist,das Halbleiterschaltelement gemäß der Erfindung nur einen pn-Übergang auf. Im übrigen hat der bekannte Transistor eine Stromverstärkung C 1 und damit keine thyratronähnliche Charakteristik (deutsche Auslegeschrift 1035 780). Eine solche tritt erst durch die gemeinsame Anwendung der Maßnahmen gemäß der Erfindung auf.It should also be mentioned that a pni- or npi transistor, ie a semiconductor component with two pn junctions, is already known, which is supposed to consist of an intrinsic semiconductor rod, which is contacted on its one end face without blocking via an np junction. The second pn-junction should lie between the i-layer and the p- or n-layer of the first pn- or np-junction. In contrast, the semiconductor switching element according to the invention has only one pn junction. In addition, the known transistor has a current gain C 1 and thus no thyratron-like characteristic (German Auslegeschrift 1035 780). Such occurs only through the joint application of the measures according to the invention.
Im folgenden wird die Wirkungsweise des Schaltelementes an Hand mehrerer schematischer Darstellungen näher erläutert.In the following, the mode of operation of the switching element is illustrated using several Schematic representations explained in more detail.
Fig. 1 a zeigt den prinzipiellen Aufbau des Halbleiterschaltelementes nach der Erfindung; Fig. 1 b bis 1 d stellen die Potentialverhältnisse längs des Halbleiterschaltelementes nach der Fig. 1 a dar; Fig. 2 zeigt schließlich ein praktisches Ausführungsbeispiel des Halbleiterschaltelementes nach Fig. 1. Wie die Fig. 1 a zeigt, besteht das Schaltelement aus einem Halbleiterkörper mit einem np-Übergang 1-2, der sowohl auf der n-Seite 1 (n-(-) wie auch auf der p-Seite 2 stark dotiert (p+) ist, daß ein Zener-Durchbruch schon bei niedrigen Sperrspannungen auftritt. Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß der Zener-Durchbruch auf den plötzlichen Übergang von Elektronen vom Valenzband in das Leitungsband durch hohe Dotierung, nicht auf eine Stoßionisation infolge sehr hoher außen angelegter Spannungen zurückzuführen ist. Aus diesem Grunde läßt_ sich bekanntermaßen bei entsprechend hohen, durch hohe beidseitige Dotierung möglichen Potentialgradienten ein Zener-Durchbruch schon bei Spannungen in der Größe von 6 V und weniger erzielen. An diesen np-Übergang 1-2 schließt sich eine Zone 3 an, die aus einem sehr hochohmigen Halbleitermaterial gefertigt ist. Vorteilhaft wird man hochgereinigtes Silizium mit einem spezifischen Widerstand von 100 bis 100009-cm verwenden, das meistens als schwach p-leitend angenommen werden kann. Durch die langgestreckte Form des hochohmigen Teils des Bauelementes wird so im Ruhezustand ein sehr hoher Widerstand erzielt, der jedoch stromabhängig ist. An dem dem Zener-np-Übergang gegenüberliegenden Ende des hochohmigen Halbleiterkörpers 3 ist eine sperrfreie Kontaktierung 4 vorgesehen. Das Halbleiterschaltelement stellt somit die Kombination einer Zenerdiode 1-2 mit einem stromabhängigen Widerstand 3 dar.Fig. 1 a shows the basic structure of the semiconductor switching element according to the invention; Fig. 1 b to 1 d represent the potential relationships along the Semiconductor switching element according to FIG. 1 a; Finally, Fig. 2 shows a practical one Embodiment of the semiconductor switching element according to FIG. 1. As shown in FIG. 1 a shows, the switching element consists of a semiconductor body with an np junction 1-2, which is heavily doped both on the n-side 1 (n - (-) and on the p-side 2 (p +) is that a Zener breakdown occurs even at low reverse voltages. It should be noted at this point that the Zener breakthrough is based on the sudden Transition of electrons from the valence band to the conduction band due to high doping, cannot be attributed to impact ionization as a result of very high externally applied voltages is. For this reason, as is known, with correspondingly high, by high double-sided doping possible potential gradients a Zener breakthrough already Achieve voltages on the order of 6 V and less. At this np transition 1-2 This is followed by a zone 3, which is made of a very high-resistance semiconductor material is made. It is advantageous to use highly purified silicon with a specific one Use a resistance of 100 to 100009-cm, which is mostly assumed to be weakly p-conductive can be. Due to the elongated shape of the high-resistance part of the component a very high resistance is achieved in the idle state, but this is current-dependent is. At the end of the high-resistance semiconductor body opposite the Zener-np junction 3, a lock-free contact 4 is provided. The semiconductor switching element represents thus the combination of a Zener diode 1-2 with a current-dependent resistor 3 represents.
Die Wirkungsweise wird an Hand der Fig. 1 b bis 1 d erklärt, die den Potentialverlauf längs des Schaltelementes in drei Phasen zeigen. Wird an das Halbleiterschaltelement eine Spannung in Sperrichtung angelegt, so fließen zunächst die sehr kleinen Sättigungsströme der Diode 1-2, bis die Sperrspannung die Zener-Durchbruchsspannung erreicht. Der Potentialverlauf für diesen Fall ist in der Fig. 1 b gezeigt. Solange der Stromfluß noch sehr klein ist, tritt am Widerstand des hochohmigen Halbleiterkörpers ein Spannungsabfall d h = I - R auf, wobei I der Strom über dem Zener-np-Übergang und R der Widerstand des Halbleiterkörpers ist. Wird jetzt die Spannungsdifferenz am np-Übergang gesteigert, so tritt der Moment ein, in dem der gesteigerte Strom den Widerstand des Halbleiterkörpers abbaut (Fig. 1 c). Hierdurch wird mehr Potential zwischen dem p- und n-Teil des np-Übergangs wirksam, so daß infolge der Zener-Charakteristik ein erheblich größerer Strom fließt, der den Widerstand des Halbleiterkörpers weiter herabsetzt. Hierdurch wird ein noch höheres Potential an den np-Übergang gelegt, der einen noch größeren Strom und damit einen nahezu vollständigen Abbau des Widerstandes des Halbleiterkörpers hervorruft (Fig. 1 d). Damit befindet sich das Halbleiterschaltelement im Flußzustand. Es genügt dann die relativ niedrige DurchbruchsspannungZS des Zener-np-Übergangs, um das Halbleiterschaltelement im Flußzustand zu halten.The mode of operation is explained with reference to FIGS. 1 b to 1 d, which show the potential profile along the switching element in three phases. If a voltage in the reverse direction is applied to the semiconductor switching element, the very small saturation currents of the diode 1-2 first flow until the reverse voltage reaches the Zener breakdown voltage. The potential profile for this case is shown in FIG. 1b. As long as the current flow is still very small, a voltage drop d h = I - R occurs across the resistor of the high-resistance semiconductor body, where I is the current across the Zener-np junction and R is the resistance of the semiconductor body. If the voltage difference at the np junction is now increased, the moment occurs when the increased current reduces the resistance of the semiconductor body (FIG. 1 c). As a result, more potential is effective between the p- and n-part of the np-junction, so that, as a result of the Zener characteristic, a considerably larger current flows, which further reduces the resistance of the semiconductor body. As a result, an even higher potential is applied to the np junction, which causes an even greater current and thus an almost complete reduction in the resistance of the semiconductor body (FIG. 1 d). The semiconductor switching element is thus in the flow state. The relatively low breakdown voltage ZS of the Zener-np junction is then sufficient to keep the semiconductor switching element in the forward state.
Die Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Halbleiterschaltelementes gemäß der Erfindung. Durch Diffusion von Bor, Aluminium oder einem anderen p-dotierenden Element erhält der langgestreckte Halbleiterkörper 3 aus hochohmigem Silizium mit 1000 62 - cm spezifischem Widerstand an seinem einen Ende eine stark dotierende p-Schicht 2 von rund 10 1, Stärke. Auf diese p-Schicht 2 wird durch ein Legierungsverfahren eine stark n-leitende Gold-Antimon-Legierungsschicht 1 aufgebracht. Es entsteht so ein stark n- und ein stark p-dotierter np-Übergang 1-2, der eine niedrige Zener-Durchbruchsspannung von rund 6 V besitzt. Um einen möglichst hochohmigen (schwach p-leitenden) Halbleiterkörper anzuschließen, empfiehlt es sich, die Fläche des Zener-np-Übergangs 1-2 relativ klein zu halten und den Halbleiterkörper 3 in der Längsrichtung auszudehnen.Fig. 2 shows an embodiment of the semiconductor switching element according to the invention. By diffusion of boron, aluminum or some other p-dopant Element contains the elongated semiconductor body 3 made of high-resistance silicon 1000 62 - cm specific resistance at its one end a heavily doping p-layer 2 of around 10 1, thickness. This p-layer 2 is applied by an alloying process a highly n-conductive gold-antimony alloy layer 1 is applied. It arises such a heavily n- and a heavily p-doped np junction 1-2, which have a low Zener breakdown voltage of around 6V. A semiconductor body with as high a resistance as possible (weakly p-conducting) to connect, it is advisable to use the area of the Zener-np junction 1-2 relatively to keep small and to expand the semiconductor body 3 in the longitudinal direction.
Um nicht durch die stark-p-leitende Oberfläche den Widerstand des Halbleiterkörpers 3 zu vermindern, wird nach Fig.2 rings um den Zener-npÜbergang das hochohmige Halbleitermaterial 3 abgeätzt, so daß der hochohmige Halbleiterkörper einen veränderlichen Querschnitt aufweist, der an der dem np-Übergang zugewandten Seite am kleinsten ist und dem wirksamen Querschnitt des Zener-np-Übergangs entspricht. An dem sperrfrei kontaktierten Ende erreicht der Halbleiterkörper seinen größten Querschnitt, so daß hier eine gute Wärmeableitung an die als Metallblock ausgebildete Elektrode 4 gegeben ist. Eine gute Wärmeableitung ist wesentlich, damit sich bei erhöhtem Stromfluß keine den Kippvorgang störenden thermischen Effekte ausbilden können.In order not to reduce the resistance of the To reduce semiconductor body 3, according to Figure 2 around the Zener-np transition the high-resistance semiconductor material 3 is etched away, so that the high-resistance semiconductor body has a variable cross section, which at the np junction facing Side is smallest and corresponds to the effective cross-section of the Zener-np junction. The semiconductor body reaches its largest at the end with non-blocking contact Cross-section, so that here a good heat dissipation to the designed as a metal block Electrode 4 is given. Good heat dissipation is essential in order for this to work out increased current flow do not develop thermal effects that would interfere with the tilting process can.
Der hochohmige, infolge der Kristallbaufehler im allgemeinen leicht p-leitende Halbleiterkörper wird sperrfrei, z. B. mit Aluminium, durch die Elektrode 4 kontaktiert. Den Widerstand R des Halbleiterkörpers kann man etwa folgendermaßen abschätzen: Der Widerstand R ist wobei 2 der spezifische Widerstand, L die Länge des Halbleiterkörpers 3 und F die Fläche der Zenerdiode 1-2 darstellt. Für die Annahme l = 0,1 cm und F = 1 - 10-2 cm2 ergibt sich bei einem o von 1000 9 - cm Ein solcher Widerstand dürfte in vielen Fällen für Schaltanwendungen ausreichen.The high-resistance, as a result of the crystal construction defects, generally slightly p-conductive semiconductor body becomes lock-free, e.g. B. with aluminum, contacted by the electrode 4. The resistance R of the semiconductor body can be estimated as follows: The resistance R is where 2 is the specific resistance, L is the length of the semiconductor body 3 and F is the area of the Zener diode 1-2. Assuming l = 0.1 cm and F = 1 - 10-2 cm2, an o of 1000 results in 9 - cm Such a resistor should be sufficient for switching applications in many cases.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DED29562A DE1089072B (en) | 1958-12-10 | 1958-12-10 | Semiconductor arrangement for switching with partially negative resistance characteristic with an elongated semiconductor body |
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| DED29562A DE1089072B (en) | 1958-12-10 | 1958-12-10 | Semiconductor arrangement for switching with partially negative resistance characteristic with an elongated semiconductor body |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE1089072B true DE1089072B (en) | 1960-09-15 |
Family
ID=7040134
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|---|---|---|---|
| DED29562A Pending DE1089072B (en) | 1958-12-10 | 1958-12-10 | Semiconductor arrangement for switching with partially negative resistance characteristic with an elongated semiconductor body |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE1089072B (en) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE943964C (en) * | 1952-10-31 | 1956-08-16 | Western Electric Co | Semiconductor signal transmission device |
| DE1034775B (en) * | 1956-08-02 | 1958-07-24 | Stanislas Teszner | Unipolar transistor with a constriction in the middle part of the semiconductor rod |
| DE1035780B (en) * | 1955-08-29 | 1958-08-07 | Ibm Deutschland | Transistor with intrinsic zone |
-
1958
- 1958-12-10 DE DED29562A patent/DE1089072B/en active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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