DE1489809B2

DE1489809B2 - Symmetrisch arbeitende Spannungsbegrenzungsvorrichtung mit einem Halbleiterkörper

Info

Publication number: DE1489809B2
Application number: DE1489809A
Authority: DE
Inventors: Ib Knud Nordborg Kristensen (Daenemark)
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1965-11-09
Filing date: 1965-11-09
Publication date: 1974-07-04
Also published as: FR1498908A; CH455053A; SE316840B; DK117440B; GB1158120A; AT265370B; DE1489809A1; NL6615110A; BE688709A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine symmetrisch arbeitende Spannungsbegrenzungsvorrichtung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens zwei gegensinnig gepolte Grenzschichten aufweist und an dem zwei voneinander getrennte Elektroden aus metallisch leitendem Material zur Beaufschlagung des Halbleiterkörpers mit einer oberhalb der Durchbruchsspannung liegenden Betriebsspannung anliegen.

Es ist bekannt, in einem Halbleiterkörper, z. B. aus Silizium (Bandabstand 1,1 eV) oder Germanium, durch entsprechendes Dotieren mit Verunreinigungsmaterial drei Zonen abwechselnder Leitfähigkeit auszubilden und durch Einlegieren je einer Anschlußelektrode in die beiden äußeren Zonen ein Halbleiterbauelement mit einer symmetrischen Strom-Spannungs-Kennlinie herzustellen, wie man sie durch Gegeneinanderschalten zweier Zener-Dioden erhält, und deren jeweils bei positiver und negativer Stromrichtung wirksame Durchbruchbereiche zur symmetrischen Spannungsbegrenzung heranzuziehen (deutsche Auslegeschriften 1 018 560 und 1158 158). Diese Art der Herstellung eines Halbleiterbauelements zur symmetrischen Spannungsbegrenzung ist wegen der komplizierten Dotierungs- und Legierungsverfahren aufwendig. - ■· ■

Es ist weiter bekannt (»Electronics« vom 19. 7.1963, S. 53 bis 55), daß bei gleichrichtenden Metall-Halbleiter-Kontakten, sogenannten Schottky-Kontakten, die statischen Kennlinien sowohl in Durchlaßrichtung als auch in Sperrichtung den üblichen Dioden mit pn-Übergängen entsprechen. Allerdings wurde in Sperrichtung nur der Spannungsbereich bis zur Durchbruchsspannung untersucht; ein Betrieb oberhalb der Durchbruchsspannung wurde nicht ins Auge gefaßt.

Ferner ist es bekannt (»Electronics« vom 13. 3.

1964, S. 42 bis 46), bei einem Transistor eine metallische Basis vorzusehen. Der bei Anlegen einer entsprechend hohen Spannung (10 V) geeigneter Polarität auftretende Durchbruch wird dort als Störung angesehen. Die Metallbasis kann durch Aufdampfen hergestellt werden.

Aus der britischen Patentschrift 930 699 geht ein spannungsabhängiger Widerstand hervor, bei dem einzelne Körner in einer Schicht zwischen zwei Flächen

ίο gehalten werden, die derart gegeneinander gedrückt werden, daß die Körner wenigstens in eine der Schichten eindringen. Die Körner bestehen aus Siliziumkarbid oder einem ähnlichen Material.
Schließlich ist es bekannt (Transactions of the Metallurgical Society of AIME, Vol. 233, März 1965,

S. 478 bis 481), zur Herstellung von Schottky-Dioden als Halbleitermaterial Galliumarsenid zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine

Spannungsbegrenzungsvorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, deren Herstellung einfacher ist.

Nach der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Halbleiterkörper aus einem Halbleitermaterial mit einem Bandabstand von mindestens 1,3 eV besteht und die Elektroden mit dem Halbleiterkörper jeweils einen Schottky-Kontakt bilden.

Ein Schottky-Kontakt, bei dem ebenfalls jenseits der Sperrzone ein echter Durchbruch in der Randschicht auftritt und im Durchbruchsbereich ein stabiler Betrieb möglich ist, wenn nicht irgendwelche Störeinflüsse überwiegen, ist wesentlich einfacher und billiger herzustellen als beispielsweise eine Diffusionssperrschicht. Die Verwendung eines Halbleitermaterials mit einem Bandabstand von mindestens 1,3 eV, wobei der Bandabstand die Breite der verbotenen Zone zwischen Leitfähigkeit und Valenzband ist, hat den Vorteil, daß, je größer dieser Bandabstand ist, um so geringer die Wahrscheinlichkeit ist, daß Elektronen infolge einer Fremdenergie das Band wechseln und dadurch die gewünschten Ergebnisse verfälschen. Eine störende Fremdenergie ergibt sich insbesondere durch die Temperaturerhöhungen, die zumeist mit Stromerhöhungen Hand in Hand gehen. Demgegenüber hat Silizium nur einen Bandabstand von etwa 1,1 eV. Dies führt zu einer ausgeprägten Spannungsabhängigkeit des Stromes, während Galliumarsenid mit einem Bandabstand von 1,4 eV mit steigendem Strom eine nahezu konstante Spannung aufweist, also zur Spannungsbegrenzung sehr gut brauchbar ist. Ähnliches gilt für Indiumphosphid mit einem Bandabstand von 1,3 eV.

Eines der besten metallisch leitenden Materialien für diesen Zweck ist Graphit, weil Graphit keine Oxydschicht besitzt und daher keine Verfälschungen des Resultats auftreten können. Andere brauchbare Elektrodenmaterialien sind beispielsweise Silber und Molybdän.

Die Durchbruchsspannung hängt weitgehend von dem spezifischen Widerstand des Halbleitermaterials ab. Beispielsweise führt Galliumarsenid mit einem i spezifischen Widerstand von 0,1 Ohm/cm zu einer j Durchbruchsspannung von 10 bis 15 V. Wenn man _; eine andere Durchbruchsspannung wünscht, muß man i ein anders dotiertes Halbleitermaterial wählen. Statt dessen ist es auch möglich, mehrere je mit zwei Elektroden versehene Halbleiterkörper in Reihe zu schalten und je zwei aufeinanderfolgende Elektroden durch einen gemeinsamen Elektrodenkörper zu bilden. Die ;

entspricht einer Doppelzenerdiode mit der doppelten Zenerspannung. Die Reihenschaltung ist durch die Verwendung gemeinsamer Elektrodenkörper besonders einfach.

Wie einfach die Herstellung der neuen Spannungsbegrenzungsvorrichtung ist, erkennt man am besten daraus, daß das Halbleitermateiial und das metallisch leitende Material, gegebenenfalls unter Druck, lediglich gegeneinander gehalten zu werden braucht. Insbesondere kann ein Halbleiterkörper zwischen zwei metallisch leitenden Elektroden lediglich durch den Anpreßdruck festgehalten sein. Es kommen allerdings auch andere Möglichkeiten in Frage; beispielsweise kann das metallisch leitende Material durch Kathodenzerstäubung auf das Halbleitermaterial aufgebracht sein.

Die Erfindung wird nachstehend im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 einen Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel,

F i g. 2 einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel,

F i g. 3 in einem I-U-Diagramm die Arbeitskennlinien für verschiedene Ausführungsbeispiele und

F i g. 4 in einem bezifferten I-U-Diagramm die Kennlinie einer aus Galliumarsenid und Graphit bestehenden Doppelzenerdiode.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist auf einen Halbleiterkörper 1, z. B. aus Galliumarsenid, eine Schicht 2 aus metallisch leitendem Material, z. B. Silber, durch Kathodenzerstäubung aufgetragen worden. Durch Anbringung einer Kerbe 3 ist die Schicht 2 in zwei Elektroden 4 und 5 unterteilt worden, die mit Anschlüssen 6 und 7 versehen werden können. An den Berührungsflächen 8 und 9 zwischen dem Körper 1 und den Elektroden 4 und 5 entsteht jeweils ein Schottky-Kontakt, der beim Anlegen einer Spannung zu einer Randschicht, also einer Raumladungsschicht, an der an die Elektroden grenzenden Halbleiteroberfläche führt.

In F i g. 2 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem zwei Galliumarsenidscheiben beidseitig an einem Graphitkörper 12 anliegen und an den äußeren Seiten durch Graphitkörper 13 und 14 kontaktiert werden. An letzteren können die Anschlüsse 15 und 16 angebracht werden. Das Ganze ist in einer Glasrohre 17 untergebracht. Die Teile 10 bis 14 werden in die Glasrohre geschoben und unter Druck zusammengehalten. In diesem Zustand werden die Enden 18 und 19 der Glasrohre erweicht und umgebördelt, so daß die Teile 10 bis 14 unter Beibehaltung des Druckkontakts sicher im Innern der Röhre 17 gehalten sind. Auf diese Weise erhält man insgesamt vier je einen Schottky-Kontakt bildende Grenzflächen 20 bis 23, die paarweise (20, 22 und 21, 23) gleichsinnig wirken. Demzufolge ergibt sich eine Doppelzenerdiode mit der doppelten Zenerspannung.

Die Bearbeitung der aufeinanderliegenden Flächen des Halbleitermaterials und des metallisch leitenden

ίο Materials spielt nur eine untergeordnete Rolle. Beispielsweise ergaben sich die geschilderten Effekte bereits, wenn ein kleiner Splitter Galliumarsenid, wie er beim Zerschlagen eines größeren Stücks mit einem Hammer entsteht, zwischen zwei Graphitelektroden gelegt wurde. Statt einer solchen Bruchfläche kann auch eine geschliffene und gegebenenfalls geätzte Halbleiteroberfläche benutzt werden. Es kommt im wesentlichen darauf an, daß in dieser Oberflächenzone Störstellen vorhanden sind, die Ladungsträger aufnehmen können.

Auch spielt es keine Rolle, ob die Scheiben 10, 11 in dem Ausführungsbeispiel der F i g. 2 zentrisch angeordnet sind oder nicht, da es nur auf die Verhältnisse an der Kontaktfläche ankommt.

a₅ In dem I-U-Diagramm der F i g. 3 ist der Strom an einem Schottky-Kontakt in Abhängigkeit von der Spannung veranschaulicht. Die bisher näher betrachtete gleichrichtende Eigenschaft eines solchen Kontakts spielt sich im Bereich zwischen den Punkten a und b ab. Der weiter links im dritten Quadranten liegende Bereich wurde nicht näher berücksichtigt und erst recht nicht ausgenutzt. Für die Erfindung ist es wesentlich, daß der Schottky-Kontakt in Sperrichtung auch im Durchbruchsbereich, also jenseits der etwa im Punkt c liegenden Durchbruchsspannung, betrieben wird. Der Kurvenast I gehört zu einem halbleitenden Material mit großem Bandabstand. Der Durchbruch ist fast ausschließlich von der elektrischen Feldstärke abhängig, was aus der guten Spannungskonstanz erkennbar ist. Der Kurvenzug II gehört zu einem Halbleitermaterial mit kleinerem Bandabstand, bei dem sich bereits thermische Einflüsse auf den Durchbruch bemerkbar machen, wie aus der noch beträchtlichen Stromabhängigkeit der Spannung erkennbai ist.

Das Diagramm der F i g. 4 zeigt das Meßergebnis einer Doppelzenerdiode, die aus einem Galliumarsenidkörper mit beidseitig angelegten Graphitelektroden besteht. Die Messung hatte das aus der nachstehenden Tabelle ersichtliche Ergebnis.

mA	0,02	7	14	21	28	35	42	49
Volt	10	19	20	21,5	22,0	22,5	23,0	24,0

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Symmetrisch arbeitende Spannungsbegrenzungsvorrichtung mit einem Halbleiterkörper, der mindestens zwei gegensinnig gepolte Grenzschichten aufweist, und an dem zwei voneinander getrennte Elektroden aus metallisch leitendem Material zur Beaufschlagung des Halbleiterkörpers mit einer oberhalb der Durchbruchsspannung liegenden Betriebsspannung anliegen, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem Halbleitermaterial mit einem Bandabstand von mindestens 1,3 eV besteht und die Elektroden mit dem Halbleiterkörper jeweils einen Schottky-Kontakt bilden.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbleitermaterial Galliumarsenid ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das metallisch leitende Material Graphit ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere je mit zwei Elektroden versehene Halbleiterkörper in Reihe geschaltet sind und daß je zwei aufeinanderfolgende Elektroden durch einen gemeinsamen Elektrodenkörper gebildet sind.