DE977395C

DE977395C - Spannungsabhaengiger Halbleiterkondensator mit einem oder mehreren pn-UEbergaengen

Info

Publication number: DE977395C
Application number: DES43713A
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Heywang
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1956-12-20
Filing date: 1956-12-20
Publication date: 1966-04-07

Description

Im Hauptpatent 977 264 ist ein spannungsabhängiger Halbleiterkondensator mit einem oder mehreren pn-Übergängen, z. B. Diode oder Transistor, unter Schutz gestellt, bei dem zwecks Erzeugung einer gewünschten Abhängigkeit der Kapazität von der angelegten Steuerspannung die Störstellenkonzentration mindestens auf einer Seite des pn-Überganges innerhalb der maximalen Raumladungszone von einem gewissen relativen Maximum an mit zunehmender Entfernung vom Übergang nach der Gleichung

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wieder abnimmt, wobei ε₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, ε die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Halbleitermaterials und ς die Störstellendichte in Abhängigkeit von der Entfernung b vom Symmetriepunkt des Übergangs der einen zur anderen Leitfähigkeitszone bedeutet, ao g die Abhängigkeit der angelegten Steuerspannung von der Kapazität und g' deren Ableitung nach

dem Argument —~ ist, um dann zwecks besserer

Ableitung wieder zuzunehmen.

Es war an sich, vor allem durch die deutschen Patente 884519 und 887061, bereits bekannt, als spannungsabhängigen Kondensator in einer Abstimm- oder Verstärkerschaltung einen Trockengleichrichter zu verwenden. Als Ausführungsbeispiel für hierbei zu verwendende Halbleitersubstanzen waren in den genannten Patenten Oxy-

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dationshalbleiter, wie ζ. Β. Kupferoxydul, Urandioxyd usw., und Reduktionshalbleiter, z. B. Zinkoxyd, sowie Selen genannt.

Es ist zwar auch bekannt, daß Halbleiterbauelemente mit pn-Übergängen eine Spannungsabhängigkeit der Kapazität des pn-Überganges aufweisen. Jedoch ist bisher nicht untersucht worden, wie der Bandabstand des verwendeten Halbleitermaterials in den mathematischen Ausdruck für die Kapazität, insbesondere im Hinblick auf das Frequenzverhalten dieser Kapazität, eingeht.

Gemäß dem Hauptpatent wurde zwar vorgeschlagen, Halbleitermaterial mit hohem Bandabstand, wie z. B. Silizium oder Verbindungen zwischen Elementen der III. und V. Gruppe des Periodischen Systems, zu verwenden.

Die Erfindung betrifft eine weitere Ausgestaltung der gemäß dem Hauptpatent vorgeschlagenen Maßnahmen. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß verschiedene Maßnahmen ergriffen werden müssen, je nachdem, ob der spannungsabhängige Kondensator für hohe oder für niedrige Frequenzen ausgelegt sein soll.

Gemäß der Erfindung ist der Bandabstand im Halbleiter am spannungsabhängigen pn-übergang für die Anwendung im Hochfrequenzbereich größer als 0,7 e.V., besser größer als 0,8 e.V., und für die Anwendung im Niederfrequenzbereich mindestens 0,8 e.V., besser größer als 1,0 e.V. Dies besagt, anschaulich gesprochen, daß die im Hauptpatent gegebene Vorschrift des hohen Bandabstandes um so schärfer gilt, je niedriger die Frequenz ist, für die der spannungsabhängige pn-übergang benutzt werden soll. Dabei wird als Grenze zwischen Hoch- und Niederfrequenz der Bereich zwischen 10 und 100 kHz angesehen. Hiernach ist beispielsweise für Hochfrequenz noch gerade Germanium brauchbar, während für Niederfrequenz noch gerade Silizium zu verwenden ist, während bei schärferen Anforderungen für Hochfrequenz Silizium oder Silizium-Germanium-Verbindungen geeignet sind und für Niederfrequenz gewisse Aⁿⁱ-B^v- oder Aⁿ-B^VI-Verbindungen oder auch Verbindungen von Elementen der gleichen Gruppe des Periodischen Systems, z. B. Siliciumkarbid u. dgl., zu bevorzugen sind, sofern sie höhere Bandabstände, möglichst höher als 1,0 e.V., aufweisen, wie z. B. Siliziumkarbid mit einer Bandbreite von 4,5 e. V.

Gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens sind als weitere Bedingungen zusätzlich anzustreben: Für hohe Frequenzen eine hohe Dielektrizitätskonstante des Halbleiters möglichst von der Größenordnung 100 oder am besten über 1000 und/oder eine große Beweglichkeit der Ladungsträger im Halbleiter. Je höher die Betriebsfrequenz, desto mehr Gewicht haben diese zusätzlichen Bedingungen.
Als weitere zusätzliche Bedingung gilt, daß bei

fio der Verwendung für Hochfrequenz die ganze Halbleiteranordnung einen möglichst geringen Bahnwiderstand besitzen soll, was beispielsweise durch geometrische Dimensionierung, d. h. durch Ausbildung der Halbleiteranordnung als dünne Schicht zu verwirklichen ist. Die dünnen Schichten können z. B. in an sich bereits vorgeschlagener Weise durch Bedampfen, Besprühen od. dgl. aus der Gasphase und/oder durch chemischen oder physikalischen Niederschlag aus der flüssigen Phase gewonnen werden.

Für die Verwendung für Niederfrequenz sind diese Bedingungen unter Umständen noch nützlich, besonders für das Übergangsgebiet, jedoch weniger tragend. Als besonders für niedrige Frequenzen wichtige Zusatzbedingung ist jedoch die Ausbildung des Halbleiters als Einkristall, welche im übrigen auch für Hochfrequenz nützlich ist, wenngleich sie auch nicht mit derartiger Notwendigkeit zu fordern ist wie für niedrige Frequenzen.

Die verschiedene Auswahl des Halbleitermaterials je nach dem Verwendungszweck für hohe oder niedrige Frequenzen beruht auf der Erkenntnis, daß bei der Anwendung für den Hechfrequenzbereich der Bahnwiderstand der ganzen Anordnung für den Verlustwinkel maßgebend ist, während bei Anwendung für den niederen Bereich die oft durch Störeffekte bedingte Höhe des Sperrwiderstandes entscheidend ist. Als solche Störeffekte kommen besonders Oberflächenleitungen, insbesondere die sogenannten »Channel« in Frage. Diese bewirken jedoch nicht nur einen zusätzlichen Parallelschluß, sondern vor allem auch zusätzliche Kapazitäten, welche sich besonders für Niederfrequenz sehr störend bemerkbar machen. Der Bahnwiderstand läßt sich durch eine hohe Dotierung herabmindern. Um die Channelwirkung herabzusetzen, ist es gemäß einer weiteren Ausbildung des Erfindungsgedankens angebracht, bei tiefen Temperaturen zu arbeiten, wodurch der Bahnwiderstand zusätzlich absinkt. Gemäß den der Erfindung zugrunde liegenden Überlegungen kann die Maßnahme, den pn-übergang während des Betriebes zu kühlen, bis zu einem gewissen Grade die Maßnahme, einen hohen Bandabstand zu verwenden, ersetzen; d. h., bei niedriger Betriebstemperatur können die oben angegebenen Grenzen für den Bandabstand herabgesetzt werden. Andererseits ist es auf jeden Fall vorteilhaft, sowohl den Bandabstand hoch als auch die Betriebstemperatur niedrig zu gestalten.

Ferner sind zusätzlich die übrigen Maßnahmen gemäß dem Hauptpatent bezüglich der besonderen Verteilung der Störstellenkonzentrationen anzuwenden. Gerade in diesem Fall der ausgeprägten Dotierungsgradienten ist es in ebenfalls bereits vorgeschlagener Weise vorteilhaft, Halbleiter mit großer Dielektrizitätskonstante zu wählen, beispielsweise eine Substanz, welche Perowskistruktur aufweist, insbesondere Titanate. Hierfür kommen gegebenenfalls auch oxydische oder chalkogenidische Halbleiter in Frage.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: ι. Spannungsabhängiger Halbleiterkondensator mit einem oder mehreren pn-Übergängen, z. B. Diode oder Transistor, bei dem zwecks Erzeugung einer gewünschten Abhängigkeit der

Kapazität von der angelegten Steuerspannung die Störstellenkonzentration mindestens auf einer Seite des pn-Überganges innerhalb der maximalen Raumladungszone von einem gewissen relativen Maximum an mit zunehmender Entfernung vom Übergang nach der Gleichung

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ίο wieder abnimmt, wobei e₀ die Dielektrizitätskonstante des Vakuums, ε die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Halbleitermaterials und ς die Störstellendichte in Abhängigkeit von der Entfernung b vom Symmetriepunkt des Überganges der einen zur anderen Leitfähigkeitszone bedeutet, g die Abhängigkeit der angelegten Steuerspannung von der Kapazität und g' deren

Ableitung nach dem Argument ~- ist, um dann

zwecks besserer Ableitung wieder zuzunehmen, nach Patent 977 264, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandabstand im Halbleiter am spannungsabhängigen pn-übergang für die Anwendung im Hochfrequenzbereich größer als 0,7 e.V., besser größer als 0,8 e.V., und für die Anwendung im Niederfrequenzbereich mindestens 0,8 e.V., besser größer als 1,0 e.V., ist.
2. Halbleiterkondensator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine tiefe, unter, gegebenenfalls weit unter Zimmertemperatur liegende Betriebstemperatur angewandt ist.
3. Halbleiterkondensator nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus einer Legierung von Elementen der IV. Gruppe des Periodischen Systems, beispielsweise aus einer Silizium-Germanium-Legierung und/oder aus Siliziumkarbid, besteht.
4. Halbleiterkcndensator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter aus A^IJ-B^VI-Verbindung großer Ladungsträgerbeweglichkeit besteht.
5. Halbleiterkondensator nach einem der Ansprüche ι bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter zur Verwendung im Hochfrequenzbereich eine hohe Dielektrizitätskonstante, möglichst von der Größenordnung 100 oder am besten über 1000, besitzt.
6. Halbleiterkondensator nach einem der Ansprüche ι bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter zur Verwendung im Hochfrequenzbereich einen niedrigen Bahnwiderstand besitzt.
7. Halbleiterkondensator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkondensator als sehr dünne Schicht ausgebildet ist.
8. Halbleiterkondensator nach einem der Ansprüche ι bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiter — mindestens zur Verwendung im Niederfrequenzbereich — als Einkristall ausgebildet ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 814487; schweizerische Patentschrift Nr. 213 131; Bergmann, »Lehrbuch der Fernmeldetechnik«,

1939, S. 117 bis 121;

Rost, »Kristalloden-Technik«, 1954, S. 48; Torrey — Whitmer, »Crystal Rectifiers«,

1948, S. 62, 64, 92, 97 bis 100;
A. E. Ü. 8(1954), S. 223 bis 228, 363 bis 369, bis 504;

Zeitschrift für Naturforschung, 7 a (1952), S. 744

bis 749.

In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 977 264.

© 609 737/299 12.56 (609 544/3 3.66)