ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ДИОД (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК H01L29/861 

Изобретение относится к области электронной техники, в частности, к конструированию и технологии изготовления выпрямительных полупроводниковых диодов с p-п переходами, и может быть использовано в электронной промышленности.

Известен аналог изобретения полупроводниковый выпрямительный диод на основе селена (Калашников С.Г. "Электричество", М., Наука, 1985, С.439-440) в виде матрицы-столба с последовательным соединением множества плоских пластин (шайб) в единой конструкции. Шайба состоит из железного никелированного диска, на который нанесен тонкий слой селена, покрытого в свою очередь вторым металлическим электродом. В результате специальной термической и электрической обработки в селене вблизи поверхности второго электрода образуется p-п переход плоской структуры.

Недостатками указанного диода плоской структуры являются большие площади диодов при малых плотностях рабочего тока, магнитотепловая и электротепловая неустойчивость.

Наиболее близким аналогом (прототипом) для всех предложенных вариантов изобретения является полупроводниковый выпрямительный диод с планарно-диффузионным p-п переходом, содержащий омический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой и многослойный металлический контакт (Справочник "Полупроводниковые приборы: диоды выпрямительные, стабилитроны, тиристоры", М., Радио и связь, 1989 г.)
Этому диоду присущи следующие недостатки: существенные потери энергии, магнитотепловая и электротепловая неустойчивость при эксплуатации, а также в силу плоской планарно-диффузионной p-п структуры кремниевого диода принципиальная невозможность полного исключения краевого эффекта, приводящего к снижению напряжения пробоя.

Задача, на решение которой направлено изобретение по первому варианту, является производство выпрямительных устройств с использованием полупроводниковых диодов с p-п переходом, обладающих более высокими показателями надежности при номинальных значениях рабочих токов.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении первого варианта изобретения, являются исключение краевого эффекта, увеличение напряжения пробоя, снижение уровня электротепловой и магнитотепловой деградации и повышение уровня стабильности электрических параметров выпрямительных диодов с p-п переходом.

Полупроводниковый выпрямительный диод по первому варианту изобретения содержит омический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой и многослойный металлический контакт.

Отличие диода состоит в том, что омический контакт выполнен в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно центрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100) и температурой плавления выше температуры плавления кремния, на внешней поверхности которого выращен вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый слой n типа, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой, поверх которого нанесен многослойный металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока.

При этом в конкретных формах по первому варианту изобретения омический контакт выполнен из немагнитного металла, например, молибдена, или вольфрама, или ванадия и им родственных металлов, а цилиндрические слои в многослойном металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: серебра, или золота, или платины, или меди, или алюминия и других.

Задача, на решение которой направлено изобретение по второму варианту, является производство выпрямительных устройств с использованием полупроводниковых диодов с p-п переходом, обладающих более высокими показателями надежности при номинальных значениях рабочих токов.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении второго варианта изобретения, являются исключение краевого эффекта, увеличение напряжения пробоя, снижение уровня электротепловой деградации и повышение уровня стабильности электрических параметров выпрямительных диодов с p-п переходом.

Полупроводниковый выпрямительный диод по второму варианту изобретения содержит омический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой и многослойный металлический контакт.

Отличие диода состоит в том, что вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой выращен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирован омический контакт, выполненный в виде полого цилиндра из немагнитного металла, а на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой, поверх последнего нанесен многослойный металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока.

В конкретных формах по второму варианту изобретения омический контакт выполнен из немагнитного металла: золота, или серебра, или алюминия, или меди и других, а цилиндрические слои в многослойном металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: серебра, или золота, или меди, или платины и других.

Задача, на решение которой направлено изобретение по третьему варианту, является производство выпрямительных устройств с использованием полупроводниковых диодов с p-п переходом, обладающих более высокими показателями надежности при номинальных значениях рабочих токов.

Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении третьего варианта изобретения, являются исключение краевого эффекта, увеличение напряжения пробоя, снижение уровня электротепловой деградации и повышение уровня стабильности электрических параметров выпрямительных диодов с p-п переходом.

Полупроводниковый выпрямительный диод по третьему варианту изобретения содержит омический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой и многослойный металлический контакт.

Отличие диода состоит в том, что вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой, поверх последнего нанесен многослойный металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока, а омический контакт сформирован из немагнитного металла на торцах сплошного кремниевого цилиндра.

В конкретных формах по третьему варианту изобретения омический контакт выполнен из немагнитного металла: алюминия, или серебра, или золота, или меди и других, а цилиндрические слои в многослойном металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: серебра, или золота, или меди, или алюминия и других.

Изобретение поясняется чертежом, где изображено: на фиг. 1 - пример конструкции диода по первому варианту изобретения; на фиг. 2 - пример конструкции диода по второму варианту изобретения, на фиг. 3 пример конструкции диода по третьему варианту изобретения.

Полупроводниковый выпрямительный диод по первому варианту изобретения (фиг. 1) содержит следующие конструктивные элементы: омический контакт 1 выполненный в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно центированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100) и температурой плавления выше температуры плавления кремния. В омическом контакте могут использоваться немагнитные металлы: молибден, или вольфрам, или ванадий и им родственные металлы. На внешней поверхности омического контакта 1 выращен вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой 2 цилиндрической формы. На внешней поверхности слоя 2 последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой 3, активный монокристаллический кремниевый p типа слой 4, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой 5. Поверх слоя 5 нанесен многослойный металлический контакт 6 в виде двух цилиндрических слоев 7, 8 заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов. При этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя 8 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя 7 металла по направлению протекания электрического тока. Цилиндрические слои 7, 8 в многослойном металлическом контакте могут быть выполнены из разных немагнитных металлов: серебра, или золота, или платины, или меди, или алюминия и других.

Принцип действия полупроводникового выпрямительного диода по первому варианту изобретения заключается в следующем.

Напряжение прикладывается между контактами 1 и 6 диода как в прямом, так и в обратном направлениях. При приложении обратного напряжения в цилиндрических активных слоях 3, 4 распределение электрического поля является однородным по радиусу. Тем самым исключается краевой эффект и уменьшаются токи утечки, что повышает характеристики стабильности диода. При включении диода в прямом направлении протекание электрического тока сопровождается снижением электротепловой деградации за счет однородного распределения плотности рабочего тока между цилиндрическими контактами.

Полупроводниковый выпрямительный диод по второму варианту изобретения (фиг. 2) содержит следующие конструктивные элементы: вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой 9, выращенный в виде полого цилиндра. На внутренней поверхности слоя 9 сформирован омический контакт 10, выполненный в виде полого цилиндра из немагнитного металла, например, золота, или серебра, или алюминия, или меди и других.

На внешней поверхности слоя 9 последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой 11, активный монокристаллический кремниевый p типа слой 12, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой 13. Поверх слоя 13 нанесен многослойный металлический контакт 14 в виде двух цилиндрических слоев 15, 16 заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, например, серебра, или золота, или меди, или платины и других. При этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя 15 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя 16 металла по направлению протекания электрического тока.

Принцип действия полупроводникового выпрямительного диода по второму варианту изобретения заключается в следующем. Напряжение прикладывается между контактами 10 и 14 диода как в прямом, так и в обратном направлениях. При приложении обратного напряжения в цилиндрических активных слоях 11,12 распределение электрического поля является однородным по радиусу. Тем самым исключается краевой эффект и уменьшаются токи утечки, что повышает характеристики стабильности диода. При включении диода в прямом направлении протекание электрического тока сопровождается снижением электротепловой деградации за счет однородного распределения плотности рабочего тока между цилиндрическими контактами.

Полупроводниковый выпрямительный диод по третьему варианту изобретения (фиг. З) содержит следующие конструктивные элементы: вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой 17, выращенный в виде сплошного цилиндра заданной длины. На внешней поверхности слоя 17 последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой 18, активный монокристаллический кремниевый p типа слой 19, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой 20. Поверх слоя 20 нанесен многослойный металлический контакт 21 в виде двух цилиндрических слоев 22, 23 заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, например, серебра, или золота, или меди, или алюминия и других.

При этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя 22 металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя 23 металла по направлению протекания электрического тока. Омический контакт 24 сформирован из немагнитных металлов, например, алюминия, или серебра, или золота, или меди и других на торцах сплошного кремниевого цилиндра 17.

Принцип действия полупроводникового выпрямительного диода по третьему варианту изобретения заключается в следующем. Напряжение прикладывается между контактами 21 и 24 диода как в прямом, так и в обратном направлениях. При приложении обратного напряжения в цилиндрических активных слоях 18,19 распределение электрического поля является однородным по радиусу. Тем самым исключается краевой эффект и уменьшаются токи утечки, что повышает характеристики стабильности диода. При включении диода в прямом направлении протекание электрического тока сопровождается снижением электротепловой деградации за счет однородного распределения плотности рабочего тока между цилиндрическими контактами.

Использование: в электронной технике, при конструировании и в технологии изготовления выпрямительных полупроводниковых диодов с p-n переходами. Техническими результатами, которые могут быть получены при осуществлении всех вариантов изобретения, являются исключение краевого эффекта, увеличение напряжения пробоя, снижение уровня электротепловой и магнитотепловой деградации и повышение уровня стабильности электрических параметров выпрямительных диодов с p-n переходом. Сущность изобретения: в полупроводниковом выпрямительном диоде, по первому варианту изобретения, омический контакт выполнен в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно центрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100) и температурой плавления выше температуры плавления кремния, на внешней поверхности которого выращен вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый слой n типа, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой, поверх которого нанесен многослойный металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока. Предложены три варианта выпрямительных диодов. 3 с. и 6 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Полупроводниковый выпрямительный диод, содержащий омический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой и многослойный металлический контакт, отличающийся тем, что омический контакт выполнен в виде монокристаллического цилиндра из немагнитного металла с объемно центрированной или гранецентрированной решеткой с гранями (111) или (100) и температурой плавления выше температуры плавления кремния, на внешней поверхности которого выращен вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой цилиндрической формы, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый слой n типа, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой, поверх которого нанесен многослойный металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока. 2. Диод по п.1, отличающийся тем, что омический контакт выполнен из немагнитных металлов: молибдена, или вольфрама, или ванадия и им родственных металлов. 3. Диод по п.1, отличающийся тем, что цилиндрические слои в многослойном металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: серебра, или золота, или платины, или меди, или алюминия и других. 4. Полупроводниковый выпрямительный диод, содержащий омический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой и многослойный металлический контакт, отличающийся тем, что вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой выращен в виде полого цилиндра, на внутренней поверхности которого сформирован омический контакт, выполненный в виде полого цилиндра из немагнитного металла, а на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый слой n типа, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой, поверх последнего нанесен многослойный металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока. 5. Диод по п.4, отличающийся тем, что омический контакт выполнен из немагнитного металла: золота, или серебра, или алюминия, или меди и других. 6. Диод по п.4, отличающийся тем, что цилиндрические слои в многослойном металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: серебра, или золота, или меди, или платины и других. 7. Полупроводниковый выпрямительный диод, содержащий омический контакт, вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой, активный монокристаллический кремниевый n типа слой, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой и многослойный металлический контакт, отличающийся тем, что вырожденный монокристаллический кремниевый n+типа слой выращен в виде сплошного цилиндра заданной длины, на внешней поверхности которого последовательно сформированы имеющие цилиндрическую форму активный монокристаллический кремниевый n типа слой, активный монокристаллический кремниевый p типа слой, вырожденный монокристаллический кремниевый p+типа слой, поверх последнего нанесен многослойный металлический контакт в виде двух цилиндрических слоев заданной длины, выполненных из разных немагнитных металлов, при этом удельная электропроводность верхнего цилиндрического слоя металла в паре больше удельной электропроводности нижнего цилиндрического слоя металла по направлению протекания электрического тока, а омический контакт сформирован из немагнитного металла на торцах сплошного кремниевого цилиндра. 8. Диод по п.7, отличающийся тем, что омический контакт выполнен из немагнитного металла: алюминия, или серебра, или золота, или меди и других. 9. Диод по п.7, отличающийся тем, что цилиндрические слои в многослойном металлическом контакте выполнены из немагнитных металлов: серебра, или золота, или меди, или алюминия и других.