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Halbleitendes Sperrschichtsystem, insbesondere Transistor oder
Kristalldiode mit vakuumdichter Hülle, und Verfahren zu seiner
Herstellung
Die Erfindung bezieht sich auf ein halbleitendes Sperrschichtsystem, insbesondere auf einen Transistor oder eine Kristalldiode mit einer vakuumdichten Hülle. Sie bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Herstellung solcher Sperrschichtsysteme.
In der Praxis hat es sich gezeigt, dass die Stabilität von halbleitenden Sperrschichtsystemen z. B. aus Germanium oder Silizium, auch wenn sie in einer vakuumdichten Hülle untergebracht werden, viel zu wünschen übrig lässt, d. h. ihre elektrischen Eigenschaften verschlechtern sich in hohem Masse nach längerer Zeit, besonders wejin sie einer hohen Temperatur ausgesetzt sind. Es zeigt sich bei Germaniumtransistoren z. B. bei langwährender. starker Belastung oder bei Erhöhung der Betriebstemperatur bis zu
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Ein bekanntes, sehr stabile Transistoren ergebendes Verfahren ist das sogenannte"Vakuumbacken", bei dem das Sperrschichtsystem bei der Montage während einiger Stunden auf eine hohe Temperatur, z. B. 140 C, im Vakuum erhitzt wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass die Stabilität auf Kosten des Stromverstärkungsfaktors erzielt wird, der während der Behandlung stets weiter herabsinkt, bis ein sehr niedriger, dann tatsächlich stabiler Wert erreicht ist. Weiter bereitet dieses Verfahren noch die technische Schwierigkeit, dass das Sperrschichtsystem unter äusserst schwer aufrechtzuerhaltenden Bedingungen, d. h. im Vakuum, montiert werden muss.
Die Erfindung bezweckt unter anderem, Sperrschichtsysteme mit vakuumdichten Hüllen zu schaffen, die ausser einer hohen Stabilität, die sogar bei sehr hoher Temperatur, z. B. 140 C, aufrechterhalten wird, gute elektrische Eigenschaften im Falle von Transistoren, unter anderem einen hohen Stromver- stärkungsfaktor, aufweisen. Sie bezweckt weiter, unter anderem einfach durchführbare Massnahmen zur Herstellung solcher Sperrschichtsysteme zu schaffen.
Bei einem Sperrschichtsystem, insbesondere einem Transistor oder einer Kristalldiode mit einer vakuumdichten Hülle, ist, gemäss der Erfindung, in dem Raum zwischen Hülle und dem eigentlichen Sperrschichtsystem Arsen vorgesehen. Vorzugsweise ist das Arsen in freier Form vorhanden. Es sind jedoch auch gute Ergebnisse mit Arsen in gebundener Form, z. B. Arsenlegierungen oder Arsenverbindungen, erzielt worden. Unter dem eigentlichen Sperrschichtsystem wird hier der halbleitende Körper mit seinen zur Ausübung seiner Funktion erforderlichen Elektroden und Zuführungsdrähten verstanden.
Der Ausdruck "im Raum zwischen der Hülle und dem eigentlichen Sperrschichtsystem vorgesehen" soll so aufgefasst werden, dass das Arsen als in diesem Raum enthalten gedacht werden soll, auch wenn es fest mit der Hülle oder mit irgendeiner Montagestütze verbunden ist oder wenn es mit dem eigentlichen Sperrschichtsystem fest verbunden ist, es sei denn, dass es in der angebrachten Form oder Menge nur eine
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dosierende, d.h. den Leitfähigeitstyp oder die Leitfähigkeit bestimmende Funktion in einer Elektrode auf dem halbleitenden Körper erfüllt.
Vermutlich ist die Stabilisierungswirkung von Arsen auf halbleitende Sperrschichtsysteme auf die Einwirkung von Arsen auf die halbleitende Oberfläche zurückzuführen. Ein Arsenvorrat wird daher derart in dem erwähnten Raum untergebracht, dass Arsen oder eine Arsenverbindung von dort her die Halbleiteroberfläche erreichen kann. Eine bevorzugte Ausführungsform eines Sperrschichtsystems mit vakuumdichter Hülle ist die, bei der die Hülle wenigstens teilweise mit einem Bindemittel ausgefüllt ist, das Arsen in einem fein verteilten Zustand, in Form eines Pulvers, enthält. Vorzügliche Resultate werden mit Bindemitteln erzielt, die 0, l-10 Gew.- Arsen in freier Form enthalten. Auch ausserhalb dieser Grenzen sind jedoch noch gute Ergebnisse erzielbar.
Als Bindemittel eignen sich vorzüglich Silizium enthaltende organische Polymere, von denen einige unter dem Namen"Silicon-Vakuumfett"und"Siliconöl"bekannt und im Handel unter den Marken "Dow Corning DC 7" und "Dow Corning 702" erhältlich sind. Essind weiter noch andere Ausführungsformen von Sperrschichtsystemen nach der Erfindung möglich, z. B. die, bei denen eine Menge Arsen durch eine poröse Wand von dem eigentlichen Sperrschichtsystem getrennt wird, welche Wand aus Asbest oder Quarzwolle besteht und innerhalb der Hülle angeordnet ist, wobei. der Raum um das Sperrschichtsystem mit einem gegenüber dem Sperrschichtsystem nicht reaktiven Stoff, z. B.
Sand, ausgefüllt ist und weiter Systeme, bei denen das eigentliche Sperrschichtsystem zunächst von einer Lackschicht umgeben wird und weiter auf eine der vorstehend geschilderten Weisen mit einem Arsenlager in einer vakuumdichten Hülle untergebracht ist.
Die Herstellung des halbleitenden Sperrschichtsystems, insbesondere eines Transistors oder einer Kristalldiode mit vakuumdichter Hülle, erfolgt vorteilhafterweise dadurch, dass, nachdem in dem Raum zwischen der Hülle und dem eigentlichen Sperrschichtsystem eine Menge Arsen, vorzugsweise Arsen in freier Form, untergebracht ist und die Hülle vakuumdicht verschlossen worden ist, das Sperrschichtsystem während einiger Zeit auf hohe Temperatur, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 800C und der Schmelztemperatur einer oder mehrerer Elektroden des Sperrschichtsystems, z. B. während 100 Stunden auf 800C erhitzt wird.
Eine Erhitzung oberhalb der Schmelztemperatur einer oder mehrerer der Elektroden ist auch möglich, wenn das Sperrschichtsystem vorher mit einer Lackschicht überzogen worden ist.
Als Gasfüllung für die Hülle können die üblichen Gase verwendet werden, insbesondere die gegen- über dem Sperrschichtsystem inerten Füllungen, z. B. Stickstoff, Wasserstoff, Edelgas oder Gemische daraus. Auch Luft als Füllung hat gute Resultate ergeben, obgleich die dann erzielten Ergebnisse im allgemeinen weniger gut sind als die, welche mit inerten Gasen, z. B. Stickstoff, erzielt werden.
Es wurden besonders gute Resultate bei der Durchführung der Erfindung bei halbleitenden Sperrschichtsystemen erzielt, von denen der Halbleiterkörper aus Germanium oder Silizium besteht, insbesondere bei denjenigen Sperrschichtsystemen, die eine pnp-Transistorstruktur aufweisen. Die Sperrschichtsysteme nach der Erfindung weisen nicht nur eine gute Stabilität und einen hohen Stromverstärkungsfaktor auf, sondern sind sogar bei einer Erhitzung bis zu sehr hohen Temperaturen, z. B. bis zu 200 und 3000C, widerstandsfähig ; nach solchen Behandlungen erweisen sich die elektrischen Eigenschaften, insbesondere der Stromverstärkungsfaktor, als kaum oder nur wenig geändert, während die bekannten Transistoren nach solchen Temperaturbehandlungen in bezug auf ihre elektrischen Eigenschaften praktisch unbrauchbar geworden sind.
Die Erfindung und die durch ihre Durchführung erhaltenen Ergebnisse werden nachstehend an Hand einer Figur und einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. f Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch einen Transistor mit einer vakuumdichten Hülle, wobei gemäss der Erfindung in dem Raum zwischen der Hülle und dem eigentlichen halbleitenden System Arsen untergebracht ist.
Das eigentliche halbleitende System 1 ist in einer vakuumdichten Glashülle untergebracht, die aus zwei miteinander verschmolzenen Teilen mit einem Glasfuss 2 und einem Glaskolben 3 besteht. Vorzugsweise wird eine Glashülle angewendet, da eine Metallhülle mehr die Gefahr mit sich bringen kann, dass eine etwaige Reaktion zwischen Arsen oder Arsenverbindung mit der Hülle auftritt. Selbstverständlich ist die Erfindung aber nicht auf die Verwendung von Glashüllen beschränkt. Der Raum 4 zwischen der Hülle 2,3 und dem eigentlichen halbleitenden System 1 ist zu einem grossen Teil mit Silicon-Vakuumfett ausgefüllt, das Arsen im fein verteilten Zustand in der freien Form enthält. Die Elektroden des Transistors sind mit den Zuführungsleitungen 5,6 und 7 verbunden, die durch den Glasfuss 2 nach aussen geführt sind.
Einige der durch die Durchführung der Erfindung erhaltenen Ergebnisse werden nachstehend mit denen
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verglichen, die durch Transistoren erzielt sind, die auf bekannte Weise fertiggestellt sind. In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, die sich auf Germanium-Transistoren beziehen, bestand das eigentliche, halbleitende System stets aus einem pnp-Legierungstransistor derselben Produktionsreihe, die dadurch hergestellt worden war, dass eine Emitterkugel und eine Kollektorkugel, beide aus reinem Indium, und ein Basiskontakt aus einer Zinn-Antimon-Legierung (95 Gew.-% Sn, 5 Gew.-% Sb) auf einer Germaniumscheibe von etwa 150 fl Stärke während etwa 10 Minuten auf 6000C in einer Stickstoff- und Wasserstoffatmosphäre legiert wurden.
In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen, die sich auf Siliziumtransistoren beziehen, bestand das eigentliche halbleitende System stets aus einem pnp-SillziumLegierungstransistor der gleichen Produktionsreihe, welcher Transistor dadurch hergestellt worden war, dass eine Emitterelektrode und eine Kollektorelektrode. beide aus Aluminium, und ein Basiskontakt aus einer Gold-Antimon-Legierung (Au 99 Gew.-%, Sb 1 Gew.- o) auf einer n-Typ Siliziumscheibe legiert wurden.
Es sei bemerkt, dass die nachstehend angegebenen Werte des Stromverstärkungsfaktors stets an dem bis auf Zimmertemperatur gekühlten Transistor gemessen wurden.
Es sei weiter bemerkt, dass das Rauschen und der Sperrstrom der Transistoren nach der Erfindung, die in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen erörtert werden, sich beide als äusserst niedrig und kaum veränderlich herausstellten.
Beispiel 1 : Ein pnp-Germaniumtransistor wurde auf bekannte Weise in einer vakuumdichten Glashille fertiggestellt, die vorher mit trockenem Silicon-Vakuumfett ausgeftillt worden war, das während einiger Zeit auf 100 C getrocknet war. Die Gasfüllung der Hülle bestand aus Stickstoff. Der Stromverstärkungsfaktor betrug nach Einschmelzung 91 ; darauf wurde der Transistor auf 1400C erhitzt. Nach zwei Stunden wurde bei Zimmertemperatur, nachdem der Transistor abgekühlt war, wieder der Stromverstärkungsfaktor gemessen ; er war dann auf den Wert 39 herabgesunken. Nach Erhitzung auf 140 C während 200 Stunden betrug der acb- Wert des auf Zimmertemperatur abgekühlten Transistors nur noch 14. Die Stabilität dieses Transistors war besonders schlecht.
Beispiel 2 : Von einem Germanium-Transistor derselben Produktionsreihe wie im Beispiel l, der auf gleiche Weise fertiggestellt wurde, betrug der Stromverstärkungsfaktor 89 nach Einschmelzung. Während der darauf nachfolgenden Dauerprobe, bei der der Transistor auf 850C erhitzt wurde, sank der Stromverstärkungsfaktor stets weiter, so dass er nach 1000 Stunden nur noch 30 betrug. Die Stabilität dieses auf bekannte Weise ohne Anwendung der Erfindung fertiggestellten Transistors war besonders schlecht.
Beispiel 3 : Ein Germanium-Transistor vorerwähnten Typs wurde nach dem Nachätzen, als der Stromverstärkungsfaktor noch 97 betrug, während drei Stunden im Vakuum auf 145 C erhitzt ("im Vakuum gebacken") und in diesem Zustand in eine Glashülle eingeschmolzen. Infolge des Backens im Vakuum war der Stromverstärkungsfaktor auf 25 herabgesunken, d. h. auf etwa ein Viertel des ursprünglichen Wertes. Während einer darauf erfolgenden Dauerprobe bei 85 C während 1000 Stunden ergab sich die Stabilität des Transistors als besonders gut ; der Stromverstärkungsfaktor war jedoch sehr niedrig.
Beispiel 4 : Ein ähnlicher pnp-Germanium-Transistor wurde gemäss der Erfindung in einer vakuumdichten Glashülle fertiggestellt, die vorher um etwa 60% mit trockenem Silicon-Vakuumfett ausgefüllt war, das 5 Grew.-% freies Arsen in Form von Körnern enthielt. Die Gesamtmenge Silicon-Vakuumfett war etwa 60 mg. Die Hülle enthielt weiter eine Stickstoffüllung. Nach dem Einschmelzen war der Stromverstärkungsfaktor 61. Darauf wurde der Transistor während 300 Stunden auf 140 C erhitzt, wodurch der Stromverstärkungsfaktor allmählich höher wurde.
Nach der Stabilisierung betrug der Stromverstärkungsfaktor des auf Zimmertemperatur abgekühlten Transistors 99, welcher Wert während der darauf erfolgenden Dauerproben bei 85 C während 1000 Stunden sich nicht nennenswert änderte. Die Stabilität dieses gemäss der Erfindung fertiggestellten Transistors war daher besonders gut, während auch der Strom- verstärkungsfaktor besonders hoch war. Nach diesen Proben wurde die Hülle zerbrochen, worauf der Stromverstärkungsfaktor des noch von dem arsengetauften Silicon-Vakuumfett umgebenen Transistors in etwa einer Minute auf 42 herabsank. Diese letzte Eigenschaft weisen praktisch alle gemäss der Erfindung fertiggestellten Transistoren auf.
Beispiele : Bei einem auf die im Beispiel 4 angegebene Weise fertiggestellten GermaniumTransistor nach der Erfindung betrug der Stromverstärkungsfaktor 61 nach Einschmelzung. Darauf wurde dieser Transistor auf 85 C während 1500 Stunden erhitzt. Der bei Zimmertemperatur gemessene Wert les Stromverstärkungsfaktors betrug nach 100 Stunden, 500 Stunden, 1000 Stunden, 1500 Stunden : 75, 37, 90 bzw. 93. Es ergibt sich daraus, dass die Stabilität dieses nicht vorerhitzte Transistors nach der Erfindung, unter Berücksichtigung der schweren Temperaturbelastung, gut ist. Darauf wurde der Transi-
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stor während 100 Stunden auf 1400C erhitzt, worauf bei Messung der acb-wert etwa 107 betrug.
Beispiel 6 : Ein Germanium-Transistor der gleichen Reihe wurde in einer vakuumdichten Glas- hülle (Gasfüllung : Stickstoff) fertiggestellt, die vorher mit Silicon-Vakuumfett vollgespritzt war, das etwa 1 Gew. -Ufo freies Arsen in Form von Körnern enthielt. Das eigentliche halbleitende System war vori her mit einer Schicht aus einem Lack versehen, der unter dem Handelsnamen SR 98 bekannt ist ; das Ganze wurde während 10 Stunden auf 140 C erhitzt. Nach der Einschmelzung betrug der acb- Wert dieses Transistors nach der Erfindung 76. Nach 165 Stunden auf 140 C war acb auf 94 gestiegen. Nach 1000 Stunden auf Zimmertemperatur und bei zwischenzeitlichen Messungen betrug der Stromverstärkungsfaktor noch 94. Darauf wurde der Transistor während 6 Stunden auf 300 C erhitzt.
Der Transistor nach der Erfindung ergab sich sogar als dieser äusserst hohen Temperaturbelastung widerstandsfähig, bei der sich die Elektroden im geschmolzenen Zustand befanden. Der Stromverstärkungsfaktor betrug nach der Belastung 115, während auch Ableitströme und Geräusch einen besonders niedrigen Wert beibehalten hatten.
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eis piel 7 : Ein pnp-Germanium-Transistor wurde in einer vakuumdichten Glashülle fertiggestellt,nach250 Stunden aufl40 C 99 betrug.
Bei einer weiteren Erhitzung auf 100 C während 500 Stunden blieben die Änderungen der elektrischen Eigenschaften, insbesondere des acb-Wertes innerhalb 2Ufo.. Dies gilt auch bei der darauf erfolgenden Dauerprobe, bei welcher der Transistorbei einer Umgebungstemperatur von50 C während 500 Stunden mit 50 mW (Kollektor-Basisspannung 10V ; Emitterstrom 5 mA) belastet wurde.
B eis piel 8 : Ein anderer pnp-Germanium-Transistor der gleichen Reihe wurde in einer vakuum- dichten Glashülle fertiggestellt und der Raum zwischen der Hülle und dem eigentlichen Transistor wurde zum grössten Teil mit Silicon-Vakuumfett ausgefüllt, das mit 10 Gew.-% Feilstaub einer Arsenlegierung gemischt war (in 95 Grew.-% As 5 Gel.-%). Das eigentliche halbleitende System war vorher mit einem
Lack umgeben, der unter dem Markennamen Araldite bekannt ist und während 15 Stunden auf 1000e er- härtet war. Der Stromverstärkungsfaktor war nach der Einschmelzung 39. Nach 50 Stunden Erhitzung auf 140 C hatte acb auf 91 zugenommen ; nach weiteren 200 Stunden auf 140 C betrug acb 107.
Darauf wurde der Transistor einer Dauerprobe unterzogen, bei der er auf 50 C erhitzt und gleichzeitig mit
50 mW (Kollektor-Basiss. pannung 10 V, Emitterstrom 55 mA) belastet wurde. Nach einer Woche ergab es sich bei dieser Dauerprobe, dass acb bei Zimmertemperatur 110 betrug. Nach weiteren zwei Wochen gleicher Belastung betrug acb 100. Aus diesem Beispiel ist ersichtlich, dass auch Transistoren, die Arsen in gebundener Form in dem Raum zwischen der Hülle und dem eigentlichen Sperrschichtsystem besitzen, eine gute Stabilität und einen hohen Stromverstärkungsfaktor aufweisen, welche Werte bei Erhitzung auf verhältnismässig hohe Temperatur aufrechterhalten bleiben.
Beispiel 9 : Ein pnp-Germanium-Transistor wurde in einer vakuumdichten Glashülle (Gasfüllung aus Stickstoff) fertiggestellt, die mit Silicon-Vakuumfett ausgefüllt war, das gemäss der Erfindung mit
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dem Einschmelzen betrug acb 57. Darauf wurde das Ganze auf 85 C erhitzt. Während der ersten 500 Stunden sank ctcb auf 41, aber nach 1000 Stunden betrug acb wieder 59. Der Transistor wurde darauf während 100 Stunden auf 140 C erhitzt, wodurch elcb auf 104 stieg. Darauf wurde der Transistor während 6 Stunden auf 3000C erhitzt, worauf beim Messen bei Zimmertemperatur der Stromverstärkungsfaktor 110 betrug.
Es sei bemerkt, dass bei den Transistoren nach der Erfindung, die nach der Einschmelzung nicht während gewisser Zeit auf hohe Temperatur erhitzt werden, mehrmals auch ein Rückgang des acb festgestellt worden ist. Vorzugsweise werden solche Transistoren nach der Erfindung daher während einiger Zeit auf hohe Temperaturen, z. B. auf 140 C, erhitzt, bis ein stabiler, hoher Endwert des acb erreicht ist.
Beispiel 10 : Ein pnp-Transistor aus Silizium wurde gemäss der Erfindung in einer vakuumdichten Glashülle untergebracht, die vorher zum grössten Teil mit Silicon-Vakuumfett ausgefüllt war, das 5 Gew.- & Arsen in fein verteiltem Zustand enthielt. Nach Einschmelzung betrug der Stromverstärkungsfaktor 24. Darauf wurde der Transistor auf 140 C erhitzt. Nach 50 Stunden, 200 Stunden, 350 Stunden betrug ab bei Zimmertemperatur 24, 25 bzw. 24. Auch ein Silizium-Transistor ergibt sich somit durch die Durchführung der Erfindung als besonders gut stabilisierbar.
Beispiel 11 : Ein ähnlicher pnp-Silizium-Transistor wurde ohne Anwendung der Erfindung in einer vakuumdichten Glashtille fertiggestellt, die mit trockenem Silicon-Vakuumfett ausgefüllt war (ohne Arsen). Nach Einschmelzung betrug acb 28, welcher Wert nach 350 Stunden Erhitzung auf 140 C
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auf 16 gesunken war. Der im Be. ispiel10 erwähnte Transistor nach der Erfindung hat somit eine wesentlich bessere. Stabilität.
Schliesslich sei ncch darauf hingewiesen, dass die Erfindung sich nicht auf die vorstehend geschilderten Ausführungsformen beschränkt. Die Menge Arsen z. B. ist keine kritische Grösse, obgleich eine zu grosse sowie eine zu kleine Menge. vermieden werden sollen. Weiter beschränkt sie sich nicht auf Legierungstransistoren und ebensowenig auf die hier explizit erwähnten Halbleiter. Innerhalb des Rahmens der Erfindung sind dem Fachmann noch viele Abarten möglich.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Halbleitendes Sperrschichtsystem, insbesondere Transistor oder Kristalldiode mit einer vakuumdichten Hülle, dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem Raum zwischen der Hülle und dem eigentlichen Sperrschichtsystem Arsen befindet.