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Leistungstransistor aus Silizium
Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungstransistor, bestehend aus einer einkristallinen Silizium- scheibe, die mindestens zwei hochdotierte Gebiete von gegebenem Leitfähigkeitstyp-Emitter und Kollek- tor-und zwischen diesen ein weniger hochdotiertes Basisgebiet von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweist, das über je einen p-n-Übergang unmittelbar an die beiden andern Gebiete grenzt, wobei der Kollektor einen wesentlichen Teil der einen Flachseite der Scheibe einnimmt und auf der andern Flachseite der Emitter und mindestens ein Basiskontakt derart nebeneinander angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein gleichmässig breiter Abstandsstreifen auf der Scheibenoberfläche frei bleibt.
Derartige Transistoren sind als eine besondere Ausführungsform sogenannte n-p-n-oder p-n-p-Leistungstransistoren be- kannt und zur Verwendung als Verstärker oder als Schalttransistoren für Starkstromkreise mit Strömen von etwa 1 A bis zur Grössenordnung von 100 A bestimmt. Sie sind zu unterscheiden von Transistoren für Signalubertragung, deren Ausgangskreise nur sehr geringe Ströme von weniger als 1 A, vielfach nur von wenigen Milliampere führen. Die Emitter dieser für Nachrichtenzwecke bestimmten Transistoren sind häufig mit Punktkontakten, deren Fläche kleiner ist als 0,1 mm2, oder mit Schneiden- oder Spitzenkontakten ohne flächenhafte Ausdehnung ausgestattet. Aufbau und Bemessung solcher Signalübertragungselemente sind vor allem auf Stabilität und auf die Beherrschung möglichst hoher Frequenzen abgestellt.
Im Gegensatz dazu sind fürleistungstransistoren andere Gesichtspunkte massgebend. Dazu gehört zunächst die Vermeidung einer zu hohen Stromdichte, die es verbietet, den Emitter mit einem Punktkontakt oder einem Spitzenkontakt auszurüsten. Unter Leistungstransistoren im Sinne der vorliegenden Schilderung sollen daher solche Halbleitertrioden verstanden werden, bei denen der Emitter eine Halbleiterfläche von mindestens annähernd 1 mm oder mehr bedeckt.
Die Erfindung bezweckt eine möglichst günstige Auslegung von Siliziumleistungstransistoren der ein- gangs erwähnten Bauart. Erfindungsgemäss beträgt bei einer Dicke des Basisgebietes zwischen Emitter und Kollektor von etwa 0,03 bis 0,08 mm fürn-p-n-Transistoren bzw. von etwa 0,02 bis 0,05 mm für p-n-pTransistoren die Breite des Abstandsstreifens zwischen Emitter und Basiskontakt höchstens das Doppelte der genannten Dicke des Basisgebietes, jedoch nicht weniger als 0,025 mm.
An Hand der Zeichnung sollen die Erfindung und die ihr zugrunde liegenden Erkenntnisse näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt das Querschnittsprofil eines Leistungstransistorelementes in stark vergrösserer und schematischer Darstellung. Es werde beispielsweise von einem n-p-n-Transistor ausgegangen, der aus einem scheibenförmigen Siliziumeinkristall vom p-Leitfähigkeitstypnach dem bekannten Legierungsverfahren hergestellt ist.
Auf der Unterseite der Scheibe ist durch Einlegieren einer antimonhaltigen Goldfolie ein Kollektor C hergestellt, der somit aus einer metallisch leitenden antimonhaltigen Gold-Silizium-Legierungsschicht besteht, welcher ein hochdotierter n-leitender Bereich vorgelagert ist.
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Kontakt für den übrigen, unverändert gebliebenen Teil der Siliziumscheibe, welcher als Basisgebiet B bezeichnet wird. Letzteres hat zwischen dem Emittergebiet und dem Kollektorgebiet die Dicke W.
Zwischen dem Basiskontakt A und dem Basisgebiet B befindet sich eine hoch p-dotierte Schicht von ge- ringer Dicke, welche im folgenden ausser Betracht bleibt, weil ihre Grenze gegenüber dem niedrigdotier- ten Basisgebiet ohnehin am fertigen Element nicht genau bestimmbar Ist. Da sich zudem diese Vernach- lässigung nur Im Sinne eines günstigeren Betriebsverhaltens der Transistoren auswirken kann, erscheint sie unbedenklich. Demgemäss sei die Distanz D als Abstand zwischen Emitter und Basiskontakt an der Halb- leiteroberfläche definiert. Der Transistor möge in geöffnetem Zustand betriebsmässig hauptsächlich im
Bereich !'hoher Injektionen" arbeiten.
Es ist bereits früher (s. franz. Patentschrift Nr. 1. 210.032) vorgeschlagen worden, die Dicke W des
Basisgebietes innerhalb des Bereiches zwischen 0,04 und 0, 07 mm zu wählen, damit einerseits eine den praktischen Anforderungen genügende Sperrspannung von einigen hundert Volt und anderseits noch ein ausreichend hoher Stromverstärkungsfaktor erhalten wird. Bei n-p-n-Transistoren wird dieser Stromver- stärkungsfaktor unzulässig herabgesetzt, wenn das Verhältnis der Dicke W des Basisgebietes zur Diffusions- länge L den Wert W/L s l überschreitet.
Bei den derzeit herstellbaren n-p-n-Silizmm-Lelstungsiransi- storen ml) : einlegierten Elektroden ist bei mittleren Trägerinjektionen eine wirksame DiffussionslangeL bis zu 0,2 mm bei einer Scheibendicke von zirka 0,12 mm erreichbar. Aus Versuchen wurde nun die neue
Erkenntnis gewonnen, dass L mit weiter erhöhter Tragerkonzentration gegenüber dem genannten Maximal- wertvon bis zuO, 2mm wieder abnimmt. Aus diesem Grunde gelangt man, wenn man den vom Emitter zum
Kollektor fliessenden Strom fortlaufend steigert, an eine kritische Grenze, bei welcher L kleiner wird als die Dicke W des Basisgebietes, und bei welcher infolgedessen die Stromverstärkung für praktische Zwecke zu gering wird.
In dem angegebenen Bereich der Basisdicke zwischen 0,03 und 0,08 mm wird diese Ge- fahr deswegen vermieden, weil durch die praktisch in Betracht kommenden Kühlungsmöglichkeiten ohne- hin der Höhe des Stromes vom Emitter zum Kollektor eine solche Grenze gesetzt ist, dass die Diffusions- länge L den erwähnten kritischen Wert nicht unterschreitet.
Die vorstehenden Zahlenangaben gelten, wie gesagt, für n-p-n-Leistungstransistoren. Demgegenüber sind bei p-n'-p-Leistungstransistoren wegen der geringeren Beweglichkeit der Minoritätsträger im Basisge- biet die Anforderungen bezüglich des Verhältnisses W/L schärfer. So tritt u. a. an die Stelle des oben an- gegebenen Grenzwertes W/L s l für ausreichende Stromverstärkung beim p-n-p-Transistor der niedrigere
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erwähnte Bereich 0, 02 - 0, 05 mm.
Während die vorstehenden Gesichtspunkte für die Wahl der Basisdicke W richtungsweisend sind, verdienen im Zusammenhang damit für die Bemessung der Breite D des Abstandsstreifens zwischen Emitter und Basiskontakt weitere Überlegungen Beachtung, die im folgenden mitgeteilt werden.
Sie betreffen a) die Trägerverluste und damit den Stromverstärkungsfaktor, b) die höchstzulässige Sperrspannung zwischen Emitter und Basiskontakt und c) den Spannungsverlust in Durchlassrichtung zwischen Emitter und Basiskontakt.
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Abstand D vergleichsweise klein gegenüber der Basisdicke W gewählt, so iiberwiegen die Trägerverluste im Basisgebiet zwischen Emitter und Kollektor, und deshalb nützt es nicht mehr viel, den Abstand D etwa kleiner als 0,025 mm zu machen. Dieser Wert dürfte auch im Hinblick auf Herstellungsschwierigkelten beim Legierungsverfahren eine untere Grenze darstellen. b) Für viele Anwendungszwecke Ist es ferner erwünscht, dass zwischen Emitter und Basis in Sperrichtung eine möglichst hohe Spannung angelegt werden kann, ohne dass dadurch ein nennenswerter Rückstrom verursacht wird.
Die höchstzulässige Spannung zwischen Emitter und Basis nimmt, wenn der Abstand D den halben Wert der Basisdicke W 1. 1Dterschreitet, merklich ab, dagegen bringt eine Erhöhung des Abstandes D über den Betrag 0,5 x W hinaus praktisch keinen Vorteil, weil dann die höchstzulässige Sperrspannung durch den Zenereffekt begrenzt ist. c) Schliesslich wurde beobachtet, dass der Spannungsverlust in Durchlassrichtung sehr steil anwächst,
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wenn und je mehr der fragliche Abstand D den doppelten Betrag der Diffusionslänge L überschreitet.
Man wird daher die Breite D des Abstandsstreifens zwischen Emitter und Basiskontakt vorteilhaft nicht grösser machen als 2 W, damit auch bei hohen Stromdichten, bei denen L s W wird, der fraglich
Spannungsverlust nicht zu hoch wird.
Bei Abwägung der unter a - c dargelegten Gesichtspunkte unter zusätzlicher Berücksichtigung der
Herstellungsschwierigkeiten ist für die Breite D des Abstandsstretfens zwischen Emitter und Basiskontakt der Bereich von 0,05 bis 0, 1 mm als besonders günstig anzusehen.
Die Herstellung von Silizium-Leistungstransistorelementen mit den erwähnten Abmessungen kann vorteilhaft nach einem früheren Vorschlag (vosten. PatentschriftNr. 196920 und 201666) in der Weise vorgenommen werden, dass eine Siliziumscheibe mit den beiderseits aufgelegten Metallfolien in ein neu- trales Pulver, z. B. Graphitpulver, eingebettet und das Ganze unter mechanischem Druck, durch welchen das Einbettungspulver zusammengepresst wird, so dass es fth das eingebettete Gut eine genau passende Form bildet, der Erhitzung bis auf eine Temperatur von 700 bis 8000 C für kurze Zeit von einigen Minuten aus- gesetzt und danach langsam wieder abgekühlt wird.
Die angegebenen Bemessungsregeln sind nicht nur auf Transistoren mit ringförmigen Basis-und Emitterstreifen anwendbar, sondern auch auf solche mit anders gestalteten Streifen, z. B. das an sich be- kannte Kamm-Muster.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Leistungstransistor, bestehend aus einer einkristallinen Siliziumscheibe, die mindestens zwei
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weniger hoch dotiertes Basisgebiet vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, das Über je einen p-n-Übergang unmittelbar an die beiden ändern Gebiete grenzt, wobei der Kollektor einen wesentlichen Teil der einen Flachseite der Scheibe einnimmt und auf der ändern Flachseite der Emitter und mindestens ein Basiskontakt derart nebeneinander angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein gleichmässig breiter Ab- standsstreifen auf der Scheibenoberfläche freibleibt, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Dicke des Basisgebietes zwischen Emitter und Kollektor von etwa 0,03 bis 0,08 mm für n-p-n-Transistoren bzw.
von etwa 0,02 bis 0,05 mm für p-n-p-Transistoren die Breite des Abstandsstreifens zwischen Emitter und Basiskontakt höchstens das Doppelte der genannten Dicke des Bas1sgebletes, jedoch nicht weniger als 0,025 mm beträgt.
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Power transistor made of silicon
The invention relates to a power transistor consisting of a monocrystalline silicon wafer which has at least two highly doped areas of a given conductivity type emitter and collector and between these a less heavily doped base area of opposite conductivity type, each via a pn junction directly adjoins the other two areas, the collector taking up a substantial part of one flat side of the pane and the emitter and at least one base contact being arranged next to one another on the other flat side in such a way that a uniformly wide spacer strip remains free on the pane surface between them.
Such transistors are known as a special embodiment of what are known as n-p-n or p-n-p power transistors and are intended for use as amplifiers or as switching transistors for power circuits with currents of about 1 A up to the order of 100 A. They are to be distinguished from transistors for signal transmission, whose output circuits only carry very low currents of less than 1 A, often only a few milliamperes. The emitters of these transistors intended for communication purposes are often equipped with point contacts, the area of which is less than 0.1 mm2, or with cutting edge or tip contacts that do not extend over a large area. The design and dimensioning of such signal transmission elements are primarily geared towards stability and the control of the highest possible frequencies.
In contrast to this, other considerations are decisive for power transistors. This includes first of all avoiding an excessive current density, which forbids equipping the emitter with a point contact or a tip contact. In the context of the present description, power transistors are therefore to be understood as meaning those semiconductor trodes in which the emitter covers a semiconductor area of at least approximately 1 mm or more.
The invention aims at the most favorable possible design of silicon power transistors of the type mentioned at the beginning. According to the invention, with a thickness of the base region between emitter and collector of about 0.03 to 0.08 mm for n-pn transistors or of about 0.02 to 0.05 mm for pn-p transistors, the width of the spacer strip between emitter and base contact at most twice the stated thickness of the base area, but not less than 0.025 mm.
The invention and the knowledge on which it is based are to be explained in more detail using the drawing. The drawing shows the cross-sectional profile of a power transistor element in a greatly enlarged and schematic representation. Let us assume, for example, an n-p-n transistor which is produced from a disk-shaped silicon single crystal of the p-conductivity type by the known alloying process.
A collector C is produced on the underside of the disc by alloying an antimony-containing gold foil, which thus consists of a metallically conductive antimony-containing gold-silicon alloy layer, which is preceded by a highly doped n-conductive area.
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Contact for the remaining, unchanged part of the silicon wafer, which is referred to as base region B. The latter has the thickness W between the emitter area and the collector area.
Between the base contact A and the base region B there is a highly p-doped layer of small thickness, which is disregarded below because its limit compared to the low-doped base region cannot be precisely determined on the finished element in any case. Since this neglect can only have an effect in terms of more favorable operating behavior of the transistors, it appears harmless. Accordingly, the distance D is defined as the distance between the emitter and the base contact on the semiconductor surface. The transistor should be operationally mainly in the open state
Area! 'High injections' work.
It has already been proposed earlier (see French patent specification No. 1. 210.032) that the thickness W des
Base area should be selected within the range between 0.04 and 0.07 mm, so that on the one hand a reverse voltage of a few hundred volts that meets the practical requirements and on the other hand a sufficiently high current gain factor is obtained. In the case of n-p-n transistors, this current amplification factor is reduced in an impermissible manner if the ratio of the thickness W of the base region to the diffusion length L exceeds the value W / L s l.
With the currently producible n-p-n-silicon dissipators ml): alloyed electrodes, an effective diffusion length of up to 0.2 mm can be achieved with medium-sized carrier injections with a pane thickness of approximately 0.12 mm. Experiments became the new one
Knowledge gained that L decreases again with further increased carrier concentration compared to the mentioned maximum value of up to 0.2 mm. For this reason, if you move from the emitter to the
The collector current increases continuously, to a critical limit at which L becomes smaller than the thickness W of the base region, and at which as a result the current gain becomes too small for practical purposes.
In the specified range of the base thickness between 0.03 and 0.08 mm, this risk is avoided because the cooling options that can be considered in practice set such a limit to the level of the current from the emitter to the collector that the Diffusion length L does not fall below the critical value mentioned.
As already mentioned, the above figures apply to n-p-n power transistors. In contrast, in the case of p-n'-p power transistors, because of the lower mobility of the minority carriers in the base area, the requirements with regard to the W / L ratio are more stringent. So occurs u. a. instead of the limit value W / L s l given above for sufficient current gain in the p-n-p transistor the lower one
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mentioned range 0.02-0.05 mm.
While the above considerations are indicative for the choice of the base thickness W, in connection with this, further considerations deserve to be considered for the dimensioning of the width D of the spacer strip between the emitter and the base contact, which are given below.
They concern a) the carrier losses and thus the current amplification factor, b) the maximum permissible reverse voltage between emitter and base contact and c) the voltage loss in the forward direction between emitter and base contact.
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If the distance D is chosen to be comparatively small compared to the base thickness W, the carrier losses in the base region between emitter and collector predominate, and therefore it is no longer of much use to make the distance D approximately less than 0.025 mm. This value should also represent a lower limit with regard to manufacturing difficulties in the alloying process. b) For many purposes it is also desirable that the highest possible voltage can be applied between the emitter and the base in the reverse direction without causing a significant reverse current.
The maximum permissible voltage between emitter and base decreases noticeably when the distance D exceeds half the value of the base thickness W 1. 1Dt; on the other hand, increasing the distance D beyond the amount 0.5 x W has practically no advantage because then the maximum permissible Reverse voltage is limited by the zener effect. c) Finally it was observed that the voltage loss increases very steeply in the forward direction,
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if and the more the distance D in question exceeds twice the amount of the diffusion length L.
The width D of the spacer strip between the emitter and the base contact will therefore advantageously not be made greater than 2 W, so that it is questionable even at high current densities at which L s W is
Voltage loss does not get too high.
When weighing the points outlined under a - c with additional consideration of the
For manufacturing difficulties, the range from 0.05 to 0.1 mm is to be regarded as particularly favorable for the width D of the stepping distance between the emitter and the base contact.
The production of silicon power transistor elements with the dimensions mentioned can advantageously be carried out according to an earlier proposal (vosten. Patent No. 196920 and 201666) in such a way that a silicon wafer with the metal foils placed on both sides is converted into a neutral powder, e.g. B. graphite powder, embedded and the whole thing under mechanical pressure, by which the embedding powder is pressed together so that it fth the embedded material forms a precisely fitting shape, the heating up to a temperature of 700 to 8000 C for a short time of a few minutes - is set and then slowly cooled down again.
The specified rating rules are applicable not only to transistors with ring-shaped base and emitter strips, but also to those with strips of different design, e.g. B. the well-known comb pattern.
PATENT CLAIMS:
1. Power transistor, consisting of a single crystal silicon wafer containing at least two
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has less highly doped base region of the opposite conductivity type, which is directly adjacent to the two other regions via a pn junction, the collector occupying a substantial part of one flat side of the disk and the emitter and at least one base contact arranged next to one another on the other flat side are that between them a uniformly wide spacer strip remains free on the pane surface, characterized in that with a thickness of the base area between emitter and collector of about 0.03 to 0.08 mm for npn transistors or
from about 0.02 to 0.05 mm for p-n-p transistors, the width of the spacer strip between emitter and base contact is at most twice the thickness of the base area mentioned, but not less than 0.025 mm.