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Halbleiteranordnung
Der Einsatz von Halbleiterbauelementen in weiten Bereichen der Technik setzt das Bestehen technologischer Verfahren voraus, mit denen sich je nach Bedarf die verschiedensten elektrischen Werte erzielen lassen. Von entscheidendem Einfluss auf die Eigenschaften von Halbleiteranordnungen sind oft ihre geometrischen Abmessungen. Weitere Möglichkeiten, die elektrischen Daten von Halbleiteranordnungen zu beeinflussen, bestehen darin, den Halbleiterkristall je nach den Erfordernissen verschieden zu dotieren, verschieden leitende Schichten in den Kristall einzubauen oder einen Leitfähigkeitsgradienten zu erzeugen.
Es hat sich herausgestellt, dass man die Eigenschaften von Halbleiteranordnungen in bestimmter Hinsicht auch durch Einbau von Rekombinationsschichten verbessern und allgemein ein Prinzip erfolgreich anwenden kann, welches als Rekombinationsvariation zu bezeichnen ist.
Erfindungsgemäss wird daher vorgeschlagen, die Basiszone derart auszubilden, dass die Rekombination der Ladungsträger innerhalb der Basiszone senkrecht zum pn-Übergang verschieden gross ist.
Im speziellen Fall des Einbringens einer Rekombinationsschicht in die Basiszone anschliessend an die Emitter-Sperrschicht wird der ss-Wert des Transistors berührt, im umgekehrten Fall der Anordnung einer Rekombinationsschicht vor der Kollektor-Sperrschicht wird bei Transistoren ein Zustand vermieden, der als übersteuert bezeichnet wird, und der vor allem bei Schalttranistoren unerwünscht ist.
Der Wert der Stromverstärkung in Emitterschaltung, in der Literatur mit ss bezeichnet, wird bei bekannten Transistoranordnungen im wesentlichen durch zwei Grössen bestimmt, nämlich durch die Lebensdauer der Ladungsträger im Halbleitermaterial der Basiszone, durch die Rekombinationsgeschwindigkeit an der Kristalloberfläche, und durch die Dicke der Basiszone. Der ss-Wert steigt mit der Dünne der Basiszone, und wird umso grösser, je kleiner die Lebensdauer der Ladungsträger in der Basiszone ist. Dementsprechend haben Hochfrequenztransistoren wegen ihrer dünnen Basiszone relativ grosse -Werte. Bei Drifttransistoren, die bekanntlich besonders gute Hochfrequenzeigenschaften haben, kommt noch hinzu, dass infolge der starken Dotierung an der Oberfläche des Halbleiters im Bereich des Emitters der Einfluss der Oberflächenrekombination unterdrückt ist.
Bei Hochfrequenztransistoren mit gedrifteter Basiszone übersteigt daher der ss-Wert nicht selten die Zahl 200.
Nun sind aber derartig hohe Verstärkungsziffern für die Stromverstärkung in der Emitterschaltung nicht immer erwünscht ; dies gilt vor allem, wenn ein Transistor als Verstärkerelement bei der Breitband-
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fssverstärkung in Emitterschaltung. Die -Grenzfrequenz ist also umso niedriger, je grösser der ss-Wert ist.
Aus diesem Grunde ist man bestrebt, zur Erzielung einer guten Breitbandverstärkung den ss-Wert in Grenzen zu halten (20 : == ss = 50).
Der bereits bekannte Weg, kleine ss-Werte zu erhalten, besteht darin, die Breite der Basiszone zu erhöhen, oder die Lebensdauer der Ladungsträger durch entsprechende Zusätze zu reduzieren. Mit der Verbreiterung der Basiszone geht aber gleichzeitig die -Grenzfrequenz herunter und die Einbringung von Zusätzen zur Reduzierung der Lebensdauer in das Kristallmaterial hat den Nachteil, dass mit der Abnahme der Lebensdauer der Ladungsträger der Jco-Strom des Transistors proportional ansteigt.
Da sowohl das Ansteigen des Jco-Stromes in dem einen Fall als auch die Herabsetzung der ox-Grenz- frequenz im ändern Fall unerwünscht ist, ist eine andere Lösungsform der gestellten Aufgabe erforderlich.
Den ss-Wert kann man dadurch herabsetzen, dass man vor der Emitterzone eine Rekombinationsschicht in der Basiszone erzeugt. Diese Schicht soll aber so dünn sein, dass sie nicht in die Nähe der Kollektorzone gelangt, damit die Erhöhung des Jco-Stromes möglichst gering wird. Diese unerwünschte Erhöhung ist besonders klein, wenn die Basiszone in der Rekombinationsschicht in der Nähe des Emitters niederohmiger ist, wie das z. B. bei Drifttransistoren der Fall ist. Der ausgesteuerte Emitterstrom muss dabei diese dünne Schicht durchlaufen, und die Wirkung der Rekombinationsschicht muss so bemessen sein, dass durch entsprechende Rekombination des Emitterstromes der gewünschte ss-Wert entsteht.
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Die Rekombinationszone lässt sich z. B. dadurch herstellen, dass aus der Emitterzone solche Atome in den Halbleiterkristall diffundiert werden, die eine Reduzierung der Lebensdauer der Ladungsträger bewirken, z. B. Kupfer- oder Nickel-Atome.
Die erfindungsgemässe Anordnung eignet sich besonders gut für den Drifttransistor. Die Anwesenheit der Rekombinationsatome in der Nähe der Emitterzone verursacht zwar die gewünschte Reduzierung
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stattfinden, da sich die Rekombinationszentren in einem Bereich der Basiszone befinden, der sehr stark dotiert ist, d. h., der nur wenige Minoritätsträger enthält. Wenige Minorititätsträger bedeuten aber trotz der starken Rekombinationszentren eine geringe Geburtentätigkeit, d. h. der Jco-Strom bleibt praktisch unbeeinflusst von diesen Rekombinationszentren.
Bei ungleichmässiger Dotierung der Basiszone eines Transistors ist eine Rekombinationszone am stärksten wirksam, wenn sie sich in der Basiszone in einem Bereich'grösster Ladungsträgerdichte befindet.
Bei einem normalen Diffusionsvorgang, z. B. bei dem der Strom vom Emitter zum Kollektor führt, bildet sich in der Basiszone ein sogenanntes Diffusionsdreieck aus, d. h. die Dichte der Ladungsträger ist auf der Emitterseite gross und kollektorseitig praktisch Null. Eine Rekombinationszone ist in einem solchen Transistor also dann am wirksamsten, wenn sie sich in der Nähe der Emitterzone befindet. Würde man diese Zone an den Kollektorrand legen, so würde praktisch keine Rekombinationswirkung auftreten.
Es gibt aber Fälle, bei denen man beim Transistor auch auf der Kollektorseite in die Durchlassrichtung der Kollektor-Basis-Diode gelangt, nämlich dann, wenn der Transistor als Schalter arbeitet und die Kollektorspannung so niedrig wie möglich gemacht wird (Restspannung). Aus dem Diffusionsdreieck entsteht jetzt durch Anhebung der Ladungsträgerdichte an der Kollektorseite ein Viereck mit einer flachen
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Zustand des Transistors ist bei Schalttransistoren nicht erwünscht, weil beim Abschalten des Transistors die erhöhte Ladungsmenge im Basisraum erst abfliessen muss, bevor der Kollektorstrom tatsächlich auf Null geht (storrage time der Transistoren). Der übersteuerte Zustand des Transistors lässt sich vermeiden, wenn gemäss einer ändern Ausführungsform der Erfindung vor der Kollektorzone eine starke rekombinierte Zone vorhanden ist.
Unter dieser Voraussetzung kann nämlich die Dichte der Ladungsträger kollektorseitig nicht über ein bestimmtes Mass hinausgehen, d. h. der Übersteuerungseffekt wird zumindest abgeschwächt und die "storrage time" auf ein Mindestmass herabgesetzt.
Die Erfindung soll nun noch an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Fig. l zeigt eine Anordnung, bei der emitterseitig eine Rekombinationszone 1 in der Basiszone 2 vorhanden ist. Diese Anordnung betrifft also die Reduzierung des -Wertes, wobei darauf zu achten ist, dass der Abstand zwischen der Rekombinationszone 1 und der Kollektorzone 3 genügend gross ist. Die Rekombinationszone 1 wird dadurch hergestellt, dass Kupfer- oder Nickel-Atome aus der Emitterzone 4 in die Basiszone 2 hineindiffundiert werden.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist die Rekombinationszone 1 nicht auf der Emitter-, sondern auf der Kollektorseite 3, d. h. eine solche Anordnung eignet sich, wie bereits erwähnt, für Schaltungstransistoren mit kurzen Schaltzeiten.
PATENTANSPRÜCHE :
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ausgebildet ist, dass die Rekombination der Ladungsträger innerhalb der Basiszone senkrecht zum pn- Übergang verschieden gross ist.
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Semiconductor device
The use of semiconductor components in wide areas of technology requires the existence of technological processes with which a wide variety of electrical values can be achieved as required. Often, their geometrical dimensions have a decisive influence on the properties of semiconductor arrangements. Further possibilities of influencing the electrical data of semiconductor arrangements consist in doping the semiconductor crystal differently depending on the requirements, building different conductive layers into the crystal or generating a conductivity gradient.
It has been found that the properties of semiconductor arrangements can also be improved in certain respects by the incorporation of recombination layers and, in general, a principle which can be referred to as recombination variation can be applied successfully.
According to the invention, it is therefore proposed to design the base zone in such a way that the recombination of the charge carriers within the base zone is of different magnitude perpendicular to the pn junction.
In the special case of introducing a recombination layer into the base zone following the emitter barrier layer, the ss value of the transistor is affected; in the opposite case, when a recombination layer is arranged in front of the collector barrier layer, a state that is referred to as overdriven is avoided with transistors, and which is particularly undesirable with switching transistors.
The value of the current gain in the emitter circuit, referred to in the literature as ss, is essentially determined by two variables in known transistor arrangements, namely by the life of the charge carriers in the semiconductor material of the base zone, by the recombination speed at the crystal surface, and by the thickness of the base zone. The ss value increases with the thinness of the base zone, and becomes greater the shorter the life of the charge carriers in the base zone. Correspondingly, high-frequency transistors have relatively large values because of their thin base zone. In the case of drift transistors, which are known to have particularly good high-frequency properties, there is also the fact that the influence of surface recombination is suppressed due to the heavy doping on the surface of the semiconductor in the area of the emitter.
In the case of high-frequency transistors with a drifted base zone, the ss value often exceeds 200.
However, such high gain factors for the current gain in the emitter circuit are not always desirable; this is especially true when a transistor is used as an amplifier element in broadband
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fss amplification in emitter circuit. The higher the ss value, the lower the limit frequency.
For this reason, efforts are made to keep the ss value within limits in order to achieve a good broadband gain (20: == ss = 50).
The already known way of obtaining small ss values is to increase the width of the base zone or to reduce the service life of the charge carriers through appropriate additives. With the widening of the base zone, however, the limit frequency goes down at the same time and the introduction of additives to reduce the service life in the crystal material has the disadvantage that the Jco current of the transistor increases proportionally with the decrease in the service life of the charge carriers.
Since both the increase in the Jco current in one case and the decrease in the ox limit frequency in the other are undesirable, a different form of solution to the problem is required.
The ss value can be reduced by creating a recombination layer in the base zone in front of the emitter zone. However, this layer should be so thin that it does not come close to the collector zone, so that the increase in the Jco current is as small as possible. This undesirable increase is particularly small if the base zone in the recombination layer in the vicinity of the emitter has a lower resistance, such as the z. B. is the case with drift transistors. The controlled emitter current must pass through this thin layer, and the effect of the recombination layer must be such that the desired ss value arises through appropriate recombination of the emitter current.
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The recombination zone can be z. B. produce in that such atoms are diffused into the semiconductor crystal from the emitter zone, which cause a reduction in the life of the charge carriers, z. B. copper or nickel atoms.
The arrangement according to the invention is particularly suitable for the drift transistor. The presence of the recombination atoms in the vicinity of the emitter zone causes the desired reduction
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take place because the recombination centers are located in a region of the base zone which is very heavily doped, i.e. i.e. that contains only a few minority carriers. Few minority carriers mean, despite the strong recombination centers, little birth activity, i. H. the Jco current remains practically unaffected by these recombination centers.
In the case of non-uniform doping of the base zone of a transistor, a recombination zone is most effective if it is located in the base zone in an area of the greatest charge carrier density.
In a normal diffusion process, e.g. B. in which the current leads from the emitter to the collector, a so-called diffusion triangle forms in the base zone, d. H. the density of the charge carriers is high on the emitter side and practically zero on the collector side. A recombination zone is therefore most effective in such a transistor when it is located in the vicinity of the emitter zone. If this zone were to be placed on the edge of the collector, practically no recombination effect would occur.
However, there are cases in which the collector side of the transistor is also passed in the forward direction of the collector-base diode, namely when the transistor works as a switch and the collector voltage is made as low as possible (residual voltage). By increasing the charge carrier density on the collector side, the diffusion triangle now becomes a square with a flat one
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The state of the transistor is undesirable for switching transistors, because when the transistor is switched off, the increased amount of charge in the base space must first flow off before the collector current actually goes to zero (storage time of the transistors). The overdriven state of the transistor can be avoided if, according to another embodiment of the invention, there is a strong recombined zone in front of the collector zone.
Under this prerequisite, the density of the charge carriers on the collector side cannot exceed a certain level, i.e. H. the override effect is at least weakened and the "storage time" is reduced to a minimum.
The invention will now be explained in more detail using exemplary embodiments. FIG. 1 shows an arrangement in which a recombination zone 1 is present in the base zone 2 on the emitter side. This arrangement thus relates to the reduction of the value, whereby it must be ensured that the distance between the recombination zone 1 and the collector zone 3 is sufficiently large. The recombination zone 1 is produced in that copper or nickel atoms are diffused from the emitter zone 4 into the base zone 2.
In the arrangement according to FIG. 2, the recombination zone 1 is not on the emitter side, but on the collector side 3, i. H. As already mentioned, such an arrangement is suitable for switching transistors with short switching times.
PATENT CLAIMS:
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is designed that the recombination of the charge carriers within the base zone perpendicular to the pn junction is different in size.