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Transistor zum Betrieb in Regelschaltungen
Empfängerschaltungen sehen in der ersten Verstärkerstufe sehr oft in ihrer Verstärkung elektronisch regelbare HF-Transistoren vor. Im Frequenzbereich über 30 MHz ist es üblich, zwischen der Empfangsantenne und dem Eingang der ersten Transistorverstärkerstufe mit Transformationsgliedern zu arbeiten, deren Bandbreite gross ist gegenüber der Gesamtbandbreite des Empfängers. Diese Schaltungstechnik fordert Regeltransistoren, deren Kreuzmodulationsverhalten im gesamten Regelbereich bestimmten Anforderungen genügt. Eine wesentliche Ursache für die Kreuzmodulation ist die nichtlineare Eingangskennlinie eine :.
Transistors. Unter Kreuzmodulation wird dabei die Erscheinung verstanden, dass bei Empfang eines sogenannten Nutzsenders die Modulation eines auf einer andern Frequenz arbeitenden Störsenders zu beobachten ist, während man ohne Vorhandensein der Nutzträgerwelle die Störmodulation nicht feststellt.
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im genannten Arbeitsbereich eine möglichst grosse zulässige Störspannung erreichen.
Die für die Kreuzmodulation massgebende Nichtlinearität des Verstärkungsverlaufes eines Transistors wird in der Funktion VL = f (Ic) dargestellt. Zur Veranschaulichung dient die Fig : 1, in der der Verlauf der Leistungsverstärkung (Kurve 30 bzw. 31) und der zulässigen Störspannung (Kurve 32 bzw. 33) als Funktion des Kollektorstromes dargestellt ist. Mit VL ist dabei die in db gemessene Leistungsverstärkung eines Transistors bezeichnet. IC ist der Kollektorstrom und Ustör ist die Spannung eines modulierten Störsenders, die eine definierte Modulation eines Nutzsenders hervorruft. Die Krümmung der Funktion VL = f (IC) stellt ein Mass für die Kreuzmodulation bzw. für die zulässige Störspannung dar.
Um zu erreichen, dass die für eine bestimmte Störung des Nutzsenders zulässige bzw. erforderliche Störspannung im gesamten Regelbereich möglichst gross ist, soll die den Verstärkungsverlauf des Transistors kennzeichnende Kurve möglichst wenig gekrümmt sein.
Diese Betrachtungen gelten für Regeltransistoren, welche in Aufwärtsregelschaltung betrieben werden, d. h. die Verstärkungsänderung wird bei derartigen Transistoren durch die Abnahme der Steilheit mit ansteigendem Emitter- bzw. Kollektorstrom erreicht. In Fig. 1 zeigen die ausgezogenen Kurven den Verlauf der Leistungsverstärkung und der zulässigen Störspannung als Funktion des Kollektorstromes für einen normalen Transistor ohne besondere Regeleigenschaften, während die gestrichelten Kurven den Verlauf angeben, wie er für einen Regeltransistor anzustreben ist.
Gemäss der Erfindung werden Vorschriften für die Dotierung der Kollektorzone sowie für die Basiszone und für die Emittergeometrie gegeben, die es ermöglichen, die Regeleigenschaften eines Transistors in der im Zusammenhang mit der Fig. 1 näher erläuterten Weise günstig zu beeinflussen.
Für die Regeleigenschaften eines Transistors ist die Dotierung der Kollektorzone von grosser Bedeutung. Gemäss der Erfindung wird ein Transistor vorgeschlagen, bei dem die Dotierungsdichte Nc (1/cm3)
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in dieser hochohmigen Zone so gewählt ist, dass schon bei einem Kollektorstrom Ic (mA) von einigen mA (höchstens 10 mA) die Stromdichte jc (A/cm2) grösser ist als das Produkt aus der Grenzgeschwindigkeit vgr (cm/sec) für die vom Emitter in die Basiszone injizierten Ladungsträger bei hoher Feldstärke (3 - 6.
106 cm/sec) der Dotierungsdichte Nc (1/cm3) in der hochohmigen Kollektorzone und der Elementarladung q (Coulomb), so dass eine Änderung des Kollektorstromes Ic (mA) eine Än-
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zierten Emitterfläche abhängige Grösse. Da durch die Emitterfläche die elektrischen Daten des Transistors beeinflusst werden, insbesondere die Grenzfrequenz, wird also, je nachdem, für welche elektrische Daten, insbesondere für welchen Frequenzbereich, der Transistor dimensioniert ist, die Dotierungsdichte Nc einen andem Wert annehmen. Für eine inhomogene Injektion längs der injizierenden Emitterfläche gilt die Gleichung
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die sich für homogene Injektion zu
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vereinfacht.
Der Transistor kann auch so aufgebaut sein, dass die Kollektorzone aus einem sich an die Basiszone anschliessenden Teil mit der Dotierungsdichte Ne und einem niederohmigeren, sich an die Kollektorelektrode anschliessenden Teil besteht.
Die selektive HF-Verstärkung eines Transistors ist physikalisch gegeben durch die Beziehung
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wobei rbb I den Basisausbreitungswiderstand. Ccb I den zu rbbt in Serie liegenden Anteil der Kollektorkapazität, f die Frequenz und fT den Wert für die Frequenz, wenn die Stromverstärkung in Emitterschaltung gleich 1 ist, bedeuten. Eine Reduzierung von VL für eine bestimmte Frequenz f ist über eine Verkleinerung des Zählers oder eine Vergrösserung des Nenners in Gleichung (1) möglich.
Für hohe Frequenzen sind die Eingangs- und Ausgangsimpedanzen eines Transistors weitgehend durch den Basisausbreitungswiderstand bzw. durch die Kollektorkapazität bestimmt. Eine Änderung dieser Grössen zum Zwecke der Verstärkungsregelung führt zu Anpassungsänderungen und zur Verstimmung von vor-bzw. nachgeschalteten Gliedern. Ein Angreifen an der Transfergrösse fT hingegen bringt eine optimale Ver-
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genommener und zulässiger Vernachlässigung von Raumladungslaufzeitanteilen der Basislaufzeit reziprok proportional, u. zw. ist
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Die Basislaufzeit TL ist eine quadratische Funktion der Breite der feldfreien, durch Diffusion durchlaufenen Basis, u. zw. ist
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wobei D die Diffusionskonstante der Minoritätsträger im Basisraum und w die elektrisch wirksame Basiszonenbreite bedeuten.
Eine gezielte Beeinflussung der Transfergrösse fT durch den Kollektorgleichstrom kann über eine geeignete Dotierung der Kollektorzone erfolgen. Die sich am Kollektor-pn-Ubergang im Betrieb ausbildende Raumladungszone hat eine Raumladungsdichte pc, welche der Dotierungsdichte im Kollektorgebiet proportional ist, und die durch die Beziehung
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gegeben ist. Dabei bedeuten q die Elementarladung und Nc die Dotierungsdichte in der Kollektorzone.
Wird nun vom Emitter ein Strom in die Basiszone injiziert, dessen Stromdichte grösser ist als der durch die Beziehung
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gegebene Wert und zum Kollektor abgeführt, so wird die ursprüngliche Kollektorraumladungszone umge- laden bzw. verlagert und dadurch eine Verbreiterung der feldfreien Basiszone, also der elektrisch wirksa- men Basisbreite w, erzielt. Vgr bedeutet in der Gleichung (5) die Grenzgeschwindigkeit für Ladungs- träger im Halbleiter bei hohen Feldstärken, die etwa 3 - 6. 106 cm/sec beträgt. Wie sich aus der Be- ziehung (3) ergibt, hat eine Verbreiterung der feldfreien Basiszone eine Erhöhung der Trägerlaufzeit zur
Folge, die gemäss Beziehung (2) zu einer Verkleinerung der Grösse fT und damit gemäss Beziehung (1) zu einer Absenkung der Hochfrequenzverstärkung führt.
Diese Basisaufweitung bzw. HF-Verstärkungsabsenkung nimmt mit wachsendem Kollektorstrom Ic zu.
Aus Gründen der Verlustleistung sowie der Stabilität des Rauschens und der Impedanzkonstanz ist es wesentlich, dass die Dotierung Ne in der Kollektorzone so gering gewählt ist, dass die Absenkung der Verstärkung bereits bei einem Kollektorstrom von einigen mA (höchstens 10 mA) erfolgt.
Die Basisaufweitung bzw. die HF-Verstärkungsabsenkung kann umso weiter fortschreiten, je dicker die
Kollektorzone gewählt ist.
Ein Regeltransistor gemäss der Erfindung kann z. B. als pnp- Transistor vom Mesatyp aufgebaut sein, wobei die p-leitende Kollektorzone aus einem relativ hochohmigen, sich an die n-leitende Basiszone anschliessenden und einem niederohmigen, sich an die Kollektorelektrode anschliessenden Teil bestehen kann. Die Dicke der Basiszone ist z. B. mit 1, 511 gegeben, während die Emitterfläche 28 x 70 J. lz be- trägt. Als Kollektordotierung wurde eine Dotierungsdichte von 4. 1014/cm3 gewählt. Dies entspricht einer Leitfähigkeit von 8 Ohm/cm. Die Dicke der zwischen dem niederohmigen Kollektorgebiet und der Basiszone liegenden Schicht beträgt 5011.
Ein derartiger Transistor gestattet in einer anwendungsna- hen Schaltung eine Verstärkungsabregelung von zirka 40 db bei einer Frequenz von zirka 200 MHz. Die Arbeitsgerade ist dabei durch eine Batteriespannung von 12 V und einen Arbeitswiderstand von 1 kOhm festgelegt.
Von wesentlicher Bedeutung für die Regeleigenschaften ist auch der Dotierungsverlauf in der Kollektorzone. Er soll eine stetig wenig veränderliche Ortsfunktion sein, da auch die Basisaufweitung möglichst stetig und gleichmässig erfolgen soll, um Nichtlinearitäten bei der Verstärkung und damit Kreuzmodulation u. ähnl. Störungen zu vermeiden. Gemäss der Erfindung wird daher eine konstante Dotierung für die Kollektorzone bzw. die hochohmige Zone vorgeschlagen.
Die Änderung der Ausgangsimpedanz über die Regelspur kann auch dadurch klein gehalten werden, dass die Dotierung in dem an die hochohmige Zone anschliessenden Bereich der Kollektorzone geringer ist als im übrigen Teil der Kollektorzone. So soll z. B. die Dotierung in diesem Bereich der Kollektorzone das Drei- bis Zehnfache der Dotierung der hochohmigen Zone betragen.
Eine besonders günstige Möglichkeit, den Verlauf der Leistungsverstärkung und der zulässigen Störspannung in der in der Einleitung näher erläuterten Weise günstig zu beeinflussen, ist durch eine Anordnung gegeben, bei der die Basisdotierung und/oder die Emittergeometrie so gewählt ist, dass die Ladungsträgerinjektion in die Basiszone über die injizierende Emitterfläche inhomogen ist.
Es hat sich gezeigt, dass bei Regeltransistoren im Gegensatz zu Transistoren für Verstärkung relativ grosser Signale eine Ausbildung der Anordnung vorteilhaft ist, bei der die Injektion längs der Emitterfläche inhomogen ist, dass also der verwendete Transistor als zusammengesetzt aus einer Vielzahl unterschiedlicher, einander parallelgeschalteter Teiltransistoren gedacht werden kann, die jeweils bei unterschiedlichen Teilstromdichten und bei unterschiedlichem Gesamtstromwert Ic die Grenzgeschwindigkeit der Träger und damit den Regeleinsatz durch Basisaufweitung erreichen lassen. Fig. 2 zeigt schematisch den Verstärkungsverlauf VL einer Reihe derartiger gedachter, unterschiedlicher, parallelgeschalteter Teiltransistoren. Der Verstärkungsverlauf dieser Teiltransistoren ist durch die Kurven 40, 41, 42 und 43 angegeben.
Als Überlagerung all dieser Teiltransistoren ergibt sich eine wesentlich weniger scharf gekrümmte Gesamtkurve 44. Entsprechend dieser wesentlich geringeren Krümmung der Kurve werden auch die Kreuzmodulationseigenschaften eines derartig aufgebauten Transistors günstiger. Bis zu einem gewissen Grade wird eine inhomogene Injektion schon dadurch verursacht, dass auf Grund eines Spannungsabfalls längs des Basiswiderstandes, bedingt durch den Basisstrom In, die basiskontaktfemen und die basiskontaktnahen Emitterbereiche verschiedenes Potential aufweisen. Durch spezielle geometrische Auslegung
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des Emitters sowie durch Bemessung des Basisbereiches lässt sich das Abregeln und das Kreuzmodulationsverhalten noch optimalisieren.
Um, abgesehen vom Spannungsabfall längs des Basiswiderstandes, eine inhomogene Injektion zu erreichen, ist es notwendig, dass das Verhältnis von Emitter- zu Basisdotierung über die Emitterfläche einen Gradienten aufweist bzw. schwankt. Bei einem diffundiert legierten Transistor lässt sich dies z. B. durch eine ungleichmässige Einlegierung des Emitter-pn-Übergangs in die diffundierte Basis erreichen, die eine z. B. muldenartige oder keilförmige Ausbildung der Restbasiszone zwischen Emitter- und Kollektor-pn-Übergang zur Folge hat. Eine durch Diffusion erzeugte Basis hat zwangsläufig senkrecht zur Oberfläche einen Dotierungsgradienten.
Eine inhomogene Injektion längs des Emitters kann aber auch dann erzielt werden, wenn die Basis parallel zur Kristalloberfläche, von der aus der Emitter einlegiert ist, inhomogen dotiert ist, d. h. dass die Basiszone senkrecht zu dem durch Diffusion der Basiszone entstehenden Dotierungsgradienten ebenfalls einen Dotierungsgradienten aufweist. Dabei kann sich die Dotierung in der Basiszone z. B. periodisch ändern, oder es kann auch ein Übergang zwischen Basiszone und Kollektorzone vorliegen, der eine Stufenstruktur aufweist, d. h. die Dicke der Basiszone ist parallel zur Halbleiteroberfläche ebenfalls inhomogen.
Auch in diesen Fällen setzt die Abregelung durch Basisaufweitung in bestimmten Bereichen der Basiszone, nämlich in den schwächer dotierten Bereichen, in denen die Stromdicke relativ gross ist, bereits bei verhältnismässig kleinen Kollektorströmen ein und dadurch wird wieder eine Verschiebung des Verstärkungsmaximums des Transistors zu kleinen Kollektorströmen erzielt. Dies hat, wie bereits ausgeführt, eine verringerte Krümmung des Verstärkungsverlaufes und damit eine Erhöhung der zulässigen Störspannung zur Folge.
Bei einer Anordnung, bei der die Basiszone parallel zur Kristalloberfläche inhomogen dotiert ist, kann der Emitter gleichmässig einlegiert oder eindiffundiert werden, so dass die injizierende Fläche im wesentlichen wieder parallel zur Kristalloberfläche verläuft. Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung ist es jedoch auch möglich, in eine derartig inhomogen dotierte Basis einen Emitter so einzulegieren, dass seine emittierende Fläche nicht parallel zur Halbleiteroberfläche verläuft. Die Emittergeometrie kann dann so gewählt werden, dass in den Bereichen der Basiszone, in denen infolge der inhomogenen Dotierung eine grössere Stromdichte erzielt wird, diese Stromdichte durch die Emittergeometrie noch vergrössert wird.
Dadurch wird der Effekt der Verschiebung des Verstärkungsmaximums zu kleinen Kollektorströmen noch weiter begünstigt und dadurch eine weitere Glättung der den Verstärkungsverlauf bestimmenden Kurve erzielt.
In Fig. 3 ist ein Regeltransistor dargestellt, der gemäss der Erfindung eine keilförmige Restbasiszone zwischen Emitter-und Kollektor-pn-Übergang mit inhomogen injizierender Emitterfläche aufweist.
Mit 1 ist in dieser Figur der niederohmige Teil der Kollektorzone, mit 3 die Basiszone und mit 2 der an die Basiszone anschliessende Teil der Kollektorzone bezeichnet, der gegenüber dem Gebiet 1 hochohmig ist. Der Transistor ist vom Mesatyp und aus einer grossen Halbleiterscheibe in der üblichen Weise herausgeschnitten. Mit 8 ist der Kontakt für die Kollektorzone bezeichnet. 5 ist der Basiskontakt, während mit 4 die keilförmige Emitterzone bezeichnet ist, die einen ebenfalls keilförmigen Verlauf der zwischen Emitter- und Kollektor-pn-Übergang liegenden Restbasiszone 3 t zur Folge hat.
Die Anordnung besteht z. B. aus Germanium und die Zonen 1 und 2 weisen p-Leitfähigkeit, die Zone 3 n-Leitfähigkeit und die Emitterzone 4 wieder p-Leitfähigkeit auf.
In Fig. 4 ist ein zu dem in Fig. 3 dargestellten Schnitt senkrechter Schnitt durch die Emitter- und Basiszone dargestellt. In den Bereichen der Basiszone, die an das Gebiet grosser Eindringtiefe der Emitterzone anschliesst, wird bereits bei geringen Werten für den Kollektorstrom eine Kollektorstromdichte erreicht, die zur gewünschten Abregelung durch Basisaufweitung führt.
In Fig. 5 ist ein in derselben Ebene wie der in Fig. 4 dargestellte liegender Schnitt durch eine Emit- ter-und Basiszone dargestellt, bei der der Übergang 7 zwischen Restbasiszone 3 t und Emitterzo- ne 6 Stufenstruktur aufweist.
Die Fig. 6 zeigt einen in der gleichen Ebene liegenden Schnitt einer Anordnung, bei der die sich an die Emitterzone 9 anschliessende Restbasiszone 3 t muldenförmig ausgebildet ist.
In Fig. 7 ist die Mesa eines bezüglich seiner äusseren Form gemäss Fig. 3 ausgebildeten Transistors dargestellt. Mit 10 ist der p-leitende hochohmigere Teil der Kollektorzone, mit 14 die Basiszone, mit 12 der Basiskontakt und mit 13 der Emitterkontakt bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung sind die gemäss ihrer Schraffur dem Bereich 16 entsprechenden Teile der Basiszone und die gemäss ihrer Schraffur dem Bereich 17 entsprechenden Teile der Basiszone relativ zueinander unterschiedlich dotiert, während die die gleiche Schraffur aufweisenden Teile der Basiszone auch gleich do-
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tiert sind, wobei unter gleicher Dotierung eine Übereinstimmung sowohl bezüglich Leitungstyp als auch bezüglich des Widerstandswertes zu verstehen ist.
Die Basiszone 14 weist also mindestens teilweise, d. h. wenigstens in dem dem Emitter benachbarten Gebiet eine parallel zur Halbleiteroberfläche periodisch wechselnde Dotierungsdichte auf. Dieser periodische Wechsel der Dotierungsdichte kann natürlich auch über die ganze Dicke der Basiszone erfolgen.
In Fig. 8 ist eine andere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, wobei die Struktur des Transistors wieder dem Mesatyp gemäss Fig. 3 entspricht. Bei dieser Ausführungsform weist die Basiszone 11, die n-leitend ist und zwischen der p-leitenden Kollektorzone 10 und der p-leitenden Emitterzone 15 liegt, eine periodisch wechselnde Dicke auf, d. h. der Übergang zwischen der Basiszone und der Kollektorzone erhält eine Stufenstruktur.
Der Wechsel in der Dotierungsdichte gemäss Fig. 7 bzw. die Stufenstruktur muss dabei nicht unbedingt periodisch ausgebildet sein, sondern sie kann auch in unregelmässiger Form auftreten. Die Emitterzone weist bei den in Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen, z. B. wie in Fig. 8 sichtbar, eine parallel zur Kristalloberfläche 18 verlaufende emittierende Fläche 19 auf. Der Emitter kann aber auch entsprechend den in den Fig. 4-8 dargestellten Formen ausgebildet sein.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung verwendet eine Emitterstruktur mit inhomogener Breite, wie sie in Fig. 9 dargestellt ist, durch welche der Gesamttransistor wieder als Kombination unterschiedlicher Teiltransistoren aufgebaut erscheint. Die verschieden breiten Teiltransistoren unterscheiden sich hiebei vorwiegend durch unterschiedliches Abregeln, auf Grund unterschiedlicher Einflüsse der Trägerrandverdrängung. Ein solcher Emitter kann z. B. nach der Planartechnik, also durch Diffusion durch eine Maske hergestellt werden. Die Öffnungen der Maske weisen dabei eine über ihre Länge inhomogene Breite auf.
Wenn dafür gesorgt wird, dass die Breite wenigstens teilweise nicht wesentlich grösser als die vorgesehene Emitterdiffusionstiefe ist, so wird auch die Emitterdiffusionstiefe und damit die Basisdicke inhomogen, wodurch eine bezüglich ihrer Regeleigenschaften günstige Struktur zustande kommt. In Fig. 9 ist eine solche Emitterzone herausgelöst aus der übrigen Transistoranordnung zur Veranschaulichung dargestellt. Mit 45 ist die Emitterelektrode bezeichnet, während mit 46 die Emitterzone sich ändernder Dicke bezeichnet ist. Wenn man sich diese Emitterzone an der Stelle B und an der Stelle A in der in Fig. 9 angegebenen Weise, also senkrecht zur Zeichenebene geschnitten denkt, so ergibt ein Vergleich dieser Querschnitte, dass an der Stelle des Querschnitts B sowohl die Breite als auch die Dicke des Emitters wesentlich kleiner als in der Querschnittsebene A ist.
Damit gilt auch für die Basiszone, da der Übergang zwischen Basis- und Kollektorzone wieder parallel zur Halbleiteroberfläche verlaufen soll, dass die Dicke der unter der Emitterzone verlaufenden Basisschicht im Bereich B grösser als im Bereich A ist. Die schmalen und breiten Bereiche müssen dabei nicht periodisch, sondern können auch sonst willkürlich nebeneinander vorliegen.
Bei einem besonders günstigen Verfahren zum Herstellen einer Halbleiteranordnung gemäss der Erfindung wird folgendermassen vorgegangen :
Auf einer Halbleiterscheibe eines Leitungstyps mit relativ grosser Leitfähigkeit, d. h. mit einem spez.
Widerstand von einigen mC11mj cm wird eine hochohmigere Zone des gleichen Leitungstyps, insbesondere epitaktisch, aufgebracht, die zusammen mit dem niederohmigen Teil die Kollektorzone des Transistors bildet. Dann wird durch Diffusion eines den entgegengesetzten Leitungstyp erzeugenden Dotierungsstoffes eine Schicht der hochohmigeren Zone teilweise umdotiert und so die Basiszone erzeugt, und dann die Oberfläche der durch Diffusion erzeugten Schicht mit einer Maske versehen und auf den von der Maske nicht bedeckten Stellen der Diffusionsschicht ein Dotierungsmetall aufgebracht, das den entgegengesetzten Leitungstyp, wie ihn die Diffusionsschicht aufweist, erzeugt,
dieses Dotierungsmetall unter Bildung der Emitterzone in die Diffusionsschicht einlegiert oder eindiffundiert und dann in geringem Abstand ebenfalls durch eine Maske der Kontakt für die Basiszone aufgebracht.
Um dabei ein ungleichmässiges Einlegieren der Emitterfront, d. h. der injizierenden Emitterfläche, zu erzielen, wird die Halbleiteroberfläche, in die der Emitter einlegiert wird, so geschnitten, dass sie gegen die 111-Ebene des Halbleiterkristalls geneigt ist. Da die Basiszone durch Diffusion hergestellt ist, weist sie einen Dotierungsgradienten senkrecht zur Oberfläche auf. Da die Emitterfläche bei der Anordnung gemäss der Erfindung eine unterschiedliche Eindringtiefe bezüglich dieser Basiszone aufweist, ist auch die Dotierung in den der Emitterfläche benachbarten Gebieten infolge des Dotierungsgradienten senkrecht zur Oberfläche in der Basiszone verschieden.
Durch diese unterschiedliche Dotierung in den der Emitterzone benachbarten Basisgebieten längs der injizierenden Fläche wird die bereits besprochene unterschiedliche Injektion und damit unterschiedliche Stromdichte längs der Emitterfläche erzielt bzw. die Verschiebung des Verstärkungsmaximums zu kleineren Kollektorströmen erreicht.
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Je nachdem, welche Form für die Emitterfläche erzielt werden soll, ob also eine Keilform, eine stufenförmige oder eine muldenartige Fläche als injizierende Fläche gewünscht wird, soll die Neigung der Halbleiteroberfläche gegen die 111-Ebene des Halbleiterkristalls 1, 5 - 20 oder mehr als 40 betragen.
Beim Einlegieren des Emitters folgt die Legierungsfront bei Einhaltung bestimmter Legierbedingungen weitgehend dieser Fehlorientierung und ergibt einen unterschiedlich tief einlegierten und damit inhomogen injizierenden Emitter. Zur Verstärkung dieser Inhomogenität und damit zur Verbesserung der Regel-
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ne bei dem in Fig. 3 dargestellten Transistor senkrecht zur Zeichenebene liegen, während sie bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung in der Zeichenebene liegt.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel zur Herstellung eines Transistors gemäss den Fig. 3 und 4 gegeben. Als Ausgangsmaterial dient in Scheiben geschnittenes, einkristallines, p-leitendes Germanium mit grosser Leitfähigkeit, d. h. mit einer Leitfähigkeit, die einige mOhm/cm beträgt. Die polierte Oberfläche der Scheibe ist 1, 5 - 20 gegen die 111-Ebene geneigt. Die Richtung der Neigung der 111-Ebene wird durch eine Markierung an der Scheibe gekennzeichnet. Auf diese polierte und anschlie- ssend überätzte Oberfläche wird epitaktisch eine hochohmige p-leitende Germaniumschicht von mehr als 2011 Dicke aufgebracht. Der Widerstand dieser Schicht beträgt 5 - 10 Ohm/cm.
In diese Schicht wird eine n-leitende Schicht von 1, 4 bis 1, 711 Tiefe und einem Schichtwiderstand von 50 bis 60 Ohm pro Fläche eindiffundiert. Auf diese Diffusionsschicht werden im Hochvakuum bei 3800C Aluminiumflecken der Geometrie 27 x 70 11 und einer Schichtdicke von 3000 A aufgedampft und bei 5200C einlegiert. Die Aufdampfschicht kann auch aus einem Gemisch von Aluminium mit 30% Gold bestehen.
Vorteilhafterweise erfolgt die Aufdampfung so, dass die Längsachse der Aufdampfflecken in Richtung der Fehlorientierung liegt. Das Aufdampfen des Dotierungsmetalls für den Emitter erfolgt durch eine Maske hindurch. Auf diese Weise können auch mehrere Emitterelektroden, d. h. mehrere Anordnungen gleichzeitig, hergestellt werden. Nach dem Aufdampfen und Einlegieren des Emitters wird die Aufdampfmaske verschoben, u. zw. um einen Abstand Fleckenbreite + 10 11. Dann wird der Basiskontakt aufgedampft.
Die weiteren Arbeitsgänge zur Herstellung des Transistors, wie das Anbringen der Kollektorelektrode und der einzelnen Zuführungen, erfolgen in bekannter Weise.
Gemäss einem andern Ausführungsbeispiel dient als Ausgangsmaterial eine einkristalline p-leitende Germaniumscheibe, deren Oberfläche gegen die 111-Ebene eine Neigung von mehr als 40 aufweist. Als Spezialfälle sind dabei solche Neigungswinkel zu betrachten, dass die Halbleiteroberfläche, in die einlegiert wird, mit der 110- oder 100-Ebene zusammenfällt. Auf diese Oberfläche werden, wie bereits im Zusammenhang mit dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel erläutert wurde, eine hochohmige Epitaxieschicht, eine n-leitende Basisschicht, ein Emitter- und ein Basisanschluss aufgebracht. Eine Abweichung der Oberfläche von der 111-Ebene, die wenig grösser als 40 ist, hat eine stufenförmige Legierungsfront am Emitter zur Folge, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist.
Bei besonders starker Fehlorientierung, d. h. 110oder 100-Ebene parallel zur Oberfläche, wird die Emitterlegierfront muldenförmig, wie dies in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Formen der Emitterlegierfront bringen bezüglich der Regeleigenschaften vergleichbare Vorteile wie die im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel erläuterte Keilform. Es ist von untergeordneter Bedeutung, ob die Emitterlegierung in einer oder mehreren Stufen inhomogen ist. Das erste Ausführungsbeispiel ergibt jedoch gleichmässigere Ergebnisse.
Gemäss einer andern Ausführungsform eines besonders günstigen Verfahrens wird die Diffusionsschicht durch eine mehrstufige, insbesondere durch eine zweistufige Diffusion hergestellt. Auf diese Weise wird eine Inhomogenität des Widerstandes in der Basisschicht parallel zur Halbleiteroberfläche erzielt.
Dabei wird gemäss einer Ausführungsform der Erfindung so vorgegangen, dass zunächst eine erste Basisdiffusion bis nahe zur gewünschten Basisdicke notwendigen Eindringtiefe vorgenommen wird, dann die Halbleiteroberfläche durch eine Maske teilweise abgedeckt und durch eine weitere Diffusion des den gleichen Leitungstyp, wie ihn die Diffusionsschicht aufweist, erzeugenden Dotierungsstoffes eine insbesondere periodisch wechselnde Dotierungsdichte parallel zur Halbleiteroberfläche erzeugt wird. Hiebei wird die Eindringtiefe der ersten Diffusion bis zur gewünschten Basisdicke vorgetrieben.
Gemäss einer andern Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens wird die insbesondere durch Epitaxie erzeugte hochohmige Schicht durch eine Maske, die z. B. zueinander parallel verlaufende streifenförmige Öffnungen aufweist, abgedeckt und durch diese Öffnungen das den entgegengesetzten Leitungstyp, wie ihn die hochohmige Schicht aufweist, erzeugende Dotierungsmetall eindiffundiert, dann die Maske entfernt und ein den gleichen Leitungstyp erzeugendes Dotierungsmetall, insbesondere mit gerin-
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gerer Eindringtiefe als die der maskierten Diffusion, eindiffundiert.
Diese beiden Ausführungsformen des Verfahrens gemäss der Erfindung werden im folgenden an Hand zweier besonders günstiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Auf eine einkristalline, homogen dotierte, p-leitende und niederohmige Germaniumscheibe wird eine hochohmige p-leitende Epitaxieschicht, die einen Widerstand von 5 bis 10 Ohm/cm und eine Dicke von mehr als 20 u aufweist, aufgebracht. Diese hochohmige Schicht wird dann, wie dies in Fig. 8 darge- stellt ist, mit einer maskierenden Schicht, insbesondere einer Siliziumdioxydschicht, von etwa 0,5
Dicke abgedeckt. Mittels der an sich bekannten Fotolacktechnik wird aus der SiO-Schicht bzw. aus der maskierenden Schicht ein gewünschtes Raster, z. B. gemäss Fig. 10 Streifen von 5 bis 10 li Breite in einem
Abstand von 5 bis 10 Jl, herausgeätzt.
Durch diese Fenster wird eine n-leitende Schicht von etwa 1, 5 u
Dicke und einem Schichtwiderstand von 40 Ohm pro Flächeneinheit eindiffundiert. Nach dem Abätzen der maskierenden Schicht wird ganzflächig eine zweite n-leitende Schicht von 1 je Dicke und einem
Schichtwiderstand von 80 Ohm pro Flächeneinheit eindiffundiert. Die Eindringtiefe dieser zweiten ohne
Maskierung hergestellten Diffusionsschicht ist also geringer als die bei der maskierten Diffusion erzeugte
Diffusionsschicht. In diese doppelt diffundierte Basis wird ein Emitter, der eine Grösse von 25 X 70 jLt auf- weist, gleichmässig mit einer Tiefe von etwa 0, 5 einlegiert.
Das Anbringen des Basiskontakts und des
Kollektorkontakts sowie das Anbringen der Zuführungen erfolgt in der an sich bekannten Weise.
Durch die im Zusammenhang mit diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Doppeldiffusion erhält man eine Anordnung gemäss Fig. 11. In dieser Figur ist nur ein Teil des Transistors dargestellt. Mit 22 ist die Kollektorzone, mit 21 der durch die erste Diffusion hergestellte Bereich der Basiszone und mit 23 der bei der zweiten Diffusion erzeugte Bereich bezeichnet. Da der zweite Diffusionsvorgang zur Erzeugung des Bereiches 23 von der unmaskierten Halbleiteroberfläche her erfolgt, wird bei diesem
Diffusionsvorgang auch der Bereich 21 teilweise, d. h. bis zur Eindringtiefe des Bereiches 23, von der Diffusionsschicht überdeckt.
Bei einem andern Ausführungsbeispiel dient als Grundlage eine Germaniumscheibe, wie sie im Zusammenhang mit dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel beschrieben wurde. In die hochohmige p-leitende Schicht wird eine n-leitende Schicht von etwa 1, 5 Dicke und einem Schichtwiderstand von etwa 80 Ohm pro Flächeneinheit eindiffundiert. Vor Durchführung des zweiten Diffusionsvorganges wird die Diffusionsschicht mit einer Maske, die z. B. aus einer Siliziumdioxydschicht besteht, bedeckt. Diese
Maske kann z. B. wieder gemäss der in Fig. 10 dargestellten ausgeführt sein.
In die nicht bedeckten Teile der Oberfläche der Halbleiterscheibe wird nun in einem zweiten Diffusionsvorgang ein weiteres, insbesondere das gleiche Dotierungsmetall bis zu einer Eindringtiefe von 1 bis 1, 5 p und einem Schichtwiderstand von etwa 40 Ohm/cm eindiffundiert. Auf diese Weise erhält man eine Basisschicht von etwa 1, 8 Jl Dicke und einem periodisch schwankenden Schichtwiderstand. Nun wird die Maskierungsschicht abgelöst und die diffundierte Germaniumscheibe in bereits beschriebener Weise mit Emitter- und Basiskontakt sowie in bekannter Weise mit Kollektorelektrode und Zuführungen versehen. Das zuletzt beschriebene Ausführungsbeispiel führt zu einer Anordnung gemäss Fig. 7.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen wird der Emitter gleichmässig einlegiert bzw. eindiffundiert, d. h. die injizierende Emitterfläche verläuft praktisch parallel zur Halbleiteroberfläche.
Die inhomogene Basisdotierung wird also beim Verfahren gemäss der Erfindung durch eine zweistufige Diffusion erreicht, wobei mindestens ein Diffusionsvorgang partiell maskiert wird. Über die Diffusionsdaten und die Geometrie der Maskierung lassen sich die Regeleigenschaften in reproduzierbarer Weise günstig beeinflussen. Bei geeigneter Wahl der Maskierungsgeometrie ist es überflüssig, den Emitter auf der inhomogenen diffundierten Basis zu justieren. Die bei den Diffusionsvorgängen angewendete Maskierungsgeometrie kann z. B. periodisch und kleiner als die Emittergeometrie sein. Wie bereits ausgeführt wurde, ist auch eine unregelmässige Schwankung der Dotierung in der Basiszone parallel zur Kristalloberfläche von Vorteil.
Wenn die vorliegenden Ausführungsbeispiele auch im Zusammenhang mit Germanium beschrieben wurden, so können selbstverständlich auch andere Halbleitermaterialien, wie z. B. Silizium oder halbleitende Verbindungen Anwendung finden. Ebenfalls ist die Herstellung der Kollektorzone nicht auf das Epitaxieverfahren beschränkt, sondern sie kann auch auf andere Weise, z. B. durch Ziehen einer entsprechenden Zonenfolge aus der Schmelze, hergestellt werden.
In der Fig. 1 sind die mit 11 und 13 bezeichneten Werte auf der Abszissenachse dem Kollektorstrom bei maximaler Leistungsverstärkung proportional. Die mit und 14 bezeichneten Werte sind dem Kollektorstrom bei einer Leistungsverstärkung von-20 db proportional. Bei Regeltransistoren, die eine inhomogen injizierende Emitterfläche aufweisen, wird das Verhältnis L. zu 11 grösser als 14 zu 13.
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In der Fig. 12 ist eine Messschaltung dargestellt, mittels der die Regel- und Verstärkungseigenschaften eines HF-Regeltransistors gemäss der Erfindung für Eingangsstufen in Fernsehgeräten ermittelt wurden.
Mit T ist der zu prüfende Transistor in Basisschaltung bezeichnet. Am Eingang E kommt das Signal des Nutzsenders mit einer Frequenz von 200 MHz und unmoduliert an sowie das Signal des Störsenders mit einer Frequenz von 210 MHz, das mit 1 kHz 100% amplitudenmoduliert ist. Der gesamte Eingangswiderstand beträgt 60 Ohm. Der Nutzsender am Ausgang A ist l% AM-störmoduliert. Der Lastwiderstand RA beträgt 60 Ohm und wird über C auf RL = 900 Ohm transformiert. Die Batteriespannung B mit der angegebenen Polarität dient als Kollektorspannung und beträgt 12 V. Kollektorstrom und -spannung sind über den Widerstand regelbar.
Der Widerstand Rl bildet einen Spannungsteiler für die Kollektorspannung, über R wird der Emitterstrom eingeprägt, Cl und C sind Kopplungskondensatoren und C3 dient als Blockkondensator. Die Schaltungselemente Cg, L und C4 bilden ein Siebglied.
Fig. 13 zeigt den Verlauf der Leistungsverstärkung und der zulässigen Störspannung als Funktion des Kollektorstroms, wie sie bei einem im Zusammenhang mit Fig. 3 beschriebenen Transistor ermittelt wurde. Wie man diesem Diagramm entnehmen kann, ist die Krümmung des Verstärkungsverlaufes relativ gering, während die zulässige Störspannung hoch ist. Von wesentlicher Bedeutung ist dabei auch der steile Anstieg der zulässigen Störspannung mit abnehmender Verstärkung. Ein ähnlicher Verlauf für die Verstärkung und die zulässige Störspannung wurde auch mit einer inhomogenen Dotierung der Basiszone parallel zur Kristalloberfläche erzielt.
Wie bereits ausgeführt wurde, wird durch die inhomogene Injektion über die Emitterfläche das Verstärkungsmaximum des Transistors zu kleinen Kollektorströmen hin verschoben. Deshalb ist es bei derartigen Anordnungen auch möglich, die Exemplarstreuungen des Kollektorstromes für eine definierte negative Leistungsverstärkung zu verringern. Bei Transistoren, deren maximale Leistungsverstärkung bei kleinen Kollektorströmen liegt, kann der Kollektorstrom für eine bestimmte verhältnismässig starke Dämpfung praktisch ohne Beeinflussung des Kreuzmodulationsverhaltens durch äussere Schaltmittel begrenzt werden.
So kann durch die Batteriespannung oder durch Emitter- bzw. Kollektorwiderstand eine optimale Regelspur eingestellt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regeltransistor mit einer Emitter-, einer Basis- und einer Kollektorzone, dadurch gekennzeichnet, dass die Dotierungsdichte Ne (1/cm3) in der Kollektorzone so gewählt ist, dass schon bei einem Kollektorstrom Ic (mA) von höchstens 10 mA die Stromdichte je grösser ist als das Produkt aus der Grenzgeschwindigkeit vgr (cm/sec) für die vom Emitter in die Basiszone injizierten Ladungsträger bei hoher Feldstärke (3 - 6.
106 cm/sec), der Dotierungsdichte Nc (1/cm3) in der hochohmigen Kollektorzone und der Elementarladung q, (Coulomb), so dass eine Änderung des Kollektorstromes Ic (mA) eine Änderung der wirksamen Breite der Basiszone und damit der Hochfrequenzverstärkung zur Folge hat und dass die Basisdotierung und/oder die Geometrie der Emitterzone so gewählt ist, dass die Ladungsträgerinjektion in die Basiszone über die injizierende Emitterfläche inhomogen ist.