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Transistor
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sich zur Verwendung in einer äusserst empfindlichen selbsttätigen Verstärkungsregelung eignet.
Hat der dickere Teil der Basiszone einen höheren spezifischen Widerstand als der dünnere Teil, so ist der Bereich, über den eine selbsttätige Verstärkungsregelung mittels des Transistors erzielt werden kann, grösser als in dem vorerwähnten umgekehrten Fall. Die Empfindlichkeit ist dabei jedoch geringer, so dass ein höherer Einstellstrom notwendig ist, um den Transistor von einem äussersten Zustand in den andern zu bringen. In vielen Fällen, in denen ein grosser Bereich, über den eine selbsttätige Verstärkungsregelung erzielt werden kann, erwünscht ist, ist dies jedoch nicht wesentlich.
Es sei bemerkt, dass der dünnere und der dickere Teil der Basiszone, z. B. diffundierte Zonen, sein können, die nicht einen homogenen spezifischen Widerstand haben. Unter dem spezifischen Widerstand einer Zone soll hier stets der mittlere spezifische Widerstand verstanden werden, der als derjenige imaginäre spezifische Widerstand definiert ist, den die Zone, wenn sie einen homogenen spezifischen Widerstand hätte, haben müsste, um das gleiche Leitungsvermögen aufzuweisen wie die Zone tatsächlich besitzt.
Es wird einleuchten, dass der erzielbare Verstärkungsregelbereich des Transistors in dem Masse grö- sser ist wie der Unterschied in der Wirkung in den zwei äussersten Zuständen grösser ist. Es ist daher zu bevorzugen, eine Konfiguration des Transistors vorzusehen, bei der mindestens 90 % des Emitterstromes durch den dünneren Teil der Basiszone geführt werden kann. Es ist weiter empfehlenswert, eine Konfiguration anzuwenden, bei der weniger als 40 0/0, vorzugsweise weniger als 10 0/0, des Emitterstromes durch den dünneren Teil der Basiszone geführt werden kann.
Es kann ein zweckdienlicher Unterschied zwischen den Grenzfrequenzen in den betreffenden äusser- sten Zuständen erzielt werden, wenn die Dicke des dickeren Teiles mindestens das Zweifache der Dicke des dünneren Teiles der Basiszone ist. Vorzugsweise ist die Dicke des dickeren Teiles mindestens das Fünffache der Dicke des dünneren Teiles.
Um die erforderliche Kontakte bequem an der Emitter- und der Basiszone anbringen zu können, ist vorzugsweise die Erstreckung der Basiszone mindestens dreimal grösser als die der Emitterzone.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Erstreckung der Emitterzone klein im Verhältnis zu der der Basiszone, während die Kollektorzone einen Teil mit höherer Dotierung und einen Teil mit geringerer Dotierung hat, wobei nur ein Teil des Volumens der Kollektorzone unmittelbar angrenzend an der Basiszone den Teil mit der höheren Dotierung bildet und, von der Emitterzone in der Dickenrichtung der Basiszone her gesehen, dieser Teil mit höherer Dotierung wenigstens teilweise unter der Emitterzone liegt.
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einem Zustand höherer Verstärkung betrieben wird, begünstigt wird. Durch die zweite Massnahme wird ausserdem die Kollektorkapazität begrenzt.
Eine wichtige Ausführungsform eines Transistors nach der Erfindung, die mit gut reproduzierbaren Eigenschaften in verhältnismässig einfacher Weise hergestellt werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterzone die Gestalt eines Streifens hat, der in der Längsrichtung eine Abmessung hat, die mindestens zwei Drittel der Abmessung in der gleichen Richtung der Basiszone beträgt, wobei die Grenzlinie zwischen dem dünneren und dem dickeren Teil der Basiszone praktisch parallel zur Längsrichtung des Streifens ist. Bei dieser Konstruktion erstreckt sich vorzugsweise der höher dotierte Teil der Kollektorzone ausserhalb der Basiszone in der Längsrichtung des Streifens.
Bei einer weiteren wichtigen bevorzugten Ausführungsform hat die Emitterzone die Gestalt einer flachen, in sich geschlossenen Figur, wobei ein Basiskontakt innerhalb der in sich geschlossenen Figur und der andere Basiskontakt ausserhalb dieser Figur angebracht ist. Die Emitterzone und die zwei Basiskontakte können nahezu kreisförmig sein und konzentrisch zueinander liegen. In diesem Falle kann der äussere Basiskontakt die Emitterzone praktisch vollständig umgeben, wobei eine Öffnung an einer Stelle vorgesehen ist, die einer seitlichen Verlängerung des höher dotierten Teiles der Kollektorzone entspricht.
Vorzugsweise ist die Emitterzone in einer praktisch flachen Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht, wobei der Kollektorkontakt auf dieser Oberfläche in Form einer Metallschicht angebracht ist, die sich über wenigstens einen Teil des Oberflächenteiles entsprechend dem ausserhalb der Basiszone liegenden Teil des höher dotierten Teiles der Kollektorzone erstreckt. In dieser Weise kann der Kollektorreihenwiderstand verringert werden.
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schicht als Maske dient und der Halbleiterkörper des fertigen Transistors gewöhnlich noch eine schützende Oxydschicht besitzt.
Die Erfindung betrifft auch eine Schaltungsanordnung mit einem Transistor nach der Erfindung ; sie weist das Merkmal auf, dass eine Vorspannung zwischen den Basiskontakten angelegt wird, die zwischen einem Wert, bei dem der grössere Teil des Emitterstromes durch den dickeren Teil der Basiszone fliesst, und einem Wert, bei dem der grössere Teil des Emitterstromes durch den dünneren Teil der Basiszone fliesst, schwankt. Die Vorspannungsmittel können eine Vorspannung liefern, die kontinuierlich zwischen den zwei Grenzwerten veränderlich ist
Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele von Transistoren nach der Erfindung und Verfahren zur Herstellung derselben sowie eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung mit einem Transistor nach der Erfindung an Hand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines Transistors nach der Erfindung ; die Fig. 2 und 3 Querschnitte längs der Linien Il-11 bzw. III-III in Fig. l ; Fig. 4 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines Transistors nach der Erfindung ; die Fig. 5 und 6 Querschnitte längs der Linien V-Vbzw. VI-VI in Fig. 4 ; Fig. 7 teilweise einen Querschnitt, entsprechend dem nach Fig. 2, einer dritten Ausführungsform eines Transistors nach der Erfindung, und Fig. 8 ein Schaltbild mit einem Transistor nach der Erfindung, der in einer Schaltung mit selbsttätiger Verstärkungsregelung angeordnet ist.
Die Fig. 1, 2 und 3 beziehen sich auf eine erste Ausführungsform eines Transistors nach der Erfindung, wobei der Transistor eine Siliziumplatte mit einem höher dotierten n-Typ Teil 1 und einem weniger hoch dotierten n-Typ Teil 2 (nur teilweise angedeutet) enthält, welche gemeinsam eine Kollektorzone bilden. Die Dicke der Platte ist 200 li und der Teil 2 hat einen spezifischen Widerstand von 5 Ohm cm.
Weiter sind eine n-Typ-Emitterzone 3 und eine p-Typ-Basiszone 4 vorgesehen. Die Dicke der Basiszone 4 in der Platte ist nicht überall dieselbe. Die Basiszone 4 hat stufenweise Dicken- änderungen bei 5 und 6, so dass, von der Emitterzone 3 her in der Dickenrichtung der Basiszone 4 gesehen, die Basiszone 4 einen dünneren Teil 7 und einen dickeren Teil 8 besitzt, die sich beide bis unter die Emitterzone 3 erstrecken.
Das Verhältnis zwischen den Dicken des dickeren Teiles 8 und des dünneren Teiles 7 ist 10 : 1. Ein Teil des Volumens der Kollektorzone unmittelbar angrenzend an die Basiszone 4 ist höher dotiert und, von der Emitterzone 3 her in der Dickenrichtung der Basiszone 4 gesehen, liegt dieser Teil teilweise unter der Emitterzone und unter dem dünneren Teil 7 der Basiszone und erstreckt sich nahezu nicht unter dem dickeren Teil der Ba- sissone.
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Die Emitterzone 3 hat die Form eines Streifens und die Grenzlinie 5 zwischen dem dünneren
Teil 7 und dem dickeren Teil 8 der Basiszone liegt nahezu parallel zur Längsrichtung des Strei- fens 3. Ein Emitterkontakt 9 und zwei Basiskontakte 10 und 11 sind vorgesehen. Die Basiskon- takte 10 und 11 sind streifenförmig und erstrecken sich nahezu parallel zum streifenförmigen Emit- terkontakt 9 und zur Emitterzone 3, die zwischen den Kontakten 10 und 11 liegen.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht, in der die Lage der Zonen und der andern Teile des Transistors ange- geben sind, ohne Berücksichtigung dessen, was visuell auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers vorhan- den ist. Die Kontakte 9,10 und 11 sind schraffiert und werden von vollen Linien umgeben. Die Emit- terzone 3 wird von einer vollen Linie umgeben und die Basiszone 4 mit den stufenartigen Dicken- änderungen bei 5 und 6 ist durch strichpunktierte Linien angedeutet. Das in dem linken Teil der
Fig. l innerhalb der Punktkreuzlinie angedeutete Gebiet und das in dem rechten Teil der Fig. l inner- halb der Strich-Kreuz- und der Strich-Punkt-Kreuzlinie liegende Gebiet deuten die Begrenzungen des weniger hoch dotierten Teiles 2 der Kollektorzone in der Nähe der Basiszone 4 an.
Der höher do- tierte Teil 1 erstreckt sich unter der Emitterzone bis ausserhalb der Basiszone 4 in der Längsrich- tung des Streifens 3 und ausserdem in einem gewissen Abstand von der Basiszone 4 rings um die- se Basiszone 4, was in Fig. 2 durch die Teile 12 und 13 der Kollektorzone angedeutet wird.
Es sei bemerkt, dass die seitlichen Begrenzungen desjenigen Teiles des höher dotierten Teiles 1, der unterhalb und auf der linken Seite (Fig. 1) der Emitterzone 3 liegt, nicht vollständig durch gerade Linien angedeutet sind ; dieser Teil des Teiles 1 hat eine Verjüngung in der Höhe der Mitte (in der Längsrichtung gesehen) der Emitterzone 3. Diese Formgebung des Teiles 1 ermöglicht, den Kollektorreihenwiderstand bei einer geringen Zunahme der Basis-Kollektor-Übergangskapazität zu verringern. Metallschichten 14 und 15 sind auf dem höher dotierten Teil 1 der Kollektorzone angebracht, um die Stromführung in der Kollektorzone zu fördern.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1. Diese Figur zeigt teilweise die Begrenzung des dünneren Teiles 7 und des weniger hoch dotierten Teiles 2 durch gestrichelte Linien. Es sei bemerkt, dass die linken und die rechten Begrenzungen des dünneren Teiles 7 und des dickeren Teiles 8 nach Fig. 3 nicht zusammenfallen, da dies nicht notwendig ist. Längs der Linie NI-IL kann der dickere Teil 8 auf beiden Seiten den dünneren Teil 7 etwas überlappen.
Stromzufuhrleitungen (nicht dargestellt) werden an den Kontakten 9, 10 und 11 befestigt. Eine Stromzufuhrleitung für die Kollektorzone kann mit der Metallschicht 14, 15 verbunden werden oder, gewünschtenfalls, mit der Unterseite der Halbleiterplatte. Teile der Oberfläche der Platte werden mit einer nicht dargestellten Oxydschicht versehen.
Es wird nachstehend ein Verfahren zur Herstellung eines Transistors nachdenFig. l, 2und3beschrie- ben.
Die Herstellung fängt an mit einer n-Typ-Siliziumplatte, die mit Phosphor dotiert ist und einen spezifischen Widerstand von 5 Ohm cm und eine Dicke von 0, 25 mm hat. Die Querabmessungen sind unwesentlich, da gleichzeitig eine Mehrheit von Transistorstrukturen in der Siliziumplatte vorgesehen werden können, welche Strukturen nachher durch Unterteilung der Platte voneinander getrennt werden können. Der herzustellende Transistor kann auch einen Teil eines Festkörperschaltkreises (solid circuit) bilden, wobei weitere Schaltelemente in der Platte untergebracht werden.
Eine Oxydschicht wird auf der Platte durch Erhitzung der Platte in nassem Sauerstoff mit Wasserdampfsättigung von 980 C während 4 h bei 8600 C anwachsen gelassen. In der Oxydschicht wird auf übliche Weise mittels eines photoerhärtenden Lacks ("Photoresist") und eines Ätzmittels eine Öffnung angebracht. Die Öffnung entspricht dem dickeren Teil 8 der Basiszone 4. Der dickere Teil 8 wird dadurch erhalten, dass Bor durch die Öffnung in die Platte diffundiert wird, indem die Platte auf 11500 C während 2 h in einem Ofen erhitzt wird, in dem Bornitrid auf 10000 C erhitzt wird und der dadurch erhaltene Dampf mittels eines Stickstoffstromes über die Platte geführt wird.
Die Dicke der so erhaltenen p-Typ-Zone ist 4 bol und die Oberflächenkonzentration an Bor beträgt etwa 5 10"Atome/ : m ?
Die Öffnung in der Oxydschicht wird geschlossen, indem die Platte während 4 h auf 8600 C in nassem Sauerstoff erhitzt wird, worauf eine neue Öffnung in der Oxydschicht zum Anbringen des höher dotierten Teiles 1 der Kollektorzone vorgesehen wird. Der Oberflächenteil, der vor Diffusion geschützt wird, liegt innerhalb der Gebiete, die von den Strich-Kreuzlinien der Fig. 1 umgeben werden.
Es wird Phosphor in die zugängliche Oberfläche der Platte diffundiert. Die Eindringtiefe ist in dem Querschnitt der Fig. 2 durch eine teilweise unterbrochene Linie angedeutet. Die Diffusion erfolgt durch Erhitzung der Platte auf 11500 C während 80 min in einem Ofen, in dem Phosphornitrid auf 9000 C erhitzt und der erhaltene Dampf mittels eines Stickstoffstromes über die Platte geführt wird. Die Eindring-
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form mit einem grösseren Unterschied des spezifischen Widerstandes wird erhalten, wenn das beschriebene Verfahren auf nachfolgende Weise geändert wird.
Auf der gleichen Ausgangsplatte wird zunächst eine Oxydschicht auf die vorstehend beschriebene Weise angebracht, aber diese Platte wird nicht auf 8600 C, sondern auf 10000 C erhitzt, worauf die Öffnung in der Oxydschicht zum Anbringen des dickeren Teiles 8 vorgesehen wird.
Der dickere Teil 8 wird auf folgende Weise erhalten. Die Platte wird zunächst in einem Ofen auf 11000C während 20 min erhitzt, während mittels eines Stickstoffstromes ein Bornitriddampf dar- übergeführt wird. Den Bornitriddampf-erhält man durch Erhitzung von Bornitrid in dem gleichen Ofen auf 10000 C. Darauf wird die Platte während 30 min in einer Sauerstoffatmosphäre mit einer Wasserdampfsättigung von 980 C auf eine Temperatur von 10000 C erhitzt. Die Öffnung in der Oxydschicht schliesst sich dabei. Dann wird in trockenem Stickstoff auf eine Temperatur von 11500 C während 3 h er- hitzt. Der dickere Teil 8 vom p-Typ wird auf diese Weise mit einer Dicke von etwa 5 u und mit einer Oberflächenkonzentration an Boratomen von etwa 3 x 1018 Atomen/cms erhalten.
In der geschlossenen Oxydschicht wird wieder eine Öffnung zum Anbringen des höher dotierten Teiles 1 der Kollektorzone gemacht. Dieser Teil 1 wird ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausführungsform erhalten. Auch der dünnere Teil 7 wird praktisch auf gleiche Weise, wie vorstehend beschrieben erhalten, nur mit den nachfolgenden Unterschieden. Die Platte wird nicht während 20 min, sondern während 30 min auf 11000 C erhitzt. Das Bornitrid wird auf 11000 C statt 10000 C erhitzt. Die Dicke des erhaltenen p-Typ dünneren Teiles 7 beträgt 1, 5 p statt 1 lui.
Der so hergestellte Transistor hat bessere Eigenschaften und einen grösseren Bereich als der Transistor in der vorhergehenden Ausführungsform.
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Platte, wo der dickere Teil 8 vorhanden sein soll, durch Ätzen entfernt werden. Nach dem Entfernen der Maskierungsschicht wird Silizium mit der gewünschten Verunreinigungskonzentration auf übliche Weise auf der Platte anwachsen gelassen, bis eine Siliziumschicht mit einer Dicke gleich der Dicke des zu erhaltenden Teiles 8 angebracht ist. Nach dem Abschleifen der Platte bis zur ursprünglichen Dicke enthält sie einen dickeren Teil 8 in Form eines epitaxial angewachsenen Teiles an der Stelle, wo durch Ätzen ein Teil der Platte entfernt worden war.
Es wird einleuchten, dass der spezifische Widerstand der Teile 7 und 8, wenn sie diffundierte Zonen sind, von der Temperatur und der Zeitdauer der Diffusion abhängig ist. Durch passende Wahl dieser Grössen kann man Transistoren erhalten, bei denen der dünnere Teil 7 einen grösseren spezifischen Widerstand hat als der dickere Teil 8. Solche Transistoren haben eine grössere Empfindlichkeit als die gemäss den vorstehend beschriebenen Beispielen, aber einen etwas kleineren Bereich, in dem eine Verstärkungsregelung erzielt werden kann. Auch auf epitaxialem Wege können solche Transistoren erhalten werden.
Ein solcher Transistor kann z. B. mittels des an Hand des ersten Beispieles beschriebenen Verfahrens erhalten werden, wobei nur die Diffusionsstufe zum Erzielen des dünneren Teiles 7 wie folgt geändert wird. Die Platte wird während 40 min statt 20 min auf 11000 C erhitzt, während das Bornitrid auf 9500 C statt auf 10000 C erhitzt wird. Eine p- Typ- Zone 7 wird mit einer Dicke von etwa 1, 5 11 und einer Oberflächenkonzentration an Bor von etwa 1 X 1018 Atomen/cm3 erhalten.
Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Transistors nach der Erfindung, wobei eine konzentrische Konfiguration verwendet wird. Entsprechende Teile sind hier mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in den Fig. l, 2 und 3. Der äussere, ringförmige Basiskontakt 11 und der ringförmige dickere Teil 8 der Basiszone 4 haben Öffnungen auf der rechten Seite an der Stelle, wo der höher dotierte Teil 1 der Kollektorzone sich nach rechts erstreckt. Die Begrenzungen des dickeren Teiles 8 der Basiszone 4 und des höher dotierten Teiles 1 bei der erwähnten Öffnung sind durch die Strich-Kreuz-Linien 16 und 17 angedeutet.
Dieser konzentrische Transistor kann durch ein Verfahren hergestellt werden, das dem vorstehend geschilderten Verfahren zur Herstellung des Transistors nach den Fig. l, 2 und 3 ähnlich ist, es brauchen nur Öffnungen anderer Form in den Oxydschichten angebracht zu werden.
Fig. 7 zeigt teilweise im Querschnitt entsprechend Fig. 2 einen Transistorkörper, bei dem die Basiszone anders gestaltet ist, so dass die Herstellung erleichtert wird, während der Basiswiderstand des Tran- sisters dadurch verringert wird, dass der dickere Teil der Basiszone eine grössere Erstreckung aufweist.
Die n-Typ-Siliziumplatte 2 hat eine höher dotierte Schicht l, die durch Diffusion von Phos-
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phor erhalten ist und die sich über die ganze Plattenoberfläche erstreckt.
Zur Bildung des dickeren Teiles 4D der Basiszone wird Bor in die Platte eindiffundiert, wobei der Teil 4S durch Maskierung noch nicht beeinflusst wird, während der untiefe Teil 4S der Basiszone durch eine zweite Bordiffusion erhalten wird. Das Gebiet der zweiten Bordiffusion kann das Gebiet der ersten überlappen, wodurch das Verfahren vereinfacht wird. Die Begrenzung der mit Bor überdotierten Teile der Schicht 1 ist durch strichlierte Linien angedeutet.
Es wird Phosphor in die Platte zum Erzielen einer n-Typ-Emitterzone 3 eindiffundiert, wobei das vorher eindiffundierte Bor überdotiert wird. Die weiteren Vorgänge des Verfahrens sind gleich denen nach den Fig. 1, 2 und 3.
Es wird einleuchten, dass eine oder mehrere Zonen nicht nur durch Diffusion, sondern auch auf epitaxialem Wege erhalten werden können.
Fig. 8 zeigt einen Transistor nach der Erfindung in einer Schaltung zur selbsttätigen Verstärkungsregelung.
Die Basiskontakte B1 und B2 des Transistors T sind über gesonderte Kopplungskondensatoren Cl und C2 mit einer Leitung L des Hochfrequenzsignaleinganges verbunden. Ein Kontakt Bl ist über einen Kopplungswiderstand R1 mit einem Vorspannungseingang AGC eines selbsttätigen Verstärkungsregelkreisesverbunden, während der andere Kontakt B2 an einen Punkt eines Spannungteilers mit Widerständen R2 und R3 angeschlossen ist. Der Emitterkontakt E ist mit der negativen Speiseklemme über einen Gleichstromstabilisierungswiderstand R4 und einen Kondensator C3 verbunden, welche Einzelteile parallelgeschaltet sind. Der Kollektorkontakt C ist mit einem abgestimmten Kreis, bestehend aus der Parallelschaltung eines Kondensators C4 und der Primärwicklung eines Ausgangstransformators T verbunden.
Der andere Verbindungspunkt des Kondensators C4 und der Primärwicklung ist mit der positiven Speiseklemme über einen Entkopplungswiderstand R5 verbunden und ein Parallelkondensator C5 ist zwischen dem erwähnten weiteren Verbindungspunkt und dem Widerstand R5 angeschlossen. Die Ausgangsspannung tritt zwischen den Ausgangsklemmen 0 auf.
Einige praktische Werte bei einem Eingangssignal von etwa 100 MHz sind folgende :
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:R2 : 50 kOhm
R4 und R5 : 500 Ohm Cl, C2, C3 und C5 : 1000 pF.
Selbsttätige Verstärkungsregelung kann auch die Form eines mit Erde verbundenen Basiskreises haben (Erdanschluss für hohe Frequenzen).
PATENTANSPRÜCHE :
1. Transistor mit einem Halbleiterkörper mit einer Emitter-, Basis- und Kollektorzone, da- durch gekennzeichnet, dass der unter der Emitterzone (3) liegende Teil der Basiszone (4) einen dickeren und einen dünneren Teil (8 bzw. 7) enthält, welche beiden Teile eine praktisch homogene Dicke haben, wobei die Basiszone (4) mit zwei Basiskontakten (11 und 10) versehen ist und wobei der im Betrieb in der Basiszone (4) auftretende und zwischen Emitter- und Kollektorzone (3 und 1, 2) flie- ssende Emitterstrom durch das Anlegen einer Vorspannung zwischen den Basiskontakten (11 und 10) im wesentlichen durch den dickeren oder den dünneren Teil (8 bzw. 7) der Basiszone (4) geführt werden kann.
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is suitable for use in an extremely sensitive automatic gain control.
If the thicker part of the base zone has a higher specific resistance than the thinner part, then the area over which an automatic gain control can be achieved by means of the transistor is larger than in the aforementioned reverse case. However, the sensitivity is lower, so that a higher setting current is necessary to bring the transistor from one extreme state to the other. However, in many cases where a large range over which automatic gain control can be achieved is desired, this is not essential.
It should be noted that the thinner and the thicker part of the base zone, e.g. B. diffused zones, which do not have a homogeneous resistivity. The specific resistance of a zone should always be understood here as the mean specific resistance, which is defined as the imaginary specific resistance that the zone would have to have if it had a homogeneous specific resistance in order to have the same conductivity as the zone actually has .
It will be evident that the gain control range of the transistor that can be achieved is greater as the difference in the effect in the two extreme states is greater. It is therefore preferable to provide a configuration of the transistor in which at least 90% of the emitter current can be conducted through the thinner part of the base zone. It is further recommended to use a configuration in which less than 40 0/0, preferably less than 10 0/0, of the emitter current can be passed through the thinner part of the base zone.
A useful difference between the cutoff frequencies in the respective extreme states can be achieved if the thickness of the thicker part is at least twice the thickness of the thinner part of the base zone. Preferably the thickness of the thicker part is at least five times the thickness of the thinner part.
In order to be able to make the necessary contacts conveniently on the emitter and the base zone, the extension of the base zone is preferably at least three times greater than that of the emitter zone.
In an advantageous embodiment, the extent of the emitter zone is small in relation to that of the base zone, while the collector zone has a part with higher doping and a part with lower doping, with only part of the volume of the collector zone immediately adjacent to the base zone, the part with the forms higher doping and, seen from the emitter zone in the thickness direction of the base zone, this part with higher doping is at least partially below the emitter zone.
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is operated in a state of higher gain is favored. The second measure also limits the collector capacity.
An important embodiment of a transistor according to the invention, which can be produced with easily reproducible properties in a relatively simple manner, is characterized in that the emitter zone has the shape of a strip which has a dimension in the longitudinal direction which is at least two thirds of the dimension in the same direction of the base zone, the boundary line between the thinner and the thicker part of the base zone being practically parallel to the longitudinal direction of the strip. In this construction, the more highly doped part of the collector zone extends outside the base zone in the longitudinal direction of the strip.
In a further important preferred embodiment, the emitter zone has the shape of a flat, self-contained figure, one base contact being attached within the self-contained figure and the other base contact being attached outside this figure. The emitter zone and the two base contacts can be almost circular and can be concentric with one another. In this case, the outer base contact can practically completely surround the emitter zone, an opening being provided at a point which corresponds to a lateral extension of the more highly doped part of the collector zone.
The emitter zone is preferably attached in a practically flat surface of the semiconductor body, the collector contact being attached to this surface in the form of a metal layer which extends over at least part of the surface part corresponding to the part of the more highly doped part of the collector zone lying outside the base zone. In this way, the collector series resistance can be reduced.
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layer serves as a mask and the semiconductor body of the finished transistor usually still has a protective oxide layer.
The invention also relates to a circuit arrangement with a transistor according to the invention; it has the feature that a bias voltage is applied between the base contacts, which is between a value at which the greater part of the emitter current flows through the thicker part of the base zone and a value at which the greater part of the emitter current flows through the thinner part the base zone flows, fluctuates. The bias means can provide a bias which is continuously variable between the two limit values
Some exemplary embodiments of transistors according to the invention and methods for producing the same as well as an embodiment of a circuit arrangement with a transistor according to the invention are explained in more detail below with reference to the schematic drawings.
In the drawings: FIG. 1 shows a plan view of a first exemplary embodiment of a transistor according to the invention; FIGS. 2 and 3 are cross-sections along the lines II-11 and III-III in FIG. 1; 4 shows a plan view of a second embodiment of a transistor according to the invention; 5 and 6 cross sections along the lines V-Vbzw. VI-VI in Figure 4; 7 shows partially a cross section, corresponding to that of FIG. 2, of a third embodiment of a transistor according to the invention, and FIG. 8 shows a circuit diagram with a transistor according to the invention which is arranged in a circuit with automatic gain control.
1, 2 and 3 relate to a first embodiment of a transistor according to the invention, the transistor containing a silicon plate with a more highly doped n-type part 1 and a less highly doped n-type part 2 (only partially indicated) , which together form a collector zone. The thickness of the plate is 200 li and part 2 has a specific resistance of 5 ohm cm.
An n-type emitter zone 3 and a p-type base zone 4 are also provided. The thickness of the base zone 4 in the plate is not the same everywhere. The base zone 4 has gradual changes in thickness at 5 and 6, so that, seen from the emitter zone 3 in the direction of the thickness of the base zone 4, the base zone 4 has a thinner part 7 and a thicker part 8, both of which extend below the emitter zone 3 extend.
The ratio between the thicknesses of the thicker part 8 and the thinner part 7 is 10: 1. Part of the volume of the collector zone immediately adjacent to the base zone 4 is more highly doped and, viewed from the emitter zone 3 in the thickness direction of the base zone 4, lies this part partly below the emitter zone and below the thinner part 7 of the base zone and almost does not extend below the thicker part of the base zone.
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The emitter zone 3 has the shape of a stripe and the boundary line 5 between the thinner one
Part 7 and the thicker part 8 of the base zone are almost parallel to the longitudinal direction of the strip 3. An emitter contact 9 and two base contacts 10 and 11 are provided. The base contacts 10 and 11 are strip-shaped and extend almost parallel to the strip-shaped emitter contact 9 and to the emitter zone 3, which lie between the contacts 10 and 11.
1 shows a plan view in which the position of the zones and the other parts of the transistor are indicated, without taking into account what is visually present on the surface of the semiconductor body. The contacts 9, 10 and 11 are hatched and surrounded by solid lines. The emitter zone 3 is surrounded by a full line and the base zone 4 with the step-like changes in thickness at 5 and 6 is indicated by dot-dash lines. That in the left part of the
1 within the dotted line and the area in the right part of FIG. 1 within the dash-cross and dash-dot cross line indicate the boundaries of the less highly doped part 2 of the collector zone in the vicinity of the Base zone 4.
The more highly doped part 1 extends below the emitter zone to outside the base zone 4 in the longitudinal direction of the strip 3 and also at a certain distance from the base zone 4 around this base zone 4, which is shown in FIG Parts 12 and 13 of the collector zone is indicated.
It should be noted that the lateral boundaries of that part of the more highly doped part 1, which lies below and on the left side (FIG. 1) of the emitter zone 3, are not completely indicated by straight lines; this part of part 1 has a tapering at the level of the center (seen in the longitudinal direction) of the emitter zone 3. This shape of part 1 enables the collector series resistance to be reduced with a small increase in the base-collector junction capacitance. Metal layers 14 and 15 are applied to the more highly doped part 1 of the collector zone in order to promote the conduction of current in the collector zone.
FIG. 3 shows a cross section along the line III-III in FIG. 1. This figure partially shows the delimitation of the thinner part 7 and the less highly doped part 2 by dashed lines. It should be noted that the left and right boundaries of the thinner part 7 and the thicker part 8 according to FIG. 3 do not coincide, since this is not necessary. Along the line NI-IL, the thicker part 8 can slightly overlap the thinner part 7 on both sides.
Power supply lines (not shown) are attached to contacts 9, 10 and 11. A power supply line for the collector zone can be connected to the metal layer 14, 15 or, if desired, to the underside of the semiconductor plate. Parts of the surface of the plate are provided with an oxide layer (not shown).
A method of manufacturing a transistor according to Figs. 1, 2 and 3.
Production begins with an n-type silicon plate that is doped with phosphorus and has a specific resistance of 5 ohm cm and a thickness of 0.25 mm. The transverse dimensions are insignificant, since a majority of transistor structures can be provided in the silicon plate at the same time, which structures can subsequently be separated from one another by subdividing the plate. The transistor to be manufactured can also form part of a solid-state circuit, with further switching elements being accommodated in the plate.
An oxide layer is grown on the plate by heating the plate in wet oxygen with water vapor saturation of 980 ° C. for 4 hours at 8600 ° C. An opening is made in the oxide layer in the usual way by means of a photo-hardening lacquer ("photoresist") and an etchant. The opening corresponds to the thicker part 8 of the base zone 4. The thicker part 8 is obtained in that boron is diffused through the opening into the plate by heating the plate to 11500 C for 2 hours in an oven in which boron nitride is 10000 C is heated and the resulting vapor is passed over the plate by means of a stream of nitrogen.
The thickness of the p-type zone thus obtained is 4 bol and the surface concentration of boron is about 5 10 "atoms /: m?
The opening in the oxide layer is closed by heating the plate to 8600 ° C. in wet oxygen for 4 hours, after which a new opening is provided in the oxide layer for attaching the more highly doped part 1 of the collector zone. The part of the surface which is protected from diffusion lies within the areas which are surrounded by the dashed cross lines in FIG. 1.
Phosphorus is diffused into the accessible surface of the plate. The penetration depth is indicated in the cross section of FIG. 2 by a partially broken line. Diffusion takes place by heating the plate to 11,500 ° C. for 80 minutes in an oven in which phosphorus nitride is heated to 9,000 ° C. and the vapor obtained is passed over the plate by means of a stream of nitrogen. The intruders
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form with a larger difference in resistivity is obtained when the method described is changed in the following manner.
On the same starting plate, an oxide layer is first applied in the manner described above, but this plate is not heated to 8600 ° C., but to 10,000 ° C., whereupon the opening in the oxide layer is provided for attaching the thicker part 8.
The thicker part 8 is obtained in the following way. The plate is first heated in an oven to 11000 ° C. for 20 minutes while a boron nitride vapor is passed over it by means of a stream of nitrogen. The boron nitride vapor is obtained by heating boron nitride in the same furnace to 10,000 ° C. The plate is then heated to 10,000 ° C. for 30 minutes in an oxygen atmosphere with a water vapor saturation of 980 ° C. The opening in the oxide layer closes. It is then heated in dry nitrogen to a temperature of 11500 C for 3 hours. The thicker p-type part 8 is thus obtained with a thickness of about 5 µ and with a surface concentration of boron atoms of about 3 × 10 18 atoms / cms.
In the closed oxide layer, an opening is made again for attaching the more highly doped part 1 of the collector zone. This part 1 is obtained similarly to the previous embodiment. The thinner part 7 is also obtained in practically the same manner as described above, only with the following differences. The plate is heated to 11,000 ° C. for 30 minutes rather than 20 minutes. The boron nitride is heated to 11,000 C instead of 10,000 C. The thickness of the obtained p-type thinner part 7 is 1.5 p instead of 1 lui.
The transistor thus manufactured has better characteristics and a larger area than the transistor in the previous embodiment.
EMI6.1
Plate, where the thicker part 8 should be present, can be removed by etching. After removing the masking layer, silicon with the desired impurity concentration is allowed to grow on the plate in the usual way until a silicon layer with a thickness equal to the thickness of the part 8 to be obtained is applied. After the plate has been ground down to its original thickness, it contains a thicker part 8 in the form of an epitaxially grown part at the point where a part of the plate had been removed by etching.
It will be evident that the resistivity of parts 7 and 8, when they are diffused zones, depends on the temperature and the duration of the diffusion. By suitable choice of these sizes, transistors can be obtained in which the thinner part 7 has a greater specific resistance than the thicker part 8. Such transistors have a greater sensitivity than those according to the examples described above, but a somewhat smaller area in which a Gain control can be achieved. Such transistors can also be obtained epitaxially.
Such a transistor can e.g. B. can be obtained by means of the method described with reference to the first example, only the diffusion stage is changed to achieve the thinner part 7 as follows. The plate is heated to 11000 C for 40 minutes instead of 20 minutes, while the boron nitride is heated to 9500 C instead of 10000 C. A p-type zone 7 is obtained with a thickness of about 1.5 11 and a surface concentration of boron of about 1 X 10 18 atoms / cm 3.
Figures 4, 5 and 6 show a second embodiment of a transistor in accordance with the invention using a concentric configuration. Corresponding parts are denoted here with the same reference numerals as in FIGS. 1, 2 and 3. The outer, ring-shaped base contact 11 and the ring-shaped thicker part 8 of the base zone 4 have openings on the right-hand side at the point where the more highly doped part 1 of the collector zone extends to the right. The boundaries of the thicker part 8 of the base zone 4 and the more highly doped part 1 in the case of the opening mentioned are indicated by the dash-cross lines 16 and 17.
This concentric transistor can be manufactured by a method which is similar to the method described above for manufacturing the transistor according to FIGS. 1, 2 and 3, only openings of a different shape need to be made in the oxide layers.
7 shows, partially in cross section corresponding to FIG. 2, a transistor body in which the base zone is designed differently, so that manufacture is facilitated, while the base resistance of the transistor is reduced by the fact that the thicker part of the base zone has a greater extension .
The n-type silicon plate 2 has a more highly doped layer l, which is formed by diffusion of phosphor
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phor is preserved and which extends over the entire surface of the plate.
To form the thicker part 4D of the base zone, boron is diffused into the plate, the part 4S not yet being influenced by masking, while the shallow part 4S of the base zone is obtained by a second boron diffusion. The area of the second boron diffusion can overlap the area of the first, as a result of which the method is simplified. The delimitation of the parts of the layer 1 overdoped with boron is indicated by dashed lines.
Phosphorus is diffused into the plate in order to obtain an n-type emitter zone 3, the boron which has previously diffused in being overdoped. The further operations of the method are the same as those according to FIGS. 1, 2 and 3.
It will be evident that one or more zones can be obtained not only by diffusion but also by epitaxial means.
Fig. 8 shows a transistor according to the invention in a circuit for automatic gain control.
The base contacts B1 and B2 of the transistor T are connected to a line L of the high-frequency signal input via separate coupling capacitors C1 and C2. One contact B1 is connected via a coupling resistor R1 to a bias voltage input AGC of an automatic gain control circuit, while the other contact B2 is connected to a point of a voltage divider with resistors R2 and R3. The emitter contact E is connected to the negative supply terminal via a direct current stabilization resistor R4 and a capacitor C3, which individual parts are connected in parallel. The collector contact C is connected to a tuned circuit consisting of the parallel connection of a capacitor C4 and the primary winding of an output transformer T.
The other connection point of the capacitor C4 and the primary winding is connected to the positive supply terminal via a decoupling resistor R5 and a parallel capacitor C5 is connected between the mentioned further connection point and the resistor R5. The output voltage occurs between output terminals 0.
Some practical values for an input signal of around 100 MHz are as follows:
EMI7.1
: R2: 50 kOhm
R4 and R5: 500 ohms Cl, C2, C3 and C5: 1000 pF.
Automatic gain control can also take the form of a base circle connected to earth (earth connection for high frequencies).
PATENT CLAIMS:
1. A transistor with a semiconductor body with an emitter, base and collector zone, characterized in that the part of the base zone (4) located under the emitter zone (3) contains a thicker and a thinner part (8 or 7), which two parts have a practically homogeneous thickness, the base zone (4) being provided with two base contacts (11 and 10) and the one occurring during operation in the base zone (4) and between the emitter and collector zones (3 and 1, 2) flowing emitter current can be guided through the thicker or the thinner part (8 or 7) of the base zone (4) by applying a bias voltage between the base contacts (11 and 10).