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Die Erfindung betrifft einen Halbleiterbauteil mit einer ersten Zone von einem ersten Leit- fähigkeitstyp, deren Dicke kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in derselben ist, einer zweiten Zone von einem zweiten, zum ersten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, welche die erste Zone innerhalb des Halbleiterbauteils völlig umgibt, einer dritten Zone vom ersten Leit- fähigkeitstyp, die die zweite Zone innerhalb des Halbleiterbauteils völlig umgibt, einer in der ersten Zone ausgebildeten vierten Zone vom zweiten Leitfähigkeitstyp, ersten, zweiten bzw. dritten
Elektroden, die auf der ersten, zweiten bzw. dritten Zone angeordnet sind, wobei erste und zweite
Zone unter Bildung eines PN-Überganges aneinandergrenzen und bei Polung dieses PN-Überganges in Durchlassrichtung Majoritätsladungsträger der ersten Zone über die zweite in die dritte Zone wandern.
Es war bereits bisher üblich, Transistoren mit einem hochdotierten Emitterbereich zu ver- sehen. Es sind auch bereits für Hochfrequenzbetrieb bestimmte Transistoren bekannt, die eine geringe Verunreinigungskonzentration im Emitter- und im Kollektorbereich aufweisen. Ein Beispiel dafür beschreibt die US-PS Nr. 3, 591, 430. In dieser Vorveröffentlichung wird ausserdem vorgeschla- gen, einen wesentlichen Teil des Emitterbereiches mit einem Bereich hoher Verunreinigungskonzen- tration und ebenso den Kollektorbereich mit einem zweiten Bereich hoher Verunreinigungskonzen- tration zu überdecken. In der genannten US-PS ist jedoch nicht erläutert, dass die Diffusions- länge oder Diffusionstiefe der Minoritätsträger grösser sein muss als die Breite bzw.
Weite des
Emitterbereiches, noch ist dort ausgeführt, dass die durch das eingebaute Feld reflektierten
Minoritätsträger den injizierten Minoritätsträger-Diffusionsstrom im wesentlichen ausgleichen sollen, der von der Basis durch den Emitter fliesst.
Diese amerikanische Patentschrift lehrt auch nicht, wie das endgültige Profil oder die Verteilung der Verunreinigungskonzentration beschaffen sein soll, noch ist gesagt, welche Breite bzw. Weite die Basis oder der Emitter aufweisen sollen. Es wird auch nichts über die Bedingungen für das epitaxiale Wachstum (beispielsweise Temperatur oder Niederschlagsmengen und Geschwindigkeiten) ausgeführt. Es ist lediglich etwas über die Vordiffusionsbedingung erwähnt, woraus sich jedoch kein Rückschluss und kein Bild über den endgültigen Aufbau gewinnen lässt.
Bei der Herstellung herkömmlicher Bipolar-Transistoren ist es bisher zur Ausbildung des Emitter-Basisüberganges üblich gewesen, eine Doppeldiffusionstechnik anzuwenden. Vom theoretischen Standpunkt aus, als auch auf Grund von Versuchen, wird die Dotierungskonzentration für den Emitter höher gewählt als für die Basis. Wird diese Differenz grösser, so wird auch die Emitterwirksamkeit oder der Emitterwirkungsgrad grösser und nähert sich mehr und mehr dem Wert Eins. Eine Höherdotierung jedoch vergrössert die Gitterdefekte und Versetzungen im Halbleitersubstrat. Als Folge einer starken Dotierung sinkt die Diffusionslänge oder-tiefe der Minoritätsträger im dotierten Bereich ab. Eine Erniedrigung der Dotierung, entsprechend den früher bekannten Ausführungsformen von Transistoren, führt jedoch zu einem Absinken des Verstärkungsgrads.
Aus der US-PS Nr. 2, 822, 310 ist ein Halbleiterbauteil bekannt, bei welchem eine vierte Zone der Kollektorzone angeordnet ist und bei welchem der Gradient der Minoritätsladungsträger dadurch herabgesetzt werden soll, dass die Gesamtdicke grösser als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger gewählt wird. Der vierten Zone kommt somit bei diesem bekannten Halbleiterbauteil keine Injektorwirkung zu und es können dadurch weder der Stromverstärkungsfaktor noch die Rauschkennwerte wesentlich verbessert werden.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen hinsichtlich seiner charakteristischen Kennwerte wesentlich verbesserten halbleiterbauteil zu schaffen, der sich vor allem durch einen ganz wesentlichen erhöhten Stromverstärkungsfaktor bei stark verbesserten Rauschkennwerten auszeichnet. Der Bauteil soll ferner bei geringen, thermisch bedingten Kennwertabweichungen gleichzeitig eine hohe Durchbruchspannung aufweisen. Schliesslich ist es Ziel der Erfindung, den zu schaffenden Halbleiterbauteil so auszulegen, dass die Herstellung und der Einsatz als integrierter Schaltkreis zusammen mit herkömmlichen Transistoren, einschliesslich der Komplementär-Transistoren, möglich ist.
Speziell bezieht sich der Erfindung damit auf eine Halbleitervorrichtung mit mehreren Übergängen, wie sie beispielsweise bei einem bipolaren Transistor oder einem Thyristor vorgesehen sind und betrifft dabei insbesondere eine derartige Vorrichtung mit geringer Verunreinigungs-
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konzentration im Emitterbereich und mit einer wirksamen Minoritätsträgerdiffusionslänge, die wesentlich grösser ist als die Breite des Emitterbereichs, in Kombination mit einer eingebauten
Sperre, die in den Emitterbereich zu injizierende Minoritätsträger erzeugt, die in den Emitter- bereich vom Basisbereich aus injizierte Minoritätsträger im wesentlichen ausgleichen und so ein im wesentlichen flaches Profil der injizierten Minoritätsträger aufrecht erhalten.
Die Verun- reinigungskonzentration des Kollektorbereichs wird niedrig gewählt, um eine hohe Durchbruch- spannung zu gewährleisten.
Für herkömmliche Transistoren wird angenommen, dass die Minoritätsträger-Diffusionslänge in der Grössenordnung von 1 bis 2 11m liegt. Für die Halbleitervorrichtung mit Mehrfachübergängen nach der Erfindung dagegen beträgt die Minoritätsträger-Diffusionslänge 50 bis 100 um. Der
Stromverstärkungsfaktor eines herkömmlichen Transistors liegt üblicherweise bei etwa 500, während sich mit der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung Werte von 3000 oder mehr erreichen lassen.
In Präzisierung der bereits erwähnten Aufgabenstellung lässt sich daher folgendes fest- stellen : Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Halbleitervorrichtung mit Mehrfachübergängen, die einen hohen h FE-Wert (Stromverstärkungsfaktor) bei geringem Rauschkennwert aufweisen. Diese
Halbleitervorrichtung soll eine geringe Verunreinigungskonzentration im Emitterbereich und eine Minoritätsträger-Diffusionslänge aufweisen, die wesentlich grösser ist, als die Breite des Emitters und bei der sich nur eine niedrige Rekombinationsgeschwindigkeit einstellt.
Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauteil der eingangs genannten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Gesamtdicke von erster und vierter Zone kleiner ist als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der ersten Zone und vorzugsweise 2 bis 5 11m beträgt, dass weiters die Dicke der vierten Zone kleiner als die Dicke der ersten Zone ist, die vierte Zone auf "schwebendem Potential 11 belassen wird, d. h. keine Anschlusselektrode aufweist, dass der von der vierten Zone in die erste Zone injizierte Strom im wesentlichen gleich dem von der zweiten Zone in die erste Zone injizierten Strom ist, und diesen somit kompensiert und dass schliesslich die Konzentration der Minoritätsladungsträger in der ersten Zone und der vierten Zone wesentlich oberhalb der Gleichgewichtskonzentration liegt.
Nachstehend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beispielsweise erläutert. Es zeigt : Fig. 1 eine schmatische Teilschnittansicht eines Halbleiterbauteils (npn-Transistors) nach der Erfindung ; Fig. 2 ein beispielsweises Verunreinigungsprofil für den Halbleiterbauteil nach Fig. 1 sowie die Darstellung der Minoritätsträgerkonzentration im Emitterbereich ; Fig. 3 eine Teilschnittansicht eines integrierten Schaltkreis-Chips mit einem npn-Transistor gemäss der Erfindung und einem zusätzlichen pnp-Transistor herkömmlicher Bauart, die beide gemeinsam ein komplementäres Transistorpaar in dem integrierten Schaltkreis-Chip bilden ; die Fig. 4, 5 und 6 der Teilschnittansicht nach Fig. 1 ähnliche Teilschnittansichten zur Verdeutlichung anderer Ausführungsformen der Erfindung ;
Fig. 7 die graphische Darstellung der (auf Masse bezogenen) Emitterstromverstärkung (h FE) als Funktion des Kollektorstroms ; Fig. 8 die Darstellung des Rauschfaktors als Funktion der Frequenz bei einer Eingangsimpedanz von 1000 Ohm ; Fig. 9 die Darstellung des Rauschfaktors als eine Funktion der Frequenz bei einer Eingangsimpedanz von 30 Ohm ; Fig. 10 eine Rauschwertdarstellung zur Verdeutlichung des Rauschfaktors als Funktion des Kollektorstroms ; Fig. 11 die graphische Darstellung der Emitterstromverstärkung (hue ) über der Temperatur.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 1 als npn-Transistor gezeigt.
Ein Substrat --1--, insbesondere ein Siliziumsubstrat, ist mit Antimon stark dotiert. Die Dotierungskonzentration liegt vorzugsweise bei 4 x 10"At/cm3. Dies ergibt einen spezifischen Widerstand von etwa 0, 01 fI cm. Es wurde ermittelt, dass dieser Wert bei dieser Dotierung zwischen 0, 008 und
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dung als Kollektor zusammen mit dem n + -leitenden Substrat ausgebildet. Die Epitaxialschicht --2-- ist relativ gering mit Antimon dotiert, jedoch ausreichend, um eine Dotierungskonzentration von 7 x 1014 At/cm3 zu erreichen. Der spezifische Widerstand liegt bei etwa 8 bis 10 fI cm. Die Epitaxialschicht ist vorzugsweise etwa 20 11m stark.
Eine p"-leitende Silizium-Epitaxialschicht-3-- wird dann auf der n +-leitenden Schicht - als aktive Basis für den Transistor ausgebildet. Als Dotiermittel kann Bor in so aus-
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Ein p-leitender Isolationsbereich --50-- ist mit dem p-leitenden Substrat --20-- verbunden und umgibt den npn- bzw. pnp-Transistor --21 bzw. 22--.
Drei n-leitende Bereiche --31, 32 und 36-- bilden zusammen einen becherartigen Isolationsbereich, der nur den pnp-Transistor --22-- umgibt. In diesem integrierten Schaltkreis wird eine Mehrzahl von Paaren oder Trios von Transistoren gleichzeitig erzeugt, beispielsweise werden die n -leitenden Bereiche --1 und 31-- durch selektive Diffusion in das p-leitende Substrat --20--
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hergestellt, ebenso wie die n -leitenden Bereiche --5, 15 und 35--.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein zusätzlicher Bereich --201-- mit dem Basisanschlussbereich-7-- und der Basis --3-- verbunden ist. Die Basiselektrode --10-- kann nicht nur am Basisanschlussbereich --7-- angeordnet sein, sondern ausserdem am zusätzlichen Bereich --201--. Der effektive Basiswiderstand wird erniedrigt, da die Löcher sowohl über dem Emitterbereich --4-- als auch über den Basisanschlussbereich --7-- zum Basisbereich --3-- transportiert werden.
Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine MIS-Anordnung (metal- - insulator-semiconductor) auf der Oberfläche des niedrig dotierten Emitters --4-- aufgebracht ist. Eine Torelektrode --42-- aus Aluminium und eine Siliziumdioxydschicht --41-- bilden zusammen mit dem Emitterbereich --4-- die MIS-Anordnung. Durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung an die Torelektrode-42-tritt unter der isolierenden Schicht --41-- eine Sperre --202-auf. Damit ergibt sich eine Sperrscicht, eine Verarmungsschicht oder eine Anreicherungsschicht.
Fig. 6 veranschaulicht eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Schottky- - Sperrschicht-203-- auf der Oberfläche des gering dotierten Emitterbereichs --4-- erzeugt wird.
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--51--, beispielsweise Platin,Fig. 2 veranschaulicht das Verunreinigungsprofil und die Minoritätsträgerkonzentration im Emitter des Halbleiterbauteils nach Fig. 1. Der obere Teil der Fig. 2 zeigt das n + -leitende Siliziumsubstrat --1--, den n'-leitenden Kollektorbreich-2--, den p --leitenden Basisbereich --3--, den Emitterbereich --4-- und den p + -leitenden Bereich --200--, der als Injektor dient.
Die Verunreinigungskonzentration in jedem dieser Bereiche ist im mittleren Abschnitt der Darstellung veranschaulicht, während im unteren Teil die injizierte Minoritätsladungsträgerkonzentration im Emitterbereich verdeutlicht ist, die sich aus dem Basisbereich --3-- und dem pn-Übergang --14--, dem Bereich --200-- und dem Emitterbereich --4-- trennt, vereinigten injizierten Minoritätsladungsträgerstrom ergibt. Insbesondere zeigt die geneigte Gradientenlinie --101-- die Komponente der vom Emitter-Basisübergang --13-- injizierten Minoritätsladungsträger, während die Gradientenlinie --102-- die vom zusätzlichen pn-Übergang --14-- durch den injizierten Minoritätsladungsträgerstrom verursachte Komponente verdeutlicht.
Da die injizierten Minoritätsladungsträger in entgegengesetzten Richtungen fliessen, zeigt sich im Ergebnis eine im wesentlichen flache oder ebene Gradientenlinie --103--. Dieses charakteristische Merkmal ist in erster Linie dafür verantwortlich, dass eine sehr hohe Emitterstromverstärkung (h FE) bei sehr geringem Rauschen erreicht werden kann. Um dies in weiteren Einzelheiten zu erläutern, sei vermerkt, dass die Minoritätsträger (die Löcher), die durch den Emitter-Basis-Übergang --13-- injiziert werden, den zusätzlichen Übergang --14-- erreichen, um in die zusätzliche Injektorzone --200-- einzutreten.
Anderseits injiziert auch der p + -leitende Injektorbereich --200-- Löcher in den n --leitenden Emitterbereich --4-- und diese Löcher durchlaufen den Emitterbereich und erreichen den Emitter-Basis- - Übergang --13--, da die Breite bzw. Weite des Emitters (WE) kleiner ist als die Diffusionslänge
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im n --leitenden Emitterbereich --4--. Ist die Löcherinjizierung von der p-leitenden Injektorzone gross genug,
so kompensiert der Löcherstrom vom zusätzlichen Übergang --14-- zum Übergang - den Löcherstrom vom Übergang --13-- zum zusätzlichen Übergang --14--. Diese Kompensation führt zu der im wesentlichen flachen Löcherverteilung im n- -leitenden Emitterbereich und vermindert den Löcherstrom vom Basisbereich --3-- zum Emitterbereich --4--.
Die oben an Hand von Fig. 1 erläuterte Anordnung ergibt einen hohen hF E -Kennwert bei geringem Rauschen. Zur Erläuterung dieses erhaltenen Ergebnisses sei vor allem vermerkt, dass die (auf Masse bezogene) Emitterstromverstärkung (h FE) einer der wichtigsten Transistorparameter ist. Diese Grösse ist im allgemeinen gegeben
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worin mit a die Stromverstärkung bei an Masse liegender Basis bezeichnet ist. Die Stromverstärkung oL ist gegeben zu
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worin mit a* ein Kollektormultiplikationsverhältnis, mit ss ein Basistransportfaktor und mit v der emitterseitige Wirkungsgrad bezeichnet sind.
Für einen npn-Transistor beispielsweise ist der Emitterwirkungsgrad gegeben zu
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worin mit Jn die Elektronenstromdichte bezeichnet ist, die sich aus den über den Emitter-Basis- übergang vom Emitter zur Basis injizierten Elektronen ergibt und Jp eine Löcherstromdichte derjenigen Löcher charakterisiert, die über den gleichen Übergang von der Basis zum Emitter in umgekehrter Richtung injiziert werden.
Das Absinken von Jp führt dazu, dass der Wert für v gemäss Gleichung (3) annähernd Eins wird, der Wert für a gemäss Gleichung (2) sehr gross wird und der Wert für h FE gemäss Gleichung (1) ebenfalls sehr gross wird.
Die niedrigen Rauschkennwerte lassen sich wie folgt erklären :
Der Gitterdefekt oder die Versetzung wird stark heruntergesetzt, da der Emitter-Basis-Übergang --13-- durch den geringdotierten Emitterbereich --4-- und den ebenfalls niedrig dotierten Basisbereich --3-- gebildet wird. Die Verunreinigungskonzentration des niedrig dotierten Emitterbereichs --4-- sollte mit Rücksicht auf die Rauschkennwerte, die Lebensdauer T und die Minoritätsträgerdiffusionslänge Lp auf einen Wert begrenzt werden, der etwa kleiner ist als 10' At/cm3.
Ein anderer Faktor, der zu einem niedrigen Rauschpegel führt, ist der, dass der Emitterstrom im niedrig dotierten Emitterbereich --4-- und dem ebenfalls gering dotierten Basisbereich --3-weitgehend in Vertikalrichtung fliesst.
Die hohe Emitterstromverstärkung (h FE) (bei auf Masse bezogenem Emitter) für die Vorrichtung nach Fig. 1 ist in Fig. 7 durch zwei Linien 104 und 105 veranschaulicht. Die beiden Kurven geben Versuchswerte wieder, die an zwei verschiedenen Transistoren erhalten wurden. Diese Unterschiede in den beiden Kurven ergeben sich lediglich aus der unterschiedlichen Planarkonfiguration des Emitters. Beide Kurven jedoch zeigen die sehr hohe Emitterstromverstärkung.
Fig. 8 verdeutlicht das Rauschverhalten als Funktion der Frequenz für den Halbleiterbauteil nach Fig. l, wenn die Eingangsimpedanz 1000 Ohm, der Kollektorstrom 1mA beträgt und eine Kollektor-Emittervorspannung von 6 Volt anliegt. Der Wert des Rauschfaktors wird durch die Linie 106 wiedergegeben. Im Gegensatz dazu zeigt die Linie 107 den Rauschfaktor für einen typischen herkömmlichen Transistor mit äusserst niedrigen Rauschwerten.
Fig. 9 zeigt eine der Fig. 8 ähnliche Darstellung, wobei die Linie 108 die Verhältnisse bei
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dem Halbleiterbauteil nach Fig. 1 verdeutlicht und die Linie 109 den Rauschfaktor für einen bekannten Halbleiterbauteil zeigt. Die Kurven der Fig. 9 sind auf eine Eingangsimpedanz von 30 Ohm bezogen, wobei jedoch der Kollektorstrom und die Spannung zwischen Kollektor und Emitter gleich wie bei den in Fig. 8 dargestellten Verhältnissen waren.
Fig. 10 zeigt eine"Rauschkarte"Rg über Ic (Kollektorstrom) für das Rauschverhalten eines typischen bekannten Transistors und für den Halbleiterbauteil nach Fig. l, wobei die Rauschlinie 110 die Verhältnisse für einen typischen bekannten Halbleiterbauteil wiedergibt und die Linie 111 das Rauschverhalten des Halbleiterbauteils nach Fig. 1 wiedergibt. Beide Darstellungen sind auf einen Rauschwert von 3 dB bezogen (F = 10 Hz, V = 6V).
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11Temperatur.
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Die Darstellung ist ohne weitere Erläuterung verständlich, wenn darauf hingewiesen wird, dass die Linie 112 sich auf eine bekannte Vorrichtung bezieht, während die Linie 113 die Verhältnisse bei dem Halbleiterbauteil nach Fig. 1 wiedergibt.
Für den Fachmann ergibt sich aus einer Betrachtung und aus einem Vergleich der Fig. 7, 8,9, 10 und 11, dass mit der Erfindung eine ganz wesentliche Verbesserung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik erzielt wurde.
Der Ausdruck "im wesentlichen flach", der zur Darstellung der Verhältnisse bei der Minoritätsträgerkonzentration über den aktiven Emitterbereich verwendet wurde, soll so verstanden werden, dass die Summe der vom aktiven Basisbereich in den aktiven Emitterbereich injizierten Minoritätsträger einerseits und der sich in dem Emitter auf Grund der Sperre in umgekehrter Richtung bewegenden Minoritätsträger anderseits im aktiven Emitterbereich im wesentlichen konstant ist.
Dies wird für den Emitterteil in Fig. 2 durch die Linie 103 wiedergegeben, die im wesentlichen horizontal verläuft.
Beim Gegenstand der Erfindung wird die niedrige Rekombinationsgeschwindigkeit nicht nur durch die erwähnte Sperre erhalten, sondern ergibt sich auch durch ein sich in der Emitterzone aufbauendes inneres Feld. Die Erklärung dafür ergibt sich aus dem folgenden :
Die Elektronenstromdichte Jn ist gegeben zu
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Die Löcherstromdichte dagegen ergibt sich zu
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worin mit Ln die Elektronendiffusionslänge in der p-leitenden Basis, mit Lp die Löcherdiffusions- länge in dem n -leitenden Emitter, mit Dn die Elektronendiffusionskonstante, mit Dp die Löcherdiffusionskonstante, mit Np die Minoritätselektronenkonzentration in der p-leitenden Basis im Gleichgewichtszustand, mit Pn die Minoritätslöcherkonzentration im p-leitenden Emitter im Gleichgewichtszustand, mit v die an den Emitter-Basis-Übergang angelegte Spannung,
mit T die Temperatur, mit q die Elektronenladung und mit k die Boltzmann-Konstante bezeichnet sind.
Als Verhältniswert & von Jp und Jn ergibt sich dann :
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Daraus folgt weiter
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Werden die beiden Verhältnisse ersetzt, so ergibt sich
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