CS212291B2 - Semiconductor device - Google Patents

Semiconductor device Download PDF

Info

Publication number
CS212291B2
CS212291B2 CS194074A CS194074A CS212291B2 CS 212291 B2 CS212291 B2 CS 212291B2 CS 194074 A CS194074 A CS 194074A CS 194074 A CS194074 A CS 194074A CS 212291 B2 CS212291 B2 CS 212291B2
Authority
CS
Czechoslovakia
Prior art keywords
region
emitter
base
semiconductor device
type
Prior art date
Application number
CS194074A
Other languages
Czech (cs)
Inventor
Hajime Yagi
Tadaharu Tsuyuki
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to CS194074A priority Critical patent/CS212291B2/en
Publication of CS212291B2 publication Critical patent/CS212291B2/en

Links

Landscapes

  • Bipolar Transistors (AREA)

Description

Vynález se týká polovodičového zařízení obsahujícího první polovodičovou oblast jednoho typu vodivosti, druhou polovodičovou oblast jiného typu vodivosti, které mé společnou část s první oblastí za vytvoření prvního přechodu PN, déle třetí polovodičovou oblast prvního typu vodivosti, které má s druhou oblastí společnou Část za vytvoření druhého přechodu PN, přičemž při činnosti zařízení přecházejí majoritní nosiče z první oblasti druhou oblastí do třetí oblasti.The invention relates to a semiconductor device comprising a first semiconductor area of one conductivity type, a second semiconductor area of another conductivity type having my common part with a first region to form a first PN junction, and a third semiconductor area of a first conductivity type having a common part to form with a second region a second PN junction, wherein in operation the major carriers pass from the first region through the second region to the third region.

Je dosud obvyklé vyrébět tranzistory se silné dotovanou emitovou oblastí. Je také již znám tranzistor pro vysokofrekvenční provoz, který má nízkou koncentraci příměsí v emitorové oblasti, v oblasti béze a v kolektorové oblasti. Příklad takového tranzistoru je popsán v USA pat. spisu č. 3 591 430. U tohoto uveřejněni je kromě toho navrženo, aby podstatná část emitorové oblasti byla pokryta úsekem s vysokou koncentrací příměsí, a právě tak, aby kolektorové oblast byla překryta druhým úsekem s vysokou koncentrací příměsí.It is still customary to manufacture transistors with a strong doped emitting region. Also known is a transistor for high-frequency operation having a low concentration of impurities in the emitter region, in the base and in the collector region. An example of such a transistor is described in U.S. Pat. No. 3,591,430. In this disclosure, it is furthermore proposed that a substantial portion of the emitter region be covered by a high-concentration section, and just so that the collector area is covered by a second high-concentration section.

V uvedeném USA pat. spisu však není vysvětleno, že délka difuse nebo hloubka difuse minoritních nosičů musí být větší než šířka, popřípadě rozsah emitorové oblasti, ani tam není uvedeno, že minoritní nosiče odrážené zabudovaným polem mají v podstatě vyrovnávat difusní proud vstřikovaných minoritních nosičů, který prochází od báze emitorem.U.S. Pat. however, it is not explained that the diffusion length or diffusion depth of the minor carriers must be greater than the width or extent of the emitter region, nor does it state that the minor carriers reflected by the embedded field are substantially equalizing the diffusion current of injected minor carriers passing from base to emitter. .

Z uvedeného USA patentového spisu také nevyplývá, jak mé být,vytvořen definitivní profil nebo rozloženi koncentrace příměsí, ani jakou šířku, popřípadě jaký rozsah mé mít báze nebo emitor. Není tam také nic řečeno o podmínkách pro růst epitaxiální vrstvy (například teplota nebo rychlost usazování). Je tam pouze udáno cosi o podmínkách předběžné difuse, avšak z toho nelze soudit na konečnou strukturu.'Neither does the US patent disclose how a definitive profile or distribution of the concentration of impurities, or the width or extent, of the base or emitter is to be formed. There is also nothing said about the conditions for growth of the epitaxial layer (e.g., temperature or settling rate). There is only something stated about the conditions of preliminary diffusion, but it is not possible to judge the final structure. '

Při vytváření běžných bipolárních tranzistorů bylo dosud obvyklé užívat techniky dvojí difuse pro vytvořeni přechodu emitor-báze. Z teoretického hlediska stejně jako na základě pokusů se dotovacl koncentrace zvolí pro emitor vyšší než pro bázi. Když se tento rozdíl zvětšuje, zvětšuje se také úěinnost emltoru a blíží se stále více jednotkové hodnotě. Vyšší dotování však zvyšuje mřížkové vady a posunutí v polovodičovém substrátu. V důsledku silného dotování klesá délka difuse minoritních nosičů v dotované oblasti. Snížení dotování vede u dosavadních provedení tranzistorů k poklesu proudového zisku.In the development of conventional bipolar transistors, it has heretofore been common to use double diffusion techniques to create an emitter-base transition. From the theoretical point of view as well as from experiments, the doping concentration is chosen for the emitter higher than for the base. As this difference increases, the efficiency of the emitter also increases and approaches more and more unit value. However, higher doping increases lattice defects and displacement in the semiconductor substrate. Due to the heavy doping, the diffusion length of the minor carriers in the doped region decreases. The reduction in doping results in current transistors in the current gain.

Vynález vychází z úlohy vytvořit polovodičové zařízení, jehož charakteristiky by byly podstatně zlepšeny a které by především mělo podstatně zvýšený činitel proudového zisku při silně zlepšeném šumovém čísle. Přitom jde především o polovodičové zařízení s mnoha přechody, které při nepatrných odchylkách charakteristik, vyvolaných tepelně, má současně velké průrazné napětí. Konečně je účelem vynálezu dimenzovat nové polovodičové zařízení tak, je mohlo být možno použit jako části integrovaného obvodu současně s dosavadními tranzistory včetně doplňkových tranzistorů.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is based on the object of providing a semiconductor device whose characteristics would be substantially improved and, in particular, would have a substantially increased current gain factor with a greatly improved noise figure. In particular, it is a semiconductor device with many transitions, which at the same time, with slight deviations in the thermal induced characteristics, also has a high breakdown voltage. Finally, it is an object of the invention to design a new semiconductor device so that it could be used as part of an integrated circuit simultaneously with prior transistors including complementary transistors.

Řešení podle vynálezu záleží v podstatě v tom, že první oblast sestává z první a druhé části mající různé koncentrace příměsi a společné rozhraní za vytvořeni přechodu, přičemž první část první oblasti je přilehlá k prvnímu přechodu PN a má koncentraci příměsí nižší než je koncentrace příměsí druhé části první oblasti, tlouštka první části první oblasti je větší než tloušlka druhé části první oblasti, tlouštka první části první oblasti je menší než difusní délka minoritních nosičů v první oblasti a v první oblasti je zabudované pole.The solution according to the invention consists essentially in that the first region consists of a first and a second part having different dopant concentrations and a common interface to form a transition, the first part of the first region adjacent to the first PN junction and having a dopant concentration lower than the second dopant concentration the thickness of the first portion of the first region is greater than the thickness of the second portion of the first region, the thickness of the first portion of the first region is less than the diffuse length of the minor carriers in the first region, and the array is embedded in the first region.

Tím se dosáhne toho, že driftový proud, vytvořený zabudovaným polem, v podstatě vyrovnává difusní proud minoritních nosičů vstřikovaných z prvního přechodu PN do první oblasti.This achieves that the drift current generated by the built-in field substantially balances the diffuse current of the minor carriers injected from the first PN junction into the first region.

Podle výhodného provedení vynálezu je tlouštka první části první oblasti s přičtením tlouštky druhé části první oblasti menší než difusní délka minoritních nosičů v první oblasti.According to a preferred embodiment of the invention, the thickness of the first portion of the first region, adding the thickness of the second portion of the first region, is less than the diffuse length of the minor carriers in the first region.

S výhodou je difusní délka minoritních nosičů v první oblasti v rozmezí od 50 do 100/um.Preferably, the diffusion length of the minor carriers in the first region is in the range of 50 to 100 µm.

Podle dalšího provedení vynálezu je první část první oblasti epitaxní vrstva a druhé část první oblasti je difusní vrstva.According to another embodiment of the invention, the first portion of the first region is an epitaxial layer and the second portion of the first region is a diffusion layer.

Podle jiného provedení vynálezu je koncentrace příměsí v první části první oblasti «o *>According to another embodiment of the invention, the concentration of impurities in the first part of the first region is "

menší než 10 atomů/cm .less than 10 atoms / cm.

Podle účelného provedení vynálezu tvoří první oblast emitorovou oblast a koncentrace příměsí v první části první oblasti je menší než koncentrace příměsí v druhé části první oblasti.According to a preferred embodiment of the invention, the first region forms an emitter region and the dopant concentration in the first portion of the first region is less than the dopant concentration in the second portion of the first region.

U dosavadních tranzistorů se předpokládá, že difusní délka minoritních nosičů je velikostního řádu 1 až 2 /um. Pro polovodičové zařízení podle vynálezu je naproti tomu difusní délka minoritních nosičů 50 až 100 μα. činitel proudového zisku u běžného tranzistoru je obvykle přibližně 500, zatímco u polovodičových zařízení podle vynálezu lze dosáhnout hodnotu 3 000 nebo vyšší. Tím, že v emltoru je upraven přechod mezi málo dotovanými a silně dotovanými oblastmi se stejným typem příměsí, lze dosáhnout driftového proudu, který v podstatě vyrovnává difusní proud minoritních nosičů.In the prior art transistors, it is assumed that the diffusion length of the minor carriers is of the order of 1 to 2 µm. For the semiconductor device according to the invention, on the other hand, the diffusion length of the minor carriers is 50 to 100 μα. the current gain factor for a conventional transistor is usually about 500, while for the semiconductor devices of the invention a value of 3000 or higher can be achieved. By providing a transition between the low-doped and the heavily doped regions with the same dopant in the emitter, a drift current can be achieved that substantially balances the diffuse current of the minor carriers.

Polovodičové zařízení podle vynálezu má dále při nízkém šumovém čísle vysokou hodnotu hFE, totiž činitele proudového zisku pro uzemněný emitor. Toto polovodičové zařízení má nízkou koncentraci příměsí v emitorové oblasti a takovou difusní délku minoritních nosičů,Furthermore, the semiconductor device according to the invention has a high value h FE , namely the current gain factor for the grounded emitter, at a low noise number. This semiconductor device has a low concentration of impurities in the emitter region and such diffuse length of minor carriers,

21229, která je značně větěí než šířka emitoru, a u níž lze zjistit jen malou rekombinační rychlost a dobrou krystalovou mřížku.21229, which is considerably larger than the emitter width, and for which only a low recombination rate and a good crystal lattice can be found.

Vynález bude nyní popsán příkladem na několika provedeních v souvislosti s připojenými výkresy: Obr. 1 znázorňuje v částečném řezu schematický pohled na tranzistor NPN podle vynálezu; obr. 2 znázorňuje průběh profilu příměsí pro polovodičové zařízení podle obr. 1, jakož i koncentraci minoritních nosičů v emitorové oblasti; obr. 3 je částečný řez integrovaného čipu spínacího obvodu, který mé tranzistor NPN podle vynálezu a kromě toho dosavadní tranzistor PNP, které v integrovaném čipu tvoří doplňkovou dvojici tranzistorů; obr. 4 je grafické znázornění činitele proudového zisku emitor-masa (hpE) jako funkce kolektorového proudu; obr. 5 je grafické znázornění činitele šumu ve funkci kmitočtu při vstupní impedanci 1 000 ohmů; obr. 6 ,je grafické znázornění činitele šumu ve funkci kmitočtu při vstupní impedanci 30 ohmů; obr. 7 je grafické znázornění charakteristik činitele šumu ve funkci kolektorového proudu.The invention will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which: FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a NPN transistor according to the invention; Fig. 2 shows the profile of dopants for the semiconductor device of Fig. 1 as well as the concentration of minor carriers in the emitter region; Fig. 3 is a partial cross-sectional view of an integrated circuit switching chip having my NPN transistor according to the invention and, moreover, the prior art PNP transistor which forms an additional pair of transistors in the integrated chip; Fig. 4 is a graphical representation of the emitter mass gain factor (hp E ) as a function of the collector current; Fig. 5 is a graphical representation of the noise factor as a function of frequency at an input impedance of 1000 ohms; FIG. 6 is a graphical representation of the noise factor in frequency function at an input impedance of 30 ohms; Fig. 7 is a graphical representation of the noise factor characteristics as a collector current.

Jako výhodné provedení vynálezu bude nejdříve vysvětlen v souvislosti s obr. 1 tranzistor NPN, Vztahovou značkou 1 je označen substrát, silně dotovaný příměsemi typu N, zejména křemíkový substrát silně dotovaný antimonem. Koncentrace dotování je s výhodou 4 x 10*® em“^ To dává specifický odpor přibližně 0,01 ohm.cm. Bylo zjištěno, že toto dotování může kolísat mezi 0,008 a 0,012 ohm.cm. Tlouštka substrátu je přitom s výhodou přibližně 250 /um.As a preferred embodiment of the invention, the NPN transistor will first be explained with reference to Figure 1. Reference numeral 1 denotes a substrate heavily doped with N-type impurities, in particular a silicon substrate heavily doped with antimony. The doping concentration is preferably 4 * 10 < 6 > .mu.m. This gives a specific resistance of approximately 0.01 ohm.cm. It has been found that this doping can vary between 0.008 and 0.012 ohm.cm. The substrate thickness is preferably about 250 µm.

Na substrátu £ se vytvoří křemíková epitaxiální vrstva 2 typu H_> která se ppolečně se substrátem £ typu N+ užije jako kolektor. Tato epitaxiální vrstva 2 j® poměrně málo dotována antimonem, jen aby se dostala dotovací koncentrace 7 x 1014 cm~\ Specifický odpor přitom je přibližné 8 až 10 ohm.cm. Epitaxiální vrstva má s výhodou tloušlku přibližně 20 /um.£ on the substrate is formed of silicon epitaxial layer 2 of type H _> which ppolečně substrate £ N + is used as a collector. This epitaxial layer 2 is relatively little doped with antimony, only to obtain a doping concentration of 7 x 10 14 cm @ -1. The specific resistance is about 8 to 10 ohm.cm. The epitaxial layer preferably has a thickness of about 20 µm.

Pro vytvoření aktivní báze pro tranzistor se pak na vrstvě 2 typu N“ vytvoří křemíková epitaxiální vrstva £ typu P”. Pro dotování lze užít boru v takovém množství, že se dostane dotovací koncentrace 1 x 101^ cm-^. Specifický odpor je 1,5 ohm.em. Tlouštka vrstvy £. je přibližně 5 /um.To form the active base for the transistor, a P-type silicon epitaxial layer 6 is then formed on the N-type layer 2. For doping of boron may be used in such an amount that it reaches the dopant concentration of 1 × 10 1 cm ^ - ^. The specific resistance is 1.5 ohm.em. Layer thickness. is approximately 5 µm.

Pro vytvoření emitoru se na vrstvě £ typu P~ vytvoří epitaxiální vrstva £ typu N.To form an emitter, an N-type epitaxial layer 6 is formed on the P-layer.

Vrstva £ je poměrně nepatrně dotována antimonem, přičemž koncentrace dotace je přibližnáThe layer 6 is relatively slightly doped with antimony, with the concentration of the subsidy being approximate

15—3 *15—3 *

5,5 x 10 cm . Specifický odpor je přibližně 1 ohm.em. Tlouštka vrstvy £ je přibližně 2 až 5 /um.5.5 x 10 cm. The specific resistance is approximately 1 ohm.em. The thickness of the layer 6 is approximately 2 to 5 µm.

Potom se vytvoří difusní vrstva £ typu N+, která je silně dotována fosforem. Tato di20 —3 * fusní vrstva £ má plošnou koncentraci dotování přibližně ,0 ca a tlouštku přibližně 1 ,0 /um.A N + type diffusion layer 6 is then formed which is strongly doped with phosphorus. This D20-3 fusion layer 6 has a surface doping concentration of approximately 1.0 c and a thickness of approximately 1.0 .mu.m.

Difusní vrstva 6 typu N silně dotovaná fosforem obklopuje uvedený tranzistor NPN.The N-type diffusion layer 6 strongly doped with phosphorus surrounds said NPN transistor.

—3—3

Dotace je jako povrchová koncentrace přibližně 3 x 10 cm . Toto dotování proniká vrstvu £ typu P- do vrstvy £ typu N“, až se dostane oblast £ typu N+ substrátu. Tato obklopuje oblast £ báze.The subsidy is a surface concentration of approximately 3 x 10 cm. This doping penetrates the P - type layer £ into the N-type layer až until the N - type region + of the substrate has been reached. This surrounds the base region 6.

Jako vodivé spojení k oblasti £ báze se upraví oblast £ s difusí typu P. Oblast £ —3 je dotována borem s povrchovou koncentrací přihližnš 3 x 10 cm . Difundovaná oblast £ proniká vrstvou £ typu N“ do vrstvy £ báze typu P”, která ohraničuje a obklopuje emitorovou oblast £.A P-type diffusion area 6 is provided as a conductive connection to the base area 6. The area 3-3 is doped with boron with a surface concentration of approximately 3 x 10 cm. The diffused area á penetrates the N-type layer do into the P-type base layer,, which delimits and surrounds the emitter area £.

Difundovaná oblast 8 typu P tvoři oblast kontaktu s bází a sestává z oblasti silně do1 β —3 tované borem. Koncentrace dotování na povrchu je přibližně 5 x 10 cm .The diffused P-type region 8 forms a base-contact region and consists of a region strongly up to β-3 boronized. The surface concentration of doping is approximately 5 x 10 cm.

Na spodní ploše substrátu £ se vytvoří kolektorová elektroda £ z hliníku. Na oblasti 8 kontaktu s bází se umístí elektroda 12 báze z hliníku. Na silně dotovaná emitorové oblasti 2 se vytvoří emitorová elektroda 11 z hliníku.An aluminum collector electrode 6 is formed on the bottom surface of the substrate. An aluminum base electrode 12 is placed on the base contact area 8. An aluminum emitter electrode 11 is formed on the heavily doped emitter region 2.

Pro pasivaci se horní plocha zařízení pokryje vrstvou 67 kysličníku křemičitého.For passivation, the top surface of the device is covered with a layer 67 of silica.

Ze shora uvedené konstrukce vyplývá, že vrstva 2. typu N a vrstva 2 typu P- tvoří přechod 12 kolektor-báze. Vrstva 2 typu P“ a vrstva 2 typu N“ tvoři přechod 13 emitor-báze, zatímco mezi vrstvou 2 typu N a vrstvou 2 typu N+ vzniká přechod 14 L-H se stejným typem příměsí. (Označení L-H vyznačuje přechod mezi dvěma za sebou jdoucími oblastmi se stejným typem příměsí, přičemž jedna, L, je dotována nepatrně a druhá, H, silně.)It follows from the above construction that the N-type layer 2 and the P - type layer 2 form a collector-base transition 12. The P-type layer 2 and the N-type layer 2 form an emitter-base transition 13, while between the N-type layer 2 and the N + type 2 a 14 LH transition with the same type of impurities is formed. (The designation LH indicates the transition between two consecutive areas with the same type of admixture, with one, L, slightly subsidized and the other, H, heavily.)

Šířka nebo odstup WE mezi přechodem 13 emitor-báze a přechodem 14 L-H je asi 6 /um.The width or distance W E between the emitter-base transition 13 and the LH transition 14 is about 6 µm.

Obr. 2 znázorňuje profil příměsí a koncentrace minoritních nosičů v emitoru shora popsaného polovodičového zařízení. Horní část obr. 2 znázorňuje relativní polohu emitoru, báze a kolektoru. Prostřední část diagramu znázorňuje koncentraci příměsí v atomech na krychlový centimetr, měřeno od vnějšího povrchu příslušně označeného až k oblasti substrátu i· Dolní část vyobrazení ukazuje relativní podíl koncentrace minoritních nosičů v různých oblastech, počínaje oblastí 2 typu N+ přes emitorovou oblast 2· Jestliže difusní délka minoritních nosičů je menší než íířka emitoru, dostane se profil minoritních nosičů, daný přerušovanou čárou (g). Je-li přítomno zabudované pole, které však, jak bude vysvětleno níže, není dostatečně silné, dostane se průběh koncentrace minoritních nosičů, jak je znázorněn lomenou čarou (b).Giant. 2 shows the impurity profile and the concentration of minor carriers in the emitter of the semiconductor device described above. The upper part of FIG. 2 shows the relative position of the emitter, base and collector. The middle part of the diagram illustrates dopant concentrations in atoms per cubic centimeter, as measured from the outer surface of the respective bearing up to the region of the substrate and · Bottom figure shows the relative proportion of the concentration of minority carriers in different areas, starting with the two N + via the emitter region 2 · If the diffusion length the minor carriers is smaller than the emitter width, giving the minor carrier profile given by the dashed line (g). If an embedded field is present which, however, as will be explained below, is not strong enough, the course of the concentration of minor carriers will be obtained as shown by broken line (b).

Polovodičové zařízení této konstrukce dává vysokou hodnotu hpE při nízkém šumu. Pro vysvětlení důvodů tohoto jevu budiž uvedeno, že proudový zisk hEE emitoru je jedním z důležitých parametrů tranzistoru.A semiconductor device of this design gives a high h pE value at low noise. To explain the reasons for this phenomenon, it should be noted that the current gain h of the EE emitter is one of the important parameters of the transistor.

Tento parametr je v podstatě definován vztahem:This parameter is essentially defined by:

kde a označuje proudový zisk báze (přičemž báze je vztažena na masu). Proudový zisk a je dán vztahem:where a denotes the current gain of the base (wherein the base is based on mass). Current gain and is given by:

«= f<+ . (1 (2) přičemž a+ je činitel proudového zesíleni kolektroru, β je převodový činitel báze a Y je emisní účinnost emitoru.«= F < + . (1 (2) where a + is the current gain factor of the collector, β is the base transfer factor and Y is the emission efficiency of the emitter.

U tranzistoru NPN je emisní účinnost Y emitoru dána vztahem:For an NPN transistor, the emission efficiency Y of the emitter is given by:

Jn 1Jn 1

Y= - = --- (3)Y = - = --- (3)

Jn+Jp 1+Jp/Jn kde Jn je hustota proudu elektronů, která vyplývá na základě elektronů vstřikovaných od emitoru do báze přes přechod emitor-báze, a Jp je hustota děrového proudu, které vyplývá v důsledku děr vstřikovaných v obráceném směru přes stejný přechod od báze k emitoru.Jn + Jp 1 + Jp / Jn where Jn is the electron current density resulting from electrons injected from the emitter into the base through the emitter-base transition, and Jp is the hole current density that results from the holes injected in the reverse direction through the same transition from base to emitter.

Hustota Jn elektronového proudu je dána vztahem:The electron current density Jn is given by:

qvqv

q.Dn.np pp _ . (ekl-1)q.Dn.np pp _. (e kl -1)

Ln (4) (5)Ln (5) (5)

Hustota Jp děrového proudu je dána vztahem:The density Jp of the hole current is given by:

q.Dp-Pn Jp = —Lp kde Ln označuje délku difuse elektronů v bázi typu P, Lp difusní délku děr v emitoru typu N, Dn difusní konstantu elektronů, Dp difusní konstantu děr, Np koncentraci minoritních elektro nů v bázi typu P v rovnovážném stavu, Pn koncentraci minoritních děr v' emitoru typu N v rovnovážném stavu, v napětí připojené na přechod emitor-báze, T teplotu a a náboj elektronu, přičemž Jí je Boltzmannova konstanta.q.Dp-Pn Jp = —Lp where Ln denotes the electron diffusion length in the P-type base, Lp the diffusion length of the holes in the N-type emitter, Dn the diffusion electron constant, Dp the diffusion constant of the holes, state, Pn the concentration of the minor holes in the N-type emitter at equilibrium, the voltage connected to the emitter-base transition, the T temperature and the charge of the electron, wherein J 1 is the Boltzmann constant.

Hodnota § poměru Jp ku Jn se pak dá napsat takto:The value of the ratio Jp to Jn can then be written as follows:

Jp Ln Dp Pn Jn Lp Dn npJp Ln Dp Pn Jp Lp Dn np

Kromě toho lze uvedený poměr napsat takto:In addition, the ratio can be written as follows:

Lp Dn NjjLp Dn Njj

Tím se tedy udaný poměr dá nahradit vztahem:Thus, the ratio can be replaced by:

(6) (7)(6)

Pn N.Pn N.

_ - _£ , np ve kterém označuje koncentraci příměsí oblasti báze, N^ koncentraci příměsí emitorové oblasti a W šířku nebo rozsah báze, která omezuje difusní délku elektronů Ln v oblasti báze.Where N denotes the base region dopant concentration, N denotes the emitter region dopant concentration, and W the base width or range that limits the diffusion length of the electrons Ln in the base region.

Konstanty Dn a Dp difuse nosičů jsou funkcemi pohyblivosti nosičů a teploty a mohou být v zásadě předpokládány konstantní.The carrier diffusion constants Dn and Dp are functions of carrier mobility and temperature and can in principle be assumed constant.

U zařízení podle obr. 1 je slabě dotovaný emitor £ vytvořen mezi přechodem 13 emitor-báze a mezi přechodem 14 L-H, takže hodnota Lp se stane velmi velkou. Za předpokladu, že Slabě dotovaný emitor £ mé například koncentraci příměsí 5,5 x 10”’^ cm-^ a že vytvořená epitaxiální vrstva má dobrý mřížkový stav, vyplyne pro Lp hodnota přibližně 50 až 100 /um.In the device of FIG. 1, a weakly doped emitter 6 is formed between the emitter base base 13 and the LH transition 14 so that the Lp value becomes very large. Assuming that the weakly doped emitter, for example, has an admixture concentration of 5.5 x 10 & lt ; -1 &gt; cm & lt ; -1 &gt;

U dosavadního tranzistoru by naproti tomu v důsledku rekombinace pod povrchem emitoru byla difusní délka minoritních nosičů emitoru buď stejná nebo menší než tloušťka W-g emitorové oblasti. Důležitý význak vynálezu záleží tedy v tom, že difusní délka minoritních nosičů emitoru je větší než šířka nebo odstup WE mezi přechodem emitor-báze a přechodem L-H ve slabě dotovaném emitoru.In the prior art transistor, on the other hand, due to recombination below the emitter surface, the diffusion length of the minor emitter carriers would be equal to or less than the thickness Wg of the emitter region. Thus, an important feature of the invention is that the diffusion length of minor emitter carriers is greater than the width or distance W E between the emitter-base transition and the LH transition in the weakly doped emitter.

Jako další důležitý znak vynálezu je třeba uvést, že přechod 1.4 L-H leží ve slabě dotovaném emitoru £. Tento přechod 14 L-H tvoří v emitoru £ tzv. zabudované pole, které působí v takovém směru, že děrovaný proud je od přechodu 13 emitor-báze odrážen k tomuto přechodu li·Another important feature of the invention is that the L-H transition 1.4 lies in a weakly doped emitter 8. This L-H transition 14 forms a so-called embedded field in the emitter £ which acts in such a way that the perforated current is reflected from this emitter-base transition 13 to this transition.

Je-li zabudované pole přechodu L-H dostatečně veliké, kompenzuje se difusní proud děr a stane se přibližně rovným driftovému proudu děr v důsledku pole ve slabě dotovaném emitoru £. Kompenzace takto vzniklá vyvolá snížení děrového proudu Jp, vstřikovaného od báze do slabě dotovaného emitoru £ přechodem 13 emitor-báze.If the embedded L-H transition field is large enough, the diffuse hole current is compensated and becomes approximately equal to the drift hole current due to the field in the weakly doped emitter. The compensation thus produced causes a reduction in the hole current β injected from the base into the weakly doped emitter £ through the emitter-base transition 13.

U vynálezu mění zabudované pole rovnici (5) takto:In the invention, the embedded field changes equation (5) as follows:

qvqv

Pn řaPn řa

J'p = q.Dp.—.(e -U.tgC-®)J'p = q.Dp .—. ( E -U.tgC-®)

Lp Lp ' (přitom platí podmínka Lpi>>WE).Lp Lp '(the condition Lpi >> W E applies).

(8) qv Pn,WE . kT » q.Dp.—τ-A (eK -1) i/p(8) q in Pn, W E. kT »q.Dp. — τ-A (e K -1) i / p

Jelikož potenciální rozdíl 0 zabudovaného pole je veliký a jelikož platí ~£ψ.»1> e (například = 10; 0 = 0,2 voltů) a dále jelikož důsledkem velké hodnoty Lp se hddnota Wg * velmi zmenší, dostane se jako výsledek, že J p se přiblíží k nule.Since the potential difference 0 of the built-in array is large and because ~ £ ψ. »1> e holds (for example = 10; 0 = 0.2 volts) and furthermore because of the large Lp value the hdd Wg * is greatly reduced, that J p approaches zero.

LP L P

Pokles Jp způsobí, že hodnota Y podle rovnice (3) je přibližně jednotková, zatímco hodnota a se podle rovnice (2) zvětší a hodnota hFE se podle rovnice (1) rovněž velmi zvětěí.The decrease Jp causes the value Y according to equation (3) to be approximately unitary, while the value a according to equation (2) increases and the value h FE also increases according to equation (1).

Velmi nízké šumové charakteristiky lze vysvětlit takto: mřížková vada nebo přesazení se silně sníží, jelikož přechod 13 emitor-béze je tvořen slabě dotovaným emitorem £ a rovněž slabě dotovanou bází £. Koncentrace příměsí slabě dotovaného emitoru £ by za respektování gumových charakteristik, životnosti τ a difusní délky Lp minoritních nosičů měla být omezena přibližně na hodnotu menší než 10,s cm“\The very low noise characteristics can be explained as follows: the lattice defect or offset is greatly reduced since the emitter-base transition 13 is formed by a weakly doped emitter a as well as a weakly doped base b. The admixture concentration of the weakly doped emitter by should be limited to approximately less than 10 , s cm “ , taking into account the rubber characteristics, durability τ and diffusion length Lp of the minor carriers.

Další Sinitel vyvolávající nízkou úroveň Sumu záleží v tom, že emitorový proud teče ve slabě dotovaném emitoru £ a v rovněž slabě dotované bázi £ v podstatě ve svislém směru.Another low sum inducing Sinitel is that the emitter current flows in the weakly doped emitter £ and also the weakly doped base £ in a substantially vertical direction.

Přechod L-H je, jek bylo uvedeno, vytvořen mezi slabě dotovanými a silně dotovanými oblastmi stejného typu vodivosti. Přechod L-H je v zásadě nepropustný nebo neproniknutelný pro minoritní nosiče, avšak nikoliv pro majoritní nosiče.The L-H transition is, as mentioned, formed between weakly doped and strongly doped regions of the same conductivity type. The L-H transition is substantially impermeable or impenetrable to minor carriers but not to major carriers.

Vysoký proudový zisk hpg emitoru, vztaženého na masu, je znázorněn v obr. 4. Rozdíl mezi křivkami 1£ a 16 vyplývá pouze z různého rovinného uspořádání. Obě křivky však ukazují velmi vysoký emitorový činitel proudového zisku při vztažení emitoru na masu. Křivka 17 v obr. 5 znázorňuje šumovou charakteristiku ve funkci kmitočtu pro polovodičové zařízení znázorněné v obr. 1. Křivka 18 v obr. 5 znázorňuje šumové vlastnosti pro dosavadní polovodičové zařízení s nejnlžšlmi známými hodnotami šumu. Křivky 19 a 20 v obr. 6 znázorňují stejné parametry jako v obr. 5, avšak při různé vstupní impedanci.The high current gain hpg of the emitter relative to the mass is shown in Fig. 4. The difference between the curves 16 and 16 results only from a different planar arrangement. However, both curves show a very high current gain gain factor when the emitter is referenced to the mass. The curve 17 in Fig. 5 shows the noise characteristic as a frequency function for the semiconductor device shown in Fig. 1. The curve 18 in Fig. 5 shows the noise characteristics for the prior art semiconductor device with the lowest known noise values. The curves 19 and 20 in Fig. 6 show the same parameters as in Fig. 5, but at different input impedance.

Obr. 7 znázorňuje diagram hodnoty šumu, přičemž křivka 21 se týká známého dobrého polovodičového zařízení ve srovnání se šumovou charakteristikou 22 u předmětu vynálezu, například u provedení podle obr. 1. Křivky 21 a 22 jsou vztaženy na Sumový činitel při 3 db. To, co leží uvnitř parabolické křivky, je pod 3 db. Je tedy zřejmé, že obr. 5, 6 a 7 a 4 ilustrují zcela znatelné zlepěení dosažitelné předmětem vynálezu oproti dosud známým polovodičovým zařízením.Giant. 7 shows a noise value diagram, wherein the curve 21 refers to a known good semiconductor device compared to the noise characteristic 22 of the present invention, for example the embodiment of FIG. 1. Curves 21 and 22 are referenced to the sum factor at 3 db. What lies within the parabolic curve is below 3 db. Thus, it will be appreciated that FIGS. 5, 6, and 7 and 4 illustrate the noticeable improvement achievable by the present invention over prior art semiconductor devices.

Obr. 3 znázorňuje druhé provedení ..vynálezu, u něhož je tranzistor NPN podle obr. 1 zabudován do integrovaného spínacího obvodu společně s jedním nebo několika dalšími polovodičovými prvky, například tranzistorem PNP obvyklé konstrukce. Tyto oba prvky tvoří doplňkovou dvojici tranzistorů. V substrátu 30 typu P je vytvořen tranzistor NPN 31 . způsobem vysvětleným v souvislosti s obr. 1. Zahrnuje to silně dotovaný kolektor £, slabě dotovaný kolektor £, slabě dotovanou bázi £, slabě dotovaný emitor £, silně dotovanou oblast £, kolektorovou připojovací oblast 6, kolektorovou kontaktní oblast 15. připojovací oblast £ báze, kontaktní oblast 8 báze, kolektorovou elektrodu £, elektrodu 10 báze a emitorovou elektrodu 11. V témž substrátu 30 je vytvořen obvyklý tranzistor PNP 32. který sestává z kolektoru 63 typu P, z báze 64 typu N-, z emitoru 38 typu P+, z kolektorové přípojky 37 typu P, z kolektorové kontaktní oblasti 48 typu P, z kontaktní oblasti 35 báze typu N+, z kolektorové elektrody 39. elektrody 40 báze a emitorové elektrody 41. Oba tranzistory 31 a 32 jsou elektricky navzájem izolovány přechody Pn. Izolační oblast 50 typu P je spojena se substrátem 30 a obklopuje oba tranzistory 31. popřípadě 32 typu NPN, popřípadě PNP. Tři oblasti 61. 62. 66 typu N obklopují tranzistor 32 PNP jako pohárkovitá izolační oblast.Giant. 3 shows a second embodiment of the invention in which the NPN of FIG. 1 is integrated into an integrated switching circuit together with one or more other semiconductor elements, such as a PNP of conventional design. These two elements form an additional pair of transistors. A NPN 31 transistor is formed in the P-type substrate 30. in the manner explained in connection with FIG. 1. This includes a heavily doped collector 6, a weakly doped collector 6, a weakly doped base 6, a weakly doped emitter 6, a heavily doped zone 6, a collector connection area 6, a collector contact area 15. , a base contact region 8, a collector electrode 6, a base electrode 10, and an emitter electrode 11. In the same substrate 30, a conventional PNP transistor 32 is formed which consists of a P-type collector 63, N - type base 64, P + emitter 38 a P-type collector connection 37, a P-type collector contact area 48, a N + -based contact area 35, a collector electrode 39, a base electrode 40, and an emitter electrode 41. Both transistors 31 and 32 are electrically insulated from each other by transitions Pn. The P-type insulating region 50 is coupled to the substrate 30 and surrounds both NPN and PNP transistors 31 and 32 respectively. Three N-type regions 61, 62, 66 surround the PNP transistor 32 as a cup-like insulating region.

V tomto integrovaném spínacím obvodu je současně vytvořen velký počet dvojic nebo trojic. Například vznikají oblasti 1 a ÚL typu N+ selektivní difusí do substrátu £0 typu P.A large number of pairs or triples are simultaneously formed in this integrated switching circuit. For example, regions 1 and II of the N + type are formed by selective diffusion into the P-type substrate P0.

Oblasti 2 a 62 typu N” se vytvoří epitaxiálním růstem. Oblast £ typu P“, která tvoří bázi tranzistoru 31 typu NPN, a oblast 63. která tvoři kolektor tranzistoru 32 t.ypu PNP, vytvoří se epitaxiálním růstem nebo selektivní difusí. Oblast £ typu N” (slabě dotovaný ernitor tranzistoru NPN) a oblast 64. totiž báze tranzistoru PNP, vytvoří se epitaxiálním růstem typu N”. Oblasti 6 a 66 typu N+ se vytvoří difusemi typu N. Oblast £ a .37 typu P se vytvoří difusí. Oblasti 8, 38 a 48 typu P+ se vytvoří difúzí typu P. Oblasti typu N+, totiž oblast 2 (ernitor tranzistoru NPN), oblast 15 (kontaktní kolektorová oblast tranzistoru typu NPN) a oblast 35 (kontaktní oblast báze tranzistoru PNP) se vytvoří difusí.N-type regions 2 and 62 are formed by epitaxial growth. The P-type region 6, which forms the base of the NPN-type transistor 31, and the region 63 which forms the collector of the PNP-type transistor 32, are formed by epitaxial growth or selective diffusion. The N-type region (weakly doped NPN transistor) and the PNP-base region 64, are formed by N-type epitaxial growth. N + -type regions 6 and 66 are formed by N - type diffusions. The P + regions 8, 38 and 48 are formed by P - type diffusion. The N + regions, namely region 2 (NPN transistor), region 15 (NPN contact collector contact area), and region 35 (PNP base contact region), creates diffusion.

Výraz v podstatě plochý, použitý pro charakterizování stavu koncentrace minoritních nosičů aktivní oblasti emitoru, má být chápán tak, že úhrnná hodnota minoritních nosičů, vstřikovaných z aktivní oblasti báze do aktivní oblasti emitoru, a minoritní nosiče emitoru, pohybující se v důsledku zabudovaného pole v obráceném směru má v aktivní oblasti emitoru poměrně plochý průběh. Tento stav je pro emitorovou oblast vyznačen křivkou s. v obr. 2, která probíhá v podstatě vodorovně.The term substantially flat, used to characterize the state of concentration of minor carriers of the active emitter region, is to be understood as having the total value of minor carriers injected from the active base region into the active emitter region, and minor emitter carriers moving due to the embedded field in the inverted direction in the active region of the emitter is relatively flat. This state is indicated for the emitter region by the curve s in FIG. 2, which runs substantially horizontally.

I když vynález v souvislosti s obr. 1 byl vysvětlen na tranzistoru NPN, je třeba upozornit, že obdobným způsobem lze také zhotovit tranzistor PNP se srovnatelnou konstrukci a srovnatelnými vlastnostmi. Vynálezu lze také použít pro výrobu polovodičového tyristoru typu NPNP.Although the invention has been explained with respect to FIG. 1 on an NPN transistor, it should be noted that a similar design and a comparable PNP transistor can also be made. The invention can also be used to manufacture a semiconductor thyristor of the NPNP type.

Úhrnně lze konstatovat, že vynálezem bylo vytvořeno mnohapřechodové polovodičové zařízení s velmi vysokým činitelem proudového zisku, které má nízkou koncentraci příměsí v emitorové oblasti, difusni délku vstříknutých minoritních nosičů, jež převySuje Šířku emitoru, nízkou povrchovou rekombinační rychlost a dobrou krystalovou mřížku. Popsaný výhodný tvar provedení vynálezu má oblast s vysokou koncentrací příměsí stejného typu jako ernitor, přičemž tato oblast překrývá alespoň část emitorové oblasti, a přitom vytváří přechod L-H, který odráží minoritní nosiče jako driftový proud nazpět k oblasti báze.In summary, the present invention provides a multi-pass semiconductor device with a very high current gain factor having a low concentration of impurities in the emitter region, diffuse length of injected minor carriers exceeding the emitter width, low surface recombination rate and good crystal lattice. The described preferred embodiment of the invention has a high concentration region of the same type as the ernitor, which region overlaps at least a portion of the emitter region, while forming an L-H transition that reflects minor carriers as a drift current back to the base region.

Celé uspořádání je provedeno tak, že driftový proud, který hraničí na přechod L-H, v podstatě eliminuje difusni proud minoritních nosičů, který je vstřikován z oblasti báze, a to z toho důvodu, že má obrácený směr.The whole arrangement is such that the drift current bordering the L-H transition substantially eliminates the diffuse stream of minor carriers that is injected from the base region because of its reverse direction.

Claims (6)

PŘEDMĚT VYNÁLEZUSUBJECT OF THE INVENTION 1. Polovodičové zařízení obsahující první polovodičovou oblast jednoho typu vodivosti, druhou polovodičovou oblast jiného typu vodivosti, která má společnou část s první oblastí za vytvoření prvního přechodu PN, dále třetí polovodičovou oblast prvního typu vodivosti, která má s druhou oblastí společnou část za vytvoření druhého přechodu PN, přičemž při činnosti zařízení přecházejí majoritní nosiče z první oblasti druhou oblastí do třetí oblasti, vyznačující se tím, že první oblast sestává z první a druhé části (4, 5) mající různé koncentrace příměsí a společné rozhraní za vytvoření přechodu (14) L-H, přičemž první část (4) první oblasti je přilehlá k prvnímu přechodu PN (13) a má koncentraci příměsí nižěí než je koncentrace příměsí druhé části (5) první oblasti, tloušťka první části (4) první oblasti je větší než tloušťka druhé části (5) první oblasti, tloušťka první části (4) první oblasti je menši než difusni délka minoritních nosičů v první oblasti a v první oblasti je zabudované pole.A semiconductor device comprising a first semiconductor area of one conductivity type, a second semiconductor area of another conductivity type having a common part with a first region forming a first PN junction, a third semiconductor area of a first conductivity type having a common part with a second region forming a second a PN junction, wherein in operation the majority carriers pass from the first region through the second region to the third region, characterized in that the first region consists of first and second portions (4, 5) having different admixture concentrations and a common interface to form a transition (14) LH, wherein the first portion (4) of the first region is adjacent to the first PN junction (13) and has an admixture concentration lower than that of the second portion (5) of the first region, the thickness of the first portion (4) of the first region being greater than the thickness of the second portion (5) first area thickness the first portion (4) of the first region is less than the diffusion length of the minor carriers in the first region, and a field is embedded in the first region. 2. Polovodičové zařízení podle bodu 1, vyznačující se tím, že tloušťka první části (4) první oblasti s přičtením tlouštky druhé části (5) první oblasti je menší než difusni délka minoritních nosičů v první oblasti.2. The semiconductor device of claim 1, wherein the thickness of the first portion (4) of the first region plus the thickness of the second portion (5) of the first region is less than the diffusion length of the minor carriers in the first region. 3. Polovodičové zařízení podle bodu 2, vyznačující se tím, že difusní délka minoritních nosičů v první oblasti je v rozmezí od 50 do 100 /um.3. The semiconductor device of claim 2, wherein the diffusion length of the minor carriers in the first region is in the range of 50 to 100 [mu] m. 4. Polovodičové zařízení podle bodu 1, vyznačující se tím, že první část (4) první oblasti je epitaxní vrstva a druhá část (5) první oblasti je difusní vrstva.4. The semiconductor device of claim 1, wherein the first portion (4) of the first region is an epitaxial layer and the second portion (5) of the first region is a diffusion layer. 5. Polovodičové zařízení podle bodu 1, vyznačující se tím, že koncentrace příměsí5. Semiconductor device according to claim 1, characterized in that the concentration of impurities 1R ϊ v první části (4) první oblasti je menší než 10 atomů/cm .The 1R ϊ in the first part (4) of the first region is less than 10 atoms / cm. 6. Polovodičové zařízení podle boču 1, vyznačující se tím, že první oblast tvoří emitorovou oblast a koncentrace příměsí v první části (4) první oblasti je menší než koncentrace příměsí v druhé části (5) první oblasti.6. The semiconductor device of claim 1, wherein the first region forms an emitter region and the dopant concentration in the first region portion (4) is less than the dopant concentration in the second region portion (5).
CS194074A 1974-03-18 1974-03-18 Semiconductor device CS212291B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CS194074A CS212291B2 (en) 1974-03-18 1974-03-18 Semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CS194074A CS212291B2 (en) 1974-03-18 1974-03-18 Semiconductor device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CS212291B2 true CS212291B2 (en) 1982-03-26

Family

ID=5355041

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CS194074A CS212291B2 (en) 1974-03-18 1974-03-18 Semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
CS (1) CS212291B2 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4038680A (en) Semiconductor integrated circuit device
US7358565B2 (en) Semiconductor device having improved insulated gate bipolar transistor and method for manufacturing the same
US4007474A (en) Transistor having an emitter with a low impurity concentration portion and a high impurity concentration portion
JPS589366A (en) transistor
JPH01205564A (en) Optical semiconductor device and its manufacture
US3460009A (en) Constant gain power transistor
NO140844B (en) SEMICONDUCTOR DEVICE.
US4032957A (en) Semiconductor device
CA1091362A (en) Power transistor
US4027324A (en) Bidirectional transistor
EP0086210B1 (en) Diode for monolithic integrated circuit
NO140843B (en) SEMICONDUCTOR DEVICE.
US3968511A (en) Semiconductor device with additional carrier injecting junction adjacent emitter region
JP3313398B2 (en) Bipolar integrated circuit
US4165516A (en) Semiconductor device and method of manufacturing same
CA1056068A (en) Semiconductor device
US20240006477A1 (en) SUPER-ß BIPOLAR JUNCTION TRANSISTOR AND MANUFACTURING METHOD THEREFOR
CS212291B2 (en) Semiconductor device
EP0837507B1 (en) A bipolar power transistor with buried base and interdigitated geometry
US3443174A (en) L-h junction lateral transistor
KR800001124B1 (en) Semiconductor device
KR100378179B1 (en) Method for fabricating the bipolar junction transistor having high current transport
JP2004335758A (en) Diode element and its manufacturing method
KR810001646B1 (en) Semiconductor device
SU626713A3 (en) Semiconductor device