CS212292B2

CS212292B2 - Semiconductor device

Info

Publication number: CS212292B2
Application number: CS194174A
Authority: CS
Inventors: Hajime Yagi; Tadaharu Tsuyuki
Original assignee: Sony Corp
Priority date: 1974-03-18
Filing date: 1974-03-18
Publication date: 1982-03-26

Description

Při výrobě dosavadních bipolárních tranzistorů bylo dosud obvyklé užít pro vytvoření přechodu emitor-báze techniky dvojí difúze. Z teoretického hlediska a také na základě pokusů se dotovací koncentrace pro emitor volí vyšší než pro bázi. Když se tento rozdíl zvětšuje, zvyšuje se také působení emitoru nebo jeho účinnost a blíží se jednotce. Vyšší dotování však zvětšuje vady mřížky a dislokace v polovodičovém substrátu. Následkem silné dotace klesá délka difúze nebo difúzní hloubka minoritních nosičů v dotované oblasti. Snížení dotace podobně jako u dosud známých provedení tranzistorů vede však k poklesu zisku.In the manufacture of prior art bipolar transistors, it has hitherto been customary to use double diffusion techniques to create an emitter-base transition. From the theoretical point of view and also from experiments, the doping concentration for the emitter is chosen higher than for the base. As the difference increases, the emitter's action or efficiency also increases and approaches the unit. However, higher doping increases lattice defects and dislocations in the semiconductor substrate. As a result of the strong subsidy, the diffusion length or diffusion depth of the minor carriers in the doped region decreases. However, a reduction in the subsidy, as in the prior art transistors, leads to a decrease in profit.

Vynález proto vychází z úlohy vytvořit polovodičové zařízení, které by mělo značně dokonalejší charakteristické vlastnosti a která především by mšlo velmi podstatně zvýšený činitel proudového zisku při silně zlepšených gumových charakteristikách. Přitom je především myšleno na polovodičové zařízení s mnoha přechody, které by při nepatrných odchylkách charakteristických vlastností v důsledku zmšnšné teploty mělo současně vysoké průrazné napětí. Konečně je účelem vynálezu dimenzovat nové polovodičové zařízení tak, aby je bylo možné vyrábět a užívat jako integrovaný spínací obvod společně s dosavadními tranzistory, včetně doplňkových tranzistorů.Accordingly, the present invention is based on the object of providing a semiconductor device having significantly improved characteristics and, in particular, having a very substantially increased current gain factor with strongly improved rubber characteristics. In particular, a semiconductor device with a plurality of transitions is provided which, with slight deviations in the characteristic properties due to the negative temperature, would simultaneously have a high breakdown voltage. Finally, it is an object of the invention to design a new semiconductor device so that it can be manufactured and used as an integrated switching circuit together with prior transistors, including additional transistors.

Daná úloha je u polovodičového zařízení podle vynálezu v podstatě řešena tak, že vzdálenost mezi prvním přechodem PN a druhým přechodem PN je menší než difúzní délka minoritních nosičů v první polovodičové oblasti.In the semiconductor device according to the invention, the problem is essentially solved such that the distance between the first PN junction and the second PN junction is less than the diffusion length of the minor carriers in the first semiconductor region.

Podle výhodného provedení vynálezu jsou druhá polovodičová oblast a čtvrtá polovodičová oblast elektricky spojeny a oba přechody PN probíhají na protilehlých stranách první polovodičové oblasti a jsou k sobě přilehlé.According to a preferred embodiment of the invention, the second semiconductor region and the fourth semiconductor region are electrically connected, and both PN jumps extend on opposite sides of the first semiconductor region and are adjacent to each other.

Podle dalšího provedení vynálezu je difúzní délka minoritních nosičů mezi 50 a 100/um a vzdálenost mezi oběma přechody PN je v rozmezí mezi 2 až 5 /um.According to another embodiment of the invention, the diffusion length of the minor carriers is between 50 and 100 µm and the distance between the two PN jumps is between 2 and 5 µm.

Tím se především dosáhne v podstatě rovnoměrné koncentrace minoritních nosičů napříč první polovodičové oblasti.In particular, this results in a substantially uniform concentration of minor carriers across the first semiconductor region.

Polovodičové zařízení s mnoha přechody podle vynálezu má dále nepatrnou koncentraci příměsí v emitorové oblasti a mé účinnou difúzní délku minoritních nosičů značně větší než je šířka emitorové oblasti. Toto polovodičové zařízení s několika přechody, jak se vyskytují například u bipolárního tranzistoru nebo tyristoru, je kombinováno se zabudovanou bariérou, která vytváří minoritní nosiče vstřikované do emitorové oblasti, které v podstatě vyrovnávají minoritní nosiče vstřikované do emitorové oblasti z oblasti báze, a tak udržují v podstatě plochý profil vstřikovaných minoritních nosičů. Koncentrace příměsí kolektorové oblasti se zvolí nízká, aby se zaručilo vysoké průrazné napětí.Furthermore, the multi-transition semiconductor device of the invention has a low concentration of impurities in the emitter region and my effective diffusion length of the minor carriers considerably greater than the width of the emitter region. This multi-junction semiconductor device, such as a bipolar transistor or thyristor, is combined with a built-in barrier that creates minor carriers injected into the emitter region that substantially align minor carriers injected into the emitter region from the base region, thus maintaining the substantially flat profile of the injected minor carriers. The concentration of impurities of the collector area is selected low to guarantee a high breakdown voltage.

Pro dosavadní tranzistory se předpokládá, že difúzní délka minoritních nosičů je velikostního řádu 1 až 2 /Jm. Pro polovodičové zařízení s mnoha přechody podle vynálezu je naproti tomu difúzní délka minoritních nosičů 50 až 100/um. Stupeň zesílení dosavadního tranzistoru je obvykle přibližně 500, kdežto u polovodičového zařízení podle vynálezu lze dosáhnout hodnot 3 000 nebo vyšší.For the prior art transistors, it is assumed that the diffusion length of the minor carriers is of the order of 1 to 2 µm. On the other hand, for the multi-transition semiconductor device according to the invention, the diffusion length of the minor carriers is 50 to 100 µm. The degree of amplification of the prior art transistor is usually about 500, while values of 3000 or higher can be achieved with the semiconductor device of the invention.

Lze tedy konstatovat toto: vynález vytvořuje polovodičové zařízení s mnoha přechody, které má vysokou hodnotu hp_E stupně proudového zesílení při nepatrné hodnotě ěumu. Toto polovodičové zařízení má nepatrnou koncentraci příměsí v emitorové oblasti a takovou difúzní délku minoritnich··nosičů, která je značně větší než šířka emitoru a při které se nastaví pouze rekombinační rychlost.Accordingly, the invention provides a multi-junction semiconductor device having a high hp _E degree of current gain at a low noise level. This semiconductor device has a low concentration of impurities in the emitter region and a diffusion length of minor carriers which is considerably greater than the emitter width and at which only the recombination rate is set.

Vynález bude popsán na několika provedeních v souvislosti s výkresy. Obr. 1 znázorňuje částečný řez tranzistorem NPN podle vynálezu. Obr. 2 je příklad profilu příměsí pro polovodičové zařízení podle obr. 1, jakož i nárys koncentrace minoritních nosičů v emitorové oblasti. Obr. 3 je částečný řez integrovaným obvodem v podobě čipu a tranzistorem NPN podle vynálezu a přídavným tranzistorem PNP obvyklé konstrukce, jež oba společně tvoří doplňkovou dvojici tranzistorů v integrovaném čipovém obvodu. Obr, 4, 5, a 6 jsou v částečném řezu podobné pohledy jako v obr. 1 pro jiná provedení vynálezu. Obr. 7 znázorňuje graficky ve funkci kolektorového proudu zesílení hp_E emitorového proudu pro emitor vztažený na masu.The invention will be described in several embodiments with reference to the drawings. Giant. 1 is a partial cross-sectional view of the NPN transistor of the present invention. Giant. 2 is an example of the dopant profile for the semiconductor device of FIG. 1, as well as a front view of the concentration of minor carriers in the emitter region. Giant. 3 is a partial cross-sectional view of an integrated circuit in the form of a chip and an NPN transistor according to the invention and an additional PNP transistor of conventional construction, which together form an additional pair of transistors in the integrated chip circuit. Figures 4, 5, and 6 are partial cross-sectional views similar to those of Figure 1 for other embodiments of the invention. Giant. 7 illustrates graphically in the function of the collector current the amplification hp _{E of the} emitter current for a mass-emitter.

Obr. 8 znázorňuje činitel Sumu jako funkci kmitočtu při vstupní impedanci 1 000 ohmů.Giant. 8 shows the sum factor as a function of frequency at an input impedance of 1000 ohms.

Obr. 9 znázorňuje činitele Sumu jako funkci .kmitočtu při vstupní impedanci 30 ohmů. Obr. 10 znázorňuje hodnotu ěumu pro ozřejmění činitele šumu ve funkcí kolektorového proudu. Obr. 1! znázorňuje graficky průběh činitele Ahj.^ v závislosti na teplotš.Giant. 9 shows the sum factors as a function of frequency at an input impedance of 30 ohms. Giant. 10 shows the noise value to illustrate the noise factor in the collector current function. Giant. 1! shows graphically the course of the coefficient jH1 as a function of temperature.

Jako výhodné provedení vynálezu je v obr. 1 znázorněn tranzistor NIN. Substrát i, zejména křemíkový substrát, je silně dotován příměsemi typu N, v případě křemíkového substrátu je tento substrát silně dotován antimonem.Koncentrace dotace je s výhodou 4χ!θ’® ce3 To dává specifický odpor přibližně 0,01 ohm.cm. Bylo zjištěno, že tato hodnota při uvedeném dotování může kolísat mezi 0,008 a 0,012 ohm.cm. Tloušťka substrátu 1 je s výhodou přibližně 250 /um.As a preferred embodiment of the invention, FIG. 1 shows a NIN transistor. The substrate i, in particular the silicon substrate, is strongly doped with N-type impurities, in the case of the silicon substrate this substrate is strongly doped with antimony. It has been found that this value may vary between 0.008 and 0.012 ohm.cm in said doping. The thickness of the substrate 1 is preferably about 250 µm.

Epitaxiální vrstva 2 z křemíku typu N” se na substrátu J. vytvoří za účelem použití jako kolektor společně se substrátem typu N⁺. Epitaxiální vrstva 3 3^e poměrně slabě dotována anti monem, avšak přece do té míry, aby se dosáhlo dotovecí koncentrace 7x1 θ’⁴ cm“⁸. Specifický odpor je přitom 8 až 10 ohm.cm. Epitaxiální vrstva má s výhodou tloušťku 20/um.An N-type silicon epitaxial layer 2 is formed on substrate J for use as a collector together with an N ⁺ type substrate. Epitaxial layer ³ and 3 is relatively weakly doped anti- money but still to an extent to achieve a concentration dotovecí 7x1 θ ^'4 cm ^"8. The specific resistance is 8 to 10 ohm.cm. The epitaxial layer preferably has a thickness of 20 µm.

Potom se na vrstvě 2 typu N” vytvoří jako aktivní báze pro tranzistor epitaxiální vrstva 3, tj. druhá polovodičová oblast, z křemíku typu P“. Jako příměsi, popřípadě donoru lze ušít boru v tak dostatečném množství, že se dostane dotovací koncentrace Ixio'^ cm“⁸. Specifický odpor přitom je 1,5 ohm.cm. Tloušťka vrstvy 3 je přibližně 5 <um.The epitaxial layer 3, i.e. the second semiconductor region, is then formed of P-type silicon on the N-type layer 2 as the active base for the transistor. As a dopant or donor can sew boron in sufficient quantities so that it gets the dopant concentration Ixio '^ cm ^"8. The specific resistance is 1.5 ohm.cm. The thickness of the layer 3 is approximately 5 µm.

Potom se na vrstvě 3 typu ^p~ vytvoří jako emitor křemíková epitaxní vrstva z křemíku typu N. Tato vrstva 4 je slabě dotována antimonem, přičémž koncentrace dotování je přibližně 5,5x10^ cm”⁸. Specifický odpor je asi 1 ohm.cm. Tloušťka této vrstvy £ je přibližně 2 až 5 /um· Na vrstvě £ typu N“ se pak jako kontaktní emitorová oblast nanese difuzní vrstva typu N. Tato vrstva 3 j® dotována fosforem, přičemž plošná koncentrace příměsí jeThereafter, the layer 3 a ^p-emitter formed as an epitaxial silicon layer of a silicon type N. This layer 4 is weakly doped with antimony, the doping concentration is about 5,5x10 cm ^ ^"8. The specific resistance is about 1 ohm.cm. The thickness of this layer 6 is approximately 2 to 5 µm. A N-type diffusion layer is then applied to the N-type layer 4 as a contact emitter region. This layer is doped with phosphorus, the surface concentration of the impurities being

ΟΛΟΛ

5x10 cm a hloubka vrstvy Je asi 1,0 /um·5x10 cm and layer depth Is about 1.0 / µm ·

Pak se jako obal pro kolektorovou oblast vytvoří silně dotovaná difúzní oblast g, která proniká vrstvou 3 báze typu P” až do kolektorové vrstvy 2 typu N“. Jako příměsi se užije —3 fosforu a dotování má plošnou koncentraci přibližně 3x10 cm . Difundovaná oblast 2 typu P proniká emitorovou vrstvou 4, typu N” do vrstvy 3 báze typu P“, které obklopuje a ohraničuje —3 emitor £. Jako příměsi je užito boru, přičemž se dostane plošná koncentrace 7x10 ' cm . Difundované oblast § typu P se v oblasti 2 vytvoří jako kontaktní oblast báze, přičemž difundovaná oblast g je silně dotována borem a má plošnou koncentraci přibližně 5x10*® cm”⁸. Hloubka vniknutí oblasti g je přibližně 1,8 /um.Then, a heavily doped diffusion region g is formed as a wrapper for the collector region, which penetrates the P-type base layer 3 up to the N-type collector layer 2. Phosphorus is used as an additive and the doping has an area concentration of approximately 3 x 10 cm. The diffused P-type region 2 penetrates the N-type emitter layer 4 into the P-type base layer 3, which surrounds and delimits the em3 emitter. Boron is used as an admixture to give a surface concentration of 7x10 " cm. Diffusing the P type region § zone 2 formed as the base contact region, said diffused region g is heavily doped with boron and has a surface concentration of approximately 5x10 cm ® ^"8. The penetration depth of the region g is approximately 1.8 µm.

Horní plochu zařízení obklopuje pasivující vrstva 6 z kysličníku křemičitého.The top surface of the device is surrounded by a passivating silica layer 6.

Na substrátu 1 typu N⁺ je vytvořena kolektorová elektroda g sestávající z hliníku.A collector electrode g consisting of aluminum is formed on the substrate 1 of the N ⁺ type.

Na kontaktní oblasti g báze je umístěna elektroda 10 báze z hliníku. Na emitorové oblasti g je vytvořena emitorová elektroda 11 z hliníku. Do emitoru 4. typu N“ je vdifundována oblast 200 typu P, tj. čtvrtá polovodičová vrstva, aby se vytvořil přechod PN mezi touto oblastí a emitorem 4. Oblast 200 ,je dotována borem a vytvoří se současně při vytvářeni kontaktní oblasti báze. Koncentrace dotace je 5x10 cm ^J a hloubka vrstvy 200 je asi 1 ,8/um.An aluminum base electrode 10 is provided on the base contact area g. An aluminum emitter electrode 11 is formed on the emitter region g. A type P region 200, i.e., a fourth semiconductor layer, is diffused into the N-type emitter 4 to form a PN junction between this region and the emitter 4. The region 200 is boron-doped and formed simultaneously to form the base contact region. The concentration of the subsidy is 5x10 cm ^J and the layer depth 200 is about 1.8 µm.

Z hořejšího vyplývá, že vrstva 2 typu N” a vrstva 3 typu P“ tvoří přechod 12 kolektor-báze. Vrstva 3 typu P~ a vrstva 1 typu N“ tvoří první přechod 13 emitor-báze a vrstva í typu N“ a přídavná oblast 200 typu P tvoří, jak již uvedeno, přídavný druhý přechod 14 typu PN. Odstup mezi prvním přechodem 13 emitor-báze a přídavným druhým přechodem 14 typu PN je s výhodou 2 až 5/um.It follows from the above that the N-type layer 2 and the P-type layer 3 form a collector-base transition 12. The P-type layer 3 and the N-type layer 1 form the first emitter-base transition 13 and the N-type layer 1 and the additional P-type area 200 form, as mentioned, an additional second PN-type transition 14. The distance between the first emitter-base transition 13 and the additional second PN-type transition 14 is preferably 2 to 5 µm.

2,22922.2292

Obr. 3 znázorňuje druhé provedení vynálezu, u něhož tranzistor NPN podle obr. 1 je upraven v integrovaném obvodu s jinými polovodičovými prvky, například s tranzistorem PNP. Znázorněný integrovaný obvod má dva různé typy tranzistorů, například jako doplňkové tranzistory tranzistor 21 typu NPN a tranzistor 22 typu PNP. Tyto oba tranzistory se vytvoří v křemíkovém substrátu 20 typu P. Jak již bylo vysvětleno v souvislosti s obr. 1, má tranzistor 21 typu NPN silně dotovanou kolektorovou oblast £, málo dotovanou kolektorovou oblast 2, slabě dotovanou oblast £ báze, slabě dotovaný emitor £, silně dotovanou emitorovou' kontaktní oblast £, kolektorovou připojovací oblast 6., kolektorovou kontaktní oblast 15 připojovací oblast £ báze, kontaktní oblast 8 báze, přídavnou oblast 200. kolektorovou elektrodu £, elektrodu 10 báze a emitorovou elektrodu 11Giant. 3 shows a second embodiment of the invention in which the NPN of FIG. 1 is provided in an integrated circuit with other semiconductor elements, for example a PNP. The illustrated integrated circuit has two different types of transistors, such as NPN transistor 21 and PNP transistor 22 as complementary transistors. Both transistors are formed in a silicon substrate 20 of type P. As already explained in connection with FIG. a strongly doped emitter contact area 6, a collector connection area 6, a collector contact area 15 a base connection area 6, a base contact area 8, an additional area 200, a collector electrode 6, a base electrode 10, and an emitter electrode 11

Tranzistor 22 typu PNP má kolektor 33 typu P”, bázi 34 typu N“, emitor 38 typu P, kolektorovou přípojku 37 typu P, kolektorovou oblast 48 typu P⁺, kontaktní oblast 35 báze typu N⁺, kolektorovou elektrodu 39. elektrodu 40 báze a emitorovou elektrodu 41.The transistor 22 of the PNP type having its collector 33, the P "n-type base 34 ', the emitter 38 of P type collector connections 37 of the P type collector region 48 of the P ⁺ base contact region 35 of N ⁺ type, the drain electrode 39. The electrode 40 bases and an emitter electrode 41.

Tranzistory 21 a 22 jsou navzájem elektricky izolovány přechody PN. Izolační oblast 50 typu P je spojena se substrátem 20 typu P a obklopuje tranzistor 21 typu NPN, popřípadě tranzistor 22 typu PNP.Transistors 21 and 22 are electrically isolated from each other by PN junction. The P-type insulation region 50 is coupled to the P-type substrate 20 and surrounds the NPN-type transistor 21 and the PNP-type transistor 22, respectively.

Tři oblasti 31 . 32 a 36 typu N tvoří pohárkovitou izolační oblast, která obklopuje pouze tranzistor 22 typu PNP. V tomto integrovaném obvodu se současně vytvoří velký počet dvojic nebo trojic, například se vytvoří oblasti 1 a £ typu N⁺ selektivní difúzí do substrá tu 20 typu P. Oblasti 2. a 32 typu N“ se vytvoří epitaxiálním růstem. Oblast £ typu P“ tranzistoru 21 typu NPN a oblast 33 typu P“ tranzistoru 22 typu PNP se vytvoří buS epitaxiálním růstem nebo selektivní difúzí. Oblast £ typu N“ tranzistoru 21 typu NPN a oblast 34 typu N“ tranzistoru 22 typu PNP se vytvoří epitaxiálním růstem. Oblasti 6 a 36 typu N⁺ se vytvoří difúzí. Oblasti £ a 37 typu P se vytvoří difúzí typu P. Oblast 8 typu P⁺ tranzistoru 21 typu NPN, přídavná oblast 200 tranzistoru 21 a oblast 38 typu P⁺ tranzistoru 22 typu PNP se vytvoří difúzí typu P. Oblasti £, i£ a ££ typu N⁺ se vytvoří difúzí.Three areas 31. 32 and 36 of the N-type form a cup-like insulating region that surrounds only the PNP-type transistor 22. At the same time, a large number of pairs or triplets are formed in this integrated circuit, for example, N ⁺ type regions 1 and 6 are formed by selective diffusion into the P-type substrate 20. N type regions 2 and 32 are formed by epitaxial growth. The NPN-type P ' type P ' region and the PNP-type P ' P ' region 33 are formed by either epitaxial growth or selective diffusion. The N-type region of the NPN-type transistor 21 and the N-type region of the PNP-transistor 22 are formed by epitaxial growth. N ⁺ regions 6 and 36 are formed by diffusion. P-type regions 8 and 37 are formed by P ^- type diffusion. NPN ^- type P ⁺ region 8, transistor-21 additional region 200, and PNP ^- type P ⁺ transistor 22 are formed by P ^- type diffusion. N ⁺ type is formed by diffusion.

Obr. 4 znázorňuje třetí provedení vynálezu, u něhož je přídavná oblast 201 spojena s přípojnou oblastí £ báze a s bází £. Elektroda 10 báze nemůže být umístěna pouze na přípojné oblasti £ báze, nýbrž kromě toho na přídavná oblasti 201. Efektivní odpor báze se sníží, jelikož díry jsou k bázi £ dopravovány jak přes emitor £, tak i přes přípojnou oblast £ báze.Giant. 4 shows a third embodiment of the invention in which the additional region 201 is connected to the base connection region 6 and the base 8. The base electrode 10 can not be positioned only on the base connection area 6, but also on the additional area 201. The effective resistance of the base is reduced as the holes are conveyed to the base 5 both through the emitter and through the base connection area.

Obr. 5 znázorňuje čtvrté provedení vynálezu, u něhož je na povrchu slabě dotovaného emitoru £ nanesen útvar MIS (metal-insulator-semiconductor, tj. kov-izolátor-polovodič). Hradlové elektroda il z hliníku a vrstva 41 z kysličníku křemičitého tvoří společně s emitorem £ útvar MIS. Připojením určitého napětí na hradlovou elektrodu 42 vznikne pod izolující vrstvou 41 bariéra 202. Z toho vznikne hradící vrstva, ochuzená vrstva nebo obohacená vrstva.Giant. 5 illustrates a fourth embodiment of the invention in which a metal-insulator-semiconductor (MIS) is deposited on the surface of a weakly doped emitter. The aluminum gate electrode 11 and the silica layer 41 together with the emitter 8 form a MIS formation. By applying a certain voltage to the gate electrode 42, a barrier 202 is formed beneath the insulating layer 41. This results in a barrier layer, a depleted layer or an enriched layer.

Obr. 6 znázorňuje páté provedení vynálezu, u něhož se na povrchu slabě dotovaného emitoru £ vytvoří Sehottkyho bariérová vrstva ^03. K vytvoření Schottkyho bariérové vrstvy se na emitor £. typu N~ uloží vhodný kov 51 . například platina.Giant. 6 shows a fifth embodiment of the invention in which a Sehottky barrier layer 40 is formed on the surface of a weakly doped emitter. To form the Schottky barrier layer, emitter 6 is formed. Type N ~ stores suitable metal 51. for example platinum.

Obr. 2 znázorňuje profil příměsí a koncentraci minoritních nosičů emitoru zařízeni podle obr. 1. Horní část vyobrazení ukazuje křemíkový substrát £ dotovaný N⁺, kolektor 2 typu N~, bázi £ typu P~, emitor £ a oblast 200 typu P. Koncentrace příměsí^z každé z těchto oblastí je nanesena ve středním úseku vyobrazení, zatímco v dolní části je znázorněna koncentrace vstřiknutých minoritních nosičů v emitoru, což jsou kombinované v střiknuté minoritní nosiče z oblasti £ báze, z oblasti přechodu FN, který odděluje oblast 200 typu PN od emitoru £. šikmé Sára 101 naznačuje složku minoritních nosičů vstřikovanou z prvního přechodu 13 emitor-báze, zatímco Šikmá čára 102 znázorňuje složku způsobenou proudem vstřikovaných minoritních nosičů z přídavného druhého přechodu ££. Jelikož vstřikované minoritní '5 nosiče proudí v opačných směrech, projeví se výsledek jako v podstatě plochá nebo rovinná čára 103. Tento charakteristický znak je především příčinou toho, že v zařízení je velmi nízké úroveň šumu při velmi vysokém zesílení h_FE· Aby to bylo podrobněji vysvětleno, je třeba poznamenat, že minoritní nosiče (díry), které jsou vstřikovány prvním přechodem 13 emitor-báze, dostávají se k přídavnému druhému přechodu 14. aby vstoupily do přídavné oblasti 200. Kromě toho vstřikuje také oblast 200 typu P díry do emltoru £ typu N“ a tyto díry procházejí emitorem a přicházejí k prvnímu přechodu 13 emitor-báze, jelikož šířka emitoru, tj. W_E, je menši než difúzní délka v emitoru £ typu N“. Je-li vstřikování děr z olbasti typu P dosti veliké, kompenzuje proud děr od přídavného druhého přechodu ££ k prvnímu přechodu 13 děrový proud od prvního přechodu 13 k přídavnému druhému přechodu 14. Tato kompenzace vede v podstatě k plochému rozložení děr v emitoru typu N“ a snižuje proud děr od báze J k emitoru £.Giant. 2 shows the dopant profile and the concentration of minor emitter carriers of the apparatus of FIG. 1. The upper part of the figure shows a N ⁺ doped silicon substrate, a N ^- type collector 2, a P-type base, an emitter and a P-type region 200. each of these areas is deposited in the middle portion of the illustration, while at the bottom is the concentration of the injected minor carriers in the emitter combined in the injected minor carriers from the base region from the transition region FN that separates the PN type 200 from the emitter. . the slanted Sara 101 indicates the minor carrier component injected from the first emitter-base transition 13, while the slanted line 102 shows the component caused by the stream of injected minor carriers from the additional second transition ε. As the injected minor carriers 5 flow in opposite directions, the result will appear as a substantially flat or planar line 103. This characteristic is primarily the reason that the device has a very low noise level at a very high amplification h _FE · To be more detailed explained, it should be noted that the minor carriers (holes) that are injected by the first emitter-base transition 13 reach the additional second transition 14 to enter the additional region 200. In addition, the hole type 200 also injects the hole type P into the emitter. and the holes pass through the emitter and arrive at the first emitter-base transition 13 since the width of the emitter, i.e. W _E , is less than the diffuse length in the N-type emitter. If the injection of holes from P-type is quite large, the flow of holes from the additional second transition 60 to the first transition 13 compensates for the hole current from the first transition 13 to the additional second transition 14. This compensation essentially results in a flat distribution of holes in the N-emitter. "And reduces the flow of holes from base J to emitter £.

Uspořádáni vysvětlené v souvislosti s obr. 1 dává při nepatrném šumu vysokou hodnotu koeficientu hpg· Pro vysvětlení tohoto získaného výsledku budiž především poznamenáno, že zesílením emltorového proudu (h_FE) pro emitor vztažený na masu je jedním z nejdůležitějších parametrů tranzistoru. Tato veličina je obecně dána vztahem ^hFE aThe arrangement explained in connection with FIG. 1 becomes at low noise high coefficient HPG · For the explanation of the result obtained so be especially noted that stream emltorového gain (h _{FE) of} the emitter relative to the mass is one of the most important parameters of the transistor. This quantity is generally given by the relation ^h FE a

-a (1) kde a je proudový zisk pro bázi spojenou s masou. Proudový zisk a je dán vztahem « = a^x . p .γ (2) kde a^x je násobiči poměr kolektoru, β je přenášecí činitel báze a γ účinnost emitoru.-a (1) where a is the current gain for the base associated with the mass. The current gain a is given by the expression «= a ^x . p .γ (2) where a ^x is the collector multiplier ratio, β is the base transfer factor and γ the emitter efficiency.

Například pro tranzistor typu NPN je účinnost emitoru dána vztahem ₍ Jn 1For example, for an NPN transistor, the emitter efficiency is given by ₍ Jn 1

V = - = - (3)V = - = - (2)

Jn + Jp 1 + Jp/Jn kde Jn označuje hustotu elektronového proudu daného elektrony vstřikovanými od emitoru k bázi přes přechod emitor-báze a Jp je hustota proudu oněch děr, které jsou přes stejný přechod vstřikovány v opačném směru od báze k emitoru.Jn + Jp 1 + Jp / Jn where Jn denotes the electron current density given by the electrons injected from the emitter to the base through the emitter-base transition and Jp is the current density of those holes that are injected in the opposite direction from base to emitter through the same transition.

Snížení hodnoty Jp vede k tomu, že hodnota pro γ podle rovnice (3) je přibližně jednotka, hodnota pro a podle rovnice (2) je velmi vysoká a hodnota pro h_FE podle rovnice (1) se rovněž velice zvětší.Decreasing the value of Jp results in the value for γ according to equation (3) being approximately unit, the value for α according to equation (2) is very high and the value for h _FE according to equation (1) is also greatly increased.

Nízké hodnoty činitele šumu se dají vysvětlit takto:Low noise factor values can be explained as follows:

Mřížková vada nebo dislokace se silně sníží, jelikož přechod 13 emitor-báze je vytvořen slabě dotovaným emitorem £ a rovněž slabě dotovanou bází J. Koncentrace příměsí nízko dotovaného emitoru £ měla by s ohledem na Činitel šumu, na životnost rp a na difúzní délku Lp minoritních nosičů být omezena na hodnotu, která je poněkud menší než 1θ'⁸ cm^-3.The lattice defect or dislocation is greatly reduced as the emitter-base transition 13 is formed by a weakly-doped emitter a and also by a weakly-doped base Kon. carriers to be limited to a value that is somewhat less than 1θ ' ⁸ cm ^-3 .

Vysoké zesílení emltorového proudu (h_FE) při emitoru vztaženém na masu pro zařízení podle obr. 1 je v obr. 7 znázorněno dvěma křivkami 104 a 105. Obě křivky reprodukují pokusné hodnoty, které byly získány na dvou různých tranzistorech. Rozdíly v obou křivkách vyplývají pouze z různé rovinné konfigurace emitoru. Obě křivky však jeví velmi vysoké zesílení emltorového proudu. ,The high emitter current gain (h _FE ) at the mass-emitter for the device of Fig. 1 is shown in Fig. 7 by two curves 104 and 105. Both curves reproduce the experimental values obtained on two different transistors. The differences in both curves result only from different planar emitter configurations. However, both curves show a very high emitter current gain. ,

Obr. 8 znázorňuje Sumovou charakteristiku ve funkci kmitočtu pro zařízení podle obr. 1, když vstupní impedance je 1 000 ohmů, kolektorový proud je 1 mA a předpětí kolektoru a emitoru je 6 voltů. Hodnota činitele Sumu je naznačena čarou 106. Naproti tomu znázorňuje křivka 107 činitel šumu pro typický dosavadní tranzistor s mimořádně nízkými hodnotami ěumu.Giant. 8 depicts the Sum characteristic in frequency function for the device of FIG. 1 when the input impedance is 1000 ohms, the collector current is 1 mA, and the collector and emitter bias is 6 volts. The value of the sum factor is indicated by line 106. In contrast, curve 107 shows the noise factor for a typical prior art transistor with extremely low noise values.

Obr. 9 je podobné znázornění jako obr. 8, přičemž křivka 108 znázorňuje chovéní zařízení podle obr. 1 a křivka 109 činitel Sumu pro znémé polovodičové zařízení. Křivky na obr. 9 jsou vztaženy na vstupní impedanci 30 ohmů, přičemž vSak kolektorový proud a napětí mezi kolektorem a emitorem jsou stejné jako v případě znázorněném v obr. 8.Giant. 9 is a view similar to FIG. 8, with curve 108 showing the behavior of the device of FIG. 1 and a curve of the Sum Factor for a known semiconductor device. The curves in FIG. 9 are related to an input impedance of 30 ohms, but the collector current and voltage between the collector and the emitter are the same as the one shown in FIG. 8.

Obr. 10 znázorňuje šumový diagram pro typický známý tranzistor a pro zařízení podle obr. 1, přičemž křivka 110 reprodukuje poměry u typického známého polovodičového zařízení a křivka 111 poměry u zařízení podle obr. 1. Obě znázornění se vztahuji na ěumovou hodnotu 3 dB.Giant. 10 shows a noise diagram for a typical known transistor and for the device of FIG. 1, wherein the curve 110 reproduces the ratios of a typical known semiconductor device and the curve 111 of the ratios of the device of FIG. 1. Both represent a 3 dB noise value.

Obr. ,1 konečně znázorňuje hodnoty závislosti Λ h_FE na teplotě.Giant. 1 finally shows the values of _FE h _FE on temperature.

Toto znázorněni je jasné bez dalšího vysvětlování, poukáže-li se na to, že čára 112 se týká známého zařízení a Čára 113 polovodičového zařízení podle obr. 1.This representation is clear without further explanation when it is pointed out that line 112 refers to the known device and the line 113 of the semiconductor device of FIG. 1.

Při pozorování a srovnání obr. 7, 8, 9, 10 a 11 je odborníku ihned jasné, že vynálezem bylo docíleno zcela podstatného zdokonalení oproti známému stavu techniky.By observing and comparing FIGS. 7, 8, 9, 10 and 11, it will be readily apparent to those skilled in the art that the invention has achieved a substantial improvement over the prior art.

Výrazu v podstatě plochý, kterého bylo použito pro popsání poměrů koncentrace mino řitních nosičů na aktivní oblasti emitoru, je třeba rozumět tak, že kombinovaná hodnota minoritních nosičů vstřikovaných z aktivní oblasti báze do aktivní emitorové oblasti a minoritních nosičů pohybujících se v emitoru v důsledku zabudovaného pole v opačném směru, je v aktivní oblasti emitoru poměrně ve stejné úrovni. To je pro emitorovou část v obr. 2 reprodukováno čarou 103. která probíhá v podstatě vodorovně.The term substantially flat, used to describe the concentration ratios of the minor carriers on the active region of the emitter, is understood to mean that the combined value of minor carriers injected from the active base region into the active emitter region and minor carriers moving within the emitter due to the embedded field in the opposite direction, it is relatively at the same level in the emitter's active region. This is reproduced for the emitter part in FIG. 2 by a line 103 which extends substantially horizontally.

U předmětu vynálezu se dosáhne nízké povrchové rekombinační rychlosti nejen v důsledku shora uvedené bariéry, nýbrž také v důsledku pole zabudovaného v emitoru. Vysvětlení tohoto jevu je toto: hustota Jn elektronového proudu je dána vztahem qv q . Dn . np 3 Jn = -'- . (e^ki - 1)The present invention achieves a low surface recombination rate not only due to the above-mentioned barrier, but also due to the field built into the emitter. The explanation of this phenomenon is this: the density Jn of the electron current is given by the relation qv q. Dn. np 3 Jn = -'-. (e ^ki - 2)

Ln (4)Ln (4)

Hustota proudu děr naproti tomu je dána vztahem q . Dp . Pn Jp = Lp <e qv kTOn the other hand, the current density of holes is given by q. Dp. Pn Jp = Lp <e q in kT

1) (5) kde Ln je difúzní délka élektronů v bázi typu P, Lp je difúzní délka děr v emitoru typu N“, Dn je konstanta difúze elektronů, Dp je difúzní konstanta děr, Np je koncentrace minoritních elektronů v bázi typu P v rovnovážném stavu, Pn je koncentrace minoritních děr v emitoru typu P v rovnovážném stavu, £ je napětí připojené na přechod emitor-báze, T je teplota, q je náboj elektronů a & je Boltzmannova konstanta.1) (5) where Ln is the diffusion length of the electrons in the P-type base, Lp is the diffusion length of the holes in the N “emitter, Dn is the electron diffusion constant, Dp is the diffusion constant of the holes state, Pn is the concentration of the minor holes in the P-type emitter at equilibrium, δ is the voltage connected to the emitter-base transition, T is the temperature, q is the electron charge, and & is the Boltzmann constant.

Hodnota 8 poměru Jp Value 8 of Jp ratio a Jn and Jn Je Yippee dána dána vztahem: relationship: Jp Jp Ln Ln Dp Dp Pn Pn 8-= 8- = — _ - _ r r Jn Jn Lp Lp Dn Dn np np z toho dále vyplývá this follows further W W Dp Dp ⁿa ⁿ a S = S = « « — - • “““ • ““ “ Lp Lp Dn Dn ⁿd ⁿ d

(7)(7)

Jestliže se do obou poměrů dosadí, vyplýváIf they fit into both ratios, it follows

Pn ₌ Na np N_d kde N_a označuje koncentraci příměsí v oblasti báze, Ν_β koncentraci příměsi v emitorové oblasti a W Šířku báze, která v oblasti báze omezuje difúzní délku Ln elektronů.Pn ₌ Na np N _d where N _a denotes the dopant concentration in the base region, Ν _β dopant concentration in the emitter region and W Base width, which limits the diffusion length Ln of electrons in the base region.

Difúzní konstanty Dn a Dp pro nosiče jsou funkcemi pohyblivosti nosičů a teploty a mohou být v podstatě předpokládány konstantní.The diffusion constants Dn and Dp for carriers are functions of carrier mobility and temperature, and can be essentially assumed constant.

Zabudované pole se v emitoru vytvoří mezi slabě dotovanou vrstvou £ a silně dotovanou vrstvou 2 a působí v takovém směru, že proud děr od prvnízo přechodu 13 emitor-báze se odráží k druhému přechodu 14. Je-li zabudované pole dostatečně veliké, kompenzuje se difúzní proud děr směrem k vrstvě a stane se přibližně rovným driftovému proudu děr vyvolanému polem.The embedded field in the emitter is formed between the weakly doped layer 6 and the heavily doped layer 2 and acts in such a way that the hole flow from the first emitter-base transition 13 is reflected to the second transition 14. If the embedded field is large enough the hole flow towards the layer and becomes approximately equal to the field-induced drift hole flow.

Přídavná bariéra a zabudované pole přispívají tedy k tomu, aby bylo na mezilehlé ploSe dosaženo nízké rekombinačnl rychlosti, tj. hodnota pro Lp v rovnici (7) není omezena šířkou emitoru, popř jeho rozsahem.Thus, the additional barrier and the embedded field contribute to achieving a low recombination rate on the intermediate surface, i.e. the value for Lp in equation (7) is not limited by the emitter width or range.

I když je vynález v souvislosti s obr. 1 vysvětlen pro případ tranzistoru NPN, je pro odborníka snadné provést příslušnou konstrukci i pro tranzistor PNP a pro jeho charakteristické faktory. Je vhodné také poukázat na to, že vynálezu lze s výhodou použít také u polovodičového tyristoru typu NPNP.Although the invention is explained with respect to FIG. 1 in the case of an NPN transistor, it is easy for a person skilled in the art to design the PNP transistor and its characteristic factors. It should also be pointed out that the invention can also be advantageously applied to a semiconductor thyristor of the NPNP type.

Claims

1. A semiconductor device having a first semiconductor region of a first conductivity type, a second semiconductor region of a second conductivity type forming a first PN junction with a first semiconductor region, a third region of a first conductivity type, a fourth semiconductor region of a second conductivity type forming with a first semiconductor a second PN junction, and means for biasing the transition between the first and second regions forward and for conveying the major carriers in the first semiconductor region to the third region, characterized in that the distance between the first PN junction (13) and the second PN junction (14) is less than the diffusion length of the minor carriers in the first semiconductor region (4).

2. Semiconductor device according to claim 1, characterized in that the second semiconductor region (3) and the fourth semiconductor region (200) are electrically connected and that both PN junction (13 and 14) run on opposite sides of the first semiconductor region (4) and they are adjacent to each other.

A semiconductor device according to claim 1, characterized in that the diffusion length of the minor carriers is between 50 and 100 / mn and the distance between the two PN jumps (13, 14) is between 2 and 5 A ·