DE1005194B - Flaechentransistor - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf Flächentransistoren mit zwei äußeren Zonen gleichen Leitungstyps und
einer dazwischenliegenden Basiszone entgegengesetzten Leitungstyps mit einer senkrecht zur p-n-Verbindungsfläche
ungleichmäßigen Leitfähigkeit.
Die Herstellung von Flächentransistoren kann unter anderem nach dem Legierungsverfahren oder
durch Ziehen aus einer Schmelze erfolgen.
Beim Ziehen aus der Schmelze werden dem geschmolzenen Halbleitermaterial, während der langsam
herausgezogene Halbleiterkristall wächst, Dotierungsstoffe zugesetzt, die dann den Leitungstyp des gerade
entstehenden Kristallbereichs bestimmen.
Bei einem bekannten Verfahren, einen Halbleiterkristall aus der Schmelze zu ziehen, kann der Dotierungsstoff
sowohl auf einmal als auch sukzessive zugegeben werden. Der Übergang von einem Leitungstyp zum entgegengesetzten ist demgemäß in dem herausgezogenen
Einkristall unstetig oder mehr oder weniger allmählich. Der Kristall wird dann mit unveränderter
Schmelze weitergezogen, so daß sich eine mittlere Zone (Basis) konstanten Störstellengehalts
gewünschter Dicke bildet. Schließlich wird wieder ein Dotierungsstoff zugegeben, der den Leitungstyp
der Schmelze abermals umkehrt. Im fertigen Kristall sind also drei Bereiche konstanter Störstellenkonzentration
vorhanden, wobei jedoch der mittlere Bereich vom entgegengesetzten Leitungstyp ist wie die beiden
Außenbereiche. Zwischen den Bereichen konstanter Störstellenkonzentration nimmt der Gehalt an Störstellen
des entsprechenden Vorzeichens stetig bzw. sprunghaft ab bzw. zu, je nachdem, wie die Zufuhr
der Dotierungsstoffe zur Schmelze während des Ziehens erfolgte.
Bei den nach dem bekannten Legierungsverfahren hergestellten Transistoren liegt ebenfalls ein Basisbereich
konstanter Störstellenkonzentration des einen Leitungstyps zwischen zwei durch Aufschmelzen oder
Eindiffundieren geeigneter Dotierungsstoffe gebildeten Bereichen des entgegengesetzten Leitungstyps. Die
Übergangszonen können dabei einen durch die beim Auflegieren bzw. Eindiffundieren der Dotierungsstoffe herrschenden Versuchsbedingungen in weiten
Grenzen wählbaren Verlauf der Störstellenverteilung besitzen.
Ferner ist es bei Spitzentransistoren bekannt, zwischen den die Basis bildenden Halbleiterkörper und
der metallischen Basiselektrode einen Bereich anzuordnen, der denselben Leitungstyp, jedoch eine höhere
Störstellenkonzentration wie der die Spitzenelektroden tragende Basisbereich besitzt. Dadurch sollen
Störungen beseitigt werden, die ihre Ursache darin haben, daß von der Basiselektrode aus Träger in den
Basiskörper emittiert werden.
Anmelder:
Radio Corporation of America, New York, N. Y. (V. St. A.)
Vertreter: Dr.-Ing. E. Sommerfeld, Patentanwalt,
München 23, Dunantstr. 6
München 23, Dunantstr. 6
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 22. Mai 1953
V. St. v. Amerika vom 22. Mai 1953
Arnold Robert Moore, Princeton, N. J. (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
""
Für das Verhalten eines Flächentransistors sind verschiedene Parameter von Bedeutung.
Ein Widerstand, Basiszuleitungswiderstand genannt, ist im Stromkreis zwischen dem Basisbereich
und der Basiselektrode eines Transistors vorhanden. Dieser Widerstand bestimmt das Verhalten der Vorrichtung
bei Hochfrequenz.
Ein anderer Parameter ist die Emittereingangskapazität, welche hauptsächlich der Art der Weiterleitung
der Ladungsträger durch den Basisbereich durch einen Diffusionsvorgang zuzuschreiben ist.
Folglich ist diese Kapazität in Wirklichkeit eine Diffusionskapazität und ist dem Emitterstrom und dem
Quadrat der Schichtdicke des Basisbereichs zwischen der Emitter- und der Kollektorelektrode proportional.
Im Transistor bilden der Basiszuleitungswiderstand in Serie mit der Emittereingangskapazität einen Spannungsteiler,
welcher das wirksame Eingangssignal bei hohen Frequenzen reduziert. Dies ist für die Verwendung
eines Transistors bei hohen Frequenzen ungünstig.
Zur Vermeidung dieses Nachteiles wird der Basiszuleitungswiderstand
und die Emittereingangskapazität auf niedrige Werte herabgesetzt. Zur Herabsetzung
der Kapazität wird auf die Ladungsträger im Basisbereich mittels eines elektrischen oder magnetischen
Feldes eine Kraft zur Steuerung des Übergangs der Ladungsträger zwischen der Emitter- und
der Kollektorelektrode ausgeübt. Zur Herabsetzung des Basiszuleitungswiderstandes wird ein Material
höherer Leitfähigkeit für den Basisbereich verwendet. Jedoch kann dabei ein Durchschlag der Kollektorinversionsschicht
auftreten. Dieses Problem entsteht, weil das Material höherer Leitfähigkeit des Basis-
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bereichs die Breite des -Raumladungsgebietes an der
Kollektorinversionsschicht, durch welche hindurch die angelegte Kolkktorspannung wirkt, herabsetzt.
Ein reduziertes Kollektorraumladungsgebiet erniedrigt aber die Kollektordurchschlagspannung.
Mit diesen Erkenntnissen kann nun ein verbesserter Flächentransistor gebaut werden.
Erfindungsgemäß nimmt die Leitfähigkeit der Basiszone von der einen der zwei Zonen aus nach der
anderen hin ab.
Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnungen näher beschrieben werden.
Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen Transistor;
Fig. 2 stellt einen Schnitt durch einen Transistor im halbfertigen Zustand dar;
Fig. 3 ist ein Schnitt durch den Halbleiter nach Fig. 2 in einem späteren Fabrikationsstadium;
Fig. 4 ist ein Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Germanium und Silizium sind zwei zur Zeit häufig zur Herstellung von Transistoren verwendete Stoffe.
Ein Halbleitermaterial von hohem Reinheitsgrad, vorzugsweise Germanium, wird mit einer sehr geringen
Menge einer sogenannten Verunreinigungssubstanz behandelt, um das eigenleitende Material in p- oder
η-leitendes umzuwandeln. Zur Herstellung von p-Material können ein oder mehrere Stoffe, wie Indium,
Aluminium, Gallium, Bor oder Zink, verwendet werden; diese Verunreinigungssubstanzen werden
Akzeptoren genannt. Zur Herstellung von n-Material können ein oder mehrere Stoffe, wie Antimon, Wismut,
Arsen, Schwefel, Selen, Telur oder Phosphor verwendet werden, und diese Zusatzstoffe werden
Donatoren genannt.
Transistoren der oben beschriebenen Art können aus einem Halbleiterkristall einer ausgewählten Leitfähigkeitsart
durch verschiedene Verfahren, z. B. durch Zusetzen geladener Teilchen oder durch Beschüß
mit diesen, hergestellt werden. Ferner können solche Halbleiter während des Wachsens der Kristalle
selbst derart präpariert werden.
Bei der Bildung von Inversionsschichten durch die Legierungstechnik wird ein Verunreinigungsmaterial
mit einem Körper von n- oder p-leitendem Halbleitermaterial derart legiert, daß eine Zone einer Leitfähigkeit
entgegengesetzter Art zu der des ursprünglichen Körpers in ihm gebildet wird. Wenn das Halbleitermaterial
η-leitend ist, werden ein oder mehrere der vorher erwähnten Akzeptorzusatzstoffe verwendet.
Wenn das Halbleitermaterial p-leitend ist, dann werden ein oder mehrere der vorher erwähnten Donatorzusatzstoffe
verwendet.
Zur Bildung einer Inversionsschicht auf dem Diffusionswege wird ein Halbleiterkristall mit einer geringen
Menge eines Zusatzstoffes behandelt, so daß Atome dieses Stoffes in den Kristall eindiffundieren
und dadurch seine Leitfähigkeit steigern oder umkehren.
Für die folgende Diskussion soll angenommen werden, daß das Halbleitermaterial η-leitendes Germanium
sei und das die Inversionsschicht bildende Akzeptormaterial Indium. Als Donator sei Antimon angenommen.
Gleiche Elemente sind in allen Figuren der Zeichnung mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In Fig. 1 ist ein Transistor 10 gezeigt, beispielsweise bestehend aus einem ersten p-leitenden Germaniumbereich
12 als Emitter, einem zweischichtigen Grundbereich 14 aus η-leitendem Germanium und endlich
einem Bereich aus p-leitendem Germanium 16.
Der zuletzt genannte Bereich dient als Kollektor. Gewünschtenfalls
können die Leitfähigkeitsarten, umgekehrt werden. Bei dieser Ausführung besteht der
Basisbereich 14 aus zwei Schichten 18 und 20 aus η-leitendem Germanium, wobei jede Schicht eine verschieden
hohe Leitfähigkeit aufweist. Die Schicht 18 von höherer Leitfähigkeit, auch mit N bezeichnet, ist
dem Emitterbereich 12 benachbart und bildet mit diesem eine Inversionsschicht. Die Schicht geringerer
Leitfähigkeit 20 ist dem Kollektorbereich 16 benachbart und bildet eine Inversionsschicht mit diesem.
Eine Basiselektrode 22 ist mittels ohmschem Kontakt mit der Schicht 18 verbunden, welche somit der Basisbereich
ist. Andere ohmsche Kontaktelektroden 24 und 26 sind mit dem Emitter- und dem Kollektorbereich
12 bzw. 16 verbunden.
Somit enthält der Transistor 10 einen Basisbereich 18 von niedrigem Basiszuleitungswiderstand. Der
Halbleiter enthält ferner einen Basisbereich 20 von hohem Widerstand, welcher dem Kollektorbereich 16
benachbart ist und einen Teil der Kollektorinversionsschicht bildet. Der Raumladungsbereich der Kollektorinversionsschicht
hat daher eine ausreichende Breite, um eine verhältnismäßig hohe Kollektordurchschlags
spannung zu erzielen. Wenn die Schicht 20 einen genügend hohen spezifischen Widerstand besitzt,
etwa in der Größenordnung von 20 bis 50 Ohmzentimeter, reicht der Raumladungsbereich mit seiner
Sperrschicht weit in die Schicht 20 hinein und bildet im Innern dieses Bereichs ein elektrisches Feld. Die
Raumladung reicht jedoch nicht in den Bereich 18 hinein. Auf diese Weise bewegen sich im Innern der
Schicht 18 wenige Ladungsträger infolge Diffusion, während sich im Innern der Schicht 20 die Ladungsträger
unter dem Einfluß des darin vorhandenen elektrischen Feldes bewegen. Mit einer Kollektorspannung
von nur einigen Volt ist dieses elektrische Feld stark genug, um die Laufzeit in der Schicht 20 niedriger
Leitfähigkeit vernachlässigen zu können im Vergleich mit der Diffusionslaufzeit in der Schicht hoher
Leitfähigkeit. Somit wird, da die Laufzeit nicht wesentlich ansteigt, die zusätzliche Basisschichtdicke,
hervorgerufen durch die Schicht niedriger Leitfähigkeit, die Eingangskapazität nicht erhöhen. Außerdem
kann, falls die Leitfähigkeit der Schicht 18 ausreichend hoch ist (die Leitfähigkeit des Emitterbereichs
12 sei auch entsprechend hoch, um die Emittereingangsleistung beizubehalten), die Schicht
niedriger Leitfähigkeit beliebig dünn gemacht werden, ohne den Basiszuleitungswiderstand anwachsen
zu lassen. Daher \vird durch Herabsetzen der Ladungsträgeranzahl die Emittereingangskapazität verringert.
Im Betrieb des Transistors 10 wirkt der p-Bereich 12 als Emitter und ist demnach in der Durchlaßrichtung
gegenüber dem Basisbereich 18 durch Anschluß an den positiven Pol einer Batterie 28 vorgespannt.
Der negative Pol ist mit der Basiselektrode 22 verbunden. Eine Signal quelle 30 ist entweder mit
dem Emitterbereich oder, wie in Fig. 1 dargestellt, mit dem Basisbereich 18 verbunden, um entweder den
Emitter oder die Basiselektrode zur Eingangselektrode zu machen. Der p-Bereich 16 arbeitet als Kollektorbereich
und ist demzufolge in entgegengesetzter Richtung gegenüber dem Basisbereich 18 durch eine
Verbindung zum negativen Pol einer Batterie 32 vorgespannt, deren positiver Pol mit der Basiselektrode
verbunden ist.
Der Transistor kann, wie an Hand der Fig. 2 erläutert, aus einem Kristall 34 aus η-leitendem Ger-
manium von niedriger Leitfähigkeit, ζ. Β. von einem
spezifischen Widerstand von 20 bis SO Ohmzentimeter, hergestellt werden. Spuren eines Donatormaterials,
beispielsweise Antimon, sind auf einer Seite des Kristalls in Form eines dünnen Films 35 aufgedampft.
Der Kristall wird sodann erhitzt, um den Zusatzstoff in den Kristall einzudiffundieren und eine Schicht 36
von höherer Leitfähigkeit in der Größenordnung einiger zehntel Ohmzentimeter zu bilden. Die stark
dotierte Schicht 36 vermischt sich allmählich mit dem Rest des Kristalls 34, und im allgemeinen ist eine
stark gleichrichtende Sperrschicht zwischen den beiden Bereichen nicht vorhanden. Der Erhitzungsvorgang muß hinreichend sein, um eine Schicht ausreichender
Dicke zu bilden, damit bei der nächsten Stufe des Verfahrens eine Inversionsschicht erhalten
wird. Für einen 0,12 oder 0,16 mm dicken Germaniumkristall und eine 300 Ä dicke Antimonschicht ist
eine Erhitzung während etwa einiger Stunden bei einer Temperatur von 750 bis 850° C erforderlich.
Sodann wird eine Inversionsschicht oder p-n-Schicht in jeder der η-leitenden Germaniumschichten 34 und
36 gebildet, wie in Fig. 4 dargestellt. Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung dieser Inversionsschichten
verwendet eine Legierungsmethode, bei welcher ein Kügelchen oder eine Scheibe eines geeigneten Donator-
oder Akzeptormaterials, hier also ein Akzeptormaterial, wie Indium, mit jeder Schicht 34 und 36
verschmolzen wird, um Inversionsschichten 37 und 38 mit den Gleichrichtungssperrschichten 39 und 40 zu
bilden und Schichten 42 und 44 von Material entgegengesetzter Leitfähigkeitsart, also von p-leitendem
Material, herzustellen. Jeder p-leitenden Schicht 42 und 44 ist ein Bereich 46 und 48 benachbart, welcher
aus einem Material besteht, das eine Legierung von Indium und Germanium enthält. Die p-leitendeSchicht
44 dient als Emitter und die p-leitende Schicht 42 als Kollektor.
Gemäß einem anderen Verfahren zur Herstellung des Transistors kann der zweischichtige n-leitende
Körper 14 in Fig. 1 und 34, 36 in Fig. 3 durch eine Kristallzüchtung aus einer Germaniumsehmelze gewonnen
werden. Bei diesem Verfahren können die Inversionsschichten ebenfalls nach dem oben beschriebenen
Verfahren hergestellt werden.
Ein drittes Verfahren zur Herstellung eines Transistors nach Fig. 1 besteht in dem Ziehen des ganzen
Halbleiters aus der Schmelze. Nach diesem Verfahren entsteht beispielsweise der Kristall aus einer
p-leitenden Schmelze. Nachdem die p-leitende Schicht 16 gebildet ist, wird Donatorzusatzstoff der Schmelze
zugesetzt, um die η-leitende Schicht 20 zu bilden. Sodann wird weiterer Donatorzusatzstoff zugesetzt, um
die η-leitende Schicht 18 von höherer Leitfähigkeit zu bilden. Endlich wird Akzeptorzusatzstoff hinzugefügt,
um die p-leitende Schicht 12 zu schaffen. Falls gewünscht, können die zwei η-leitenden Schichten 18
und 20 in umgekehrter Reihenfolge durch entsprechende Wahl des Zusatzes des richtigen Zusatzmaterials
gezüchtet werden.
Claims (6)
1. Flächentransistor mit zwei äußeren Zonen gleichen Leitungstyps, einer dazwischenliegenden
Basiszone entgegengesetzten Leitungstyps und mit einer senkrecht zur p-n-Verbindungsfläche ungleichmäßigen
Leitfähigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitfähigkeit der Basiszone von der
einen der zwei Zonen aus nach der anderen hin abnimmt.
2. Flächentransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone aus zwei oder
mehr Schichten verschiedener Leitfähigkeit besteht.
3. Flächentransistor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone aus
einem homogenen Halbleitermaterial eines Leitungstyps hergestellt ist, auf dessen einer Seite
Verunreinigungen gleichen Leitungstyps einlegiert oder eindiffundiert sind, um eine Basiszone
mit Bereichen verschieden großer Leitfähigkeit zu bilden, und daß zwei Zonen des entgegengesetzten
Leitungstyps auf den Außenseiten der Basiszone durch Legierung bzw. Diffusion gebildet sind.
4. Flächentransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone durch
Ziehen eines Kristalls aus einer Schmelze hergestellt ist und daß die beiden äußeren Zonen durch
Legierung bzw. Diffusion gebildet sind.
5. Flächentransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß alle Zonen des Transistors
durch Ziehen aus einer Schmelze gebildet sind.
6. Flächentransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere
Zone, die an die Seite der Basiszone mit der größeren Leitfähigkeit angrenzt, die Emitterzone
und die andere äußere Zone die Kollektorzone ist.
In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentsehrift Nr. 2 603 693;
Das Elektron, Bd. 5, 1951/52, Heft 13/14, S. 437.
USA.-Patentsehrift Nr. 2 603 693;
Das Elektron, Bd. 5, 1951/52, Heft 13/14, S. 437.
Entgegengehaltene ältere Rechte:
Deutsches Patent Nr. 894 293.
Deutsches Patent Nr. 894 293.
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