DE1035777B - Verfahren zur Verbesserung des Frequenzverhaltens eines Transistors - Google Patents

Description

• Verfahren zur Verbesserung des Frequenzverhaltens eines Transistors Der mit Spitzentransistor oder A-Transistor bezeichnete Transistortyp umfaßt in einer seiner Ausführungsformen einen Halbleiterkörper, mit dem Emitter und Kollektor Punktkontakt und die Basis einen ohmschen Kontakt niedrigen Widerstandes machen. Der Halbleiterkörper, für den sich Germanium und Silizium als besonders geeignete Materialien erwiesen haben, kann vom P- oder N-Typ sein. Beim N-Material wird angenommen, daß der Emitterstrom im aktiven Bereich in den Körper hinein und der Kollektorstrom aus dem Halbleiterkörper herausfließen. Beim P-Typ verlaufen die Ströme umgekehrt.
• Die meisten bisher hergestellten Punktkontakt-oder Spitzentransistoren haben die Fähigkeit der Stromverstärkung, d. h., durch in dem Emitterkreis fließende Stromerhöhungen entstehen noch größere Erhöhungen in dem im Kollektorkreis fließenden Strom. Dies Stromverstärkungsfähigkeit der Punktkontakttransistoren ist vorhanden, weil die durch den Emitter eingeführten Ladungsträger bei ihrer Ankunft am Kollektor weitere Träger auslösen, die zur Basis fließen.
• Bei der Arbeitsweise der Punktkontakttransistoren hat sich gezeigt, daß die Ladungsträger bei der Diffusion durch den Halbleiter Wege nehmen, die nicht direkt verlaufen, wodurch das Vorhandensein von Streuträgern in dem Halbleiter bedingt wird. Diese Streuträger benötigen Zeit, um entweder auszusterben, zu rekombinieren oder ihre diesbezüglichen Elektroden zu erreichen. Durch dieses Zeiterfordernis wird das Frequenzverhalten des Transistors ernstlich beeinträchtigt.
• Es ist nun für Transistoren bekanntgeworden, die Ladungsträger-Übertragungszeiten durch Herstellung eines beschleunigenden Feldes im Halbleiterkörper in der Richtung vom Emitter zum Kollektor und durch Schaffung dünner Übertragungspfade zu reduzieren. Basis-, Emitter- und Kollektorelektrode sind zu diesem Zweck auf der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht, und die Abstände zu dem längs durch den Halbleiterkörper verlaufenden PN-Übergang im Emitter-Kollektor-Bereich durch lokalisierte, gerichtete und den Leitfähigkeitstyp konvertierende Bestrahlung mit Kernteilchen besonders klein gehalten. Die Konvertierung durch Bestrahlung läßt sich jedoch beim Bekannten nicht gleichmäßig über die Eindringtiefe durchführen. Sie ist zudem kostspielig und umständlich. Diese Schwierigkeiten sind bei der Erfindung vermieden.
• Die Erfindung bezieht sich daher auf ein Verfahren zur Verbesserung des Frequenzverhaltens eines Transistors, bei dem Basis-, Emitter- und Kollektorelektrode auf der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht sind, durch Beschränkung der Ladungsträgerstreupfade im Halbleiterträger, die von den Minoritätsträgern von der KollektoreIektrode zur Basiselektrode durchlaufen werden können. Die Erfindung besteht darin, daß parallel zu der einen Halbleiteroberfläche ein ebener PN-Übergang im Halbleiterkörper und an der anderen gegenüberliegenden Halbleiteroberfläche eine weitere flächenhafte Elektrode von der Ausdehnung der ebenen PN-Übergangsfläche angebracht wird und daß durch Anlegung eines Potentials an diese weitere Elektrode der flächenhafte PN-Übergang verbreitert wird.
• Die Erfindung stellt damit eine wesentliche Vetreinfachung gegenüber dem obergenannten bekannten Verfahren dar, und sie ermöglicht darüber hinaus, daß die Breite des einzuschnürenden Strompfades und damit die Diffusion der Ladungsträger von einer Elektrode zur anderen durch den Halbleiterkörper hindurch steuerbar ist.
• Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung für eine beispielsweise Ausführungsform näher erläutert.
• B,ei dem in der Zeichnung dargestellten Transistor ist der Erfindungsgedanke zur Verbesserung des Frequenzverhaltens angewendet worden. Dieser Punktkontakttransistor umfaßt einen Körper aus Halbleitermaterial 1, z. B. Germanium oder Silizium, das bedeutsame Verunreinigungen enthält. Der Körper umfaßt zwei Zonen 2 und 3 vom N- bzw. P-Leitfähigkeitstyp, getrennt durch die Sperrschicht 4. Ein ohmscher Basisanschluß 5 niedrigen Widerstandes ist zu der N-Schicht 2 hergestellt worden. Eine ohmsche Verbindung 6 besteht außerdem mit der gesamten freien Oberfläche der P-Schicht 3, die z. B. durch Auflöten hergestellt ist. Ein Emitter 7 macht Punktkontakt mit der N-Schicht 2, und ebenso macht ein elektrisch formierter Kollektor 8 Punktkontakt mit der N-Schicht 2. Die Emittervorspannung wird von der Batterie 9 über den Widerstand 10 entnommen. An den Enden dies Widerstandes 10 sind die Eingangssignalklemmen 11 und 12 vorgesehen. Die Kollektorvorspannung wird von der Batterie 13 über den Widerstand 14 erhalten. An den Enden des Widerstandes 14 liegen die Ausgangsklemmen 15 und 16. Die Basiselektrode 5 ist an einen festen Bezugspotentialpunkt angeschlossen, und die P-Schicht 3 wird über die Batterie 17 und Elektrode 6 ihr Potential um die Vorspannung ' der Sperrschicht 4 umkehren. Eine durch gestrichelte Linien als Element 18 dargestellte verbreiterte Sperrschicht ist für nachstehend erklärte Zwecke angedeutet.
• Der in der Zeichnung angegebene Transistor ist ein Punktkontakttransistor mit einem zusätzlichen Bereich aus entgegengesetzt leitfähigem Material, der von dem Körpermaterial durch eine Sperrschicht getrennt ist. Die Sperrschicht liegt darstellungsgemäß parallel zur Oberfläche des Körpers, auf der die Elektroden Kontakt machen. Dies dient nur zur Veranschaulichung, da - wie noch erklärt wird - die Sperrschicht nur nahe genug zu sein braucht, um den Trägerfluß zu beeinflussen, und keinen bestimmten Ort einzunehmen braucht. Der entgegengesetzt leitfähige Bereich kann am Transistorkörper durch Diffusion eines entgegengesetzt leitfähigen Materials in den Halbleiterkörper oder durch ein beliebiges Verfahren hergestellt werden, das zur Herstellung eines einen PN-Übergang enthaltenden Halbleiterkörpers verwendet wird.
• Für die Beschreibung der Arbeitsweise ist willkürlich ein Transistor mit N-Körper ausgewählt worden. Das Arbeitsprinzip ist für einen Körper vom P-Typ das gleiche, und die einzigen Unterschiede bestehen darin, daß Polarität und die Majoritäts-und Minoritätsträger umgekehrt sind.
• Die Verbesserung des Frequenzverhaltens wirkt sich als eine Beschränkung der Ladungsträgerwege im Halbleiterkörper aus, die von den Minoritätsträgern vom Kollektor zur Basis 5 durchlaufen werden können. Diese Beschränkung der Wege erfolgt, weil sich der Sperrbereich der PN-Schicht bei Erhöhung der umgekehrten Vorspannung über der Schicht erweitert. Diese Erscheinung der Sperrschichterweiterung bei zunehmender Vorspannung ist an sich als Errichtung eines »Erschöpfungsbereiches oder einer Raumladungsschicht bekannt (vgl. den Artikel yTheory of P-N-Junctions in Semi-conductorsu von W. Shockley im Bell System Technical Journal, Bd.28, S.435, 1949).
• Die Wirkung der erweiterten Sperrschicht besteht darin, daB der Minoritätsträgerfluß von der Basis zum Kollektor auf einen sehr engen Bereich beschränkt ist und daß gleichzeitig infolge der Verkleinerung des Querschnittbereiches des Halbleiterkörpers das die l inoritätsträger beeinflussende elektrische Feld in diesem Bereich verstärkt wird, wodurch wiederum mit mittlere Geschwindigkeit der Minoritätsträger in dem Bereich erhöht wird.
• Die erweiterte Sperrschicht ist graphisch in der Zeichnung als Element 18 dargestellt, und zwar stellt der Bereich zwischen den gestrichelten Linien das Ausmaß des Sperreffektes dar. Die injizierten Majoritätsträger (Löcher) sind in der Nähe des Kollektors 8 durch + und die beschränkten Pfade der Minoritätsträger (Elektronen) vom Kollektor 8 zur Basis 5 durch Pfeile veranschaulicht.
• Daraus ergibt sich folgendes: Die verbreiterte Sperrschicht bringt die Wirkung des Vorhandenseins der umgekehrt vorgespannten PN-Schicht näher an die Steuerelektroden, und daher wirkt die Schicht als Kollektor für Streulöcher oder solche Löcher, die normalerweise längere Wege nehmen und Zeit zusätzlich zu der normalen Durchgangszeit zum Erreichen des Kollektors benötigen würden. Das verstärkte elektrische Feld in dem schmalen Bereich des Halbleiterkörpers verlängert die Durchgangszeit der Minoritätsträger, macht die Durchgangszeit gleichzeitig injizierter Träger einheitlicher, und als Ergebnis der verkürzten Durchgangszeit sterben weniger Ladungsträger ab oder rekombinieren sich während der Durchgangszeit. Daher wird auch der StromverstärkungsfalCtor oder Alphafaktor des Transistors größer.
• Daraus ergeben sich verschiedene Vorteile. Das Frequenzverhalten eines Transistors wird verbessert, sowohl infolge Fehlens von Streuträgern, die durch die PN-Schicht gesammelt werden, als auch infolge der kürzeren Trägerdurchgangszeit, die durch das stärkere Feld bedingt ist. Durch Verkürzung der Trägerdurchgangszeit gestattet das stärkere Feld höhere Alphafaktoren in einem Transistor, dessen Halbleiterkörper eine Trägerlebensdauer hat. Durch Verkürzung der Trägerdurchgangszeit gestattet das stärkere Feld einen weiteren Elektrodenabstand auf einem Halbleiterkristall mit gegebener Trägerlebensdauer.
• Die beschriebene verbreiterte Sperrschicht kann z. B. einige Streumajoritätsträger sammeln und die Durchgangszeit der Minoritätsträger bei Anlegung auf einen beliebigen Teil des Halbleiterkörpers beeinflussen, obwohl sich der Effekt bei Verkürzung des Abstandes der Sperrschicht von den Steuerelektroden verbessert.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Verbesserung des Frequenzverhaltens eines Transistors, bei dem Basis-, Emitter- und Kollektorelektrode auf der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht sind, durch Beschränkung der Ladungsträgerstreupfade im Halbleiterkörper, die von den Minoritätsträgern von der Kollektorelektrode zur Basiselektrode durchlaufen werden können, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der einen Halbleiteroberfläche ein ebener PN-Übergang (4) im Halbleiterkörper und an der anderen gegenüberliegenden Halbleiteroberfläche eine weitere flächenhafte Elektrode von der Ausdehnung der ebenen PN-Übergangsfläche angebracht wird und daß durch Anlegung eines Potentiales an diese weitere Elektrode der flächenhafte PN-Übergang verbreitert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter- und Kollektorelektrode als Spitzenelektroden ausgebildet werden.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der ebene PN-Übergang (4) zwischen den beiden Oberflächen des Halbleiterkörpers breit ausgebildet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 666 814; deutsche Patentanmeldung p 44275 VIIIc/21g, Proc. IRE, Bd. 40, 1952, S. 1395 ff. und 1366 (bekanntgemacht am B. 11. 1951) ; Zeitschrift für Elektrochemie, Bd. 58, 1954, S. 313.