DE1054587B - Transistor, hergestellt nach dem Gasdiffusionsverfahren, insbesondere fuer Schaltoperationen in datenverarbeitenden Maschinen - Google Patents

Description

DEUTSCHES PATENTAMT

kl. 21g 11/02

INTERNAT. KL. HOIl

/L^r- I12485VIIIc/21g

ANMELDE TA G: 21. NOVEMBEK 1956

BEKANNTMACHUNG DEK ANMELDUNG UND AUSGABE DER AUSLEGESCHBIFT:

9, APRIL J959

Bei der Entwicklung von datenverarbeitendeii elektronischen Maschinen, die in bekannter Weise Schichttransistorschaltungen verwenden, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die die Maschine durchlaufenden Daten in eine Reihe von Abweichungen in der Höhe des Gleichstroms umzusetzen. Dies stellt ein Problem bei der Entwicklung von Transistorschaltungen dar, welches bei Datenverarbeitungsmaschinen insofern hervortritt, als aktive Schaltungselemente nur das Vorhandensein oder das Fehlen von Eingangssignalen empfinden, während in der Niachrichtenübermittlungstechnik das aktive Schaltungselement die Form des Eingangssignals genau reproduzieren muß.

Zur wirtschaftlichen und zuverlässigen Erstellung einer solchen Transistorenschaltung hat es sich jedoch als wichtig erwiesen, die verschiedenen Gleiehstromniveaus dadurch festzulegen, daß die aktiven Schaltungselemente solcher Transistorenschaltungen vom Zustand einer vollständigen Abschaltung in den Zustand der Sättigung gebracht werden, wenn· ein Eingangssignalimpuls auftritt. Schaltungstechnisch bedeutet dies, daß das aktive Transistorelement seine vollständige Ausgangskennlinie durchlaufen muß. Der Transistor arbeitet in einem kleinen Signalbereich, in dem er auf niedrige Frequenzen anspricht und einen niedrigen Verstärkungsfaktor hat. Der Transitor durchfährt den linearen oder aktiven Bereich des Transistors und gelangt in den Sättigungsbereich, wo die Frequenzempfindlichkeit schnell absinkt und der Verstärkungsfaktor sich dem Nullwert nähert. Dies kann als Transistoroperation mit großen Signalen bezeichnet werden, während die auf den linearen oder aktiven Bereich des Transistors beschränkte Betriebsweise als Operation mit kleinen Signalen bezeichnet wird.

Es hat sich erwiesen, daß Transistorschaltungen für Operationen mit großen Signalen einen besonderen Transistortyp erfordern, bei dem bestimmte Parameter gesteuert sind, die dem Transistor gestatten, eine möglichst große Verstärkung und Frequenzempfindlichkeit im Bereich kleiner Signale der Ausgangskennlinie zu haben, und der, wenn er in der Sättigung beitrieben wird, mit einer geringstmöglichen Trägerspeicherung aus dem Sättigungszustand in den Abschaltzustand gebracht werden kann. Ohne solch einen Spezialtransistor erfordert die Herstellung der Schaltteilstromkreise die Verwendung von Begrenzerschaltuttgskreisen und Energiebegrenzerkreisen, um das zu erreichen, was am besten im Transistor selbst geschehen kann. Die Verwendung dieser Hilfsmittel bedeutet aber eine starke Begrenzung der Arbeitsgeschwindigkeit. Ein den Anforderungen entsprechender Schichttransistor hat Transistor, hergestellt nach dem

Gas diffusionsverfahren, insbesondere für Schaltoperationen in datenverarbeitenden Maschinen

Anmelder:

IBM Deutschland Internationale Büro-Maschinen

Gesellschaft m.b.H., Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 22. November 1955

und 4. September 1956

Lloyd Philip Hunter, Poughkeepsie, N. Y.,

Richard Frederick Rutz, Fishtail, N. Y„ und Gardiner Luttrell Tucker, Glenham, N. Y.

(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

einen hohen Stromverstärkungsfaktor von der Basis zum Kollektor, einen sehr niedrigen Widerstand im EIN-Zustand, eine hohe Zener-Spannung, eine sehr kurze Speicherzeit, eine bestimmte Durchbruchsspannung vom Emitter zur Basis, eine hohe Durchsählagspanmung, und für eine optimale Frequenzempfmdlichkeit muß die kapazitive Reaktanz im Kollektorkreis sehr niedrig sein. Ein Transistor mit all diesen Eigenschaften ist aber bisher nicht bekanntgeworden.

Jeder dieser Punkte trägt bei zur Bildung einer Ausgangskennlinie bei Schalttransistoren, mit der ein Transistor in sehr kurzer Zeit aus dem Abschalt- in den Sättigungszustand und ebenso aus dem Sättigungs- in den Abschaltzustand gebracht werden kann. Er kann bei starken Belastungen betrieben werden und ist imstande, die in der Vorrichtung selbj ständigem Betrieb erzeugte Wärme abzuleiten.^

Der hohe Verstärkungsfaktor zwischen Basis und Kollektor ist wesentlich, damit ein einziger zugehöriger Stromkreis größere Lasten schalten kann. In bezug auf die Maschinenkonstruktion bedeutet das, daß große Gruppen gleicher Teilstromkreise parallel zu einer Belastung von bestimmten Teilstromkreisen geschaltet werden können, wie man es z. B. bei der Treiberstufe einer Speichermatrix hat.

Der »EIN-Widerstand«-Faktor ist ein Maß für den ohmschen Widerstand innerhalb der Kollektorstufe des Transistors. Dieser Wert bewirkt eine Spannungsverschiebung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Transistor«. Jede Spannungsverschiebung, obwohl sie sehr klein ist, bewirkt eine Vorspannung des Eingangsteils einer darauffolgenden Teilstromkreisstufe in Durchlaßrichtung. Die Größe des »EIN-Widerstandes« wirkt also als Begrenzung für die Anzahl von Stufen, die in einer Maschine mit einer gegebenen Trennung zwischen den EIN- und AUS-Signalpegeln in Reihe angeordnet werden kann. Außerdem ist der »ΕΤΚΓ- Widerstand« auch ein direkter Faktor in der in der Vorrichtung selbst verstreuten Energiemenge. Je größer also der EIN-Widerstand ist, desto mehr Energie wird innerhalb des Halbleitermaterials verstreut. Diese verstreute Energie setzt sich in Wärme um und führt zu einer Veränderung der Umgebungstemperatur, die eine Schwankung in den Parametern des Transistors herbeiführen kann.

Der Lawinendurchbruch eines Transistors tritt auf, wenn die Ladungsträger eine Geschwindigkeit erreichen, die ausreicht, daß bei einer Kollision zwischen jedem Ladungsträger und einem Atom im Kristallgitter genügend Energie übertragen wird, um ein Elektron in das Leitband zu heben. Der Wert der Kollektorspannung, bei dem dies der Fall ist, ist eine Funktion der Größe dies Traneistorbereidis, der vom dem der Koltektorsdhicht zugeordneten Feld beeinflußt wird. Der Lawiinerudurcihbruch führt zu einem Überechu'ßstromfiuiß und zu einer möglichen Beschädigung.

Der Speicherzeitfaktor in .einem Schalttransistor ist verantwortlich für die Zeitverzögerung, die der Signalpegel am Kollektor braucht, um in den AUS-Zustand zurückzukehren, wenn das Signal am Eingang in den AUS-Zustand. zurückkehrt. Diese Zeitverzögerung kann ein namhafter Teil der Impulsdauer bei höheren Frequenzen sein. Sie wird verursacht durch das Vorhandensein von Ladungsträgern im Basisbereich des Transistors. Die Wirkung dieser Ladungsträger in der Basis besteht darin, daß sie bei ihrer Ankunft an der Kollektorsperrschicht den »Sperrwiderstand« der Kollektorsperrschicht herabsetzen und weiterhin einen Strom im Kollektorkreis fließen lassen. Da bei einer Operation mit großen Signalen der Transistor zur Sättigung getrieben wird, ist die Zahl dieser vorhandenen Ladungsträger viel größer als dann, wenn die Operation allein auf den linearen oder aktiven Kennlinienbereich beschränkt ist. Daher bilden diese Träger ein ernsthaftes Problem bei hochfrequenten Schaltoperationen. Diesem Problem ist man schon zuleibe gegangen, z. B. durch die Verwendung solcher Schaltungsverfahren wie Übersteuerung und Begrenzung auf einen gewünschten Pegel und durch eine Transistorkonstruktion, in der die Trägerlebensdauer des Basismaterials sehr kurz ist. Selbst hierdurch hat man, auch wenn man bis an die Grenzen der Halbleiterherstellungstechnik und Schaltungskonstruktion ging, keinen Transistorteilstromkreis schaffen können, dessen Abschalt-Kollektorstrom kurz g^nug ist, damit ein Hochfrequenzansprechen des Teilstromkreises ist.

Die spezifische Durchbruchsspa timing vom Emitter zur Basis bildet einen eingebaut« η Begraizer, der es gestattet, den Transistor nur so weit in den Abschaltbereich und nicht weiter zu ziehen, daß zur Einleitung des leitenden Zus.tandek eine genau vorbestimmte Zeit benötigt wird. '

Die Durchschlagspannung einte Transistors wird

ίο erreicht, wenn die der vorgespannten Kollektorschicht zugeordnete Erschöpfungsschichtj den ganzen Basisbereich bedeckt und den Emittejr erreicht. Die Eindringtiefe der Erschöpfungsschfcht in den Basisbereich ist eine Funktion der wirksamen Kollektorspannung und des spezifischen B^siswiderstandes.

Die kapazitive Reaktanz des Kollektorkreises stellt einen Zeitverlust im Signalansprechen in Form von Energie dar, die in der unmittelbaren Umgebung der Vorrichtung gespeichert ist. Dieser Zeitverlust macht oft einen größeren Teil der Impulsdauer aus, wenn die Masse des Schalttransistors ais den oben beschriebenen Wärmeableitungsgründen vergrößert wird.

Jeder der erwähnten Faktoten erlegt der Entwicklung von Schaltkreisen emsihaft Beschränkungen auf, die wegen ihrer widersprechenden Art bei den bisherigen Transistoren unvermeidbar gewesen sind und daher dazu geführt haben, daß den Teilschaltkreisen eine obere Grenze der fFrequenzempfindlichkeit und der Stromführungskapafcität auferlegt wurde.

Um also Schaltkreise für höhere Leistung, größere Zuverlässigkeit und höhere Arbeitsgeschwindigkeit zu schaffen, muß ein speziell lür Schaltoperationen entwickelter Transistor gefunden werden.

Bei dem Transistor nach de:· Erfindung sind die obenerwähnten Voraussetzungen in einem einzigen Aggregat vereinigt, wodurch man bei einer Kombination von Typen von Elementen und durch eine besondere Geometrie im Aufaau viele Merkmale erreicht, von denen einige bisher nur durch spezielle Stromkreiskonstruktionen erlaigt werden mußten und andere überhaupt nicht erreichbar waren. Außerdem hat der Transistor nach der Erfindung in Verbindung mit einer neuartigen (fcehäuseanordnung die Fähigkeit massiverer Aggregate zum Verarbeiten

hoher Energien. >

Für einen Transistor, der nacjh dem bekannten Gasdiffusionsverfahren dargestellt ist und welcher insbesondere für Schaltoperationen i|n datenverarbeitenden Maschinen geeignet ist, bestehi die Erfindung darin, daß der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers in der Emitterzone gleichbleibend extrem niedrig ist, in der Emitter-Basis-Überganiszone scharf ansteigt und wieder abfällt, in der anschließenden Basiszone auf dem Wege bis zum Baäis-Kollektor-Übergang wieder exponentiell ansteigt μηά anschließend mit

zunehmender Entfernung vom

Basis-Kollektor-Übergang innerhalb der Kollektorzo ie wieder stark abfällt, so daß im Betrieb die Diffusionsbewegung der Ladungsträger im Basisbereicr zusätzlich eine Driftkomponente erhält, injizierte Minoritätsträger schneller zur Kollektorübergangszo^ie gelangen und die beim Aufhören des dem Transistor aufgeprägten Eingangssignals gespeicherten Ladungsträger schneller aus der Basiszone ausgeräumt werden.

Ö5 Es ist bei legierten Hochfrequenz-Flächentransistoren bekanntgeworden, die Trägheit, mit der die Auf- und Entladung des zwischen Emitter und Kollektor liegenden Basisgebietes durch die vom Emitter kommenden Nebenträger stattfindet, durch Verkleinerung der P-N-Flächen und durch I Herstellen einer sehr

dünnen, aktiven P-N-P-Zon« zu verringern. Diese Transistoren sind aber schwierig herzustellen. Die eingangs aufgezählten Voraussetzungen sind in ihrer Gesamtheit hier nicht erfüllt.

Der Transistor nach der Erfindung ist vorteilhaft mit einem Legierungsschichtemitter ausgestattet, dessen Injektionsleistung auf der ganzen Oberfläche der Schicht fast konstant ist und der eine spezifische Übersohlagsspannung zwischen Emitter und Basis besitzt. Eine Kollektorscbicht ist vorgesehen, deren Querschnitt gleich dem des Basisbereichs und welche auf jeder Seite der Schicht den vergleichbaren spezifischen Widerstand im Halbleitermaterial aufweist. Der Transistor nach der Erfindung ist in weitere»· Ausbildung von einem neuartigen, die Umgebung kontrollierenden und Wärme ableitenden Gehäuse in vorteilhafter Weise eingeschlossen.

Die Herstellung des Transistors nach der Erfindung erfolgt nach der Gasdiffusionsmethode derart, daß die Minoritätsträgerinjektion der Emitterschicht über den gesamten Bereich der Schicht konstant ist. Eine weitere Ausbildung der Erfindung bestellt in einem besonderen Verfahren zur Wärmeableitung durch das Material, das außerdem als Füllung für den Behälter dient, in dem der Transistor eingeschlossen ist. Eine andere weitere Ausbildung der Erfindung bildet ein Verfahren, nach dem während der Herstellung des Transistors Zwischenauswertungen vorgenommen werden, um die genaue gewünschte Basisdicke festzulegen.

Weitere Merkmale der Ausbildung der Erfindung ergeben sioh aus der Beschreibung und aus den Zeichnungen. Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines P-N-P-Schalttransistors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 ist ein Arbeitsplan für eine besonders vorteilhafte Herstellungsart des Transistors nach der Erfindung;

Fig. 3 zeigt ein Kristallplättchen nach der Diffu sion von Störstoffen;

Fig. 4 zeigt ein Diagramm für die Änderung des spezifischen Widerstandes im Kristallplättchen. von einer Oberfläche zur anderen;

Fig. 5 zeigt den Transistorkörper nach Entfernung des überflüssigen Materials;

Fig. 6 ist ein Querschnitt durch das Basisstück dieses Transistors;

Fig. 7 ist eine graphische Darstellung der Veränderung des spezifischen Widerstandes in den Emitter-, Basis- und Kollektorbereichen des in Fig. 1 gezeigten Transistors;

Fig. 8 zeigt die Veränderung der Energieniveaus in den gleichen Bereichen des Transistors.

Der in Fig. 1 gezeigte P-N-P-Schichtschalttransistor 1 besteht aus einem N-Körperbereich 2 und einem P-Kollektorbereich 3, die durch die Sperrschicht 4 miteinander verbunden sind. An der Oberfläche des Basisbereichs 2 stellt das kreisförmige Basisstück 5 eine gelötete ohmscbe Verbindung 6 zu dem Basisbereich 2 her. In der Mitte der öffnung des Basisstücks 5 verbindet ein legierter Schichtemitter 7 die Basis 2 und bildet einen P-Bereich 8 und eine Sperrschicht 9 in dem Basisbereich 2. Die Anschlüsse 10,11 und 12 führen durch ein Isolier- und Dichtungsmaterial 13, z. B. Glas, zum Emitter, zur Basis bzw. zum Kollektor. Ein luftdichtes Gehäuse 14, z.B. eine Metalldose, ist mit der Dichtungsfassung 13 verschweißt. Das ganze Aggregat ist mit einer die Umgebung kontrollierenden und die Wärme ableitenden Flüssigkeit 15 gefüllt, die eine niedrige Dielektrizitätskonstante hat, z. B. Verbindungen der Gruppe (C_eH₃-l,3,5-(CH₃)₃), zu der Mesitylen gehört. Der Behälter 14 ist bei 16 mit einem geeigneten Dichtungsmittel, z. B. Kunststoff oder Lötmittel, abgedichtet. Die oben beschriebenen Merkmale bilden zusammen mit den spezifischen Effekten dieser Ausführungsform und den Einkapselungsverfahren einen Transistor, bei dem viele der bisher als Begrenzungen

ίο für die Ausbildung von Angabenverarbeitungsschaltungen angesehenen Faktoren in die Vorrichtung selbst einbezogen sind, wodurch ein weiterer Spielraum in der Schaltung, eine höhere Arbeitsgeschwindigkeit, eine höhere Leistungsgebrauchsfähigkeit und eine größere Frequenzempfindlichkeit erreicht werden als bei den bekannten Transistoren.

Der Schalttransistor nach der Erfindung kann auf verschiedene, an sich bekannte Arten hergestellt werden. Werden jedoch diese herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines solchen Transistors, bei dem die Transistorelemente, die geometrische Anordnung dieser Elemente und möglicherweise sogar die Art und Weise, in der der fertige Transistor eingekapselt wird, alle zu der überlegenen Leistung der Vorrichtung beitragen, verwendet, so zeigt sich, daß, wenn nicht die einzelnen Verfahren bei Herstellung der Vorrichtung zusammenwirken, das entstehende Aggregat verhältnismäßig teuer wird. Zur Sicherstellung der Qualität und Zuverlässigkeit dieses Schalttransistors ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung das Herstellungsverfahren in jedem Stadium so eingerichtet, daß die Kombination dieser Verfahrensschritte zur Herstellung des Transistors nach der Erfindung zu weniger Schritten als bisher bei den bekannten Transistoren führt.

Fig. 2 zeigt nun einen Arbeitsplan für das Herstellungsverfahren dieses Transistors. Die linke Spalte gibt die verwendeten Materialien an und kennzeichnet die Stelle, wo dieses Material in den Herstellungsprozeß eingeschaltet wird.

In den ersten sechs Schritten des Verfahrens entsteht der Grundkörper für den Transistor nach der Erfindung. Sie stellen einen neuartigen Verfahrensvorgang dafür dar, aber es versteht sich, daß auch die an sich bekannten Verfahren zur Herstellung des Transistorkörpers benutzt werden können. In den ersten sechs Schritten entsteht einHalbleitertransistorkörper, bei dem entgegengesetzt leitende Basis- und Kollektorzonen durch eine Sperrschicht getrennt sind.

Der spezifische Widerstand der Basiszone ist niedrig an der Oberfläche und konstant bis zu der Tiefe einer später aufgebrachten Legierungsschicht, und er ist exponentiell abgestuft von dem niedrigen Wert in der Tiefe zu einem höheren Wert an der Sperrschicht.

Der spezifische Widerstand der Kollektorzone ist abgestuft von einem hohen Wert an der Sperrschicht zu niedrigeren Werten mit zunehmendem Abstand von der Sperrschicht.
Für den Transistor wird zweckmäßig ein kristallines Halbleitermaterial gewählt. Zur Sicherung einer planparallelen Legierungsschicht muß es parallel aus einer passenden Kristallebene mit niedrigem Index geschnitten sein, um planparallele Schichten bilden zu können. Der spezifische Widerstand des Materials soll hoch genug sein, um einen annehmbaren Widerstandsgradienten bei der Dampfdiffusion in einer Basisdicke zu erreichen, die nahezu gleich der Diffusionsentfernung der Ladungsträger während der Trägerlebensdauer des Materials ist. Der diesen Bedingungen entsprechende Widerstand hängt von vielen

physikalischen Eigenschaften des Materials ab. So erweist sich z. B. einkristallines P-Germanium-Halbleitermaterial mit einem spezifischen Widerstand von 2 Ohm · cm als besonders günstig.

Das Halbleitermaterial wird zunächst in Plättchen geschnitten, deren Hauptflächen parallel zu einer Kristallebene mit niedrigem Index verlaufen, die sich zur Erzeugung von planparallelen Legierungsschichten eignet. Eine solche geeignete Ebene ist die Kristallebene 111. Die Platte soll mindestens so dick sein wie der gewünschte Kollektorbereich plus der doppelten Dicke des Basisbereichs. Da die Basis nicht dicker als die Diffusiionelänge des Halbleitermaterials ist, läßt sich diese leicht festlegen. Der Kollektorbereich soll mindestens dick genug sein, um die Anbringung einer äußeren ohmschen Verbindung ohne Kurzschließen der Kollektorschicht zu ermöglichen. Eine günstige Plättchendicke für das oben beschriebene Halbleitermaterial wäre z.B. 1,8-10—²cm.

Anschließend wird das Halbleiterplättchen bei hoher Temperatur in eine kontrollierte Atmosphäre gebracht und eine die Leitfähigkeit bestimmende Verunreinigung des der Platte entgegengesetzten Typs einddffundiert. Die Verunreinigung durchdringt die Oberfläche des Plättchens und wandelt dabei die Leitfähigkeit so jn den entgegengesetzten Typ um, daß in dem Kristall ein exponentieller Widerstandsgradient von nahezu Null an der Oberfläche bis zu dem Wert des spezifischen Widerstandes der Kristallplafte erlangt wird.

Aus theoretischen Überlegungen kann angenommen werden, daß zur Bildung eines optimalen Feldes in der Basis des Transistors der Gradient des spezifischen Widerstandes in dem Basisbereich etwa einer Exponentialfunktion folgt. Durch die Einführung von Störstoffen in das Plättchen nach dem Verfahren der Gasdiffuskm wird ein Teil des Kristalls in den entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp umgewandelt, und es entsteht ein Bereich, dessen Widerstandsgradient fast exponentiell ist tind sich wahrscheinlich stark dem Optimalwert nähert. Die Technik der Gasdiffusion ist an sich bekannt, und zwar wird dabei das Kristallplättchen in Gegenwart eines Dampfes, der eine die Leitfähigkeit bestimmende Verunreinigung des der Leitfähigkeit des Kristalls entgegengesetzten Typs enthält, erhitzt, so daß die durch die Wärme den Störatomen erteilte Energie diese in die Kristalloberfläche eindringen läßt. Dadurch entsteht ein Bereich entgegengesetzter Leitfähigkeit im Kristall. Dieser Bereich hat einen spezifischen Widerstand, der an der Oberfläche nahezu Null ist und der fast gleich dem Eigenwiderstand des Kristalls an der Schicht ist. Die Ergebnisse dieser Gasdiffusion sind in Fig. 3 und 4 veranschaulicht. Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein nach dem beschriebenen Verfahren hergestelltes Plättchen. Dort ist der an die Oberflächen des Plättchens 21 angrenzende Bereich 20 in Material vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp umgesetzt worden. Wird das Plättchen 21 entlang der Linie 4-4 aufgeschnitten, so zeigt die Fig. 4 den Verlauf des spezifischen Widerstandes des Halbleitermaterials. Der spezifische Widerstand im Kristall 21 liegt zwischen Null an der Oberfläche und dem in der Zeichnung dargestellten Eigenwert. Zum Beispiel wurde in P-Germaniumplättchen mit einem spezifischen Widerstand von 2 Ohm · cm und einer Dicke von 1,8 - 10—² cm, wenn dieses 19 Stunden lang bei 800° C in einer 10¹⁶ Arsenatome je ecm enthaltenden WasserstofFatmosphäre erhitzt wurde, an allen Flächen bis zu einer Tiefe von 2,5 · 10—³cm in den N-Leitfähigkeitstyp umgewandelt.

Der nächste Verfahrensschritt
konstante Injektionsleistung γ a
fläche einer später anzulegierend
erzeugen. Die Wirkung von γ at
sistor und die Tatsache, daß γ \
Widerstand des Halbleitermater
baren Nachbarschaft der Schicht
an sich bekannt. Die Tatsache, (
fläche einer Legierungsschicht s

dient dazu, um eine f der ganzen Obern Emitterschicht zu f einen Sdii'ohttranon dem spezifischen als in der unmittelbeeinflußt wird, sind aß γ über die Obercbwanken kann, ist

jedoch ein Problem, das Schicht

gestuftem spezifischem Widerstc

allein eigen ist. Dies kann man
Fig. 4 sehen, wo, wenn eine L
zu einer Tiefe X in die Oberfl
wird, der spezifische Widerstand
mittelbar benachbarten Halbleit

transistoren mit ab-

nd im Basisbereich in Verbindung mit

egierungsschicht bis äche hinein erzeugt des der Schicht unrmaterials in dem schwankt. Demz.u-

von der Kurve dargestellten Ma
folge schwankt γ über die Oberfläche der Schicht. Um nun einen Transistor mit hoher Iijektionskistung und genau reproduzierbaren Kennlinien zu erzeugen, hat es sich als nötig erwiesen, γ zu jteuern. Diese Steuerung erfolgt durch einen zweiten Diffusionsschritt, der im Vakuum und unter Wärmeeinwirkung ausgeführt wird. Bei dieser Diffusion gibt die Wärme den Störstoffatomen im Kristall Energie ab, und da die Konzentration dieser Atome ar der Oberfläche am größten ist, ist dort auch die Wirkung auf die Verteilung am deutlichsten erkennt ar. Die Wärme bewirkt eine Wanderung einiger Atome in tiefere Bereiche des Kristalls, wodurch dir spezifische Widerstand an dieser Stelle gesenkt wrd; gleichzeitig können einige Atome in das Vakuum entweichen. Diese Diffusion wirkt also in zwei '. Richtungen, um die Widerstandskurve in Fig. 4 in lern von der Schicht eingenommenen Bereich einzuebien. Die neue Kurve ist in Fig. 4 als die gestrichelte Kurve W dargestellt. Als Beispiel für diese Diffusion hat das in Verbindung mit dem vorausgegangenen Schritt beschriebene Plättchen, wenn es 1 Stunde lang im Vakuum erhitzt wird, einen konstanten spezifischen Widerstand von etwa 0,1 Ohm ■ cm bis zu ejner Tiefe von fast 5 · 10-^scm. i

Der nächste Schritt besteht darin, daß alles Material, das zur Bildung des Transistorkörpers nicht benötigt wird, entfernt wird, derart, daß ein Halbleiterkörper mit den aus Fig. 7 zu ers< :henden Verhältnissen entsteht. _;

Fig. 7 zeigt einen Querschnitt! durch ein Halbleiterplättchen, aus dem Transistojkörper gemäß Fig. 1 ausgeschnitten werden können. Das Plättchen 25 in Fig. 5 besteht aus einem N-Bei eich 26 mit abgestuftem spezifischem Widerstand, einer Sperrschicht 27 und einem P-Bereich28, dessei spezifischer Widerstand nur nahe der Schicht abgestuft ist. Das Material kann von dem Plättchen nach Fig. 3 zur Bildung des Plättchens nach Fig. 5 in ar sich bekannter Weise entfernt werden, z. B. durch Absägen, Wegätzen oder Abtragen. Bei Herstellung d ;r richtigen Kristalldicke im Ausgangsplättchen kann man auch einen Sägeschnitt in Längsrichtung md eine geringe Bearbeitung am Ende des Platte'lens nach Fig. 3 verwenden, um zwei Plättchen nach Fig. 5 zu erzeugen.

Es ißt sehr wichtig, die Di:ke des Basisbereichs sehr genau festzulegen. Der Gi und dafür ist, daß ein später aufgebrachter Schichtemitter nur so weit in den Basisbereich eindringen Ai rf, wie die Tiefe des konstanten spezifischen Widers :andes reicht, daß ein bestimmtes Verhältnis des spes ifischen Widerstandes an der später aufzubringenden Emitterschicht für eine bestimmte Überschlagspannun^ vom Emitter zur

IP.

Basis nötig ist und daß eine bestimmte Basis'dicke für eine gegebene Frequenzempfmdlichkeit erforderlich ist.

Es sind mehrere Wege möglich, um dies zu erreichen. Nachstehend wird ein Verfahren beschrieben, das wegen seiner Genauigkeit und weil es die Herstellung zahlreicher Vorrichtungen mit sehr genau reproduzierbaren Kennlinien gestattet, sehr vorteilhaft ist. Bei diesem Verfahren wird zunächst der Schichtort in der Platte festgelegt. Das geschieht, indem eine Kante der Kristallplatte abgebrochen und mit einem geeigneten Ätzmittel geätzt wird, um so durch eine Ätzlinie einen Bezugsort zum Anzeigen der Position der Schicht festzulegen. Es ist festgestellt worden, daß ein erheblicher Unterschied zwischen dem Ort dieser Ätzlinie und dem der eigentlichen Schicht in dem Kristall besteht, so daß die eigentliche Schicht dann nach dem an sich bekannten Barramtitanat-Ablagerungsverfahren hergestellt wird. Diese Diskrepanz kann bei dem vorgenannten Beispiel nahezu 1,8-10—² cm betragen. Die Differenz zwischen der Ätzlinie und der eigentlichen Schicht wird dann aufgezeichnet. Nun wird die Platte bis nahe an die gewünschte Basisdicke abgeschliffen, wobei die Ätzlinie als Führung dient, um anzuzeigen, wie weit die Oberfläche von der eigentlichen Schicht entfernt ist. Eine Punktsonde und eine weitere Verbindung werden zu der Oberfläche des Basisbereichs hergestellt und die umgekehrte Überschlagspannung zwischen der Sonde und der Oberfläche gemessen. Die Oberfläche wird weggeätzt, bis die gewünschte Überschlagspannung erreicht ist. So entsteht ein Plättchen mit einer Dicke mit einem festliegenden abgestuften spezifischen Widerstand, aus der viele Transistorkörper ausgeschnitten werden können. Es ist zu beachten, daß die Sonden- und Ätzmaßnahme auch ohne die Ätzlinienbestimmung ausgeführt werden könnten. Dies wäre jedoch zeitraubend, und der obenerwähnte Unterschied zwischen der Ätzlinie und der eigentlichen Schicht dient als Gegenprobe bei der Diffusion. Die Diffusion bei einem bestimmten Plättchen kann leicht verfälscht werden, oder es kann ein Fehler vorkommen, so daß dadurch vielleicht die Ätzlinie von der Stelle verschwindet, wo sie erwartet wird. Durch diese Anzeige kann die Arbeit an dem betreffenden Plättchen eingestellt werden, bevor eine längere Fabrikationszeit darauf verschwendet worden ist.

Nach Festlegung der Basisdicke wird jetzt das Plättchen im Transistorkörper würfelförmig aufgeteilt. Das geschieht, indem das Plättchen in kleine Quadrate zersägt wird. Bei der Herstellung hat es sich als möglich erwiesen, den Transistorkörper außerordentlich klein zu machen. Bei dem in den vorausgegangenen Schritten beschriebenen Beispiel hat sich der einzelne Würfel, der zum Transistorkörper werden soll, mit einer Kantenlänge von 2,5 · 10~~² cm im Quadrat als ausreichend erwiesen.

Jeder Würfel erhält nun ein besonders geformtes Basisstück. Vorzugsweise wird ein Basisstück an die Oberfläche des Würfelbereichs mit abgestuftem spezifischem Widerstand angelötet, wobei nur so viel Wärme angewandt wird, wie zur Herstellung der Lötverbindung erforderlich ist. Das besonders geformte Basisstück ist aus gut leitendem Metall und ist an einer Stelle durchbohrt. Das Basisstück kann auch mit einem Kegel ausgestattet werden, um es von dem Kristall abzusetzen. Ein solches Basisstück ist in Fig. 6 dargestellt und könnte vorzugsweise so hergestellt werden, daß ein 1,3 · 10—² cm dickerund 0,25 cm breiter Nickelstreiferi 30 an der Stelle 31 mit einem Locheisen beaufschlagt und ein Teil des so deformierten Bereichs abgetragen wird, um ein Loch 32 mit einem Durchmesser von etwa 1,8 · 1O^-2Cm zu bilden. Wichtig ist nur, daß das Loch in dem Basisstück groß genug ist, um einen später anzubringenden Schicritemitter aufzunehmen, und daß es nicht so groß ist, daß das Basisstück daran gehindert wird, an allen Randstellen auf dem Würfel aufzuliegen. Das Loch darf also nicht größer sein, als der Kristallwürfel

ίο breit ist, oder die bauliche Auflage geht verloren. Um den Basiswiderstand der Vorrichtung niedrig zu halten, muß der Abstand von der späteren Emitterschicht zum Basisanschluß so klein wie möglich sein.

Im nächsten Verfahrensschritt werden auf die Würfelflächen ausgewählte Mengen von die Leitfähigkeit bestimmenden Störstoffen aufgebracht, so daß bei einer späteren Zünd-Behandlung eine ohmsche Verbindung zu dem Bereich konstanten spezifischen Widerstandes und ein gleichrichtender Kontakt zu

ao dem Bereich abgestuften spezifischen Widerstandes hergestellt werden. Es gibt kleine kugelförmige Mengen von die Leitfähigkeit bestimmenden Verunreinigungen oder aus Gold, das solche Störstoffe enthält, unter der Bezeichnung »Störstoffdotierungen«.

Sie können entweder durch Druck aufgebracht werden oder dadurch, daß sie in einem passenden Schmelztiegel so angeordnet werden, daß sie bei Zündung in Kontakt mit den entsprechenden Würfelflächen sind. Zur Bildung des Emitters des Schalttransistors innerhalb des Loches im Basisstück muß die Abmessung der kleinen Verunreinigungsmenge klein genug sein, so daß bei der Einlegierung in den Würfel das Basisstück die Schicht nicht kurzschließt. Die Größe der Verunreinigungsmenge für die ohmsche Verbindung ist nicht so kritisch, und zwar genügt ein einfaches Verhältnis von 1:1 zwischen dem Kugeldurchmesser und der Würfelbreite. Zum Beispiel ist für den Transistor nach Fig. 1 der Emitterstörstoff eine Indiumkugel mit 6,4 · 10—³ cm Durchmesser. Der ohmsche Kollektorkontakt ist ebenfalls eine Indiumkugel mit etwa 2,5 · 10-²cm Durchmesser. Hier können auch Leitungen zu dem Emitter und dem KoJlektor angebracht werden, damit sie bei Zündung befestigt werden·. Nach Aufbringung der Störstoffe wird das Aggregat bei einer Temperatur erhitzt, die ausreicht, um den Störstoff zu schmelzen und ihn mit dem Halbleitermaterial zu legieren. Bei dieser Temperatur herrscht in der mit dem Bereich abgestuften spezifischen Widerstandes gebildeten Legierung der entgegengesetzte Typ von die Leitfähigkeit bestimmenden Störstoffen vor, und es wird eine gleichrichtende Schicht erzeugt, während die in dem Bereich konstanten spezifischen Widerstandes erzeugte Legierung von demselben Typ der die Leitfähigkeit bestimmenden Störstoffe beherrscht wird, so daß eine ohmsche Verbindung entsteht. Die Eindringtiefe des Legierungsbereich'S für den gleichrichtenden Kontakt darf nicht den wie oben erzeugten Bereich konstanten spezifischen Widerstandes übersteigen, um ein konstantes γ auf der ganzen Oberfläche zu sichern. Die Eindringtiefe des Legierungsbereichs in einer gegebenen Zeit kann leicht bestimmt werden. Im Falle des oben beschriebenen Beispiels erzeugt eine 2 Minuten lange Erhitzung bei 600° C eine Gleichrichterschichtdurchdringung von 5 · 10~³ cm. Die so erzeugte Schicht verläuft wegen der kristallographischen Orientierung des Kristallmaterials parallel zu der Obei> fläche des Kristalls. . - ,. .

Es kann aber auch ein anderer Verfahrensschritt zur Erreichung des gewünschten konstanten γ auf der

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ganzen Fläche der Emitterschicht ausgeführt werden. Dabei wird die Oberfläche des Basisbereichs des Transistors so weit weggeätzt, daß die Schicht nur entlang einer Ebene Kontakt mit dem Bereich hat. Daher besteht ein konstanter spezifischer Widerstand auf der ganzen Oberfläche der Schicht. Durch diesen Schritt wird der oben beschriebene zweite Diffusionsschritt unnötig gemacht. Dieser Schritt kann aber erst ausgeführt werden, nachdem die Emitterschicht gebildet worden ist.

Die Vorrichtung wird anschließend in einem geeigneten luftdichten Behälter, z. B. in einer Metalldose mit Glassockel, wie in Fig. 1 dargestellt, oder in einem ganz aus Glas bestehenden Gehäuse ähnlich einem Kleinstelektronenröhrenkolben zusammengebaut Die Emitter-, Basis- und Kollektorleituiigen führen durch den luftdidfot verschlossenen Behälter nach außen zum Anschluß an die äußere Schaltung entweder in steckbarer Form gemäß Fig. 1 oder in anderer passender Weise.

Der nächste Verfahrensschritt besteht im Füllen des nicht von dem Transistor eingenommenen Raumes innerhalb des Behälters. Das geschieht durch Einführung einer speziellen, die Umgebung kontrollierenden und Wärme ableitenden Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit darf nicht mit Wasser mischbar sein, muß einen hohen Siedepunkt und eine niedrige Dielektrizitätskonstante haben. Die diesen Anforderungen entsprechenden Flüssigkeiten gehören zu der chemischen Gruppe (C_eH₃-l,3,5-(CH₃)₃), zu dier auch Mesitylengehört.

Im letzten Verfahrensschritt wird der Behälter luftdicht abgeschlossen. Dieser Schritt hängt von dem verwendeten Behälter ab. In Fig. 1 ist der Behälter 13 an der öffnung mit einem wärmedichtenden Kunststoff 16 abgedichtet.

Bei dem beschriebenen Verfahren entsteht ein Schalttransistor mit einem Basisbereich abgestuften spezifischen Widerstandes, einem Legierungsschichtemitter mit konstantem y, einer bestimmten Übersc'hlagspannung zwischen Emitter und Basis, einem symmetrischen Stromfluß im Basisbereich, einem niedrigen und genau zu bestimmenden »EIN-Widerstand«, einer starken Durchschlagspannung, einer höhten Zener-Spannung, einer baulich widerstandsfähigen Basisdicke, einer kurzen Speicherzeit und einer niedrigen Kollektorkapazität; außerdem erreicht man die Wärmeableitungsvorted Ie ohne Verwendung eines massiven Wärmeabieiters. In der vorstehenden Beschreibung des Herstellungsverfahrens für den Transistor sind nur die hauptsächlichen Verfahrensschritte näher ausgeführt worden. Die feineren Punkte in der Technik der Behandlung, die sich durch die kleinen bearbeiteten Abmessungen und die verwendeten Ätzlösungen ergeben, sind nicht besonders erwähnt, da sie an sich bekannt sind. Außerdem ist zu beachten, daß der bei der Halbleiterherstellung benötigte Reinheitsgrad größer ist, als durch spektroskopische Verfahren feststellbar ist; z. B. genügt 1 Störatom auf 10 000 000 Kristallatome, um die Leitfähigkeit zu verändern. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, in allen Stadien eines Halbiefterfabrikationsvorganges mit größter Sorgfalt darüber zu wachen, daß dieser hohe Reinheitsgrad auch aufrechterhalten wird.

Die nachstehenden Bemerkungen sollen zum Verständnis des Transistors beitragen und die Würdigung aller durch den beschriebenen Transistor und das Herstellungsverfahren erreichten Vorteile gestatten.

Was zunächst den Basisbereic

(Fig. 1) betrifft, so hat er einei fischen Widerstand zwischen ein der Emitter-Basis-Schicht 9 klein ansteigt, und einem Wert, der be

2 des Transietors abgestuften speziem Faktor, der an ist und· exponentiell rächtlich höher am

P-N-Übergang 4 ist. Der Zweck einer solchen Veränderung des spezifischen W

Basisbereich ist in Verbindung njiit Fig. 7 und 8 erkennbar.

ίο In Fig. 7 ist der Logarithm* Widerstandes über dem Abstand (Fig. 1), im Basisbereich 2 und in aufgetragen. Man kann sehen,
emitterbereich der spezifische

Emitter-Basis-Schicht 9 sehr klein steiler Anstieg des spezifischen V Schicht und dann ein exponentiell· Wert an der Kollektor-Basis-Schii bereich nimmt der spezifische W Entfernung von der Schicht ab t wählten Wert, der im restlichen bereichs konstant bleibt. Das Erg tiellen Gradienten des spezifischen Widerstandes im

Basisbereich 2 ist aus Fig. 8 ersid dermodell für diesen Schalttransis Nach Fig. 8 verlaufen die Enerj

und Valenzbänder de« Halbleitermaterials parallel zum Fermi-Niveau im Emitterbereich. Außerdem ist zu beachten, daß dieser parallele Verlauf im Basisbereich so und zwar liegt das größere Nive spezifischen Widerstand, nämlich

iiderstand.es in dem

des spezifischen m Emitterbereich 7

Kollektorbereich 3 aß im Legierungs- ^iderstand an der

ist. Es erfolgt ein iderstandes an der

τ Anstieg auf einen :ht 4. Im Kollektorderstand mit der is zu einem ausge-

Ieil des Kollektorebnis des exponen

tlich, die das Bän- or zeigt, ieniveaus der Leit-

und im Kollektor-

iarf verzerrt wird, u bei dem höheren an der Kollektorschicht 4. Da bekanntlich die Mmoritätsträgerlöcher in diesem Beispielsfall die größte Energiehöhe auf suchen, wirkt auf die von dem Emitter dieses Tran , sistors injizierten Minoritätsträger ein inneres elektrisches Feld ein, das sie veranlai t, in der Richtung des Überganges 4 abzutreiben. Hi ;rdurch werden sowohl die Ansprech- als auch di; Speicherzeit des Transistors beträchtlich verkürzt und ermöglichen eine Verwendung bei sehr hoher Frequenz. Man kann feststellen, daß die optimale Steigerung des spezifischen Widerstandes mit dem

bereich im wesentlichen eine expc nentielle Funktion des Abstandes von der Emittersch es hat sich gezeigt, daß das Verfahren der Gasdiffusion von Störstoffen in einen Halbjeiterkristall dieser Funktion sehr nahe kommt.
Was nun die Kollektorzone 3 Anbetrifft, so kann man gemäß Fig. 7 sehen, daß der stand in dieser Zone von der K

bstand im Basis-

cht sein muß, und

spezifische Widerllektorsperrschicht

aus ähnlich wie der spezifische V Widerstand in der Basiszone 2 abfällt. Das Ergebnis einer solchen KoI-lektorausbildiung iist, daß die der EOÜtektorschicht zugeordnete Erschöpfungsschicht un bedingungen sowohl in den Basisbereich als auch in den Kollektorbereich eindringt unc lektorschicht zugeordnete Feld übe fernung verteilt wird. Dies kann mit dem herkömmliehen Schichttransistor verglichen werden, in dem der Kollektorbereich im allgemeinen einen niedrigeren spezifischen Widerstand als der Basisbereich hat, und da es bekannt ist, daß infolge der

torspannung des Transistors die Elrschöpfungsschicht in die der Sperrschicht benachbarte zu dem spezifischen Widerstand dringt, hat der Transistor eine E die auf beiden Seiten der Schicht ζ Durch die Kombination der Veränderung des spezifischen Widerstandes in den Bas s- und Kollektor-·

:er Vorspannungs-

daß das der KoI-eine größere Ent-

virksamen Kollek-

Zone proportional dieser Zone einschöpfungsschicht, iemlich groß ist.

13 U

bereichen zn beiden Seiten der Kollektorschicht wird flächeneffekten verändert als andere herkömmliche also dem Transistor gemäß der Erfindung .eine einzig- Emittertypen. Der zweite Vorteil .besteht darin, daß artige Leistung gegeben, und gleichzeitig werden zwei der Legierungsschichtemitter eine .größere Injektions-Pxobleme gelöst, deren Einzellösungen früher ein- leistung als viele andere bekannte Emittertypen hat. ander widersprachen. Früher rückte dieErschöpfungs- 5 Die Injektionsleistung des Emitters, die als γ beschicht, die dem Kollektor zugeordnet ist, in den kannt und ein Maß iür den Verlust in dem Transistor Basi»bereich konstanten spezifischen Widerstandes vor, infolge der Dämpfung des Eingangssignals bei der aber wegen des für eine gute Frequenzempfindlichkeit Injektion von Minoritätsträgern in die Basis ist, ist erforderlichen dünnen Basisbereichs konnte die Er- einer von mehreren Faktoren, deren Produkt den Verschöpfungsschicht diese Strecke bei niedrigen Span- ίο Stärkungsfaktor des Transistors bestimmt. Da — wie nungen durchlaufen. Zur Erlangung guter Durch- oben beschrieben —·- der Verstärkungsfaktor des Transchlagspannungen wurden also dickere Basisbereiche sistors hoch sein soll, vergrößert natürlich die Verfür notwendig erachtet. Wendung eines Legierungsschichbemitters dien Ver-

Für die Hochfrequenzempfindlichkeit waren an- Stärkungsfaktor des Transistors und gestattet somit

dererseits dünnere Basisbereiche erforderlich, und die 15 die Schaltung größerer Teilstromkreisbelastungen.

Lösungen beider Probleme lagen daher im Wider- Der Legierungsschichtemitter dieses Transistors hat

streit. zwei besondere Eigenschaften, die für Schaltzwecke

Es ist in d^;em Aggregat ein ziemlich dünner Basis- wesentlich sind und bisher in vergleichbaren Tranbereich vorgesehen, der zusammen mit dem -einge- sistoren nicht zur Verfügung standen. Die erste ist bauten Feld eine sehr gute Multimegahertz-Fre- 20 diie konstante Injektionsleistung γ auf der ganzen quenzempfindlichkeit ,gewährleistet, und gleichzeitig Oberfläche der Legierungsschicht. Das konstante y in erfolgt kein Durchschlag, weil mit dem Vorrücken Verbindung mit der oben beschriebenen Stromflußder Erschöpfungsschicht durch den Basisbereich symmetrie erzeugt genau reproduzierbare Kennlinien diese auf niedrigere spezifische Widerstände trifft. und einen sehr kleinen »EIN-Widerstand«. Die zweite Je näher also die Erschöpfungsschicht dem Durch- 25 Eigenschaft ist die bestimmte Überschlagspannung schlagpunkt kommt, desto höher ist die Kollektor- zwischen Emitter und Basis. Diese wird erreicht spannung, ,die zu ihrem Weiterrücken nötig ist. wegen des sehr niedrigen spezifischen Widerstandes

Der Lawinendurchbruch entsteht dadurch, daß die des der Schicht benachbarten Halbleitermateriale und Träiger durch ein starkeis Feld an der KoUektorschicht bewirkt, daß ein eingebauter Begrenzer dafür einbeschleunigt werden, so daß sie beim Zusammen- 30 gestellt wird, wie weit der Transistor abgeschaltet stoß mit Atomen im Kristall eine kritische Anzahl werden kann. Die Einschaltzeit ist daher immer ein neuer Träger erzeugen. Um dieses starke Feld zu kleiner vorherbestimmter Teil der Signaldauer,
schwächen, ist eine Verbreiterung der Kollektor- Was nun schließlich das Einkapsehingsverfahren schicht nötig. Der Transistor ist so eingerichtet, daß betrifft, so bietet die Flüssigkeit, die den Transistor das Feld der Kollektorschicht über einen größeren 35 umgibt, drei deutliche Vorteile. Sie schließt Feuchtig-Absitand verteilt wird, wodurch das starke Feld unter keit aus und verringert dadurch die Oberflächenden kritischen Wert abgeschwächt wird, so daß die Verluste des Kristalls, sie vermindert den Energie-Lawinendurchbruchspannung steigt. verlust an die Umgebung infolge ihrer niedrigen di-

Die Basiselektrode 5 ist kreisförmig, hat eine öff- elektrischen Konstante, und sie überträgt Wärme nung in der Mitte und hat nur mit einem kleinen 40 durch Konvektion auf den Behälter. Der Transistor Ring der Oberfläche des ßasisbereichs 2 Kontakt. hat seinerseits eine größere Strahlungsfläche, weil so-Durch diiese Ausführungsform werden mehrere struk- wohl das Basisstück als auch der Kristall von der turelle und schaltungsmäßige Vorteile erreicht, und Flüssigkeit umgeben sind. Durch das Zusammenwirzwar besteht der erste darin, daß ein gelöteter ohm- ken dieser Merkmale wird Wärme abgeführt. Wähscher Kontakt 6 leicht mit einem breiten Bereich des 45 rend in den meisten Konstruktionen diese Wärme-Kristalls bei einem Mindestmaß von schädlichen ableitung nur durch Anbringung einer großen Masse Wärmeeinwirkungen hergestellt werden kann. Das mit einer entsprechenden Steigerung der Kapazität kreisförmige Stück wird so deformiert, daß der größte erreicht wird, ist bei der Erfindung eine Wärme-Teil der Basiselektrode von der Basis des N-Bereichs 2 ableitermasse nicht erforderlich, und die Kapazität getrennt gehalten wird, ausgenommen an dem Kon- 5° wird durch die niedrige Dielektrizitätskonstante der taktring der ohmschen Verbindung 6. Die Öffnung in Flüssigkeit klein gehalten.

der Basiselektrode, in der der Emitter 8 montiert ist, In Halbleiterstoffen, wie Germanium und Silizium,

dient zur Erzeugung eines symmetrischen Stromflus- werden die elektrischen Eigenschaften durch das Vor-

ses innerhalb des Basisbereichs 2. herrschen und die Konzentration von sehr geringen

Ein weiterer durch diese Ausführungsform erreich- 55 Mengen von bestimmenden Verunreinigungen, d. h.

ter Vorteil baulicher und schaltungstechnischer Art Störstoffen, gesteuert. Eine bestimmte Klasse dieser

ist, daß die Basiselektrode infolge ihres großen Kon- Verunreinigungen, ζ. B. Arsen und Antimon, gibt

taktbereichs mit dem Kristall Wärme übertragen dem Material den Leitfähigkeitstyp N, und eine

kann, so daß sowohl die Basiselektrode als auch der andere Klasse, zu der Indium und Gallium gehören,

Kristall Wärme an den umgebenden Behälter abgeben 60 führt zum Leitfähigkeitstyp P. Die Vorherrschaft der

können·. Die so geformte Basiselektrode wirkt wie einen den Leitfähigkeitstyp bestimmenden Verunrei-

eine Kühlflosse. nigung gegenüber der anderen bestimmt den Leit-

Was nun den Legierumgösdhiichtemitter 8 und die fäihigkeitstyp des Halbleitermaterials, und die Nettoihm zugeordnete Sperrschicht 9 betrifft, so werden menge der vorherrschenden Störstoffe bestimmt den mehrere nicht direkt erkennbare Vorteile durch die 65 spezifischen Widerstand des Halbleitermaterials.
Verwendung dieser Ausführungsform erreicht. Der Es hat sich erwiesen, daß die Leistung einer Haiberste dieser Vorteile ist baulicher Art insofern, als leitervorrichtung und die Vorbedingungen, unter der Schichtemitter in bezug auf Erschütterungen und denen sie arbeiten soll, sowohl durch den Wert des Schwingungen überlegen ist und mit geringerer Wahr- spezifischen Widerstandes des Halbleitermaterials an scheinlichkeit seine Eigenschaften infolge von Ober- 7° bestimmten Punkten innerhalb eines bestimmten

Leitfäh.igkeitsbereichs als auch durch die Geschwindigkeit, der Veränderung des spezifischen Widerstandes von einem Punkt zum anderen in de.m Bereich beeinflußt werden. Ein Beispiel für eine Halbleitervorrichtung, das die Wichtigkeit eines bestimmten spezifischen Widerstandes an bestimmten Punkten und. einer Änderuogsgesahwan'digkeit des spezifischen Widerstandes zwischen bestimmten Punkten veranschaulicht, ist vorstehend beschrieben.

Das Verfahren der Diffusion von Störstoffen in Halbleitermaterial ist eines der Verfahren, die zu verschiedenen spezifischen Widerständen zwischen zwei Punkten in einem Halbleiterkristall führen. Bei Anwendung dieser Technik ist wegen der Natur der Diffusion im allgemeinen die Verunreinigung an der Oberfläche des Halbleitermaterials, durch die sie eingeführt wird, stark konzentriert. Durch die starke Verunreinigungskonzentration wird bewirkt, daß der spezifische Widerstand des Halbleitermaterials so niedrig ist, daß dadurch die Leistung der Vorrichtung rjeeinträchtigt wird. Um dies zu verbessern, müssen Maßnahmen getroffen werden, um den spezifischen Widerstand an der Halbleiteroberfläche zu erhöhen. Bei dem einen Verfahren wird das Material niedrigen Widerstandes durch Abtragen oder Wegätzen von dem Halbleiterkristall entfernt. Sowohl die Abtragung als auch die Ätzung sind technisch schwierig ausführbar, und in beiden Fällen muß der Halbleiterkristall dann nachbehandelt werden, um die nachteiligen Wirkungen der Abtragung oder Ätzung zu beseitigen.

Gemäß der Erfindung läßt sich der spezifische Widerstand an der Oberfläche eines Halbleitermaterials durch einen Diffusionsvorgang in einer Atmosphäre erhöhen, die eine Störstoffkonzentration enthält, welche niedriger als die zur Erzeugung der Störstellenkonzentration in dem Halbleitermaterial an dessen Oberfläche nötige Verunreinigungskonzentration ist. Gleichzeitig bewirkt eine solche Diffusion eine Störstoffverteilung in dem Bereich des Halbleitermaterial s, der direkt an die Oberfläche angrenzt, welche optimal für die Herstellung bestimmter Vorrichtungen ist. Mit der Erhöhung des spezifischen Widerstandes an der Oberfläche des Halbleitermaterials befaßt sich die Erfindung. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Bereichs m;i-t bekanntem, fast konstantem spezifischem Widerstand bis zu einer gewünschten Tiefe in einem Halbleiterkörper, der einen Widerstandsgradienten hat.

Der in Fig. 9 gezeigte Flächentransistor 100 besteht aus einem Körper aus Halbleitermaterial, z. B. Germanium oder Silizium, mit bestimmten Störstoffen. Der Körper des Transistors 100 enthält drei Zonen abwechselnd entgegengesetzter Leitfähigkeit, und zwar die Zonen 102, 103 und 104, die hier willkürlich als P-, N- bzw. P-Typ dargestellt sind. Ein ohmscher Kontakt 105 wird z. B. durch Anlöten an die Oberfläche der P-Zone 102 hergestellt. Die Zonen 102 und 103 bilden eine P-N-Übergangsschicht 106, welche als Kollektorschicht des Transistors 100 dient. Die Zonen 103 und 104 bilden eine P-N-Übergangsschicht 107, die als Emitterschicht dient. Eine ohmsche Verbindung 108 ist zu der Emitterzone 104 und eine we: iere ohmsche Verbindung 109 zu der als.Basis des Tra isistors 100 dienenden Zone 103 herstellt. Bei der Herstellung der Halbleitervorrichtungen nach Fig. 1 soll innerhalb des Körpers der Vorrichtung eine Differenz im spezifischen Widerstand vorhanden sein. Zur Herstellung dieser Widerstandsdifferenz dient die Einführung der Verunreinigung in das

Halbleitermaterial über die Diffu
wird eine Quelle der gewünschtei

äionsmethode. Dabei Verunreinigung an

die, Oberfläche des Materials unter solchen Umständen herangebracht, daß die Diffui

in den Kristall wahrnehmbar ist.

der Diffusion möglich, und zwa

ionsgeschwindigkeit Es sind zwei Arten r die Diffusion, bei

der die .Verunreinigung in festem Zustand, und die, bei der die Verunreinigung in gasförmigem Zustand herangeführt wird. Bei der Diffusion im festen Zustand wird
Oberfläche

eine feste Verunreini
des Halbleiterkristal.

gungsmasse auf die s aufgebracht, und

dann wird die Temperatur erhol t, um die Diffusion zu beschleunigen. Bei der gasförmigen Diffusion wird die Verunreinigung in das Halbleitermaterial aus einem als konstante Quelle dientnden Dampfzustand diffundiert.

Bei der Diffusion der Störstoffe in das Halbleitermaterial werden diese so verteilt, daß sie an der Oberfläche stark und mit wachsendem Abstand innerhalb des Materials allmählich sei wacher konzentriert sind. Da der spezifische Widersta id des Materials für einen bestimmten Leitfähigkeitstyp sich etwa umgekehrt zu der vorhandenen Störsi offmenge verändert, ist der Widerstand an der Oberfläche niedrig und nimmt mit größerer Tiefe zu. Fi§;. 10 zeigt graphisch die Veränderung des spezifisches Widerstandes des Halbleiters mit zunehmender Tie:e als Ergebnis einer typischen Diffusion.

einen Widerstandsu Null ist, etwa exu einem einfachen :wa exponentiell auf :ifischen Widerstand

des Körpers vor der Diffusion darstellt. Am Tangentenpunkt der Bögen der Widerstandskurve ist das Halbleitermaterial nahezu eigen leitend, und. in der

Die Kurve in Fig. 10 hat nun
wert, der an der Oberfläche nahe;
ponentiell mit der Tiefe bis 5
Wendepunkt ansteigt und dann e
einen Wert absinkt, der den spe;

Nähe des Wendepunktes befindet s
schicht. Der niedrige spezifische^
leitermaterials an der Oberfläch
Wirkungen, z. B. eine niedrige
Schlagsspannung eines gleichri

z. B. Zone 104 in Fig. 9, zur Oberfläche.

Zur Beseitigung dieses Nachteils wird erfindungsgemäß das Halbleitermaterial ein

unterworfen, in der die Atmosphäre eine niedrigere Störstoffkonzentration enthält a
ist, um die an der Materialoberflä

Stoffkonzentration zu erzeugen. D
Stör stoff in die Atmosphäre, wodurch die Konzentration der Verunreinigung an der C berfläche sofort verringert wird. Da die Schnelligkei

der Temperatur und der Störstoffkonzentration abhängt, hat es sich gezeigt, daß der Vorgang in der kleinsten Zeit ausgeführt werden kann, wenn die höchstzulässige Temperatur verwendet wird und die Konzentration der Störstoffe in

ich eine P-N-Grenz^riderstand des HaIb- : hat unerwünschte umgekehrte Durch- :htenden Kontakts,

er zweiten Diffusion

s die, welche nötig :he vorhandene Stör-)abei diffundiert der

t der Diffusion von

der Atmosphäre am

kleinsten ist. Als zufriedenstellende Atmosphäre für diesen Vorgang wird ein Vakuum oder eine indifferente oder reduzierende Atmosp läore verwendet. Die hochstzulässige Temperatur in einem bestimmten Falle wäre die, welche dem Halbleitermaterial thermische Schäden zufügt. Sie liegt

im allgemeinen nahe

dem Schmelzpunkt. Infolge der Γ iffusion wandert die Verunreinigung sowohl weiter
material hinein als auch von der
hat sich jedoch gezeigt, d,aß die

Material hinein nur eine geringe Wirkung auf die

Widerstandskurve in dem Mater
Wanderung dazu führt, daß de
stand an der Kristalloberfläche

in das Halbleiter-Oberfläche weg. Es Wanderung in das

al hat, während die r spezifische Wjderteil ansteigt. Es ist

zu beachten, daß bei Verwendung der Diffusion im festen Zustand für die Erzeugung des anfänglichen Widerstandsgradienten die Störstoff quelle, obwohl sie nur wenige Tausendstel-Zentimeter dick ist, .am besten entfernt wird vor Anwendung der Diffusion,' um diese zu beschleunigen. Bei Gasdiffusion genügt eine Veränderung der Atmosphäre, z. B. das Auspumpen des Störstoffdampfes.

In Fig. 11 ist nun die Widerstandskurve als Ergebnis der Diffusion in der Nähe der Oberfläche abgeflacht worden und auf einen endlichen Wert angestiegen. Daher ist es nun möglich, gleichrichtende Kontakte, z. B. Punktkontakte oder Legierungsschichten, an diese Oberfläche anzulegen; diese Kontakte haben annehmbare umgekehrte Durchschlagsspannungen. Außerdem bewirkt das Diffusionsverfahren mehrere nicht sofort erkennbare Vorteile. Erstens können umgekehrte Durchschlagsspanuungen eines bestimmten Wertes für einen gleichrichtenden Kontakt erlangt werden. Es hat sich gezeigt, daß die umgekehrte Durchschlagspannung eines gleichrichtenden Kontakts durch den Widerstand des Halbleitermaterials, das direkt an den Punkt, wo der Kontakt hergestellt wird, angrenzt, beeinflußt wird. Infolge der bei einer Diffusion infolge ihrer langsamen Durchführung mögliehen genauen Kontrolle ermöglicht die Erfindung sehr genau vorherbestimmbare Obernächenwiderstände. Ein weiterer wertvoller Vorteil, der durch die Diffusion erreichbar ist, besteht darin, daß die Injektionsleistung eines als Emitter verwendeten gleichrichtenden Kontakts auf der ganzen Kontaktfläche mit dem Halbleitermaterial konstant ist. Diese Injektionslei stung γ beeinflußt viele der Leistungsbestimmungsgrößen einer Halbleitervorrichtung, die einen gleichrichtenden Injektionskontakt verwendet, und wird beeinflußt durch den spezifischen Widerstand des direkt an den Kontakt angrenzenden Halbleiterbereichs. Ein weiterer wichtiger Vorteil ergibt sich daraus, daß durch eine niedrige Oberflächenleitfähigkeit die Oberflächenableitströme, die der Leistung der Halbleitervorrichtung abträglich sind, stark verringert werden.

Wenn nun zur Veranschaulichung der Transistor nach Fig. 9 betrachtet wird, so dringt der die Grenzschicht 107 mit dem Basisibereich 103 bildende Emitterbereich 104 verschieden tief ein, so daß, wenn sich der spezifische Widerstand des Basisbereichs gemäß Fig-. IO verändern würde, der spezifische Widerstand über die Oberfläche der Grenzschicht 107 schwanken würde und damit auch γ veränderlich wäre. Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung wird jedoch die Widerstandskurve in dem Teil des Materials nahe der Oberfläche gemäß Fig. 11 abgeflacht. Wenn nun unter diesen Umständen ein gleichrichtender Kontakt, wie er z. B. nach den bekannten Legierungsschichtverfahren erzeugt werden kann, angelegt wird, wie Bereich 104 und Grenzschicht 107 in Fig. 100 zeigen, so ist der Widerstand des Bereichs 103, der bis zu der in Fig. 11 gezeigten Tiefe konstant ist, auf der Oberfläche der Grenzschicht 107 konstant.

Wenn als Umgebung für die widerstandserhöhende Diffusion gemäß der Erfindung ein Vakuum bei Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt des Halbleitermaterials gewählt wird, so findet in wenigen Sekunden ein sehr steiler Anstieg im Oberflädieäiwiderstand start, aber die Abflachung der Kurve dauert beträchtlich langer. Als Beispiel für die Größenordnung bei einer gegebenen Kombination von Bedingungen kann gesagt werden, daß etwa ein Fünftel der Zeit, die für die Diffusion von Störstoffen in einen Halbleiterkörper bis zu einer bestimmten Tiefe nötig ist, genügt, um den Widerstand an der Oberfläche und bis zu einer für die meisten Legiertingsschichten angemessenen Tiefe zu erhöhen. Andere Kontaktarten, wie galvanische oder Punktkontakte, brauchen vielleicht beträchtlich weniger Zeit.

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Transistor, hergestellt nach dem Gasdiffusionsverfahren, insbesondere für Schaltoperationen in datenverarbeitenden Maschinen, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers in der Emitterzone gleichbleibend extrem niedrig ist, in der Emitter-Basis-Übergangszone scharf ansteigt und wieder abfällt, in der anschließenden Basiszone auf dem Wege bis zum Basis-Kollektor-Übergang wieder exponentiell ansteigt und anschließend mit zunehmender Entfernung vom Basis-KoMektor-Übergang innerhalb der Kollektorzone wieder stark abfällt, so daß im Betrieb die Diffusionsbewegung der Ladungsträger im Basisbereich zusätzlich eine Driftkomponente erhält, injizierte Minoritäts. träger schneller zur Kollektorübergangszone gelangen und die beim Auihören des dem Transistor aufgeprägten Eingangssignals gespeicherten Ladungsträger schneller aus der Basiszone ausgeräumt werden.

2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter ein legierter Schichtemitter (7) ist.

3. Transistor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorzone (3) die gleiche Fläche wie die Basiszone (2) aufweist.

4. Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiselektrode (5) kreisförmig die Emitterelektrode (7) umgibt.

5. Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper in einem mit einer wärmeleitenden Flüssigkeit (15) kleiner Dielektrizitätskonstante gefüllten Gehäuse eingeschlossen ist.

6. Transistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllflüssigkeit eine Verbindung der Gruppe (C₆ H₃-1,3,5-(C H₃)₃), insbesondere Mesitylen, ist.

"TT^erfahren zur Herstellung eines Transistors nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das nach der Dampfdiffusionsmethode behandelte einkristalline Halbleiterausgangsmaterial, insbesondere p-Germanium, einen hohen spezifischen Widerstand von etwa 2 Ωαη aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper im Vakuum während einer Zeitdauer erhitzt wird, die kurzer ist als diejenige Zeitdauer, in der der Halbleiterkörper in einer Dampfatmosphäre erhitzt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Diffusionsverfa'hrensschritt in einer Dampfatmosphäre mit einer geringeren Störstoffkonzentration zur weiteren Erhöhung des spezifischen Widerstandes an der Halbleiteroberfläche angewendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Diffusionsverfahrensschritt im Vakuum und unter Wärmeeinwirkung angewendet wird.

809 789094

11. Verfahren nach den Ansprüchen 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand des Halbleiterkörpers bis zu einer bestimmten Tiefe, von der Oberfläche aus gemessen, konstant gehalten wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Die Naturwissenschaften, Bd. 4J), 1953, Heft 22,

S. 578, 579; I

Zeitschrift für Elektrochemie, BdI 58, 1954, Heft 5,

S. 283 bis 321.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen