DE1062821B - Drifttransistor mit in der Basiszone abgestuftem spezifischem Widerstand - Google Patents
Drifttransistor mit in der Basiszone abgestuftem spezifischem WiderstandInfo
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Description
Bei der Entwicklung von Transistoren, die starke Ströme verarbeiten können, ist es bisher oft nötig gewesen,
einen Kompromiß im HinbHck auf das Frequenzverhalten einzugehen, um die nötige geometrische Größe für die
Verarbeitung starker Ströme zu erhalten. In den meisten bisher verfügbaren Transistoren haben die Halbleitereigenschaften
der Minoritätsträgerspeicherung und der Diffusionszeit zu langen Einschalt- und Ausschaltzeiten
»des Transistors geführt, und die geometrische Größe der Vorrichtungen .wurde verkleinert, um einen kleineren
Ausbreitungsweg für die zu diffundierenden oder zu speichernden Minoritätsträger zu erhalten. Dies hat
insofern eine Einschränkung für Transistoren bedeutet, als ihre geometrische Größe bisher durch die Überlegung
begrenzt würde, wie groß die Vorrichtung sein durfte, bevor die Ein- und Ausschaltverzögerung infolge der
Minoritätsträgerdiffusionszeit und -speicherung die Leistung merklich beeinflußte.
Um einen Flächentransistor bei hohen Frequenzen verwenden zu können, sind bereits Drifttransistoren
bekanntgeworden, bei denen 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
auszuüben. Die Basiszone ist dabei mit gleichem Leitfähigkeitstyp ein- oder zweischichtig ausgebildet,
wobei bei zwei Schichten jede Schicht eine verschieden hohe Leitfähigkeit aufweist. Die Basisschicht mit der
höheren Leitfähigkeit ist dem Emitter, die mit der geringeren Leitfähigkeit dem Kollektor benachbart.
Die Erfindung bezieht sich auf einen solchen Drifttransistor mit in der Basiszone abgestuftem spezifischem
Widerstand, bei dem der spezifische Widerstand im Gebiet des Emitters niedrig und im Gebiet des Kollektors
hoch ist. Die Erfindung besteht darin, daß die Emitterelektrode von einer ohmschen Basiselektrode kreisförmig
auf der gleichen Oberfläche des Halbleiterkörpers um1 geben ist, daß die Kollektorelektrode auf der anderen
Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht ist, daß der Halbleiterkörper auf. beiden Oberflächen den gleichen
Durchmesser wie die Basis- bzw. Kollektorelektrode hat und daß die Oberfläche des Halbleiterkörpers auf der
Seite mit der Basiselektrode größer als die auf der Seite mit der Kollektorelektrode ist. Damit wird eine Gestaltung
der Feldlinien im Halbleiterkörper erreicht, die es gestattet, daß die injizierten Minoritätsträger den Kollektor-PN-Übergang
schneller erreichen können, wie später noch im einzelnen ausgeführt wird.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen:
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau des Transistors nach der Erfindung;
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung der Energiehöhe in den Bereichen des Transistors nach Fig. 1;
Drifttransistor mit in der Basiszone
abgestuftem spezifischem Widerstand
abgestuftem spezifischem Widerstand
Anmelder:
IBM Deutschland
Internationale Büro-Maschinen
Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49
Internationale Büro-Maschinen
Gesellschaft m. b. H.,
Sindelfingen (Württ), Tübinger Allee 49
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Mai 1957
V. St. v. Amerika vom 31. Mai 1957
Richard Frederick Rutz1 Fishkill, N. Y. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden
ist als Erfinder genannt worden
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung der verminderten Verzögerungen in diesem Transistor;
as Fig. 4 ist eine graphische Darstellung der verbesserten Verstärkereigenschaften dieses Transistors.
Gemäß Fig. 1 besteht der Transistor 1 nach der Erfindung aus einem Körper aus Halbleitermaterial,
z. B. Germanium und SiKzium, mit einem Basisbereich 2 des einen Leitfähigkeitstyps, hier als N-Typ dargestellt.
Ein stromverstärkender PN-Hook-Kollektor besteht darstellungsgemäß aus Bereichen 3 und 4 vom P- bzw.
N-Leitfähigkeitstyp, die die PN-Übergänge 5 und 6 bilden. Zu dem Bereich 4 ist eine äußere ohmsche Kollektorverbindung
7 hergestellt. Ein kleinflächiger Schichtemitter ist an den Basisbereich 2 angeschlossen und als
P-Bereich 8 und PN-Übergang 9 dargestellt. Zu dem P-Ieitenden Bereich 8 führt eine äußere ohmsche Emitterverbindung
10. Eine kreisförmige ohmsche Basisverbindung 11 ist an den Basisbereich 2 angeschlossen Und umgibt
den Emitter in einem bestimmten Abstand, um ein inneres Feld in dem Basisbereich 2 zu bilden, wie noch
beschrieben wird. Der Basisbereich 2 hat einen Widerstandsgradienten, der zwischen einem niedrigen Wert
am Emitterübergang 9 und einem höheren Wert an dem Kollektorübergang 5 schwankt.
Der Transistor nach Fig. 1 hat eine Kombination von. strukturellen Merkmalen, durch die die Richtung und
die Geschwindigkeit der Minoritätsträger in dem Basisbereich während des leitenden Zustandes beeinflußt
werden. Der Basisbereich 2 hat einen Widerstandsgradienten, der zwischen einem niedrigen Wert am Emitter-PN-Übergang
9 und einem höheren Wert am Kollektor-PN-Übergang 5 verläuft. Der Basisbereich mit ab-
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\ΊΕΚΤ FEÄUJ] [TEXT M'säsf. t·!
7 8
dieses Transistors vorgesehenen Widerstandsgradienten Kollektor erreichen und die innere Rückkopplungsder
physikalische Abstand durch den Basisbereich, der wirkung, dargestellt als X, einleiten; Tc stellt die Zeit zu
durch den dem Kollektor-PN-Übergang 5 zugeord- 0,9 Gesamtausgang für den Transistor nach der Erfindung
neten Erschöpfungsbereich durchlaufen wird, immer dar; Tb stellt die Zeit zu 0,9 Gesamtausgang für einen
kleiner wird bei Abnehmen des spezifischen Widerstandes, 5 » Drifts-Transistor dar, und τα stellt die Zeit zu 0,9 Geso
daß bei dieser Transistorkonstruktion viel höhere samtausgang für einen Transistor mit einem strom-
»Durchbruch« -Spannungen zur Verfügung stehen. Eine verstärkenden Kollektor und ohne »Drift«-Feld dar.
obere Grenze für den Elektrodenabstand zwischen Emitter Ähnlich sind in der Abschaltzeit progressive Reduktionen
und Kollektor, damit die innere positive Rückkopplung in der Verzögerung durch die kombinierten Vorteile
bestehen kann, hegt in der Nähe der Diffusionsstrecke io dieser Felder im Basisbereich 2 dargestellt,
des durchschnitthchen Trägers während der Träger- Ein weiterer Vorteil von beträchtlicher Bedeutung lebensdauer im betreffenden Halbleitermaterial, aus dem wird durch die Kombination dieser Felder erreicht, der Transistor besteht. Dies ist der Fall, weil die inneren Dieser Vorteil besteht darin, daß in dem Transistor nach Verluste in dem Kristall, z. B. Rekombination, so groß der Erfindung ein Vorgang vermieden wird, den man als. sind, daß die für die Erzeugung dieses Rückkopplungs- 15 »Alpha crowding*- bezeichnet, wodurch die hohe Stromzustandes ausreichende Konzentration von Minoritäts- leistung der bisher zur Verfügung stehenden Vorrichtungen trägern nicht entwickelt werden kann. Mehrere Vor- wirksam begrenzt wurde. Die Erscheinung des »Alpha, richtungen, die die Merkmale dieses Transistors enthalten, crowdings ist in Fig. 4 dargestellt, die — wie durch die arbeiten gut, wenn der Abstand zwischen Emitter und gestrichelte Linie angedeutet ist — zeigt, daß Alpha für Kollektor innerhalb der Diffusionsstrecke des durch- 20 eine bestimmte Vorrichtung einen optimalen Wert für schnittlichen Trägers während der Trägerlebensdauer eine gegebene Emitterstrommenge hat und daß für über im Halbleitermaterial Hegt und der Emitterkontakt dem Optimum liegende Emitterstromwerte sich eine mit dem N-Bereich sich in einer Öffnung des Basiskontakts Reduktion in der Leistung der Vorrichtung zeigt. Aisbefindet, deren Durchmesser etwa fünfmal so groß ist als Ergebnis der Kombination der beiden Felder in der die Diifusionsstrecke für den durchschnitthchen Über- 25 Vorrichtung nach der Erfindung bilden die Felder eine schußträger während der Trägerlebensdauer im Halb- AusgangskennUnie des als durchgehende Linie in Fig. 4 leitermaterial. Um nun die innere positive Rückkopplungs- gezeigten Typs, worin kein optimales a innerhalb des wirkung sicherzustellen, ohne daß ein unnötig hoher gesamten brauchbaren Strombereiches auftritt, so daß-Gewinn aus dem Kollektor nötig wäre, muß die In- für hohe Ausgangsstromwerte der Verstärkungsfaktor jektionsleistung des Emitters (Gamma) fast gleich Eins 30 und die Gesamtleistung der Vorrichtung sich weiterhin sein, wie es mit dem Schichtemitter erreicht werden kann. bessern. Bei außergewöhnlich hohen Strömen nimmt die Da die Wirkung des Feldes im Basisbereich 2 des darin Verstärkung ab, aber diese Ströme hegen außerhalb des enthaltenen Widerstandsgradienten und die Wirkung des normalen Wirkungsbereichs dieser Vorrichtungen. Dies inneren elektrischen Feldes, das durch das Verhältnis wird der Wirkung der kombinierten Felder im Basisder Elektroden zueinander erzeugt wird, einander er- 35 bereich zugeschrieben, durch die innere Verluste in dem gänzen, erhält man mehrere unerwartete Effekte bei der Transistor vermindert werden, und ist ein beträchtlicher Leistung des Transistors nach Fig. 1 als Ergebnis der technischer Vorteil.
Kombination dieser beiden Felder in einem Basisbereich.
des durchschnitthchen Trägers während der Träger- Ein weiterer Vorteil von beträchtlicher Bedeutung lebensdauer im betreffenden Halbleitermaterial, aus dem wird durch die Kombination dieser Felder erreicht, der Transistor besteht. Dies ist der Fall, weil die inneren Dieser Vorteil besteht darin, daß in dem Transistor nach Verluste in dem Kristall, z. B. Rekombination, so groß der Erfindung ein Vorgang vermieden wird, den man als. sind, daß die für die Erzeugung dieses Rückkopplungs- 15 »Alpha crowding*- bezeichnet, wodurch die hohe Stromzustandes ausreichende Konzentration von Minoritäts- leistung der bisher zur Verfügung stehenden Vorrichtungen trägern nicht entwickelt werden kann. Mehrere Vor- wirksam begrenzt wurde. Die Erscheinung des »Alpha, richtungen, die die Merkmale dieses Transistors enthalten, crowdings ist in Fig. 4 dargestellt, die — wie durch die arbeiten gut, wenn der Abstand zwischen Emitter und gestrichelte Linie angedeutet ist — zeigt, daß Alpha für Kollektor innerhalb der Diffusionsstrecke des durch- 20 eine bestimmte Vorrichtung einen optimalen Wert für schnittlichen Trägers während der Trägerlebensdauer eine gegebene Emitterstrommenge hat und daß für über im Halbleitermaterial Hegt und der Emitterkontakt dem Optimum liegende Emitterstromwerte sich eine mit dem N-Bereich sich in einer Öffnung des Basiskontakts Reduktion in der Leistung der Vorrichtung zeigt. Aisbefindet, deren Durchmesser etwa fünfmal so groß ist als Ergebnis der Kombination der beiden Felder in der die Diifusionsstrecke für den durchschnitthchen Über- 25 Vorrichtung nach der Erfindung bilden die Felder eine schußträger während der Trägerlebensdauer im Halb- AusgangskennUnie des als durchgehende Linie in Fig. 4 leitermaterial. Um nun die innere positive Rückkopplungs- gezeigten Typs, worin kein optimales a innerhalb des wirkung sicherzustellen, ohne daß ein unnötig hoher gesamten brauchbaren Strombereiches auftritt, so daß-Gewinn aus dem Kollektor nötig wäre, muß die In- für hohe Ausgangsstromwerte der Verstärkungsfaktor jektionsleistung des Emitters (Gamma) fast gleich Eins 30 und die Gesamtleistung der Vorrichtung sich weiterhin sein, wie es mit dem Schichtemitter erreicht werden kann. bessern. Bei außergewöhnlich hohen Strömen nimmt die Da die Wirkung des Feldes im Basisbereich 2 des darin Verstärkung ab, aber diese Ströme hegen außerhalb des enthaltenen Widerstandsgradienten und die Wirkung des normalen Wirkungsbereichs dieser Vorrichtungen. Dies inneren elektrischen Feldes, das durch das Verhältnis wird der Wirkung der kombinierten Felder im Basisder Elektroden zueinander erzeugt wird, einander er- 35 bereich zugeschrieben, durch die innere Verluste in dem gänzen, erhält man mehrere unerwartete Effekte bei der Transistor vermindert werden, und ist ein beträchtlicher Leistung des Transistors nach Fig. 1 als Ergebnis der technischer Vorteil.
Kombination dieser beiden Felder in einem Basisbereich.
Der erste Effekt ist der, daß die Verkürzung der Einschalt- Patentansprüche:
und der Ausschaltzeit viel größer ist als erwartet. Fig. 3 40
und der Ausschaltzeit viel größer ist als erwartet. Fig. 3 40
enthält eine graphische Darstellung eines Vergleichs 1. DrifttransistormitinderBasiszoneabgestuftem
zwischen der Ausgangsanstiegszeit dieses Transistors spezifischem Widerstand, bei dem der spezifische
nach der Erfindung und den Ausgangsanstiegszeiten be- Widerstand im Gebiet des Emitters niedrig und im
kannter Transistortypen mit jeweils derselben Basisbreite. Gebiet des Kollektors hoch ist, dadurch gekenn-Die
Kurve A zeigt die Ausgangskennhnie eines Tran- 45 zeichnet, daß die Emitterelektrode von einer ohmschen
sistorsmiteinemstromverstärkendenKollektor(a>l+&). Basiselektrode kreisförmig auf der gleichen Ober-Die
Anstiegszeit des Ausgangs ist langsam, bis die Kenn- fläche des Halbleiterkörpers umgeben ist, daß die
linie die Linie X schneidet, zu welcher Zeit innere Rück- Kollektorelektrode auf der anderen Oberfläche des
kopplungsfelder im Basisbereich einen steilen Anstieg in Halbleiterkörpers angebracht ist, daß der Halbleiterder
Anstiegszeit bewirken. In der Kurve B ist der 50 körper auf beiden Oberflächen den gleichen DurchAusgangsstrom
eines normalen Dreizonentransistors vom messer wie die Basis- bzw. Kollektorelektrode hat
Drifttyp gezeigt. In dieser Kurve beginnt infolge des und daß die Oberfläche des Halbleiterkörpers auf der
Driftfeldes die Anstiegszeit mit einer sehr kurzen Ver- Seite mit der Basiselektrode größer als die auf der
zögerung; weil in diesem Transistor kein stromver- Seite mit der Kollektorelektrode ist.
stärkender Kollektor vorhanden ist, bauen sich keine 55 2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekenninneren Rückkopplungsfelder im Basisbereich bei Zu- zeichnet, daß der Abstand des pn-Übergangs an der nähme des Stroms auf, und daher ist die Anstiegszeit Emitterelektrode zum pn-übergang an der Kollektornur von Drift und Diffusion abhängig. Kurve C zeigt elektrode innerhalb der Diffusionslänge der Minoritätsdie AusgangskennliniedesTransistorsnachderErfindung. ladungsträger Hegt und daß der Durchmesser der Hier ist die Zeit sehr kurz, bis der Ausgang anzusteigen 60 ohmschen Basiselektrode ungefähr gleich dem Fünfbeginnt, und das innere Feld steigert schnell den Aus- fachen der Diffusionslänge im Halbleiterkörper ist. gangsstrom auf die voUe Ausgangshöhe. Um eine Ver- 3. Transistor nach den Ansprüchen 1 und 2, dagleichsgrundlage zu gewinnen, ist eine gestrichelte Linie durch gekennzeichnet, daß der Kollektor als Hook gezeichnet worden, die 0,9 des Gesamtausgangs darstellt, ausgebildet ist.
und die jeweiHgen Verzögerungen sind in zeitlicher Folge 65
stärkender Kollektor vorhanden ist, bauen sich keine 55 2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekenninneren Rückkopplungsfelder im Basisbereich bei Zu- zeichnet, daß der Abstand des pn-Übergangs an der nähme des Stroms auf, und daher ist die Anstiegszeit Emitterelektrode zum pn-übergang an der Kollektornur von Drift und Diffusion abhängig. Kurve C zeigt elektrode innerhalb der Diffusionslänge der Minoritätsdie AusgangskennliniedesTransistorsnachderErfindung. ladungsträger Hegt und daß der Durchmesser der Hier ist die Zeit sehr kurz, bis der Ausgang anzusteigen 60 ohmschen Basiselektrode ungefähr gleich dem Fünfbeginnt, und das innere Feld steigert schnell den Aus- fachen der Diffusionslänge im Halbleiterkörper ist. gangsstrom auf die voUe Ausgangshöhe. Um eine Ver- 3. Transistor nach den Ansprüchen 1 und 2, dagleichsgrundlage zu gewinnen, ist eine gestrichelte Linie durch gekennzeichnet, daß der Kollektor als Hook gezeichnet worden, die 0,9 des Gesamtausgangs darstellt, ausgebildet ist.
und die jeweiHgen Verzögerungen sind in zeitlicher Folge 65
bezeichnet mit xa, xh, Tc und Tä; wobei Td die Zeit ist, In Betracht gezogene Druckschriften:
die nötig ist, damit genügend Minoritätsträger den Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 OOS 194.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 909 580/316 7. 59
Claims (1)
- !TIjjMBt »•.^F ***m -t ; , ,V;;|L> JΓ E X "i
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| US662649A US2981874A (en) | 1957-05-31 | 1957-05-31 | High speed, high current transistor |
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|---|---|
| DE1062821B true DE1062821B (de) | 1959-08-06 |
| DE1062821C2 DE1062821C2 (de) | 1961-11-30 |
Family
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DEI14913A Granted DE1062821B (de) | 1957-05-31 | 1958-05-31 | Drifttransistor mit in der Basiszone abgestuftem spezifischem Widerstand |
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| DE (1) | DE1062821B (de) |
| FR (1) | FR1211387A (de) |
| GB (1) | GB873005A (de) |
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- 1958-05-31 DE DEI14913A patent/DE1062821B/de active Granted
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Also Published As
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