-
Doppel-Flächentransistor mit zwei auf einem gemeinsamen Halbleiterkörper
angeordneten, hintereinandergeschalteten Transistoren Die Erfindung bezieht sich
auf einen Doppel-Flächentransistor mit zwei auf einem gemeinsamen Halbleiterkörper
angeordneten, hintereinandergeschalteten Transistoren.
-
Heutzutage besteht eine Nachfrage für Verstärkervorrichtungen, die
eine hohe Verstärkung und gute Linearität mit großem Stromausgang vereinigen. Es
ist bisher nicht möglich gewesen, diese Forderung vollständig durch eine einzelne
Halbleiteranordnung zu befriedigen. Das Grundproblem bei verstärkenden Halbleiteranordnungen,
bei denen eine hohe Stromverstärkung gewünscht wird, besteht darin, daß bei Erhöhung
der Verstärkung normalerweise zusätzliche Verstärkerstufen der Anordnung zugefügt
werden. Diese zusätzlichen Stufen können unter Verwendung von Transformatoren oder
durch eine Widerstand-Kondensator-Kopplung miteinander verbunden werden, wodurch
der Verstärker auf eine Verstärkung von Wechselspannungen beschränkt wird. Eine
solche Bedingung fordert weiterhin, daß jede Stufe eigenstabil ist. Eine andere
Möglichkeit ist die direkte Kopplung verschiedener Verstärkerstufen. Dies hat sich
jedoch auf Grund der Diffusionsströme, die in den verschiedenen Stufen auftreten,
als nicht befriedigend herausgestellt. Die Steuerung der Diffusionsströme stellt
ein besonders schwieriges Problem bei Triodenhalbleiterverstärkern dar, da jede
Verstärkungsstufe normalerweise sowohl den Diffusionsstrom der vorhergehenden Stufe
als auch die Signale, die von dieser erhalten werden, in gleicher Weise verstärkt.
Wenn somit die Diffusionsströme vervielfacht werden, besteht der Ausgang zu einem
großen Teil aus diesen Diffusionsströmen, die leicht den Hauptteil des Ausgangssignals
ausmachen können. Diese Schwierigkeiten werden durch den Doppel-Flächentransistor
gemäß der Erfindung beseitigt.
-
Es sind zwar schon Doppel-Transistoren bekannt, die wie der Erfindungsgegenstand
zwei oder auch mehrere auf einem gemeinsamen Halbleiterkörper angeordnete, hintereinandergeschaltete
Transistoren besitzen. Diese Halbleiteranordnungen unterscheiden sich jedoch ganz
wesentlich von dem Doppel-Flächentransistor gemäß der Erfindung. So besitzt bei
den bekannten Doppel-Flächentransistoren der Halbleiterkörper eine Halbleiterkugelform,
und bei ähnlichen Spitzentransistoren ist der Halbleiterkörper länglich mit Elektroden
an den Stirnflächen. Insbesondere besitzen aber die Halbleiterkörper bei allen bekannten
Transistoren dieser Art einen im wesentlichen überall gleichen spezifischen elektrischen
Widerstand, so daß bei keiner dieser Halbleiteranordnungen eine Unterdrückung von
unerwünschten Diffusionsströmen möglich ist.
-
Demgegenüber kennzeichnet sich der Doppel-Flächentransistor erfindungsgemäß
dadurch, daß der eine Transistor auf einem plättchenförmigen Halbleiterkörper so
angebracht ist, daß in der Mitte eine Basiselektrode auf einer Fläche des Halbleiterkörpers
angebracht und dann von einer ringförmigen Emitterelektrode umgeben ist, der die
ringförmige Kollektorelektrode auf der anderen Fläche des Halbleiterkörpers gegenüberliegt,
und eine weitere ringförmige Basiselektrode die Emitterelektrode umgibt, daß dann
die ringförmigen Elektroden des zweiten Transistors in derselben Reihenfolge so
angebracht sind, daß die zweite, äußere Basiselektrode des ersten Transistors und
die innere, erste Basiselektrode des zweiten Transistors eine einzige Ringelektrode
ist und daß der plättchenförmige Halbleiterkörper in dem Bereich des ersten Transistors
einen höheren spezifischen elektrischen Widerstand besitzt als in dem Teil, auf
dem der zweite Transistor angebracht ist.
-
Die hierfür benutzten Halbleiterkörper werden durch übliche Verfahren,
wit beispielsweise durch vertikales Ziehen aus einer Schmelze, hergestellt. Solche
Körper besitzen einen verhältnismäßig niedrigen spezifischen Widerstand in den äußeren
Teilen im
Vergleich zum inneren Teil. Ein Doppel-Flächentransistor
gemäß der Erfindung kann infolgedessen in sehr günstiger Weise so hergestellt werden,
daß der innere Teil des Plättchens zum Tragen des ersten Transistors und der äußere
Teil für den zweiten Transistor verwendet wird. Da in dem zweiten Transistor normalerweise
ein größerer Strom fließen muß, ist das Halbleitermaterial mit dem niedrigen spezifischen
Widerstand für diesen Transistor vorteilhaft, während das Halbleitermaterial mit
dem höheren spezifischen Widerstand bei dem ersten Transistor eine vorteilhafte
Verminderung des Diffusionsstromes bewirkt.
-
Weitere Vorteile bestehen darin, daß große Flächen für die Ableitung
der Wärme von den Kollektoren verfügbar sind und der Doppel-Flächentransistor sehr
viel stabiler ist als vergleichbare bekannte Halbleiteranordnungen oder zusammengeschaltete
Halbleiteranordnungen mit denselben Verstärkungseigenschaften. Außerdem ist zwischen
den Verstärkungsstufen keine Einrichtung zur Stabilisierung der Schaltung erforderlich.
Weiterhin ist der Doppel-Flächentransistor im Vergleich mit zusammengeschalteten
Transistoren wirtschaftlicher in der Herstellung, da nur ein einziges Halbleiterplättchen
für einen Zweistufenverstärker zur Verwendung kommt. Dabei können die beiden Kollektoren
wie auch die beiden Emitter gleichzeitig legiert werden, wodurch eine bessere Anpassung
der Kennlinie erreicht wird.
-
Bei einigen Anwendungsmöglichkeiten kann es vorteilhaft sein, eine
einzige Kollektorfläche auf einer Seite des Plättchens und zwei Emitter auf der
anderen Seite, die vom Kollektor durch zwei dünne Brückenzonen getrennt sind, anzubringen.
-
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend
in zwei Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnungen beschrieben.
-
Fig.l zeigt einen Grundriß des Doppel-Flächentransistors; Fig. 2 zeigt
den Doppel-Flächentransistor in einem Vertikalschnitt entlang der Linie II-II der
Fig. 1 mit einer Verstärkerschaltung; Fig. 3 ist eine Draufsicht auf eine andere
Ausführung des Doppel-Flächentransistors, und Fig.4 zeigt einen Vertikalschnitt
dieses Doppel-Flächentransistors entlang der Linie IV-IV in Fig. 3. Die Fig. 1 und
2 zeigen einen Doppel-Flächentransistor mit einem Halbleiterplättchen
11 aus beispielsweise Germanium oder Silizium, drei ohmschen Basiselektroden
12, 13 und 14, zwei Emitterelektroden 15 und 16 und zwei Kollektorelektroden
17 und 18. Die Emitter- und Kollektorelektroden werden durch Legieren eines
besonderen Verunreinigungselementes mit der dem Plättchen 11 entgegengesetzten
Leitfähigkeit, wie beispielsweise Arsen, Antimon, Wismut (n-Typ), Gallium, Indium
oder Aluminium (p-Typ), mit dem Plättchen hergestellt, wobei den Elektroden vorgelagerte
Übergangszonen 15 a, 16 a, 17 a und
18 a vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp als der Halbleiterkörper
entstehen.
-
Das Plättchen 11 wird vorzugsweise nach der vertikalen Kristallziehtechnik
hergestellt, nach der ein länglicher Kristall dadurch erzeugt wird, daß Material
aus einer Schmelze von p- oder n-Typ-Material herausgezogen wird und nach dem Herausziehen
erstarrt, so daß sich ein Einkristallblock bildet. Die Plättchen werden aus dem
Block geschnitten und als Vorbereitung für die Legierung geätzt. Beim Herausziehen
des Kristallblocks aus der Schmelze hat es sich gezeigt, daß ein spezifischer elektrischer
Widerstandsgradient von seinem Mittelpunkt bis zum Rand hin verläuft. Der Mittelpunkt
des Blockes enthält weniger Verunreinigungen und hat damit einen höheren spezifischen
Widerstand als der äußere Teil.
-
Die Übergangszonen der Emitter- und Kollektorelektroden werden in
dem Halbleiterplättchen nach dem Legierungsverfahren hergestellt. Die Emitter-und
Kollektorelektroden sind ringförmig und paarweise auf einander gegenüberliegenden
Oberflächen 19 und 20 des Plättchens 11 angeordnet. Zwischen
den Übergangszonen 15 a, 17 a und 16 a, 18 a befinden sich verhältnismäßig
dünne Brückenzonen des Halbleiterkörpers 22 und 23, die jeweils eine Dicke «a,»
besitzen. Es ist für die meisten praktischen Zwecke wichtig, daß die Brückenzonen
22 und 23 im wesentlichen gleiche Dicke besitzen, so daß eine gleichmäßige Verteilung
des elektrischen Feldes zwischen den ohmschen Basiselektroden erhalten wird.
-
Die Anordnung der beiden konzentrischen Transistoren ist besonders
für einen Doppel-Tetrodentransistor gut geeignet, in dem die beiden Transistoren
so miteinander verbunden sind, daß ein Vierpol-Verstärkerkreis mit zwei Verstärkerstufen
gebildet wird. Fig. 2 zeigt die Schaltung eines solchen Verstärkers. Die Eingangssteuerspannung
wird zwischen Erde und Steuer-Basiselektrode 12 des Innentransistors angelegt, der
eine erste Verstärkerstufe bildet, die die Basiselektrode 12, den Emitter 15, den
Kollektor 17 und die Vorspannungs-Basiselektrode 13 umfaßt. Der Emitter 15 des inneren
Transistors ist direkt mit der Steuer-Basiselektrode 14 des äußeren Transistors
verbunden. Der äußere Transistor umfaßt die Basiselektrode 14, den Emitter 16 und
den Kollektor 18. Die Vorspannungs-Basiselektrode 13 ist beiden Transistoren
gemein. Der Emitter 16 ist geerdet. Eine Vorspannungsbatterie 27 liegt zwischen
dem Emitter 16 und der Vorspannungs-Basiselektrode 13 und spannt die Emitter-Basis-Verbindung
sowohl des inneren als auch des äußeren Transistors vor. Die Kollektoren 17 und
18 sind direkt miteinander verbunden und über einen Belastungswiderstand
29 und eine Batterie 28
geerdet.
-
Die Eingangssteuerspannung an der Basiselektrode 12 bewirkt eine verstärkte
Änderung des Emitter- und Kollektorstromes des ersten Transistors, und der Emitterstrom
des ersten Transistors wird der Basiselektrode 14 des zweiten Transistors zugeführt,
der einen verstärkten Ausgangstrom von dem Kollektor 18 über die Belastung29 liefert.
Die Vorspannung, die der Basiselektrode 13 zugeführt wird, verbessert in bekannter
Weise die Verstärkungslinearität des Doppel-Flächentransistors.
-
Die in Fig.3 und 4 gezeigte Vorrichtung enthält ein p- oder n-Typ-Halbleiterplättchen
31, das aus einem Einkristall gebildet ist, auf dessen Oberflächen 32 und
33 Elektrodenteile 34, 35, 36 und 37 mit Verunreinigungen von dem dem Plättchen
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp angebracht sind. Außerdem sind ohmsche Basiselektroden
38, 39 und 40 ebenfalls auf der Oberfläche des Plättchens angeordnet. Die Elektrodenteile
werden, während sie sich mit dem Halbleiterplättchen in Verbindung befinden, wärmebehandelt,
so daß in der Nähe der Oberfläche Übergangszonen 34a, 35a, 36 a und
37a gebildet werden, die verhältnismäßig dünne Brückenzonen des Halbleiterkörpers
41, 42 von der Dicke »y« entstehen lassen. Die Übergangszonen 34a, 35a, 36a
und 37a sind paarweise und im wesentlichen einander gegenüberliegend auf dem Halbleiterplättchen
angeordnet, damit maximal breite Brückenzonen 41, 42 entstehen.
Der
in Fig. 3 und 4 gezeigte Doppel-Flächentransistor arbeitet in ähnlicher Weise wie
der in den Fig. 1 und 2 gezeigte. Falls der spezifische elektrische Widerstand des
Eingangstransistors verhältnismäßig groß sein muß, kann der Teil des Kristalls,
der für den Eingangstransistor benutzt wird, so ausgewählt werden, daß das Material
hier einen verhältnismäßig hohen spezifischen Widerstand besitzt.
-
Es ist ein Doppel-Flächentransistor der in den Fig. 1 und 2 gezeigten
Konstruktion aus einem Germaniumplättchen hergestellt worden, das nach der horizontalen
Kristallwachstechnik gewachsen ist, mittels deren ein Einkristallblock vom n-Typ
aus einer Schmelze hergestellt wurde, die mit Antimon dotiert war. Durch die verwendete
Menge des Antimons erhielt der Block einen spezifischen Widerstand von 8 bis 10
Ohm -cm im mittleren Teil und von 5 bis 7 Ohm - cm am Rand.
-
Ein ausgewählter Plättchenrohling des Blockes wurde auf eine Größe
von 4,83 cm2 geschnitten und auf eine Stärke von 0,432 mm abgeschliffen, worauf
der Rohling durch Ätzen in einer bekannten Ätzlösung auf eine Stärke von 0,203 mm
gebracht wurde. Dann wurden ringförmige Teile aus Indium mit p-Typ-Leitfähigkeit
zur Bildung von Kollektoranschlußzonen 18a und 17a mit der einen Oberfläche
des Plättchens 11 in Berührung gebracht und nach einer Wärmebehandlung bei 497°
C von 4 Minuten innerhalb von 15 Minuten auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Kollektoren
hatten einen Außendurchmesser von 1,447 bzw. 0,686 cm und einen Innendurchmesser
von 1,015 bzw. 0,470 cm.
-
Die Emitterelektroden 16 und 15 wurden dann in ähnlicher Weise auf
dem Plättchen 11 angebracht. Sie hatten einen Außendurchmesser von 1,370 bzw. 0,634
cm und einen Innendurchmesser von 1,015 bzw. 0,470 cm. Die Wärmebehandlung erfolgte
bei 469° C und dauerte 4 Minuten. Daran schloß sich ebenfalls eine 15 Minuten dauernde
Abkühlung auf Zimmertemperatur an.
-
Die Basiselektroden 12, 13 und 14 bestanden aus Nickel und wurden
mit einem Lot auf das Plättchen aufgelötet. Das Lot enthielt 59% Blei, 390/0 Zinn
und 2'% Antimon. Zum Schluß wurden - die Elektroden miteinander verbunden, und die
ganze Vorrichtung wurde eingekapselt.