DE1094370B - Symmetrisch aufgebaute, flaechenhafte Halbleiteranordnung, insbesondere Transistor - Google Patents

Symmetrisch aufgebaute, flaechenhafte Halbleiteranordnung, insbesondere Transistor

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DE1094370B DEI16888A DEI0016888A DE1094370B DE 1094370 B DE1094370 B DE 1094370B DE I16888 A DEI16888 A DE I16888A DE I0016888 A DEI0016888 A DE I0016888A DE 1094370 B DE1094370 B DE 1094370B
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiteranordnungen, insbesondere auf Flächentransistoren.
Der grundsätzliche Aufbau eines solchen Transistors ist in der Fachwelt bekannt. Er besteht aus einem Plättchen aus Halbleitermaterial, beispielsweise aus Germanium oder Silizium, welches seinen Leitfähigkeitstyp, beispielsweise p-Typ oder η-Typ, bestimmt. Auf einer Oberfläche des Plättchens ist eine Emitterzone, auf der entgegengesetzten Oberfläche eine Kollektorzone angebracht, beide von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp wie das Halbleiterplättchen, wodurch sie mit diesem entsprechende pn-Verbindungen bilden.
Außerdem ist eine ohmsche Kontaktelektrode mit dem Halbleiterplättchen als Basiselektrode vorgesehen. Im Betrieb weisen Emitterzone und Kollektorzone eine entgegengesetzte Spannung gegenüber der Basiszone auf. Um eine möglichst große Verstärkung zu erhalten, wird der Emitterübergang gewöhnlich kleiner als der Kollektorübergang auf der anderen Oberfläche des Halbleiterkörpers gehalten und von diesem in der Projektion überlappt. Eine solche Halbleiteranordnung erlaubt dem Kollektorübergang auch die Aufnahme der Randströme aus der Emitterzone.
Aus dem soeben Gesagten geht hervor, daß die üblichen Transistoren gewöhnlich unsymmetrisch aufgebaut sind, d. h., sie eignen sich für eine befriedigende Arbeitsweise in einer Richtung, und zwar deswegen, weil die Emitter- und Kollektorübergänge im Hinblick auf ihre Funktion und die vorher festgesetzte Polarität der Vorspannung speziell dimensioniert und angeordnet sind.
Es ist bereits bekannt, bei Transistoren mehrere gleichrichtende und/oder nicht gleichrichtende Kontakte an einer Oberfläche des Halbleiterkörpers anzubringen. Sie dienen gewöhnlich dazu, die Arbeitscharakteristik der Halbleiteranordnung durch äußere Schaltmaßnahmen zu beeinflussen oder ihre Verwendung in speziellen Schaltungen mit mehreren getrennten Kreisen zu ermöglichen. Es sind auch Transistoren mit mehreren Zonen, beispielsweise pnpn-Transistoren, bekannt, die für jede Zone einen Elektrodenanschluß besitzen. Ebenfalls bekannt sind Halbleiteranordnungen, deren Oberflächen Vertiefungen und Erhebungen aufweisen, wobei in den Vertiefungen bzw. auf den Erhebungen durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch Diffusion, pn-Übergänge erzeugt und die Zonen gleicher Leitfähigkeit miteinander verbunden werden. Durch derartige Maßnahmen an den Halbleiterbauelementen selbst sollen ebenfalls, unter Umständen in Verbindung mit äußeren Schaltmaßnahmen, die Arbeitskennwerte verbessert werden. In allen Fällen handelt es sich aber um Halbleiterbauelemente, die vorzugsweise in einer Richtung be-
Symmetrisch aufgebaute,
flächenhafte Halbleiteranordnung,
insbesondere Transistor
Anmelder:
Intermetall Gesellschaft für Metallurgie
und Elektronik m.b.H.,
Freiburg (Breisgau), Hans-Bunte-Str. 19
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 4. September 1958
Daniel I. Pomerantz, Lexington, Mass, (V. St. Α.),
ist als Erfinder genannt worden
trieben werden und um Verbesserungen hinsichtlich der bevorzugten Betriebsrichtung.
Ferner sind schon Transistoren bekannt, die symmetrisch ausgebildet sind. Diese besitzen Emitter- und Kollektorzonen von gleicher Größe, wodurch jedoch der Nachteil entsteht, daß sie eine relativ niedrige Stromverstärkung in beiden Richtungen aufweisen.
Hauptziel der Erfindung ist die Schaffung verbesserter symmetrischer Transistoren, welche die Nachteile der bekannten Transistoranordnungen vermeiden oder überwinden.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, neue symmetrische Transistoren zu schaffen, welche eine hohe Verstärkung in beiden Richtungen aufweisen.
Ferner bezweckt die Erfindung die Schaffung eines neuen Transistors, welcher zwar vollständig symmetrisch in seiner Struktur und Arbeitsweise ist, bei dem aber das effektive Größenverhältnis der Emitter-Kollektor-Zone in Abhängigkeit von der Polarität der verwendeten Vorspannung veränderbar ist.
Diese und weitere Ziele der Erfindung werden bei symmetrisch aufgebauten, flächenhaften Halbleiter-
009 677/384
anordnungen, insbesondere Transistoren, bestehend aus einem plättchenförmigen Halbleiterkörper eines bestimmten Leitfähigkeitstyps (n bzw. p) mit mehreren Zonen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (p bzw. n) auf jeder der beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers, welche mit diesem pn-Übergänge bilden, erreicht, indem erfindungsgemäß auf jeder der beiden gegenüberliegenden Oberflächen mindestens zwei durch äußere, die wirksame Fläche der pn-Übergänge ändernde Widerstände überbrückte Zonen entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit einem solchen Abstand vorgesehen sind, daß die entsprechenden pn-Ubergänge getrennt sind und daß jeweils an einer Zone auf jeder Oberfläche eine ohmsche Kontaktelektrode, die mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, und eine weitere ohmsche Kontaktelektrode an der Seitenfläche des Halbleiterkörpers angebracht ist.
Weitere Merkmale der Erfindung und ihre Vorteile gegenüber dem Bekannten werden an Hand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die perspektivische, teilweise aufgeschnittene Darstellung eines Flächentransistors nach der Erfindung;
Fig. 2 ist ein Grundriß der in Fig. 1 dargestellten Halbleiteranordnung;
Fig. 3 ist ein Querschnitt entlang der in Fig. 2 dargestellten Linie 3-3;
Fig. 4 ist ebenfalls ein Querschnitt entsprechend dem von Fig. 3 in einer etwas abgewandelten Form;
Fig. 5 stellt den Grundriß eines anders ausgebildeten Ausführungsbeispiels eines Transistors nach der Erfindung dar.
In Fig. 1 ist aus der gesamten Halbleiteranordnung 10 ein Kreissektor von etwas weniger als 90° herausgeschnitten, um den Aufbau deutlicher erkennen zu lassen. Die Halbleiteranordnung 10 besteht aus einem Halbleiterkörper 12, beispielsweise aus Germanium oder Silizium, welcher in bekannter Weise mit geeigneten Donator- oder Akzeptorverunreinigungen dotiert ist, um den gewünschten Leitfähigkeitstyp zu erhalten.
Der Halbleiterkörper 12, im folgenden auch als Plättchen bezeichnet, ist in Fig. 1 als dünne Scheibe dargestellt. Es handelt sich dabei jedoch nur um ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel, es können" auch andere Formen verwendet werden.
Auf einer Oberfläche des Plättchens 12 sind Zonen 14 und 16 mit einem Leitfähigkeitstyp entgegengesetzt dem des Plättchens 12 vorhanden. Für den vorliegenden Fall soll angenommen werden, daß das Plättchen 12 eine η-Leitfähigkeit besitzt. Dementsprechend besitzen die Zonen 14 und 16 p-Leitfähigkeit. Die Zonen 14 und 16, welche durch Legierung oder durch irgendeine sonst bekannte Methode erzeugt werden können, bilden mit dem Plättchen 12 jeweils pn-Übergänge 18 und 20. Diese sind am besten in Fig. 3 zu erkennen, in welcher die eine Zone die andere umschließt. In der dargestellten Ausführungsform ist der Übergang 18 kreisförmig und zentral auf dem Plättchen gelegen. Der Übergang 20 ist ringförmig ausgebildet und liegt konzentrisch zum Übergang 18. Auf der entgegengesetzten Oberfläche des Plättchens 12 sind die Zonen 22 und 24 ebenfalls vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie das Plättchen 12 aufgebracht und weisen entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel p-Leitfähigkeit auf. Die Zonen 22 und 24 bilden entsprechende pn-Übergänge 26 und 28, welche im einzelnen und in ihrer Gesamtanordnung den Zonen auf der entgegengesetzten Oberfläche entsprechen und diesen gegenüberliegen.
Eine Basiselektrode 30 bildet einen ohmschen Kontakt mit dem Plättchen 12. Sie ist an der Seitenfläche des Halbleiterkörpers aufgebracht. Ein Zuführungsdraht 31 dient als Anschluß für die Basiselektrode 30. Die Funktion der verschiedenen pn-Übergänge hängt von der Richtung der gerade angelegten Vorspannung ab. Sofern in der Beschreibung die Ausdrücke
ίο »Emitter« und »Kollektor« verwendet werden, sind diese nur im Hinblick auf die gerade vorliegenden Funktion gewählt. Die Halbleiteranordnung ist im übrigen auf beiden Oberflächen des Halbleiterkörpers völlig symmetrisch aufgebaut.
Wie in Fig. 1 und 3 dargestellt, sind besondere Impedanzen, beispielsweise äußere Widerstände 32 und 34 für die elektrische Verbindung der Zonen 14 und 16 auf der einen Seite und der Zonen 22 und 24 auf der entgegengesetzten Seite des Plättchens vorgesehen. Der Widerstand 32 ist an einem Ende mit der ringförmigen p-Zone 16 und an seinem anderen Ende mit einem geeigneten Zuführungsdraht 36 verbunden, welcher eine direkte elektrische Verbindung der kreisförmigen p-Zone 14 mit einer Gleichspannungsquelle geeigneter Größe und der gewünschten Polarität herstellt. In ähnlicher Weise ist der Widerstand 34 mit der ringförmigen p-Zone 24 und einem Zuführungsdraht 38 verbunden. Dieser stellt die elektrische Verbindung der kreisförmigen p-Zone 22 mit dem anderen Pol einer Gleichspannungsquelle geeigneter Größe her.
Die äußeren Widerstände 32 und 34 haben im
wesentlichen gleiche ohmsche Widerstandswerte, die im vorliegenden Falle mit den Widerstandswerten der Übergänge 18 oder 26 in Durchlaßrichtung vergleichbar sind. In einer handelsüblichen Anordnung werden die Widerstände 32 und 34 vorzugsweise zusammen mit der Anordnung 10 umhüllt, um eine geschlossene Einheit zu bilden, aus welcher nur die Zuführungsdrähte 31, 36 und 38 zum elektrischen Anschluß hinausragen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Widerstände 32 und 34 auch außerhalb der eingeschlossenen Halbleiteranordnung angebracht werden und irgendeine geeignete Formgebung besitzen können. So können beispielsweise die Widerstände 32 und 34 in Form von geeigneten Lagen oder Überzügen aus Widerstandsmaterial auf der Oberfläche des Plättchens 12 zwischen den Zonen 14 und 16 sowie 22 und 24 aufgebracht werden. Jede solche Schicht kann aus einem geschlossenen Ring oder auch aus einem oder mehreren Segmenten bestehen, welche die entsprechenden Zonen 14 und 16 bzw. 22 und 24 an verschiedenen Punkten berühren.
Im Betrieb ist jeder der Drähte 36 und 38 so mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, daß der eine eine negative und der andere eine positive Spannung in bezug auf die Basiselektrode 30 aufweist. Wenn der Draht 36 am positiven Pol liegt, dann sind die pn-Übergänge 18 und 20 in Durchlaßrichtung gepolt und können als Emitter angesehen werden. Unter diesen Verhältnissen erzeugen die Übergänge 18 und 20 Löcher. Wegen des Widerstandes 32 liefert der Emitterübergang 20 sehr viel weniger Strom pro Flächeneinheit als der Emitterübergang 18.
Die Übergänge 26 und 28 sind entsprechend entgegengesetzt gepolt, so daß beide mit großem Wirkungsgrad die Ladungsträger sammeln.
Bei den angenommenen Polungsbedingungen entspricht die effektive Emitterfläche im wesentlichen der Fläche des pn-Uberganges 18, wogegen die Kollektorfläche aus der Summe der Flächen der pn-Ubergänge
22 und 24 zusammengesetzt ist. Die Anordnung arbeitet daher effektiv mit einer kleinen Emitterzone, der eine große Kollektorzone gegenüberliegt, welche über die Ränder der Emitterzone hinausragt, so daß eine hohe Stromverstärkung erreicht wird. Obwohl die Halbleiteranordnung mechanisch symmetrisch ausgebildet ist, werden die gleichen Ergebnisse beim Betrieb in entgegengesetzter Richtung erhalten, wenn nämlich der Zuführungsdraht 36 negativ und der Zuführungsdraht 38 positiv in bezug auf die Basis 30 gepolt sind.
Den vorstehenden Ausführungen ist zu entnehmen, daß den entsprechenden Flächen der pn-Übergänge sowie den Abständen zwischen ihnen große Bedeutung zukommt. Ihre Größe kann durch Vergleich mit den gewöhnlichen Transistoren, beispielsweise mit Einzel-Emitter und Einzel-Kollektor, bestimmt werden. In den meisten gebräuchlichen Fällen wird man beispielsweise die Fläche der ringförmigen Übergänge 20 und 28 entsprechend der Differenz zwischen Emitter- und Kollektorzone in einem gewöhnlichen Transistor ausbilden und den Abstand zwischen Kreis- und Ringübergang so klein, wie es praktisch möglich ist, halten. In der vorangegangenen Beschreibung sind die Impedanzen 32 und 34 als gewöhnliche Widerstände dargestellt und beschrieben worden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß dies lediglich als Ausführungsbeispiel zur Erläuterung der Erfindung geschehen ist. Die Widerstände 32 und 34 können irgendeine beliebige Impedanz, die für den bei der Erfindung vorgesehenen Zweck wirksam ist, repräsentieren. Neben verschiedenen Arten von Widerstandsanordnungen sind auch nichtlineare oder asymmetrische Widerstände, beispielsweise Dioden, geeignet. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei welcher Halbleiter-Flächendioden verwendet werden, ist in Fig. 4 dargestellt. Die Teile der Figur, die denen der bereits beschriebenen Halbleiteranordnung entsprechen, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen wie in den Fig. 1 bis 3. Die Impedanzen sind durch das Diodenpaar 32' und 34' -dargestellt. Sie sind im Hinblick auf die ringförmigen Übergänge 20 und 24 in Sperrichtung gepolt.
Die Arbeitsweise dieser Halbleiteranordnung ist die gleiche, wie sie bereits beschrieben wurde. Entsprechend der jeweiligen Polung der Zuleitungsdrähte 36 und 38 ist die eine Diode in Durchlaßrichtung, d. h. mit niedrigem Widerstand, und die andere in Sperrichtung, d. h. mit hohem Widerstand, beansprucht.
Obwohl sich die scheiben- und ringförmige Ausbildung der Halbleiteranordnung sowohl in praktischer als auch theoretischer Hinsicht als sehr geeignet erwiesen hat, sei noch darauf hingewiesen, daß die Vorteile der Erfindung auch bei anderer Formgebung erreicht werden können. Als Beispiel ist in Fig. 5 eine Halbleiteranordnung 10' gezeigt, welche eine rechteckige Formgebung aufweist. Bei dieser Figur sind die den Widerständen 32 und 34 entsprechenden Teile fortgelassen worden. Die Anordnung 10' ist außer der Formgebung in jeder Hinsicht mit der bereits beschriebenen Anordnung 10 in den Fig. 1 bis 4 identisch. Die entsprechenden Teile sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den anderen Figuren. Eine nochmalige Beschreibung dürfte sich daher erübrigen.

Claims (12)

Patentansprüche: 65
1. Symmetrisch aufgebaute, flächenhafte Halbleiteranordnung, insbesondere Transistor, bestehend aus einem plättchenf örmigen Halbleiterkörper eines bestimmten Leitfähigkeitstyps (n bzw. p) mit mehreren Zonen des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps (p bzw. n) auf jeder der beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Halbleiterkörpers, welche mit diesem pn-Übergänge bilden, dadurch gekennzeichnet, daß auf jeder der beiden gegenüberliegenden Oberflächen mindestens zwei durch äußere, die wirksame Fläche der pn-Übergänge ändernde Widerstände (32 bzw. 34) überbrückte Zonen (14 und 16 bzw. 22 und 24) entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps mit einem solchen Abstand vorgesehen sind, daß die entsprechenden pn-Übergänge (18 und 20 bzw. 26 und 28) getrennt sind, und daß jeweils an einer Zone auf jeder Oberfläche eine ohmsche Kontaktelektrode (36 bzw. 38), die mit einem Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, und eine weitere ohmsche Kontaktelektrode (30) an der Seitenfläche des Halbleiterkörpers (12) angebracht ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (14 und 16 bzw. 22 und 24) auf den gegenüberliegenden Oberflächen sich genau gegenüberliegen und gleiche Größe haben.
3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zonen (14 und 16 bzw. 22 und 24) auf je einer Oberfläche entweder als Emitter oder als Kollektor wirken und diese Funktion als Emitter oder Kollektor von der Polung der Gleichspannungsquelle abhängt.
4. Halbleiteranordnung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die als Emitter wirkenden Zonen auf einer Oberfläche eine kleinere wirksame Fläche aufweisen als die als Kollektor wirkenden Zonen auf der anderen Oberfläche.
5. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf jeder Oberfläche angebrachten Zonen sich ringförmig in möglichst geringem Abstand umgeben.
6. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die auf jeder Oberfläche angebrachten Zonen sich rechteckig in möglichst geringem Abstand umgeben.
7. Halbleiteranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche der inneren Zone entsprechend der üblichen Größe des Emitters und die Flächen der inneren und äußeren Zonen entsprechend der üblichen Größe des Kollektors bei Transistoren gewählt sind und der Abstand zwischen der inneren und der äußeren Zone so klein wie praktisch möglich gehalten ist.
8. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der äußeren Widerstände (32 und 34) dem Widerstandswert der pn-Übergänge in Durchlaßrichtung entspricht.
9. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Widerstände aus ohmschen Widerständen bestehen.
10. Halbleiteranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Widerstände als Überzüge aus Widerstandsmaterial auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers (12) zwischen den Zonen (14 und 16 bzw. 22 und 24) auf je einer Oberfläche angebracht sind.
11. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die äußeren Wider-
stände aus nichtlinearen oder asymmetrischen Widerständen, insbesondere Dioden (32' und 34'), bestehen.
12. Halbleiteranordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit den
äußeren Widerständen Hülle umgeben ist.
von einer gemeinsamen
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 836 826; USA.-Patentschriften Nr. 2 655 607, 2 820154.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
© 009 677/384 11.60
DEI16888A 1958-09-04 1959-08-25 Symmetrisch aufgebaute, flaechenhafte Halbleiteranordnung, insbesondere Transistor Pending DE1094370B (de)

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