DE1094883B

DE1094883B - Flaechentransistor

Info

Publication number: DE1094883B
Application number: DEN12192A
Authority: DE
Inventors: Alan Frank Gibson; James William Granville; John Battiscombe Gunn
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1956-02-23
Filing date: 1956-05-02
Publication date: 1960-12-15
Also published as: FR1149598A; GB812500A; US3071119A; GB812550A

Description

DEUTSCHES

Die Erfindung bezieht sich auf Halbleiter-Signalübertragungsvorrichtungen .

Bei manchen Schaltanordnungen hat der übliche Spitzentransistor einige Vorteile gegenüber dem üblichen Flächentransistor. So ist z. B. die Stromverstärkung des Spitzentransistors größer als Eins, und das Gerät ist demzufolge in einer entsprechenden Schaltung bistabil, während die Stromverstärkung des obengenannten Flächentransistors kleiner als Eins ist. Für einen bistabilen Steuerkreis würden also zwei Flächentransistoren gegenüber nur einem Spitzentransistor benötigt werden.

Andererseits kann der Kollektor eines Flächentransistors höher beansprucht werden als der Kollektor eines Spitzentransistors.

Es ist eine Spitzenhalbleiteranordnung bekannt, bei der der Kollektor einen Kontakt mit einer η+-Halbleiterschicht herstellt und bei dem diese Schicht dazu verwendet wird, das Rauschen am Kollektor herabzusetzen.

Ferner ist ein Transistor bekannt, bei dem eine n+- Schicht dazu verwendet wird, ohmsche Verbindungen mit den n- oder p-Zonen herzustellen, und es sich um pn- und um np-Übergänge handelt.

Während bei bekannten FlächenhalbleiteranOrdnungen sich vier Zonen in der Reihenfolge npnn+ oder pnpp⁺ finden, ist der Flächentransistor erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper drei Zonen in der Reihenfolge pnn+ bzw. npp+ verwendet sind, daß an jeder Zone je eine ohmsche Kontaktelektrode angebracht ist und daß die ohmsche Kontaktelektrode an der n⁺- bzw. ρ+-Zone als Kollektor verwendet ist.

Während die üblichen Flächentransistoren nur eine Stromverstärkung kleiner als Eins hervorriefen, erhält man mit dem Flächentransistor nach der Erfindung eine Verstärkung, die größer als Eins ist. Durch die Erfindung erhält man einen Transistor mit einer größeren Stabilität, wenn in weiterer Ausbildung der Erfindung zwischen der Basiszone und dem Halbleiterkörper eine weitere Zone erhöhter Leitfähigkeit geschaffen wird.

Der Halbleiterkörper setzt sich aus einer Zone vom einen Leitfähigkeitstyp, aus einer zweiten Zone vom gleichen Leitfähigkeitstyp, die eine größere Konzentration von Fremdstoffen als die erste Zone aufweist, und aus einer dritten Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in stetem Übergang mit der ersten Zone zusammen. Die Zonen haben die einem Flächentransistor entsprechende Minoritätsträger-Lebensdauer, und eine ohmsche Elektrode ist an allen drei Zonen angebracht. Die erste Zone ist die Basiszone, die zweite Zone die Emitterzone des Transistors.

Derartige Ausführungsformen werden gemäß der üblichen Praxis als pnn+- oder npp+-Transistoren bezeichnet, je nachdem, ob die erste Zone aus einem Werkstoff des n- oder p-Typs besteht.

Die erhöhte Verstärkung, verglichen mit einem bis-Flächentransistor

Anmelder:

National Research Development
Corporation, London

Vertreter: Dipl.-Ing. E. Schubert, Patentanwalt,
Siegen (Westf.), Oranienstr. 14

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 3. Mai 1955 und 23. April 1956

Alan Frank Gibson, James William Granville
und John Battiscombe Gunn, Malvern, Worcestershire

(Großbritannien),
sind als Erfinder genannt worden

herigen Flächentransistor, der eine Stromverstärkung von weniger als Eins hat, erhält man dadurch, daß der Transistor mit den dazu passenden, den Elektroden übermittelten Vorspannungen verwendet wird. Diese erhöhte Stromverstärkung entsteht aus den Eigentümlichkeiten des nn+- oder pp+-Überganges. Die Eigentümlichkeiten von Übergängen dieser Art sind sich wesentlich ähnlich, und der Einfachheit halber wird nur die nn+-Art beschrieben.

Die wichtigste Eigentümlichkeit eines nn+-Überganges ist, daß er größtenteils für Defektelektronen (Minoritätsträger) undurchlässig ist, während er für Elektronen (Majoritätsträger) vollständig durchlässig ist. Diese Eigentümlichkeit kann mit der entsprechenden eines pn-Überganges verglichen werden, welcher für Minoritätsträger durchlässig, aber für Majoritätsträger größtenteils undurchlässig ist. Ein Ergebnis der obenerwähnten Eigentümlichkeit eines nn+-Überganges besteht darin, daß, wenn die η+-Zone negativ in Hinsicht auf die n-Zone vorgespannt ist, ein Defektelektronenstrom in den n-Bereich eingebracht wird. Diese Defektelektronen trachten danach, sich bei dem nn+-Übergang anzuhäufen. Dadurch kann eine sehr hohe Dichte von Defektelektronen aufgebaut werden, wenn die η+-Zone eine genügend hohe Leitfähigkeit und Monoritätsträger-Lebensdauer hat. Wenn die Dichte der angehäuften Defektelektronen mit der Fremdstoffdichte der η-Zone vergleichbar wird, kann

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eine große Stromverstärkung erreicht werden, was in weiteren Einzelheiten unten in Betracht gezogen wird.

Es wird nun ein Fadentransistor der von Shockley, Person und Haynes (Beil-System Technical Journal, 1949, Vol. 28) beschriebenen Axt betrachtet. Ein Aufbau der darin beschriebenen Art, wenn er aus n-Halbleitermaterial hergestellt ist, ergibt eine Stromverstärkung, die gleich 5+1 ist, worin b das Verhältnis der Elektronenbeweglichkeit bzw. der Leitungselektronenbeweglichkeit zur Defektelektronenbeweglichkeit darstellt. Gemäß Van Rossbroeck (Journal of applied Physics, Die. 1952) müßte, wenn die Defektelektronendichte in einem solchen Aufbau mit der Fremdstoffdichte vergleichbar wird, eine Stromverstärkung entstehen, die den Wert 5+1 beträchtlich übersteigt.

Dieses wurde ausgeführt, indem die η-Zone des Fadens an dem Ende, welches negativ angeschlossen ist, durch eine η+-Zone endet. Eine Elektrode an der n+-Zone ergibt dann den Kollektor. Dann sind die Defektelektronendichten in dem relativ kurzen Abschnitt des Fadens vergleichbar, welcher von den angehäuften Defektelektronen besetzt ist. Der obenerwähnte Aufbau sollte demzufolge kurz sein, wenn der ganze Vorteil aus dem Anhäufungseffekt gezogen werden soll, um dadurch eine große Stromverstärkung zu erzeugen. Die Ausgangsimpedanz dieses Aufbaus wird aber unerwünscht niedrig sein, wenn der Faden keine sehr kleine Querschnittsfläche hat.

Ein verbesserter Aufbau ist derjenige, bei welchem eine Basiselektrode auf einer Seite einer Platte aus n-Halbleiterwerkstoff angeordnet wird und mit geringem Abstand angebrachte pn+- und nn+-Legierungsübergänge jeweils durch p- und η+-Zonen auf der gegenüberliegenden Seite der Platte geschaffen werden.

Eine Verbesserung kann ebenso erreicht werden, wenn pn- und nn+-Übergänge auf den gegenüberliegenden Seiten einer Halbleiterplatte gelegen sind und die Basisverbindung nach der Platte hin eine radiale Symmetrie über die n+-Zone hat, wobei die Größe des Ausgangswiderstandes bzw. des Arbeitswiderstandes dann auf den sich über die η+-Zone ausbreitenden Widerstand zurückzuführen ist. Der Widerstand einer derartigen radialsymmetrischen Halbleiteranordnung entsteht in der Hauptsache aus dem Teil der η-Zone, welcher innerhalb eines Radius liegt, der mit den Abmessungen einer n+- Zone vergleichbar ist. Diese Abmessungen können leicht klein gehalten werden, verglichen mit der Entfernung, über welche die Dichte der angehäuften Defektelektronen bezeichnend ist. Wenige Zehntel eines Millimeters sind charakteristisch. Somit kann ein praktischer Transistor mit einer hohen Stromverstärkung und passender Ausgangsimpedanz entstehen.

Die Erfindung soll nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden Zeichnung ausführlicher beschrieben werden, und zwar zeigt bzw. zeigen

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt eines pnn+- Transistors,

Fig. 2 a, 2 b eine schematische Seitenansicht und eine Draufsicht eines anderen pnn+-Transistors,

Fig. 3 a bis 3e die Herstellungsphasen des Transistors aus Fig. 2,

Fig. 4a, 4b eine schematische Ansicht und eine Draufsicht eines weiteren pnn+-Transistors,

Fig. 5 a bis 5e Herstellungsphasen des Transistors aus Fig. 4, während

Fig. 6 einen Schnitt eines weiteren pnn+-Transistors wiedergibt.

In Fig. 1 hat ein Körper aus Germanium vom η-Typ I eine ohmsche Basiselektrode 2, welche auf den Halbleiterkörper 1 aufgelötet ist. Ein nn+-Legierungsgebiet 3 und ein pn-Legierungsgebiet 4 befinden sich auf der Oberfläche 5 des Halbleiterkörpers 1 dicht nebeneinander. Zuleitungen 6 und 7 sind jeweils an die Legierungsgebiete 3 und 4 angelötet. In dem so gebildeten Transistor liefert die Basiselektrode 2 zusammen mit den Zuleitungen 6 und 7 die Anschlüsse an den Transistor, der als legierter pnn+-Flächentransistor zu bezeichnen ist. Der Anschluß an den Übergang 3 bildet die Kollektorelektrode, während der Anschluß an den Übergang 4 die

ίο Emitterelektrode bildet.

Eine zweckmäßige Herstellungsweise für den Übergang, bzw. um das Legierungsgebiet 3 zu bilden, besteht darin, ein Stückchen einer Zinn-Antimon-Legierung mit der Oberfläche des Halbleiterkörpers 1 zu verschmelzen. Das Legierungsgebiet 4 wird in ähnlicher Weise hergestellt, indem ein Stückchen Indium mit der Oberfläche 5 verschmolzen wird. Diese beiden Legierungsgebiete werden so dicht aneinander aufgebracht, wie es praktisch ausführbar ist.

ao Es wird darauf hingewiesen, daß zur Erleichterung der Darstellung die relativen Abmessungen des Transistors aus Fig. 1 etwas übertrieben dargestellt wurden. Beispielsweise beträgt die Dicke des Halbleiterkörpers 1 vorzugsweise 2,5 bis 5 mm, und der Durchmesser des Legierungsgebiets 3 wird so klein, wie eben ausführbar, gehalten und beträgt zweckmäßigerweise 0,5 mm. Das Legierungsgebiet 4 hat die gleiche Größenabmessung wie das Legierungsgebiet 3.

Im Betrieb verhält sich die Halbleiteranordnung gemaß Fig. 1 wie ein Transistor, wenn sie in passender Weise an seine Elektroden angeschlossen wird, und liefert eine Stromverstärkung, die größer als die eines entsprechenden Spitzentransistors ist, und zwar typischerweise 10 bis 20. Der Kollektorstrom ist bei dem Emitterstrom Null größer als für einen entsprechenden Spitzentransistor, und die Betriebsspannungen sind kleiner. Gleichzeitig kann die Halbleiteranordnung wegen seiner hohen Stromverstärkung in einem passenden Steuerkreis bistabil sein.

Bei der Auswahl des Werkstoffes, aus dem die Legierungsübergänge 3 und 4 hergestellt werden, gelten, abgesehen von der Auswahl des Werkstoffes, hinsichtlich der Leitfähigkeit in den Legierungsübergängen die Überlegungen, die bei Herstellung von Legierungselektroden am Platze sind.

Wichtige Erwägungen betreffen die Herstellung biegsamer, d. h. nicht brüchiger bzw. nicht spröder Elektroden, auf denen gelötete Anschlüsse leicht hergestellt werden können, und die Erhaltung einer Legierungstemperatur, welche den Leitfähigkeitstyp des Halbleiterkörpers 1 nicht ändert. Einige Erläuterungen hierzu werden von Herold und Jenny in den oben angeführten Veröffentlichungen gegeben.
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Transistors. Die Teile, die denen in Fig. 1 entsprechen, sind dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen. Der Transistor gemäß Fig. 2 a und 2 b unterscheidet sich durch die Anwendung einer η+-Schicht 8 zwischen der Basiselektrode 2 und dem Halbleiterkörper 1. Die Wirkung dieser Schicht 8 bietet die Gewähr dafür, daß der Wert der Stromverstärkung für das Gerät nicht gegenteilig durch die Einbringung von Minoritätsträgern von der Basis her beeinflußt wird.

Die Einfügung einer n+-Schicht 8 kann außerdem bei der Herstellung des Transistors in einer Art und Weise zweckmäßig sein, welche später erklärt wird.

Bei der Herstellung des Transistors gemäß Fig. 2 wird ein Stück Nickel 9 (Fig. 3 a), auf welches eine Anzahl Stückchen 10 einer Zinn-Antimon-Legierung aufgebracht worden sind, die ungefähr 10 % Sb (Antimon) enthält, auf

Claims

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eine Temperatur von 550° C erhitzt, so daß ein Gebiet 11 Ein Stück Nickel 2, welches die Basiselektrode bilden

der Oberfläche des Nickels 9 durch die Zinn-Antimon- soll, enthält ein Loch 16 (Fig. Sa), um welches ein Ring

Legierung 10 benetzt wird (Fig. 3 b), einer Zinn-Antimon-Legierung in Form von kleinen

Nachdem die Oberfläche des Nickels 9 benetzt worden Stucken 17 herumgelegt wird (Fig. Sb). Die Temperatur

ist, wird eine lange Platte 12 aus Germanium vom n-Typ 5 wird dann auf 550° C gesteigert, so daß die Zinn-Antimon-

(Fig. 3 c) mit einem Widerstand von beispielsweise 8 Ohm- Legierung die Oberfläche der Elektrode 2 benetzt und

Zentimeter auf das benetzte Gebiet 11 gesetzt und auf eine benetzte Fläche 17« (Fig. 5 c) entsteht. Es wird dann

eine Temperatur von 500° C erhitzt, so daß eine Legie- abgekühlt, und nachdem ein Stück η-Germanium I in

rung zwischen dem Germanium 12 und dem Nickel 9 Kontakt mit der benetzten Fläche 17« gebracht worden

entsteht. Eine Reihe von Stückchen 13 einer Zinn-Anti- io ist, wird es mit dem Germanium nach unten gelegt, so

mon-Legierung wird dann auf die Oberfläche gebracht daß ein kleines Stück der Zinn-Antimon-Legierung 13 in

(Fig. 3d). Dann wird das Germanium 12 bis zu einer das Loch 16 auf der Oberfläche des Germaniums 1 hinein-

Temperatur von 500° C erhitzt, so daß die Legierungs- gebracht werden kann. Die Temperatur wird dann auf

Stückchen einzelne η+-Legierungsübergänge mit dem 500° C gesteigert, so daß sich die Fläche 17« und das

Germanium bilden. Wenn die Zinn-Antimon-Übergänge *5 Zinn-Antimon-Legierungsstück 13 mit der Oberfläche 15

entstanden sind, wird eine entsprechende Reihe von des Germaniums legiert (Fig. 5d).

Indiumstückchen 14 (Fig. 3 e) auf die Oberfläche des Die nächste Phase besteht darin, ein Stückchen Indium

Germaniums 12 gebracht und die Temperatur wieder auf mit der anderen Oberfläche 5 des Germaniums zu legieren.

500° C erhöht, so daß das Indium mit dem Germanium Dieses wird ausgeführt, indem ein Stückchen 14 auf die

verschmilzt und p-Legierungsübergänge bildet. Der voll- ao Oberfläche 5 gebracht und die Temperatur noch einmal

ständige Transistor entsteht dann durch Abschneiden auf 500° C gesteigert wird (Fig. 5e).

entlang einer Linie, beispielsweise A—A (Fig. 3e), und Ein anderes Konstruktionsbeispiel eines Transistors

durch Auflöten von passenden Elektrodendrähten an den zeigt Fig. 6.

Legierungsübergängen, welche von den Stückchen 13 Ein Halbleiterkörper 1 aus Germanium hat Legierungsund 14 gebildet werden, sowie durch Ätzen, z. B. in 25 übergänge 3 und 4 auf gegenüberliegenden Oberflächen einer heißen Wasserstoff-Superoxyd-Lösung. Weitere und eine Basiselektrode 2 auf einer Endfläche 17. Wie Transistoren werden durch Abschneiden von dem Ger- man sieht, liegt eine n⁺-Schicht 8 zwischen der Elekmaniumblock 12 in ähnlicher Art und Weise geschaffen. trode 2 und der Endfläche 17. Die Elektrodendrähte 6

Ein vorbereitetes Herstellungsverfahren des Transistors und 7 werden jeweils an die Übergänge 3 und 4 angelötet,

gemäß Fig. 2 besteht darin, anstatt der Stückchen 10 der 30 wodurch ein Transistor entsteht, welcher eine Basiselek-

Zinn-Antimon-Legierung ein Band der gleichen Legierung trode 2 und Kollektor- und Emitterelektroden 6 bzw. 7

zu verwenden. Die Germaniumplatte 12 (Fig. 3 c) wird aufweist.

auf das Band gelegt, und die Stückchen 13 und 14 (Fig. 3d) Obgleich die oben angeführten Beispiele auf n-Germawerden, wie vorher beschrieben, auf der Platte 12 ange- nium begrenzt wurden, kann natürlich die Erfindung auf bracht. Die Temperatur wird dann auf 500° C gesteigert, 35 andere Halbleiterwerkstoffe als Germanium und Haibund die Germaniumplatte 12 wird mit dem Nickel 9 leiterwerkstoffe des p-Types ausgedehnt werden. Wenn zur selben Zeit wie die Stückchen 13 damit legiert. Für ein p-Halbleiterwerkstoff verwendet wird, benötigen bei-Produktionszwecke bewirkt dieser Prozeß eine Beschleu- spielsweise die beiden Übergänge 3 und 4 aus Fig. 2 npnigung des Verfahrens durch Vermeiden einer Erhitzung. und pp+-Übergänge, während die Schicht 8 zwischen der Hieraus geht die Zweckmäßigkeit der Verwendung der 40 Elektrode 2 und dem Germanium-Halbleiterkörper 1 eine n⁺-Schicht, abgesehen von den Vorteilen, hervor, die p+-Schicht sein wird, damit sie der p-Leitfähigkeit des diese Schicht in elektrischer Hinsicht gibt. Die Herstel- Halbleiterkörpers 1 entspricht.

lung der Basiselektrode geht zur selben Zeit vor sich wie Es können auch andere Legierungen als die oben ange-

die Herstellung der Legierungsstückchen 13. gebenen verwendet werden, vorausgesetzt, daß sie sich

Eine abgeänderte Bauart besteht in der getrennten 45 günstig mit dem Halbleiterkörper legieren und einiger-

Bildung der Übergänge 3 und 4 (Fig. 2), dem nachfolgen- maßen leicht verarbeiten lassen. Sie müssen außerdem

den Anlöten von Verbindungsdrähten 6 und 7 an diese eine passende Form aufweisen, damit sie eine Leitfähig-

Übergänge. Geeignete lacküberzogene Legierungsdrähte, keit des geeigneten Typs in den Übergängen hervorrufen,

beispielsweise mit einem Durchmesser von 0,25 mm, welche sie bilden.

werden durch starre Säulen gehalten und an ihren Enden 50 Eine abgeänderte Ausführungsform für eine Photozelle

direkt mit der Platte 12 legiert, um in einem einzigen oder einen Phototransistor besteht aus der radialsymme-

Arbeitsgang die Legierungsübergänge und ihre An- trischen Anordnung nach Fig. 4 a, 4b ohne deren np-

schlüsse herzustellen. Übergang 4, wobei die Flächen 5 und 15 lichtempfindlich

Eine weitere Ausführungsform des Transistors ist die sind und eine Einrichtung vorgesehen ist, mit der das

radialsymmetrische, die in Fig. 4 dargestellt ist, in der 55 Auftreffen von Licht auf eine dieser beiden Flächen ge-

ein Halbleiterkörper 1 aus η-Germanium mit einer Basis- regelt wird.

elektrode2 mittels einer n+-Schicht8 legiert ist. In der Patentansprüche·
Elektrode 2 befindet sich ein Loch, um die eine Oberfläche 15 des Germaniumstückes 1 freizulegen, und auf 1. Flächentransistor, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberfläche 15 wird ein n+-Legierungsübergang 3 her- 60 im Halbleiterkörper drei Zonen in der Reihenfolge gestellt, zweckmäßigerweise durch Legieren eines Zinn- pnn+ bzw. npp+ verwendet sind, daß an jeder Zone Antimon-Legierungsstückchens mit dem Germanium. je eine ohmsche Kontaktelektrode angebracht ist und Auf der gegenüberliegenden Oberfläche des Germanium- daß die ohmsche Kontaktelektrode an der n+- bzw. korpers 1 wird ein p-Legierungsübergang 4 gebildet, p+-Zone als Kollektor verwendet ist.
zweckmäßigerweise durch Legieren eines Tropfens In- 65 2. Flächentransistor nach Anspruch 1, dadurch gedium mit der Oberfläche 5. Passende Elektrodendrähte 6 kennzeichnet, daß der Halbleiterkörper eine Platte und 7 werden jeweils an die Legierungsgebiete 3 und 4 des einen Leitfähigkeitstyps aufweist, die die erste angelötet. Zone bildet, und daß die zweite und dritte Kollektor

Der Transistor gemäß Fig. 4 wird folgendermaßen her- und Emitter bildende Zone dicht nebeneinander

gestellt: 70 auf der einen Oberfläche der Halbleiterplatte liegen

und eine ohmsche Kontaktelektrode an der Halbleiterplatte die Basiselektrode bildet.

3. Flächentransistor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und dritte Kollektor bzw. Emitter bildende Zone sich an] gegenüberliegenden Seiten der Halbleiterplatte befinden.

4. Flächentransistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmsche Basiselektrode der ersten Zone zur zweiten Zone radialsymmetrisch angeordnet ist.

5. Flächentransistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmsche Basiselektrode der

ersten Zone als Schicht mit einer Öffnung ausgebildet ist und daß die Emitterzone und deren ohmsche Kontaktelektrode sich in der Öffnung befindet.

6. Flächentransistor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die ohmsche Basiselektrode der ersten Zone als Platte mit der ersten Zone über eine weitere n⁺- bzw. ρ+-Zone anlegiert ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 814 487, 889 809; deutsche Patentanmeldung W 6366 VIIIc/21g kanntgemacht am 14. Februar 1952).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen