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Flächentransistor mit drei Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Flächentransistor und insbesondere
auf einen Flächentransistor mit besonders niedrigem Basiswiderstand.
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Flächentransistoren werden nach der Diffusionsmethode, der Ziehmethode
und der Stufenziehmethode hergestellt. Die Diffusionsmethode wird allgemein angewendet,
um Transistoren mit relativ hohen Grenzfrequenzen, herzustellen. Diese Transistoren
enthalten eine Kollektorzone, die ein relativ massiver Block mit einer auf einer
Seite gebildeten ohmschen Kontaktelektrode ist. Die Basiszone ist für Hochfrequenztransistoren
eine relativ dünne Schicht in der Größenordnung von 25,4 g. Breite und 152,4 u Länge.
Eine ohmsche Kontaktelektrode ist längs einer Kante der Basiszone hergestellt. Die
Emitterzone ist gleichfalls eine relativ dünne Schicht, die über der Basiszone liegt.
Eine ohnische Kontaktelektrode ist auf ihrer Oberseite hergestellt.
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Bekanntlich ist die Grenzfrequenz eines Flächentransistors von der
Dicke der Basiszone abhängig. Die Verstärkung des Transistors sowie sein Hochfrequenzverhalten
hängen gleichfalls von dem Widerstand der Basiszone ab. Wenn die Länge und Breite
der Basiszone konstant gehalten werden und die Dicke vermindert wird, so wird der
Widerstand, pro Längeneinheit erhöht. Da sowohl der Widerstand als auch die Dicke
die Grenzfrequenz beeinträchtigen, wird durch Herabsetzung der Dicke und Konstanthaltung
der sonstigen Abmessungen nichts gewonnen. Jedoch kann der Widerstand dadurch vermindert
werden, daß die Basiszone relativ schmal gemacht wird. Dies führt zu einem äußerst
kleinen Aufbau, da es praktisch notwendig ist, die Breite der Basiszone auf einen
Bruchteil von 25,4 Ei zu vermindern, um aus erreichbaren Basiszonen dicken Nutzen
zu ziehen. Solche kleinen Bauformen sind schwierig herzustellen, und dieLeistungsfähigkeit
derTransistoren istbegrenzt.
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Ein Verfahren, das vorgeschlagen wurde, um den Basiswiderstand herabzusetzen
und die Basisabmessungen noch beizubehalten, besteht darin, einen gitterartigen
metallenen Aufbau der Basiselektrode zu bilden. Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht
darin, daß es die Anbringung metallener Elektroden in dem Körper des Halbleiters
innerhalb der Basiszone erfordert, was für sehr dünne Basisschichten undurchführbar
ist.
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Es sind schon die verschiedensten Ausführungen von Flächentransistoren
bekanntgeworden, darunter auch einige, die eine mit Rippen versehene Zone aufweisen,
bei denen jedoch stets die Rippen zum größten Teil freiliegen, d. h. nicht von einem
Material entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausgefüllt und abgedeckt sind, und
bei denen. daher eine Mehrzahl freiliegender Übergänge vorhanden ist. Die Erfindung
bezieht sich auf einen Flächentransistor mit drei Zonen abwechselndenLeitfähigkeitstyps.
Erfindungsgemäß sind auf der einen Oberflächenseite der plattenförmigen mittleren
Zone Rippen angebracht, auf dieser Oberflächenseite ist eine die Rippen ausfüllende
und abdeckende und auf der entgegengesetzten Oberflächenseite der mittleren Zone
je eine äußere Zone entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps aufgebracht, die beiden
zusätzlichen, äußeren Zonen sind mit ohmschen Elektroden mindestens über und unter
den Rippen bedeckt, und es ist an der mittleren Zone ebenfalls eine ohnische Elektrode
angebracht.
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Auf der Grundlage einer derartigen Ausbildung eines Flächentransistors
gemäß der Erfindung ist es möglich, hinsichtlich der Güte von Flächentransistoren
sowie ihres Herstellungsverfahrens beachtliche Vorteile zu gewinnen. Vor allem läßt
sich auf diesem Wege ein besonders niedriger Widerstand der Basisschicht erreichen.
Ferner ist es möglich, relativ hohe Werte der Grenzfrequenzen zu erzielen. Weiter
läßt sich dadurch die Fähigkeit eines Flächentransistors zur Führung einer besonders
hohen Leistung schaffen.
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Bei einer Weiterbildung der Ausführungsform eines Flächentransistors
gemäß der Erfindung sind die Rippenteile dicker als der plattenförmige Teil der
mittleren Zone.
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Es kann von besonderem Vorteil sein, einen Flächentransistor weiter
so auszubilden, daß die Rippenteile einen niedrigen Widerstand gegenüber den übrigen
Teilen der mittleren Zone aufweisen.
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Ferner kann es von Vorteil sein, wenn der Gradient der Fremdatome
bei mindestens einem Übergang an einer Rippe kleiner als an der danebenliegenden
Fläche der mittleren Zone ist.
Die Erfindung hat noch weitere Zwecke
und vorteilhafte Ausführungsformen, von denen einige zusammen mit den vorerwähnten
an Hand des nachfolgenden Teiles der Beschreibung beispielsweise näher erläutert
werden. Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier im einzelnen dargestellten
und beschriebenen Ausführungsbeispiele, vielmehr läßt sie noch zahlreiche Abwandlungsmöglichkeiten
zu. Von den Zeichnungen zeigt Fig.1 schematisch einen Flächentransistor zur Erläuterung
einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 ist eine Schnittansicht längs der Linie
2-2 von Fig. 1; Fig. 3 zeigt ein Ersatzschema- für einen solchen Flächentransistor;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht einer Kollektorzone für einen Flächengleichrichter
gemäß der Erfindung; Fig. 5 ist eine vergrößerte Darstellung eines Teils einer Fläche
(Platte) und Rippe von Fig. 1; Fig.6 ist eine Kurve zur Veranschaulichung der Dichte
der Aktivatoren längs der Linien, A-A und B-B von Fig.5; Fig.7A bis 7H veranschaulichen
ein geeignetes Verfahren für die Herstellung eines Flächentransistors mit einer
Basisschicht von sich ändernder Dicke; Fig. 8A bis 8 1 veranschaulichen ein
weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und ein Verfahren zu seiner Herstellung;
die Figur enthält Kurven, welche die Dichte der Aktivatoren bei verschiedenen Herstellungsstufen
zeigen; Fig.9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung und ein Verfahren
zur Bildung der Basiszone; Fig. 10 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Erfindung und ein Verfahren zu seiner Herstellung; Fig. 11 zeigt .eine Vakuumkammer
bzw. Unterdruckkammer für die Aufbringung geeigneter Überzüge auf der Ausführungsform
gemäß Fig. 10; Fig. 12 ist eine Oberansicht eines gemäß den Fig. 10 und 11 aufgebauten
Transistors; Fig. 13 ist eine Schnittansicht längs der Linie 13-13 von Fig. 12;
Fig. 14 zeigt noch eine andere Ausführungsform der Erfindung, und zwar einen Flächentransistor
mit kleiner Fläche; Fig. 15 ist eine Schnittansicht längs der Linie 15-15 von Fig.
14; Fig. 16 ist eine Schnittansicht längs der Linie 16-16 von Fig. 14.
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In den Fig. 1 und 2 ist ein Flächentransistor reit einer Basiszone
von hoher Leitfähigkeit und sich verändernder Dicke dargestellt. Der Transistor
umfaßt einen relativ massiven: Kollektorzonenblock c aus Halbleitermatezial eines
Leitfähigkeitstyps, z. B. aus Germanium oder Silizium des p-Typs, mit einem ohmschen
Kontakt 11, ferner eine Basisschicht b aus Halbleitermaterial :des entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyps, z. B. Germanium oder Silizium des n-Typs, mit einem ohmschen
Kontakt 12 längs einer Kante hiervon, und weiterhin eine Emitterzone, gleichfalls
aus feinem geeigneten Halbleitermaterial, und zwar einem Material des gleichen Leitfähigl-,eiistyps
wie die Kollektorzone, z. B. Germanium :oder Silizium ;des p-Typs, mit einem ohmschen
Kontakt 13.
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Die Basiszone ist, wie insbesondere Fig 2 zeigt, aus Flächen oder
Platten 16 mit Rippen oder Streben 17 ausgebildet. Somit besteht die Basiszone
aus dünnen, zwischen dickeren Längsrippen liegenden flächenartigen Teilen. Ein ohmscher
Kontakt oder Anschluß ist längs der Kante der Basisschicht und den Enden der Rippen
hergestellt, und die Rippen verlaufen allgemein senkrecht hierzu.
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Es ist ersichtlich, daß die Rippen merklich zur Leitfähigkeit der
Basisschicht in der Richtung, in der sie sich erstrecken, beitragen und daß der
Basiswiderstand hierdurch verkleinert wird. Somit weist irgendein kleines Flächenstück
eine Bahn vergleichsweise niedrigen Widerstandes durch das Rippenmaterial zu dem
metallenen Basiskontakt auf im Vergleich zu der Bahn., die es aufweisen würde, wenn
die Basisschicht von gleichmäßiger Dicke wäre und ganz aus einer flächenähnlichen
Platte bestünde. Praktisch verbindet das Rippenmaterial den metallenen Kontakt über
eine Bahn relativ niedrigen Widerstandes mit den Kanten von relativ schmälen Flächenstücken
aus plattenartigem Material, so daß der Widerstand von jedem beliebigen Teil der
plattenartigen. Fläche zum Basiskontakt verkleinert wird. Infolgedessen ist der
durchschnittliche Abstand aller Teile der Fläche oder Platte von den Rippen wesentlich
kleiner als der durchschnittliche Abstand aller Teile der Fläche oder Platte von
dem Basiskontakt.
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Auf Grund der größeren Dicke der Rippen ist für sie die Grenzfrequenz
viel niedriger als für die plattenförmigen Teile der Basiszone zwischen den Rippen.
Der zwischen Basis- und Emitterelektrode fließende Strom, der in die Rippen eintritt,
trägt nicht erheblich zu dem gesamten Verstärkungsfaktor Alpha des Transistors bei,
wenn die Arbeitsfrequenz zwischen der Grenzfrequenz für den Plattenteil und der
Grenzfrequenz für den Rippenteil liegt. Jedoch ist der injizierte Strom, der in
den Rippenteil eintritt, bedeutend kleiner als derjenige, der in den Plattenteil
eintritt. Daher ist die Herabsetzung des Alpha auf Grund der Rippen, viel kleiner
als der von den Rippen eingenommene proportionale Flächenteil der Basiszone. Aus
quantitativen Überlegungen bezüglich der relativen -Wichtigkeit des Wertes Alpha
und des Wertes des Basiswiderstandes kann leicht nachgewiesen werden, daß mit einem
gerippten Basisaufbau Transistoren von verbesserter Leistungsfähigkeit erhalten
werden können.
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Die Wichtigkeit des Basiswiderstandes für die Kontrolle der Verstärkung
Ton -Flächengleichrichtern ist bekannt. Eine weit in .die Einzelheiten gehende Erörterung
findet sich in dem Aufsatz »A Jun.ction TransistorTetrode for High Frequency Use«
von R. L. Wallace jr., L. G. Schimpf in der Zeitschrift »Proceedings .of the IRE«,
Bd. 40, S. 1395: November 1952. Eine richtige Einschätzung mancher der hauptsächlichen
'Ausführungen .des genannten Aufsatzes kann dadurch erhalten werden, daß man sich
ein annähernd gleichwertiges Ersatzschema für einen bei kleinen Signalen arbeitenden
Flächentransistor vorstellt. Ein solches Ersatzschema für einen Transistor mit geerdeter
Basis ist in Fig. 3 dargestellt.
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Der Ersatzschernakreis :enthält eine geerdete Last RL, die zwischen
Köllektorelektrode und Erde eingeschaltet ist. Der gleichwertige Kollektor-Streuwiderstand
R, und die Kapazität G, sind als in Reihe zwischen der Last BL und dein gemeinsamen
übergang der Widerstände r, und rb bzw. dem Emitter-und Basiswiderstand liegend
dargestellt. Die andere Seite :des Basiswviderstandes ist geerdet. Die am Emitter
und Kollektor auftretenden Spannungen sind gegeben durch v, bzw. v,. Die verschiedenen
in dem Transistor fließenden Ströme sind mit i" ib und i, bezeichnet. Der Alphawert
des Kreises ist durch a
und der gleichwertige Stromgenerator im
Kollektor als aie bezeichnet.
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Wird angenommen, daß der Transistor aus einer Wechselstromquelle i,
betrieben wird, so vermindert die Wirkung des Basiswiderstandes rb die Leistungsverstärkung
sowohl durch Vermindern der Ausgangsleistung des Transistors für einen gegebenen
Wert von i, als auch durch Erhöhen der zum Betreiben des Verstärkers erforderlichen
Leistung. Selbst wenn z. B. die Kollektorkapazität G, bleich Null wäre, hat der
Basiswiderstand rb eine beträchtliche Wirkung. Für das in Fig. 3 gezeigte Modell,
bei dem C,. gleich Null ist, ist die Ausgangsleistung festgelegt, da sie nicht durch
Vergrößerung von rb verändert wird. Jedoch nimmt die erforderliche Eingangsleistung
mit einer Vergrößerung rb zu, da die Eingangsimpedanz r, +_rb (1 - a) beträgt.
Das Vorhandensein der Kollektorkapazität akzentuiert die Abnahme auf Grund von rb,
da jede Zunahme von rb den Kondensator zu einem bevorzugten Weg für den aus dem
Ersatz-Stromgenerator aie im Kollektorkreis macht und dementsprechend die Ausgangsleistung
herabsetzt.
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Durch Anwenden der Kirkhoffschen Regeln auf das Ersatzschema und Auflösen
der Gleichungen für ie, ausgedrückt durch ie, ist die Wechselstromleistung in der
Last gegeben durch
Die relative Wichtigkeit der Abnahme von Alpha im Vergleich zum Vorhandensein eines
Basiswiderstandes läßt sich abschätzen, wenn man berücksichtigt, daß, wenn. rb und
C, gleich Null wären, die Verstärkungsleistung proportional zu a2 wäre. Andererseits
tritt, wenn Alpha gleich 1 bleibt, ein beträchtlicher Verlust an Ausgangsleistung
auf, wenn die Größe (02 Ce2 (Rr, -f- Re -I- r b)1 (2)
mit dem Wert
1 vergleichbar wird. Wie von Lee in der unten genannten Literaturstelle auseinandergesetzt
wird, kann der Einfluß von Ce, rb und Re auf einen Germaniumtransistor mit diffundierter
Basis ein solcher sein, daß er den größeren Beitrag zu der beobachteten Grenzfrequenz
hervorbringt, und er führt zur Erläuterung dieses Effektes eine Frequenz mit folgender
Gleichung ein:
Es ist also ersichtlich, daß, wenn f«, die Grenzfrequenz für die Platte, wesentlich
größer ist als fe, ein beträchtlicher Verstärkungsverlust unterhalb von f" eintritt.
Aus diesen Überlegungen wird klar, daß die Herabsetzung von rb bei Flächentransistoren
erwünscht ist und daß dies insbesondere bei Frequenzen, die sich fa oder f, nähern,
zutrifft. Es ist ferner klar, daß die Herabsetzung von C, und I?, gleichfalls erwünscht
sein muß.
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Der Widerstand. der Kollektorzone Re kann durch verschiedene
an sich bekannte Maßnahmen auf einen beliebig kleinen Wert herabgesetzt werden.
Zum Beispiel kann. sehr stark dotiertes Material für den Körper des Kollektors verwendet
und eine nur wenig dotierte Zone in der Nähe der Oberfläche durch Wärmebehandlung
zum Diffundieren von Verunreinigungen gebildet werden.. Wahlweise kann die Kollektorzone
sehr dünn ausgeführt werden. Dies braucht nicht im gesamten Volumen des Werkstückes
zu geschehen. Zum Beispiel kann, wie in Fig. 4 gezeigt ist, ein Grübchen 18 in das
Werkstück durch elektrolytische Spritzätzung eingeschnitten werden. Darauf kann
eine sehr stark dotierte Oberflächenschicht 19 durch Diffusion gebildet werden,
worauf die obere Schicht wegpoliert wird, indem ein Halbleiterkörper aus schwach
dotiertem Material übriggelassen wird, der auf einer kurzen Strecke mit einer hochleitfähigen
Schicht versehen ist, die den Kollektorkörper bildet.
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Das wesentliche Problem der Herabsetzung des Produktes C,
(Re -I- rb) umfaßt daher die Herabsetzung des Produktes Cerb bzw. die Herabsetzung
des Betrages jeder dieser Konstanten. Durch die Erfindung wird, wie schon erwähnt,
ein Aufbau und. ein Verfahren zwecks Herabsetzung des Basiswiderstandes rb geschaffen.
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Zum besseren Verständnis der Arbeitsweise des Platten- und Rippenaufbaues
empfiehlt es sich, die Mitwirkung verschiedener Faktoren in Betracht zu ziehen.
Dies geschieht unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6. Die Fig. 5 zeigt einen Teil
einer Rippe 17 und einen. Teil der wirksamen Platte 16 zwischen den Rippen. Fig.
6 zeigt die Dichte der Aktivatoren Nd - Na längs den Linien A-4 und B-B von
Fig. 5.
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Aus Fig. 6 ist zu ersehen, daß die Dichte der Aktivatoren in den Rippen
auf einen viel höheren Wert als in der Platte zwischen den Rippen ansteigt, was
zu einer höheren Leitfähigkeit in den Rippen führt. Dies wird erreicht durch stärkeres
Dotieren des Rippenbereiches und Bildung eines Plattenbereiches mit geringerer Dotierung.
Der Gradient oder die Dichte der Aktivatoren an den Emitter- und Kollektorübergängen
sind annähernd die gleichen für den Rippenbereich wie für die entsprechenden Übergänge
des Plattenbereiches. Ein Aufbau, der im wesentlichen diese Eigenschaften hat, kann
durch eine Anzahl von Maßnahmen, von denen einige hier beschrieben sind, hergestellt
werden.
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Die Strömung der injizierten Ladungsträger aus der Emitter- in die
Basiszone ist pro Flächeneinheit in dem Plattenbereich viel größer als in .dem Rippenbereich,
weil der Plattenbereich sowohl dünner als auch weniger stark dotiert ist. Bekanntlich
verändert sich die Stromdichte in einer Basiszone annähernd umgekehrt wie das Produkt
dieser beiden Faktoren. Durch richtige Wahl der Abmessungen und der Dotierung läßt
sich das Produkt dieser zwei Faktoren steuern. Angenommen, das Produkt beträgt 10,
so beträgt die Stromdichte in der Rippe etwa ein Zehntel der Stromdichte in der
Platte. Die Grenzfrequenz für die Rippe ist annähernd um das Zehnfache niedriger
als für die Platte, so daß bei Frequenzen, die sich der Grenzfrequenz für die Platte
nähern, der Strom in der Rippe weitgehend unwirksam ist und der Alphawert des Transistors
herabgesetzt wird. Die Herabsetzung ist keine große, Alphawerte von etwa 0,9 ergeben
sich selbst für Fälle, bei denen die Rippenbreite annähernd gleich der Plattenbreite
ist, wie noch näher zu beschreiben sein wird.
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Nimmt man an, daß der Emitterkörper bedeutend stärker dotiert wird
als der Plattenbereich und daß er vergleichsweise dick ist, so nähert sich die Injektionswirksamkeit
des Emitterüberganges dem Wert 1. Für einen dünnen Plattenbereich wird der Bruchteil
Beta von injizierten Trägern, welcher den Kollektor-Übergang erreicht, gleichfalls
annähernd gleich 1, so daß, wenn die gesamte Basisschicht eine Platte wäre, der
Wert Alpha nahezu gleich 1 wäre, dagegen würde er für Transistoren mit diffundierter
Basis 0,981/o oder mehr betragen.
Für einen Transistor mit gleicher
Rippen- und Plattenbreite, der bei Frequenzen betrieben wird, die zwischen den Grenzfrequenzen
von Rippe und Platte liegen, enthält der Emitterstrom einen Anteil von 10% des Rippenstromes,
für den Alpha annähernd gleich Null ist. Somit beträgt der Gesamtwert Alpha für
den Transistor den durchschnittlichen Alphawert für die Rippen- und Plattenbereiche
oder 10% von Null plus 90% von 0,98, d. h. 0,88. Es ist ersichtlich, daß dies zu
einer Herabsetzung der Verstärkungsleistung führt. Im Vergleich zu einer Verstärkungsleistung
mit einem Alpha vom Betrag 0,98 beträgt die Herabsetzung 190% in dem Frequenzbereich,
innerhalb dessen, die Verstärkung durch den Alphawert der Platte allein bestimmt
wird.
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Entsprechend der 10%igen Herabsetzung des Alphawertes, die vorstehend
betrachtet wurde, ergibt sich eine Abnahme des Basiswiderstandes um annähernd das
Fünffache. Dies folgt aus der Tatsache, daß die Leitfähigkeit innerhalb der Basisschicht
parallel zur Rippenrichtung hauptsächlich von den Rippen aus ansteigt, die in jeder
Längeneinheit eine Leitfähigkeit haben, welche annähernd um das Zehnfache so groß
ist wie in dem benachbarten Plattenbereich, was für das Beispiel gilt, bei welchem
die Breiten von Rippen undPlatten gleich sind. Vergleicht man dies mit einem Transistor,
bei dem jede Rippe durch einen Plattenbereich ersetzt wird, so haben die beiden
parallelen Streifen des Plattenmaterials eine Leitfähigkeit für eine Längeneinheit
von zwei Einheiten im Vergleich zu der Leitfähigkeit von annähernd elf Einheiten
für parallele Rippen und Platten. Auf dieser Grundlage scheint es, als ob der Basiswiderstand
um annähernd einen Faktor von 5,5 verkleinert wäre. Bei dieser Rechnung ist der
Umstand vernachlässigt, daß ein gewisser Widerstand für den Stromfluß von den Rippen.
zum mittleren Teil der Platte zwischen den Rippen vorhanden. ist. Die Wichtigkeit
dieses Querstromflusses im Rippenaufbau hängt in jedem einzelnen Fall von den Basisabmessungen
ab.
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Die Kapazität des Kollektorüberganges ist für den gerippten Aufbau
annähernd dieselbe wie für ungerippte Aufbauten, da die Kapazität aus dem Raumladungsbereich
21 (Fig. 5) des Kollektorüberganges herrührt und von dem Konzentrationsgradienten
der Aktivatoren. an dem Kollektorübergang sowie von der Kollektorspan.nung abhängt.
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So verkleinert für das oben erörterte Beispiel der Rippenaufbau das
Produkt C,rb um etwa das Fünffache und ermöglicht einen Betrieb bei der fünffachen
Frequenz, soweit diese Grenze in Betracht kommt. Wahlweise kann der gleiche Wert
für das Produkt C,rb bei größeren Abmessungen mit dem Rippenaufbau erhalten werden
und ermöglicht die Fähigkeit zum Betrieb mit größeren Leistungen.
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Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß die Einführung von Rippen
entweder dazu benutzt werden kann, das Hochfrequenzverhalten zu verbessern oder
die Abmessungen zu vergrößern, was zur Vereifachung der Fertigung und zur Verbesserung
der Fä higkeit zur Bewältigung höherer Leistungen oder beiden führt.
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Die Maßnahmen zum Erzeugen von mit Donatoren oder Akzeptoren durch
Diffusion dotierten Schichten sind ausführlich für Silizium und Germanium untersucht
worden. Die Daten für Silizium sind dem Aufsatz »Diffusion of Donor and Acceptor
Elements in Silicon« von C. S. Fuller und J.A. Ditzenberger im Journal of Applied
Physics, Mai 1956, Bd:27, S. 544 bis 553, zu entnehmen. In diesem Artikel ist die
Abhängigkeit der Diffusionskonstanten von der Temperatur und vom Verunreinigungstyp
dargestellt.
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Für die folgenden Auseinandersetzungen ist es zweckmäßig, sich mit
dem Begriff der Diffusionskonstanten D und der Diffusionsstrecke
D - t vertraut zu machen, in der t die Diffusionszeit ist. Wenn eine Quelle
von Verunreinigungen an der Oberfläche eines Siliziumkristalls eine Zeit t lang
festgehalten wird, beispielsweise indem die Oberfläche einem Gas ausgesetzt wird,
das die Verunreinigung enthält, so wird die Konzentration innerhalb der Oberfläche
bis zu einem Gleichgewichtswert Co, der von dem Gasdruck und der Temperatur abhängig
ist, aufgebaut, und die Verunreinigungen werden durch Diffusion in eine Tiefe unterhalb
der Oberfläche in einer aus den Diffusionsgesetzen errechenbaren Art und Weise verteilt.
Die Konzentration fällt rasch auf kleine Bruchteile von Co in Tiefen, die größer
sind als das Zweifache der Diffusionsstrecke, und die Mehrzahl der Verunreinigungsatome
finden sich innerhalb einer Diffusionslänge von der Oberfläche. Es ist ersichtlich,
daß durch Kontrolle der Art und Duellstärke der Verunreinigungsatome, der Temperatur
und der Zeit in großem Ausmaß eine Steuerung der Dichte von Donatoren Nd und von
Akzeptoren Na unterhalb der Oberfläche erreichbar ist. Die mathematische
Theorie des Diffusionsausgleichs ist hoch entwickelt und kann in zahlreichen Abhandlungen
der Wärmelehre und der Methoden der theoretischen Physik aufgefunden werden. Kurven
für die Verteilungen von Donatoren und Akzeptoren auf Grund der Oberflächenkenzentrationen
und Diffusionskonstanten und -zeiten sind für bestimmte Fälle der hier beschriebenen
Aufbauten leicht zu ermitteln. Daher sollen die in den Figuren dargestellten Kurven
mehr qualitative Verhältnisse als exakte quantitative- Ergebnisse veranschaulichen.
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Die Anwendung solcher Maßnahmen zur Herstellung von Transistoren mit
diffundierter Basis ist bekannt. Sie ist für Germanium von C. A. Lee in einem Aufsatz
»A High Frequen.cy Diffused Base Germanium Transistor« in der Zeitschrift »Bell
System Technical Journal«, Januar 1956, Bd. 35, S. 23 bis 34, und für Silizium von
M. Tanenbaum und D. E. Thomas mit dem Titel »Diffused Emitter and Base Transistors«
in der gleichen Zeitschrift auf S. 1 bis 22 beschrieben.
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Die Abmessungen typischer Transistoranordnungen gemäß der Erfindung
können im wesentlichen die gleichen sein, wie sie in den erwähnten Aufsätzen behandelt
sind, abgesehen davon, daß die Abmessungen der Basiszonen zum Zwecke ähnlich hoher
Frequenzverhaltenscharakteristiken größer ausgeführt werden können. So können die
Plattenbereiche in der Größenordnung von 10-4 cm in der Dicke und die Donator-und
Akzeptorkonzentrationen in der Größenordnung von 101s bis 1019 cm-3 liegen.. Da
die Rippenbereiche nicht an der Übertragung injizierter Ladungsträger teilzunehmen
brauchen, sind höhere Donator- und Akzeptorkonzentrationen für sie zulässig, und
es kann somit aus Verunreinigungen höherer Löslichkeit Vorteil gezogen werden.
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Die Dichte der Verunreinigungen in einem Halbleiter kann höher gemacht
werden, als die- durch die Phasendiagramme zugelassenen Werte betragen. Zum Beispiel
kann man die Oberfläche von Ionen von Donatoren oder Akzeptoren mit hinreichenden
Energien bombardieren lassen, um verschiedene Atomschichten zu durchdringen, und
die Dichte kann auf diese Weise auf hohe Werte aufgebaut werden. Solche hohen-Dichten
sind unstabil und suchen ihre Konzentration durch.
Diffusion zu
erniedrigen. Jedoch können sie in übersättigtem Zustand bei Raumtemperatur erhalten
werden. Höhere Konzentrationen können auch dadurch erzeugt werden, daß die Oberfläche
mit Alphapartikeln oder Elektronen, hoher Energie, z. B. etwa 2 Millionen Elektronenvolt,
bombardiert werden, so daß anomal hohe Konzentrationen freier Siliziumplätze erzeugt
werden. Diese diffundieren zur Oberfläche und suchen die Verunreinigungen von der
Oberfläche nach innen zu ziehen.
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Das Diffusionsverfahren steuert sich selbst genau bei der Fabrikation
der neuen. Halbleiteranordnung gemäß der Erfindung. Ein Verfahren zur Herstellung
der Anordnung ist in Fig. 7 veranschaulicht. Ein Block aus Halbleitermaterial 22,
beispielsweise vom n-Typ, ist auf der Oberseite gerillt, so daß ein Querschnittsprofil
entsteht, wie es etwa in Fig. 7 A gezeigt ist. Die Rillen können mit einer feinen
Säge geschnitten sein, wie sie z. B. zum Sägen von Silizium- oder Germaniumkristallen
in schmale Stücke zwecks Verwendung in Halbleiteranordnungen gebraucht wird. Für
den vorliegenden Zweck können natürlich die Sägezähne sehr flach gemacht werden.
Anschließend an den Schneidvorgang wird die Oberfläche geätzt, um Oberflächenbeschädigungen
in den ersten paar Mikron der Oberfläche zu beseitigen.
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Es kann ein Läppen und Polieren. vorgenommen werden. Wahlweise können
chemische Ätzungen verwendet werden. Hierzu ist es erforderlich, einen Teil, aber
nicht die ganze Oberfläche, zu schützen. Dies kann dadurch geschehen, daß der Schutzüberzug
in die Bereiche gelegt wird, in denen keine Rillen erzeugt werden sollen, und daß
dann die Oberfläche chemisch oder elektrochemisch in den Zwischenräumen des Schutzüberzuges
geätzt wird. Der Schutzüberzug kann zunächst die ganze Oberfläche überdecken, und
die Öffnungen für die Rillen können durch streifenweises Wegnehmen der Schutzschicht,
beispielsweise durch Abkratzen der Schutzschicht, hergestellt werden. Natürlich
läßt sich auch eine Fotogravierung anwenden. Es kann eine Verdampfung von Gold oder
Si 02 oder anderen Schutzüberzügen angewendet werden, und die zu ätzenden Flächenbereiche
können, beispielsweise durch dünne Drähte, abgeschirmt werden.
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Zum Zwecke der Herstellung sehr kleiner Rillen besteht die Möglichkeit,
elektrochemische Verfahren in Verbindung mit äußerst feinen Drähten zu benutzen,
wie sie von S. S. Brenner in der Zeitschrift »Acta Metallurgieaa, Bd. 4, Januar
1956, auf den Seiten 62 bis 74 behandelt sind. Diese -feinen Drähtchen sind in zahlreichen.
Fällen beobachtet worden. Sie sind dünner als alle heute bekannten gezogenen Drähte.
Ein als Elektrode für Elektroätzung benutzter Draht kann also angewendet werden,
um äußerst schmale, elektrisch geätzte Rillen zu erzeugen. Drähte aus einem Metall
können mit mehreren chemisch beständigen Metallen überzogen werden..
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Fig. 7 B zeigt die auf dem gerillten Block durch Diffusion in Gegenwart
einer Akzeptorverunreinigung von hoher Konzentration erzeugte Anordnung. Unter diesen
Bedingungen wird eine Schicht von steuerbarer Dicke aus einem stark dotierten Material
vom p-Typ p(+) unterhalb der Oberfläche erzeugt. Der entstehende pn-Übergang folgt
den durch die Rillen gebildeten Konturen. Fig. 7 C erläutert den nächste Schritt
des Verfahrens, bei welchem das Werkstück durch Läppen, Schneiden mit einer Säge
oder Polieren in seiner Größe verkleinert wird. Dieser Arbeitsgang läßt eine Gruppe
von Streben oder Rippen vom p-Typ, die in die Oberfläche des Blockes eingelassen
sind, zurück.
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Das gemäß Fig. 7 C präparierte Werkstück wird dann einer Diffusion
in Gegenwart einer Donatorverunreinigung hoher Konzentration ausgesetzt, um eine
stark dotierte Schicht vom n-Typ n(+) zu bilden, welche in die Oberfläche, wie in
Fig. 7 D dargestellt, eindringt. Gleichzeitig diffundieren die in den Rippen zurückgelassenen
Verunreinigungen vom p-Typ in etwas größere Tiefen, sowie heraus aus dem Werkstück
an die Oberfläche, so daß die Konzentration des Materials vom p-Typ an der Oberfläche
verkleinert wird.
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Im Falle von Silizium diffundieren alle Akzeptoren aus der dritten
Spalte des Periodischen Systems mit Ausnahme von Bor und Indium wesentlich schneller
als die Donatoren. Zum Beispiel hat Aluminium bei 1250'° C eine Diffusionskonstante,
die etwa dreißigmal größer ist als die von Antimon. Wegen. dieses Unterschiedes
der Diffusionskonstanten erfolgt eine nachfolgende Diffusion in Gegenwart eines
Akzeptors bei schwächeren Konzentrationen, als sie für die Donatoren von Fig. 7
D galten, bei der Entwicklung einer Schicht vom p-Typ, die unterhalb der n(A-)-Schicht
von Fig. 7 D liegt. Fig. 7 E zeigt die Anordnung, die sich ergibt, wenn die Ecken
von Fig. 7 D abgeschrägt werden., so daß die n(+)-Schicht an den Ecken beseitigt
und die Anordnung einer nachfolgenden Diffusion in Gegenwart eines Akzeptors, z.
B. Aluminium bei 1250° C im Falle von Silizium, ausgesetzt wird. Das Ergebnis ist
die Entwicklung einer Basisschicht oder Platte vom p-Typ, welche die Rippen vom
p-Typ der Fig. 7 E verbindet. Auf diese Weise wird die gewünschte Basisschichtanordnung
mit unterschiedlichen Dicken erzeugt. Gleichzeitig wird ein geeignetes Flächenstück
für einen Basiskontakt hergestellt, da sich an den abgeschrägten Oberflächen keine
n(+)-Schicht befand und daher eine freiliegende Zone vom p-Typ, die für einen Basiskontakt
geeignet ist, gebildet wird. Die Abschrägung wird zweckmäßig an allen Kanten ausgeführt,
so daß der Basiskontakt an den Enden der Rippen hergestellt werden kann.
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Es ist zu bemerken, daß nach der in Verbindung mit Fig. 7 E erörterten
Diffusion eine leichte Ätzung oder Polierung notwendig sein -kann, um die in Fig.
7 E gezeigte Anordnung zu schaffen. Der Grund hierfür liegt darin, daß infolge der
gasartigen und oberflächlichen Diffusion die gesamte Oberfläche des Werkstückes
eine einheitliche Konzentration von Verunreinigungen in den ersten paar Atomschichten
anzunehmen sucht. Praktisch tritt dies nicht immer ein, und die Oberfläche eines
in einem Diffusionsofen erhitzten Werkstückes kann aus Zonen des n-Typs und des
p-Typs bestehen. Dieses Nichterreichen eines Gleichgewichts mit der äußeren Umgebung
beruht, wie angenommen wird, auf anteiligen oder ratenweisen Begrenzungsvorgängen,
wie z. B. der Bildung von Oxydschichten. Diese Vorgänge können zu der Anordnung
nach Fig. 7 E führen und ergeben sich unmittelbar aus dem raschen Diffusionsverlauf.
Andernfalls kann sich eine dünne Haut vom p-Typ über der n(+)-Emitterschicht bilden,
welche an ihrer Oberfläche von Donatoren durch Verdampfung entblößt ist. Dieser
Zustand kann durch Wegätzen oder -polieren der Haut vom p-Typ behoben werden. Wahlweise
kann eine Ouelle von relativ langsam diffundierenden Donatoren, beispielsweise von
Arsen oder Antimon für Silizium, bereitgehalten werden, so daß die Akzeptoren an
der Oberfläche, nicht aber in der Tiefe neutralisiert werden. In diesem Falle bildet
sich über
den abgeschrägten Basiskontaktzonen von .Fig. 7 E eine
Haut vom n-Typ. Diese Haut kann durch zusätzliche abschrägende Bearbeitung beseitigt
werden.
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Wie in Fig. 7 E dargestellt, wird das verbleibende unerwünschte Material
durch Läppen, Abschneiden oder Polieren längs der Linie23 beseitigt, und die freigelegten.
Übergänge werden geätzt, um ihre Eigenschaften derart zu verbessern, daß eine- Halbleiteranordnung
entsteht, die zur Anbringung von Elektroden, wie in Fig. 7F gezeigt, geeignet ist.
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Das beschriebene Verfahren führt zu Maßnahmen für die Verbesserung
der Eigenschaften von Kollektorübergängen. Die Fig. 7 G und 7 H erläutern in etwas
übertriebener Darstellung der möglichen. Abschrägungswinkel die Prinzipien. Es wird
ein zweiter Abschrägungsvorgang 24, der eine scharfe Kante 26 zu der p-Schicht an
dem Kollektorübergang ergibt, ausgeführt. Es ist ersichtlich, daß diese scharfe
Kante die Komponente des elektrischen Feldes längs der Oberfläche herabsetzt, wenn
umgekehrt gerichtete Spannungen an den Kollektorübergang angelegt werden. Dieser
Effekt ermöglicht ein Arbeiten bei höheren Kollektorspannungen, da bekanntlich der
Durchschlag oder Überschlag in umgekehrter Richtung bei einem Silizium-pn-Übergang
sowohl von dem Konzentrationsgradienten am -(Übergang als auch von der Oberflächenbehandlung
abhängig ist. Fig. 7 H veranschaulicht den Effekt des Auftretenlassens einer Diffusion
nach der Abschrägung gemäß Fig. 7G. Die Akzeptoren an der scharfen Kante
der Basisschicht diffundieren in die Tiefe und nehmen in ihrer Konzentration auf
diese Weise ab. Dies führt zu einer Kontraktion 27 des Basiskollektorüberganges,
wie in Fig. 7 H dargestellt. Der Konzentrationsgradient am Übergang selbst wird
auf diese Weise in der Nähe der Oberfläche vermindert. Diese Ausführungsweise hat
gegenüber derjenigen gemäß Fig. 7 G den Vorteil einer Verringerung der Kollektorkapazität
und der Größe des elektrischen Feldes auf der Innenseite der Oberfläche. Der gleiche
Effekt tritt an dem Basisemitterübergang 28 auf, wie gleichfalls in Fig. 7 H dargestellt.
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Kontakte können an die verschiedenen Zonen angeschlossen werden, wie
dies in den obenerwähnten, sich auf Transistoren mit diffundierter Basis bezi&
henden Literaturstellen schon angegeben ist. Bei den beschriebenen Bauformen besteht
jedoch der Vorteil, daß der Emitter mit größerer Fläche die Herstellung eines Kontaktes
an den Emitter erleichtert dadurch, daß es einfacher gemacht ist, eine Metallflächenelektrode
aufzudampfen. Auch kann die zum Freilegen der Basisschicht vorgeschlagene Einrichtung
dadurch ersetzt werden, daß die Emitterschicht, wie in dem Aufsatz von Tanenbaum
vorgeschlagen, durch und durch mit Aluminium an die Basisschicht vom p-Typ anlegiert
wird. Auch kann in den Fällen. von Emitterschichten des p-Typs von der Tatsache
Gebrauch gemacht werden, daß Löcher die elektrolytischen Ätzgeschwindigkeiten erhöhen.
Wenn also der Emitter mit Ausnahme des für einen Basiskontakt gewünschten Flächenbereiches
maskiert ist, wird die Basis in umgekehrter Richtung vorbelastet und eine elektrolytische
Atzung angewendet. Dann kann die freigelegte Emitterschicht weggeätzt werden, so
daß die für die Anbringung eines Kontaktes bereite Basisschicht übrigbleibt.
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Das Rillen- und das Abschrägungsverfahren sind gut geeignet zur Massenherstellung
von Transistoren mit diffundierter Basis. So kann z. B. ein Siliziumstück, das groß
genug ist, um mehrere Transistoren herzustellen, poliert und- danach in einem kontinuierlichen
Arbeitsgang längs seiner ganzen Fläche gerillt werden. Das Polieren und die Abschrägungsschnitte,
die für die einzelnen Stufen von Fig.7erforderlich sind, können bei einer parallelen
Läpp- und Polierbefestigung durchgeführt werden, .so daß gleichzeitig eine große
Zahl von Transistoranordnungen auf ihrer Oberfläche bearbeitbar sind. Das Aufdampfen
der Emitter- und Basisanschlußflächen kann durch mehrere Öffnungen in einer Maske
für das ganze Werkstück erfolgen. Anschließend an diese Arbeitsgänge können die
Einheit durch Sägen oder magnetostriktive Schneidvorrichtungen zerteilt und die
einzelnen Stücke montiert und gestapelt bzw. verpackt werden. Es ist also möglich,
einen Löt- oder Schweißvorgang sämtlicher Kollektoren an einzelnen Metallfahnen
gleichzeitig vor dem Auseinanderschneiden der Einheiten auszuführen.
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Fig. 8 erläutert ein weiteres Verfahren, das benutzt werden kann,
um eine Transistoranordnung mit einer Basis von veränderlicher Dicke herzustellen.
Dieses Verfahren. ergibt eine kleiner Berührungsfläche zwischen den Rippen und dem
Kollektor, so daß die Basiskollektorkapazität im Vergleich zur Anordnung gemäß Fig.
7 vermindert ist. Außerdem wird die Emitterbasiskapazität im Bereich der Rippen
durch eine Verfeinerung des Verfahrens verkleinert.
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Fig. 8A zeigt einen Teil der Oberfläche eines Blokkes aus Halbleitermaterial,
welcher der Diffusion von Donatoren ausgesetzt wurde, derart, daß eine relativ dicke
und stark dotierte, mit n(+) bezeichnete Schicht des n-Typs an der Oberfläche aufgebaut
ist. Diese Schicht bildet später das Rippenmaterial. In diesem Stadium der Bearbeitung
ist die Oberfläche plan, die Rillen. werden später hinzugefügt. Die Donatorkonzentration
auf Grund der Diffusion ist in Fig. 8 B veranschaulicht. Sie entspricht dem Fall
einer konstanten Duellstärke während des Diffusionsvorganges. Zwecks nachfolgender
Verkleinerung der Rippen-Emitterkapazität wird eine zusätzliche Diffusion gemäß
Fig. 8 C ausgeführt. Diese erfolgt in Abwesenheit einer Quelle von Donatoren, so
daß die Donatoren durch Diffusion nach außen von der Oberfläche verlorengehen. Nach
diesem Arbeitsgang verhält sich die Domtor- minus Akzeptordichte in dem Werkstück
annähernd so, wie in Fig.8D dargestellt, daß die Zone von höchster Konzentration
annähernd eine Diffusionslänge unterhalb der Oberfläche liegt. Der nächste Arbeitsgang
besteht in der Bildung einer Gruppe von Rillen. in der Oberfläche. Diese Rillen
bilden später die Plattenbereiche des Transistors, während die Räume zwischen den
Rillen die Rippen bilden. Nach Herstellung der Rillen wird eine nachfolgende Diffusion
mit Donatoren ausgeführt. Dies ergibt eine dünne Schicht vorn n-Typ mit einer hohen
Konzentration nahe der Oberfläche über die ganze Fläche des Werkstückes (Fig.8E).
Darauf wird durch Abpolieren der Fläche bis auf eine Tiefe von der Größenordnung
eines Mikron ein Schnitt ausgeführt, um diese stark geimpfte Schicht vom n-Typ über
der Oberfläche 29, die später das Rippenmaterial bilden soll, zu beseitigen. Die
sich daraus ergebende Anordnung ist in Fig. 8F dargestellt. Die Konzentrationsgradienten
längs der beiden Linien a und b von der Oberfläche weg sind in Fig: 8 G veranschaulicht.
Das Wegpolieren der stark geimpften Schicht vom n-Typ mit hohem Konzentrationsgradienten
hinterläßt eine Zone von relativ niedriger Konzentration und auf den ebenen Flächen
mit niedrigem Konzentrationsgradienten.
Der nächste Arbeitsgang
besteht darin, daß es den Akzeptoren ermöglicht wird, von der Oberfläche aus während
einer anschließenden Diffusionsbehandlung einzudiffundieren. Dies ergibt eine pnp-Anordnung,
wie in Fig. 811 gezeigt. Die p-Schicht über dem Rippenmaterial ist beträchtlich
dicker dargestellt als über der Arbeitszone, da in der Nachbarschaft des Rippenmaterials
die Konzentration von Donatoren sich nur bei einer betächtlichen Tiefe unterhalb
der Oberfläche aufbaut. Somit wandeln die Akzeptoren in dieser Zone das Material
relativ tief unter der Oberfläche zu einem Material vom p-Typ um. Andererseits erzeugt
die zweite Diffusion. von Donatoren über der Arbeitszone eine hochkonzentrierte,
aber dünne Schicht von einem Material des n-Typs, und der pn-Übergang befindet sich
relativ nahe der Oberfläche. Der Konzentrationsgradient längs der beiden Linien
a und b von der Oberfläche weg ist mit Fig. 81 bezeichnet.
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Der Vorteil der in Fig.8I1 erläuterten Ausführungsform besteht darin,
daß oberhalb. der Rippen ein relativ niedriger Konzentrationsgradient vorhanden
ist. Dies führt zu einem pn-Übergang mit einer niedrigen Übergangskapazität. Andererseits
kann die jeweilige Konzentration von Donatoren in der Tiefe der Rippenschicht ebenso
hoch oder noch höher sein als in der Plattenzone, vorausgesetzt, daß die Oberflächenkonzentration
während der anfänglichen Diffusion wesentlich höher war als während der Bildung
der Plattenzone der Basis. Dies ergibt eine Herabsetzung der Diffusionskapazität
über der Rippenzone. Ferner kann die Fläche des Kollektorüberganges pro Flächeneinheit
der Rippe gemäß F ig. 8 etwas kleiner gemacht werden als gemäß Fig. 7, weil der
Übergang zwischen der Rippe und dem Kollektorkörper eben ist, während er bei Fig.7
nach innen konvex ist. Somit hat die Anordnung gemäß Fig. 8 eine geringere Kapazität
pro Flächeneinheit als eine gemäß Fig. 7 hergestellte vergleichbare Anordnung.
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Noch eine andere Anordnung zur Herstellung leitender Rippen ist in
Fig. 9 dargestellt. In diesem Falle ist eine anteilig oder in Raten gewachsene p,p+-Anordnung
aus einer Siliziumschmelze, die sowohl Donatoren als auch Akzeptoren enthält, hergestellt.
Da die Akzeptoren im allgemeinen schneller als die Donatoren diffundieren, führt
eine nachfolgende Wärmebehandlung im Vakuum dieser Schmelze zu einem Verlust von
Akzeptoren aus der Oberfläche. Das Ergebnis ist die Erzeugung kompensierter Zonen,
die dem n-Typ angehören. Dies ist in Fig.9 dargestellt. Diese Zonen können dann
als ; Rippen benutzt werden, um den Basiswiderstand in einer ähnlichen Weise, wie
oben erörtert, zu vermindern. Wahlweise kann die Kompensation dadurch hergestellt
oder erhöht werden, daß man Donatoren von der Oberfläche aus eindiffundieren läßt.
; Die Fig. 10 bis 13 erläutern eine andere Form des Rippenaufbaues und ein Verfahren
zu seiner Herstellung. Bei diesem Aufbau setzt sich der Emitterübergang nicht gleichförmig
über die Rippen der Basisschicht fort. Dies führt zu einer Verbesserung t des Alpha
und einer Herabsetzung der Kapazität zwischen Emitter und Basis. Fig. 10A erläutert
den ersten von verschiedenen Verfahrensschritten, bei der Herstellung der Anordnung.
Ein Rohling aus stark dotiertem Material p(+) des p-Typs wird zunächst t so behandelt,
daß eine weniger stark dotierte Schicht p(-) in der Nähe der Oberfläche erzeugt
wird. Darauf wird .eine sehr stark geimpfte Schicht von Material n(+ +) vom n-Typ
an der Oberfläche durch Diffusion gebildet. Ein Übergang von relativ niedriger Kapazität
trennt die n(++)-Schicht und den darunterliegenden Block wegen der leichten Dotierung
in letzterem. Die stark dotierte n(+ +) -Schicht bildet später das Rippenmaterial.
"Zunächst werden Rillen, in die Anordnung geschnitten, von denen eine in Fig. 10A
gezeigt ist.
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Anschließend an die vorerwähnten. Arbeitsgänge wird durch Diffusion
eine Schicht vom n-Typ gebildet, die als Plattenteil der Basis des Transistors benutzt
werden soll. Die nächsten beiden Schritte bei der Herstellung sind in den Fig.10-B
und 10,C veranschaulicht. Diese umfassen das Aufdampfen in Vakuum (Fig. 11) eines
isolierenden Films und eines Metallfilms über der gerillten Anordnung. Diese Arbeitsgänge
können in einem glockenartigen Hochvakuumgefäß 31 unter Verwendung von Quellen 32,
33 und 34 ausgeführt werden. Zunächst wird eine Schicht I aus Isoliermaterial, wie
Silizium oder Magnesiumfluorid, aus den Quellen 32 und 34, die annähernd in der
Ebene der gerillten Fläche angeordnet sind, verdampft, so daß die verdampften Moleküle
das Werkstück bei streifendem Einfall beaufschlagen. Wie in Fig. 10B dargestellt,
ergibt dies die Bildung einer isolierenden Schicht I über der Oberfläche mit Ausnahme
der Rillenböden, die im Schatten der Quellen des Isoliermaterials liegen.
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Anschließend an diesen Arbeitsgang wird eine Metallschicht aus der
Quelle 34, die annähernd direkt vor der Vorderseite des Werkstückes angeordnet ist,
niedergeschlagen. Wie in Fig.l0-C dargestellt ist, ergibt dies eine fortlaufende
Schicht 11I aus Metall, das in die Rillenhöden hineinreicht. Die Metallschicht soll
eine solche sein., die Akzeptoren bildende Stoffe enthält, und kann dazu benutzt
werden, um eine Schicht vom p-Typ auf dem Halbleiter durch den Legierungsprozeß
zu bilden. Aluminium oder ein Akzeptor, der eine Legierung, wie Goldgallium, trägt,
sind zur Benutzung für diesen Zweck geeignete Metalle, wenn der Halbleiter aus Silizium
besteht.
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Die resultierende Anordnung hat eine hohe Leitfähigkeit senkrecht
zur Zeichenebene sowohl für den Emitter- als auch für den Basisbereich. Im Falle
des Emitters wird die Leitfähigkeit durch die Aluminiumschicht gebildet, die sich
über die ganze Oberfläche erstreckt. Für den Fall des Basisbereiches erwächst die
Leitfähigkeit aus den relativ dicken und stark dotierten Rippen37. Die Emitterbasiskapazität
ist über die Rippen hin klein. wegen der isolierenden Schicht I.
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Es ist zu bemerken, daß der Isolatoraufbau an den Seiten der Rillen
dazu neigt, vorstehende Ränder zu formen, welche die Seitenwände der Rillen bei
der nachfolgenden. Metallverdampfung abschatten. Dieser Effekt kann zu einer weiteren
Herabsetzung der Emitterbasiskapazität und zur Verbesserung des Basiswiderstandes
benutzt werden. Dieses erwünschte Ergebnis kann dadurch erzielt werden, daß man
die Ränder sich in einem solchen Maße aufbauen. läßt, daß das verdampfte Metall
ununterbrochene Streifen bildet, von denen einer auf dem Grunde der Rillen und der
andere in den Zonen oberhalb der Rippen liegt. Nachdem der Legierungszyklus am Grunde
der Rillen stattgefunden hat, kann das Werkstück abpoliert werden, so daß das n(++)-Material
an dem Oberteil der Rippen freigelegt wird. Durch ein nachfolgendes Aufdampfen eines
Metallfilms wird dann ein metallener Kontakt längs der Rippen erzeugt, ohne daß
dadurch eine metallene Bahn von den Rippen zur Emitterleitung gebildet wird.
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Das Verfahren zum Anbringen von Kontakten an der Anordnung gemäß Fig.
10 ist in den Fig. 12 und
13 erläutert. Fig. 12 stellt eine Grundrißansicht
und Fig. 13 einen Querschnitt der Anordnung dar. Bei dieser Figur ist angenommen.,
daß die Verdampfung der isolierenden Schicht sich über einen viel größeren Bereich
als den der Rillen zwischen den Rippen erstreckt. Andererseits wird die Metallschicht
durch eine Maske aufgedampft, welche ihre Fläche im wesentlichen auf diejenige der
Rillen, beschränkt. Nach dem Aufdampfen und Legieren wird die. ebene Oberseite der
Anordnung bei 38 durch Läppen, Polieren, Ätzen oder eine Kombination aus diesen
Bearbeitungsarten abgeschrägt, so daß das n(+-I-)-Rippenmaterial freigelegt wird.
Durch anschließendes Verdampfen und Legieren oder Maskieren und Plattieren. können
Kontakte an dieser Basisschicht angebracht werden. Da die Basisschicht eine sehr
hohe Leitfähigkeit hat, ist es relativ leicht, einen niedrigen Widerstand aufweisende,
im wesentlichen ohmsche Kontakte daran anzubringen. Der Kollektorkontakt kann durch
Plattieren oder Legieren bei 39 an der Basis oder Grundfläche des Blockes und nachfolgendes
Anlöten oder Schweißen von metallenen Leitern oder massiven metallenen Tragteilen
41 angebracht werden. Die Kontakte an die aufgedampfte Emitterzone ilrl können durch
Druckkontakte, durch Löten oder Schweißen angebracht werden. Wenn der aufgedampfte
Film aus Aluminium besteht, kann es von Vorteil sein, den Metallkontakt in dem gleichen
Stadium anzubringen, in welchem der L egierungsprozeß eintritt. Unter diesen Bedingungen
ist es relativ leicht, die Aluminiumoxydschicht zu durchdringen, die sich auf dem
Aluminium zu bilden sucht. Wahlweise kann die Oxydschicht durch Druck in Verbindung
mit feinen Teilchen eines Schleifmittels oder durch Punktieren, der Schicht in Anwesenheit
eines geschmolzenen Löt- oder Flußmittels mit einem elektrischen Funken von niedriger
Energie aufgebrochen oder durchschlagen werden. Ein Funke durchschlägt die Oxydschicht
und ermöglicht es, daß das Löt- oder Flußmittel das Aluminium benetzt, das dann
einen guten metallischen Kontakt ergibt.
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Es ist ersichtlich, daß, wenn auch die vorstehend angegebenen Verfahren
vorzugsweise zur Herstellung von Flächentransistoren mit relativ großer Fläche geeignet
sind, ihre Brauchbarkeit sich nicht auf solche Fälle beschränkt. So kann die Herstellung
von Flächeatränsistoten mit relativ kleiner Fläche ebenfalls durch die Anwendung
des Rippenprinzips wesentlich vereinfacht werden. Ein Ausführungsbeispiel für die
Anwendung des Rippenprinzips auf die Herstellung eines Transistors mit kleiner Fläche
ist an Hand der Fig. 14 bis 16 erläutert.
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Die in Fig. 14 gezeigte Anordnung ist in ähnlicher Weise wie die von
Fig. 8 hergestellt. Da die einzelnen Schritte ähnlich denen von Fig. 8 sind, sind
sie hier nicht als Diagramm dargestellt worden. Beim ersten Schritt wird der Rippenaufbau
durch Diffundieren einer Verunreinigung vom p-Typ, z. B. Bor und Silizium, auf einen
glatt polierten Rohling vom n-Typ erzeugt. Um die Wandlungsfähigkeit des Verfahrens
zu erläutern, ist die Polarität entgegengesetzt derjenigen von Fig.8 gemacht. Nach
dieser Diffusion wird eine Emitterfläche in das Material geschnitten. Die Emitterfläche
40 besteht aus zwei Zonen 41 und 42. Die Zone 41 wird zur Herstellung des Kontaktes
an dem Emitter benutzt; 42 ist die arbeitende Zone. Die arbeitende Zone 42 ist eine
tiefe Rille. Die Kontaktzone 41 ist eine flachere Vertiefung.
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Danach werden. Donatoren und Akzeptoren so diffundiert, daß eine Oberfläche
vom n-Typ mit einer tiefer eindringenden Schicht vom p-Typ geschaffen wird: Zum
Beispiel können Aluminium und Antimon benutzt- werden., da Aluminium rascher als
Antimon diffundiert und die Anordnung sich ergibt, wenn beide gleichzeitig diffundiert
werden. Nach diesem Arbeitsgang weist das gesamte Werkstück wegen des Antimons eine
Haut vom n-Typ auf.
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Zum nächsten Arbeitsgang gehört das Polieren der Oberfläche des Werkstückes,
so daß die dünne Haut des n-Typs von der Rippe der Basiszone entfernt wird. Wahlweise
können - statt dessen die Rillen. mit einem ätzbeständigen Material, wie Wachs,
gefüllt werden. Das überschüssige Wachs wird von. den Oberseiten der Rippen entfernt
und die n-Schicht von den Oberseiten der Rippen weggeätzt.
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Als nächstes werden die Schnitte 43 auf mechanischem Wege durch Läppen
oder auf chemischem Wege durch Maskieren und Ätzen hergestellt, derart, daß die
Ausdehnung der Rippe des Basisbereichs begrenzt wird. Die sich dabei ergebende Anordnung
ist in Fig. 15 und 16 im Schnitt dargestellt. In Fig. 15 ist zu sehen., daß die
n(+)-Schicht aus dem Bereich oberhalb der Rippe weggenommen ist. Die n.(-I-)-Schicht
liegt in einer im wesentlichen flachen Tiefe des Rippenmaterials, so daß sie einen
Übergang von verhältnismäßig geringer Kapazität mit dem Rippenmaterial bildet, da
in der Nähe der Oberfläche das Rippenmaterial durch Verdampfen von der Oberfläche
entleert wird, wie es in Verbindung mit Fig.8D erläutert wurde.
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Außerdem ist in Fig. 15 ein an die n(+)-Schicht angebrachter Legierungskontakt
gezeigt. Da in. der flachen Zone die n(+)-Schicht auf einer dicken Zone aus Material
vom p-Typ liegt, das an dem pn-Übergang nicht sehr stark dotiert ist, kann leicht
ein Legierungskontakt daran mit einer Gold-Antimon-Legierung oder einer anderen.,
einen Donator enthaltenden Legierung angebracht werden.
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In Fig. 16 ist der tiefere Teil der die Platten oder aktive Fläche
der Basis enthaltenden Rille gezeigt. Ferner ist der Basiskontakt gezeigt, der an
der Schicht vom p-Typ durch Legieren beispielsweise mit einem Aluminiumdraht oder
einem mit Aluminium überzogenem Draht angebracht ist.
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Die Vorteile des Rippensystems bei der Herstellung von Flächentransistoren
treten bei den Fig. 14 bis 16
deutlich in Erscheinung. Es ist zu sehen, daß
durch die Anwendung dieses Systems oder Verfahrens die Probleme der Kontaktanbringung
an der Emitterzone und der Basiszone wesentlich erleichtert werden und daß das Problem
der geometrischen Kontrolle nicht die Verdampfung oder Bedampfung einer Metallfläche
von kontrollierter Gestalt umfaßt, sondern auf eine kontrollierte Ätzung oder einen
Schneidvorgang beschränkt wird. Diese Arbeitsgänge können mit einer Präzision ausgeführt
werden, die derjenigen vergleichbar ist, welche bei der Herstellung genauer Gitter
vorkommt, und für die Herstellung von Transistoren mit bisher unerreichter Vollkommenheit
angemessen ist. Es ist ersichtlich, daß das in Verbindung mit den, Fig. 14 bis 16
angegebene Verfahren zur Herstellung von großflächigen Transistoren der vorher beschriebenen
Art benutzt werden kann.
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Die Basisanordnung gemäß der Erfindung braucht nicht aus einer Reihe
nur paralleler Rippen zu bestehen, sondern ist auch in der Weise ausführbar, daß
eine Gruppe von starken Rippen in einer Richtung verläuft und mit einer Gruppe von
in dichteren Abständen befindlichen, etwas leichteren Rippen verbunden ist, die
im rechten Winkel hierzu verlaufen. Die
Hauptstrombahn von einem
vorbildlichen Plattenbereich zum Basiskontakt verläuft von dem Plattenteil zu einer
der schmalen Rippen und längs der schmalen Rippen zu einer der stärkeren Rippen
und von da bis zur Basiselektrode. Solche Anordnungen können besonders für großflächige
Hochleistungstransistoren vorteilhaft sein.
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Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß in manchen
Fällen die Platten- und Rippen: bereiche mit gleicher Dicke geformt sein können.,
wobei der Rippenbereich eine wesentlich höhere Trägerkonzentration aufweist, um
die Leitfähigkeit des Rippenbereichs der Basisschicht zu vergrößern.
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Die Möglichkeiten zur Anwendung und Ausführung der Erfindung beschränken
sich nicht auf die hier im einzelnen beschriebenen Beispiele. So ist insbesondere
zu beachten, daß, wenngleich hier in erster Linie von Silizium- und Germanium-Halbleiteranordnungen
gesprochen ist, die Erfindung sich keineswegs auf diese beschränkt. Vielmehr können
auch andere Halbleitermaterialien verwendet werden, um Flächentransistoren gemäß
der Erfindung zu bilden.