DE1127001B

DE1127001B - Flaechentransistor, insbesondere fuer Schaltzwecke

Info

Publication number: DE1127001B
Application number: DEW25919A
Authority: DE
Inventors: Robert Cecil Buschert; Solomon Leon Miller
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1958-07-17
Filing date: 1959-07-01
Publication date: 1962-04-05
Also published as: FR1230212A; US2964689A; GB854477A; NL125999C; NL240883A; BE580254A

Description

DEUTSCHES

PATENTAMT

BiBUGTHEK ΠΕ3 PTLiTSCHEM W 25919 VUI c/21g

ANMELDETAG:

BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABE DER AUSLEGESCHRIFT:

1. JULI 1959

5. A P R I L 1962

Die Erfindung betrifft Flächentransistoren, die insbesondere für Schaltzwecke bestimmt sind und aus einem plättchenförmigen Halbleiterkörper mit einer Emitter-, einer Basis- und einer Kollektorzone bestehen, die durch flächenhafte Übergänge voneinander getrennt sind.

Ziel der Erfindung ist ein Flächentransistor, welcher sehr schnell zwischen einem Zustand niedriger Impedanz an zwei seiner Elektroden und einem Zustand hoher Impedanz an denselben Elektroden umgeschaltet werden kann.

Eine wichtige Anwendung eines Flächentransistors ist eine solche als schaltendes Bauelement, das unter bestimmten Arbeitsbedingungen eine hohe Impedanz und unter anderen Arbeitsbedingungen eine niedrige Impedanz aufweist. In einem typischen Fall wird zwischen der Emitter- und der Kollektorelektrode ein Zustand hoher Impedanz bei Arbeitsbedingungen erzielt, die eine Sperrspannung an dem Kollektor-Basis-Übergang ergeben. Zwischen diesen Elektroden wird ein Zustand niedriger Impedanz erzielt, wenn der Kollektorstrom bis zur Sättigung erhöht wird, indem in die Basiselektrode ein so hoher Strom eingeführt wird, daß sich an dem Kollektor-Basis-Übergang eine Spannung in Flußrichtung ergibt. Eine wesentliche Begrenzung der Geschwindigkeit, mit welcher ein derartiger Transistor von einem Zustand niedriger Impedanz in einen Zustand hoher Impedanz umgeschaltet werden kann, stellt die Speicherung von Minoritätsträgern in der Nähe des Kollektor-Basis-Übergangs dar, da diese Speicherung die Herabsetzung des im Emitter-Kollektor-Kreis fließenden Stroms auf niedrige Werte verzögert. Die Grundlagen für das Umschalten von Transistoren zwischen Zuständen hoher und niedriger Impedanz sind in einem Aufsatz »Large-Signal Behavior of Junction Transistors« von J. J. Ebers und J. L. Moll in den Proceedings of the I. R. E., Bd. 42, S. 1761 bis 1772, Dezember 1954, dargelegt.

Um die Speicherung der Minoritätsträger klein zu halten und damit die Umschaltgeschwindigkeit von einem Zustand niedriger Impedanz in einen Zustand hoher Impedanz zu erhöhen, ist es notwendig, die Lebensdauer der Minoritätsträger im Halbleitermaterial in der Nähe des Kollektor-Basis-Übergangs herabzusetzen. Andererseits ist es jedoch von Nachteil, die Lebensdauer der Minoritätsträger auf der Basisseite des Kollektor-Übergangs bei der üblichen Form in Flächentransistoren herabzusetzen, da eine solche Herabsetzung zu einer Abnahme des Strom-Verstärkungsfaktors α und einer entsprechenden Herabsetzung der Geschwindigkeit führt, mit der der Flächentransistor, insbesondere für Schaltzwecke

Anmelder:

Western Electric Company, Incorporated, New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dipl.-Ing. H. Fecht, Patentanwalt, Wiesbaden, Hohenlohestr. 21

Beanspruchte Priorität: V. St. v. Amerika vom 17. Juli 1958 (Nr. 749 227)

Robert Cecil Buschert, West Lafayette, Ind., und Solomon Leon Miller, Poughkeepsie, N. Y.

(V. St. A.),
sind als Erfinder genannt worden

Transistor von einem Zustand hoher Impedanz in einen Zustand niedriger Impedanz umgeschaltet werden kann. Da es keine bekannten Herstellungsverfahren gibt, die so genau gesteuert werden können, wie es für eine bedeutende Herabsetzung der Minoritätsträgerlebensdauer auf der Kollektorseite des Kollektor-Basis-Übergangs ohne unerwünschte Beeinflussung der Minoritätsträgerlebensdauer auf der Basisseite dieses Übergangs notwendig wäre, ergeben sich praktische Schwierigkeiten für eine wirksame Lösung des Trägerspeicherproblems bei der üblichen Form von Flächentransistoren.

Es wurde jedoch entdeckt, daß bei Flächentransistoren mit großem Querwiderstand der Basiszone, was bei dünnen Basiszonen im allgemeinen der Fall ist, die Trägerspeicherung entlang den Teilen des Kollektor-Basis-Ubergangs am stärksten ist, die sich am dichtesten bei der Basiselektrode befinden. Ferner war bekannt, daß zur Erzielung eines hohen Alphawertes von besonderer Bedeutung ist, die Minoritätsträgerlebensdauer des Basismaterials zwischen dem Emitter-Basis-Übergang und dem Kollektor-Basis-Übergang, wo die Transistorwirkung stattfindet, hoch zu halten. Durch Kombination der obigen Entdeckung mit der bekannten Tatsache ergab sich die Erkenntnis, daß durch eine geeignete geometrische Gestaltung des Flächentransistors das Gebiet, in dem die Speicherung der Minoritätsträger

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bedeutend ist und damit ihre Lebensdauer vorteil- Basiselektrode 14 einen niederohmigen Anschluß an hafterweise klein sein soll, von dem Gebiet, in dem die rechte Hälfte der Basiszone herstellt, die Transistorwirkung stattfindet und damit die Mino- In einem typischen Fall ist die Emitterzone 13 ritätsträgerlebensdauer vorteilhafterweise hoch sein geradlinig und erstreckt sich senkrecht zur Zeichensoll, getrennt werden kann. Dadurch wird es mög- 5 ebene über eine Länge, die wenigstens das Mehrfache lieh, die Speicherung der Minoritätsträger im Gebiet ihrer Breite beträgt. Die Basiselektrode 14 ist ebenihrer Konzentration durch Verwendung von Halb- falls geradlinig und erstreckt sich parallel zur Emitterleitermaterial mit kleiner Minoritätsträgerlebensdauer zone entlang eines beträchtlichen Teils ihrer Länge, in diesem Gebiet klein zu halten und gleichzeitig den Die Emitterelektrode 16 erstreckt sich entlang eines Alphawert durch Verwendung von Halbleitermaterial io größeren Teils der Länge der Emitterzone. Die KoI-mit hoher Lebensdauer der Minoritätsträger in dem lektorelektrode 17 bildet einen großflächigen AnGebiet der Basiszone hoch zu halten, wo die Tran- Schluß an die ganze dem Oberteil gegenüberliegende sistorwirkung stattfindet. Oberfläche des Plättchens. Vorteilhafterweise ist die Transistoranordnungen, die eine geeignete geo- Basiszone 12 durch eine Akzeptorkonzentration gemetrische Form aufweisen, sind bereits bekatint. Bei 15 kennzeichnet, die mit dem Abstand von dem Emittereiner Ausführungsform ist beispielsweise die Emitter- Basis-Übergang zum Kollektor-Basis-Übergang abelektrode und der Emitter-Basis-Übergang auf einer nimmt, so daß ein inneres Feld entsteht, welches dem konzentrisch um die Basiselektrode verlaufenden Elektronenstrom vom Emitter zum Kollektor eine Ringnut angeordnet. Bei einer anderen Ausf ührungs- Strömungskomponente hinzufügt. Transistoren, welche form ist umgekehrt die Basiselektrode konzentrisch 20 die oben beschriebene allgemeine Gestalt aufweisen, um den Emitter-Basis-Ubergang angeordnet. Diese sind bekannt und werden gewöhnlich als Transistoren und ähnliche Anordnungen können für die Zwecke mit diffundierter Basis bezeichnet, der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Das Halbleitermaterial des halbleitenden Plätt-Die Erfindung bezieht sich somit auf einen chens ist in der Nähe desjenigen Teils 18 A des Flächentransistor, insbesondere für Schaltzwecke, 25 Kollektor-Basis-Übergangs, der unter der Emitterbestehend aus einem plättchenförmigen Halbleiter- zone liegt, so hergestellt, daß es für Minoritätsträger körper mit einer Emitter-, einer Basis- und einer eine Lebensdauer aufweist, die hoch im Vergleich zu Kollektorzone, die durch flächenhafte Übergänge der Minoritätsträgerlebensdauer im Halbleitermaterial voneinander getrennt sind. Solche Flächentransistoren in der Nähe des Teils 18 B des Kollektor-Basiswerden erfindungsgemäß so ausgebildet, daß der 30 Übergangs ist, der unter der Basiselektrode 14 liegt. Emitter-Basis-Übergang nur einem Teil des Kollek- Wünschenswert ist ein Verhältnis von wenigstens tor-Basis-Übergangs gegenüberliegt und daß in der 1:3, vorteilhafterweise von mehr als 1:5. Bei Nähe dieses Teils des Kollektor-Basis-Übergangs die Flächentransistoren, die für sehr hohe Schalt-Minoritätsträgerlebensdauer höher als in der Nähe geschwindigkeiten bestimmt sind, sind sogar höhere des Teils des Kollektor-Basis-Übergangs ist, welcher 35 Verhältnisse vorzuziehen. In manchen Fällen, insder Basiselektrode gegenüberliegt. besondere bei Verwendung von Germanium, kann es Für die Verwirklichung des erwünschten Unter- wünschenswert sein, eine übermäßige Herabsetzung schiedes in der Minoritätsträgerlebensdauer in den der Lebensdauer 2x1 vermeiden, da die Sperrströme verschiedenen Gebieten des Halbleiterkörpers sind um so höher sind, je geringer die Minoritätsträgerverschiedene Verfahren möglich. 40 lebensdauer in der Nahe des Kollektor-Basis-Über-Mit einem solchen Halbleiterbauelement können gangs ist. Jedoch ist es bei einem derartigen Tranwesentlich kürzere Umschaltzeiten ohne schädliche sistor jetzt möglich, die Minoritätsträgerlebensdauer Beeinflussung der Transistorwirkung erreicht werden unmittelbar zwischen dem Emitter-Basis-Übergang als bei früher bekannten Ausführungen. Bei einem und dem Kollektor-Basis-Übergang so hoch wie weiter unten noch ausführlich beschriebenen Aus- 45 möglich zu machen, da das Problem der Trägerführangsbeispiel konnte z. B. eine Herabsetzung der speicherung nicht mehr gegen die Verwendung von Umschaltzeit um den Faktor 5 erzielt werden. Halbleitermaterial mit hoher Minoritätsträgerlebens-

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der dauer in der Basiszone spricht.

Zeichnungen eingehend erläutert. Es ist gewöhnlich zur Erreichung verschiedener

Fig. 1 zeigt im Schnitt einen Transistor mit diffun- 50 Minoritätsträgerlebensdauern in verschiedenen Tei-

dierter Basis, der erfindungsgemäß abgeändert ist; len eines Plättchens günstig, von einem Halbleiter-

Fig. 2 A und 2 B zeigen eine Aufsicht und eine material mit durchweg hoher Lebensdauer der Mino-

Seitenansicht eines Legierungs-Flächentransistors, der ritätsträger auszugehen und danach die Lebensdauer

erfindungsgemäß abgeändert ist. der Minoritätsträger in den Gebieten herabzusetzen,

Fig. 1 zeigt einen Flächentransistor, dessen geo- 55 wo sie niedrig sein soll.

metrische Gestalt speziell für hochfrequenten Betrieb Es stehen verschiedene Verfahren zur Herabsetzung

geeignet ist. Der Transistor enthält ein halbleitendes der Minoritätsträgerlebensdauer in einem begrenzten

Plättchen, dessen Hauptteil 11 η-Leitfähigkeit auf- Teil eines halbleitenden Bauelements zur Verfügung,

weist und als Kollektorzone dient. Auf einer größe- Ein der Steuerung zugängliches bekanntes Verfahren

ren Fläche des Plättchens befindet sich ein Oberteil 60 besteht in der Beschießung des halbleitenden Körpers

kleineren Querschnitts, d. h. ein Mesa, dessen größe- mit Teilchen hoher Energie, z. B. mit Elektronen,

rer Teil 12 p-Leitfähigkeit aufweist und als Basis- Eine derartige Beschießung ergibt offensichtlich

zone dient. Der Kollektor-Basis-Übergang, der die Gitterstörungen, welche die Lebensdauer herabsetzen.

Zonen 11 und 12 trennt, erstreckt sich parallel zur Andere Verfahren bestehen in der Einführung von

ebenen Oberfläche des Oberteils. Ein kleinerer Teil 65 geeigneten Beimengungen, z. B. von Kupfer in Ger-

des Oberteils weist η-Leitfähigkeit auf und dient manium und von Eisen oder Gold in Silizium, in das

als Emitterzone. Wie dargestellt, liegt die Emitterzone Gebiet, in dem die Minoritätsträgerlebensdauer

auf der linken Hälfte des Oberteils, während die herabgesetzt werden soll. In einem typischen Fall

kann die Einführung durch Diffusion aus einer Oberflächenschicht der Beimengungen erfolgen, die durch Verdampfen auf den Teil aufgebracht ist, in dem die Lebensdauer niedrig sein soll. Zusätzlich können spezielle Wärmebehandlungen oder eine plastische Verformung benutzt werden, um die Lebensdauer der Minoritätsträger herabzusetzen.

Umgekehrt ist es möglich, von einem Material mit durchweg niedriger Lebensdauer der Minoritätsträger, z. B. durch Einführen einer geeigneten Beimengung auszugehen und danach die Lebensdauer der Minoritätsträger in ausgewählten Gebieten des Plättchens zu erhöhen, z. B. durch Gettern der Beimengung aus diesen Gebieten. Es ist bekannt, daß Blei das Kupfer in Germanium gettert, während Nickel benutzt werden kann, um Gold in Silizium zu gettern.

Bei einem speziellen Ausführungsbeispiel wurde ein einkristallines Siliziumplättchen hergestellt, das im wesentlichen die geometrische Form der Fig. 1 aufwies und eine Kantenlänge von 1,27 mm und eine Dicke von 0,51 mm hatte. Das Oberteil hatte eine Kantenlänge von etwa 0,25 mm und eine Dicke von etwa 0,10 mm. Die Basiszone war wenige Hundertstelmillimeter dick, und die Basiselektrode bestand aus einem Aluminiumstreifen, der 0,15 mm lang, 0,05 mm breit und wenige Hundertstelmillimeter dick war. Die Emitterzone war 0,15 mm lang, 0,076 mm breit und wenige Hundertstelmillimeter dick, und die Emitterelektrode bestand aus einem Gold-Antimon-Streifen, der 0,076 mm lang, 0,038 mm breit und wenige Hundertstelmillimeter dick war. Über die Hälfte des Oberteils mit der Emitterzone wurde eine 0,5 mm dicke Bleiabschirmung gelegt und die andere Hälfte des Oberteils mit dem freien Basisanschluß in einem van-de-Graaf-Generator bestrahlt. Eine Dosis von etwa 8-10¹⁴ Elektronen je Quadratzentimeter mit einer Energie von 0,75 Millionen Elektronenvolt erwies sich als ausreichend, um die Geschwindigkeit, mit der der Transistor vom Zustand niedriger Impedanz in den Zustand hoher Impedanz umgeschaltet werden konnte, um wenigstens das Fünffache zu verbessern.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, gleichzeitig eine große Halbleiterscheibe mit einer Anordnung von zehn mal zehn Einheiten der in Fig. 1 dargestellten Art zu bestrahlen. Es wurden zehn Bleistreifen verwendet, und zwar jeweils einer zur Abschirmung einer Reihe mit zehn Emitterzonen. Nach der Bestrahlung konnte die große Scheibe in hundert einzelne Einheiten zerschnitten werden.

Die Fig. 2 A und 2 B zeigen einen Flächentransistor mit einer geometrischen Gestalt, die sich zur Durchführung eines Legierungsverfahrens eignet. Der Hauptteil des halbleitenden Plättchens 30 dient als Basiszone 31 mit η-Leitfähigkeit. Die Emitterzone 32 mit p-Leitfähigkeit ist ein Legierungsgebiet auf einer der großen Flächen, während die Kollektorzone 33 mit p-Leitfähigkeit ein Legierungsgebiet auf der entgegengesetzten großen Fläche ist, wie es für die bekannten Legierungs-Flächentransistoren kennzeichnend ist. Um die Anwendung des Erfindungsprinzips zu erleichtern, hat die Kollektorzone die Form eines Schlüssellochs mit einem kreisförmigen Teil 33 A, der gegenüber der kreisförmigen Emitterzone liegt, und mit einem geraden Teil, der sich von dem kreisförmigen Teil bis unter das Gebiet erstreckt, in dem die Elektrode 34 einen niederohmigen Anschluß zur Basiszone herstellt. Die Formen der Emitter- und der Kollektorzone können leicht durch die Form der mit Akzeptormaterial angereicherten Pillen gesteuert werden, die in den Halbleiterkörper einlegiert werden.

Bei einem Flächentransistor der beschriebenen geometrischen Gestalt ist es verhältnismäßig leicht, dafür Sorge zu tragen, daß die Lebensdauer der Minoritätsträger in der Nähe des geraden Teils 33 B des Kollektorübergangs klein und die Lebensdauer der Minoritätsträger in der Nähe des kreisförmigen Teils 33 Λ des Kollektor-Basis-Übergangs groß ist. Eins der vorher beschriebenen Verfahren kann hier ebenfalls Anwendung finden.

Die hier beschriebenen Ausführungsformen sind nur Beispiele für die Anwendung des Erfindungsprinzips. Es ist z. B. auch möglich, einen Flächentransistor herzustellen, bei dem zwei getrennte Elektroden einen niederohmigen Anschluß an die Basiszone bewirken. In diesem Fall ist es vorzuziehen, die Lebensdauer der Minoritätsträger in der Nähe der Teile des Kollektor-Basis-Übergangs herabzusetzen, die jeweils den Basiselektroden am nächsten sind. Ebenso können auch Flächentransistoren aus anderen Halbleitermaterialien, z. B. Germanium-Silizium-Legierungen und halbleitende Verbindungen aus Elementen der Gruppe III und V des Periodischen Systems der Elemente, hergestellt werden. Das Erfindungsprinzip ist auch auf Flächentransistoren anwendbar, bei denen der Kollektor entweder aus zwei Zonen besteht, wie bei einem pnpn-Transistor, oder mit einem eigenleitenden Gebiet, wie bei einem pnip-Transistor.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Flächentransistor, insbesondere für Schaltzwecke, bestehend aus einem plättchenförmigen Halbleiterkörper mit einer Emitter-, einer Basis- und einer Kollektorzone, die durch flächenhafte Übergänge voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Emitter-Basis-Übergang nur einem Teil des Kollektor-Basis-Übergangs gegenüberliegt und daß in der Nähe dieses Teils des Kollektor-Basis-Ubergangs die Minoritätsträgerlebensdauer höher als in der Nähe des Teils des Kollektor-Basis-Ubergangs ist, welcher der Basiselektrode gegenüberliegt.

2. Flächentransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper einen Teil kleineren Querschnitts, d. h. einen Mesa, aufweist, und daß auf der äußeren Oberfläche des Mesas die Basis- und die Emitterelektrode angebracht sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr. 1152 654, 1160158;
USA.-Patentschriften Nr. 2 789 068, 2 822 310.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen