DE1152762B - Transistor zum Schalten mit teilweise fallender Emitterspannung-Emitterstrom-Charakteristik - Google Patents

Description

• Transistor zum Schalten mit teilweise fallender Emitterspannung-Emitterstrom-Charakteristik Das deutsche Patent 1064152 betrifft einen Transistor mit teilweise fallender Charakteristik zum Schalten mit kurzen Sprungzeiten und mit flächenhaften pn-Übergängen an der Emitter- und Kollektorzone, bei dem ein Strom von Mehrheitsladungsträgern vor dem Emitter ein Potential erzeugt und dadurch die Injektion von Minderheitsladungsträgern am Emitter vermehrt wird, bei dem weiterhin der Strom von Mehrheitsladungsträgern mehr als das Zehnfache des Sättigungsstroms des Kollektors beträgt, jedoch klein gegenüber dem im Flußzustand fließenden Strom ist, und bei dem der Mehrheitsladungsträgerstrom vom Kollektor selbst zur Basiselektrode fließt, so daß zwischen dem Emitter und dem Kollektor ein die Minderheitsladungsträger in Richtung vom Emitter zum Kollektor beschleunigendes elektrisches Zugfeld besteht. Nach diesem Patent 1064152 ist in einen oder mehreren kleinen Teilen der Fläche des pn-Überganges an der Kollektorzone die Ausbildung des pn-Überganges gestört und verhindert und ein sperrfrei leitender Kanal für den Strom der Mehrheitsladungsträger vom Kollektor zur Basiszone und weiter zur Basiselektrode gebildet.
• Der Schalttransistor nach diesem Patent 1064152 wurde durch ein Legierungsverfahren hergestellt, bei dem z. B. Indiumpillen auf einer Germaniumplatte auflegiert wurden und in die Kollektorpille durch Einsenken einer Wolframspitze während des Legierungsvorganges eine kleine Störung bei der Auskristallisierung des pn-Überganges ausgelöst wurde, die dann zu dem Mehrheitsladungsträgerstrom in der Basis führte.
• Bei der Herstellung von Hochfrequenztransistoren hat man in letzter Zeit das einfache Legierungsverfahren verlassen. Man läßt vielmehr eine sehr dünne niederohmige Basisschicht in ein hochohmiges Halbleiterplättchen eindiffundieren. Die Kollektorrandschicht beeinflußt den hochdotierten Teil der Basiszone nur noch wenig, eine im Vergleich zur Basiszone noch stärker dotierte Emitterzone sorgt für die Lieferung von Minoritätsträgern, die durch die diffundierte Basiszone in den Kollektor abfließen.
• Es sind weiter Transistoren bekannt, deren Emitterhalbleiter einen breiteren Bandabstand als ihr Basishalbleiter aufweist (deutsche Patentschrift 814 487 und Gebrauchsmuster 1815 963). Bei solchen Transistoren mit einem sogenannten »Wide-gape«-Emitter ist es weiter bekannt, den Basishalbleiter stärker zu dotieren als den Emitter- oder Kollektorhalbleiter (deutsche Patentschrift 1021488). Die Anwendung einer stark dotierten Basiszone ermöglicht bei kleinen Basisdicken niedrige Basiswiderstände und damit hohe Grenzfrequenzen und war deshalb lediglich für Hochfrequenztransistoren bekannt.
• Die Erfindung betrifft dagegen einen verbesserten Transistor zum Schalten mit teilweise fallender Emitterspannung - Emitterstrom - Charakteristik, bei dem in einem oder mehreren kleinen Teilen der Fläche des pn-Überganges an der Kollektorzone die Ausbildung des pn-Überganges gestört und verhindert ist. Nach der Erfindung ist ein solcher Transistor so ausgebildet, daß die Basiszone an der Emitterzone eine Störstellendichte über 1016/cm3 und der übrige Teil der Basiszone eine geringere Störstellendichte hat, daß die Emitterzone aus einem Halbleitermaterial besteht, dessen verbotenes Band einen breiteren Bandabstand als das Halbleitermaterial der Basiszone aufweist, und daß die Dotierung dieser Emitterzone gleich oder geringer als die des angrenzenden kochdotierten Teiles der Basiszone ist.
• Es sei erwähnt, daß eine Übernahme des bei der Herstellung von Hochfrequenztransistoren angewandten und vorstehend beschriebenen Verfahrens für die Herstellung eines Schalttransistors nicht möglich ist, weil die stark dotierten Emitterzonen der nach dem bekannten Verfahren hergestellten Hochfrequenztransistoren keinen Betrieb bei hoher Sperrspannung erlauben. Aus diesem Grunde ist auf den niederohmigen Teil der Basiszone des Schalttransistors nach der Erfindung keine Emitterzone aus einem noch stärker als die Basiszone dotierten Material aufgebracht, sondern für die Emitterzone ein Halbleitermaterial verwendet, dessen verbotenes Band einen breiteren Bandabstand als das der Basiszone aufweist. Durch die gemeinsame Anwendung einer eindiffundierten, an der Emitterzone hochdotierten Basiszone und einer hochohmigen und schwächer dotierten Emitterzone mit breitem Bandabstand lassen sich dagegen Schalttransistoren aufbauen, die geringe Sättigungsströme und hohe differentielle Widerstände aufweisen. Außerdem sind Schalttransistoren dieser Bauart im Betrieb stabiler gegenüber Temperaturschwankungen, und ihre Emitterwirksamkeit ist verbessert. Insbesondere ist mit dem Transistor nach der Erfindung ein Betrieb an den in der Fernmeldetechnik üblichen hohen Spannungen der Amtsbatterie (60 V) möglich.
• Verwendet man Germanium als Ausgangsmaterial für den Transistor nach der Erfindung, so besteht die Emitterzone vorteilhaft aus Silizium oder aus einer der halbleitenden Verbindungen zwischen der 11I. und V. Gruppe des Periodischen Systems. Besonders geeignet hat sich Galliumarsenid erwiesen. Bei Silizium als Halbleitermaterial der Basiszone besteht die Emitterzone aus Galliumarsenid.
• Für die Herstellung des Transistors nach der Erfindung ergeben sich verschiedene Möglichkeiten. Vorteilhaft kann durch Diffusion eine pp+- bzw.
• nn+-Struktur hergestellt werden, auf welcher die Emitterzone mit breitem verbotenem Band und schwächerer Dotierung als die angrenzende Basiszone aufgebracht wird. Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird auf den niederohmigen Teil der BasiszonedieEmitterzone durchAufwachsenlassen aus der Dampfphase aufgebracht. Das Aufwachsenlassen aus der Dampfphase kann in der Art und Weise vor sich gehen, wie es z. B. im »Journal of Applied Physics«, Bd. 31, Nr. 6 vom Juni 1960 beschrieben ist. Die Störung des Kollektor-pn-llberganges wird auf der hochohmigen Seite der Basisschicht nach einem der im deutschen Patent 1064 152 geschilderten Verfahren, z. B. durch Einsenken einer Wolframspitze in eine auflegierte Kollektorpille bewirkt.
• Ein anderes mögliches Verfahren zur Herstellung des Transistors nach der Erfindung besteht darin, daß zunächst auf das hochohmige Ausgangsmaterial durch Oxydation oder kathaphoretische Zerstäubung eine Schutzschicht aufgebracht wird, welche die Stelle, an welche der spätere pn-Übergang an der Kollektorzone gestört werden soll, ausläßt. Darauf wird ein sehr stark dotierendes Material vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Kollektor durch das Loch der Schutzschicht eindiffundiert und dann die Schutzschicht durch Abätzen od. dgl. entfernt. Schließlich wird ein entgegengesetzt dotierender Stoff in die Basiszone eindiffundiert und auf diese Basiszone eine z, B. aus Galliumarsenid bestehende Emitterzone durch Aufwachsen aus der Dampfphase aufgebracht.
• Gemäß einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann das Verfahren zur Herstellung eines Transistors dadurch vereinfacht werden, daß zunächst die Stelle, an welcher der spätere pn-LUbergang des Kollektors gestört werden soll, durch Abdecken maskiert und darauf durch eine Doppeldiffusion sowohl die Basiszone als auch der den pn-übergang von der Basiszone zum Kollektor störende Stoff eindiffundiert wird.
• An Hand von zwei Figuren wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Transistors und eines der möglichen. Herstellungsverfahren näher erläutert. Die Fig. 1 zeigt einen npn-Schalttransistor, der eine Emitterzone 4 mit breitem verbotenem Band aufweist und dessen Kollektor 3 gemäß der im deutschen Patent 1064 152 angegebenen Art und Weise durch Einsenken einer Wolframspitze an einer Stelle gestört ist. In der Figur bedeutet 1 das Halbleitergrundmaterial, welches durch Diffusion in der Zone 2, welche der Emitterzone gegenüberliegt, p+-dotiert ist. Die Emitterzone 4 mit breitem verbotenem Band ist auf diesem niederohmigen Teil t der Basiszone aufgebracht, der Kollektor 3 sitzt auf dem hoehohmigen Teil der Basiszone 1 und ist in der Mitte seines pn-Überganges zur Basiszone durch eine Wolframspitze 5 an einer Stelle durchstoßen.
• Abweichend von der in der Fig. 1 gezeigten Möglichkeit kann man die Störung des Kollektorüberganges auch von der Kollektorseite oder von der Emitterseite eindiffundieren lassen.
• Die Fig. 2 zeigt eines der hierzu aufgeführten Herstellungsverfahren, bei welchem die Störung von der Emitterseite her eindiffundiert wird, in zwei Phasen. Die im oberen Teil der Fig. 2 a dargestellte erste Phase zeigt einen Halbleiterblock aus hochohmigem Ausgangsmaterial, z. B. aus n-Germanium von etwa 20 Ohm - cm oder n-Silizium von etwa 500 Ohm - cm. Auf dieses hochohmige Ausgangsmaterial 11 wird durch Oxydation eine Schutzschicht 15 aufgebracht. An der Stelle 1.6, an welcher der spätere pn-Dbergang des Kollektors gestört werden soll, ist durch vorherige Abdeckung die Schutzschicht nicht ausgebildet, dort liegt also das Halbleitermaterial frei. Durch das Loch 16 der Schutzschicht 15 wird nun ein sehr stark dotierendes Material 17 vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie der Kollektor nach einem der bekannten Verfahren eindiffundiert (Fig. 2a). Wenn dies geschehen ist, wird die Schutzschicht 15 durch Abätzen od. dgl. entfernt.
• Nun wird, wie durch die p+-Pfeile in der Fig. 2b angedeutet, mit einem entgegengesetzt hochdotierenden Stoff in gleichfalls bekannter Weise die Basiszone 12 eindiffundiert (Fig. 2b). Durch den Diffusionsvorgang bedingt, nimmt die Störstellendichte mit dem Eindringen in den Halbleiterblock ab. Der später an den Emitter angrenzende Teil der Basiszone 12 ist stark p+-dotiert. Der darauffolgende untere Teil der Basiszone 12 wird durch den Diffusionsvorgang dagegen nur zu schwach p-leitendem Material umdotiert. An einer dem Loch 16 der vorher vorhandenen Schutzschicht 15 gegenüberliegenden Stelle bildet sich die Störung 13 des pn-Überganges von dem p-leitenden unteren Teil der Basiszone 1.2 zum übrigen, als Kollektor wirkenden Halbleiterblock 11 aus, über die der Mehrheitsladungsträgerstrom fließen kann. Schließlich wird auf den oberen niederohmigen Teil der Basis 12 aus der Dampfphase die Emitterzone aus Galliumarsenid aufgedampft. Von den beschriebenen Verfahrensschritten zeigen die beiden Teile der Fig. 2 nur die beiden Diffusionsvorgänge.
• Das vorstehend beschriebene Verfahren ist nur eines der möglichen Ausführungsformen, um einen verbesserten Schalttransistor herzustellen, welcher bei hoher Sperrspannung mit niedrigen Sättigungsströmen und hohen differentiellen Widerständen betrieben werden kann.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Transistor zum Schalten mit teilweise fallenderEmitterspannung-Emitterstrom-Charakteristik, bei dem in einem oder mehreren kleinen Teilen der Fläche des pn-Überganges an der Kollektorzone die Ausbildung des pn-Überganges gestört und verhindert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone an der Emitterzone eine Störstellendichte über l016r'cms und der übrige Teil der Basiszone eine geringere Störstellendichte hat, daß die Emitterzone aus einem Halbleitermaterial besteht, dessen verbotenes Band einen breiteren Bandabstand als das Halbleitermaterial der Basiszone aufweist, und daß die Dotierung dieser Emitterzone gleich oder geringer als die des angrenzenden hochdotierten Teiles der Basiszone ist.
2. 2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis- und die Kollektorzone aus halbleitendem Germanium und die Emitterzone aus einer der halbleitenden Verbindungen zwischenElementen der 11l. und V. Gruppe des Periodischen Systems, vorzugsweise aus Galliumarsenid,oder aus halbleitendem Silizium besteht.
3. 3. Transistor nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis- und die Kollektorzone aus halbleitendem Silizium und die Emitterz_one aus einer der halbleitenden Verbindungen zwischen Elementen der 111. und V. Gruppe des Periodischen Systems, vorzugsweise aus Galliumarsenid, besteht.
4. 4. Verfahren zum Herstellen eines Transistors nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone durch aus der Dampfphase aufgebracht wird.
5. 5. Verfahren zum Herstellen eines Transistors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst auf das hochohmige Halbleitermaterial der Basiszone durch Oxydation oder kataphoretische Zerstäubung eine Schutzschicht aufgebracht wird, welche die Stelle, an welche der spätere pn-Übergang des Kollektors gestört werden soll, ausläßt, daß darauf ein sehr stark dotierendes Material. vom gleichen Leitfähigkeitstyp wie die Kollektorzone durch das Loch der Schutzschicht eindiffundiert wird und daß dann die Schutzschicht durch Abätzen od. dgl. entfernt und mit einem entgegengesetzt dotierenden Stoff die Dotierung der Basiszone eindiffundiert wird und daß schließlich auf den niederohmigen Teil der Basiszone die Emitterzone auflegiert wird.
6. 6. Verfahren zum Herstellen eines Transistors nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst die Stelle, an welcher der spätere pn-Übergang an der Kollektorzone gestört werden soll, maskiert wird und darauf durch eine Doppeldiffusion sowohl die Basiszone als auch der den pn-Übergang von der Basiszone zur Kollektorzone störende Stoff eindiffundiert wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 814 487; deutsche Auslegeschrift Nr. 1021488; deutsches Gebrauchsmuster Nr. 1815 963; NTZ, 1958, Heft 11, S. 565 bis 571.