DE1163461B

DE1163461B - Flaechentransistor mit einem Konzentrationsgradienten der dotierenden Fremdstoffe ineiner Zone

Info

Publication number: DE1163461B
Application number: DEN17618A
Authority: DE
Inventors: Akihiko Sato
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1958-12-17
Filing date: 1959-12-08
Publication date: 1964-02-20
Also published as: US3040197A; US3027503A; GB926913A; FR1209312A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES ^flzriK^ PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIl

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

N17618 VIIIc/21g
8. Dezember 1959
20. Februar 1964

Die Erfindung betrifft einen Flächentransistor mit einem Konzentrationsgradienten der dotierenden Fremdstoffe in einer Zone und im besonderen einen Flächentransistor für äußerst hohe Leistung.

Die Anwendungsmögliohkeit eines Transistors war begrenzt, weil er im Vergleich zu einer Elektronenröhre unvermeidlich eine geringe Nutzleistung hat. Als deren Ursache sind folgende zwei Punkte denkbar:

1. In dem Maße wie die Zahl der von der Emitterelektrode eines Transistors injizierten Minoritätsträger wächst, nimmt der spezifische Widerstand in der Basiszone und damit die Injektionsleistung des Emitters ab.

2. Ist der Basisstrom eines Leistungstransistors verhältnismäßig groß, dann kann ein Spannungsabfall, der längs des Flusses des Basisstromes zum Basisanschluß entsteht, kaum vernachlässigt werden, und als Folge davon wird die Vorspannungsdifferenz auf einem Abschnitt zwischen der Emitter- und der Basiszone klein, so daß in diesem Abschnitt keine Minoritätsträger injiziert werden. Mit anderen Worten: ein Teil des Emitters wirkt nicht als solcher.

Von den obenerwähnten zwei Punkten kann der erste dadurch behoben werden, daß die Basiszone aus einem Material von geringem spezifischen Widerstand hergestelt wird. Der zweite Punkt ist dagegen nach dem Ausmaß des Nachteils viel ernsthafter als der erste. Obgleich zur Vermeidung dieses Nachteils bekannt wurde, die Basis ringförmig auszubilden, ist ein solcher Vorschlag zur Behebung des Mangels, noch nicht ausreichend.

Ein Ziel der Erfindung besteht daher darin, den vorerwähnten Nachteil bei einem Flächentransistor zu vermeiden.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, einen verbesserten Flächentransistor zu erhalten, dessen Nutzleistung hinsichtlich des obenerwähnten zweiten Punktes vergrößert ist.

Ein Flächentransistor mit einem Konzentrationsgradienten der dotierenden Fremdstoffe in einer Zone ist erfindungsgemäß so aufgebaut, daß der Konzentrationsgradient der dotierenden Fremdstoffe in der Emitterzone und/oder in der Basiszone an der ganzen emitterseitigen pn-Ubergangsfläche senkrecht zu dieser pn-Übergangsfläche und damit senkrecht zur Richtung des Emitter-Kollektor-Stromes so ausgebildet ist, daß der durch den Basisstrom in der Basiszone erzeugte Spannungsabfall durch das Feld der ionisierten Fremdstoffe kompensiert wird.

Flächentransistor mit einem
Konzentrationsgradienten der dotierenden
Fremdstoffe in einer Zone

Anmelder:

Nippon Electric Company Limited, Tokio
Vertreter:

ίο Dipl.-Ing. M. Bunke, Patentanwalt,
Stuttgart S, Schloßstr. 73 B

Als Erfinder benannt:
Akihiko Sato, Tokio

Beanspruchte Priorität:

Japan vom 17. Dezember 1958 (Nr. 36 349)

Die vorerwähnten Ziele der Erfindung werden somit durch Kompensation des. durch das Fließen des Basisstromes bewirkten Spannungsabfalls in der Basiszone erreicht, weil infolge dieser Kompensation des Spannungsabfalls die Minoritätsträger gleichmäßig von dem gesamten pn-übergang zwischen der Emitter- und der Basiszone in die Basiszone injiziert werden.

Es sind zwar auch Flächentransistoren bekannt, bei denen sich die Konzenitration der dotierenden Fremdstoffe in einer Zone, und zwar in der Basiszone, ändert. Der Konzentrationsgradient verläuft bei ihnen jedoch anders als bei dem erfindungsgemäßen Transistor. Bed einem bekannten Transistor mit großflächigem Emitter und kleinflächigem Kollektor weist die Basiszone Bereiche mit verschieden großen Widerständen auf. Senkrecht zur Richtung des Emitter-Kollektor-Stromes wird der Widerstand in der Nähe des Emitter-Basis-Überganges jedoch nur am Rand derart geändert, daß die Basiszone in einem mittleren Bereich von der Querschnittsfläche des Kollektors einen großen, am Rande dagegen einen z. B. zehnmal kleineren Widerstand hat. Hierdurch soll eine lokale Trägerinjektion nur von der Mitte des Emitter-Basis-Überganges her erreicht werden. Bei einem anderen bekannten Transistor wird zur Beschleunigung der Ladungsträger und damit zur Verbesserung der Hochfrequenzeigenschatten des Transistors die Konzentration der dotierenden Fremdstoffe in der Basiszone nur in Richtung des Emitter-Kollektor-Stromes geändert.

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Die Erfindung wird nun an Hand der beiliegen- in der Zeichnung gezeigt ist — keine Injektion von

den Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Minoritätsträgern im Abschnitt zwischen den beiden

Fi g. 1 zeigt schematisch einen Flächentransistor; Punkten y = m und y = 1. Mit anderen Worten, nicht

Fig. 2 zeigt die innere Spannungsverteilung die ganze Fläche des Emitters ist wirksam ausgenutzt, längs der Emitterübergangsfläche in einem pnp-Tran- 5 F i g. 3 zeigt die Potentialverteilung entlang der

sistor üblicher Art; y-Achse eines Transistors, bei dem die vorliegende

Fig. 3 zeigt dieselbe bei einer Ausführungsform Erfindung angewendet ist, wobei der Konzentrations-

der Erfindung; gradient der dotierenden Fremdstoffe in der Emitter-

F i g. 4 zeigt dieselbe bei einer anderen Aus- zone 1 so gewählt ist, daß die Konzentration in ne-

führungsform der Erfindung; ¹⁰ gativer Richtung der y-Achse zunimmt, d. h. in

Fig. 5 ist eine schematische Außenansicht des in Richtung der y-Achse abnimmt. Wie sich aus der

Fig. 4 erläuterten Transistors, und Gleichung(1) ergibt, ist die Linie, die das Potential

F i g. 6 ist eine schematische Außenansicht eines V_E auf der emitterseitigen pn-Übergangsfläche J_E an

Transistors, bei dem die in Fig. 4 dargestellten Merk- der Emitterseite angibt, geneigt, wie dies durch

male der Erfindung mit einer Abwandlung angewen- ¹S Linie 7 gezeigt ist.

det sind. Wenn ein positives Potential J V _E an den Emitter

In F i g. 1 ist schematisch und nur als Beispiel ein angelegt wird, bildet sich das Potential auf der Emitpnp-Flächentransistor gezeigt, der eine Emitterzone 1, terfläche J_E an der Emitterseite so aus, wie es durch eine Basiszone 2 und eine Kollektorzone 3 hat. Die die gepunktete, zur Linie 7 parallele Linie 8 angege-Laufrichtung der Ladungsträger sei als ;c-Achse und 2° ben ist. Auch in diesem Fall wird durch den Basisdie senkrecht hierzu verlaufende Richtung als strom ein Potentialgefälle in der Basiszone 2 ver- >--Achse angenommen. Die Punkte y = 0 und y—l ursacht, und das Potential der Basiszone 2 längs der seien am Basisanschluß B bzw. an dem entgegenge- Emitterfläohe J_E bildet sich so aus, wie es durch setzten Ende der Basiszone 2 angenommen. Nach- Linie 9 gezeigt ist. Der Potentialunterschied zwischen stehend werden nun die Merkmale der Erfindung 25 den Linien 8 und 9 ergibt das tatsächlich an die an Hand dieser Figur wie auch der F i g. 2, 3 und 4 emitterseitige pn-Übergangsfläche J_E angelegte Pobeschrieben, bei denen sich die Konzentration der tentiaJ. Aus der Zeichnung wird klar, daß diese dotierenden Fremdstoffe in der Emitterzone 1 bzw. Spannung entlang der ,y-Achse und somit für die gein der Basiszone 2 ändert. samte emitterseitige pn-Übergangsfläche konstant ist,

In Fig. 2, welche die Spannungsverteilung längs 30 so daß Minoritätsträger von der ganzen Emitter-

der j-Achse eines üblichen Flächentransistors mit fläche in die Basiszone 2 injiziert werden,

gleichförmigen Konzentrationen der dotierenden In F i g. 4 ist der Konzentrationsgradient der do-

Fremdstoffe in der Emitterzone 1 und in der Basis- tierenden Fremdstoffe in der Basiszone 2 gemäß der

zone 2 zeigt, gibt die waagerechte gerade Linie 4 Erfindung verändert. In gleicher Weise wie im vor-

das Potential V_n der emitterseitigen pn-Ubergangs- 35 hergehenden Beispiel ist er nun in der Basiszone 2

fläche J_E (F i g. 1) auf der Emitterseite an, wenn derart, daß der Bereich am Basisanschluß B die

kein Strom fließt. Das Potential des Basisanschlus- größte Fremdstoffkonzentration hat, während die

ses B an der Basiszone 2 ist verständlicherweise als Konzentration in Richtung der y-Achse allmählich

Null angenommen. Bekanntlich ergibt sich das Po- abnimmt. Das Potential der Emitterfläche /,; auf der

tential V_E, das einen negativen Wert hat, aus fol- 4° Emitterseite ist, solange dem Emitter kein positives

gender Gleichung: Potential A V_F aufgedrückt ist, durch Linie 10 gege-

T/ — λ-τ/. . i_n (\r . \r i„ ä-v m ^¹¹- ^^e Potentiallinie auf der Basisseite verläuft in

Richtung negativen Potentials geneigt, wie durch

wobei e die Ladung eines Elektrons, N_A und N₀ die Linie 11 angegeben ist.

Konzentrationen der dotierenden Fremdstoffe vom 45 Wird dem Emitter 1 ein positives Potential A V_E p- und η-Typ, d. h. der Akzeptoren und der Dona- aufgedrückt, dann wird das Potential der Emittertoren in der Emitterzone 1 bzw. in der Basiszone 2 fläche J_E auf der Emitterseite angehoben, wie es und «,· die Konzentration der Eigenleitungselektronen durch die gepunktete Linie 12 angegeben ist. In des Halbleitermaterials sind. In der Gleichung ist an- diesem Fall verschiebt sich das Potential auf der genommen, daß alle Donatoren und Akzeptoren ioni- 5° Basisseite auf Grund des durch den Basisstrom versiert sind. ursachten Spannungsabfalls längs der Emitter-Wenn dem Emitter zum Arbeiten ein positives Po- fläche J_E von der geneigten Linie 11 zu einer waagetential A V_E aufgedrückt wird, wird das durch die rechten Linie 13. Das somit tatsächlich an die Emitgerade Linie 4 gezeigte Potential auf einen Wert terfläche J_E gelegte Potential, das gleich der Differenz angehoben, der durch die gepunktete Linie 5 ange- 55 zwischen den durch die Linien 12 und 13 angegegeben ist. Durch das Injizieren der Minoritätsträger benen Spannungen ist, ist daher auch hier entlang aus dem emitterseitigen pn-übergang heraus wird ein der y-Achse und somit über die gesamte emitter-Basisstrom erzeugt. In dem Maße, wie der Basis- seitige pn-Übergangsfläohe J_E konstant. Demgemäß strom längs der negativen Richtung der y-Achse auf werden die Minoritätsträger von der ganzen pnden Basisanschluß B zuläuft, wird in der Basiszone 2 6q Übergangsfläche der Emitterzone 1 aus injiziert,
ein Potentialgefälle erzeugt. Das sich infolge dieses Es versteht sich von selbst, daß die Konzentra-Potentialgefälles in der Basiszone 2 an verschiedenen tionen der dotierenden Fremdstoffe sowohl in der Punkten ergebende Potential wird durch die an- Emitter- als auch in der Basiszone geändert werden steigende Linie 6 angegeben. können, so daß das Produkt N_A · N_D nach Gleichung

Das tatsächlich an die emitterseitige pn-Übergangs- 65 (1) ein gewünschtes Potential V_E ergibt,

fläche J_E angelegte Potential ist daher gleich dem Das einfachste Verfahren zum Herstellen eines

Unterschied zwischen den Linien 5 und 6, der sich Flächentransistors gemäß der vorliegenden Erfindung

entlang der y-Achse ändert. Es erfolgt daher — wie besteht darin, einen Einkristall, der den gewünsch-

ten Konzentrationsgradienten aufweist, durch das Zonenschmelz- oder das Kristallziehverfahren herzustellen, daraus ein Plättchen 14, wie in F i g. 5 gezeigt, auszuschneiden und eine längliche Emitterelektrode 15, deren längere Seite in der durch den Pfeil 5 16 angegebenen Richtung liegt, nach dem Legierungsverfahren herzustellen. Der Pfeil 16 bezeichnet die Richtung zunehmender Konzentration der dotierenden Fremdstoffe in dem Halbleiter-Plättchen 14. Der Basisanschluß 17 ist an dem Plättchen 14 an der Seite größter Fremdstoffkonzentration angebracht.

Bei der Beschreibung der vorerwähnten Beispiele war vorausgesetzt, daß die Konzentration der dotierenden Fremdstoffe in der Emitterzone 1 oder in der Basiszone 2 nur in einer Richtung geändert wird. Diese Konzentrationsänderung kann aber auch anders verlaufen. F i g. 6 zeigt einen Flächentransistor, bei dem die Konzentrationen in zwei um 180° voneinander abweichenden Richtungen größer werden, wie es durch die beiden Pfeile 18 und 19 angegeben ist. In diesem Fall müssen zwei Basisanschlüsse 20 und 21 an dem Halbleiter-Plättchen 22 angebracht werden.

Claims

Patentansprüche:

1. Flächentransistor mit einem Konzentrationsgradienten der dotierenden Fremdstoffe in einer Zone, dadurch gekennzeichnet, daß der Konzentrationsgradienit der dotierenden Fremdstoffe in der Emitterzone und/oder in der Basiszone an der ganzen emitterseitigen pn-Übergangsfläche senkrecht zu dieser pn-Übergangsfläche und damit senkrecht zur Richtung des Emitter-Kollektor-Stromes so ausgebildet ist, daß der durch den Basisstrom in der Basiszone erzeugte Spannungsabfall durch das Feld der ionisierten Fremdstoffe kompensiert wird.

2. Flächentransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem Halbleiter-Einkristall als Basdsplättchen mit Basiselektrode besteht, und daß auf dem Basisplättchen nach einem bekannten Verfahren Emitter- und Kollektorelektroden angebracht sind, daß sich die Konzentration der dotierenden Fremdstoffe entlang einer in der Plättchenoberfiäche hegenden Richtung und im ganzen Basispläittchen parallel zu dieser Richtung ändert, daß die Emitterelektrode länglich ausgebildet ist und ihre Längsachse in Richtung der Konzentrationsänderung verläuft, und daß die Basiselektrode in Verlängerung der Längsachse der Emitterelektrode am Basisplättchen angebracht ist.

3. Flächentransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der dotierenden Fremdstoffe von einer Seite des Basisplättchens zur gegenüberliegenden Seite hin ansteigt, und die Basiselektrode an der Seite größter Fremdstoffkonzentration des Basisplättchens angebracht ist.

4. Flächentransistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Konzentration der dotierenden Fremdstoffe von zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Basisplättchens zu dessen Mitte hin abfällt, und daß an den beiden Seiten hoher Fremdstoffkonzentration des Basisplättchens je eine Basiselektrode angebracht ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 042 129;

Patentanmeldung ρ 2846 VIIIc/21g B (bekanntgemacht am 12.10.1950);

französische Patentschriften Nr. 1143 171,
601;

Die Naturwissenschaften, Bd. 40, 1953, Heft 22, S. 578, 579.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen