DE1166941B - Halbleiterbauelement mit pn-UEbergang - Google Patents

Description

• Halbleiterbauelement mit pn-übergang Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps und einem pn-übergang zwischen diesen Zonen sowie je einer flächenhaften Elektrode an den Oberflächen der äußeren Zonen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die mittlere Laufzeit der Ladungsträger in einem Hochfrequenztransistor oder in einer Hochfrequenzdiode wesentlich herabzusetzen, so daß eine Erhöhung der Grenzfrequenz erzielt wird. Eine andere Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei Leistungstransistoren eine günstige Stromverstärkung in Abhängigkeit von der Belastung bzw. einen speziellen Verlauf der Stromverstärkung für bestimmte Regelanordnungen zu erzielen.
• Nach den der Erfindung zugrunde liegenden- Erkenntnissen muß die Halbleiteranordnung, wenn sie entsprechend ihrer Aufgabe betrieben wird, eine bestimmte Stromverteilung aufweisen. Eine solche gewünschte Stromverteilung wird im wesentlichen erzeugt durch eine unterschiedliche Störstellenkonzentration entlang der Fläche des pn-überganges.
• Es ist bereits eine Halbleiteranordnung bekannt, bei der die Störstellenverteilung in der Basiszone senkrecht zu dem pn-übergang verschieden gewählt ist. Eine unterschiedliche Störstellenkonzentration entlang der Fläche des pn-überganges tritt jedoch bei dieser bekannten Anordnung nicht auf.
• Des weiteren ist eineHalbleiteranordnungbekanntgeworden, bei der das Störstellenprofil in der Oberflächenschicht des Halbleiterschichtkristalls gegenüber demjenigen im Inneren des Kristalls durch Diffusionsvorgang abgeflacht ist. Diese Abflachung des Störstellenprofils in der Oberflächenschicht soll Oberflächeneinflüsse vermeiden bzw. dafür sorgen, daß die Sperrspannung von Halbleiteranordnungen bis an die theoretisch mögliche Grenze erhöht wird.
• Schließlich ist noch ein invers betriebener Transistor bekanntgeworden, bei dem zur Erzielung einer negativen Widerstandscharakteristik der Emitter größer als der Kollektor ist. Die Basiszone dieses invers betriebenen Transistors ist senkrecht zu den Strompfaden der Ladungsträger verschieden dotiert. Eine verschiedenartige Dotierung anderer Zonen außer der Basiszone ist jedoch durch diese Anordnung nicht bekanntgeworden.
• Die Erfindung bezieht sich somit auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörper mit mindestens zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps und einem pn-übergang zwischen diesen Zonen sowie einander gegenüberliegend je einer flächenhaften Elektrode an den Oberflächen der äußeren Zonen. Erfindungsgemäß ist dieses Halbleiterbauelement so ausgebildet, daß eine äußere Zone oder eine äußere Zone und die angrenzende Zone am pn-übergang im mittleren Teil der pn-übergangsfläche stärker oder schwächer als die seitlichen Randteile dieser Zonen dotiert ist.
• Diese erfindungsgemäße Ausbildung einer Halbleiteranordnung hat eine Verbesserung der Hochfrequenzeigenschaften sowie des Stromverstärkungsfaktors zur Folge.
• Wie in der weiteren Beschreibung im einzelnen ausgeführt wird, läßt sich beispielsweise die Kollektorkapazität eines Transistors vermindern, wenn bei gleichmäßig dotierter Basiszone die Kollektorzone zur Mitte stärker als zum Rand dotiert ist. Bei einem Leistungstransistor wird die Stromverstärkung weniger stark abhängig von der Belastung, wenn bei einer zur Mitte schwächer als zum Rand dotierten Emitterzone die Basiszone gleichmäßig oder zur Mitte stärker oder schwächer dotiert ist als zum Rand. Dagegen wird die Stromverstärkung eines Regeltransistors bzw. Leistungstransistors stärker abhängig von der Belastung, wenn zur Mitte hin sowohl die Emitterzone stärker als auch die Basiszone gleichmäßig, stärker oder schwächer dotiert ist als zum Rand.
• Demzufolge lassen sich die elektrischen Eigenschaften von Halbleiteranordnungen und insbesondere von Transistoren durch verschiedenartige Dotierung in der Enütter- oder Kollektorzone verbessern. In manchen Fällen ist es zweckmäßig, gleichzeitig auch noch die Basiszone mit einem Dotierungsgradienten zu versehen.
• Es besteht beispielsweise die Möglichkeit, die Kollektorzone unmittelbar am Rand schwächer zu dotieren als zur Mitte. Die Kollektorzone kann dabei beispielsweise in zwei Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit unterteilt werden.
• Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die Emitterzone unmittelbar am Rand stärker dotiert als zur Mitte oder umgekehrt.
• Die Basiszone kann bei den genannten Ausführungsforinen entweder gleichmäßig oder auch verschiedenartig dotiert sein.
• Die Erfindung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Zunächst wird eine Ausführungsform der Erfindung betrachtet, die zur Verminderung der Kollektorkapazität eines Transistors dient. Eine verminderte Kollektorkapazität bei sonst gleichen elektrischen Eigenschaften ist für viele Anwendungen des Transistors von Bedeutung.
• Die Kollektorkapazität ergibt sich bekanntlich aus der Fläche des Kollektors und der von der angelegten Spannung abhängigen Dicke der Sperrschicht. Die Dicke der Sperrschicht ist bekanntlich wieder von der Dotierung abhängig, weshalb zum Herabdrücken der Kollektorkapazität die Kollektorzone mit möglichst geringer Dotierung versehen wird. Für die Dotierung ist aber eine untere Grenze dadurch gegeben, daß der Kollektoranschluß nicht zu hochohmig werden darf.
• Die Erkenntnis, eine Ausführungsform der Erfindung auf dieses Beispiel anwenden zu können, geht nun davon aus, daß die Dotierung im Basiskörper dadurch leicht ungleichmäßig werden kann, daß sich auf der Oberfläche Fremdstoffe niederschlagen können, die in den Basishalbleiterkörper eindringen und an der Sperrschicht dort, wo diese an die Oberfläche grenzt, eine höhere Dotierung der Basiszone als weiter innen bewirken. Wo die Dotierung größer wird, wird die Sperrschichtdicke geringer, dadurch liegt ein großer Teil der Kollektorkapazität in der Randzone.
• Die Sperrschicht ist die an Ladungsträgern verarmte Zone am pn-übergang. Sie setzt sich aus zwei Teilzonen zusammen, je eine auf jeder Seite der Fläche des pn-überganges. Die Dicke der Zone im Basisteil ist dabei von der Dotierung der Basiszone und die Dicke der Zone im Kollektorteil von der Dotierung in der Kollektorzone abhängig. Weil die Dotierung in der Basiszone aber zum Rand des pn-Übergangs zunimmt, wird daher vorgeschlagen, daß die Kollektorzone zum Rand schwächer dotiert wird als zur Mitte. Insbesondere kann dabei die Kollektorzone aus zwei verschieden stark dotierten Zonen zusammengesetzt sein.
• Die genannte Anordnung ist in F i g. 1 skizziert. Auf einen Basishalbleiterkörper 1 ist der Kollektor auflegiert, der sich aus der stärker dotierten Zone 2 und der schwächer dotierten Zone 3 zusammensetzt. Die Linie 4 ist der pn-übergang, die schraffierten Linien 5 geben die Grenze der Sperrschicht an; zum Rand wird der Teil der Sperrschicht in der Basis dünner, weil die einheitliche Dotierung durch äußere Einflüsse gestört ist, das wird durch das Dickerwerden des Teils der Sperrschicht im Kollektor ausgeglichen.
• In vielen Schaltungen kommt es darauf an, daß die Stromverstärkung des Transistors unabhängig von seiner Belastung ist, da sonst unerwünschte Verzerrungen auftreten. Dies gilt vor allem für den Leistungstransistor.
• Um diese Variation des Emissionswirkungsgrades zu unterdrücken, kann die Basiszone so dotiert werden, daß die Ladungsträger im wesentlichen nur in der Mitte des Emitters austreten. In diesem Falle hat der Kollektor im Vörgleich zum wirksamen Teil des Emitters eine solche Ausdehnung, daß auch zum Rand abgedrängte Ladungsträger ihn noch zum größten Teil erreichen. Das gilt auch dann noch, wenn der Kollekter wesentlich kleiner (also mit kleinerer Kapazität) gebaut wird, als es gegenwärtig nach dem Stand der Technik- üblich ist.
• Es besteht aber auch die Möglichkeit, die Basiszone -erade entizegengesetzt zu dotieren, und zwar so, daß die Emission der Ladungsträger an der Mitte der Emitterzone im wesentlichen unterdrückt wird. Dann befinden sich die Ladungsträger von vornherein und unabhängig von der Belastung auf den ungünstigeren Bahnen, d. h., unter Verzicht auf eine höhere Verstärkung besonders bei kleineren Belastungen wird die Verstärkung von der Belastung unabhängig. Diese Anordnung ist aber nur dann brauchbar, wenn die zu verwendenden Frequenzen so niedrig liegen, daß sich die längeren Ladungsträgerlaufzeiten noch nicht auswirken, die durch die längeren Bahnen der Ladungsträger entstehen.
• Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Emitterzone derart unterschiedlich dotiert ist, daß die von der Basiszone in die Emitterzone eintretenden Ladungsträger im wesentlichen in der Mitte der Emitterzone eintreten. Die aus der Basiszone eintretenden Ladungsträger bilden keinen Kollektorstrorn und setzen daher den Emissionswirkungsgrad herab. Das Verhältnis der Anzahl von austretenden zu eintretenden Ladungsträgern ist unabhängig von ihrer Gesamtanzahl für den Emitter für jeden beliebigen Teil der Fläche des pn-Überganges konstant; es ist nur von der Dotierung abhängig. Werden die Ladungsträger also durch die Potentialverteilung bei höherer Belastung auf den Rand abgedrängt und dabei die Randzone des Emitters an der Emission wachsend beteiligt, so kann die ungünstige Auswirkung auf den Emissionswirkungsgrad dadurch kompensiert werden, daß der Rückstrom von Ladungsträgem in der Randzone geringer ist; ein geringerer Rückstrom vergrößert den Emissionswirkungsgrad. Es besteht die Möglichkeit, diesen strukturellen Aufbau des Emitters mit der zuvor beschriebenen Basisdotierung zu kombinieren, bei der in einem Falle die Emission des Emitters durch entsprechende Basisdotierung in der Mitte und im anderen Falle an den Randzonen des Emitters unterdrückt wird.
• Eine bevorzugte Anordnung wird so getroffen, wie es in F i g. 2 dargestellt ist. Der Emitter besteht aus zwei Teilen, dem höher dotierten, 1, und dem niedriger dotierten, 2, er grenzt mit dem pn-Übergang an die Basis 3, die auf der anderen Seite den Kollektor 4 trägt.
• Umgekehrt ist es auch möglich, den Emitter zur Mitte stärker zu dotieren als zum Rand. Dadurch wird dann die Variation des Emissionswirkungsgrades mit der Belastung vergrößert. Eine solche Abhängigkeit der Stromverstärkung von der Belastung ist aber erwünscht für einen Regeltransistor, der in einer entsprechenden speziellen Schaltung verwendet werden soll, beispielsweise für eine nichtlineare Verstärkung oder eine Diskriminatorschaltung. Wie beim oben besprochenen Leistungstransistor ist dabei die Basis entsprechend zur Mitte stärker oder schwächer als zum Rand oder gleichmäßig zu dotieren; die oben stehenden Kombinationen sind dabei nur genau umzukehren.

Claims (1)

1. Patentansprüche: 1. Halbleiterbauelement mit einem Halbleiterkörp#r mit mindestens zwei Zonen entgegengesetzten Leitungstyps und einem pn-übergang zwischen diesen Zonen sowie einander gegenüberliegend je einer flächenhaften Elektrode an den Oberflächen der äußeren Zonen, dadurch gekennzeichnet, daß eine äußere Zone oder eine äußere Zone und die angrenzende Zone am pn-übergang im mittleren Teil der pn-übergangsfläche stärker oder schwächer als die seitlichen Randteile dieser Zonen dotiert ist. - 2. Halbleiterbauelement nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Zone die Kollektorzone eines Flächentransistors mit drei Zonen ist und diese unmittelbar am Rand schwächer als ihre Mitte dotiert ist. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorzone in zwei Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit unterteilt ist. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Zone die Emitterzone eines Flächentransistors mit drei Zonen ist und diese unmittelbar am Rand stärker als ihre Mitte dotiert ist. 5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone unmittelbar am Rand nicht stärker, sondern schwächer als ihre Mitte dotiert ist. 6. Halbleiterbauelement nach Ansprach 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitterzone in zwei Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit unterteilt ist. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1000 115, G 12 444 (bekanntgemacht am 13. September 1956); französische Patentschrift Nr. 1098 372; USA.-Patentschrift Nr. 2 770 761; belgische Patentschrift Nr. 548 745.