DE1171089B - Zweifach-Halbleiterbauelement und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: HOIl

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

Nummer: 1 171 089

Aktenzeichen: N 19930 VIII c / 21 g

Anmeldetag: 22. April 1961

Auslegetag: 27. Mai 1964

Die Erfindung betrifft zwei Halbleiterbauelemente mit zwei gemeinsamen Zonen und ein Verfahren zum Herstellen.

Es ist ein Transistor bekannt, bei dem an einer der Halbleiterzonen zwei weitere pn-Übergänge zur Temperaturkompensation des Kollektorstromes in Reihe angeordnet sind. Einer dieser pn-Übergänge kann dabei ein pn-übergang des Transistors sein, so daß der Transistor und der zusätzliche, der Temperaturkompensation dienende Teil zwei Zonen gemeinsam haben. Eine solche Anordnung stellt jedoch ein einziges Halbleiterbauelement dar. Ferner ist eine aus mehreren Halbleiterbauelementen, nämlich npnp- oder pnpn-Schalttransistoren bestehende Halbleiteranordnung bekannt, bei der alle Transistoren zwei Zonen gemeinsam haben. Diese Halbleiterbauelemente dienen nur zum Schalten als Schrittschaltanordnung. Da sie alle in gleicher Weise aufgebaut sind, ist auch hierfür der Anwendungsbereich beschränkt.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, von einem Halbleiterplättchen ausgehend, ein Zweifach-Halbleiterbauelement mit zwei gemeinsamen Zonen zu schaffen, bei dem die zwei Halbleiterbauelemente verschiedene Funktionen erfüllen können.

Gemäß der Erfindung zeichnet sich dieses Zweifach-Halbleiterbauelement dadurch aus, daß ein Halbleiterbauelement mit drei Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps und ein Halbleiterbauelement mit vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps zwei Zonen gemeinsam haben, von denen eine eine äußere und die zweite eine der äußeren benachbarte Zone ist.

Die erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente können gleichzeitig zum Gleichrichten, Schalten, Verstärken und/oder Erzeugen von Schwingungen usw. verwendet werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung werden die Halbleiterbauelemente dadurch hergestellt, daß auf mindestens zwei benachbarte Stellen der Oberfläche eines Halbleiterplättchens je ein Gemisch oder eine Legierung, die sowohl p-Leitung als auch n-Leitung erzeugende Fremdstoffe enthält, aufgebracht wird und daß dann im Vakuum oder in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre derart erhitzt wird, daß zuerst ein Legierungsprozeß und dann ein Diffusionsprozeß, bei denen sich an mindestens einer Stelle ein zweifacher und an mindestens einer Stelle ein dreifacher pn-übergang bildet, abläuft.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung, die ein

Zweifach-Halbleiterbauelement und
Verfahren zum Herstellen

Anmelder:

Nippon Electric Company Limited, Tokio

Vertreter:

Dipl.-Ing. M. Bunke, Patentanwalt,

Stuttgart W, Schloßstr. 73 B

Als Erfinder benannt:
Hiroe Osafune,
Ichiemon Sasaki, Tokio

Beanspruchte Priorität

Japan vom 26. April 1960.(22 671)

Ausführungsbeispiel für die Anordnung der pn-Übergänge bei zwei Halbleiterbauelementen nach der Erfindung zeigt;

Fig. 2 (α) bis (c) erläutern die Herstellung der erfindungsgemäßen Halbleiterbauelemente;

F i g. 3 zeigt in graphischer Darstellung die Beziehung zwischen der Dauer und der Temperatur der Wärmebehandlung beim Herstellungsvorgang;

Fig. 4, (α), (b), und Fig. 5, (α), (b) zeigen die Konzentration der dotierenden Fremdstoffe in Abhängigkeit von ihrer Lage;

Fig. 6 zeigt die Strom-Spannungs-Kennlinie der pnpn-Anordnung, d. h. eines der Halbleiterelemente;

F i g. 7 zeigt perspektivisch das erfindungsgemäße Zweifach-Halbleiterbauelement.

In der F i g. 1 ist eine Kombination von p- und η-Zonen nur schematisch dargestellt; dabei sollen jedoch eine η-leitende Zone 2 und eine p-leitende Zone 3 in Reihe auf einem p-leitenden Plättchen 1 angeordnet sein, die zusammen eine pnp-Anordnung bilden. Ferner sollen auf dem gleichen Kristallplättchen 1 in unmittelbarer Nähe dieser pnp-Anordnung eine η-leitende Zone 2, eine p-leitende Zone 4 und eine η-leitende Zone 5 ausgebildet sein, die als eine pnpn-Anordnung wirken. Im vorliegenden Falle werden also zwei Zonen 1 und 2, d. h. eine p-leitende Zone und eine η-leitende Zone, gemeinsam benutzt.

Im folgenden ist eine Anwendungsweise dieser Zweifach-Halbleiterbauelemente beschrieben, die sich in zahlreichen Schaltungen verwenden lassen.

Die Klemmen T₁ und T₃ werden als Eingangsklemmen verwendet, die Klemmen T₂ und T₁ dienen

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als Ausgangsklemmen. Nur wenn das Eingangssignal den zu erfüllenden Bedingungen entspricht, so daß der Stromverstärkungsfaktor gleich 1 oder größer als 1 ist, läßt sich bei T₂ ein verstärktes Ausgangssignal erzielen, das durch Variieren der verschiedenen Bedingungen gesteuert werden kann. Gleichzeitig kann das pnpn-Halbleiterbauelement zwischen T₃ und T₁ zum Schalten verwendet werden.

Im folgenden wird ein Herstellungsverfahren für die Halbleiterbauelemente an Hand der Zeichnungen erläutert.

Hierbei wird der Fall betrachtet, in dem ein HaIbleiterplättchen aus p-leitendem Germanium verwendet wird. Die Erfindung ist jedoch auch dann anwendbar, wenn man als Material für das Halbleiterplättchen z. B. η-leitendes Silizium wählt; in diesem Falle sind jedoch die Leitungstypen η und ρ miteinander zu vertauschen.

Die dotierenden Fremdstoffe, die bei Germanium entgegengesetzte Leitungstypen erzeugen, z. B. Indium, Aluminium usw. für p-Leitung und Antimon, Arsen usw. fü η-Leitung, haben im allgemeinen verschiedene Abscheidungskoeffizienten. Außerdem ist der Diffusionskoeffizient der η-Leitung erzeugenden Fremdstoffe viel größer als derjenige der p-Leitung erzeugenden Fremdstoffe. Daher ist es möglich, sowohl einen in erster Linie durch den Abscheidungskoeffizienten bestimmten pn-übergang als auch einen hauptsächlich durch den Diffusionskoeffizienten der dotierenden Fremdstoffe bestimmten pn-übergang dadurch zu erzeugen, daß man ein Gemisch oder eine Legierung, die sowohl p-Leitung als auch n-Leitung erzeugende Fremdstoffe enthält, in Berührung mit dem Basis-Halbleiterplättchen bringt und im Vakuum oder in einer reduzierenden oder inerten Gasatmosphäre unter genau geregelten Bedingungen eine Wärmebehandlung durchführt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Zwei Arten A und B von Gemischen oder Legierungen, d. h. Metalle mit dotierenden Fremdstoffen, die sich z. B. A zu 94% aus Blei und zu 3% aus Antimon sowie zu 3% aus Gallium (oder zu 90% aus Indium und 10% aus Antimon) und B zu 97% aus Indium und zu 3% aus Arsen zusammensetzen, werden, wie in F i g. 2, (α) bei 6 und 7 angedeutet, in Berührung mit einem p-leitenden Germaniumplättchen 1 gebracht und gemäß Fig. 3 einer Wärmebehandlung ausgesetzt, die einen Legierangsprozeß I und einen Diffusionsprozeß II umfaßt.

Während des Legierungsprozesses I mischen sich die beiden dotierende Fremdstoffe enthaltenden Metalle jeweils mit dem Germanium, und gemäß F i g. 2, (b) bilden sich rekristallisierte Zonen 8 und 9 aus, die Fremdstoffe für beide Leitungstypen enthalten.

Während des darauffolgenden Diffusionsprozeszes II diffundieren die dotierenden Fremdstoffe entsprechend ihren Diffusionskoeffizienten aus den rekristallisierten Zonen in das Germanium des Basisplättchens hinein.

Infolgedessen ändert sich die Verteilung der dotierenden Fremdstoffe in den rekristallisierten Zonen und in dem Germaniumplättchen, und es bilden sich die in Fig. 2, (c) gezeigten Zonen 2, 3 und 2', 4, 5.

Die Verteilung der Konzentration der dotierenden Fremdstoffe in den auf diese Weise erzeugten Zonen ist in F i g. 4 und 5 für die beiden Gemische oder Legierungen A und B dargestellt.

In größerem Maßstab gezeichnete Darstellungen der Zonen sind in Fig. 4 (a), und 5, (d), wiedergegeben; die Konzentration der dotierenden Fremdstoffe ist in F i g. 4, (b), und 5, (b), auf der Z-Achse aufgetragen, wobei p-dotierende Fremdstoffe als +Np nach oben und η-dotierende Fremdstoffe als -Nn nach unten aufgetragen sind.

Nimmt man an, daß die anfängliche Konzentration in der Basis 1 gleich Np' ist und vor dem Diffusionsprozeß der Wert von Np gleich Npo und der Wert von Nn gleich Nno ist, so gehen die Kurven a-a' im Verlauf des Diffusionsprozesses in die Kurven b-b' über.

Hierbei muß bezüglich der aus dem Gemisch oder der Legierung A gebildeten Rekristallisationszone die Bedingung Npo > Nno und bezüglich der aus dem Gemisch oder der Legierung B gebildeten Rekristallisationszone die Bedingung Npo<CNno erfüllt sein. Auf diese Weise ergibt sich infolge der zwischen den dotierenden Fremdstoffen auftretenden Ausgleichswirkung eine zusammengesetzte Kurve c.

Mit Hilfe der erwähnten Wärmebehandlung wird somit ein pnp-Halbleiterbauelement aus dem Gemisch oder der Legierung A und ein npnp-Halbleiterbauelement aus dem Gemisch oder der Legierung B erzeugt.

Da in diesem Falle nach der Durchführung des Diffusionsprozesses zwei η-leitende Zonen 2 und 2' mit der p-leitenden Basis verbunden sind und diese η-leitenden Zonen und die p-leitende Basis bei beiden Halbleiterbauelementen gemeinsam verwendet werden sollen, damit die in Fig. 1 schematisch gezeigte Anordnung entsteht, kann z. B. eine η-leitende, die beiden Zonen 2 und 2' verbindende Zone, wenn sie nicht schon durch den Diffusionsprozeß selber entsteht, dadurch erzeugt werden, daß man die Wärmebehandlung in einer Atmosphäre durchführt, die η-dotierende Fremdstoffe enthält, welche entweder aus dem Gemisch oder der Legierung abgedampft oder mittels einer gesonderten Quelle verfügbar gemacht werden.

Die pnp- und npnp-Halbleiterbauelemente können natürlich auch getrennt benutzt werden.

Im folgenden ist ein Anwendungsbeispiel beschrieben. Die Klemmen T₁ und T₃ werden als Eingangsklemmen und die Klemmen T₂ und T₁ als Ausgangsklemmen verwendet. Dann dient das pnpn-Halbleiterbauelement zwischen den Klemmen T₃ und T₁ zum Schalten, das pnp-Halbleiterbauelement zwi-

sehen den Klemmen T₁ und T₂ zum Verstärken.

Wenn das angelegte Eingangssignal genügend stark ist, um den pnpn-Transistor aus dem Zustande in den Zustand t zu überführen, wie es in F i g. 6 gezeigt ist, wobei eine geeignete Vorspannung verwen-

det ist, dann geht der pnpn-Transistor aus dem Einschaltzustand in den Ausschaltzustand über. Gleichzeitig verändert sich die Größe des Stroms und der Spannung erheblich.
Diese Änderung macht sich offenbar an den Klemmen T₁ und T₂ bemerkbar; durch den pnp-Transistor erfolgt eine Verstärkung.

Andererseits ist es möglich, den pnpn-Transistor aus dem Ausschaltzustand in den Einschaltzustand zu überführen; diese Änderung läßt sich auf ähnliche Weise feststellen.

Da die erfindungsgemäß zusammengesetzten Halbleiterbauelemente, je nachdem, welche der Klemmen, z.B. der drei Klemmen nach Fig. 1, als Eingangs-

und Ausgangsklemmen benutzt werden, sowohl einzeln z. B. als npn- (oder pnp-) und als pnpn-Halbleiterbauelement als auch als Kombination z. B. eines npn- (oder pnp-) Halbleiterbauelementes mit einem pnpn-Halbleiterbauelement oder zweier verschieden aufgebauter pnpn-Halbleiterbauelemente, verwendet werden können, bieten sie den Vorteil, daß sie nach Wunsch verschiedene Funktionen erfüllen können. Dabei weisen die erfindungsgemäß zusammengesetzten Halbleiterbauelemente erheblich kleinere Abmessungen auf als Vorrichtungen bekannter Art, bei denen zahlreiche Halbleiterbauelemente durch Zuleitungen miteinander verbunden sind, um die gleichen Funktionen zu übernehmen.

Bei der in Fig. 7 gezeigten tatsächlichen Ausbildungsform der Bauelemente ist es zweckmäßig, unnötige Teile am Umfang der pn-Übergänge wegzuschneiden, wie es in Fi g. 2, (c) mit gestrichelten Linien angedeutet ist.

Claims (2)

20 Patentansprüche:

1. Zweifach-Halbleiterbauelement mit zwei gemeinsamen Zonen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Halbleiterbauelement mit drei Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps und ein Halbleiterbauelement mit vier Zonen abwechselnden Leitfähigkeitstyps zwei Zonen gemeinsam haben, von denen eine eine äußere und die zweite eine der äußeren benachbarte Zone ist.

2. Verfahren zum Herstellen eines Zweifach-Halbleiterbauelements nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens zwei benachbarte Stellen der Oberfläche eines Halbleiterplättchens je ein Gemisch oder eine Legierung, die sowohl p-Leitung als auch η-Leitung erzeugende Fremdstoffe enthält, aufgebracht wird und daß dann im Vakuum oder in einer reduzierenden oder inerten Atmosphäre derart erhitzt wird, daß zuerst ein Legierungsprozeß und dann ein Diffusionsprozeß, bei denen sich an mindestens einer Stelle ein zweifacher und an mindestens einer Stelle ein dreifacher pn-übergang bildet, abläuft.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1 011 081;
deutsche Auslegeschrift Nr. W11003 Villa/21a² (bekanntgemacht am 13.10.1955);
deutsche Patentschrift Nr. 1 054 586;
Electronics, 11. 12. 1959, S. 49 bis 52.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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