DE1171992C2 - Transistor mit Dotierung der Basiszone - Google Patents

Transistor mit Dotierung der Basiszone

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DE1171992C2 DE1959T0016518 DET0016518A DE1171992C2 DE 1171992 C2 DE1171992 C2 DE 1171992C2 DE 1959T0016518 DE1959T0016518 DE 1959T0016518 DE T0016518 A DET0016518 A DE T0016518A DE 1171992 C2 DE1171992 C2 DE 1171992C2
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Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
Int. α.:
HOl1-11/06
DEUTSCHES
PATENTAMT
PATENTSCHRIFT
Deutsche KL: 21 g -11/02
Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Ausiegetag:
Ausgabetag:
P 11 71 992.9-33 (T 16518)
8. April 1959
11.Juni 1964
18. Januar 1973
Patentschrift weicht von der Auslegeschrift ab
Der Einsatz vpn Halbleiterbauelementen in weiten Bereichen der Technik setzt das Bestehen technologischer Verfahren voraus, mit denen sich je nach Bedarf die verschiedensten elektrischen Werte erzielen lassen. Von entscheidendem Einfluß auf die Eigenr schäften von Halbleiterbauelementen sind oft ihre geometrischen Abmessungen. Weitere Möglichkeiten, die elektrischen Daten vpn Halbleiterbauelementen zu beeinflussen, bestehen darin, den Halbleiterkristall je nach den Erfordernissen verschieden zu dotieren, verschieden leitende Schichten in den Kristall einzubauen oder einen Leitfähigkeitsgradienten zu erzeugen,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die elektrischen Eigenschaften von Transistoren mit Hilfe von in die Basiszone eingebauten Rekombinationszentren zu verbessern. Hierbei kommt es bei Verstärkertransistoren darauf an, die Stromverstärkung in Emitterschaltung herabzusetzen, ohne daß dabei der Sperrstrom des Transistors ansteigt. Bei Schalttransistoren hingegen soll beim Betrieb mit niedriger Kollektorspannung ein übersteuerter Zustand verhindert werden. Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei einem Verstärkertransistor mit den Leitungstyp bestimmender Dotierung der Basiszone und mit Rekombinationszentren in der Basiszone darin, daß die Rekombinationszentrendichte in der Basiszone von der Emitter- zur Kpllektorzone abnimmt und daß die Rekombinationszentrenschicht im Abstand von der gegenüberliegenden Kollektorzone endet. Bei einem Schalttransistor mit den Leitungstyp bestimmender Dotierung der Basiszone und mit Rekombinationszentren in der Basiszone besteht die Lösung dieser Aufgabe darin, daß die Rekombination szentrendichte in der Basiszone von der Kollektor- zur Emitterzone abnimmt und daß die Rekombinationszentrenschicht im Abstand von der gegenüberliegenden Emitterzone endet.
Aus der USA.-Patentsehrift 2 813 233 ist es bekannt, bei einem Hochfrequenztransistor die Emitterzone oder die Basiszone oder diese beiden Zonen außer mit der erforderlichen Dotierung mit einer hohen Dichte an Rekombinationszentren zu versehen und zu diesem Zweck beispielsweise auf diese Zonen Überzüge aufzubringen, aus denen Nickel oder Kupfer in den Halbleiterkörper eindiffundiert wird. Aus der deutschen Auslegeschrift 1012 696 ist es weiterhin bekannt, zur Herstellung der pn-Übergänge von Transistoren mindestens zwei im Donatormai en al enthaltene Donatoren bzw. zwei im AkzeDtormaterial enthaltene Akzeptoren und/oder Haftstellen, Reko-nbinationszentren od. dgl. unterschiedlicher Diffu-Transistor mit den Leitungstyp bestimmender
Dotierung der Basiszone und mit
Rekombinationszentren in der Basiszone
Patentiert für:
Telef unken
Patentverwertungsgesellschaft m. b.H.,
7900 Ulm, Elisabethenstr. 3
Als Erfinder benannt:
Dr. Wilhelm Engbert, 7900 Ulm
sionsgeschwindigkeit und/oder Verteilungskoeffizienten derart in den Halbleiterkörper einzudiffundieren, um einen allmählichen Übergang der Donatorenbzw. Akzeptorenkonzentratipn zu erzeugen. Die Steilheit des Konzentrationsgefälles der Störstellen an den beiden Übergängen kann dabei verschieden gewählt werden.
Im speziellen Fall des Einbringens einer Rekombinationsschicht in die Basiszone anschließend an die Emittersperrschicht wird der /S-Wert des Transistors berührt, im umgekehrten Fall der Anordnung einer Rekombinationsschicht vor der Kollektorsperrschicht wird bei Transistoren ein Zustand vermieden, der als übersteuert bezeichnet wird und der vor allem bei Schalttransistoren unerwünscht ist.
Der Wert der Stromverstärkung in Emitterschaltung, in der Literatur mit β bezeichnet, wird bei be-5 kannten Transistoranordnungen im wesentlichen durch zwei Größen bestimmt, nämlich durch die Lebensdauer der Ladungsträger im Halbleitermaterial der Basiszone, durch die Rekombinationsgeschwindigkeit an der Kristallpberfläche und durch die Dicke der Basiszone. Der /?-Wert steigt mit der Dünne der Basiszone und wird um so kleiner, je kleiner die Lebensdauer der Ladungsträger in der Basiszone ist. Dementsprechend haben Hochfrequenztransistoren wegen ihrer dünnen Basiszone relativ große /3-Werte. Bei Drifttransistoren, die bekanntlich besonders gute Hochfrequenzeigenschaften haben, kommt noch hinzu, daß infolge der starken Dotierung an der Oberfläche des Halbleiterkörpers im Bereich des Emitters der Einfluß der Oberfläehenrekombination unterdrückt ist. Bei Hochfrequenztransistoren mit gedrifteter Basiszone übersteigt daher der /5-Wert nicht selten die Zahl 200.
. ■ 209 683/477
Nun sind aber derartig hohe Verstärkungsziffern für die Stromverstärkung in der Emitterschaltung nicht immer erwünscht; dies gilt vor allem, wenn ein Transistor als Verstärkerelement bei der Breitbandverstärkung in Emitterschaltung Verwendung finden soll. Die /?-Grenzfrequenz fß in der Emitterschaltung ist nämlich gegeben durch die Größe falß, d. h. durch den Quotienten aus der a-Grenzfrequenz und der Stromverstärkung in Emitterschaltung. Die /9-Grenzfrequenz ist also um so niedriger, je größer der /?-Wert ist. Aus diesem Grunde ist man bestrebt, zur Erzielung einer guten Breitbandverstärkung den ß-Wert in Grenzen zu halten, z. B. 20 ^l β ^L 50.
Der bereits bekannte Weg kleine /?-Werte zu erhalten, besteht darin, die Breite der Basiszone zu erhöhen oder die Lebensdauer der Ladungsträger durch entsprechende Zusätze zu reduzieren. Mit der Verbreiterung der Basiszone geht aber gleichzeitig die a-Grenzfrequenz herunter, und die Einbringung von Zusätzen zur Reduzierung der Lebensdauer in das Kristallmaterial hat den Nachteil, daß mit der Abnahme der Lebensdauer der Ladungsträger der /C„-Strom des Transistors proportional ansteigt. Da sowohl das Ansteigen des /^-Stromes in dem einen Fall als auch die Herabsetzung der a-Grenzfrequenz im anderen Fall unerwünscht ist, ist eine andere Lösungsform der gestellten Aufgabe erforderlich.
Der /?-Wert wird dadurch herabgesetzt, daß man vor der Emitterzone eine Rekombinationsschicht in der Basiszone erzeugt. Diese Schicht soll aber so dünn sein, daß sie nicht in die Nähe der Kollektorzone gelangt, damit die Erhöhung des /Co-Stromes möglichst gering wird. Diese unerwünschte Erhöhung ist besonders klein, wenn die Basiszone in der Rekombinationsschicht in der Nähe des Emitters niederohmiger ist, wie das z. B. bei Drifttransistoren der Fall ist. Der ausgesteuerte Emitterstrom muß dabei diese dünne Schicht durchlaufen, und die Wirkung der Rekombinationsschicht muß so bemessen sein, daß durch entsprechende Rekombination des Emitterstromes der gewünschte /J-Wert entsteht.
Die Rekombinationsschicht läßt sich z. B. dadurch herstellen, daß aus der Emitterzone solche Atome in den Halbkristall diffundiert werden, die eine Reduzierung der Lebensdauer der Ladungsträger bewirken, z. B. Kupfer- oder Nickelatome.
Die erfindungsgemäße Verteilung eignet sich besonders gut für den Drifttransistor. Die Anwesenheit der Rekombinationsatome in der Nähe der Emitterzone verursacht zwar die gewünschte Reduzierung des /J-Wertes, eine Beeinflussung des /Co-Stromes, der in der Basiszone ein sogenanntes »Diffusionsdreieck« aus, d. h., die Dichte der Ladungsträger ist auf der Emitterseite groß und kollektorseitig praktisch Null. Eine Rekombinationsschicht ist in einem solchen Transistor also dann am wirksamsten, wenn sie sich in der Nähe der Emitterzone befindet. Würde man diese Zone an den Kollektorrand legen, so würde praktisch keine Rekombinationswirkung auftreten.
Es gibt aber Fälle, bei denen man beim Transistor auch auf der Kollektorseite in die Durchlaßrichtung der Kollektor-Basis-Diode gelangt, nämlich dann, wenn der Transistor als Schalter arbeitet und die Kollektorspannung so niedrig wie möglich gemacht wird (Restspannung). Aus dem »Diffusionsdreieck« entsteht jetzt durch Anhebung der Ladungsträgerdichte an der Kollektorseite ein Viereck mit einer flachen Neigung, weil die Dichte der Ladungsträger auch an der Kollektorseite stark ansteigt. Dieser übersteuerte Zustand des Transistors ist bei Schalttransistoren nicht erwünscht, weil beim Abschalten des Transistors die erhöhte Ladungsmenge im Basisraum erst abfließen muß, bevor der Kollektorstrom tatsächlich auf Null geht; man bezeichnet dies als »storage time« der Transistoren. Der übersteuerte Zustand läßt sich bei Schalttransistoren vermeiden, wenn vor der Kollektorzone eine stärker rekombinierende Schicht vorhanden ist. Unter dieser Voraussetzung kann nämlich die Dichte der Ladungsträger kollektorseitig nicht über ein bestimmtes Maß hinausgehen, d. h., der Übersteuerungseffekt wird zumindest abgeschwächt und die »storage time« auf ein Mindestmaß herabgesetzt.
Die Erfindung soll nun noch an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Die F i g. 1 zeigt eine Anordnung, bei der emitterseitig eine Rekombinationsschicht 1 in der Basiszone 2 vorhanden ist. Diese Anordnung betrifft also die Reduzierung des /3-Wertes; es ist darauf zu achten, daß der Abstand zwischen der Rekombinationsschicht 1 und der Kollektorzone 3 genügend groß ist. Die Rekombinationsschicht 1 wird dadurch hergestellt, daß Kupfer- oder Nickelatome aus der Emitterzone 4 in die Basiszone 2 hineindiffundiert werden.
Bei der Anordnung nach F i g. 2 ist die Rekombinationsschicht 1 nicht auf der Emitter-, sondern auf der Kollektorseite 3, d. h., eine solche Anordnung eignet sich, wie bereits erwähnt, für Schalttransistoren mit kurzen Schaltzeiten.
proportional der Größe
tlMin
d. h. proportional
dem Verhältnis von Minoritätsträgerdichte zu der Wurzel aus der Lebensdauer ist, kann aber dabei nicht stattfinden, da sich die Rekombinationszentren in einem Bereich der Basiszone befinden, der sehr stark dotiert ist, d. h. der nur wenige Minoritätsträger enthält. Wenige Minoritätsträger bedeuten aber trotz der starken Rekombinationszentren eine geringe Entstehungstätigkeit, d. h., der /Co-Strom bleibt praktisch unbeeinflußt von diesen Rekombinationszentren.
Bei ungleichmäßiger Dotierung der Basiszone eines Transistors ist eine Rekombinationsschicht am stärksten wirksam, wenn sie sich in der Basiszone in einem Bereich größter Ladungsträgerdichte befindet. Bei einem normalen Diffusions Vorgang, z. B. bei dem der Strom vom Emitter zum Kollektor führt, bildet sich

Claims (2)

Patentansprüche:
1. Verstärkertransistor mit den Leitungstyp bestimmender Dotierung der Basiszone und mit Rekombinationszentren in der Basiszone, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationszentrendichte in der Basiszone von der Emitter- zur Kollektorzone abnimmt und daß die Rekombinationszentrenschicht im Abstand von der gegenüberliegenden Kollektorzone endet.
2. Schalttransistor mit den Leitungstyp bestimmender Dotierung der Basiszone und mit Rekombinationszentren in der Basiszone, dadurch gekennzeichnet, daß die Rekombinationszentrendichte in der Basiszone von der Kollektor- zur Emitterzone abnimmt und daß die Rekombinationszentrenschicht im Abstand von der gegenüberliegenden Emitterzone endet.
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