DE1185294B - Schaltungsanordnung mit unipolartransistoren auf einer einkristallinen halbleiterplatte - Google Patents
Schaltungsanordnung mit unipolartransistoren auf einer einkristallinen halbleiterplatteInfo
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Description
BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND
DEUTSCHES
PATENTAMT
Internat. Kl.: HOIl
Deutsche KL: 21g-11/02
Nummer: 1185 294
Aktenzeichen: S 73229 VIII c/21 g
Anmeldetag: 29. März 1961
Auslegetag: 14. Januar 1965
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mindestens einer bekannten Schaltung mit Unipolartransistoren
auf einer einkristallinen Halbleiterplatte.
Man hat bereits elektronische Bauelemente in Form der sogenannten »gedruckten Schaltungen« oder
»Festkörperschaltungen« auf den beiden Seiten von Halbleiterkristallen angebracht, um auf diese Weise
Multivibratoren, Rundfunkempfangsschaltungen für Frequenzmodulation, Bauelemente datenverarbeitender
Schaltungen u. a zu erhalten. Dabei verwendete man jedoch ausschließlich bipolare Transistoren,
wodurch wegen der Notwendigkeit, den Halbleiterkristall über seine gesamte Dicke auszunutzen, ein erheblicher
Raumbedarf bedingt wird und die Unterbringung aller Teile einer Schaltung nur auf der einen
Seite des Halbleiterkristalls erschwert oder unmöglich gemacht wird.
Die Erfindung bietet die Möglichkeit, diese Nachteile der bekannten Festkörperschaltungen in Verbindung
mit Halbleiterkristallen grundsäztlich dadurch zu vermeiden, daß bei ihr nicht mehr von bipolaren,
sondern von nipolaren Transistoren Gebrauch gemacht wird.
Erfindungsgemäß geschieht dies in der Weise, daß auf der einen Oberfläche der Halbleiterplatte mindestens
eine dünnere Schicht des zweiten entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps angebracht ist, die mehrere
Steuerzonen des ersten Leitfähigkeitstyps an der Oberfläche enthält, daß an der dünneren Schicht
Anordnung mindestens einer bekannten Schaltung mit Unipolartransistoren auf einer einkristallinen
Halbleiterplatte und Verfahren zu ihrer Herstellung
Anmelder:
Societe Suisse Pour !'Industrie Horlogere S. A., Genf (Schweiz)
Vertreter:
Dipl.-Ing. R. Müller-Börner, Berlin 33, Podbielskiallee 68,
und Dipl.-Ing. H.-H. Wey, München 22, Patentanwälte
Als Erfinder benannt: Jokob Lüscher, Carouge-Geneve (Schweiz)
Beanspruchte Priorität: Schweiz vom l.April 1960 (3662)
F i g. 5 eines der ein aktives Element bildenden Abschnitte der Anordnung im schematischen Schnitt
und an den Steuerzonen ohmsche Elektroden so an- 30 und
gebracht sind, daß jede Steuerzone mit der dünne- F i g. 6 bis 10 einige Kennlinien des Bauelementes
ren Schicht einen Unipolartransistor bildet, daß auf nach der F i g. 5.
der dünneren Schicht eine isolierende Schicht ange- Vorab sei bemerkt, daß die F i g. 1 bis 5 in stark
bracht ist, die im Bereich der ohmschen Elektroden vergrößertem Maßstab ausgeführt sind, da die als
Aussparungen aufweist, daß auf der isolierenden 35 Beispiel dargestellte Anordnung in Wirklichkeit
Schicht die passiven Schaltelemente und Zuleitungen äußerst geringe Abmessungen aufweist. In Wirklichais
dünne Schichten angebracht sind und daß an die keit nimmt sie nur eine Oberfläche von etwa 1 m2
Halbleiterplatte und die dünnere Schicht eine Sperr- ein, wobei die Dicke des Kristalls 1 und der
Spannung angelegt ist, die die Schaltung der Unipolar- Schichten 8 und 4 in der Größenordnung von 1 mm
transistoren durch die dadurch verursachte Raum- 40 bzw. einigen μ liegt.
ladungsschicht gegen die Halbleiterplatte isoliert. Die in der F i g. 1 dargestellte Anordnung besteht
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der aus einer Halbleiterplatte 1 eines ersten Leitungs-Zeichnungen,
die sich auf ein Ausführungsbeispiel typs, beispielsweise aus Silicium des Leitungstyps
beziehen, näher erläutert. Es zeigt »p«, die auf ihrer einen Seite mit einer am Minuspol
F i g, 1 eine perspektivische Ansicht der erfin- 45 einer Gleichspannungsquelle S1 liegenden ohmschen
dungsgemäßen Anordnung, Kontaktelektrode 2 versehen ist. Zur besseren Veran
schaulichung des Verhältnisses zwischen verschiedenen Teilen der Anordnung wurde ein Teil der
Dicke der Halbleiterplatte 1 entfernt. Auf ihrer 50 gegenüberliegenden Seite trägt die Halbleiterplatte 1
in Reliefform zwei monokristalline Schichten 3 und 4 des entgegengesetzten Leitungstyps, also bei-
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F i g. 2 einen Schnitt durch die Anordnung der Fig. 1 entlang der LinieH-II,
F i g. 3 einen Schnitt durch die Anordnung der F i g. 1 entlang der Linie HI-III,
F i g. 4 das Schaltschema der Anordnung nach der il
spielsweise des »n«-Leitungstyps, die beispielsweise mit Hilfe des Diffusionsverfahrens erzielt wurden.
Jede der Schichten 3 und 4 enthält eine ebenfalls mittels Diffusion erzielte Zone 5 bzw. 6 des ersten Leitungstyps
»p« (F i g. 2). Die Schichten 3 und 4 sind an jedem ihrer Enden mit einem beispielsweise aus
Nickel bestehenden ohmschen Kontakt 7, 8 bzw. 9, 10 versehen.
Mittels eines Leiters 11 sind die Kontakte 7 und 9 einerseits mit dem Pluspol der StK)HIqUeIIeS1 und
andererseits mit dem Minuspol einer Stromquelle S2
verbunden. Die Kontakte 8 und 10 sind je über einen Widerstand 12 bzw. 13 und über einen Leiter 14
mit dem Pluspol der Stromquelle S2 verbunden.
Die Zonen 5 und 6 sind je mit "einem ohmschen Kontakt 15 bzw. 16 versehen, der sie über einen
Leiter 17 bzw. 18, einen Widerstand 19 bzw. 20 und einen Kontakt 21 bzw. 22 mit der Halbleiterplatte 1
verbindet. Der Kontakt 15 der Steuerzone 5 ist außerdem über eine aus dem Leiter 17 und einem
anderen, von diesem durch eine isolierende Schicht 24 getrennten Leiter23 gebildete Kapazität^ mit
einem der Eingangsanschlüsse 25 der Anordnung verbunden, wobei der andere Eingangsanschluß 26
an dem Kontakt 2 liegt. Der Kontakt 16 der Zone 6 ist über eine aus dem Leiter 18 und einem anderen,
von diesem durch eine isolierende Schicht 28 getrennten Leiter 27 gebildete Kapazität C2 mit dem
Kontakt 8 der Schicht 3 verbunden.
Der Kontakt 10 der Schicht ist über eine Kapazität C3 mit einem der Ausgangsanschlüsse 29 der Anordnung
verbunden, wobei der andere Ausgangsanschluß 39 an der Halbleiterplatte 1 liegt.
Alle die verschiedenen ohmschen Kontakte verbindenden Leiter sind durch eine isolierende Schicht
30 gegen die verschiedenen Halbleiterabschnitte der Anordnung isoliert.
Zur Herstellung der beschriebenen und dargestellten Anordnung kann man das photolithographische
Verfahren anwenden. Dieses Verfahren beruht auf der Tatsache, daß gewisse Substanzen, nachdem sie
ultraviolettem Licht ausgesetzt worden sind, unlöslich gemacht werden können. Man diffundiert in eine der
Seiten des Einkristalls 1 des Leitungstyps »p« eine Schicht des Leitungstyps »n«. Darauf oxydiert man
zunächst zum Erzielen der Steuerzonen »p« 5, 6 an den gewünschten Stellen der Schicht »n« ihre Oberfläche
und belichtet die oxydierte Schicht nach dem Auftragen einer lichtempfindlichen Substanz durch ein
die Stellen, an denen man das Entstehen der Steuerzonen wünscht, abdeckendes Photonegativ hindurch.
Auf diese Weise kann die oxydierte Schicht an diesen Stellen aufgelöst werden, um die Diffusion zu ermöglichen.
Zum Trennen der beiden Schichten »n« 3, 4, die die beiden aktiven Elemente bilden sollen,
wird das gleiche photolithographische Verfahren angewendet. Dies kann erzielt werden durch ein Ätzen
von einigen Mikron Tiefe, damit die beiden Schichten »n« auf der Halbleiterplatte 1 »p« in Reliefform
entstehen. Nach diesem Beizen wird die gesamte Oberfläche erneut mit einer isolierenden Schicht, beispielsweise
mit durch Kondensation aufgebrachtem Siliziumoxyd, überdeckt, die darauf an den Stellen,
an denen man ohmsche Kontakte zu erzielen wünscht, entfernt wird, worauf man eine Metallschicht,
beispielsweise eine Nickelschicht, aufbringt, die darauf wiederum mit Hilfe des photolithographischen
Verfahrens an den Stellen, an denen sie nicht vorhanden sein soll, entfernt wird. Die kapazitiven
Kopplungen am Eingang jedes Kreises werden in gleicher Weise erzielt.
Die Widerstände 12, 13, 19 und 20 werden in gleicher Weise, beispielsweise durch Aufbringen einer
Kohlenstoffschicht, erzielt. Selbstverständlich könnten diese Widerstände auch aus jedem anderen geeigneten
Material bestehen. Sie könnten beispielsweise aus Halbleiterschichten bestehen.
ίο Vor der Erläuterung der Arbeitsweise der beschriebenen
Anordnung ist es erforderlich, zum besseren Verständnis einige Erläuterungen der angewandten
physikalischen Grundsätze zu geben.
Die F i g. 5 zeigt in schematischem Schnitt einen Abschnitt der Anordnung, der zum Erfüllen der Aufgabe eines aktiven Elementes des Kreises dienen soll. Wie aus der Darstellung ersichtlich, handelt es sich um den Abschnitt, der die Halbleiterplatte 1, die Schicht 3, die Steuerzone 5, die Kontakte 2, 7, 8 und 15, den Widerstand 12, die Stromquelle S1 und S2 sowie die Anschlüsse 25 und 26, zwischen denen eine Wechselspannungsquelle S3 und ein Widerstand 31 in Reihe angeschlossen sind, umfaßt.
Die F i g. 5 zeigt in schematischem Schnitt einen Abschnitt der Anordnung, der zum Erfüllen der Aufgabe eines aktiven Elementes des Kreises dienen soll. Wie aus der Darstellung ersichtlich, handelt es sich um den Abschnitt, der die Halbleiterplatte 1, die Schicht 3, die Steuerzone 5, die Kontakte 2, 7, 8 und 15, den Widerstand 12, die Stromquelle S1 und S2 sowie die Anschlüsse 25 und 26, zwischen denen eine Wechselspannungsquelle S3 und ein Widerstand 31 in Reihe angeschlossen sind, umfaßt.
Wenn keine der drei Spannungen V, V1, und Vc
angelegt ist, ist die Verteilung des Potentials in der Halbleiterplatte 1 (p), der Schicht 3 (n) und der
Steuerzone 5 (p) auf Grund des thermischen Gleichgewichtszustandes so, wie sie im Diagramm nach der
F i g. 6 dargestellt ist.
Wenn man die Schicht 3 in bezug auf die Halbleiterplatte 1 positiv polarisiert, indem man zwischen
den Kontakten 2 und 8 eine Spannung V1, anlegt, bei
der sich die beiden Raumladungszonen der beiden pn-Übergänge (Halbleiterplatte — Schicht 3 sowie
Schicht 3 — Steuerzone) in der Schicht 3 berühren, ist die Verteilung des Potentials in den drei Abschnitten
so, wie sie im Diagramm nach der F i g. 7 dargestellt ist. In diesem Falle kann eine Spannung
V zwischen den Kontakten 7 und 8 keinen Strom hervorrufen. Eine Erhöhung der Polarisationsspannung
V1, hat eine Vergrößerung der beiden
Raumladungszonen zur Folge.
Wenn man an den Kontakt 15, also an die Zone 5, eine in bezug auf den Kontakt 2 positive Spannung
Vc anlegt, wird die Verteilung des Potentials in den
drei Abschnitten so, wie sie in der F i g. 8 dargestellt ist. In diesem Falle ruft eine Spannung V
zwischen den Kontakten 7 und 8 einen Strom hervor. F i g. 9 zeigt die Kennlinie des Stromes / als
Funktion der Spannung V bei einem bestimmten positiven Wert der Spannung Vc. Solange die Spannung
Vc kleiner als die Spannung V1, ist, kann
zwischen den Abschnitten 1, 3 und 5 keinerlei Ladungsabgabe erfolgen.
Die F i g. 10 zeigt drei Kennlinien des Stromes i als Funktion der Steuerspannung Vc, und zwar
für drei unterschiedliche Werte der Polarisationsspannung Fp, jedoch für einen gleichbleibenden
Wert der Spannung V. Die Kennlinie 1 entspricht einem Wert V1,, bei dem die beiden Raumladungszonen sich nicht vereinigen, die Kennlinie 2 einem
Wert V1,, bei dem die Raumladungszonen sich vereinigen,
und die Kennlinie 3 einem Wert V1,, der noch höher ist.
Es zeigt sich also, daß im ersten Fall ein Strom möglich ist, sofern die Spannung Vc gleich Null und
selbst wenn sie negativ ist. Eine Wechselspannung Vc
ermöglicht also die Modulation des Stromes /.
Daraus ergibt sich also, daß das aktive Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung auf Grund
der verschiedenen Polarisationsmöglichkeiten in gleicher Weise verwendet werden kann wie eine
Vakuumröhre. Es ist noch zu bemerken, daß der Polarisationskreis von den Eingangs- und Ausgangskreisen
unabhängig ist.
Andererseits zeigt sich, daß alle Elektroden eines solchen Bauelementes auf einer seiner Seiten vorgesehen
sind, so daß es leicht in einen Halbleiterkörper (F i g. 1) eingebaut werden kann.
Wie aus dem Schaltungschema nach der F i g. 4 ersichtlich, ist die beschriebene und in der F i g. 1
dargestellte Anordnung ein zweistufiger Verstärker, dessen Eingang aus den Anschlüssen 25 und 26 und
dessen Ausgang aus den Anschlüssen 29 und 39 besteht. Ein an den Eingang 25, 26 angelegtes Signal
(Spannung vc in F i g. 5) wird durch das erste aktive
Element verstärkt und über C2 dem zweiten Element zugeführt, wo es erneut verstärkt und dem Ausgang
29, 39 über C3 zugeführt wird.
Selbstverständlich ist die einen Verstärker bildende elektronische Anordnung nur ein Beispiel. Die
sie bildende Festkörperschaltung kann so ausgebildet werden, daß sie die Aufgabe jedes beliebigen anderen
elektronischen Kreises erfüllen kann. Die aktiven und passiven Elemente können so angeschlossen werden,
daß sie bistabile Kreise bilden, die beispielsweise einen Untersetzer ergeben.
Andererseits ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsform der beschriebenen und dargestellten
Anordnung beschränkt. So können beispielsweise die Schichten 3 und 4 eine kreisrunde Form und die
Zonen 5 und 6 eine Ringform haben. In diesem Falle müssen die beiden Kontakte 7 und 8 bzw. 9
und 10 in einer Schicht so angeordnet sein, daß der eine innerhalb und der andere außerhalb des die
Zone bildenden Ringes liegt. Die Schichten 3, 4 könnten mehr als eine Zone 5 bzw. 6 enthalten, falls
es erwünscht ist, mehr als eine Steuerelektrode für jedes aktive Element zu haben.
Außerdem ist es selbstverständlich, daß die Steigerung des Potentialunterschiedes auf Grund des thermischen
Gleichgewichtszustandes zwischen jeder der Schichten einerseits durch negatives Polarisieren des
Kristalls und der Zone erzielt werden kann.
Schließlich ist es klar, daß die Anordnung mit Festkörperschaltung nach der Erfindung erzielt werden
könnte, indem man von einem halbleitenden Einkristall des Leitungstyps »n« ausgeht und die
Schichten 3, 4 und die Zonen 5, 6 vom Leitungstyp »p« bzw. »n« wären. In diesem Falle muß die
Polarität der Spannungen selbstverständlich umgekehrt sein.
55
Claims (4)
1. Anordnung mindestens einer bekannten Schaltung mit Unipolartransistoren auf einer einkristallinen
Halbleiterplatte eines ersten Leitfähigkeitstyps, dadurch gekennzeichnet,
daß auf der einen Oberfläche der Halbleiterplatte (1) mindestens eine dünnere Schicht (3) des zweiten
entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps angebracht ist, die mehrere Steuerzonen (5) des
ersten Leitfähigkeitstyps an der Oberfläche enthält, daß an der dünneren Schicht (3) und an den
Steuerzonen (5) ohmsche Elektroden (7, 8; 1,10) so angebracht sind, daß jede Steuerzone (5) mit
der dünneren Schicht (3) einen Unipolartransistor bildet, daß auf der dünneren Schicht (3) eine isolierende
Schicht (30) angebracht ist, die im Bereich der ohmschen Elektroden Aussparungen
aufweist, daß auf der isolierenden Schicht (30) die passiven Schaltelemente und Zuleitungen als
dünne Schichten angebracht sind und daß an die Halbleiterplatte (1) und die dünnere Schicht (3)
eine Sperrspannung angelegt ist, die die Schaltung der Unipolartransistoren durch die dadurch
verursachte Raumladungsschicht gegen die Halbleiterplatte (1) isoliert.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sperrspannung zwischen
der Halbleiterplatte (1) und der dünneren Schicht (3) so oder größer gewählt ist, daß die beiden
Raumladungszonen vor der Halbleiterplatte (1) und vor der Steuerzone (5) sich in der dünneren
Schicht (3) vereinigen.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnere Schicht (3) eine
Kreisform und die Steuerzone (5) eine Ringform aufweisen.
4. Verfahren zum Herstellen einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß in eine der Oberflächenseiten einer einkristallinen Halbleiterplatte (1) des ersten
Leitungstyps (p) eine dünnere Schicht (3) des zweiten entgegengesetzten Leitungstyps («) eindiffundiert
wird, daß darauf an den Stellen, an denen die Steuerzonen (5, 6) erhalten werden
sollen, die dünnere Schicht (3) an ihrer Oberfläche oxydiert und nach dem Auftragen einer
lichtempfindlichen Schicht durch ein die Stellen, an denen man das Entstehen der Steuerzonen
(5, 6) wünscht, abdeckendes Photonegativ hindurch belichtet wird, um eine Auflösung der oxydierten
Schicht an diesen Stellen zum Diffundieren zu ermöglichen, und daß man zum Trennen
der beiden Schichten (3, 4) ein Ätzen von einigen Mikron Tiefe zwecks Erzielung der Schichten
(3, 4) in Reliefform durchführt, daß die gesamte Oberfläche der Halbleiterplatte (1) nebst den darauf
befindlichen Schichten mit einer isolierten Schicht, beispielsweise aus durch Kondensation
aufgebrachtem Siliziumoxyd, überdeckt werden, die an den Stellen, an denen die ohmschen Kontakte
angebracht werden sollten, entfernt wird, und daß dann eine Metallschicht, beispielsweise
eine Nickelschicht, aufgebracht wird, die ebenfalls an den nicht von ihr zu bedeckenden Stellen
entfernt wird.
In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschriften Nr. 1163 241,
210 880;
Electronics, 7.8.1959, S. 110 und 111; 26.6.1959,
S. 35 bis 37;
Elektro-Technik, 31.10.1959, Nr. 43/44, S. 26;
Proc. IRE, Mai 1959, F. 894 bis 903.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409 768/288 1.65 © Bundesdruckerei Berlin
Applications Claiming Priority (1)
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| CH366260A CH372105A (fr) | 1960-04-01 | 1960-04-01 | Dispositif électronique constituant un circuit intégré |
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| FR1163241A (fr) * | 1957-11-30 | 1958-09-23 | Forges Et Ateliers De Constructions Electriques De Jeumont | Dispositif à semi-conducteur dit transistron unipolaire de puissance |
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Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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0
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- 1961-03-31 BE BE602108A patent/BE602108A/fr unknown
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Patent Citations (2)
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Also Published As
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| BE602108A (fr) | 1961-10-02 |
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