DE1207010B

DE1207010B - Flaechentransistor mit einem Halbleiterkoerper mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, Verfahren zum Herstellen und Schaltung solcher Flaechentransistoren

Info

Publication number: DE1207010B
Application number: DEJ25186A
Authority: DE
Inventors: Robert Boehm Seeds
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1963-02-01
Filing date: 1964-01-28
Publication date: 1965-12-16
Also published as: FR1388172A; GB1053834A; US3283171A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIl

Deutsche Kl.: 21g -11/02

Nummer: 1207 010

Aktenzeichen: 12518g

Anmeldetag: 28. Januar 1964

Auslegetag: 16. Dezember 1965

Die Erfindung bezieht sich auf die Gestaltung eines Flächentransistors mit einem Halbleiterkörper mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, welcher sich insbesondere als Schalt- und Verstärkerelement in datenverarbeitenden Geräten eignet.

Als Schaltelement in datenverarbeitenden Anlagen, z. B. zur Durchführung von logischen Verknüpfungen ist zunächst das Relais verwendet worden. Es stellt insofern auch heute noch ein ideales Schaltelement dar, als bei hieran angelegten Steuersignalen Schaltfunktionen unbedingt abgegeben werden können, ohne daß Stör- oder Rauschsignale einen nachteiligen Einfluß ausüben können, denn geschlossene Relaiskontakte haben praktisch keinen Übergangswiderstand, so daß Rauschquellen sich nicht auswirken können. Als nachteilig jedoch hat sich die relativ niedrige Schaltgeschwindigkeit erwiesen, so daß die Entwicklung über röhrengesteuerte zu transistorgesteuerten Anlagen geführt hat. Bei Verwendung von Transistoren lassen sich jetzt zwar bei kleiner Betriebsleistung relativ hohe Schaltgeschwindigkeiten erzielen, aber es ergibt sich auch der schwerwiegende Nachteil, daß der Basisstrom im Transistor in den Emitterstromkreis fließt und damit den Kollektorstrom erhöht. Der Eingangskreis und der Ausgangskreis eines Transistors sind also nicht im erforderlichen oder wünschenswerten Maße entkoppelt, wie das bei einem Relais oder sogar bei einer Röhre der Fall ist. Dieser Nachteil wirkt sich besonders dann aus, wenn mehrere Transistoren mit ihren Emitter- und Kollektorstrecken hintereinandergeschaltet sind, so daß die einzelnen Emitterströme in ihrer Höhe davon abhängig sind, wieviel Emitter-Kollektor-Strecken zwischen Erdpotential und dem in Betracht kommenden Transistor wirksam sind. Ist die Anzahl der Transistoren in einer solchen Kette gleich η und befinden sich alle diese Transistoren in Sättigung, dann ergibt sich für den Emitterstrom des unmittelbar an Erdpotential als Ausgangspotential angeschlossenen Transistors ein Wert von

Flächentransistor mit einem Halbleiterkörper mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten
Leitungstyps, Verfahren zum Herstellen und
Schaltung solcher Flächentransistoren

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

Armonk, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. E. Böhmer, Patentanwalt,

Böblingen (Württ.), Sindelfinger Str. 49

Als Erfinder benannt:

Robert Boehm Seeds, Sunnyvale, Calif. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. ν. Amerika vom !.Februar 1963 (255 496)

Aus dem oben Gesagten ergibt sich, daß sich die Basisströme aller gesättigten Transistoren gegenseitig beeinflussen und zusätzlich auf den Kollektorstrom zurückwirken. Außerdem muß die Ausgangsspannung einer solchen Transistorkette am Kollektor des letzten Transistors abgenommen werden, um den Einfluß von Fehlersignalen, verursacht durch Basisstromrauschen, möglichst auszuschalten. Dies wiederum ergibt die Notwendigkeit, dem Ausgang gegebenenfalls einen Inverter nachzuschalten, um Echtwert-Ausgangssignale zu erhalten. Zusammenfassend läßt sich sagen, daß entsprechend den oben stehenden Ausführungen Flächentransistoren herkömmlicher Art nicht ohne weiteres nach Art einer Relaisschaltkette hintereinandergeschaltet werden können, um ein betriebssicheres Arbeiten wie mit einer Relaisschaltkette zu erhalten. Dies ist in der einfachsten Form, nämlich durch Hintereinanderschalten von Emitter-Kollektor-Strecken mehrerer Transistoren wegen der bei den verwendeten Transistoren einzuhaltenden strengen Toleranzforderungen auch nicht in Betracht gezogen worden trotz bestehender Schaltungsmöglichkeiten von Verknüpfungsgliedern.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, einen Flächentransistor mit einem Halbleiterkörper mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps zu schaffen, welcher ohne weiteres als Ersatz für ein Relais dienen kann, indem die schädliehen Wirkungen des Basisüberschußstroms bei Sättigung des Transistors praktisch unwirksam gemacht werden, und die Möglichkeit gestattet, mehrere solcher Transistoren als integrierte Einheit aufzubauen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Flächentransistor dadurch gelöst, daß die erste, als Emitter dienende Zone stärker dotiert ist als die

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zweite, als Basis dienende Zone, daß die zweite Zone Die Erfindung soll nunmehr an Hand von Ausfüh-

stärker dotiert ist als die dritte, als Kollektor die- rungsbeispielen mit Hilfe der Zeichnungen näher

nende Zone, daß die dritte Zone stärker dosiert ist erläutert werden. Es zeigt

als die vierte Zone und daß der Übergang zwischen Fig. 1 ein Halbleiterbauelement gemäß der Erfinder dritten und der vierten Zone so nahe an dem 5 dung als Schaltungselement,

Übergang zwischen der zweiten und der dritten Zone F i g. 2 eine schematische Darstellung der Minori-

liegt, daß die in die dritte Zone injizierten Über- tätsladungsträgerverteilung in dem erfindungsge-

schuß-Ladungsträger bei einer Sperrspannung an mäßen Halbleiterbauelement,

dem Übergang zwischen der dritten und der vierten Fig. 3a und 3b Verknüpfungsglieder, die mit Zone in die vierte Zone abgeleitet werden. io Hilfe der Halbleiterbauelemente gemäß der Erfin-

In dieser vierten Zone sammeln sich demnach die dung aufgebaut sind,

während der Sättigung von der Basiszone in die KoI- F i g. 4 einen Querschnitt durch Halbleiterbaulektorzone, wie bei Betrieb eines normalen Flächen- elemente gemäß der Erfindung, die eine gemeinsame transistors, injizierten Überschuß-Ladungsträger. halbleitende Schicht besitzen.

Hierdurch wird das Zeitintervall zur Umschaltung 15 Das Halbleiterbauelement gemäß der Erfindung

des Transistors von der Sättigung in den abgeschalte- besteht im wesentlichen aus einem Transistor mit

ten Zustand stark herabgedrückt. mindestens einem Emitter, eines Basis und einem

Es ist zwar bereits ein Flächentransistor mit einem Kollektor, woran sich ein vierter Bereich anschließt,

Halbleiterkörper mit vier Zonen abwechselnd entge- dessen Leitfähigkeitstyp dem des Kollektorbereichs gengesetzten Leitungstyps bekanntgeworden, aber 20 entgegengesetzt ist. Zwischen dem Kollektorbereich

dieser Flächentransistor, dessen Zonen in anderer und dem vierten Bereich liegt damit eine Sperrschicht

Weise dotiert sind wie die des Flächentransistors ge- mit Gleichrichterwirkung, welche nahe genug an der

maß der Erfindung und dessen Übergänge auch Übergangsschicht zwischen Basis und Kollektor liegt,

anders vorgespannt sind, dient zum Mischen zweier um als Senke für einen Basisstromüberschuß zu die-Eingangssignale bei gleichzeitiger Steigerung derVer- 25 nen. Dieser vierte Bereich ist dabei entweder direkt

Stärkungswirkung. Dadurch, daß die vierte Zone in mit dem Emitter verbunden oder liegt auf einem

diesem Fall zwangläufig einem zweiten Eingangskreis solchen Potential, daß die Sperrschicht zwischen dem

zugeordnet ist, wobei der erste Eingangskreis die Kollektor und dem vierten Bereich in Sperrichtung

erste Zone umfaßt, muß diese vierte Zone entspre- vorgespannt gehalten wird.

chende Ladungsträger bei der vorgesehenen Vorspan- 3° Mit dem Ausdruck »Basisstromüberschuß« solider nung in die dritte Zone injizieren können. Dieser be- Strom bezeichnet werden, der durch Minoritätsträgerkannte Vierzonentransistor wirkt demnach sozusagen injektion aus dem Basisbereich in den Kollektorals Doppeltransistor, bei dem je nach Ansteuerung bereich entsteht, wenn der Transistor bis zur Sättieinmal die zweite und zum anderen die dritte Zone gung vorgespannt wird. Im Sättigungszustand ist dieals Kollektor wirkt. Der Transistor ist dabei nicht so 35 ser Strom relativ groß, während er im nicht gesättigausgelegt, daß die vierte Zone Überschußladungs- ten Zustand vernachlässigbar ist.
träger aufnehmen kann, die wie bei der erfindungs- Dieser zusätzliche Übergang läßt sich auf begemäßen Anordnung aus der zweiten Zone in die kannte Art und Weise herstellen, z. B. durch Diffudritte Zone injiziert worden sind. sion aus einem Legierungskügelchen oder durch epi-

Die erfindungsgemäße Anordnung läßt sich gemäß 40 taktisches Aufwachsen usw. Das Ergebnis ist dann

der Weiterbildung der Erfindung auf mannigfache eine Vierschicht-Halbleitervorrichtung von abwech-

Weise betreiben. selnd verschieden dotierten Gebieten, die sich wesent-

In vorteilhafter Weise wird bei Betrieb eines ein- lieh von dem bekannten vierschichtigen Shockley-

zelnen Transistors die vierte Zone mit der als Emitter Hook-Transistor unterscheidet. Die hauptsächlichen

wirkenden. Zone verbunden. Werden gemäß einem 45 physikalischen Unterschiede liegen in den Dotie-

weiteren Erfindungsgedanken mehrere solcher Tran- rungskonzentrationen, der Kollektorabmessung, der

sistoren mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken hinter- Injektionswirkung und den Alphawerten (α) des Bau-

einandergeschaltet und die vierten Zonen aller Tran- elements.

sistoren an eine gemeinsame Leitung geführt, dann Der normale Shockley-Transistor soll eine negative

wird diese an die gemeinsame Emitterpotentialquelle 50 Zweipol-Widerstandscharakteristik ergeben, indem

angeschlossen. die beiden äußeren PN-Übergänge bei Betrieb in

Dadurch, daß bei jedem Vierzonentransistor die Durchlaßrichtung vorgespannt werden. Es werden so

in die Kollektorzone injizierten Ladungsträger jeweils Minoritätsträger zum mittleren PN-Übergang hin

durch die Wirkung der vierten Zone entzogen und injiziert, der dann gewissermaßen als Kollektor für

abgeleitet werden, ist der Emitterstrom nicht zusatz- 55 beide wirkt. Hierzu sind relativ hohe Alphawerte und

lieh von der Anzahl der verwendeten hintereinander- Injektionsleistungen dann für diese beiden so gebil-

geschalteten Transistoren abhängig, und der Einfluß deten Transistoren mit gemeinsamem Kollektor erfor-

der Basis-Emitter-Ströme auf den Kollektorstrom derlich.

wird weitgehend unterdrückt, so daß in vorteilhafter Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung hingegen Weise ein Verknüpfungsglied analog zu einer Relais- 60 wirkt eine von den äußeren Ubergangssperrschichten schaltkette mit geringstem Aufwand aufgebaut wer- als Emitter und die andere als Kollektor, während den kann. Darüber hinaus ist es auch ohne weiteres die mittlere als Kollektor für die ersteren und als möglich, bei einer solchen Schaltung Ausgangssignale Emitter für die letztere wirkt. Um optimale Alphaam Emitter abzugreifen. werte für diese Wirkungsweise zu erhalten, sind

In vorteilhafter Weise lassen sich weiterhin meh- 65 gegenüber dem Shockley-Transistor andere relative rere Transistoren gemäß der Erfindung auch als ein- Dotierungspegel und eine andere Geometrie der heitliche Halbleiterschalter gestalten, in der die vierte Übergangssperrschicht erforderlich, so daß eine VorZone allen Transistoren gemeinsam ist. richtung, die bei Verwendung als Zweipol keine

negative Widerstandscharakteristik aufweisen dürfte, entsteht.

Der Kollektorbereich der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist außerdem wesentlich dicker als der Basisbereich, um den Kollektorstreuwiderstand so klein wie möglich zu halten. In der Shockley-Halbleitervorrichtung haben beide Gebiete dieselbe Dicke.

Im einzelnen besitzt der gemäß der Erfindung aufgebaute Transistor nach F i gl. 1 einen Emitter 10, eine Basis 12, einen Kollektor 14 und einen sich an diesen Kollektor anschließenden Basisstromsenkbereich 16. In der Darstellung sind die Richtungen der Ströme, die in der Schaltungsanordnung fließen, · durch entsprechende Pfeile angedeutet. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Transistors und die Schaltung nach Fig. 1 wird der Betrag des Basisstroms, der in der Emitterschaltung des Transistors fließt, wenn dieser gesättigt ist, sowie die für das Abschalten des gesättigten Transistors erforderliche Zeit erheblich reduziert. Der Betrag des aus dem Emitter fließenden Basisstroms stellt sich so ein, daß ein Kollektorstrom aufrechterhalten wird, der im übrigen wesentlich höher als dieser Basisstrom ist. Der Basisstromüberschuß, der den in den Kollektor injizierten Minoritätsträgern entspricht, fließt aus der an den Basisstromsenkbereich angeschlossenen Klemme S zur Erde ab und mischt sich nicht notwendigerweise mit dem Emitterstrom.

Die F i g. 2 zeigt schematisch die Minoritätsträger-Verteilungen in der Vorrichtung und die Stromrichtungen an den Sperrschichten. In dieser Darstellung geht aus dem unteren Teil des Basis- und des Kollektorbereichs 12 bzw. 14 jeweils die relative Menge der Minoritätsträger hervor, die in diese Gebiete injiziert werden; wobei diese nahe dem PN-Übergang zwischen Basis und Kollektor im Kollektorbereich und nahe dem PN-Übergang zwischen Basis und Emitter im Basisbereich jeweils größer ist.

Wenn ein Elektronenstrom I_c durch die Kollektorsperrschicht Z₁ fließt, dann ergibt sich ein resultierender Stromfluß durch die Emittersperrschicht J₂, welcher sich aus dem Elektronenstrom I_c und dem entsprechenden Rekombinationsstrom —J- zusammen-

P

setzt, wobei β der Stromverstärkungsfaktor des NPN-Transistors im ungesättigten Zustand und bei geerdetem Emitter ist. Bei der gemäß der Erfindung arbeitenden Vorrichtung muß die Basis viel stärker dotiert sein als der Kollektor, damit der Basisstrom-Überschuß im wesentlichen als Löcherstrqm in den Kollektorbereich injiziert wird, wenn der PN-Übergang zwischen Basis und Kollektor in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Der Kollektorbereich ist in bezug auf den Senkbereich vom P-Typ immer in Sperrichtung vorgespannt, und wenn sich der dazugehörige PN-Übergang sehr nahe am Kollektor-B asis-PN-Übergang /₃ befindet, dann fließt der größte Teil des Löcherstroms, der durch die Basis-Kollektor-Sperrschicht gelangt, dann aus dem Senkbereich 16. Es werden also Elektronen in den Basisbereich eingeführt und vom Kollektor gesammelt, während Löcher in den Kollektorbereich übergeführt und von dem Senkbereich 16 gesammelt werden. Im allgemeinen sind bei Schaltungsanordnungen, in denen NPN-Transistoren im Sättigungsgebiet betrieben werden, die Emitter niemals an ein unterhalb des Erdpotentials liegendes Potential angeschlossen, so daß es in diesem Fall ausreicht, den Anschluß an den Senkbereich direkt zu erden.

Wie in F i g. 3 b gezeigt, läßt sich mit Hilfe der erfindungsgemäßen Halbleitervorrichtung in einfacher Weise ein UND-Glied aufbauen, das kaskadenförmig geschaltet ist. Der Emitter der ersten Halbleitervorrichtung ist geerdet. Wenn die Halbleitervorrichtung A abgeschaltet ist, dann fließt der Basisstrom der Halbleitervorrichtungen B und C jeweils über den Senkbereich ab, so daß das Rauschen in der Ausgangsschaltung im wesentlichen unterdrückt wird. Mit anderen Worten bildet jeweils der Senkbereich einen Pfad für den Basisstrom während der Sättigung der Halbleitervorrichtungen B und C, wenn die Halbleitervorrichtung A nicht leitet. Im Gegensatz hierzu führt in einer Kaskade von üblichen Dreischichttransistoren ein übermäßiger Basisstrom zu unvorhersehbaren Ergebnissen, wie z. B. Rauschen. Wenn z. B. oberhalb der Halbleitervorrichtung C sehr viele Abzweigungen vorhanden sind, ist dieser Einfluß bei üblichen Transistoren nicht zu vernachlässigen, da der Betrag des Basisstromüberschusses leicht den Betrag überschreiten kann, der für eine einwandfreie Ausgangsanzeige erforderlich ist.

Die erfindungsgemäße Halbleitervorrichtung läßt sich ebenfalls in vorteilhafter Weise in einem kaskadenförmig aufgebauten UND-Glied gemäß F i g. 3 a verwenden. Hier ergibt sich der Vorteil, daß die Kollektorströme in allen Halbleitervorrichtungen etwa gleich sind, da der Basisstromüberschuß jedes Transistors über die an die Senkbereiche angeschlossene Schaltung abgeleitet wird. Außerdem kann durch die Verwendung eines solchen Senkbereichs die Minoritätsträgerspeicherung in dem jeweiligen Kollektorbereich gesteuert werden, so daß sich genügend kurze Speicherzeiten ergeben, ohne die Lebensdauer der Ladungsträger im Transistor durch andere Maßnahmen steuern zu müssen.

Mit Hilfe der Maßnahmen gemäß der Erfindung ergeben sich also die beiden folgenden großen Vorteile: Einmal fließt in gesättigten Transistoren der Basisstromüberschuß nicht aus dem Emitter, und zum anderen lassen sich in gesättigten Transistoren kurze Speicherzeiten erzielen, ohne die Lebensdauer einschränken zu müssen.

Während die vorstehende Erfindung mehr oder weniger in Verbindung mit einem NPN-Transistor beschrieben worden ist, der in der Weise modifiziert ist, daß ein zusätzlicher P-Bereich auf den Kollektor aufgebracht ist, versteht es sich, daß die Erläuterung ebensogut auf einen PNP-Transistor zutrifft, bei dem ein zusätzlicher N-Bereich auf den Kollektor aufgebracht ist. Ebenso versteht es sich, daß, obwohl die Erläuterungen zu den F i g. 3 a und 3 b jeweils in Kaskade geschaltete Transistoren gemäß der Erfindung in Form eines UND-Gliedes betreffen, solche Transistoren gleichwertig in Parallelschaltungen, z. B. bei einem ODER-Glied, oder überhaupt in jeder anderen Anwendung benutzt werden können, bei der der Basisstromüberschuß ein Problem darstellt, wenn die Transistoren im Sättigungszustand arbeiten sollen.

Das Hauptkriterium beim Aufbau eines Transistors gemäß der Erfindung besteht darin, daß der Basisbereich beträchtlich stärker dotiert sein muß als der Kollektorbereich und daß die Übergangssperrschicht zwischen Senkbereich und Kollektorbereich nahe genug an der Basis-Kollektor-Grenzschicht

liegen muß, um die injizierten Minoritätsträger übernehmen zu können und damit aus dem Kollektorbereich zu entfernen. Der Dotierungspegel des Senkbereichs ist nicht kritisch, nur muß er so niedrig wie möglich gehalten werden, um die Grenzschichtkapazität auf einen möglichst geringen Wert reduzieren zu können. Charakteristische Dotierungspegel für typische Transistoren nach der Erfindung sind etwa 2 · 10¹⁸ Fremdatome auf 1 ecm des Halbleitermaterials im Basisbereich und etwa 2 · 10¹⁶ Fremdatome auf 1 ecm des Halbleitermaterials im Kollektorbereich. Die Kollektordicken müssen das Zweibis Fünffache der Basisdicke betragen, wenn die Minoritätsträger auf optimale Weise aus dem Kollektorbereich getrieben werden sollen.

Wie schon oben erwähnt, kann der einzelne Transistor gemäß der Erfindung auf verschiedene Art und Weise hergestellt werden, z. B. durch Diffusion von Störstellen oder durch epitaktisches Aufwachsen bzw. jede beliebige Kombination beider Herstellungsverfahren sowie durch andere bekannte Verfahren zum Herstellen von gleichrichtenden Grenzschichten.

Nachstehend werden zwei Beispiele gegeben, die zeigen, wie ein Vierschichttransistor mit einem Senkbereich für Basisstromüberschuß hergestellt werden kann.

Beispiel 1

Ein Stab aus hochdotiertem Silizium vom P-Leitfähigkeitstyp wird in einen herkömmlichen röhrenförmigen Vakuumofen eingebracht, in dem sich in bekannter Weise an verschiedenen Stellen Heizspulen befinden, um die bei den Verfahrensschritten zum epitaktischen Aufwachsen und zur Diffusion verwendeten Materialien zu verdampfen. Dann wird Silizium mit dem bestimmten Gehalt an Donatoren verdampft und veranlaßt, sich als epitaktische Schicht auf einer P-Typ-Unterlage niederzuschlagen. Die Fremdatome in diesem Bereich werden durch Arsen dargestellt. Anschließend werden der Basis- und der Emitterbereich in dem aufgedampften N-Typ-Plättchen durch konventionelle Doppeldiffusionsverfahren unter Verwendung bekannter Maskenverfahren formiert. Schließlich wird mit Hilfe einer Mesa-Ätzung der Bereich des epitaktischen Kollektorsenkbereichsübergangs begrenzt. DerP-Typ-Basisbereich wird mit Hilfe einer Bordiffusion und der N⁺-Typ-Emitterbereich mit Hilfe einer Phosphordiffusion gebildet. Die epitaktische Schicht eines so hergestellten Transistors hat eine Dicke von etwa 6 u. Die Basisdiffusion ist etwa 2,5 μ tief, so daß eine Kollektordicke von etwa 3,5 μ übrigbleibt. Die Emitterdiffusion in den Basisbereich hinein ist etwa 1,5 μ tief, so daß eine Basisdicke von 1 μ und eine Emitterdicke von 1,5 μ entstanden ist. Bei diesem Transistor handelt es sich bei der N⁺-Verunreinigungssubstanz um Phosphor, wobei etwa 2 · 10²⁰ Fremdatome auf 1 ecm Silizium kommen. Der zum P-Typ gehörende, mit Bor diffundierte Basisbereich enthält etwa 2 · 10¹⁸ Fremdatome auf 1 ecm Silizium. Die zum N-Typ gehörende, mit Arsen dotierte epitaktische Schicht, d.h. der Kollektorbereich, enthält etwa 2-10¹⁶ Fremdatome auf 1 ecm Halbleitermaterial und die P-Typ-Silizium-Unterlage etwa 5 · 10¹⁴ P-Typ Fremdatome auf 1 ecm Silizium. Bei Prüfung dieser Halbleitervorrichtung ist festgestellt worden, daß die Abschaltzeiten beim Zuführen eines stark sättigenden Basistreiberstroms wesentlich verkürzt werden und daß sich ein wesentlich geringerer Speichereffekt von überschüssigen Minoritätsträgern oder ein geringerer Basisstromüberschuß im Emitterbereich während des Sättigungszustands ergibt.

Beispiel 2

Das Herstellungsverfahren ähnelt hier im wesentlichen dem unter Beispiel 1 beschriebenen. Die Gesamtstärke der epitaktischen N-leitenden Schicht

ίο beträgt etwa 6 μ. Die Basisdiffusion erstreckt sich über ein Gebiet mit einem Durchmesser von 0,3 mm und ist 2,8 μ tief. Die Emitterdiffusion erstreckt sich über ein Gebiet mit einem Durchmesser von 0,1 mm

• und ist 1,5 μ tief, so daß sich eine Kollektordicke von insgesamt 3,2 μ und eine Basisdicke von 1,3 μ ergibt. Die epitaktische N-Typ-Schicht besitzt eine etwas geringere Anzahl als 2 · 10¹⁶ Fremdatome auf 1 ecm Silizium (s. Beispiel 1). Es werden die gleichen Dotierungsstoffe wie im Beispiel 1 verwendet, und die Störstellendichten sind etwa dieselben mit Ausnahme derjenigen des Kollektorbereichs, wie oben angegeben. Es sind Versuche mit diesem Transistor gemacht worden, in denen sich gezeigt hat, daß er sich erwartungsgemäß verhält, d. h., es hat sich ein Ableitstrom ergeben, wenn der Transistor gesättigt gewesen ist. Bei einem Kollektorstrom von 0,5 mA und einem Basisstrom von 0,5 mA ist z. B. ein Strom durch den Senkbereich von 0,23 mA beobachtet worden. Dies stimmt genau mit dem bei den in dieser Vorrichtung gemessenen NPN- und PNP-Alphawerten vorhergesagten Senkstrom überein. Bei nahe an Eins liegenden Alphawerten würde der Senkstrom sehr nahe an 0,5 mA herankommen.

Während in den beiden Beispielen Kollektorbreiten W_c von 3,2 und 3,5 μ verwendet worden sind, ist natürlich die tatsächliche Breite W_c, die verwendet werden könnte, von mehreren Faktoren abhängig; hauptsächlich aber von dem Austausch zwischen dem gewünschten PNP-Alphawert und dem zulässigen NPN-Kollektorstreuwiderstand. Außerdem unterliegen die relativen Dotierungspegel zwischen Basis und Kollektor je nach Konstruktion gewissen Änderungen. Die Hauptbedingung ist, daß der Basisbereich stärker als der Kollektorbereich dotiert ist.

Gegenüber der Kollektorbreite W_c muß dieser Bereich schmal genug sein, damit infolge des in Sperrrichtung vorspannenden Effektes der Kollektor-Senkgrenzschicht die injizierten Minoritätsträger aus dem Kollektorbereich hinaus- und in den Senkbereich hineintransportiert werden können.

Die F i g. 4 zeigt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung, auf Grund deren mehrere erfindungsgemäß aufgebaute Flächentransistoren leicht hergestellt werden können, wie bei der Miniaturisierung erforderlich ist, bei der eine große Zahl solcher Vorrichtungen auf einem verhältnismäßig kleinen Bereich enthalten sein müssen. In diesem Ausführungsbeispiel werden mehrere Plättchen aus N-leitendem Material durch epitaktisches Aufbringen auf eine P-leitende Siliziumunterlage gezüchtet. Danach werden durch Doppeldiffusion die Emitter und Basen auf den jeweiligen N-leitenden Plättchen erzeugt. Aus der Zeichnung geht hervor, daß die Emitter, Basen und Kollektoren auf jedem Plättchen mit e, b bzw. c bezeichnet sind und daß die Unterlage allen einzelnen Transistorplättchen gemeinsam ist. Da alle Senkbereiche normalerweise direkt miteinander verbunden sind, wie im Schaltungsbeispiel nach

F i g. 3 a und 3 b angegeben, und nur die einzelnen Transistoren elektrisch voneinander getrennt sind, ist es nicht nötig, die einzelnen Transistoren mit der gemeinsamen Unterlage voneinander zu trennen. In dieser Vorrichtung ist die P-leitende Unterlage natürlich der gemeinsame Senkbereich und bildet eine vierte Schicht vom P-leitenden-Typ auf einem NPN-Transistor. Wie schon bezüglich der beschriebenen Einzeltransistoren erwähnt worden ist, ließe sich dieses Ausführungsbeispiel auch mit einer Unterlage vom N-leitenden Typ und auf dessen Oberseite aufgebrachten PNP-Transistoren herstellen.

Eine gemäß Fig. 4 aufgebaute miniaturisierte Vorrichtung würde etwa ebenso wie die Einzelvorrichtungen nach den Beispielen 1 und 2 hergestellt. Der Hauptunterschied besteht dann in der Verwendung einer größeren Aufdampfungsunterlage und der Verwendung mehrfachen Maskierens und/oder Ätzens zum Erzeugen mehrerer Plättchen auf der Unterlage sowie der mehrfachen Anwendung von Maskenverfahren für die nachfolgenden Doppeldiffusions-Verfahrensschritte zum Formieren der Basis- und Emitterbereiche.

Claims

Patentansprüche:

1. Flächentransistor mit einem Halbleiterkörper mit vier Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitungstyps, dadurch gekennzeichnet, daß die erste, als Emitter dienende Zone stärker dotiert ist als die zweite, als Basis dienende Zone, daß die zweite Zone stärker dotiert ist als die dritte, als Kollektor dienende Zone, daß die dritte Zone stärker dotiert ist als die vierte Zone und daß der Übergang zwischen der dritten und der vierten Zone so nahe an dem Übergang zwischen der zweiten Zone und der dritten Zone liegt, daß die in die dritte Zone injizierten Überschuß-Ladungsträger bei einer Sperrspannung an dem Übergang zwischen der dritten und der vierten Zone in die vierte Zone abgeleitet werden.

2. Flächentransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite als Basis dienende Zone mindestens doppelt so stark dotiert ist als die dritte als Kollektor dienende Zone.

3. Verfahren zum Herstellen eines Flächentransistors nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Kollektorzone eine η-dotierte Siliziumschicht verwendet wird und diese epitaktisch aufgebracht wird.

4. Flächentransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektorzone zwei- bis fünfmal so breit wie die Basiszone ist.

5. Flächentransistor nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Zone mit der ersten, als Emitter dienenden Zone elektrisch leitend verbunden ist.

6. Flächentransistor nach einem der Ansprüche 1, 2, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Silizium-Halbleiterkörper in der ersten, als Emitter dienenden Zone mit 2 · 10²⁰ Fremdatomen pro Kubikzentimeter aus Phosphor, in der zweiten, als Basis dienenden Zone mit 2 · 10¹⁸ Fremdatomen pro Kubikzentimeter aus Bor, in der dritten, als Kollektor dienenden Zone mit nahezu aber höchstens 2 · 10¹⁶ Fremdatomen pro Kubikzentimeter aus Arsen und in der vierten Zone mit 5 · 10¹⁴ Fremdatomen pro Kubikzentimeter vom P-Typ verunreinigt ist.

7. Schaltung mit Flächentransistoren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Schalten mehrere solcher Flächentransistoren sowohl mit ihren Emitter-Kollektor-Strecken hintereinander verbunden an eine gemeinsame Spannungsquelle angeschlossen und mit ihren vierten Zonen mit einer gemeinsamen Leitung verbunden sind, die an der Emitterpotentialquelle liegt, und daß die Schaltspannungen jeweils den Basiszonen zugeführt und die Ausgangssignale entweder an der Kollektorzone des letzten Flächentransistors oder an der Emitterzone des ersten Flächentransistors abgegriffen sind.

8. Verfahren zum Herstellen von Flächentransistoren für eine Schaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als vierte Zone für mehrere hintereinandergeschaltete Flächentransistoren eine P-leitende Siliziumunterlage verwendet wird, auf die mit Hilfe von Masken N-leitende Plättchen aufgebracht werden, in die durch Diffusion jeweils eine Kollektor-, Basis- und Emitterzone eingebracht werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1041163,
071;

deutsche Auslegeschrift S 36922 VIII c/21 g, 11/62 (bekanntgemacht am 9. 5.1956);

USA.-Patentschrift Nr. 2623105;

Electronic Industries, Bd. 19, 1960, Heft 8, S. 84 bis 87.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

509 758/318 12.65 ® Bundesdruckerei Berlin