DE1259474B - Unsymmetrischer Fototransistor - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL.

HOIl

Deutsche Kl.: 21 g - 29/10

Nummer: 1259 474

Aktenzeichen: S 92605 VIII c/21 g

Anmeldetag: 12. August 1964

Auslegetag: 25. Januar 1968

Unter diesem Begriff versteht man allgemein ein strahlungsempfindliches Halbleiterbauelement mit einem als Verstärker wirkenden Teil. Dabei besteht die Möglichkeit, die von einem der zu registrierenden Strahlung ausgesetzten pn-übergang erzeugte elektrische Leistung dem Emitter eines im gleichen Halbleiterkörper anwesenden Transistors zuzuführen. Eine bauliche Vereinfachung dieser Konzeption liegt vor, wenn man den strahlungsempfindlichen pn-übergang zum Emitter des Transistors macht. Die Basiszone eines solchen Fototransistors, der auch noch eine Hookzone enthalten kann, braucht bekanntlich nicht kontaktiert zu werden.

Es ist außerdem bei Solarelementen üblich, den Wirkungsgrad pro Halbleiterbauelement möglichst groß zu halten, indem man den strahlungsempfindlichen pn-übergang über seine gesamte Ausdehnung unmittelbar unter einer dünnen, strahlungsdurchlässigen Schicht des Halbleiters anordnet.

Femer waren lichtgesteuerte Transistoren mit Eigenschaften gittergesteuerter Gasentladungsröhren bekannt, bei welchen ein in einer sehr dünnen Basiszone einlegierter Draht als Kollektor wirksam ist. Die Belichtung erfolgt auf die dünne Zone und somit auch auf den einlegierten Kollektordraht. Ferner waren Flächenfototransistoren bekannt, bei denen unter anderem auch der steuernde Lichtstrahl auf die Kollektorzone zum Einfall gebracht wird. Bei allen diesen Anordnungen weist offensichtlich die Kollektorzone die höchste Leitfähigkeit von allen drei Zonen des Transistors auf. Im Interesse einer Vergrößerung der Empfindlichkeit und des Wirkungsgrades eines solchen Transistors empfiehlt sich jedoch, wenn die Kollektorzone die kleinste Leitfähigkeit aufweist, wenn das steuernde Licht auf die Kollektorzone angewandt wird. Dementsprechend bezieht sich die Erfindung auf einen unsymmetrischen Fototransistor zum Messen und Registrieren von Strahlung mit drei Zonen von abwechselnd unterschiedlichem Leitungstyp, bei dem sich der der einfallenden Strahlung ausgesetzte Kollektorübergang mit mindestens dem größeren Teil seiner Fläche in einem kleineren Abstand von der Halbleiteroberfläche als die Eindringtiefe der zu messenden und registrierenden Strahlung befindet und etwa die gleiche Fläche wie der Emitterübergang hat, der der Strahlung nicht oder nur in geringem Maß ausgesetzt ist, welcher erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß die Kollektorzone die niedrigste Leitfähigkeit und die Emitterzone die höchste Leitfähigkeit der im Halbleiterkristall des Transistors anwesenden Zonen besitzt.

Unsymmetrischer Fototransistor

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft,

Berlin und München,

8000 München 2, Witteisbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:

Dr. Wolfgang Touchy, 8000 München

Durch die Strahlung werden in der Umgebung des in Sperrichtung gepolten, dicht unter der Halbleiteroberfläche liegenden Kollektorüberganges bewegliche Ladungsträger erzeugt. Dadurch erhöht sich bekanntlich der Sperrstrom. Bei dem Fototransistor gemäß der Erfindung füllt sich deshalb die Basiszone mit Majoritätsträgem. Diese verschieben das Potential in der Basis so, als ob an die Basis eine Steuerspannung oder ein Steuerstrom gelegt würde. Aus dem Emitter werden verstärkt Ladungsträger injiziert, so daß das System nun wie ein über die Basis gesteuerter Transistor arbeitet. Diese Betriebsweise ist besonders vorteilhaft, wenn der Kollektor bezüglich Dotierung und Größenverhältnis zum Emitter die für Transistoren für Verstärker- und Modulationszwecke üblichen Bedingungen erfüllt.

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungsmöglichkeiten eines Fototransistors gemäß der Erfindung werden an Hand der Zeichnungen erörtert. Die Zeichnungen stellen zwei besonders günstige Ausführungsbeispiele eines Fototransistors gemäß der Erfindung dar.

Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform erinnert äußerlich an einen Mesatransistor. Im Gegensatz zur üblichen Bauart eines solchen sind jedoch zwei Zonen 2 und 3 von einander entgegengesetztem Leitungstyp in einen Grundkristall vom Leitungstyp der Zone 3 eindiffundiert. Den bei Fototransistoren üblichen Gesichtspunkten würde es nun entsprechen, die Zone 1 des Grundmaterials als Kollektor, die erste eindiffundierte Zone 2 als Basis und die zweite eindiffundierte Zone 3 als Emitter zu betreiben. Der Erfindung entspricht es jedoch, wenn die Zone 1 als Emitter, die Zone 2 als Basis und die Zone 3 als Kollektor betrieben wird. Dementsprechend ist auch die Zone 1 als Emitter, die Zone 2 als Basis und die Zone 3 als Kollektor ausgestaltet. Vor allem bedeutet dies, daß die Zone 1 wesentlich stärker als die beiden übrigen Zonen des Kristalls dotiert ist. Sowohl bei

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Verwendung einer npn- als auch einer pnp-Zonenfolge empfiehlt es sich, spezifische Widerstände von etwa 0,1 Ohm cm für die Zone 1, von etwa 1 Ohm cm für die Zone 2 und etwa 10 Ohm cm für die Zone 3 einzustellen, so daß entsprechend einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfinfindung die Kollektorzone 3 am hochohmigsten, die Emitterzone 1 am niederohmigsten ist. Im Beispiel der F i g. 1 ist die Zone 2 p-leitend, während die Zonen 1 und 3 η-leitend sind.

Zur Kontaktierung der Anordnung ist eine Metallunterlage 4, z. B. aus Vacon, der an seiner Oberfläche mit einem Goldüberzug versehen ist, vorgesehen, der mit der Emitterzone sperrfrei verbunden ist. Der

die Halbleiteroberfläche erreichen, zu belassen. Dies bedingt einen zusätzlichen Schutz der Anordnung.

Ein die Lehre der Erfindung erfüllender Fototransistor besitzt im Vergleich zu den bekannten An-

5 Ordnungen dieser Art den Vorteil einer besonders hohen Leistungsabgabe. Dies gilt auch gegenüber einem geometrisch gleich bemessenen Fototransistor, bei dem jedoch der der Strahlung ausgesetzte pn-übergang als Emitter ausgestaltet ist. Die be-

o schriebenen Bauarten weisen ferner den Vorteil auf, daß die Fläche des Emitter- und Kollektorüberganges etwa gleich sind, was sich ebenfalls günstig für den Wirkungsgrad äußert.
Die Lehre der Erfindung bringt es mit sich, daß

Kollektor ist mit einer Elektrode 5, z. B. aus Gold— 15 beim Betrieb einer solchen Anordnung die Kollek-Antimon, sperrfrei kontaktiert. Eine Kontaktierung torzone 3 bzw. 13 zuerst und zumindest ausgiebiger der Basiszone 2 ist möglich, jedoch nicht erforder- als der andere Übergang von der zu registrierenden Hch. Strahlung getroffen wird. Der andere Übergang wird Eine andere Möglichkeit besteht in der Anwen- zweckmäßig möglichst der Einwirkung der Strahlung dung sogenannter epitaktischer Prozesse, bei denen 20 entzogen. Dies kann z. B. bei einer Anordnung nach entsprechend den obigen Angaben dotiertes Halb- F i g. 1 durch die Anwendung eines Überzuges oder leitermaterial aus einer eine gasförmige Halogen- durch entsprechende Anordnung in einem Gehäuse und/oder Wasserstoffverbindung des betreffenden geschehen. In vielen Fällen genügt jedoch schon die Halbleiters und abwechselnd die entsprechenden Tatsache, daß sich der Emitterübergang im allgemei-Dotierungsstoffe enthaltenden, von unerwünschten 25 nen — von der Einfallsrichtung der zu registrieren-Verunreinigungen freien Atmosphäre auf den er- den Strahlung aus betrachtet — hinter dem Kollekhitzten niederohmigen Grundkristall 1 zur Bildung torübergang und im allgemeinen auch in wesentlich der Zonen 2 und 3 niedergeschlagen und zum ein- größerer Tiefe im Halbleiterkristall als der Kollektorkristallinen Aufwachsen gebracht wird. Die Abätzung Übergang befindet. Insbesondere ist dies bei den in zur Herstellung des Mesaberges unterliegt bekannten 30 den Figuren dargestellten Anordnungen realisiert.
Gesichtspunkten. Die Diffusionstechnik kann mit der Die Tiefe der Kollektorzone soll kleiner als die bekannten Planar-Maskierungstechnik verknüpft Eindringtiefe der zu registrierenden Strahlung sein, werden. Darunter ist der Abstand von der Halbleiterober-In F i g. 2 ist eine andere vorteilhafte Ausführungs- fläche zu verstehen, an dem die an der Oberfläche form eines Fototransistors gemäß der Erfindung dar- 35 herrschende Strahlungsintensität um den .s-ten Teil gestellt. In einem einkristallinen: Halbleiterkörper 11, (e = Eulersche Zahl) durch Absorption abgeklungen beispielsweise aus Silizium oder Germanium, sind ist. Die hierzu erforderlichen Daten sind für die zwei Oberflächenzonen 12 und 13, die sich fast über technisch wichtigen Halbleitersubstanzen allgemein die gesamte Oberfläche des scheibenförmigen Kri- bekannt und brauchen deshalb nicht mehr im einzelstalls 11 erstrecken, eindiffundiert. Lediglich an der 40 nen erörtert zu werden. Der Emitter-Basis-Übergang Unterseite des Kristalls 11 sind die beiden Ober- befindet sich in größerer Tiefe, jedoch in so gerinflächenzonen 12 und 13 unterbrochen. An dieser gern Abstand vom Kollektor-Basis-pn-Übergang, daß Stelle ist eine ohmsche Kontaktierung 14 des Grund- eine hohe Stromverstärkung gewährleistet ist.
materials 11 angebracht. Die äußere Zone 13 ist Es empfiehlt sich, die. Tiefe der Kollektorzone auf durch eine Elektrode IS, z. B. einen aufgedampften 45 etwa 0,5 mm bei Verwendung von Si und Ge als Metallflecken oder ein den ganzen Halbleiter über- Halbleitermaterial und die Breite der Basiszone etwa deckendes Netz aufgedampften Metalls, das einen auf denselben Wert einzustellen,
guten ohmschen Kontakt und Stromfluß aus allen Obwohl für die erfindungsgemäße Anordnung Gebieten der hochohmigen Kollektorschicht gewähr- durchweg die Bezeichnung »Fototransistor« verwenleistet, kontaktiert. Hinsichtlich der Dotierung und 50 det ist, läßt sich das erfindungsgemäße Halbleiterder Betriebsweise entspricht die Zone 11 der Zone 1, bauelement auch zum Registrieren oder Messen die Zone 12 der Zone2, die Zone 13 der Zone3 anderer Strahlung, z.B. auch von Röntgenlicht, von einer Anordnung nach Fig. 1. energiereichem Infrarotlicht, von UV-Licht sowie Die Zonen 12 und 13 werden zweckmäßig durch von Elektronen- oder Ionenstrahlen, verwenden, so-Diffusion erzeugt. Dabei empfiehlt es sich vor allem, 55 fern diese Strahlung in merklichem Ausmaß von den Dotierungsstoffe zu wählen, die von einer dünnen betreffenden Halbleitern, aus denen das Bauelement SiO₂-Maskierung 16 zurückgehalten werden. Dem- gefertigt ist, absorbiert wird.

entsprechend wird man, wie aus F i g. 3 ersichtlich, Es besteht schließlich die Möglichkeit, den erfin-

bei der Herstellung der in F i g. 2 dargestellten An- dungsgemäßen Fototransistor mit mehr als drei

Ordnung zunächst die Oberfläche des Grundkristalls 60 Zonen von abwechselnd unterschiedlichem Leitungs-

11 an der für die Elektrode 14 beabsichtigten Stelle typ auszurüsten. Ein Beispiel bildet die Ausgestal-

und deren Umgebung mit einer dünnen SiO₂-Schicht
16 abdecken, die als Schirm gegen das eindiffundierende Material wirkt. Deshalb erhält man den aus
den F i g. 2 und 3 ersichtlichen Verlauf der beiden 65 Zonen 12 und 13. Es ist dann zweckmäßig, die SiO₂-Schicht nicht vollständig wieder zu entfernen, sondern an der Stelle, an der die beiden pn-Übergänge

tung als 4-Zonen-Hook-Transistor, bei dem zwischen
Kollektor- und Basiszone eine als Hook wirkende
Zone angeordnet ist.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Unsymmetrischer Fototransistor zum Messen und Registrieren von Strahlung mit drei

Zonen von abwechselnd unterschiedlichem Leitungstyp, bei dem sich der der einfallenden Strahlung ausgesetzte Kollektorübergang mit mindestens dem größeren Teil seiner Fläche in einem kleineren Abstand von der Halbleiteroberfläche als die Eindringtiefe der zu messenden und registnerenden Strahlung befindet und etwa die gleiche Fläche wie der Emitterübergang hat, der der Strahlung nicht oder nur in geringem Maß ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, xo daß die Kollektorzone (3) die niedrigste Leitfähigkeit und die Emitterzone (1) die höchste Leitfähigkeit der im Halbleiterkristall des Transistors anwesenden Zonen besitzt (F i g. 1).

2. Fototransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Silizium oder Germanium als Halbleitermaterial die Emitterzone einen spezifischen Widerstand von höchstens 0,1 Ohm cm, die Basiszone von 0,1 bis 1 Ohm cm und die Kollektorzone einen spezifi- ao sehen Widerstand von mehr als 1 Ohm cm aufweist.

3. Fototransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollektor- und der Basisübergang (13, 12) und der Emitter-Basis-Übergang (11,12) durch Diffusion und/oder Epitaxie auf einem mehr als die Hälfte des die Gesamtoberfläche betragenden Oberflächenteils eines Halbleiterkristalls erzeugt werden.

4. Fototransistor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußerste (Kollektor-) Zone (13) des Halbleiterkristalls mittels einer streifenförmigen aufgebrachten Metallisierung (15) kontaktiert ist (F i g. 2).

5. Fototransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkristall an der Stelle des Emitter-Kollektor-Übergangs mesaartig verjüngt und die Kollektor-Basis-Zone sich vollständig innerhalb des mesaartig verjüngten Teiles befindet (F i g. 1).

6. Fototransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kollektor- und Basiszone bei Silizium und Germanium als Halbleiter höchstens 0,6 μ, insbesondere 0,5 μ, tief sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Auslegeschrift Nr. 1039 564;
französische Patentschrift Nr. 1180 896.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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