DE1464715C3 - Semiconductor component with a semiconductor body made up of three zones of alternately opposite conductivity types - Google Patents
Semiconductor component with a semiconductor body made up of three zones of alternately opposite conductivity typesInfo
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Description
Es ist aus der Zeitschrift »Proc. of the IRE«, Bd. 50 (1962), Heft 8 (August), S. 1822 und 1823, bekannt, daß in gewissen Halbleitermaterialien mit einer Dotierung mit bestimmte Energieniveaus bildenden Stoffen und bei Anlegen einer Vorwärtsspannung an einen pn-übergang in einem Halbleiterkörper aus einem solchen Material eine Lichtemission mit hohem Wirkungsgrad erhalten werden kann, die der Rekombinationsstrahlung zuzuschreiben ist. Unter Rekombinationsstrahlung versteht man in der Halbleitertechnik eine Strahlung, die dadurch entsteht, daß Ladungsträger, d. h. Löcher und Elektronen, rekombinieren und Photonen bilden. Der Rekombinationsprozeß an sich umfaßt die Aufhebung der Zusammenstöße zwischen den beiden Ladungsträgertypen im Innern des Halbleiterkörpers, wobei die Ladungsträger wirksam verschwinden. Gewisse Arten bekanntgewordener Rekombinationen sind strahlungsbildend. Bisher war jedoch eine derartige Strahlung in brauchbarer und wirtschaftlicher Form nicht ausnutzbar.It is from the magazine Proc. of the IRE ", Vol. 50 (1962), Issue 8 (August), pp. 1822 and 1823, known that in certain semiconductor materials with a doping with certain energy levels forming Substances and when a forward voltage is applied to a pn junction in a semiconductor body high-efficiency light emission can be obtained from such a material, which is attributable to the recombination radiation. Recombination radiation is understood to mean in In semiconductor technology, radiation is produced by the fact that charge carriers, d. H. Holes and electrons, recombine and form photons. The recombination process itself involves cancellation the collisions between the two types of charge carriers inside the semiconductor body, the charge carriers effectively disappearing. Certain types of known recombinations are radiation-generating. However, heretofore, such radiation has been more useful and economical Form not exploitable.
Bei bipolaren Flächentransistoren, die als Signalübertragungs-Halbleiterbauelemente in einem weiten Anwendungsfeld verwendet werden, ist die Ladungsträgerinjektion ein Merkmal seiner Funktionsweise, und zwar wird die Minoritätsladungsträgerinjektion entsprechend den zu übertragenden Signalen gesteuert. Die injizierten Minoritätsladungsträger diffundieren durch die Basiszone hinüber zu dem KoI-lektor-PN-Übergang, wo sie den Kollektor-Stromfluß beeinflussen.In the case of bipolar junction transistors, which are used as signal transmission semiconductor components are used in a wide range of applications, charge carrier injection is a feature of its functionality, namely, the minority charge carrier injection is controlled in accordance with the signals to be transmitted. The injected minority charge carriers diffuse through the base zone over to the KoI-lektor-PN-junction, where they affect the collector current flow.
Bei den bekannten bipolaren Transistoren ist die Durchgangszeit der injizierten Minoritätsladungsträger durch die Basiszone hindurch durch die Dicke der Basiszone bestimmt. Für schnell arbeitende bipolare Transistoren braucht man sehr dünne Basiszonen, was die Konstruktion dieser Transistoren erschwert. In the known bipolar transistors, the transit time of the injected minority charge carriers is determined through the base zone by the thickness of the base zone. For fast-working bipolar people Transistors require very thin base zones, which makes the construction of these transistors difficult.
Die Erfindung bezieht sich nun auf ein Halbleiter-The invention now relates to a semiconductor
3 43 4
bauelement mit einem Halbleiterkörper aus drei keitsmodulation und anderen bei bipolaren Flächen-Zonen,
von denen die erste Zone des einen ersten transistoren auftretenden Effekten.
Leitungstyps und die zweite Zone des entgegensetz- Ladungsträger-Speichereffekte werden bei dem
ten, zweiten Leitungstyps einen pn-übergang bilden, Halbleiterbauelement nach der Erfindung infolge der
der mittels einer zwischen der Elektrode an der 5 niedrigen Lebensdauer der Ladungsträger zu einem
ersten Zone und der Elektrode an der zweiten Zone Minimum.Component with a semiconductor body consisting of three keitsmodulation and others in the case of bipolar surface zones, of which the first zone of the first transistors occurring effects.
Conduction type and the second zone of the opposite charge carrier storage effects will form a pn junction in the case of the second conduction type, semiconductor component according to the invention as a result of the by means of a low life between the electrode at 5 of the charge carriers to a first zone and the electrode at the second zone minimum.
anliegenden Spannung in Durchlaßrichtung betrieben Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung ar-applied voltage operated in the forward direction The semiconductor component according to the invention ar-
wird, so daß durch Ladungsträgerinjektion über die- beitet bei Temperaturen von nahe 0° K bis zu deris, so that by charge carrier injection over worked at temperatures from close to 0 ° K up to the
sen pn-übergang in dessen Nähe eine Rekombina- Temperatur, bei der das Halbleitermaterial eigenlei-sen pn junction in its vicinity a recombinant temperature at which the semiconductor material is inherently
tionsstrahlung erzeugt wird, und von denen die dritte io tend wird. Die Eigenleitung tritt bei Galliumarsenidtion radiation is generated, and the third of which is io tend. The intrinsic conduction occurs with gallium arsenide
Zone, in der die in der Nähe des pn-Übergangs zwi- bei mehreren 100° C ein.Zone in which the near the pn junction between at several 100 ° C.
sehen der ersten und der zweiten Zone erzeugte Re- Bei Galliumarsenid ist die Basiszone bereits ent-see the first and second zones generated Re- In the case of gallium arsenide, the base zone has already been
kombinationsstrahlung absorbiert wird, an die zweite artet hochdotiert, wenn das die Basiszone bildendeCombination radiation is absorbed, the second type is highly doped, if the forming the base zone
Zone angrenzt. Ausgangs-Halbleiterplättchen mit einer Konzentra-Zone adjoins. Output semiconductor wafers with a concentration
Ein solches Halbleiterbauelement ist aus der deut- i5 tion von 5 · 1017 Atomen (z. B. Te) pro ecm dotiertSuch a semiconductor device is known from German i tion 5 of 5 x 10 17 atoms (eg. As Te) doped per cc
sehen Auslegeschrift 1054 179 bekannt. Bei diesem ist. Eine entartete Basiszone würde für die bekann-see Auslegeschrift 1054 179 known. With this one is. A degenerate base zone would
Halbleiterbauelement zum Verstärken und Schalten, ten bipolaren Flächentransistoren nicht brauchbarSemiconductor component for amplifying and switching, th bipolar junction transistors cannot be used
bei dem von einer Rekombinationsstrahlung Ge- sein, da die Lebensdauer der Ladungsträger zu nied-in which a recombination overall se in because the lifetime of carriers to nied-
brauch gemacht wird, reicht jedoch die entstehende rig sein würde und da der Injektionswirkungsgradis made use of, however, the resulting r i g se i n would be sufficient and since the injection efficiency
Rekombinationsstrahlung intensitätsmäßig nicht aus, 20 des Emitter-Basis-Übergangs zu niedrig werdenAre recombination in intensity not from, 20 the emitter-base junction is too low
um größere Strecken im Halbleiterkörper wirksam zu würde,in order to be effective for longer distances in the semiconductor body,
durchdringen. Nach einer vorteilhaften Ausführungsform despenetrate. According to an advantageous embodiment of the
Es sind auch Transistoren mit einem aus Gallium- Halbleiterbauelements nach der Erfindung bedecktThere are also transistors covered with a gallium semiconductor device according to the invention
arsenid oder aus einer sonstigen halbleitenden inter- die erste Zone und Emitterzone die zweite Zone undarsenide or from another semiconducting inter- the first zone and emitter zone the second zone and
metallischen Verbindung bestehenden Halbleiter- 25 Basiszone nur teilweise stufenförmig, und die Emit-metallic compound existing semiconductor 25 base zone only partially step-shaped, and the emit-
körper bekannt. Bei diesen bekannten Transistoren terelektrode und die Basiselektrode bedecken diebody known. In these known transistors, the terelectrode and the base electrode cover the
wird aber von einer strahlenden Rekombination im freien Oberflächen ihrer Zonen und liegen der KoI-but is caused by a radiating recombination in the free surface of its zones and are the KoI-
Halbleiterkörper kein Gebrauch gemacht. lektorelektrode gegenüber, die auf der gegenüber-Semiconductor body made no use. electrode opposite, which is on the opposite
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein liegenden Oberflächenseite des Halbleiterkörpers an
Halbleiterbauelement mit einem Transistoraufbau so 30 der dritten Zone und Kollektorzone angebracht ist.
auszubilden, daß es schnell schaltet, jedoch die oben Die Erfindung ist nachstehend an Hand der scheangeführten
Nachteile der bekannten bipolaren matischen Zeichnungen in einigen Ausführungsbei-Flächentransistoren
und der bekannten Halbleiter- spielen von Halbleiterbauelementen näher erläutert,
bauelemente, bei denen von einer Rekombinations- Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Halbstrahlung
Gebrauch gemacht wird, vermeidet. 35 leiterbauelements nach der Erfindung mit seiner Be-The invention is based on the object of providing a surface side of the semiconductor body lying on the semiconductor component with a transistor structure so that the third zone and collector zone are attached.
train that it switches quickly, but the above The invention is explained in more detail below on the basis of the schematically listed disadvantages of the known bipolar matic drawings in some embodiment-area transistors and the known semiconductor games of semiconductor components, components in which a recombination Fig. Fig. 1 shows an embodiment of a half-radiation use is avoided. 35 conductor component according to the invention with its loading
Die Erfindung, die diese Aufgabe löst, besteht triebsschaltung;The invention, which solves this problem, consists of drive circuit;
darin, daß der Halbleiterkörper aus Galliumarsenid F i g. 2 zeigt eine Reihe von Strom (/C)-Spannungs-in that the semiconductor body made of gallium arsenide F i g. 2 shows a series of current (/ C ) voltage
oder aus einer anderen halbleitenden IH-V-Verbin- (Fc)-Kennlinien für ein Halbleiterbauelement nachor from another semiconducting IH-V-Verbin- (F c ) characteristic curves for a semiconductor component
dung besteht, daß die zweite Zone des zweiten Lei- Fig. 1;tion is that the second zone of the second line Fig. 1;
tungstyps entartet hoch dotiert ist, daß die dritte 40 F i g. 3 ist eine perspektivische Schnittdarstellung Zone den ersten Leitungstyp aufweist und mit der einer besonderen Gestaltung eines Halbleiterbauzweiten Zone des zweiten Leitungstyps einen pn- elements nach der Erfindung.is degenerate and highly doped that the third 40 F i g. 3 is a perspective sectional view Zone has the first conductivity type and with a special design of a semiconductor module Zone of the second conductivity type a pn element according to the invention.
Übergang bildet, der mittels einer zwischen der Elek- In F i g. 1 ist mit 1 der Halbleiterkörper bezeich-Forms transition, which by means of a between the elec- In F i g. 1 is denoted by 1 of the semiconductor body
trode an der zweiten Zone und einer Elektrode an net, der eine erste Zone 2, eine zweite Zone 3 undtrode on the second zone and an electrode on net, which has a first zone 2, a second zone 3 and
der dritten Zone anliegenden Spannung in Sperrich- 45 eine dritte Zone 4 enthält. Wie bei einem TransistorThe voltage applied to the third zone in blocking 45 contains a third zone 4. Like a transistor
tung betrieb wird, so daß die in der Nähe des pn- ist nachstehend die erste Zone 2 als Emitterzone, die device is operated, so that in the vicinity of the pn- is hereinafter the first zone 2 as the emitter zone, the
Übergangs zwischen der ersten und der zweiten Zone zweite Zone 3 als Basiszone und die dritte Zone 4 alsTransition between the first and the second zone, the second zone 3 as the base zone and the third zone 4 as the
erzeugte Rekombinationsstrahlung an dem pn-Uber- Kollektorzone benannt.recombination radiation generated at the pn-Uber collector zone.
gang zwischen der zweiten und der dritten Zone ab- Die Zonen 2 und 3 bestimmen einen PN-Uber-transition between the second and the third zone - Zones 2 and 3 determine a PN transition
sorbiert wird, und daß der Halbleiterkörper mit einer 50 gang 5, der in der Nähe der Stelle hegt, wo die Strah-is sorbed, and that the semiconductor body with a 50 gang 5, which lies in the vicinity of the point where the beam
die Rekombinationsstrahlung reflektierenden Um- lun8 durch Rekombination injizierter Ladungsträger Um- um 8 reflecting the recombination radiation by recombination of injected charge carriers
mantelung versehen ist. entsteht. Die Zonen 3 und 4 definieren einen zweitencoating is provided. arises. Zones 3 and 4 define a second one
Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung läßt PN-Übergang 6 an jener Stelle, wo die Absorption somit ohne Nachteile große Dicken der zweiten Zone von Photonen und ihre Umwandlung in Ladungsund Basiszone zu. Diese Halbleiterbauelemente sind 55 träger stattfindet.The semiconductor component according to the invention leaves PN junction 6 at the point where the absorption thus without disadvantages large thicknesses of the second zone of photons and their conversion into charge and Base zone too. These semiconductor components are 55 more inert.
vor allem leicht herstellbar und auch aus mechani- Der Halbleiterkörper 1 enthält die Zonen 2, 3especially easy to manufacture and also made of mechanical The semiconductor body 1 contains the zones 2, 3
sehen Gründen günstig. Hinzu kommt, daß bei dem und 4, welche aufeinanderfolgend einen abwechseln-see reasons favorable. In addition, in the case of and 4, which successively have an alternating
Halbleiterbauelement nach der Erfindung ent- den Leitfähigkeitstyp besitzen. Das Ausgangs-Halb-Semiconductor components according to the invention are of the conductivity type. The starting half
stehende Rekombinationsstrahlung auf Grund der leiterplättchen hat z.B. eine Dicke von 0,15mm.Standing recombination radiation due to the conductor plate has a thickness of 0.15 mm, for example.
entartet hohen Dotierung der zweiten Zone und 60 Dieses Halbleiterplättchen soll z. B. N-Leitfähigkeitdegenerate high doping of the second zone and 60. B. N-conductivity
Basiszone eines Halbleiterkörpers aus Galliumarse- aufweisen. Durch ein Verfahren, z. B. durch Diffu-Base zone of a semiconductor body made of gallium arse. By a method, e.g. B. by diffusion
nid oder einer anderen halbleitenden III-V-Verbin- sion mit Zn, werden die Zonen 2 und 4 mit P-Leit-nid or another semiconducting III-V compound with Zn, zones 2 and 4 are
dung und der reflektierenden Ummantelung des fähigkeit gebildet.manure and the reflective coating of the ability.
Halbleiterkörpers besonders stark ist und auch Da es möglich und praktisch ist, eine relativ dicke größere Basisdicken ohne ins Gewicht fallende Ab- 65 Basiszone, das ist die Zone 3 des Halbleiterbausorption zu durchdringen vermag, elements nach Fig. 1, zu haben, ist die AnbringungSemiconductor body is particularly strong and also Since it is possible and practical, a relatively thick one greater base thicknesses without any significant reduction 65 base zone, that is zone 3 of the semiconductor structure sorption able to penetrate, elements according to Fig. 1 to have, is the attachment
Die Funktion des Halbleiterbauelements nach der von Kontaktelektroden an den Zonen ganz einfach.The function of the semiconductor component after that of contact electrodes on the zones is very simple.
Erfindung ist nicht beeinträchtigt durch Leitfähig- An den gegenüberliegenden Oberflächen des Halb-Invention is not affected by conductive- On the opposite surfaces of the half-
leiterkörpers 1 sind ohmsche Kontaktelektroden 7 und 8 angebracht. Im Bedarfsfalle kann auch auf der Seitenfläche der Basiszone 3 eine ohmsche Kontaktelektrode 9 als Basiselektrode vorgesehen werden, um eine symmetrische Anordnung zu erhalten.Conductor body 1 ohmic contact electrodes 7 and 8 are attached. If necessary, the Side surface of the base zone 3 an ohmic contact electrode 9 can be provided as the base electrode, to get a symmetrical arrangement.
Im Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist jedoch die Basiselektrode 9 an einem Teil der Grundfläche der Basiszone 3 angebracht. Dies wird in einfacher Weise erreicht, wenn man einen Teil der Basiszone 2 durch Ätzen abträgt.In the embodiment according to FIG. 1, however, the base electrode 9 is on part of the base area of FIG Base zone 3 attached. This is achieved in a simple manner if you go through part of the base zone 2 Etching removes.
In Fig. 1 ist mit 10 eine veränderbare Spannungsquelle bezeichnet. Sie ist an die ohmschen Kontaktelektroden 7 und 9 angeschlossen. Im Ausgangsstromkreis liegt eine andere Stromquelle 11, die mit der Kollektorzone 4 und mit der Basiszone 3 über die Kontaktelektroden 8 bzw. 9 verbunden ist. Im Ausgangskreis liegt außerdem noch der übliche Lastwiderstand 12. Das Ausgangssignal kann in der herkömmlichen Weise am Lastwiderstand 12 abgenommen werden.In Fig. 1, 10 denotes a variable voltage source. It is attached to the ohmic contact electrodes 7 and 9 connected. In the output circuit there is another power source 11, which is with the collector zone 4 and is connected to the base zone 3 via the contact electrodes 8 and 9, respectively. In the starting circle there is also the usual load resistance 12. The output signal can be in the conventional Can be removed from the load resistor 12.
Die Pole der Spannungsquellen 10 und 11 sind so angelegt, daß der PN-Übergang 5 in Durchlaßrichtung und der PN-Übergang 6 in Sperrichtung beansprucht ist. Die Emission und die Ausbreitung der Photonen ist in der F i g. 1 durch einen Pfeil mit der Bezeichnung hv angedeutet. Den elektrischen Stromfluß in dem Halbleiterkörper 1 zeigen die Pfeile mit den Bezeichnungen lElN und IAUs- The poles of the voltage sources 10 and 11 are applied in such a way that the PN junction 5 is stressed in the forward direction and the PN junction 6 in the reverse direction. The emission and propagation of the photons is shown in FIG. 1 indicated by an arrow with the designation hv . The electrical current flow in the semiconductor body 1 is shown by the arrows with the designations l ElN and I AU s-
Mit der Spannung in Durchlaßrichtung am PN-Übergang 5 findet beim Betrieb des Halbleiterbauelements nach Fig. 1 eine Injektion von Ladungsträgern statt. Infolge der Ladungsträgerinjektionen entsteht im Innern des aus Galliumarsenid bestehenden Halbleiterkörpers 1 in der Nähe des PN-Überganges 5 eine Rekombinationsstrahlung. Dieser Prozeß der Umwandung der injizierten Ladungsträger in Photonen ist äußerst wirksam und kommt einem Wirkungsgrad von 100% nahe.With the voltage in the forward direction at the PN junction 5 occurs during operation of the semiconductor component 1, an injection of charge carriers takes place. As a result of the charge carrier injections arises in the interior of the semiconductor body 1 made of gallium arsenide in the vicinity of the PN junction 5 a recombination radiation. This process of converting the injected charge carriers into Photons are extremely effective and come close to 100% efficiency.
Es sei an dieser Stelle hervorgehoben, daß für die Transistorwirkung der bekannten bipolaren Flächentransistoren die Injektion von Ladungsträgern in die Basiszone maßgebend ist und daß daher die Ladungsträger des Leitungstyps, welche in der Basiszone Minoritätsladungsträger sind, den Hauptbeitrag zum Stromfluß von der Emitter- zu der Kollektorzone stellen.It should be emphasized at this point that for the transistor effect of the known bipolar junction transistors the injection of charge carriers into the base zone is decisive and that therefore the charge carriers of the conductivity type, which are minority charge carriers in the base zone, make the main contribution to the current flow from the emitter to the collector zone.
Was man jedoch bei dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung wünscht, ist eine hochwirksame Emission von Photonen. Es ist in erster Linie die Emission von Photonen, welche den Gesamtwirkungsgrad des Halbleiterbauelements nach der Erfindung bestimmt.However, what is desired in the semiconductor device of the invention is a highly effective one Emission of photons. It is primarily the emission of photons that determines the overall efficiency of the semiconductor component determined according to the invention.
Man kann zur Zeit annehmen, daß die, z. B. in dem Halbleiterbauelement nach Fig. 1, auftretende Strahlungsemission der Tatsache zuzuschreiben ist, daß bei der Injektion von Elektronen von der N-leitenden Basiszone 3 zu der P-leitenden Emitterzone 2 und bei der Rekombination mit Defektelektronen in der P-leitenden Emitterzone 2 Photonen gebildet werden. Deshalb hat die Injektion vonMinoritätsladüngsträgern, die entgegengesetzt zu der bei den bekannten bipolaren Flächentransistoren gerichtet ist, Vorrang.One can assume at the moment that the z. B. in the semiconductor device according to FIG. 1, occurring Radiation emission is attributable to the fact that when electrons are injected from the N-type Base zone 3 to the P-conducting emitter zone 2 and in the case of recombination with defect electrons 2 photons are formed in the P-conducting emitter zone. Therefore, the injection of minority carriers, which is directed opposite to that of the known bipolar junction transistors is, precedence.
Die Photonen der Rekombinationsstrahlung, welche quer durch die relativ dicke Basiszone 3 (Dicke etwa 0,05 mm) wandern, werden beim Auftreffen· auf den in Sperrichtung beanspruchten PN-Übergang absorbiert und in Ladungsträger verwandelt. Infolge dieser Umwandlung fließt im Ausgangskreis ein Strom, wie durch den Pfeil mit der Angabe IAUS in der F i g. 1 angedeutet ist.The photons of the recombination radiation, which travel across the relatively thick base zone 3 (thickness approx. 0.05 mm), are absorbed when they hit the reverse-biased PN junction and converted into charge carriers. As a result of this conversion, a current flows in the output circuit, as indicated by the arrow with the indication I AUS in FIG. 1 is indicated.
Im Galliumarsenid tritt eine Rekombinationsstrahlung mit einem hohen Wirkungsgrad auf, deren Frequenz einer Energie entspricht, die kleiner ist als die Bandlückenenergie, so daß die Rekombinationsstrahlung nicht wie erwartet durch das Galliumarsenid selbst stark absorbiert wird.Recombination radiation with a high degree of efficiency occurs in the gallium arsenide Frequency corresponds to an energy which is smaller than the band gap energy, so that the recombination radiation does not pass through the gallium arsenide as expected itself is strongly absorbed.
Aus den bekannten Untersuchungen der Rekombinationsstrahlung in den Halbleitermaterialien Germanium und Silicium hat sich ergeben, daß die Selbstabsorption die Abstände, in welchen merkliche Beträge der Rekombinationsstrahlung übertragen werden könnten, auf extrem kleine Werte beschränkt ist. Die Verwendung von Galliumarsenid ermöglicht jedoch die Übertragung sehr großer Beträge der Rekombinationsstrahlung über relativ große Abstände im Innern des Halbleiterkörpers.From the known studies of recombination radiation In the semiconductor materials germanium and silicon it has been found that the self-absorption the distances in which noticeable Amounts of the recombination radiation transmitted could be limited to extremely small values is. However, the use of gallium arsenide enables very large amounts of the recombination radiation to be transmitted over relatively large distances inside the semiconductor body.
So ist z. B. für eine 8400-Ä-Strahlung in einem Halbleiterkörper aus P-leitendem Galliumarsenid, das mit etwa 1O1S Atomen pro ecm dotiert ist, der Absorptions-Koeffizient etwa 100 cm"1, was eine merkliche Übertragung bis zu Abständen von etwa 0,1 mm gestattet. In gleicher Weise sind hohe Wirkungsgrade bei der Erzeugung und Übertragung in anderen halbleitenden III-V-Verbindung erreichbar. In Fig. 2 ist eine Schar /(.-J^-Kennlinien von in Basisschaltung betriebenen Halbleiterbauelementen dargestellt, die auf der Temperatur des flüssigen Stickstoffes gehalten worden waren. Es sei bemerkt, daß der Koordinaten-Ursprung leicht nach links von der weitesten Ausdehnung nach rechts von einigen dieser Kurven verschoben ist.So is z. B. for a 8400 Å radiation in a semiconductor body made of P-conductive gallium arsenide, which is doped with about 1O 1S atoms per ecm, the absorption coefficient about 100 cm " 1 , which means a noticeable transmission up to distances of about 0, 1 mm. In the same way, high efficiencies can be achieved in the generation and transmission in other semiconducting III-V connections It should be noted that the coordinate origin is shifted slightly to the left of the furthest extent to the right of some of these curves.
Der Emittereingangsstrom ist als Parameter in Stufen von 10 Milliampere variiert. Der horizontale Maßstab ist 1 Volt pro Teilstrich, und der vertikale Maßstab ist ein Milliampere pro Teilstrich. Danach ist ein typischer Wert für den Stromverstärkungsfaktor etwa 0,2. Dieser Wert ist für Vc — 6 Volt realisiert, wobei die Änderung von Ic nach der Kurve in F i g. 2 etwa 2 Milliampere für eine Änderung von Ie von 10 Milliampere ist. Danach giltThe emitter input current is varied as a parameter in steps of 10 milliamperes. The horizontal scale is 1 volt per division and the vertical scale is one milliamp per division. After that, a typical value for the current amplification factor is around 0.2. This value is realized for V c - 6 volts, the change in I c according to the curve in FIG. 2 is about 2 milliamps for a change in I e of 10 milliamps. Thereafter applies
die
,τ =0,2 = α. the
, τ = 0.2 = α.
didi
Die Größe α ist der bei Transistoren bekannte Stromverstärkungsfaktor. Es ist hier aber vorzuziehen eine neue Größe N0 für den Gesamtwirkungsgrad des Halbleiterbauelements nach der Erfindung in Betracht zu ziehen. Der Wert N0 ist vom Produkt der drei getrennten Wirkungsgrade N1, N2 und N3 abhängig. Man kann daher schreiben:The quantity α is the current amplification factor known from transistors. In this case, however, it is preferable to consider a new variable N 0 for the overall efficiency of the semiconductor component according to the invention. The value N 0 is dependent on the product of the three separate degrees of efficiency N 1 , N 2 and N 3. One can therefore write:
= N1-N2-N3,= N 1 -N 2 -N 3 ,
wobei N1 der Wirkungsgrad der Rekombinationsstrahlung in bezug auf die Ladungsträgerinjektion ist und wobei N2 der Wirkungsgrad des Transports der Photonen ist und wobei schließlich N3 der Wirkungs- ; grad der Absorption der Photonen und der Umwandlung in Kollektorstrom am Kollektor-PN-Übergang ist. Für den Gesamtwirkungsgrad N0 können Werte in der Größenordnung von 20 % leicht erreicht wer- : den. Dieser Wert des Wirkungsgrades entspricht dem Wert des Strömverstärkungsfaktors α, auf den oben hingewiesen wurde.where N 1 is the efficiency of the recombination radiation with respect to the charge carrier injection and where N 2 is the efficiency of the transport of the photons and where finally N 3 is the efficiency; is the degree of absorption of the photons and the conversion into collector current at the collector-PN junction. For the overall efficiency N 0 , values in the order of magnitude of 20% can easily be achieved. This value of the efficiency corresponds to the value of the flow amplification factor α referred to above.
ν Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte geometrische Gestaltung des Halbleiterbauelements nach der Erfindung.ν Fig. 3 shows an advantageous geometric design of the semiconductor component according to the invention.
Damit man die in Pig. 3. dargestellte Gestaltung erhält, werden die'·gleichen Ähf angsverf ahrensschritte bei der Herstellung des Halbleiterbauelements nach der Fig. 1 angewandt. Ein'monbkris'tajiines 1HaIbleiterplättehen, z1. B. vom N-Leitfähigkeitstyp, wird einem piffüsiönsvorgängausgesetzt, damit sich der Leitfähigkeitstyp einer Oberflächenschicht des HaIbleiterplättcheris in den P-Deitfähigkeitstyp umwandelt.So that one in Pig. 3. The configuration shown is obtained, the same process steps are used in the manufacture of the semiconductor component according to FIG. 1. Ein'monbkris'tajiines 1 semiconductor plates, z 1 . Of the N conductivity type, is subjected to a pumping action to cause the conductivity type of a surface layer of the semiconductor chip to change to the P conductivity type.
Nach demEntferneh der P-lejitenderi Oberflächenschicht auf■·' drei Seiten des Hälbleiterplättchens durch ίο Ätzen und Läppen ist die Dicke des N-leitenden Ausgangshalbleiterplättchehs reduziert und ein Halbleiterkörper "20 gewönnet, wie ihn die Fig. 3 zeigt. Der Halbleiterkörper 20 enthält als Zone 21 das bereits erwähnte P-leitende Material der Oberflächenschicht und die dünne Schicht 22; aus N-leitendem Ausgangsmaterial. An der Grenzfläche der Zone 21 und der Schicht 22 besteht ein PN-Übergang 23.After removing the P-lejitenderi surface layer on three sides of the semiconductor plate through ίο Etching and lapping is the thickness of the starting N-type semiconductor wafer reduced and a semiconductor body "20 accustomed, as shown in FIG. 3. The semiconductor body 20 contains the already mentioned P-conductive material of the surface layer as zone 21 and the thin layer 22; made of N-conductive starting material. At the interface of zone 21 and the layer 22 has a PN junction 23.
Jetzt wird eine Rinne 24 in die obere Oberfläche des Halbleiterkörpers 20 bis zu dem PN-Übergang 23 eingeätzt, um getrennte konzentrische Zonen zu erzeugen, welche die Emitterzone 25 und die Kollektorzone 26 beim fertigen Halbleiterbauelement bilden.A groove 24 is now made in the upper surface of the semiconductor body 20 up to the PN junction 23 etched in to create separate concentric zones comprising the emitter zone 25 and the collector zone 26 in the finished semiconductor component.
An der Zone 21, der Basiszone des fertigen Halbleiterbauelements, wird die Basiselektrode 27 in der üblichen Weise, z. B. durch Schweißen oder Legieren, befestigt. An der Emitter- und an der Kollektorzone sind die Kontaktelektroden 28 bzw. 29 vorgesehen. Im Bedarfsfalle kann die eingeätzte Rille 24 mit einem Material zur Oberflächen-Passivierung ausgefüllt werden.At the zone 21, the base zone of the finished semiconductor component, the base electrode 27 is in the usual way, e.g. B. by welding or alloying attached. At the emitter and collector zones the contact electrodes 28 and 29 are provided. If necessary, the etched groove 24 with a Material to be filled in for surface passivation.
Eine reflektierende Schicht 30 ummantelt den Halbleiterkörper 20, so daß die Rekombinationsstrahlung besser im Halbleiterkörper 20 bleibt. Der Halbleiterkörper 20 kann mit einer Metallschicht bedeckt werden, wobei man ein Kurzschließen des PN-Übergangs 23 vermeiden muß. In F i g. 3 ist deshalb eine Lücke in der reflektierenden Schicht 30 neben dem PN-Übergang 23 vorgesehen.A reflective layer 30 encases the semiconductor body 20 so that the recombination radiation remains better in the semiconductor body 20. Of the Semiconductor body 20 can be covered with a metal layer, whereby one short-circuiting the PN junction 23 must avoid. In Fig. 3 is therefore a gap in the reflective layer 30 adjacent the PN junction 23 is provided.
Als Ausweg kann der gesamte Halbleiterkörper 20, welcher den PN-Übergang 23 enthält, anfänglich mit einer Isolatorschicht bedeckt werden, welche einen an ihn angepaßten Brechungsindex hat. Dann kann die reflektierende Metallschicht 30 auf die Isolatorschicht aufgetragen werden.As a way out, the entire semiconductor body 20, which contains the PN junction 23, can initially be included an insulator layer are covered, which has a refractive index adapted to it. Then the reflective metal layer 30 are applied to the insulator layer.
Die Funktion des Halbleiterbauelements nach F i g. 3 ist im wesentlichen dieselbe wie die des Halbleiterbauelements nach Fig. 1. Jedoch ergibt die konzentrische Anordnung von Emitter- und von Kollektorzone und deren Bildung aus einer Oberflächenschicht des Halbleiterkörpers offensichtliche Vorteile. Derartige Planarbauformen sind äußerst nützlich für die Verwendung in integrierten Halbleiterschaltungen. Diese gestatten eine sehr große Vereinfachung und Erleichterung bei der Herstellung der elektrischen Verbindungen, und der Aufbau ist kompaktThe function of the semiconductor component according to FIG. 3 is substantially the same as that of the semiconductor device according to FIG. 1. However, the concentric arrangement of the emitter and collector zones results and their formation from a surface layer of the semiconductor body have obvious advantages. Such planar designs are extremely useful for use in semiconductor integrated circuits. These allow a very great simplification and facilitation in the manufacture of the electrical Connections, and the structure is compact
Es sei bemerkt, daß für den Emitter-Basis-Ubergang und den von ihm räumich getrennten Kollektor-Basis-Übergang identische Verhältnisse geschaffen sind, da nur ein Diffusionsschritt für die Herstellung der beiden PN-Übergänge notwendig ist und außerdem die Diffusion auf derselben Oberfläche des Halbleiterkörpers stattfindet.It should be noted that for the emitter-base junction and the collector-base junction that is spatially separated from it identical conditions are created, since there is only one diffusion step for the production of the two PN junctions is necessary and also the diffusion on the same surface of the semiconductor body takes place.
Die Ausführungsform des Halbleiterbauelements nach F i g. 3 hat zusätzlich die einzige Eigenart, daß eine relativ breite Basiszone, welche die Masse des gesamten Halbleiterkörpers- ausmacht, verwendet werden kann.The embodiment of the semiconductor component according to FIG. 3 additionally has the only peculiarity that a relatively wide base zone, which makes up the mass of the entire semiconductor body, is used can be.
Die durch die injektio.n von Ladungsträgern in der Nähe des Emitter-Basis-Ubergangs erzeugte Photonenstrahlung ist in der Zeichnung durch das Symbol hv bezeichnet. Für diese Strahlung sind in Fig. 3 mehrere Pfade gezeigt Die Öb'ete'ri'Pfade sind direkt gerichtete Pfade, welche vonf dein strahlungsemittie1 renden PN-Übergäng direkt zum strählungsabsorbierenden PN-Übergang verlaufet -Die. unteren Pfade verlaufen indirekt, d.h. über eine Reflexion an der Basiselektrode 27. : '■'■'' rThe photon radiation generated by the injection of charge carriers in the vicinity of the emitter-base junction is indicated in the drawing by the symbol hv. 3, multiple paths are for this radiation shown in Fig. The Öb'ete'ri'Pfade are directly directed paths that of f your strahlungsemittie 1 Governing PN Übergäng directly to strählungsabsorbierenden PN junction verlaufet -The. lower paths run indirectly, ie via a reflection at the base electrode 27 .: '■' ■ '' r
Die bei Versuchsmustern desWalblei'terbauelements nach der Erfindung gemessenen■ Ansprechzeiten sind kürzer als 5 Kanosekuriden.' Diese Zeiten können bei der Beurteilung der PN-Übefgängs-Kapazität zugrunde gelegt werden. Jedoch'sind'die Grenzen der Ansprechzeiten nicht bekannt. Einige der Versuchsmuster hatten PN-Übergangskapazitäten von weniger als 20 Mikromikrofarad, gemessen bei Verwendung eines Lastwiderstandes von 50 Ohm.The test samples of the lead construction element are measured according to the invention ■ response times shorter than 5 Kanose Kuriden. ' These times can be at the assessment of the PN transfer capacity is based be placed. However, the limits of the response times are not known. Some of the test samples had PN junction capacitances less than 20 micromicrofarads when measured in use a load resistance of 50 ohms.
Die nachstehende Tabelle liefert eine Anzahl typischer Werte für die verschiedenen Parameter des Halbleiterbauelements nach der Erfindung. Diese Werte sind Punkten von I-V-Kennlinien, sowohl Eingangskurven als auch Ausgangskurven, entnommen. Es ist offensichtlich, daß eine bedeutsame Leistungsverstärkung PG realisiert wird. In der Tabelle sind der Kollektorstrom lc in Milliampere, der Emitterstrom le in Milliampere und die Kollektorspannung V1. in Volt angegeben.The table below provides a number of typical values for the various parameters of the semiconductor component according to the invention. These values are taken from points of IV characteristics, both input curves and output curves. It is evident that a significant power gain P G is realized. The table shows the collector current I c in milliamperes, the emitter current I e in milliamperes and the collector voltage V 1 . given in volts.
Stromverstärkungsfaktor αCurrent amplification factor α
Eine Erhöhung der Leistungsverstärkung P0 über die Werte der Tabelle läßt sich realisieren durch Anwendung folgender Maßnahmen:The following measures can be used to increase the power gain P 0 above the values in the table:
1. Verwendung von stärker reflektierenden
Schichten;1. Use of more reflective
Layers;
2. stärkeres Wegätzen von absorbierenden Gebieten und2. stronger etching away of absorbent areas and
3. durch Verkleinerung der Basiszone.3. by reducing the base zone.
In den Versuchen ist bei Zimmertemperatur ein Stromverstärkungsfaktor von 0,02 und eine Leistungsverstärkung von über eins erzielt worden. Es ist verständlich, daß bei Annäherung an die Zimmertemperatur die Ausgangsimpedanzen hoch werden.In the tests, a current amplification factor of 0.02 and a power amplification of over one have been achieved at room temperature. It's understandable, that when approaching room temperature, the output impedances become high.
Die Funktion des Halbleiterbauelements nach der Erfindung ist nicht beeinträchtigt durch Leitfähigkeitsmodulation und anderen bei bipolaren Flächentransistoren auftretenden Effekten.The function of the semiconductor component according to the invention is not impaired by conductivity modulation and other effects occurring with bipolar junction transistors.
409 540/88409 540/88
Ladungsträger-Speichereffekte werden bei dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung infolge der niedrigen Lebensdauer der Ladungsträger zu einem Minimum.Charge carrier storage effects are in the semiconductor component according to the invention as a result of short service life of the load carriers to a minimum.
Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung arbeitet bei Temperaturen von nahe 0° K bis zu der Temperatur, bei der das Halbleitermaterial eigenleitend wird. Die Eigenleitung tritt bei Galliumarsenid bei mehreren 100° C ein.The semiconductor component according to the invention operates at temperatures of close to 0 ° K up to Temperature at which the semiconductor material becomes intrinsically conductive. The intrinsic conduction occurs with gallium arsenide at several 100 ° C.
Bei Galliumarsenid ist die Basiszone bereits entartet hochdotiert, wenn das die Basiszone bildende Ausgangs-Halbleiterplättchen mit einer Konzentration von 5 -1O17 Atomen (z.B. Te) pro ecm dotiert ist. Eine entartete Basiszone würde für die bekannten bipolaren Flächentransistoren nicht brauchbar sein, da die Lebensdauer der Ladungsträger zu niedrig seinIn gallium arsenide the base region is highly doped degenerate already when the base region forming output semiconductor wafer is doped with a concentration of 5 -1O 17 atoms (eg Te) per cc. A degenerate base zone would not be usable for the known bipolar junction transistors, since the service life of the charge carriers is too short
1010
würde und da der Injektionswirkungsgrad des Emitter-Basis-Übergangs zu niedrig werden würde.would and there the injection efficiency of the emitter-base junction would get too low.
Die P-leitenden Zonen im Halbleiterkörper des Halbleiterbauelements nach der Erfindung sind in einfacher Weise durch Zn-Diffusion zu bilden. Diese Diffusion wird meist bei einer OberflächenkonzentraT tion von 1020 Atomen pro ecm und bei einer Temperatur von 850° C durchgeführt. Es kann aber auch ein Legierungsverfahren verwendet werden, um dieThe P-conductive zones in the semiconductor body of the semiconductor component according to the invention can be formed in a simple manner by Zn diffusion. This diffusion is usually carried out at a surface concentration of 10 20 atoms per cm and at a temperature of 850 ° C. However, an alloying process can also be used to produce the
ίο erforderlichen PN-Übergänge im Halbleiterkörper zu bilden.ίο required PN junctions in the semiconductor body form.
Mehrere Versuchsmuster des Halbleiterbauelements nach der Erfindung sind nach Legierungsverfahren hergestellt worden. Dabei wurden der schaltungSr emittierende und der Strahlungsabsorbierende pnübergang wie Tunneldioden hergestellt.Several test samples of the semiconductor device according to the invention are according to alloying methods has been manufactured. The circuit emitting and the radiation absorbing pn junction became manufactured like tunnel diodes.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings
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| DE1464715B2 (en) | 1974-10-03 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) |