Transistor für niedrige Ströme Die Erfindung betrifft Halbleiter und
insbesondere einen sehr kleinen:passivierten, mit doppelt diffundierten Übergängen
bersehenen Transistor, der sich insbesondere für Anwendung bei sehr hohen Prequenzen
und für' hohe Schaltgeschwindigkeiten bei extrem niedrigem Verbrauch im Betrieb
und sehr niedrigen Stromwerten eignet.Low Current Transistor The invention relates to semiconductors and
especially a very small one: passivated, with double diffused junctions
Overlooked transistor, which is particularly suitable for use at very high frequencies
and for 'high switching speeds with extremely low consumption during operation
and very low current values.
Paasivierte, mit doppelt diffundierten Übergängen.versehen@ Tran-Bistoren,
die im folgenden als doppelt diffunlierte Transistoren bezeichnet werden-sollen,
sind solche Transistoren, bei denen der Kollektor und Emitter durch selektive Behandlung'bestimmter
Bereiche nur deshalb Leitermaterial, aus dem sie hergestellt sind, unter Anwendung
der Pestkörperdiffusiona-techniken hergestellt a.Ind. Die kleineren Ausführungsformen
derartiger Transiätoren haben einen sehr niedrigen leckstrom und lassen sich daher
mit geringeren Verlusten betreiben als andere Arten,
K] ---: ine doppelt clilitindierte- Tranaletoren, die
weniger Leistung im
verbra=beng werden für die Raumfahrt gebrauchtg da we-
gQn der kleineren für sie erforderlichen Stromveroorgungseinhei-
terl #ulch nur Ve-ebindunge- und Steuerungseinricht.ungen
geringerer
Gr;##;ßiri In d'en 'fileltraum befördert zu aerden brauchen.
Außerdem sind
oolcht kleing Transis-toren allgemein bei Rechnern und anderen
Paraendungufällen, wo --a auf eine hohe Bauelemüritedichte
ankommt,
aehr erwünscht.
Jeddah ist der Verbrauch auch der kleineren doppelt-diffundierten
bekannten Tranöistoren jo hochv daß die entwickelte Wärme bereits die Grenze erreicht,
die wetpen, der Kühlungsprobleme einer dichteren Anordnung In einem vorgeg6benen
Raum gesetzt ist. Da die von einem rürbrauchte und in Wärme umgesetzte Leistung
von seiner Betriebsspannung und seinem Betriebsstrom abhängt, und ein Transistor
iernee eine nur geringe Betriebsapannung hat, ergibt oich, daß die Leistung", die
erzeugte Ritze',nur.durch eine starke Verringerung des Betriebsstromes des
Transistors wesentlieh herabgesetzt werden kann. Bei den bekannten Transistoren
kann dies jedoch leider nicht getan werden, da sie bei niedrigen Strömen nicht richtig
arbeiteng aeil die Verstärkung eines Transistors mit dem Betriebsetrom sehr schnell
abfällt, oo daß ein hoher Betriebestrom notwandi.g iot. Außer der ge.,:#ir;een Verstärkung
bei niedrigen Strömen schalten bekannte Transistoren bei niedrigen Strömen nicht
schnell, weil die Schaltgeschwindig.keit diese ' r Transistoren bei niedrigen
Stromwerten zum großen Teill.#%14rig Zeit bestimmt wird, die zur Umladung der Kapazitäten
der Transistoren erforderlich ist. Je niedriger diese Kapazitäten sind, desto höher
ist die Schaltgeschaindigkeit. Der größte kapazitive Einfluß, der diese Begrenzungen
mit sich bringt, kommt vom Kolletor; die Kollektorkapazität hängt unmittelbar mit
der Kollektorgröße, also mit dem Kollektor-Basie-pii-Übergang zusammen, und es hat
den Anscheih, als wenn die praktisch geringste Größe bei bekannten schnellechaltenden
Transistoren erreicht worden sei.
Die Kollektorkapazität bekannter-UltrahochfrequenztransLatoren
#.s13 sehr geringe,- ' n.ber sie ist dennoch so groß,
daß sich die -Hoch-
ln denen sie aur sel,#iar P.b
1.11-ese Kapazität mull kompensiert #wirden und die
hie7,
zu verv!eridcteii Ermpensationsmittel sind in der teuer und
wirken sich ungünstig auf die Verstärkungseigeia-,chaften
aus.
Die Kapazität sogar des kleineten bekannten Transiatora-ist in
gewissem blaße für eine Itstatilität verantwortlich, Bei vielen normalerweise nichtech-wingenden
Tranaistorschaltungen können Bedingungen eintreten, die ein Schwingen zur Folge
haben, Ein nolches Schwingen verhindert jedoch nicht nur den normalen Betrieb der
Schaltung,"sondern kann auch die Transistoren beschädigen oder zerutören,
Es läßt sich zeiteng daß diese Instabilität praktioch nicht auftritt, wenn
die Kapazität der Schaltung sehr kl.eln iat,--Es ist daher wichtig, daß die verschiedenen
Kapazittiteng #vIe etvia die-Kollektorkapazität, ao klein wie möglich gehalten oerden"
Bei der heutigen Technologie zur Herstellung von diffundierten Transistoren für
Ultrahochtrequenmanwendungen oder sehr schnelle Schaltzwecke bildet man die Baeiazone
durch aelektive Diffusion und anschließenden-Aufbringen einer Emittermaeke über
und innerhalb der.-Grenzen der Baeiazone aus. Durch diese Maske werden zur Bildung
des Emitte-re Dotiermaterialien eindiffundiert. Da der Emitter vollständig innerhalb
der Basiazone liegen muß, muß ein Abstand für den Fall einer fehlerhaften Ausrichtung
des Emittere vorgesehen sein. Bei Transistoren dieser Art ist der Abotand etwa von
der gleichen Größe wie.der Emitter selbst oder sogar noch größer, ao daß
ein großer Teil dee Basiaj-Kollektor-Ubergangebereiches überflüssig ist, und somit
unnötigeraeise eine große Kollektorkapazität entsteht. Hierdurch ist die Größe,
bis-zu der die Kollektorkapazität diffundie rttr- eranbibtoren herabgesetzt werden
konnte, begrenzt und damit hat auch die o-bert Grenzfrequenz und/oder die Sebaltgeschwindigkeit
bei niedrigen Strömen, bei denen solche Transistoren noch arbeiten kennen, ihre
Grenze gefunden.Paasivated, with doubly diffused transitions.versehen @ Tran bistors, which are to be referred to below as doubly diffused transistors, are those transistors in which the collector and emitter are only made of the conductor material from which they are made by selective treatment of certain areas , made using Pest body diffusion techniques a.Ind. The smaller versions of such transients have a very low leakage current and can therefore be operated with lower losses than other types, K] ---: ine doubly clilitinded tranaletors, which have less power in the
consumed are needed for space travel because we
gQn the smaller power supply units you need
terl #ulch only connectivity and control facilities of minor
Gr; ##; ßiri In d'en 'fileltraum transported to aerden need. Also are
Small transistors in general in computers and others
Paraendungufällen where --a arrives on a high Bauelemüritedichte,
very welcome.
Jeddah, the consumption of even the smaller double-diffused known transistors is so high that the heat developed has already reached the limit that is posed by the cooling problems of a denser arrangement in a given space. Since the power consumed and converted into heat depends on its operating voltage and current, and a transistor has only a low operating voltage, the result is that the power ", the crack generated", is only achieved by a strong reduction in the operating current of the Unfortunately, this cannot be done with the known transistors because they do not work properly at low currents because the gain of a transistor drops very quickly with the operating current, so that a high operating current is necessary not switching gain at low currents een known transistors at low currents quickly because this Schaltgeschwindig.keit 'r transistors is determined 14rig time at low current levels to the great Parti #% and that of the capacities of the transhipment; # ir: ge,.. Transistors is required. The lower these capacitances, the higher the switching speed speed. The greatest capacitive influence which these limitations bring with it comes from the colletor; the collector capacitance is directly related to the collector size, i.e. with the collector-base-pii transition, and it appears as if the practically smallest size has been reached in known fast-switching transistors. The collector capacity of known ultra-high frequency transformers
# .s13 very small, - ' n. about it is nevertheless so great that the -high-
ln which they aur sel, # iar Pb
1.11-ese capacity mull compensated # are and the here7,
to ave! eridcteii recreational aids are expensive and
have an unfavorable effect on the reinforcement partnerships.
The capacitance of even the smallest known transistor is to a certain extent responsible for itstatility. In many normally non-technical transistor circuits, conditions can arise which cause oscillation. Such oscillation not only prevents normal operation of the circuit, "but can also damage or destroy the transistors. At times this instability does not yet occur if the capacitance of the circuit is very small oerden as possible "With today's technology for the production of diffused transistors for ultra-high-frequency applications or very fast switching purposes, the Baeiazone is formed by selective diffusion and subsequent application of an emitter mask over and within the limits of the Baeiazone. Doping materials are diffused through this mask to form the emitter. Since the emitter must lie completely within the basia zone, a distance must be provided in the event of an incorrect alignment of the emitter. In transistors of this type, the abotand is about the same size as the emitter itself or even larger, so that a large part of the base-collector junction area is superfluous, and thus a large collector capacitance is unnecessarily created. As a result, the size up to which the collector capacitance diffundie rttr- eranbibtoren could be reduced is limited and thus the upper limit frequency and / or the low speed at low currents, at which such transistors are still working, has reached its limit.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Transistors" der mitsehr
niedriger Leistung arbeitet und daher einen sehr geringen Betriebestrom erfordert-
Die Kollektorkapazit,-it isoll. wesentlich ge-
ringer als
bei gegenwärtig erhältlichen Trqnsistoren sein. 'Bin.Merkmal der Brtindung liegt
darin, daß der Transistor zweiverschiedene aber miteinander verbundene Basiazonen
hat, deren eine die aktive-Baeinzone darstelltt durch die Träger in den Emitter
injiziert werden, während die.andere einen B#,eisteil darstellti zu dem Ohmloche
Kontakte geführt werden közinen'" Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist dte gleichzeitige
Diffusion von Dotiermaterial durch ein Paar nebeneinander liegender jedoch getrennter
Ufnungen in einer Diffusionemaake zur Auabildung verschiedener jedoch mitei nander
verbundener Baaiszoner und In der anschließenden Verwendung einer der öffnungen
zur.selektiven Ausbildung einer diffundierten Emitterzone. Weitere Merkmalet Vorteile
und Anwendungsmöglichkeiten der neuen Erfindung ergeben sich aue.den beiliegenden
Darstellungen von Ausführungebeispielen und der nachfolgenden Beschreibung.
Es zeigt. Pigur 1 t
eine teilweise aufgebtochene Darstellung
das er±indungegemäßen ,Tranaietorn; Pigur , 2 t
eine
porapektivische Darstellung des im Transistor nach Figur 1
verwendeten Halbleiters;
pigur.2.-ein Teilochritt längs der linie 3-3 der Figur 2; -pißur 4.-ein Diagramm
der Stromverstärkung hFE über dem Kollektorstrom I zu dem Transistor nach Figur
1;
Zißurea.5A biL3 JH-; einzelne Schritte der Herstellung
des Halbleiters gemäß der Erfindung; Fiaur 6 t,
den Halbleiter
eines Peldeffeittranaistorat der im wesentlichen in der gleichen Art wie der in
den Piguren 2 und 3 dargestellt@ Transistor hergestellt werden kann:mit der
Ausnahmeg daß eine besondere Elektrode vorgesehen ist;.The aim of the invention is a transistor works "of mitsehr low power and therefore a very small enterprises current erfordert- The Kollektorkapazit, -it isoll. Significantly were less than its currently available at Trqnsistoren creating. 'Bin.Merkmal the Brtindung is that the transistor has two different but interconnected base zones, one of which represents the active component zone is injected into the emitter by the carrier, while the other represents a B #, part to which ohmic contacts can be made. "A further feature of the invention is dte Simultaneous diffusion of doping material through a pair of adjacent but separate openings in a diffusion pattern for the formation of different but interconnected Baaiszoner and in the subsequent use of one of the openings for selective formation of a diffused emitter zone. Further features, advantages and possible applications of the new invention can be found in the attached illustrations of exemplary embodiments and the following description. It shows. Pigur 1 t a partially pierced representation of the inappropriateness of the Tranaietorn; Pigur , 2 t a perspective view of the semiconductor used in the transistor according to FIG. 1; pigur.2.-a partial step along the line 3-3 of Figure 2; -pißur 4.-a diagram of the current gain hFE over the collector current I to the transistor according to Figure 1; Zißurea.5A biL3 JH-; individual steps in the manufacture of the semiconductor according to the invention; Figure 6 t, the semiconductor of a Peldeffeittranaistorat which can be manufactured in essentially the same way as the transistor shown in Figures 2 and 3 : with the exception that a special electrode is provided.
Zigur 7_ einen.weiteren Peldeffekttranaistor entsprechend dem in den
Piguren 2 und 3 dargestellten Transistor mit der Ausnahmei daß ein. besonderer
Diffusion.sachritt bdi der Herstellung vorgesehen ist, und Figur 8:
eine
Schaltung zur Messung der Schaltdaten der erfindungegemäßen Transistoren.Zigur 7_ eine.weiteren Peldeffekttranaistor corresponding to the transistor shown in Piguren 2 and 3 with the exception that one. special Diffusion.sachritt bdi the production is provided, and Figure 8: a circuit for measuring the switching data of the inventive transistors.
Die erfindungsgemäßen Transistoren zeigen elektrisch gesehen, eine
hohe Stromverstärkung bei niedrigen Betriebeströmen und sie haben eine eehr geringe
Kapazität, Aus diesem Grunde benötigen sie nur eine sehr geringe Leistung und sind
schnell und stabil im Betrieb. Im Aufbau-unterscheiden sie sich wesentlich von den
übliliehen doppelt-diffundierten Transie.toreng da sie zwei Baäiszonen haben, die...-zur
Bildung der Basis aneinander angrenzen und da ihr Emitter absolüt zentrisch zu einer
der beiden Basiezolien liegt. Das Besondere am Herstellungsverfahren liegt darin,
daß die Basis durch gelektive Diffusion zweier Basiazonen in zwei Öffnungen in einer
Diff#u-sionsmaske in einer solchen Weise ausgebildet witdo daß die beiden Basiszonen
in einem Bereich unterhalb der Naske aneinanderangrenzen. Anschließend wird der
Zmitter innerhalb einer
*dieser Zonen eindiffundiert. Da eine dieser
beiden Öffnungen. zur Ausbildung des Emitters benutzt wirdv Ist die Bmitter und
die eine Basiazone von selbst so miteinander ausgerichtetg so daß die Basiazone
sehr klein sein kanng ohne daß Fehler in der Ausrichtung auftreten. Hiermit läßt
sich ein kleiner Und wesentlieb verbesserter Hochfrequenztranaistor heratelleng
dessen Emitter und Basiaanordnung einige ungewöhnliche Betriebeeigenschaften bietet.
Zur Veranachaulichung ist ein doppelt-diffundierten npn-Tranaistor gewählt worden.
Doppel-diffundierte pnp-Tranaistoreng die im wesentlichen das gleiche Aussehen und
eie gleichen verbesserten Eigenschaften haben, sind im Rahmen dieser Erfindung ebenfalls
bereits hergestellt worden. Außer gewissen Unterschiedeng die sich daraus ergeben,
daß Detiermaterialien-deo*entgegengesetzten Leitungstyps zur Herstellung von doppelt-diffundierten
pnp-Transietoren erforderlich eindg ist das 11e2stellung8verfahren grundsätzlich,das
gleiche. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf derartige Transistoren. Der in
Figur 1 dargestellte zusammengebaute npn-Transistor 11
enthält einen
Halbleiter 12, der in üblicher l-Veise auf einen Dreileiter-Montagesockel 14 üblicher
Glas-Metallbauweise aufgelötell ist. Als Zuleitungen zu den Emitter- und
Basiselektroden 16 und 17
des Transistors dienen dünne Drähte
18 und 19, die mit den Elektroden 16 und 17 auf der
Oberfläche des Halbleiters 12 und mit den Oberseiten der Zuleitungen 21 und 22 des
Sockels verbunden sind. Der dritte Leiter 23 ist umgebogen und mit dum Sockel
14 verbunden; er steht mit dem Kollektor des Transistors über den Boden des Halbleiters
12 in Verbindung. Ein hermetischer Verschluß wird durch die Kappe 24 gebildetg die
auf den Sockel 14 aufgeschweißt ist" Die Leitungen 21, 22 und 23 sind
unterhalb des Sockels 14 abgeschnitten dargestellt.
Der Üalbleiter
12 selbst ist in Figur 2 Und im Querschnitt in Pig-ur 3 dargestellt. Er.enthält
ein Siliziumplättehen 26 mit einem n-leitenden Bereich 27 über einem
n+-Bereich 28. Der obere Teil des Plättehens 26 ist mit einem Film
30 aus Siliziumdioxyd oder einem anderen geeigne'ten dielektrischen Material
überzogen. Auf der Oberseite des Filmen 30 befinden sich zwei Aluminiumelektroden
16 und 17, die sich durch zwei Öffnungen im Film 30 hindurch
erstrecken und Kontakt zu der Emitterzone 32 und der einen Baeiazone
33 der beiden miteinander verbundehen Baeinzonen 33.und 34 bilden. Die Basiebreite
den Transistors ist am Oberflächenbereich 35 am,.geringsten. Der Boden des
Plättcheno ist mit einem Goldf2m 36 metallisiertg so daß eine elektrische
Verbindung gebildet wird und sich der Halbleiter 12 mit dem Sockel 14 verbinden
läßt. Der Emitter 32 befindet sich genau in der Mitte der zweiten Basiszone
34 und bildet eine Basisbreite in dieser Zone 349 die an der Oberfläche wesentlich
schmaler ist als in dem unteren Teil, Figur 4zeigt eine logarithmische Darstellung
. h PE über I 0 für Transistoren gemäß dieser Erfindung# wobei h FE
die-Gleichstromverstärkung in Emittergrundschaltung und Ic der Kollektorstrom ist.
Die Kurve hat zwei Maxima 40 und 41. Bei einem üblichen Transistor hat das Diagramm
h über I dagegen nur ein einziges Maximum* die Cha-PE 0 9
rakteristik g.leJ..-ht
der von zwei parallel geschalteten Transistoren, e.e-cer, Wer4-le für li j. Werten
des Kollektor-,FE bei verschiedener stromes ein Maxi.-mum haben. Das Maximum 40
von h EI, erscheint bei einem Kollektorstromg der geringer als
0,01 Tilikroampdre beträgt und man siehtg daß der Transistor eine gute Stromverstärkung
hat, Di:,iiiit kann dieser Tran-' eistor als Verstärker oder Schalter bei niedrigen
Strömen noch unter 0.,001 Mikroamp4re betrieben verden. Diese Strowwerte lieben
weit unter denen, die bisherige Transistoren erforderten" Man
nimmt
an, daß der Tr"ainißtor in dtjr Iii Pigur 4 darge-Eitellt011 l#,eioe arbeitet,
weil. die Baeinbreite an der Ob(",rflä(,liP, recht gering und tiefer Im Material.
größer int, wobei die kleine breite den unteren Teil der h PE- (iharaliterJatiY
ausmacht, die andere Abmenoung dage die hpj.].-CltarakterJotik2 deren Maxiinum
bei einem höh(iren Strom liegtx zur Folge hat. Wenn der Stom anwächstg so tritt
ei.-eie TragerinjAktion, wie man nnnimmt, vorzugsweir..,#o tun deni engen Bereieh
35 (1111g## 3) an dor Oberfläche eing bin hrIE bei einem Wertt de#r
durch einen Transistor mit dieser Dai3JfibraJ.-tc und dem zugehörigon Emitterbereich
gegeben istp ein Maximum erreicht,. und dann mJ-I#- weiter wachsendem EUrom wieder
Wonn dann tiefer in der Basiazone einr.From an electrical point of view, the transistors according to the invention show a high current gain at low operating currents and they have a very low capacitance. For this reason, they only require very little power and are fast and stable in operation. In terms of structure, they differ significantly from the usual double-diffused Transie.toreng because they have two base zones that ...- adjoin each other to form the base and because their emitter is absolutely centric to one of the two Basiezolien. The special feature of the manufacturing process is that the base is formed by gel selective diffusion of two base zones in two openings in a diffusion mask in such a way that the two base zones adjoin one another in an area below the nose. Then the Zmitter is diffused within one of these zones. Because one of these two openings. is used to form the emitter v Is the emitter and one basia zone aligned with one another by themselves in such a way that the basia zone can be very small without errors in the alignment occurring. This allows a small and significantly improved high-frequency transistor to be manufactured, the emitter and base arrangement of which offers some unusual operating properties. A double-diffused npn transistor has been chosen for illustration. Double diffused pnp transistors, which have essentially the same appearance and the same improved properties, have also been made within the scope of this invention. Except for certain differences that result from the fact that detection materials of the opposite conductivity type are required for the production of double-diffused pnp transit ports and the production process is basically the same. The invention therefore also relates to such transistors. The assembled npn transistor 11 shown in FIG. 1 contains a semiconductor 12 which is soldered in the usual way onto a three-wire mounting base 14 of the usual glass-metal construction. The leads to the emitter and base electrodes 16 and 17 of the transistor are thin wires 18 and 19 which are connected to the electrodes 16 and 17 on the surface of the semiconductor 12 and to the tops of the leads 21 and 22 of the base. The third conductor 23 is bent over and connected to the base 14; it is connected to the collector of the transistor via the bottom of the semiconductor 12. A hermetic closure is gebildetg by the cap 24 which is welded to the base 14 "The lines 21, 22 and 23 are cut below the base 14 is shown. The Üalbleiter 12 itself is shown in Figure 2 and in cross section in Pig-UR 3. Er.enthält a Siliziumplättehen 26 n-conducting with a region 27 on an n + region 28. the upper part of Plättehens 26 is coated with a film 30 of silicon dioxide or other dielectric material geeigne'ten. on top of the films 30 are two aluminum electrodes 16 and 17, which extend through two openings in the film 30 and form contact with the emitter zone 32 and the one base zone 33 of the two connected component zones 33 and 34. The base width of the transistor is at the surface area 35 on. The bottom of the plate is metallized with a gold foil 36 so that an electrical connection is formed and the semiconductor 12 connects to the S ockel 14 can connect. The emitter 32 is located exactly in the middle of the second base zone 34 and forms a base width in this zone 349 which is significantly narrower on the surface than in the lower part; FIG. 4 shows a logarithmic representation . h PE versus I 0 for transistors according to this invention # where h FE is the DC current gain in the basic emitter circuit and Ic is the collector current. The curve has two maxima 40 and 41. In a conventional transistor, the diagram has about I h, however, only a single maximum * Cha-PE 0 9 rakteristik g.leJ ..- ht of the two parallel-connected transistors, ee-cer, Wer4-le for li j. Collector and FE values have a maximum for different currents. The maximum 40 of h EI appears at a collector current that is less than 0.01 tilikroampdre and it can be seen that the transistor has a good current gain, Di: This transistor can still be used as an amplifier or switch at low currents below 0 ., 001 microamps. This Strowwerte love far below those previous transistors required, "to It is believed that the carrier" works ainißtor in dtjr Iii Pigur 4 Darge-Eitellt011 l #, eioe because. the leg width at the ob (", rflä (, liP, quite small and deeper in the material. larger int, the small width making up the lower part of the h PE- (iharaliterJatiY, the other abmenoung the hpj.] .- CltarakterJotik2 their Maxiinum with a high current. When the current increases, a carrier action occurs, as one assumes, preferably ..., # o do the narrow area 35 (1111g ## 3) on the surface A maximum is reached at a value de # r given by a transistor with this Dai3JfibraJ.-tc and the associated emitter area, and then mJ-I # - further increasing EUrom again then deeper in the basia zone.
Injektion eintritt, zei,#t h#ri#, mit wacliu(;ndeni S)trom ein weiteree
Maximum, dessen Viert durch die Basiebreite Im Inneren und den zugeh.örigen l',mitterbereich
unterhalb den Emitters 32 und ribher all der Dasiazone 33 gegeben
ist, Der npn-Iialbl,eit-er den Transistors wird der folgenden durch die Figuren
5A bis 511 erläuterten Deschreibung hergestellt, Die Halbleiter 12
werden aus Siliziumplättchen in Mengen von ilber 100 Einheiten pro Plättchen
hergeotellt. In Figur 5 ist nur gervde ein Plättehen 50 zur Ve2anschauliol)tii,#e"
cler Herstellung einer einzigen Halbleitereinheit gezeigt. Beim ersten Schritt (5A)
wird ein Plättchen 50 hergestellt. indem man einen 5 Mikron starken
Bereich 51 mit einem diderstanCy von etwa 095 Ohm.em auf einem
005 mm dicken n+-Träger epitaxittl wachsen läßt. Der Träger hat einen spezifischen
WiderstRnd von etvia 0.001 Ohm.cm.
Im Schritt B wir« das Plättchen zur Bildung der Pfime
30 und 30'
aus Siliziumdioxyd auf der Flättehenzberf3"$iclii,# behandelt.
wird in einer Dicke von,etwa 8000 bis 10000 #ngströri
E#i.i.ihei-üoii.
gebildet"
Im nächsten Schritt ($0) werden zwei Öffnu#gen 55 und
56 durch ein bekanntes photouheiiisches Ätzverfahren im Oxyd 30 erzeugt.
Bei der dargestellten Ausführung äind die Öffnungen 55 und 56
rechteckig
(0,025 x 09005 mm), abowhl sie auch irgendeine andere Form haben können.
Sie sind durch einen Streifen 57 von etwa 0900375 mm Breite aus Siliziumdioxyd
getrennt. Beim nächsten Schritt (5D) wird-Bor in das Plättehen unterhalb
der beiden Öffnungen 55 und 56 eindiffundiert und während dieses Schrittes
werden durchbden Eintritt des'Bore In das 2lättehän und seitlich unter die Oxydschicht
die p-Zonen 33 und 34 gebildet. Der Diffusionavorgang wird solange fortgesetztt
bis sich die beiden p-Zonen 54 und 33 treffen und sich unterhalb des Oxydstreitens
57 aneinander anschließen» so daß sie elektrisch und physikalisch miteinander
verbunden sind. In diesen Zonen liegt eine Oberflächenkonzentration des Bars von
1x1019 Atomen pro com vor und die Bereiche bilden p'n-Über&3ängo 63 und
64 (die Kollektor-Baein-Übergänge) dem n-blaterial 51 bis zu einer Tiefe
von 3 Nikron. Während des Diffusioneaohrittea kann sich ein sehr dünner Pilz
(etwa 4000 ingström Dicke) von i30reilikatglaii 58 ausbilden, der die
Öff-
nungen 55 und 56 abdeckt. Beim folgenden Schritt
($Z) wird das Boreilikatglas 58 gerade von einer der Öffnungen
55 entfernt# wobei die Öffnung 56 durch photographische Maakentechnik
abgedeckt wird und das Plättchen geätzt wird, so claß die,öffnung 56 von
dem Boreilikatglas 58 verschlossen bleibt, das als Maske gegen den Phouphor
bei der nachfolgenden 'Phoophordiflusion wirkte Die
Bildung von Boreilikatglas
ist jedoch nicht wesentliche Man kann die Bordiffusion auch ohne Auabildung einer
nennensaerten Menge von Boreilikatglan durchführeh." In diesem Fall wird
die Öffnung 56
durch ein anderes Maakenmaterittli etwa diliziumdi'oxydi abgedeckt,
Der ursprüngliche Siliziumdiox:,rdfilm 30 bleibt Im wesentlichen unberiihrt,
ein sehr schwaches Ätzmittel während einer kurzen Zeit ver#wend'et wirdv üm den
sehr dünnen Glasfilm wegzuätzen. Ein unter dem Namen "buffered steh" bekanntes Ätzmitte1.
zum Bntfernen des Borsilikatglases besteht aus 4 Völumentellen einer gesättigten
Lösung
Von Ammoniumfluorid NH 4 P-und einem Vdlumenteil konzentrierter Fluorwasserstoffsäure.
Das Plättehen wird in dieser Lösung bei 25 00 unter Ninwirkung von Ultraschall
5 Minuten lang geätzt. Die Ultraschallfrequenz beträgt 45 kR.
du 29 Öffnung 55 eiiidif-
Beim nächsten Schritt (5P) wird Phosphoffl
fundiert und die Emitterzone 32 ausgebildet. Diese Zone 32 hat eine
Phosphoroberflächenkonzentration von 1 x 10 21 Atomen pro com und bildet
einen pn-Übergang mit der Basiszone 34 bis zu einer Tiefe bis zu etwa
2,5 Mikron. Da die Diffuaion durch die gesamte Verbildung der ersten Basiszone
benutzte Öffnung hindurch eintritt, liegt die Emitterzone 32 absolut zentrisch
in der ersten Basiazone 34. Damit kann die bei 35 gezeigte Trennung der B,oiabreitei
gemessen an der Rberfläche des Plättehene, so klein wie möglich nein, geringer als
0,4 Igikron, weil eine'fehlerhafte Ausrichtung des Emittern'32 gegenüber der ersten
Baeiazone 34 so gut wie nicht möglich ist. Während dieses Diffusionsachrittes bildet
sich ein dünner Pilm 65 (etwa 1000 ingström Dick* ) von Phosphorsilikat-Durch
die Ausbildung den Emittern in der beschriebenen Art ist es vorher im Schritt
D möglich geweaeng die Basiezone wesentlich kleiner zu machen als es früher
der Pall war, weil man gemäß der Erfindung die Basis zur Vermeidung von Pehlauerichtungen
gegenüber dem ftitter nicht überzudimensionen braucht.. Die Basisgröße bestimmt
natürlioh den Bereich des Kollektor-Baeiaübergangen und daher erlaubt das erfindungegemäße
Verfahren die Herstelluh« einen doppelt-diffundierten Transistors mit einer wesentlich
niedrigeren Kollektorkapazität als sie-frühere Transistoren zeigen, Beim nächsten
Schrttt (5G) wird das Phoaphoreilikatglas 65 (Fig.52) und da* Übrige Borsilikatglas
58 (Pig. 57) durch Ätzen vog dem Plättchen entfernt. Das Boreilikatgl-an
wird durch Eintauchen in ein Ätzmittel der beschriebenen Art bei'25 00 unter
Ultraechall-
g während 30 Sekunden entfernt" Dadurch
U ii(.-i, sieh dafg
c inwirkun
Loch 55; die ande.re Öffnung 56 bleibt jedoch
von dem
glas verschlossen'g da das PhoophoraJlikatglas sehr viel schneller geätzt wird.
Das offene Loch 55 wird photographisch mit einer Maske abgedeckt und das
Boreilikatglas 58 wird durch Ätzen in dem genannten-*Ä'tzmittel bei
25 00 während 5 Minuten unter Ultraschalleinwirkung fortgeAtzt. Das
Siliziumdioxyd 30 (Fig. 5P) auf der Oberseite des Plättchens kann
vorzugsweise dort verbleiben und eine Öffnung 55 über dem Emitter
32 sowie eine Ufnung 56 über der Baeiazorte 33 belassen,.oder
dieser Film 30 kann vollständig entfernt werden und ein neuer 0,zydfJ.lm
oder Silizitundioxydfilm äaer irgendein anderes Material kann abgelagert werden
und in dieses Oxyd werden dann Öffnungen oberhalb des Emitters 32 und der
zweit-en Basiazone 33 durch photographische Ätzverfahren gemacht. In jedem
F"ille.ist die Lage der Öffnungen 55 und 56 gegenüber den. Begrenzungen
(gestrichelte Linien) der diffundierten Zonen 32,
33 und 34 im wesentlichen
so, wie es die Draufsicht von Pigur 5G zeigt.Injection occurs, zei, # th # ri #, with wacliu (; ndeni S) trom another maximum, the fourth of which is given by the base width inside and the associated l ', middle area below the emitter 32 and ribher all of the Dasiazone 33 The npn-Iialbl, after the transistor is produced according to the following description explained by FIGS. 5A to 511 , the semiconductors 12 are produced from silicon wafers in quantities of over 100 units per wafer. In Figure 5 is only gervde a Laminated strip 50 for Ve2anschauliol) tii, # e "cler manufacturing a single semiconductor unit shown. In the first step (5A), a plate 50 is manufactured. By a 5 micron thick portion 51 with a diderstanCy of about one 095 Ohm.em can grow epitaxially on a 005 mm thick n + carrier. The carrier has a specific resistance of about 0.001 Ohm.cm. In step B we «the plate for the formation of Pfime 30 and 30 '
Treated from silicon dioxide on the flat toe cover "$ iclii, #.
becomes in a thickness of, about 8000 to 10000 # ngströri E # iiihei-üoii.
educated"
In the next step ($ 0), two openings 55 and 56 are produced in the oxide 30 by a known photochemical etching process. In the embodiment shown, the openings 55 and 56 are rectangular (0.025 x 09005 mm), although they can have any other shape. They are separated by a strip 57 of about 0900375 mm wide made of silicon dioxide. In the next step (5D) boron is diffused into the plate below the two openings 55 and 56 and during this step the p-zones 33 and 34 are formed through the entry of the bore into the plate and laterally under the oxide layer. The diffusion process is continued until the two p-zones 54 and 33 meet and join one another below the oxide conflict 57 so that they are electrically and physically connected to one another. In these zones there is a surface concentration of the bar of 1x1019 atoms per com and the areas form p'n-over & 3ango 63 and 64 (the collector-base junctions) the n-sheet material 51 to a depth of 3 Nikron. During the diffusion ear a very thin fungus (about 4000 ingström thickness) of free-silicate glass 58 can form, covering the openings 55 and 56 . In the following step ($ Z) the borosilicate glass 58 is just removed from one of the openings 55 # whereby the opening 56 is covered by photographic Maakentechnik and the plate is etched so that the opening 56 remains closed by the borosilicate glass 58 , which acts as a mask against the Phouphor in the subsequent 'Phoophordiflusion had formation of Boreilikatglas is however essential one can durchführeh without Auabildung a nennensaerten amount of boron diffusion Boreilikatglan not. "In this case, the opening 56 by another Maakenmaterittli is about covered diliziumdi'oxydi, the The original silicon dioxide film 30 remains essentially untouched, a very weak etchant is used for a short time to etch away the very thin glass film Volume of a saturated solution of ammonium fluoride NH 4 P- and a volume portion of concentrated hydrofluoric acid. The Laminated strip is etched in this solution at 25 under 00 Ninwirkung of ultrasound for 5 minutes. The ultrasonic frequency is 45 kR. du 29 opening 55 eiiidif-
In the next step (5P) Phosphoffl
established and the emitter zone 32 is formed. This zone 32 has a surface concentration of phosphorus of 1 × 10 21 atoms per com and forms a pn junction with the base zone 34 to a depth of up to about 2.5 microns. Since the diffusion enters through the entire formation of the first base zone used opening, the emitter zone 32 lies absolutely centrally in the first base zone 34. This means that the separation of the B, shown at 35 , measured at the surface of the plate, can be as small as possible , less than 0.4 Igikron, because an 'incorrect alignment of the emitter'32 with respect to the first Baeiazone 34 is as good as impossible. During this diffusion step, a thin pilm 65 (about 1000 ingström thick *) of phosphorus silicate is formed. By forming the emitters in the manner described, it is possible beforehand in step D to make the base zone considerably smaller than the pall was earlier, because according to the invention, the base does not need to be overdimensioned in order to avoid grounding directions in relation to the ftitter. earlier transistors show, in the next step (5G) the phosphorusilicate glass 65 (Fig. 52) and the remaining borosilicate glass 58 (pig. 57) are removed by etching before the plate. The boron silicate glass is immersed in an etchant of the type described at'25 00 under ultra-sonic g removed for 30 seconds "As a result, U ii (.- i, see dafg
c effect
Hole 55; the other opening 56 , however, remains of that
glass closed because the PhoophoraJlikatglas is etched much faster. The open hole 55 is covered with a photographic mask, and Boreilikatglas 58 is formed by etching in the genannten- * Ä'tzmittel 00 at 25 over 5 minutes under ultrasonic action fortgeAtzt. The silicon dioxide 30 (FIG. 5P) on the upper side of the platelet can preferably remain there and leave an opening 55 above the emitter 32 and an opening 56 above the Baeia port 33 , or this film 30 can be completely removed and a new 0, zydfJ A film of silicon dioxide or any other material can be deposited and openings are then made in this oxide above the emitter 32 and the second base zone 33 by photographic etching processes. In either case, the position of the openings 55 and 56 relative to the boundaries (dashed lines) of the diffused zones 32, 33 and 34 is essentially as shown in the top view of Pigur 5G.
Bei dem Metallisierungsschritt 5H wird etwa 1 Mikron
Gold 36 auf der Unterfläche des Plättehens 50 angebraelit und auf
der OberflWi# che wird Aluminium aufgedampft und dann durch Photoätzmethoden in
die'Blektroden 16 und 17 zur Kontaktierung de.a Emitters und der Basis
des Transistors geätzt. Diese Elektroden sind im wesentlichen kreiaförmig von 2
Itikron Dicke und etwa 0,067 mm Durchmesber. Schließlich wird das Plättehen
in die aktiven Elemente 12 (Fig. 2) zerschnitten und-diese werden auf die Sockel
14 aufgeldtet. Dünne Aluminiumdrähte 18 und 19 werden durch Thermokompression
an den Elektroden und den entsprechenden Leitern des Sockels befestigt und dann
wird der Transistr 11 durch Aufschweißen einer Stahlkappu 24 auf den Sockel
14 hermetisch verschlossen. Es sei noch erwähntg-daß auch Feldeffekttransistoren,
die sich durch Kanäle mit einer extremen Sottroe-Draiii--1,Unge auszeichnen, in
der gleichen Weise wie der gerade beschricobene Trani3istor herstellen lasserz"
Fig.
6 zeigt einen solchen Feldeffekttransistor 70. Die Ähnlichkeit zwischen
ihm und dem gerade beschriebenen Transistor fällt in die Augen. Obgleie h er in
einer anderen Weise arbeitet, unterscheidet er sich von dem Transistor dadurch,
daß eine metallische Gate-Elektrode 71 auf aer Oberseite der Oxydoberfläche
vorgesehen ist. Perner weist er den Kanal 72 auf. Die Metalleloktroden
73 und 74 bilden eine Verbindung zur Drain-Blektrode 75 und zur Gate-Elektrode
764 Die Gate-Elektroden 71 und 74.können einzeln oder beide gleichzoitig
verwendet werden. Die Elektrode 77 stellt die Verbindung zur Source-Blektrode
dar, Mne ähnliche Anordnung 78 ist in Fig"-7 dargestellt; jedoch ist in diesem
Feldeffel#-ttranaistor 78 der Kanal 79 durch Diffusion eines n-Dotiermaterials
zur Bildung der n-Zone 80 ausgebildet worden. In jedem Palle erlaubt die
gerade im Zusammenhang mit einem npn-Transistor beschriebene blethode mit geringen
Abwandlungen die Ausbildung extrem schmaler Kanäle, die die Hodhfrequenzeigenschaften
von Feldeffekttransistoren wesentlich verbessern. Bei dem Peldeff-okttranaistor
nach Pig. 7, bei-,dem der Kanal 79
tatsächlich vorhanden ist, und nicht
induziert ist.(real rather than induced) unterscheidet sich'daa Verfahren dadurchp
daß eine sehr flache Oberflächendiffusion ausgeführt wirdg um die flache Kanalz*one
80 zu bilden, wobei man ein Dotiermaterial wie Arsen verwendetg bei. dem
die Diffusion wegen seiner Diffuslonskonstanten im Siliziux sehr langsam vor sich
geht, damit der Kanal während der nachfolgenden Viärmebehandlung flach beibt. Das
Plättehen wird dann von dem Oxyd abgezogen und man läßt einen neuen - Oxydfilm
entsprechend dem Pilm 30 in Pig. 5B*:wachsen und die weitere Behandlung entspricht
im wesentlichen der für den npn-Transietor bereits beschriebenen. Der 2eldeffekttranaistor
hat eine Source-Elektrode 81 eine Drain=Elektrode 82, einen Kanl
79, eine-n Gate-Ubergang 889 Gate-Verbindungebereiche 83 und 84, eine
Gate-Blektrode 85, eine Drain-Blektrode 86 und eine Source-Blektrode
87,
Typische Charakteristika von npn-Transistorenj wie sie
im Zusammenhang mit den Figuren 1 bis,5 beschrieben sind, sind in Tabelle
I dargestellt, die für eine Kollektorvorspannung V, von +5 Volt (wenn nicht
anders gekennzeichnet) in Emittergrundschal-tung gelten.
T a b e 1 1 e I
.hFE (bei niedrigem Strom): 150 10 = 1 /UA
hFE .(bei höherem'Strom)ts 50 IC = 1000 /UA
=je
I bei dem h.. 1-10 nanoampdres (niedriger
wert)
0 .025'pP bei V =30 Volt (etwa 40 % dieser
Kapazität kommt von
0 , -der Kapazität der Baeiselektrode 17)
Kollektor-Basieleckstrom I Co : 4-5 pA @ Ve
=10 V
Emitter-Kollektor-Spannungsabfall 0907 bis
091 V @ 1 0 =200 /UA
bei Sättigung ib JO./
VOB(SAT:
Verstärkung und Bandbreite 600 MHz @ ic = 1 mil
(Frequenz bei bei der '#jechsel- V = 5 Volt
stromverstärkung = 1
(Emitter-Grundschaltung». f T
Schaltgeschwindigkeit Verzögerungszeit td 095 Mikrooek.
in der Sahaltung nach Anatiegstbit e 045 Mikroseke
Fig. a: r
Speicherzeitzt, 9908 Mikrosek.
Abfallzeit tf 096 Mikrosek.
Die erfindungagemäßen Transistoren haben sehr wesentliche und besonders erwünschte
elektrische Eigenschaften, insbesondere da sie eine gute atromverstärkung bei niedrigen
Strömen zeigen, eine niedrige Kollektorkapazität und einen guten Wort für'Verstärkung
ma# Bandbreite haben, und sehr schnell arbeiteng und in diesen Eigenschaften den
bisherigen Transistüren überlegen sind.In the metallization step 5H , about 1 micron gold 36 is applied to the lower surface of the plate 50 and aluminum is vapor deposited on the surface and then etched into the electrodes 16 and 17 for contacting the emitter and the base of the transistor by photoetching methods. These electrodes are essentially circular in shape, 2 microns thick and about 0.067 mm in diameter. Finally, the plate is cut into the active elements 12 (FIG. 2) and these are soldered onto the base 14. Thin aluminum wires 18 and 19 are attached to the electrodes and the corresponding conductors of the base by thermocompression, and then the Transistr 11 is hermetically sealed by welding a steel cap 24 onto the base 14. It should also be mentioned that field effect transistors, which are characterized by channels with an extreme sottroe-Draiii - 1, Unge, can be produced in the same way as the transistor just described. "FIG. 6 shows such a field effect transistor 70. The similarity between it and the transistor just described falls in the eye. he h operates in a different way Obgleie, it differs from the transistor characterized in that a metallic gate electrode 71 is provided on aer top of Oxydoberfläche. Perner, it has the channel 72 The metal electrodes 73 and 74 form a connection to the drain electrode 75 and to the gate electrode 764. The gate electrodes 71 and 74 can be used individually or both at the same time. The electrode 77 represents the connection to the source electrode, Mne similar Arrangement 78 is shown in Figures "-7; however, in this Feldffel # ttranaistor 78, the channel 79 has been formed by diffusion of an n-type doping material to form the n-type region 80 . In every case, the blethode just described in connection with an npn transistor allows, with minor modifications, the formation of extremely narrow channels which significantly improve the high frequency properties of field effect transistors. With the Peldeff octtranaistor according to Pig. 7, in which the channel 79 is actually present and not induced. The method differs in that a very flat surface diffusion is carried out in order to form the flat channel zone 80 , whereby a Doping material such as arsenic is used. diffusion is very slow because of its diffusion constant in silicon, so that the canal remains flat during the subsequent thermal treatment. The Laminated strip is then subtracted from the oxide and allowed a new - oxide film according to the Pilm 30 in Pig. 5B *: grow and the further treatment essentially corresponds to that already described for the npn transit gate. The 2 field effect transistor has a source electrode 81, a drain electrode 82, a channel 79, a gate junction 889 gate connection areas 83 and 84, a gate electrode 85, a drain electrode 86 and a source electrode 87, Typical characteristics of npn transistors as described in connection with FIGS. 1 to 5 are shown in Table I, which apply to a collector bias voltage V 1 of +5 volts (unless otherwise indicated) in the basic emitter circuit. T a b e 1 1 e I
.hFE (at low current): 150 10 = 1 / UA
hFE . (with higher current) ts 50 IC = 1000 / UA
= each
I at the h .. 1-10 nanoampdres (lower
value)
0 .025'pP at V = 30 volts (about 40 % of this capacity comes from
0, -the capacitance of the base electrode 17)
Collector base leakage current I Co: 4-5 pA @ Ve = 10 V
Emitter-collector voltage drop 0907 to 091 V @ 1 0 = 200 / UA
at saturation ib JO./
VOB (SAT:
Gain and bandwidth 600 MHz @ ic = 1 mil
(Frequency at at the '# change- V = 5 volts
current gain = 1
(Basic emitter circuit ». F T
Switching speed delay time td 095 microec.
in the posture according to Anatiegstbit e 045 microseconds
Fig. A: r
Storage time, 9908 microseconds.
Fall time tf 096 microseconds.
The transistors according to the invention have very essential and particularly desirable electrical properties, in particular because they show good atrom amplification at low currents, have a low collector capacitance and a good word for amplification ma # bandwidth, and work very quickly and are superior to previous transistor doors in these properties are.