DE1539736B2 - Silizium-plantransistor und schaltungsanordnung zum inganghalten der schwingungen eines mechanischen resonators - Google Patents

Silizium-plantransistor und schaltungsanordnung zum inganghalten der schwingungen eines mechanischen resonators

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DE1539736B2 DE1966C0038035 DEC0038035A DE1539736B2 DE 1539736 B2 DE1539736 B2 DE 1539736B2 DE 1966C0038035 DE1966C0038035 DE 1966C0038035 DE C0038035 A DEC0038035 A DE C0038035A DE 1539736 B2 DE1539736 B2 DE 1539736B2
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Description

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Die Erfindung betrifft einen Silizium-Planartransistor mit einer Halbleiterscheibe mit einer Emitterzone, die an die obere Hauptfläche der Halbleiterscheibe grenzt, einer Basiszone, die die Emitterzone umgibt und an die obere Hauptfläche der Halbleiterscheibe grenzt, und einer Kollektorzone, die die Basiszone umgibt, und an die obere sowie an die untere Hauptfläche der Halbleiterscheibe grenzt, mit einer Emitterkontaktelektrode und einer neben der Emitterzone angeordneten Basiskontaktelektrode an der oberen Hauptfläche und einer Kollektorkontaktelektrode an der unteren Hauptfläche der Halbleiterscheibe, und zwar einen solchen Silizium-Planartransistor, der zum Inganghalten der Schwingungen eines mechanischen Resonators, z. B. für eine elektrische Armbanduhr dient.
Bei elektronischen oder elektrischen Uhrentypen können prinzipiell zwei Arten von Antriebsschaltungen unterschieden werden, von welchen die eine keine Trennung von Gleich- und Wechselstrom vorsieht. Solche Schaltungen können sehr einfach sein und bestehen stets aus einer Kombination von einer Antriebs- und Rückkopplungsspule, einem Transistor, einem Kondensator, der die Eigenschwingung dieser Schaltung unterdrücken soll, und einer Batterie.
Diese einfache Schaltung hat speziell für Kleinuhren große Nachteile. Um den Transistor als Schalter zu benutzen, bedarf es eines Steuerstromes. Dieser wird durch den sich bewegenden Magneten in einer Rückkopplungsspule erzeugt. Nun ist aber die Emitterkennlinie eines wegen seines kleinen Leckstromes bevorzugten Siliziumtransistors sehr nichtlinear. Für Emitter-Basis-Spannungen bis zu 0,2 oder 0,3 V fließt praktisch kein Emitter- und daher auch kein Kollektor- oder Antriebsstrom. Bei 0,4 V hingegen beginnt der Emitter-B asis-pn-Übergang zu leiten. Die Nachteile sind: Bei kleinen Oszillatoramplituden fließt praktisch kein Kollektorstrom. Das Anschwingen eines solchen Systems ist daher ohne äußere mechanische Hilfe schwierig. Um gegen Stöße unempfindlich zu sein und ein rasches Einschwingen auf die normale Frequenz zu gewährleisten, muß der normale Arbeitsstrom groß gewählt werden, damit auch im ungünstigsten Fall noch genügend Steuerspannung induziert wird. Dies bedeutet hohen Energieverbrauch. Eine andere Möglichkeit, um eine große Sicherheitsmarge für die Steuerspannung zu gewährleisten, ist eine große Rückkopplungsspule mit vielen Windungen. Diese braucht Platz und erhöht die Kosten. '
Aus diesen Gründen finden Antriebsschaltungen ohne Trennung von Gleich- und Wechselstrom nur in Standuhren Anwendung. Eine separate mechanische Einrichtung kann bei diesen das Anschwingen erleichtern. Stöße sind, verglichen mit einer Armbanduhr, selten, und normale, große Taschenlampenbatterien liefern genügend Energie. Für eine Armbanduhr sind solche Schaltungen praktisch unbrauchbar.
Die zweite Art von Antriebsschaltungen, die eine Trennung von Gleich- und Wechselstrom im Steuerkreis vorsieht, benötigt in der Regel als zusätzliche Bauelemente einen Trennkondensator und einen Widerstand, der den Arbeitspunkt des Transistors vor allem beim Anschwingen festlegt.
Der Widerstand erlaubt den Fluß eines Basis-Emitter-Stromes und setzt so den Arbeitspunkt fest. Im Gegensatz zur Schaltung ohne Trennung von Gleich- und Wechselstrom ist hier der Basis-Emitterpn-Ubergang bereits in Flußrichtung vorgespannt. Ein kleiner induzierter Wechselstrom, der über den Trennkondensator den Basisstrom schwach moduliert, wird so bereits verstärkt und erlaubt ein Anschwingen des mechanischen Resonators, ohne ihn extra anstoßen zu müssen. Ein weiterer Kondensator zwischen Basis und Kollektor dient der Unterdrükkung der Eigenschwingung der elektronischen Schal-
tung, deren Frequenz zur Hauptsache durch die Spule gegeben wäre.
Diese Schaltung gestattet, den Energiekonsum sowie die Größe der Spule in den für Armbanduhren nötigen Grenzen zu halten und dazu einen genügenden Schutz gegen Stöße zu gewährleisten.
Der Silizium-Planartransistor nach der Erfindung erlaubt die gleichen Vorteile der Schaltung mit Trennung von Gleich- und Wechselstrom im Basiskreis, jedoch unter Einsparung des'; Widerstandes und eventuell des Kondensators zur Unterdrückung der Eigenschwingung.
Die Erfindung, die einen Silizium-Planartransistor mit diesen Vorteilen ermöglicht, besteht darin, daß die Basiszone einen sich in Scheibenebene erstrekkenden Fortsatz aufweist, der zum größten Teil von einem an die obere Hauptfläche der Halbleiterscheibe grenzenden Bereich der Kollektorzone bedeckt ist, und daß das Ende des Fortsatzes der Basiszone an der oberen Hauptfläche der Halbleiterscheibe mit der Kollektorzone mittels eines Metallkontaktes verbunden ist. .
Gegenstand einer Weiterbildung der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung mit diesem Silizium-Planartransistor zum Inganghalten der Schwingungen eines mechanischen Resonators, z. B. für eine elektrische Armbanduhr, und zwar besteht diese darin, daß einerseits in an sich bekannter Weise die Schaltung außer dem Silizium-Planartransistor eine Spule, einen Kondensator und eine Stromquelle aufweist und die Anzapfung der Spule mit dem Emitter des Silizium-Planartransistors sowie ein Pol der Stromquelle mit dem Kollektor des Silizium-Planartransistors verbunden sind und andererseits eines der Spulenenden über den Kondensator mit der Basis des Silizium-Planartransistors und das andere Spulenende mit einem weiteren Pol der Stromquelle verbunden sind.
Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform des Silizium-Planartransistors und eine Schaltungsanordnung für seine Verwendung.
Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung dieser Ausführung in sehr starker Vergrößerung,
Fig. 2 ein Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1, und
F i g. 3 zeigt das Schema einer Schaltungsanordnung, die zum Anstoßen eines mechanischen Resonators dient und den Silizium-Planartransistor nach der Erfindung enthält.
Der in den F i g. 1 und 2 gezeigte Silizium-Planartransistor weist eine Scheibe 1 aus Silizium auf, welche η-leitend ist. Ein pn-Ubergang zwischen Basis- und Kollektorzone wird durch Dotieren der Basiszone 2 mit beispielsweise Bor geschaffen. Dieses Dotieren kann beispielsweise durch Diffusion vorgenommen werden, wobei das Gebiet, innerhalb dessen diese Dotierung vor sich gehen soll, mit den bekannten photolithographischen Verfahren bestimmt wird. Die Form dieses pn-Übergangs unterscheidet sich von jener der üblichen bekannten Planartransistoren dadurch, daß sie einerseits eine viel größere pn-Übergangsfläche ergibt, als es für die Anordnung der Basiskontaktelektrode 3 und der Emitterkontaktelektrode 4 erforderlich wäre, und andererseits dadurch, daß sie einen Fortsatz 5 zeigt, welcher mit einem metallisierten Abschnitt 6 endet. Bei dieser Ausführungsform besteht dieser Fortsatz 5 aus drei geradlinigen Abschnitten, die mit rechten Winkeln aneinander anschließen. In anderen Ausführungsformen könnte er auch serpentinenartige Form haben.
Der pn-Übergarig zwischen Emitter- und Basiszone, dessen Umrißform in F i g. 1 mit unterbrochenen Linien gezeigt ist, kann durch Dotieren der Emitterzone 7, beispielsweise mit Phosphor, erhalten werden, und zwar nach den gleichen Verfahrensschritten wie den zur Bildung der Basiszone 2.
ίο Der Silizium-Planartransistor besitzt einen pnübergang zwischen Basis- und Kollektorzone nicht üblicher Art, von dem ein Teil durch Dotieren des Bereiches 7 der Kollektorzone 14 zur gleichen Zeit und in der gleichen Art wie die Emitterzone 7 gebildet wird. In Fig. 1 ist der Umriß dieses Bereiches 8 ebenfalls mit unterbrochenen Linien dargestellt.
An der Unterseite 9 der Siliziumscheibe 1 ist die Kollektor-Kontaktelektrode angebracht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Anordnung der Oxydschichten nicht erläutert worden, da diese bei der Erzeugung von Planartransistoren allgemein bekannt ist.
Die Arbeitsweise des Silizium-Planartransistors ist folgende: Die große Kapazität zwischen Kollektor- und Basiszone ergibt sich vor allem durch die große Flächenausdehnung der Basiszone 2 und des weiteren durch jene des Bereiches 8 der Kollektorzone 14, die den größten Teil des Fortsatzes 5 der Basiszone 2 überdeckt und damit die Fläche des Basis-Kollektor-pn-Übergangs vergrößert. Der Bereich 8 ist ganz besonders wichtig für das Zustandekommen dieser Wirkung, da seine Konzentration an Verunreinigungen und damit die Verunreinigungskonzentration am pn-Ubergang zwischen der Basiszone 2 und dem Bereich 8 der Kollektorzone 14 wesentlich höher ist als jene am pn-übergang zwischen dem an die untere Hauptfläche der Siliziumscheibe 1 grenzenden Bereich der Kollektorzone 14 und der Basiszone 2, wodurch die Kapazität pro Einheit der Fläche sehr stark vergrößert wird. Beispielsweise kann die Gesamtkapazität zwischen Basis- und Kollektorzone zwischen 50 und 600 pF bei 0- V liegen. Bei den üblichen bekannten Planartransistoren, die zur Zwischenfrequenz- und zur Hochfrequenzverstärkung verwendet werden, ist. diese Kapazität vernachlässigbar gering und wird dadurch vermieden, daß die Fläche des Basis-Kollektor-pn-Uberganges auf das notwendige Ausmaß zurück-
geführt wird, indem für die Emitterzone 7 und die Basiskontaktelektrode 3 nur die tatsächlich erforderlichen Flächengrößen zugelassen werden.
Das Verhältnis zwischen der Fläche des Kollektor-Basis-pn-Ubergangs und der Fläche des Basis-
Emitter-pn-Übergangs ist größer als 10 vorgesehen; vorzugsweise liegt es zwischen 100 und 10 000.
Der Kollektor-Basis-Strom wird durch die Spannung zwischen Kollektor und Basis und durch den Widerstand des Fortsatzes 5 bis zu der Verbindung 6 gesteuert. Die hohen Widerstandswerte von beispielsweise 0,1 bis 5 Megohm zwischen Basis und Kollektor werden einerseits durch das Vorhandensein eines Fortsatzes 5 der Basiszone 2 und andererseits durch Verringern des Querschnittes dieses Fortsatzes 5 der Basiszone 2 unterhalb des dotierten Bereiches 8 der Kollektorzone 14, wie in der F i g. 2 im Schnitt gezeigt, erreicht. Durch die Art der Anordnung des Bereiches 8 befindet sich der wirksame
Teil des Fortsatzes 5 innerhalb des hochohmigen Bereiches der diffundierten (dotierten) Basiszone 2.
Die üblichen Verlustströme über den Basis-Kollektor-pn-Ubergang werden innerhalb des Bereichs 8 gering gehalten. Es ist auf dem Gebiet der Halbleitertechnik wohl bekannt, daß bei der Diffusion, die aus auf die Oberfläche aufgebrachtem flüssigem Glas, welches Bor oder Phosphor enthält, vorgenommen wird, außerdem das flüssige Glas wie ein Getter wirkt und übermäßige Verlustströme vermeidet. Im Falle, daß der Bereich 8 durch ein solches Diffusionsverfahren gebildet worden ist, vergrößert die zusätzliche Fläche des Basis-KoUektorpn-Ubergangs den üblichen Verluststrom über diesen pn-übergang nur unwesentlich.
Nachdem des weiteren der Bereich 8 den größten Teil der Basiszone 2 überdeckt, ergibt sich, daß der Basis-Kollektor-pn-Übergang nicht in einer Länge an die Oberfläche kommt, die dem Verhältnis der Flächenvergrößerung entspricht. Dies verhindert das ao Entstehen von Verlustströmen an der Oberfläche, die im allgemeinen wesentlich größer sind als jene, die durch den Halbleiterkörper selbst fließen.
Der scheinbare Strom ICB0 zwischen Basis und Kollektor ist demnach durch den Widerstand des Fortsatzes 5 der Basiszone 2 und durch die Spannung zwischen Kollektor und Basis bestimmt.
Der hohe Verstärkungsfaktor, der sich bei sehr geringem Leistungsniveau ergibt, ist durch die Wahl der Größe der Emitterzone gegeben, der so klein ausgeführt wird, als dies die technischen Möglichkeiten zulassen; das ist ein Durchmesser von 4 bis 50 μΐη.
Die Ausbildung des Silizium-Planartransistors nach der Erfindung verlangt bei der Herstellung keinerlei zusätzliche Maßnahmen. Aus diesem Grunde sind die Herstellkosten durchaus vergleichbar denen für einen üblichen bekannten Planartransistor.
Trotz der Abänderungen der Form der Zonen bei dem Silizium-Planartransistor nach der Erfindung gegenüber einem bekannten Planartransistor wird ein hoher Verstärkungsfaktor bei geringem Leistungsniveau erzielt. Das Gesamtvolumen ist wenig größer als jenes eines üblichen bekannten Planartransistors.
Die F i g. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zum Anstoßen eines mechanischen Resonators. Der Oszillatorkreis wird durch einen mechanischen, nicht gezeigten Resonator gesteuert und enthält den Silizium-Planartransistor nach der Erfindung. Diese Schaltung eines LC-Oszillators kann normalerweise nicht auf der verhältnismäßig hohen Frequenz schwingen, die durch die Selbstinduktion L und durch deren Kapazität gegeben ist, da die hohe Kapazität des Kollektors des Silizium-Planartransistors nach der Erfindung für diese Frequenz einen Kurzschluß bildet. Diese Schaltung, dient aber zum Betrieb eines mechanischen Resonators niedriger Frequenz, welcher mittels Magneten, die am Resonator angeordnet sind, mit der Spule gekoppelt ist. Diese Magneten drücken der Spule durch Induktion eine Wechselspannung auf, so daß der Silizium-Planartransistor nach der Erfindung wie ein Unterbrecher für diese niedrige Frequenz arbeitet, welche die Energie zum Inganghalten der Schwingung des mechanischen Resonators liefert. Die Kapazität des Kollektors behindert die richtige Funktion bei dieser niedrigen Frequenz in keiner Weise. Der Strom, welcher durch den Fortsatz 5 der Basiszone 2 zur Kollektorzone 14 fließt, dient vor allem zum Anstoßen der Schwingungen.
Außer dem Silizium-Planartransistor 10 enthält die Schaltung nur eine Spule 11, die mit einer Anzapfung am Emitter liegt und deren beide Enden einerseits mit der Basis über einen Kondensator 12 und andererseits mit dem negativen Pol einer Batterie 13 verbunden sind, deren positiver Pol mit dem Kollektor des Silizium-Planartransistors verbunden ist. Ein Planartransistor üblicher bekannter Bauart würde in einer derart einfachen Schaltung nicht funktionieren.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Silizium-Planartransistor mit einer Halbleiterscheibe mit einer Emitterzone, die an die obere Hauptfläche der Halbleiterscheibe grenzt, einer Basiszone, die die Emitterzone umgibt und an die obere Hauptfläche der Halbleiterscheibe grenzt, und einer Kollektorzone, die die Basiszone umgibt und an die obere sowie an die untere Hauptfläche der Halbleiterscheibe grenzt, mit einer Emitterkontaktelektrode und einer neben der Emitterzone angeordneten Basiskontaktelektrode an der oberen Hauptfläche und einer Kollektorkontaktelektrode an der unteren Hauptfläche der Halbleiterscheibe, zum Inganghalten der Schwingungen eines mechanischen Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszone (2) einen sich in Scheibenebene erstreckenden Fortsatz (5) aufweist, der zum größten Teil von einem an die obere Hauptfläche der Halbleiterscheibe (1) grenzenden Bereich (8) der Kollektorzone (14) bedeckt ist, und daß das Ende des Fortsatzes (5) der Basiszone (2) an der oberen Hauptfläche der Halbleiterscheibe (1) mit der Kollektorzone (14) mittels eines Metallkontaktes (6) verbunden ist.
2. Silizium-Planartransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen der Fläche des Kollektor-Basis-pn-Überganges größer ist als 10 und vorzugsweise zwischen 100 und 10 000 liegt.
3. Silizium-Planartransistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (5) abgewinkelt ist.
4. Schaltungsanordnung mit einem Silizium-Planartransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Inganghalten der Schwingungen eines mechanischen Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits in an sich bekannter Weise die Schaltung außer dem Silizium-Planartransistor (10) eine Spule (11), einen Kondensator (12) und eine Stromquelle (13) aufweist und die Anzapfung der Spule (11) mit dem Emitter des Siliziurri-Planartransistors (10) sowie ein Pol der Stromquelle (13) mit dem Kollektor des Silizium-Planartransistors (10) verbunden sind und andererseits eines der Spulenenden über den Kondensator (12) mit der Basis des Silizium-Planartransistors (10) und das andere Spulenende mit einem weiteren Pol der Stromquelle (13) verbunden sind.
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