DE1564536B2 - Transistor - Google Patents

Description

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Kollektorschicht durch das stark dotierte Substrat ge- Basiszone des Transistors und ist damit für dessen

bildet werden, auf welchem der Transistor aufgebaut Durchbruchseigenschaften maßgebend. Die Dicke

wird. Die beiden anderen Kollektorschichten können der Kollektorschicht 24 bestimmt nämlich die zuläs-

beispielsweise durch epitaktische Schichten mit unter- sige Raumladungsausbreitung, welche den Span-

schiedlicher Dotierung gebildet sein. 5 nungsdurchbruch beeinflußt. Die Dicke der Kollek-

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines in torschicht 24 bestimmt ebenfalls zum großen Teil den

der Zeichnung in Form eines Teilquerschnittes darge- Kollektorbahnwiderstand, von dem die im Betrieb

stellten Transistors näher erläutert. auftretende Verlustwärme und damit die Strombe-

Der allgemein mit 10 bezeichnete Transistor ist als lastbarkeit abhängt. Für einen bestimmten Anwen-

npn-Transistor mit einer mehrteiligen Kollektorzone io dungsfall ist hinsichtlich des spezifischen Widerstan-

14, einer Basiszone 16 und einer Emitterzone 18 dar- des und der Dicke der Kollektorschicht 24 ein op ti-

gestellt. Er kann beispielsweise als Silizium oder Ger- maler Kompromiß zwischen einer möglichst hohen

manium bestehen. Selbstverständlich kann es sich Durchbruchsspannung und einem minimalen Kollek-

auch um einen pnp-Transistor handeln. torbahnwiderstand anzustreben.

Die Kollektorzone 14 umfaßt eine Kollektorsub- 15 Den spezifischen Widerstand der Kollektorschicht stratschicht 20 aus entartet dotiertem Halbleitermate- 22 wählt man nach der maximalen gewünschten rial, etwa in Form eines stark dotierten η-leitenden Stromdichte (unmittelbar vor Eintreten des zweiten Siliziumeinkristallscheibchens, welches in der Figur Durchbruchs bei Sperrspannung). Die Dicke der KoI-mit dem Symbol N+ versehen ist. Die Dicke der KoI- lektorschicht 22 wählt man nach der zulässigen Auslektorsubstratschicht 20 kann zwischen 165 und 20 weitung der Kollektor-Raumladungsschicht. Der spe-180 Mikron liegen, ihr spezifischer Widerstand ist zifische Widerstand und die Dicke der Kollektorkleiner als 0,01 Ohm-cm. Bei diesen Angaben han- schicht 22 bestimmen damit ebenfalls die Sicherheit delt es sich um einen Transistor für mittlere Spannun- des Transistors 10 gegen den zweiten Durchbruch, gen und hohe Leistung. Entsprechend anderen An- Im Sinne einer möglichst großen Strombelastbarkeit forderungen kann von diesen Werten auch abgewi- 25 des Transistors soll das Produkt aus spezifischen chen werden. Widerstand und Dicke der Kollektorschicht 22 mög-Uber der Kollektorsubstratschicht 20 befinden sich liehst niedrig gehalten werden, wobei andererseits übereinander zwei weitere Kollektorschichten 22 und darauf zu achten ist, daß der spezifische Widerstand 24, deren spezifische Widerstände in Richtung auf die der Kollektorschicht 22 genügend groß ist, um die Basiszone 16 zu gesehen abnehmen und die beispiels- 3° Nennspannung des Transistors nicht unerwünscht zu weise durch epitaktisches Aufwachsen auf die KoI- begrenzen.

lektorsubstratschicht 20 hergestellt sind. Die Kollek- Im Betrieb verlangsamt die Kollektorschicht 22 die torschicht 22 kann beispielsweise 18 Mikron dick Ausbreitung der Kollektor-Raumladungszone, so daß sein und einen spezifischen Widerstand zwischen 1,5 diese die stark dotierte Kollektorsubstratschicht 20 und 3 Ohm-cm besitzen, während die Kollektor- 35 nicht in einem Bereich hoher Stromdichte berührt, schicht 24 ebenfalls 18 Mikron dick sein kann und Die Kollektorschicht 24 wird so dick gemacht, daß einen spezifischen Widerstand im Bereich zwischen 9 sie bei einem eine bestimmte theoretische Durch- und 15 Ohm-cm haben kann. Die Anzahl der Kollek- bruchsspannung ergebenden bestimmten spezifischen torschichten kann auch größer als drei sein, wobei Widerstand mindestens die Hälfte der Raumladungsder spezifische Widerstand der einzelnen Schichten in 40 zone aufnimmt. Von den drei Kollektorschichten 20, Richtung auf die Basiszone zunehmend größer wird. 22 und 24, deren spezifische Widerstände zur Basis-Innerhalb jeder der Schichten ist der spezifische zone 16 stufenweise ansteigen, wirkt die Kollektor-Widerstand vorzugsweise konstant, jedoch kann er schicht 22 als Puffer in einem Bereich hoher Stromauch etwas variieren. Wenn auch die Kollektor- dichte und erhöht damit die Festigkeit des Transistors schichten 22 und 24 vorzugsweise als epitaktisch auf- 45 gegen den zweiten Durchbruch,
gewachsene Schichten hergestellt werden, so kann an Bei einem nach den vorstehend beschriebenen ihre Stelle auch eine einzige epitaktische Schicht vor- Prinzipien aufgebauten Hochspannungstransistor gesehen werden, innerhalb deren der spezifische kann beispielsweise die Dicke der Kollektorsubstrat-Widerstand sich stufenweise ändert. Dies läßt sich schicht 20 zwischen 125 und 180 Mikron betragen, durch eine Veränderung der Dotierstoffkonzentration 50 wobei ihr spezifischer Widerstand geringer als während des Auf Wachsens relativ einfach durchfüh- 0,01 Ohm-cm ist. Die Kollektorschicht 22 kann ren. 40 Mikron dick sein und einen spezifischen Wider-Die Basiszone 16 läßt sich in einfacher Weise in stand von 2,5 bis 4,0 Ohm-cm haben, und die Kollekder Kollektorschicht 24 ausbilden, indem man einen torschicht 24 kann 50 Mikron dick sein und einen p-Dotierstoff bis zu einer Tiefe von etwa 5 Mikron in 55 spezifischen Widerstand von 20 bis 40 Ohm-cm besitdie Schicht 24 eindiffundiert: Dabei bildet sich ein zen. Die Basiszone 16 ist bis zu einer Tiefe von pn-übergang 26. In entsprechender Weise läßt sich 18 Mikron in die Kollektorschicht 24 eindiffundiert, die Emitterzone 18 durch Eindiffusion eines η-Do- während die Emitterzone wiederum etwa 7 bis 8 Mitierstoffes bis zu einer Tiefe von etwa 2,5 Mikron in krön tief in die Basiszone 18 eindiffundiert ist. Gute die Basiszone 16 ausbilden, wobei ebenfalls ein 60 Ergebnisse wurden ferner mit folgender Bemessung pn-übergang entsteht. Die Emitterzone 18 kann je- der einzelnen Kollektorschichten erzielt: Kollektordoch auch in die Basiszone 16 einlegiert werden. Die substratschicht 20, Dicke.75 bis 255 Mikron, spezifirelativ starke Dotierung der Emitterzone 18 ist durch scher Widerstand kleiner als 0,01 Ohm-cm; Kollekdas Symbol N+ veranschaulicht. torschicht 22, Dicke 12 bis 50 Mikron, spezifischer Der spezifische Widerstand der Kollektorschicht 65 Widerstand zwischen 0,3 und 5 Ohm-cm; Kollektor-24 bestimmt die Höhe der Lawinendurchschlagsspan- schicht 24, Dicke 12 bis 75 Mikron, spezifischer nung des pn-Übergangs 26 zwischen Kollektor- und Widerstand 1,0 bis 80 Ohm-cm.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 2 PatentansDrüche· ^er sPezifrscne Widerstand innerhalb der Kollektor- ' zone praktisch konstant ist, die Durchbruchspannung

1. Transistor mit einer Emitterzone, einer Ba- für den sogenannten zweiten Spannungsdurchbruch, siszone und einer Kollektorzone, deren spezifi- ohne daß der für die im Betrieb auftretende Erwärscher Widerstand mit zunehmender Entfernung 5 mung wesentlich verantwortliche Kollektorbahnvon der Basiszone abnimmt, dadurch ge- widerstand allzu stark erhöht würde. Maßgebend für kennzeichnet, daß der spezifische Wider- den zweiten Durchbruch ist die Ausbreitung der stand der Kollektorzone stufenweise in minde- Raumladungszone in dem höherohmigen Teil der stens drei Schritten, die Kollektorschichten (20, Kollektorzone zwischen der Basiszone und. dem 22, 24) ergeben, abnimmt. io niederohmigeren äußeren Teil der Kollektorzone bei

2. Transistor nach Anspruch 1, dadurch ge- anliegender Sperrspannung. Solche Verhältnisse trekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand in- ten beispielsweise beim Abschalten von gleichstromnerhalb der einzelnen, durch die Schritte gebilde- durchflossenen Induktivitäten auf. Die Höhe der für ten Kollektorschichten (20, 22, 24) konstant ist. den zweiten Durchbruch erforderlichen Spannung

3. Transistor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch 15 hängt von der Größe der in der Kollektorzone vorgekennzeichnet, daß der spezifische Widerstand handenen Dotierstoffkonzentrationen ab. Der zweite der am weitesten von der Basiszone (16) entfern- Spannungsdurchbruch beginnt insbesondere an Stelten Kollektorschicht (20) weniger als ein Hunder- len kristalliner Fehler oder Bereichen ungleichmäßistel des spezifischen Widerstandes der basisnäch- ger Dotierstoffverteilung an der Grenze der hochohsten Kollektorschicht (24) beträgt. 20 migeren Kollektorschicht. Beim Durchbruch treten

4. Transistor nach Anspruch 1, 2 oder 3, da- an der Sperrschicht zwischen Kollektor- und Basisdurch gekennzeichnet, daß die drei Kollektor- zone dann gleichzeitig eine hohe Stromdichte und ein schichten in Form einer stark dotierten Substrat- starkes elektrisches Feld auf. Die Ausgangsimpedanz schicht (20), einer darauf abgelagerten schwächer ändert sich von einem sehr großen positiven Wert dotierten ersten epitaktischen Schicht (22) und 25 kurzzeitig in einen negativen Wert und dann wieder einer auf dieser wiederum abgelagerten noch in einen kleinen positiven Endwert. Die Verhältnisse schwächer dotierten zweiten epitaktischen Schicht liegen ähnlich wie bei einem normalen Lawinen-(24), an welche die Basiszone (16) angrenzt, aus- durchbruch von der Kollektor- zur Basis- oder zur gebildet sind. Emitterzone. Die lokal auftretende starke Stromkon-

5. Transistor nach einem der vorstehenden An- 30 zentration kann leicht zu einer Zerstörung des Transprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die am sistors führen.

weitesten von der Basiszone (16) entfernte KoI- Normalerweise begrenzt man bei Niederfrequenzlektorschicht (20) entartet dotiert ist. transistoren für geringe Leistungen die zulässige Verlustleistung auf einen Wert, bei dem die auftretende 35 Spannungs- und Stromwerte unterhalb der für das

Auftreten des zweiten Durchbruchs erforderlichen

kritischen Werte liegen. Die an für hohe Leistungen ausgelegte Hochfrequenztransistoren zu stellenden Forderungen hinsichtlich zulässiger Toleranzen und

Die Erfindung betrifft einen Transistor mit einer 40 ihrer Betriebsbedingungen erfordern jedoch einen Emitterzone, einer Basiszone und einer Kollektor- größeren Abstand zu den kritischen Werten, so daß zone, deren spezifischer Widerstand mit zunehmender ihre Nennleistung niedriger liegt.
Entfernung von der Basiszone abnimmt. Die Aufgabe der Erfindung besteht nun in der wei-Bei einem bekannten Transistor nimmt die Kon- teren Verringerung der Anfälligkeit der bekannten zentration des Dotiermaterials innerhalb der Basis- 45 Transistoren gegen den zweiten Durchbruch bei zone in der Nähe des Basis-Kollektor-Übergangs all- gleichzeitiger Erhöhung der Kollektorverlustleistung mählich auf Null ab und in der Kollektorzone steigt durch eine Verringerung des Kollektorbahnwiderdie Konzentration des Kollektor-Dotoermaterials von Standes. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß da-NuIl beginnend zunächst in gleichem Maße innerhalb durch gelöst, daß der spezifische Widerstand der KoI-eines basisnahen Teils der Kollektorzone bis zu 50 lektorzone stufenweise in mindestens drei Schritten, einem gewissen Maß an, um dann im Rest der KoI- die Kollektorschichten ergeben, abnimmt,
lektorzone wesentlich steiler anzusteigen (französische Hierbei wirkt die durch diese Abstufung gebildete Patentschrift 1 271 736). Bei einem weiteren bekann- mittlere Kollektorschicht als Puffer in einem Kollekten, in Mesa-Technik aufgebauten Transistor befin- torbereich, in welchem hohe Stromdichten auftreten, det sich auf einem niederohmigen Substrat, welches 55 Durch die Unterteilung der Kollektorzone in dieser einen Teil der Kollektorzone darstellt, eine dünne Form ergibt sich einerseits eine wirksamere Begrenwesentlich hochohmigere Kollektorschicht, an die zung der Kollektor-Raumladungsschicht, welche für sich die Basiszone anschließt, in welche wiederum die das Auftreten des zweiten Spannungsdurchbruches Emitterzone eingelassen ist (Proceedings of the IRE, maßgebend ist, zum anderen wird, insgesamt gesehen, Bd. 48, Nr. 9, S. 1642/1643). Derartige Transistoren 60 der Kollektorbahnwiderstand so klein gehalten, daß werden insbesondere als Hochfrequenz-Leistungs- die Kollektorverlustwärme niedriger gehalten wird transistoren, beispielsweise in stabilisierten Netzgerä- und somit eine stärkere Belastung des Transistors zuten, Umformern, Wechselrichtern und Verstärkern lässig wird.

verwendet. Infolge des höheren spezifischen Wider- Vorzugsweise wird die Kollektorzone in mehreren

Standes der Kollektorzone in der Nähe der Basiszone 65 Schichten unterschiedlicher Dotierung ausgebildet,

und des geringeren spezifischen Widerstandes der wobei der spezifische Widerstand innerhalb der ein-

Kollektorzone in größerer Entfernung von der Basis- zelnen Schichten konstant ist. Vorzugsweise kann fer-

zone erhöht sich gegenüber Transistoren, bei denen ner die am weitesten von der Basiszone entfernte