DE1564755A1 - Leistungstransistor - Google Patents

Description

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SIPMRWS AZTIMG'eSTSIIiSOHAPT München 2, 19.S[R 196 Berlin und München Witteisbacherplatz 2

P 15 64 755.9-33 PA 66/1790

Leistungstransistor

Bei der Herstellung von Leistungstransistören hat man sich ■bemüht, eine optimale Breite einer (im wesentlichen) streif enförmi^en, hochdotierten Emitterzone, die auf einer schwachdotierten Basiszone liegt, herauszufinden (siehe ζ. B. Proc. TRT: 46 (1958) 1220). Die "Basiszone" ist im allgemeinen der Grundkörper eines Leistungstransistors.

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Neue Unterlagen (*<ι. ■» s ι.-₁ ·, 2 m 1 setz 3 rf·· Ändtnipsejs?; <- 4,9.

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Sie ist gegenüber den übrigen Zonen dea Transistors schwachdotiert. Sie kann n- oder p-leitend oder sogar eigenleitend sein. Auf der einen Fläche einer im Prinzip scheibenförmigen Basiszone können hochdotierte "Emitterzonen" und "Basiskontaktzonen" erzeugt sein. Diese können ring- oder streifenförmig - durch Gräben voneinander getrennt - auf der Fläche aufeinanderfolgen. Auf jeder von diesen hochdotierten Emitterzonen bzw. Basiskontaktzonen sind dann die metallischen "Emitterkontakte" bzw. "Basiskontakte¹¹ aufgebracht. Die Emitterzonen und Basiskontaktzonen können z. B. kammartig ineinandergreifen, wobei die "Zähne" dieser"Kämme¹* durch "Stege" zusammengehalten werden. In diesen und ähnlichen Fällen ist der eine Kamm der "Emitter" und der andere Kamm die "Basis". Auf der gegenüberliegenden Fläche der Basiszone kann sich unter einem metallischen "Kollektorkontakt" eine hochdotierte "Kollektorzone"befinden. Die metallischen Kontakte des Transistors bedecken in der Regel den größten Teil der zugehörigen (hochdotierten) Zonen. Bestehen die Emitterzonen bzw. Basiskontaktzonen aus Streifen (z. B. geraden oder ringförmigen Streifen), so wird unter der "Breite" dieser hochdotierten Zonen die Streifenbreite verstanden. Als "Dicke" w der (schwachdotierten) Basiszone ist der Abstand der hochdotierten Zonen (Emitterzone und Basiskontaktzone) auf der einen Seite der Basiszone von der an deren anderer Seite liegenden (hochdotierten) Kollert· ~ torzone definiert.

Der Zusammenhang zwischen Emitterstrom I« und der Breite dg der Emitterzone ist durch eine Hyperbelfunktion auadrUckbar, die bei

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einem npn-Leistungstransistor folgendermaßen lauten kann:

I = f ι JL = I

Für d_E<^2L steigt f mit zunehmendem dg/2L relativ steil an. Für

„,^2L nähert sich f asymptotisch dem Wert 1. Dabei ist L die amtsipolare Diffusionslänge derfaus der hochdotierten Emitterzone in die schwachdotierte Basiszone injizierten) Ladungsträger, und

ο ,u und yu sind die Beweglichkeiten (z. B. in cm /Vsec) von Löchern

(p) bzw. Elektronen (n). beispielsweise liegt bei einem kammförmigen Emitter die optimale Emitterbreite etwa zwischen 1,6 L und 3,2 L.

der
Die Frage nach derfoptimalen Breite der Emitterzone entsprechenden optimalen Breite der Basiskontaktzone stellte sich bisher nicht. Man machte jedoch die Basiskontaktzonen häufig ebenso schmal wie die Emitterzonen. Diese Zonen und auch die zugehörigen Kontakte konnten nämlich aus technologischen Gründen kaum schmaler gemacht werden als es die Optimierungsvorschrift für die Emitterzonen forderte, denn bisher wurden die hochdotierten Zonen und die zugehörigen Kontakte an Lpistungstransistören in der. Regel durch Legierung hergestellt. Erst nachdem die Planar- sowie die Mesa- und Photoresisttechnik auch be: er Herstellung von Leiatungstransiatoren Anwendung finden kann, ist wan in der Lage, hochdotierte Zonen und auch Kontakte wesentlich geringerer Breite als in der Legierungstechnik herzustellen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Leistungstransistor mit Basiskonfaktzonen zu schaffen, die mit Rücksicht auf die optimierten Emitterzonen optimale Breite besitzen.

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Es soll dadurch erreicht werden, daß bei hoher Injektion aus dem Emitter in die schwachdotierte Basiszone der Stromverstärkungefaktor gegenüber bekannten Leistungstransistoren erhöht'wird und außerdem bei gleicher Leistung der Transistor kleinere Maße aufweist als bisher.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungstransistor mit einer Basiszone, an die mindestens eine Emitterzone und mindestens eine Basiskontaktzone angrenzen, die beide gegenüber der Basiszone hochdotiert sind und auf die metallische, im wesentlichen streifenförmig Kontakte aufgebracht sind, wobei bei Betrieb die Dichte der aus der hochdotierten Emitterzone in die Basiszone injizierten Ladungsträger groß gegenüber der Dotierungsdichte in der Basiszone ist. Dabei beträgt erfindungsgemäß die Breite der hochdotierten Basi kontaktzone höchstens 1/3, insbesondere 1/4 bis 1/12, der Breite der hochdotierten Emitterzone.

Die Breite der Basiskontaktzone ist erfindungsgemäß optimiert mit Rücksicht auf die Breite der Emitterzone, die Dicke w der Basiszone und die Diffusionslänge L. Weiterhin ist die Breite des Emitterkontaktes mit Rücksicht auf den Emitterstrom, die Dicke der Basiszone w und die Diffusionslänge L optimiert. Die Optimierungsvorschrift gilt vorzugsweise für Leistungstransistören mit hoher Injektion aus der hochdotierten Emitterzone in die echwachdotierte Basiszone.

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Die Basiskontaktzone an dem Leietungstransistor kann gemäß weiterer Erfindung so bemessen sein, daß die mittlere Dichte des die hochdotierte Basiskontaktzone durchfließenden Stromes etwa gleich der mittleren Stromdichte durch die hochdotierte Emitterzone ist. Die Breite d_R der Basiskontaktzone und die Breite d™ der Emitterzone können größenordnungsmäßig nach der folgenden Gleichung zusammenhängen:

B~"E \ cosh w/1/

In dieser Gleichung ist w die Dicke der Basiszone und 1 für einen npn-Transistor die mit

und für einen pnp-Transistor die mit

multiplizierte Diffusionslänge L.

Bei einem yiusführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Leistungstransistor betrug die Breite der Basiskontaktzone etwa 1/8 der Breite der Emitterzone. Gegenüber Leistungstransistoren, bei denen die Basiskontaktzone und die Emitterzone etwa gleich breit sind, wie das bisher üblich war, erhöhte sich erfindungagemäß .der Stromverstärkungefaktor (X bei hoher Injektion um fast den Faktor 2. Bei gleicher Leistung kann der erfindungsgemäße Transistor also, kleiner als bekannte Leistungstransistoren sein.

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An Hand der schematischen Zeichnung von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert; es zeigen

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Leistungstransistor im Querschnitt, Fig. 2 und 3 zwei Beispiele eines Transistors gemäß Pig. 1 in der Draufsicht,

Fig. 4 eine Meßkurve betreffend den Emitterstrom in Abhängigkeit von der Breite der Emitterzone,

Fig. 5 eine Meßkurve betreffend die Breite der Basiskontaktzone in Abhängigkeit von Dicke und Diffusionslänge der Basiszone.

Die auf der schwachdotierten Basiszone 1 befindlichen hochdotierten Emitterzonen 2 bzw. hochdotierten Basiskontaktζoneη 3 und entsprechen die darauf liegenden Emitterkontakte 4 bzw. Basiskontakte 5 gemäß Fig. 1 können sehr mannigfache Formen haben. Ein schematisches Bild einer kammartigen Ausführung ist in Fig. 2, ein schematisches Bild einer kreisförmigen Ausbildung in Fig. 3 gezeichnet. Die hochdotierte Kollektorzone 6 mit dem darüber liegenden Kollektorkontakt 7 kann eine ganze Fläche der Basiszone 1 bedecken. In einem Aueführun^sbeispiel betrug die Breite der Emitterzone d-, etwa 2 L (L = Diffusionslänge). Die Breite d« der Basiskontaktzonen bei dem kammartigen Transistor gemäß Fig. 2 beträgt etwa 1/8 der Breite der Emitterzonen. Die Basiszone 1 kann z. B. mit 10 Störstellen/cm schwach p-dotiert, die Fmitterzone 2 sowie die Kollektorzone 6 können mit 10 Störstellen/cm stark n-do.tiert (n*) und die Basiskontaktzone mit 10 Störstellen/cnr stark p-dotiert (p' ⁺ ) sein. In der Planar-, Mesa- bzw. Phatoresisttechnik läßt sich ein Leistungs-

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transistor mit den genannten Maßen - also mit optimalen Breiten von Emitterzonen und Basiskontaktzoneη herstellen.

Die in Fig. 4 gezeichnete Kurve 10 gibt die Abhängigkeit des Emitter stromes I-p von der Breite d^der hochdotierten Emitterzone und der

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Diffusionslänge L wieder, Es handelt sich um eine Hyperbelfunktion, die oben erläutert wurde. In der Ordinate ist diese Hyperbelfunktion f(d.p/?L) und in der Abszisse ist d„/2 L abgetragen. Das Optimum dieser Kurve liegt etwa zwischen 0,8 und 1,6 (d„/2 L). Für kleinere Werte von d,-, steigt d^pr Emitterstrom mit zunehmendem d„/2 L relativ

JPi JCi

stark an. Die gestrichelte Linie 12 zeigt die Steigung der Kurve 10 für dp/2 L=O. Für größere Werte von d-,/2 L nähert sich der Emitterstrom asymptotisch einem Maximum 11, so daß eine weitere Vergrößerung der Breite der Emitterzone d„ (bzw. Verkleinerung der Diffusions länge L) - über 1,6 (dx,/2 L) hinaus - zum Strom praktisch nichts beiträgt.

Tn Fiß". 5 ist eine Kurve betreffend die Breite d,, der hochdotierten Basiskontaktζone in Abhängigkeit von w/L (Dicke w und Diffusionslänge L der schwachdotierten Basiszone) aufgetragen. Die Zahlenwerte in d r Ordinate beziehen sich auf den StromverstärkungsfaktorCX, der der Quotient aus Kollektor- und Basisstrom "ist. Die Kurve 15 bezieht sich auf einen Leistungstransistor, bei dem die Breite der Basiskontaktzone d,, = 2 L ist. Diese Breite war bisher bei Basiskontaktzonen üblich und fällt in den optimalen Bereich der Breite d„ der Emitterzone. Bei den der Kurve 15 zu Grunde liegenden Transiel

ren war d,, = d« = 2 L. Wird die Breite d-, der Basiskontakt ζ one er-

D Ά JD

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findungsgemäß optimiert, so ergibt sich anstelle der Kurve 15 in Pig. 5 die Kurve 16. Pur die Kurve 16 ist

Z₁ _ 1

( " cοsh W/2L,

^dB ^{= 2L}

Für^einen bestimmten Wert von w/L, z. B. 0,8 ergibt sich gemäß Fig. 5 anstelle der früheren Stromverstärkung 01=4 erfindungsgemäß eine Stromverstärkung <* =7,5. Durch die erfindungegemäße Wahl der Breite der hochdotierten Basiskontaktzone kann der Leistungetransistor also wesentlich verbessert werden.

4 Patentansprüche

5 Figuren

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Claims (1)

1. PIA 66/1790 «I

   Patentansprüche '

   1. Leistungstransistor mit einer Basiszone, an die mindestens eine Emitterzone und mindestens eine Basiskontaktζone angrenzen, die beide gegenüber der Basiszone hochdotiert sind auf die die metallische, im wesentlichen streifenförmige Kontakte aufgebracht sind, wobei bei Betrieb die Dichte der aus der hochdotierten Emitterzone in die Basiszone injizierten Ladungsträger groß gegenüber
   der Dotierungsdichte in der Basiszone ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der hochdotierten Basiskontaktzone höchstens 1/3, insbesondere 1/4 bis 1/12, der Breite der hochdotierten Emitterzone beträgt.

   2. Leistungstransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiskontaktzone so bemessen ist, daß die mittlere Dichte dee sie durchfließenden Stromes etwa gleich der mittleren Stromdichte durch die Emitterzone ist.

   3. Leistungstransistor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die.Breite d^ der Basiekontaktzone und die Breite d« der Emitterzone größenordnungemäöig ,nach der Gleichung

   . ^dB^=dE ( ¹ - zusammenhängen, wobei w die Dicke der Basiszone und 1 für einen

   Heue Unterlagen (Art. 7 § 1 At». 2 Nr. 1 s«u a d·· Anferung«·». v. 4.9.1067)

   009820/OIOS

   156*755

   40. PU 66/1790

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   trad fur einen pnp-Transistor die «it

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   multiplizierte ambipolare Diffusionslänge L der in die Basiszone injizierten Ladungsträger ist, wenn u und ja die Beweg-Henkelten (in cm /Vsec) der Ladungsträger sind.

   4· Leistungsträger nach den Ansprüchen 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Emitterzone mit Rücksicht auf den Emitterstrom, die Dicke der Basiszone und die ambipolare Diffusionslänge L der Ladungeträger in der Basissone optimiert ist und insbesondere «wischen 1,6 und 3,2

   - 10 - TC/Btl

   UnteHaeen (Art 7j ι anl a wr. ι at« 3 ä» ¥■<·»· t»"^

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