DE2064196A1

DE2064196A1 - Halbleiterbauelement mit Emitter, Basis und Kollektor, insbesondere Transistor hoher Arbeitsgeschwindigkeit

Info

Publication number: DE2064196A1
Application number: DE19702064196
Authority: DE
Inventors: Hwa Nien Yorktown Heights N Y Yu (V St A)
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1969-12-30
Filing date: 1970-12-29
Publication date: 1971-07-15
Also published as: FR2072114A1; FR2072114B1; JPS477422B1

Description

2064198

28. Dezember 1970 Dr. Schie/E

Docket YO 969 048

U.S. Serial No. 889 050

Anmelderin: International Business M_achines Corporation, Armonk, New York 10504 (T. St. A,)

Vertreter: Patentanwalt Dr.-Ing. Rudolf Schiering» 703 Böblingen/Württ., Westerwaldweg 4

Halbleiterbauelement mit Emitter, Basis und Kollektor, insbesondere Transistor hoher Arbeitsgeschwindigkeit

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit Emitterzone, Basiszone und Kollektorzone, insbesondere einen Hochgeschwindigkeitstransistor. Die Erfindung betrifft vor allem mehr noch einen Transistor mit kontrollierter Tunneldioden-Kollektor-Junctiono

Die Geschwindigkeit eines Transistors wird generell durch die Frequenzen f- und f_max gemessen. Die Frequenz f_, ist diejenige Frequenz, bei welcher die Stromverstaining gleich eins ist. Die Frequenz f ist dagegen diejenige Frequenz,

HLoQC

bei welcher die Leistungsverstärkung gleich eins ist.

Die Frequenz f™ ist gegeben durch die Beziehung

* V 1

Hierbei ist Xdie Übertragungszeit der Ladungsträger durch den Transistor, d. h„ die Ubertragungszeit vom Emitter zum Kollektor. Bei bekannten Transistoren findet man für £„

_ P —

10982971627

2064198

einen Wert von 8 "bis IO gHz,

Die Frequenz f___w ist gegeben durch dieBeziehung max

max

Hierbei ist r, der Basiswiderstand und C ist die Kollektorkapazität. Bei konventionellen Hochgeschwindigkeitstransistoren ist f_-„ etwa 5 "bis 8gHz₀

Frühere Versuche zur Herstellung von Hochgeschwindigkeitstransistoren umfaßten auch Methoden zur Verkleinerung von r, und Co Da Transistoraktionen auch erfordern, daß die Basisschichtdicke viel kleiner ist als die Diffusionslänge der dort auftretenden Minoritätsträger, sind auch Versuche angestellt worden, die Basisschichtdicke auf ein Mindestmaß zu verringern·

Um sowohl den Basiswiderstand als auch die Kollektorkapazität zu reduzieren, ist es notwendig, die Basiszone stark zu dotieren. Wenn jedoch die Basiszone stärker dotiert wird als die Emitterzone, dann erfolgt die Injektion von Ladungsträgern eher von der Basis zum Emitter als vom Emitter zur Basis, wenn eine Transistorwirkung zustande kommen soll·

Um dies zu kompensieren, ist es notwendig, einen Heterojunctionemitter zu verwenden, wobei, die Energielücke des Emittermaterials größer ist als die Energielücke des Basismaterials· Dies ist der an sich bekannte "Breitlücken"-Emitter, dessen Punktion darin besteht, eine große Zahl von Minoritätsträgern in die Basiszone einzugeben. Je größer natürlich die Zahl der in die Basis injizierten Ladungsträger ist, desto größer wird die Stromabgabe vom Kollektor sein.

109820/1627

206A196 - 3 -

Sog_ar mit einem Breitlücken-Emitter bestiinmen die oben erwähnten Beschränkungen der Basisschiehtdicke, des Basiswiderstandes r^ und der Kollektorkapazität G noch die Geschwindigkeit der Transistoren, und f™ hat einen oberen Grenzwert von etwa 1OgHz, während f_„„ eine obere Grenze

max

von etwa 8gHz hat.

Zur Geschwindigkeitsbegrenzung bekannter Transistoren kommt noch hinzu, daß kein Hochgeschwindigkeitstransistor bekanntgeworden ist, der die Fähigkeit des Speicherns aufweist, d. h« welcher zwei oder mehr als zwei stabile Gleichstromzustände annehmen kann. Ein solcher Speichertyp ist vom "dynamischen" Speicher zu unterscheiden, in welchem die Information unveränderlich zwischen verschiedenen Bauelementen verschoben wird und in diesem Sinne "gespeichert" wird· Die frühere Nur-Einzel-Vorrichtung, welche bistabile Gleichstromzustände enthält, ist ein gesteuerter Siliciumgleichrichter, welcher ein Vierzonenbauelement ist und äußerst langsam arbeitet.

Ein Transistor, der sowohl hohe Geschwindigkeit hat als auch Speicherfähigkeiten aufweist, würde ein sehr nützliches Bauelement sein. Er würde Anwendungsmögliehkeiten sowohl bei logischen digitalen Schaltungen als auch bei Speichersystemen haben.

Die* der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht danach darin, einen Transistor zu schaffen, dessen Gesohwindigkeitseigenschaften höher sind als jene der bisher bekannten Transistoren. Ein anderes Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Hochgeschwindigkeitstransistors mit Speicherfähigkeiten.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Hochgeschwindigkeitstransistors, der ausgangsseitig

10ÖÖ29/1627

2064198

- 4 im Gebrauch eine negative Widerstands-Kennlinie zeigt.

Ein anderes Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Hochgeschwindigkeitstransistors, der eine negative Widerstandscharakteristik hat, welche verschoben und gesteuert werden kann.

Noch ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Erstellung eines Hochgeschwindigkeits-Halbleiterbaiielements mit negativen Widerstandskennlinien, wobei das Bauelement selbst zur Ausübung multipler Stromkreisfunktionen bzw» Schaltungsfunktionen imstande ist.

Für einen Minoritätsträger-Transistor hoher Arbeitsgeschwindigkeit, der einen Heterogunction-Emitter aufweist, besteht die Erfindung darin, daß die Bandlücke im Bändermodell des Emittermaterials größer ist als diejenige des Basismaterials (Breitlückenemitter), daß der Basisbereich und der Kollektorbereich entartet dotiert sind, daß der Kollektorübergang (Junction) eine Tunneljunctiondiode ist, daß der Transistor eine negative Widerstandskennlinie aufweist und zum Speichern und Verstärken eingerichtet ist, und daß durch Änderung des Emitterstromes die Tunnelkennlinien verschiebbar sind und auch das Verhältnis von Spitzenwert zum Talwert modulierbar ist, so daß dieser Breitlückenemitter als eine Kontrolle für eine Zweiklemmentunneldiode funktioniert«

Die Erfindung stellt somit einen Hochgeschwindigkeitstransistor mit steuerbaren Speichereigenschaften, welche seinen negativen Widerstandscharakteristiken zuzuschreiben sind, dar.

Dieser Transistor besitzt Zonen für den Emitter, für die Basis und für den Kollektor. Der Emitter ist eine Hetero» junction-Emitterform. Die Bandlücke des Emittermaterials

— 5 —

109820/1827

soll größer sein als die Bandlücke im Bändermodell des Basismaterials. Eine derartige Bandlückenverschiedenheit ist beim Transistor an sich, und zwar unter dem Hamen Breitlücken-Emitter, bekannt. Sowohl der Basisbereich als auch der Kollektorbereich sind beim Transistor nach der Erfindung bis zu Entartung dotiert. Dazu kommt noch hinzu, daß die Kollektorjunction eine Tunneljunction ist.

Die Entartungsdotierung ist bereits bei der Tunneldiode, auch Esaki-Diode genannt, bekannt, vgl. u. a. R. Gremmelmaier "Physikertagung Wiesbaden" Physik Verlag Mosbach/ Baden 1961, S. 132 bis 148 und L. Esaki Phys. Rev. Band Io9 (1958), S. 6OJ. Das Verhalten hochdotierter Dioden wurde von L. Esaki entdeckt. Bei diesen hohen Störstellenkonzentrationen bilden die Störstellen ein Energieband,'das mit dem Leitungsband überlappt, wenn es sich bei den Störstellen um Donatoren handelt, bzw. das mit dem Valenzband überlappt, wenn es sich um Akzeptoren handelt. Das hat zur Folge, daß sich erlaubte Energiezustände in die verbotene Zone hinein erstrecken. Die verbotene Zone wird kleiner, womit wiederum die Tunnelwahrscheinlichkeit größer wird. In einer Tunneldiode müssen sowohl das ίΤ-Gebiet als auch das P-Gebiet entartet sein und der Übergang von einem Gebiet zum anderen muß möglichst abrupt erfolgen.

Beim Transistor nach der Erfindung ist die Breite der Basiszone kleiner als die Diffusionslänge der Minoritätsträger, um eine Transistorwirkung zu gewinnen. Die Erfindung kann indessen als eine Tunneldiode mit dritter Elektrode angesehen werden, wobei diese erfindungsgemäße dritte Elektrode in vorteilhafter Weise eine Steuerung der l'urineldiodencharakberistiken lieferte

In dieser Hinsieht braucht die Basisbreite nicht wesentlich kleiner zu sein als die Diffusionslänge der Minori-

— D —

100829/1627

tätsträger in der Basiszone. Im Grunde werden die Tunneldiodenkennlinien des Kollektorübergangs (junction) durch den Emitterstrom gesteuert. Wenn die injizierte Ladungsträgerdichte ausreichend hoch ist (vergleichbar mit der Trägerdichte in der Basis oder größer als die Trägerdichte der Basis)derart, daß die dynamische Trägerdichte im Basisbereich erhöht wird, wird die Tunnelwahrscheinlichkeit beeinflußt, so daß ein höherer Tunnelstrom erzielt wird₀ Dies ändert das Verhältnis des Spitzenstromes zum Talstrom in der Tunneldiodenkennlinie. Hinzu kommt noch, daß die gesamten Tunneldiodencharakteristiken mit veränderlichem Emitterstrom verschoben werden.

Bezüglich der Emitterschichtdicke gibt es keine besonderen Beschränkungen» Diese kann so gewählt werden, daß sie der Emitterschichtdicke konventioneller Hochgeschwindigkeitstransistoren nahekommt. Ein geeignetes Maß hierfür liegt im Schichtdickenbereich von 2000 bis 3000 Angström. Der .Kollektorbereich kann auch willkürlich gewählt werden und beträgt gewöhnlich bis zu etwa 2000 Angström«

Der Emitter wird annähernd mit lO^"¹" bis IQ"^ Atomen pro cm dotiert» Der Emitter sollte nicht entartet dotiert sein» Das Dotierungsminimum ist nur durch den Wunsch gesetzt, den Emitterwiderstand und die Emitter-Basis-Übergangskapazität niedrig au halten»

Der Basisbereich ist entartet dotiert und zwar mit etwa

18 ³J

5⁰IO Atomen pro cm. Der Kollektorbereich ist ebenfalls entartet dotiert. Er wird mit angenähert demselben Niveau dotiert wie der Basisbereich. Die Degenerationsdotierung des Kollektors liefert den Kollektortunnelübergang (junction).

Es isfc auch möglich, dieses Halbleiterbauelement nach der

109Ö29/1627

BAD ORIGINAL

2064198 - 7 -

Erfindung in einer monolithischen Umgebung zu fabrizieren, in welcher sowohl die Basiszone als auch der Kollektorbereich in ein Substrat eingebettet werden.

Hinzu kommt, daß auch eine Dünnschicht-Ausführung möglich ist, bei welcher der Kollektorbereich, der Basisbereich und der Emitterbereich planare Schichten sind, wobei die Basiszone und die Kollektorzone durch einen schmalen isolierenden Bereich getrennt sind. Der Isolator kann zum Beispiel ein Oxyd sein. Bei dieser Ausführungsform kann der Kollektorbereich entweder ein Halbleiter oder ein Metall sein.

Die Erfindung dieser Anwendung bringt viele Vorteile, zu denen die erreichbare hohe Arbeitsgeschwindigkeit gehört. Bei dieser Erfindung korjite festgestellt werden, daß die Übertragungszeitfrequenz f™, welche der Übertragungszeit der Ladungsträger durch den Transistor hindurch entspricht, von der Übertragungszeit durch die Sperrschichten innerhalb des Bauelements abhängt.

Durch Schaffung einer Tunnelkollektorgunction wird die Übertragungsseit herabgesetzt, weil die Dicke der Verarmungsschicht in einer TunneIjunction kleiner ist als diejenige eines nichttunnelnden pn-Übergangs. Infolgedessen wird die Kollektor-Übertragungszeitfrequenzgrenze annähernd 10 bis 20 mal größer in der Struktur nach der Erfindung,

Da die Frequenz f-, größer wird, wird die Maximalfrequenz f _e„ der Oszillation größer, vorausgesetzt es gibt keinen

IUoIJC

Geschwindigkeitsverlust infolge des Basiswiderstandes r^ und der Kollektorkapazität.» Bei der Erfindung ist der Basiswiderstand v, klein, weil die Basis entartet dotiert ist. Jedoch kann die Kollektorkapazität C höher sein, da sowohl die Basis als auch der Kollektor entartet dotiert sind. Dies tendiert zu einem Ausgleich zueinander_e

100-8 29/1627

Da der Transistor selbst zum Schwingen ohne eine äußere' Kückkopplungsschleife fähig ist, braucht f__a__ kein bedeutungsvoller Parameter für die Auslegung und Bemessung des Transistors zu sein. Bei der Abhängigkeit, wie der Transistor verwendet wird, kann es möglich sein, daß nur die Tunneldioden-Zeitkonstante des Kollektorübergangs von Wichtigkeit ist. Die Geschwindigkeit dieses Transistors wird annähernd fünf bis zehnmal so groß sein wie bei den konventionellen Hochgeschwindigkeitstransistoren.

Ein anderer Vorteil des Transistors nach der Erfindung besteht darin, daß er fähig ist, bistabile Gleichstromzustände* anzunehmen. Im Gegensatz zu den sehr langsamen bekannten bistabilen Transistoren bringt die Erfindung einen Hochgeschwindigkeit stransis tor mit Speicherfähigkeiten,

Zu den Speicherfähigkeiten kommt bei der Erfindung hinzu, daß die ausgangsseitigen Kennlinien dieses Transistors einen negativen Widerstand enthalten. Dieser negative Widerstand kann durch den Emitterstrom verschoben werden. Der negative Widerstand kann auch gesteuert werden. Unter"Steuerung" ist hierbei das Ändern des Verhältnisses des Spitzenstromes zum Talstrom zu verstehen. Deshalb kann nicht nur die Ausgangskurve verschoben werden, es kann auch die Gestalt einer solchen Kurve geändert werden.

Mit dieser Eigenschaft des Transistors nach der Erfindung ist es möglich, einen einzigen Transistor als Oszillator, als monostabiles Bauelement oder als bistabiles Element zu benutzen. Die Arbeit in jeder dieser drei Arten ist ohne den Gebrauch eines externen Schaltkreises möglich«

Die Erfindung sei nachstehend an Hand der schematischen Zeichnungen von bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert. Aus der nachstehenden Beschreibung ergeben

10ÖÖ2Ö/1627

'1!''"'!(!!.Sl J!?¹!! JiftiiiHII'IIJIIIiiiliiiälFiii"»!«!»!!",.": ;|i:

- 9 _■

sich Weiterbildungen des Erfindungsgedankens, sowie weitere Aufgabenziele und Vorteile der Erfindung,

Die Fig. 1 enthält eine Darstellung einer pnp-Transistor-Struktur gemäß der Erfindung·

Die Fig· 2 zeigt das Energiebandschema für den pnp-Transistor nach Fig. 1.

Die Fig. 3 ist eine Diagrammdarsteilung des Kollektorstromes in Abhängigkeit von der Kollektor spannung bei verschiedenen Emitterströmen. Diese Darstellung zeigt die Verschiebung der Kollektor-Tunnelkennlinien
in Abhängigkeit von der Anzahl der in die Basis
injizierten Minoritätsträger·

Die Fig. 4 ist eine Diagrammdarstellung des Kollektorstromes in Abhängigkeit von der Kollektor spannung für
verschiedene Emitterströme. Diese Darstellung illustriert die .änderung in der Gestalt der Kollektro-TunnelJunction-Kennlinien als Funktion der
dynamischen Trägerdichte im Basisbereich.

Die Fig. 5 ist eine Diagrammdarstellung des Kollektorstromes in Abhängigkeit von der Kollektorspannung für die Schaltung nach Fig. 1, wenn diese als Gatter-Oszillator betrieben wird.

Die Fig. 6 ist eine Diagrammdarstellung des Kollektorstromes in Abhängigkeit von der Kollektorspannung für die Schaltung nach Fig. 1, wenn diese als monostabile Vorrichtung arbeitet.

Die Fig. 7 ist eine Diagrammdarstellung des Kollektorstromes in Abhängigkeit von der Kollektorspannung für die

- ίο ■-■
109620/1627

Schaltung nach Fig. 1, wenn diese als bistabile Vorrichtung arbeitet·

Pie Fig. 8 zeigt eine monolithische Ausführungsform eines pnp-Transistors nach der Erfindung.

Die Fig. 9 zeigt eine Dünnschichtausführungsform eines Transistors nach der Erfindung.

Die Fig.10 zeigt das Energiebandschema für den Transistor nach Fig. 9·

Die Fig.11 ist eine Diagrammdarstellung des Kollektorstromes in Abhängigkeit von der Kollektorspannung für den Transistor nach Figo 9·

Der in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Transistor hat eine pnp-Struktur. Die zugehörige Vorspannungsschaltung ist in Fig. 1 mit angegeben. Es ist klar, daß an Stelle einer pnp-Struktur auch npn-Strukturen bei der Erfindung vorgesehen sein können. Es ist nur notwendig, die Dotierungsstoffe in den verschiedenen Transistorbereichen zu wechseln, um zu einer npn-Struktur zu gelangen. Im Falle eines npn-Transistors würde auch die Vorspannung in an sich bekannter Weise zu ändern sein_o

Der Transistor selbst besteht aus einem Emitterbereich (e), einem engen Basisbereich (b) und einem Kollektorbereich (c). Für den Transistor sind die Gleichstrom-Vorspannungsquellen 20, 22 vorgesehen, wobei die Vorspannungsquelle 20 veränderbar ist. Mit Rr ist in Fig. 1 der Lastwiderstand bezeichnet. Ferner ist ein Eingabe-Signalgenerator 2A vorgesehen, welcher den Stromfluß in der Emitterzone variiert. Diese variable Steuerung verschiebt und ändert die Gestalt der Ausgangskennlinien. - 11 -

109829/1627

In dem Transistor nach Fig. 1 ist ein Breitlückenemitter vorgesehen, "bei dem die Energiebandlücke des Emittermaterials großer ist als die Energiebandlücke des Basismaterials. Zusätzlich ist dabei noch der Basisbereich entartet dotiert· Aus diesem Grunde ist der EmitterÜbergang (Emitterjunction) eine Heterojunction, weil das Material des Emitters verschieden ist von dem der Basis„ Der Kollektorbereich ist ebenfalls entartet dotiert und kann aus dem gleichen Material bestehen wie die Basis oder er kann aus einem anderen Material wie die Basis bestehen.

Der Breitenergielücken-Emitter ist an sich bereits durch die amerikanische Patentschrift 3 4-13 533 bekanntgeworden. Er ist auch von H. Kroemer unter dem Titel "Quasi Electronic and Quasi Magnetic Fields in !Ton- uniform Semiconductors" in der Zeitschrift RCA Review, September 1957 auf Seite 336 beschrieben worden. Generell wird der Breitlücken-Emitter in einem Transistor verwendet, um die Injektionsleistung am Emitter, unter Rücksichtnahme auf die Reduktion der Emitterkapazität wegen der zulässigen Abnahme der Emitterdotierung, zu verbessern.

I¹Ur eine Erörterung, wie ein solcher Emitter herzustellen ist, sei auf die vorstehend erwähnte Patentschrift und auf die erwähnte Veröffentlichung von H. Kroemer verwiesen. Es sei noch die amerikanische Patentschrift 3 366 517 äer IBM genannt. In dieser amerikanischen Patentschrift 3 366 517 ist eine epitaktische Nachdiffusionsmethode für die Herstellung von Transistoren beschrieben, wobei auch die bekannten Methoden zur Fabrikation von Heterojunction-Bauelementen erörtert sind. Insbesondere ist eine Methode zur Fabrikation eines Transistors beschrieben, der aus einem p-Typ~GaAs-Emitter, einer n-Typ-Ge-Basis und einem p-Typ-Ge-Kollektor besteht.

Um die Transistorwirkung zu bekommen, sollte die Basisschicht-

- 12 -

1ÖÖ823/1627

dicke kleiner sein als die Diffusionslänge der Minoritätsträger in der Basis. Allgemein gilts Je schneller die Basis, um so größer die Stromverstärkung β von der Basis zum Kollektor. Es gibt jedoch noch eine Transistorwirkung, wenn die Basisdicke annähernd gleich der Diffusionslänge der dort befindlichen Minoritätsträger ist. Dies ist deshalb so, weil noch einige Minoritätsträger in der Basis vorhanden sind, selbst wenn die Basisschichtdicke annähernd so groß ist wie die Diffusionslänge.

Die Stromverstärkung nimmt indessen zu, da die Basisbreite schmal gemacht ist, was aus der Literatur an sich bekannt ^ ist. E¹Ur die Ausübung der Erfindung ist es vorzuziehen, daß die Basisschichtdicke kleiner gemacht wird als die Diffusionslänge der dort befindlichen Minoritätsträger. Generell wird die Basisschichtdicke angenähert 1000 bis 1500 Angström betragen.

Für die Emitterschichtdicke gibt es keine Beschränkung. Sie kann denselben Wert haben wie die Emitterschichtdicke eines konventionellen Hochgeschwindigkeitstransistors· Diese Dicke für die Emitterschicht liegt im Bereich von 2000 bis 3000 Angström.

Auch die Eollektorabmessungenand willkürlich. Die Kollektorschichtdicke liegt aufwärts von 20Ό0 Angström. Der BuIkwiderstand des Kollektors wird natürlich von seiner Dicke abhängen. Bei besonderen Anwendungen wird es wünschenswert sein, einen nicht zu dicken Kollektor zu haben, da dies sonst einen hohen Kollektorwiderstand zur Folge hat. Diese Überlegungen sind dem Transistor-Konstrukteur an sich bekannt und sollen hier nicht weiter getrieben werden.

Was die Dotierungsniveaus der verschiedenen Schichten betrifft, so sind diese Bereiche nicht kritischer· Sowird zum

- 13 -

109829/1627

i.ii.iiii ι r«'t:'i'fi{|||)|||;

206Λ196

- 13 -

Beispiel der Emitter im Bereiche von 10 bis 10 Atomen pro cm dotiert. Der Emitter wird generell mit einem Wert

14 5

oberhalb 10 Atomen pro cm dotiert, und es gibt keine obere Grenze, ausgenommen, wenn der Emitter nicht entartet

14 dotiert wird. Wenn der Emitter bis zu mindestens 10 Atomen

-χ
pro car dotiert wird, wird dies naturlich den Emitter-Bulk-

widerstand klein halten_e

Der Emitter muß weniger stark dotiert sein als die Basis damit das Breitlücken-Emittermaterial eine Injektion in die Basis ermöglicht.

Die Basiszone wird entartet dotiert und wird eine Konzentration von 5·10 Atomen pro cm und darüber haben. Zum Beispiel kann die Dotierung bei einem Germaniumbasisbereich

19 -5

bei über 10 ^y Atomen pro cnr liegen«

Der Kollektor ist auch entartet dotiert. Sein Dotierungsniveau liegt angenähert bei jenem der Basis, d, h. bei

18 ·5

5°10 Atomen pro cm ·

Hinzu kommt, daß viele Halbleitermaterialien zur Ausübung der Erfindung Verwendung finden können. Einige repräsentative Beispiele sind hierfür in der Tabelle zusammengestellt·> Wesentlich für das Emittermaterial ist, daß das auszuwählende* Material eine breite Energielücke hat und in der Lage istj Injektionen von Minoritätsträgern in eine entartet dotierte Basiszone zu ermöglichen. Der Kollektorübergang (junction) muß eine Tunneljunction (homojunction oder heterojunction) sein, welche Minoritätsträger aus der Basiszone sammelte

Die Grenzschicht (juction) zwischen der Basis und dem Kollektor kann entweder eine Homogrenz schicht oder eine Ke.terogrenzschicht sein. Beide bilden Tunnelgrenzschichten, die geeignet sind, Basisminoritatstrager durch die Kollektorzone einzusammeln. Ein vorteilhaftes Beispiel einer Heterojunc-

- 14 -

109829/1627

tion-Basis-Kollektorjuction wäre, wenn der Emitter aus Galliumarsenid, die Basis aus Germanium und der Kollektor aus Galliumarsenid "bestehen würde.

Tabelle

Emitter	Basis	Kollektor
Ga P	Si *	Si
GaAl_xAs₁^_x	Ge .	Ge
GaP As₁	Ge	Ge
Ge-Si Legierung	Ge	Ge
ZnSe	Ge	Ge
ZnS	Si	Si
Ga As	Ge	Ge
Ga As	Ge	Ga As

Fig. 2 zeigt das Energiebandschema für den Transistor nach Fig. 1. Aus diesem Diagramm kann man ersehen, daß das Ferminieveau im Leitungsband der n-Typ-Basiszone und im Valenssband der p-Typ-Kollektorzone liegt. Pas heißt, daß sowohl die Basis als auch der .Kollektor entartet dotiert sind und daß es eine Tunnelgrenzschicht zwischen der Basis- .und der Kollektorzone gibt«

Die Majoritätsträger im Emitter, in diesem !Falle Defektelektronen,, werden in die entartet dotierte Basiszone injiziert, weil der Emitter aus Breitlückenmaterial besteht» Wenn die Basiszone kleiner ist als die Diffusionslänge für Defektelektronen, dann werden diese Ladungsträger (welche Minoritätsträger in der Basiszone sind) durch die Basis diffundieren und können durch die Grenzschicht (junction) zwischen der Basis- und der Kollektorzone tunneln=, "weil der Verarmungsbereich, welcher einer. Turmelgrenzschicht zugeordnet ist, kleiner ist als der Verarinungsbereich bei einem nichttunnelnden pn-übergang, wird die Übertragungszeit der Minoritäts-

' - 15 -

109829/1827

- 15 -

träger von der Basiszone in die Kollektorzone kleiner sein als beim konventionellen Transistor. Die Kollektorleistungsfähigkeit ist sehr hoch, so daß jede Minoritätsträgerdrift von der Basiszone durch die Kollektorgrenzschicht im Kollektorbereich aufgefangen wird.

In Fig. 3 sind Kurven für das Verhalten des Kollektorstromes (in mAmp) als Funktion der Kollektorspannung (in Volt) bei verschiedenen Emitterströmen (m Amp) gezeigt. Aus diesen Kurven kann man ersehen, wie die Emitterströme die Tunneleigenschaften des Kollektors beeinflussen. Dies ist der Transistorwirkung des Bauelements zuzuschreiben, in welchem Minoritätsträger aus der Basis zum Kollektorstrom hinzukommen.

Figo 4· illustriert eine andere Änderung, welche in Abhängigkeit von der dynamischen Trägerdichte in der Basiszone vorkommt. Tatsächlich ist der Effekt der Injektion von Minoritätsträgern in die entartet dotierte Basis und das anschließende Tunneln in den Kollektorbereich eine Kombination der in den Figuren 3 und 4 gezeigten Effekte. Aus Gründen der Darstellung und zur Erleichterung des Verstehens sind diese Effekte getrennt durch die Figuren 3 und 4· gebrachte Fig. 3 zeigt die Verlagerung der Kollektorcharakteristik bei variablen Emitterströmen, während Fig. 4· die Änderung der Gestalt der Kollektorcharakteristik infolge einer Änderung des Emitterstromszeigt.

Nach Fig. 4· wird das Verhältnis des Spitzenwertes zum Talwert in den Kurven geändert wenn die Emitterstromdichte geändert wird. Wenn danach der Emitterstrom ansteigt, nimmt das Spitze-zu-Tal-Verhältnis zu. Wenn die injizierte Trägerdichte ausreichend hoch ist (vergleichbar mit dem Basis-Dotierungsniveau oder größer als das Basis-Dotierungsniveau), so daß die dynamische Trägerdichte in der Basiszone erhöht wird, wird die Tunnelwahrscheinlichkeit vergrößert, und ein höherer Tunnels brom oder Spitzenscroni ist die Folge.

- 16 -

109829/1627

Anschließend sei die Kontrolle der Tunnelcharakteristiken in größeren Einzelheiten "beschrieben.

Das Verhältnis von Spitze zu Tal wird gesteuert, wenn die Zahl der injizierten Ladungsträger, welche durch die Tunnel-Kollektorgrenzfläche diffundieren vergleichbar ist mit der Kollektordotierung (oder größer als die Kollektordotierung ist), welche selbst sehr hoch ist. Das heißt, die Qualität der Tunneldiodencharakteristiken ist abhängig vom Dotierungsniveau d. h. von der Breite der Verarmungsschicht. Je stärker die Dotierung, desto enger ist die Verarmungsschicht und desto größer ist die Tunnelwahrscheinlichkeit· *

Wenn die Tunnelwahrscheinlichkeit wächst, dann nimmt auch der Tunnelstrom zu und das Verhältnis von Spitze zu Tal wird größer. Demzufolge ist das Verhältnis Spitze zu Tal eine Funktion der Dotierung in der Basiszone und in der Kollektorzone. Die Injektion maduliert stark die effektive Trägerdichte sowohl in der Basiszone als auch in der Kollektorzone. Die Basiszonendichte wird natürlich am meisten direkt durch eine hohe Injektion beeinflußt. Dynamische Änderungen in der Trägerschicht in der Basis und im Kollektor verursachen Änderungen in der Tunnelwahrscheinlichkeit mit konsequenten Änderungen im Verhältnis der Spitze zum Tal.

In dieser Weise werden die Tunnelcharakteristiken, wie in Fig. 3 gezeigt ist, nicht nur verschoben, sondern auch, wie in Fig. 4 gezeigt ist, geändert. Nach Fig. 3 sind die Emitterströme kleiner als in Fig. 4-, um Tunnelcharakteristiken zu schaffen, welche nur verschoben werden, nicht aber in ihrer Gestalt geändert werden»

Bei der Fabrikation des Halbleiterbauelements nach der Erfindung kann es ratsam sein, ein Bauelement herzustellen,

- 17 -

10982 9/1627

welches ein sehr kleines Spitze-zu-Tal-Verhältnis, etwa ähnlich dem nach Kurve A in Fig. 4, hat. Ein Halbleiterbauelement mit dieser Eigenschaft hat eine niedrigere Dotierung und würde leichter herzustellen sein. Hinzu kommt, daß die Modulation des Spitze-zu-Tal-Verhältnisses mit solch einer Diode ausgeprägter ist, und die Effekte der Modulation können leichter in den Anwendungsschaltungen ausgenutzt werden.

Die Figuren 5» 6 und 7 enthalten Diagramme für den Strom in Abhängigkeit von den Spannungscharakteristiken für den Transistor nach Fig. 1, wenn er als Schaltungselement von selbst und durch sich selbst betrieben wird. Damit ist gemeint, daß der [Transistor in der Lage ist, verschiedene Schaltkreis- oder Stromkreisfunktionen ohne das Erfordernis zusätzlicher Schaltungs-Hardware auszuüben,, Diese dem einzelnen Transistorbauelement nach der Erfindung anhaftende Fähigkeit ist der Tatsache zuzuschreiben, daß sein Ausgang Tunneldiodencharakteristiken aufweist, welche sowohl in der Gestalt als auch in der Versetzung geändert werden können.

Mit den Figuren 5» 6 und 7 illustriert sind drei Schaltungsbauelemente/der Gate-Oszillator, das monostabile Bauelement bzw. das bistabile Bauelement. Jedes dieser Bauelement verwendet die Vorspannungseinstellung nach Fig· 1 und sei nachstehend im einzelnen näher erläutert«

Fig. 6 zeigt ein Diagramm für den Strom in Abhängigkeit von der Spannungscharakteristik für den Transistor nach Fig. 1» Er ist gemäß Fig. 1 vorgespannt, wenn er als Gate-Oszillator verwendet wird. Die Funktion dieser Schaltung besteht darin, Ausgangsschwingungen zu schaffen, die abhängig sind vom Eingang eines Triggerimpulses. Der Trigger köiurfce d'ir-ch irgendeinen Typ einer Quelle geschaffen sein, welche einen Zusatzstrom in den Emitter, so wie die Quelle 24-, liefert,

- 18 -

109 829/1627

- 18 -

Dieser wird die Tunnelwahrscheinlichkeit beim Tunneln in den Kollektorbereich, wie oben erläutert, erhöhen»

Da der Transistor eine Tunnelcharakteristik hat, gibt es einen Bereich mit negativem Widerstand (negative Verlauf der I-V-Kurve). Der Transistor schwingt, wenn er in diesem Bereich vorgespannt wird. Er wird außerhalb dieses Vorspannungsbereichs nicht oszillieren. Das Vorhandensein oder das Ausbleiben eines Triggerimpulses kann die Tunneldiode von einem Bereich in den andern bringen und dadurch seine Oszillationen gattern (daher die Bezeichnung "Gate-Oszillator")ο

Nach lig. 5 ist die Kurve A die Tunnelcharakteristik, wenn es keine Triggerspannung gibt oder wenn die Triggerspannung unter einen Minimumwert liegt. Die mit L bezeichnete Lastgerade hat eine Neigen von 1 s E-, wobei IL. der Lastwiederstand ist, welcher der Kollektorelektrode zugewiesen wird»

Die Kurve B in Fig. 5 entspricht der Tunnelausgangscharakteristik, wenn der Triggerimpuls mit ausreichendem Betrag vorhanden ist, um die Tunnelausgangscharakteristik zu ändern» Die Änderung wird mit aller -Wahrscheinlichkeit eine Verschiebung sowie eine Änderung im Spitze-zu-Tal-Verhältnis mit sich bringen. Die Kurve A entspricht einer Emitterspannung I während die Kurve B einem erhöhten Emitterstrom I _+/i entspricht ο - -

Ist der Emitterstrom gleich I , dann schneidet die Widerstandsgerade die Kurve A im Punkte A¹* Dies liegt im negativen Widerstandsbereich, so daß der Transistor zum Schwingen kommt«,

Wenn der Emitterstrom auf I +(^erhöht wird, dann ändert sich die Ausgangscharakteristikj und die Widerstandsgerade wird die Kurve B im Punkts B¹ schneiden« Dieser liegt aber außer-

- 19 -

109329/1627

halb des negativen Widerstandsbereiches der Kurve B. In diesem Außenbereich wird die Tunneldiode nicht oszillieren und die AusgangsOszillationen werden gesperrt. Im Bedarfsfalle kann der Kollektorschaltung nach Fig. 1 ein abgestimmter Kreis beigefügt werden, um Schwingungen einer besonderen Frequenz zu erhalten. Derartige Modifikationen sind jedoch an sich bekannt«

Fig. 6 zeigt die AusgangscharakteEistik des Transistors nach Fig. 1, wenn dieser Transistor als monostabiles Bauelement verwendet wird. Hier ist der Emitterstrom des Transistors so eingestellt, daß die Lastgerade L die Ausgangscharakteristikkurve entweder nur im Punkt A oder im Punkt A¹ schneidet. Jeder Punkt A bzw. A¹ ist ein stabiler Arbeitspunkt des Bauelements, womit eine monostabile Vorrichtung erstellt ist.

Wenn die Ausgangscharakteristik durch Ändern des Emitterstromes verschoben wird, dann kann das Bauelement nach der Erfindung ein bistabiles Bauelement sein.

Solch eine Vorrichtung ist in Fig. 7 gezeigt, wo die Lastgerade L die Ausgangscharakteristik in den Punkten A und B schneidetο Beide dieser Punkte liegen auf dem positiv geneigten Teil der Ausgangskurve. Beide Punkte A und B sind stabile Gleichstromarbeitspunkte.

Fig. 8 zeigt den Transistor nach der Erfindung in einer monolithischen Umgebung. Hier liegt der Breitlückenemitter 30 über einem Planar subs tr at 32, das die Basiszone 3^- wn& die Kollektorzone 36 enthält. In diesem Falle hat der Kollektor 36 eine säulen- oder standerartige Struktur, die von einem Halbleiterbereich 38 mit höherem spezifischem Widerstand umgeben ist. Ferner sind Kontakte 4-0, 42 und 44 zur Emitterzone bzw. zur Basiszone bzw. zur Kollektorzone hergestellt» - 20 -

109829/1627

Obgleich der Kontakt zum Kollektorbereich nach I¹Ig₀ 8 im unteren Teil des Bauelements angeordnet ist₅ könnte ebensogut jene Verbindung zum Kollektor durch einen Kontakt auf der oberen Seite des Bauelements vorgesehen sein» Eine solche Verbindung nennt man "reach-trought" (Durchgriffverbindung).

Die vorstehend in Verbindung mit den verschiedenen Schichtdicken angestellten Betrachtungen beziehen sich auch auf die Vorrichtung nach Fig. 8· Das heißt der Emitter besteht aus einem Breitlückenmaterial (Breitenergielückenmaterial) und sowohl die Basiszone als auch die Kollektorzone sind entartet dotiert. Außerdem ist. der Kollektorgrenzübergang 44 elne Tunnelgrenzschicht.

Die Vorrichtung nach Fig. 8 ist in verschiedener Weise herstellbar. Ein geeigneter Weg hierfür ist zum Beispiel der folgende:

Ausgangsmaterial ist ein p⁺⁺ Ge Substrat. Zum Einsatz kommt eine SiOo-Maske, und eine Säulenstruktur 36 wird durch Ätzen des Germanium-Substrats gebildet. Der geätzte Teil des Germanium-Substrats epitaktisch aufgefüllt mit p-Typ-Germanium, um den Halbleiterbereich 38 zu"bilden.

Im Bedarfsfalle könnte Galliumarsenid von hohem spezifischen Widerstand anstelle von p-Typ-Germanium beim Auffüllen niedergeschlagen werden. Danach wird die Vorrichtung wieder mit SiOo oder einem anderen, geeigneten Maskenmaterial maskiert und das p-Typ-Germanium 38 geätzt, um einen Niederschlag auf der Basiszone 34 zu ermöglichen. Der epitaktische Niederschlag von n⁺⁺Germanium liefert dann die Basiszone 34·

Der Emitter 30 wird durch Wiedermaskierung mit SiOo und durch epitaktisches Niederschlagen von p-Typ-Galliumarsenid

- 21 -

10982971627

auf die Germaniumbasis hergestellt. Mit konventionellen Mitteln werden dann die Kontakte 42 und 44 zum Emitter, zur Basis und zur Kollektorzone gesetzt.

Fig. 9 zeigt eine Dünnschichtversion dieses Transistors nach der Erfindung, bei dem eine Tunnelgrenzschicht zwischen der Basis b und dem Kollektor c vorgesehen ist. In diesem Falle gibt es eine dünne Tunnelsperrschicht 50 zwischen der Basis und dem Kollektor. Diese Tunnelbarriere könnte zum Beispiel ein Isolator, wie z. B. ein Oxyd sein. Seine Dicke beträgt 10 bis 100 Angström. Der Kollektor ist einedünne. Schicht von etwa 2000 Angström. Er könnte entweder ein Halbleiter oder ein Metall sein.

Die Basiszone ist etwa 1000 bis 1500 Angström und hat eine entartete Dotierung mit mindestens 5*10 Atomen pro cm . Über der Basis liegt die Emitterschicht e, welche 2000 bis

19 3000 Angström dick ist und eine Dotierung von etwa 10 Atomen pro cnr enthält. Ein kleiner Bereich für die Emitter-

14 -5

dotierung würde etwa 10 Atome pro cnr haben. Es ist wichtig daß der Emitter nicht entartet dotiert ist₀

Der Transistor nach Fig. 9 enthält Kontakte in der konventionellen Weise. Die Vorspannung ist ähnlich dem in Figo gezeigten Falle· Wenn jedoch ein npn-Transistor vorliegt, dann sind in an sich bekannter Weise die Vorspannungen umzupolen.

Der Dünnschichttransistor nach Fig· 9 läßt sich auf zahlreiche, an sich bekannte Weisen herstellen. So kann zum Beispiel entweder ρ Typ-Germanium oder p⁺ Typ Germanium oder Silicium oder ein Metall, wie Molybdän oder Wolfram, epitaktisch als Kollektorbereich auf ein Substrat niedergeschlagen werden. Das Substrat kann aus einem Material wie halbisolierendes Galliumarsenid oder wie der entgegenge-

- 22 -

108828/1627

206419Θ

setzte Typ (η Leitfähigkeit) des Germaniums oder Siliciums (wenn der Kollektor aus Germanium bzw. Silicium bestellt) bestehen.

Als Alternative kann der Kollektor durch Diffusion eines entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps in ein Substrat hergestellt werden.

Die (TunnelSperrschicht wird generell durch Niederschlagen oder durch Aufwachsen eines Oxyds gebildet. Ist der Kollektor aus Silcium dann ist das Oxyd gewöhnlich ein thermisch aufgewachsenes SiO^· Die Dicke der Tunnelsperrschicht 50 ist etwa 10 bis 100 Angstrom, vorzugsweise etwa 50 Angström. Ein anderes geeignetes Material für die Tunnelsperrschicht 50 ist halbisolierendes Galliumarsenid, das epitaktisch auf dem Kollektor aufwächst·

Die Basisschicht ist auch eine epitaktische Schicht. Sie kann aus Germanium, Silicium oder Galliumarsenid und dergleichen bestehen. Wenn Galliumarsenid als Emitter gewählt wird, dann wird natürlich nicht Silicium für die Basiszone verwendet.

Polykristallines Germanium ist ebenfalls für den Basisbereich geeignet. Wenn die (Tnnnelsperrschicht aus Galliumarsenid besteht, dann eignet sich als Basismaterial sehr epitaktisches Germanium vom η-Typ. Auf diese Weise kann ein einzelnes Kristallbauelement fabriziert werden.

Um Die Emitterschicht herzustellen, wird auf eine Germaniumbasis epitaktisch Galliumarsenid vom p-ö?yp oder ZnSe aufgetragen, während Galliumphosphid auf eine Siliciumbasis niedergeschlagen wird.

Für die verschiedenen Transistorbereiche können natürlich

- 23 -

109829/1627

■ ¹¹W¹¹I¹:; ;'"'"""' :"«■■■"

- 23 -

andere Materialien verwendet werden, wie aus der obigen Tabelle ersichtlich ist. Es können auch andere Uiederschlags- oder Auftragsmethoden an sich bekannter Art bei der Herstellung des Transistors nach der Erfindung zur Anwendung kommen,,

Die Pig· 10 zeigt ein Energiebanddiagramm für den Transistor nach Pig. 9» dessen Kollektor aus einem Metall besteht. Das Leitungsband ist in Fig» 10 mit CB und das Valenzband mit VB bezeichnet. DanachΓ liefert der Isolator eine Sperrschicht für die Minoritätsträger aus der Basiszone. Ein Breitenergielücken-Emitter ist vorgesehen und Minoritätsträger werden in die Basis injiziert. Diese Ladungsträger tunneln in die Kollektorzone.

Die Kurven in Fig. 11 stellen die Abhängigkeit des Kollektorstromes von der Kollektorspannung fur den Tunneltransistor nach Fig. 9 hei verschiedenen Emitterströmen dar. Die Injektion von Ladungsträgern in die Basis beeinflußt den am Kollektor verfügbaren Tunnelstrom. Wenn die Energie der in den Basisbereich injizierten Elektronen größer ist als das Valenzband in der Basiszone, dann werden diese injizierten Elektronen eine größere Wahrscheinlichkeit für das Tunneln in den Kollektor haben als die schon in der Basiszone befindlichen Ladungsträger. Auf diese Weise werden die Kollektor-Ausgangs-Charakteristiken durch den injizierten Emitterstrom modifiziert.

Obgleich in Fig. 11 keine negativen Widerstands-Charakteristiken gezeigt sind, kann eine negative Widerstandscharakteristik erreicht werden, wenn das Tunneln der Ladungsträger in die sehr hohen Energien des Kollektormaterials verläuft (ein Halbleiterkollektor ist gewöhnlich erforderlich). Wie bei den vorherigen Ausführungsformen, so kann diese Charakteristik als Funktion der injizierten Ladungsträgerdichte verschoben werden»

109829/1627

Vorstehend wurde ein neuer Typ des Transistors vorgestellt, der einen Breitenenergielücken-Emitter und eine Tunnel-Kollektorgrenzschicht enthält. Dieser erfindungsgemäße Transistor ist außergewöhnlich schnellarbeitend und hat den zusätzlichen Vorteil der Speicherfähigkeit. Ferner ist die negative Widerstands-Ausgangscharakteristik (bei Ausführungsformen anders als die nach Fig. 9) verschiebbar und kontrollierbar in ihrer Form, so daß zahlreiche Schaltungsfunktionen mit der individuellen Transistorvorrichtung ausgeübt werden können.

Viele Materialien können verwendet werden, um einen solchen Transistor nach der Erfindung zu fabrizieren» Der Transistor nach der Erfindung kann entweder Homojunction-Kollektoren oder Heterojunction-Kollektoren aufweisen. Wegen der hohen Dotierungsdichte der Basiszone wird vorteilhaft ein Hetero·^ junction-Emitter verwendet.

Patentansprüche

- 25 -

109829/1627

Claims

- 25 -

Pat ent ansprüche

^^^//Halbleiterbauelement mit Emitter, Basis und Kollektor, insbesondere Transistor hoher Arbeitsgeschwindigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß der Basis-Kollektor-Übergang eine Tunnelgrenzschicht ist und daß die Strom-Spannungscharakteristiken durch die Anzahl der in die Basiszone injizierten Minoritätsträger änderbar sind.
2.) Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Kollektor-G-renzfläche eine Homogrenzschicht ist.
3.) Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis-Kollektor-Grenzschicht eine Heterogrenzschicht ist.
4·.) Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Basiszone als auch die Kollektorzone entairfcet dotiert sind.
5.) Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Basisschichtdicke kleiner ist als die Diffusionszeit der Minoritätsträger·
6.) Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Anzahl der Ίλ, die Basiszone injizierten Ladungsträger zu erhöhen.
7.) Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch ge-

- 14·

kennzeichnet, daß die Dotierung des Emitters 10 bis 10

I ■* ig

Atome pro cnr und die der Basis und des Kollektors 5 x Atome pro cm ist.

- 26 -

109829/1627

206A136
8.) Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 7> dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor eine monolithische Struktur besitzt und daß Emitter-, Basis- und Kollektorschicht mit einer Laminatstruktur in einem Halbleitersubstrat gebildet sind ο

90 Transistor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Emitter, Basis und Kollektor Dünnschichten sind und daß Basis und Kollektor durch eine Dünnschiciit-Tunnelsperrschicht getrennt sind.

1098 29/162

Leerseite