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Hålbleiteranordnung Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung,
insbesondere Transistor, mit einem Emitter der einen Leitfähigkeit, einer Basis
mit entge-gengeset-zte-r Leitfähigkeit und einem Kollektor mit derselben Leitfähigkeit
wie derjenigen des Emitters, der von der Basis umgeben ist und mit ihr eine Übergangszone
bildet, wobei Emitter und Basis Kontaktflächen haben, slie in derselben Ebene liegen,
wobei ferner am Emitter und an tier Basis metallische ohmsche Kontakte angeordnet
sind und eine Isolierschicht sich über-den Basis-Emitter-Übergang zwischen -den
metallischen ohmschen Kontakten erstreckt, Ein ständiges Problem bei der Herstellung
von Halbleiteranordnungen, insbesondere Transistoren, besteht darin, sie möglichst
klein zu bauen und ihre Ausgangsleistung zu .s-tei-,gern
steigern.
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Ist z.B. das Halbleiterplättchen, z.B. ein Siliciumplättchen-, gross,
sind auch die Kosten höher, weshalb Anstrengungen gemacht werden, die Menge an verwendetem
Silicium zu reduzieren.
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Es ist immer möglich, einen Transistor gentigend gross auszu-.
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führe, mit er die erforderliche Leistung abgibt; dies ist jedoch sehr
unwirtschaftlich, es sei denn die Grösse des Transistors wird soweit wie möglich
reduziert. Die Grenze der Ausgangsleistung, die bei einem Transistor bei einem gegebenen
Wert oder Werten der Fmitter-Kol1ektor-Spannung erreichbar ist, kann als zulässiger
Arbeitsbereich (safe operating area) definiert werden, und zwar insofern, als ein
Versuch zum Erzielen von Ausgangsleistungen über einem solchen Wert zu einem sekundären
Zusammenbruch des Transistors führt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung,
insbesondere einen Transistor mit höherer Ausgangsleistung bei gleicher Grösse oder
mit derselben Ausgangsleistung bei kleinerer Grösse zu schaffen. Der Transistor
soll einfach aufgebaut, leistungsfähig im Betrieb und wirtschaftlich herzustellen
sein. Der Transistor (oder beispielsweise eine Diode) soll ferner einen erhöhten
zulässigen Arbeitsbereich bei höherer Ausgangsleistung aufweisen.
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Erfindungsgemäss wird dies dadurch erreicht dass ein verteilter Widerstand
in der Basis auf der Basisseite des Emitter-Basis-Oberganges ausgebildet ist.
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Zeckmässigerwelse wird unmittelbar angrenzend an den Rand des rnitterbereicfres
ein Bereich mit erhöhter Leitfähigkeit geschaffen, der unter der Iso1ierungsschicit
angeordnet ist und it wesentlichen kurz vor dem angrenzenden Pand des ohmschen Basiskontaktes
endet.
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Die Erfindung eignet sich sowohl fiir NPN Transistoren und PNP
PNP
Transistoren-, aber auch für Dioden.
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Der zulässige Betriebsbereich des erfindungsgemässen Transistörs--
kann beträchtlich gesteigert werden, d.h., bei. der selben Emitter-Kollektor-Spannung
wird die erzielbare Ausgangs leistung beträchtlich erhöht. Soll dagegen bei derselben
Emitter-Kellektor-Spannung die Ausgangsleistung gleich bleiben, so kann die Grösse
des Transistors stark reduziert werden.
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Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung' werden nachfolgend
an hand -der Zeichnung im einzelnen erldutert, in der Fig. 1 im Schnitt eine Ausführungsform
des erfindungsgemässen Transistors zeigt.
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Fig. 2, 3 und 4 zeigen im Schnitt aufeinanderfolgende Arbeitsstufen
bei der Herstellung eines Transistors nach Fi-g. -1.
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Fig. 5, 6-und 7 zeigen im Schnitt weitere, modifizierte Ausführungsformen
der Erfindung.
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Fig. 8 zeigt ein Schaubild zu Erläuterung der Erfindung.
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Fig. 9 zeigt an Hand eines schaubilds die Verbesserung des zulässigen
Betriebsbereiches, die gemäss der Erfindung erreichbar ist.
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Fig. 1 zeigt einen Mesa-Transistor 21 mit einem N Kollektor 22, einer
P - Basis 23, einem N+ Emitter 24, einem Übergang 25 zwischen der Basis und dem
Kollektor und einem Emitter-Basis-Ob<'rgang 26. Der Kollektor 22 ist aus Gründen
der Platzeinsparung unterbrochen gezeichnet.
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Anstelle eines Mesa-Transistors kann auch ein anderer Transistor 21,
z.B. ein Planar-Transistor verwendet werden.
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An dem N+ Emitter ist an der Oberfläche 28 ein ohmscher Metallkontakt
kontakt
27 ausgebildet und an der P- Basis ist-an der Oberfläche 31 ein ohmscher Metallkontakt
29 ausgebildet, wobei die Flächen 28 und 31 im wesentlichen in derselben Ebene liegen.
Zwischen den Metallschichten 27 und 29 ist eine Isolierschicht 32 beispielsweise
aus Siliciumdioxyd ausgebildet, wobei ein Teil 33 der Siliciumdioxydschicht sich
bis zum rechten Rand des Transistors erstreckt, wie dargestellt.
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Die Isolierschicht 32 liegt über dem Teil des Oberganges 26, der an
den rechten Rand 34 des Emitters 24 angrenzt. Unmittelbar angrenzend an diesen Rand
oder Umfangsteil 34 ist ein P+ Bereich 35 ausgebildet, zwischen dessen rechtem Rand
35a und dem linken Rand 30 des Metallkontaktes 29 der Basis ein Bereich xr vorhanden
ist, der einen verteilten Widerstand (distributed resistance) bildet, der sich zwischen
dem rechten Rand 35a der Zone 35 und dem linken Rand 30 der Metallschicht 29 erstreckt.
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Der P+ Bereich 35 neben dem Umfangsteil 34 des Emitter-Basisobergangs
dient dazu, die Minoritätsträger nahe bei dem Emitter-Umfangs-Bereich zu halten,
um dadurch die Ladungsspeicherung in diesem Bereich zu reduzieren. Der P+ Bereich
35 bildet einen isolierten Basis-Kontakt und begrenzten Bereich xr, der den verteilten
Widerstand darstellt. Hierdurch wird der zulässige Betriebsbereich oder Arbeitsbereich
des Transistors verbessert, da der verteilte Widerstand als Ballast hinsichtlich
der Injizierung von Trägern durch den Emitter-Basis-Obergang wirkt und ein gleichmässigeres
Träger-Injizierungs-Profil hervorruft bei reduzierter Bildung von lokalen Stromkonzentrationen
infolge von Ungleichfßrmigkeiten des Oberganges.
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Die Verwendung des dargestellten verteilten Widerstandes führt zu
einer Steigerung des zulässigen Arbeitsbereiches des Transistors. Es können Steigerungen
von etwa 30 t und mehr im Vergleich mit Vorrichtungen erzielt werden, die diesen
verteilten Widerstand nicht besitzen.
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In Leistungstransistoren ist der Emitterstrom hoch und der Basisstrom
Basisstrom
kann ebenfalls hoch sein. Da die Entfernung von der Mitte des Emitter-Basis-Überganges
26 zum Rand 30 des Basis-Kontaktes 29 grösser ist als die Entfernung vom Umfang
34 zum Rand 30, ist der Widerstand von der Mitte des Emitter-Basis-Oberganges grösser
als der Widerstand vom Umfag 34 zum Rand 30. Kleine Basisströme, die durch den grösseren
Widerstand fliessen, neigen bekanntlich dazu, einen wesentlichen Teil des Emitters
auszuschalten, wodurch der Emitterstrom auf s-eine Umfangs-fJbergangs,zone 34 konzentriert
wird. Diese Erscheinung wird als Basisanhäufung (base crowding) bezeichnet. Bei
konventionellen Leistungstransistoren kann sich der Basis-Kontakt 35, der aus einer
erhöhten Diffusion bestehen kann, vom Umfang 34 durchgehend bis zum Basis-Kontakt
29 und unter diesem weiter erstrecken, wie durch die gestrichelte Linie 36 gezeigt
ist. Auf diese Weise bildet die erhöhte P+ Basis-Diffusion einen Weg für den erhöhten
Basisstrom in diesem Bereich und ermöglicht es, dass der Wert von Beta für grosse
Werte des Elektro stromes hoch bleibt.
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Da die Anforderungen an Strom und Leistung für dieselbe Grösse des
Transistors erhöht sind, wird ein Punkt erreicht, an dem bei konventionellen Transistoren
ein sekundäres-Versagen eintritt. In diesem Fall werden durch den Basisstrom der
vom Umfang 34 zum P+ Bereich 35 fliesst, der sich bei den bekannten Vorrichtungen
bis zum Basis-Kontakt 29 erstreckt, Teile des Transistors überhitzt und eventuell
sogar zum Schmelzen gebracht, wodurch der Transistor zerstört wird'.
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Gemäß der Erfindung erstreckt sich der P+ Bereich nicht bis zum Basis-Kontakt
29 (d.h. nicht bis zum Rand 30) sondern er endigt kurz vorher, wodurch der Bereich
x, xr in Form eines verteilten Widerstandes gebildet Zird. Der P+ Bereich 35 kann
radial etwa 0,025 mm grösser sein als der Radius des Emitters 24. Das Vorhandensein
des Bereiches xr in Form eines-Widerstandes, durch den ein Basisstrom fliesst, ruft
einen
einen Spannungsabfall in diesem Bereich hervor und zwingt
den Basisstrom, einen zusätzlichen Bereich des Emitter-Basis-Oberganges zwischen
dem Umfang 34 und dem übrigen Teil des Emitters zu benutzen.D.h., der Bereich des
Emitter-Basis-erganges, der Strom an die Basis liefert, erstreckt sich von den P+
Diffusionshereich 35 über einen beträchtlichen Umfang. Auf diese Weise wird ein
grösserer Teil der P- Basis ausgenutzt, wodurch eine zusätzliche Leistung bei einem
Transistor mit gegebenen Abmessungen erreichbar ist.
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Wie oben ausgeführt, kann bei einigen Leistungstransistoren etwa 30
z zusätzliche Leistung erreicht werden, ohne dass die Vorrichtung einen sekundären
Zusammenbruch erleidet.
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In soweit als der verteilte Widerstand xr den Emitter-Basis-Strom
zwingt, zusätzliche Teile des Emitter-Basis-Oberganges auszunutzen, wirkt er als
Ballast.
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In Fig. 9 ist eine Anzahl von Kurven 41, 42 und 43 dargestellt, von
denen die Kurven 41 und 42 entsprechend für eine Standardanordnung bzw. fr eine
erfindungsgemässe Anordnung gelten. Die Kurve 43 bezieht sich auf eine Standardanordnung
mit wesentlich grösseren bessungen als diejenige die durch die Kurve 42 dargestellt
ist.
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In Fig. 9 ist auf der ordinate die Emitter-Wollektor-Spannung in Volt
und auf der Abszisse die Leistung in Watt-beim zulässigen Arbeitsbereich aufgetragen.
Die Kurven stellen die geometrischen Orte von Fehlerpunkten dar, wenn ein Gerät
bei der angezeigten Spannung und der abgegebenen Leistung ausfällt, wobei die Einschaltzeit
200 Millisekunden betrug und keine besondere Vorsorge für eine Wärmeabfuhr getroffen
wurde. Die Kurve 42 und 43 liegen sehr nahe beieinander und überlagern sich, wie
die Figur zeigt, weshalb die Kurve 42 gestrichelt gezeichnet ist, um sie von der
Kurve 43 unterscheiden zu können. Die Kurve 41 ergibt sich beispielsweise bei einer
Anordnung nach Fig. 1, wenn dort der P+ Basis-Bereich mit erhöhter Diffusion sich
durchgehend vom Emitter zum Rand der
der Anordnung erstreckt, wie
durch die Linie-36 angedeutet ist. Die Kurve 42 abzieht sich auf dieselbe Anordnung
mit denselben Abmessungen und denselben anderen Konstanten bei den einzelnen Schichten,
Wobei jedoch diese Basisschicht mit erhöhter Diffusion nur durch den P Bereich 35
gebildet wird, sodass der verteilte Widerstand xr zwischen dem Rand 35a des Diffusionsbereiches
35 und dem Rand 30 des Basis-Kontaktes 29 gebildet wird.
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Die Standardvorrichtung versagte bei 60 Volt und einer abgegebenen
Leistung von etwa 108 Watt, während die er--findungsgemässe Vorrichtung erst bei
60 Volt und einer abgegebenen Leistung von 132 Watt versagte, d.h. es konnte eine
Zunahme von 108 auf 132 Watt, oder etwa 22 3 erzielt werden. Wird dieselbe Anordnung
mit 35 Volt betrieben, so ergab sich bei der Standardanordnung ein Versagen bei
155 Watt und bei der erfindungsgemässen Vorrichtung bei 165 Watt, was einer Zunahme
von etwa 6,5 t entspricht.
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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, konvergieren die Kurven zwischen
etwa 60 Volt und 35 Volt.
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Die der Kurve 43 zugrunde liegende Vorrichtung ist etwa 30 t grösser
als die der Kurve 42 und hat trotzdem im wesentlichen denselben Kurvenverlauf. Man
erhält also bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung mit denselben Abmessungen wie
eine Stgndardvorrichtung eine Erhöhung der Ausgangsleistung oder aber es kann bei
gleicher sgangsleistung die erfindungsgemässe Vorrichtung in ihren Abmessungen entsptechend
reduziert werden. Bs ergibt sich also entweder eine Steigerung der Leistung, oder
eine Einsparung von Material und Platz.
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Fig. 8 zeigt den Verlauf des Kollektorstr'omes über der Bwitter-Kollektor-Spannung
für Vorrichtungen nach der Erfindung wie sie-in Verbindung mit Fig. 9 erläutert
wurden.
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Die Darstellung ist sehr allgemein, sie eignet sich aber zur Erläuterung
der erfindungsgemässen Vorteile. Die Vorrichtung
richtung kann z.B.
mit einem willkürlich zugeordneten Maximal-Strom längs eines Teils der rv 4a bis
zu einem Punkt 46 arbeiten, der die Spannung bei maximaler Verlustleistung darstellen
iarde. er Teil 47 der Kurve gibt dann eine zunehmende Spannung und einen abaehmenden
Strom aber bei konstanter Leistirngsabgabe dar, bis ein Punkt 48 erreicht ist.
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Bei Standardvorrichtungen tritt, wenn der Punkt 48 erreicht ist,
ein rapiden Abfall der Emitter-Kollektor-Spannung auf, die Kollektor-Emitter-Durchbruchspannung
BVCHO auf.
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Bei den erfindungsgemdssen Vorrichtungen ist eine weitere Leistungsabgabe
längs des Teiles 49 der Kurve bis zum Punkt 51 erreichbar, von dem aus die Spannung
auf die Durchbruchspannung abfällt.
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Die erfindungsgemässen Halbleiteranordnungen eignen sich allgemein
für Transistoren mit allen Ausgangsleistungen, sie eignen sich jedoch besonders
für Transistoren mit hohen Ausgangsleistungen.
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In den Figuren 2, 3 und 4 sind verschiedene Verfahrensstufen beim
Bau der Halbleiteranordnung nach Fig. 1 dargestellt.
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Die Figuren zeigen einen NPN Transistor. Der Kollektor 22 aus N Material
hat keine besondere Bedeutung ii Hinblick auf die erfindungsgemffissxerzielbaren
Verbesserungen. Der Kollektor kann z.B. der Träger sein, auf dem der Transistor
gebildet wird und er kann aus einer N+ Zone bestehen, auf der eine N- Schicht mit
einer Dicke von etwa 8-10 Mikron epitaxial niedergeschlagen worden ist. Die Basis
23 kann durch epitaxialen Niederschlag von P- Material in einer Dicke von etwa 0,012
- etwa 0,025 mm gebildet werden mit einem Flächenwiderstand von etwa 800 bis etwa
2500 Ohm-Quadrat. Durch Aufbringen der P- Schicht wird der PN Obergang 25 gebildet.
Nach der Bildung der Basis 23 wird eine Schicht 32 aus Siliciumdioxyd in bekannter
Weise niedergeschlagen und durch übliche Foto-Maskentechniken mit Fenstern versehen,
worauf eine P+ Diffusionszone 35 hergestellt
hergestellt wird,
wie Fixe. 2 zeigt.
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Danach wird der N+ Emitter 24 durch die P+ Zone 35 hindurch und in
die P- Basis eindiffundiert, um den Übergang 26 zu bilden. le P+ Zone 35 kann eine
Diffusionstiefe von etwa 0,5 - 1,5 Mikron und einen spezifischen Widerstand von
etwa 100 - 400 Ohm.cta haben. Uie N+ mitterzone ist eindifftlndiert mit fester Löslichkeit
in dem Silicium und sie hat eine Oberflächenkonzentration in der Grössenordnung
von @@20 bis 1022 Atome je Kubikzentimeter, wodurch sich ein spezifischer Widerstand
in der Grdssenordnung von 8 -Ohm x cm ergibt. I)-ie Tiefe des Emitters liegt bei
etwa 3 Mikron und die Po Zone 3S ist etwa um ein halbes Mikron flacher als der Emitter.
Wie bereits oben ausgeführt ist die P. Zone 35 in Radialrichtung um etwa 0,025 mm
prösser als der Radius des Emitters. Die vorgenanaten Masse geben die allgemeinen
Abmessungen an. Spezielle Werte kennen für besondere Anordnungen ausgewählt werden.
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Wie Fig. 1 zeigt, ist die ETalbleiteranordnun, symmetrisch um eine
Mittellinie, obwohl dies nicht notwendigerweise der Fall sein muss.
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Fig. 4 zeigt die-nächste Arbeitsstufe. Mittels einer weiteren Potomaske
werden geeignete tiffnungen in der Siliciumdioxydschicht ausgebildet und metallische
Kontakte 27 und 29, z.B. durch Vakuumniederschlag von Aluminium angebracht. In Fig.
4 ist die Vortlchtung an jedem Rand abgebrochen, um anzuzeigen, dass mehr als eine
Vorrichtung oder Halbleiteranordnung auf einem einzigen Träger oder Plättchen aus
Halbleitermaterial, z.B. aus Silicium ausgebildet werden kann. In Fig. 5 ist eine
PNP Ausführungsform 55 gezeigt. In diesem Fall wird ein P Kollektor 56 aus Silicium
als Substrat verwendet, auf dem eine N-Basisschicht 57 epitaxial niedergeschlagen
wird, und einen Obergang 58 bildet. Fine N+ Schicht 59 wird in die N- Basis eindiffundiert,
ebenso wie die P+ Schicht 35 der Figuren 1 - 4. Danach wird durch geeignete Abdeckung
einer
einer Siliciumdioxydschicht 31, die P+ Emittprschicht 62
durch die N+ Schicht 59 hindurch und in die N- Basisschicht eindiffundiert, um den
Übergang 63 zu bilden. Ferner wird durch geeignete Maskentechnik ein Fenster geformt
und eine N++ Schicht 64 in die N- Basisschicht eindiffundiert, damit eine Metallschicht
65, beispielsweise verdampftes Aluminium, als ohmscher Kontakt der Basisschicht
benutzt werden kann. In gleicher Weise wird an dem P+ Emitter ein metallischer Kontakt
66 angeformt.
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Der verteilte Wiederstand Xr liegt zwischen dem Umfang der N+ Schicht
59 und dem inneren Rand der N++ Schicht 64.
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Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform 67 der Erfindung vom NPN
Typ. Sie unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 insofern, als eine
P Schicht 68 in die P- Basisschicht eindiffundiert ist und sich über die gesamte
Fläche des Plättchens erstreckt. Durch geeignete Bildung von Fenstern in einer Siliciumdioxydschicht
werden dann zwei P+ Zonen 71 und 72 in die P Schicht 68 eindiffundiert. Der äussere
Rand der P+ Schicht 71 und der innere Rand der P+ Schicht 71 haben einen Abstand
voneinander und bilden zusammen mit dem P Bereich 68 und der P- Basis den verteilten
Widerstand xr, wie dargestellt.
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Nachdem die P+ Zonen 71 und 72 eindiffundiert sind, wird der Emitter
73 durch die P+ Zone 71 und die P Schicht 68 in die P- Basisschicht eindiffundiert,
um den NP Emitter-Basis-Übergang 74 zu bilden. Durch geeignete Anwendung von Fotomasken
werden die metallischen Kontakte 75 am Emitter und 76 an der Basis hergestellt,
Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 hat der verteilte Widerstand Xr dieselbe Wirkung
wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1.
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Fig. 7 zeigt noch eine Ausführungsform 77 und zwar eine PNP Anordnung
mit demselben allgemeinen Aufbau wie die NPN Anordnung nach Fig. 6. In Fig. 7 ist
ein P Kollektor 78 aus Silicium vorgesehen, auf dem eine N- Basisschicht 79 epitaxial
epitaxial
niedergeschlagen ist. Eine N+ Schicht 81 ist in" die N- Basisschicht eindiffundiert
und erstreckt sich über die gesamte Fläche des Plättchens, Danach werden unter Verwendung
von Fotomasken geeignete Fenster in einer Silic-iumdioxydschicht 82 ausgebildet
und zwei N++ Zonen 83 und 84 in den N+ Bereich 81 eindiffundiert.
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Der äussere Rand der N++ Zone 83 und der innere Rand der N++ Zone
84 haben einen Abstand voneinander, der die Grösse des verteilten Widerstandes x@
in der N+ Zone und in der N- Zone der Basis bestimmt. Nachdem die N++ Zonen 83 und
84 hergestellt sind, wird ein Pf Emitter 85 durch die N++ Zone 83 und die N+ Zone
81 h'indurchdiffundie,rt, um in der N- Basiszone einen Übergang 87 zu bilden.
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Danach werden geeignete Fenster ausgebildet und metallische Kontakte
ß8 und 89 entsprechend an dem P+ Emitter und der N++ Zone 84 angebracht.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 arbeitet der verteilte Widerstand
xr in derselben Weise wie bei den übrigen Ausführungsformen, um den zulässigen Arbeitsbereich
des Transistors zu erhöhen, wodurch eine zusätzliche Ausgangsleistung erzielbar
ist, ohne die Abmessungen der Anordnung zu vergrössern, oder es kann bei reduzierten
Abmessungen dieselbe Ausgangsleistung erhalten werden.
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Das Vorhandensein des verteilten Widerstandes xr zwingt den Emitter-Basis-Strom
durch zusätzliche Flächen oder Bereiche des Eritters zu fliessen anstatt nur vom
Umfang bereich aus,der unmittelbar an den Basis-Kontakt angrenzt.
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GemNss der vorstehenden Beschreibung wurden ein Teil der Schichten
epitaxial hergestellt, es ist jedoch selbstverstündlich auch möglich, sämtliche
Schichten durch Diffusion zu bilden.
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Patentansprüche