DE2310724A1

DE2310724A1 - Phototransistor

Info

Publication number: DE2310724A1
Application number: DE19732310724
Authority: DE
Inventors: Saburo Takamiya
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1972-03-03
Filing date: 1973-03-03
Publication date: 1973-09-13
Also published as: DE2310724B2; JPS4942294A; US3794891A; DE2310724C3; JPS5641186B2

Description

ME-118 (P-1114) 1A-46O

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA, Tokyo, Japan

Phototransistor

Die Erfindung betrifft einen Phototransistor mit großer Ansprechgeschwindigkeit.

Im allgemeinen beträgt die Ansprechgeschwindigkeit bekannter Phototransistoren etwa bis zu 1 MHz, so daß es schwierig ist, dieselben im Mikrowellenbereich einzusetzen. Im folgenden sollen die Gründe für die niedrige Ansprechgeschwindigkeit anhand des betrieblichen Verhaltens des bekannten Mikrowellentransistors und PhAotransistors erläutert werden.

Pig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen herkömmlichen Transistor und

Fig. 2 zeigt ein grundsätzliches Ersatzschaltbild.

Pig. 1 zeigt einen Kollektor 1, eine Basis 2, einen Emitter 3 und eine Isoliermembran 4. Ferner sind eine Emitterelektrode 5, eine Basiselektrode 6 und eine Kollektorelektrode 7 vorgesehen. Das Bezugszeichen E bezeichnet den Emitteranschluß, das Bezugszeichen B den Basisanschluß und das Bezugszeichen C den Kollektoranschluß. In der Praxis beträgt die Emitterdicke etwa mehrere Hundert Angström bis mehrere pm; die Basisdicke oder Basisbreite beträgt mehrere Hundert Angström bis mehrere um und die Kollektordicke beträgt mehrere 10 bis mehrer 100 um.

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In Fig. 2 bezeichen die Bezugszeichen Y , Y-. , "f die Serienwiderstände des Emitters, der Basis und des Kollektors. Die Kapazität und der Leitwert zwischen Emitter und Basis sind mit Ο™™ bzw. G_EB bezeichnet. Die Bezugszeichen C_fiC und G^ bezeichnen die Kapazität bzw. den Leitwert zwischen Basis und Kollektor. Das Bezugszeichen V_BE bezeichnet die Basiseingangsspannung und das Bezugszeichen I bezeichnet den Kollektorstrom.

Im allgemeinen wird die Ansprechgeschwindigkeit eines Transistors durch die folgenden Paktoren begrenzt.

(1) Laufzeit während welcher dievom Emitter in den Basisbereich injezierten Ladungsträger den Kollektor erreichen;

(2) Beziehung von dem Blindleitwert und dem Leitwert zwischen Emitter und Basis:

(3) Beziehung a/isehen dem Blindleitwert und dem Leitwert zwischen Basis und Kollektor

(4) Beziehung zwischen dem Emitterserienleitwert Y und dem Blindleitwert zwischen Basis und Emitter

(5) Beziehung zwischen dem Basisserienleitwert Y _fe~ und dem Blindleitwerten zwischen Emitter-Basis und Emitter-Kollektor

(I 3»(C_EB+ Cg₀)I^₁,-¹) und

_EB

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(6) Beziehung zwischen dem Kollektorserienleitwert Y"

Blind- ^c

zum Lextwert zwischen Basis und Kollektor

Zur Steigerung der Ansprechgeschwindigkeit des Transistors ist es somit erforderlich, die Zeitkonstanten zu verringern. Um gemäß Beziehung (1) die Zeitkonstante für den Fluß der Ladungsträger durch den Basisbereich zu verkürzen, ist es erforderlich, die Dicke oder Breite des Basisbereichs zu verkürzen und in der Basis ein eingebautes Feld vorzusehen. Gewöhnlich wird ein eingebautes Feld dadurch vorgesehen, daß man in der Basis einen Störstellendichtgradienten aufbaut.

Da bei einer Verringerung der Dicke des Basisbereichs der Serienwiderstand des Basisbereichs erhöht wird, kommt der Beziehung(5 ) große Bedeutung zu. Es ist somit erforderlich, die Kapazität C_EB zwischen Emitter und Basis und die Kapazität C_BC zwischen Basis und Kollektor zu verringern um eine hohe Ansprechgeschwindigkeit (große Winkelfrequenz φ ) zu erreichen, wodurch die Fläche des Transistors verringert wird.

Eine Zunahme des Serienwiderstandes durch Verringerung der Dicke oder Breite des Basisbereichs kann man nur dadurch kompensieren, daß man die Störstellendichte im Basisbereich erhöht und den Ausbreitungswiderstand im Basisbereich verringert, indem man die Weite des Emitters verringert und die Emitterfläche beibehält. Da durch die erstere Maßnahme die Stromverstärkung abnimmt, wendet man gewöhnlich bei Mikrowellentransistoren die letztere Maßnahme an.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der Struktur eines Mikrowellentransistors, wobei die Weite bzw. der Raum des Emitters etwa mehrere tun bis mehrere 10 um beträgt und wobei der Aus-

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breitungswiderstand des Basisbereichs gering ist. Um die Zeitkonstante gemäß Beziehung (2) zu verkürzen, ist es erstens erforderlich, die Vorspannung zwischen Emitter und Basis zu verringern oder zweitens die Lebensdauer der aus dem Basisbereich in den Emitterbereich oder aus dem Emitterbereich in den Basisbereich injizierten Ladungsträger zu verkürzen, oder dirttens die injizierten Ladungsträger rasch zur Emitterelektrode oder zur Kollektorelektrode zu leiten.

Die Lebensdauer der Ladungsträger wird durch die Art des Halbleiters und durch die Art und die Dichte der Störstellen bestimmt, und eine Verkürzung der Lebensdauer bewirkt eine Verringerung der Stromverstärkung. Demgemäß kommt die zweite Möglichkeit nicht in Betracht.

Die dritte Möglichkeit kann dadurch verwirklicht werden, daß man den Abstand der Berührungsfläche zwischen Basis und Emitter und der Emitterelektrode verringert und daß man die Dicke oder die Breite des Basisbereiches verringert.

Eine Beeinflussung der Zeitkonstanten gemäß Beziehung (4) kommt praktisch nicht in Betracht, da der Emitterserienwiderstand γ geringer ist als der Basisserienwiderstand. Anstelle des Einflusses der Beziehung (6) auf die Zeitkonstante betrachtet man die Beeinflussung der Zeitkonstante durch die Beziehung zwischen dem Blindleitwert zwischen Basis und Kollektor (ji^>C_Rr) und dem

1 —1

Kollektorlastleitwert R_T i (jW C_np<R_T;;) , da der Kollektorserienwiderstand (/ ) im Vergleich zum Kollektor lastwiderstand (R_Tr.) vernachlässigbar ist.

Wie bereits erwähnt, ist. bei einem Mikrowellentransistor die Breite der Basiszone verringert und die Emitterweite ist ebenfalls verringert, um eine Zunahme des Ausbreitungswiderstandes zu kompensieren. Andererseits ist bei einem Phototransistor das Eingangssignal zwischen Emitter und Basis nicht elektrischer Natur, sondern optischer Natur. Dies bedeutet, daß die Spannung zwischen Emitter und Basis durch die

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Ladung verändert wird, welche durch die durch den Lichteinfall erzeugten Ladungsträger gebildet wird. Demgemäß ist der Ausbreitungswiderstand der Basis als Spannungsabfall (Gleichspannung) im Basisbereich von Wichtigkeit, da hierdurch die Vorspannung zwischen Emitter und Basis bestimmt wird. Es ist jedoch nicht erforderlich, den Einfluß der Beziehung (5) auf die durch das Eingangsphotosignal erzeugten Ladungsträger zu berücksichtigen, wenn die Lichteinstrahlung eine gleichförmige Verteilung hat. Was die Bestimmung der Vorspannung zwischen Emitter und Basis anbetrifft, so kann der Basisanschluß (Basiselektrode) weggelassen werden, indem man die Vorspannung auf optischem Wege aufbaut. Es ist jedoch erforderlich, zur Erzeugung einer Vorspannung eine relativ hoch intensive Lichteinstrahlung vorzusehen.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform des herkömmlichen Phototransistors, wobei die Lichteinstrahlung in vertikaler Richtung auf die Übergangsfläche erfolgt. Das Bezugszeichen i>V bezeichnet den Einfallswinkel. Alle anderen Bezugszeichen haben die oben angegebene Bedeutung. Da es sich hierbei um einen Phototransistor handelt, ist die Elektrodenfläche verringert, so daß das Licht wirksam eingestrahlt werden kann. Ferner ist die Elektrode derart angeordnet, daß die Lichteinstrahlfläche möglichst groß ist. Es ist nicht erforderlich, bei der Vorrichtung gemäß Fig. 4 eine Basiselektrode vorzusehen, wenn die Vorspannung auf optischem Wege aufgebaut wird. Es ist bekannt, daß die Ansprechgeschwindigkeit des Phototransistors von den Zeitkonstanten der Effekte (1) bis (4) und (6) bestimmt wird, sowie durch die Zeitkonstante für die Trennung der Ladungsträger, welche durch den Lichteinfall in den Basisbereich und in den Kollektorbereich erzeugt werden, wobei diese Trennung durch das elektrische Feld zwischen Basis und Kollektor und durch die Ladungspolarität bewirkt wird.

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Die Vorspannung zwischen Emitter und Basis des Phototransistors kann leicht erhöht werden, wenn die Vorspannung zwischen Emitter und Basis elektrisch gesteuert ist. Wie man jedoch leicht aus dem in Pig. 3 gezeigten Beispiel für einen herkömmlichen Mikrowellentransistor ersehen kann, ist der größte Teil der Lichteinfallsflache durch Elektroden bedeckt, so daß der Lichtempfangskoeffizient stark verringert ist wenn auch andererseits die Ansprechgeschwindigkeit erhöht ist. Andererseits ist es bei einem Phototransistor, bei welchem die Vorspannung zwischen Emitter und Basis optisch gesteuert wird, erforderlich, Licht hoher Intensität anzuwenden, um bei dem herkömmlichen Phototransistor eine ausreichende Vorspannung zu erreichen. Hierdurch wird die Zeitkonstante des Effekts (2) verlängert und die Ansprechgeschwindigkeit wird verringert.

Es muß somit festgestellt werden, daß bisher eine hohe Ansprechgeschwindigkeit des Photötransistors mit einem geringen Lichtempfangskoeffizienten einherging. Aus diesem Grunde ist es bisher nicht gelungen, einen praktisch verwertbaren Phototransistor mit hoher Ansprechgeschwindigkeit zu schaffen.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen stabilen zuverlässigen und bei Temperaturschwankungen eine geringe Vorspannungsfluktuation und eine geringe Ausgangsfluktuation aufweisenden Phototransistor zu schaffen, welcher einen hohen Lichtempfangskoeffizienten und eine große Ansprechgeschwindigkeit aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Phototransistor gelöst, welcher durch eine Vielzahl von Basisschicht/ Emitterschicht-Paaren gekennzeichnet ist, welche nacheinander in einen gemeinsamen Kollektor eindiffundiert sind, sowie durch eine Emitterelektrode, welche die Vielzahl der Emitterschichten verbindet und durch eine eine große Weite aufweisende Verarmungsschicht zwischen Basis und Kollektor,

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so daß die Flächenausdehnung der Basis-Emitter-Schichten geringer ist als die ebene Ausdehnung der Verarmungsschicht.

Bei dem erfindungsgemäßen Phototransistor wird bei Abwesenheit einer Basiselektrode auf optischem Wege eine Vorspannung zwischen Emitter und Basis erzeugt. Hierbei kann auch bei relativ geringer Lichtintensität eine genügend große Photospannung für eine Emitterbasis-Vorspannung bewirkt werden. Erfindungsgemäß wird durch eine Verringerung der Fläche der Emitterelektrode ein großer Lichtempfangsfaktor oder Lichtempfangskoeffizient erzielt. Eine Vielzahl von Basisschichten und Emitterschichten sind in einen gemeinsamen Kollektor eindiffundiert. Sie haben eine geringe Fläche und die Breite oder Dicke der Basisschicht ist geringer als die Verarmungsschicht zwischen Basis und Kollektor.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Transistor; Fig. 2 ein Aquivalentschaltbild des Transistors gemäß Fig.1;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Mikrowellentransistor;

Fig. 4 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Phototransistor;

Fig. 5 ein Diagramm der Energiebänder eines Phototransistors;

Fig. 6 die Kennlinien der Durchlaßvorspannung für den Leitwert des Pn-Übergangs und für den Blindleitwert des Pn-Übergangs;

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Fig. 7 eine Veranschaulichung der prinzipiellen Unterschiede zwischen dem erfindungsgemäßen Phototransistor und einem herkömmlichen Phototransistor;

Fig.8A einen Schnitt durch eine Ausfiihrungsform des erfindungsgemäßen Phototransistors;

Fig. 8B eine Draufsicht auf die Ausfiihrungsform gemäß Pig. 8A;

Pig. 9A eine Draufsicht auf eine weitere AusfUhrungsform des erfindungsgemäßen Phototransistors und

Fig. 9B einen Schnitt durch die Ausfiihrungsform gemäß Fig. 9A.

In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder sich entsprechende Bauteile. Im folgenden werden die mit dem erfindungsgemäßen Phototransistor erreichten \&:besserungen unter Bezugnahme auf das Arbeitsprinzip eines herkömmlichen Phototransistors erläutert. Das betriebliche Verhalten eines Phototransistors soll zum besseren Verständnis der Erfindung zunächst kurz erläutert werden. Fig. 1 zeigt ein Energiebänderschema für die Energiebänder E , E„ und E des Phototransistors, welcher mit vertikal ausgerichteten Übergangsflächen dargestellt ist. Das Bezugszeichen 1 bezeichnet einen P-Kollektor und das Bezugszeichen 2 bezeichnet eine n-Basis. Das Bezugszeichen 3 bezeichnet einen P-Emitter und die Bezugszeichen 5 und 7 bezeichnen Elektroden. Ferner ist eine Verarmungsschicht 8 und eine Spannungsquelle 9 vorgesehen. Das Bezugszeichen 8' bezeichnet einen Lastwiderstand und die Bezugszeichen 11 und 12 bezeichnen Ausgangsanschlüsse. Gemäß der gewellten Pfeillinie fällt Licht (hy ) von der Emitterseite ein.

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Wenn die Bereiche 2 bzw. 3 dünn sind und wenn der Bereich 8 dick ist, so wird der größte Teil des Lichtes in der Verarmungsschicht 8 absorbiert und der Lichtempfangskoeffizient oder die Quantenausbeute ist groß. Semgemäß sieht man f£/öhnlich eine dicke oder breite Verarmungsschicht 8 vor, indem man zwischen der η-Basis und dem P-Kollektor eine Schicht mit einer geringen Störstellendichte vorsieht.

Wenn bei einem derartigen Aufbau in der Verarmungsschicht durch Lichteinfall Elektronen ( Q )-Löcher ( (+) )-Paare gebildet werden, so werden die Löcher durch Drift in den Kollektor injeziert und die Elektroden werden durch Drift in die Basis 2 injeziert.

Wenn die Elektronen in die Basis 2 injeziert werden, so wird das Basispotential durch die Elektronenladung verringert und der Emitter-Basis-Übergang wird in Durchlaßrichtung oder Vorwärtsrichtung durch die Photospannung vorgespannt, bis die Elektroneninjektionsgeschwindigkeit im Gleichgewicht mit der Elektroneninjektionsgeschwindigkeit von der Basis 2 zum Emitter 3 steht. Die positiven Löcher werden vom Emitter 3 aufgrund der Durchlaßvorspannung in die Basis 2 injeziert, so daß sie durch Diffusion und Drift zum Kollektor 1 gelangen. Die Geschwindigkeit oder die Stärke der Injektion der positiven Löcher vom Emitter zur Basis ist gleich der Geschwindigkeit oder der Stärke der Injektion der Elektronen von der Basis 2 zum Emitter 3 multipliziert mit dem Injektionsverhältnis.

Die Stärke der Elektroneninjektion bezeichnet den Photostrom der Photodiode welche aus den Bereichen 2-8-1 besteht. Demgemäß ist der Phototransistor gegenüber der Photodiode um denWert (1 + Injektionsverhältnis) verbessert.

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- ίο -

Die Admittanz oder der Scheinleitwert des Pn-Übergangs wird im in Vorwärtsrichtung vorgespannten Zustand durch den Diffusionsleitwert der injezierten Ladungsträger, durch die Diffusionskapazität und durch rlie Raumladungskapazität der angesammelten Ladungsträger (der Ausdruck Raumladungskapazität wird hier verwendet, da es nicht angängig ist, bei einer Vorspannung in Vorwärtsrichtung oder Durchlaßrichtung von einer Verarmung zu sprechen, wenngleich die Raumladungskapazität der Verarmungsschichtkapazität vergleichbar ist), gesteuert. Pig. 6 zeigt diese Beziehungen für eine konstante Frequenz. Auf der Absziss-e ist die Vorspannung des Pn-Üb er gangs in Durchlaßrichtung aufgetragen. Auf der Ordinate sind der Diffusionsleitwert G sowie die Blindleitwerte q>C (entsprechend den Kapazitäten) aufgetragen, wobei Q) Qj. den der Diffusionskapazität entsprechenden Blindleitwexi; bedeutet und wobei ft)G den der Raumladungskapazität entsprechenden Blindleitwert bezeichnet. Wenn die Frequenz steigt, so fällt die Kurve G relativ ab.

Im Bereich einer geringen Vorspannung wird die Frequenzcharakteristik des Scheinleitwerts des pn-Übergangs durch den Diffusionsleitwert und durch den der Raumladungskapazität entsprechenden Blindleitwert bestimmt. Der Diffusionsleitwert wächst in einer Exponentialfunktion zur Erhöhung der Vorspannung. Der Blindleitwert erhöht sich relativ gering und demgemäß steigt die Ansprechgeschwindigkeit entsprechend der Zunahme der Vorspannung.

Wenn die Vorspannung das Diffusionspotential b des Pn-Übergangs übersteigt, so wird die Frequenzcharakteristik des Scheinleitwertes des Pn-Übergangs durah den Diffusionsleitwert und durch den der Diffusionskapazität entsprechenden Blindleitwert bestimmt.

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In dem Spannungsbereich hängt die Beziehung zwischen dem Blindleitwert und dem Leitwert nicht von der Spannung ab, sondern vielmehr vom Aufbau des Pn-Übergangs (Störstellendichte und Dicke usw.) und die Grenzfrequenz ist relativ hoch. Demgemäß ist es zur Erhöhung der Grenzfrequenz des Phototransistors anhand der Beziehung (2), welche die Ansprechgeschwindigkeiten betrifft, erforderlich, die Vorspannung des Emitterbasisübergangs in Durchlaßrichtung zu erhöhen.

Bisher wurde der Phototransistor nur eindimensional betrachtet. Das heißt, die Arbeitsweise des Phototransistors wurde nur in vertikaler Richtung zu den Übergangsflächen betrachtet, da die Emitterfläche im Vergleich zur Tiefe des Betriebsbereiches (Dicke des Bereichs hoher elektrischer Feldstärke + Diffusionslänge) genügend groß war.

Fig. 7A zeigt den eindimensionalen Aufbau eines Phototransistors, wobei das Bezugszeichen 8 eine zwischen Basis und Kollektor ausgebildete Region hoher elektrischer Feldstärke bezeichnet. Der Effekt einer Änderung des Basispotentials durch Lichteinfall kommt in der Hauptsache durch eine Ansammlung von in der Reg-ion hoher elektrischer Feldstärke erzeugten Ladungsträgern in der Basisregion zustande. Gehauer gesprochen handelt es sich um eine Vielzahl von Teilchen, welchen in dem Basisbereich zu Ladungsträgern führen, wie z. B. zu Elektronen bei einem PnP-Transistor oder zu positiven Löchern bei einem nPn-Transistor.

Im Falle eindimensionaler Betrachtung (Fig. 7A) erhöht sich der Ansammlungsgrad der Ladungsträger im Basisbereich je nach, der Abnahme des Verhältnisses der Dicke oder Breite W-g des Basisbereichs zur Dicke oder Breite W_D der Region hoher elektrischer Feldstärke, wodurch die Dichte der Ladungsträgeransammlung erhöht und die Änderung des Basispotentials vergrößert wird.

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Aufgrund von Schranken in der Bearbeitbarkeit unterliegt die eindimensionale Struktur den folgenden Beschränkungen: Die Dicke oder Breite des Basisbereichs ist auf etwa 0,1 μ beschränkt und die Dicke oder Breite der Region hoher elektrischer Feldstärke ist in diesem Stadium auf etwa 50 u beschränkt.

Pig. 7B zeigt einen Schnitt durch einen Phototransistor zur Veranschaulichung des der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Phänomens, und Fig. 7C zeigt eine Draufsicht des Phototransistors gemäß Fig. 7B. Der erfindungsgemäße Phototransistor ist äußerst wirksam, wenn die Basisfläche verringert wird, so daß sie kleiner ist als die Tiefe des Arbeitsbereichs in der Länge und/oder in der Weite. Dieser Fall ist in der Zeichnung dargestellt. Bei einer dreidimensionalen Struktur gemäß vorliegender Erfindung (dargestellt in den Figuren 8A und 8B) wird die Stärke der Ansammlung der ladungsträger im Basisbereich je nach der Abnahme des Verhältnisses des Volumens des Basisbereichs zum Volumen der Region hoher elektrischer Feldstärke (V_B/V_D) erhöht, wodurch die Dichte der Ladungsträgeransammlung erhöht wird. Demgemäß werden die Geschwindigkeit der im Basisbereich angesammelten Ladungsträger sowie die Dichte der angesammelten Ladungsträger um das Verhältnis Sjj/Sg erhöht, wobei S^ die Fläche der Region hoher elektrischer Feldstärke und S^ die Fläche der Basisregion in Fig. 7 bezeichnen.

beträgt die Fläche

Bei einem praktischen Ausfiihrungsbeispiel/der Region hoher elektrischer Feldstärke (S^) 50 ρ χ 50 μ und die Fläche der Basisregion (Sg) 5 u χ 5 p. Hierbei wird die Geschwindigkeit der angesammelten Ladungsträger und die Ladungsträgerdichte um das 100-fache erhöht. Der Scheinleitwert zwischen Emitter und43asis verändert sich je nach der Ansammlung der Ladungsträger in der Basisregion vom Blindleitwerttyp zum Leitwerttyp hin.

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Unter der Annahme, daß die die Vorspannung zwischen Emitter und Basis bewirkende Lichtintensität konstant ist, erreicht man demgemäß mit dem erfindungsgemäßen Phototransistor eine wesentlich größere Ansprechgeschwindigkeit als mit einem Phototransistor herkömmlichen Aufbaus. Die Grenzfrequenz in der Frequenzcharakteristik des Scheinwiderstandes des Emitter-Basis-Übergangs wird erhöht. Es ist klar, daß man mit dem Aufbau des erfindungsgemäßen Phototransistors eine wesentlich größere Verstärkung als mit dem herkömmlichen eindimensionalen Phototransistor erreicht, da der erfindungsgemäße Phototransistor bei dem gleichen Lichteinfallssignal zu einer höheren Anreicherung der Ladungsträger führt.

Es muß bemerkt werden, daß es bei dem erfindungsgemäßen Phototransistor nicht nötig ist, sich um die Abnahme der Transistorfläche zu kümmern.

Fig. 8A zeigt einen Schnitt durch eine AusfUhrungsform des erfindungsgemäßen Phototransistors und Fig. 8B zeigt eine Draufsicht desselben. Eine Vielzahl von Einheiten der Ausführungsform gemäß Figuren 8A und 8B sind auf einem gemeinsamen Kollektor angeordnet und die Emitter 3 sind durch die Emitterelektrode 5 miteinander verbunden. Der Lichteinfall sbereich kann die erwünschten Abmessungen haben und außer dem Emitterbereich sind alle Oberflächenbereiche durch eine isolierende Membran isoliert.

Fig. 9 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phototransistors, wobei Figur 9A eine Draufsicht und Figur 9B einen Schnitt zeigen. Der Unterschied zur Ausführungsform gemäß Fig. 8 besteht darin, daß der Bereich 81 keine Verarmung aufweist und eine gewisse Leitfähigkeit mit der Verarmungsschicht 8 zeigt. Die maximalen Einheiten werden derart gewählt, daß sie der Grenzfrequenz entspre-

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chen, je nach der Kapazität zwischen Basis und Kollektor und je nach dem Kollektorlastwiderstand. Dies heißt, daß die Maximaleinheiten entsprechend der Beziehung zwischen der Zeitkonstanten, welche von der Kapazität zwischen Basis und Kollektor und dem Kollektorlastwiderstand abhängt, und der erforderlichen Ansprechgeschwindigkeit gewählt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Phototransistor ist die Basisfläche relativ zur für den Lichteinfall freiliegenden Fläche gering. Die Zeitkonstante ist im Vergleich zu herkömmlichen eindimensionalen Phototransistoren merklich verkürzt und die Ansprechgeschwindigkeit ist stark erhöht. Wenn man den Phototransistor aus einer Vielzahl von Einheiten aufbaut, so ist es erwünscht, daß benachbarte Einheiten durch eine Region hoher elektrischer Feldstärke miteinander verbunden sind. Wenn jedooh die Dicke der Region hoher- elektrischer Feldstärke etwa der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger entspricht, so wird die Ansprechgeschwindigkeit nicht wesentlich gesenkt, obwohl keine Verbindung vorliegt. Das Rauschen des Photodetektors wird proportional zum 1/2 Quadrat des Lichteinfallsbereichs. Das Signal ist jedoch dem Lichteinfallsbereich proportional. Somit steigt das SN-Verhältnis proportional zum Wert des 1/2 Quadrats (1/2 Quadrat) des Lichteinstrahlbereiches.

Demgemäß ist der erfindungsgemäße Phototransistor gegenüber dem herkömmlichen eindimensionalen Phototransistor um die Hälfte des Quadrats des Flächenverhältnisses (Fläche der Verarmungsschicht/Fläche der Basisschicht) in dem SN-Verhältnis verbessert.

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Im folgenden werden einige Beispiele der Herstellung und des Aufbaue des erfindungsgemäßen Phototransistors erläutert. Es ist zur Herstellung eines wirksamen erfindungsgemäßen Phototransistors erforderlich, die Ausbreitung der Verarmungsschicht zwischen Basis und Kollektor zu erhöhen und einen Emitter und eine Basis zu schaffen, welche eine recht geringe Flächenausdehnung haben, so daß die Dicke der Basis verringert wird und dem Emitter mit einem Ohm¹sehen Kontakt von recht geringer Fläche zu verbinden.

Eine erhöhte Ausbreitung der Verarmungsschicht kann durch die nachstehende Störstellenverteilung erreicht werden.

Emitterbereich Basisbereich Kollektorbereich

P⁺	η- V	P
P⁺	η	t -P
P⁺	η- V*	It-P
n⁺	P- %	η
n⁺	P	γ -η
η	P-T	V-n

In dieser Tabelle ist die Schichtungsreihenfolge von der Oberfläche aus von rechts nach links vorgesehen. Es ist möglich, Emitterbereiche und Basisbereiche mit äußerst kleiner Flächenausdehnung vorzusehen, indem man das herkömmliche Photoätzverfahren zweimal anwendet. Das folgende Verfahren ist einfach und zweckmäßig. Die Basis wird durch ein Diffusionsfenster, welches durch ein Photoätzvei&hren ausgebildet wird (in nicht-oxydierender Atmosphäre), einduffundiert und danach wird die Oberfläche mit einer wässrigen Lösung von HF (HF/HpO = 1/10) während einer kurzen Zeitdauer (mehrere Sekunden bis mehrere 10 Sekunden) behandelt, um die Ätzbearbeitung durchzuführen, so daß die oxydative Membran entfernt wird, worauf der Emitter durch das gleiche Fenster eindiffundiert wird. In diesem Fall

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werden die Störstellendichte und die Diffusionstiefe des Emitters und der Basis durch die Diffusionsbedingungen (Dotierquelle und Dotierstärke, Temperatur und Dauer der Einwirkung der Gasatmosphäre ) gesteuert. Wenn das Emitterdiffusionsverfahren in nicht-oxydierender Atmosphäre durchgeführt wird, so kann der Ohm¹sehe Kontakt durch die geringe Ätzbearbeitung am Emitter ausgebildet werden, so daß es nicht erforderlich ist, für den Emitter Kontaktlöcher vorzusehen.

Es ist bei diesem Verfahren möglich, die Basisfläche entsprechend dem technischen Geschick auf etwa 1 ρ χ 1 |i zu senken, so daß es gelingt, einen Phototransistor mit sehr großer Empfindlichkeit und mit sehr großer Ansprechgeschwindigkeit herzustellen. Nachdem die äußerst kleinen Emitterbasisregionen ausgebildet sind, werden diese Emitterbasisregionen durch einen Emitterdraht miteinander verbunden. Die Region hoher elektrischer Feldstärke und die Diffusionslänge rund um diese Regionen wirken als Lichteinfalübereich. Hierdurch ist ein einwandfreier Betrieb gewährleistet.

Erfindungsgemäß ist es erwünscht, das Flächenverhältnis zu vergrößern (Verarmungsschichtfläche/Basisschichtfläche). Wenn jedoch die Ausbreitung der Verarmungsschicht erhöht wird, so gehen hiermit bestimmte nachteilige Defekte einher. Die Frequenz, welche von der ladungsträgerlaufzeit durch die Verarmungsschicht abhängt, wird gesenkt oder es findet leicht ein Durchbruch zwischen Basis und Kollektor statt, da proportional zum Flächenverhältnis eine Feldzentralisierung rund um die Basisregionen stattfindet. Die optimalen Werte der Dicke der Verarmungsschicht und des Flächenverhältnisses hängen von den Anwendungsbedingungen des Photo transistors ab. Die Dicke der Verarmungsschicht beträgt vorzugsweise annähernd 15 um und das Flächenverhältnis beträgt vorzugsweise etwa 100 und die Fläche der Basisschicht beträgt vorzugsweise

2
etwa 25 um .

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Ea muß ferner bemerkt werden, daß Im Falle der Verwendung eines Halbleiters mit hohem spezifischem Widerstand zur Erzielung einer breiten Verarmungsschicht je nach der Umgebungsatmoephäre oder des Herstellungsverfahrens in manchen Fällen Kanäle ausgebildet werden können. Demgemäß ist es bevorzugt, rund um die Arbeiteregion des Phototransistors (hur an der Oberfläche) eine Region niedrigen Widerstandes auszubilden, und zwar an einer Stelle, welche von der Region hoher elektrischer feldstärke etwas entfernt liegt, so daß die Region niedrigen Widerstandes die Ausbildung von Kanälen stoppt.

Der erfindungsgemäße Phototransistor ist nicht hinsichtlich des Aufbaus (Planartyp oder Mesatyp) oder hinsichtlich der Herstellungsweise (Diffusionsmethode, Legjaningsverfahren oder Aufwachsverfahren) beschränkt.

Der erfindungsgemäße Phototransistor umfaßt eine Vielzahl von Basisschiohten und Emitterschiohten, welche eine äußerst kleine Fläche einnehmen. Diese werden nacheinander in einen gemeinsamen Kollektor eindiffundiert und die Vielzahl der Emitterschichten werden durch eine gemeinsame Emitterelektrode miteinander verbunden. Hierbei ist die Dioke der Basisschicht geringer als die Ausbreitung der Verarmungsschicht zwischen Basis und Kollektor. Hierduroh wird ein hoher Lastwiderstand ermöglicht und ,Fluktuationen hinsichtlich der Vorspannung und hinsichtlich des Ausgangesignals aufgrund von Temperaturschwankungen können vermindert werden. Somit ist der erfindungsgemäße Phototransistor stabil und sehr zuverlässig. Erfindungsgemäß wird somit ein Phototranaistor mit einer sehr großen Ansprechgesohwindigkeit geschaffen. Die Erfindung leistet daher einen Beitrag für Photokommunikations systeme mit hoher Anspreohgesohwindigkeit. Demgegenüber ist die herkömmliche Avalanohe-Pho to diode hinsichtlich ihrer Eigenschaften instabil und unzuverlässig, da es sich hierbei um ein Bauelement handelt, welches auf einem Durohbruohsphänomen beruht.

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Claims

- 18 PATENTANSPRÜCHE

1.) Phototransistor mit großer Ansprechgeschwindigkeit, gekennzeichnet dur< h eine Vielzahl von Basisechicht-Emitterschicht-Paaren (2,3), welche stufenweise in einen gemeinsamen Kollektor (1) eindiffundiert sind, durch eine Emitterelektrode (5), welche die Vielzahl der Emitterschichten (3) gemeinsam verbindet und durch eine Verarmungsschicht (8) mit großer Breite, wobei die Fläche der Basis-Emitter-Schichten (2,3) kleiner ist als die ebene Ausdehnung der Verarmungsschicht (8).

2. Phototransistor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine geringe Dicke der Basischicht (2).

3. Phototransistor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verarmungsschicht (8) sich zwisehen den Basis-Emifter-Schiehten (2,3) erstreckt.

4. Photo trans is tor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge und/oder Weite der Fläche der Basisschichten (2) kleiner ist ala die Tiefe des Arbeitsbereichs bestehend aus der Dicke des Bereichs hoher elektrischer feldstärke und der Diffusionslänge.

5. Phototransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der nicht-verarmten Basisregion (2) Ib vorgespannten Zustand geringer ist als die Ausbreitung der Verarmungsschicht (8) zwischen Basis (2) und Kollektor (1) im vorgespannten Zustand.

6. Verfahren zur Herstellung des Photo transistors gemäß einen der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daS die Basisschicht durch ein Diffusionsfenster eindiffundiert wird, welches durch Photoätzung in nüit-oxydier end er Atmosphäre ausgebildet wurde,worauf eine kurze Ätzbehandlung folgt, wo-

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nach die Emitterschicht durch das Diffusionsfenster eindiffundiert wird.

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