DE2310724B2

DE2310724B2 - Phototransistor

Info

Publication number: DE2310724B2
Application number: DE2310724A
Authority: DE
Inventors: Saburo Itami Hyogo Takamiya (Japan)
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1972-03-03
Filing date: 1973-03-03
Publication date: 1978-04-20
Also published as: DE2310724A1; JPS4942294A; JPS5641186B2; US3794891A; DE2310724C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Phototransistor mit großer Ansprechgeschwindigkeit, der eine in eine Oberfläche eines Halbleiterkörpers eindiffundierte, mit einer Emitterelektrode versehene Emitterzone, daran anschließend eine dünne Basiszone und eine an die Basiszone angrenzende Verarmungszone großer Dicke aufweist.

Ein Phototransistor dieser Art ist aus der US-PS 22 530 bekannt.

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 diese niedrige Ansprechgeschwindigkeit des bekannten Transistors anhand der F i g. 1 und 2 erläutert werden.

Der Phototransistor gemäß Fig. I umfaßt einen Kollektor 1, eine Basis 2, einen Emitter 3 und eine Isolierschicht 4. Ferner sind eine Emitterelektrode 5, eine Basiselektrode 6 und eine Kollektorelektrode 7 vorgesehen. In der Praxis beträgt die Emitterdicke etwa mehrere Zehn nm bis mehrere μιη; die Basisdicke beträgt mehrere Zehn nm bis mehrere μιη und die Kollektordicke beträgt mehrere 10 bis mehrere 100 μΐη.

In Fig. 2 bezeichnen die Bezugszeichen /ν, ι% r_c- die Bahnwiderstände des Emitters, der Basis und des Kollektors. Die Kapazität und der Leitwert zwischen Emitter und Basis sind mit Cfgbzw. Gea bezeichnet. Die Bezugszeichen Cbc und Gnc bezeichnen die Kapazität bzw. den Leitwert zwischen Basis und Kollektor. Das Bezugszeichen Vm: bezeichnet die Basiscingangsi,pannung, und das Bezugszeichen /,■ bezeichnet den Kcllektorstrom.

Im allgemeinen wird die Ansprechgeschwindigkeit eines Transistors durch die folgenden Faktoren begrenzt:

(1) Die Zeit während der die vom Emitter in den Basisbereich injizierten Ladungsträger den Kollektor erreichen;

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

(I Ju)Cm I < Oi-ii)

(3) die Beziehung zwischen dem Blindleitwert und dem Leitwert zwischen Basis und Kollektor

(\jü)C„c\ <Ghc)

(4) die Beziehung zwischen dem Emitterbahnleitwert /;.-' und dem Blindleitwert zwischen Basis und Emitter

(5) die Beziehung zwischen dem Basisbahnleitwert τ*,"¹ und den Blindleitwerten zwischen Emitter-Basis und Emitter-Kollektor

und

(6) die zwischen dem Kollektorserienleitwert r_c-' zum Blindleitwert zwischen Basis und Kollektor

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

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

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

F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform eines herkömmlichen Mikrowellentransistors, wobei die Breite bzw. der Raum des Emitters etwa mehrere μιη bis mehrere 10 μηι beträgt und der Ausbreitungswiderstand des Basisbereichs gering ist.

Um die Zeitkonstante gemäß Beziehung (2) zu verkürzen, kann man erstens die Vorspannung zwischen Emitter und Basis verringern oder zweitens die Lebensdauer der aus dem Basisbereich in den Emitterbereich oder aus dem Emitterbereich in den Basisbereich injizierten Ladungsträger verkürzen, oder

drittens die injizierten Ladungsträger rasch zur Emitterelektrode und Kollektorregion leiten.

Die Lebensdauer der Ladungsträger wird c urch die Art des Halbleiters und durch die Art und cüi 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 von der Emitterelektrode verringert und daß man die Dicke des Basisbereichs verringert.

Eine Beeinflussung der Zeitkonstanten gemäß Beziehung (4) kommt praktisch nicht in Betracht, da der Emitterbahnwiderstand geringer ist als der Basisbahnwiderstand. Anstelle der Zeitkonstante gemäß Beziehung (6) betrachtet man die durch die Beziehung zwischen dem Blindleilwert zwischen Basis und Kollektor (jü)Cbc) und dem Kollektorlastleitwert

^LC (P'Cßc < RLC') gegebene Zeitkonstante, der da

Kollektorbahnwiderstand (V₁) im Vergleich zum Kollektorlastwiderstand (Ri.c) vernachlässigbar ist.

Wie bereits erwähnt, ist bei einem Mikrowellentransistor die Dicke der Basisregion verringert, und die Emitterbreite ist ebenfalls verringert, um eine Zunahme des Ausbreitungswiderstandes zu kompensieren. Andererseits ist bei einem Phototransistor das Eingangssigna! zwischen Emitter und Basis nicht elektrischer Natur, sondern optischer Natur. Dies bedeutet, daß die Spannung zwischen Emitter und Basis durch die durch den Lichteinfall erzeugten Ladungsträger geändert wird. Bei einem elektrischen Betrieb ist zur Festlegung der Vorspannung zwischen Emitter und Basis der Ausbreitungswiderstand der Basis von Wichtigkeit. Es ist jedoch nicht eerforderlich, den Einfluß der Beziehung (5) auf die durch das Eingangsphotosignal erzeugten Ladungsträger zu berücksichtigen, wenn die Lichteinstrahlung eine gleichförmige Verteilung hat. Was die Festlegung der Vorspannung zwischen Emitter und Basis anbetrifft, so kann der Basisanschluß (Basiselektrode) weggelassen werden, wenn man die Vorspannung auf optischem Wege aufbaut. Es ist jedoch erforderlich, zur Erzeugung einer Vorspannung eine relativ hochintensive Lichteinstrahiung vorzusehen.

Fig.4 zeigt eine Ausführungsform eines herkömmlichen Phototransistors, wobei die Lichteinstrahlung in vertikaler Richtung auf die Übergangsfläche erfolgt. Das Bezugszeichen hv bezeichnet das auftreffende Licht. 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 'St nicht erforderlich, bei der Vorrichtung gemäß F i g. 4 eine Basiselektrode vorzusehen, wenn die Vorspannung auf optischem Wege herbeigeführt 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 der durch das elektrische Feld zwischen Basis und Kollektor und durch die Ladungspolarität bewirkten Trennung der Ladungsträger, welche durch den Lichteinfall in den Basisbereich und in den Koliektorbereich erzeugt werden.

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 ?us dem in Fig. i gezeigten Beispiel für einen herkömmlichen Mikrowellentransistor ersehen kann, ist der größte Teil der Lichteinfallsfläche durch Elektroden bedeckt, so daß der Lichtempfangskoeffizient stark verringert ist. wenn auch andererseits die Anspruchgesehwindigkeil an sich erhöht ist. Andererseits ist es bei einem herkömmlichen Phototransistor, bei welchem die Vorspannung zwischen Emitter und Basis optisch gesteuert wird, erforderlich, Licht hoher Intensität anzuwenden, um eine ausreichende Vorspannung zu erreichen. Hierdurch wird die Zeitkonstante des Effekts (2) verlängert, und die Ansprechgeschwindigkeii wird verringert. Es muß somit festgestellt werden, daß bisher eine hohe Ansprechgeschwindigkeit des Phototransistors mit einem geringen Lichtempfangskoeffizienten einherging. Aus diesem Grunde ist es bisher nicht gelungen, einen praktisch verwertbaren Phototransistor mit hoher Ansprechgeschwindigkeit zu schaffen.

Es ^;it ferner aus der US-PS 32 22 530 bekannt, die Ansprechgeschwindigkeit durch eine im Betrieb dünne Basisregion und eine Verarmungvregion zu erhöhen. Dabei ist jedoch die Ansprechgeschwindigkeit immer noch zu niedrig, und die Quantenausbeute ist unzureichend.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen stabilen und zuverlässigen Phototransistor mit großer Ansprechgeschwindigkeit zu schaffen, dessen Ausgangssignal von Temperaturschwankungen möglichst wenig beeinflußt wird und der eine hohe Quantenausbeute aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einem Phototransistor der eingangs genannten Art erfindimgsgemäß dadurch gelöst, daß die Emitter- und die Basiszone in eine Vielzahl von durch die Verarmungsschicht voneinander getrennte, in die eine Oberfläche des den Kollektor bildenden Halbleiterkörpers eindiffundierte Emitter-Basis-Zonenpaare aufgeteilt sind, daß die Emitterzonen sämtlicher Emitter-Basis-Zonenpaare durch die Emitterelektrode miteinander verbunden sind und daß in der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers die gesamte von den Emitter-Basis-Zonenpaaren beanspruchte Fläche kleiner als die von der Verarmungszone eingenommene Fläche ist.

Bei einem Phototransistor wird bei Abwesenheit einer Basiselektrode auf optischem Wege eine Vorspannung zwischen Emitter und Basis erzeugt. Bei dem Phototransistor nach der Erfindung kann auch bei relativ geringer Lichtintensität eine genügend große Photospannung für eine Emitter-Basis-Vorspannung bewirkt werden. Durch die Verringerung der Emitterfläche wird ein großer Lichtempfangskoeffizient (Quantenausbeute) erzielt. Das Ausgangssignal und die Vorspannungen zeigen keine Fluktuationen bei Temperaturänderungen.

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

Fig. 1 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Transistor,

Fig. 2 ein Äquivalentschaltbild des Transistors gemäß Fig. 1,

Fig.3 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Mikrowellentransistor,

Fig.4 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Phototransistor,

F i g. 5 ein Diagramm der Energiebänder eines

Phototransistors,

Fig. 6 die Kennlinien der Durchlaßvorspanniing finden Leitwert des pn-Übcrgangs und für den Blindlcitwert des pn-Übcrgangs,

Fig. 7 eine Veranschaulichung o'er prinzipiellen Unterschiede zwischen dem erfindungsgemäßen Phototransistor und einem herkömmlichen Phototransistor,

Fig. 8A einen Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgcmäßen Phototransistors,

Fig.8B eine Draufsicht auf die Ausführungsform gemäß Fig. 8A,

F i g. 9A eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des erfindungsgcmäßen Phototransistors und

Fig. 9B einen Schnitt durch die Ausführungsform gemäß F i g. 9A.

Im folgenden soll das Bctriebsverhalten eines herkömmlichen Phototransistors (US-PS 32 22 530) zunächst kurz erläutert werden. Fig. 5 zeigt ein Encrgiebänderschema für die Energiebänder £Ί. Ei und E₁ des Phototransistors, welcher mit vertikal ausgerichteten Übergangsflächen dargestellt ist und einen P-Kollcktor 1, eine N-Basis 2, einen P-Emitter 3 und Elektroden 5, 7 umfaßt. Ferner sind eine Verarmungsschicht 8 und eine Spannungsquelle 9 vorgesehen sowie ein Lastwiderstand 8' und Ausgangsanschlüssc 11, 12. Gemäß der gewellten Pfeillinie fällt Licht (hv) von der Emitterseite ein.

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. Demgemäß sieht man gewöhnlich zwischen der N-Basis und dem P-Kollektor eine dicke Verarmungsschicht 8 mit einer geringen Störstellendichte vor.

Wenn bei einem derartigen Aufbau in der Verarmungsschicht durch Lichteinfall Elekironcn-Löchcr-Paarc gebildet werden, so werden die Löcher durch Drift in den Kollektor injiziert, und die Elektronen werden durch Drift in die Basis 2 injiziert.

Wenn die Elektronen in die Basis 2 injiziert werden, so wird das Basispotcnlial durch die Elcktronenladung verringert, und der Emittcr-Basis-Übcrgang wird durch die Photospannung in Durchlaßrichtung vorgespannt, bis die Geschwindigkeit der Elektroneninjcktion in die Basis im Gleichgewicht mit der Geschwindigkeit der Elckironeninjektion von der Basis 2 in den Emitter 3 steht. Die positiven Löcher werden vom Emitter 3 aufgrund der Durchlaßvorspannung in die Basis 2 injiziert, und sie gelangen durch Diffusion und Drift zum Kollektor I. Die Rate der Injektion der positiven Löcher vom Emitter in die Basis ist gleich der Rate der Injektion der Elektronen von der Basis 2 zum Emitter 3 multipliziert mit dem Injektionsvcrhältnis.

Die Rate der Elektroneninjcktion bestimmt den Photostrom der Photodiode, welche aus den Regionen 2, 8 und 1 besteht. Demgemäß ist der Phototransistor gegenüber der Photodiode um den Faktor (I + Injektionsvcrhältnis) verbessert.

Die Admittanz oder der Schcinlciiwcrt des pn-Übcrgangs wird im in Durchlaßrichtung vorgespannten Zustand durch den Diffusionslcilwcrt der injizierten Ladungsträger, durch die Diffusionskapazität und durch die Raumladungskapazität der angesammelten Ladungsträger beeinflußt. Der Ausdruck Ratimladiingskapaziläl wird hier verwendet, da es nicht angängig ist, bei einer Vorspannung in Durchlaßrichtung von einer Verarmung zu sprechen, wenngleich die Raumladungskapazität der Verarmungsschicht vergleichbar ist Fig. 6 zeigt diese Beziehungen für eine konstante Frequenz. Auf der Abszisse ist die Vorspannung des pn-Übcrgangs in Durchlaßrichtung aufgetragen. Aul der Ordinate sind die Diffusionslcilwerte C sowie die Blindleitwerle wCder Kapazitäten aufgetragen, wobei i-iCi) den der Diffusionskapazität zugeordneten Blindleitwerl bedeutet und wobei ojQden der Raumladungskapazität zugeordneten Blindleitwcrt bezeichnet. Wenn die Frequenz steigt, so wird G verringert.

Im Bereich einer geringen Vorspannung wird die Frequenzcharakteristik des Scheinleitwerts des pn-Übergangs durch den Diffusionsleitwcrt und durch den der Raumladungskapazität zugeordneten Blindleitwcrt bestimmt. Der Diffusionsleitwert wächst gemäß einer Exponentialfunktion mit der Erhöhung der Vorspannung. Der Blindleitwert erhöht sich relativ gering, und demgemäß steigt die Ansprechgeschwindigkeit entsprechend der Zunahme der Vorspannung.

Wenn die Vorspannung das Diffusionspotential Φ des pn-Übcrgangs übersteigt, so wird die Frequenzcharakteristik des Schcinlcitwcrtes des pn-Übcrgangs durch den Diffusionslcilwcrt und durch den der Diffusionskapazität zugeordneten Blindleitwcrt bestimmt.

In diesem Spannungsbcrcich hängt die Beziehung zwischen dem Blindleitwert und dem Leitwert nicht von der Spannung ab, sondern vielmehr vom Aufbau des pn-Übcrgangs (Siörsicllcndichtc und Dicke usw.), und die Grenzfrequenz ist relativ hoch. Demgemäß ist es zur Erhöhung der Grenzfrequenz des Phototransistors anhand der Beziehung (2) 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, unter der Voraussetzung, daß die Emitterfläche im Vergleich zur Tiefe des Arbeitsbereiches (Dicke des Bereichs hoher elektrischer Feldstärke + Diffusionslänge) genügend groß ist.

Fig. 7A zeigt den im folgenden als eindimensional bezeichneten 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 Region hoher elektrischer Feldstärke erzeugten Ladungsträgern in der Basisregion zustande. Genauer gesprochen handelt es sich um eine Vielzahl von Teilchen, welche in dem Basisbcrcich zu Ladungsträgern führen./. B.zu Elektronen bei einem pnp-Transistor oder zu positiven Löchern bei einem npn-Transistor.

Im Falle eines eindimensionalen Aufbaus (Fig. 7A] erhöht sich der Ansammlungsgrad der Ladungsträger in der Basisregion bei der Abnahme des Verhältnisses der Dicke Wd des Basisbcrcichs zur Dicke Wp der Region hoher elektrischer Feldstärke.

Aufgrund von Schranken in der Bearbeitbarkeit unterliegt die eindimensionale Struktur den folgenden Beschränkungen: Die Dicke der Basisregion ist auf etwa 0,1 μπι beschränkt, und die !Dicke der Region hoher elektrischer Feldstärke ist auf etwa 50 μηι beschränkt.

F i g. 7H zeigt einen Schnitt durch einen Phototransistor zur Veranschaiilichung des der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Phänomens, und F i g. 7C i eine Draufsicht des Phototransistor genial!

F i g. 7 B. Der Phototransistor ist äußerst wirksam, wenn die Basisfläche verringert wird, so daß sie in der Länge und/oder in der Breite kleiner ist als die Tiefe des Arbeitsbereichs. Dieser Fall ist in der Zeichnung dargestellt. Bei einer dreidimensionalen Struktur gemäß ■'> vorliegender Erfindung (dargestellt in den F i g. 8A und 8B) wird die Rate der Ansammlung der Ladungsträger in der Basisregion bei Abnahme des Verhältnisses des Volumens der Basisregion zum Volumen der Region hoher elektrischer Feldstärke (VbI V₀) erhöht, wodurch ι ο die Dichte der Ladungsträgeransammlung erhöht wird. Demgemäß werden die Geschwindigkeit der Ansammlung der Ladungsträger in der Basisregion und die Dichte der angesammelten Ladungsträger um das Verhältnis Sd/S_B erhöht, wobei Sd die Fläche der Region r> hoher elektrischer Feldstärke und S_B die Fläche der Basisregion in F i g. 7 bezeichnen.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel beträgt die Fläche der Region hoher elektrischer Feldstärke (Sd) 50 μπι χ 50 μπι und die Fläche der Basisregion (Sb) 5 μπι χ 5 μπι. Hierbei werden d'e Geschwindigkeit der Ansammlung der Ladungsträger und die Ladungsträgerdichte uiii das lOOfache erhöht. Der Scheinleitwert zwischen Emitter und Basis verändert sich je nach der Ansammlung der Ladungsträger in der Basisregion r> vom Blindleitwerttyp zum Leitwerttyp hin.

Unter der Annahme, daß die die Vorspannung zwischen Emitter und Basis bewirkende Lichtintensität konstant ist, erreicht man demgemäß mit dem erfindungsgemäßen Phototransistor eine wesentlich w größere Ansprechgeschwindigkeit als mit einem Phototransistor von herkömmlichem eindimensionalem Aufbau. Die Grenzfrequenz in der Frequenzcharakteristik des Scheinwiderstandes des Emitter-Basis-Übergangs wird erhöht. Es ist klar, daß man mit dem Aufbau des v> 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 man sich bei dem erfindungsgemäßen Phototransistor keine Sorgen um eine Abnahme der Transistorfläche machen muß.

F i g. 8A zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Phototransistors, und F i g. 8B zeigt eine Draufsicht desselben. Eine Vielzahl von Einheiten der Ausführungsform gemäß F i g. 8A und 8B sind auf einem gemeinsamen Kollektor angeordnet, und die Emitter 3 sind durch die Emitterelektrode 5 miteinander verbunden. Der Lichteinfallsbereich kann die erwünschten Abmessungen haben, und außer dem Emitterbereich sind alle Oberflächenbereiche durch eine isolierende Schicht isoliert.

Fig.9 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Phototransistors, in Draufsicht (F i g. 9A) und im Schnitt (Fig.9B). Der Unterschied zur Ausführungsform gemäß F i g. 8 besteht darin, daß der Bereich 81 keine Verarmung aufweist, aber den gleichen Leitungstyp wie die Verarmungsschicht 8. Die maximale Anzahl der bo Einheiten wird derart gewählt, daß die Grenzfrequenz, welche von der Kapazität zwischen Basis und Kollektor und dem Kollektorlastwiderstand abhängt, der gewünschten Grenzfrequenz entspricht. Dies heißt, daß die maximale Anzahl der Einheiten entsprechend der Beziehung zwischen der Zeitkonstanten, welche von der Kapazität zwischen Basis und Kollektor und dem Kollektorlastwiderstand abhängt, und der erforderlichen Ansprechgeschwindigkeit gewählt wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Phototransistor ist die Basisfläche relativ zur für den Lichteinfall frei liegenden Fläche gering. Die Zeitkonstante ist im Vergleich zu herkömmlichen eindimensionalen Phototransistoren merklich verkürzt, und die Ansprechgeschwindigkeit ist stark erhöht. Bei dem aus einer Vielzahl von Einheiten aufgebauten Phototransistor sind benachbarte Einheiten durch die Region hoher elektrischer Feldstärke miteinander verbunden. Wenn jedoch die Dicke der Region hoher elektrischer Feldstärke etwa der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger entspricht, so ist bei fehlender Verbindung die Ansprechgeschwindigkeit nicht wesentlich herabgesetzt. Das Rauschsignal des Phototransistors ist proportional der Hälfte der Fläche des Lichteinfallsbereichs. Das Signal ist jedoch dem Lichteinfallsbereich proportional. Somit steigt das Signal-Rausch-Verhältnis proportional zum Wert der Hälfte der Fläche des Lichteinfallsbereichs.

Demgemäß ist das Signal-Rausch-Verhältnis des erfindungsgemäßen Phototransistors gegenüber dem herkömmlichen eindimensionalen Phototransistor um die Hälfte des F'ächenverhältnisses Fläche der Verarmungsschicht/Fläche der Basisschicht verbessert.

Es ist zur Herstellung eines wirksamen Phototransistors erforderlich, die Ausdehnung der Verarmungsschicht zwischen Basis und Kollektor zu erhöhen und einen Emitter und eine Basis zu schaffen, welche eine recht geringe Flächenausdehnung haben.

Eine erhöhte Ausdehnung der Verarmungsschicht kann durch die nachstehenden Störstellenverteilungen erreicht werden.

Emitterregion	Basisregion	Kollektorregion
P⁺	η—ν	P
P⁺	η	π-ρ
P⁴	n-v	π-ρ
n⁺	ρ-π	η
n⁺	P	ν-η
n⁺	ρ-π	ν-η

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 Photoätzverfahren ausgebildet wurde, in nichtoxydierender Atmosphäre eindiffundiert, und danach wird die Oberfläche mit einer wäßrigen Lösung von HF (HF/H2O = 1/10) während einer kurzen Zeitdauer (mehrere Sekunden bis mehrere 10 Sekunden) behandelt, so daß die Oxidschicht entfernt wird, worauf der Emitter durch das gleiche Fenster eindiffundiert wird. In diesem Fall werden die Störstellendichte und die Diffusionstiefe des Emitters und der Basis durch die Diffusionsbedingungen (Dotier quelle und Dotierrate, Temperatur und Dauer der Einwirkung der Gasatmosphäre) gesteuert. Wenn das Emitterdiffusionsverfahren in nichtoxydierender Atmosphäre durchgeführt wird, so kann der Ohmsche Kontakt durch die geringe Ätzbearbeitung am Emitter ausgebildet werden, so daß es nicht erforderlich ist, für den Emitter Kontaktlöcher herzustellen.

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

Es ist erwünscht, das Flächenverhältnis (Verarmungsschichtfläche/Basisschichtfläche) zu vergrößern. Wenn jedoch die Ausbreitung der Verarmungsschicht erhöht wird, so gehen hiermit bestimmte Nachteile 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 Phototransistors ab. Die Dicke der Verarmungsschicht beträgt vorzugsweise annähernd 15 μίτι, und das Flächenverhältnis beträgt vorzugsweise etwa 100, und die Fläche der Basisschicht beträgt vorzugsweise etwa 25 μπι².

Es. muß ferner bemerkt werden, daß im Falle der Verwendung eines Halbleiters mit hohem spezifischem Widerstand zur Erzielung einer breiten Verarmungsschicht je nach der Umgebungsatmosphäre oder des Herstellungsverfahrens in manchen Fällen Kanäle

ausgebildet werden können. Demgemäß ist es bevorzugt, rund um die Arbeitsregion des Phototransistors (nur 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) beschränkt.

Der Phototransistor umfaßt eine Vielzahl von Emitter-Basis-Zonenpaaren, welche eine äußerst kleine Fläche einnehmen. Diese werden in einen gemeinsamen Kollektor eindiffundiert, und die Vielzahl der Emitterschichten werden durch eine gemeinsame Emitterelektrode miteinander verbunden. Hierbei ist die Dicke der Basisschicht geringer als die Ausdehnung der Verarmungsschicht zwischen Basis und Kollektor. Dadurch wird ein Phototransistor mit einer sehr großen Ansprechgeschwindigkeit geschaffen. Die Erfindung leistet daher einen Beitrag für Photokommunikationssysteme mit hoher Ansprechgeschwindigkeit. Ferner wird hierdurch ein hoher Lastwiderstand ermöglicht, und Fluktuationen der Vorspannung und des Ausgangssignals aufgrund von Temperaturschwankungen können vermindert werden. Somit arbeitet der erfindungsgemäße Phototransistor stabil und sehr zuverlässig. Demgegenüber ist die Avalanche-Photodiode hinsichtlich ihrer Eigenschaften instabil, da es sich hierbei um ein Bauelement handelt, welches auf einem Durchbruchphänomen beruht.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Phototransistor mit großer Ansprechgeschwinciigkeit, der eine in eine Oberfläche eines Halbleiterkörpers eindiffundierte, mit einer Emitterelektrode versehene Emitterzone, daran anschließend eine dünne Basiszone und eine an die Basiszone angrenzende Verarmungszone großer Dicke aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Emitter- und die Basiszone in eine Vielzahl von durch die Verarmungsschicht voneinander getrennte, in die eine Oberfläche des den Kollektor bildenden Halbleiterkörpers eindiffundierte Emitter-Basis-Zonenpaare aulgeteilt sind, daß die Emitterzonen sämtlicher Emitter-Basis-Zonenpaarc durch die Emitterelektrode miteinander verbunden sind und daß in der einen Oberfläche des Halbleiterkörpers· die gesamte von den Emitter-Basis-Zonenpaaren beanspruchte Fläche kleiner als die von der Verarmungszone eingenommene Fläche ist.

2. Phototransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge und/oder Breite der Fläche eines einzelnen Emitter-Basis-Zonenpaares (2,3) kleiner ist als die Tiefe des Arbeitsbereichs, die sich aus der Dicke der Verarmungszone und der Diffusionslänge der Ladungsträger zusammensetzt.

3. Verfahren zur Herstellung des Phototransistors gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Basiszonen in nichtoxydierender Atmosphäre durch Diffusionsfenster eindiffundiert werden, die durch Photoätzung ausgebildet wurden, daß dann eine kurze Ätzbehandlung folgt und daß danach die Emitterzonen durch die Diffusionsfenster eindiffundiert werden.