DE2353029A1 - Hochfrequenz-halbleiterverstaerkereinrichtungen und -schaltungen - Google Patents
Hochfrequenz-halbleiterverstaerkereinrichtungen und -schaltungenInfo
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Description
6 Frankfurt/Main 1
Nlddastr. 52
22. Oktober 1973 WK/Cs
2515-RD-4768
1 River Road
Schenectady, N.Y., U.S.A.
und -schaltungen
Die Erfindung betrifft allgemein mit drei Anschlüssen oder zwei ■
Eingangsmöglichkeiten ausgestattete Halbleiter-Verstärkereinrichtungen und Schaltungen für diese und insbesondere solche Einrichtungen zur Leistungsverstärkung bei Frequenzen im Mikrowellenbereich.
Im Stand der Technik sind mit zwei Eingängen ausgestattete Mikrowellen-LeistungsverstärkerrHalbleitereinrichtungen für Frequenzen
oberhalb derjenigen Frequenzen nicht bekannt, welche durch Transistoren verstärkt werden, d.h. oberhalb etwa vier Gigahertz. In
Verstärkern des "Reflektionstyps" wurden Aufprall-Lawinen-Transitzeitdioden (lmpact-avalanche), welche auch als IMPATT-Dioden bezeichnet werden,, und Einrichtungen mit Elektronenübertragung, welche auch als TED-Einrichtungen bezeichnet werden^TDabei wurde die.
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Isolation der eingangsseitigen und ausgangsseitigen Schaltungen
oder Kreise durch Zirkulatorelemente erhalten. Der Verstärkungsgrad und die Stabilität solcher Reflektionsverstärker mit Verwendung
von Einrichtungen mit zwei Anschlüssen oder mit einem Eingang sind jedoch sehr empfindlich bezüglich der Betriebsbedingungen.
Schaltungsanordnungen, welche im Kleinsignalbereich stabil sind, führen zu Verstärkern mit niedrigem Verstärkungsgrad im Großsignalbereich.
Zusammengefaßt schafft die vorliegende Erfindung eine Halbleiter-Verstärkereinrichtung
mit drei Anschlüssen oder zwei Eingängen, welche bei Mikrowellenfrequenzen eine stabile Verstärkung eines
Signals mit hohem Wert liefert, die gleiche Einfachheit wie ein
Mikrowellen-Transistor bezüglich der Anforderungen an die Schaltung
aufweist und trotzdem bei Frequenzen arbeitet, welche den Betriebsfrequenzen von IMPATT-Dioden vergleichbar sind. Diese
Einrichtungen arbeiten dabei als Oszillatoren im gleichen Bereich der Ausgangsleistungen und liefern Ausgangsleistungen mit einem
Wert, welcher vergleichbar ist mit den Ausgangsleistungen von
"IMPATT"-Dioden,' die bei der gleichen Frequenz als Oszillatoren
betrieben werden.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Körper aus Halbleitermaterial
vorgesehen mit einem Emitterbereich eines Leitfähigkeitstyps, einem Basisbereich mit entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp,
welcher sich an den Emitterbereich anschließt und mit demselben einen Emitter-P-N-Übergangsbereich bildet, sowie
einem Kollektorbereich des einen Leitfähigkeitstyps, der mit dem Basisbereich entgegengesetzter Leitfähigkeit anschließend angeordnet
ist und mit demselben einen Kollektor-P-N-Ubergangsbereich
bildet. Der Kollektorbereich der Einrichtung besteht aus einem Halbleitermaterial, in dem der Lawinenkoeffizient der Majoritätsladungsträger wesentlich größer ist als der Lawinenkoeffizient
der Minoritätsladungsträger in diesem Bereich. Die Elektroden für
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Emitter, Basis und Kollektor sind jeweils mit dem Bereich für
EmStiör^Blsls und Kollektor verbunden. Der Kollektorbereich besitzt
eine'Lähge zwischen dem Kollektor-P-N-Übergangsbereich und
der Kollektorelektrode,welche im wesentlichen gleich der Hälfte
der Sättigungsdriftgeschwindigkeit der Majoritätsträger in diesem
Bereich geteilt durch die Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbandes der Einrichtung ist* Der Kollektorbereich enthält eine
Lawinenzone anschließend an den Kollektor-P-N-tibergangsbereich,
und eine Driftzone, welche den Übrigen Teil des Kollektorbereiches
umfaßt. Die Länge der Lsrwinenzone ist wesentlich kleiner als
die Länge der Driftzone» Die durchschnittliche resultierende Konzentration
von Aktivatoren in dem Kollektorbereich ist so beschaffen,
daß bei Verarmung des Kollektors an beweglichen Ladungsträgern durch Anfügen einer Spannung geeigneter Polarität und
Amplitude zwischen der Basiselektrode und der Kollektorelektrode
in dem Kollektorbereich ein elektrisches Feld aufgebaut wird, welches
sich von dem Kollektor-P-N-Übergangsbereich zur Kollektorelektrode erstreckt, wobei die elektrische Feldintensität in der
Lawinenzone am größten ist. Die resultierende Aktivatorkonzentration im Kollektorbereich und die Länge des Kollektorbereiches
sind so beschaffen, daß die elektrische Feldintensität in der Lawinenzone geringer ist als diejenige Feldintensität, welche eine
Lawinenmultiplikation der Leituftgsträger im Kollektorbereich und einen unbegrenzten Strömfluß in demselben erzeugen würde.
Ein besseres Verständnis des Aufbatis und der Betriebsweise der
Erfindung-ergibt" sich aus der nachfolgenden Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen im Zusammenhang Mit den Abbildungen.
Figur! zeigt eine schema tische Darstellung einer Halbleitereinrichtung, die in feiner Schaltung verbunden ist.
Figur 2 zeigt eine Kurvendarstellung des Profils oder Verlaufs
der resultierenden Aktivatorkonzentration der Halbleiter einrichtung nach Figur 1, wobei dl® ieaülrtierende .-'■■■*
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Aktivatorkonzentration in einer logarithmisohen Skala
entlang der Ordinate der Kurve und die Entfernung über die Längsachse der Einrichtung in einer logarithmischen
Skala entlang der Abszisse der Kurve aufgetragen sind.
Figur 3 zeigt eine Kurvendarstellung des Stromflusses über
der angelegten Spannung zwischen Basis und Kollektorelektrode der Einrichtung nach Figur 1 zur Erläuterung
der Arbeitsweise der Einrichtung zwecks Erzielung einer hohen Leistuhgsverstärkung bei Mikrowellenfrequenzen.
Figur 4 zeigt eine Kurvendarstellung des Multiplikationsfaktors für diejenige Ladung, welche in einen hypothetischen
Bereich des Profils der elektrischen Feldintensität eintritt,
und zwar als Funktion der Spannung, wobei lediglich der Lawinenprozeß betrachtet wird und andere physikalische
Effekte vernachlässigt sind.
Figur 5 zeigt Kurvendarstellungen der Lawinenkoeffizienten für
Elektronen und Löcher für das Material Silizium und . Germanium als eine Funktion der elektrischen Feldintensität.
Figur 6 zeigt eine Kurve der Driftgeschwindigkeit als Funktion
der elektrischen Feldintensität für Elektronen in Halbleitermaterial aus Silizium zur Erläuterung der Arbeitsweise
der Einrichtung und Schaltung nach Figur 1.
Figur 7 zeigt Kurvendarstellungen der Betriebsgleichspannung
und der über einem parallelen Resonanzkreis einschließlich
eines ohm*sehen Verbrauchers erzeugten Wechselspannung
als Funktion der Zeit und dient ebenfalls zur Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung und Schaltung nach Figur 1.
.
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Figur 8 zeigt Kurvendarstellungen für die Stromstärke und die
elektrische Ladung in verschiedenen Teilen der Einrichtung und Schaltung nach Figur 1 in Abhängigkeit von der
Zeit zur Erläuterung der Arbeitsweise der Einrichtung und Schaltung nach Figur 1 im Zusammenwirken mit den
Kurven nach Figur 7 bei der Erzeugung einer Leistungsverstärkung bei Mikrowellenfrequenzen.
Figur 9 ist eine Aufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung.
Figur 10 ist eine Schnittansicht der Einrichtung nach Figur 9 entlang der Schnittlinie 10-10 und zeigt den inneren .
Aufbau der Einrichtung nach Figur 9 und veranschaulicht
die Herstellung dieser Einrichtung.
Figur 11 zeigt eine Kurve der resultierenden Aktivatorkonzentration
in der Einrichtung nach Figur 9 als Funktion des Abstandes in dem Halbleiterplättchen von der oberen Oberfläche
zu der Kollektorelektrode.
Figur I zeigt eine eindimensionale schematische Darstellung einer
Halbleiterverstärkereinrichtung 10 als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Einrichtung 10 enthält einen Körper aus
Halbleitermaterial mit einem ersten oder Emitterbereich 11 mit
einer sehr starken Leitfähigkeit des N-Typs, einen zweiten oder Basisbereich 12 mit sehr starker Leitfähigkeit des P-Typs, welcher
anschließend an den Basisbereich liegt zur Bildung eines Emitter-PN-Übergangsbereiches
13 mit demselben. Die Einrichtung IO ent-'
hält a:uch einen dritten oder Kollektorbereich 14 des Leitfähigkeitstyps
N, welcher anschließend an den Basisbereich 12 liegt
zur Bildung eines Kollektor-PN-Übergangsbereiches 15 mit demselben.
Der Körper aus Halbleitermaterial besteht aus Silizium, In welchem der Lawinenkoeffizient für Elektronen (OCn) wesentlich
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größer ist als der Lawinenkoeffizient für Löcher (Ck, ) für einen
weiten Bereich der elektrischen Feldintensitäten, indem dort eine Lawinenmultiplikation der Leitungsträger auftritt. Die Konzentration
der resultierenden Aktivatoren oder Verunreinigungen
in jedem der Bereiche der Einrichtungen 10 ist in Figur 2 als eine Funktion des Abstandes über dem ersten, zweiten und dritten
Bereich dargestellt. Die Werte der resultierenden Aktivatorkonzentration in dem Emitter- und Basisbereich der Einrichtung sind
Werte, welche konventionell für Mikrowellentransistoren verwendet
werden; das heißt, der Emitterbereich besitzt eine Konzentration, die wesentlich höher ist als die Konzentration im Basisbereich,
um eine gute Minoritätsträgerinjektion in dem Basisbereich
zu schaffen. Selbstverständlich ist der Basisbereich dünn, um einen guten Transport der injizierten Träger zu dem Kollektor-PN-Übergangsbereich
bei den hohen Betriebsfrequenzen zu erhalten.
Der Kollektorbereich 14 enthält einen schmalen Bereich 16, welcher
sich an den Kollektor-PN-Übergangsbereich 15 anschließt und
als "Lawinenzone" bezeichnet wird. Der Kollektorbereich 14 enthält auch eine.Zone 17, welche als "Driftzone" bezeichnet ist
und wesentlich länger ist als die Lawinenzone 16. Der Maximalwert der resultierenden Aktivatorkonzentration in der Lawinenzone
16 ist um etwa zwei Größenordnungen geringer als der Maximalswert der resultierenden Aktivatorkonzentration im Basisbereich
12. Der Spitzenwert der resultierenden Aktivatorkonzentration
in der Driftzone 17 ist um etwa zwei Größenordnungen geringer als die resultierende Aktivatorkonzentration in der Lawinenzone
16. Der Kontakt mit der Driftzone 17 wird hergestellt durch einen Bereich 18 eines Halbleitermaterials des N-Typs mit
hoher resultierender Aktivatorkonzentration. Dieses wird als Substrat verwendet und dient auch als eine Kollektorelektrode,
um eine gute ohmische Verbindung mit der Driftzone zu erhalten.
Die resultierende Aktivatorkonzentration im Bereich 18 kann um
mehrere Größenordnungen größer gemacht werden als die resultierende Aktivatorkonzentration in der Driftzone 17 und ,kann
den gleichen Leitfähigkeitstyp besitzen. Per leitende Anschluß
ergibt eine gute Verbindung zum Bereich 18 mit geringem Widerstand. Ähnliche leitende Anschlüsse 20 und 21 ergeben eine gute
leitende Verbindung mit geringem Widerstand zum Basisbereich 11 bzw. zum Emitterbereich 12.
Die resultierende Aktivatorkonzentration entlang dem Kollektorbereich
14 ist so eingestellt, daß bei Anlegen einer Betriebs-Spannung
V zwischen den Kollektor- und Basisbereichen aus einer
Spannungsquelle 25 der Kollektor-PN-Übergangsbereich 15 in Sperrrichtung
gespannt wird und dabei der Kollektorbereich 14 an beweglichen
Ladungsträgern verarmt oder abgereichert wird. Unter diesen Bedingungen wird in dem Kollektorbereich ein elektrisches
Feld aufgebaut, welches eine maximale Intensität am Kollektor-PN-Übergangsbere ich besitzt, in der Lawinenzone scharf abfällt
und danach im wesentlichen linear mit dem Abstand in der Priftzpne
abfällt, da die Driftzone entlang ihrer Länge eine gleichförmige resultierende Aktivatorkonzentration besitzt, und im
wesentlichen auf den Wert Null an der Grenzfläche zwischen der
Driftzone ijnji «3pm Bereich 18 absinkt. Selbstverständlich wird
bei einer, Erhellung der in Sperrichtung angelegten Spannung über
dem Kollektpr-PH-Übergangsbereich 15 über denjenigen Wert hinaus,
an dem der Kollektorbereich gerade an Majprltätsträgern abgereichert
wird, eine Äbreicherung der Majoritätsträger in dem Substrat 18 auftreten und dort ein elektrisches Feld bestehen.
Im Basisbereich verringert sich das elektrische Feld von einem
Maximalwert am Kollektor-PN-Übergangsbereieh auf Null. Der Mittelwert
der resultierenden Aktivatorkonzentration im Kollektorbereich
und die resultierende Aktivatorkonzentration im Lawinen-Bereich
sind in Beziehung zu der resultierenden Aktivatorkonzentration
in dex Driftzone so eingestellt, daß bei Äbreicherung
der beweglichen Träger im Kollektbrbereich die elektrische Feldintensität
in der Lawinenzone bewirkt, daß sich dort injizierte
Ladung mit einem endlichen Faktor multipliziert, wie dies noch . im einzelnen nachstehend erläutert ist. Die Länge des Kollektor-
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bereiches zwischen dem Kollektor-PN-Übergangsbereich 15 und der
dritten oder.Kollektorelektrode 18 wird so festgelegt, daß sie
im wesentlichen gleich der Hälfte der Sättigungsdriftgeschwindigkeit
der Majoritätsträger in diesem Bereich geteilt durch die Mittenfrequenz des Betriebsfrequenzbandes der Einrichtung ist.
Die Gründe hierfür sind aus der nachstehend gegebenen Betrachtung der Arbeitsweise der Einrichtung in ihrer Schaltung ersichtlich.
Eine Quelle 23 für eine Vorspannung V und eine Quelle 24 für
zu verstärkende Hochfrequenz- oder Mikrowellensignale sind in
Reihe zwischen die Basiselektrode 20 und die Emitterelektrode geschaltet. Die Quelle 23 ist gemäß der Darstellung zur Vorspannung
des Emitter-PN-Übergangsbereichs 13 in Sperrichtung eingerichtet,
so daß die Einrichtung IO als ein C-Verstärker arbeitet, d.h. als ein Verstärker, in dem Strom aus der Hochfrequenzquelle
24 in dem Emitter-Basis-Kreis während eines Zeitraums von weniger als 180° einer Hochfrequenzperiode fließt; dies ist noch
im einzelnen im Zusammenhang mit den Figuren 7 und 8 erläutert. Obwohl der C-Betrieb bevorzugt wird, ist die Einrichtung 10 jedoch nicht auf diese Betriebsweise beschränkt. Ein Kondensator 27,
ein Induktor 28 und ein Verbraucherwiderstand 29 sind parallel zwischen dem positiven Anschluß der Quelle 23 und die Kollektorelektrode
19 geschaltet. Funktionsmäßig enthält dieser Kondensator 27 auch die Kapazität der Einrichtung 10 zwischen Kollektorelektrode
19 und der Basiselektrode 2O. Die Parallelresonanzfrequenz der Kombination wird so eingestellt, daß sie im wesentlichen
gleich der Mittenfrequenz des Frequenzbandes ist, für welches
die Einrichtung 10 in einem bestimmten Anwendungsfall bemessen ist.
Es wird Bezug genommen auf die Figur 3, welche eine Kurve 30 für Gleichstrom und. Gleichspannung der in Sperrichtung vorgespannten
Basis-Kollektor-Struktur der Einrichtung 10 allein betrachtet
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zeigt. Ebenso zeigt die Figur 3 die Kurve 31 und diese stellt
eine hypothetische Kennlinie Gleichstrom über Gleichspannung für
die gleiche Struktur dar, welche zusammen mit der Kurve 37 der
Figur 4 zu verwenden ist, zum besseren Verständnis der theoretischen
Grundlage der Arbeitsweise. Die Kurve 37 repräsentiert
den Multiplikationsfaktor für diejenige Ladung, welche in die
gleiche Basis-Kollektor-Struktur der Einrichtung 10 eintritt,
über der Gleichspannung in einem hypothetischen Fall, in dem das
Profil des elektrischen Feldes und die Lawinenkoeffizienten unabhängig von der Größe der Multiplikation sind. Die Punkte 36,
38 entsprechen den Spannungen V- bzw. V . Bei der Spannung Vg
besitzt die Kurve 37 eine vertikale Flanke und der Multiplikationsfaktor
erhöht sich auf unendlich. Die Kurve 31 besitzt ebenfalls bei der Spannung V„ eine vertikale Steigung. In einem
wirklichen Material, beispielsweise Silizium, welches in der Basis-Kollektor-Struktur der Einrichtung 10 verwendet wird, ist
der Kollektorstrom gemäß der Darstellung in Figur 3 am Anfang
sehr gering und beginnt mit einem Anstieg am Punkt 32 entsprechend
der Spannung V- und steigt weiter an an dem Punkt 33 entsprechend
der Spannung V . Die Multiplikationsfaktoren bei V1
und V sind die auf den Lawinenprozeß zurückzuführenden Multiplikationsfaktoren
und sind im wesentlichen gleich 10 und 100. In einem wirklichen Material, beispielsweise Silizium, bewirkt
jedoch mit der Vergrößerung des MuItiplikationsfafctors, d.h. in
der Größenordnung von 10 , die Anwesenheit der durch den Lawinenmultiplikationsprozeß
selbst erzeugten Ladung, daß sich das elektrische Feld in der Nähe des PN-Ubergangsbereiches vermindert,
und bewirkt gleichzeitig, daß sich das elektrische Feld in der
Nähe der Kollektorelektrode erhöht. Solche Änderungen in der räumlichen Feldverteilung bei der gleichen Spannung bewirken,
daß das Feld in der Nähe des PN-Übergangsbereiches auf die Feldstärke absinkt, welche benötigt wird, um den erforderlichen
Multiplikationsfaktor aufrechtzuerhalten,, Um daher die gleiche
Stromstärke wie an dem Punkt 34 der hypothetischen Kurve 31 in
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Figur 3 zu erhalten, benötigt die wirkliche Struktur eine größere Spannung, wie dies an dem Punkt 35 in der Kurve 30 dargestellt
ist. Thermische Effekte bedingen ebenfalls einen Beitrag zur erforderlichen Spannungserhöhung.
Die Kurve in Figur 3 stellt daher bis zu einer Spannung geringfügig unterhalb V4 die stationären Verhältnisse für Gleichstrom
und Spannung in einer Struktur dar, welche beispielsweise der Basis-Kollektor-Struktur der Einrichtung 10 entspricht. Der nahezu
lineare Teil der Kurve 30 zwischen den Punkten V_ und V1 wür-
2 3 2 Δ ■ 'k
de einer Stromdichte von 10 bis 10 A/cm entsprechen. Bei noch
4 2
größeren Stromstärken, beispielsweise oberhalb 10 A/cm würde die Kurve 30 eine vertikale Steigung besitzen, d.h. bei der Spannung
V41 und bei noch größeren Stromstärken würde sie eine negative
Steigung besitzen und normalerweise würde die Struktur irreversibel
zerstört. An einem Vorspannungswert V3 entsprechend dem
Punkt 35 in Figur 3 können die Hochspannungsamplituden über den
stabilen Gleichspannungsgrenzwert V4 hinaus schwingen (jedoch
lediglich während einer kurzen Zeitdauer), wenn die Basis- und Kollektorelektrode mit einem geeigneten Resonanzkreis oder Schwingkreis
verbunden sind. Der Mittelwert der Stromstärke ist dann geringfügig größer als die Stromstärke an dem Punkt 35 mit der gleichen
Vorspannung V3. Dies entspricht einem Betrieb der Struktur
als IMPATT-Oszillator. Der Multiplikationsfaktor in einem IMPATT-Diodenoszillator
ist größer als 10" . Aus noch später ersichtlichen Gründen wird der PN-Basis-Kollektorteil der Einrichtung 10
mit einer Spannung in der Nähe von V in den Figuren 3 und 4 vorgespannt,
d.h. mit einem Multiplikationsfaktor im Bereich von etwa 5 bis etwa 50. Wenn ein Schwingkreis schaltungsmäßig mit der
Bas.is- und der Kollektorelektrode der Einrichtung 10 verbunden wird und die Einrichtung mit der angedeuteten Kollektorvorspannung
arbeitet, ist die Einrichtung hochfrequenzstabil, d.h. sie wird nicht selbstschwingend sein. Weiterhin besitzt die Einrichtung
einen äußerst, niedrigen Ruhegleichstrom und ist in der Lage,
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die im Kollektorbereich erscheinende Ladung bei Vorhandensein eines
an der Emitterelektrode zugeführten Signals zu verstärken,
wie dies noch im Zusammenhang mit den Figuren 7 und 8 erläutert wird.
Wenn zwischen Kollektorelektrode und Basiselektrode der Einrichtung
die Kollektorvorspannung V angelegt wird, dann ist der
Gleichstromfluß durch die Einrichtung stabil, d.h. ein gegebener
Eingangsstrom zum Kollektorbereich erzeugt einen Ausgangsstrom,
welcher Über einen endlichen Multiplikationsfaktor mit dem Eingangsstrom
in Beziehung steht. Bei einer solchen Vorspannung erfüllt
der Kollektorbereich das Kriterium für Stabilität, nämlich
daß das Rückkopplungsintegral (als F.B.I0 bezeichnet) durch
nachstehende Beziehung definiert ist;
F.B.I, a 1-1 - /fWoC*d£' (1)
M Jo
Dabei ist OC*der effektive Lawinenkoeffizient, d *. ist die Dicke
einer dif'ferentiellen Schicht und die Grenzen 0 bis W entsprechen
der Spannweise der Entfernung, über welcher das elektrische Feld existiert. M ist der Multiplikationsfaktor, auf den im Zusammenhang mit der Figur 4 Bezug genommen ist. Es ist zu beachten, daß in dieser Gleichung (1) der Multiplikationsfaktor unendlich
groß ist, wenn das Rtickkopplungsintegral (F.B.I.) 1 ist.
Für ein Halbleitermaterial des N-Typs werden öC und OC. als
LawinenkoefjFizienten der Elektronen bzw. der Löcher bezeichnet
und der effektive Lawinenkoeffizient O& ist dann definiert als
- ÖC βχρΛ - f (<*.„-OLJ dB 7 (2)
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Es ist zu beachten, daß die Beziehung gilt: CJC Zt ^ n gemäß
CS^. ; dabei sind die Zeichen entsprechend in den beiden
P ^* . η
Ausdrücken zu setzen, Dph@r ist für ein vorgegebenes elektrisches
Feldprofil das Rückkopplungsintegral kleiner und damit der Multiplikationsfaktor
M kleiner, wenn OC <OCn für einen Kollektorbereich
des N-Typs" im Vergleich zu dem Fall, in dem beispielsweise
OL « (Xn gilt. Der Fäll, in dem OC ^ OCn ist,- gestattet
daher einen größeres Bereich der Spannung von V1 bis V- in Fig. 4
mit nutzbarer1 Multiplikation. Ein solcher größerer stabiler .
gleichspannungebereich für dl© Multiplikation macht dann ein solches
Halbleitermaterial wenig©!· geneigt ^u einem elektrischen
Ausfall.
Noch wichtiger ist di© Tatsache, daß das Verhältnis °C zu
W bei χ ™ ο gemäß dem Ausdruck exp
in Bsziehung steht sum Verhältnis der scheinbaren zusätzlichen
Elektronen, welche an dem Basis-Kollektor-PN-Übergangsbereich
iBjizisrt sind zn der Zahl der tatsächlich injizierten Elektronen.
Die scheinbaren zusätzlichen Elektronen sind das Ergebnis des
Lawia©mraltipilka.tionsppozesses der Löcher, welche an dem übergangsbereich
ankommen, nachdem die Löcher selbst kurz zuvor durch den Lawinenprozeß 'im Innern des Kollektorbereichs erzeugt wurden.
Wenn die Zahl der zusätzlichem Elektronen.größer ist als die durch
das Signal injizierten Elektronen, dann wird die Bedeutung
(Signifikanz) des Signals vermindert, d.h. die Einrichtung besitzt
©ine große Ausgaagsleistung, welche praktisch unabhängig
-ist von der'Amplitude des Signals. Um eine hohe Multiplikation
ohne Verlust der Signalfoedeutiang zu erhalten,, d.h. einen großen
dynamischen Verstärkungsbiereieh, muß eC wesentlich kleiner sein
Jr
als <Xa für d@n Halbloiter des N-Typs. Zusammengefaßt ist daher
di®. B&aingmg 0^n >>
0^ für den Halbleiter- d©a H-Typ.s (oder
409819/0772 .
.- 13 -
CC » oc fUr den p->Typ) notwendig für einen größeren stabilen
Gleichspi»nnungsbereich mit mäßigem Multiplikationsfaktor und
für den größeren dynamischen Bereich der Signa!verstärkung.
Der Halbleiter Silizium erfüllt die Anforderung für ein Material
des N-Typs, da er einen Wert von oC si io<=c im Bereich der interessierenden
elektrischen Feldstärken besitzt. Für ein Material des P-Typs ist Germanium mit ©C
> oc ebenfalls geeignet. Die
Materialien mit 0^ ^ OC f ^ie GaAs und GaP, sind nicht geeignet
für die Verwendung gemäß dieser, Erfindung. Es ist zu beachten, daß in vielen Materialien die Unterschiedlichkeit zwischen
η und OCρ bei niedrigeren elektrischen Feldwerten größer ist,
beispielsweise in Germanium und Silizium gemäß der Abbildung in
Figur 5. Jedoch kann diese Tatsache nicht vorteilhaft ausgenutzt werden zur Erzeugung einer großen Unterschiedlichkeit durch Einstellung
der Betriebsspannung auf einen niedrigeren Wert, da dann der Multiplikationsfaktor zu klein würde und die Einrichtung untragbar
wäre. Das Silizium-Halbleitermaterial erfüllt alle Erfordernisse
bezüglichc<- und oC und deren Unterschiedlichkeit
• η ρ
in dem interessanten MultipLikationsbereich.
Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figur 5, welche den t -
en
winenkoeffizient/für Elektronen und für Löcher in Silizium ν in Germanium als eine Funktion der elektrischen Feldintenst -J ι zeigt. Ein typischer Wert der elektrischen Feldstärke in am Luwinenzone gemäß Figur 1 mit einem Profil nach Figur 2 wäre dabei eine Stromverstärkung von etwa 10/und ein Verhältnis des Lawinenkoeffizienten der Elektronen zum Lawinenkoeffizienten der Löcher, von etwa 10 beträgt etwa 3,3 χ 10 Volt/cm, dargestellt durch die Ordinate 39.
winenkoeffizient/für Elektronen und für Löcher in Silizium ν in Germanium als eine Funktion der elektrischen Feldintenst -J ι zeigt. Ein typischer Wert der elektrischen Feldstärke in am Luwinenzone gemäß Figur 1 mit einem Profil nach Figur 2 wäre dabei eine Stromverstärkung von etwa 10/und ein Verhältnis des Lawinenkoeffizienten der Elektronen zum Lawinenkoeffizienten der Löcher, von etwa 10 beträgt etwa 3,3 χ 10 Volt/cm, dargestellt durch die Ordinate 39.
Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figur 6, welche die Driftgeschwindigkeit
für Elektronen in Silizium als eine Funktion der
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elektrischen Feldintensität zeigt. Bei öiner elektrischen Feldstärke
von etwa 10 Volt/cm liegt die Driftgeschwindigkeit von
Elektronen in der Nähe des Sättigungswertes von etwa 10 cm/sek. Dieser Wert der elektrischen Feldstärke ist mindestens um eine
Größenordnung kleiner als die elektrische Feldstärke von 3,3 χ 10* V/cm in dem Lawinenbereich an dem Vorspannungspunkt
gemäß der Ordinate 39 in Figur 4. Demgemäß bewegen sich die multiplizierten
Ladungsträger in der Lawinenzone anfänglich mit einer Sättigungsdriftgeschwindigkeit und mit der Verminderung der von
der Kollektorvorspannung erzeugten Komponente der Feldstärke entlang des Kollektorbereiches können sich die Träger mit einer Geschwindigkeit
unterhalb der Sättigungsdriftgeschwindigkeit bewegen. Bei Vorhandensein richtiger Hochfrequenz-Betriebsbedingungen
erhöht jedoch die Ladung, welche durch die sich bewegende Lawine erzeugt wird, die elektrische Feldintensität in dem von ihr durchsetzten
Bereich synchron mit der Spannungsänderung, so daß für praktische Zwecke die sich bewegende Ladung den Kollektorbereich
im wesentlichen mit der Sättigungsdriftgeschwindigkeit durchquert. Dies gilt ganz besonders dann, wenn die Dichte der durch
die Lawine erzeugten Ladung vergleichbar ist mit der resultierenden Aktivatorkonzentration und wenn die für die Durchwanderung
des Basis-Kollektorraums durch die Ladung benötigte Zeit etwa
die Hälfte der Betriebsperiode der Hochfrequenz beträgt.
Nachdem vorstehend die Struktur der Halbleiter-Verstärkereinrichtung
10 gemäß Figur 1 und die Schaltungsverbindungen und ebenso
die Bewegung und Erzeugung von Ladungsträgern in den verschiedenen
Teilen der Halbleitereinrichtung gemäß den Vorspannungsbedingungen
beschrieben wurden, wird nachstehend die Arbeitsweise der Einrichtung und Schaltung gemäß Figur 1 erläutert. Die Emitter-Bas
is-Schaltung wird durch die Quelle 23 für den Betrieb als
C-Verstärker vorgespannt. Das heißt, die Signalladung wird von . dem Emitterbereich in den Basisbereich über einen Zeitraum von
weniger als der Hälfte Jeder Betriebsperiode der Hochfrequenz injiziert. Es wird nunmehr Bezug genommen auf die Figur 7, welche
^09819/0772
eine Kurvendarstellung der periodischen "-Spannung ¥^c zwischen .
der Basiselektrode und Kollektorelektrode der Einrichtung in Abhängigkeit
von der Zeit zeigt, wobei die Zeit in einem Maßstab gemäß Bruchteilen einer Hochfrequenzperiode der Einrichtung dargestellt ist. Die Spannung".V^ ist die Summe der Spannung V^
über der Verbraucherimpedanz und der durch die Ordinate"V dargestellten Betriebsgleichspannung/ wobei die letztere Spannung
zeitlich konstant ist und der Spannung T. v'oii Figur".3 ".entspricht.
Am Beginn bzw. ""am .Zeitpunkt. Kuli "ist die Spannung Vbc gleich
der Spannung V , erreicht ©in Maximum-V. ptstjs, an dein. Viertelperiodenpunkt
und kehrt auf den Wert V an ueia'HaXbperioden'-punkt
zurück. Die Spannung-V. -'sinkt dann.-auf'©inen-'Mindestwert
VK min» an dem Dreivlertelper'lodenpunkt ab un"d'ke.hrt sum
Wert V bei Beendigung der Periode zurück. " "" .
Ss wird weiterhin Bezug genommen auf die Figur-".8, welche Kurven
für vier Betriebsparameter- in. der "Halbleitereinrichtung und '.
Schaltung nach Figur 1 als· Funktion: der Seit zeigt; die Zeit ist
auch, hier-in Form ν-οή-Bruchteilen--einer Hochfrequenz-Betriebs=
periode dargestellt. Die"" Kurve 41 dos Stroms;! ,, ira. Emitterkreis9
die. Kurve 42 für die in. den.-Kol-l®ktos*b@r@ich injizierte La^
dung-.q., die Kurv® 43 fürdi®. v©b d@r Ltwin® erzeugte Ladung q
und die Kurve 44 des Stroms i im Kollektorkreis sind entlang
der Ordinate als Funktion der Zelt aufgetragen,-"Die Ordinaten«
maßst'äbe. für die. Ladungen sind im "wesentlichen' gleich und unterscheiden
sieh von den Maßstäben für die Stromstärken. Wie bereits
.vorstehend aufgezeigt, fließt wegen der Vorspannung des
• Eraitter-Bssis-Bereiches der Einrichtung in Sperriehtung kein
Strom...mit ;Ä us nähme des Zustandes, wenn der Emitter.^Bas-is-PK-übergangsbereich
in Durchla^r-ichtung vorgespannt ist» Dieser 2«-
stand tritt jedoch nur während ©in©© T®i!s der negativen Auslegfs
kung der Hochfrequenzperiode.'der "Schwingung ausff .und. die Dauer
Period©. -.
4 0 9-8 1-9/:.0Π
Das Auftreten des negativen Spitzenwertes des eingangsseitigen Hochfrequenzsignals wird zeitlich so eingerichtet, daß es etwa
zu dem Zeitpunkt eintritt, in dem die Spannung V. der Figur 7
, dc
ihre negative Auslenkung unterhalb des Spannungswertes V beginnt. Dies wird bewerkstelligt durch richtige Wahl der Driftstrecke
im Kollektorbereich. Die Kurve 41 für den Emitterstrom i@
stellt die Ladung dar, welche in dem Basisbereich injiziert wird. Die gesamte am Emitter-PN-Übergengsbereich injizierte Ladung erreicht
nicht den Kollektor-PN-Übergangsbereich.
Ein wesentlicher Teil der injizierten Ladung geht beim Durchgang
im Basisbereich beim Hochfrequenzbetrieb verloren, so daß nur
ein Teil der Ladung den Kollektor-PN-Übergangsbereich erreicht. Diejenige Ladung, welche die Lawinenzone erreicht, wird durch die
Größe q. dargestellt. Der Spitzenwert für q. liegt um einen gerin-
gen Bruchteil der Hochfrequenzperiode später als das Auftreten des Spitzenwertes des Emitterkreisstroms i . Die Verzögerung des
Spitzenwertes von q. bezüglich i„ stellt die Durchgangszeitverzö-
3. e '
gerung der Ladungsträger im Basisbereich dar. Die Amplitude wird
vermindert, und dies stellt einen Ladungsverlust infolge Rekombination
und Diffusion dar. Die in die Lawinenzone injizierte
Ladung q. wird multipliziert und erscheint als eine Ladung, welche
durch Lawinenwirkung in der Lawinenzone multipliziert ist. In der Abbildung ist der Spitzenbereich der Kurve 43 der Lawinenladung
q mit einer Amplitude von etwa ,dem fünffachen Wert der
Amplitude der injizierten Ladung q. dargestellte Der Spitzenwert
von a tritt nach dem'Spitzenwert der Injizierten'Ladung q, au£o -
Sä - 3L
Die Lawinenladung, welche in der Lawinenzone erzeugt wurde, bewegt sich von der iüawinenzone und durch die Driftzone im wesentlichen
mit der Sättigungsgeschwindigkeit in Richtung auf die Kollektorelektrode, und zwar sogar während des nach kleineren
Werten verlaufenden Teils der Spannungsänderung, wie dies im Zu-
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sammenhang rait Figur 6 aufgezeigt wurde. Bei der Bewegung der
Ladung in der Driftzone zwischen dem Kollektor-PN-Übergangsbereich
und der Kollektorelektrode induziert diese einen Stromfluß in der äußeren Schaltung, welche zwischen die Basiselektrode und
die Kollektorelektrode geschaltet ist. Da die Ladung eine relativ
konstante Amplitude besitzt und sich mit einer relativ konstanten
Geschwindigkeit bewegt, induziert sie einen relativ konstanten
Strom i zwischen der Basis- und der Kollektorelektrode, welcher
durch die Kurve 44 dargestellt ist. Die Spitzenbildung des
Kollektorstroms i an der Vorderflanke 45 desselben wird erzeugt
durch die Löcherkomponente desjenigen Stroms, der in der Lawinenzone
erzeugt wurde, und wird an dem Kollektor-PN-Übergangsbereich
gesammelt. Die Löcherkomponente des Kollektorstroms ist etwas kleiner bezüglich des Stroms, welcher durch die Bewegung
der Elektronen vom Kollektor-PN-Übergangsbereich zur Kollektorelektrode
erzeugt wird, die ihrerseits durch Lawinenwirkung erzeugt
wurden. Die Grundkomponente des äußeren Stroms i ist um etwa 180 außer Phase bezüglich der zwischen Basis- und Kollektorelektrode
erscheinenden Spannung. Demgemäß wird im Kollektorbereich Leistung erzeugt und an den Verbraucher abgegeben. Um einen
steilen Anstieg des Kollektorstroms i zu erhalten und da-
mit einen guten Wirkungsgrad-des Betriebs zu schaffen, ist es
notwendig, daß sich die Lawinenladung schnell aufbaut. Ein solches
Ergebnis wird dadurch erreicht, daß eine Lawinenzone mit geringer Ausdehnung in longitudinaler Richtung und mit einer
solchen resultierenden 'Aktivatorkonzentration vorgesehen wird,
welche wesentlich größer ist als die resultierende Aktivatorkonzentration
in der Driftzone.,Wenn ein solcher aus Silizium
bestehender Kollektorbereich, welcher außerdem noch die Anforderung erfüllt, daß das Integral der resultierenden Aktivatorkonzentration über die Länge des Bereiches gleich etwa
12 2 ■
2,5 x IO cm ist, an beweglichen Ladungsträgern abgereichert
wird, dann wird an dem Basis-Kollektor-PN-Übergangsbereich eine
ausreichend hohe elektrische Feldintensität 'und eine geringe
. 409819/0772
elektrische Feldintensität an der Kollektorelektrode erzeugt, um
die zuvor beschriebene Betriebsweise zu erhalten. Das Integral der resultierenden Aktivatorkonzentration im Kollektorbereich der
Einrichtungen nach den Figuren 1 und 10 und der Darstellung nach den Figuren 2 und 11 erfüllt die vorgenannten Anforderungen.
Unter der Vorspannung V in Figur 7 wird der Kollektorbereich vom
N-Typ bezüglich der Ladungsträger abgereichert, und es wird eine positive Raumladung auf solche Weise aufgebaut, daß die elektrische
Feldintensität an dem Bäsis-Kollektor-PN-Übergangsbereich
groß ist und an der Kollektorelektrode nahezu Null ist. Aus einer Betrachtung der Figur 7 könnte man scheinbar entnehmen, daß zu
einem Zeitpunkt von 3/4 der Periode die Feldstärke am Kollektor Null wäre oder die Feldstärke in einem Teil der Driftzone niedrig
wäre und daher die Ladung in der Driftzone 14 sich nicht mit einer Sättigungsdriftgeschwindigkeit bewegen würde. Dies ist jedoch
unter den richtigen Betriebsbedingungen nicht der Fall. Da die räumliche Neigung des elektrischen Feldprofils proportional der
Raumladung is!t, heben die von dem Lawinenprozeß erzeugten Elektronen
einen Teil der positiven Raumladung am Ort der Elektronen auf und verändern dadurch die Steigung. Dies führt zu einer Absenkung
des Wertes des Feldes am PN-Übergangsbereich und zu einer Anhebung des Wertes für das Feld am Kollektoranschluß, wenn die
Spannung konstant gehalten wird. Daher kann die Spannung zu einem gewissen Grade erniedrigt werden, ohne ein Verschwinden des
elektrischen Feldes an irgendeinem Ort im Innern des Kollektor-.bereichs
zu bewirken. Die durch Lawinenwirkung erzeugten Elektronen driften daher durch den Kollektordriftbereich unter hoher
Feldstärke mit der Sättigungsgeschwindigkeit trotz der Tatsache, daß während dieser Driftzeit die Spannung in Figur 7 eine Abwärtsänderung erfährt. Der richtige Wert für die durch Lawinenwirkung
erzeugte Ladung ist im wesentlichen gleich der resultierenden Aktivatorkonzentration in der Driftzone. Die Bestimmung dieses
richtigen Wertes geht von Erwägungen wie der Absicht zur Erzielung
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einer maximalen Spannungsauslenkung zwecks eines, hohen Wirkungsgrades
für den Betrieb und der entgegenstehenden Absicht zur Beschränkung5 der Lawinenmultipiikation aus, so daß das Ausgangssignal proportional zum Eingangssignal bleibt, wie dies bereits
vorstehend im Zusammenhang mit den Lawinenkoeffizienten erörtert
wurde, "."'"" '■-■■""■
Obwohl vorstehend ausgeführt wurde, daß es notwendig ist, daß
"die Driftzone an Majoritätsträgern verarmt wird und sich das
elektrische Feld bis zur Kollektorelektrode erstreckt, ist die Einrichtung und die Schaltungsanordnung auch dann betriebsfähig,
wenn sich diese Verarmung nicht bis zur Kollektorelektrode erstreckt«
Derjenige Teil der Driftzone, in dem keine- Abreicfterung
an Majoritätsträgern, vorhanden ist, stellt dann nur eine Beißenimpedanz
im Kollektorkreis und stellt damit einen Leistungsverlust in der Einrichtung dar, welcher den Wirkungsgrad der Einrichtung
vermindert und auch die bevorzugte-Betriebsfrequenz
der Einrichtung vermindert und damit den Wirkungsgrad weiter
erniedrigt.
Es gibt viele Verlustmechanlsnten in dem Emitterbereich und dem
Basisbereich, welche die Wirksamkeit der Injektion von Ladungsträgern in den Kollektorbereich vermindern. Diese begrenzen jedoch
nicht die Verstärkungsfähigkeit der Einrichtung, da erfindungsgemäß
ein kompensierender Mechanismus vorgesehen ist, d.h. die Lawinenmultiplikation'der Ladung, welche in die Lawinenzone injiziert
wird. Demgemäß-kann die Signalladung, welche zwischen ■
Emitter?- und. Kollektor bereich eus verschiedenen Ursachen während'des'Durchgangs
verlorengeht, mehr als zurückgewonnen werden durch Laäungsmultiplikätion in der Lawineazone des Kollektorbereicfas:-.
Weiterhin wird- die durch La Wimenwirkung multiplizierte Ladung itt-dem Kollektor bereich mit hoher- Impedanz .bei hoher Spannung--bewegt',-'und
hierdurch ergibt sich. ©ine. weiter© Verstärkung
in -der Einrichtung/ Die Verwendung, einer relativ, laugen- Drift-
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zone in dem Kollektorbereich ermöglicht es, hohe Spannungen mit geringem Ruhestrom und damit einem guten Wirkungsgrad zu verwenden.
Da es erwünscht ist, eine Abreicherung des Kollektorbereichs von Ladungsträgern mit Ausnahme der durch Lawinenwirkung erzeug- .
ten Ladung zu erhalten, wird die Betriebsweise so eingestellt, daß der Mindestwert der Spannung V. min. nicht unter einen bestimmten
kleinen Bruchteil der Betriebsspannung V absinkt, um ein resultierendes elektrisches Feld in der Driftzone zu schaffen.
Der Parallelschwingkreis der Figur 1 wurde dargestellt durch das zusammengefaßte (lumped) kapazitive Element 27 und das zusammengefaßte
induktive Element 28. Das kapazitive Element 27 beinhaltet die Kapazität der Einrichtung zwisehen Kollektorelektrode
und Basiselektrode. Daher ermöglicht die Verwendung eines Schwingkreises
in dem Kollektor-Basis-Kreis ein Herausstimmen der Kapazität der Einrichtung und weiterhin ermöglicht dies eine Anpassung
der inneren Impedanz der Einrichtung an die Verbraucherimpedanz 29, an die Leistung geliefert wird. Obwohl vorstehend
der Resonanzkreis durch zusammengefaßte Elemente dargestellt worden
ist, wird man leicht erkennen, daß verteilte Elemente, wie beispielsweise Wellenleiter oder Abschnitte von übertragungleitungen,
zur Erzielung dieser Funktion benutzt werden können.
Die Erfindung wurde vorstehend im Zusammenhang mit einer Ausführungsform
erläutert, in der eine Lawinenzone vorgesehen ist, welche eine wesentlich größere resultierende Aktivatorkonzentration
in der Lawinenzone aufweist als in der Driftzone des Kollektorbereiches.
Es ist eine im wesentlichen gleichförmige resultierende Aktivatorkonzentration im Kollektorbereich betriebsfähig, vorausgesetzt,
daß die oben erwähnten Anforderungen erfüllt werden. Vorstehend wurde die Lawinenzone als schmale Zone dargestellt.
Eine solche Zone kann jedoch auch einen bedeutungsvollen Teil dös
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Kollektorbereiches ausmachen und kann beispielsweise in der
Größenordnung der halben longütudinalen Ausdehnung des Kollektorbereichs
sein.
Es wird Bezug genommen auf die Figuren 9 und 10, welche eine
Draufsicht und eine Ansicht im Schnitt für eine andere Halbleitereinrichtung
50 als planare Ausführungsform der Halbleitereinrichtung 10 nach Figur 1 zeigen. Die Einrichtung 50 besitzt Bereiche und Elektroden entsprechend den Bereichen und Elektroden
der Einrichtung nach Figur 1. Die Einrichtung 50 enthält eine Kollektorelektrode oder Substrat 51 aus Silizium mit Leitfähigkeitstyp
N, eine Siliziumschicht 52 des Leitfähigkeitstyps N,
welche epitaxial auf dem Substrat 51 gewachsen ist und den
Kollektorbereich 52 der Einrichtung bildet. Die Einrichtung enthält auch einen Bereich 53 mit dem Leitfähigkeitstyp N, welcher
zur Bildung der Lawinenzone im Kollektorbereich von der Oberfläche
der epitaxial gewachsenen Schicht aus eindiffundiert ist. Die
Zone zwischen der Lawinenzone 53 und dem Substrat 51 stellt die
Driftzone 60 dar. Ein ring- oder kreisförmiger Bereich 54 des
Leitfähigkeitstyps P umschließt den Kollektorbereich und insbesondere
die Lawinenzone im Abstand von demselben und wird gebildet
durch Eindiffusion von Aktivatoren des P-Typs oder Verunreinigungen
in das Substrat. Beim Betrieb gewährleistet der Ring 54, daß die zum Betrieb der Einrichtung erforderlichen elektrischen
Feldintensitäten in der Lawinenzone 53 erreicht werden,
bevor die Durchbruchswerte für die Feldintensität in den außen
liegenden Teilen der Einrichtung erreicht werden. Ein Basisbereich
55 oder eine Basisschicht 55 wird in der epitaxial aufgewachsenen
Schicht durch Diffusion von Aktivatoren des P-Typs in
diese Schicht gebildet und ist in Kontakt mit dem Ringbereich
der Leitfähigkeit des P-Typs. Eine Vielzahl von länglichen
Emitterbereichen 56 werden in der Basisschicht 55 des Leitfähigkeitstvps
P dadurch gebildet, daß Siliziumschichten 57 des Leit-*
fähigkeitstyps N epitaxial über den Bereichen aufgewachsen wer-
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den und anschließend von den epitaxial aufgewachsenen Schichten
47 zur Bildung der verlängerten oder länglichen Emitterbereiche des Leitfähigkeitstyps N diffundiert werdenDie länglichen
Elektroden 58 eines Leiters, wie beispielsweise Aluminium, werden an den Emitterbereichen des N-Typs befestigt und mit einem
Emitteranschluß 59 verbunden. In ähnlicher Weise werden längliche Elektroden 61 aus einem Leiter, beispielsweise Aluminium,
mit den verlängerten Teilen 62 der Basisschicht 55 verbunden, welche in Ausrichtung mit und zwischen den verlängerten Emitterbereichen stehen zur Bildung einer ineinandergeschachtelten
Emitter-Basis-Gestaltung. Die verlängerten Elektroden 61 werden mit einem Basisanschluß 63 verbunden. Die Emitterbereiche
und Basis-Kontaktbereiche 62 werden durch eine relativ dünne Schicht 65 aus Siliziumdioxyd auf der Oberfläche der epitaxial
aufgewachsenen Schicht 52 getrennt, welche bei der Herstellung der Einrichtung verwendet wird. Eine relativ dicke Schicht 66
aus Siliziumdioxyd, welches bei der Herstellung der Einrichtung verwendet wurde, umgibt die Emitter-Basis-Struktur der Einrichtung.
Der Emitteranschluß 59 und die Verbindung zum Basisanschluß 63 liegen über Siliziumdioxyd, welches auf der epitaxialen
Schicht bei dem Herstellungsverfahren der Einrichtung 50 gebildet wurde, und demgemäß sind die Emitter- und Basisanschlüsse
von den darunterliegenden Teilen des Halbleiterplättchens isoliert. Eine geeignete Schicht eines Leiters, beispielsweise
Gold, dotiert mit Antimon, ist an der Kollektorelektrode, d.h. dem Substrat 51, befestigt und dient als Kollektoranschluß
Bei der Herstellung der Einrichtung nach den Figuren 9 und 10
wird ein Plättchen 51 aus Silizium-Halbleitermaterial mit starker Leitfähigkeit des N-Typs und einer Dicke von etwa 0,25 mm
—2
(10 Zoll) erhalten. Darin wird epitaxial eine Schicht von Silizium mit schwachem Leitfähigkeitstyp N und einer Dicke von etwa 20 Mikron aufgewachsen. Darauf wird thermisch eine Schicht von Siliziumdioxyd mit einer Dicke /on etwa 1,5 Mikron aufge-
(10 Zoll) erhalten. Darin wird epitaxial eine Schicht von Silizium mit schwachem Leitfähigkeitstyp N und einer Dicke von etwa 20 Mikron aufgewachsen. Darauf wird thermisch eine Schicht von Siliziumdioxyd mit einer Dicke /on etwa 1,5 Mikron aufge-
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wachsen. In der dicken Schicht des Siliziumdioxyds wird ein
Fenster 70 als Öffnung hergestellt, welches sich bis zur Oberfläche
der epitaxialen Schicht 52 erstreckt, und eine Donatorverunreinigung, beispielsweise Arsen, wird dort eindiffundiert zur
Bildung eines Bereichs 53 mit einer mäßigen Leitfähigkeit des
N-Typs, welcher dann die Lawinenzone der Einrichtung darstellt. In die dicke Oxydschicht 66 wird ein Graben oder Kanal zur Oberfläche
der epitaxialen Schicht eingeätzt, welcher den Bereich
der epitaxialen Schicht 52 einschließlich der Lawinenzone vollständig
umschließt. Der ringförmige Bereich 54 oder Schutzring
wird gebildet durch Eindiffusion eines Akzeptbraktivators, beispielsweise Bor, in den Kanal auf eine Tiefie von 2 Mikron und anschließend
wird in dem Kanal über dem Schutzring Siliziumdioxyd zu einer Dicke von· etwa 0,5 Mikron thermisch aufgewachsen. Als
nächstes wird in das Siliciumdioxid einschließlich eines Teils
der dicken Schicht 66 des Oxyds ein Basisfenster eingeätzt, welches über der inneren Kante des Schutzrings liegt und zur Bildung
der diffundierten Basisschicht 5^ verwendet werden soll. Die Basisschicht
55 oder der Bereich mit starkem Leitfähigkeitstyp P
wird gebildet durch Diffusion eines Akzeptoraktivators, beispielsweise Bor, in das Basisfenster. Die Oberfläche der Schicht in dem
Basisfenster wird gereinigt und eine Schicht 55 aus Siliziumdioxyd
thermisch auf demselben: aufgewachsen. Längliche Emitterfenster
werden in die Siliziumdioxydschicht eingeätzt, um die
Oberfläche der Schicht freizulegen, in und auf der verlängerte
Emitterbereiche 56 gebildet werden sollen. In den Schichten 57
in den Emitterfenstern wird epitaxial Silizium mit starkem Leitfähigkeitstyp
N aufgebracht und danach wird eine Diffusion ausgeführt,
um die Emitter-Bas is-PN-tibergangsbereiche in der Basisschicht
55 zu bilden. Zur Freilegung der Basisschicht werden längliche
Basiselektrodenfenster in die Siliziumdioxydschicht 65 geätzt. Die freiliegenden Teile des Basisbereiches, die epitaxial
aufgebrachten Emitterschichten und die verbleibenden Teile der
Siliziumdioxydschicht 65 werden mit einer kontinuierlichen Schicht
eines Leiters, beispielsweise Aluminium, metallisiert. Durch foto-
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lithografisches Maskenverfahren und Ätzen wird die kontinuierlich
leitende Schicht mit einem Muster für Elektroden 58, verbunden
mit einem Emitteranschluß 63, und für Basiselektroden 61, verbunden mit einem Basispnschluß 63, versehen. Das leitende Aluminium
wird im Falle von Aluminium gesintert, um zu gestatten, daß mit diesem eine elektrische Verbindung mit niedrigem Widerstand vorgenommen
werden kann. In die andere gegenüberliegende Oberfläche
des Plättchens oder Substrats 51 wird eine Schicht von Gold einschließlich eines Aktivators, beispielsweise Antimon, einlegiert,
um den Kollektoranschluß 67 der Einrichtung zu bilden.
Die verschiedenen Verfahren, welche für die Herstellung oder Bildung
der Einrichtung verwendet wurden, sind an sich bekannt einschließlich
des epitaxialen Aufwachsens von Silizium auf Silizium, des thermischen AufWachsens von Siliziumdioxyd auf Silizium, des
Ausbildens von Fenstern in Siliziumdioxydschichten durch fotolithografisches
Maskieren und Ätzen, das Eindiffundieren von Aktivatoren durch Maskenschichten aus Siliziumdioxyd in eine darunterliegende
Schicht zur Ausbildung von Bereichen mit einer Geometrie des erwünschten Typs und erwünschten elektrischen Eigenschaften,
der Metallisierung von Bereichen zur Bildung erwünschter
elektrischer Leitungswege und ähnliche sind an sich bekannt. Die vorstehend beschriebenen Herstellungsschritte können unter
Benutzung solcher Verfahren leicht ausgeführt werden.
Die Einrichtung 50 gemäß der Figuren 9 und 10 ist geeignet zur
Verwendung bei verschiedenen Mikrowellenfrequenzen in Abhängigkeit
von den bestimmten Abmessungen der Einrichtung. Bei einer Struktur, in der die epitaxiale Schicht eine Dicke von etwa
20 Mikron besitzt und die Bereiche für Emitter-, Basis- und Kollektorabmessungen und ein Profil der resultierenden Aktivatorkonzentration,
gemessen in einer Linie 75 von der Emitterelektrode zur Kollektorelektrode gemäß der Darstellung in Figur 11 besitzen,
ist geeignet für den Betrieb bei einer Frequenz von etwa
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2 giga Hertz. Um einen Betrieb bei höheren Frequenzen, beispielsweise
bei einer um eine Größenordnung höheren Frequenz, zu gestatten,
werden dann die Abmessungen der Einrichtung und die anderen Parameter der Einrichtung abgeändert.
Es wird. Bezug genommen auf die Figur 11, welche das Profil der
resultierenden Aktivatorkonzentration der Einrichtung längs einer
Linie 75 von der oberen Grenzfläche der epitaxial aufgewachsenen Schicht abwärts durch das Siliziumsubstrat zeigt. Das Profil
zeigt die resultierende Verunreinigungskonzentration in einem logarithmischen Maßstab als Funktion der Strecke d.
Der Emitterbereich 56 besitzt eine Tiefe oder Ausdehnung von etwa
0,5 Mikron und einen Spitzenwert der resultierenden Aktiva tor--
* 20 3
konzentration von 10 Atomen/cm . Der Basisbereich 55 zwischen dem Emitter- und Kollektor-Übergangsbereich, besitzt eine Tiefe von 0,5 Mikron und einen Spitzenwert der resultierenden Aktivator-
konzentration von 10 Atomen/cm . Der Basisbereich 55 zwischen dem Emitter- und Kollektor-Übergangsbereich, besitzt eine Tiefe von 0,5 Mikron und einen Spitzenwert der resultierenden Aktivator-
18 3
konzentration von 10 Atomen/cm . Der Kollektorbereich 52 besitzt eine Tiefe von etwa 19 Mikron vom KoIlektor-PN-Übergangsbereich
zum Substrat 51 oder zur Kollektorelektrode und enthält
die Lawinenzone 53 mit einer Breite von etwa 2 Mikron und einem
Spitzenwert der resultierenden Aktivatorkbnzentration von
16 3
10 Atomen/cm , welche flächenanschließend* ist an den Kollektor-PN-Übergangsbereich und die Driftzone 60 mit einer Tiefe von etwa 80 Mikron und einer relativ konstanten resultierenden Aktivatorkonzentration von etwa 5 χ 10 Atomen/cm . Die hohe Konzentration der resultierenden Donator-Aktivatoren im Emitterbereich in Relation zur Konzentration der resultierenden Akzeptoraktivatoren im Basisbereich ergibt einen guten Emitterwirkungsgrad, Die hohe resultierende AkzeptoraktivatOrkonzentration im Basisbereich in Relation zur resultierenden Donstoraktivatorkonzentration im Kollektorbereich beschränkt die Ausbreitung der Abreicherung an Majoritätsträgern im Basisbereich auf die Zuführung einer Betriebsspannung zwischen Basis- und Kollektorelektroden und hierdurch
10 Atomen/cm , welche flächenanschließend* ist an den Kollektor-PN-Übergangsbereich und die Driftzone 60 mit einer Tiefe von etwa 80 Mikron und einer relativ konstanten resultierenden Aktivatorkonzentration von etwa 5 χ 10 Atomen/cm . Die hohe Konzentration der resultierenden Donator-Aktivatoren im Emitterbereich in Relation zur Konzentration der resultierenden Akzeptoraktivatoren im Basisbereich ergibt einen guten Emitterwirkungsgrad, Die hohe resultierende AkzeptoraktivatOrkonzentration im Basisbereich in Relation zur resultierenden Donstoraktivatorkonzentration im Kollektorbereich beschränkt die Ausbreitung der Abreicherung an Majoritätsträgern im Basisbereich auf die Zuführung einer Betriebsspannung zwischen Basis- und Kollektorelektroden und hierdurch
0 9 8.T9/Ö? ? 2
wird der Basisausbreitungswiderstand auf ein Minimum gebracht und es wird die vollständige Abreicherung im Basisbereich zum
Emitter-PN-Übergangsbereich vermieden. Die Betriebsweise der Einrichtung
50 ist identisch zur Betriebsweise der Einrichtung der Figur 1 und die Art und Weise der Verbindung der Einrichtung in
einer Schaltung ist identisch zur Verbindung der Einrichtung nach Figur 1 in einer Schaltung. Durch das Vorhandensein des
ringförmigen Bereiches oder Schutzringes 54 aus einem Material mit starker Leitfähigkeit des P-Typs um die Lawinenzone 53 des
Kollektorbereichs 52 herum, welche einen relativ großen Radius an der zylindrischen Grenzfläche oder dem Übergang zur Schicht
besitzt und eine resultierende Donatoraktivatorkonzentration in
der Schicht 52, benachbart zur Grenzfläche, ergibt, die wesentlich
niedriger ist als in der Zone 53 mit dem Leitfähigkeits-
*yP N, gewährleistet, daß die in der Lawinenzone erwünschte elektrische
Feldintensität erreicht wird, bevor eine solche Feldintensität in dem außenliegenden Teil 52 der Einrichtung erreicht
wird. Zweckmäßigerweise besitzt der Schutzring 54 im wesentlichen die gleiche oder eine kleinere resultierende Akzeptoraktivatorkonzentration,
bezogen auf den Basisbereich.
Vorstehend wurden Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Einrichtungen
beschrieben, für die Silizium-Halbleitermaterial verwendet wurde. Es ist jedoch leicht ersichtlich, daß genauso
gut Germanium-Halbleitermaterial verwendet werden kann im Hinblick
auf die Tatsache, daß die Lawinenkoeffizienten von Löchern
in Germanium größer sind als der Lawinenkoeffizient von Elektronen
über einen weiten Bereich der angelegten elektrischen Feldintensität.
Vorstehend wurde die Einrichtung in einer Basisschaltung gezeigt.
Selbstverständlich kann sie jedoch auch in einer Emitterschaltung verwendet werden. Ebenso wurde vorstehend die Betriebsweise
der erfindungsgemäßeη Einrichtung in einer Schaltung mit Be-
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trieb als C-Verstärker beschrieben. Die Einrichtung kann jedoch
auch als Verstärker ira A-Betrieb oder B-Betrieb verwendet werden.
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Claims (1)
1.4.* Halbleitereinrxchtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
da d u r c h ge k e η η ζ ei c h η e t , daß die Ausgangsimpedanz einen Pa:rallelschwingkreis enthält.
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Family Applications (1)
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