DE2364752A1 - SEMI-CONDUCTOR DEVICE - Google Patents
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Description
HALBIEITERVORRICHTUNGSEMI-CONDUCTOR DEVICE
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit mehreren Halbleiterubergängen und hoher Stromverstärkung.The invention relates to a semiconductor device with multiple semiconductor transitions and high current gain.
Es ist bisher üblich gewesen Transistoren mit einem hoch dotiertem Emitterbereich herzustellen. Es ist auch bereits -ein Transistor für Hochfrequenz-Betrieb bekannt, der eine geringe Verunreinigungskonzentration im Emitter-, Basislind Kollektorbereich aufweist. Ein Beispiel dafür ist in der US-PS 3 591 4j5O beschrieben. In dieser Vorveröffentliehung wird außerdem vorgeschlagen einen wesentlichen Teil des Emitterbereichs mit einem Bereich hoher Verunreinigungskonzentration und ebenso den Kollektorbereich mit einem zweiten Bereich hoher Verunreinigungskonzentration zu überdecken. In der■genannten US-Patentschrift ist Jedoch nidit erläutert,'daß die Diffusionslänge oder Diffusionstiefe der Minoritätsträger größer sein muß als. die Breite bzw. Weite des Emitterbereichs,noch ist dort ausgeführt, daß die durch das eingebaute Feld reflektierten Minoritätsträger den injizierten Minoritätsträger-Diffusionsstrom im wesentlichen ausgleichen sollen der von der Basis durch den Emitter fließt.It has hitherto been common practice with one high transistors to produce doped emitter region. It is also already known -a transistor for high-frequency operation, the one has a low concentration of impurities in the emitter, base and collector area. An example of this is in U.S. Patent 3,591,450. In this pre-release it is also proposed to have a substantial part of the emitter region with a high impurity concentration region and also the collector region with a to cover the second area of high impurity concentration. In the mentioned US patent, however, is nidit explains' that the diffusion length or diffusion depth of the Minority carrier must be greater than. the width or width of the emitter area, it is still stated there that the through the built-in field, minority carriers essentially reflected the injected minority carrier diffusion current to compensate for the flow from the base through the emitter.
409831/0726409831/0726
Die amerikanische Patentschrift lehrt auch nicht, wie das endgültige Profil oder die Verteilung der Verunreinigungskonzentration beschaffen sein soll, noch ist gesagt, Vielehe Breite bzw. Weite die Basis oder der Emitter aufweisen sollen. Es wird auch nichts über die Bedingungen für das epitaxiale Wachstum (beispielsweise Temperatur oder Niederschlagsmengen und Geschwindigkeiten) ausgeführt. Es ist lediglich etwas über die Vordiffusionsbedingung erwähnt, woraus sich jedoch kein Rückschluß und kein Bild über den endgültigen Aufbau gewinnen läßt.The American patent also does not teach how the final profile or distribution of the The impurity concentration should be, it is still said that polygamy is the basis of breadth or breadth or the emitter should have. Nothing is said about the conditions for epitaxial growth either (for example temperature or precipitation amounts and speeds). It is only mentioned something about the prediffusion condition, from which, however, no conclusion and no Can gain a picture of the final structure.
Bei der Herstellung herkömmlicher Bipolar-Transistoren ist es bisher zur Ausbildung des Emitter-Basisübergangs üblich gewesen, eine Doppeldiffusionstechnik anzuwenden. Vom theoretischen Standpunkt aus, als auch" aufgrund von Versuchen, wird die Dotierungskonzentration für den Emitter höher gewählt als für die Basis. Wird diese Differenz größer, so wird auch die Emitterwirksamkeit oder der Eraitterwirkungsgrad größer und nähert sich mehr und mehr dem Wert Eins. Eine Höherdotierung jedoch vergrößert die Gitterdefekte und Versetzungen im Halbleitersubstrat. Als Folge einer starken Dotierung sinkt die Diffusionslänge der Minoritätsträger im dotierten Bereich ab. Eine Erniedrigung der Dotierung, entsprechend den früher bekannten Ausführungformen von Transistoren, führt andererseits zu einem Absinken des Verä&rkungsgrads.In the manufacture of conventional bipolar transistors, it has so far been used to form the emitter-base junction It has been common to use a double diffusion technique. From the theoretical point of view, as well as "due to." From experiments, the doping concentration for the emitter is chosen to be higher than for the base. Will this If the difference is greater, the emitter efficiency or the Eraitter efficiency becomes greater and approaches more and more to the value one. A higher doping, however, increases the lattice defects and dislocations in the semiconductor substrate. As a result of heavy doping, the diffusion length of the minority carriers in the doped area decreases. On the other hand, a lowering of the doping, corresponding to the previously known embodiments of transistors, leads to a decrease in the degree of intensification.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich ihrer charakteristischen Kennwerte wesentlich verbesserte Halbleitervorrichtung zu schaffen, die sieh vor allem durch einen ganz wesentlich erhöhten Stromverstärkungsfaktor bei stark verbesserten Rauschkennwerten auszeichnet. Es ist dabei vor allem an eine Halbleitervor-The invention is therefore based on the object of a with regard to of their characteristic characteristics to provide substantially improved semiconductor devices that see mainly due to a significantly increased current gain factor with greatly improved noise parameters. It is mainly a semiconductor device
409831/.0726 - 3 ~409831 / .0726 - 3 ~
richtung mit Mehrfachübergängen gedacht, die bei geringen, thermisch bedingten Kennwertabweichungen gleichzeitig eine hohe Durchbruchspannung aufweist. Schließlich soll es das Ziel der Erfindung sein, die zu schaffende Halbleitervorrichtung so auszulegen, daß die Herstellung und der Einsatz als integrierter Schaltkreis zusammen mit herkömmlichen Transistoren, einschließlich der Komplementär-Transistoren, in Frage kommt.direction with multiple transitions, which at the same time in the case of small, thermally-related deviations in characteristic values has a high breakdown voltage. Finally, it should be the aim of the invention to design the semiconductor device to be created so that manufacture and use as an integrated circuit with conventional transistors, including the complementary transistors.
Für. diese technische Aufgabe werden mit der Erfindung Lösungen bereitgestellt, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen in einer Lehre zum technischen Handeln niedergelegt sind.For. This technical problem is provided with the invention solutions as shown in the attached Claims are laid down in a teaching on technical action.
Speziell bezieht sich die Erfindung damit auf eine Halbleitervorrichtung mit mehreren Übergängen, wie sie beispielsweise bei einem bipolaren Transistor oder einem Thyristor vorgesehen sind und betrifft dabei insbesondere eine derartige Vorrichtung mit geringer Verunreinigungskonzentration im Emitterbereich und mit einer wirksamen Minoritätsträgerdiffusionslänge, die wesentlich größer ist als die Breite des Emitterbereichs. Für diese Kombination wird dann ein eingebautes Feld vorgesehen, das bewirkt, daß der Verlauf der injizierten Minoritätsträgerkonzentration über den Emitter im wesentlichen flach ist. Damit wird erreicht, daß der durch das eingebaute Feld erzeugte Driftstrom den vom Basisbereich injizierten Minoritätsträger-Diffusionsstrom im wesentlichen ausgleicht. Weiterhin wird die Verunreinigungskonzentration des Kollektorbereichs niedrig gewählt, um eine hohe Durchbruchspannung zu gewährleisten.In particular, the invention thus relates to a multi-junction semiconductor device such as this are provided for example in a bipolar transistor or a thyristor and relates in particular such a device with a low concentration of contaminants in the emitter area and with an effective minority carrier diffusion length that is significantly greater is than the width of the emitter area. A built-in field is then provided for this combination, which causes the course of the injected minority carrier concentration is substantially flat across the emitter. This ensures that the built-in field The drift current generated is the minority carrier diffusion current injected from the base region essentially offsets. Furthermore, the impurity concentration of the collector area is selected to be low in order to achieve a high breakdown voltage to ensure.
Für herkömmliche Transistoren wird angenommen, daß die Minoritätsträger-Diffusionslänge in der Größenordnung von 1-2 Mikron liegt. Für die HalbleitervorrichtungFor conventional transistors it is assumed that the minority carrier diffusion length is in the order of magnitude of 1-2 microns. For the semiconductor device
bebe
mit Mehrfachübergängen nach der Erfindung dagegen trägtwith multiple transitions according to the invention, however, carries
die Minoritätsträger-Diffusionslänge 50 - 100 Mikron.the minority carrier diffusion length 50-100 microns.
409 831/07 2.6409 831/07 2.6
Der Stromverstärkungsfaktor eines herkömmlichen Transistors liegt üblicherweise bei etwa 50Oj während sich mit der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung Werte von 3·000 oder mehr erreichen lassen. Dadurch, daß im Emitter ein Übergang zwischen gering und stark dotierten Bereichen vom selben Verunreinigungstyp vorgesehen wird, läßt sich ein Driftstrom erreichen, der den Minoritätsträger-Diffusionsstrom im wesentlichen ausgleicht.The current amplification factor of a conventional Transistor is usually around 50Oj while the semiconductor device according to the invention achieves values of 3,000 or more permit. Because in the emitter there is a transition between lightly and heavily doped areas of the same Impurity type is provided, can achieve a drift current that is the minority carrier diffusion current essentially offsets.
In Präzisierung der bereits erwähnten Aufgabenstellung läßt sich daher folgendes feststellen: Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Halbleitervorrichtung mit Mehrfachübergängen, die einen hohen hp^-Wert (Emitter-(Masse-) Stromverstärkungsfaktor) bei geringem Rauschkennwert aufweist. Diese Halbleitervorrichtung soll eine geringe Verunreinigungskonzentration im Emitterbereich und eine Minoritätsträger-Diffusionslänge aufweisen, die wesentlich größer ist als die Breite des Emitters und bei der sich nur eine geringe Rekombinationsgeschwindigkeit und ein gutes Kristallgitter feststellen lassen.In specifying the task already mentioned, the following can therefore be stated: It is an object of the invention to provide a multi-junction semiconductor device which has a high hp ^ value (emitter (ground) current amplification factor) with a low noise figure. This semiconductor device should have a low impurity concentration in the emitter region and a minority carrier diffusion length have, which is much larger than the width of the emitter and in which only a low rate of recombination and a good crystal lattice can be determined.
Die Erfindung ist im Folgenden in beispielsweisen Ausführungsformen anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:The invention is explained below in exemplary embodiments with reference to the drawing. Show it:
Fig. 1 Eine schematische--Teilschnittansicht eines NPN-Transistors mit Merkmalen nach der Erfindung; 1 shows a schematic partial sectional view of an NPN transistor with features according to the invention;
Fig.2 'ein beispielsweises Verunreinigungsprofil für die Halbleitervorrichtung nach Figur 1 sowie die Darstellung der Minoritätsträgerkonzentration im Emitterbereich; FIG. 2 'shows an example of an impurity profile for the semiconductor device according to FIG. 1 and shows the minority carrier concentration in the emitter region;
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Fig. 3 eine Teilschn.ittansicht eines integrierten Schaltkreis-Chips, das einen NPN-Transistor mit erfindungsgemäßem Merkmal und zusätzlich einen herkömmlichen PNP-Transistor aufweist, die im integrierten Schaltkreis-Chip ein Transistor-Komplementärpaar bildenj 3 is a partial sectional view of an integrated circuit chip which has an NPN transistor with a feature according to the invention and additionally a conventional PNP transistor, which form a transistor complementary pair in the integrated circuit chip
Fig, 4 die graphische Darstellung der Emitter-Massestromverstärkung (h„E) als Funktion des Kollektorstroms; 4 shows the graphic representation of the emitter mass flow gain (h " E ) as a function of the collector current; FIG.
Fig. 5 die graphische Darstellung des Rauschfaktors als Funktion der Frequenz bei einer Eingangsimpedanz von .1 000 Ohm; 5 shows the graph of the noise factor as a function of the frequency with an input impedance of 1000 ohms;
Fig. 6 die graphische Darstellung des Rauschfaktors als Funktion der Frequenz bei einer Eingangsimpedanz von 30 Ohm und 6 shows the graph of the noise factor as a function of the frequency with an input impedance of 30 ohms and
Fig. 7 die graphische Darstellung von Rauschfaktor-Kennlinien als Funktion des Kollektorstroms. 7 shows the graphical representation of noise factor characteristics as a function of the collector current.
Als Beispiel einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zunächst anhand von Fig. 1 ein NPNrTransistor erläutert. Bezugszeichen 1 kennzeichnet ein mit Verunreinigungen vom N-Typ stark dotiertes Substrat 1 speziell ein mit Antimon stark dotiertes Silicium-Substrat. Die Dotierungskonzentration liegt vorzugsweise bei 4 χ 10 em~ . Dies ergibt einen spezifischen Widerstand von etwa 0,01 -TLcrn. Es wurde ermittelt, daß diese Dotierung zwischen 0,008 und 0,012Acm schwanken kann. Die Dicke des Substrats liegt vorzugsweise bei etwa 250 Mikron.As an example of a preferred embodiment of the invention an NPNr transistor is first explained with reference to FIG. Reference number 1 denotes a with Impurities of the N-type heavily doped substrate 1 specifically a silicon substrate heavily doped with antimony. The doping concentration is preferably 4 10 cm. This gives a specific resistance of about 0.01 -Tlcrn. It has been determined that this Doping can vary between 0.008 and 0.012Acm. The thickness of the substrate is preferably about 250 microns.
- 6 -409831/0726- 6 -409831/0726
Auf dem Substrat 1 wird eine zusammen mit dem N+ Substrat 1 als Kollektor zu verwendende Silicium-Epitaxialschicht 2 vom N~Typ ausgebildet. Diese Epitaxialschicht 2 ist relativ gering mit Antimon dotiert, ausreichend um eine Dotierungs-An N-type silicon epitaxial layer 2 to be used as a collector together with the N + substrate 1 is formed on the substrate 1. This epitaxial layer 2 is doped relatively lightly with antimony, sufficient to provide a doping
14 -~5
konzentration von 7 x 10 cm zu erhalten. Der spezifische Widerstand liegt bei etwa 8 - 10xLcm.
Die Epitaxialschicht ist vorzugsweise etwa 20 Mikron dick.14 - ~ 5
concentration of 7 x 10 cm. The specific resistance is around 8-10xLcm. The epitaxial layer is preferably about 20 microns thick.
Zur Erzeugung einer aktiven Basis für den Transistor wird dann auf der N -Schicht 2 eine P~- Silicium-Epitaxialschicht 3 ausgebildet. Zur Dotierung kann Bor in solcher Menge eingesetzt werden, daß sichIn order to produce an active base for the transistor, a P− silicon epitaxial layer is then formed on the N layer 2 3 trained. Boron can be used for doping in such an amount that
16 -"5 eine Dotierungskonzentration von 1 χ 10 cm ^ ergibt.16 - "5 results in a doping concentration of 1 × 10 cm ^.
Der spezifische Widerstand beträgt 1,5.O.cm. Die Dicke der Schicht J5 liegt bei etwa 5 Mikron. ·The specific resistance is 1.5.O.cm. The fat layer J5 is about 5 microns. ·
Zur Erzeugung eines Emitters wird dan auf der P~-Schicht eine Silicium-Epitaxialschicht 4 vom N-Typ ausgebildet.To generate an emitter, then on the P ~ layer an N-type silicon epitaxial layer 4 is formed.
Die Schicht 4 ist relativ gering mit Antimon dotiert,Layer 4 is relatively lightly doped with antimony,
ic wobei die Dotierungskonzentration bei etwa 5*5 x 10 cmic where the doping concentration is about 5 * 5 x 10 cm
liegt. Der spezifische Widerstand beträgt etwa 1 Χ*- cm. Die Dicke der Schicht 4 liegt bei etwa 2-5 Mikron.lies. The specific resistance is about 1 Χ * - cm. The thickness of layer 4 is about 2-5 microns.
Anschließend wird eine Diffusionsschicht 5 vom N+-Typ unter starker Dotierung mit Phosphor erzeugt. Diese Diffusionsschicht hat eine Fläehendotierungskonzen-A diffusion layer 5 of the N + type is then produced under heavy doping with phosphorus. This diffusion layer has an area doping concentration
20 -320 -3
tration von annähernd 10 cm und eine Dicke von ungefähr 1,0 Mikron«,tration of approximately 10 cm and a thickness of approximately 1.0 micron «,
Eine stark mit Phosphor dotierte N-Typ Diffusionsschicht umgibt den soweit beschriebenen NPN-Transistor.An N-type diffusion layer heavily doped with phosphorus surrounds the NPN transistor described so far.
- 7 409831/0726 - 7 409831/0726
Die Dotierung beträgt etwa 3 χ 10 °cm"' als Ober-* flachenkonzentration. Diese Dotierung dringt durch die P"Schicht 3 in die N.ischicht 2 bis der N*Bereich des Substrats erreicht ist. Sie umgibt damit den Basisbereich 3.The doping is about 3 χ 10 ° cm "'as upper * surface concentration. This doping penetrates through the P "layer 3 into the N. layer 2 to the N * region of the substrate is reached. It thus surrounds the base area 3.
Als leitende Verbindung zum. Basisbereich 3 wird ein Bereich 7 mit P-Typ Diffusion vorgesehen. Der Bereich ist mit Bor und einer Konzentration von etwa 3 χ 10 ^cm ^ an der Oberfläche dotiert.Der diffundierte Bereich 7 dringt durch die N""-Schicht 4 in die P"-Basis Schicht 3, die den Emitterbereich 4 begrenzt und umgibt.As a conductive connection to the. Base region 3 is provided with a region 7 with P-type diffusion. The area is doped with boron and a concentration of about 3 × 10 ^ cm ^ on the surface. The diffused area 7 penetrates through the N "" layer 4 into the P "base layer 3, which delimits and surrounds the emitter area 4 .
Ein diffundierter P-Bereich 8 bildet den Basiskontaktbereich und besteht aus einem stark Bor-dotierten Bereich. Die Dotierungskonzentration an der Oberfläche beträgtA diffused P-area 8 forms the base contact area and consists of a heavily doped boron area. The doping concentration on the surface is
18 -"5
etwa 5 x 10 cm .18 - "5
about 5 x 10 cm.
An der unteren Oberfläche des Substrats 1 wird eine Kollektorelektrode 9 aus Aluminium ausgebildet. Auf dem Basiskontaktbereich 8 wird eine Basiselektrode aus Aluminium aufgebracht. Auf dem stark dotierten Emitterbereich 5 wird eine Emitterelektrode 11 aus Aluminium ausgebildet.On the lower surface of the substrate 1, a collector electrode 9 made of aluminum is formed. on A base electrode made of aluminum is applied to the base contact area 8. On the heavily endowed Emitter region 5, an emitter electrode 11 is formed from aluminum.
Zur Passivierung wird die obere Oberfläche der Vorrichtung durch eine Siliciumdioxydschicht 67 abgedeckte ·The upper surface of the device is used for passivation covered by a silicon dioxide layer 67
Als Ergebnis des soweit beschriebenen Aufbaus zeigt sich, daß die N.^Schicht 2 und die p" Schicht 3 eia-.i Kollektor-Basisübergang 12 bilden. Die P~ Schicht 3 und die N^Sehicht 4 bilden einen Emitter-Basisübergang 13, während zwischen der :i\Tschicht 4 und der N+-Schieht 5 ein L-H-Übergang 14 vom gleichen Ver-As a result of the structure described so far, it can be seen that the N ^ layer 2 and the p "layer 3 form a collector-base junction 12. The P layer 3 and the N ^ layer 4 form an emitter-base junction 13, while between the: i \ T layer 4 and the N + layer 5 there is an LH junction 14 of the same
- 8 409831/Q72G - 8 409831 / Q72G
unreinigungstyp entsteht. (Es sei .-vermerkt, daß der Ausdruck L-H den Übergang zwischen zwei aufeinanderstoßenden Bereichen vom gleichen Verunreinigungstyp kennzeichnet, von" denen einer ^Leicht und der ander hoch dotiert ist). Die Breite oder Weite w„ zwischen dem Emitter-Basisübergang 15 und dem L-H-Übergang 14 beträgt etwa 6 Mikron.type of impurity arises. (It should be noted that the Expression L-H the transition between two butting Identifies areas of the same type of contamination, "which one ^ light and the other is highly endowed). The width or width w "between the emitter-base junction 15 and the L-H junction 14 is about 6 microns.
Fig. 2 veranschaulicht das Verunreinigungsprofil und die Minaltätsträgerkonzentration im Emitter der soweit beschriebenen Halbleitervorrichtung. Der obere Teil der Fig. 2 veranschaulicht die relative Position von Emitter, Basis und Kollektor. Der mittlere Teil des Diagramms zeigt die Verunreinigungskonzentration in Atomen pro Kubikeentimeter, gemessen von der (entsprechend gekennzeichneten) äußeren Oberfläche bis zum Substratbereich 1. Der unter Teil der Figur verdeutlicht den relativen Anteil der Minoritätsträgerkonzentration in verschiedenen Bereichen, beginnend mit dem N+-Bereich 5 über den Emitterbereich 4. Wenn die Minoritätsträger-Diffusionslänge geringer ist als die Breite des Emitters (Wg), so ergibt sich das durch die strichpunktierte Linie (a) xfiedergegebene Minoritätsträgerprofil. Ist ein eingebautes Feld vorhanden, das jedoch - wie weiter unten erläutert wird nicht ausreichend stark ist, so ergibt sich .ein Minoritätsträger-Kon.zentrationsverlauf wie er durch die gebrochene Linie (b) wiedergegeben ist.Fig. 2 illustrates the impurity profile and the minimum carrier concentration in the emitter of the semiconductor device described so far. The upper part of Fig. 2 illustrates the relative position of the emitter, base and collector. The middle part of the diagram shows the impurity concentration in atoms per cubic centimeter, measured from the (appropriately labeled) outer surface to substrate area 1. The lower part of the figure illustrates the relative proportion of the minority carrier concentration in different areas, starting with the N + area 5 via the emitter region 4. If the minority carrier diffusion length is less than the width of the emitter (Wg), the result is the minority carrier profile given by the dash-dotted line (a) xf. If there is a built-in field that is not sufficiently strong, as will be explained below, the result is a minority carrier concentration curve as shown by the broken line (b).
Eine Halbleitervorrichtung mit diesem Aufbau läßt einen hohen h^-Wert bei niedrigem Rauschen erwarten. Um die Gründe für dieses Ergebnis zu erläutern, sei erwähnt, daß die Emitter-Stromverstärkung (\Ε) einer der wesentlichen Parameter des Transistors ist.A semiconductor device having this structure can be expected to have a high h ^ value with a low noise. To explain the reasons for this result, it should be mentioned that the emitter current gain (\ Ε ) is one of the essential parameters of the transistor.
- 9 409831/0 72 6- 9 409831/0 72 6
Dieser Parameter wird im allgemeinen definiert zu:This parameter is generally defined as:
worin α die Basis — Stromverstärkung bezeichnet (bei Bezug der Basis auf Masse). Die Stromverstärkung α ergibt sich zu:where α denotes the base current gain (when referring to the base on ground). The current gain α results from:
α = α*· ß«V (2.)α = α * ß «V (2.)
worin mit α* das Kollektormultiplikationsverhältnis, mit β ein Basis-Transportfaktor, mitV der Emissionswirkungsgrad Emitters (Emitterwirkungsgrad) bezeichnet sind.where with α * the collector multiplication ratio, with β a base transport factor, with V the emission efficiency of the emitter (emitter efficiency) are.
Für einen NPN-Transistor beispielsweise ergibt sich der Emitterwirkungsgrad V zu:For an NPN transistor, for example, the emitter efficiency V is:
Jn + Jp - 1 + Jp/JnJn + Jp - 1 + Jp / Jn
worin mit Jn die Elektronenstromdichte bezeichnet ist, die sich aufgrund der vom Emitter durch den Emitter-Basisübergang in die Basis injizierten Elektronen ergibt und Jp eine Löcherstromdichte kennzeichnet, die sich aufgrund von in umgekehrter Richtung von der Basis über den gleichen Übergang zum Emitter injizierten Löchern ergibt.where Jn denotes the electron current density which is due to the flow from the emitter through the emitter-base junction gives electrons injected into the base, and Jp indicates a hole current density which due to being injected in the opposite direction from the base via the same junction to the emitter Holes.
Die Elektronenstromdichte Jn ist gegeben zu:The electron current density Jn is given by:
qvqv
Die Lochstromdichte Jp ist gegeben zu:The hole current density Jp is given by:
Jp= Jl^Pn.(eW e1 Jp = Jl ^ Pn. (e W e1
409831/0726 _ 1Λ _409831/0726 _ 1Λ _
ü.arin ist mit Ln die Elektronen-Diffusionslänge in der P-Typ-Basis, mit Lp die Löcherdiffusionslänge im N-Typ Emitterfmit Dn die Elektronendiffusionskonstante, mit Dp die Löcherdiffusionskonstante, mit Np die Minoritäts-Elektronenkonzentration in der P-Typ-Basis im Gleichgewichtszustand, mit Pn die Minoritäts-Löcherkonzentration im N-Typ Emitter im Gleichgewichtszustand, mit ν die zwischen dem Emitter-Bas isübergang angelegte bzw. anstehende Spannung, mit T die Temperatur, mit q die Ladung eines Elektrons und mit k die Boltzmann-Konstante bezeichnet.with Ln the electron diffusion length in the P-type base, with Lp the hole diffusion length in the N-type emitter f with Dn the electron diffusion constant, with Dp the hole diffusion constant, with Np the minority electron concentration in the P-type Basis in equilibrium, with Pn the minority hole concentration in the N-type emitter in the equilibrium state, with ν the voltage applied or present between the emitter-base transition, with T the temperature, with q the charge of an electron and with k the Boltzmann- Called constant.
Ein Wert <f als das Verhältnis von Jp und Jn läßt sich dann angeben:Leaves a value <f as the ratio of Jp and Jn then show yourself:
Jn Lp Dn np K ' Jn Lp Dn np K '
Außerdem läßt sich dieses Verhältnis darstellen als?In addition, this relationship can be represented as?
_DP t NA_DP t NA
D.amit läßt sich das angegebene Verhältnis ersetzen durch:This means that the given ratio can be replaced by:
Pn
npPn
np
worin mit N. die Verunreinigungskonzentration des Basis bereichs, mit ND die Verunreinigungskonzentration des Emitterbereichs und mit W die Basisbreite oder-Weite be zeichnet ist, die die Elektronen^diffusionslänge Ln im Basisbereich begrenzt.where N is the impurity concentration of the base region, N D is the impurity concentration of the emitter region and W is the base width or width which limits the electron diffusion length Ln in the base region.
409831/0726 -11-409831/0726 -11-
Die Trägerdiffusionskonstanten Dn und Dp sind Funktionen einer Trägerbeweglichkeit und der Temperatur und können als im wesentlichen konstant angenommen werden«The carrier diffusion constants Dn and Dp are functions of carrier mobility and temperature and can are assumed to be essentially constant "
Bei der in Figur 1 dargestellten Vorrichtung ist der leicht dotierte Emitter K zwischen dem Emitter-Basisübergang 13 und dem L-H-Übergang 14 ausgebildet, so daß der Wert Lp sehr groß wird. Unter der Voraussetzung, daß der leicht dotierte Emitter 4 beispielsweise eineIn the device shown in FIG. 1, the lightly doped emitter K is formed between the emitter-base junction 13 and the LH junction 14, so that the value Lp becomes very large. Provided that the lightly doped emitter 4, for example, a
1S -"5 Verunreinigungskonzentration von 5>5 x 10 ^cm ^ aufweist und die erzeugte Epitaxialschicht in gutem Gitterzustand vorliegt, wird der Wert für Lp etwa 50-100 Mikron.1S - "5 has an impurity concentration of 5> 5 x 10 ^ cm ^ and the epitaxial layer produced is in good lattice condition, the value for Lp becomes about 50-100 microns.
Bei einem herkömmlichen Transistor dagegen würde sich wegen der Rekombination unter der Emitteroberfläche lediglich eine Minoritätsträger-Diffusionslänge im Emitter ergeben, die gleich oder geringer wäre als die BreiteWE des Emitterbereichs. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung wird also darin gesehen, daß die Minoritätsträger-Diffusionslänge des Emitters größer ist als die Breite oder Weite W„ zwischen dem Emitter-Basisübergang und dem L-H-Übergang im gering dotierten Emitter.In the case of a conventional transistor, on the other hand, the recombination under the emitter surface would only result in a minority carrier diffusion length in the emitter which would be equal to or less than the width W E of the emitter region. An essential feature of the invention is thus seen in the fact that the minority carrier diffusion length of the emitter is greater than the width or width W "between the emitter-base junction and the LH junction in the lightly doped emitter.
Als weiteren wichtigen Faktor der Erfindung ist zu erwähnen, daß der L-H-Übergang14 im gering dotierten Emitter A liegt. Dieser L-H-Übergang 14 bildet im Emitter ein sogenanntes "eingebautes Feld", das in solcher Richtung wirkt, daß der Löcherstrom vom Emitter-Basisübergang 13 gegen diesen Übergang 1j5 reflektiert wird.Another important factor of the invention is to mention that the L-H junction14 is lightly doped Emitter A is located. This L-H junction 14 forms a so-called "built-in field" in the emitter, which in such a direction acts that the hole current from the emitter-base junction 13 reflected against this transition 1j5 will.
- 12 A09831/0726 - 12 A09831 / 0726
Ist das eingebaute Feld des L-H-#bergangs groß genug, so wird der "Diffusionsstrom der Löcher kompensiert und wird annähernd gleich dem Driftstrom der Löcher durch das Feld im gering-dotierten Emitter 4. Diese Kompensation bewirkt ein Absinken des Löcherstroms Jp, der von der Basis durch den Emitter-Basisübergang in den niedrig-dotierten Emitter 4 injiziert wird.Is the built-in field of the L-H transition large enough in this way the "diffusion current of the holes is compensated and becomes approximately equal to the drift current of the holes through the field in the lightly doped emitter 4. This compensation causes the hole current to drop Jp, which is injected from the base through the emitter-base junction into the lightly doped emitter 4.
Beim Gegenstand der Erfindung verändert das "eingebaute Feld" die Gleichung (5) wie folgt:In the subject matter of the invention, the "built-in" changes Field "equation (5) as follows:
W WEW W E
n W J'p = q. Dp.^S. . (e1^ -1) . tanhn W J'p = q. Dp. ^ S. . (e 1 ^ -1). tanh
(dabei gilt die Bedingung Lp»W£)(where the condition Lp »W £ applies)
· (eW -1) (8) (E W -1) (8)
Da die Potentialdifferenz 0 des eingebauten Felds groß ist und,e^)> 1 gilt, (beispielsweise g = 10; 0 = 0,2 Volt)Since the potential difference 0 of the built-in field is large and, e ^)> 1 applies, (for example g = 10; 0 = 0.2 volts)
wE w E
und weiterhin durch das große Lp der Wert" -^ sehr klein wird.and furthermore the value "- ^ becomes very small due to the large Lp.
ergibt sich als Ergebnis, daß J1 ρ annähernd zu Null wird.As a result, J 1 ρ becomes almost zero.
Das Absinken von Jp bewirkt, daß der Wert γ» gemäß Gleichung (>) annähernd Eins wird, während der Wert α entsprechend Gleichung (2) groß und der Wert hpE entsprechend Gleichung (1) ebenfalls sehr groß wird.The decrease in Jp has the effect that the value γ »according to equation (>) becomes approximately one, while the value α according to equation (2) becomes large and the value hp E according to equation (1) also becomes very large.
409831/0726409831/0726
Die sehr niedrigen Rausehkennwerte lassen sich wie folgt erklären: Der Gitterdefekt oder die Versetzung ' wird stark herabgesetzt, da der Emitter-Basisübergang durch einen gering-dotierten Emitter 4 und eine ebenfalls gering-dotierte Basis 3 gebildet sind. Die Verunreinigungskonzentration des gering-dotierten Emitters sollte unter Berücksichtigung der Rauschkennwerte, der Lebensdauer T" und der Minoritätsträger -Diffusionslänge Lp auf einen ungefähren Wert begrenzt werden, der geringer ist als 10 cm .The very low noise parameters can be explained as follows: The lattice defect or the dislocation ' is greatly reduced because of the emitter-base junction are formed by a lightly doped emitter 4 and a likewise lightly doped base 3. The impurity concentration of the lightly doped emitter should take into account the noise parameters, the Lifetime T "and the minority carrier diffusion length Lp are limited to an approximate value that is lower is than 10 cm.
Ein anderer Paktor, der zu einem geringen Rauschpegel führt, ist darin zu finden , daß der Emitterstrom im niedrig-dotierten Emitter 4 und in der ebenfalls niedrigdotierten Basis 3 im wesentlichen in vertikaler Richtung fließt.Another pactor that resulted in a low noise level leads, can be found therein that the emitter current in the lightly doped emitter 4 and in the likewise lightly doped base 3 essentially in the vertical direction flows.
Der L-H-Ubergang ist, wie erwähnt,zwischen den niedrigdotierten und stark-dotierten Bereichen vom selben Leitfähigkeitstyp ausgebildet. Der L-H-Übergang ist für Minoritätsträger weitgehend undurchdringbar, nicht jedoch für die Majoritätsträger.As mentioned, the L-H transition is the same between the lightly doped and heavily doped regions Conductivity type formed. The L-H transition is largely impenetrable for minority carriers, not however for the majority bearer.
Die hohe Emitter-Stromverstärkung (hpE) ist in Figur 4 dargestellt. Der Unterschied zwischen den Kurven 15 und ergibt sich lediglieh aus einer unterschiedlichen Planaranordnung. Beide Kurven jedoch verdeutlichen einen sehr hohen Emitter-Stromverstärkungfaktor (Emitter auf Masse bezogen). Die Linie 17 in Figur 5 verdeutlicht, das Rauschverhalten als Funktion der Frequenz für die in Figur 1 veranschaulichte Halbleitervorrichtung. Die Linie 18 dagegen (ebenfalls Figur 5) zeigt die Rauschkennwerte für eine herkömmliche Halbleitervorrichtung mit den niedrigsten bekannten Rauschwerten. Die Linien 19 und 20 in Figur 6 zeigen eine der Figur 5 vergleichbareThe high emitter current gain (hp E ) is shown in FIG. The difference between the curves 15 and 15 results only from a different planar arrangement. Both curves, however, show a very high emitter current gain factor (emitter in relation to ground). Line 17 in FIG. 5 illustrates the noise behavior as a function of frequency for the semiconductor device illustrated in FIG. In contrast, line 18 (also FIG. 5) shows the noise characteristics for a conventional semiconductor device with the lowest known noise values. Lines 19 and 20 in FIG. 6 show one that is comparable to FIG
-409831/0726-409831/0726
Darstellung, jedoch bei unterschiedlicher Eingangsimpedanz. Representation, but with different input impedance.
Figur 7 zeigt ein Rauschwertdiagramm, wobei die Linie sich auf eine bekannte, gute Halbleitervorrichtung bezieht, im Vergleich zu einer Rauschkennlinie 22 beim Gegenstand der Erfindung, beispielsweise nach der Ausführungsform gem. Figur 1. Die Linien 21 und 22 sind dabei auf einen Rauschfaktor bei 3 db bezogen. Was innerhalb der im wesentlichen parabolförraigen Kurve liegt, liegt unter 3 db. Es läßt sich also feststellen, daß die Figuren 4, 5» 6 und 7 für den Gegenstand der Erfindung eine ganz wesentliche Verbesserung gegenüber den bisher bekannten Halbleitervorrichtungen deutlich machen.FIG. 7 shows a noise value diagram, the line relating to a known, good semiconductor device, in comparison with a noise characteristic curve 22 in FIG Subject matter of the invention, for example according to the embodiment according to FIG are related to a noise factor of 3 db. What is within the essentially parabolic curve is below 3 db. So it can be determined that Figures 4, 5 »6 and 7 for the subject of Invention a very substantial improvement over the previously known semiconductor devices do.
Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für die Erfindung,bei dem der anhand von Figur 1 erläuterte NPN-Transistor in einen integrierten Schaltkreis, zusammen mit einem oder mehreren anderen Halbleiterelementen, beispielsweise mit einem PNP-Transistor herkömmlicher Bauart, eingebaut ist. Diese beiden Elemente bilden ein Komplementär-Transistorpaar. In einem P-Typ-Substrat 30 ist ein NPN-Transistor 31 in eier anhand von Figur 1 erläuterten Weise ausgebildet. Dabei ist eingeschlossen ein stark dotierter Kollektor 1, ein leichtdotierter Kollektor 2, eine gering-dotierte Basis 3, ein. gering-dotierter Emitter 4, ein stark-dotierter Bereich 5, ein Kollektoranschlußbereich 6, ein Kollektorkontaktbereich 15, ein Basisanschlußbereich 7, ein Basiskontaktbereich 8, eine Kollektorelektrode 9, eine Basiselektrode 10 und eine Emitterelektrode 11. Im gleichen Substrat 30 ist ein herkömmlichexjPNP-Transistor ausgebildet, der aus einem p'-Typ Kollektor 63* einer N-Typ Basis 64, einem P-Typ Emitter 38, einem P-TypFIG. 3 shows a second exemplary embodiment for the invention, in which the one explained with reference to FIG NPN transistor in an integrated circuit, together with one or more other semiconductor elements, for example with a PNP transistor of conventional design is built in. These two elements form a complementary transistor pair. In a P-type substrate 30, an NPN transistor 31 is shown in FIG Figure 1 illustrated manner formed. This includes a heavily doped collector 1, a lightly doped collector 2, a lightly doped base 3, a. lightly doped emitter 4, a heavily doped area 5, a collector connection area 6, a collector contact area 15, a base terminal region 7, a base contact region 8, a collector electrode 9, a Base electrode 10 and an emitter electrode 11. In the same substrate 30 is a conventional exjPNP transistor formed, which consists of a p'-type collector 63 * a N-type base 64, a P-type emitter 38, a P-type
409831/0726409831/0726
Kollektoranschluß 37, einem P-Typ Kollektor Kontaktbereich 48, einem .N-Typ Basis Kontaktbereich 35, einer Kollektorelektrode 39, einer Basiselektrode 40. und einer Emitterelektrode 41 besteht. Die beiden Transistoren 3I und 32 sind durch PN-Übergänge.elektrisch gegeneinander isoliert. Ein P-Typ Isolationsbereich 5Θ ist mit dem Substrat 20 verbunden und umgibt die beiden NPN-und PNP-Transistoren 31 bzw. Drei N-Typ Bereiche 61, 62 und 66 bilden einen becherförmigen Isolationsbereich, der den PNP-Transistor 32 umgibt.Collector terminal 37, a P-type collector contact area 48, an .N-type base contact area 35, a collector electrode 39, a base electrode 40. and an emitter electrode 41. The two Transistors 3I and 32 are electrical through PN junctions isolated from each other. A P-type isolation region 5Θ is connected to the substrate 20 and surrounds the two NPN and PNP transistors 31 or three N-type areas 61, 62 and 66 form a cup-shaped Isolation area surrounding PNP transistor 32.
In diesem integrierten Schaltkreis wird eine Vielzahl von Paaren oder Trios gleichzeitig gebildet. Beispielsweise werden die N+-Bereiche 1 und 61 durch selektive Diffusion in das P-Substrat 30 hergestellt. .In this integrated circuit, a plurality of pairs or trios are formed at the same time. For example, the N + regions 1 and 61 are produced by selective diffusion into the P substrate 30. .
D-ie N~"-Bereiche 2 und 62 werden durch epitaxiales Wachstum erzeugt. Der P"~-Bereich 3» der die Basis des NPN-Transistors 3I und der Bereich 63, der den Kollektor desPNP-Transistors 32 bildet, werden durch epitaxiales Wachstum oder durch selektive Diffusion hergestellt. Der N~-Bereich 4 (der niedrig-dotierte Emitter des NPN-Transistors) und der Bereich 64, die Basis des PNP-Transistors, werden durch N~-Typ epitaxiales Wachstum erzeugt. Die N+-Bereiche 6 und 66 werden durch N-Typ Diffusionen hergestellt. Die P-Bereiche 7 und werden durch Diffusion erzeugt. Die P+-Bereiche 8, 38 und werden durch P-Typ-Diffusion erzeugt. Die N+-Bereiche (der Emitter des NPN-Transistors), I5 (der Kollektorkontaktbereich des NPN-Transistors) und 35 (der Basiskontaktbereich des PNP-Transistors) werden durch Diffusion hergestellt.The N ~ "regions 2 and 62 are formed by epitaxial growth. The P" ~ region 3 "which is the base of the NPN transistor 3I and the region 63 which is the collector of the PNP transistor 32 are epitaxial Growth or produced by selective diffusion. The N ~ region 4 (the lightly doped emitter of the NPN transistor) and the region 64, the base of the PNP transistor, are created by N ~ -type epitaxial growth. The N + regions 6 and 66 are made by N-type diffusions. The P regions 7 and 7 are produced by diffusion. The P + regions 8, 38 and are created by P-type diffusion. The N + regions (the emitter of the NPN transistor), I5 (the collector contact region of the NPN transistor) and 35 (the base contact region of the PNP transistor) are made by diffusion.
409831/0726409831/0726
Der Ausdruck "im wesentlichen flach", der zur Charakterisierung des Zustande der Minoritätsträgerkonzentration über den aktiven Emitterbereich verwendet wurde, soll so verstanden werden, daß der-zusammengefaßte Wert der vom aktiven Basisbereich in den aktiven Emitterbereich injizierten Minoritätsträger und die aufgrund des eingebauten Felds in umgekehrter Richtung sich bewegenden Minoritätsträger im Emitter über den aktiven iSmitterbereich einen .relativ flachen Verlauf ergibt. Dieser Zustand wird für den Emitterbereich durch die Linie (e) in Figur 2 charakterisiert, die im wesentlichen horizontal verläuft.The term "substantially flat" used to characterize the state of minority carrier concentration across the active emitter area should be understood to mean that the aggregate value is that of the active base area minority carriers injected into the active emitter area and those due to the built-in Minority carrier moving in the opposite direction in the emitter via the active one iSmitterbereich results in a relatively flat course. This state is characterized for the emitter area by the line (e) in FIG runs essentially horizontally.
Während die Erfindung unter Bezug auf Figur 1 anhand eines NPN-Transistors erläutert wurde, sei nicht versäumt zu erwähnen, daß sich in entsprechender Weise auch ein PNP-Transistor mit vergleichbarem Aufbau und vergleichbaren Kennwerten herstellen läßt. Auch auf die Herstellung eines Halbleiterthyristors vom NPNP-Typ läßt sich die Erfindung in vorteilhafter Weise anwenden.While the invention was explained with reference to Figure 1 using an NPN transistor, let not neglected to mention that a PNP transistor with a comparable Can produce structure and comparable parameters. Also on making one The invention can be used to advantage in semiconductor thyristors of the NPNP type.
Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit der Erfindung eine Halbleitervorrichtung mit Mehrfachübergängen und einem sehr hohen Stromverstärkungsfaktor geschaffen wurde, die eine niedrige Verunreinigungskonzentration im Emitterbereich, eine die Breite des Emitters übersteigende injizierte Minorität sträger-Diffusionslänge, eine niedrige Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit und ein gutes Kristallgitter aufweist. Die beschriebene bevorzugte Ausführungsform der Erfindung weist einen Bereich hoher Verunreinigungskonzentration vom gleichen Verunreinigungstyp wie der Emitter auf, der wenigstensIn summary, the invention provides a semiconductor device with multiple junctions and a very high current gain factor that has a low concentration of impurities in the emitter area, an injected minority exceeding the width of the emitter carrier diffusion length, a low surface recombination velocity and has a good crystal lattice. The described preferred embodiment of the invention has a Area of high impurity concentration of the same impurity type as the emitter, which at least
- 17 -- 17 -
40983 1/072640983 1/0726
einen Teil des Emitterbereichs überdeckt und dabej2 O 6 4 7 5 einen L-H-Übergang ergibt,der Minoritätsträger als Driftstrom zurück zum Basisbereich reflektiert. Die Anordnung ist so getroffen, daß der an den L-H-Übergang angrenzende. Driftstrom den Minoritätsträger-Diffusionsstrom im wesentlichen eliminiert, der vom Basisbereich aus injiziert wird, da er umgekehrt gerichtet ist.covers part of the emitter area and thereby 2 O 6 4 7 5 results in an L-H transition which reflects minority carriers as drift current back to the base region. The arrangement is made so that the at the L-H transition adjacent. Drift current is the minority carrier diffusion current substantially eliminated, which is injected from the base region, as it is directed in reverse is.
40983-1 /072640983-1 / 0726
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