DE2518488A1 - Halbleiterbaueinheit - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE
TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-8000 München 22 D-4800 Bielefeld

Triftstraße 4 Siekerwall 7

25. April 1975

SONYCORPORATION
Tokyo / Japan

HALBLEITERBAUEINHEIT

Die Erfindung betrifft eine Halbleiterbaueinheit mit einem Halbleitersubstrat, in dem wenigstens drei aufeinanderfolgende Halbleiterbereiche jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeitst/ps ausgebildet sind und die sich insbesondere durch einen gut steuerbaren Verstärkungsfaktor auszeichnen.

Der Stromverstärkungsfaktor h__F für Emitter-Basis-Schaltung ist einer der Para meter zur Bewertung der Eigenschaften eines Transistors. Dieser Stromverstärkungsfaktor ist durch die folgende Gleichung gegeben:

worin mit ^C der Stromverstärkungsfaktor für Basis-Basis-Schaltung bezeichnet ist, der wiederum gegeben ist zu

V (2),

509847/0791 /²

A Λ

worin mit <*- der Kollektor-Verstärkungsfaktor, mit β der Basis-Transportfaktor und mit Y" der Emitter-Injektionswirkungsgrad bezeichnet sind.

Im folgenden werden einige Beziehungen für den Emitter-Injektionswirkungsgrad Y" für einen npn-Transistor dargestellt. Dieser Emitter-Injektionswirkungsgrad Y" ist wie folgt definiert:

^J ι

I + J J

η ρ ι , ρ

worin mit J die Stromdichte bezeichnet ist, die aufgrund der vom Emitter in die η

Basis injizierten Elektronen auftritt, und J die Stromdichte aufgrund der von der

P
Basis in den Emitter injizierten Löcher angibt.

Die Stromdichtewerte J und J sind durch die folgenden Gleichungen gegeben:

η ρ

qD η
JLE J <w„ ( M^v ^ _ ι \. (4)

L η

^{qD P}n Γ
P jexp

Daraus läßt sich folgendes Verhältnis gewinnen:

J L Dp

P ⁿ . ρ η

D" ' U

_r J Λ P ⁿ

Die in diesen Gleichungen auftretenden Bezeichnungen kennzeichnen die folgenden physikalischen Größen:

L : Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger in der Basis; η

L : Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im Emitter-P '

/3 509847/0791

D : Diffusionskonstante der Minoritätsladungsträger in der Basis; η

D : Diffusionskonstante der Minoritätsladungsträger im Emitter;

P
η : Konzentration der Minoritätsladungsträger in der Basis im Gleichgewichts-

zustand;

ρ : Konzentration der Minoritätsladungsträger im Emitter im Gleichgewichtszustand; η

V: Die am Emitter-Übergang stehende Spannung:

k: Boltzmann Konstante und

T: Temperatur.

Wird die Verunreinigungskonzentration im Emitter mit N_n und die in der Basis mit NA bezeichnet, so läßt sich der Wert ρ /η durch N. /N ersetzen. Da L außerdem durch die Basisstärke bzv/. -weite W begrenzt ist und sich die Beziehung L=W erfüllen

läßt, erhält man die folgende Gleichung:

D N

L D N_ ⁽⁷⁾

pn D

Die Diffusionskonstanten D und D sind jeweils eine Funktion der Trägermobilität und der Temperatur und werden als konstant angenommen.

Wie sich aus der letztaufgeführten Gleichung ergibt, reicht es aus, den Wert O verringern, um eine Vergrößerung des Verstärkungsfaktors Iw für einen Transistor zu erhalten.

Aus diesem Grund wird für übliche Transistoren die Verunreinigungskonzentration N im Emitter groß gewählt, um den Wert von O zu vermindern.

Wird die Emitter-Verunreinigungskonzentration N_n jedoch groß gewählt, zum Beispiel

19 ' 3

über 10 Atome/cm , so treten leicht Gitterdefekte, Versetzungen und dergleichen auf, und es läßt sich nur schwer oder überhaupt kein einwandfreier Kristall erhalten. Da die Emitter-Verunreinigungskonzentration hoch liegt, wird zusätzlich die Lebensdauer L der ^von der B^QS'^S 'ⁿ den Emitter injizierten Minoritätsladungsfräger ver-

/4 50 9 847/0791

kürzt und mithin wird die Diffusionslänge L dieser Minoritätsladungsträger oder

P
Löcher klein aufgrund der folgenden gültigen Beziehung:

(8) PVPP

Wie sich aus Gleichung (7) ersehen läßt, kann der Wert für ο nicht in erwünschtem Maß verkleinert werden, daher läßt sich auch der Injektionswirkungsgrad V nicht über ein bestimmtes Maß hinaus erhöhen. Daraus folgt, daß sich auch der Wert des Verstärkungsfaktors h _ nicht über einen bestimmten Wert vergrößern läßt.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiterbaueinheit, insbesondere einen Transistor-Schaltkreis so zu verbessern, daß ein sehr hoherStromverstärkungsfaktor erzielt werden kann, der außerdem leicht und frei in einem weiten Bereich steuerbar sein soll. Diese Halbleiterbaueinheit soll sich insbesondere zur Verwendung in logischen Schaltkreisen eignen.

Eine Lösung dieses technischen Problems ergibt sich bei einer Halbleiterbaueinheit nach der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Maßnahmen, für die vorteilhafte Weiterbildungen in Unteransprüchen gekennzeichnet sind.

Eine erfindungsgemäße Halbleiterbaueinheit, insbesondere ein Transistor Schaltkreis, weist einen ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der angrenzend an den ersten Halbleiterbereich angeordnet ISt₇ und einen dritten Halbleiterbereich vom Leitfähigkeitstyp des ersten Halbleiterbereichs auf, der an den zweiten Halbleiterbereich angrenzt. Im ersten Halbleiterbereich ist ein Steuerungsbereich vorgesehen, der so angeordnet ist, daß er dem Halbleiter-Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich gegenüber liegt und von diesem Übergang einen Abstand aufweist der kleiner ist als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im ersten Halbleiterbereich. Weiterhin sind der erste, zweite und dritte Halbleiterbereich sowie der zusätzliche Steuerungsbereich mit einer Elektrode verbunden, über die sich eine Steuerung bzw. Regelung der elektrischen Betriebskennwerte erreichen läßt. Zur Zuführung eines bestimmten Potentials zur ersten

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Elektrode ist mit der zusätzlichen Elektrode für den Steuerungsbereich eine weitere Einrichtung vorgesehen, über die sich der Stromverstärkungsfaktor des Halbleiterbauelements steuern bzw. regulieren läßt.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausfuhrungsformen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematische Querschnittansichten jeweils eines Ausführungsbeispiels

eines speziellen Transistors, wobei die Darstellung als Modell zur Erläuterung der Erfindung zu verstehen ist;

Fig. 3 die schematische Schnittdarstellung eines anderen Ausführungsbei

spiels eines speziellen Transistors, der in einer Baueinheit bzw. einem Schaltkreis verwendet wird, der erfindungsgemäße Merkmale aufweist;

Fig. 3' das Äquivalent-Schaltbild des Transistors nach Fig. 3;

Fig. 4 das zeichentechnische Schaltsymbol des Transistors nach Fig. 3;

Fig. 5 ein einfaches Verschaltungsbeispiel für einen Schaltkreis mit erfindungs

gemäßen Merkmalen;

Fig. 6 eine graphische Darstellung mit deren Hilfe sich die besonderen Eigen

schaften des Schaltkreises nach Fig. 5 erläutern lassen;

Fig. 7 ein Beispiel für eine andere Ausführungsform einer verschalteten Halb

leiterbaueinheit mit erfindungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung bestimmter Kennwerte

der Schaltung nach Fig. 7;

Fig. 9 ein weiteres Schaltungsbeispiel für eine Halbleiterbaueinheit mit er

findungsgemäßen Merkmalen;

Fig. 10 die schematische Schnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels

eines in einer erfindungsgemäßen Halbleiterbaueinheit eingesetzten speziellen Transistors;

/6

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Fig. Π ein zeichentechnisches Schaltsymbol für den Transistor nach Fig. 10;

Fig. 12 eine graphische Darstellung zur Erläuterung bestimmter Betriebskennwerte des Transistors nach Fig. 10;

Fig. 13 ein Schaltbeispiel unter Verwendung einer Halbleiterbaueinheit gemäß Fig. 10 und

Fig. 14 ein weiteres Äquivalenz-Schaltbild für den speziellen Transistor nach Fig. 3.

Bevor auf Einzelheiten der dargestellten Ausführungsformen der Erfindung eingegangen wird, seien zunächst besondere Vorteile der Erfindung am Beispiel eines speziellen Transistors herausgestellt. Dieser Transistor kann vom npn- oder pnp>-Typ sein; die folgenden Erläuterungen beziehen sich jedoch in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 auf einen npn-Transistor.

Die Fig. 1 läßt ein Halbleitersubstrat S erkennen, in dem ein erster Halbleiterbereich vom η-Typ, ein zweiter, angrenzend an den ersten Bereich 1 angeordneter zweiter p-Typ Halbleiterbereich sowie ein dritter Halbleiterbereich 3 vom η -Typ ausgebildet sind, der an den zweiten Bereich anschließt. Zwischen dem ersten und zweiten Bereich 1 und 2 ist ein erster pn-Ubergang J_p vorhanden, und entsprechend liegt zwischen dem zweiten und dritten Bereich 2 bzw. 3 ein zweiter pn-Übergang J_.

Innerhalb des ersten Bereichs 1 befindet sich gegenüber dem ersten Übergang J eine Potentialsperre, und zwar an einer Stelle, die vom Übergang J_p einen Abstand aufweist, der kleiner ist als die Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger oder Löcher, die vom zweiten Bereich 2 in den ersten Bereich 1 injiziert werden. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Verunreinigungskonzentration des ersten Bereichs 1 sehr niedrig

15 3

gewählt und liegt in der Größenordnung von 10 Atomen/cm . Weiterhin ist zur Ausbildung eines L/H~Übergangs J im ersten Bereich 1 ein η-Typ Bereich la ausgebildet,

^h 20

der eine hohe Verunreinigungskonzentration in der Größenordnung von 10 Atomen/

cm aufweist und zum niedrig verunreinigten Bereich 1 die bereits erwähnte Potentialsperre bildet.

/7 509847/0791

Die Verunreinigungskonzentration des zweiten Bereichs 2 wird in der Größenordnung

15 IR 3

von 10 - 10 Atomen/cm gewählt, während für den dritten Bereich 3 eine niedrige Verunreinigungskonzentration vorgesehen wird, und zwar in der Größenordnung von

15 3

10 Atomen/cm .

Im dritten Bereich 3 befindet sich außerdem ein Bereich 3a mit hoher Verunreinigungskonzentration und vom gleichen Leitfähigkeitstyp, der einen gewissen Abstand vom zweiten Übergang J_ aufweist. Die Konzentration der Verunreinigungen in diesen Bereich 3a

19 3

wird in der Größenordnung von 10 Atomen/cm gewählt.

, ti \

Auf dem hoch verunreinigten la des ersten Bereichs 1 ist eine damit in ohmschemKontakt stehende erste Elektrode 4E niedergeschlagen. Eine ähnliche zweite Elektrode 4B und eine dritte Elektrode 4C sind am zweiten Bereich 2 bzw. auf dem hoch verunreinigten Bereich 3a des dritten Bereichs 3 ebenfalls in ohmschen Kontakt mit dem zugeordneten Bereich ausgebildet. Von den Elektroden 4E, 4B bzw. 4C führen eine erste, eine zweite bzw. eine dritte Anschlußklemme E, B bzw. C nach außen. Mit Bezugszeichen 5 ist eine isolierende Schicht, beispielsweise eine SiO -Schicht auf der Oberfläche des Substrats S bezeichnet.

Wird dieses soweit beschriebene Halbleiterbauelement als Transistor betrieben, so dienen der erste, zweite bzw. dritte Bereich 1,2 bzw. 3 als Emitter-Basis bzw. Kollektor, wobei der Emitter-Übergang J_p mit einer Vorwärts- oder Durchlaß-Vorspannung und der Kollektor-Übergang J_ mit einer Sperr-Vorspannung beaufschlagt werden.

Bei dieser Anordnung ergibt sich, daß die von der Basis, d.h. dem zweiten Bereich 2 in dem Emitter, d.h. den ersten Bereich 1 injizierten Löcher eine vergleichsweise lange Lebensdauer erhalten, aufgrund der niedrigen Verunreinigungskonzentration des Emitter-Bereichs 1, der ausgezeichneten Kristalleigenschaften usw. Mithin wird die Diffusionslänge L der Löcher im Emitter-Bereich 1 vergleichsweise sehr groß. Trotz

P
dieser großen Diffusionslänge L tritt für den praktischen Fall eine Oberflächen-

P
Rekombination auf, wenn die injizierten Löcher die Oberfläche des Substrats S erreichen,

so daß die Diffusionslänge L tatsächlich wiederum klein wird. Da sich jedoch bei dem Teilbereich ,

509847/0791

oben beschriebenen Aufbau des Halbleiterbauelements gegenüber dem Emitter-Übergang Jp eine Potentialsperre in einem Abstand befindet, der kleiner ist als die Diffusionslänge

L , wird die Oberflächen-Rekombination ganz erheblich gesenkt, und die Diffusionslänge P
kann für den Emitterbereich als ausreichend lang angesehen werden.

Als Wirkung dieser Potentialsperre zeigt sich nämlich, daß die aufgrund der vom Basis-Bereich 2 in den Emitter-Bereich 1 injizierten Löcher auftretende Stromkomponente J durch die Potentialsperre erheblich vermindert wird. Das heißt in anderen Worten, im Emitter-Bereich I tritt eine Differenz von Quasi-Fermi-Niveaus oder ein "eingebautes Feld" am L/H-Übergang auf, das der Diffusion von Minoritätsladungsträgern oder Löchern entgegenwirkt. (Mit L/H-Übergang ist dabei ein Halbleiter-Übergang zwischen Halbleiterbereichen vom gleichen Leitfähigkeitstyp bezeichnet, von denen der eine Bereich hoch = stark und der anderejeicht = niedrig dotiert sind). Ist der Pegel bzw. Pegelunterschied ausreichend hoch, so wird der durch den Konzentrationsgradienten der Löcher auftretende Diffusionsstrom und der durch das eingebaute Feld bewirkte Driftstrom am

L/H-Übergang J beseitigt, so daß der Löcherstrom J reduziert wird, der von der Basis H ρ

in den niedrig verunreinigten Emitter-Bereich 1 injiziert wird. Von den über den Emitter-Übergang Jp fließenden Stromkomponenten wird der Anteil des Elektronenstroms, der den Kollektor 3 erreicht, aufgrund der beschriebenen Wirkung erhöht. Unter Zuhilfenahme der Gleichung (3) ist damit ersichtlich, daß der Wert des Emitter-Injektionswirkungsgrads Y" groß wird, und damit auch h - vergrößert wird.

Die erwähnte Pegeldifferenz (die Höhe der Potentialsperre) ist vorzugsweise größer als 0,1 eV. Der Wert des eingebauten Felds an der Potentialsperre soll größer sein als

kT/qL und soll vorzugsweise über 10 V/cm liegen. Wird für diesen Fall der L/H-Übergang Jj, in der angegebenen Weise vorgesehen, so läßt sich eine Potentialsperre von 0,2 eV durch richtige Auswahl oder richtiges Einstellen des Verunreinigungsanteils und des Gradienten der hohen Verunreinigungskonzentration im Bereich la gut erreichen.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig.2sindderzur Ausbildung der Potentialsperre vorhandene hoch verunreinigte Bereich la im ersten Bereich 1 und zusätzlich ein p-Typ-Bereich 6 vorgesehen, dereinen pn-Übergang J_ in Gegenüberstellung zum

/9 509847/0791

ersten· Übergang J_p ergibt. Auch in diesem Fall ist der Abstand zwischen dem pn-

Übergang _L und dem Übergang J kürzer gewählt als die Diffusionslänge L der Minob fc ρ

ritätsladungsträger im ersten Bereich.

Bei diesem Aufbau einer Halbleiterbaueinheit erreichen die in den ersten Bereich 1 injizierten Löcher effektiv den zusätzlichen Bereich 6 aufgrund ihrer großen Diffusionslänge und werden im zusätzlichen p-Typ-Bereich 6 absorbiert. Ist der zusätzliche Bereich 6 elektrisch isoliert, so steigt sein Potential an, aufgrund einer Erhöhung des Anteils an Löchern, wodurch der pn-Übergang J- zwischen dem Bereich 6 und dem ersten Bereich 1 potentialmäßig bis auf Vorspannung in Durchlaßrichtung angehoben wird, und die Löcher in den ersten Bereich re-injiziert werden. Aus diesem Grund erhöht sich die Löcherkonzentration im ersten Bereich 1 nahe dem zusätzlichen Bereich 6. Entsprechend wird die Konzentrationsverteilung der Löcher zwischen den Übergängen J_ und J des ersten

fc.fr) 5

Bereichs 1 vergleichmäßigt, so daß auch der Gradient "geglättet" wird, mit der Folge, daß der vom zweiten Bereich 2 zum ersten Bereich 1 fließende Diffusionsstrom J ab-

P nimmt.

Bei der Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 3 sind die der Fig. 2 entsprechenden Teile und Bereiche mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Der zusätzliche Bereich 6 dient dabei als Steuerungsbereich und ist mit einer zusätzlichen Elektrode 4G versehen, die in ohmschen Kontakt niedergeschlagen ist und von der eine Anschlußklemme G nach außen fuhrt. Hinsichtlich ihres Aufbaus entspricht diese Halbleiterbaueinheit einem pnp-Transistor, bei dem der zusätzliche Steuerbereich 6 als Kollektor, der erste Bereich 1 als Basis und der zweite Bereich 2 als Emitter dienen. Das Äquivalenz-Schaltbild zeigt die Fig. 3'. Ein Bauelement dieser Art wird nachfolgend als pn-Junction-Elernent bezeichnet und erhält das in Fig. 4 gezeigte Symbol.

Entsprechend einem Ausfuhrungsbeispiel einer einfachen Schaltung fUr dieses Halbleiterbauelement wird die zusätzliche Elektrode 4G des pn-Junction-Elements an seiner ersten Elektrode 4E mit einem bestimmten Potential beaufschlagt, um den Stromverstärkungsfaktor h__ zu steuern. Die Fig. 5 zeigt den Fall, bei der eine variable Gleichspannungsquelle 11 zwischen der zusätzlichen Elektrode 4G und der Emitter-Elektrode 4E des pn-Junction-Elements 1OJ angeschlossen ist. In diesem Fail sei ange-

⁺⁾brw. flach- 509847/0791 _/10

nommen, daß sich die Spannungsquelle 11 von einem negativen Wert bis zu einem Wert V_Rp verändern läßt, bei dem der pn-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt ist.

Wird für diesen Schaltkreis der Klemmenwert der Spannungsquelle 11 bis auf den Wert

V erhöht, so daß - wie erwähnt - der pn-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt Bb

ist, so wird das Potential an der zusätzlichen Elektrode 4G bzw. am Steuerbereich 6 gleich dem Basispotential im aktiven Betriebszustand, so daß die im Steuerbereich 6 vorhandenen Löcher in den Emitter-Bereich 1 re-injiziert werden, ähnlich wie im Fall der Fig. 2, bei dem der Steuerungsbereich 6 elektrisch isoliert ist. Demzufolge nimmt der über die Basis 2 in den Emitter 1 fließende Diffusionsstrom J ab, und der Wert des Strom-

Verstärkungsfaktors h_pp wird groß. Wird umgekehrt die Klemmenspannung der Spannungsquelle 11 so gewählt, daß das Potential an der zusätzlichen Elektrode 4 G niedriger als das Basispotential wird, so übt der Steuerbereich 6 eine unterschiedliche Wirkung aus. In diesem Fall absorbiert der Steuerungsbereich 6 die von der Basis 2 in den Emitter injizierten Löcher, so daß die Löcherkonzentration in einem Abschnitt des Emitter-Bereichs 1 nahe dem Übergang J- stark absinkt. Als Folge davon wird der Konzentrationsgradient der Löcher im Emitter-Bereich 1 "spitz" oder stark abfallend,und der vom Basis-Bereich 2 in den Emitter-Bereich 1 fließende Diffusionsstrom J steigt an, so daß der

P Wert des Verstärkungsgrads h_pp vermindert wird.

Die Fig. 6 verdeutlicht den Vergleich zwischen den charakteristischen Kennwerten für die beiden erwähnten Grenzfälle, wobei auf der Abszisse der Kollektorstrom I und auf der Ordinate ein Verhältnis für den Wert h__ aufgetragen sind. Die Kurve 12 zeigt den Fall, bei dem das Potential an der zusätzlichen Elektrode 4G dem Basispotentiai entspricht, während die Kurve 13 den Fall verdeutlicht, bei dem an der zusätzlichen Elektrode 4G Emitterpotential liegt. Die Darstellung der Beziehung zwischen dem Kollektorstrom-1_ und dem Faktor h_pp erfolgt so, daß für das Verhältnis von h_pp ein Wert von 1 angenommen wird, wenn sich ein Kollektorstrom I_ von 0,1 mA für den Fall ergibt, daß das Potential an der zusätzlichen Elektrode 4G dem an der Basis entspricht. Aus den Kurven ist ersichtlich, daß der Wert des Verstärkungsfaktors h_p_ um etwa eine Größenordnung niedriger liegt, wenn das Potential an der zusätzlichen

jfc /11

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Elektrode 4G gleich dem Emitterpotential ist, im Vergleich zu dem Fall, wenn das Potential an der Elektrode 4G gleich dem Basispotential ist. Wird nun das die zusätzliche Elektrode 4G beaufschlagende Potential in einem Bereich zwischen dem Basispotential und dem Emitterpotential verändert, so ist es möglich, den Wert für h_pF zu variieren.

Die Fig. 7 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei der zwischen der zusätzlichen Elektrode 4G und der ersten oder Emitterelektrode 4E des pn-Junction-Elements 1OJ ein veränderbarer Widerstand 14 angeschlossen ist. In diesem Fall sei angenommen, daß sich der Widerstandswert des variablen Widerstands 14 von Null bis Unendlich verändern läßt.

Bei dieser Schaltung liegt an der zusätzlichen Elektrode 4G im Betriebszustand ein Potential, dessen Wert gegeben ist durch die Unterteilung der konstanten Potentialdifferenz

V_DC zwischen der Basis und dem Emitter aufgrund des Werts des inneren Widerstands Bt

des Elements zwischen der Basis und der zusätzlichen Elektrode 4B und 4G und dem des variablen Widerstands 14. Wird nun der Wert des variablen Widerstands 14 von Null bis Unendlich variiert, so läßt sich das die zusätzliche Elektrode 4G beaufschlagende Potential verändern, und zwar in einem Bereich, bei dem der an der Elektrode 4G anliegende Potentialwert in einem Grenzfall praktisch dem Basispotential und im anderen Grenzfali dem Emitterpotential entspricht. Es läßt sich also - ähnlich wie im Fall der Figj 5 - der Wert von h _f durch Änderung des an der zusätzlichen Elektrode 4G zuzuführenden Potentials variieren.

Die Fig. 8 verdeutlicht die Beziehung zwischen dem Kollektorstrom L· und dem Wert h p, wobei der Widerstandswert R des variablen Widerstands 14 als Parameter vorgesehen ist. In diesem Fall wird für die Kollektor-Emitterspannung V_rF ein Wert von 3 V gewählt.

Das Ausführungsbeispiel der Fig. 9 veranschaulicht einen Fall, bei dem der Widerstandswert des variablen Widerstands 14 aus Fig. 7 automatisch durch ein Steuersignal von einer Steuersignalquelle 15 aus verändert werden kann. Das heißt, das Potential an der zusätzlichen Elektrode 4G relativ zu dem an der Emitterelektrode 4E wird in Abhängigkeit von einem Steuersignal verändert, so daß sich wiederum der Stromverstärkungsfaktor hp_E des Elements 1OJ verändern läßt. Die Fig. 9 zeigt also das Prinzip einer Schaltung für automatische Verstärkungssteuerung.

ORIGINAL JNSPECJED 509847/0791 _/u

In Übereinstimmung mit den Merkmalen der Erfindung ist es auch möglich, eine Mehrzahl von Steuerbereichen 6 mit einer gemeinsamen oder einer Mehrzahl von zusätzlichen Elektroden 4G vorzusehen.

Als pn-Junction-Element im Rahmen der Erfindung läßt sich auch ein Ausfuhrungsbeispiel angeben und herstellen, bei dem ein zweiter Halbleiter-Steuerbereich vom n-Leitfähigkeitstyp zusätzlich im p-Typ-Steuerbereich 6 entsprechend dem Aufbau nach Fig. 3 ausgebildet ist. Wird in diesem Fall ein veränderbarer Widerstand oder eine veränderbare Spannungsquelle zwischen den beiden erwähnten Steuerbereichen angeschlossen und sind diese Bereiche relativ zum Emitter 1 elektrisch isoliert, so läßt sich der Wert von h__ von dem der Kuve 12 in Fig. 6 entsprechenden Betriebszustand bis zu einer Linie ändern, die etwa in der Mitte zwischen den Kurven 12 und 13 liegt. In anderen Worten: Der Wert von h__ liegt hoch, wenn der Widerstandswert des variablen Widerstands groß ist oder eine der pn-Ubergang-Durchlaßspannung entsprechende Vorwärtsspannung zwischen den beiden Steuerbereichen anliegt, während sich ein kleiner Wert ergibt, wenn der Widerstandswert des variablen Widerstands klein ist oder eine Spannung zwischen den beiden Steuerbereichen ansteht, die kleiner ist als die pn-Übergang-Durchlaßspannung.

Auf der Halbleiter-Oberfläche, zwischen dem inneren zweiten Steuerbereich und dem hoch verunreinigten Bereich la des Emitter-Bereichs 1 ist außerdem durch die isolierende Schicht 5 eine Steuerelektrode ausgebildet, und der Stromverstärkungsfaktor h__ läßt sich auch durch Änderung einer an diese Steuerelektrode anzulegenden Spannung steuern.

Die Fig. 10 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Halbleiter-Baueinheit, bei der der zusätzliche p-Typ Bereich 6 entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 2 nicht vorgesehen ist ,/de r jedoch andererseits die zusätzliche Elektrode AG auf der isolierenden Schicht 5 vorhanden ist, die die Halbleiter-Oberfläche in dem Abschnitt bedeckt, in dem sich zuvor-(also bei der früher beschriebenen Ausfuhrungsform) der zusätzliche p-Typ-Bereich 6 befand. Von dieser zusätzlichen Elektrode 4G führt eine Anschlußklemme G nach außen. Ein Bauelement dieses Typs wird nachfolgend als MOS-Element bezeichnet.

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Bei diesem soweit beschriebenen MOS-Element ist die Dicke oder Stärke des Emitter-Bereichs 1 kleiner gewählt als die Diffusionslänge L der Minoritätsladungsträger oder

P Löcher. An der Oberfläche des Emitter-Bereichs 1 in einem Abschnitt, an dem die Spannung V-^p der zusätzlichen Elektrode AG relativ zum Emitter-Bereich wirksam ist, befindet sich ein Halbleiter-Steuerbereich 7, und zwar in einer dem Emitter-Übergang J gegenüberstehenden Position, Von diesem Emitter-Übergang J weist der durch eine gestrichelte Linie in Fig. 10 angedeutete Steuerbereich 7 einen Abstand auf, der kleiner ist als die Löcherdiffusionslänge.

Wird die zusätzliche Elektrode 4G mit einem gegenüber der Schwellen- oder Schleusenspannung V-μ positiven Potential beaufschlagt, so bildet sich als Steuerbereich 7 eine Anreicherungsschicht aus. Durch diese Anreicherungsschicht 7 wird - ähnlich wie für

den Fall des L/H-Übergangs J₁, nach Fig. 1 - ein elektrisches Feld zwischen dieser Anti

reicherungsschicht 7 und dem Emitter-Bereich 1 erzeugt, das der Diffusion der Minoritäts-Ladungsträger oder Löcher von der Basis 2 entgegenwirkt, so daß der von der Basis 2 in den Emitter 1 fließende Diffusionsstrom J erniedrigt und damit der Stromverstärkungsfaktor

h_rc erhöht wird. Wird die zusätzliche Elektrode 4G mit einem zur Schleusenspannung V_TLJ Ft in

negativen Potential beaufschlagt, so entsteht als Steuerbereich 7 eine Verarmungsschicht oder Inversionsschicht. In diesem Fall werden die Löcher vom Steuerungsbereich 7 in den Emitter-Bereich 1 re-injiziert, so daß der von der Basis 2 in den Emitter 1 fließende Diffusionsstrom J reduziert wird, ähnlich wie in dem Fall, bei dem der zusätzliche

P
Bereich 6 elektrisch isoliert war. Es wird also eine Erhöhung von Fw erreicht. Da die Löcher im Steuerbereich 7 an einer Stelle rekombiniert werden, an der das Potential Vp_E der zusätzlichen Elektrode 4G relativ zum Emitter gleich oder nahezu gleich der Schwellen- oder Schleusenspannung V_T|, ist, erniedrigt sich h _ etwa entsprechend dem Kurvenverlauf ncch Fig. 12.

Diese Fig. 12 zeigt die Iw-V-^-Kennlinie für einen Basisstrom I = 1 yU-A bei einer Kollektor-Emitterspannung V__p von 3 V. In diesem Fall läßt sich die Schleusenspannung

V_XLJ in Abhängigkeit von der Dicke der isolierenden Schicht 5, der Dielektrizitätskonstante I π

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und insbesondere auch der Verunreinigungskonzentration des Abschnitts wählen, in dem der Steuerungsbereich 7 ausgebildet wird. Vorzugsweise erstreckt sich die zusätzliche Elektrode G über den hoch verunreinigten Bereich la des Emitter-Bereichs 1.

Fig. 13 zeigt ein einfaches Schaitungsbeispiel unter Verwendung des erwähnten MOS-Elements. In diesem Fall ist eine veränderbare Gleichspannungsquelle 16 zwischen der zusätzlichen Elektrode 4G und der ersten oder Emitter-Elektrode 4E des MOS-Elements 1OM angeschlossen. Wird der Spannungswert der Spannungsquelle 16 verändert, so ändert sich auch das Potential V-,- an der zusätzlichen Elektrode 4G relativ zum Emitter-Bereich 1, und entsprechend läßt sich der Stromverstärkungsfaktor Iw des Elements 1OM steuern.

Außerdem wird die Schleusenspannung V__H ober den Steuerungsbereich 7 mindestens zum Teil geändert. Alternativ können auch eine Mehrzahl von Steuerungsbereichen mit unterschiedlichen V__H - Spannungen oder eine Mehrzahl von zusätzlichen Elektroden 4G vorgesehen sein, die jeweils mit unterschiedlichen Potentialen beaufschlagt werden. Dadurch läßt sich die Kennlinie nach Fig. 12 verändern.

Wie anhand von mehreren Ausführungsbeispielen für spezieile Transistoren mit vier Anschlüssen beschrieben wurde, läßt sich der Wert des StromversSärkungsfaktors fw für Emitterschaltung bzw. der Stromverstärkungsfaktor °C für Basis-Schaltung mit der Erfindung leicht und in weiten Grenzen durch Änderung einer an eine der Elektroden anzulegenden Spannung steuern.

Das erfindungsgemäße Junction-Element 1OJ läßt sich auch in anderer Weise einsetzen. So entsteht - wenn das Potential des zusätzlichen Bereichs 6 vom Wert des Basispotentials relativ zu dem des Emitterbereichs 1 über die Durchlaß-Spannung V_RF des pn-Übergangs erhöht wird -ein pnp-Transistor, dessen Äquivalenz-Schaltbild die Fig. 14

zeigt, und bei dem der zusätzliche Bereich ό als Emitter, der erste Bereich 1 als Basis und der zweite Bereich 2 als Kollektor dienen. Der Stromverstärkungsfaktor ^C dieses pnp-Transistors ist im wesentlichen eins. Der pnp-Transistor wird also zur Stromquelle

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fUr die Basis des npn-Transistors und kann als Konstantstromquelle oder als variable Stromquelle dienen, je nachdem, ob das Potential an der zusätzlichen Elektrode 4G konstant gehalten oder variiert wird. Diese Stromquelle kann auch als Last für die Vorstufe angesehen werden, so daß sich ein Lastwiderstand, etwa für die Anwendung in einer integrierten Schaltung, eliminieren läßt, was insbesondere für die Anwendung in logischen Schaltkreisen vielfach von Vorteil ist.

Weiterhin läßt sich der Leitfähigkeitstyp jedes Bereichs bei geeignet angepaßter Dotierung für die beschriebenen pn-Junction- bzw. MOS-Elemente umkehren, so daß sich analog zu den anhand der Fig. 3 oder 10 erläuterten Baueinheiten pnp-Elemente erzeugen lassen.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit der Erfindung ein neuartiger Typ von Halbleiterbauelementen geschaffen wurde, die sich insbesondere als steuerbare Transistoren, beispielsweise vom MOS-Typ,herstellen lassen und für die gilt, daß sich insbesondere der Stromverstärkungsfaktor für Emitter-Schaltung(h_F|-)bzw. für Basis-Schaltung ( oC) einfach und in weiten Grenzen ändern läßt, wobei der obere Grenzwert des Verstärkungsfaktors im Vergleich zu herkömmlichen Transistoren bei sehr günstigen Rauscheigenschaften wesentlich höher liegt.

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Claims (11)

Sony Corporation Tokyo / Japan PATENTANSPRÜCHE

1. ] Halbleiterbaueinheit mit einem Halbleitersubstrat, in dem wenigstens drei aufeinanderfolgende Halbleiterbereiche jeweils entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer, an den ersten Halbleiterbereich (1) angrenzender Steuerungsbereich (6; 7) in einem innerhalb der Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge im ersten Bereich liegenden Abstand vom Übergang (JL) zum zweiten Bereich (2) vorhanden ist, daß Mittel (4C, C, 4E, E, 4B, B) zum Anlegen von elektrischen Potentialen an den ersten (1), zweiten (2) bzw. dritten Bereichen (3) vorgesehen sind, die den Transport von Majoritätsträgern im ersten und zum dritten Bereich bewirken, und daß der Steuerungsbereich (6; 7) ebenfalls eine Einrichtung (4G, G) zum Anlegen eines elektrischen Potentials aufweist.

2. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Bereich schaltungsmäßig in einem Eingangs- und der erste und dritte Bereich in einem Ausgangskreis liegen.

3. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite. Bereich an einem Eingangs- und der zweite und dritte Bereich an einem Ausgangskreis angeschlossen sind.

4. Halbleiterbaueinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerungsbereich ein Halbleiterbereich (6) mit einer zum ersten Bereich (1) entgegengesetzten Leitfähigkeit ist.

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5. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des an den Steuerungsbereich (6) anzulegenden Potentials zwischen den jeweiligen Werten der Potentiale am ersten bzw. am zweiten Bereich liegt und den für die drei erstgenannten Bereiche gültigen Stromverstärkungsfaktor (h_,_

bzw. oC. ) bestimmt.

6. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des an den zweiten Bereich (2) anzulegenden Potentials zwischen den am ersten Bereich (1) bzw. am Steuerungsbereich (6) anliegenden Potentialen gehalten ist, und daß die Stromeinspeisung in den zweiten Bereich vom Steuerungsbereich aus erfolgt.

7. Halbleiterbaueinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerungsbereich ein Oberflächenbereich (7) ist, und daß das Steuerpotential kapazitiv zuführbar ist.

8. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerungsbereich (7) eine Anreicherungsschicht ist.

9. Halbleiterbaueinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerungsbereich (7) eine Verarmungsschicht ist.

10. Halbleiterbaueinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Anlegen der elektrischen Potentiale jeweils mit den zugeordneten Halbleiterbereichen (1, 2, 3) bzw. mit den Steuerungsbereichen (ό; 7) verbundene Anschlußelektroden (4C, 4E, 4B bzw. 4G) sind, und daß das am Steuerungsbereich zuführbare Potential zur Steuerung des Stromverstärkungsfaktors (hpp) der Halbleiterbaueinheit dient.

11. Halbleiterbaueinheit nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und dritte Halbleiterbereich eine Verunreini-

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gungskonzentration von etwa 10 Atomen/cm aufweisen.

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