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Die Erfindung bezieht sich auf ein bipolares Halbleiterbauelement nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Bisher hatten die meisten bekannten Halbleiterbauelemente, bei denen die Stromspannungskennlinie zwischen zwei Elektroden einen Bereich negativen Widerstands aufweist, nur zwei Anschlüsse. Diese Halbleiterbauelemente sind in Mikrowellenoszillator-Stromkreisen eingesetzt worden. Diese als Tunneldioden bekannten Halbleiterbauelemente haben jedoch verschiedene Nachteile. Ein Nachteil ist es, daß der Stromkreis in Anpassung an den besonderen Widerstandswert des Halbleiterbauelementes mit den zwei Anschlüssen, das in dem Stromkreis benutzt werden soll, entworfen werden muß. Ein zweiter Nachteil ist, daß diese Halbleiterbauelemente mit zwei Anschlüssen auf Anwendungen bei Stromkreisen für mittlere Energie beschränkt sind, da die Größe des Widerstandes nur von einigen 10 bis zu einigen 100 Ohm reicht. Ein dritter Nachteil ist, daß die Größe des negativen Widerstandes thermisch instabil ist und daß ein komplexer Stromkreis erforderlich ist, um die Halbleiterbauelemente vorzuspannen.
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Aus der DE-OS 14 14 252 ist bereits ein pipolares Halbleiterbauelement der eingangs genannten Art bekannt. Dieses Halbleiterbauelement weist beispielsweise eine Scheibe aus hochohmigem N-leitendem Halbleitermaterial auf, auf der drei Elektroden derart aufgebracht sind, daß direkt angrenzend an die Elektroden kleine P- bzw. N-leitende Bereiche in der Scheibe aus hochohmigem N-leitendem Halbleitermaterial gebildet sind. Die Anordnung der Elektroden ist dabei derart gewählt, daß bei Anlegen einer Spannung entsprechender Polarität an der als Steuerelektrode bezeichneten Elektrode eine Raumladungszone entsteht, die die gegenüberliegend angeordnete, kleinere Folgeelektrode vollständig einhüllt. Damit wird dieser ein Potential eingeprägt, das nahezu gleich dem der Steuerelektrode ist. Da weiterhin ein bestimmter Zusammenhang zwischen dem der Folgeelektrode und der dritten als Basiselektrode bezeichneten, mit Masse verbundenen Elektrode fließenden Strom und dem Strom zwischen der Steuerelektrode und der Basiselektrode besteht, läßt sich bei der angegebenen Schaltung durch Steuerung der Größe des zwischen der Folgeelektrode und der Basiselektrode fließenden Stroms zwischen der Folgeelektrode und der Basiselektrode eine Stromspannungskennlinie mit einem Bereich negativen Widerstands erzielen, wobei sich allerdings nur relativ geringe negative Widerstandswerte erreichen lassen. Da der Stromfluß weiterhin überwiegend über das hochohmige N-leitende Halbleitermaterial erfolgt, treten bei dem bekannten Halbleiterbauelement hohe Leistungsverluste auf.
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Auf der FR-PS 14 50 846 sind planare Halbleiterbauelemente bekannt, bei denen zur Erhöhung der Spannungsdurchbruchfestigkeit im Randbereich der Halbleiterscheibe an ihrer einen Oberfläche eine ringförmige Rille angebracht ist, die den peripheren Teil einer mit der Halbleiterscheibe eines Leitungstyps einen PN-Übergang bildenden Halbleiterbereiches und einen Teil dieses PN-Überganges freilegt, und bei denen der durch die ringförmige Rille freigelegte Teil dieses PN-Überganges mit einer Schicht aus elektrisch isolierendem Material überzogen ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, daß ein hoher negativer Widerstandswert in seiner Strom-Spannungskennlinie erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.
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Bei dem Halbleiterbauelement nach der Erfindung lassen sich nicht nur relativ hohe negative Widerstandswerte erzielen, bei ihm treten außerdem aufgrund der Spannungssteuerung nur sehr geringe Leistungsverluste und damit auch nur eine sehr geringe Erwärmung des Halbleiterbauelements auf, so daß dieses sehr wirtschaftlich und zuverlässig einsetzbar ist.
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Das Halbleiterbauelement nach der Erfindung ist für Gleichstrom bis zu Mikrowellen-Stromkreise anwendbar.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Halbleiterbauelements sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend wird das Halbleiterbauelement nach der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung in Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im einzelnen zeigt
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Fig. 1 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels des Halbleiterbauelements nach der Erfindung,
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Fig. 2 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche des Halbleiterbauelements nach Fig. 1,
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Fig. 3 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines anderen Ausführungsbeispiels zu dem Halbleiterbauelement nach Fig. 1,
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Fig. 4 eine grafische Darstellung der I C -V C Kennlinie eines Halbleiterbauelements nach der Erfindung,
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Fig. 5 eine schematische Darstellung des Stromflusses, wenn das Halbleiterbauelement in Sättigung betrieben wird,
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Fig. 6 eine schematische Darstellung des Stromflusses des Halbleiterbauelements nach Fig. 1, wenn der Kollektor in Sperrichtung vorgespannt ist,
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Fig. 7 eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels zu dem Halbleiterbauelement nach Fig. 1,
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Fig. 8 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche des Halbleiterbauelements nach Fig. 7,
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Fig. 9 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines anderen Ausführungsbeispiels zu dem Halbleiterbauelement nach Fig. 7,
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Fig. 10 eine Schnittansicht eines anderen Ausführungsbeispiels zu dem Halbleiterbauelement nach Fig. 1,
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Fig. 11 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche des Halbleiterbauelements nach Fig. 10,
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Fig. 12 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines anderen Ausführungsbeispiels zu dem Halbleiterbauelement nach Fig. 10,
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Fig. 13 eine Schnittansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels zu dem Halbleiterbauelement nach Fig. 1,
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Fig. 14 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche des Halbleiterbauelements nach Fig. 13,
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Fig. 15 eine Draufsicht auf die obere Oberfläche eines anderen Ausführungsbeispiels zu dem Halbleiterbauelement nach Fig. 13 und
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Fig. 16 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels gemäß einer Weiterbildung des Halbleiterbauelements nach Fig. 1.
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Fig. 1 zeigt ein bipolares Halbleiterbauelement 10, das eine Halbleiterscheibe 11 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial mit ausgewähltem spezifischem Widerstand und einem ersten Leitungstyp umfaßt. Die Halbleiterscheibe 11 weist gegenüberliegende Hauptoberflächen 12 und 14 auf, welche die obere und die untere Oberfläche der Halbleiterscheibe 11 bilden. Das die Halbleiterscheibe 11 bildende Halbleitermaterial kann Silicium, Germanium, Siliciumcarbid, Galliumarsenid, eine halbleitende Verbindung aus einem Element der Gruppe II und einem Element der Gruppe VI und eine halbleitende Verbindung eines Elementes der Gruppe III und eines Elementes der Gruppe V des Periodischen Systems der Elemente sein.
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Die Halbleiterscheibe 11 wird mit Verfahren, wie epitaktisches Aufwachsen, Diffusion, Ionenimplantation oder Temperaturgradient-Zonenschmelzen behandelt. Der erhaltene Halbleiterbauelementaufbau umfaßt einen Emitterbereich 16 (erster Bereich), mindestens einen Kollektorbereich 18 (dritter Bereich) und einen Basisbereich 19 (zweiter Bereich). Der Kollektorbereich 18 und der Emitterbereich 16 weisen den gleichen Leitungstyp auf, der dem Leitungstyp der Halbleiterscheibe 11 und des Basisbereiches 19 entgegengesetzt ist. Zwischen den Bereichen 16, 18 und 19 mit entgegengesetztem Leitungstyp werden die PN-Übergänge 22 und 24 gebildet. Der Kollektorbereich 18 ist im Basisbereich 19 angeordnet und weist eine Oberfläche auf, die an die Oberfläche des Basisbereiches grenzt, wobei die Oberflächen die obere Oberfläche 12 der Halbleiterscheibe 11 umfassen. Der PN-Übergang 24 weist mindestens einen Endteil 23 auf, der in der oberen Oberfläche 12 freiliegt. Eine seitliche Oberfläche 25 eines oder mehrerer Kollektorbereiche 18 begrenzt einen Teil des Basisbereiches 19, der einen kanalförmigen Teil 20 darstellt. Der kanalförmige Teil 20 hat eine Oberfläche, die sich an der gleichen Oberfläche erstreckt, wie die Oberflächen des Kollektorbereiches 18 und des Basisbereiches 19.
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Die Abmessungen der Halbleiterscheibe 11 und der Bereiche 16, 18, 19 und 20 sind durch die Größe des zu steuernden negativen Widerstandes und der Halbleiterscheibe 11 bestimmt. Die Dicke und die spezifischen Widerstände der Bereiche 16 und 18 sind durch die Betriebscharakteristiken des fertigen Halbleiterbauelementes bestimmt. Die Weite des kanalförmigen Teils 20 ist auch durch die Betriebscharakteristiken des fertigen Hableiterbauelementes bestimmt.
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Ohmsche elektrische Elektroden 28 und 30 sind an dem Kollektorbereich 18 und dem kanalförmigen Teil 20 befestigt, um das Halbleiterbauelement an eine äußere elekrische Schaltung anzuschließen.
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Die Fig. 2 und 3 veranschaulichen andere Konfigurationen des Bereiches 18 und des Teils 20. In Fig. 2 ist der Kollektorbereich 18 ringförmig und umfaßt den kanalförmigen Teil 20. Der Endteil 23 des PN-Übergangs 24 endet in der oberen Oberfläche 12 und begrenzt den zylindrischen kanalförmigen Teil 20, der einstückig mit dem Basisbereich 19 der Halbleiterscheibe 11 gebildet ist. Kollektorbereich 18 und kanalförmiger Teil 20 haben Oberflächen, die sich an der gleichen Oberfläche erstrecken, wie die obere Oberfläche 12 der Halbleiterscheibe 11. Der nicht dargestellte Bereich 16 ist der Emitterbereich des Transistors 10.
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Der Transistor 10 nach Fig. 3 umfaßt einen rechteckförmigen kanalförmigen Teil 20, der durch den Kollektorbereich 18 begrenzt wird. Der nicht dargestellte Emitterbereich 16 ist der gleiche wie der bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 und weist eine Oberfläche auf, welche die untere Oberfläche 14 der Halbleiterscheibe 11 und damit des Transistors 10 umfaßt.
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Das Halbleiterbauelement kann eine NPN- oder PNP-Bereichsanordnung haben. An den jeweiligen Emitter-, Kollektorbereichen und am kanalförmigen Teil sind ohmsche Elektroden 26, 28 und 30 befestigt, damit das Halbleiterbauelement an einen elektrischen Stromkreis angeschlossen werden kann.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 4, 5 und 6 der Betrieb eines P&spplus;N-P&spplus;-Halbleiterbauelements beschrieben. Führt man dem Halbleiterbauelement Energie zu, dann wird die von dem P&spplus;-leitenden Emitterbereich 16 injizierte Ladung durch den Elektronenstrom in dem kanalförmigen Teil 20 gesteuert. Der Elektronenstrom wird wiederum durch die Sperrichtungs-Vorspannung zwischen Kollektor und kanalförmigem Teil moduliert. Befindet sich das Halbleiterbauelement im Sättigungszustand, dann ist der Stromfluß darin in Fig. 5 dargestellt. In diesem Sättigungszustand injizieren sowohl Emitter als auch Kollektor Löcher in den kanalförmigen Teil, so daß I E + I C = I G ist.
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Legt man an den Kollektor eine Vorspannung in Sperrichtung, wie in Fig. 6 gezeigt, dann wird das Halbleiterbauelement aus dem Sättigungszustand herausgenommen. Der Emitterstrom I E wird nun zwischen dem Kollektorbereich 18 und dem kanalförmigen Teil 20 aufgeteilt. Da die "Emitter" -Stromverstärkung β des Halbleiterbauelements erhöht wird, erhöht sich der Kollektorstrom I C bis zu einem Maximum, wie durch den Teil "ab" in der Kurve der Fig. 4 gezeigt ist. Nimmt der Kollektorstrom I C zu, so nimmt der Strom I G aus dem kanalförmigen Teil 20 des Basisbereichs 19 ab. Die Abnahme dieses Stromes I G ist das Ergebnis der zunehmenden Größe der "Emitter"-Stromverstärkung β des Halbleiterbauelements.
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Wird die Größe der Sperrichtungs-Vorspannung zwischen Kollektor und kanalförmigem Teil weiter erhöht, dann wird der kanalförmige Teil 20, begrenzt durch einen Teil 23 des PN-Übergangs 24, der in der oberen Oberfläche 12 endet, durch die Zunahme der Raumladungszone vom Kollektorbereich 18 abgeschnitten. Das Ergebnis dieser Wirkung auf den kanalförmigen Teil 20 ist es, den Elektronenstrom zur Elektrode 30 an dem kanalförmigen Teil 20 zu verringern. Diese Wirkung dominiert gegenüber der Zunahme in der "Emitter" -Stromverstärkung β und der Kollektor- und der Emitterstrom beginnen ebenfalls abzunehmen. Da die Kollektorspannung, das ist die Vorspannung zwischen kanalförmigem Teil und Kollektor in Sperrichtung, weiter ansteigt, nehmen der Emitter- und der Kollektorstrom weiter ab, wie durch den Teil "bc" der Kurve der Fig. 4 gezeigt. Die Größe des negativen Widerstandes wird durch die Spannung V G an dem kanalförmigen Teil bestimmt.
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Nach dem Erreichen des Punktes c auf der Kurve der Fig. 4 ist der kanalförmige Teil (Basisbereich des Halbleiterbauelements) abgeschnitten. Eine weitere Zunahme der Vorspannung in Sperrichtung zwischen kanalförmigem Teil und Kollektor führt nur zu einem Leckstrom über den PN- Übergang 24 zwischen kanalförmigem Teil und Kollektor. Das Halbleiterbauelement hat somit einen steuerbaren negativen Widerstand im Bereich von einigen 100 bis zu einigen Megohm.
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In Fig. 7 ist ein Halbleiterbauelement 50 gezeigt, das ein anderes Ausführungsbeispiel zu dem Halbleiterbauelement nach Fig. 1 ist. Der einzige Unterschied ist der, daß das Halbleiterbauelement 50 eine Vielzahl von kanalförmigen Teilen 20 und Kollektorbereichen 18 aufweist. Alle Bezugszahlen, die mit denen der Fig. 1 übereinstimmen, bezeichnen gleiche Teile, die auch in der gleichen, wie vorstehend beschriebenen Weise arbeiten. Die Bereiche 18 und die kanalförmigen Teile 20 können, wie mit Bezug auf die Fig. 8 und 9 ausgeführt, ringförmig oder rechteckförmig sein.
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In Fig. 10 ist ein Halbleiterbauelement 110 in der nachstehend beschriebenen Weise ausgebildet. Dieses umfaßt eine Halbleiterscheibe 111 aus einem einkristallinen Halbleitermaterial mit zwei gegenüberliegenden Hauptoberflächen 112 und 114, welche die obere bzw. die untere Oberfläche bilden, sowie einen Emitterbereich 116, einen Kollektorbereich 118 und einen Basisbereich 119 mit einem kanalförmigen Teil 120. Ein PN-Übergang 124 wird durch die den Bereich 118 und den an diese grenzenden kanalförmigen Teil 120 entgegengesetzten Leitungstyps gebildet. Ein Endteil 123 jedes PN-Übergangs 124 endet in der oberen Oberfläche 112 und liegt dort frei. Die zueinander benachbarten Teile 125 des PN-Überganges 124 begrenzen den kanalförmigen Teil 120, der einstückig mit dem Basisbereich 119 gebildet ist und aus dem ursprünglichen Material der Halbleiterscheibe 111 besteht. Das Material der Halbleiterscheibe 111 ist das gleiche wie das der Halbleiterscheibe 11 des Transistors 10.
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Das Halbleiterbauelement 110 unterscheidet sich von dem Halbleiterbauelement der Fig. 1 dadurch, daß das Material der Halbleiterscheibe 111 und damit des kanalförmigen Teils 119 und das Material des Emitterbereichs 116 aus verschiedenen Halbleitermaterialien bestehen. Das Halbleitermaterial der Halbleiterscheibe 111 und des Emitterbereichs 116 sind so ausgewählt, daß die aneinanderstoßenden Oberflächen der Bereiche verschiedenen Materials einen Hetero-Übergang 122 bilden. So kann z. B. die Halbleiterscheibe 111 aus N-leitendem Silicium bestehen und der Emitterbereich 116 aus Galliumarsenid, das P&spplus;-leitend ist.
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Der Emitterbereich 116 kann nach irgendeinem Verfahren gebildet werden, z. B. durch Aufdampfen eines ausgewählten Materials auf eine vorbereitete Oberfläche des Materials der Halbleiterscheibe 111. Vorzugsweise wird der Emitterbereich 116 auf dem Material der Halbleiterscheibe 111 aufgewachsen, bevor der Kollektorbereich 118 in der Halbleiterscheibe 111 zur Begrenzung des kanalförmigen Teils 120 gebildet wird. Der Kollektorbereich 118 wird entweder durch Diffusion, Ionenimplantation, Temperaturgradienten- Zonenschmelzen oder durch ein anderes Verfahren gebildet. An den Emitterbereich 116 wird eine ohmsche Elektrode 126 und an dieser eine elektrische Zuleitung angebracht.
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An den Kollektorbereich 118 wird eine ohmsche Elektrode 128 und an dieser eine elektrische Zuleitung angebracht. An den kanalförmigen Teil 120 wird eine ohmsche Elektrode 130 und an dieser eine elektrische Zuleitung angebracht.
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Das bipolare Halbleiterbauelement 110 arbeitet in genau der gleichen Weise wie die Halbleiterbauelemente 10 und 50.
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Wie in Fig. 11 gezeigt, kann das Halbleiterbauelement 110 einen zylindrischen kanalförmigen Teil 120 und einen zu ihm konzentrischen kreisringförmigen Kollektorbereich 118 haben. Wie in Fig. 12 gezeigt, kann das Halbleiterbauelement 110 aber auch einen Kollektorbereich 118 von der Form eines rechteckigen Ringes aufweisen, wobei ein kanalförmiger Teil 120 innerhalb dieses Kollektorringes angeordnet ist.
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In Fig. 13 ist ein Halbleiterbauelement 150 dargestellt, das ein anderes Ausführungsbeispiel zu dem Halbleiterbauelement 110 ist. Alle Bezugsziffern, die gleich denen in Fig. 10 sind, wurden für Teile benutzt, die gleich sind und die in der gleichen Weise arbeiten, wie die entsprechenden Teile des Halbleiterbauelements der Fig. 10. Der Unterschied zwischen den beiden Halbleiterbauelementen ist der, daß das Halbleiterbauelement 150 eine Vielzahl von kanalförmigen Teilbereichen 120 des Basisbereichs 119 umfaßt, die von kreisringförmigen Kollektorbereichen 118 begrenzt sind. Das Halbleiterbauelement 150 arbeitet in genau der gleichen Weise wie die Halbleiterbauelemente 10, 50 und 110.
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Die Kollektorbereiche 118 und die kanalförmigen Teilbereiche 120 des Halbleiterbauelements 150 können eine konzentrische kreisringförmige Konfiguration aufweisen, wie in Fig. 14 gezeigt. Andererseits kann die Konfiguration des Kollektorbereichs 118 aber auch rechteckförmig sein, und die kanalförmigen Teilbereiche 120 können jeweils rechteckförmig, in Abständen voneinander in dem rechteckförmigen Kollektorbereich 118 gebildet werden, und sie sind durch Teile 125 der PN-Übergänge 124 begrenzt, die in der Oberfläche 112 enden, wie in Fig. 15 gezeigt.
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Vorzugsweise wird das Halbleiterbauelement in einer Weise hergestellt, bei der Kollektorbereich und der kanalförmige Teil des Basisbereichs den Hauptteil des Volumens der Halbleiterscheibe einnehmen. In solchen Fällen, in denen der Kollektorbereich sehr nahe an dem äußeren Umfang der Halbleiterscheibe hergestellt ist, werden Maßnahmen zum Schutz des Kollektor-PN-Übergangs vorgesehen.
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So ist z. B. in Fig. 16 ein gegenüber dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 weitergebildetes Halbleiterbauelement dargestellt, bei dem der Kollektorbereich 18 in der Oberfläche 12 der Halbleiterscheibe 11 angeordnet ist und die ohmsche Elektrode 30 an dem kanalförmigen Teil 20 umgibt. Durch selektives chemisches Ätzen wird eine Rille, die durch die Wände 40 begrenzt ist, in dem peripheren Teil der oberen Oberfläche 12 gebildet, und diese Rille erstreckt sich ausreichend tief nach unten, um den PN- Übergang 24 darin freizulegen. Zum Schutz der freigelegten Teile des PN-Übergangs 24 wird dann eine Schicht 42 aus elektrisch isolierendem Material , wie Siliciumoxid, Siliciumnitrid, oder einem gummiartigen Material auf diese freigelegten Teile aufgebracht.