DE2636873A1 - Halbleiterbauelement mit zwei gekreuzten teildioden und mit transistorartigen eigenschaften - Google Patents

Halbleiterbauelement mit zwei gekreuzten teildioden und mit transistorartigen eigenschaften

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DE2636873A1
DE2636873A1 DE19762636873 DE2636873A DE2636873A1 DE 2636873 A1 DE2636873 A1 DE 2636873A1 DE 19762636873 DE19762636873 DE 19762636873 DE 2636873 A DE2636873 A DE 2636873A DE 2636873 A1 DE2636873 A1 DE 2636873A1
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Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen
Berlin und München λ ^ P 7
Halbleiterbauelement mit zwei gekreuzten Teildioden und mit
transistorartigen Eigenschaften.
Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement, wie es im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher angegeben ist.
Bipolare Transistoren und Feldeffekttransistoren sind bekannte
Halbleiterbauelemente. Für die Halbleiter-Dünnschichttechnik
werden bipolare Transistoren als sogenannte "Lateraltransistoren" aufgebaut. Bei dieser Technik ist es schwierig, ausreichend kurze Basisgebiete herzustellen und zu kontaktieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein bipolares Halbleiterbauelement
mit transistorartigen Eigenschaften anzugeben, das für einen Aufbau in Dünnschichttechnik geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenes Halbleiterbauelement gelöst, das erfindungsgemäß nach der im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Weise ausgestaltet ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.
SIz 17 BIa 6.8.1976
809808/0092
ORIGINAL !NSPECTiD
Fig.1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementes,
Fig.2 zeigen in einer Draufsicht die Anordnung der P-, I- bzw.
und ο s_ und der N_Get,j_ete für verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung,
Fig.4 zeigt ein mit einer Feldeffekt-Elektrode versehenes Bauelement nach der Erfindung.
Die Erfindung beruht auf den folgenden Überlegungen: Bipolare Halbleiterbauelemente bestehen aus einer Folge von Halbleiterschichten mit unterschiedlicher Dotierung. Derartige Schichtenfolgen lassen sich leicht in Halbleiterscheiben erzielen, indem von beiden Oberflächen her Dotierstoff eindiffundiert wird. Bei der Planartechnik liegen diese Schichten nicht übereinander, sondern nebeneinander. Bei dieser Technik wird nur eine Oberflächenseite einer Halbleiterscheibe, z.B. einer Siliziumscheibe, bearbeitet. So gibt es beispielsweise lateral aufgebaute Transistoren sowie auch PIN-Dioden in Planartechnik. Das gleiche gilt für einen Aufbau dieser Halbleiterbauelemente in Dünnschichtausführung mit isolierendem Substrat, bei denen die einzelnen unterschiedlich dotierten Halbleitergebiete nebeneinander liegen.
Die Anordnung der PIN-Gebiete kann gemäß Fig.1 in eine andere zweidimensiohale Struktur abgewandelt werden. Dabei ist mit 1 ein isolierendes Substrat bezeichnet, mit 2 eine Schicht aus Halbleitermaterial, mit 3 ein erstes P-dotiertes Gebiet, mit 4 ein zweites P-dotiertes Gebiet, mit 10 ein eigenleitendes oder schwach dotiertes Basisgebiet, mit 5 ein erstes N-dotiertes Gebiet und mit 6 ein zweites N-dotiertes Gebiet. Auf die dotierten Gebiete 3, 4, 5, 6 sind Metallschichten 13, 14, 15, 16 als ohmsche Kontakte aufgebracht und mit Zuleitungen versehen. Der dort dargestellte Aufbau kann als Aufbau zweier nebeneinanderliegender Dioden,aber auch als ein gekreuztes Diodenpaar aufgefaßt werden, je nachdem, wie die Anschlüsse angebracht und verschaltet werden. Die räumliche Anordnung der dotierten Gebiete kann durch ein ρ N
I
• P N
809808/009 2
ORiQfNAL INSFECTgD
~^~C 76 P 70 9 8 BRD
Strukturmuster symbolisiert werden. Die P- und N-Gebiete 3, 4, 5, 6 sind sämtlich durch das eigenleitende oder schwach dotierte Basisgebiet 10 miteinander verbunden. In einer Dünnschichttechnik kann diese Struktur für sich isoliert aufgebaut werden. Die Ausdehnung des zwischen den vier dotierten Gebieten liegenden Basisgebietes 10 kann die Größenordnung der Diffusionslänge der Ladungsträger haben oder sie auch übertreffen. Venn der Abstand zwischen dem P-Gebiet (3, 4) und dem N-Gebiet (5, 6) einer Teildiode groß gegenüber der Diffusionslänge der Ladungsträger in dem dazwischenliegenden Basisgebiet 10 ist, so wird im folgenden diese Teildiode als eine "lange" Diode bezeichnet, im anderen Fall als "kurze" Diode. Der elektrische Stromfluß durch das eigenleitende bzw. schwach dotierte Basisgebiet 10 erfolgt bei in Vorwärtsrichtung gepolten "kurzen" Dioden durch Diffusion der Ladungsträger, bei "langen" Dioden durch eine Driftbewegung von Ladungsträgern, die an den P- bzw. N-leitenden Gebieten injiziert werden. Das System aus den beiden gekreuzten PIN-Dioden bzw. P-S-N-Dioden kann aus zwei "kurzen" Dioden und auch aus zwei "langen" Dioden bestehen.
In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung wird eine "lange11 Diode mit einer (Fig.2) oder mehreren, z.B. zwei "kurzen" Dioden, kombiniert (Fig.3)« Die symmetrische Form nach Fig.2.wird besonders dann verwendet, wenn der Zwischenbereich zwischen den dotierten Gebieten, der das Basisgebiet 10 darstellt, schwach dotiert ist. Bei der so beschriebenen Anordnung der gekreuzten Dioden beeinflussen sich die durch die beiden Dioden fließenden Ströme gegenseitig. Die Kennlinie der einen Diode wird jeweils von dem Betriebszustand der anderen Diode beeinflußt. Es tritt also eine Wechselwirkung zwischen dem in dem Eingang des Bauelementes, der beispielsweise aus dem P- (4) und N- (5)Kontakt einer •kurzen" Diode besteht, fließenden Strom und dem durch den Ausgang fließenden Strom, wobei der Ausgang in diesem Beispiel aus dem P- (3) und dem N- (4) Kontakt einer "langen" Diode besteht. Bei einer Kombination von einer "langen" Diode mit mehreren, z.B. zwei "kurzen" oder auch "langen" Dioden, erhält man ein Ge-
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-Λ- j 76 P 7 O 9 6 BRD
bilde mit mehreren Eingängen (4, 5 sowie 8, 9) (Pig. 3). Eine weitere Verallgemeinerung des Diodenkreuzes führt zu einer sternartigen Anordnung sich gegenseitig durchdringender Dioden.
Im folgenden soll nun die Punktionsweise des erfindungsgemäßen Bauelementes näher erläutert werden.
Im folgenden soll eine spezielle Punktionsweise des erfindungsgeraäßen Bauelementes mit zwei Teildioden näher erläutert werden. Eine Teildiode wird als Eingangsdiode bezeichnet, an die eine Spannung U1 gelegt wird und durch die der Strom I1 fließt. Die andere Diode wird als Ausgangsdiode betrachtet, an der die Spannung U2 anliegt und durch die der Strom I2 fließt. Die beiden Ströme I1 und I2 hängen von den beiden Spannungen U1, U2 ab. Es ist:
11 = G11U1 + G12U2,
12 = G21U1 + G22U2
oder kurz
I = (Qi . U.
Dabei sind G11, G12 1, G21, G22 die Elemente einer Matrix^; sie sind solche Punktionen der beiden Spannungen U1, U2, für die für U1-^* 0 auch G11U1-=^ 0 und G21U1-^ ο gilt und für die entsprechende Beziehungen bei U2-> 0 gelten. Ströme und Spannungen in* VorwärtsrAchtung (Durchlaßströme und -spannungen) werden mit positivem Vorzeichen bezeichnet, Rückwärts- (Sperr-) ströme und -spannungen mit negativem Vorzeichen. Es wird nun der Pail
U1 > 0, U2 4 0 (Gl 1)
betrachtet. Der Eingang sei also vorwärts gepolt, der Ausgang rüokwärts. Die Eingangsspannung U1> 0 verstärkt den Ausgangssperrstrom I2, wobei wegen U2£0 auch I2^O ist. Ebenso vermehrt die Ausgangsspannung U2-CO den Eingangsstrom I1 > 0, I1 für den wegen U1VO gilt. Danach ist die G12^-O und G21-CO.
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η 75 P 7.0 5 6 ΒΠΠ
Es soll angenommen werden, daß diese "beiden Effekte sich gerade die Waage halten Es gilt also
G21IT1 = G12U2 (Gl 2)
"bei einer fest gehaltenen Eingangs spannung U1.
Nun werden die Ströme I1 und I2 für U24=O und U2^O miteinander verglichen. Es ist damit G(U2) von G(O) zu unterscheiden. Es wird weiter G11(O)^G11(U2) gesetzt, ferner I2(U2=O) = G21 (U2=O)·U1 tÄO und G22(U2)U2^O. Dann läßt sich aus (Gl 2) näherungsweise die Gleichung
I1(U2) - I1(U2=O) + I2(U2) = O (Gl 3)
gewinnen. Hier wird I1(U2 = O) durch U1 bestimmt. Der Ausgangssperrstrom I2 wird im wesentlichen vom Eingangsstrom übernommen. Zur Veranschaulichung von (Gl 3) wird der Stromübertragungskoeffizient
I9(U9) I1(U9=O)
oc - TTnrfr - 1 - T^T- (G14)
und der Stromverstärkungskoeffizient
I1(U2)
ß = τ 7 Tr -M = τ Πϊ -Λ1 ~ ^ (Gl 5)
eingeführt.
Der Vergleich von (Gl 4) und (Gl 5) zeigt, daß
Da weiter 1I2(U2)[^I1(U2) ist,
folgt: ° = 0^ = 1 unä ° = ß t °°·
Bei voller Stromubertragung Ck= 1 ist die Stromverstärkung ß = oo . Bei fehlender Stromübertragung oC = O verschwindet auch die Stromverstärkung, also ß = O. Für OC= 1/2 ist gerade ß s 1, d. ta. OC ~ 1/2 liefert ß > 1. Eine Stromverstärkung hat erst recht eine Leistungsverstärkung zur Folge, wenn man JU2| > U1 wählt.
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Um die Ähnlichkeit des erfindungsgeraäßen Bauelementes zu unterstreichen, wird im folgenden die Eingangsdiöde auch als Emitterdiode oder als Kollektordiode bezeichnet. Die Wechselwirkung zwischen Eingang und Ausgang geschieht dadurch, daß die über die Emitterdiode des Eingangs injizierten Löcher und Elektronen zum Teil von der Kollektordiode des Ausgangs abgesaugt werden. Damit eine nennenswerte Stromübertragung stattfinden kann, muß die Injektion unmittelbar in die Raumladungszone der Kollektordiode hinein erfolgen. Die Rauraladungszone würde sich im Idealfall einer eigenleitenden Basis von der Anode der Kollektordiode bis zur Kathode hinziehen. Bei einer dotierten Basis muß die an die Kollektordiode gelegte Spannung so groß sein, daß die von einem Kontakt ausgehende Raumladungszone die Verbindungslinie zwischen Anode und Kathode der Emitterdiode, die "Emitterachse11, erreicht. Eine asymmetrische Struktur nach Figur 2 kommt dieser Forderung entgegen.
Um die Größenordnung der Stromverstärkung abzuschätzen, wird ß = t.j/t2 gesetzt, wobei t^ eine Minoritätsträgerlaufzeit zwischen denEmitterkontakten bedeutet, und zwar zum Durchmessen des Kreuzungobereiches mit der Kollektordiode, und t2 das entsprechende für die Kollektorkontakte. . Zur genaueren Abschätzung denken wir an Anordnungen aus zwei "langen" Dioden, also
Danach ist der JFaIl ß>1 leioht erreichbar. Mit steigender Sperrspannung nimmt demnach nicht nur die Stromverstärkung zu, sondern auch die Sohaltzeit ab.
Bei Pul3betrieb entspricht die Schaltgeschwindigkeit im wesentlichen der Zeit, die zum Absaugen der injizierten Ladungsträger benötigt wird. Die Abmessungen des Basi3gebiotß3 10 orientieren sich an der Diffusionslänge der Ladungnträger und damit insbesondere an der Größenordnung dor Ladungntrügerlebensdauor. Eei kleiner Lebensdauer der Ladungsträger worden
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also generell kleine Abmessungen für das Basisgebiet 10 gewählt, da sich das günstig auf die Schaltgeschwindigkeit auswirkt.
Wenn das erfindungsgemäße Bauelement in SOS-Technik (Silicon on Sapphire) aufgebaut wird, ist eine Distanz von 10 /Um schon "lang", d.h. erheblich größer als die Diffusionslänge der Ladungsträger. Durch Ausführung des erfindungsgemäßen Bauelementes in SOS-Technik sind deshalb sehr kleine SchaiLtzeiten erzielbar. Dies isb ein weiterer, von der Erfindung erzielter Vorteil, da in dieser SOS-Technik die Herstellung guter Lateraltransistoren deshalb Schwierigkeiten bereitet, weil die erforderlichen kleinen Basislängen von etwa 1 /Um wegen Unterdiffusion nicht leicht beherrschbar sind. Das erfindungsgemäße Bauelement hat demgegenüber Vorteile1, weil es auch und gerade bei vergleichsweise größeren Basisdurchmessern funktionsfähig ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement kann eine zusätzliche Feldeffektsteuerung der Potentialverteilung und der Raumladungsverteilung und der Trägerkonzentrationsverteilung vorgenommen werden, die sich auch auf die Stromverteilung und die Stromübertragung auswirken. Zu diesem Zweck wird über einer Isolierschicht 20 eine Feldeffektelektrode 21 aufgebracht; Die Feldeffektspannung kann zwischen dem Anschluß 22 und einem (nicht eingezeichneten) Substratkontakt angelegt werden oder auch zwischen 22 und einem der Basiskontakte 3, A, 5 oder
Eine weitere zusätzliche Steuerungsmöglichkeit besteht im Anlegen eines Magnetfeldes parallel zur Oberfläche, so daß die Lorentzkraft senkrecht zur Oberfläche steht. Man kann damit z.B. den Strom zwischen den Kontakten einer Emitterdiode tiefer in den Basisraum hineinlegen, so daß die Stromübertragung in den Kollektorstromkreis abnimmt.
Die erfindungngemäße Anordnung wurde hier dargestellt als kreuzartig angeordnete Eingangsdiode und Ausgangsdiode. Daneben sind auch einfachere Verschaltungnmöglichkeiten mit
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ORfSiSMAL ^5Γϊ:0ΤΚ
Sj1 76 P 7 Q 9 6 0RD
konventionellen Funktionsweisen möglich. Durch Zusammenschalten der "beiden p-Kontakte und der beiden n-Kontakte ergibt sich eine psn-Diode. Man kann sich natürlich auch mit einer Teildiode begnügen. Bei langer Basis liegt eine Doppelinjektionsdiode vor. Anlegen eines transversalen Magnetfeldes parallel zur Schicht ergibt eine Magnetdiode. Wenn z.B. eine tiefere Halbleiterbasis vorliegt, kann der Injektionsstrom von der Lorentzkraft in die Tiefe gezogen werden. Die Strombahnverlängerung wirkt sich dann widerstandsverzögemd aus. Im Falle einer Dünnschichtbasis, wie sie etwa bei Anwendung einer SOS-Technik vorliegt, ist ein Lebensdauergradient im Halbleiter von der Aufwachsfläche (der Oberfläche des Substrats) zur Oberfläche der Halbleiterschicht hin vorhanden. Die Lorentzkraft kann die Träger entweder auf die Substratoberfläche oder auf die Oberfläche der Halbleiterschioht hinlenken. Im ersten Fall ist die durchschnittliche Lebensdauer kleiner als im zweiten Fall. Die Doppelinjektion ist deshalb im ersten Fall erschwert, im zweiten Fall begünstigt. Je nach Richtungssinn des Magnetfeldes bekommt man demnach eine recht kräftige positive oder negative Magnetoresistanz.
Wenn man von einer erfindungsgemäßen Anordnung mit einer "langen" und "kurzen" Diode (etwa nach Fig. 2) einen Anschluß der kurzen Querdiode offenläßt, sieht man z.B. eine ρτ^ι-Struktur. Hier bezeichnet T eine längliche Basis mit injizierenden Kontakten an den gegenüberliegenden Enden. Quer dazu ist noch ein t η-Übergang aufgesetzt. Diese Anordnung läßt sich als Doppelbasisdiode verstehen und betreiben. Bei solchen Dioden kann die Basis in Längsrichtung mit ohmschen Eontakten versehen sein, aber auch wie hier mit injizierenden. Die Kennlinien reagieren empfindlich auf ein äußeres Magnetfeld, das jetzt aber senkrecht zur Schicht anzulegen ist. Das Bauelement bezeichnet man dann als Doppelbasismagnetdiode.
Eine erfindungsgemäße Anordnung aus zwei "kurzen" Teildioden läßt sich als bipolarer Lateraltransistor verstehen und betreiben, dessen Basisanschluß zweigeteilt ist.
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76 P 7 0 96 BRD <
Eine erfindungsgemäße Anordnung mit Feldeffektelektrode ähnlich Pig. 4 kann als ,Paar komplementärer Feldeffekttransistoren mit gemeinsamem Gate aufgefaßt und "betrieben werden. Wenn durch Feldeffekt der eine Transistor geöffnet wird, wird der andere gesperrt und umgekehrt.
Eine erfindungsgemäße Anordnung mit Feldeffektelektrode, als Diode in Sperrichtung gepolt, läßt Feldeffektkontrolle des Sperrstroras zu.
Die mannigfachen Betriebsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Struktur läßt diese z.B. als Teststruktur, etwa zur Qualitätskontrolle von SOS-Scheiben, als geeignet erscheinen.
9 Patentansprüche
4 Figuren
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Claims (8)

  1. 76 P 7 0 9 6 BRD
    Patentansprüche
    f 1.!Halbleiterbauelement, bei dem sich auf einem isolierenden oder gchv/ach leitenden Substrat eine eigenleitende oder schwach dotierte Halbleiterschicht befindet, in der ein erstes p-dotiertes Gebiet und ein erstes η-dotiertes Gebiet vorhanden sind, die durch ein eigenleitendes oder schwach dotiertes Basisgebiet getrennt sind, dadurch gekennzeichnet , daß in der Halbleiterschicht (2) ein zweites p-dotiertes Gebiet (4) und ein zweites η-dotiertes Gebiet (6) vorhanden sind, wobei diese Gebiete (5, 6) voneinander durch das eigenleitende oder schwach dotierte Basisgebiet (10) getrennt sind und so angeordnet sind, daß die Verbindungslinie zwischen dem zweiten, p-dotierten Gebiet (4) und dem zweiten η-dotierten Gebiet (5) die Verbindungslinie zwischen dem ersten p-dotierten Gebiet (3) und dem ersten η-dotierten Gebiet (6) kreuzt, insbesondere senkrecht dazu verläuft.
  2. 2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen dem ersten p-doticr-· ten Gebiet (3) und dem ersten η-dotierten Gebiet (6) 3owie der Abstand zwischen dem zweiten p-dotierten Gebiet (4) und dem zweiten η-dotierten Gebiet (5) etwa die Größe der mittleren ' Diffusionslänge der freien Ladungsträger in dem zwischen diesen dotierten Gebieten liegenden Basisgebiet (10) hat.
  3. 3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand zwischen dem ersten p-dotierten Gebiet (3) und dem ersten η-dotierten Gebiet (6) 3owie der Abstand zwischen dem zweiten p-dotierten Gebiet (4) und dem zweiten η-dotierten Gebiet (5) etwa die zehnfache Große der mittleren Diffusionslänge der freien Ladungsträger in dem Basisgobiet (10) beträgt.
  4. 4. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß dor Abstand zwischen dem zweiten pdotiorfcon Gebiet (4) und dem zweiten n-dotiorten Gebiet (5)
    8098 Π 8/0092
    OR/GfNAL IMSPECTgD
    etwa die Größe der mittleren Diffuoionslünge der freien Ladungstrciger in. dea Basisgebiet (10) hat, und daß der Abstand zvn.schen dem ersten p-dotierten Gebiet (3) und dem ersten η-dotierten Gebiet (6) das etwa Zehnfache dieser Größe beträgt.
  5. 5. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß eine oder mehrere weitere Paare aus jeweils einem p-dotierten Gebiet und einem η-dotierten Gebiet vorhanden sind, wobei die Verbindungslinien zwischen dem p- und dem η-dotierten Gebiet eines jeden Paares die Verbindungslinie zwischen dem ersten p-dotierten Gebiet (3) und dem ersten η-dotierten Gebiet (6) kreuzen, insbesondere senkrecht dazu verlaufen.
  6. 6v Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß auf der Halbleiterschicht eine Isolierschicht (20) vorhanden ist und sich darauf eine Feldeffektelektrode (21) befindet, die sich über das Basisgebiet (10) erstreckt.
  7. 7. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß Mittel vorhanden sind, durch die in dem Halbleiterbauelement ein zur Oberfläche der Halbleiterschicht (2) paralleles Magnetfeld erzeugt werden kann.
  8. 8. Verfahren, zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß an die aus dem ersten p-dotierten Gebiet (3), dem Basisgebiet (10) und dem ersten η-dotierten Gebiet (6) gebildete erste Teildiode eine erste Gleichspannungsquelle in Sperrrichtung und an die aus dem zweiten p-dotierten Gebiet (4-), dem Basisgebiet (10) und dem zweiten η-dotierten Gebiet (5) gebildete zweite Teildiode eine zweite Gleichspannungsquelle in Durchlaßrichtung gelegt wird.
    9. Vorfahren zum Betrieb oinoa Halbleiterbauelementes nach einem
    809808/0092
    ORIGiNAL INSPECTED
    ~yi- 76 P 7 O 9 B.
    3 2636073
    der Ansprüche 1 bis 7 und nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß an die erste Teildiode eine Steuerspannung gelegt wird und in den aus der zweiten Gleichspannungsquelle und der zweiten Teildiode gebildeten Stromkreis ein elektrischer Verbraucher geschaltet wirä.
    8 0 9 P υ 8 / 0 Π 9 2
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