DE7144935U

DE7144935U - Monolithischer transistor mit niedrigem saettigungswiderstand und geringer verlagerungsspannung

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Publication number: DE7144935U
Application number: DE19717144935U
Authority: DE
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1970-12-10
Filing date: 1971-11-29
Publication date: 1972-03-02
Also published as: NL7117002A; US3665266A; DE2159171A1

Description

PATENTANWALT DIPL-ING. LEO FLEUCHAUS

8 MÖNCHEN 7i, 2 9, N OV. 197i

Melchio'itr'' ■ 4? Me,nZ.,ch.n. M25OP-69O

Motorola, Ino. 9401 West Grand Avenue ^r ranklin Park, Illinois V.St.A.

Monolithischer Transistor mit niedrigem Sättigungswiderstand und

geringer Verlagerungsspannung

Es sind bereits Analog-_chalter mit niedrigem Säitigungswiderstand und geringer Vcrlagerungsspannung bekannt, die jedoch aus diskreten Bauelementen bestehen. Früher konnten monolithische Analog-Schalter einer Verlagcrungsspanrung von v/eniger als etwa hundertstel Volt und eines Sättigungswiderstandes von weniger als etwa fünf Ohm nicht hergestellt werden. Demzufolge wurde entweder ein schwacher Analog-Schalter in monolithischer Form oc3r der aus diskreten Elementen bestehende Schaltei verwendet.

Der Einsatz von aus diskreten Elementen gefertigten Schaltern führt sowohl in der Beschaffung der Teile als auch bezüglich ihrer Verbindung zu einem Schalter zu höheren Kosten und darüber hinaus zu einem größeren Raumbedarf im Vergleich zu einem monolithischen Schalter.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, einen Analog-Schalter bzw. einer monolithischen Transistor mit geringer

Wb/wb Verlagerungsspannung;

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Verlagerungsspannung und niedrigem Sättigungswiderstand au schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Kollektorzone einer Leitfähigkeit vorgesehen isu, wobei eine Basiszone einer anderen Leitfähigkeit in die Kollektorzone hinein- !"3Jt und sin E.-nitter in die Basiszone hineinragt und daß Zmitter- und Basiszone so ausgebildet sind, daß ein großer Teil des pn-Übergfngs zwischen 3asis- und Kollektorzone und des pn-Obergangs zwischen Basis- und Emitterzone eng aneinanderliegt und ein Kontaktabschnitt der Basiszone durch den Emitter ragt und daß sich der Transistor für eine umgekehrte Vorspannung eignet.

Eine besonders vorteilhafte Verwirklichung der Erfindung liegt darin, daß ein auf einem Plättchen aufgebauter Transistor mit umgekehrter Vorspannung betrieben werden kann, d.h., daß die Basis-Kollektor-Verbindung in Vorwärtsrichtung betrieben wird, während die Basis-Emitter-Verbindung umgekehrt vorgespannt wird, um die Verlagerungsspannung herabzusetzen. Da Basis und Kollektor eines solchen Transistors als Emitter und Basis eines zweiten, parasitären Transistors wirken₅ bei dem das Substrat den Kollektor bildet, sind Anordnungen vorgesehen, um die parasitäre Transistorwirkung zu beseitigen. Das Beta des umgekehrt vorgespannten Transistors wird erhöht, um seinen Sättigungswiderstand ohne Erhöhung seiner Verlagerungsspannung herabzusetzen. Um den Sättigungswiderstand des umgekehrt vorgespannten Transistors weiterhin herabzusetzen, kann eine Vielzahl von Transistoren auf dem Plättchen angeordnet werden, wobei ihre Kollektoren, Basen und Emitter parallelgeschalt-et werden und hierbei die Parallelverbindung einiger Transistoren die Fläche des Schalttransistors erhöht und darüber hinaus noch den Sättigungswiderstand herabsetzt. Um höhere, invertierte Beta-Werte zu ei-zielen, wird das Verhältnis der Emitter-Basis-Fläche erhöht, wodurch der Emitter zu einem wirksameren Kollektor von Minoritätsträgern wird, die vom Kollektor aus in die Basis injiziert werden, wobei sich der Basiskontakt zentral vom Emitter gelegen befindet, was von be-

- 2 - kannten

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kannten Transistorstrukturen abweicht und rtazu führt, den Nebenschluß des Basisstromes vom Basis-Emitter-Übergang entfernt herabzusetzen. Um das Beta des umgekehrt vorgespannten Transistors nochmals zu erhöhen und um die Durchbruchsspannung des umgekehrt vorgespannten Transistors zwischen seiner Basis und dem Emitter heraufzusetzen, kann der spezifische Widerstand dieser Basis erhöht werden. Zur Vermeidung von Streuverlusten, die zwischen Basis und Kollektor entlang der Transistor-Oberfläche auftreten können und die auf die Oberflächenumkehr aus dieser Erhöhung des spezifischen Widerstands der Basis zurückzuführen sind, kann ein Schutzring einer höheren Leitfähigkeit in der Nähe der lateralen Grenzen zwischen der Basis- und Kollektorzone vorgesehen werden.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und Zeichnungen hervor. Es zeigen:

Fig. 1 und 3 - zwei erfindungsgemäße Ausführungsformen eines

Analog-Schalters;

Fig. 2 und 4 - Querschnittszeichnungen der Figuren 1 und 3 entlang der Linien 2-2 ur.c 4-4;

Fig. 5 - erläutert der strukturellen Zusammenhang zwischen

Emitter und Basis gemäß der Erfindung und

Fig. 6 bis 11 - den Betrieb des erfindungsgemäß aufgebauten Schalters bzw. Transistors.

Unter Bezugnahme auf Figur 6 wird hier ein npn-Transistor 12 mit zwei N-Schichten It und 16 und einer dazwischenliegenden P-Schicht 18 gezeigt, wodurch ein pn-übergang 20 zwischen den Schichten 14 und 18 und ein zweiter pn-übergang 22 zwischen den Schichten 16 und 18 entsteht (bei den N-Schichten kann es sich in gleicher Weise um P-Schichten und bei der P-Schicht um eine N-Schicht handeln, wonach sich in diesem Falle ein pnp-Transistor ergäbe). Wie aus der Darstellung hervorgeht, muß es sich bei der Schicht 18 um

- 3 - die

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die Basisschicht handeln, wohingegen entweder die Schicht 14 oder 16 den Emitter bilden kann und demzufolge die Schicht 16 oder 14 den Kollektor bildet, woraus sich ein Transistor ergibt. Beim Betrieb des normalen Transistors ist der Übergang zwischen dem Emitter und der Basis in Vorwärtsrichtung betrieben und der Übergang zwischen Kollektor und Basis umgekehrt vorgespannt. Um ein hohes Beta eines normal vorgespannten Transistors zu erwirken, ist das Emitter-Material angereichert, d.h., daß es gegenüber der Kollektorzone höher mit N-Material dotiert ist. In gleicher Weise ist es üblich, den Basis-Kollektor-Übergang größer als den Basis-Emitter-Übergang zu halten. Demzufolge kann der Emitter vom Kollektor dadurch unterschieden werden, daß der Emitter zwar gegenüber dem Kollektor aus einem Halbleitermaterial der gleichen Leitfähigkeit besteht, jedoch gegenüber dem Kollektor höher dotiert ist. Ein normal vorgespannter Transistor kann einen hohen Beta-Wert und eine verhältnismäßig hohe Verlagerungsspannung von etwa einem hundertstel Volt aufweisen. Der Einsatz eines normal vorgespannten Transistors führt zur Übernahme des Fehlers, der auf diese Verlagerungsspannung zurückzuführen ist. Es ist bekannt, daß ein Transistor umgekehrt vorgespannt werden kann, d.h. , daß der Basis-Kollektor-Übergang in Vorwärtsrichtung betrieben und der Basis-Emitter-Übergang umgekehrt vorgespannt wird, wodurch sich zwar die Verlagerungsspannung verringert, der Beta-Wert des umgekehrt vorgespannten Transistors jedoch gegenüber dem gleichen, normal vorgespannten Transistor wesentlich niedriger liegt. Darüoer hiiais ergibt sich als Streustrom, d.h. der Strom, der vom Kollektor zum Emitter fließt, wenn die Basisschaltung geöffnet ist, ein geringerer Wert bei einem umgekehrt vorgespannten Transistor als bei einem normal vorgespannten Transistor. Wird jedoch ein umgekehrt vorgespannter Transistor mit einem monolithischen Plättchen verbunden, das normal vorgespannte Transistoren aufweist, so ergeben sich hieraus Schwierigkeiten, die bisher einen solchen umgekehrt vorgespannten Transistor als ungeeignet erscheinen ließen. Erfindungsgemäß wurden nunmehr Probleme dieser Art beseitigt. Die Figuren 1 und 2 beziehen sich auf eine erfindungsgemäße Ausfüh-

- 4 - rungsform,

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rungsform, deren Beocbrei 'mng wir uns zuerst zuwenden wollen. VJiο in Figur 2 dargestellt, wird ein P-Substrat 24 verwendet. Eine epitaxiale Schicht 26 wird auf die obere Seite eines Substrates 24 (siehe Figur 2) aufgebracht und eine eingeschlossene Schicht 28 eines Materials N+ liegt im Material des Substrates und der epitaxvalen Schicht, wobei diese eingeschlossene Schicht 2 8 unter sämtlichen der umgekehrt vorgespannten und später beschriebenen Transistor!, ι liegt, die auf das Substrat 24 aufzubringen sind. Ein schmaler Kollektor-Kontaktbezirk 30 eines Materials N++ (siehe Figur 1) verbindet die Kanten 32 und Querschnittszonen 36 in einem ringförmigen Bezirk. Wie bereits vorher erwähnt, besteht der obere Teil des Kollektor-Kontaktbezirks 30 aus einem Material N++, um eine bessere ohmsche Kontaktverbindung zu einem nichtdargestellten Kollektoranschluß herzustellen. Der untere Teil 3 8 des Kollektor-Kontaktbezirks besteht aus einem Material N+. Die seitlichen Kollektor-Kontaktbezirke 32 und die Querschnitts-Kollektor-Kontaktbezirke 36 sowie das Material 38 N+ sind durchgeführt und berühren die eingeschlossene Schicht 28. Der Aufbau der Bezirke 32 und der Bezirke 36 enispricht dem des Kollektor-Kontaktbezirks 30, wonach sich der N-Kollektorbezirk 40 in einer Rinne befindet, die von allen Seiten durch N+ und N++ Material begrenzt und von dem P-Substrat 24 durch das Material N+ der eingeschlossenen Schicht 28 getrennt ist. Der Zweck dieses Aufbaus soll im weiteren Verlauf beschrieben werden.

Ein Basis-Bezirk 42 aus P-Material ragt in den N-Kollektor-Bezirk 40 und bildet hiermit den PN-Übergang 44. Ein N++ Emitterbezirk 46 ragt in den Basisbezirk 42 und besitzt die Form einer rechteckigen Schiene (siehe z.B. Fig. 5), die mit Löchern 48 zur Aufnahme der nach oben ragenden Teile der Basis 42 ausgerüstet ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Teile der Basis 42 zwischen dem Emitterind dem Kollektorbezirk sehr dünn ausgeführt sind und daß der Basiskontakt mit dem Teil der Basis herzustellen ist, der nach oben durcn den Emitter ragt. Wie aus den Ausschnittsdarstellungen der Figuren 1 und 2 zu entnehmen ist, kann der beschriebene Tran-

- 5 - sistoraufbau

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sistoraufbau fortgesetzt werden, d.h., daß sich ein weiterer Kollektorbezirk rechts (siehe Figur l)vom Kollektorkontaktbezirk und ein weiterer Basisbezirk sowie ein weiterer EmitterbezirK eines vergleichbaren Aufbaus im anderen Basisbezirk fortsetzen kann. Alle Kollektorkontaktbezirke, alle Emitterbezirke können wie alle Basisbezirke miteinander verbunden werden, woraus sich ein Transistor aus großen Elementen ergibt, der den Sättigungswiderstand der entstehenden Anordnung stark herabsetzt. Der nicht freizulegende Oberflächenteil der epitaxialen Schicht 26 kann mit einer Isolierung 49 versehen werden.

Die Notwendigkeit sowie die Funktionsweise der Rinne mit den Kollektorkontaktbezirken 30, 32 und 36, dem Bezirk 38 und der eingeschlossenen Schicht 2 8 wird in Verbindung mit Figur 11 erläutert. Hierbei ist zu bemerken, daß der Emitter 50, die Basis 52uid der Kollektor 54 einen npn-Transistor bilden, während die BasJ.s des npn-Transistors den Emitter eines pnp-Transistors bildet, der den Kollektor 54 des npn-Transistors umfaßt, der als Basis des pnp-Transistors wirkt, wobei die zusätzliche P-Schicht 56, die den Substratbezirk 24 in Fig. 2 bildet, als ein Kollektor des pnp-Transistors wirkt. Außerdem ist darauf hinzuweisen, daß dann, wenn durch den Betrieb des npn-Transistors mit den Elementen 50, 52 und 54 Strom im Kollektor 54 fließt, ein Strom in die Basis des pnp-Transistors fließt. Aus diesem Grunde handelt es sich bei der in Figur 11 dargestellten Vierschichten-Anordnung um eine pnp-Transistorwirkung. In gleicher Weise ergibt sich durch die in Figur 1 gezeigte Anordnung ohne die Rinne mit den Elementen 30, 3 2 36 und 3 8 und der eingeschlossenen Schicht 28 ein npn-Transistor mit dem Emitter 46, der Basis 42 und dem Kollektor 40 und darüber hinaus ein pnp-Transistor mit der Basis 42, dem Kollektor 40 und dem P-Substrat 24. Dieser pnp-Transistor ist unerwünscht und kann als parasitär bezeichnet werden. Die Rinne hoher spezifischer Leitfähigkeit, die, wie bereits erwähnt, die Elemente 30, 32, 38 und 36 sowie 2 8 umfaßt, verringert die Stromverstärkung des parasitären pnp-Transistors durch starke Rekombinationssteigerung der von der Basis-

- 6 - zone

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zone 42 injizierten Träger. Durch diese Maßnahme wird der parasitäre pnp-Transistor wirksam unterdrückt. Die P++ Zone 25 in der epitaxialen Schicht wirkt als ein Schutzring zwischen benachbarten Teilen des Substrats, auf dem abhängige Elemente vorgesehen werden können.

Der beschriebene Aufbau von Basis und Emitter dient zur Erzeugung einer hohen Gegenverstärkung, wodurch der Sättigungswiderstand des umgekehrt vorgespannten Transistors herabgesetzt wird. Die Funktion der beschriebenen Emitter- und Basis-Anordnung wird in Verbindung mit den Figuren 7 bis 10 erläutert. Die weitere Beschreibung befaßt sich vorerst mit den Figuren 7 und 8, in denen frühere Anordnungen dargestellt sind.

In der Darstellung der Figuren 7 und 8, die den Aufbau des Emitters, der Basis und des Kollektors eines normal betriebenen Transistors zeigen, ist der Emitter im Vergleich zur Basis klein, wobei keine besonderen Maßnahmen inbezug auf Anordnung getroffen wurden, außer, daß er sich in der Basisregion befindet; in diesem I alle kann ein Anschluß an die Basis auf einer Seite des Emitters vorgenommen werden. Wird dieser Aufbau innerhalb der vorher beschriebenen, invertierten Betriebsform beibehalten, so injiziert der Kollektor Minoritätsträger in die Basis. Jene Teile der Kollektor-Basis-Strecke, die nicht in unmittelbarer Nrihe der Basis-Emitter-Strecken liegen, sind an der Transistorwirkung nicht beteiligt, da die von diesen Teilen her injizierten Träger im Basisbezirk rekombiniert werden. Dieser Verlust an injizierten Trägern vermindert den für den Transistorbetrieb verfügbaren Basisstrom beträchtlich und äußert sich in einer geringen Gegenstromverstärkung. In der Darstellung der Figuren 9 und 10, die diese neue Form aufzeigen, ist der Emitter groß gehalten. Er umgibt den Teil der Basis, an dem die Basisverbindung vorzunehmen ist, wobei die Kollektor-Basis-Strecke, die von der Basis-Emitter-Strecke abgesetzt ist, klein ausfällt. Auf diese Weise steht der Basisst^om, der innerhalb der Darstellung der Figuren 8 und 9 in die Basis zentral zum Emitterbezirk geführt wird, zur Funktion des Transistors zur Verfügung. Damit wird der

- 7 - umgekehrte

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umgekehrte Beta-Wert des beschriebenen Transistors stark erhöht, während der Sättigungswiderstand des gleichen Transistors ei umgekehrter Vorspannung stark abnimirt. Darüber hinaus verteilt dieser Aufbau von Emitter und Basis den Stromfluß zum Basisbezirk unter den Emitterbezirk und setzt die Stauwirkung des Stromes herib.

Es wurde festgestellt, daß bei Einsatz der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Form die Durchbruchsspannung zwischen Emitter und Kollektor des umgekehrt vorgespannten Transistors infolge der hohen Gegenverstä^kung verringert wird. Für Anwendungsfälle, in denen eine höhere Durchbruchsspannung zwischen Emitter und Kollektor des umgekehrt vorgespannten Transistors gewünscht wird, ist die in den Figuren 3 und 4 gezeigte Form zu verwenden. Zur Bezeichnung gleicher Elemente wurden in den Figuren 1 bis 4 die gleichen Kennziffern verwendet. Es wird darauf hingewiesen, daß eine Formabweichung in den Figuren 1 und 2 einerseits und in den Figuren 3 und 4 andererseits darin besteht, daß ein ringförmiges Element 60 aus P+ Material entlang der Randzone des Basisbezirks 42 vorgesehen ist. Darauf zurückzuführen, daß die in Figur 4 gezeigte Basiszone 42 aus P-Material besteht, ist hierbei die geringere Leitfähigkeit. Diese verringerte Leitfähigkeit der Basiszone 42 in den Figuren 3 und 4 führt zu einer höheren Durchbruchsspannung zwischen Emitter und Kollektor des in den Figuren 3 und 4 dargestellten und umgekehrt vorgespannten Transistors; demgegenüber kann jedoch eine Inversion der Oberflächenschicht auftreten, die zu einer Oberflächenstreuung zwischen der Basis 42 und dem Kollektor 40 führt. Zur Vermeidung dieser Streuwirkung wurde das ringförmige Element 60 eines hochleitenden P+ Materials vorgesehen. Die in den Figuren 3 und 4 dargestel . te Form führt zu einer höheren Durchbruchsspannung des umgekehrt vorgespannten Transistors (Fig. 3 und 4) zwischen dessen Emitter und Kollektor.

Zusammenfassend wurde ein monolithischer Analog-SchaJ. ter bzw. Transistor mit niedrigem Sättigungswiderstand und sehr geringer Verlagerungsspannung beschrieben, der darüber hinaus in der Sperrsteiiung eine hohe Impedanz aufweist. Dieser Sdalter entsteht durch Aufbringen eines Transistors auf ein Leiterplättchen. Der Transistor

- 8 - ist

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ist in der Form aufgebaut, daß seine Basis-Kollektor-Verblndung in Vorwärtsrichtung betrieben wird, während seine Emitter-Basis-Verbindung umgekehrt vorgespannt wird. Die Störwirkung eines weiteren Transistors, der aus Basis und Kollektor des umgekehrt vorgespannten Transistors und dem Substrat besteht, auf dem der umgekehrt vorgespannte Transistor* aufgebracht wird, ist somit beseitigt. Der umgekehrte Beta-Wert des Transistor-Schalters wird erhöht und darüber hinaus werfen innerhalb des in dieser Form aufgebauten Transistors Stauwirkungen des Stromes auf ein Mindestmaß herabgesetzt.

- 9 - fc?hsprüche

Claims

M25OP-69O Ansprüche

1. Monolithischer Transistor mit niedrigem Sättigungswiderstand

und geringer Verlagerungsspannung, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kollektorzone einer Leitfähigkeit vorgesehen ist, wobei eine Basiszone einer anderen Leitfähigkeit in die Kollektorzone hineinragt und ein Emitter L·· die Basiszone hineinragt und daß Emitter- und Basiszone so ausgebildet sind, daß ein großer Teil des pn-Übergangs zwischen Basis- und Kollektorzone und des pn-Übergcings zwischen Basis- und Emitterzone eng aneinanderliegt und ein Kontaktabschnitt der Basiszone durch den Emitter ragt und daß sich der Transistor für eine umgekehrte Vorspannung eignet.

2. Monolithischer Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kollektor-Kontaktring der Leitfähigkeit des Kollektors um den Kollektor herum angeordnet ist und daß eine dazwischenliegende Schicht der Leitfähigkeit des Kollektors in der Form angeordnet ist, daß diese den Kollektor-Kontaktring berührt, wobei dieser Kontaktring und die dazwischenliegende Schicht eine höhere Leitfähigkeit als der Kollektor besitzen, wonach sich Kollektor, Basis und Emitter in einer Rinne hoher Leitfähigkeit gegenüber der Leitfähigkeit des Kollektors befinden.

3. Monolithischer Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Kollektor und Emitter aus einem Halbleitermaterial des Typs N bestehen.

4. Monolithischer Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kollektor und Emitter aus einem Halbleitermaterial des Typs N bestehen und daß Kollektor, Emitter, Basis, Kollektor-Kontaktringe und zwischenliegende Schichten auf ein Substrat eines Materials vom Typ P aufgebracht sind.

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5. Monolithischer Transistor nach Anspruch 1, dadurch g e k ^ η η ζ ei c h η e t, daß ein Ring der gleichen Leitfähigkeit ~"-"s der
der Basis den Basisbezirk eng umgibt, wobei dieser Ring gegenüber dem Basisbezirk eine höhere Leitfähigkeit besitzt.

6. Monolithischer Transistor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kollektor-Kontaktring der Leitfähigkeit
des Kollektors um den Kollektor herum angeordnet ist und daß eine zwischenliegende Schicht der Leitfähigkeit des Kollektors den Kollektor-Kontaktring berührt, wobei der KolleKtor-Kontaktring und
die zwischenliegende Schicht eine höhere Leitfähigkeit gegenüber
der des Kollektors besitzen, wodurch sich Kollektor, Basis» und
Emitter in einer Rinne hoher Leitfähigkeit gegenüber der des Kollektors befinden.

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