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Verfahren zur Herstellung eines Kristalls aus Halbleitermaterial Die
Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung von Halbleitermaterial, das z. B. in
Transistoren und Gleichrichtern verwendbar ist, ferner von Körpern aus in dieser
Weise hergestelltem Material.
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Diese Halbleitermaterialien, von denen Germanium als Beispiel gewählt
ist, können in Form von Stäben mit verschiedenem Querschnitt hergestellt werden.
Sie können aus vielen Kristallen oder nur aus einem einzigen Kristall bestehen.
Sie können auf einem wesentlichen Teil ihrer Länge konstanten spezifischen Widerstand
und Überschußbeimengungskonzentrationen von jedem gewünschten Wert besitzen. Sie
können an jeder gewünschten Stelle oder Stellen in Längs- und Querrichtung P-N-Grenzen
mit allen gewünschten eIektriscben Eigenschaften enthalten. Sie können an jeder
gewünschten Stelle oder Stellen N-P-N-Verbindungen mit passenden elektrischen Eigenschaften
enthalten.
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Kurz gesagt besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, einen Kristall
oder Kristalle aus einem geschmolzenen Körper aus Halbleitermaterial herauszuziehen,
indem ein Kristallkeim in die Schmelze getaucht wird, und nachdem die Fläche zwischen
Kristall und Schmelze in ein thermisches Gleichgewicht gekommen ist, der Kristall
mit solcher Geschwindigkeit herausgezogen wird, daß das geschmolzene Material am
Keim auskristallisiert. Der sich bildende Kristallkörper wird während des Herausziehens
in Drehung versetzt, um eine Masse mit symmetrischem Querschnitt zu erhalten. Die
Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur -der Schmelze werden fortlaufend so verändert,
daß die Menge der an jeder Stelle in der sich bildenden
Masse vorhandenen
Überschußbeimengung gesteuert wird. Außerdem werden Mittel zur Steuerung des spezifischen
Widerstandes und des Leitfähigkeits.typs durch Hinzufügen von bezeichnenden Beimengungen
und durch Wärmebehandlung während des Ziehvorgangs beschrieben.
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Bereits früher eist vorgeschlagen worden, Kristalle aus Germaninzm
durch Anwendung konstanter Ziehgeschwindigkeit aus der Schmelze aufzubauen. Es hat
sich jedoch gezeigt, daß bell Vorherrschen der meistenbezeichnenden Beimengunglen
inGermanium der spezifische Widerstanld im festen Körper bei einem solchen Verfahren
fortlaufend abnimmt sowie die geschmolzene Masse kristadlüsiert, woraus sich ein
F von weniger .als i für diese Beimengungen ergibt (I' = Konzentration der Beimengung
im festen Körper divi(diert idurch Konzentration der Beimengung im flüssigem Körper).
Das bedeutet, daß -der entstehende kristallinische Körper sich der normalen Erstmrungskurve
der Legierung aus Germanium und der gerade verwendet°n Be-imerngung nähert. Ein
Beispiel für-`,eine solche Erstarrungskurve für Antimon in Germanium findet sich
in »The Physical Review«, Bd. 77/, S. 8o9 bis 813, 15. März 19,50, Pearson, Struth-ers,
Thenerer (Feg. 3).
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Durch Idas erfindungsgemäße Verfahren kann die normale Erstarrungskurve
idurch Veränderung der Ziehgeschwinidigkeit vermieden werden. Wenn ein Kristall
mit einer Zone mit konstantem. spezifischem Wiederstand- hergestellt werden soll
und wenn 1' kleiner als i ist, wie es =bei -allen bisher untersuchten Beimengungen,
bei denen, 1' berechnet wurde, der Fall ist, so besteht das. Hauptprinzip. darin,
(die Ziehgeschwindigkeit allmählich während .der Bildung dies Kristalls zu verringern,
um immer weniger Beimengungen einzufangen und damit der natürlichen Neigung des
siech bildenden Kristalls, der Erstarrungskurve zu. folgen, entgegenzuwirken..
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Wenn idie ZLehgeschwindigkent die einzige Veränderliche des Verfiahrens,
wäre, würde edier Querschnitt des Kristalls. beim Herausziehen aus Bier Schmelze
infolge der abnehmenden Ziefiges,chwindigkeit größer werden. Um idieser Wirkung
zu begegnen und einen konstanten Querschnitt bei einer Zone mit konstantem spezifischem
Widerstand zu erhalten, wird die abnehmende Ziehigeschwin@di-gkei;t .durch eine
größer werdende Temperatur der Schmelze au.ägeglichen. Diese vermindert idie Kristallisations,geschwindngkeit.
Sie wind so ge-
steuert, da.ß sie :in ihrer Wirkung genau gleich uni. entgegengesetzt
dem Anwachsen des QUIerschnlittes ist, das durch die abnehmende Ziehgeschwindigkeit
eintreten würde.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen besser zu verstellen sein.
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Fig. i zeigt im Auf rilß einen Teildes Gerätes., mit dem Idas erfindungsgemäße
Verfahren durchgeführt werden kann; Fig. 2 ist eine Teilansicht,dt r Vibrationseinrichtung,
die gegen den Draht schlägt, der dem Kristall im Gerät nach Fig. i trägt, wobei
eine Bewegung bewirkt wird; Fg.3 zeigt im Aufriß idie Anordnung ides Schmellztiegel.s
im Gerät nach Fig. i ; Fig. q. zeigt im Aufriß und teilweise im Schnitt eine andere
Form der Schmelztiegelanordnung, wo-'bei Mittel für die Behandlung dargestellt sind,
durch idiie der spezifischeWiderstand und der Leitfähigkeitstyp des sich bildenden
Kristalls durch Hinzufügen von. abgemessenen Mengen der kennzeichnenden Beimengungen
besinflußt werden können; Fig. 5 zeigt eine perspektivische Ansicht einer weiteren
Form idesi Schmelztiegels; Fig. 6A umd 6B sind graphische Darstellungen derÄnderung
des spezifischen Widerstandes. entlang der Länge von Proben, die unter verschiedenen
Arbeitsbedingungen- nach idem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden können;
Fing. 7A und 7B sind graphische Darstellungen der Änderung der Beinmengungskonzentration
entlang der Länge vom. Proben, idie unter verschiedenem Bedingungen -nach dem erfindungsgemHen
Verfahrenrhergestellt werden können; Fig. 8 ist einte graph is.che Darstellung der
Änderung ,des spezifischen Widerstandes entlang der Länge unter Arbeitsbedingungen,
die noch anders sind.
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Das in; Fig. i dargestellte Gerät wird folgendermaßen verwendet: Ein
Block des Halbleitermaterials wird: in den aus Kohle bestehenden Schmelztiegel i;
gelegt, ein Kristallkeim 2 aus dem gleichen. Material in den Keimhalter 3. Der Schmelztiegelträger
4., auf dem der Schmelztiegel i aufgebaut ist, wird dann in den Boden der Quarzhülle
5 eingesetzt:Diee Einrichtung wird ausgespült, indem Stickstoff über den Gaseinlaß
6 durch die Hülle 5 zum Gas,aus@Wß 7 geleitet wird. Nachdem das System mit Stickstoffausgespült
worden ist, läßt man Wasserstoff oder ein anderes Ga,s., !das eine mirnirnaleWirkunig
auf die Zusammensetzung .eis sich .b@l,denidem Kristalls hat, auf dem gleichen Weg
umlaufen und setzt dies während dies Prozesses fort. Ein. nicht gezeichneter Hochfrequenzgenerator
wird dann in Betrieb genommen, so daß ein Strom durch. die- Imd'uktionsspule 8 hindurchgeht,
um den Kohlenschmelztiegel i zu erhitzen-. Nachdem der Block vollständig geschmolzen
ist, wird die Spiin(diel 9-, an der der Keim 2, befestigt ist, nach unten bewegt,
bis der Keim gerade die Schmelze berührt. Dann werden der Vibrator io und die Dreheinrichtung
i i in Betrieb gesetzt. Nach .der gewünschten Wartezeit wird edier Motor 12 eingeschaltet,
der seinersieits die Schisiebe 13 antreibt. Diese zieht mit Hilfe ides Kabels 14.
die Spinde-1 g nach oben, wobei der Keim 2 aus der Schipelze herausgezogen wird.
Die Geschwindigkeit des Herausziehens- kann mit Hilfe dies Getriebekastens 15 geregelt
wenden.
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Wermdas gewünschte Produkt ein Einkristall aus Germanium Ist, wird
der Prozeß so lange fortgesetzt"bis idie gesamte Schmelze herausgezogen ist, wobei
die Ziehgeschwindigkeit und' idie Temperatur der Schmelze in geeigneter Weise verändert
werden, wie weiter unten geschildert ist. Wenn die Bildung einer P-N-Grenze "durch
Gasbehandlung an einer
geeigneten. Stelle des Prozesses gewünscht
wird, werden die Ventile r6 und 17 geöffnet uniddie Röhre 18 geschlossen., so d'aß
der Wasserstoff durch den Eimaß rg und durch den Behälter hindurchgeht" der ,die
gewünschte Behanidlungssubstanz .in flüssiger Form 2o und in gasförmiger Form rzf
enthält. Das Behund'lungs:aas 21 geht idurch den: Strömungsmesser 22 in 'den Hohlraum
der Quarzhülle 5. Das Behandlungsgas könnte andererseits auch, unmittelbar durch.
den Fuß 4, durch eine nicht bezeichnete Bohrung im Schmelztiegel oder durch die
Behan'dlungsröhre 23 in idie Schmelze gelangen.
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In bestimmten Fällen ist es erwünscht, die Behandlung mit Hilfe fester
Pillen vorzunehmen. Hierbei kann die gewünschte Zahl und Folge der Pillien, in;
dem Magazin 24 untergebracht werden. Zu einer gewünschten Zeit wind der Motor 25
eingeschaltet. Dieser Motor ist unmittelbar mit dem Verteiler 26 gekuppelt, der
eine Öffnung aufweist, die mit einer Kammer des Magazins 24 zurDeckung gebracht
wird, so daß einte Pille durch (die Röhre 23 in :die Schmelze gelangen kann.
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Während des Prozesses, geht Kühlwasser idurch den Wassereinlaß 4A
in. einen Wassermantel, ider den, Schmelztiegel r umgibt, und tritt durch d en:Wasserauslaß
4B wieder aus. Der obere Teil der Quarzröhre 5 wird ebenfalls :gekühlt, infdem Wasser'durcb
4C ein- und durch 4D austritt. DIE Schalter A, B
und C steuern
'die Rotation, die Vibration und die Behandlung mit festen Pillen. Dass Ventil D
steuert ,den Gasei:nlaß 6.
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Fig. 2 stellt die Vibrationsei.n.richtu.rng f o im einzelnen'dar.
Der auf der Welle ides Motors 28 befindliche Exzenter 27 bewirkt, (daßder
Schuh 29 das Kabel 14 zum Vibrieren bringt.
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Fig.3 zeigt eine ins einzelne gehende Ansicht des Schmelztiegelaufbaues.
Aus dieser Figur kann man ein klareres: Bild des Fußes 4 :und ,des Schmelztiegels
1 erhalten. Die in (der Sch:meloe und im Schmelztiegel r durch die Spule 8 erzeugte
Temp:°-ratur wird mit Hilfe einer nicht 'dargestellten, elektrischen Schaltung geregelt,
idiie,duirch das Thermoelement 3o überbracht wird.
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Fig.4 stellt einen andersartigen Schmel:ztiegelaufbau dar, der eine
Behandlung mit festen Rillen erlaubt. Bei diesem Verfahren liegt die Pellt 31 in
,der Bohrung 32 und wird :durch den Quiarzstab 33 getragen, der durch Betätigung
des: Stahlstabs 34 über die Biodenfläche des Schmelztiegels gehoben werden. kann.
Bei 'diesem Verfahren wird: die Pille 31 zugleich mit der Schmelze im Schmelztiegel
geschmolzen, so daß das Behanidlungsmaterial nicht als feste Pille, sondern eher
als geschmolzene Behandlungslegierung in'die Schmelze eintritt.
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Fig.5 zeigt einen Schmelztiegelaufbau für ein weiteres Behandlungsverfahren.
Bei diesem Verfahren liegt die Pille 31 in einem Einschnitt auf dem Rand des Tiegels
1. Nachdem die Pille geschmolzen. ist, wird zu einem gewünschten Zeitpunkt das Betätigungsteil
32,'das aus Quarz oder Kohlenstoff bestehen kann:, so gedreht, daß die geschmolzene
Behandlunngs,substanz über den Rand des Tiegels 1 in die Schmelze gestoßen wird.
Fig. 6A und 6B sind graphische Darstellungen des spezifischen Widerstandes, abhängig
von der Länge, gennesisen durch zwei Punkts:oniden an: einfachen unbebandelben Kristallen
aus Germanium, die mit Hilfe dieses Verfahrens hergestellt sind. Wie man aufs der
Kurve 6xA ersieht, sinkt der spe#zifische Wiederstand ,des zuerst entstehenden Teiles
'des Kristalls von Punkt 35-36, wäh renid sich der Querschnitt des Kristalls aufbauen
kann. Der Teil dl-"r Kurve zwischen den Punkten 36 und 37 stellt die gewünschte
Zone mit konstantem spezifischem Widerstand dar, die durch Steuerung .der Ziehgeschiwindigkeit
und der Temperatur in weiter unten beschriebener Weissei erhalten wind. Nachdem
idie Ziehgeschwindigkeit 'beim Punkt 37 zu einem scheinbaren Stillstand gekommen
ist, so idaß kein weiterer Kristall des spezifischen Wiederstandes 36-37 mehr herausgezogen
werden kann, wird der spezifische Widerstand durch plötzliche Vergrößieirung der
Ziehgeschwindigkeit auf einen durch dien Punkt 38 idargestellten Wert gesenkt. Die
Ziehgeschwindigkeit und die Temperaturen werden wiederum so gesteuert, daß sich
ein flacher Teil 38-39 ergibt. Nachdem die Ziehgeschwindigkeit abermals zu einem
scheinbaren nStillstand gekommen ist, läßt man die konstant, um den restlichen Teil
der Schmelze herauszuziehen, wobei sich eine normale Erstarrum@gskurve' 39-4.o ergibt.
Fi:g. 6B ist ähnlich Fig.6A,doch stellt sie einen Kristall .dar, der nur eine Zone
mit flacher Kurve des spezifiischen Wvderstanrdes hat. Eine Erhöhung der Ziebgeschwin,digkeit
und eine Erniedrigung der Temperatur zum Konstanthalten des Querschnittes ergibt
'den Gradient ,4r-,42. Die Zone 42-,.3 entsteht :durch normale Steuerung der Zieh-
und Temperaturverhältnisse in oben beschriebener Weise. Der Teil 43-44 stellt 'die
normale Erstarrungskurve dar, bei -der ,der restliche Teil der Schmelze mit einer
konstanten Geschwindigkeit herausgezogen wird.
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Die Fig. 7 A und 7 B sind graphische Darstellungen von Kristallen,
die behandelt wurden. Auf den Koordinaten ist idie Abhäugigkeit des Logarithmus,
der Konzentration der Ü'berschußbeimengunbgen in Atomen je Kubikzentimeter von.
der Länge in Millimeter aufgetragen-. Der Logarithmus derKonzentration derüberschußbeimerngungen
auf (der negativen: bzw. nach unten gerichteten Achse stellt einen p-Leitfähii@keitstyp
mit abnehmendem spezifischem Widerstand (dar, während der positive Teil -der Senkrechten
einen n-Leitfähigkeitstyp darstellt. Die Werte des spezifischen Widerstandes können
aus,denWerten @derKonzentration derÜhe'rschuß'beimen@gunigen mit Hilfe folgender
Gleichung bestimmt werden:
wobei O den spezifischen Widerstand in Ohmzentimeter, iz idie Konzentration 'der
@T"berschußbeimengung in Atomen pro Kubikzentimeter und e ,die Elektronenladung
ist, während ,u die Beweglichkeit der Elektronen; oder Löcher in Ou@aidratzientimeter
pro
Voltsekunde ist. Kurve A der Eig. 7A stellt einten Kristall dar, der entweder mit
ieiner :großen Pille oder mit einem Glasstoß wie unten beschrieben behandelt wunde.
Die Zone 45-46 stellt den: Teil mit konstantem spezifischem Widerstand dar, -der,durch
Steuerung,der Zieh- und'Tempreraturverhältnisse erzeugt wind. Bei Punkt 46 wind
,die Pille in (die Schmelze geworfen, wobei sich eine plötzliche Änderung des Leitfähi@gkeitstyp-s
46-47 ergibt, während der Teil 47-48,den Teildes Kristalls darstellt, ,der aus dem
übrigen Teil der Schmelize herausgezogen wird. Dieser Kurventeil scheint lacheir
zu sein als ,die entsprechenden Teile der Fig. 6A oder 6B, bei denen der spezifische
Widerstand (abhängig vom Abstand aufgetragen ist. Doch würde er der normalen Erstarrun@gskurve
39-4'°i gleichen, wenn bei ihm diese IZoordiiniaten verwendet würden.
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Kurve B in Fiig. 7A stellt einen Kristall mit einer P-N-Verbindung
(dar, ,die wie bieii Kurve A behan'de'lt wurde, abgesehen davon, idaß sich (der
Übergangsbereich idurch Anwendung eines, gesteuerten Behandlungsverfahrens mit vielen
Pillen oder allmählicher Gasibeharndlun:g vom Punkt 51 bis Punkt 52 verbreitert
ist. Die Zone 49-5'0 stellt wiederum den Teil mit konstantem spezifischem Widerstand
dar, (der durch Iden normalen Steuerungsprozeß ein noch zu beschreibender Weise
erzeugt wird. Die Hinzufügung einer ersten Pille oid@r eines ersten Gasstoßes ergibt
die Zone S°=51. Die Zone 52-53 entsteht ehenso (durch Hinzufügung einer Pille oder
eines Gasstoßes von entgegengesetztem Beimengungstyp, während, 53-54 der normale
Erstarrungsteil ,des Kristalls ist, der durch. Heranisziehen des restlichen Teils
der Schmelze entsteht. Die Kurve C dergleichen Figur stellt einen Kristall .dar,
der entweder durch konstante Gasbehandlungen oder ,durch Behandlung mit vielen Pillen
entsteht, wobei ;sich eine konstante Neigung ,der Kurve 55-56 ergibt.
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Fig. 7B stellt drei, Beispiele von Kristallen. dar, die während des
Herauszieihprozesses so behandelt sind, däß drei verschiedene Arten von N=P-N-Verbindungen
entstehen.. Der Teil 57-58 der Kurve A stellt die Zone finit konstantem spezifischem
Widerstand idar, die auf die an anderer Stelle beschriebene Weise entsteht, während
58-59 durch Behandlung mit einer Pille erzeugt wird. Die Zone,6io-(6,r stellt die
Behandlung mit einer Pille - vom entgegen,-gesetzten Leitfähigkeitstyp (dar, bei
welcher der Kristall wieder in dien n-Bereich zurückgebracht wird. Der Punkt 61
braucht nicht höher als die Zone 57-58 zu liegen, jethoch war bei ,dem vorliegenden
Probestück der Kristall auf ein höheres 7i-Niveau. an; diesem Punkt gebracht, um
einen größeren Überschuß an n-Beimengung zu erhalten, ,die bei einer guten Steuerelektrode
erwünscht ist. Der Teil 61-62 kann wiederum, ein, normaler Erstarrungste,id des
Kristalls sein. Die Breite d des p,Bereiches wird,durch ;die Zeitspanne zwischen
Iden Behandlungsstufen 5i8-59 und 6o-61.b,estimmt.
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Die Kurve B in Fig. 7B ähnelt der Kurve B in Fig. 7A,
abgesehen #d(avon, ,daß !der Kristall nach ,der Verbringung in; Iden p-Bereich durch
lein umgekehrtes Behandlungsverfahren mit einer Pille oder einem Gas von entgegengesetztem
Leitfähigkeits.typ in den n-Bereich zurück gebracht wird. Daher stellt, der Teil.
63-6q. die Zone mit konistantem spezifischem Widerstand dar, u-hrend G4-65 die Behandlung
mit einer erStenT'ille oder ielineni ersten Gasstoß darstellt. Der Teil 65-66 stellt
eine ge-.steoerte Behandlung mit Pillen oder mit gesteuerten Gasstößen ,dar, um
den Übergangsbereich zu erzeugen. Der Teil 66-67stellt die Behandlung mit einer
großem: Pille oder mit einem Gasstoß ,dar. Nach einem durch d dargestellten Intervall,
Idas idurch sich ändernide Ziefigeschw @iridi:gkeit und Zeitfolgen gesteuert wird,
wird die Schmelze mit einer Beimengung von ,entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp
durch eine Pille oder -durch einenG.as-stoß ,behandelt, um den Kristall zum Punkt
69I zurückzubringen. Die Punkte 69,-7o stellen einedurch Pillen oder Gasstöße gesteuerte
Behandlung dar. Die Punkte 7o-71 stellen bei diesiem Bleispiel eine Behandlung mit
gleich großer, aber entgegengesetzter Leitfähigkeit wie die Zone 6q.-65 dar, während'
71-72 wiederum eine normale Erstarrumgszone-sein kann.
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Die Kurve C in Fig. 7B stellt eine gesteuerte Gasbehandlung oder Behandlung
mit vielen Pillen. dar, so ,daß der Kristall durch konstante Gasbehandlung oder
durch Behandlung mit vielen Pillen von Punkt 73 bis Punkt 74 gebracht wird. Die
Punkte 74-75 stellen den Bereich dar, in dem keine Beimengung zugesetzt wird. Diese
Zone kann je nach Wunsch konstante Leitfähigkeit besitzen oder nicht. Die Zone 75-76
ist umgekehrt wie die Zone 73-7.i und stellt eine Behandlung mit dem entgegengesetzten
Leitfähigkeitstyp dar, die durch allmähliche Gasbehandlung oderBehandlungmit vielenPillen
durchgeführt wird.
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Fig.8 ist ein Schaubild der Abhängigkeit des spezifischen Widerstandes
von der Länge bei einem einfachen Kristall aus Germanium mit zwei Zonen mit konstantem
-spezifischem Widerstand! 78-7g und 8o-81, ,die den Zonen das Kriistadls der Fig.
6 A gleichen, die aber zwei N-P-N-Verbirndungen. 79-8o und _81-82 enthalten, -welche
thermisch und ohne Hinzufügen irgendwelcher bezeichnender Beimengungen durch Behandlung
erzeugt ,s@i@dd.
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Obwohl theoretisch einfach durch, Änderung die,-Ziehgeschwindigkeit
und der Temperatur, wie oben beschrieben., sich ein glatter kreisförmiger Stab mit
gesteuerten elektrischen Eigenschaften er-,gruben müßte, hat sich in der Praxis
gezeigt, daß dies nicht der Fall ist, und zwar infolge eines thermischen Gradienten:
auf ,der Oberfläche der Sch melze und,der ,daraus folgenden. Änderung der Kristallisationsverhältnisse
an verschiedenen Teilendes isich biliden-.den Stabes. Nicht nur bilden diie OberflcIchen
des sich bildenden Stabes -eine unregelmäßige Form, sondern es bleiben auch ,die
elektrischen Eigenschaften -des Germaniums sogar im. Querschnitt nicht konstant.
Es hat sich herausgestellt, daßdiese Schwierigkeit ,durch Drehen des: Kristalls
überwunden werden kann, wenn, per sich bildet. DrEihgeschwi.ndigkeiten von
50 bis 5o00: Umdrehungen
pro Minute sind hinreichend, eine
Geschwindigkeit von einigen hundert, z. B. Zio;o bis 5ioo, ist vorzw-s-1@-eise geeignet.
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Obgleich man festgestellt hatte, da;ß -ein solches Drehen eines Kristallseine
hinreichtenid bewegende Wirkung hatte, um einen Stab von kreisförmigem Ouerschnitt
zu erzeugen-, hatte man auf den ersten Blick bemerkt, id-aß sich ringförmige Unregelmäßigkeiten
auf der Oberfläche des St.äbes bilden, insbesondere bei den niedrigeren Drehgeschwindigkeiten.
Dies zeigte, daß der Temperaturgradient zwar vermindert, aber immer noch sichtbar
war.
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Man stellte fest, daß diese durch Hinzufügen einer pumpen Iden Bewegung
vermieden werden konnten. Dies wurdie erreicht, in4°m man einen vibrierenden Teil
hinzufügte, das so angeordnet war, d,aß das Kabel, mit dem der sich bildende Kristall
verbunden war, abwechselnd. gestreckt und zusammengezogen wurde. Vibrationsgeschwindigkeiten
von roi Schlägen pro Sekunde und einer Amplitude, von etwa o5o5 mm bis zu 5oo Schlägen
pro Sekunde und einer Amplitude von etwa o,o19 mm haben sieh als hinreichend herausgestellt,
obwohl hierbei ebenso wie bei. Aden, angegebenen Dreh:geschvv indigkeiten die genannten
Werte nur Vorschläge sind und keine absolute Grenze @darstellen. Es besteht kein
offensichtlicher Grund, warum sie nicht nach beiden Richtungen überschritten werden
könnten. Beide GeschwinIdigkeiten sind auf der unteren Seite durch Unwirksamkeit
und auf der oberen Seite @durch apparative Möglichkeiten begrenzt.
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Die- für die Anfangsbeschickung verwendeten Kristalle können bei der
vorliegenden Erfinidung aus Germanium bestehen. Eine Ätllderun:g dies Ausgangsinaterial:s
ergibt selbstverständlich eine, Änderung der elektrischen Eigenschaften rdies, fertigen
Kristalls.
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Ziehgeschwindigkeiten von o,oo2 bis o,15. min/sec werden gewöhnlich
verwandt. Bei höheren Geschwindigkeiten als o,15 min/sec und untergewissen UTmstäuden
auch schon bei dieser Geschwindigkeit entsteht im Kristall idurch Toirsiornsspannung
eine Doppelung, die im allgemeinen bei Einkristallen unerwünscht ist. Aus diesem
Grunid werden vorzugs-1vei,se,o,(oi76 mm/sec nicht überschritten. Der untere Wert
stellt nur eine praktische Grenze,dar. Wie sich aus dem unten angegebenen Beispiel
9 ergibt, ist es manchmal z@veckrnä@ßig, ,die Ziehgesch@windIgkeit his zum vollständigen
Stillstand zu verringern.
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Wie oben angegeben, ist es bei Änderung der Ziehgeschwindigkeit erforderlich,
auch idie Temperatur d er Schmelze zu verürndern, wenn der Durchtnesser des Ouerschnittesdies
sich biQdenden Stabes konstant gehalten werden soll. Nachfolgend ist eine typische
Tabelle angegeben:
| Ziehgeschwindigkeit Temperatur |
| (mm sec) |
| (°C) |
| 0,05 950 |
| 0,025 965 |
| 0,0025 980 |
Obwohl die Steuerung auch von Hand idurchgeführt werden kann, so. hat es sich !doch
als zweckmäßig erwiesen, eine automatische Programmsteuerung zu veriveniden, die
in verschiedenen Formen bei der kommerziellen chemischen Fertigung bekannt ist.
Eine solche Einrichtung ist so eingestellt, daß die Ziehgeschwindigkeiten und die
Temperatur nach der obigen Tabelle verändert werden. Es sei bemerkt, @daß die in
dur Tabelle angegebenen Temperaturen Messungen an der Wand des Schmneliztieagels
darstellen. Eine gewisse Ze.itverzögerumg zwischen (der Wand des Tiegels und c1:1-
r Schmelze ist dabei zu erwarten.
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Um die Lebensdauer der Löcher und der Leitfähigkeitselektronen in
dem sich bildenden Stab auf dem größtmöglichen Wert zu halten, ist es zweckmUig,d,en
Stab so schnell wie möglich nach dem 13ervortreten zu kühlen. Dies geschieht mit
Hilfe von Wasserkühlschlangen - und einem konstanten Kühlgasetrom in der Hülle.
Jedes thermisch gut 1eitenide, nicht oxydierendle.un d sonst inaktive Gas ist für
@diesien Zweck geeignot. Wasserstoff, Helium und Stickstoff haben sich für diesen
Fall als günstig erwiesen.
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Eins (der wichtigsten Merkmale des erfindungsgemäßen Verfahrens ist
die Elastizitüt, mit idier die halbleitenden Übergangszonen erzeugt werden. Dies
kann auf zweierlei Weise idurchgeführt werden. Die wichtigste .besteht in der Behandlung
mit einem festen Körpz:r oder mit einem Gas, das idiie gewünschte bezeichnende Beimengung
in einer Menge enthält, die ausreicht, um :das Material über den entgegengesetzten
Leitfäh:i:gkeitstyphinaus zu bringen. Eine Behandlung ider Kristalle mit festen
Körpern verwendet, wenn idie Kristalle aus einer Schmelze von etwa 5o g gebildet
werden., Pillen von 1 bis 5@o ing einer Legierung aus Germanium mit den gewünschten
Beinmengungen oider mit irgendeiner Verbindung der Beimengung, welch,. die Einbringung
der gewünschten Beimengung in die Schmelze bewirkt.
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D ie günstigsten Behandlungselemente s i nd Gall i um und Bor für
eine N- ->P-Umwandlung und Arsen und Antimon, wenn eine P- -->N-Umwandlung gewünscht
wird. Bei Behandlung mit festen Körpern können die Elemente in reiner Form oder
als Legierungen oder Verbindungen, die eine Beimischung der Beimengungen ergeben,
hinzugefügt werden. Beispiele sind Oxyde und Germaniumlegierungen. Die Trichloride
haben sich für die Gasbehandlung als günstig erwiesen. Wiederum ändert sich die
Menge der Beimengungen, die bei Behandlung mit festen Körpern oder bei Gasbehandlung
verwendet werden, mit der Größe und Reinheit der ursprünglichen Schmelze, mit der
im Tiegel zurückbleibeniden Menge der Schmelze und mit den -gewünschten Ergebnissen..
Wie gezeigt wurde, kann die Pillenbehand'lung mit Pillen in fester Form oder in
geschmolzener Formdurchgeführt werden. Die P-N-oder N-P-N-Verbindungen können so
ausgeführt werden, daß sie jieide gewünschten elektrischen Eigenschaften haben,
indem bei Behandlung mit festen Körpern de Pillengröße, die Pillenzusammensetzung
und
die zeitliche Folge der Hinzufügung der Pillen verändert wird; bei der Gas--behandlung
durch Änderung der Geschwindigkeit, mit der das Gas mit der Schmelzlee in Berührung
kommt und dadürch, (daß Idas Gas in Stößen oider allmählich vorbeiistreicht. Bei
jeder Behandlungsart können die Verbindungen durch Regelung der Ziehgeschwindigkeit
und, der Temperatur der Schmelze verändert werden.
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Ein andie@res Verfahren zur Erzeugung von P-N-und° N-P-N-Verhnndungen
besteht nn der gleichzeitigen Änderung der Temperatur und der Ziehgeschwindigkeit
ohne. Hinzufügen. von Beimengungen. Hierbei ist es notwendig, ein solches Ausgan!gsmaterial
zu wählen, daß,durch Wärme@b,ehanidr lung bei etwa gßo° C ein Üb:rgang deis Leitfähigkeitstyp;s
von N nach P hervorgebracht wird!. Ein Beispiel für ein derartiges Material ist
Germanium mit einem spezifischen Widerstand von wenigstens io Ohmzentimeter.
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Es sei hier bemerkt, .daß eine Doppelgrenze entweder durch Verwendung
zweier Kristallkeime nebeneinander oider,dad'urch gebildet werden kann, daß man
von einem Keim iawsgeht, (der ei-nie Doppelgrenze enthält.
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Wenn, ,die Erzeuägung einer größ tmögli.chen: Menge eines Materials
mit konstantem -spezifischem Widerstand gewünscht wird, so ist es möglich, eine
zweite Zone mit konstantem spezifischem Widerstand hervorzubringen, nachdem die
Ziehgeschwindigkeit während der Steuerung zu einem tatsächlichen Stillstand gekommen
isst, um nur noch ein vernachlässigbares Anwachsen id(-cr Kristal-länig-e zu-ermöglichen.
Diese Zone hat jedoch einen kleineren spezifischen Widerstanid. Die Hervo,r!bringung
der zweiten Zone geschieht durch plötzliches Vergrößern (der Ziehgeschwindigkeit
auf einen Maximalwert und durch anschließendes Steuern. ihrer Verringerung wie bei
der ersten Zone. Da die normale Erstarrungskurve, aufgetragen mit Iden Koordinaten
spezifischer Widerstand abhängig von der Länge, in dieser Zone im allgemeinen .ihre
Neigung ändert, hat es sich als günstig erwiesen, die Zichgesc@hwindigkeit wohnend
,der Bildiung id,e,s zweiten Teils des Kristalls schneller zu verlangsamen, Obschon
Kristalle bei Verwendung von Keimen mit jeder Orientierung der Kristallachsen erzeugt
werden können, . so hat es sich doch als günstig erwiesen, den Keim in einer solchen
Lage anzuordnen bzw. ihn in solcher Weise zu schleifen, daß die Orientierung (ioo
oder iii) angenähert vorhanden ist.
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Nachfolgend wird eine allgemeine Beschreibung eines typischen Verfahrens
zur Erzeugung eines Einkristalls aus Germanium gegeben, der , zwei Zonen mit konstantem
spezifischem Widerstand enthält. Der Keimkristall, der von einem nach diesem Verfahren
erzeugten Stab abgeschnitten ist, wird zunächst gereinigt und dann in dem Keimhalter
an -der Spindel eingesetzt. Das Schmelzgut, ein Block von ioo- g Germanium, wird
in den Schmelztiegel gelegt. Dann wird der Schmelztiegelaufbau an seinen Ort gebracht.
Die Induktionsspule wird eingeschaltet und das Schmelzgut bei einer Temperatur von
etwa 98o° C geschmolzen. Der Keim wird bis zu einer Tiefe von etwa 0,13 mm in die
Schmelze eingetaucht. In .dieser Lage bleibt er so lange, bis das thermische Gleichgewicht
der Zwischenfläche hergestellt ist. Ein Zeitraum von etwa 5 Minuten hat sich als
ausreichend erwiesen. Sobald der Keim mit einer Anfangsgeschwindigkeit von etwa
0,07 mm/sec aus der Schmelze herausgezogen wird, wird der Drehmechanismus eingeschaltet
und der Vibrator in Betrieb gesetzt. Die Temperatur wird .auf etwa g35° C herabgesetzt,
während die Ziehgeschwindigkeit für eine Zeitspanne von 3 Minuten konstant bleibt.
Während dieser 3 Minuten vergrößert sich der Durchmesser des Kristalls auf etwa
2,225 cm. Wenn die Bildung eines. Einkristalls mit gleichmäßigem Durchmesser gewünscht
wird, werden die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur nach folgendem Programm
gesteuert:
| Ziehgeschwindigkeit nimmt ab Temperatur erhöht sich |
| auf (mm/sec) auf (°C) |
| 0,05 942 |
| 0,025 970 |
| 0,0025 98o |
Das. Verfahren ergibt bis hierher eine 3,81-cm-Zone mit konstantem spezifischem
Widerstand von etwa @io Ohmzentimeter. Wenn die Ziehgeschwindigkeit bis zu einem
scheinbaren Stillstand verringert ist, wird der spezifische Widerstand auf etwa
den halben Wert der ersten Zone durch Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit auf
0,07 mm/sec plötzlich herabgesetzt. Während :der Bildung dieser zweiten Zone
werden die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur genau nach dem oben angegebenen
Programm verändert, abgesehen davon, daß die Verlangsamung etwa verdoppelt wird.
Die Ziehgeschwindigkeit wird dann auf irgendeinen Wert erhöht und kann konstant
bleiben, bis der restliche Teil der Schmelze herausgezogen ist.
-
Wenn es zu irg:ndeinem Zeitpunkt während der Bildung des Germaniumkristalls
gewünscht wird, P-N- oder N-P-N-Gruppen zu bilden, kann dies durch Pillen- oder
Gasbehandlung nach irgendeinem der oben beschriebenen Verfahren geschehen. Typische
Beispiele von P-N- und N-P-N-Grenzen, die durch Änderung der Pillengröße und/ oder
der Pillenhäufigkeit, durch Änderung der Gasbehandlungsgeschwinidigkeit und/oder
durch Wärmebehandlung speziellen Anforderungen angepaßt werden können, sind aus
den Beispielen 3 bis 9 zu ersehen.
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Es folgen Beispiele, die zeigen, wie man die obigen Verfahren so abändern
kann, daß neun verschiedene Arten von Kristallen entstehen, die den Kurven in Fig.
6A, 6B,
7A, 713 und 8 entsprechen.
Bei s p I e 1 I
Der Keim wurde eingesetzt, das Schmelzgut von ioo g Germanium eingelegt und der
Schmelztiegelträger aufgesetzt, wie oben geschildert. Nachdem das Schmelzgut geschmolzen,
die Steuerungen eingeschaltet und der Keim in die Schmelze bis zu einer Tiefe, von
etwa o, i 5 mm eingetaucht war und in dieser Lage etwa 5 Minuten verblieb, wurde
das Gerät in Bewegung gesetzt. Die anfängliche Ziehgeschwindigkeit war
0,07 mm/sec, wobei die Anfangstemperatur etwa 98o° C betrug, die in etwa
io Sekunden auf etwa 935° C herabgesetzt wurde. Diese Ziehgeschwindigkeit blieb
etwa 3 Minuten konstant. Während dieser Zeit vergrößerte sich der Durchmesser des
Anfangsteils des Kristalls auf etwa 2,225 cm. Die Ziehgeschwindigkeit und die Temperatur
wurden dann nach dem in der allgemeinen Beschreibung des Verfahrens angegebenen
Programm verändert. Nachdem die Ziehgeschwindigkeit bis auf einen scheinbaren Stillstand
verringert war, wurde sie plötzlich auf etwa
0,07 mm/scle erhöht. Wiederum
wurden Ziehgeschwindigkeit und Temperatur nach dem Programm verändert, abgesehen
davon, d.aß die Geschwindigkeitsabnahme .doppelt so groß war. Der restliche Teil
der Schmelze wurde dann mit einer Geschwindigkeit von o,o- mm/sec herausgezogen.
Ein auf diese Weise hergestellter Kristall wird hier zweistufiger Kristall genannt.
Das vorliegende Muster enthielt zwei Zonen mit konstantem spezifischem Widerstand,
von denen eine etwa i o Ohmzentimeter auf einer Länge von etwa 3,76 cm und -die
andere etwa 5 Ohmzentimeter auf einer Länge von etwa i,go5 cm aufwies. Wo, es erwünscht
ist, ein Halbleitermaterial mit konstantem spezifischem Widerstand herzustellen,
und wo es möglich ist, Material mit beiden spezifischen Widerstandswerten zu verwenden,
bringt diese Ausführung der Erfindung den höchsten Wirkungsgrad. Beispiel 2 Der
Kristall der Fig.6B ist ein einstufiger Kristall, der einen steilen Gradient des
spezifischen Widerstandes und eine Zone mit konstantem spezifischem Widerstand enthält.
Das Verfahren wurde wie in Beispiel i begonnen. Der Kristall bildete sich bei einer
Geschwindigkeit von
0,0025 mm/sec während einer Zeit von etwa 5 Minuten.
Die Ziehgeschwindigkeit wurde dann bis auf etwa 0,07 mm/sec erhöht, während die
Temperatur nach der folgenden Tabelle erniedrigt wurde:
| Ziehgeschwindigkeit Temperatur |
| (mm 'sec) (°C) |
| 0,0025 980 |
| 0,025 965 |
| 0,05 950 |
| 0,07 935 |
Bei dem in Fig. 6 B dargestellten Beispiel wurde die Ziehgeschwindigkeit in dieser
Weise in einer Zeitspanne von 2 bis 3 Minuten verändert. Die Ziehgeschwindigkeit
wurde dann herabgesetzt und die Temperatur erhöht, wie in :der Tabelle des Beispiels
i angegeben. Diese Steuerung beanspruchte etwa 15 Minuten und ergab eine Zone mit
einem konstanten spezifischen Widerstand von etwa 31/2 Ohmzentimeter .auf einer
Länge von etwa 4,4o cm. Der restliche Teil der Schmelze wurde dann -mit einer beliebigen
Geschwindigkeit herausgezogen, wobei der normale Erstarrungsteil 43-44 in Fig. 6B
entsteht. Die bei diesem letzten Teil verwandte Ziehgeschwindigkeit wurde nicht
besonders festgelegt, da bisher dieser Teil des Kristalls in keiner Transistor-
oder Gleichrichtereinrichtung Verwendung fand und nur als Teil des Schmelzguts für
einen neuen Kristall benutzt wurde. Beispiel 3 Der Keim wurde eingesetzt, das Schmelzgut
eingelegt und die Einrichtung in Betrieb genommen, wie oben geschildert. Die Ziehgeschwindigkeit
ging bis auf o,0025 mm/sec herab, während Temperatur und Ziehgeschwindigkeit nach
obiger Tabelle gesteuert wurden. Bei diesem Wert blieb die Ziehgeschwindigkeit etwa
7 oder 8 Minuten 'konstant, während die gesamten gewünschten Beimengungen an dieser
Stelle in Form einer Pille hinzugefügt wurden. Um einen Kristall mit dem durch die
Kurve A der Fig. 7 A bezeichneten elektrischen Eigenschaften zu erhalten, wurde
eine Gesamtmenge von Beimengungen hinzugefügt, die eine Veränderung des Kristalls
von etwa ioi9 Atomen pro Kubikzentimeter zur Folge hatte. Für eine Schmelze von
etwa
50 g bedeutet dies eine Pille von .annähernd io mg Galliumdioxyd. Es
hätte auch eine äquivalente Menge Bor in Form einer Germaniumlegierung verwandt
werden können. Das Verfahren hätte ferner mit Hilfe eines Stoßes von Behandlungsgas
durchgeführt werden können, z. B. mit Bortrichlorid oder Galliumtrichlorid, das
ungefähr die doppelte Menge der gewünschten Beimengung hat, da nur .die Hälfte des
Gases mit der Schmelze in Lösung geht. Die Ziehgeschwindigkeit wurde dann auf etwa
0,025 mm/sec erhöht und der restliche Teil der Schmelze herausgezogen. Das
durch einen solchen Behandlungsprozeß erzeugte Material ist infolge seiner geringen
Sperrspannung in Spannungsregeleinrichtun:gen verwendbar. Bespiel 4 Eine Behandlung
mit mehreren Pillen oder eine allmähliche Gasbehandlung wurde gewählt, um einen
Kristall zu erhalten, welcher Eigenschaften aufweist, die der Kurve B in Fig. 7
A entsprechen. Das Verfahren wurde genau -wie bei Beispiel 3 begonnen. Nachdem die
Ziehgeschwindigkeit mehrere Minuten bei o,oo25 mm/sec stehengeblieben war, wurde
eine Pille aus einer Gallium-Germanium-Legierung von etwa 2 mg, die etwa 0,351/o
Gallium enthielt, durch eins. der oben beschriebenen Verfahren in die Schmelze geworfen.
Dies geschah, um die Überschußkonzentration der
Beimengung auf etwa
a02 Atome pro Kubikzentimeter zu bringen. Dann wurden drei 2-mg-Pillen aus einer
Gallium-Germanium-Legierung mit etwa 0,o5 % Gallium im Abstand von i Sekunde in
die Schmelze geworfen.. Zum Schluß wurde eine zweite 5-mg-Pille aus einer Gallium-Germanium-Legierung
mit etwa 1,4% Gallium in die Schmelze geworfen. Der restliche Teil der Schmelze
wurde dann mit einer konstanten Geschwindigkeit von etwa o,025 mm/sec herausgezogen.
Es sei bemerkt, daß die Breite und die elektrischen Eigenschaften wie (die Sperrspannung
der P-N-Grenze dadurch den Wünschen angepaßt werden können, daß eine der folgenden
Größen verändert wird: Die Größe der Pille, die Zusammensetzung der Pille, die Zahl
der verwendeten Pillen, die Zeitfolge und die Ziehgeschwindigkeit. Es war auch möglich,
einen dieser Kurve entsprechenden Kristall durch Gasbehandlung zu erzeugen. Die
erste Behandlungsstufe konnte mit Hilfe eines Stoßes von etwa io cm3.. Wasserstoffgas
durchgeführt -werden, ,das annähernd 5 X -i015 Atome pro Kubikzentimeter Galliumtrichlorid
oder ein anderes Gas mit der gewünschten Beimengung mit ausreichendem Gasdruck enthielt.
Die zweite Behan-dIungsstufe kann darin bestehen, daß in die Schmelze ein Behandlungsgas
mit einer konstanten Geschwindigkeit während etwa i Minute eingeführt wird, das
so viel Beimengung enthält, daß der Wert des sich bildenden Kristalls insgesamt
um 5 X 104 Atome pro Kubikzentimeter verändert wird. Um die Kurve auf ihren endgültigen
Wert des spezifischen Widerstandes herunterzubringen, kommt ein weiterer kurzer
Stoß von etwa io ccm Wasserstoff mit der gleichen Menge Beimengung in Berührung
m-it der Schmelze. So hergestellte Kristalle enthalten. vorziigliche P-N-Grenzen
und können so ausgeführt werden, daß sie den Anforderungen eines gewünschten Gleichrichters
oder Transistors genau genügen. Beispiel s Um einen Kristall entsprechend der Kurve
C in Fig.7A zu erzeugen, wurde der Prozeß wie oben beschrieben begonnen, abgesehen.
davon, daß die anfängliche Ziehgeschwindigkeit 0,o25 mm/sec betrug. Der Durchmesser
des Kristalls wurde bis auf 2,225 cm durch Herabsetzen der Temperatur auf etwa 935°
C aufgebaut, während die Ziehgeschwindigkeit 7 bis 8 Minuten konstant gehalten wurde.
Dann wurde Wasserstoff mit ausreichender Beimengung in einer brauchbaren gasförmigen
Form, um den Übersc'hußbeimengungspegel des sich bildenden Kristalls um etwa 5 X
1o31 Atome pro Kubikzentimeter zu ändern; mit konstanter Geschwindigkeit während
3 oder 4 Minuten hinzugefügt, wobei die Ziehgeschwindigkeit bei etwa
0,025
mm/sec konstant gehalten wurde. Die einzige Förderung an die hier verwendete gasförmige
Verbindung besteht außer der Forderung nach ausreichendem Gasdruck darin, -daß es
kein Gas sein soll, das die Halbleitereigenschaften des Kristalls beeinträchtigt,
und daß es das verwendete Gerät nicht angreift. Wie oben angegeben, sind die Trichloride
des Galliums und des Bors günstig. Es ist vorstellbar, daß ein solcher Kristall
bei Verwendung einer großen Anzahl sehr kleiner Pillen hergestellt wird; jedoch
hängt offensichtlich der Grad, mit dem sich ein solcher Kristall der konstanten
Neigung der Kurve nähert, von der Zahl der verwendeten Pillen ab. Die nach diesem
Beispiel hergestellten Kristalle finden in Gleichrichtern mit hoher Sperrspannung
Verwendung. Beispiel 6 Die Kurve A der Fig. 7 B stellt einen Behandlungsprozeß dar,
der demjenigen der Kurve A in Fig. 7 A ähnlich ist, abgesehen davon, daß eine Pille
mit Donatorbeimengung hinzugefügt wird, nachdem der Leitfähigkeitstyp in den p-Bereich
gebracht wurde. Der Ablauf des Prozesses ist folgender: Nachdem die Ziehgeschwindigkeit
mehrere Minuten bei etwa o,oo25 mm/sec konstant gehalten wurde, wurde der Schmelze
eine 5-mg-Pille aus einer Gallium-Germanium-Legierung hinzugefügt, die ungefähr
1,4% Gallium enthielt, wobei vorausgesetzt ist, daß das ursprüngliche Schmelzgut
wiederum
50 g wog. Nach einer Zeitspanne von 5 bis io Sekunden wurde eine
io-mg-Pille aus Arsentrioxyd oder aus reinem Arsen hinzugefügt. Der Grund, warum
hier keine Arsen-Germanium-Legierung verwendet wurde, besteht darin, daß die Löslichkeit
von Arsen in Germanium so gering ist, daß die Legierungspille zu groß wird. Nach
der zweiten Behandlungsstufe wurde die Ziehgeschwindigkeit von etwa o,oo25 mm/sec
ungefähr 8 Minuten aufrechterhalten. Danach wurde die Ziehgeschwindigkeit auf etwa
0,o25 mm/sec erhöht und der Rest der Schmelze herausgezogen. Die nach diesem Verfahren
hergestellten Stücke sind mit Erfolg in N-P-N-Transistoren verwendet worden. Eine
Veränderung der Breite des Tastbereichs, der in der Kurve durch d dargestellt ist,
beeinflußt die Frequenzgrenze des fertigen Transistors. Je kleiner d ist, um so
höher liegt die Frequenzgrenze. Die Breite dieses Bereichs kann durch Veränderung
der Zeit zwischen dem Hinzufügen der beiden Pillen und/oder durch Veränderung der
Ziehgeschwindigkeit geändert -,werden. Das derKurveA in Fig. 7 B zugrunde liegende
illuster wurde hinter ,dem Tastbereich auf einen höheren spezifischen Widerstand
gebracht, da das Muster als Transistor verwendet wurde und diese Zone als Steuerelektrode
dienen sollte. In der Zone eines Transistors, die als Steuerelektrode dienen soll,
ist eine erhöhte Anzahl von Überschußbeimengungsatomen zweckmäßig. Beispi-e17 Der
Anfangsteil des Kristalls, der durch die Kurve B in Fig. 7 dargestellt ist, wurde
mit Hilfe der gleichen Behandlungsmenge und Folge wie der Kristall nach Kurve B
in Fig.7A hergestellt. Jedoch wurde nach der letzten Behandlungsstufe die Ziehgeschwindigkeit
etwa 5 Minuten bei
o,oo25 mm/s-l-c konstant gehalten. Danach wurden
die gleichen Behandlungsstufen in umgekehrter Reihenfolge wiederholt, wobei statt
der Akzeptorbeimengung eine Donatorbeimengung verwendet wurde. Solche Kristalle
finden ebenfalls in N-P-N-Transistoren Verwendung.
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' Beispiel 8 Der durch die Kurve C 4n Fig. 7 B dargestellte Kristall
wurde durch konstante Behandlung mit Gas oder durch Behandlung mit vielen Pillen
bei der doppelten Geschwindigkeit und der halben Zeit wie in Beispiel 5 hergestellt.
Nach einer Zeitspanne von etwa 15 Minuten wurde das gleiche allmähliche Behandlungsverfahren
wiederholt, wobei eine Beimengung des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps verwendet
wurde. Beispiel 9 Um einen Kristall zu bilden, der der Kurve der Fig. 8 entspricht,
war es notwendig, bei dem Anfangsteil des gezogenen Stabes mit einem spezifischen
Widerstand von wenigstens ro, vorzugsweise wenigstens 2o Ohmzentimeter zu beginnen.
Nachdem das Verfahren, wie in Beispiel i beschrienen, b@:gonnen und die erste Zone
mit einem konstanten spezifischen Widerstand von etwa 20 Ohmzentimeter gebildet
war, wurde die Ziehgeschwindigkeit lauf Null herabgesetzt, während die Temperatur
mehrere Minuten lang auf etwa 98o° C konstant gehalten wurde. Darauf wurde genau
wie in Beispiel ;i eine zweite Zone mit konstantem spezifischem Widerstand gebildet,
wobei bei diesem Beispiel der spezifische Widerstand ungefähr io Ohmzentimeter betrug.
Dann wurde der Ziehvorgang wieder stillgesetzt, während die Temperatur mehrere Minuten
konstant etwa 98o° C blieb. Danach wurde der Rest der Schmelze mit irgendeiner konstanten
Geschwindigkeit herausgezogen. Die Zone 77-78 stellt den Teil der Kristalls.
dar, der mit einer konstanten Geschwindigkeit von 0,07 mm/sec herausgezogen
wurde. Während dieser Zeit konnte sich der Durchmesser auf einen gewünschten Wert
aufbauen, bei diesem Muster 2,225 cm. Die Zone 78-79 ist eine Zone mit konstantem
spezifischem Wi,derstan@d, die durch Verringerung der Ziehgeschwindigkeit von
0,07 auf o mm/sec und durch eine gleichzeitige Erhöhung der Temperatur der
Schmelze von 935 auf 98o° C entstand. Die Zone 79-80, welche bei diesem Muster etwa
2,5 mm dick war, ergab sich dadurch, @daß dieser Teil des Kristalls während einer
Zeitspanne von etwa 5 bis io Minuten in Berührung mit der Schmelze stand, so daß
eine thermische Umkehr vom N-Typ zum P-Typ entstand. Die Zone 8o-81 ist eine zweite
Zone mit konstantem spezifischem Widerstand, die in gleicher Weise innerhalb der
gleichen Steuergrenzen gebildet wird, wie sie bei der Bildung der ersten Zone mit
konstantem spezifischem Widerstand verwendet werden, jedoch wird die doppelte Verzögerungsgeschwindigkeit
angewandt. Die P-Zone 81-82 wird durch eine zweite thermische Umwandlung in gleicher
Weise und in der gleichen Zeit wie bei der Zone 79-8o hergestellt, während 82-83
den Teil der Kristalls darstellt, der der normalen Erstarrungskurve entspricht,
die beim Herausziehen des Restes der Schmelze bei einer konstanten Ziehgeschwindigkeit
von 0,025 mm/sec entsteht. Material mit derartigen Übergangszonen wird ohne Verwendung
von Behandlungsprozessen hergestellt. Es gibt selbstverständlich keinen Grund, warum
diese thermische Umwandlung nicht mit einem der oben beschriebenen Behandlungsverfahren
kombiniert werden sollt.--, um eine gewünschte Variationsmöglichkeit -bei der Bildung
der N-P-N-Übergangsflächen zu erhalten.
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Obschon der größte Teil der Beschreibung von Germanium handelt, arbeiten
selbstverständlich die beschriebenen Verfahren ebensogut mit anderen Halbleitermaterielien.
Zum Beispiel hat man Silicium verwendet und hat gefunden, daß die aus diesem Material
hergestellten Kristalle ausgezeichnete Eigenschaften besitzen.