NO120434B

NO120434B -

Info

Publication number: NO120434B
Application number: NO168757*1A
Authority: NO
Inventors: G Wolfrum
Original assignee: Philips Nv
Priority date: 1966-06-29
Filing date: 1967-06-26
Publication date: 1970-10-19
Also published as: GB1193113A; NL6609002A; US3482150A; DE1614261A1; DE1614261B2; BE700582A; AT278094B; ES342362A1; DK119715B; CH465063A; SE326776B

Description

Transistor.

Oppfinnelsen angår en transistor bestående av et halvlederlegeme med en første sone, nemlig kollektorsonen, av en første ledningsevnetypejen andre sone, nemlig basissonen av motsatt ledningsevnetype, og en tredje sone, nemlig emittersonen av den første ledningsevnetype hvor den tredje sone er omgitt av den andre sone som igjen er omgitt av den første sone, alle med unntagelse av en del som bestemmes av legemets ene begrensningsflate, hvor det mellom sonene er overganger som skjærer denne flate i sluttede figurer, hvor det på denne flate befinner seg et tynt isolasjonssjikt som dekker skjæringspunktene mellom overgangene og overflaten, og som er forsynt med et ledende sjikt som gjennom en åpning i isolasjonssjiktet er i kontakt med emittersonen og som på sidene av åpningen strekker seg ut over isolasjonssjiktet og der danner et ved siden av. emittersonen liggende kontaktsted for tilslutning av en strømtilførsels-leder. En slik transistor er en bestemt utførelsesform av planartransistor.

Ved en utførelsesform som er beskrevet i U.S. patentskrift nr. 3.025.589 er tilførselstrådene festet i åpninger i isolasjonssjiktet som ligger over de stedet hvor emitter- og basissonen er begrenset av den nevnte begrensningsflate. Da disse åpninger, særlig åpningen for emittersonen, ved praktiske utførelsesformer for disse transistorer er meget liten, er det i U.S. patentskrift 2.981.877 foreslått på isolasjonssjiktet å påføre et ledende sjikt som gjennom åpninger står i kontakt med emittersonen og basissonen og på sidene av åpninger strekker seg ut over kollektorsonen, men er isolert fra denne ved isolasjonssjiktet, slik at en meget større overflate står til rådighet for tilslutning av tilførselslederne.

Det har vist seg at ved slike transistorer må spenningen mellom kollektorsonen på den ene side og emitter- eller basissonen på den annen side holdes under en relativt lav grense som kan være meget mindre enn gjennomslagsspenningen for overgangen mellom kollektor- og basissonen. Ved overskridelse av denne grense opptrer gjennomslag i isolasjonssjiktet.

Hensikten med oppfinnelsen er blant annet å tilveiebringe en konstruksjon av en planartransistor, hvor den maksimale spenning mellom kollektorsonen på den ene side og basis- eller emittersonen på den annen side ikke eller bare i uvesentlig grad er begrenset av isolasjonssjiktets egenskaper, men av overgangen mellom kollektor-og basissonen, samtidig som det er mulig å gi det nevnte ledende sjikt et tilstrekkelig areal for befestigelse av tilførselslederen.

Ved transistorer av denne art, hvor det på isolasjonssjiktet er anbrakt et ledende sjikt, som gjennom åpninger i isolasjonssjiktet danner kontakt med emittersonen og strekker seg over kollektorsonen, opptrer det en kapasitet mellom det ledende sjikt og kollektorsonen. Denne kapasitet forårsaker en tilbakekopling, f.eks. ved anvendelse av transistoren som forsterkerelement i basiskopling for forsterkning av elektriske signaler. Denne tilbakekopling kan ved høye frekvenser bli særlig forstyrrende.

I basiskopling er transistorens basis felles for inngangs- kretsen og utgangskretsen og det signal som skal forsterkes tilføres emitteren og det forsterkede signal tas fra kollektoren.

En videre hensikt med oppfinnelsen er å eliminere den kapasitet som tilveiebringer den nevnte tilbakekopling.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved at basissonen strekker seg så langt ved siden av emittersonen at det med emittersonen forbundne kontaktsted i sin helhet befinner seg over basissonen. Dette kontaktsted er da foruten ved isolasjonasjiktet også ved basissonen og overgangen mellom basis- og kollektorsonen adskilt fra kollektorsonen.

Ved anvendelse av transistoren ifølge oppfinnelsen i en basiskopling opptrer ikke den nevnte kapasitet som forårsaker tilbakekopling, fordi basissonen danner et avskjermningssjikt mellom det med emittersonen forbundne metallsjikt og kollektorsonen. Dette bevirker en økning av basis-kollektorkapasiteten og basis-emitter-kapasiteten. Disse økede kapasiteter er i koplinger av nevnte art som oftest betydelig mindre forstyrrende enn den kapasitet som forårsaker tilbakekoplingen.

Hvis transistoren ifølge oppfinnelsen er en høyspennings-transistor, ligger under drift ikke hele emitter-kollektorspenningen over isolasjonssjiktet, men bare en meget mindre emitter-basisspenning, slik at gjennomslagsfaren for isolasjonssjiktet under det med emittersonen forbundne metallsjikt unngås.

En viktig foretrukket utførelsesform for en transistor

ifølge oppfinnelsen erkarakterisert vedet ytterligere ledende sjikt som på i og for seg kjent måte gjennom en åpning i isolasjonssjiktet står i kontakt med basissonen, og et i sin helhet over basissonen beliggende kontaktsted for tilslutning av en ytterligere strømtil-førselsleder.

Det med basissonen forbundne ledende sjikt strekker seg

altså over hele basissonen,. slik at det ved en stor spenningsforskjell mellom basis- og kollektorsonen ikke kan opptre gjennomslag i isolasjonssjiktet.

Som det videre har vist seg har dette isolasjonssjikt sålenge det ligger mellom basissonen og det med denne sone forbundne ledende sjikt, ikke lenger noen isolerende virkning. Med fordel kan derfor det med basissonen forbundne ledende sjikt befinne seg i sin helhet i en åpning i isolasjonssjiktet.

Oppfinnelsen angår videre en koplingsanordning for forsterkning av elektriske signaler, med en transistor ifølge oppfinnelsen, og denne koplingsanordning erkarakterisert vedat basisen er felles for inngangs- og utgangskretsen, og at det signal som skal forsterkes tilføres emitteren, og at det forsterkede signal tas fra kollektoren.

Et utførelseseksempel på oppfinnelsen skal forklares

nærmere under henvisning til tegningen.

Fig. 1 og 3 viser snitt gjennom kjente transistorer.

Fig. 2 og 4 viser tilsvarende grunnriss av disse transistorer. Fig. 5 viser et snitt gjennom en transistor ifølge oppfinnelsen.

Fig. 6 viser et grunnriss av fig. 5-

Fig..7-16 viser, i snitt forskjellige fremstillingstrinn

av en slik transistor.

Fig. 17 viser et grunnriss av en transistor ifølge oppfinnelsen. Fig. 18 viser et snitt gjennom en transistor ifølge oppfinnelsen. Fig. 19 og 20 viser skjematisk koplingsanordninger basert

på oppfinnelsen.

Transistoren på fig. 1 har en kollektorsone 1, som f.eks. består av n-ledende silisium, en p-ledende basissone 2 og en n-ledende emittersone 3- De siste to soner er omgitt av den foregående sone unntatt på de steder som er begrenset av flaten 4. Denne flate er dekket med et tynt isolasjonssjikt 5 som blant annet dekker de steder hvor overgangene 6 og 7 mellom sonene, skjærer overflaten det vil si langs sirkelformede linjer, som på fig. 2 er vist med strekede linjer og med henvisningstallene 8 og 9• Over emittersonen er det i isolasjonssjiktet 5 anordnet en åpning 10, i. hvilken et kontaktsjikt 11 danner emittertilslutning med en tilførselsleder 12. På tilsvarende måte er det dannet en basistilslutning 13 og en kollektortilslutning 14. Det er klart at ved en slik transistor er det meget lite plass til rådighet for anbringelse av emitter- og basistilslutning.

Ved den på fig. 3 og 4 viste transistor er det meget mere plass. Denne transistor består av en kollektorsone 21, en basissone 22 og en emittersone 23. Over sistnevnte soner er anbrakt et isolasjonssjikt 25 med en åpning 30, gjennom hvilken det er anordnet ledere i kontakt med de tilhørende soner, i dette tilfelle i form av metallsjikt 31 og 32 som strekker seg ved siden av åpningene og over kollektorsonen 21, hvor det er forbundet med tilførselsledere 33 og 34.

Det er klart at i dette tilfelle ville det mellom kollektoren på den ene side og basisen på den andre side, komme til å opptre spenning på isolasjonssjiktet 25. Det samme gjelder for den tilnærmet like store spenning mellom kollektor og emitter. Hvis denne spenning er stor, f.eks. større enn 300 volt, er muligheten for eventuelt gjennomslag i sjiktet 25 stor.

Hvis transistoren anvendes som forsterkerelement i basiskopling for forsterkning av elektriske signaler, forårsaker kapasiteten mellom metallsjiktet 32 og kollektorsonen 21 en tilbakekopling. Fig. 19 viser et koplingsskjerna for dette tilfelle. Emitter, basis og kollektor i transistoren er betegnet med henholdsvis E, B og C,

og kapasiteten som forårsaker tilbakekoplingen, er betegnet med C^. Det signal som skal forsterkes tilføres klemmene P og Q og det forsterkede signal tas fra klemmene R og S.

Det skal bemerkes at ved denne transistor som er vist på fig. 4, er den over basissonen liggende åpning delvis omgitt av den over emittersonen liggende åpning. Overgangene mellom sonene er på fig. 4 vist med strekede linjer og betegnet med henvisningstallene 28 og 29. Kollektortilslutningen er her utformet som et ledende sjikt

36 på undersiden av transistoren.

En første utførelsesform av en transistor ifølge oppfinnelsen er vist på fig. 5 og 6••Denne transistor har en kollektorsone 4l,

en basissone 42 og en emittersone 43. Sonene er på oversiden begrenset av flaten 44, på hvilken det befinner seg et isolasjonssjikt 45. Overgangen 46 og '47 mellom sonene skjærer denne flate i sluttede kurver 48 og 49 som vist med strekede linjer på fig. 6. Over emittersonen 43 er det i isolasjonssjiktet 45 anbrakt en åpning 55 hvori-gjennom et ledende sjikt 51 er brakt i kontakt med denne sone. Dette sjikt strekker seg ved siden av åpningen over isolasjonssjiktet og er der forbundet med en tilførselsleder 52. På tilsvarende måte er "det over basissonen 42 anordnet en åpning 53 gjennom hvilken et ledende sjikt 54 er brakt i kontakt med basissonen 42 og er på oversiden forsynt med en tilførselsleder 55- Ved denne transistor strekker

basissonen 42 seg så langt på begge sider av emittersonen 43, at de ledende sjikt 51 og 54 ligger fullstendig over basissonen, altså innenfor en begrensning som er bestemt av linjen 48 (på fig. 6).

I dette tilfelle vil gjennornslagsspenningen mellom de ledende sjikt 51 og 54 på den ene side og kollektorsonen 4l på den annen side ikke bare være bestemt av isolasjonssjiktets 45 egenskaper, men også og hovedsakelig av overgangen 46 mellom kollektor-og basissonen.

Ved anvendelse av transistoren i en kopling som vist.på fig. 19, opptrer det ikke en kapasitet som forårsaker tilbakekopling. I stedet for kapasiteten C opptrer blant annet kapasiteten C2på fig. 20. Dette er kapasiteten mellom metallsjiktet 51 og basissonen 42. Videre opptrer en ytterligere basis- og kollektorkapasitet C, som er forårsaket av økningen av basissonen. Man kan altså si at kapasiteten er erstattet av kapasitetene C~og som i mange tilfeller er meget mindre forstyrrende enn kapasiteten C^.

Tilslutning til kollektorsonen er oppnådd ved hjelp av et ledende sjikt 57 som strekker seg gjennom åpningen 56 i isolasjonssjiktet 45, og som står i kontakt med kollektorsonen, og dette ledende sjikt er forsynt med en strømtilførselsleder 58.

Som eksempel på en fremstillingsmåte for en slik transistor skal vises til fig. 7-l6. En n-ledende silisiumplate 6l med en spesifikk motstand på 100 ohm cm, en diameter på 25 mm og en tykkelse på 250 y. (fig. 7) blir i to timer opphetet ved 1200°C i fuktig oksygen, forsynt med et isolasjonssjikt 62 av silisiumoksyd (fig. 8). På platen blir det på vanlig måte anordnet et antall transistorer samtidig og på samme måte.

Oversiden av platen blir dekket med et lysfølsomt, avmaskende sjikt 63 som belyses etter et bestemt mønster som representerer omrisset av den basissone som skal dannes, og etter fremkalling og delvis oppløsning dannes åpninger 64 i sjiktet 63 (fig. 9). Deretter blir platen 6l anbrakt i et etsebad som inneholder en oppløsning av 40 g.ammoniumfluorid (NH^F) i 60 ml vann, og som tilsettes konsen-trert fluorhydrogen (HP). I dette bad blir silisiumdioksydet i den grad det ikke er dekket av det avmaskende sjikt 63 oppløst (fig. 10). Deretter blir den gjenværende del av avmaskingen 63 fjernet.

Basissonen blir dannet ved tre arbeidsoperasjoner. Først blir det ved 900°C i 30 min. i tørt oksygen pådampet et sjikt av boroksyd (P^O^). Deretter skjer en første diffusjon i fuktig oksygen i løpet av to timer ved 1200°C med etterfølgende etterdiffusjon i tørt nitrogen i løpet av 24 timer ved l280°C. Det har nå dannet seg en p-ledende basissone 65 og åpningen i sjiktet 62 er lukket igjen ved hjelp av et oksydsjikt 66 som inneholder .glassliknende bor (fig. 11).

På tilsvarende måte som ovenfor beskrevet blir det ved hjelp av et lysfølsomt avmaskende sjikt, belysning, fremkalling og opp-løsning etset et vindu i størrelsesordenen av den emittersone som skal dannes i isolasjonssjiktet 66 (fig. 12). Platen 6l blir deretter i to timer.ved 1070 C opphetet i fosfordamp slik at det dannes en emittersone 67 som består av n-ledende silisium.

Nok en gang blir på den måte som er beskrevet ovenfor ved hjelp av et lysfølsomt avmaskende sjikt, anbrakt åpninger i isolasjonssjiktet 66, hvoretter hele overflaten av platen pådampes et aluminium-sjikt 68 (fig. 14). Sluttelig blir igjen ved fotografiske midler de uønskede deler av aluminiumsjiktet 68 fjernet, slik at de ledende sjikt 69 og 70 som danner kontakt med basissonen 65 og emittersonen 67 står igjen. På disse ledende sjikt kan det festes strømtilførsels-ledere 71 og 72 ved hjelp av varmpressing (fig. 15).

Den maksimale spenning mellom de ledende sjikt 69 og 70 på den ene side og kollektorsonen på den annen side bestemmes her hovedsakelig av egenskapene i overgangssjiktet 75 mellom basis- og emittersone, og kan være flere ganger den maksimale spenning som kan på-trykkes et oksydsjikt.

Det skal bemerkes at i foreliggende tilfelle kan åpningen over basissonen uten betenkelighet gjøres meget større slik at det med basissonen i ledende kontakt stående sjikt utelukkende kommer til å ligge i denne åpning og ikke på isolasjonssjiktet 66. Fig. 16 viser dette ledende sjikt 76.

Kollektorsonetilslutningen kan på vanlig måte enten an-bringes ved siden av emitter- og basistilslutningen i en åpning,

eller på undersiden av platen 61.

En mere på praksis rettet utførelsesform av en transistor ifølge oppfinnelsen er vist på fig. 17- Her ligger emitteråpningen 81 mellom to basisåpninger 82. De ledende sjikt 83 og 84 står i disse åpninger i kontakt med emittersonen 85 og basissonen 86. Linjene som markerer overgangene mellom de forskjellige soner som skjærer halv- lederoverflaten, er på fig. 18 vist med strekede linjer og betegnes med henvisningstallene 87 og 88.

Selvsagt er anvendelsen av oppfinnelsen ikke bundet til de ovenfor beskrevne, bare - som eksempel mente konfigurasjoner. Den kan også.anvendes særlig ved interdigitaler og liknende konfigurasjoner.

Claims

1. Transistor bestående av et halvlederlegeme med en første sone, nemlig kollektorsonen, av en første ledningsevnetype, en andre sone, nemlig basissonen, av motsatt ledningsevnetype, og en tredje sone, nemlig emittersonen, av den første ledningsevnetype, hvor den tredje sone er omgitt av den andre sone som igjen er omgitt av den første sone, alle med unntagelse av en del som bestemmes av legemets ene begrensningsflate, hvor det mellom sonene er overganger som skjærer denne flate i sluttede figurer, hvor det på denne flate befinner seg et tynt isolasjonssjikt som dekker skjæringspunktene mellom overgangene og overflaten, og som er forsynt med et ledende sjikt som gjennom en åpning i isolasjonssjiktet er i kontakt med emittersonen og som på sidene av åpningen strekker seg ut over isolasjonssjiktet og der danner et ved siden av emittersonen liggende kontaktsted for tilslutning av en strømtilførselsleder, karakterisert ved at basissonen strekker seg så langt ved siden av emittersonen, at det med emittersonen forbundne kontaktsted i sin helhet befinner seg over basissonen.

2. Transistor ifølge krav 1, karakterisert ved et ytterligere ledende sjikt som på i og for seg kjent måte gjennom en åpning i isolasjonssjiktet står i kontakt med basissonen og et i sin helhet over basissonen beliggende kontaktsted for tilslutning av en ytterligere strømtilførselsleder.