NO159817B - Neddykkbart pumpesystem og roerstrengseksjon for anvendelse i pumpesystemet. - Google Patents

Description

Effekttransistor.

Foreliggende .oppfinnelse angår en transistor av den art som omfatter, en skive av halvledermateriale med et kollektorområde a<y> en forste ledningsevnetype, et basisområde av den motsatte ledningsevnetype opp til det nevnte kollektorområde, samt et emitter- • område av samme ledningsevnetype som kollektorområdet opp til basisområdet.

Oppfinnelsen har til formål å forebygge termisk beskadigelse i halvlederapparater såsom transistorer. Transistoren ifolge oppfinnelsen er karakterisert ved at en elektrisk ledende motstandshinne er dannet over i det minste en del av emitterområdet og intimt koplet med dette, og at hinnen ved et isolerende lag, er isolert fra basisområdet og basis-emitter-overgangen, hvorved dannelse av varme flekker kontrolleres og beskadigelse av transistoren'forhindres.

Nyere undersbkelser over transistorers pålitelig-het har vist at ved visse kritiske indre temperaturer kan ufullkommen-heter eller feil, f.eks. som folge av kjemisk forurensning i transis-torens oppbygning og instabilitet i effektfordelingen forårsake lokal oppvarming. I apparater som er bestemt til å arbeide med hby strøm-tetthet, kan slik lokal oppvarming, som betegnes som dannelse av "varme flekker" (hot spots), medfore voksende strommer og stigende temperaturer i et lite emitterområde eller et lite område av emitter-basis-overgangen. Hvis temperaturen lokalt blir for hoy, vil appa-ratet svikte. Denne svikten kan rent fysisk ha form av en kortslutning mellom emitter og kollektor. Denne form for feil betegnes som termisk tilbakeslag, sekundært gjennomslag eller gjennombrenning (thermal switchback, second breakdown eller hot spot failure) og er behandlet i en artikkel "Thermal Instabilities and Hot Spots in Junc-tion Transistors" ved R. M. Scarlett et al, eller i boken "Physics of Failure in Electronics" side I94.-203, Spartan Books, Inc. (1963).

Disse forskjellige betegnelser for feil betraktes i den foreliggende beskrivelse som synonymer. Typiske elektriske betingelser som frem-kaller sekundære gjennomslag, og derved betingede begrensninger ved drift av transistorer, er omtalt i "Power Transistor Handbook" by Motorola, Inc., side 31-35 (1960).

Ved disse kjente apparater han man forsokt å be-grense problemet med varme flekker ved anvendelse av særskilte emitter-motstander. Dette arrangement krever et forholdsvis stort antall mot-stander med hoy ohmverdi for å være effektivt og for å oppfylle kravene med hensyn' til spenningen mellom basis og emitter og metningsmotstanden. De kjente apparater av denne art er under alle omstendigheter ubekvemme og vanskelige å fremstille i storre mengde.

Ved oppfinnelsen begrenses problemet med varme flekker og risikoen for termisk tilbakeslag ved at det tilveiebringes en fordelt motstandshinne, som er dannet over i det minste en del av emitterområdet. Transistoren ifblge oppfinnelsen er utformet som en monokrystallinsk skive av halvledermateriale med et kollektorområde med en ledningsevnetype koplet til samme, et basisområde med en annen ledningsevnetype koplet til kollektorområdet, og et emitterområde med samme ledningsevnetype som kollektorområdet koplet til basisområdet.

En motstandshinne er avleiret over i det minste en del av emitterområdet og intimt koplet til samme.

Ved den beskrevne kombinasjon vil motstandshinnen gi en meget lav total motstand mellom emitterkontakten og basis-emitter-overgangen, mens den vil fremby en meget hoy effektiv motstand mellom emitterkontakten og et hvilket som helst lite område av emitteren eller av overgangen mellom basis og emitter.

Den lave totalmotstand mellom emitterkontakten og basis-emitter-overgangen forebygger uheldig bkning av spenningen mellom basis og emitter og av metningsmotstanden. Den forholdsvis hbye serie-motstand mellom emitterkontakten og et eller annet lite område i overgangen mellom basis og emitter, såsom en varm flekk, vil virke til effektiv begrensning av strbmkonsentrasjonen i et slikt område. Denne strombegrensning vil i det vesentlige forhindre feil som folge av varme flekker uten å forringe apparatets funksjon, og vil derved til-late hoy belastning av små effekttransistorer.

I det fblgende skal beskrives noen utforelses-former for transistoren ifblge oppfinnelsen, idet det henvises til tegningen, hvor

fig. 1 skjematisk viser en transistor ifblge oppfinnelsen sett ovenfra, og

fig. 2 er et"snitt etter linjen II-II i fig. 1.

På figurene er vist en effekttransistor som tåler hoy belastning og som består av en skive 10 av monokrystallinsk halvledermateriale, f.eks. silicium, men plan overside 12. I skiven 10 er utformet sammenstøtende områder med foreskrevne ledningsevnetyper. F.eks. er et kollektorområde 14 utformet i skivens grunnmasse med en fbrste ledningsevnetype. Denne forste ledningsevnetype kan f.eks.

være n-type, tilveiebrakt enten ved ensartet krystalltilsetning under dyrkning eller ved etterfølgende behandling med tilsetningsmidler som arsen, fosfor eller antimon. Begge disse fremgangsmåter er kjent.

Innenfor kollektoren 14 utformes et basisområde 16 med motsatt ledningsevnetype. Basisområdet når i den endelige form frem til oversiden 12. Såfremt kollektoren er av n-type er lednings-evnen av basis 16 p-type, tilveiebrakt ved inndiffusjon av bor, aluminium eller indium i kollektoren 14.. Når det anvendes en siliciumskive kan det på overflaten dannes et oksyd, som anvendes som en maske. Oksydet på skiven 10 fjernes forst stedvis ved kjente metoder for fotoetsing på steder hvor basis skal dannes. Skiven anbringes derpå i en diffusjonsovn, i hvilken tilsetningsmidlet innfores og diffusjonen gjennomfbres. Disse trinn og deres enkeltheter er kjent. F.eks. er diffusjonsprosessen og de tilhbrende trinn beskrevet av Dr. G. E. Moore i hans bok "Microelectronics", utgitt av E. Keonjian, side 268-281,

Mc Grav Hill Book Co., Inc. (I963). Derpå dannes innenfor basisområdet l6 et emitterområde 18 av samme ledningsevnetype som kollektoren 14. Emitteren 18 strekker seg likeledes frem til oversiden 12. Ved

en skive av n-type blir emitteren 18 dannet ved diffusjon som ovenfor beskrevet av n-type tilsetninger som fosfor, arsen eller antimon, gjennom en maske. Ved en siliciumskive består denne maske fortrinnsvis av siliciumoksyd, som er dannet under den foregående diffusjon av basis eller etter dette diffusjonstrinn.

I det minste en del av skivens overflate blir nå beskyttet med ét isolasjonslag 20, som ved en siliciumskive er siliciumoksyd. Dette isolasjonslag 20 kan være det samme oksyd som ble dannet for maskering under ovenfor omtalte diffusjonstrinn. Da dannelsen av siliciumoksyd og isolerende bekledninger er velkjent innenfor denne teknikk, skulle ytterligere enkeltheter være unodvendige.

Deler av den isolerende bekledning blir nå fjernet selektivt for dannelse av blottlagte halvlederområder, på hvilke båsis-kontakten 24 og en motstandshinne 26 kan påfores med ohmsk forbindelse. Ved fotoetsing fjernes en rektangulær del av isolasjonslaget 20 over emitteren 18 i nærheten av basisemitter-overgangen, slik at overflaten av emitterområdet blottlegges. Herved kan motstandshinnen 26 danne ohmsk kontakt med emitterens 18 blottlagte flate ved kanten av basis-emitter-overgangen ved oversiden 12, mens den bvrige del av hinnen 26 ved hjelp av isolasjonslaget 20 er isolert fra oversiden 12. Dannelsen av ohmsk kontakt til den blottlagte emitter 18 fremmes ved forutgående avleiring av en meget tynn hinne av ledende materiale, såsom aluminium, over den blottlagte overflate av emitteren. Motstandshinnen 26 kan nå dannes, av et materiale med hoy spesifikk motstand, såsom nikrom, cermets, tinnoksyd, indiumoksyd og legeringer av aluminium, tantalum eller titanium. Dannelsen av denne hinne kan skje ved vakuumavleiring, ved plettering, ved katodeforstbvning eller ved andre kjente vakuum- og fordampningsmetoder, som omtalt i "Thin Film Circuit Technology" IEEE Spectrum, side 72-80 (april I964). I et typisk tilfelle avleires ved fordampning i vakuum en motstandshinne av nikrom med en tykkelse fra 50 til 100.000 Ångstrom, for dannelse av motstandshinnen 26.

.En basistilledning 22 og en emitterledning 32 for-bindes ohmsk med.henholdsvis basis 16 og motstandshinnen 26 ved ohmske kontakter 24 og 28. Kontakten 24 består av et avleiret metallag i form av en rektangulær ramme som dekker i det minste en del av basis 16, som kommer frem til flaten 12, og hvor isolasjonslaget 20 er fjernet. Den

selektive fjernelse av oksydlaget kan skje ved fotoetsing. På lik-nende måte dannes kontakten 28 ved avleiring av et rektangulært lag av ledende materiale over eller under motstandshinnen 26. Kontaktene 24 og 28 fremstilles av et metall som har hoy ledningsevne og er i stand til å danne ohmsk kontakt både med en halvleder og med motstandshinnen, f.eks. aluminium. Kontaktene kan dannes ved vakuumfordampnlng gjennom en maske for dannelse av det bnskede monster eller ved .avleiring over hele overflaten av skiven 10, hvoretter de uonskede deler fj<ernes ved etsing eller på annen kjent måte for dannelse av det bnskede monster. Denne siste metode er beskrevet i U.S.A. patent nr. 3.108»359> Gordon E. Moore og Robert N. Noyce. Når kontaktene er blitt avleiret-, blir det hele vanligvis oppvarmet for dannelse av legering ved over-gangsflåtene mellom metall og silicium, slik at det oppnås ohmsk kontakt. Basisledningen 22 og emitterledningen 32 kan fastgjores til de ledende hinner, henholdsvis 24 og 28, ved kjente metoder for påfbring eller sveising, såsom ultralydforbindelse, termokompresjonsforbindelse eller som beskrevet i U.S.A. patent nr. 2.981.877, utstedt 25. april I96I til Robert N. Noyce.

Transistoren ferdiggjores ved fastgjorelse av en elektrisk kontakt til kollektoren 14, hvilket kan skje i form av en metallbekledning 34» som ved plettering eller vakuumavleiring påfbres hele baksiden av skiven 10.

Den viktigste forskjell' mellom transistoren ifblge oppfinnelsen og kjente'transistorer er tilfbyelsen av motstandshinnen 26. Denne hinne gir bare en liten bkning av den totale motstand mellom emitterledningen 32 og basis-emitter-overgangen. Spenningsfallet over den tilfbyde motstand vil normalt ligge mellom 0,1 og 1,0 volt. Mot-standsverdien er hovedsakelig en funksjon av hinnens tykkelse, bredde og lengde. Motstanden til et lite område, f.eks. en varm flekk 36,

vil kunne ha en. verdi i området I-30 ohm.. Denne hbye motstand til-skrives det forhold at den effektive bredde av strbmbanen gjennom hinnen til en enkelt flekk er meget liten, så at motstanden er meget hoy. Den hbye motstand begrenser den strbm som vil kunne konsentreres i en varm flekk. Dette vil igjen nedsette muligheten for at en varm flekk vil medfbre permanent beskadigelse av transistoren, og vil mulig-gjbre hbyere strømtettheter, hvilket tillater utforming av små apparater med hoy effekt. Motstandshinnen vil således stort sett virke som et middel som vil fremtvinge ensartet injeksjon fra et emitterområde.. Slik ensartet injeksjon medvirker til å oke stabiliteten med hoy f.re-

kvens og meget lav strbm-hfe (overfbringsforholdet for strom i gjennom-gangsretningen ved felles emitter, lavt signal, kortslutning, med ut-gangen kortsluttet for vekselstrbm).

Ovenstående beskrivelse har hovedsakelig omhandlet transistorer, særlig en forenklet effekttransistor. Selvom oppfinnelsen særlig har betydning ved effekttransistorer, vil den like godt kunne finne anvendelse ved andre apparater, såsom dioder eller inte-grerte halvlederkretslbp, hvor varme flekker, sekundær gjennomslag eller termiske tilbakeslag kan være årsak til svikten. Det må også forstås at oppfinnelsen vil kunne anvendes ved mere kompliserte tran-sistorformer, såsom den som er beskrevet i U.S.A. patent nr. 3.255*261, innlevert 19. november I963 av Helmut F. Wolf, eller ved de kjente former som dråpe, stjerne, snefnugg, pil, slbyfe og kamform.

Claims (2)

1. Transistor, omfattende en skive av halvledermateriale med et kollektorområde (14) av en fbrste ledningsevnetype, et basisområde (16) av den motsatte ledningsevnetype opp til det nevnte koHektorområde, samt et emitterområde (l8) av samme ledningsevnetype som kollektorområdet opp til basisområdet, karakterisert ved at en elektrisk ledende motstandshinne (26) er dannet over i det minste en del av emitterområdet og intimt koplet med dette, og at hinnen ved et isolerende lag (20) er isolert fra basisområdet og basis-emitter-overgangen, hvorved dannelse av varme flekker kontrolleres og beskadigelse av transistoren forhindres.

2. Transistor ifblge krav 1, karakterisert ved at en meget tynn hinne av ledende materiale er anbrakt mellom motstandshinnen (26) og den blottlagte del av emitterområdet (l8) til fremme av ohmsk kontakt mellom motstandshinnen og den blottlagte del av emitterområdet.

3« Transistor ifblge krav 2, karakterisert ved at motstandshinnen (26) består av nikrom og den nevnte meget tynne hinne består av aluminium.