PL49605B1 - - Google Patents

Description

Pierwszenstwo: 28. VIII. 1961 Holandia Opublikowano: 23. X. 1965 49605 KI. 21g, 11/02 MKP H 011 UKD fe1^^ I Polsiijf RT?f7yf.3, !b| [rnntj | Wlasciciel patentu: N. V. Philips'Gloeilampenfabrieken, Eindhoven (Ho¬ landia) Tranzystor warstwowy oraz sposób jego wytwarzania Wynalazek dotyczy tranzystora warstwowego typu p-n-p oraz sposobu wytwarzania tego tran¬ zystora, w którym cienka warstwa bazy typu n znajduje sie miedzy dwoma warstwami pólprze¬ wodnikowymi tworzacymi emiter i kolektor, które to warstwy posiadaja przewodnictwo typu p, przy czym szerokosc powierzchniowej czesci bazy, jest tego samego rzedu co szerokosc tej czesci bazy, która znajduje sie miedzy emiterem i kolektorem.Znane sa tranzystory, tak zwane tranzystory wy¬ ciagane, które uzyskuje sie przez wyciaganie z roz¬ tworu monokrysztalu, przy czym temperatura, predkosc wyciagania oraz sklad roztworu tak sa re¬ gulowane, ze miedzy emiterem i kolektorem, two¬ rzy sie wspomniana, cienka warstwa bazy.Inny znany sposób wytwarzania tranzystorów po¬ lega na stapianiu z plytka pólprzewodnikowa typu p domieszki zawierajacej donory i akceptory, przy czym predkosc dyfundowania donorów, jest wieksza, niz predkosc akceptorów, a stala segre¬ gacji akceptorów jest wieksza od stalej donorów tak, ze pod stopem tworzy sie przez dyfuzje cienka warstwa bazy o typie przewodnictwa n, a na tej warstwie, przez segregacje powstaje warstwa emi¬ tera o typie p. Takie tranzystory nalezy odrózniac od tranzystorów, w których cienka warstwa bazy znajduje sie tylko miedzy emiterem i kolektorem, a powierzchniowa czesc bazy jest grubsza. Takie tranzystory charakteryzuja sie tym, ze po obu prze¬ ciwleglych stronach plytki pólprzewodnikowej wta- 10 15 20 25 30 piona jest elektroda emitera lub kolektora albo tym, ze po obu stronach plytki, wykonane sa przez wytrawianie zaglebienia, w których, na drodze galwanicznej, sa umieszczone elektrody.Wynalazek nie dotyczy takich tranzystorów, w których powierzchniowa czesc bazy plytki pól¬ przewodnikowej jest o wiele grubsza od warstwy bazy znajdujacej sie miedzy emiterem i kolekto¬ rem.Wynalazek dotyczy w szczególnosci tranzystorów germanowych.W tranzystorach, w których powierzchniowa czesc bazy jest bardzo cienka, moga wystepowac niestalosci, szczególnie, jezeli ta czesc jest wyko¬ rzystywana do celów laczeniowych. Przy tego ro¬ dzaju tranzystorach podczas pracy, przy kilkuwol- towych wahaniach napiecia sterujacego, moga byc przepuszczane krótkotrwale prady, dajace w skut¬ kach nieprzewidziane dzialanie laczeniowe. Napie¬ cia, przy których wystepuja omówione efekty, sa o wiele nizsze od napiec, przy których wystepuje przebicie miedzy emiterem i kolektorem, przez cienka powierzchniowa czesc strefy bazy. Zjawisko to mozna tlumaczyc powstawaniem w bazie tran¬ zystora warstwy inwersyjnej, której przewodnosc zalezy od napiecia miedzy emiterem i baza, a przy zmianach napiecia, stosunkowo wolno uzyskuje sie w niej stan równowagi.3 Wynalazek ma na celu miedzy innymi, zmniej¬ szenie prawdopodobienstwa wystepowania takich niestalosci.Wedlug wynalazku powierzchniowa czesc war¬ stwy bazy, ma strefe brzegowa, która jest ciensza od przylegajacej do niej warstwy bazy i znajduje sie na jednym z dwu przylegajacych do bazy obsza¬ rów typu p.Wskutek tego odleglosc miedzy emiterem i ko¬ lektorem mierzona wzdluz powierzchni bazy, jest wieksza od odleglosci mierzonej miedzy emiterem i kolektorem, wzdluz linii prostej.Powierzchniowa czesc bazy nie musi miec takiej strefy brzegowej na calej swej dlugosci. Nie jest to wymagane szczególnie w tranzystorach pewnych typów, w których warstwa bazy ma obszary, któ¬ rych czesc powierzchniowa znajduje sie w dosc duzej odleglosci od emitera. Te czesci strefy bazy na ogól nie wywoluja niestalosci. Szczególnie ko¬ rzystnym jest, jezeli strefa brzegowa znajdujecie w obszarze emitera przylegajacego do bazy, gdyz powoduje to niewielki wzrost pojemnosci miedzy warstwa bazy a emiterem. W takich tranzystorach, pojemnosc miedzy warstwa bazy i kolektorem jest bardzo mala.Przy wykonaniu tranzystora wedlug wynalazku, strefa brzegowa jest oddzielona rowkiem od przy¬ legajacej do niej tej czesci warstwy bazy, ponad która nie ma strefy brzegowej. W zwiazku z tym, nalezy zauwazyc, ze znane juz jest tworzenie row¬ ka, na przyklad przez wytrawianie, w tym miejscu, gdzie zlacze p-n, znajduje sie na powierzchni plytki pólprzewodnikowej. Przy wykonywaniu rowka tym sposobem, odleglosc przylegajacych obszarów mie¬ rzona wzdluz powierzchni rowka nie jest wieksza od odleglosci mierzonej wzdluz linii prostej.Grubosc warstwy bazy wynosi na przyklad naj¬ wyzej jeden mikron. Sposób wytwarzania takiego tranzystora znamienny jest tym, ze na drodze elek¬ trolitycznej, wytwarzany jest element pólprzewod¬ nikowy, w którym cienka warstwa bazy typu n, jest umieszczona miedzy dwoma obszarami typu p, a szerokosc powierzchniowej czesci bazy, jest tego samego rzedu, co szerokosc bazy, miedzy przylega¬ jacymi obszarami, przy czym przynajmniej jeden z obszarów typu p jest polaczony z dodatnim bie¬ gunem zródla pradu, którego biegun ujemny jest polaczony z katoda umieszczona w elektrolicie, na¬ tomiast zlacze p-n, powstaje z drugiego obszaru typu p i bazy i jest spolaryzowane w kierunku zaporowym. Przy tym polaczenie jednego z obsza¬ rów elementu pólprzewodnikowego z dodatnim za¬ ciskiem zródla pradu nalezy tak rozumiec, ze wla¬ czony jest równiez przypadek, przy którym w po¬ laczeniu znajduje sie jeden lub wiecej elementów, na przyklad opornosc ograniczajaca. Pomimo tego, ze na ogól warstwa bazy w tym zgloszeniu ozna¬ czona jest jako taka, to warstwa ta zalicza sie tu do czesci elementu.^Sposób wedlug wynalazku polega na tym, ze wspomniana polaryzacja zaporowa powoduje po¬ szerzenie bariery nosników mniejszosciowych, ist¬ niejacej w omawianym zlaczu, i wskutek tego powierzchniowa czesc warstwy bazy, w której znaj¬ duje sie tez wspomniana bariera nosników, jest wy- 49605 4 trawiana przez elektrolit tylko w niewielkim sto¬ pniu. Wspomniana polaryzacja wynosi 1 do 5 V.Wielkosc polaryzacji moze byc utrzymywana za pomoca oddzielnego zródla napiecia. 5 Jednakze korzystnym jest, jezeli jeden z obsza¬ rów typu p przylegajacy do bazy, jest polaczony elektrycznie z katoda umieszczona w elektrolicie i z ujemnym biegunem zródla pradu* a dodatni bie¬ gun tego zródla, jest polaczony z baza, przez opor¬ nosc ograniczajaca tak, ze miedzy wspomnianym obszarem typu p i warstwa bazy, wystepuje napie¬ cie wsteczne, które jest równe napieciu zródla pra¬ du zmniejszonemu o spadek napiecia wystepujacy na opornosci ograniczajacej. W tym przypadku wy¬ starcza jedno zródlo pradu, a do tranzystora pod¬ czas wytrawiania dolaczone sa tylko dwa dopro¬ wadzenia. Ten sposób ma szczególne zastosowanie, przy wytwarzaniu tranzystorów dyfuzyjnych, gdyz takie tranzystory maja szczególnie cienka warstwe 20 bazy.Wynalazek ma zastosowanie szczególnie w tran¬ zystorach, w których elektrolityczny proces wytra¬ wiania nastepuje po zabezpieczeniu czesci po¬ wierzchni elementu pólprzewodnikowego granicza¬ cej z emiterem przed dzialaniem elektrolitu, przy czym druga czesc tej powierzchni zostaje usunieta przez wytrawienie. W tym przypadku pojemnosc miedzy emiterem i warstwa bazy zostaje ograni¬ czona do minimum, co jest bardzo korzystne, ale jednoczesnie odleglosc miedzy emiterem i kolek¬ torem mierzona wzdluz powierzchni bazy, jest szczególnie mala, przez co w tranzystorach wytwa¬ rzanych tym sposobem powstaje duze niebezpie¬ czenstwo wystepowania niestalosci. W takich s tran¬ zystorach wada ta jest usunieta przez sposób we¬ dlug wynalazku.Wynalazek jest objasniony blizej na podstawie przykladów wykonania przedstawionych na ry¬ sunku. 40 Figury 1, 2, 4 i 5 przedstawiaja schematycznie tranzystor warstwowy otrzymany przez wyciaga¬ nie, fig. 3 — schemat urzadzenia do wytrawiania tego tranzystora, fig. 6 do 11, 13 i 14 — przedsta- 45 wiaja poszczególne fazy wytwarzania tranzystora stopowo dyfuzyjnego, a fig. 12 i 15 przedstawiaja urzadzenie do wytrawiania tranzystora.Na fig. 1 jest przedstawiony element pólprzewod¬ nikowy 1, zawierajacy dwie warstwy 2 i 3 o prze- 50 wodnictwie typu p, miedzy którymi znajduje sie cienka warstwa bazy 4 o typie przewodnictwa n.Grubosc tej warstwy moze wynosic na przyklad 5 mikronów. Taki element mozna na przyklad od¬ ciac od monokrysztalu wytworzonego przez wycia- 55 ganie z roztworu, przy czym przez zmiane dozo¬ wania domieszek do roztworu lub przez zmiane predkosci wyciagania zarodzi, mozna uzyskac jedna lub wiecej cienkich warstw o przewodnictwie typu n. Na warstwach 2 i 3 umieszcza sie nastepnie 60 spoine 5 o wlasnosciach akceptora, a na warstwie 4 spoine o wlasnosciach donora (patrz fig. 2). Spoina 6 jest na ogól szersza niz warstwa 4, gdyz jest ona bardzo cienka. W tym przypadku zostaje ona umieszczona czesciowo na warstwie 2 o przewod- C5 nictwie p. Na skutek wlasnosci donorowych jakie49605 posiada spoina 6, czesc warstwy 2 przylegajaca do spoiwa ma przewodnictwo n, natomiast pod wzgle¬ dem elektrycznym stanowi ona jednosc z warstwa bazy 4.Sposób wytwarzania tego elementu oraz umiesz¬ czanie spoin jest powszechnie znane i dla wyna¬ lazku nie ma istotnego znaczenia.Gdy te spoiny zostana pozbawione warstw osla¬ niajacych 8 wykonanych z wosku, calosc zostaje zanurzona w 30%-owym roztworze wodorotlenku potasu, przy czym warstwa 3 jest polaczona z do¬ datnim zaciskiem zródla pradu 9. Zacisk ujemny jest polaczony poprzez opornosc ograniczajaca 10 z katoda 11 zawieszona w roztworze (patrz fig. 3).Podczas tej obróbki zlacze p-n, miedzy warstwa¬ mi 3 i 4 jest spolaryzowane w kierunku przewo¬ dzenia. Jak wiadomo najwiecej zostaje wytrawiona warstwa 4 typu n.Miedzy warstwami 2 i 4 wlaczone jest drugie zródlo pradu 11, które polaryzuje zlacze p-n, w kie¬ runku wstecznym, co powoduje poszerzenie bariery nosników mniejszosciowych istniejacej w war¬ stwie 4 typu n, co jest zaznaczone przerywana linia 12. Czesc warstwy bazy 12 nie jest atakowana przez roztwór lub w bardzo malym stopniu tak, ze tylko na powierzchni warstwy bazy typu n, zostaje utworzony rowek przylegajacy do warstwy 3, a na warstwie 2 pozostaje strefa brzegowa 16 (patrz fig. 4).Gdy ten element pólprzewodnikowy znajdzie za¬ stosowanie jako tranzystor, w którym warstwa 2 stanowi emiter a warstwa 3 kolektor, to staje sie jasnym, ze odleglosc miedzy tymi warstwami mie¬ rzona po powierzchni bazy 4, jest wieksza od od¬ leglosci mierzonej w linii prostej miedzy emiterem i baza. Pierwsza odleglosc wzdluz powierzchni, jest zaznaczona na fig. 5 w powiekszonej skali cyfra 17.Jezeli element pólprzewodnikowy bylby wytrawia¬ ny w zwykly sposób, bez wytwarzania warstwy 13, to w warstwie bazy utworzylby sie szeroki rowek, którego zarys jest zaznaczony na fig. 5 cyfra 18.W tym wypadku odleglosc od emitera do bazy, po powierzchni pólprzewodzacej jest o wiele krótsza.Drugim przykladem jest wytwarzanie tranzysto¬ ra stopowo dyfuzyjnego, przeznaczonego do ukla¬ dów przelaczajacych.Produktem wyjsciowym jest plytka germano¬ wa 21 (fig. 6) o grubosci 200 \i typu p i opornosci wlasciwej 1 Qcm. Na jednej stronie plytki jest na- parowana warstwa zlota 22 o grubosci 0,3 do 0,4 u, nastepnie przez ogrzewanie w czasie czterech go¬ dzin do temperatury 800° C w atmosferze wodoru, zloto dyfunduje do materialu plytki. Warstwa zlo¬ ta 22 stapia sie przy tym z germanem i znika cze¬ sciowo przez dyfuzje. Zastosowanie moze znalezc tu równiez plytka odcieta z monokrysztalu ger¬ manu do którego byla dodana domieszka na przy¬ klad zloto. W takim wypadku, górna czesc plytki zostaje wytrawiona az do grubosci 100 fi w celu usuniecia zanieczyszczenia powierzchniowego (patrz fig. 7).Na otrzymanej w ten sposób plytce, która jest oznaczona cyfra 23, sa umieszczone dwie kulki do¬ mieszkowe w odleglosci 40 \i od siebie, o srednicy 150 fi. Kuleczki te skladaja sie ze stopu olowiu 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 z dodatkiem 5% antymonu i l°/o aluminium wzgle¬ dnie ze stopu olowiu z dodatkiem 5% antymonu lub aluminium.Przez ogrzewanie przez 6 minut do temperatury okolo 750° C*w atmosferze wodoru, kuleczki zostaja roztopione (patrz fig. 8). Antymon dyfunduje z do¬ mieszki na powierzchnie plytki typu p i tworzy tu warstwe bazy 24 o grubosci 1 \i. Ta warstwa 24 pokrywa cala plytke 23 i rozciaga sie takze pod utworzonymi pólkulami 25 i 26, jak to jest poka¬ zane w powiekszeniu na fig. 8. Podczas procesu roztapiania, german rozpuszcza sie w domieszce, jednak przy stygnieciu krystalizuje sie on ponownie i pod pólkulami 25, 26 tworzy dwie warstwy 27, 28, z których pierwsza jest typu n na skutek zawarto¬ sci antymonu, a druga warstwa 28 jest typu p na skutek wiekszej rozpuszczalnosci aluminium w germanie. Warstwa 28 stanowi w ten sposób wla- iciwy emiter, natomiast warstwy 24 i 27 tworza warstwe bazy. Plytka 23 jest za kolektorem. Pod¬ czas procesu dyfuzji, pewna niewielka ilosc zlota wedruje z bezposredniego otoczenia pólkul w kie¬ runku przeciwnym do kierunku dyfuzji antymonu, przez co zmniejsza sie szkodliwe dzialanie tego „za- truwacza" w warstwie bazy. Po usunieciu war¬ stwy 24 z dolnej czesci plytki 23, na przyklad przez wytrawianie, do plytki kolektora zostaje przyluto- wane doprowadzenie 29, przy uzyciu stopu indu. z galem.Nastepnie do pólkul 25 i 26 zostaja przylutowane dwa druciki doprowadzajace 30 i 31, a calosc zo¬ staje pokryta lakierem oslaniajacym 3fc (patrz fig. 9). Ten lakier zostaje nastepnie usuniety z ca¬ lej powierzchni elementu pólprzewodnikowego z wyjatkiem przestrzeni znajdujacej sie miedzy pólkulami 25 i 26. Mozna to wykonac w ten sposób, jak to podano schematycznie na fig. 10 i 11, roz¬ pyla sie rozpuszczalnik tego lakieru, na przyklad aceton, najpierw w kierunku zgodnym ze strzal- * ka 33 a potem w kierunku strzalki 34, kierujac go na pólkule. W ten sposób tylko czesc 35 zawarta miedzy pólkulami 25 i 26 jest niedostepna dla roz¬ puszczalnika.Charakterystyczna wlasnoscia "tak wykonanej oslony 35 jest to, ze wieksza czesc pólkul 25 i 26 oraz warstwy bazy 24 pozostaje niepokryta.Element pólprzewodnikowy zostaje teraz poddany procesowi wytrawiania, co moze ponownie nastapic w 30°/o-owym roztworze wodorotlenku potasu, przy czym doprowadzenie 30 bazy i doprowadzenie ko¬ lektora 29, sa ze soba polaczone i przez opornosc ograniczajaca 40 sa polaczone z dodatnim biegunem zródla pradu ii. Napiecie tego zródla pradu moze wynosic okolo 2 V. Biegun ujemny jest polaczony z katoda 42 (patrz fig. 12). Miedzy emiterem 28 i doprowadzeniem bazy 29 wlaczone jest równiez zródlo pradu 43, które polaryzuje w kierunku wstecznym zlacze p-n. Napiecie tego zródla moze wynosic okolo 3 V. O ile to jest potrzebne, to prze¬ wody znajdujace sie w elektrolicie moga byc chro¬ nione przez oslone nie przedstawiona na fig. 12.Na skutek tej obróbki warstwa bazy 24 o prze¬ wodnictwie n zostaje usunieta przez wytrawienie, z wyjatkiem tego miejsca, gdzie znajduje sie oslo-49605 na 35, oraz wzdluz brzegu emitera 28, gdzie na sku¬ tek, dzialania zródla napiecia 43 utworzyla sie od¬ dzielna warstwa. Na zakonczenie oslona 35 zostaje rozpuszczona w acetonie.Fig. 13 i 14 przedstawiaja w powiekszeniu naj¬ wazniejsze czesci otrzymanego tranzystora.Strefa brzegowa warstwy 24 jest oznaczona cyfra 50. Ta strefa przylega do emitera 28 typu p.Grubosc tej strefy brzegowej, ze wzgledu na przej¬ rzystosc rysunku, jest przedstawiona przesadnie duza. W rzeczywistosci grubosc ta jest rzedu 0,1 mikrona. Strefa brzegowa utworzyla sie tylko tam, gdzie podczas procesu wytrawiania wywierala swój wplyw warstwa 12, dlatego tez pod pólkula 25, w poblizu czesci warstwy bazy 24 oznaczonej cyfra 51 nie utworzyla sie zadna strefa brzegowa.Fig. 15 przedstawia uproszczone urzadzenie do wytrawiania takich tranzystorów. Rózni sie ono od urzadzenia przedstawionego na fig. 12 tym, ze opor¬ nosc ograniczajaca 40 jest polaczona tylko z dopro¬ wadzeniem bazy 30, a nie jest polaczone z dopro¬ wadzeniem kolektora 29. Doprowadzenie emitera 31 jest polaczone bezposrednio z biegunem ujemnym zródla pradu 41. Jezeli napiecie zródla wynosi na przyklad 3,5 V, a spadek napiecia na opornosci wy¬ nosi 1,5 V, to do zlacza p-n, miedzy emiterem i warstwa bazy jest przylozone napiecie 2 V w kie¬ runku wstecznym. 10 ii 20 25 3. 4. 30 8 stwy bazy i jest umieszczona na jednym z dwóch przylegajacych do bazy obszarów typu p.Tranzystor warstwowy wedlug zastrz. 1 zna¬ mienny tym, ze strefa brzegowa jest umieszczo¬ na na obszarze emitera; Tranzystor warstwowy wedlug zastrz. 1 lub 2, znamienny tym, ze strefa brzegowa jest oddzie¬ lona rowkiem od obszaru kolektora.Tranzystor powierzchniowy wedlug zastrz. 1—3, znamienny tym, ze grubosc warstwy bazy nie jest wieksza od 2 mikronów.Sposób wytwarzania tranzystora warstwowego wedlug zastrz. 1—4, znamienny tym, ze na dro¬ dze elektrolitycznej wytrawiany jest element pólprzewodnikowy, którego cienka warstwa bazy typu n, znajduje sie miedzy dwoma przy¬ legajacymi obszarami typu p, przy czym szero¬ kosc powierzchniowa czesci bazy, jest tego sa¬ mego rzedu co szerokosc miedzy przylegajacymi obszarami, a przynajmniej jeden z obszarów typu p tego elementu jest polaczony z dodatnim biegunem zródla pradu, którego biegun ujemny jest polaczony z katoda umieszczona w elektro¬ licie, natomiast zlacze p-n, powstale z drugiego obszaru typu p i bazy jest spolaryzowane w kie¬ runku wstecznym. PL

Claims (1)

1. Zastrzezenia patentowe 6. Sposób wedlug zastrz. 5, znamienny tym, ze na¬ piecie polaryzacji wynosi 1 do 5 volt. Tranzystor warstwowy zawierajacy element pól¬ przewodnikowy, w którym cienka warstwa bazy o przewodnictwie typu n znajduje sie miedzy dwoma pólprzewodzacymi czesciami o przewod¬ nictwie typu p, stanowiacymi emiter i kolektor, przy czym szerokosc powierzchniowej czesci bazy tranzystora jest tego samego rzedu co sze¬ rokosc tej czesci bazy, która znajduje sie miedzy emiterem i kolektorem, znamienny tym, ze po¬ wierzchniowa^, czesc bazy ma strefe brzegowa, która jest ciensza od przylegajacej do niej war- 40 45 7. Sposób wedlug zastrz. 5 lub 6, znamienny tym, ze jeden z obszarów typu p, jest polaczony elek¬ trycznie z katoda umieszczona w elektrolicie oraz z ujemnym biegunem zródla pradu, przy " czym dodatni biegun zródla pradu jest polaczo¬ ny przez opornosc ograniczajaca z warstwa bazy tak, ze miedzy wspomnianym obszarem typu p i baza istnieje wsteczne napiecie polaryzacji, które jest równe napieciu zródla pradu zmniej¬ szonemu o spadek napiecia na opornosci ogra¬ niczajacej. J49605 oo O Ll o O U. o IG. Li. I 0- 1 1 T c CL lp 649605 FIGJ3 FIG.U FIG.15 • BIBLIOTEKA U rzadu Palantowego Polskie- Riaczyp^iitij Ltftitl RSW „Prasa" Wr. Zam. 648/65. Naklad 400. PL