SE425201B - Effekttransistor av minoritesberartyp - Google Patents

Description

10 15 420 25 30 35 H0 7714902-9 _ 2 till uppträdandet av en som switch använd transistor i de faser som följer efter det ögonblick då frânslag initierats, vilka faser de- finieras av de tider som benämnes "efterledningstidä och."falltid". _De-tider som uppträder vid tillslag och benämnes-"fördröjningstid" och "stigtid" kommer inte att beaktas här. .

Olika kända möjligheter att minska efterlednings- och fallti- derna hänför sig i huvudsak till kollektor- och basskiktens tjock- 'lek och resistivítet och till emitterverkningsgraden. När dessa kända metoder används vid konstruktionen av en transistor som måste optimeras för att arbeta í det aktiva området med så hög kollektor- -emitterspänning som möjligt, leder dock detta oundvikligen till avsevärd reducering av maximispänningen och även till ändringar av h ).

CEsat' FEsat _ _ Ett ändamål med uppfinningen är att minska kollektorströmmens andra parametrar (V efterlednings- och falltider utan att vare sig maximispänningen sänks eller de andra parametrarna förändras. Företrädesvis uppnås detta genom enkla åtgärder utan förändring av tillverkningsmetodens olika steg och således utan_förhöjda.kostnader. Detta resultat kan -dock även uppnås genom variation av tillverkningsmetoden, vilket, såsom kommer att förklaras nedan, förändrar kostnaden. _Det är ändamålsenligt att först separat beskriva tillverkning- ens olika varianter och därefter de olika varianterna av anordning- ens inre uppbyggnad, eftersom en beskrivning av de förra underlät- tar en beskrivning av de senare. ' Enligt en första föredragen utföringsform avser tillverknings- variationerna endast den s.k. emittermasken. Enligt känd teknik är det huvudsakliga syftet med denna mask att på ytan av en av kisel bestående enkristall åstadkomma områden avsedda för mottagning av ett störämne, vilket därefter på känt sätt indiffunderas under ett följande tillverkningssteg. För att utöva uppfinningen på mest eko- nomiska sätt förses emittermasken förutom med sina normala emitter- öppningar även med ett antal ytterligare öppningar, som antingen är hopförda med varandra eller belägna i separata grupper. Dessa ytter- ligare öppningar är isolerade från emitteröppningarna och belägna på basomrâdena, varvid de är lokaliserade så att de åtminstone del- vis ligger på de delar av basområdena som används för bildning av baskontakter. Dessa ytterligare öppningar karakteriseras av sin ne- dan definierade, effektiva perimeter, som är belägen på förutbestämt, konstant eller variabelt avstånd från emitteröppningens kantlinje. ' Sistnämnda kantlinje definierar vid kända, efterföljande tillverk- 10 15 20 25 30 35 H0 7714902-9 ningssteg emitter-basövergången på kristallytan. Dessa ytterligare .öppningar har vidare en av sina dimensioner förlöpande vinkelrätt mot emitteröppningens kantlinje i det masken innehållande planet, varvid en dylik dimension åtminstone delvis överlappar basens me- tallkontakt mätt längs samma riktning. Storleken och formen av den- na baskontakt bestäms på känt sätt av metalliseringsmasken vid ett efterföljande steg under tillverkningen. Den effektiva perimetern för dessa ytterligare öppningar vetter mot alla emitter-basövergång- ar belägna i kristallens yta. För att förtydliga begreppet "effek- tiv perimeter" i samband med dessa ytterligare öppningar kan det observeras att en dylik ytterligare öppning består av en infinit- esimal rektangelyta som uppvisar två sidor vilka inte är användbara tillsammans-med de tidigare eller senare åstadkomma öppningarna, under det att de tvâ resterande sidorna utgör de effektiva sidorna.

Summan av alla effektiva sidor är den effektiva perimetern. Om de ytterligare öppningarna är samlade i grupper, kommer inom varje grupp de båda ytterst liggande öppningarna att ha tre användbara sidor. ' Detta sätt att illustrera de ytterligare öppningarna gör det möjligt att demonstrera dessas tillämpbarhet vid varje utseende av de vid'kristallytan befintliga emitter-basövergångarna, eftersom - såsom nämnts ovan - den effektiva perimetern ligger på ett bestämt konstant eller variabelt avstånd från den angränsande emitter-bas- övergångslinjen. De ytterligare öppningarnas effektiva perimeter bildar perimetern för det diffunderade område som nedan kommer att benämnas ytterligare diffusionsområde. Om de ytterligare öppningar- na är arrangerade i grupper, utgör nämnda ytterligare diffusions- omrâde summan av dessa gruppers - efter dopning och diffusion bil- dade - områden. Orsaken till att de ytterligare öppningarna vid den första utföringsformen av uppfinningen bildas på just emittermasken är att de diffunderade emitteromràdena och de ytterligare diffusions- områdena dopas med samma störämne, varför det är praktiskt att båda dessa typer av områden bildas vid en samtidig operation.

Uppfinningen kan emellertid även realiseras pâ ett andra sätt, nämligen genom användning av dyrare tillverkningsmetoder innefattan- de en av emíttermasken oberoende mask som huvudsakligen är försedd med de ytterligare öppningarna, varvid respektive dopnings- och diffusionsprocesser ej sammanfaller med de processer som används för emitterbildningen. Enligt en tredje utföringsform bildas emit- tern på annat sätt än genom diffusion, varvid även i detta fall en 10 15 20 25 30 35' 40 digtillverkad beskrives nedan så att fackmannen kan jämföra dem med _ 7714902~9 H speciell'mask används för de ytterligare öppningarna..* _ De vid de tre olika maskeringsmetoderna bildade varianterna av enkristallens inre uppbyggnad efter det att transistorn är fär- konventionella uppbyggnader. _ 7 I enkristallen bildas vid de ytterligare öppningarna nämnda ytterligare diffusionsomrâden, vilka är av samma ledningstyp som de- ' angränsande emitterområdena. De ytterligare_diffusionsområdena är D isolerade från dessa emitterområden men direkt förbundna med de om- givande basomrâdena medelst basmetalliseringarna. Basområdena är "definítionsmässigt" (transistor av minoritetsbärartyp)-dopade så att de är av motsatt ledningstyp relativt emittern, under det att baskontakten i enlighet med uppfinningen täcker åtminstone en del- av de ytterligare diffusionsområdena. Pluralformerna "emitteromrâ- den" och "basområden" har använts för att betona att dessa områden vetter mot respektive ytterligare diffusionsomrâden. Följaktligen står-baskontakten iohmsk kontakt ej endast med det diffunderade bas- området utan även med det ytterligare diffusionsomrâdet, varför res- pektivé övergång - i fortsättningen benämnd "ytterligare övergång" - blir kortsluten. Den ytterligare övergången bildas således dels av ett som emitter dopat område beläget inom basområdet, dels av detta omgivande basomrâde. Den ytterligare övergången sträcker sig från kristallens yta, där den sammanfaller med de ytterligare diffu- sionsområdenas perimeter, till samtliga punkter som med avseende på djupet begränsar dessa områdens volym. _ I f _ De ytterligare diffusionsområdenas djup jämfört med emitter- 1 områdets djup beror på de ovan beskrivna olika tillverkningsmetoder- Å na. Vid en anordning tillverkad enligt den första metoden är dessa ; båda djup lika stora, under det att de båda andra tillverkningsme- V toderna antingen ger lika djup eller djup som skiljer sig från var- andra.

För att kortsluta den ytterligare övergången är det tillräck- ligt att den ohmska kontakten âstadkommes utefter endast en del av den effektiva perimetern. En på detta sätt konstruerad transistor fungerar på följande sätt. Såsom är känt, innehåller transistorns bas vid ledtillstånd ett stort antal minoritetsbärare, vilka bring- ats tränga in i basen från emittern. Dessa minoritetsbärare måste bortföras inom en viss tidrymd (falltiden) för att fullborda spärr- ningen efter det att efterledningstiden förflutit eller efter det ' att alla i kollektorområdet befintliga minoritetsbärarna bortförts. 10 15 20 25 30 7714902-9 Vid föreliggande-uppfinning är den ytterligare övergången kortslu- ten och kan därför ej förändra sitt jämviktstillstånd. Följaktligen kommer de minoritetsbärare i basen som befinner sig nära den ytter- ligare övergångens spärrskikt, att nå jämviktskoncentration vid den- na övergång. Denna jämviktskoncentration är mycket lägre än motsva- rande koncentration i en transistor utan det ytterligare diffusions- omrâdet. Således reduceras det antal minoritetsbärare som måste bortföras, varför falltiden och i viss mån även efterledningstiden förkortas. De fördelar som uppnås med uppfinningen demonstreras av de medelvärden som uppmättes för femtio konventionella NPN-transis- torer (nedan benämnda “typ 1") och samma antal NPN-transistorer för- sedda med det enligt uppfinningen utförda ytterligare diffusionsom- rådet (typ II). Såväl transistorerna av typ I som de av typ II till- verkades samtidigt på en och samma kiselskiva. _ i_ Maximispänningsdata för transistorerna av typ I och typ II var BV 1000 V LV = 550 V CBO CEO Vid mätningen av efterledníngstiden (ts) och falltiden (tf) rådde följande mätvillkor för den testade kretsen, vilken innefat- tade en resistans RCC inkopplad mellan en spänningskälla +VCC och kollektorn, vilken spänningskällas andra pol var ansluten till emit- tern, varjämte en generator för alstring av basströmmarna Ißon och I var inkopplad mellan basen och emittern: Boff.

Ic 2,5 A Ißon +0,5 A V R CC 100 ohm Ißøff -1,0 A CC +250 V De uppmätta värdena var: Transistortyp II 1,1 ps 0,12 ps Transistortyp I ts 1,5 ps r o,as ps f Icke begränsande utföringsformer av en i enlighet med uppfin- ningen uppbyggd NPN-transistor med inhomogent dopad bas visas i bifogade figurer. Uppfinningen är dock tillämpbar även vid PNP- transístorer och vid transistorer med homogen bas. Pig. 1 är en partiell planvy av en enligt uppfinningen utförd anordning innefat- tande en monokristallin kiselskiva betraktad från den med emitter- och basområdena försedda ytan, varvid två olika sätt att åstadkomma och metallísera den ytterligare övergången finns. §ig¿_2 är ett partíellt tvärsnitt av anordningen i fig. 1 och uppvisande emitter-, 10 15 20 25 30 35 H0 .7714902-9 6. bas- och kollëktoromrâdena samt de till den ytterligare övergången hörande elementen. Pig. 3 är en mot fig. 1 svarande partiell planvy av ett annat utförande av den monokristallina kiselskivan, och _fig. U är ett partiellt tvärsnitt av anordningen enligt fig. 3 och i! uppvisande emitter-, bas- och kollektoromrâdena samt de till den ytterligare övergången hörande elementen. Även vid denna utförings- form finns tvâ olika sätt att åstadkomma och metallisera den ytter- “ ligare övergången." _ .' ' i_Den icke skalenliga planvyn av kristallens yta.i fig. 1 illust- V - rerar en utföringsform av uppfinningen tillämpad vid en NPN-transis- tor av den typ som har inhomogent dopad bas, varjämte den ytterli- gare övergângen representeras av de tvâ "ändlösa" linjerna x, y. En linje 10 anger emitter-basövergången och en linje 11 bas-kollektor- övergången. Enkristallens kropp, som bildar den kring basomrâdet liggande kollektorn, anges med hänvisningsbeteckningen 6. Det dif- funderade emitteromrâdet betecknas med 4 och basomrâdet med 5. Det ytterligare diffusionsområdet anges allmänt med 8 och 8', vilka skiljer sig från varandra därigenom att området 8 helt täcks av bas- kontaktens metallisering, under det att-området Bf endast delvis täcks av denna metallisering. Såsom framgår av fig. 2 sammanfaller baskontaktmetalliseringens kant 9 med kanten för ett med 12 beteck- nat dielektrikum. Områdena 8 och 8' behöver inte utföras i ett styc- ke utan kan även vara separata.

'Fig. 2 visar ett längs linjen A-A utfört tvärsnitt av anord- ningen i fig. 1. Den med metallkontakt 3 försedda kollektorn består av ett N+-skikt 7 och ett N-skikt 6. I sistnämnda skikt 6 finns ett P+-dopat basområde 5 som diffunderats under ett första steg av till- verkningsprocessen. I basområdet 5 har därefter under samtidig dif- fusion bildats emittern U och de N++-dopade ytterligare diffusions- områdena 8, 8'. Hela emitter-basövergången 10 liksom en del av den a ändlösa ytterligare övergången x skyddas av ett dielektrikum 12.

Basmetalliseringen 2, som begränsas av dielektriket 12 längs den ändlösa linjen 9, täcker hela y-linjen liksom en avsevärd del av x-linjen. Emittermetalliseringen betecknas med 1. Med undantag för de ytterligare diffusionsområdena 8 och 8' har resterande delar av det i fig. 2 visade tvärsnittet en uppbyggnad svarande mot en normal planartransistor tillverkad på känt sätt. Diffusionsområdena U har ett djup svarande mot områdenas 8, 8'<fiup, men de kan även vara grundare eller djupare. " ' mDen icke skalenliga planvyn av kristallens yta i fig. 3 illust- 10 15 20 25 30 7714902-9 rerar en utföringsform av uppfinningen tillämpad vid en NPN-tran- sistor av den typ som har inhomogent dopad bas. Såsom framgår av figuren har transistorn tio ändlösa ytterligare övergångar, visade med de med a, b, c, d, e, f, g, h, i och 1 betecknade linjerna, samt nio från varandra skilda ytterligare diffusionsområden. Emit- ter-basövergângen betecknas med 10 och bas-kollektorövergàngen med 11. Den del av kristallkroppen som bildar den utanför basområdet liggande kollektorn anges med hänvisningsbeteckningen 6. Det diffun- 'derade emitterområdet anges med 4 och basområdet med 5. De ytterli- gare diffusionsområdena 8" och 8"' är alla dopade som emitterområdet och representerar dessa områden utförda med respektive utan distinkt gruppering. Sålunda har området 8" åtta separata, ändlösa ytterli- gare övergångar, nämligen de representerade av linjerna c, d, e, f, g, h, i och l, vilka alla ligger under basmetalliseringen 2 och i enlighet med uppfinningen helt kortsluts av denna, under det att om- rådet 8'" ej är uppdelat utan endast begränsas av två ytterligare övergångar representerade av de ändlösa linjerna a och b, av vilka. den senare i enlighet med uppfinningen delvis kortsluts av baskon- takten 9. Såsom framgår av fig. Q, sammanfaller baskontaktens 9 be- gränsningslinje med dielektrikets 12 begränsningskant. Vidare ut- gör dessa områdens form, såsom dessa i figuren visas begränsade av nämnda linjer a-1, ett av de möjliga fall då avståndet mellan den ytterligare övergången och bas-emitterövergångens perimeter är va- riabel. _ Pig. N visar ett tvärsnitt genom den i fig. 3 visade anord- ningen längs linjen B-B. I fig. M används samma hänvisningsbeteck- ningar som i fig. 2 för motsvarande detaljer med undantag av beteck- ningarna B" och 8"' avseende de ytterligare diffusionsområdena.

Emitterområdenas H diffusionsdjup visas lika med djupet för områdena 8" och 8"', men kan även vara större eller mindre. ___.._-_~__---_

Claims (1)

1114902-9 e 8 . i âfflï i

1. Effekttransistor av minoritetsbärartyp uppbyggd av enkris- tallin kisel, med ett inhomogent eller homogent dopat basomràde (5), Ii vilket ett emitterområde_(U) indiffunderats, k ä n n e t e cuk n a d av att transistorn, utanför hela den till kristallytan gränsande perimetern för emitter-basövergängen (10l, uppvisar ett antal ytterligare diffusionsomráden (8, 8'; 8", 8"Û, vilka är belägna på ett förutbestämt - konstant eller varierande - avstånd från nämnda perimeter; att dessa ytterligare diffusionsomf råden har samma ledningstyp som emitteromrâdet (R), är belägna i basomrâdet (5) och är isolerade från emitteromrâdet; och att de yt- terligare diffusionsområdena på kristallytan bildar ett godtyckligt antal ändlösa, ytterligare övergångslinjer (x, y; a-1), vilka var och en åtminstone delvis kortslutes av en metallisering (2) som även bildar baskontakt.

2. Transistor enligt kravet 1, k ä n n e t e*c k n a d av att antalet ändlösa, ytterligare övergångslinjer är tvâ (fig. 1, 2).

3. Transistor enligt kravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att.emittern och de ytterligare diffusionsområdena är samtidigt âstadkomna med hjälp av en modifierad emittermask.

9. Transistor enligt kravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att de ytterligare díffusionsomrâdena-är åstadkomma medelst en eller flera, från emittermasken skild mask. gí5. Transistor enligt kravet 4, k ä n n'e t-e c k n a d av att de ytterligare diffusionsområdena har ett djup som skiljer sig från emitteromrâdets djup. '6. Transistor enligt kravet 5, k ä n n e t e c k n a d av att de ytterligare diffusionsomrâdena är erhållna medelst en eller flera masker, under det att emitterområdet är bildat på annat sätt än_genom diffusion. ANFURDA PUBLIKATIONER: u