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, Leistungstransistor mit einkristallinem Halbleitergrundkörper
Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungstransistor mit einkristallinem Halbleitergrundkörper, der mindestens zwei verhältnismässig grossflächige, hochdotierte Gebiete von gegebenem Leitfähigkeits- typ und zwischen diesen ein weniger hochdotiertes Basisgebiet vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, das über je einen p-n-Übergang an die beiden andern Gebiete grenzt.
Ein Hauptziel der Erfindung besteht darin, eine möglichst günstige Auslegung des Leistungstransistors insbesondere für die Ver- wendung als Schalttransistor mit hoher Schaltleistung und grosser Leistungsverstärkung, d. h. hinsichtlich einer möglichst hohen Sperrspannung des kollektorseitigen p-n-Überganges und gleichzeitig hinsichtlich eines möglichst hohen Stromverstärkungsfaktors zu erzielen. Demgemäss besteht die Erfindung darin, dass der spezifische elektrische Widerstand p in Ohm cm des Halbleitermaterials des Basisgebietes und die in
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im Bereich zwischen der Hälfte und dem Doppelten des Wertes----'"-OhmEk in V/cm die kritische elektrische Feldstärke des Halbleitermaterials des Grundkörpers bedeuten.
Folgende Tabelle gibt eine Übersicht der entsprechenden Zahlenwerte.
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<tb>
<tb>
Germanium <SEP> : <SEP> Silizium <SEP> : <SEP>
<tb> e <SEP> 16 <SEP> 12
<tb> Ek <SEP> zirka <SEP> 2. <SEP> 105 <SEP> zirka <SEP> 2.105
<tb> n-Typ <SEP> p-Typ <SEP> n-Typ <SEP> p-Typ
<tb> fi <SEP> 3600 <SEP> 1800 <SEP> 1500 <SEP> 500
<tb>
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Werte von p.
An Hand der Zeichnung sollen die Erfindung und die ihr zugrunde liegenden Erkenntnisse näher erläutert werden.
Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 ein Leistungstransistorelement in stark vergrösserter und schematisierter Darstellung. Die Fig. 2 und 3 enthalten Schaubilder der durch verschiedene Grössen gegebenen Grenzen der Sperrspannung in Abhängigkeit vom spezifischen Widerstand bei einem p-n-p-und einem n-p-nLeistungstransistor aus Silizium. Die Erfindung ist aber nicht auf Silizium-Transistoren beschränkt, sondern hat ebenso Geltung für Leistungstransistoren aus Germanium. Sie kann auch auf andere Halbleiterstoffe mit Diamantgitterstruktur angewendet werden.
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Für die weiteren Ausführungen werde beispielsweise von einem n-p-n-Transistor ausgegangen, dessen Querschnittsprofil in Fig. 1 wiedergegeben sei. Er ist hergestellt aus einem scheibenförmigen Sili- zium-Einkristall vom p-Leitfähigkeitstyp. Auf seiner Unterseite ist durch Einlegieren einer antimonhal- tigen Goldfolie ein Kollektor C hergestellt, der somit aus einer metallisch leitenden, antimonhaltigen Gold-Silizium-Legierungsschicht besteht, welcher ein hochdotierter n-leitender Bereich vorgelagert ist, welcher bis zum kollektorseitigen p-n-Übergang je reicht. Der Kollektor erstreckt sich über die ganze Fläche der Unterseite der Siliziumscheibe.
Auf der gegenüberliegenden Seite ist in derselben Weise und mit denselben Stoffen ein Emitter E einlegiert, dessen Gebiet bis zum emitterseitigen p-n-Übergang jE reicht. Er umfasst eine Fläche von geringerem Radius als der Kollektor C und ist von einer ringförmigen Basiselektrode A umgeben, welche durch Einlegieren von Aluminium hergestellt sein und somit aus einer Aluminium-Silizium-Legierung (Silumin) bestehen kann. Ihm ist eine hoch p-dotierte Schicht vorgelagert, die bis zur Grenzfläche a reichen möge. Die Basiselektrode A bildet einen sperrfreien Kontakt fUr den übrigen, unverändert gebliebenen Teil der Siliziumscheibe, welcher das Basisgebiet B bildet und zwischen dem Emittergebiet und dem Kollektorgebiet die Dicke W hat. Der Transistor möge im Durchlasszustand im Bereich "hoher Injektionen" arbeiten.
Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen und Überlegungen : Die wesentliche Forderung für den gesperrten Transistor ist die nach einer ausreichend hohen Grenze der Sperrspannung des kollektorseitigen p-n-Überganges je. Dessen Sperrspannung ist zunächst einmal begrenzt durch den Steilanstieg des Sperrstromes bei Erreichen einer kritischen Randfeldstärke Ek. Dieser Steilanstieg wird bekanntlich ausgelöst entweder durch den sogenannten Zenereffekt oder durch Ausbildung einer Trägerlawine infolge Stossionisation. Bei Annahme einer gleichmässigen Störstellendichte nr) + im Basisgebiet B ergibt sich die
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Sie liegt umso höher, je niedriger die Dotierung des Basisgebietes bzw. je höher sein spezifischer Widerstand ist. Dies zeigen die Kurven a in den Fig. 2 und 3.
Beide Kurven beruhen auf Messungen von Sperrkennlinien bei p-n-Übergängen. in Siliziumkörper. Die Kurve a der Fig. 2 wurde der Arbeit von Mc Kay "Avalanche breakdrown in Silicon", Phys. Rev. Bd. 94 [1954]. S. 877 - 884, entnommen. Die Kurve a in Fig. 3 ist in der Arbeit von Herlet und Patalong "Die Sperrfähigkeit von legierten Silizium-Flächen-
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! r eEin Sperrichtung die kollektorseitige Raumladungszone in das Basisgebiet hinein. Man wird nun verhindern müssen, dass diese Raumladungszone bis in das Emittergebiet durchgreift, da sonst ebenfalls ein Steilanstieg des Sperrstromes am kollektorseitigenp-n-Übergang einsetzt. Dieser Vorgang ist als "punch through" bekannt.
Die Dicke 1 der Raumladungszone muss also auf jeden Fall kleiner bleiben als die Dicke W des Basisgebietes. Die durch diesen zweiten Effekt definierte Grenzspannung für 1 = W
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stellt also ebenfalls eine obere Grenze für die maximal erreichbare Sperrspannung dar, die für jeweils zwei Werte der Basisdicke W in den Kurven b in Fig. 2 und 3 wiedergegeben ist, und führt zu der Forderung
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Die beiden Forderungen (2) und (4) sind nur im Gebiet unterhalb der Kurven a) und b) in Fig. 2 und 3 miteinander verträglich.
Die maximal erreichbare Sperrspannung Umax erhält man für UB = UD, also jeweils fUr den Schnittpunkt der Kurve a mit einer der beiden Kurven b in Fig. 2 und 3, der einen optimalen p-Wert des Basisgebietes
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festlegt ; popt hängt allerdings noch von der Dicke W des Basisgebietes ab. Durch Einsetzen von (5) in (3) finden wir die maximal erreichbare Sperrspannung
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Die Gleichung (5) liefert eine Dimensionierungsvorschrift für den optimalen spezifischen Widerstand des Basisgebietes.
Eine Übersicht über die hieraus resultierenden optimalen Verhältniswerte von p/W gibt folgende Tabelle :
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<tb>
<tb> Typ <SEP> Germanium <SEP> Silizium <SEP>
<tb> n-p-n <SEP> 2 <SEP> 500 <SEP> Ohm <SEP> 10 <SEP> 000 <SEP> Ohm
<tb> p-n-p <SEP> 1 <SEP> 000 <SEP> Ohm <SEP> 3 <SEP> 000 <SEP> Ohm
<tb>
Eine weitere Dimensionierungsvorschrift kann aus (6) abgelesen werden. Die Gleichung (6) besagt, dass zur Erzielung einer ausreichend hohen Sperrspannung die Dicke W des Basisgebietes nicht zu klein sein darf. Um den Transistor mit einer vorgegebenen Sperrspannung Ua betreiben zu können, ist nach (6) zu fordern :
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Die Dicke W des Basisgebietes ist anderseits durch die mittlere Diffusionslänge L der Ladungsträger in diesem Gebiet nach oben begrenzt. Sie soll vorteilhaft kleiner sein als 1/3 L.
Diese Forderung kann naturgemäss umso leichter erfüllt werden, je grösser die Diffusionslänge L des verwendeten Halbleitermaterials ist. Da nun aber die praktisch erreichbare Diffusionslänge nach oben begrenzt ist, ist man gezwungen, mit einer verhältnismässig geringen Dicke W des Basisgebietes auszukommen. Hier bietet dann die Wahl des günstigsten Wertes des spezifischen Widerstandes nach Gleichung (5) die Möglichkeit, hinsichtlich der höchstzulässigen Sperrspannung das Äusserste herauszuholen.
Übrigens ist eine geringe Dicke W des Basisgebietes auch im Hinblick auf eine hohe Frequenzgrenze bzw. geringe Eigenzeit des Transistors vorteilhaft.
Geht man für die praktische Ausführung eines Silizium-Transistors beispielsweise von der Grundforderung aus, dass er der normalen Netzwechselspannung von 220 Veff gewachsen sein soll, so wird man mit Berücksichtigung des zugehörigen Scheitelwerte von 314V und eines Sicherheitszuschlages für Netzschwankungen den geforderten Wert der höchstzulässigen Sperrspannung z. B. auf 400 V festlegen.
Dafür benötigt man nach Fig. 2 und 3 bzw. nach Gleichung (6) eine Mindestdicke des Basisgebietes von W =0, 004 cm. Da dieser Mindestwert keine Toleranz für fabrikatorisch bedingte Schwankungen enthält, und da ferner auch der gewünschte spezifische Widerstand nur mit einem gewissen Streubereich wirtschaftlich herstellbar ist, so wird man diesen Umständen durch einen weiteren Sicherheitszuschlag Rechnung tragen und daher eine grössere Dicke W des Basisgebietes wählen. Man erhält dann im Beispiel eines n-p-n Silizium-Transistors (Fig. 3) eine gewünschte Sperrspannung von 400 V für W = 0,005 cm in einem p-Bereich zwischen 45 und 60 Ohm cm, Optimalwert 53 Ohm cm, für W = 0,006 cm in einem
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reich von 45 bis 120 Ohm cm, Optimalwert 80 Ohm cm.
Für geringere Sperrspannungen sind die p-Bereiche entsprechend grösser.
Wegen schwer vermeidbarer Ungenauigkeiten bzw. Schwankungen bei der Herstellung müssen unter Umständen Abweichungen des Wertes p/W von dem durch Gleichung (5) gegebenen Optimalwert in Kauf genommen werden. Sie sind aber erträglich, wenn sie nach der oben gegebenen Vorschrift den Faktor 2 nach oben oder unten nicht überschreiten. Hiebei sind für eine gegebene Dicke W Abweichungen des p-Wertes nach oben meist vorzuziehen, weil die obere Grenze (Kurven b) von den Unvollkommenheiten bei der Herstellung weniger stark abhängig ist als die untere (Kurve a).
Bei der Herstellung eines Leistungstransistors nach der Erfindung wird man am besten so verfahren, dass zur Erreichung des für eine gegebene Dicke W des Basisgebietes günstigsten Wertes bzw. zulässigen Wertbereiches des spezifischen Widerstandes das Ausgangsmaterial für den Halbleiterkörper zunächst bis auf einen höheren spezifischen Widerstand gereinigt und dieser durch nachträgliche willkürliche Dotierung auf den angestrebten Wert herabgesetzt wird.
PATENTANSPRÜCHE : l. Leistungstransistor mit einkristallinem Halbleitergrundkörper, der mindestens zwei hochdotierte Gebiete von gegebenem Leitfähigkeitstyp und zwischen diesen ein weniger hoch dotiertes Basisgebiet vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, das über je einen p-n-Übergang an die beiden andern Gebiete grenzt, dadurch gekennzeichnet, dass der spezifische elektrische Widerstand p des Halbleitermaterials des Basisgebietes und die in cm angegebene Dicke W dieses Basisgebietes so aufeinander abgestimmt
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Ohmu in cm /V sec die Beweglichkeit der Majoritätsträger im Basisgebiet und -Ek in V/cm die kritische elektrische Feldstärke des Halbleitermaterials des Grundkörpers bedeuten.
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