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Transistor
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sich zur Verwendung in einer äusserst empfindlichen selbsttätigen Verstärkungsregelung eignet.
Hat der dickere Teil der Basiszone einen höheren spezifischen Widerstand als der dünnere Teil, so ist der Bereich, über den eine selbsttätige Verstärkungsregelung mittels des Transistors erzielt werden kann, grösser als in dem vorerwähnten umgekehrten Fall. Die Empfindlichkeit ist dabei jedoch geringer, so dass ein höherer Einstellstrom notwendig ist, um den Transistor von einem äussersten Zustand in den andern zu bringen. In vielen Fällen, in denen ein grosser Bereich, über den eine selbsttätige Verstärkungsregelung erzielt werden kann, erwünscht ist, ist dies jedoch nicht wesentlich.
Es sei bemerkt, dass der dünnere und der dickere Teil der Basiszone, z. B. diffundierte Zonen, sein können, die nicht einen homogenen spezifischen Widerstand haben. Unter dem spezifischen Widerstand einer Zone soll hier stets der mittlere spezifische Widerstand verstanden werden, der als derjenige imaginäre spezifische Widerstand definiert ist, den die Zone, wenn sie einen homogenen spezifischen Widerstand hätte, haben müsste, um das gleiche Leitungsvermögen aufzuweisen wie die Zone tatsächlich besitzt.
Es wird einleuchten, dass der erzielbare Verstärkungsregelbereich des Transistors in dem Masse grö- sser ist wie der Unterschied in der Wirkung in den zwei äussersten Zuständen grösser ist. Es ist daher zu bevorzugen, eine Konfiguration des Transistors vorzusehen, bei der mindestens 90 % des Emitterstromes durch den dünneren Teil der Basiszone geführt werden kann. Es ist weiter empfehlenswert, eine Konfiguration anzuwenden, bei der weniger als 40 0/0, vorzugsweise weniger als 10 0/0, des Emitterstromes durch den dünneren Teil der Basiszone geführt werden kann.
Es kann ein zweckdienlicher Unterschied zwischen den Grenzfrequenzen in den betreffenden äusser- sten Zuständen erzielt werden, wenn die Dicke des dickeren Teiles mindestens das Zweifache der Dicke des dünneren Teiles der Basiszone ist. Vorzugsweise ist die Dicke des dickeren Teiles mindestens das Fünffache der Dicke des dünneren Teiles.
Um die erforderliche Kontakte bequem an der Emitter- und der Basiszone anbringen zu können, ist vorzugsweise die Erstreckung der Basiszone mindestens dreimal grösser als die der Emitterzone.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Erstreckung der Emitterzone klein im Verhältnis zu der der Basiszone, während die Kollektorzone einen Teil mit höherer Dotierung und einen Teil mit geringerer Dotierung hat, wobei nur ein Teil des Volumens der Kollektorzone unmittelbar angrenzend an der Basiszone den Teil mit der höheren Dotierung bildet und, von der Emitterzone in der Dickenrichtung der Basiszone her gesehen, dieser Teil mit höherer Dotierung wenigstens teilweise unter der Emitterzone liegt.
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einem Zustand höherer Verstärkung betrieben wird, begünstigt wird. Durch die zweite Massnahme wird ausserdem die Kollektorkapazität begrenzt.
Eine wichtige Ausführungsform eines Transistors nach der Erfindung, die mit gut reproduzierbaren Eigenschaften in verhältnismässig einfacher Weise hergestellt werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Emitterzone die Gestalt eines Streifens hat, der in der Längsrichtung eine Abmessung hat, die mindestens zwei Drittel der Abmessung in der gleichen Richtung der Basiszone beträgt, wobei die Grenzlinie zwischen dem dünneren und dem dickeren Teil der Basiszone praktisch parallel zur Längsrichtung des Streifens ist. Bei dieser Konstruktion erstreckt sich vorzugsweise der höher dotierte Teil der Kollektorzone ausserhalb der Basiszone in der Längsrichtung des Streifens.
Bei einer weiteren wichtigen bevorzugten Ausführungsform hat die Emitterzone die Gestalt einer flachen, in sich geschlossenen Figur, wobei ein Basiskontakt innerhalb der in sich geschlossenen Figur und der andere Basiskontakt ausserhalb dieser Figur angebracht ist. Die Emitterzone und die zwei Basiskontakte können nahezu kreisförmig sein und konzentrisch zueinander liegen. In diesem Falle kann der äussere Basiskontakt die Emitterzone praktisch vollständig umgeben, wobei eine Öffnung an einer Stelle vorgesehen ist, die einer seitlichen Verlängerung des höher dotierten Teiles der Kollektorzone entspricht.
Vorzugsweise ist die Emitterzone in einer praktisch flachen Oberfläche des Halbleiterkörpers angebracht, wobei der Kollektorkontakt auf dieser Oberfläche in Form einer Metallschicht angebracht ist, die sich über wenigstens einen Teil des Oberflächenteiles entsprechend dem ausserhalb der Basiszone liegenden Teil des höher dotierten Teiles der Kollektorzone erstreckt. In dieser Weise kann der Kollektorreihenwiderstand verringert werden.
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schicht als Maske dient und der Halbleiterkörper des fertigen Transistors gewöhnlich noch eine schützende Oxydschicht besitzt.
Die Erfindung betrifft auch eine Schaltungsanordnung mit einem Transistor nach der Erfindung ; sie weist das Merkmal auf, dass eine Vorspannung zwischen den Basiskontakten angelegt wird, die zwischen einem Wert, bei dem der grössere Teil des Emitterstromes durch den dickeren Teil der Basiszone fliesst, und einem Wert, bei dem der grössere Teil des Emitterstromes durch den dünneren Teil der Basiszone fliesst, schwankt. Die Vorspannungsmittel können eine Vorspannung liefern, die kontinuierlich zwischen den zwei Grenzwerten veränderlich ist
Nachstehend werden einige Ausführungsbeispiele von Transistoren nach der Erfindung und Verfahren zur Herstellung derselben sowie eine Ausführungsform einer Schaltungsanordnung mit einem Transistor nach der Erfindung an Hand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel eines Transistors nach der Erfindung ; die Fig. 2 und 3 Querschnitte längs der Linien Il-11 bzw. III-III in Fig. l ; Fig. 4 eine Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel eines Transistors nach der Erfindung ; die Fig. 5 und 6 Querschnitte längs der Linien V-Vbzw. VI-VI in Fig. 4 ; Fig. 7 teilweise einen Querschnitt, entsprechend dem nach Fig. 2, einer dritten Ausführungsform eines Transistors nach der Erfindung, und Fig. 8 ein Schaltbild mit einem Transistor nach der Erfindung, der in einer Schaltung mit selbsttätiger Verstärkungsregelung angeordnet ist.
Die Fig. 1, 2 und 3 beziehen sich auf eine erste Ausführungsform eines Transistors nach der Erfindung, wobei der Transistor eine Siliziumplatte mit einem höher dotierten n-Typ Teil 1 und einem weniger hoch dotierten n-Typ Teil 2 (nur teilweise angedeutet) enthält, welche gemeinsam eine Kollektorzone bilden. Die Dicke der Platte ist 200 li und der Teil 2 hat einen spezifischen Widerstand von 5 Ohm cm.
Weiter sind eine n-Typ-Emitterzone 3 und eine p-Typ-Basiszone 4 vorgesehen. Die Dicke der Basiszone 4 in der Platte ist nicht überall dieselbe. Die Basiszone 4 hat stufenweise Dicken- änderungen bei 5 und 6, so dass, von der Emitterzone 3 her in der Dickenrichtung der Basiszone 4 gesehen, die Basiszone 4 einen dünneren Teil 7 und einen dickeren Teil 8 besitzt, die sich beide bis unter die Emitterzone 3 erstrecken.
Das Verhältnis zwischen den Dicken des dickeren Teiles 8 und des dünneren Teiles 7 ist 10 : 1. Ein Teil des Volumens der Kollektorzone unmittelbar angrenzend an die Basiszone 4 ist höher dotiert und, von der Emitterzone 3 her in der Dickenrichtung der Basiszone 4 gesehen, liegt dieser Teil teilweise unter der Emitterzone und unter dem dünneren Teil 7 der Basiszone und erstreckt sich nahezu nicht unter dem dickeren Teil der Ba- sissone.
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Die Emitterzone 3 hat die Form eines Streifens und die Grenzlinie 5 zwischen dem dünneren
Teil 7 und dem dickeren Teil 8 der Basiszone liegt nahezu parallel zur Längsrichtung des Strei- fens 3. Ein Emitterkontakt 9 und zwei Basiskontakte 10 und 11 sind vorgesehen. Die Basiskon- takte 10 und 11 sind streifenförmig und erstrecken sich nahezu parallel zum streifenförmigen Emit- terkontakt 9 und zur Emitterzone 3, die zwischen den Kontakten 10 und 11 liegen.
Fig. 1 zeigt eine Draufsicht, in der die Lage der Zonen und der andern Teile des Transistors ange- geben sind, ohne Berücksichtigung dessen, was visuell auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers vorhan- den ist. Die Kontakte 9,10 und 11 sind schraffiert und werden von vollen Linien umgeben. Die Emit- terzone 3 wird von einer vollen Linie umgeben und die Basiszone 4 mit den stufenartigen Dicken- änderungen bei 5 und 6 ist durch strichpunktierte Linien angedeutet. Das in dem linken Teil der
Fig. l innerhalb der Punktkreuzlinie angedeutete Gebiet und das in dem rechten Teil der Fig. l inner- halb der Strich-Kreuz- und der Strich-Punkt-Kreuzlinie liegende Gebiet deuten die Begrenzungen des weniger hoch dotierten Teiles 2 der Kollektorzone in der Nähe der Basiszone 4 an.
Der höher do- tierte Teil 1 erstreckt sich unter der Emitterzone bis ausserhalb der Basiszone 4 in der Längsrich- tung des Streifens 3 und ausserdem in einem gewissen Abstand von der Basiszone 4 rings um die- se Basiszone 4, was in Fig. 2 durch die Teile 12 und 13 der Kollektorzone angedeutet wird.
Es sei bemerkt, dass die seitlichen Begrenzungen desjenigen Teiles des höher dotierten Teiles 1, der unterhalb und auf der linken Seite (Fig. 1) der Emitterzone 3 liegt, nicht vollständig durch gerade Linien angedeutet sind ; dieser Teil des Teiles 1 hat eine Verjüngung in der Höhe der Mitte (in der Längsrichtung gesehen) der Emitterzone 3. Diese Formgebung des Teiles 1 ermöglicht, den Kollektorreihenwiderstand bei einer geringen Zunahme der Basis-Kollektor-Übergangskapazität zu verringern. Metallschichten 14 und 15 sind auf dem höher dotierten Teil 1 der Kollektorzone angebracht, um die Stromführung in der Kollektorzone zu fördern.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt längs der Linie III-III in Fig. 1. Diese Figur zeigt teilweise die Begrenzung des dünneren Teiles 7 und des weniger hoch dotierten Teiles 2 durch gestrichelte Linien. Es sei bemerkt, dass die linken und die rechten Begrenzungen des dünneren Teiles 7 und des dickeren Teiles 8 nach Fig. 3 nicht zusammenfallen, da dies nicht notwendig ist. Längs der Linie NI-IL kann der dickere Teil 8 auf beiden Seiten den dünneren Teil 7 etwas überlappen.
Stromzufuhrleitungen (nicht dargestellt) werden an den Kontakten 9, 10 und 11 befestigt. Eine Stromzufuhrleitung für die Kollektorzone kann mit der Metallschicht 14, 15 verbunden werden oder, gewünschtenfalls, mit der Unterseite der Halbleiterplatte. Teile der Oberfläche der Platte werden mit einer nicht dargestellten Oxydschicht versehen.
Es wird nachstehend ein Verfahren zur Herstellung eines Transistors nachdenFig. l, 2und3beschrie- ben.
Die Herstellung fängt an mit einer n-Typ-Siliziumplatte, die mit Phosphor dotiert ist und einen spezifischen Widerstand von 5 Ohm cm und eine Dicke von 0, 25 mm hat. Die Querabmessungen sind unwesentlich, da gleichzeitig eine Mehrheit von Transistorstrukturen in der Siliziumplatte vorgesehen werden können, welche Strukturen nachher durch Unterteilung der Platte voneinander getrennt werden können. Der herzustellende Transistor kann auch einen Teil eines Festkörperschaltkreises (solid circuit) bilden, wobei weitere Schaltelemente in der Platte untergebracht werden.
Eine Oxydschicht wird auf der Platte durch Erhitzung der Platte in nassem Sauerstoff mit Wasserdampfsättigung von 980 C während 4 h bei 8600 C anwachsen gelassen. In der Oxydschicht wird auf übliche Weise mittels eines photoerhärtenden Lacks ("Photoresist") und eines Ätzmittels eine Öffnung angebracht. Die Öffnung entspricht dem dickeren Teil 8 der Basiszone 4. Der dickere Teil 8 wird dadurch erhalten, dass Bor durch die Öffnung in die Platte diffundiert wird, indem die Platte auf 11500 C während 2 h in einem Ofen erhitzt wird, in dem Bornitrid auf 10000 C erhitzt wird und der dadurch erhaltene Dampf mittels eines Stickstoffstromes über die Platte geführt wird.
Die Dicke der so erhaltenen p-Typ-Zone ist 4 bol und die Oberflächenkonzentration an Bor beträgt etwa 5 10"Atome/ : m ?
Die Öffnung in der Oxydschicht wird geschlossen, indem die Platte während 4 h auf 8600 C in nassem Sauerstoff erhitzt wird, worauf eine neue Öffnung in der Oxydschicht zum Anbringen des höher dotierten Teiles 1 der Kollektorzone vorgesehen wird. Der Oberflächenteil, der vor Diffusion geschützt wird, liegt innerhalb der Gebiete, die von den Strich-Kreuzlinien der Fig. 1 umgeben werden.
Es wird Phosphor in die zugängliche Oberfläche der Platte diffundiert. Die Eindringtiefe ist in dem Querschnitt der Fig. 2 durch eine teilweise unterbrochene Linie angedeutet. Die Diffusion erfolgt durch Erhitzung der Platte auf 11500 C während 80 min in einem Ofen, in dem Phosphornitrid auf 9000 C erhitzt und der erhaltene Dampf mittels eines Stickstoffstromes über die Platte geführt wird. Die Eindring-
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form mit einem grösseren Unterschied des spezifischen Widerstandes wird erhalten, wenn das beschriebene Verfahren auf nachfolgende Weise geändert wird.
Auf der gleichen Ausgangsplatte wird zunächst eine Oxydschicht auf die vorstehend beschriebene Weise angebracht, aber diese Platte wird nicht auf 8600 C, sondern auf 10000 C erhitzt, worauf die Öffnung in der Oxydschicht zum Anbringen des dickeren Teiles 8 vorgesehen wird.
Der dickere Teil 8 wird auf folgende Weise erhalten. Die Platte wird zunächst in einem Ofen auf 11000C während 20 min erhitzt, während mittels eines Stickstoffstromes ein Bornitriddampf dar- übergeführt wird. Den Bornitriddampf-erhält man durch Erhitzung von Bornitrid in dem gleichen Ofen auf 10000 C. Darauf wird die Platte während 30 min in einer Sauerstoffatmosphäre mit einer Wasserdampfsättigung von 980 C auf eine Temperatur von 10000 C erhitzt. Die Öffnung in der Oxydschicht schliesst sich dabei. Dann wird in trockenem Stickstoff auf eine Temperatur von 11500 C während 3 h er- hitzt. Der dickere Teil 8 vom p-Typ wird auf diese Weise mit einer Dicke von etwa 5 u und mit einer Oberflächenkonzentration an Boratomen von etwa 3 x 1018 Atomen/cms erhalten.
In der geschlossenen Oxydschicht wird wieder eine Öffnung zum Anbringen des höher dotierten Teiles 1 der Kollektorzone gemacht. Dieser Teil 1 wird ähnlich wie bei der vorhergehenden Ausführungsform erhalten. Auch der dünnere Teil 7 wird praktisch auf gleiche Weise, wie vorstehend beschrieben erhalten, nur mit den nachfolgenden Unterschieden. Die Platte wird nicht während 20 min, sondern während 30 min auf 11000 C erhitzt. Das Bornitrid wird auf 11000 C statt 10000 C erhitzt. Die Dicke des erhaltenen p-Typ dünneren Teiles 7 beträgt 1, 5 p statt 1 lui.
Der so hergestellte Transistor hat bessere Eigenschaften und einen grösseren Bereich als der Transistor in der vorhergehenden Ausführungsform.
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Platte, wo der dickere Teil 8 vorhanden sein soll, durch Ätzen entfernt werden. Nach dem Entfernen der Maskierungsschicht wird Silizium mit der gewünschten Verunreinigungskonzentration auf übliche Weise auf der Platte anwachsen gelassen, bis eine Siliziumschicht mit einer Dicke gleich der Dicke des zu erhaltenden Teiles 8 angebracht ist. Nach dem Abschleifen der Platte bis zur ursprünglichen Dicke enthält sie einen dickeren Teil 8 in Form eines epitaxial angewachsenen Teiles an der Stelle, wo durch Ätzen ein Teil der Platte entfernt worden war.
Es wird einleuchten, dass der spezifische Widerstand der Teile 7 und 8, wenn sie diffundierte Zonen sind, von der Temperatur und der Zeitdauer der Diffusion abhängig ist. Durch passende Wahl dieser Grössen kann man Transistoren erhalten, bei denen der dünnere Teil 7 einen grösseren spezifischen Widerstand hat als der dickere Teil 8. Solche Transistoren haben eine grössere Empfindlichkeit als die gemäss den vorstehend beschriebenen Beispielen, aber einen etwas kleineren Bereich, in dem eine Verstärkungsregelung erzielt werden kann. Auch auf epitaxialem Wege können solche Transistoren erhalten werden.
Ein solcher Transistor kann z. B. mittels des an Hand des ersten Beispieles beschriebenen Verfahrens erhalten werden, wobei nur die Diffusionsstufe zum Erzielen des dünneren Teiles 7 wie folgt geändert wird. Die Platte wird während 40 min statt 20 min auf 11000 C erhitzt, während das Bornitrid auf 9500 C statt auf 10000 C erhitzt wird. Eine p- Typ- Zone 7 wird mit einer Dicke von etwa 1, 5 11 und einer Oberflächenkonzentration an Bor von etwa 1 X 1018 Atomen/cm3 erhalten.
Die Fig. 4, 5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform eines Transistors nach der Erfindung, wobei eine konzentrische Konfiguration verwendet wird. Entsprechende Teile sind hier mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet wie in den Fig. l, 2 und 3. Der äussere, ringförmige Basiskontakt 11 und der ringförmige dickere Teil 8 der Basiszone 4 haben Öffnungen auf der rechten Seite an der Stelle, wo der höher dotierte Teil 1 der Kollektorzone sich nach rechts erstreckt. Die Begrenzungen des dickeren Teiles 8 der Basiszone 4 und des höher dotierten Teiles 1 bei der erwähnten Öffnung sind durch die Strich-Kreuz-Linien 16 und 17 angedeutet.
Dieser konzentrische Transistor kann durch ein Verfahren hergestellt werden, das dem vorstehend geschilderten Verfahren zur Herstellung des Transistors nach den Fig. l, 2 und 3 ähnlich ist, es brauchen nur Öffnungen anderer Form in den Oxydschichten angebracht zu werden.
Fig. 7 zeigt teilweise im Querschnitt entsprechend Fig. 2 einen Transistorkörper, bei dem die Basiszone anders gestaltet ist, so dass die Herstellung erleichtert wird, während der Basiswiderstand des Tran- sisters dadurch verringert wird, dass der dickere Teil der Basiszone eine grössere Erstreckung aufweist.
Die n-Typ-Siliziumplatte 2 hat eine höher dotierte Schicht l, die durch Diffusion von Phos-
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phor erhalten ist und die sich über die ganze Plattenoberfläche erstreckt.
Zur Bildung des dickeren Teiles 4D der Basiszone wird Bor in die Platte eindiffundiert, wobei der Teil 4S durch Maskierung noch nicht beeinflusst wird, während der untiefe Teil 4S der Basiszone durch eine zweite Bordiffusion erhalten wird. Das Gebiet der zweiten Bordiffusion kann das Gebiet der ersten überlappen, wodurch das Verfahren vereinfacht wird. Die Begrenzung der mit Bor überdotierten Teile der Schicht 1 ist durch strichlierte Linien angedeutet.
Es wird Phosphor in die Platte zum Erzielen einer n-Typ-Emitterzone 3 eindiffundiert, wobei das vorher eindiffundierte Bor überdotiert wird. Die weiteren Vorgänge des Verfahrens sind gleich denen nach den Fig. 1, 2 und 3.
Es wird einleuchten, dass eine oder mehrere Zonen nicht nur durch Diffusion, sondern auch auf epitaxialem Wege erhalten werden können.
Fig. 8 zeigt einen Transistor nach der Erfindung in einer Schaltung zur selbsttätigen Verstärkungsregelung.
Die Basiskontakte B1 und B2 des Transistors T sind über gesonderte Kopplungskondensatoren Cl und C2 mit einer Leitung L des Hochfrequenzsignaleinganges verbunden. Ein Kontakt Bl ist über einen Kopplungswiderstand R1 mit einem Vorspannungseingang AGC eines selbsttätigen Verstärkungsregelkreisesverbunden, während der andere Kontakt B2 an einen Punkt eines Spannungteilers mit Widerständen R2 und R3 angeschlossen ist. Der Emitterkontakt E ist mit der negativen Speiseklemme über einen Gleichstromstabilisierungswiderstand R4 und einen Kondensator C3 verbunden, welche Einzelteile parallelgeschaltet sind. Der Kollektorkontakt C ist mit einem abgestimmten Kreis, bestehend aus der Parallelschaltung eines Kondensators C4 und der Primärwicklung eines Ausgangstransformators T verbunden.
Der andere Verbindungspunkt des Kondensators C4 und der Primärwicklung ist mit der positiven Speiseklemme über einen Entkopplungswiderstand R5 verbunden und ein Parallelkondensator C5 ist zwischen dem erwähnten weiteren Verbindungspunkt und dem Widerstand R5 angeschlossen. Die Ausgangsspannung tritt zwischen den Ausgangsklemmen 0 auf.
Einige praktische Werte bei einem Eingangssignal von etwa 100 MHz sind folgende :
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:R2 : 50 kOhm
R4 und R5 : 500 Ohm Cl, C2, C3 und C5 : 1000 pF.
Selbsttätige Verstärkungsregelung kann auch die Form eines mit Erde verbundenen Basiskreises haben (Erdanschluss für hohe Frequenzen).
PATENTANSPRÜCHE :
1. Transistor mit einem Halbleiterkörper mit einer Emitter-, Basis- und Kollektorzone, da- durch gekennzeichnet, dass der unter der Emitterzone (3) liegende Teil der Basiszone (4) einen dickeren und einen dünneren Teil (8 bzw. 7) enthält, welche beiden Teile eine praktisch homogene Dicke haben, wobei die Basiszone (4) mit zwei Basiskontakten (11 und 10) versehen ist und wobei der im Betrieb in der Basiszone (4) auftretende und zwischen Emitter- und Kollektorzone (3 und 1, 2) flie- ssende Emitterstrom durch das Anlegen einer Vorspannung zwischen den Basiskontakten (11 und 10) im wesentlichen durch den dickeren oder den dünneren Teil (8 bzw. 7) der Basiszone (4) geführt werden kann.