CH439500A - Leistungstransistor - Google Patents

Description

  Leistungstransistor    Diese Erfindung betrifft einen Leistungstransistor  mit einem     Halbleiter-Grundkörper    und     einem    Kollek  tor eines ersten     Leitfähigkeitstyps,    einer am Kollektor  angrenzenden Basis entgegengesetzten     Leitfähigkeits-          typs    und einem an der Basis angrenzenden     Emitter     gleichen     Leitfähigkeitstyps    wie der Kollektor.  



  Aufgabe der Erfindung ist, thermische Schäden in  Transistoren zu     vermeiden.     



  Neuere Untersuchungen über die Betriebssicherheit  von Transistoren führten zu dem Ergebnis,     dass    bei  bestimmten kritischen inneren Temperaturen Mängel  oder Defekte (z. B. solche, die sich auf Grund von che  mischen Verunreinigungen ergeben) in Transistorkör  pern und     Unstabilitäten    in den die Wärme erzeugenden  und Verluste bewirkenden Teilen zu örtlichen Erhit  zungen führen.

   In Bauelementen, in denen hohe Lei  stungsdichten auftreten sollen, führen diese örtlichen  Erhitzungen, die auch als     Heissstellenbildung    bezeich  net werden, zu steigenden Strömen und Temperaturen  in einem- kleinen     Emittergebiet    oder     Emitter-Basis-          Ü'bergangsgebiet.    Wenn die Temperatur der Heissstelle  zu hoch wird, treten Störungen in dem Bauelement  auf. Physikalisch kann diese Störung als     Emitter-Kol-          lektor-Kurzschluss    auftreten.

   Diese Art von Störungen       wird    auch als     Sekundärdurchbruch    oder     als        Heiss-          stellen-Störung    bezeichnet; sie ist beschrieben in dem  Artikel  Thermal     Instabilities        and    Hot Spots     in        Junc-          tion    Transistors  von R.

   M.     Scarlett    u. a. in dem     Buch           Physics    of     Failure    in     Electronics ,    Seiten 194-203,       Spartan        Books        Inc.    (1963). Die     obengenannten    Be  zeichnungen für die erwähnten Störungen, wie sie auch  hier verwendet werden, sind synonym aufzufassen.

    Typische elektrische Voraussetzungen, unter denen       Sekundärdurchbrüche    und die dadurch bedingten  Nachteile im Transistor-Betrieb auftreten, sind be  schrieben in dem Buch  Power Transistor     Handbook      von     Motorola        Inc.,    Seiten 31-35 (1960).  



  Bei einigen bekannten Bauelementen ist versucht  worden, das Problem der Heissstellen dadurch zu  lösen, dass besondere     Emitter-Widerstände    verwendet    wurden. Eine Anordnung dieser Art erfordert eine     ver-          hältnismässig    grosse Zahl von Widerständen mit hohen  Widerstandswerten, .die mit den Erfordernissen der       Basis-Emitter-Spannung    und des Sättigungswiderstan  des des Bauelementes entsprechend abgestimmt     sein     müssen. Im günstigsten Fall sind     bekannte    Anordnun  gen dieser Art umständlich und     aufwendig,    und sie  bereiten insbesondere bei der Fertigung höherer Stück  zahlen erhebliche Schwierigkeiten.  



  Der erfindungsgemässe Leitungstransistor ermög  licht eine Lösung des Problems der Heissstellen und  kennzeichnet sich durch eine Widerstandsschicht, wel  che über wenigstens einem Teil des     Emitterbereis    aus  gebildet ist und     mit        ihm        in        ohmsahem    Kontakt steht,  um die Ausbildung von Heissstellen zu verhindern.  



  Die Widerstandsschicht bewirkt bei der beschriebe  nen Einrichtung einen niedrigen Gesamtwiderstand  zwischen dem     Emitterkontakt    und dem     Basis-Emitter-          Übergang    und einen höheren effektiven     Seriewider-          stand        zwischen    dem     Emitterkontakt    und     kleinen        Emit-          tergebieten    oder Basis     Emitter-Übergangsgebieten.    Der  geringe Gesamtwiderstand zwischen dem     Emitterkon-          takt    und dem     

  Basis-Emitter-'Gbergang    verhindert ein  unerwünschtes Anwachsen der     Basis-Emitter-Spannung     und des Sättigungswiderstandes. Der     verhältnismässig     hohe Serienwiderstand zwischen dem     Emitterkontakt     und kleinen     Basis-Emitter-Ubergangsgebieten    (z. B.  einer     Heissstelle)    bewirkt, dass die Stromkonzentration  in einem solchen Gebiet wirksam begrenzt wird.

   Diese  Begrenzung des Stromes verhindert     im    wesentlichen  das Auftreten von     Heissstellenstörungen,    ohne dass die  Wirkungsweise des Bauelementes beeinträchtigt wird,  so dass     hohe    Belastungen in     kleinen        Leistungstransistor-          Anordnungen    untergebracht werden     können.     



  Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeich  nung     beispielsweise    näher erläutert.  



       Fig.1    zeigt in vereinfachter Darstellung und  unter Entfernung     bestimmter    Teile eine Draufsicht auf  einen erfindungsgemäss ausgebildeten Transistor.           Fig.    2 zeigt einen Schnitt in Seitenansicht nach der       Linie    2-2 der     Fig.    1.  



  Der     in    den     Fig.    1 und 2 dargestellte Leistungstran  sistor hoher Belastbarkeit weist einen     Grundkörper    10  aus     Einkristall-Halbleitermaterial    (z. B. aus     Silizium)     auf; er hat eine ebene ,obere     Fläche    12.     In    -dem  Grundkörper 10     sind.    benachbarte Gebiete bestimmter       Leitfähigkeitstypen    ausgebildet.

   Ein typisches Ausfüh  rungsbeispiel ist das dargestellte Bauelement, bei dem  in dem Körper der     dargestellten    Halbleiterplatte ein       Kollektorgebiet    14 ausgebildet ist, welches einen ersten       Leitfähigkeitstyp    hat. Dieser erste     Leitfähigkeitstyp    sei  beispielsweise die     n-Leitfähigkeit,    die man entweder  durch gleichmässiges Dotieren des Kristalls beim  Wachstum erhält, oder aber durch nachfolgendes       Dotieren    mit geeigneten     Dotierungsmitteln,    wie bei  spielsweise Arsen, Phosphor und Antimon.     Dotie-          rungsverfahren    dieser Art sind bekannt.  



  Innerhalb des Kollektors 14 ist ein Basisbereich 16       ausgebildet,    welcher gegenüber dem Kollektor 14 den  entgegengesetzten     Leitfähigkeitstyp    hat. Nach fertiger  Ausbildung erstreckt sich die Basis 16 bis zu der Flä  che 12. Wenn der Kollektor die     n-Leitfähigkeit    hat, hat  die Basis 16 die     p-Leitfähigkeit,    und diese wird bei  spielsweise durch     Eindiffundierung    von Bor, Alumi  nium oder     Indium    in den Kollektor 14 erhalten. Wenn  ein     Silizium-Grundkörper    verwendet wird, kann ein  Oxyd auf der Oberfläche des Grundkörpers gebildet  und als Maske benutzt werden.

   Das Oxyd auf dem  Grundkörper 10     wird    zunächst     durch        bekannte        Foto-          verfahren    selektiv     dort    entfernt, wo die Basis ausgebil  det werden soll. Der Grundkörper wird dann in einem  Diffusionsofen untergebracht, in dem das     Dotierungs-          mittel    eingeführt und     anschliessend    die     Diffusion     durchgeführt wird. Diese Verfahrensschritte und ihre       Durchführung    im Einzelnen sind in der Technik be  kannt.

   Beispielsweise werden das Diffusionsverfahren  und die damit zusammenhängenden Verfahrensschritte  von Dr. G. E. Moore     in    dem Buch      Microelectronics ,     herausgegeben von E.     Keonjian,    Seiten 268-281,       McGraw        Hill        Book    Co.,     Inc.    (1963), beschrieben.  



       Im    unmittelbaren     Anschluss    an die Basis 16 und       innerhalb    der Basis ist ein     Emitterbereich    18 ausgebil  det, welcher den gleichen     Leitfähigkeitstyp    wie der  Kollektor 14 hat. Der     Emitter    18 erstreckt sich ebenso  wie die Basis 16 zur Oberfläche 12. Wenn der Grund  körper die     n-Leitfähigkeit    hat, wird der     Emitter    18 in  der oben beschriebenen Art dadurch hergestellt, dass       n-Dotierungen,    z. B. Phosphor, Arsen und Antimon,  durch eine Maske     eindiffundiert    werden.

   Bei Verwen  dung eines     Silizium-Grundkörpers    besteht diese Maske  vorzugsweise aus     Siliziumoxyd,    das während der vor  hergegangenen Diffusion der Basis oder aber     nach    die  sem     Diffusionsschritt    ausgebildet wurde.  



  Wenigstens ein Teil der Oberfläche des Grundkör  pers ist nun durch eine isolierende Schicht 20 ge  schützt, welche bei Verwendung eines     Silizium-Grund-          körpers    aus     Siliziumoxyd    besteht. Diese Isolierschicht  20 kann das gleiche Oxyd sein, das während der oben  beschriebenen Diffusionsschritte zur Maskierung be  nutzt     wurde.    Da     die        Ausbildung    des     Siliziumoxyds        und     von     Isolierschichten    in .dem betreffenden Zweig der       Technik    bekannt sind,     erübrigt    sich eine weitere Be  schreibung.  



       Anschliessend    werden Teile der Isolierschicht  selektiv entfernt, so dass bestimmte Gebiete des Halb  leitermaterials freigelegt werden, an denen ein Basis-         kontakt    24 und eine Widerstandsschicht 2     ohmisch     angebracht werden können.

   Durch fotografische Ver  fahren wird ein rechteckiger Teil der Isolierschicht 20  über dem     Emitter    18 in der Nähe des     Basis-Emitter-          überganges    entfernt, so dass das     Emittergebiet    an der  Oberfläche     freiliegt.    Die Entfernung dieses Teils der  Isolierschicht 20 ermöglicht, dass die Widerstands  schicht 27 in     ohmschen    Kontakt mit der     freiliegenden     Oberfläche des     Emitters    18 in der Nähe des Randes  des     Basis-Emitter-Überganges    an der Oberfläche 12  gebracht wird, während der Rest der Schicht (Bezugs  zeichen 26)

   gegenüber der Oberfläche 12 durch die       Isolierschicht    20 isoliert ist. Der     ohmsche    Kontakt zu  dem freigelegten     Emitter    18 wird erleichtert durch die       Aufbringung    des sehr dünnen     Films    27 aus leitendem  Material, beispielsweise     Aluminium,    auf die freilie  gende     Emitterfläche.    Die Widerstandsschicht 26 kann  aus einem Material mit hohem spezifischen Widerstand  ausgebildet werden, beispielsweise aus Chromnickel,        Cermet     (einer starken Legierung einer hitzebeständi  gen Verbindung, z. B.     Titancarbid,    und einem Metall,  z. B.

   Nickel), Zinnoxyd,     Indiumoxyd,    und Legierungen  des     Aluminium,        Tantal    und Titan. Die Ausbildung die  ser Schicht kann durch     Vakuumauftragung    erfolgen,  durch Plattieren,     Kathodenzerstäubung    oder andere  bekannte Vakuumverfahren und     Verdampfungstechni-          ken,    wie sie beispielsweise in      Thin    Film     Circuit        Tech-          nology         IEEE        Spectrum    Seiten 72-80 (April 1964)  beschrieben sind.

   Als Beispiel sei genannt, dass eine       Chromnickel-Widerstandsschicht    mit einer Stärke von  etwa 50-100 000 A durch Vakuumverdampfung aufge  tragen wird und die Widerstandsschicht 26 bildet.  



  Basisanschluss 22 und     Emitteranschluss    32 werden  durch     ohmsche    Kontakte 24 und 28 mit der Basis 16  bzw. der Widerstandsschicht 26     ohmisch    verbunden.  Der     Kontakt    24 besteht aus     einer        in.    geeigneter Weise  aufgetragenen leitenden Metallschicht mit rechteckiger,  rahmenartiger Form, welche wenigstens auf einem Teil  der Basis 16 angeordnet ist, der nach Entfernung der  Isolierschicht 20 an der Oberfläche 12     freiliegt.    Das  selektive Entfernen der     Oxydschicht    kann durch foto  grafische Verfahren erfolgen.

   In ähnlicher Weise wird  der Kontakt 28 dadurch ausgebildet, dass eine feste,       rechteckig    geformte Schicht aus leitfähigem Material  über oder unter der Widerstandsschicht 26 ausgebildet  wird. Die Kontakte 24 und 28 bestehen aus Metall  hoher Leitfähigkeit, welches einen     ohmschen    Kontakt  mit einem Halbleiter und einer Widerstandsschicht bil  den kann, beispielsweise aus Aluminium.

   Die Kontakte  können durch     Vakuumverdampfung    durch eine Maske  gebildet werden, so dass sie die     erwünschte    Form er  halten, oder dadurch, dass sie auf die gesamte Oberflä  che des Grundkörpers 10 aufgetragen werden, wobei  anschliessend überflüssige Teile in bekannter Weise  durch Ätzung oder andere geeignete Verfahren entfernt  werden, um die gewünschte Ausbildung zu erhalten.  Das letztere Verfahren ist in der     USA-Patentschrift     Nr. 3 108 359     (Gordon    E. Moore N. Noyce) beschrie  ben.

   Nachdem die Kontakte ausgebildet sind,     wird    das  Bauelement im allgemeinen erhitzt, so dass sich eine  Legierung an den     Metall-Silizium-Grenzschichten    er  gibt, und ein guter     ohmscher    Kontakt zwischen dem  Metall und dem Silizium gebildet wird. Basisanschluss  22 und     Emitteranschluss    32 können an den leitfähigen  Schichten 24 bzw. 28 durch bekannte Verbindungs  oder Schweissverfahren angebracht werden, beispiels  weise durch     Ultraschallverbindung,    Thermokompres-           sionsverbindung    oder ähnliche Verfahren, wie sie bei  spielsweise in dem USA-Patent 2<B>981877</B> (Robert  N. Noyce) ausgegeben am 25. April 1961, beschrieben  sind.  



  Bei der Herstellung des Transistors wird     schliess-          lich    ein elektrischer Kontakt am Kollektor 14 ange  bracht, welcher beispielsweise als Metallschicht 34       durch        Plattierung    oder     Vakuumauftragung    hergestellt  sein kann und die gesamte rückwärtige Seite des  Grundkörpers 10 bedeckt.  



  Der wesentlichste Unterschied zwischen dem     erfin-          dungsgemäss    ausgebildeten Transistor und Transistoren  bekannter Art liegt in der zusätzlichen Ausbildung der  Widerstandsschicht 26. Die Widerstandsschicht 26  trägt wenig bei zu dem Gesamtwiderstand zwischen  dem     Emitteranschluss    32 und dem     Basis-Emitter-          Hbergang.    Der Spannungsabfall über dem zusätzlichen  Widerstand liegt     im    allgemeinen in der     Grössenord-          nung    zwischen 0,1 V und 1,0 V. Der Wert des zusätzli  chen Widerstandes ist im wesentlichen eine Funktion  der Schichtstärke, der Breite und der Länge.

   Der  Widerstandsweg zu einem kleinen Gebiet, beispiels  weise einer Heissstelle 36, wird in der Regel einen  Wert haben, der zwischen 1 und 30 Ohm liegt. Dieser       verhältnismässig        hohe        Widerstand    ist der     Tatsache        zu-          zuschreiben,    dass die Breite des     Schichtweges        zu        einer     einzelnen Stelle sehr gering ist, und der     Widerstand    ist  dementsprechend hoch. Der hohe Widerstand begrenzt  den Strom, der an einer Heissstelle konzentriert wer  den kann.

   Dies wiederum stellt eine sehr wirksame  Begrenzung der Möglichkeit dar, dass eine Heissstelle  zu einer dauernden Schadenstelle in dem Transistor  wird, so dass höhere Stromdichten erreicht werden  können, welche ermöglichen, dass die Bauelemente  sehr     ldein    gebaut werden können und hohe Leistungen  aufnehmen. Die Widerstandsschicht arbeitet daher  weitgehend als ein Mittel, um eine gleichmässige Injek  tion durch ein     Emittergebiet    zu erreichen. Eine solche  gleichmässige     Injektion    führt zu einer verbesserten  hohen     Frequenzstabilität    und einem sehr     niedrigen        hfe          (Gleichstromsignal-Stromverstärkungsfaktor).     



  Die obige Beschreibung     eines        Ausführungsbeispiels          ren,    insbesondere auf einen     einfachen    Leistungstran  sistor. Wenn die     Erfindung    auch bei Leistungstransisto  ren von besonderer Bedeutung ist, so ist sie jedoch  auch bei anderen Bauelementen     mit    Vorteil anwend  bar, bei denen Heissstellen, Sekundärdurchbrüche usw.  zum Versagen der Bauelemente führen können. Auch  ist die Erfindung bei komplizierteren Transistorbauar  ten verwendbar, beispielsweise bei dem     iiiterdigitalen     Bauelement, wie es in dem USA-Patent Nr. 3 225 261  (Helmut F.

   Wolf) beschrieben ist, oder bei solchen    Transistorbauarten, wie sie in  Transistor Enginee  ring  von     Alvin    B.     Phillips,        McGraw-Hill,    New York  1962, beschrieben sind.

Claims (1)

1. PATENTANSPRUCH Leistungstransistor mit einem Halbleiter-Grundkör- per und einem Kollektor eines ersten Leitfähigkeits- typs, einer am Kollektor angrenzenden Basis entgegen gesetzten Leitfähigkeitstyps und einem an der Basis angrenzenden Emitter gleichen Leitfähigkeitstyps wie der Kollektor, gekennzeichnet durch eine Widerstands schicht, welche über wenigstens einem Teil des Emit- terbereichs ausgebildet ist und mit ihm in ohmschem Kontakt steht,

   um die Ausbildung von Heissstellen zu verhindern. UNTERANSPRÜCHE 1. Transistor nach Patentanspruch, dadurch ge kennzeichnet, dass alle genannten Bereiche sich zu einer gemeinsamen Oberfläche erstrecken, und eine Isolierschicht die Oberfläche bedeckt, ausser einem Teil des Emitterbereichs an der Oberfläche, so dass dieser Teil freiliegt, und dass die Widerstandsschicht sich über die Isolierschicht und über wenigstens einen Teil des freiliegenden Bereiches des Emitters erstreckt. 2.

   Transistor nach Patentanspruch oder Unteran spruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wider standsschicht sich über wenigstens einen Teil des Emit- terbereiches bis praktisch zum Basis-Emitter-Übergang erstreckt, und dass ein Emitteranschluss an die Wider standsschicht angeschlossen ist. 3. Transistor nach Unteranspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass ein Eitterkontakt mit der Wider standsschicht verbunden ist'.' 4.

   Transistor nach Unteranspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass der Grundkörper aus Silizium be steht und die Isolierschicht ein Oxyd des Silizium ist; welche durch Oxydation des Silizium-Grundkörpers gebildet ist. 5. Transistor nach Unteranspruch 3, gekennzeich net durch eine gegenüber der Widerstandsschicht dünne Schicht leitenden Materials zwischen der Wider standsschicht und dem freiliegenden Teil des Emitter- bereiches, so dass der ohmsche Kontakt zwischen der Widerstandsschicht und dem freiliegenden Teil des Emitterbereiches verbessert ist. 6.

   Transistor nach Unteranspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, dass die Widerstandsschicht aus Chrom nickel und die dünne Schicht leitenden Materials aus Aluminium besteht.