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Leistungstransistor aus Silizium
Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungstransistor, bestehend aus einer einkristallinen Silizium- scheibe, die mindestens zwei hochdotierte Gebiete von gegebenem Leitfähigkeitstyp-Emitter und Kollek- tor-und zwischen diesen ein weniger hochdotiertes Basisgebiet von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweist, das über je einen p-n-Übergang unmittelbar an die beiden andern Gebiete grenzt, wobei der Kollektor einen wesentlichen Teil der einen Flachseite der Scheibe einnimmt und auf der andern Flachseite der Emitter und mindestens ein Basiskontakt derart nebeneinander angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein gleichmässig breiter Abstandsstreifen auf der Scheibenoberfläche frei bleibt.
Derartige Transistoren sind als eine besondere Ausführungsform sogenannte n-p-n-oder p-n-p-Leistungstransistoren be- kannt und zur Verwendung als Verstärker oder als Schalttransistoren für Starkstromkreise mit Strömen von etwa 1 A bis zur Grössenordnung von 100 A bestimmt. Sie sind zu unterscheiden von Transistoren für Signalubertragung, deren Ausgangskreise nur sehr geringe Ströme von weniger als 1 A, vielfach nur von wenigen Milliampere führen. Die Emitter dieser für Nachrichtenzwecke bestimmten Transistoren sind häufig mit Punktkontakten, deren Fläche kleiner ist als 0,1 mm2, oder mit Schneiden- oder Spitzenkontakten ohne flächenhafte Ausdehnung ausgestattet. Aufbau und Bemessung solcher Signalübertragungselemente sind vor allem auf Stabilität und auf die Beherrschung möglichst hoher Frequenzen abgestellt.
Im Gegensatz dazu sind fürleistungstransistoren andere Gesichtspunkte massgebend. Dazu gehört zunächst die Vermeidung einer zu hohen Stromdichte, die es verbietet, den Emitter mit einem Punktkontakt oder einem Spitzenkontakt auszurüsten. Unter Leistungstransistoren im Sinne der vorliegenden Schilderung sollen daher solche Halbleitertrioden verstanden werden, bei denen der Emitter eine Halbleiterfläche von mindestens annähernd 1 mm oder mehr bedeckt.
Die Erfindung bezweckt eine möglichst günstige Auslegung von Siliziumleistungstransistoren der ein- gangs erwähnten Bauart. Erfindungsgemäss beträgt bei einer Dicke des Basisgebietes zwischen Emitter und Kollektor von etwa 0,03 bis 0,08 mm fürn-p-n-Transistoren bzw. von etwa 0,02 bis 0,05 mm für p-n-pTransistoren die Breite des Abstandsstreifens zwischen Emitter und Basiskontakt höchstens das Doppelte der genannten Dicke des Basisgebietes, jedoch nicht weniger als 0,025 mm.
An Hand der Zeichnung sollen die Erfindung und die ihr zugrunde liegenden Erkenntnisse näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt das Querschnittsprofil eines Leistungstransistorelementes in stark vergrösserer und schematischer Darstellung. Es werde beispielsweise von einem n-p-n-Transistor ausgegangen, der aus einem scheibenförmigen Siliziumeinkristall vom p-Leitfähigkeitstypnach dem bekannten Legierungsverfahren hergestellt ist.
Auf der Unterseite der Scheibe ist durch Einlegieren einer antimonhaltigen Goldfolie ein Kollektor C hergestellt, der somit aus einer metallisch leitenden antimonhaltigen Gold-Silizium-Legierungsschicht besteht, welcher ein hochdotierter n-leitender Bereich vorgelagert ist.
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Kontakt für den übrigen, unverändert gebliebenen Teil der Siliziumscheibe, welcher als Basisgebiet B bezeichnet wird. Letzteres hat zwischen dem Emittergebiet und dem Kollektorgebiet die Dicke W.
Zwischen dem Basiskontakt A und dem Basisgebiet B befindet sich eine hoch p-dotierte Schicht von ge- ringer Dicke, welche im folgenden ausser Betracht bleibt, weil ihre Grenze gegenüber dem niedrigdotier- ten Basisgebiet ohnehin am fertigen Element nicht genau bestimmbar Ist. Da sich zudem diese Vernach- lässigung nur Im Sinne eines günstigeren Betriebsverhaltens der Transistoren auswirken kann, erscheint sie unbedenklich. Demgemäss sei die Distanz D als Abstand zwischen Emitter und Basiskontakt an der Halb- leiteroberfläche definiert. Der Transistor möge in geöffnetem Zustand betriebsmässig hauptsächlich im
Bereich !'hoher Injektionen" arbeiten.
Es ist bereits früher (s. franz. Patentschrift Nr. 1. 210.032) vorgeschlagen worden, die Dicke W des
Basisgebietes innerhalb des Bereiches zwischen 0,04 und 0, 07 mm zu wählen, damit einerseits eine den praktischen Anforderungen genügende Sperrspannung von einigen hundert Volt und anderseits noch ein ausreichend hoher Stromverstärkungsfaktor erhalten wird. Bei n-p-n-Transistoren wird dieser Stromver- stärkungsfaktor unzulässig herabgesetzt, wenn das Verhältnis der Dicke W des Basisgebietes zur Diffusions- länge L den Wert W/L s l überschreitet.
Bei den derzeit herstellbaren n-p-n-Silizmm-Lelstungsiransi- storen ml) : einlegierten Elektroden ist bei mittleren Trägerinjektionen eine wirksame DiffussionslangeL bis zu 0,2 mm bei einer Scheibendicke von zirka 0,12 mm erreichbar. Aus Versuchen wurde nun die neue
Erkenntnis gewonnen, dass L mit weiter erhöhter Tragerkonzentration gegenüber dem genannten Maximal- wertvon bis zuO, 2mm wieder abnimmt. Aus diesem Grunde gelangt man, wenn man den vom Emitter zum
Kollektor fliessenden Strom fortlaufend steigert, an eine kritische Grenze, bei welcher L kleiner wird als die Dicke W des Basisgebietes, und bei welcher infolgedessen die Stromverstärkung für praktische Zwecke zu gering wird.
In dem angegebenen Bereich der Basisdicke zwischen 0,03 und 0,08 mm wird diese Ge- fahr deswegen vermieden, weil durch die praktisch in Betracht kommenden Kühlungsmöglichkeiten ohne- hin der Höhe des Stromes vom Emitter zum Kollektor eine solche Grenze gesetzt ist, dass die Diffusions- länge L den erwähnten kritischen Wert nicht unterschreitet.
Die vorstehenden Zahlenangaben gelten, wie gesagt, für n-p-n-Leistungstransistoren. Demgegenüber sind bei p-n'-p-Leistungstransistoren wegen der geringeren Beweglichkeit der Minoritätsträger im Basisge- biet die Anforderungen bezüglich des Verhältnisses W/L schärfer. So tritt u. a. an die Stelle des oben an- gegebenen Grenzwertes W/L s l für ausreichende Stromverstärkung beim p-n-p-Transistor der niedrigere
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erwähnte Bereich 0, 02 - 0, 05 mm.
Während die vorstehenden Gesichtspunkte für die Wahl der Basisdicke W richtungsweisend sind, verdienen im Zusammenhang damit für die Bemessung der Breite D des Abstandsstreifens zwischen Emitter und Basiskontakt weitere Überlegungen Beachtung, die im folgenden mitgeteilt werden.
Sie betreffen a) die Trägerverluste und damit den Stromverstärkungsfaktor, b) die höchstzulässige Sperrspannung zwischen Emitter und Basiskontakt und c) den Spannungsverlust in Durchlassrichtung zwischen Emitter und Basiskontakt.
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Abstand D vergleichsweise klein gegenüber der Basisdicke W gewählt, so iiberwiegen die Trägerverluste im Basisgebiet zwischen Emitter und Kollektor, und deshalb nützt es nicht mehr viel, den Abstand D etwa kleiner als 0,025 mm zu machen. Dieser Wert dürfte auch im Hinblick auf Herstellungsschwierigkelten beim Legierungsverfahren eine untere Grenze darstellen. b) Für viele Anwendungszwecke Ist es ferner erwünscht, dass zwischen Emitter und Basis in Sperrichtung eine möglichst hohe Spannung angelegt werden kann, ohne dass dadurch ein nennenswerter Rückstrom verursacht wird.
Die höchstzulässige Spannung zwischen Emitter und Basis nimmt, wenn der Abstand D den halben Wert der Basisdicke W 1. 1Dterschreitet, merklich ab, dagegen bringt eine Erhöhung des Abstandes D über den Betrag 0,5 x W hinaus praktisch keinen Vorteil, weil dann die höchstzulässige Sperrspannung durch den Zenereffekt begrenzt ist. c) Schliesslich wurde beobachtet, dass der Spannungsverlust in Durchlassrichtung sehr steil anwächst,
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wenn und je mehr der fragliche Abstand D den doppelten Betrag der Diffusionslänge L überschreitet.
Man wird daher die Breite D des Abstandsstreifens zwischen Emitter und Basiskontakt vorteilhaft nicht grösser machen als 2 W, damit auch bei hohen Stromdichten, bei denen L s W wird, der fraglich
Spannungsverlust nicht zu hoch wird.
Bei Abwägung der unter a - c dargelegten Gesichtspunkte unter zusätzlicher Berücksichtigung der
Herstellungsschwierigkeiten ist für die Breite D des Abstandsstretfens zwischen Emitter und Basiskontakt der Bereich von 0,05 bis 0, 1 mm als besonders günstig anzusehen.
Die Herstellung von Silizium-Leistungstransistorelementen mit den erwähnten Abmessungen kann vorteilhaft nach einem früheren Vorschlag (vosten. PatentschriftNr. 196920 und 201666) in der Weise vorgenommen werden, dass eine Siliziumscheibe mit den beiderseits aufgelegten Metallfolien in ein neu- trales Pulver, z. B. Graphitpulver, eingebettet und das Ganze unter mechanischem Druck, durch welchen das Einbettungspulver zusammengepresst wird, so dass es fth das eingebettete Gut eine genau passende Form bildet, der Erhitzung bis auf eine Temperatur von 700 bis 8000 C für kurze Zeit von einigen Minuten aus- gesetzt und danach langsam wieder abgekühlt wird.
Die angegebenen Bemessungsregeln sind nicht nur auf Transistoren mit ringförmigen Basis-und Emitterstreifen anwendbar, sondern auch auf solche mit anders gestalteten Streifen, z. B. das an sich be- kannte Kamm-Muster.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Leistungstransistor, bestehend aus einer einkristallinen Siliziumscheibe, die mindestens zwei
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weniger hoch dotiertes Basisgebiet vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, das Über je einen p-n-Übergang unmittelbar an die beiden ändern Gebiete grenzt, wobei der Kollektor einen wesentlichen Teil der einen Flachseite der Scheibe einnimmt und auf der ändern Flachseite der Emitter und mindestens ein Basiskontakt derart nebeneinander angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein gleichmässig breiter Ab- standsstreifen auf der Scheibenoberfläche freibleibt, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Dicke des Basisgebietes zwischen Emitter und Kollektor von etwa 0,03 bis 0,08 mm für n-p-n-Transistoren bzw.
von etwa 0,02 bis 0,05 mm für p-n-p-Transistoren die Breite des Abstandsstreifens zwischen Emitter und Basiskontakt höchstens das Doppelte der genannten Dicke des Bas1sgebletes, jedoch nicht weniger als 0,025 mm beträgt.