DE1090329B - Halbleiteranordnung mit mindestens einem in Durchlassrichtung betriebenen p-n-UEbergang, insbesondere Transistor - Google Patents

Halbleiteranordnung mit mindestens einem in Durchlassrichtung betriebenen p-n-UEbergang, insbesondere Transistor

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DE1090329B DES59705A DES0059705A DE1090329B DE 1090329 B DE1090329 B DE 1090329B DE S59705 A DES59705 A DE S59705A DE S0059705 A DES0059705 A DE S0059705A DE 1090329 B DE1090329 B DE 1090329B
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Description

Es ist bekannt, daß die Stromverstärkung eines Transistors der sogenannten Emitterergiebigkeit oder dem E.missionswirkungsgra4 γ direkt proportional ist-Es ist daher giftig un4 das Ziel der vorliegenden Erfindung, den Emissionswirkungsgrad des emittierenden Teils eines Halbleiter-körper-s, insbesondere dea? Emitterzone eines. Transjstprs, nipglichst grqß zu machen.
Im folgenden soll die bekannte Formel für γ durch Betrachtung der Vorgänge an eineni pn-Ü^ergang, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, näher erjautert werjien; Dabei bedeutet die, z. E). p-leitende, emittierende Zone 2 des HalpleiterHprpers, die mit einer grpßr flächigen, phrnschen, alsq sperrfreien Elektrode 4 YPfsehen isf, die Emitterzone e'inps, Transistqrs, die Zqne 3 die, ζ. !β. n-}eitenc|e, B.asis.zpne, die Zone 7 4ie, z.B. p-leitende Kollektorzone. Die an dieser angebrachte Kqliektprelektrp4e mit Zuleitung ist 11Ht Ziffer 8 und die Basiselektrode mit Zuleitung ist EÜt jl bezeichnet. Ist der pn-übergang 1 in. Fltißrichtupg gepolt dann wird von 4er nun als Erpitterzpn,e wirken4en Zone 2 ein Minpritätstrjigerstrpm /„ (JDefektelektrqnen). J1I in die Basiszone jj jnjiziert. Unig.ek,eirrt fließt atjer in der Ebene des pn^Ütiergariges auch ein Elektronenstrom In γοη der Basiszpne in die Emitterzone. Unter Emissiqnswirkungsgrad few. Emitterergiebigkeit yerr steht man nun das. Verhältnis des |viinoritfttsträgerr stromes (Defekte}ektrpnen bei prleitendgm Jpmitter, Eiektrpnen bei η-leitendem Emitter) zum Gesamt strojm in 4er Ebene des pn-tJtierganges 1.
Jv
Im folgen4en s.oll zur nälieren Erläuterung eine prleitende Eniitterzpne betraphtet werden, die in die n-leitende B.asjszpne eines ifl Fig- 1 dargestellten Tranr sistors Defeljtelejitrpnen injiziert. Um einen möglicjist großen, 4· h. möglichst nahe bei 1 liegenden "VVert für die Emifterergiebigkeit ζμ b^ekpmmen, ist Bedingung, 4aß 4^-S Verhältnis von Elektrpnenstrp'tn zu
in
strom
am pn-übergang möglichst klein gemacht
ist, d. h. der von 4er Basiszone ίμ die Emitterzone injizierte Ladungsträgerstrpm möglichst klein gegen den vpn άρΐ Eniitterzpne in, die ßasiszprie jnjiziprten Minoritätsträgergtrp'rn ist. Dieses ßtFQPlverli3.1tnis ergibt sich aus der Transiistortheorie zu
T ti Ti W
wpbej np die Elektronenkonzentratipfi, Dn .die
i L f
p
sipnsiipnstante μη4 Ln ,die
der Elek-Halbleitera.nofd.nung niit mindestens
einem in Durchlaßrichtung betriebenen
p-n-übergang, insbesondere Transistor
Anmelder:
Siemens & Hals.ke Aktiengesellschaft,
Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2
Dr. Richard Wiesner, München,
ist als Erfinder genannt worden
tronen. in der Emitterzone, pn und Dp die entsprechenden Qrößen der Defektelektronen in der Basiszone und W die Dicke der Basiszone bedeuten. Aus dieser Gleichung lassen sich die Bedingungen ablesen, die
zu erfüllen sind, um das Verhältnis ~p- möglichst klein zu machen. Es muß np klein, d. Ij. die Dotierung der Emitterzone hoch sein, und umgekehrt pn groß, d. h. die Dotierung der Basiszone möglichst klein gehalten werden. Dadμrch kann man erreichen, daß das Konzentrationsgefälle für Elektronen zwischen Basiszone3 urj4 Emitterzone 2 und damit der Elektronenstrom /„ verringert, während der Löcherstrom Ip vergrößert wird. Bei den Drifttransistoren, die in der Basiszpne ein die Ladungsträger beschleunigendes Feld aufweisen, ist aber 4ie schwache Dotierung der Basiszone sehr schwer durchzufüjireri. Es ist im aligemeinen
auch nicht leicht zu erreichen, die Diffusionslänge Ln der Elektronen in der Emitterzone möglichst groß zu machen. Eine Möglichkeit, den Elektronenstromanteil In kjein und damit den Emissipnswirkungsgrad γ groß zu machen, ist dadurch gegeben, 4aß die Randkonzentration der Elektronen in den vpn der Elektrode begreiizten emittierenden TeiJ 4ps Halhleiterkörpers entsprechend der Spannung arn pnrÜhergang angphoben wir4, und zwar nahezu auf dieselbe |iöhe wie die Elektrpneiikonzentration am pn-übergang selbst. D^s
009 610/307
führt zu einer Verringerung des Konzentrationsgefälles und damit zu einer Verringerung des Elektronenstromes.
Es sei die Randkonzentration nR und der Überschuß über die Gleichgewichtskonzentration AnR = η%—ηρ. Dann erhält man für das Stromverhältnis
In nvDn W
h Ln
^Dn W
0 % fh ~~r;
Δη*
1 —
ch
Ln
+ ^sk4-
3l
s L,
ch ■
(4)
T I « J
O J-nn.
(ee — lj
sh
wobei U die Spannung am emittierenden pn-übergang k T
und Ό = bedeutet. Bei übererhöhter Randkonzen-
?
tration, AnRX), wird demnach -~ verkleinert und
der Emissionswirkungsgrad vergrößert. Damit dies bei jeder Spannung, die an diesem pn-übergang anliegt, also auch bei Wechselstrombetrieb zutrifft, muß die Randkonzentration nR mit zunehmender Spannung ansteigen, möglichst in derselben Weise wie am pn-Übergang.
Dies kann mit einer Halbleiteranordnung erreicht werden, bei der der emittierende Teil des Halbleiterkörpers aus zwei Zonen gleichen Leitungstyps und derart verschiedener Größe der Leitfähigkeit besteht, daß die Zone am pn-übergang eine kleinere Dotierung als die der anderen Zone hat und eine Dicke, die kleiner ist als die Diffusionslänge der Minoritätsträger.
Durch die vorliegende Erfindung soll der Emissionswirkungsgrad γ einer solchen, an sich bekannten Anordnung noch weiter verbessert werden.
Die Beziehung (2) gilt für den im allgemeinen gegebenen Fall, daß die Dicke der Emitterzone d groß gegen die Diffusionslänge Ln der Elektronen in der Emitterzone ist. Für den Fall, daß diese Bedingung nicht erfüllt ist, muß die Formel (2) durch einen Faktor ergänzt werden.
4.0
45
Hierbei bedeutet s die Oberflächenrekombination der Emitterzone. Wenn d hinreichend klein gegen Ln genommen wird, vereinfacht sich Gleichung (4) zu
~r s (4a)
Für—-kann man auch Ls einführen, das ist die der
Oberflächenrekombination zugeordnete Diffusionslänge. Im allgemeinen wird die Emitterzone von einer ohmschen Elektrode 4 als Stromzuführung begrenzt. In diesem Falle hat man j praktisch als unendlich anzunehmen. Die Oberflächenrekombination s ist an der ohmschen Emitterelektrode 4 besonders groß, da die Elektronen sofort in den Draht abfließen (bzw. die 6g Löcher bei einer η-leitenden Emitterzone mit den Elektronen aus dem Draht sofort rekombinieren), d. h., bei einer großflächigen ohmschen Emitterelektrode unmittelbar an die p-Zone anschließend, wird der Konzentrationsgradient vergrößert und der Strom /„ er-(3a)
(3b)
höht. Dies ergibt sich auch aus der Gleichung (4 a), wenn man j gegen unendlich gehen läßt. Der dritte
Faktor dieser Gleichung wird dann gleich —j-, d. h.,
~ wird im Verhältnis—£- vergrößert, es tritt also ein Xp et
unerwünschter Effekt ein. Gelingt es andererseits durch geeignete Maßnahmen, s hinreichend klein zu
halten, dann kann maii/tim den Faktor-=r- verkleinern,
Xp X*n
wie man aus Gleichung (4 a) entnehmen kann, wenn man s gegen 0 gehen läßt. Eine Maßnahme hierzu ist z. B. die, daß man durch Oberflächenbehandlung die Oberflächenrekombination an der nicht bedeckten Oberfläche des emittierenden Teils des Halbleiterkörpers, also, im vorliegenden Fall der Emitterzone 2, klein macht und als Stromzuleitung auf kleinen Bereichen Spitzen aufsetzt oder eine kleinfläehige Elektrode, z. B. eine ringförmige Elektrode, an dem dem emittierenden pn-Übergang gegenüberliegenden Oberflächenteil anbringt.
In Fig. 2 ist eine Halbleiteranordnung dargestellt, bei der die ohmsche Elektrode nur eine kleine Fläche der Emitterzone des. Halbleiterkörpers bedeckt und z. B. als Spitze ausgebildet ist. Die zu kontaktierende Oberfläche 10 der Emitterzone 2 des pnp-Transistors ist so vorbehandelt, daß j möglichst klein ist. Die ohmsche Elektrode ist im Ausführungsbeispiel eine Spitze 9. Es können aber auch mehrere Spitzen auf einen kleinen Bereich aufgesetzt werden oder eine ringförmige Elektrode aufgebracht sein.
Durch die Verkleinerung der Oberflächenrekombination j wird die Randkonzentration der Elektronen in den von der Elektrode begrenzten emittierenden Teil des Halbleiterkörpers noch weiter angehoben und damit der Elektronenstromanteil /„ weiter verkleinert. Umgekehrt vergrößert eine hohe Oberflächenrekombination das Konzentrationsgefälle und daher den Elektronenstrom.
Die Erfindung bezieht sich somit auf eine Halbleiteranordnung mit mindestens einem in Durchlaßrichtung betriebenen pn-Übergang, insbesondere Transistor. Diese Halbleiteranordnung ist dadurch erfindungsgemäß gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines kleinen Konzentrationsgradienten der Minoritätsträger in dem emittierenden Teil des Halbleiterkörpers und eines hohen Emissionswirkungsgrads dieses Teiles, dieser emittierende Teil des Halbleiterkörpers aus zwei Zonen gleichen Leitungstyps und derart verschiedener Größe der Leitfähigkeit besteht, daß diese Zone am pn-Übergang eine kleinere Dotierung als die der anderen Zone hat und eine Dicke, die kleiner ist als die Diffusionslänge der Minoritätsträger, und daß die Oberflächenrekombination an der nicht bedeckten Oberfläche des emittierenden Teils des Halbleiterkörpers, insbesondere an dem dem emittierenden pn-Übergang gegenüberliegenden Oberflächenteil, verkleinert ist und eine kleinfläehige Elektrode, insbeson-
dere eine Spitzenelektrode, an der höherdotierten Zone des emittierenden Teiles des Halbleiterkörpers angebracht ist.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung dienen die Fig. 3 und 3 a, in denen eine Halbleiteranordnung gemaß der Erfindung mit den zugehörigen Potentialkurven für die Elektronen dargestellt ist. Der emittierende Teil besteht gemäß der Erfindung aus zwei Zonen gleichen Leitungstyps, aber unterschiedlicher Leitfähigkeit, also z. B. aus einer p+p-Zonenfolge, die in Fig. 3 mit 6 und 2 bezeichnet sind. Die Elektrode 14 ist im Ausführungsbeispiel als Spitze ausgebildet und die nicht bedeckte Oberfläche des emittierenden Teils des Halbleiterkörpers, insbesondere an dem dem emittierenden pn-Übergang 1 gegenüberliegenden Oberflächenteil· so vorbehandelt, daß die Oberflächenrekombination ί nur gering ist. Die von 3 nach 2 fließenden Elektronen (In) finden am p+p-Übergang einen in Fig. 3 a angedeuteten Potentialwall vor und haufen sich deshalb am linken Rand der p-Zone 2 an und bedingen somit im Gebiet 5 eine Randkonzentration der Minoritätsträger von der Größe n%, die die Gleichgewichtskonzentraition np um A nR = nR — np überwiegt. Ebeniso wird die Randkonzentration der Elektronen auch an der dem Übergang 1 gegenüberliegenden Oberfläche der Zone 6 entsprechend der Spannung am pn-Übergang angehoben. Durch diese überhöhte Randkonzentration,, also ein Aufstauen der Ladungsträger, wird das Konzentrationsgefälle für die von 3 nach 2 fließenden Elektronen herabgesetzt und gemäß Gleichung (3) das Verhältnis In zu Ip vermindert. Da die Polung in Flußrichtung dieses p+p-Kontaktes in gleicher Richtung erfolgt wie die des emittierenden pn-Überganges, kann man die nötige Flußspannung direkt zwischen dem der Elektrode an der p+-Zone und der Basiselektrode anlegen, ohne die mittlere p-Zone kontaktieren zu> müssen. In diesem Fall stellt man vorteilhafterweise durch Wahl der Dotierung in den Zonen ein geeignetes Spanmungsteilungsverhältnis zwischen pn-Übergang und p+p-Übergang ein.
Legt man andererseits die Spannung nur an den pn-Übergang und läßt die p+-Zone auf schwebendem Potential, dann stellt sich dieses durch Diffusion der Ladungsträger so ein, daß ein die Minoritätsträger von der Oberfläche wegtreibendes Feld entsteht, das im Sinne einer Verringerung der Oberflächenrekombination wirkt.
Die geschilderten Maßnahmen haben gegenüber einer p+-Emitterzotie vor allem den Vorteil, daß man in der mittleren p-Zone im allgemeinen eine größere Diffusionslänge Ln einstellen kann als in einem p+-Bereich und daher auch schon dadurch eine Erhöhung der Emitterergiebigkeit nach Formel (1) erzielt wird.
Im folgenden soll untersucht werden, welche Be-
dingungen für den Idealfall -^- = 0, d. h. In gegen Null bzw. sehr klein, erfüllt sein müssen.
Aus Gleichung (3 a) ergibt sich, daß -^- = 0 wird,
I1P OO
wenn der Klammerausdruck Null wird. Setzt man diesen gleich Null, so ergibt sich für den Überschuß über die Gleichgewichtskonzentration Die Spannungsabhängigkeit der Minoritätsträgerkonzentration an der hochohmigen Kontaktseite eines in Fluß richtung gepolten pn-Überganges ist bekanntlich allgemein durch den Ausdruck gegeben
= A U**-lJ
Dabei ist U die am pn-Übergang anliegende äußere Spannung. Diese Spannungsabhängigkeit gilt angenähert auch für einen p+p- bzw. n+n-Übergang. Für die Konzentrationsanhebung der Minoritätsträger ^mp+p auf der hochohmigen Seite eines p+p-Überganges, also im p-Gebiet, ergibt sich ein Faktor A.
An21+11 =
hT
wobei NAp + die AkzeptOTkonzentration im p+-Gebiet ist, VD die am p+p-Übergang auftretende Diffusionsspannung und U' die am p+p-Übergang anliegende äußere Spannung.
Durch Vergleichen der Gleichungen (5) und (7) ergibt sich, daß, wenn U=U' ist, d. h. wenn die gesamte Spannung am Emitter gleichmäßig auf den pn-Übergang und den p+p-Übergang verteilt ist, Gleichung (3) gleich Null wird, wenn die folgende Gleichung erfüllt ist:
Vp q
d Im
Es ist also möglich, durch Wahl des Verhältnisses der Dotierungskonzentration in der p- und p+-Zone, durch das die Diffusionsspannung VD bestimmt ist, und des Verhältnisses der Dicke der Emitterzone d (p+p-Zone) zur Diffusionslänge Ln der Elektronen in der Emitterzone, die Gleichung (8) zu erfüllen.
Es wird daher in weiterer Ausbildung des Erfindungsgedankens zum Erzielen einer möglichst größen Emitterergiebigkeit, d. h. eines möglichst kleinen Stromes /„ von Elektronen, die von der Basis- in die Emitterzone fließen, in der höherdotierten Zone das Produkt aus Akzeptorkonzentration NAp+ und dem Boltzmann-Faktor des Diffusionspotentials
TeT
7 /
n=: cth -£-n,[&
(5)
70 am Übergang zwischen den beiden unterschiedlich dotierten Zonen etwa gleich der Elektronenkonzentration np in der weniger dotierten Zone gemacht, wenn man dabei annimmt, daß die Dicke der Emitterzone d klein gegen die Diffusionslänge Ln ist, also
ch——>- 1 geht.
Die Spannungsteilung zwischen pn-Übergang und p+p-Übergang kann auch durch äußere Schaltmittel, z. B. durch Anbringen von Widerständen zwischen p- und p+-Zone, justiert werden. Schließlich ist es möglich, durch Wahl der Dotierungsverhältnisse in der p- und p+-Zone oder durch äußere Schaltmittel die Stromabhängigkeit der Stromverstärkung zu beeinflussen, z. B. wie es oft erwünscht ist, die Stromverstärkung praktisch unabhängig von der Stromstärke zu machen. In diesem Fall [-^- = 0) ist man
K1V 1
unabhängig von den Dotierungsverhältnissen in der Basiszone. Bisher war eine möglichst geringe Dotierung der Basiszone notwendig, um ein Anwachsen der Leitfähigkeit der Basiszone auf zu große Werte mit
7 8
der Spannung im4 43WIf ßJn Absinken der Strom- Zonen gleichen Leitungstyps und derart verschigr
Verstärkung· mit waphsen4ero Strpni napglielist zu vqarr dener Größe der Leitfähigkeit besteht, daß die
meiden. Zone am pn-Übergang eine kleinere Dotierung als
In weiterer Ausbildung der Erfindung wird weitefr die der andere^ Zone hat und eine Dicke, die
hin die Dotierungskonzentration in der dem emittie- 5 kjeiner ist ftjs die ÖiÄsionslängg der Minoritätsr
renden Teil des Halbleiterkörpers benachbarten Zone träger, und dal die Öberfl^chenr-ekombination an
kleiner gemacht als die Dotierungskonzentration in d/a- njcht bedeckten Oberfläche des emittierenden
der weniger dotierten Zone des emittierenden Teils. Teijs des Halfjileiferkqrpers, insbesondere an dem
TJm z. B. bei einem Transistor den von der Basis- dem emittierenden pn-Übergang geggnüberliegen-
zone in die Emitterzone fließenden Minoritätsträger- io den. Oberflächenteil, yeflfieinert ist und eine klein-
strom möglichst klein zu halten, ist eine schwache flächige Elektrode, insbesondere eine Spitze^
Dotierungskonzentration in der Basiszone günstig, elektrode, an der höherdotierten Zone des, emittie-
Man erhält ajso einen Transistor niit großem EtnisV renden Tei|s des Hal^ileiterlcorpers angebracht is,^
sionswirkungsgrad, wenn man die Dotierungskonzen- 2. Halbleitgranordnung nach Anspruch 1, da-
tration in der Basiszone kleiner rrjacht als die maxi- 15 durch gekennzeichnet, daß in der höherdotierteti
male Dotierungskonzentration des emittierenden Teils, Zone das Produkt aus Akzeptorkonzentration und
insbesondere kleiner als die Dotierungskonzentration dem Boltzniann.TFa.lftor des Difrusionspotentials
in der schwächer dotierten, an den emittierenden SfD
pn-Übergang angrenzende Zone2. e~ kV
Eine niöglichst große Emitterergiebigkeit γ ist auch ap
bei Sphaltdiodfen erwünscht, daher ist eipe Anordnung am Übergang zwischen den. beiden unterschiedlich gemäß der Erfindung mit einem emittierenden Teil dotierten Zonen etwa gleich der Elektronendes Halbleiterkörpers, der aus zwei Zonen gleichen konzentration in der weniger 4Qti?rten Zone ger Leitungstyps, aber verschiedener (Sröße der Leit- macht ist.
fähigkeit besteht, auch für Vierzonenkippdioden 25 3. HalbleiteranoFdnung nach Anspruch 1 oder 2,
günstig. dadurch gekennzeichnet, daß die Potierungs-
konzentr-ation in der dem emittierenden Teil des Halbleiterkörpers benachbarten Zone kleiner ist als die Dotierungskonzentration in der weniger dotierten Zone des emittierenden Teils.

Claims (1)

Patentansprüche:
1. Halbleiteranordnung mit mindestens einem in Durchlaßrichtung betriebenen pn-Übergang, 30 insbesondere Transistor, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung eines kleinen Konzentrationsgradjenten der Minoritätsträger in dem emittierenden Teil des. Halbleiterkörpers und eines hohen EmissiQnswirkung3grades dieses Teiles, dieser 35 emittierende Teil des Halbleiterkörpers aus zwei
In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsehe Patentschrift Nr. 814487; franzöisische Patentschriften Nr. 1 137 424, 1 143 Ϊ7Ι, ί 153 884j
belgische Patentschrift Nr. 509 9\ Q.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
DES59705A 1958-09-05 1958-09-05 Halbleiteranordnung mit mindestens einem in Durchlassrichtung betriebenen p-n-UEbergang, insbesondere Transistor Pending DE1090329B (de)

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