DE1171534B

DE1171534B - Flaechen-Vierzonentransistor mit einer Stromverstaerkung groesser als eins, insbesondere fuer Schaltzwecke

Info

Publication number: DE1171534B
Application number: DEJ18304A
Authority: DE
Inventors: Melvin Klein
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1959-06-23
Filing date: 1960-06-21
Publication date: 1964-06-04
Also published as: FR1264134A; NL252855A; US3211971A; GB917645A; US3241012A; GB917646A; NL264084A; DE1194061B; FR80156E

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. Kl.: HOIl

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

Deutsche Kl.: 21 g -11/02

J 18304 VIII c/21g

21.Juni 1960

4. Juni 1964

Die Erfindung befaßt sich mit einem Halbleiterbauelement zur Signalübertragung, insbesondere mit einem Germanium-Halbleiterbauelement, welches vier anstoßende Zonen von entgegengesetztem Leitfähigkeitstyp aufweist. Derartige Bauelemente werden vielfach verwendet, sie sind aber insbesondere für Schaltzwecke geeignet und sollen deshalb in diesem Zusammenhange bevorzugt beschrieben sein.

Um Relais zu betreiben, hat man weitestgehend Thyrastrone wegen ihrer Fähigkeit, starke Ströme zu übertragen und damit jene Relais zu betätigen, benutzt. Man hat auch schon Anstrengungen gemacht, derartige Röhren durch Festkörperbauelemente zu ersetzen. Diese Bemühungen brachten jedoch bisher nur einen mäßigen Erfolg. Spezialhalbleiterbauelemente oder Transistoren sind imstande, mäßig starke Ströme zu übertragen. Die für die genannten Zwecke entwickelten Halbleiterbauelemente besitzen in gewissen Umfange Punktkontaktelektroden.

Im allgemeinen stößt man bei Transistoren mit Spitzenkontakten wegen ihrer Herstellung und ihrer begrenzten Strombelastung auf starke Schwierigkeiten. Man hat auch versucht bis zu einem gewissen Grade Vierzonen-Siliciumtransistoren zu verwenden. Die Steuerung dieser Transistoren vom nichtleitenden in den leitenden Zustand ist jedoch schaltungsmäßig nicht einfach, und die Kosten solcher Transistoren übersteigen das zulässige Maß.

Für Schaltzwecke hat man auch schon vorgeschlagen, zwei komplementäre Germaniumtransistoren zu benutzen und die Kollektoren der einzelnen Transistoren mit der Basiszone des entgegengesetzten Transistors zu verbinden. Da man zwei Transistoren mit den genannten Zwischenverbindungen und den üblichen anderen Schaltungsteilen braucht, um in diesem Falle einen Transistorschalter zu gewinnen, sind die Kosten für eine solche Anordnung zu hoch. Man hat auch schon Vierzonen-Germaniumtransistoren zur Betätigung von Relais, deren Spule im Lastkreis der Transistoren liegt, vorgeschlagen. Diese Transistoren sind jedoch nicht imstande, der hohen Durchbruchsspannung Widerstand entgegenzusetzen. Diese Durchbruchsspannung wird durch den Lawinendurchbruch veranlaßt. Diesem Lawinendurchbruch sind die Transistoren ausgesetzt, wenn sie in ihrem nichtleitenden Zustand sind.

Zum Betreiben von Relais in den verschiedenartigsten Schaltungsanwendungen ist es wünschenswert, einen PNPN-Transistor aus geeignetem Halbleitermaterial, wie Germanium, zu verwenden. Der Transistor soll imstande sein, sich in einem normalerweise nichtleitendem Zustand durch eine kleine Flächen-Vierzonentransistor mit einer
Stromverstärkung größer als eins, insbesondere
für Schaltzwecke

Anmelder:

International Business Machines Corporation,

New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter:

Dr.-Ing. R. Schiering, Patentanwalt,

Böblingen (Württ.), Bahnhofstr. 14

Als Erfinder benannt:

Melvin Klein, Poughkeepsie, N.Y. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. Juni 1959 (822 385)

negative Spannung, z.B. —0,3 Volt, welche der Steuerbasis des Bauelementes zugeführt wird, zu halten. Vom Betriebsstandpunkt, insbesondere bei stromschaltenden Anwendungen, bei denen die Spannungsabweichungen klein sind, ist es fernerhin erwünscht, daß das Bauelement durch eine geringe Änderung von ungefähr 0,5 Volt in der Basisspannung leitend gemacht wird, um einen starken Stromfluß, z.B. in der Größenordnung von mehreren hundert Milliampere im Lastkreis, zu erhalten. Der Stromfluß soll dann so lange> bleiben bis er durch ein mechanisches öffnen des Belastungskreises, welcher die Relaisspule enthält, unterbrochen wird. Im Aus-Zustand des Transistors soll verlangt werden, daß der Transistor eine Spitzensperrspannung von etwa 100 Volt verträgt und dabei nur einen geringen Leckstrom von ungefähr 1 Milliampere überträgt. Diese Anforderung bezüglich der Spitzensperrspannung ist insbesondere bei PNPN-Germaniumtransistoren bisher schwierig zu erfüllen gewesen.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, die vorstehend erörterten Schwierigkeiten und Nachteile der bekannten Flächen-Vierzonentransistoren mit einer Stromverstärkung größer als eins zu überwinden und zu beheben.

Für einen solchen Flächen-Vierzonentransistor mit einer Stromverstärkung größer als eines, insbesondere für Schaltzwecke, besteht danach die Erfindung darin, daß der Halbleiterkörper eine Zonenfolge von drei

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Zonen abwechselnd entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps enthält, die einen ersten Transistor bildet, daß auf der einen äußeren Zone des Halbleiterkörpers eine weitere, vierte Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp wie die äußere Zone angebracht ist, die mit den zwei benachbarten Zonen des ersten Transistors einen zweiten Transistor bildet, daß der erste Transistor durch geringe Injektionsleistung des Emitters eine Stromverstärkung kleiner als 1, daß der zweite Transistor eine höhere Stromverstärkung als der erste Transistor durch eine große Injektionsleistung des Emitters aufweist und daß die Eingangsspannung zwischen der äußeren Zone und der benachbarten Zone des zweiten Transistors angelegt ist und als Ausgangsspannung die Spannung an den beiden äußeren Zonen des Vierzonentransistors verwendet ist.

Das Halbleiterbauelement umfaßt fernerhin eigene elektrische Anschlüsse zu den obenerwähnten Emitterelektroden, der genannten anderen Zone vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp und zu der zweiten Zone von dem erwähnten einen Leitfähigkeitstyp.

Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen für beispielsweise Ausführungsformen näher beschrieben. Aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen ergeben sich Weiterbildungen der Erfindung.

Fig. 1 stellt einen Querschnitt durch ein Halbleiterbauelement gemäß einer besonderen Ausführungsform der Erfindung dar;

F i g. 2 zeigt ein Diagramm, welches zur Erklärung der Eigenschaften des Halbleiterbauelementes nach Fig. 1 dienen soll;

F i g. 3 zeigt eine Schaltung, in der das Halbleiterbauelement nach der Erfindung verwendet ist;

Fig. 4 stellt einen Querschnitt durch eine abgewandelte Form eines Halbleiterbauelementes gemäß der Erfindung dar.

In F i g. 1 ist das Halbleiterbauelement mit 10 bezeichnet. Es enthält einen Halbleiterkörper 11 aus geeignetem Halbleitermaterial. Eine erste Zone 12 ist von einem Leitfähigkeitstyp, z.B. N-Germanium. Hieran stoßen die beiden Zonen 13 und 14 mit entgegengesetzten, d.h. P-Leitfähigkeitstyp, so daß damit ein erster Transistorabschnitt 15 (vgl. auch die Schaltung nach Fig. 3) gebildet wird.

Das Halbleiterbauelement 10 nach Fig. 1 enthält fernerhin eine zweite Zone 16 des erwähnten einen Leitfähigkeitstyps, d. h. im Falle des Beispiels des N-Leitfähigkeitstyps, welche angrenzt an eine der Zonen, nämlich an die Zone 14 vom entgegengesetzten, d.h. im Falle des Beispiels vom P-Leitfähigkeitstyp. Die Zone 16 bildet mit der Zone 14 und mit der ersten N-Zone 12 einen zweiten Transistorabschnitt 17 (vgl. hierzu auch die F i g. 3).

Die andere der Zonen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp, nämlich die P-Typ-Zone 13, bildet den Emitter des ersten Transistorabschnittes 15 und hat eine geringe Injektionsleistung.

Dies bringt für den ersten Transistorabschnitt 15 eine Stromverstärkung von wesentlich kleiner als 1 und verleiht jenem Abschnitt und der Vorrichtung 10 die Eigenschaft eines hohen Spannungsdurchbruches beim Fehlen einer äußeren Schaltverbindung zur Zone 12.

Die Art, in welcher diese niedrige Injektionsleistung erhalten wird, um die niedrige Stromverstärkung zu verwirklichen, soll später erklärt werden. Der zweite Transistorabschnitt 17 hat eine höhere Stromverstärkung als der Abschnitt 15. Diese Verstärkung wird wirksam mit der des Abschnittes 15, so daß für die Vorrichtung 10 eine Gesamtverstärkung erzielt wird, die größer ist als Eins, um die Schaltwirkung der Vorrichtung zu erhöhen, wenn die Vorrichtung für Schaltzwecke benutzt wird.

Die Signalübertragungsvorrichtung 10 nach F i g. 1 enthält außerdem eigene elektrische Anschlüsse 18, 19 und 20 zu der entsprechenden Emitterzone 13, der anderen Zone 14 vom entgegengesetzten bzw. P-Leitfähigkeitstyp und zu der zweiten Zone 16 des einen bzw. N-Leitfähigkeitstyps.

Eine Pille 21 aus einer Blei-Gallium-Legierung dient dazu, den Anschluß 18 an die Zone 13 zu binden. Eine Indium-Pille 22 verankert die Anschlüsse 19 an die Zone 14 und eine Blei-Antimon-Legierungspille 23 verankert die Anschlüsse 20. Letztere enthält ein wärmeausstrahlendes Kopfstück aus geeignetem leitenden Material, z.B. Kupfer. Die Verbindung20 ist also über 23 mit der Zone 16 verankert.

Zum besseren Verständnis des Halbleiterbauelementes nach Fig. 1 wird es nützlich sein, eine Beschreibung ihres Herstellungsprozesses zu bringen. Die P-Typ-Zone 14 beteht aus einem Ausgangsplättchen, auf welches die Schichten oder Zonen 12 und 16 aus N-Typ-Germanium in der üblichen Weise durch Verdampfung und bei Diffusion mit erhöhter Temperatur niedergeschlagen sind. Aus Gründen, welche später noch klar werden werden, ist nur ein Teil der N-Typ-Schicht 12 gezeigt. Die beschriebenen Verfahren erzeugen Gleichrichtersperrschichten 25 und 26 zusammen mit einem Paar von PN-Übergängen.

Als nächstes wird die Blei-Antimon-Legierungspille 23 in der üblichen Weise bei einer Temperatur von etwa 740° C an die N-Typ-Schicht 16 anlegiert, um damit einen ohmschen Anschluß herzustellen. Dann werden die Pille 21 aus einer Blei-Gallium-Legierung und die Pille 22 aus Indium, beides gleichzeitig, an die Vorrichtung 10 bei einer Temperatur von etwa 720⁰C anlegiert. Die Pille 22 bindet sich an die P-Typ-Zone bzw. an das Ausgangsmaterial 12 in der bekannten Weise, um eine ohmsche Basisverbindung herzustellen.

Bei der Legierungstemperatur der Pille 21 schmilzt oder löst sich ein Teil der darunterliegenden N-Typ-Zone 12 und bildet darin eine flache Vertiefung. Wenn sich das System abkühlt, beginnt die geschmolzene Masse aus Blei, Gallium und Germanium zu erstarren, und die rekristallisierte P-Zone 13 entwickelt sich. Sie dient als Emitter des PNP-Abschnittes 15 und bietet eine Gleichrichtersperrschicht 27. Das Kopfstück bzw. die Verbindung 20 ist an der Bleiantimonpille 23 verankert, was durch die übliche Wärmebehandlung erreichbar ist.

Die Blei-Gallium-Pille 21 besteht vorzugsweise aus einem kleinen Betrag von Gallium, und zwar in der Größenordnung von 0,1 bis 1,0%, der Rest ist im wesentlichen Trägermaterial, z. B. Blei. Eine besondere Legierungszusammensetzung, welche bei der Erfindung mit Erfolg verwendet wurde, besteht aus 0,5 °/o Gallium und 99,5% Blei. Die Verwendung einer Blei-Gallium-Legierungspille in der soeben angegebenen Zusammensetzung liefert einen Emittertyp oder einen Emitter-Basis-Übergang für den PNP-Abschnitt, der besonders geeignet ist in der Einheitsstruktur des PNPN-Transistors nach der Erfindung. Insbesondere bringt ein Vierzonentransistor, der mit

einer solchen Legierungspille arbeitet einen PNP-Abschnittl5, dessen Stromverstärkung niedrig ist, d.h. dessen Alphawert wesentlich kleiner ist als 1 und angenähert 0,3 betragen kann. Dieser niedrige Alphawert tritt trotz des hohen Abscheidungskoeffizienten von Gallium in Germanium auf. Während das Phänomen bei der Bildung der Emitterzone 13 und seines Überganges 25 stattfindet, um einen niedrigen Alphawert für den Transistor 15 zu schaffen, nicht verständlich ist, kann man annehmen, daß sich zwischen der P-Typ-Zonel3 und der anstoßenden N-Typ-Zonel2 eine schwache metallurgische Bindung wegen des Gebrauches von Gallium als die Leitfähigkeit bestimmendem Störstoff entwickelt. Das Gallium kann als Erzeuger einer unregelmäßigen Grenze oder Gleichrichtersperrschicht 27 (vgl. F i g. 1) zwischen den Bereichen 12 und 13 angesehen werden. Untersuchungen an Schnitten der Zonen 12 und 13 unter dem Mikroskop haben Gleichrichtersperrschichten mit einer unregelmäßigen Kontur gezeigt.

Der Grund, warum das leitfähigkeitsbestimmende Gallium, wenn es in der angezeigten Weise verwendet wird, eine unregelmäßige Grenze erzeugt, ist gegenwärtig nicht bekannt. Es ist zu vermuten, daß die Gleichrichtersperrschicht 27 nicht fortlaufend ist und daß die Unregelmäßigkeiten darin das Durchsickern des Stromes vom Emitter 13 zur Basis 12 begünstigen. Auf diese Weis© kann die Emitter-Basis-Zone 13, 12 wie eine undichte Diode betrachtet werden. Der Emitter 13 ist aus diesem Grunde als ein undichter Emitter oder, anders ausgedrückt, der PN-Übergang 27 als ein undichter PN-Übergang anzusehen. Es ist dies charakteristisch für die schwache Injektionsleistung am Emitter 15. Dies ruft wiederum hervor, daß die Stromverstärkung des PNP-Transistorabschnittes 15 niedrig wird, z. B. in der Größenordnung von 0,2 bis 0,4. Während solch eine Eigenschaft für einen üblichen Dreizonentransistor, der in der üblichen Weise verwendet wird, höchst unerwünscht sein würde, liefert diese Eigenschaft in dem Einheitskörper der Transistorvorrichtung 10 wichtige Vorteile, auf welche später noch eingegangen werden wird.

Da die PN-Übergänge 25 und 26 des NPN-Abschnittes 17 (vgl. auch Fig. 3) in der üblichen Weise gebildet worden sind, wird dieser Abschnitt eine beträchtlich höhere Stromverstärkung als der PNP-Abschnitt 15 haben. Die Stromverstärkung des NPN-Abschnittes wird gewöhnlich in der.Größenordnung von 0,6 bis 0,9 liegen und sollte von einem solchen Wert sein, daß die Summe der Stromverstärkungen der beiden Abschnitte 15 und 17 größer als 1 ist. Die einzelnen Stromverstärkungen bleiben im allgemeinen konstant, obgleich der Strom durch die Vorrichtung 10 mit dem Beginn der Leitung variieren kann. Wenn die Halbleitervorrichtung 10 für bestimmte Zwecke, z. B. für Schaltaufgaben, verwendet werden soll, ist es nicht nur wichtig, daß der Gesamtstromverstärkungsgrad der Vorrichtung 10, sondern daß auch die Verstärkung des NPN-Abschnittes 17 ziemlich hoch wird, damit eine schnelle Schaltgeschwindigkeit gewährleistet ist. Eine Verminderung in der Große der Legierungspille 23 ist in dieser Hinsicht nützlich.

Geeignete chemische oder andere Ätzverfahren, z. B. das elektrolytische Ätzen des Halbleitersystems 10 in einem verdünnten alkalischen Bad mit einer Lösung von 5 "Vo Natriumhydroxyd und mit den Anschlüssen 18 und 20 sowie den zugehörigen Pillen 21 und 23 als Anode, welche in das Bad eingetaucht wird, sind erwünscht, um das schädliche Material mit niederem Widerstand aus den PN-Übergängen zu entfernen, womit wiederum die Arbeitscharakteristiken der Vorrichtung verbessert werden. Das Ätzen kann Teile der entwickelten N-Typ-Zonen oder Schichten 12 und 16 entfernen.

An dieser Stelle wird es nützlich sein, über gewisse Konstruktionsüberlegungen ausführlicher zu berichten, damit die Arbeitsweise der Halbleitervorrichtung 10 zu verstehen ist. Dies soll kurz an Hand der in Fig. 3 dargestellten Schaltung geschehen, ohne daß auf die Einzelheitender Arbeitsweise dieser Schaltung eingegangen wird. Für die Vorrichtung 10 der Schaltung nach F i g. 3 und für den Fall des Fehlens einer äußeren Verbindung zur Zone 12 kann angenommen werden, daß die Vorrichtung anfangs in ihrem nichtleitenden Zustand durch eine niedere Spannung aus der Stromquelle bzw. der Batterie 30, welche zwischen den Zonen 14 und 16 des NPN-Abschnittes 17 der Vorrichtung liegt, gehalten wird. Außerdem wird eine Stromquelle 31 mit relativ hoher Spannung für die Vorrichtung 10 benötigt, um das Relais 32 zu betätigen, wenn ein positiver Steuerimpuls aus dem Impulsgenerator 33 auf die Vorrichtung gegeben wird, um diese leitend zu machen.

Im Aus-Zustand der Vorrichtung 10 können z.B. Schaltungserfordernisse notwendig werden, damit die Vorrichtung in der Lage ist, an dem üblichen Kollektor-PN-Übergang25 des PNP-Abschnittes 15 und des NPN-Abschnittes 17 einer Spitzensperrspannung V von etwa 100 Volt zu widerstehen. Die letztgenannte Spannung wird von der Batterie 31 geliefert. Um jedoch einer solchen Spitzensperrspannung zu widerstehen, muß der Effekt der Lawinenvervielfältigung oder des Lawinendurchbruches in Betracht gezogen werden. .

Der Lawinendurchbruch wird hervorgerufen durch Ladungsträger in der Halbleitervorrichtung 10,. welche mit solcher Kraft durch das elektrische Feld bei der Anlegung der Batterie 31 zu dem Kollektor-PN-Übergang25 beschleunigt werden, daß bei der Kollision der Ladungsträger mit Atomen im Halbleiterkristall der Vorrichtung genügend zusätzliche Ladungsträger gebildet werden, um einen überschüssigen Stromfluß zu erzeugen, welcher dann den unerwünschten Durchbruch am PN-Übergang herbeiführt. Um die hohe Spitzensperrspannung von 100 Volt, welche das Halbleiterbauelement 10 in seinem Aus-Zustand aushalten muß, zu verwirklichen, ist es notwendig, daß sein zentraler PN-Übergang 25 eine Lawinendurchbruchsspannung von mehr als 100 Volt hat.

Der Betrag der Kollektor-PN-Übergangs-Lawinendurchbruchsspannung ist bestimmt durch die Materialien der Basis-Kollektor-Zonen 12, 14 des PNP-Abschnittes 15. Wenn die N-Typ-Zone einen spezifischen Widerstand von 1,5 Ohm · cm und die P-Typ-Zonel4 einen spezifischen Widerstand von 3 Ohm · cm aufweist, läßt sich die Lawinendurchbruchsspannung nach Miller und Ewers (vgl. »Transistor Technology«, S. 279 des zweiten Bandes) auf etwa 120 Volt vorherbestimmen. Wie die Erfahrung gezeigt hat, sind die vorbestimmten Werte im allgemeinen niedriger als die wirklichen Werte. Um diese 120 Volt zu erhalten, ist in der Vorrichtung nach der Erfindung ein Germanium-Ausgangsmaterial, bzw. eine Zone 14, mit Erfolg verwendet worden,

dessen spezifischer Widerstand 4 Ohm · cm betragen hat.

Da keine Außenanschlüsse an die Zone 12 des PNP-Abschnittes 15 vorhanden sind, arbeitet letzterer im Zustand schwebender Basis mit den angenommenen 100 Volt, welche zwischen den Emitter- und Kollektorzonen 13 und 14 effektiv angelegt sind. In der Abhandlung von Millers und Ebers, »Alloy Junction Avalanche Transistors« (Bell System Technical Journal, Bd. 45 vom September 1955, S. 833 bis 902) ist gezeigt worden, daß Lawinendurchbruch auftritt, wenn die folgende Beziehung eingehalten ist:

a_NM = 1, (1)

worin a_N die Stromverstärkung des PNP-Transistorabschnittes und M der Lawinenvervielfältigungsfaktor ist. Letzterer kann ausgedrückt werden durch folgende Beziehung:

M =

Vb

(2)

45

In der Formel 2 ist V die angelegte Spannung oder die Spitzensperrspannung. V_B ist die Lawinendurchbruchsspannung am Kollektor-PN-Übergang, und der Exponent η beträgt 3 für N-Typ-Germaniumgrundmaterial. Die Fig. 2 der Zeichnung zeigt schematisch den Zusammenhang zwischen a_N und dem Verhältnis V:V_B auf Grund einer Berechnung aus den Gleichungen 1 und 2. Eine gute Ausführungsform eines Transistors des Typs nach der Erfindung unter konsequenter Beachtung der vorteilhaften Verwendung des darin verwendeten Materials besteht, wenn die Spitzensperrspannung V nahezu gleich der Spannung V_B wird, wenn solch ein Ergebnis erreichbar ist.

Es ist vorher festgestellt worden, daß die für die Basis-Kollektor-Zonen 12 und 14 des Transistorabschnittes 15 ausgewählten Materialien die Kollektorlawinendurchbruchsspannung auf 120 Volt festlegen. Dieses ist an sich nicht zu leicht zu erreichen. Aus der Kurve der Fig. 2 ist zu ersehen, daß bei einem Stromverstärkungsfaktor des PNP-Abschnittes von 0,3 das Verhältnis V:V_B etwa 0,88 wird. Setzt man den Wert von 120 Volt für V_B ein, so findet man, daß die Spitzensperrspannung in Wirklichkeit etwa 105 Volt beträgt, was völlig unbefriedigend ist, da sie um 5 Volt höher liegt als die verlangten 100 Volt bei einer Anwendung in der Schaltung nach Fig. 3. Da das Gallium in der Legierungspille eine rekristallisierte P-Typ-Emitterzone 13 mit einer unregelmäßigen Kontur, herrührend vom Emitter 13 für den PNP-Abschnitt mit niedriger Injektionsleistung, wird die Stromverstärkung, realisiert durch den Abschnitt 15, etwa 0,3. Die Folge davon ist, daß die Halbleitervorrichtung 10 die Eigenschaft aufweist, einer hohen Spitzensperrspannung von 100 Volt zu widerstehen. Deshalb kann man behaupten, daß die genannte Vorrichtung die Eigenschaft einer hohen Durchbruchsspannung aufweist.

Für den Augenblick sei angenommen, daß der PNP-Transistorabschnitt 15 des Einheitstransistoraufbaues ein solcher ist, wie man ihn an sich aus dem Stande der Technik mit einer hohen Emitterinjektionsleistung kennt, und welcher einen Stromverstärkungsfaktor von etwa 0,8 liefert. Aus der Kurve nach F i g. 2 ergibt sich dann ein Verhältniswert von V: V_B von etwa 0,59. Ein PNPN-Transistor mit einem solchen PNP-Abschnitt würde nur imstande sein, einer Spitzensperrspannung von etwa 70,8 Volt zu widerstehen. Deshalb können die vorher angezeigten strengen Anforderungen von 100 Volt nicht gewährleistet werden. Man kann daher erkennen, daß die Halbleitervorrichtung 10 nach der vorliegenden Erfindung mit seinem PNP-Abschnitt 15 einschließlich seinem Emitter 13 niedriger Injektionsleistung dem ersten Abschnitt und der Vorrichtung die Eigenschaft einer hohen Durchbruchsspannung verleiht, wie man sie bisher bei PNPN-Transistoren nicht erreicht hat. Es wird daher klar sein, daß eine niedrige Stromverstärkung in dem PNP-Abschnitt des PNPN-Transistors erwünscht ist, um eine hohe Kollektorspannung auszuhalten, wenn die Vorrichtung mit einer schwebenden Basiszone verwendet werden soll.

Nachstehend sind einige Werte für die verschiedenen Elemente des Transistors zusammengestellt, mit denen sich eine besonders vorteilhafte Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Vorrichtung gewinnen läßt.

Zone 14 5 Ohm · cm, P-Typ, 1,52 mm

Durchmesser, 0,10 mm Dicke

Zonen 12 und 16 Diffundierte Antimonhaut,

Dicke = 0,013 mm, Oberflächenkonzentration in Atomen pro cm³ = 6 bis 8 · 10¹⁶

Ausgangsmaterial für

die Pille 21 99,5% Blei, 0,5 % Gallium,

0,76 mm Durchmesser, 0,10 mm Dicke Ausgangsmaterial für

die Pille 22 100% Indium, 0,20 mm

Durchmesser, 0,127 mm Dicke

Ausgangsmaterial für

die Pille 23 90% Blei, 10% Antimon,

0,76 mm Durchmesser,

0,10 mm Dicke Spitzensperrspannung 100 Volt

Vorspannung 0,3 Volt

Leckstrom 1 Milliampere

Leitender Strom .... etwa 500 Milliampere Schaltzeit weniger als 1 Mikrosekunde

Es soll nun an Hand der F i g. 3 eine typische Verwendungsform der PNPN-Halbleitervorrichtung 10 nach F i g. 1 eingehender erörtert werden. In F i g. 3 ist die Vorrichtung 10 schematisch als ein schaltendes Organ für das selektive Steuern des Stromflusses über die Relaiswicklung 32 dargestellt. Die Relaiswicklung 32 liegt zwischen den Zonen 13 und 16 unter Zwischenschaltung eines Widerstandes 34, welcher im ganzen oder zum Teil die Widerstandsimpedanz der Wicklung 32 umfassen kann. Ferner ist vorgesehen eine Batterie31, die mit dem +Pol an die Zone 13 angeschlossen ist, und ein Schalter 35, der entweder manuell oder mechanisch, z. B. durch einen Nocken, steuerbar ist.

Die Zone 13 dient als Emitter des PNP-Abschnittes 15, während die Zone 16 als Emitter des NPN-

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Abschnittes 17 dient. Sie dient außerdem als eine der Legierungspillen 51 und 53 ist etwas verschieden, der Ausgangselektroden der Vorrichtung 10. Die und das Verfahren zur Bildung der verschiedenen Zone 14 des NPN-Abschnittes wird als steuerbare PN-Übergänge ist völlig anders als im Falle der Basis der Vorrichtung 10 benutzt. Der PN-Übergang Fig. 1. Eine Blei-Antimon-Legierungspille 53 mit 26 ist in der Sperrrichtung vorgespannt durch eine 5 einer Zusammensetzung von beispielsweise 90%· Blei kleine Spannung von etwa —0,3 Volt, welche die und 10% Antimon ist in an sich bekannter Weise Stromquelle 30 liefert. Die eine Klemme der Batterie mit dem P-Typ-Ausgangsplättchen 44 legiert, so daß 30 ist über den Impulsgenerator 33 mit der Zone 14 sich eine rekristallisierte N-Typ-Zone 46 mit einer verbunden. Die ander© Klemme liegt an der Zone 16, Gleichrichtersperrschicht 56 zwischen den Zonen und zwar unter Zwischenschaltung eines Strom- io oder Zonen 44 und 46 bildet.

begrenzerwiderstandes 36. Um die Gleichrichtersperrschichten 55 und 57 her-

Für die Beschreibung der Arbeitsweise der Schal- zustellen, wird eine Legierungspille 51 an das Austung nach Fig. 3 sei angenommen, daß der PN- gangsplättchen44 anlegiert. Diese Pille besteht aus Übergang 26 bei umgekehrter Vorspannung die Vor- dem metallischen Trägermaterial Blei und Störstoffen, richtung 10 im nichtleitenden Zustand hält, wobei 15 wie Antimon und Gallium.

nur ein kleiner Rückstrom durch die Sperre26, z.B. Eine Legierungspille mit Antimon im Betrage von

von 1 Milliampere, fließen soll. Der Leckstrom der 0,6 bis 1,0%, mit Gallium im Betrage von 0,0025 Halbleitervorrichtung, welcher zwischen den Zonen bis 0,0075% und Blei als Rest liefert bei der Be-13 und 16 fließt, kann auch ungefähr 1 Milliampere handlung mit dem Germanium-Ausgangskörper 44 betragen, und die mit der Batterie 31 der Vorrichtung 20 eine Emitterzone 43 vom P-Typ mit niedriger Injekaufgeprägte Spitzensperrspannung beträgt etwa tionsleistung. Dadurch hat der PNP-Abschnitt mit 100 Volt. den Zonen 43, 42 und 44 die gewünschte Stromverist der Schalter35, wie in Fig. 3 dargestellt, ge- Stärkung von 0,3. Bei der Legierungstemperatur von schlossen, dann wird die Einführung eines kleinen, etwa 760° C schmilzt die Emitterpille 51 oder löst positiv verlaufenden Impulses von 0,3 Volt, welchen 25 einen Teil des Germaniumplättchens 44 unter der der Impulsgenerator 33 liefert, die Vorspannung am Pille 51 auf und bildet eine Einbuchtung darin. Es PN-Übergang 26 bis auf ungefähr 0 Volt herabsetzen hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn bei der be- und den Transistor 10 leitend machen. Der von der trachteten Operation die Dauer des Legierungsvor-Batterie 31 gelieferte Strom fließt dann über den ganges 45 Minuten beträgt. Da das Antimon in der Widerstand 34, über die Relaiswicklung 32 und über 30 Pille einen größeren Diffusionskoeffizienten hat als den Transistor von der Zone 13 zur Zone 16 und zu- das Gallium, diffundiert das Antimon sofort in der rück zur negativen Klemme der Batterie. Der Wider- Umgebung der Einbuchtung in das feste P-Typstand 34 dient als strombegrenzender Widerstand. Da Material 44 und ändert das umgebende Material in keine Phasenumkehr entweder im PNP-Abschnitt N-Typ-Material, so daß sich die Zone 42 ausbildet, oder NPN-Transistorabschnitt 17 stattfindet, ist die 35 Wenn sich das System abkühlt, beginnt sich die ge-Schaltung rückkoppelnd, um plötzlich einen starken schmolzene Masse aus Blei, Germanium, Gallium Fluß des Sättigungsstromes mit etwa 500 Milliampere und Antimon zu verfestigen. Da der Abscheidungszu entwickeln. Dieser reicht aus, um eine Sättigung koeffizient von Gallium höher ist als der von Antider Vorrichtung 10 zu verursachen und das Relais mon, entwickelt sich eine rekristallisierte P-Typ-Zone 32 zu betätigen. Schaltzeiten von weniger als einer 40 oder Zone 43, welche als Emitter der Halbleiter-Mikrosekunde können verwirklicht werden. Signalübertragungsvorrichtung 40 dient und eine

Der Stromfluß setzt sich sogar fort, nachdem der Gleichrichtersperrschicht oder PN-Übergang 57 mit vom Impulsgenerator 33 gelieferte Steuerimpuls auf- der benachbarten N-Typ-Zone 42 hervorbringt, gehört hat, und zwar wegen dieser Rückkopplung. Der extrem kleine Betrag von p-Typ bildendem

Die Schaltung wirkt wie eine Thyratron-Schaltung. 45 Gallium in der Legierungspille 51 mit 0,005% hat Die Impedanz, welche die leitende Vorrichtung 10 sich als außerordentlich erfolgreich erwiesen und zwischen ihren Zonen 13 und 16 darbietet, ist extrem liefert in einer Emitterzone 43 eine niedrige Injekniedrig, so daß der Leistungsverlust im Transistor tionsleistung. Dieser Betrag an Gallium ist ungefähr sehr klein ist. der vierzigste Teil von jenem, den man für die

Durch Öffnen des Schalters 35 und damit des Aus- 50 Emitter von PNP-Transistoren braucht, welche nach gangskreises der Vorrichtung 10 kann der Stromfluß dem Diffusionsverfahren mit nachfolgender Legierung beendet werden. Wenn daher eine Halbleitervorrich- hergestellt werden und bei dem es darauf ankommt, tung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung in einer eine gute Injektionsleistung zu erhalten. Die Verwen-Schaltung nach F i g. 3 benutzt wird, dann ist diese dung einer N-Typ-Zone 46, welche kleiner ist als die Vorrichtung imstande, sich durch eine relativ kleine 55 andere N-Typ-Zone des NPN-Transistorabschnittes, Vorspannung im nichtleitenden Zustand zu halten, gewährt letzterer eine etwas höhere Stromverstärkung, wobei zu diesem Zeitpunkt der Leckstrom sehr klein als wenn sie beide die gleichen Größen hätten, und die Spitzensperrspannung sehr hoch ist. Ein Das P-Typ bildende Indium hat einen niedrigen

kleines Eingangssignal ist bereits wirksam, um die Abscheidungskoeffizienten. An Stelle einer doppelt Vorrichtung plötzlich leitend zu machen. Diese kann 60 dotierten Blei-Antimon-Gallium-Pille kann eine dopdann einen starken Stromfluß ziehen, welcher aus- pelt dotierte Pille verwendet werden, welche Blei, reicht, eine Vorrichtung, wie z. B. ein Relais, welche Antimon und Indium enthält, um den PN-Übergang zu ihrer Betätigung starke Ströme verlangt, zu be- 43, 57, 42 nach dem Diffusionsverfahren mit nachtätigen, folgender Legierung zu erzeugen. Eine Pille des zu-In der Fig. 4 ist eine abgewandelte Form des 65 letzt erwähnten Typs mit 1% Antimon, 2 bis 3% Halbleiterbauelementes 10 nach Fig. 1 dargestellt. Indium und Blei als Rest wird einen PN-Hook-Über-In Fig. 4 haben die entsprechenden Teile das gleiche gang erzeugen, worin der Emitter wegen seiner ge-Bezugszeichen, jedoch mit 30 addiert. Die Geometrie ringen P-Dotierung eine niedrige Injektionsleistung hat.

Claims

11 12 Um das niederohmische Material an den verschie- (17) eine höhere Stromverstärkung als der erste denen PN-Übergängen zu entfernen, wird der Tran- Transistor (15) durch eine große Injektionsleistung sistor nach F i g. 4 chemisch oder elektrolytisch nach des Emitters aufweist und daß die Eingangsspaneinem der an sich bekannten Verfahren geätzt. nung zwischen der äußeren Zone (16) und der Für die Ausführungsform der Erfindung nach 5 benachbarten Zone (14) des zweiten Transistors Fig. 4 werden nachstehend einige Bemessungs- angelegt ist und als Ausgangsspannung die Spanangaben aufgeführt, mit denen sich ein besonders nung an den beiden äußeren Zonen des Viergünstiger Transistor herstellen läßt. Die Erfindung zonentransistors verwendet ist. soll jedoch auf diese speziellen Werte nicht be- 2. Flächen-Vierzonentransistor nach Anschränkt sein. 10 sprach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung für den ersten Transistor (15) 0,2 bis Zone 44 5 Ohm · cm, P-Typ, 1,52 mm o,4 beträgt. Durchmesser, 0,10 mm Dicke 3. Flächen-Vierzonentransistor nach den An- T . Sprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Legierungsausgangs- die Stromverstärkung des zweiten Transistors (17) material Pille 53 .. 90% Blei, 10% Antimon, ä0,6 bis 0,9 beträgt. 0,76 mm Durchmesser, ' 4. Flä'chen-Vierzonentransistor nach den An- 0,10 mm Dicke sprächen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Legierungsausgangs- CT ™m?NPN-Typ ist „ Z. „„ ~„ ^t . rv^„/ a *· ao 5. Flachen-Vierzonentransistor nach den An- material Pille 51 .. 99,392% Blei, 0,6% Anti- spTÜchen 1bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mon, 0,008% Gallium, er vom Legierungstyp ist. 0,76% Durchmesser, 6. Flächen-Vierzonentransistor nach den An- 0,10 mm Dicke Sprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß 35 der Halbleiterkörper aus Germanium besteht, Legierungsausgangs- daß die äußere Zone (13) des ersten Transistors material Pille 52 .. 100% Indium oder 99% Blei, (15) eme Legierungspille (21) aus einer Blei- 1% Indium, 0,20 mm Durch- Gallium-Legierung und die Mittelzone (14) eine messer, 0,127 mm Dicke Legierungspille (22) aus Indium aufweist. T. , At--*.*· * u -nanor^ 30 7. Flächen- Vierzonentransistor nach den An- Legterungsdauer .... 45 Minuten bei 760° C ^6n χ Us ^ dadurch gekennzdchnet5 daß Spitzensperrspannung mindestens 100 Volt die äußere Zone (16) des zweiten Transistors (17) Vorspannung für den eine Legierungspille (23) aus einer Blei-Antimon- A α mvit Legierung aufweist. Auszustana υ,ό voit ^ g Fläcnen.Vierzonentransistor nach den An- Leckstrom 1 Milliampere sprächen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Leitungsstrom 300 bis 500 Milliampere die äußere Zone (16) des zweiten Transistors (17) , , . . , Λ,,.,,, eine Legierungspüle (23) aufweist, die auf der Schaltzeit wemSer als 1Mikrosekunde dem Halbleiterkörper abgewandten Seite an ein _ 40 wärmeableitendes Kopfstück (20) angeschmol- Patentanspruche: zen ist

1. Flächen-Vierzonentransistor mit einer Strom- 9. Flächen-Vierzonentransistor nach Anverstärkung größer als 1, insbesondere für Schalt- spruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleizwecke, dadurch gekennzeichnet, daß Gallium-Legierung 0,1 bis 1,0% Gallium enthält, der Halbleiterkörper eine Zonenfolge von drei 45 10. Flächen-Vierzonentransistor nach den AnZonen (13,12,14) abwechselnd entgegengesetzten sprächen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Leitfähigkeitstyps enthält, die einen ersten Tran- ein Halbleitermaterial mit einem spezifischen sistor (15) bildet, daß auf der einen äußeren Zone Widerstand von 4 bis 5 Ohm · cm verwendet ist.

(14) des Halbleiterkörpers eine weitere, vierte

Zone (16) vom entgegengesetzten Leitfähigkeits- 5°

typ wie die äußere Zone (14) angebracht ist, die In Betracht gezogene Druckschriften:

mit den zwei benachbarten Zonen des ersten Deutsche Auslegeschriften W 11064 Villa/21a²

Transistors einen zweiten Transistor (17) bildet, (bekanntgemacht am 23. 8. 1956; W 11003 daß der erste Transistor (15) durch geringe In- VIII a/21a² (bekanntgemacht am 13. 10. 1955);

jektionsleistung des Emitters eine Stromverstär- 55 USA.-Patentschriften Nr. 2 663 830, 2 756 285,

kung kleiner als eins, daß der zweite Transistor 2852677.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

409 598/316 5.64 @ Bundesdruckelei Berlin