DE1243278B

DE1243278B - npn- bzw. pnp-Leistungstransistor aus Silizium

Info

Publication number: DE1243278B
Application number: DES57551A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Reimer Emeis; Dr Rer Nat Adolf Herlet
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1958-03-27
Filing date: 1958-03-27
Publication date: 1967-06-29
Also published as: CH369521A; US2936410A; FR1218826A; GB907980A

Description

DEUTSCHES ITfW PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

DeutscheKl.: 21g-11/02

Nummer: 1 243 278

Aktenzeichen: S 57551 VIII c/21 ]

I 243 278 Anmeldetag: 27.März 1958

Auslegetag: 29. Juni 1967

Die Erfindung bezieht sich auf einen npn- .bzw pnp-Leistungstransistor mit einer größeren Emitter-Elektroden-Fläche als 1 mm² und einem Halbleiterkörper in Form einer Siliziumscheibe mit zwei auf deren Flachseiten aufgebrachten hochdotierten Zonen gegenüber dem Halbleiterkörper entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps als Emitter und Kollektor, bei dem der Kollektor einen wesentlichen Teil der einen Scheibenflachseite bedeckt und auf der anderen Scheibenflachseite der Emitter und mindestens eine Basiselektrode derart angeordnet sind, daß zwischen ihnen ein gleichmäßig breiter Abstandsstreifen frei bleibt. Derartige Transistoren sind zur Verwendung als Verstärker oder als Schalttransistoren für Starkstromkreise mit Strömen von etwa 1A bis zur Größenordnung von 100 A bestimmt. Sie sind zu unterscheiden von Transistoren für Signalübertragung, deren Ausgangskreis nur sehr geringe Ströme von weniger als 1 A, vielfach nur von wenigen Milliampere führen. DieEmitter dieser für Nachrichtenzwecke bestimmten Transistoren sind häufig mit Punktkontakten, deren Fläche kleiner ist als 0,1 mm², oder mit Schneidenoder 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 für Leistungstransistoren 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 Sinn der vorliegenden Schilderung sollen daher solche Halbleitertrioden verstanden werden, bei denen der Emitter eine Halbleiterfläche von mindestens annähernd 1 mm² oder mehr bedeckt.

Die Erfindung bezweckt eine möglichst günstige Auslegung von Siliziumleistungstransistoren der eingangs erwähnten Bauart mit dem Ziel einer Optimierung ihrer Charakteristiken durch gegenseitige Abstimmung ihrer Messungsgrößen, wie weiter unten näher erläutert. Erfindungsgemäß beträgt die Dicke der Basiszone (p bzw. n) zwischen den emitter- und kollektorseitigen pn-Übergängen 0,03 bis 0,08 mm bei npn-Transistoren bzw. 0,02 bis 0,05 mm bei pnp-Transistoren und die Breite des Abstandsstreifens zwischen Emitter- und Basiselektrode höchstens das Doppelte der genannten Dicke der Basiszone, 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 Querschnittsnpn- bzw. pnp-Leistungstransistor aus Silizium

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:
ι» Dr.-Ing. Reimer Emeis, Ebermannstadt;
Dr. rer. nat. Adolf Herlet, Pretzfeld

profil eines Leistungstransistorelementes in stark vergrößerter und schematischer Darstellung. Es werde beispielsweise von einem npn-Transistor ausgegangen, der aus einem scheibenförmigen Siliziumeinkristall vom p-Leitfähigkeitstyp nach dem bekannten

ao Legierungsverfahren hergestellt ist. Auf der Unterseite der Scheibe ist durch Einlegieren einer antimonhaltigen Goldfolie ein KollektorC hergestellt, der somit aus einer metallisch leitenden antimonhaltigen Gold-Silizium-Legierungsschicht besteht, welcher ein hochdotierter η-leitender Bereich vorgelagert ist. Letzterer reicht bis zum kollektorseitigen pn-übergang j_c. Der Kollektor erstreckt sich über die ganze Fläche der Unterseite der Siliziumscheibe. Auf der gegenüberliegenden Seite ist in derselben Weise und mit denselben Stoffen ein Emitter E einlegiert, dessen Gebiet bis zum emitterseitigen pn-übergang j_E reicht. Er erstreckt sich über eine Fläche von geringerem Radius als der Kollektor C und ist von einem ringförmigen Basiskontakt A umgeben, welcher durch Einlegieren einer Aluminiumfolie hergestellt sein und somit aus einer Aluminium-Silizium-Legierung (Silumin) bestehen kann. Er bildet einen sperrfreien Kontakt für den übrigen, unverändert gebliebenen Teil der Siliziumscheibe, welcher als Basisgebiet B bezeichnet

μ> wird. Letzteres hat zwischen dem Emittergebiet und dem Kollektorgebiet die Dicke W. Zwischen dem Basiskontakt^t und dem Basisgebiet B befindet sich eine hoch p-dotierte Schicht von geringer Dicke, welche im folgenden außer Betracht bleibt, weil ihre

1.5 Grenze gegenüber dem niedrigdotierten Basisgebiet ohnehin am fertigen Element nicht genau bestimmbar ist. Da sich zudem diese Vernachlässigung nur im Sinn eines günstigeren Betriebsverhaltens der Transistoren auswirken kann, erscheint sie unbedenklich.

Demgemäß sei die Distanz D als Abstand zwischen Emitter und Basiskontakt an der Halbleiteroberfläche definiert. Der Transistor möge in geöffnetem Zustand

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Claims

betriebsmäßig hauptsächlich im Bereich »hoher Injektionen« arbeiten. Es ist bereits früher 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 andererseits noch ein ausreichend hoher Stromverstärkungsfaktor erhalten wird. Bei npn-Transistoren wird dieser Stromverstärkungsfaktor unzulässig herabgesetzt, wenn das Verhältnis der Dicke W des Basisgebietes zur Diffusionslänge L den Wert WIL ^ 1 überschreitet. Bei den derzeit herstellbaren npn-Silizium-Leistungstransistoren mit einlegierten Elektroden ist bei mittleren Trägerinjektionen eine wirksame Diffusionslänge L bis zu 0,2 mm bei einer Scheibendicke von etwa 0,12 mm erreichbar. Aus Versuchen wurde nun die neue Erkenntnis gewonnen, daß L mit weiter erhöhter Trägerkonzentration gegenüber dem genannten Maximalwert von bis zu 0,2 mm wieder abnimmt. Aus diesem Grund 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 Gefahr deswegen vermieden, weil durch die praktisch in Betracht kommenden Kühlungsmöglichkeiten ohnehin der Höhe des Stromes vom Emitter zum Kollektor eine solche Grenze gesetzt ist, daß die Diffusionslänge L den erwähnten kritischen Wert nicht unterschreitet. Die vorstehenden Zahlenangaben gelten, wie gesagt, für npn-Leistungstransistoren. Demgegenüber sind bei pnp-Leistungstransistoren wegen der geringeren Beweglichkeit der Minoritätsträger im Basisgebiet die Anforderungen bezüglich des Verhältnisses WIL schärfer. So tritt u. a. an die Stelle des oben angebenen Grenzwertes WIL^l für ausreichende Stromverstärkung beim pnp-Transistor der niedrigere Grenzwert WILcsJ l/]/3~. Zur Erzielung einer etwa gleich hohen Stromverstärkung bei gleicher Diffusionslänge L darf also die Dicke W des Basisgebietes beim pnp-Transistor nur etwa das 0,6fache der oben für npn-Transistoren angegebenen Werte betragen. Daraus ergibt sich für pnp-Transistoren der bereits erwähnte Bereich 0,02 bis 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. a) Während in dem Bereich D >2L die Trägerverluste wahrscheinlich annähernd konstant bleiben, werden sie im Vergleich dazu, falls und je weiter der Abstand/) unterhalb des Betrages 2L liegt, zunächst immer kleiner, und damit wird der Stromverstärkungsfaktor entsprechend größer. Wird jedoch der Abstand D vergleichsweise klein gegenüber der Basisdicke W gewählt, so überwiegen die Trägerverluste im Basisgebiet zwischen Emitter und Kollektor, und deshalb nutzt es nicht mehr viel, den Abstand D etwa kleiner als 0,025 mm zu machen. Dieser Wert dürfte auch im Hinblick auf Herstellungsschwierigkeiten beim Legierungsverfahren eine untere Grenze darstellen. b) Für viele Anwendungszwecke ist es ferner erwünscht, daß zwischen Emitter und Basis in Sperrrichtung 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 unterschreitet, merklich ab, dagegen bringt eine Erhöhung des Abstandes D über den Betrag 0,5 · W hinaus praktisch keinen Vorteil, weil dann die höchstzulässige Sperrspannung durch den ZenerefEekt begrenzt ist. c) Schließlich wurde beobachtet, daß der Spannungsverlust in Durchlaßrichtung sehr steil anwächst, 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 W wird, der fragliche Spannungsverlust nicht zu hoch wird. Bei Abwägung der unter a bis c dargelegten Gesichtspunkte unter zusätzlicher Berücksichtigung der Herstellungsschwierigkeiten ist für die BreiteD des Abstandsstreifens 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 (deutsche Patentschriften 1015152 und 1046198) in der Weise vorgenommen werden, daß eine Siliziumscheibe mit den beiderseits aufgelegten Metallfolien in ein neutrales Pulver, z. B. Graphitpulver, eingebettet und das Ganze unter mechanischem Druck, durch welchen das Einbettungspulver zusammengepreßt wird, so daß es für das eingebettete Gut eine genau passende Form bildet, der Erhitzung bis auf eine Temperatur von 700 bis 800° C für die Zeit von einigen Minuten ausgesetzt 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 andersgestalteten Streifen, z. B. das an sich bekannte Kammuster. Patentansprüche:

1. npn- bzw. pnp-Leistungstransistor mit einer größeren Emitter-Elektroden-Fläche als 1 mm² und einem Halbleiterkörper in Form einer Siliziumscheibe mit zwei auf deren Flachseiten aufgebrachten hochdotierten Zonen gegenüber dem Halbleiterkörper entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps als Emitter und Kollektor, bei dem der Kol- lektor einen wesentlichen Teil der einen Scheibenflachseite bedeckt und auf der anderen Scheibenflachseite der Emitter und mindestens eine Basiselektrode derart angeordnet sind, daß zwischen