DE2536277A1

DE2536277A1 - Halbleiteranordnung

Info

Publication number: DE2536277A1
Application number: DE19752536277
Authority: DE
Inventors: Akio Kayanuma; Shinichi Saiki; Takashi Shimada
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1974-08-19
Filing date: 1975-08-14
Publication date: 1976-03-04
Also published as: JPS573225B2; CA1037160A; NL7509859A; JPS5122379A; FR2282723B1; FR2282723A1; GB1520921A; US4024564A

Description

It

Sony Corporation, Tokyo / Japan

Halbleiteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Halbleiteranordnung, insbesondere eine verbesserte Halbleiteranordnung mit mehreren Grenzschichten, die an einer Oberfläche eine Passivierungsschicht als Abdeckung aufweist.

Bei Halbleiteranordnungen, beispielsweise bei sogenannten Planartyp-Transistoren, bei denen eine Isolierschicht, etwa aus Siliziumdioxyd SiOp vorgesehen ist, tritt an der Oberfläche unter der Siliziumdioxydschicht eine Inversionsschicht (Umkehrschicht) auf. Erstreckt sich die Inversionsschicht von einer PN-Grenzschicht bis zu einer Kante des Halbleiterkörper, d.h. bis zu einem angerissenen Teil der Halbleiteranordnung, so vergrößert sich der Fehlerstrom durch die PN-Grenzschicht und es verringert sich die Durchschlagsspannung der PN-Grenzschicht.

Zur Vermeidung dieser induzierten Inversionsschicht ist bereits ein Transistor bekannt, bei dem an der Oberfläche des Halbleitersubstrates niedriger Störstellenkonzentration, wo die Inversionsschicht leicht hervorgerufen wird, ein ringförmiger Bereich vorgesehen, dessen Leitfähigkeit dieselbe wie die des Halbleitersubstrates ist und dessen Störstellenkonzentration größer als die des Halbleitersubstrates ist.

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Der ringförmige Bereich wird im allgemeinen als Kanalstopperbereich bzw. Antikanalbereich bezeichnet. Der Aufbau eines solchen bekannten Transistors wird im einzelnen noch anhand von Fig. 1 erläutert.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Halbleiteranordnung zu schaffen, die die Nächteile vermeidet, die durch das Vorhandensein eines Kanalstoppers bedingt sind. Die neue Halbleiteranordnung soll sich ferner durch besonders hohe Zuverlässigkeit auszeichnen.

Die erfindungsgemäße Halbleiteranordnung ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet.

In dem Kanalstopperbereich ist eine LH-Grenzschicht (d.h. eine Grenzschicht mit leichter und starker Dotierung), die einem aktiven Element des Kanalstopperbereiches gegenüberliegt, über eine Passivierungsschicht (beispielsweise eine Siliziumdioxydschicht) mit einer leitfähigen Schicht bedeckt. Die leitfähige Schicht ist elektrisch über eine gleichrichtende Grenzschicht oder eine elektrische Barriere mit einem Halbleitersubstrat verbunden. Die gleichrichtende Grenzschicht bzw. die elektrische Barriere ist dabei an einer solchen Stelle ausgebildet, die von der Sperrschicht im aktiven Element nicht erreicht wird.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung veranschaulicht. Es zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen bekannten Transistor mit einem Kanalstopper;

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Halbleiteranordnung;

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Flg. 3 eine Aufsicht auf die Halbleiteranordnung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 bis 8 Querschnitte durch weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Bei einem Transistor stellen der Fehlerstrom und die Durchschlagsspannung an einer Kollektor-Grenzschicht, die sich unter einer Isolierschicht an der Oberfläche eines Halbleitersubstrates befindet und mit einer Vorspannung in entgegegesetzter Richtung gespeist wird, ein Problem dar.

Um die Vergrößerung des Fehlerstromes an der Kollektor-Grenzschicht und die durch einen parasitären Kanal bedingte Verringerung der Durchschlagsspannung zu vermeiden, ist bereits ein Transistor bekannt, der an der Oberfläche des Kollektorbereiches, diesen umgebend wie in Fig. 1 gezeigt, einen Kanalstopperbereich hoher Störstellenkonzentration aufweist. Dieser in Fig. 1 veranschaulichte bekannte Transistor ist ein PNP-Transistor, dessen Halbleiterkörper 1 einen Halbleitersubstrat 2, beispielsweise einen Siliziumsubstrat mit P-Leitfähigkeit und hoher Störstellenkonzentration oder niedrigem spezifischen Widerstand aufweist, ferner eine Halbleiterschicht 3_S beispielsweise eine Siliziumschicht 3 mit P-Leitfähigkeit und verhältnismäßig niedriger Störstellenkonzentration, die auf dem Siliziumsubstrat 2 durch Epitaxial-Wachstum hergestellt ist. Auf einer Hauptflache la des Halbleiterkörpers 1 ist eine Isolierschicht ausgebildet, beispielsweise aus Siliziumdioxyd SiOp. Ein Basisbereich 5b mit M-Leitfähigkeit ist im Körper 1 beispielsweise durch selektive Diffusion im Bereich der Hauptfläche la ausgebildet; ein Emitterbereich 5e mit P-Leitfähigkeit ist beispielsweise durch selektive Diffusion in einem Teil des Basisbereiches 5b ausgebildet. Ein Teil des

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Körpers 1 außerhalb des Basisbereiches 5b dient als Kollektorbereich 5c. Die Bezugszeichen Je und Jc in Fig. 1 kennzeichnen eine Emitter- bzw. Kollektor-Grenzschicht. Auf dem Basisbereich 5b und auf dem Emitterbereich 5e sind eine Basiselektrode 6b bzw. eine Emitterelektrode 6e in Ohmschen Kontakt mit dem betreffenden Bereich vorgesehen; ein Basisanschluß B und ein Emitteranschluß E sind von den Elektroden 6b bzw. 6e nach außen geführt. Ein Kollektoranschluß C ist beispielsweise vom Substrat 2 hoher Störstellenkonzentration nach außen geführt. Ein Kanalstopperbereich 7 ist im äußeren Bereich oder Kollektorbereich 5c von der Hauptfläche la ausgebildet und umgibt die Kollektor-Grenzschicht Jc, die sich bis zur Hauptfläche la erstreckt, wobei der Kollektorbereich 5c mit dem Basisbereich 5b die Kollektor-Grenzschicht Jc bildet. Der Leitfähigkeitstyp des Bereiches ist derselbe wie der des Kollektorbereiches 5c; die Störstellenkonzentration des Bereiches 7 ist jedoch wesentlich höher als die des Bereiches niedriger Störstellenkonzentration, angrenzend an die Grenzschicht Jc des Kollektobereiches 5c oder die Halbleiterschicht 3· Der Bereich 7 wird durch selektive Diffusion von der Hauptfläche la gebildet.

Da bei der oben beschriebenen Transistor-Ausbildung kein parasitärer Kanal im Kanalstopperbereich 7 hoher Störstellenkonzentration auftritt, wird selbst dann, wenn eine Umkehrschicht unter der Isolierschicht 4 auf der Oberfläche des Kollektorbereiches 5c niedriger Störstellenkonzentration entsteht und dadurch einen parasitären Kanal 8 bildet, dieser parasitäre Kanal 8 durch den Kanalstopperbereich 7 hoher Störstellenkonzentration geschnitten bzw. unterbrochen. Es wird infolgedessen ver-

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mieden, daß sich dieser parasitäre Kanal 8 kontinuierlich von der Oberfläche der Kollektor-Grenzschicht Jc zu einer Seite Ib (betrachtet im Querschnitt) des Körpers 1 erstreckt und daß sich dadurch der Fehlerstrom durch die Kollektor-Grenzschicht Jc vergrößert und sich infolgedessen durch den parasitären Kanal 8 die Durchschlagsspannung verkleinert.

Wird dieser bekannte Transistor mit dem Kanalstopper einer BT-Behandlung (Vorspannungs-Temperatur-Behandlung) unterworfen, was ein Zuverlässigkeits-Test ist, wird beispielsweise an die Kollektor-Grenzschicht des Transistors bei 120°C eine Vorspannung von 100 V angelegt, so vergrößert sich der Fehlerstrom bei einigen dieser Transistoren beträchtlich.

Bei den der Erfindung zugrundeliegenden umfangreichen Versuchen wurde festgestellt, daß bei den bekannten Transistoren, bei denen sich der Fehlerstrom während der genannten BT-Behandlung vergrößert, im Kanalstopperbereich lokal ein spezieller Zustand vorhanden ist (der im folgenden als Ursache für eine Fehlerstromerzeugung bezeichnet wird). Nach Untersuchung dieser Ursache gelangten die Erfinder zu einem neuartigen Kalbleiter, der die Vergrößerung des Fehlerstromes bei der ET-Behandlung vermeidet und eine hohe Durchschlagsspannung aufweist.

Anhand der Fig. 2 und 3 sei nun ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, das als PNP-Transistor ausgebildet ist. Hierbei sind diejenigen Elemente, die denen des Ausführungsbeispieles gemäß Fig. 1 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen und werden auch nicht nochmals erläutert

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Gemäß Pig. 2 wird auch bei dem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Kanalstopperbereich 7 zur gleichen Zeit ausgebildet, wie der Emitterbereich 5e» indem ein Störstellenmaterial derselben Leitfähigkeit wie das des Kollektorbereiches 5c selektiv in den äußeren Bereich oder in den Kollektorbereich 5c niedriger Störstellenkonzentration diffundiert wird; es ist dies ein Substratbereich,der die PN-Grenzschicht bzw. die Kollektor-Grenzschicht Jc zur Verhinderung des Fehlerstromes umgibt,beim dargestellten Ausführungsbeispiel bis zur Hauptfläche la des Halbleiterkörpers 1 erstreckt.

Am inneren Umfang bzw. inneren Rand 7a des Kanalstopperbereiches 7, der der Kollektor-Grenzschicht Jc gegenüberliegt, ist eine Elektrode 9 zur Verhinderung des Fehlerstromes ausgebildet, die über die dazwischen befindliche Isolierschicht den Teil des Bereiches 7 und den des den Bereich 7 umgebenden Teil des Kollektorbereiches 5c kontinuierlich bedeckt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel erstreckt sich die Elektrode 9 über die ganze Kante 7a, die der Hauptfläche la gegenüberliegt bzw. die Kollektor-Grenzschicht Jc umschließt. Die Elektrode 9 ist elektrisch mit dem Substrat bzw. dem Kollektorbereich 5c über eine gleichrichtende Barriereschicht als eine gewünschte elektrische Barriere, beispielsweise eine PN-Grenzschicht J, verbunden. Zu diesem Zweck wird zur Bildung eines Bereiches 10 und damit zur Bildung der PN-Grenzschicht J zwischen den Bereichen 7 und 10 ein Störstellenmaterial von unterschiedlicher Leitfähigkeit gegenüber dem des Kanalstopperbereiches 7, bzw. von N-Typ-Leitfähigkeit, selektiv in einen Teil des Bereiches 7 diffundiert. Der äußere Umfang der Elektrode 9 steht mit dem Bereich 10 in Ohmschen Kontakt. Gleichzeitig mit Erzeugung des Bereiches 10 durch Diffusion wird ein Bereich 5b' von hoher Störstellen-Konzentration mit

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derselben Leitfähigkeit wie der des Basisbereiches 5b durch Diffusion in einen Teil dieses Bereiches erzeugt, der als Elektrodenkontaktteil dient. Der Bereich 10, mit dem die Elektrode 9 in Ohmschen Kontakt steht, soll sich an einer Stelle befinden, an die die von der Kollektor-Grenzschicht Jc induzierte Sperrschicht nicht gelangen kann; dieser Bereich kann längs der ganzen Erstreckung des Kanalstopperbereiches 7 auf der Oberfläche la, d.h. ringförmig, vgl. Fig. 3₃ ausgebildet werden. Teile des Bereiches 10 können jedoch als Inseln ausgestaltet werden. Bei dem in den Fig. 2 und 3 veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist der Bereich 10 nicht tiefer als der Kanalstopperbereich 7; wie Fig. 4 zeigt, kann jedoch dieser Bereich 10 tiefer als der Bereich 7 ausgebildet werden. In den Fig. 2 bis 8 ist die von der Kollektor-Grenzschicht Jc erzeugte Sperrschicht durch gestrichelte Linien 2 0 veranschaulicht.

Der Bereich 10 kann ferner so ausgebildet sein, daß er mit der Außenseite des Bereiches 7 in Berührung steht oder diese teilweise überlappt und sich von diesem Bereich aus nach außen erstreckt, vgl. Fig. 5· Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist der Bereich 10 nicht ringförmig, sondern besteht aus einzelnen Inseln. Bei Ausbildung des Bereiches 10 in Form von Inseln können diese an den Ecken eines Halbleiterteilchens vorgesehen werden. Dadurch läßt sich der Raumbedarf und infolgedessen die Oberflächenzone des Halbleiterelementes verkleinern.

Gemäß Fig. 6 ist der Bereich 10 außerhalb des Bereiches 7 ausgebildet und weist von dessen äußerem Umfang einen bestimmten Abstand d auf.

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Selbst wenn das Halbleiterelement der oben erwähnten BT-Behandlung ausgesetzt wird, so läßt sich erfindungsgemäß die Vergrößerung des Fehlerstromes vermeiden. Der Grund hierfür kann darin gesehen werden, daß die Elektrode die Ursache für eine Fehlerstromerzeugung im Kanalstopperbereich 7 verhindert und daß die Entstehung jedes parasitären Kanales im Kollektorbereich 5c niedriger Störstellen-Konzentration unter der Elektrode 9 verhindert wird.

Da die Elektrode 9 die Außenseite der Oberfläche der Kollektor-Grenzschicht Jc über dem Kanalstopperbereich 7 und dem vom Bereich 7 umgebenen Teil umschließt, kann die Elektrode 9 verhindern, daß Ionen, beispielsweise Natrium-Ionen, in die Isolierschicht ^ unter die Elektrode 9 während der BT-Behandlung eingeführt werden (wenngleich nicht dargestellt, ist die Oberfläche des Halbleitersubstrates mit einem Harz zum Schutz des Halbleitersubstrates bedeckt, wobei Natrium-Ionen im Harz vorhanden sein können). Auf diese Weise wird die Bildung eines parasitären Kanales durch elektrische Ladungen, hervorgerufen durch die Einführung von Ionen, verhindert; der genannten Ursache zur Fehlerstromerzeugung wird entgegengewirkt. Die Elektrode 9 ist elektrisch mit dem Bereich 10 auf dem Kollektorbereich 5c verbunden und wird mit einem Potential gespeist, das etwa gleich dem des Kollektorbereiches 5c ist. Es ist infolgedessen schwierig, daß eine Umkehrschicht und demgemäß ein parasitärer Kanal in der Oberfläche des Bereiches 5c unter der Elektrode 9 auftritt. Selbst wenn daher ein parasitärer Kanal in der Oberfläche des Bereiches 5c sich nach außen erstreckend von der Kollektor-Grenzschicht Jc auftritt,

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so kommt dieser parasitäre Kanal jedenfalls nicht an einem Punkt an, in dem ein Fehlerstrom erzeugt wird. Das Auftreten eines Pehlerstromes über Basis-Kollektor wird somit vermieden.

Da ferner bei den erfindungsgemäßenAusführungsbeispielen die Elektrode 9 auf der Oberfläche des Körpers 1 verhältnismäßig nahe an der Basiselektrode 6b sitzt, kann in manchen Fällen die Entladung zwischen den Elektroden 6b und 9 ein Problem darstelle. Es besteht jedoch gemäß der Erfindung die PN-Grenzschicht J zwischen der Elektrode 9 und dem Substratbereich bzw. dem Kollektorbereich 5c, so daß durch geeignete Wahl ihrer Durchschlagsspannung die genannte Entladung vermieden werden kann. Wird der Bereich 10 nahe dem Kanalbereich 7 hoher Störstellenkonzentration ausgebildet, so entsteht die Grenzschicht J zwischen den Bereichen 7 und 10. Ihre Durchschlagsspannung ist daher verhältnismäßig niedrig. Wird dagegen der Bereich 10 in einem gewissen Abstand d vom Bereich 7 ausgebildet (vgl. Fig. 6), so kann die Durchschlagsspannung über die Grenzschicht J durch geeignete Wahl des Abstandes d in dem erforderliche Maße erhöht werden.

Der Bereich 10, mit dem die Elektrode 9 verbunden ist, wird von dem Kanalstopperbereich 7 vollständig umgeben oder ist in diesem beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ausgebildet, so daß sich die Sperrschicht 20 von der Kollektor-Grenzschicht Jc nach außen erstreckt, wobei der zugehörige Kanal am Kanalstopperbereich 7 endet und den Bereich 10 nicht erreicht. Entsprechend sind bei den Ausführungsbeispielen der Fig. 4,5 und 6 die Bereiche 10 an einer Stelle ausgebildet, an der die Sperrschichten 20 von der Kollektor-Grenzschicht Jc nicht ankommen.

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Wenn die Sperrschicht 20 von der Kollektor-Grenzschicht Jc den Bereich 10 erreicht, so erfolgt eine Beeinflussung durch das Basis-Potential über die Sperrschicht 20, so daß ein elektrisch schwimmender Zustand nicht aufrechterhalten werden kann.

Um praktisch die Lage des Bereiches 10 zu bestimmen, legt man die Breite der Sperrschicht 20, ausgedehnt durch eine Spannung unmittelbar vor der Durchschlagsspannung über die Kollektor-Grenzschicht Jc, durch die Störstellen-Konzentrationen des Halbleitersubstrates, des Kanalstopperbereiches usw. fest; dann wird der Bereich 10 entfernt von der Sperrschicht 20 vorgesehen.

Bei den obigen Ausführungsbeispielen der Erfindung sind PNP-Transistoren angenommen; die Erfindung ist jedoch selbstverständlich auch bei NPN-Transistoren anwendbar, wie Fig. 7 zeigt.

Die Erfindung ist ferner nicht auf Transistoren beschränkt, sondern kann beispielsweise auch bei einem Schaltelement der NPNP-Struktur (enthaltend eine mit einer entgegengesetzten Vorspannung gespeisten Grenzschicht) Verwendung finden. Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem die Erfindung bei einem gesteuerten Halbleiter-Gleichrichter (des gate-turn-off-Typs) Verwendung findet, der eine hohe Durchschlagsspannung und einen kleinen Fehlerstrom aufweisen soll. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein Bereich 12 mit P-Leitfähigkeit, unterschiedlich von der des Silizium-Halbleiterkörpers 1, selektiv auf der Hauptfläche la des Halbleiterkörpers 1 von verhältnismäßig niedriger Störstellen-Konzentration und N-Leitfähigkeit durch Diffusion erzeugt; weiterhin wird ein Bereich 11 mit N-Leitfähigkeit, unterschiedlich von der Leitfähigkeit

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des Bereiches 12, durch Diffusion in diesem Bereich 12 erzeugt. Schließlich wird auf der anderen Hauptseite Ib des Körpers 1 durch Diffusion selektiv ein Bereich I¹I mit P-Leitfähigkeit, somit unterschiedlich von der Leitfähigkeit des Körpers 1, hergestellt. In diesem Falle wirken die Bereiche 11 und 12 als erste und zweite Bereiche, ein N-Typ-Bereich 13 des Körpers 1 als dritter Bereich und der Bereich 14 als vierter Bereich, so daß eine NPNP-Struktur entsteht.

In Fig. 8 sind mit den Bezugszeichen 15U, 15G und 15A die Kathoden, Gate (Steuer-) und Anodenelektroden bezeichnet; sie stehen in Ohmschen Kontakt mit dem ersten, zweiten bzw. vierten Bereich. Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 sind die Hauptflächen la und Ib des Körpers 1 mit Isolierschichten 4 überzogen, die beispielsweise aus Siliziumdioxyd SiOp bestehen. Eine Grenzschicht zwischen dem zweiten und dritten Bereich 12, 13 besitzt einen großen Einfluß auf die Eigenschaften des Elementes; demgemäß stellen der Fehlerstrom durch die Grenzschicht j und ihre Durchschlagsspannung ein Problem dar. Aus diesem Grunde sind bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 auf der Hauptfläche la des Körpers 1 der Kanalstopperbereich 7> die Elektrode 9 und der Bereich 10 ausgebildet, der die Elektrode 9 mit dem Substratbereich bzw. dem dritten Bereich 13 verbindet. Wie bei den bereits erläuterten Ausführungsbeispielen umgeben die genannten Elemente 7, 9 und 10 die Außenseite der Grenzschicht j, die sich zur Hauptseite la des Körpers 1 hin erstreckt. Die Ausbildung und Wirkung der Elektrode 9 und der Bereiche 7 und 10 entsprechen den Ausführungsbeispielen der Fig. 2 bis 7, so daß - zumal gleiche .Bezugszeichen ver wendet sind - sich eine nochmalige Beschreibung erübrigt.

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Bei den erläuterten Ausführungsbeispielen ist die Elektrode 9 mit dem Bereich 5c oder 13 über die PN-Grenzschicht J verbunden, die als gleichrichtende Barriereschicht wirkt; die Elektrode 9 kann jedoch mit dem Bereich 5c oder 13 durch eine elektrische Barriereschicht, beispielsweise eine Schottky-Barriere, verbunden sein; es besteht somit keine Beschränkung auf die obige Barriereschicht durch die PN-Grenzschicht.

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Claims

- 13 Patentansprüche

Halbleiteranordnung, gekennzeichnet
durch:

a) eine erste Halbleiterschicht eines Leitfähigkeitstyps mit niedriger Störstellen-Konzentration;

b) einen zweiten Halbleiterbereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps, der mit der ersten Halbleiterschicht eine PN-Grenzschicht bildet;

c) einen dritten Halbleiterbereich des einen Leitfähigkeitstyps, vorgesehen in der ersten Halbleiterschicht, die PN-Grenzschicht umgebend und zusammen mit der ersten Halbleiterschicht eine LH-Grenzschicht bildend;

d) eine Passivierungsschicht, die wenigstens die PN-
und LH-Grenzschichten bedeckt und

e) eine sich über die Passivierungsschicht erstreckende
leitfähige Schicht, die wenigstens den inneren Umfang des dritten Halbleiterbereiches bedeckt und durch
eine elektrische Barriereschicht mit der ersten Halbleiterschicht verbunden ist.
2. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Halbleiterschicht als Kollektor
dient, der zweite Halbleiterbereich als Basis und daß
ein Emitter in die Basis diffundiert ist gle.'.ihve iMg
mit der Diffusion des dritten Halbleiterbereiches in der ersten Halbleiterschicht, so daß ein Transistor gebildet ist.

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3. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Barriereschicht eine PN-Grenzschicht ist, die zwischen der ersten Halbleiterschicht des einen Leitfähigkeitstyps und dem zweiten Halbleiterbereich des entgegengesetzten Leitfähigkeitstyps ausgebildet ist.
¹J. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Barriereschicht genügend weit entfernt ist von einer PN-Grenzschicht zwischen der ersten Halbleiterschicht und dem zweiten Halbleiterbereich.
5. Halbleiteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Barriereschicht im dritten Halbleiterbereich ausgebildet ist.

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