DE2842526A1

DE2842526A1 - Bipolarer transistor

Info

Publication number: DE2842526A1
Application number: DE19782842526
Authority: DE
Inventors: Francis J Kub
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1977-09-30
Filing date: 1978-09-29
Publication date: 1979-04-12
Also published as: US4131902A; FR2404923B1; JPS5458371A; FR2404923A1

Description

Bipolarer Transistor

Die Erfindung betrifft einen bipolaren Transistor mit einem Basisbereich und einem Kollektorbereich, zwischen welchen ein pn-Übergang ausgebildet ist, und mit einem Ladungsträger in den Basisbereich injizierenden Emitter.

Es gibt im wesentlichen zwei Arten von Transistortypen, nämlich den bipolaren Transistor und den Feldeffekttransistor. Die üblichen Herstellungsverfahren für bipolare Transistoren bringen es mit sich, daß zwei Diffusionen oder äquivalente Verfahrensschritte notwendig werden, um den Basisbereich und den Emitterbereich im Kollektorbereich anzuordnen. Im ersten Verfahrensschritt wird üblicherweise der Basisbereich in den Kollektorbereich diffundiert, um im Anschluß daran mit einem zweiten Verfahrensschritt den Emitterbereich in den Basisbereich zu diffundieren. Dieser zweite Verfahrensschritt ist in der Regel sehr kritisch und läßt sich nicht einfach kontrollieren, insbesondere wenn ein gleichförmiger Bereich mit geringer Basisbreite hergestellt werden soll, wie dies für Anwendungsfälle im Mikrowellenbereich bei Frequenzen in der

Größen-

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Größenordnung von GHz notwendig ist. Der Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate (IGFET) erfordert dagegen nur einen einzigen Diffusionsschritt bzw. einen äquivalenten Verfahrensschritt bei der Herstellung. Ein zweiter Verfahrensschritt dient der Aufbringung einer Isolierschicht auf einen ausgewählten Bereich der Halbleiteroberfläche, auf welcher ein metallischer Gate-Kontakt angebracht wird. Diese Verfahrens schritte zum Aufbringen der Isolierschicht und des Gate-Kontaktes sind verhältnismäßig einfach zu kontrollieren, so daß die Schwierigkeiten, wie 0 sie bei dem verhältnismäßig empfindlichen zweiten Diffusionsechritt bei der Herstellung des bipolaren Transistors auftreten, vermieden werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Ansprechzeit, d. h. die obere Grenzfrequenz bei Feldeffekttransistoren nicht so günstig wie bei bipolaren Transistoren ist, wenn diese im Mikrowellenbereich eingesetzt werden sollen.

Wenn man die Wirkungsweise der beiden Transistorarten betrachtet, so gilt für den bipolaren Transistor, daß Minoritätsträger durch den Emitter-Basisübergang in den Basisbereich injiziert werden, wenn eine geeignete Durchlaß spannung an diesem Emitter-Basisübergang wirksam ist. Der Basisbereich ist üblicherweise stark dotiert, um ein günstiges Verhältnis für den in die Basis injizierten Strom, bezogen auf den von der Basis in den Emitter injizierten Strom zu erhalten. Ein verhältnismäßig 5 großer Prozentsatz der Minoritätsträger passiert die Basis ohne

Rekombination und auch den Kollektor-Basisübergang aufgrund der Energie der an diesem Übergang wirksamen Sperrspannung. Bei Feldeffekttransistoren und insbesondere bei Metalloxid-Feldeffekttransistoren (MOS) sowie Metallnitridoxid-Feldeffekttransistoren (MNOS) tritt keine Ladungsträgerinjektion an der Grenzschicht zwischen dem Gateisolator und der Halbleiteroberfläche auf. Es entsteht vielmehr eine Raumladungszone

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zone an der Oberfläche des Halbleiters im Bereich dieser Grenzschicht. "Wenn an dem Isolator ein elektrisches Feld wix-ksam ist, das die richtige Polarität und eine ausreichend große Amplitude hat, wird eine Inversionsschicht in einem Kanal zwischen dem Source-Bereich und dem Drain-Bereich des Feldeffekttransistors erzeugt, so daß von der Source aus Ladungsträger injiziert werden können, welche durch den Kanal zur Drain wandern, die gegenüber der Source eine entsprechende Vorspannung hat, um die injizierten Ladungsträger einzufangen.

Das Herstellungsverfahren von Feldeffekttransistoren wird als leichter kontrollierbar angesehen und benötigt einen Diffusionsschritt weniger. Die Gates mehrerer Elemente können gegeneinander selbstisolierend auf ein und demselben Substrat angebracht werden.

Aus diesem Grund wird grundsätzlich derFeldeffekttransistor bevorzugt bei integrierten Schaltkreisen mit mittlerer und großer Elementenzahl auf einem Halbleiterplättchen verwendet. Es gilt jedoch für Feldeffekttransistoren, daß diese eine verhältnismäßig kurze Ansprechzeit und eine begrenzte Steuerstromkapazität haben. In der Regel werden für Anwendungsfälle im Hochfrequenz- und Höchstfrequenzbereich, wenn kurze Ansprechzeiten benötigt werden, bipolare Transistoren eingesetzt. Dies ist auch für Einsatzfälle der Fall, wo verhältnismäßig hohe Ausgangsströme über kurze Zeitdauer erforderlich werden, wie dies z. B. bei Mikrocomputern und Hochgeschwindigkeitsspeicherelementen der Fall sein kann. Derartige Anforderungen haben auch dazu geführt, daß bereits sowohl bipolare Transistoren als auch Feldeffekttransistoren auf ein und demselben Substrat anzubringen versucht wurden. Ein solches Verfahren ist verhältnismäßig kompliziert und zeitaufwendig, und zwar wegen des zweiten Diffusionsschrittes und der notwendigen Isolation einzelner Bauteilkomponenten, wie es bei der Verwendung von bipolaren Transistoren

oder

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oder Elementen erforderlich wird. Außerdem muß füi^% MOS-Transistoren in den meisten Fällen ein Gateoxid hoher Qualität angebracht werden. Eine wünschenswerte Alternative ist es deshalb, eine Transistoranordnung zu haben, die die Eigenschaft bipolarer Transistoren hat, jedoch bezüglich des Herstellungsverfahrens mit dem Herstellungsverfahren von Feldeffekttransistoren kompatibel ist.

Es wurden an MNOS-Speichertransistoren mit einer dünnen Oxidschicht Untersuchungen angestellt für die Verwendung dieser Transistoren für nicht löschbare Speicheranordnungen, bei welchen die Ladung in einem tief liegenden Niveau an oder in der Nähe der Grenzschicht zwischen dem Nitrid und dem Oxid gespeichert ist. Der Ladungstransport bei diesen Anordnungen erfolgt über

_Λ r- die Grenzschicht zwischen dem Halbleitermaterial und der Isolier-

Schicht. Es gibt mehrere Mechanismen, mit welchen dieser Ladungstransport erklärt werden kann. Bei einer Analyse, bei welcher die Oxidschicht eine Dicke in der Größenordnung von etwa 50 Abis etwa 200 A hat, wurde angenommen, daß der Ladungstransport und damit der Strom nach dem Fowler-Nordhiem Tunneleffekt (indirekter Tunneleffekt) in der Oxidschicht erfolgt und ein Poole-Frenkel-Effekt in der Nitridschicht stattfindet. Bei einer anderen Untersuchung η-it einem MNOS-Aufbau, wobei die Oxidschicht eine Dicke von etwa 15 A bis etwa 35 A hat, wird angenommen, daß der Ladungstransport bzw. der Strom in der Oxidschicht durch einen direkten Tunneleffekt erfolgt, und zwar aus den tiefen Fangstellen in der Grenzschicht zwischen den Isolierschichten in das Leitungsband des Siliciums. Es wird in diesem Zusammenhang auf eine Veröffentlichung in der IEEE-Transaction on Electron Devices, Band ED-19, Nr. 12 vom Dez. 1972, und zwar unter dem Titel "Characteristics of Thin-Oxide MNOS Memory Transistors" von

White

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White and Cricchi hingewiesen. Weitere Erläuterungen zu dem Mechanismus der Ladungsträgerinjektion sind auch in der US-PS 3 577 210 enthalten.

In der Vergangenheit wurden bereits Versuche unternommen, uiTi Grenzschichten zwischen einem Isoliermaterial und dem Halbleitermaterial für Transistoren zu verwenden (US-PS 3 060 327 und 3 462 700). Im ersteren Fall ist ein pn-Emitter-Basisaufbau und eine an den n-Basisbereich angrenzende Isolierschicht vorgesehen, wobei den pn -Emitterübergang Ladungsträger lawinenartig passieren können aufgrund einer Sperrvorspannung, so daß Majoritätsträger über die Grenzschicht in den n-Basisbereich wandern und die Isolierschicht die den Emitter-Basisübergang passierenden Majoritätsträger einsammelt, wenn sie bezüglich der Basis positiv vorgespannt ist. Die in dem US-PS 3 060 327 beschriebene Halbleiteranordnung scheint vom Modell her wie eine Anordnung mit heißen Elektronen zu arbeiten, wobei die Majoritätsträger viele Kollisionen erfahren, während sie die η-Basis zur Isolierschicht passieren. Aus diesem Grund muß der Basisbereich und die Isolierschicht sehr dünn hergestellt werden, damit die Majoritätsträger genügend Energie behalten und die Potentialschwelle an dem Basis-Kollektorübergang überwinden können. Es ist bekannt, daß Halbleiteranordnungen, bei welchen ein Lawineneffekt auftritt, während ihres Betriebs ein erhöhtes Rauschen zeigen und daher häufig problematisch sind.

In dem US-PS 3 462 700 wird eine Halbleiteranordnung beschrieben, die offensichtlich nach dem Prinzip eines Feldeffekttransistors arbeitet. Danach ist ein stark p-leitend dotiertes Material zwischen eine Isolierschicht und ein η-leitendes Siliciummaterial geschichtet. -An allen Schichten sind Metallelektroden angebracht,

so daß

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so daß eine Vorspannung an beiden Übergängen,, und zwar zwischen der Isolierschicht und dem p-leitenden Material sowie dem ρ -leitenden und dern'n-leitenden Material liegt. Dabei werden Minoritätsträger innerhalb des p-leitenden Silieiummaterials an der Isolierschichtoberfläche erzeugt, indem grundsätzlich, das Energieband entsprechend dem an die Isolierschicht angelegtem Vorspannungspotential verbogen wird. Ein genügend großes, aa der Isolierschicht wirksames elektrisches Feld erzeugt einen Lawineneffekt im p-leitenden Siliciummaterial, so daß die Ladungsträger von dem Leitungsband zum Valenzband des stark dotierten p-leitenden Materials wandern. Es hat den Anschein, daß keine Ladungsträger an der Grenzschicht zwischen dem Halbleitermaterial und der Isolierschicht bei diesem Betrieb über die Grenzschicht hinweg injiziert werden. Ferner scheint eine Begrenzung derart zu bestehen, daß eine Dotierung der p-leitenden Basis mit so hoher Dichte erforderlich ist, daß eine Entartung entsteht, was etwas schwieriger herzustellen ist, und ferner,da ein Lawineneffekt wirksam ist, das Auftreten von erhöhtem Rauschen während des Betriebs zwangsläufig mit sich bringt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Transistoranordnung zu schaffen, die bezüglich der charakteristischen Betriebseigenschaften möglichst weitgehend die Eigenschaften von bipolaren Transistoren hat und jedoch bezüglich der Herstellungsverfahren eine erleichterte und einfachere Herstellung entsprechend der Herstellung von Feldeffekttransistoren ermöglicht.

Diese Aufgabe wird ausgehend von dem eingangs erwähnten bipolaren Transistor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Emitter Ladungsträger aufgrund eines Tunneleffekts liefert und

aus

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und aus zwei über dem Basisbereich angeordneten Isolierschichten besteht, wovon die erste Isolierschicht mit dem Halbleitermaterial des Basisbereichs eine Grenzschicht bildet und die zweite Isolierschicht den Emitterkontakt trägt.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die erste Isolierschicht aus Siliciumdioxid mit einer Dicke von weniger als 30 A besteht, welche einen direkten Tunneleffekt für die über die Grenzschicht zwischen der Basis aus dem Halbleitermaterial und dem Emitter aus der zweifachen Isolierschicht injizierten Minoritätsträgern bewirkt. Die zweite Isolierschicht ist vorztigsweise aus einem stickstoffhaltigen Siliciummaterial hergestellt und hat eine Dicke in der Größenordnung zwischen etwa 50 A und etwa 500 A.

Durch die Maßnahmen der Erfindung erhält man in vorteilhafter Weise eine Transistoranordnung, welche für die Halbleiterindustrie von größter Wichtigkeit ist. Die Transistoranordnung ermöglicht in der Fertigung die Elimination eines zweiten Verfahrensschrittes, z. B. in Form eines Diffusionsschrittes, wie er für die Fertigung herkömmlicher bipolarer Transistor erforderlich ist. Dadurch wird das Herstellungsverfahren wesentlich vereinfacht, wodurch sich die Produktionskosten und die Fertigungszeit wesentlich verringern lassen. Durch eine verbesserte Kontrolle der Basisbreite des Transistors kann das Frequenzverhalten für hohe Frequenzen erheblich verbessert werden, ohne daß hier spezielle Fabrikationstechniken erforderlich sind, wie es bisher der Fall ist.

Die Vor-

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Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch den Aufbau eines bipolaren Tran

sistors gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Energiebandes zur Erläuterung der Wirkungsweise des bipolaren Transistors gemäß Fig. 1;

Fig. 3 das Kennlinienfeld eines Transistors nach den Merkmalen der Erfindung.

Der Transistor 'gemäß Fig. 1 hat einen Halbleiteraufbau, vorzugsweise aus Silicium, mit einem ρ-Kollektorbereich 1 und einem n-Basisbereich 2. Ferner ist eine Isolierschicht 3in der Regel aus Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid auf der Oberfläche der η-leitenden und p-leitenden Bereiche vorgesehen, wodurch eine Grenzschicht 4 insbesondere mit dem Basisbereich 2 zwischen einer Isolierschicht und einer Halbleiterschicht gebildet wird. Über dieser Isolierschicht 3 ist eine zweite Isolierschicht 5, vorzugsweise aus Si„N oder SiN,

O rfc

angeordnet, die in herkömmlicher Weise durch Vakuumbe-5 schichten oder ein Zerstäubungsverfahren aufgebracht wird.

Die Decke der Isolierschicht 3, welche auch als Tunnelschicht bezeichnet wird, liegt in der Größenordnung von etwa 20 A und sollte vorzugsweise 30 Anicht übersteigen. Die Isolierschicht 5 ist wesentlich dicker und liegt typischerweise in einem Bereich zwischen 50 A und 500 A, je nach dem Verfahren, nach welchem es aufgebracht wird, und der beabsichtigten Anwendung.

In den

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In den Isolierschichten 3 und 5 werden mit einem herkömmlichen photolithographischen Verfahren Fenster 6 und 7 ausgeätzt, wodurch Teile der Oberfläche des Basisbereiches 2 und des Kollektorbereiches 1 freigelegt werden. Im p-Kollektorbereich 1 ist ein stark ρ -dotierter Kontaktbereich 8 unterhalb des Fensters 7 ausgebildet. Entsprechend ist unter dem Fenster 6 in dem Basisbereich 2 ein stark dotierter η -Kontaktbereich 10 angebracht. Durch Aufdampfen eines Metalls und vorzugsweise Aluminiums wird im Fenster 6 über dem Kontaktbereich 10 ein Basiskontakt 11 und im Fenster 7 über dem Kontaktbereich 8 ein Kollektorkontakt 12 ausgebildet. Ferner ist eine Metallauflage 13 typischerweise ebenfalls aus Aluminium auf der Isolierschicht 5, und zwar über einem wesentlichen Teil des Basisbereiches 2 ausgebildet. Als Kontaktmaterial kann auch Gold Verwendung finden. Die beiden Isolierschichten 3 und 5 zwischen der Metallauflage 13 und dem Basisbereich 2 können als Emitter des Transistors gemäß Fig. 1 betrachtet werden. Aus diesem Grund wird auch die Grenzschicht 4 als Basis-Emitterübergang und die Metallauflage 13 als Emitterkontakt bezeichnet.

Der in Fig. 1 dargestellte Schnitt ist eine schematisierte Darstellung des Aufbaus eines Planartransistors und dient dem Zweck der Erläuterung der Erfindung. Ohne weiteres kann ein Transistor gemäß der Erfindung auch einen anderen vom Auf-

bau eines Laterialtransistors abweichende Ausgestaltung haben, wobei sowohl eine Isolierschicht-n p-Anordnung als auch eine Isolierschicht-p η-Anordnung Verwendung finden kann.

Die Wirkungsweise eines Transistors gemäß Fig. 1 mit einer Isolierschicht-η p-Anordnung läßt sich am besten in Verbindung

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mit Fig. 2 erläutern, welche ein Energieband eines Transistors in Basisschaltung zeigt. Die Linie 20 kennzeichnet dabei die Grenze des Leitungsbandes und die Linie 21 die Grenze des Valenzbandes für die Basis- und Kollektorbereicbe 2 und 1.

Der Bereich 22 kennzeichnet den Basis-KolIektor-pn-Übergang.

Der Verlauf des Leitungsbandes bzw. des Valenzbandes ist bezogen auf das eigenleitende Fermi-Niveau des Basisbereiches,, welches bei der Basisschaltung auf dem Potential Null liegt. Das Fermi-Niveau im eigenleitenden Zustand wird durch die ausgezogene Linie im Basisbereich gekennzeichnet und ferner durch die gestrichelte Linie im Emitter- und Kollektorbereich. Aus Fig. 2 kann man entnehmen, daß sowohl für das Leitungsband als auch für das Basisband eine Diskontinuität 24 an der Grenzschicht zwischen dem Halbleiter und der Isolierschicht existiert. Diese Diskontinuität repräsentiert eine Potentialbarriere,, welche im allgemeinen zwischen einem Halbleiter und einer Isolierschicht existiert. Die Darstellung gemäß Fig. 2 dient lediglich der Erläuterung und hat bezüglich der Amplituden keine quantitative Aussage. Eine weitere Diskontinuität 25 im Leitungsband sowie im Valenzband existiert an der Grenzschicht zwischen der Isolierschicht 5 und der Isolierschicht 3.

Für den Betrieb des Transistors gemäß Fig. 1 wird ein positives Potential V zwischen dem Emitterkontakt 13 und dem Basis-

5 kontakt 11 angeschlossen. Damit wirkt eine Spannung über die

aus zwei Isolierschichten bestehende Emitterschicht. Das Fermi-Niveau 27 der Metallauflage 13 und der damit in Kontakt stehenden Oberfläche der oberen Isolierschicht 5 wird im Bezug zum eigenleitenden Fermi-Niveau 23 des Basisbereiches in der Darstellung gezeigt. Die an den beiden Isolierschichten 3 und 5 wirksame Spannung verursacht eine Verbiegung des Leitungsbandes 20 und des Valenzbandes 21 im Basisbereich

an

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an der Grenzschicht zwischen dem Halbleitermaterial und der Isolierschicht, d.h. es entsteht eine Diskiontinuität 24 an dieser Grenzschicht. Das Leitungsband und das Valenzband werden dabei in einem solchen Umfang an der Grenzschicht verbogen, daß ein Zustand entsteht, der als Akkuniulationszustand bzw. Anreicherungszustand zu betrachten ist. Das Energieband der Isolierschicht 3 zeigt einen Spannungsabfall, wie er aus dem linear geneigten Verlauf der Bänder in der Zone 26 gemäß Fig. 2 dargestellt ist. Entsprechendes gilt für das Energieband der Isolierschicht 5, welches ebenfalls einen gleichartigen Effekt der Verformung der Bänder zeigt.

Die gegenwärtige Theorie über die Wirkungsweise eines MNOS-Speicherelementes wurde vorausstehend bereits kurz erläutert und besagt, daß es zwei Mechanismen geben kann, aufgrund deren Ladung von der Grenzschicht mit der Diskontinuität 25 zwischen den beiden Isolierschichten 3 und 5 gemäß Fig. 2 zum Halbleitermaterial des Basisbereiches gelangen kann. Die Dominanz des einen Mechanismus über den anderen wird als im allgemeinen abhängig von der Dicke der Isolierschicht 3 betrachtet, die im Zusammenhang mit einem Energieband diagramm auch als Tunnelsperrschicht bezeichnet werden kann, welche in Fig. 2 als Zone 26 dargestellt ist. Der erste Mechanismus wird als Fowler-Nordhiem-Tunneleffekt bezeichnet und wird als der wahrscheinlichere Mechanismus für eine dielektrische Tunnelsperrschicht mit einer im wesentlichen größeren Dicke als 30 A betrachtet. Für Tunnelsperr schichten mit einer Dicke von weniger als 30 A wird der zweite Mechanismus als wahrscheinlicher angesehen, der auch als direkter Tunneleffekt bekannt ist.

Unter Be-

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Unter Bezugnahme auf Fig. 2 besteht der Fowler-Nordhiem-Tunneleffekt für einen Transistor mit einer I sol ie r schicht np-Anordnung in der Theorie aus dem Passieren von Majoritäts trägern, d.h. freien Elektronen bei einem n-Basisbereich aus dem Leitungsband des Basisbereiches durch das verbotene Band der ersten Isolierschicht 3 aus z.B. Siliciumdoxid in das zweite Leitungsband der zweiten Isolierschicht 5 aus z.B. Siliciumnitrid. In Fig. 2 ist der Fluß der Majoritätsträger mit I gekennzeichnet. Im Gegensatz dazu besteht der direkte Tunneleffekt aus dem Passieren von Elektronen aus dem Valenzband des n-Basisbereiches, in welchem es theoretisch für bewegliche Elektronen unmöglich ist zu existieren bzw. eingefangen zu werden oder sich anzulagern, in den dielektrischen Bereich aus z. B. Siliciumnitrid des verbotenen Bandes an der Grenzschicht der Diskontinuität 25. Da die freien Elektronen im Valenzband des n-Basisbereiches nicht im Überschuß vorhanden sind, resultiert der direkte Tunneleffekt theoretisch in der Erzeugung von Defektelektronen im Valenzband des Basisbereiches 2 anstelle eines jeden freien Elektrons, welches die dielektrische Tunnelsperrschicht 26 zur Isolierschicht 5 passiert. In einer Analogie dazu kann angenommen werden, daß Defektelektronen in das Valenzband des Basisbereiches infolge des direkten Tunneleffektes injiziert werden. Aus diesem Grund wird es als richtig angesehen, von einer Defektelektronen-Injektion über die aus zwei Isolierschichten bestehende Emitterschicht und den Emitter-Basisübergang in das Valenzband des B asisbereiches zu sprechen. Dieser Injektionsstrom ist in Fig. 2 mit J bezeichnet. Dieser Strom J ist selbstverständlich als Folge des direkten Tunneleffektes gleich dem Elektronenfluß und diesem entgegengerichtet.

Die Amplitude der positiven Spannung V hängt von verschiedenen veränderlichen ab wie z.B. der Dicke der Isolierschicht 3, der

Zu-

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Zusammensetzung der Isolierschicht 5, d.h. dem Silicium-Stickstoffverhältnis, der Dotierungskonzentration des Basisbereiches, der Art des für den Emitterkontakt und den Basiskontakt verwendeten Metalls und dem Anteil der Störstellen im Gitteraufbau der Isolierschicht 5 sowie einer Anzahl weiterer Parameter. Für die beschriebenen Ver Suchsergebnis se erwies sich eine positive Spannung von 20 bis 30 V als adäquat.

Über den Kollektorkontakt 12 gemäß Fig. 1 wird bezogen auf den Basiskontakt eine negative Spannung ausreichender Größe an den Kollektorbereich 1 angelegt. Das hohe elektrische Feld, welches sich an dem in Sperrichtung vorgespannten pn-Basis-Kollektorübergang ausbildet, bewirkt, daß die vom Emitter her injizierten Ladungsträger durch den Basisbereich 2 transportiert und am Basis-Kollektorübergang 22 eingefangen werden. Damit ergibt sich, daß man entsprechend der vorausstehenden Erläuterung die Funktion eines herkömmlichen bipolaren pnp-Transistors erhalten kann, wenn man den Halbleiteremitterteil des herkömmlichen bipolaren Transistors durch eine zweifache Isolierschicht ersetzt.

Die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform bezieht sich auf einen Transistor mit einer Isolierschicht-np-Anordnung. Die Erfindung ist jedoch in gleicher Weise auch auf einen Transistor anwendbar, der eine Isolierschicht-pn -Anordnung hat und bei dem also der Basisbereich p-leitend und der Kollektorbereich η-leitend ist. In diesem Fall sind die an die Emitter und Kollektorkontakte anzulegenden Spannungen ebenfalls von entgegengesetzter Polarität. Bei einem solchen Aufbau sind das Leitungsband und das Valenzband an der Grenzschicht 24 nach

oben in einem solchen Umfang verbogen, daß zwischen der Isolierschicht 5 und dem p-Basisbereich ein direkter Tunneleffekt

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effekt über die Tunnelsperrschicht bzw. Zone 26 auftritt. Die Elektronen werden an dem in Sperrichtung vorgespannten Basiskollektorübergang gesammelt.

Die Stromverstärkung β in Emitter-Basisschaltung, und zwar für den Fall, daß nur wenige Minoritätsträger im Basisbereich rekombinieren, d.h. die Minoritätsträger passieren in der Mehrzahl den Basis-Kollektorübergang, läßt sich im wesentlichen durch das Verhältnis der StrömeJ und J bestimmen,

ν c

welche in Verbindung mit Fig. 2 erläutert wurden. Dieses Verhältnis ist in der nachfolgenden Gleichung angegeben:

j8 = A. (D

c
wobei

J_v = C₁ exp (E/CC^ (2)

und J_c= C₂E² exp(-CI₂/E) (3)

ist. In diesen Gleichungen sind C,, C CL₁ und CU Konstenten des Tunneleffekts und E das elektrische Feld an der Isolierschicht

3. Durch Einsetzen der Gleichung (1) in die Gleichungen (2) und (3) erhält man die Stromverstärkung entsprechend der nachfolgenden Gleichung.

(4)

Aus dieser Gleichung 3) läßt sich entnehmen, daß nach der Theorie bei einem kleinen elektrischen Feld E die Stromver-Stärkung groß sein sollte. Ferner kann man qualitativ aus der Gleichung schließen, daß die Stromverstärkung ^ selbst für

große

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große elektrische Felder verhältnismäßig groß ist, da der direkte Tunneleffekt der dominierende Mechanismus für die Strom injektion für die Siliciumdioxidschicht ist, wenn diese die Tunnelsperrschicht bildende Isolierschicht eine Dicke von weniger als 30 A hat. Aus der Gleichung für die Stromverstärkung kann man ferner ableiten, daß diese Stromverstärkung nicht explizit von der Basisdotierung abhängt, wie es für pnp-leitende oder npn-leitende bipolare Transistoren der Fall ist. Daraus folgt, daß eine hohe Dotierungskonzentration für die Basis ohne Verschlechterung der Stromverstärkung ,S möglich ist.

In Fig. 3 ist das Kennlinienfeld für einen bipolaren Transistor mit einem Aufbau gemäß Fig. 1 dargestellt, wobei der Parameter -V-r, die angelegte Emitter-Basisspannung ist und V„_ die über dem Kollektorstrom I aufgetragene Kollektor-Emitterspannung ist. Dieses dargestellte Kennlinienfeld entspricht dem Kennlinienfeld für den über der Kollektorbasisspannung aufgetragenen Kollektorstrom eines herkömmlichen pnp-leitenden bipolaren Transistors, dessen Aussteuerung in Abhängigkeit vom Basisstrom erfolgt, wogegen bei dem beschriebenen bipolaren Transistor gemäß der Erfindung die Aussteuerung im wesentlichen in Abhängigkeit von der Emitter-Basisspannung erfolgt, wobei verhältnismäßig kleine Emitter-Basisströme gezogen werden.

Der bipolare Transistor gemäß der Erfindung ist weniger für eine Verwendung in einer Basisschaltung geeignet und wird zweckmäßigerweise in einer Emitter- oder Kollektorschaltung wie herkömmliche bipolare Transistoren verwendet.

Wie bereits vorausstehend hervorgehoben, werden für bipolare Transistoren gemäß der Erfindung wesentlich bessere Eigen

schaften

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--ΓΈΓ- yff WS142P-1825

schäften bei hohen Frequenzen gegenüber herkömmlichen bipolaren Transistoren erwartet, wobei der Aufbau mit Herstellungsverfahren möglich ist, wie sie in Anlehnung für Feldeffekttransistoren oder dergleichen geeignet sind. Insbesondere ergeben sich nach folgende Vorteile:

1. Es ergibt sich die Möglichkeit, daß man praktisch keine Neutralkapazität für den Basis-Emitterbereich erhält. Diese Neutralkapazität leitet sich für konventionelle pnp- oder npn-Bipolartransistoren von der Speicherung der mobilen Ladung innerhalb der Raum ladung sz one des Emitter-Basisbereiches ab. Daher nimmt die Neutralkapazität exponentiell mit der Basis-Emitter spannung zu, wobei diese Kapazität am meisten begrenzend zur Wirkung kommt bei Stromdichten, wie sie beim Mikrowellen-

3 2

betrieb, z.B. in der Größenordnung von 10 A/cm auftreten können. Im Gegensatz dazu befindet sich die Grenzschicht aufgrund der aus zwei Isolierschichten bestehenden Eniitterschicht des Transistors in einem Akkumulations- bzw, Anreicherungszustand aufgrund der Polarität der an der aus Isolierschichten 0 aufgebauten Emitter-Basisanordnung angelegten Spannung. Aus diesem Grund fehlt auch eine Raumladungszone, so daß im wesentlichen keine Neutralkapazität zu erwarten ist.

2. Ferner ist es möglich, einen hochdotierten Basisbereich vorzusehen, wodurch man einen verringerten Basiswiderstand r und eine verringerte Basis-Leitfähigkeitsmodulation sowie eine höhere Minoritätsträgerinjektion in den Basisbereich erhält, ohne die Majoritätsträgerkonzentration des Basisbereiches zu übersteigen, !Ferner bietet eine hohe Basisdotierung den Vorteil, daß die Basisverbreiterung aufgrund des Kirk-Effektes verringert wird. Für stark dotierte und verhältnismäßig flach ausgebildete Basisbereiche ist es bekannt,

daß

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daß hohe Störstellengradienten erzeugt werden, die hohe elektrische Triftfelder mit sich bringen. Deshalb kann eine höhere Konzentration der Minoritätsträgerinjektion aus dem Emitterbe- . reich in den Basisbereich aufrechterhalten werden, bevor sich die effektive Basisbreite vergrößern kann. Ein weiterer Vorteil eines hohen Dotierungsniveaus in dem Basisbereich wird in der Möglichkeit gesehen, daß die Temperaturkompensation des Basisdotierungsmittels reduziert werden kann.

3. Bei dem Aufbau eines bipolaren Transistors mit zwei Isolierschichten kann erwartet werden, daß sich kein wesentlicher Emitter-Einsattlungseffekt (Dip-Effekt) einstellt.

4. Die Basisbreite und die Konzentration der Basis läßi sich besser überwachen und steuern, da eine sehr flache Basisdiffusion oder Ionenimplantation verwendet werden kann. Ferner erscheint nicht wesentlich zu sein, die Doppeldiffusion zu kontrollieren, um die gewünschte Basisbreite zu erhalten, was bisher bei der Herstellung der meisten bipolaren Transistoren notwendig ist.

5. Der Emitterbereich kann kleiner ausgebildet sein, da sich offensichtlich keine laterale Diffusion des Dotierungsmittels ergibt, wie dies normalerweise mit der Emitter diffus ion bei herkömmlichen bipolaren Transistoren der Fall ist.

6. Es wird eine hohe Eingangsimpedanz für den bipolaren Transistor gemäß der Erfindung erwartet, wenn er in herkömmlicher Weise in Emitterschaltung betrieben wird.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

Bipolarer Transistor mit einem Basisbereich und einem Kollektorbereich, zwischen welchen ein pn-übergang ausgebildet ist, und mit einem Ladungsträger in den Basisbereich injizierenden Emitter, dadurch gekennzeichnet, -daß der Emitter Ladungsträger aufgrund eines Tunneleffekts liefert und aus zwei über dem Basisbereich (2) angeordneten Isolierschichten (3, 5) besteht, wovon die erste Isolierschicht (3) mit dem Halbleitermaterial des Basisbereichs eine Grenzschicht (4) bildet und die zweite Isolierschicht (5) den Emitterkontakt (13) trägt.
2. Bipolarer Transistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- daß die erste Isolierschicht (3) eine Siliciumdioxidschicht ist.
3. Bipolarer Transistor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

- daß die erste Isolierschicht (3) eine Dicke von weniger als etwa 30 R hat.

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-2- * WS142P-1825
4. Bipolarer Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet,

- daß die zweite Isolierschicht (5) eine Stickstoff enthaltende Siliciumschicht ist.
5. Bipolarer Transistor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Stickstoff enthaltende Siliciumschicht aus Si_nN.

ο 4

besteht.
10

G. Bipolarer Transistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

- daß die zweite Isolierschicht (5) eine Dicke von etwa 50 A bis etwa 500 R hat.

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