DE1133474B

DE1133474B - Unipolartransistor mit zwei Steuerzonen

Info

Publication number: DE1133474B
Application number: DES61490A
Authority: DE
Inventors: Dr Karl Siebertz; Dr Richard Wiesner
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1959-01-27
Filing date: 1959-01-27
Publication date: 1962-07-19
Also published as: BE587009A; US3380154A; FR1242770A; GB896730A; CH381327A; SE300849B; NL246032A

Description

Die Erfindung betrifft einen Unipolartransistor mit zwei mit sperrenden Steuerelektroden verbundenen steuernden Halbleiterzonen, den sogenannten Steuerzonen, auf den beiden Seiten des Stromweges der gesteuerten Zone und einer durch Diffusion hergestellten gesteuerten Zone auf einer Steuerzone.

Bekanntlich wird bei einem Unipolartransistor der Widerstand des Stromweges zwischen den beiden Hauptelektroden durch Veränderung des wirksamen Querschnittes gesteuert. Die sich an der Steuerzone, die gegen den Halbleiterkörper in Sperrichtung vorgespannt ist, ausbildende Raumladungszone ändert ihre Eindringtiefe, abhängig von der an ihr angelegten Spannung. Die Steuerwirkung wird noch verstärkt, wenn zwei einander gegenüberliegende Steuerzonen auf dem stromführenden Halbleiterkörper angebracht sind.

Eine solche bekannte Anordnung ist in Fig. 1 dargestellt. Längs eines verhältnismäßig hochohmigen n- oder p-leitenden Halbleiterstäbchens 8 werden einen pn-übergang bildende Zonen angebracht und diese gegenüber dem Halbleiterstäbchen in Sperrrichtung vorgespannt. Je nach Größe der Vorspannung breiten sich die Raumladungszonen 17 und 18 der pn-Übergänge mehr oder weniger in den Strompfad hinein aus und können diesen schließlich vollkommen überdecken. Da die Raumladungszone stets hochohmig gegenüber dem Halbleiterstrompfad ist, bedeutet eine Veränderung der Raumladungsbreite eine Verengung oder Erweiterung des Strompfades. Die beiden Hauptelektroden werden als Quellenelektrode 1 und als Saugelektrode 2 bezeichnet, und 31 und 41 sind die Steuerelektroden. Der zwischen 1 und 2 fließende, von der Spannungsquelle? gespeiste Majoritätsträgerstrom wird durch die von der Steuerspannung der Spannungsquelle 6 abhängigen Raumladungen vor den Steuerzonen nach Art einer Stromengensteuerung moduliert.

Zur Herstellung derartiger Halbleiteranordnungen ist vorgeschlagen worden, die Steuerzonen durch ein Legierungsverfahren anzubringen. Nach einem anderen Vorschlag wird ein rundes Stäbchen, z. B. Germanium, durch anodische Behandlung in einem Elektrolyt in einem gewissen Bereich auf einen kleinen Durchmesser abgeätzt und dann elektrochemisch ein Metallbelag als Elektrode abgeschieden. In beiden Fällen gelangt man zu einem mechanisch außerordentlich empfindlichen System, bei dem außerdem die notwendige Wärmeabfuhr erheblich erschwert ist. Ferner ist es praktisch unmöglich, die zur Erzielung hoher Grenzfrequenzen erforderlichen sehr geringen Dicken des Strompfades von einigen μ bis Unipolartransistor mit zwei Steuerzonen

Anmelder:
Siemens & Halske Aktiengesellschaft,

Berlin und München,
München 2, Wittelsbacherplatz 2

Dr. Karl Siebertz, München-Obermenzing,

und Dr. Richard Wiesner, München,

sind als Erfinder genannt worden

zu Bruchteilen von μ nach einem dieser Verfahren herzustellen.

Ein Unipolartransistor mit zwei Steuerzonen auf den beiden Seiten des Stromweges der gesteuerten Zone und einer durch Diffusion hergestellten gesteuerten Zone auf einer Steuerzone wird erfindungsgemäß einerseits so ausgebildet, daß die eine Steuerzone als Zylinder ausgebildet ist, auf dessen Mantelfläche eine dünne, etwa 0,1 bis 100 μ betragende, hochohmige, erste, ringförmige, gesteuerte Zone durch Eindiffusion angebracht und mit den beiden sperrfreien Elektroden versehen ist, und daß die zweite Steuerzone dann die gesteuerte Zone ringförmig umschließt.

Ein solcher Unipolartransistor wird erfindungsgemäß andererseits so aufgebaut, daß die eine Steuerzone als Kreisscheibe ausgebildet ist, auf deren einer Oberfläche eine dünne, hochohmige, gesteuerte Zone durch Eindiffusion angebracht ist, daß die eine sperrfreie Elektrode auf der gesteuerten Zone als Draht angebracht ist und daß sie von der zweiten Steuerzone und der anderen sperrfreien Elektrode ringförmig auf der gesteuerten Zone umgeben ist.

Die als Zylinder oder Kreisscheibe ausgebildete Steuerzone kann bei den Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung aus einem verhältnismäßig dicken Halbleiterkörper bestehen, so daß eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Wärmeabfuhr gewährleistet ist. Die durch Diffusion hergestellte gesteuerte Zone kann gleichzeitig sehr dünn ausgebildet sein, so daß eine hohe Grenzfrequenz erzielt werden kann. Durch das Anbringen der zweiten Steuerzone wird die Dicke der gesteuerten Zone noch weiter ver-

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ringert und ein besonders hoher spezifischer Widerstand dieser Zone erzielt.

Es ist bereits ein Unipolartransistor bekannt, bei dem die gesteuerte Zone durch Diffusion in einen Halbleiterkörper hergestellt ist und der übrige Teil des Halbleiterkörpers als Steuerzone dient. Bei der bekannten Anordnung ist jedoch keine zweite Steuerzone vorgesehen, und es muß daher der niederohmige Teil der diffundierten Schicht entfernt wer-

zweite Steuerzone 3 sowie die beiden Hauptelektroden 1 bzw. 2 sind zentralsymmetrisch auf dieser Zone 9 aufgebracht. Quellenelektrode und Saugelektrode können bei dieser Anordnung vertauscht 5 werden. Die eine Hauptelektrode in der Mitte besteht z. B. aus einem einlegierten Aluminiumdraht. Die zweite Hauptelektrode aus einem aufgedampften und einlegierten Aluminiumring und die zweite Steuerzone 3 aus einem Gold-Antimon-Ring, der ebenfalls

den. Bei der Halbleiteranordnung gemäß der Erfin- io aufgedampft und dann einlegiert wird. Hierbei lassen dung durchdringt die zweite Steuerzone den nieder- sich die durch die Geometrie bedingten inhomogenen ohmigen Teil der Diffusionsschicht, so daß dieser Feldverhältnisse längs des Strompfades nutzbringend nicht auf chemischem oder mechanischem Wege ent- verwerten, und man vermeidet in einfacher Weise fernt werden muß. störende Randzonen der Steuerzonen 3 und 4. Liegt

Die Halbleiteranordnungen gemäß der Erfindung 15 z. B. die Quellenelektrode 1 im Zentrum und die haben außerdem den Vorteil, daß störende Serienwiderstände klein gehalten werden können. Zu diesen
gehören der Widerstand auf der Eingangsseite
zwischen Quellenelektrode 1 und Steuerzone, der in

Fig. 1 mit R₁ bezeichnet ist, und der entsprechende 20 Steilheit der Anordnung erhöht wird. Umgekehrt Widerstand R₂ auf der Ausgangsseite zwischen Saug- führt ein Anbringen von 1 an der Peripherie und 2 im elektrode 2 und der Steuerzone. R₁ beeinträchtigt die
Grenzfrequenz, während R₂ die erforderliche Saugspannung, die durch die Spannungsquelle 7 geliefert
werden muß, und die Verlustleistung erhöht.

Bei den in den Fig. 2 und 3 dargestellten Halbleiteranordnungen ist die gesteuerte Zone und die zweite Steuerzone auf einer Zylindermantelfläche an-

Saugelektrode 2 als Ring an der Peripherie, dann kann man erreichen, daß die Zuschnürung längs des Strompfades auf einer breiten Zone unterhalb der als Ring ausgebildeten Steuerzone 3 erfolgt, wodurch die

geordnet. Die gesteuerte Zone ist eine hochohmige,

Zentrum zu einem besonders kleinen eingangsseitigen Serienwiderstand A₁.

Bei den in den Figuren dargestellten Ausführungs-35 formen kann man die eine Steuerzone 4 mit der zweiten Steuerzone 3 elektrisch koppeln, um eine größere Steuerwirkung zu erzielen, oder man gibt ihnen eine feste Gleichspannung in Sperrichtung gegenüber dem Strompfad. Durch Veränderung

etwa 0,1 bis 100 μ dicke Zone 9, die die Mantel- 30 dieser Sperrvorspannung wird die Steuerwirkung fläche eines Zylinders 4 darstellt, der selbst eine mit der äußeren Steuerzone beeinflußt, und dadurch kann den Steuerelektroden 17 und 18 versehene Steuer- eine Regelvorgang nach Art einer Regelröhre mit zone bildet, bei der in der Fig. 2 dargestellten An- variabler Gittersteigung herbeigeführt werden. Schließordnung umschließen die zweite Steuerzone 3 und die lieh kann man die zweite Steuerzone 3 und die beiden Hauptelektroden 1 und 2 Teile der Zone 9 35 Steuerzone 4 mit Wechselspannungen verschiedener ringförmig. Zum Herstellen dieser Halbleiteranord- Frequenz beaufschlagen und so eine Frequenznung wird von einem niederohmigen η-leitenden mischung vornehmen.

zylindrischen Halbleiterkörper 4 von etwa 1 mm Im folgenden soll nun noch auf ein besonders

Dicke ausgegangen und in diesem durch Diffusion günstiges Verfahren zum Herstellen von Unipolardie hochohmige gesteuerte p-leitende Zone 9 erzeugt. 4° transistoren gemäß der Erfindung eingegangen wer-Der die zweite η-leitende Steuerzone bildende Ring 3 den. Dabei ist zu berücksichtigen, daß der Strom- und die die beiden Hauptelektroden 1 und 2 pfad verhältnismäßig hochohmig sein muß, da die bildenden Ringe sind z. B. durch Aufdampfen und Eindringtiefe der Raumladungszone in den HaIb-Einlegieren der entsprechenden Stoffe erzeugt. Für leiterkörper der in diesem vorhandenen Störstellendie Hauptelektrode kann z. B. Aluminium und zur 45 konzentration umgekehrt proportional ist. Demnach Erzeugung der zweiten Steuerzone 3 Gold-Antimon sind beim Diffusionsvorgang besondere Bedingungen aufgedampft und einlegiert werden. Die Steuer- einzuhalten, die anders sind wie bei den bisher geelektrode3 kann auch durch Diffusion aufgebracht bräuchlichen Verfahren zur Herstellung von Tranwerden, nachdem die Bereiche der Halbleiterober- sistoren, Gleichrichtern oder Photozellen, bei denen fläche, die unverändert bleiben sollen, nach bekanntem 5° man stets niederohmige Diffusionsschichten verlangt. Verfahren durch Maskierung, z. B. mittels einer Die für den Unipolartransistor gemäß der Erfindung Oxydschicht, abgedeckt worden sind. erforderlichen Strukturen lassen sich z. B. durch

Bei der in der Fig. 3 dargestellten Halbleiter- gleichzeitige oder zeitlich aufeinanderfolgende Diffuanordnung umgibt die zweite Steuerzone 3 die ganze sion eines Donators und Akzeptors erzielen. Dabei Mantelfläche 9. Die beiden Hauptelektroden 1 und 2 55 wird auf einen niederohmigen Halbleiterkörper 4 von sind auf den beiden Stirnflächen auf der gesteuerten etwa 1 mm Dicke eine dünne hochohmige Zone 9 von Zone 9 ringförmig zur Achse des Zylinders aufge- entgegengesetztem und eine niederohmige Zone 3 von bracht. Die zweite Steuerzone 3 wird bei dieser An- gleichem Leitfähigkeitstyp wie der des Halbleiterordnung, wie weiter unten noch näher erläutert wird, körpers 4 erzeugt. Vor oder nach Anbringen der zweckmäßig gleichzeitig mit der Zone 9 erzeugt. Um 60 Elektroden 1 und 2 durch Aufdampfen und Eineinen Kurzschluß zwischen der Steuerzone 3 und legieren werden zur Vermeidung eines Kurzschlusses den Hauptelektroden 1 und 2 zu vermeiden, sind die die Teile 16 der Zone 3, insbesondere durch Ätzen, Teile 16 des Zylindermantels durch Ätzen oder auf entfernt. Bei diesem Diffusionsverfahren wird ein mechanischem Wege entfernt worden. z. B. η-leitendes Silizium-Einkristallblättchen 4 einer

Eine zentralsymmetrische Ausführungsform zeigt 65 Atmosphäre von Antimon (Donator) und Aluminium Fig. 4. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine (Akzeptor) ausgesetzt. Aluminium diffundiert un-Steuerzone4 als Kreisscheibe ausgebildet, deren eine gefahr 100 mal so schnell in den Halbleiterkörper ein Oberfläche von der dünnen Zone 9 bedeckt ist. Die als Antimon.

Daher erreicht Antimon an der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine lOOmal so große Konzentration wie das schnell in das Innere abwandernde Aluminium. Es bildet sich also auf der Oberfläche des Halbleiterkörpers eine η-dotierte Schicht 3 und darunter eine p-dotierte Zone 9 aus. Der Konzentrationsverlauf, der sich einstellt, ist in Fig. 5 durch die Kurve 13 angegeben. Unmittelbar an der Oberfläche überwiegt die η-Dotierung. Man erhält also eine stark η-dotierte Schicht 3, und etwas tiefer im Kristall findet sich eine schmale Zone 9, in der die rascher vorgedrungenen Akzeptoren vorherrschen und eine p-leitende Schicht schaffen, während im Inneren des Kristalls 4 noch die ursprüngliche Donatorendichte den Leitfähigkeitscharakter bestimmt. Zur Erzielung eines hochohmigen Strompfades wird gleichzeitig oder in einem getrennten Arbeitsgang ein zusätzlicher schnell diffundierender Störstoff des gleichen Typs wie die Grunddotierung des Kristalls 4 eindiffundiert (Dreifachdiffusion). Der Konzentrationsverlauf des zusätzlichen Dotierungsstoffes, z. B. Donator, ist in Fig. 5 durch die gestrichelte Kurve 12 angedeutet. In Fig. 6 gibt die Kurve 14 den resultierenden Konzentrationsverlauf an. Man sieht, daß jetzt die Dotierung der p-Zone, also die des Strompfades 9, wesentlich geringer ist und außerdem die Breite dieser p-Zone durch den zusätzlichen Dotierungsstoff noch verringert worden ist.

Statt eines Diffusionsverfahrens ist in allen genannten Fällen zum Erzeugen der dünnen Zone 9 auch ein Abdampfverfahren anwendbar. Voraussetzung ist dabei, daß das Halbleitermaterial einen hinreichend leicht verdampfbaren Dotierungspartner enthält.

Man kann mit diesen Verfahren im Gegensatz zu den bisher vorgeschlagenen Methoden sehr dünne, in der Dicke wohldefinierte Strompfade erzielen, ohne die mechanische Stabilität zu beeinträchtigen. Außerdem ist die Möglichkeit einer günstigen Wärmeabfuhr gegeben.

Die angegebenen Herstellungsmethoden eignen sich auch zum Aufbau einer vorgeschlagenen Halbleiteranordnung, die eine Abart des Unipolartransistors darstellt. Bei dieser Halbleiteranordnung übernimmt eine der Steuerzonen die Funktion der Quelle, die andere Steuerelektrode die Funktion der Saugelektrode, während von 1 und 2 (Fig. 1) aus die Steuerung vorgenommen wird. Die Vorspannungen an den Steuerzonen müssen so gewählt sein, daß sich eine ausgedehnte Raumladungszone ausbildet mit einem ausgeprägten Potentialberg, der von den Steuerzonen aus in der Höhe gesteuert wird. Im Verhältnis zu den zuerst beschriebenen Halbleiteranordnungen muß in diesem Fall der Abstand der Elektroden 1 und 2 klein gehalten werden. Es ist auch bei solchen Halbleiteranordnungen ein kleiner Abstand von einigen μ der Steuerzonen erwünscht, wozu das Diffusionsverfahren gut geeignet ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Unipolartransistor mit zwei mit sperrenden Steuerelektroden verbundenen steuernden HaIbleiterzonen, den sogenannten Steuerzonen, auf den beiden Seiten des Stromweges der gesteuerten Zone und einer durch Diffusion hergestellten gesteuerten Zone auf einer Steuerzone, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Steuerzone (4) als Zylinder ausgebildet ist, auf dessen Mantelfläche eine dünne, etwa 0,1 bis 100 μ betragende, hochohmige, erste, ringförmige, gesteuerte Zone (9) durch Eindiffusion angebracht und mit den beiden sperrfreien Elektroden (1 und 2) versehen ist, und daß die zweite Steuerzone (3) dann die gesteuerte Zone (9) ringförmig umschließt.

2. Unipolartransistor mit zwei mit sperrenden Steuerelektroden verbundenen steuernden Halbleiterzonen, den sogenannten Steuerzonen, auf den beiden Seiten des Stromweges der gesteuerten Zone und einer durch Diffusion hergestellten gesteuerten Zone auf einer Steuerzone, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Steuerzone (4) als Kreisscheibe ausgebildet ist, auf deren einer Oberfläche eine dünne, hochohmige, gesteuerte Zone (9) durch Eindiffusion angebracht ist, daß die eine sperrfreie Elektrode auf der gesteuerten Zone (9) als Draht (1) angebracht ist und daß sie von der zweiten Steuerzone (3) und der anderen sperrfreien Elektrode (2) ringförmig auf der gesteuerten Zone (9) umgeben ist.

3. Unipolartransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden sperrfreien Elektroden (1 und 2) auf der ersten gesteuerten Zone (9) ringförmig zur Zylinderachse angebracht sind.

4. Unipolartransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden sperrfreien Elektroden (1 und 2) auf den beiden Stirnflächen der ersten ringförmigen Zone (9) ringförmig zur Zylinderachse angebracht sind.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 966 276; deutsche Auslegeschrift Nr. 1 015 153; USA.-Patentschriften Nr. 1745175, 2 791758, 820 932;

österreichische Patentschrift Nr. 202 600; schweizerische Patentschrift Nr. 289 519.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen