DE2235069A1 - Verfahren zur verbesserung der strahlungsresistenz von siliziumtransistoren mit siliziumoxid-deckschicht - Google Patents

Description

Verfahren zur Verbesserung der Stfahlxtngsresistenz von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deckschicht

Zusatz zu Patent ..,.<........ (Patentanmeldung Akt.Z..

P 20 35 703.3-33)

Das Hauptpatent .............. (Patentanmeldung Akt.Z.

P 20 35 703.3-33) betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren mit Siliziumoxid-Deckschicht, bei welchem ein Transistor oder eine Siliziufflscheibe mit mehreren Transistorstrukturen einer Elektronenstrahlung mit einer Energie unterhalb von 150 keV und einer

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Dosis zwischen 10^ und 10 rad an der Grenzschicht zwischen Silizium und Siliziumoxid-Deckschicht ausgesetzt und während der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 150 und 45O⁰C gehalten wird. , .

Die Verbesserung der Strahlungsresistenz der Transistoren zeigt sich dabei insbesondere darin, daß die Stromverstärkung eines entsprechend behandelten Transistors bei einer Testbestrahlung mit einer überwiegend ionisierenden Strahlenart (Elektronen-, Röntgen-, -^-Strahlung) nur auf einen Wert absinkt, der wesentlich größer ist als der Wert, auf den die Stromverstärkung des Transistors ohne Behandlung bei einer gleichen Testbestrahlung absinkt. Unter Stromverstärkung ist hierbei jeweils die statische Stromverstärkung, d.h. der Quotient aus Kollektorstrom und Basisstrom zu verstehen, der eine der wichtigsten Kenngrößen eines Transistors darstellt. Jedoch wird auch die Strahlungsresistenz des Transistors in Bezug auf andere Kenngrößen, wie beispielsweise die Sperrströme und das thermische Rauschen, verbessert.

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Eine Erhöhung der Strahlungsresistenz ist vorzugsweise für Transistoren von Interesse, welche in Erdsatelliten und anderen Raumfahrzeugen verwendet werden, die während ihres Einsatzes der Einwirkung von Partikel- und Quantenstrahlung, beispielsweise im Bereich des Strahlengürtels der Erde, ausgesetzt sind. Transistoren sind bei derartigen Einsätzen besonders gefährdet, da ihre elektrischen Kenndaten durch die unter Strahlungseinwirkung auftretende Ionisierung verändert werden. Insbesondere die Stromverstärkung der Transistoren kann unter Strahlungseinwirkung stark abnehmen. Ähnliche Verhältnisse können auch bei der Anwendung von Transistoren bei Teilchenbeschleunigern, Kernreaktoren, Röntgenanlagen und anderen Anlagen auftreten, bei denen ionisierende Strahlung entsteht. Um eine zu starke Funktionsminderung der mit den Transistoren bestückten Schaltungen zu verhindern, sollten die Transistoren daher eine möglichst hohe Strahlungsresistenz besitzen.

Als besonders vorteilhaft wurde im Hauptpatent unter anderem ferner vorgeschlagen, die Transistoren während der Bestrahlung nur auf eine Temperatur zwischen 150 und 300 C, vorzugsweise 200 bis 250⁰C, zu erhitzen, um bei der Bestrahlung die üblichen Transistorhalterungen und -anschlüsse verwenden zu können. Um auch in diesem niedrigen Temperaturbereich eine vollständige Ausheilung der StrahlungsSchädigung zu erreichen, wurde weiter vorgeschlagen, gleichzeitig mit der Bestrahlung zwischen Emitter- und Basisanschluß und gegebenenfalls zusätzlich zwischen Kollektor- und Basisanschluß des Transistors eine elektrische Spannung in Durchlaßrichtung anzulegen. Diese Spannung soll möglichst hah sein, jedoch sollen die höchstzulässigen Grenzwerte von Basis- und Kollektorstrom nicht überschritten werden. Weiterhin wurde in der Hauptanmeldung vorgeschlagen, die Transistoren oder Siliziumscheiben anstelle einer gleichzeitig mit der Bestrahlung erfolgenden elektrischen Belastung nach der Bestrahlung wenigstens 10 Stunden lang zwischen 300 und 35O⁰C zu tempern.

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Durch die im Hauptpatent vorgeschlagenen Maßnahmen wird eine erhebliche Erhöhung der Strahlungsresistenz der behandelten Transistoren erreicht. Langzeitversuche haben nun aber gezeigt, daß die nach der Behandlung vorhandene Stromverstärkung der Transistoren im Laufe einer mehrmonatigen Lagerung der Transistoren zurückgeht, wobei auch die Strahlungsresistenz etwas abnimmt. Trotz dieser Alterungserscheingngen ist die Strahlungsresistenz der nach dem im .Hauptpatent vorgeschlagenen Verfahren behandelten Transistoren immer noch erheblich besser als die überhaupt-nicht behandelter Transistoren.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren nach dem Hauptpatent weiter zu verbessern und insbesondere so auszugestalten, daß Alterungserscheinungen auch bei langzeitiger Lagerung der Transistoren möglichst vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei· der Bestrahlung des Transistors oder der Siliziumscheibe mit mehreren Transistorstrukturen eine Strahlungsdosis zwischen 10 und 10 rad angewandt und der Transistor oder die Siliziumscheibe während der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 200 und 300⁰C gehalten wird und daß nach der Bestrahlung der Transistor bzw. die Siliziumscheibe wenigstens 10 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 200 und 30O⁰C getempert und gleichzeitig zwischen Emitter- und Basisanschluß des Transistors bzw. der Transistorstrukturen eine elektrische Spannung von wenigstens 0,3 V in Durchlaßrichtung angelegt wird.

Pur die vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gerade die Kombination der verschiedenen Verfahrensmaßnahmen von besonderer Bedeutung. Die Wahl der Strahlungs-

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dosis zwischen 10 und. 10 rad ist wesentlich, weil bei

Bestrahlungen mit weniger als 10 rad die erreichbare Strahlungsresistenz erheblich zurückgeht, während bei einer Be-

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strahlung mit mehr als 10 rad die vor der Bestrahlung vorhandenen Ausgangswerte der Stromverstärkung bei der weiteren Behandlung häufig nicht mehr erreicht werden können. Die Aufrechterhaltung einer Temperatur von 200 bis 300⁰C während der Bestrahlung führt eberfells zu einer besonders hohen Strahlungsresistenz. Nach einer Bestrahlung bei tieferen Temperaturen ist die Stromverstärkung nach einer Testbestrahlung noch zu niedrig, während sie infolge einer Bestrahlung bei Temperaturen von mehr als 300 C ebenfalls wieder auf niedrigere Werte abfällt, als sie mit einer Bestrahlung bei Temperaturen von 200 und 300 C erreicht werden können. Das sich an die Bestrahlung anschließende, wenigstens 10 Stunden lange Tempern bei einer Temperatur zwischen 200 und 300⁰C unter gleichzeitiger elektrischer Belastung des Emitter-Basis-Übergangs in Durchlaßrichtung führt einmal bei Einhaltung der angegebenen Bestrahlungsbedingungen zu einer vollständigen Ausheilung der zunächst durch die Bestrahlung hervorgerufenen Abnahme der Stromverstärkung und zum anderen zu einer vollständigen Beseitigung der Alterungseffekte. Eine elektrische Spannung von wenigstens 0,3 V ist erforderlich, weil bei kleineren Spannungen noch keine vollständige Ausheilung erreicht wird. Die elektrische Spannung wird vorteilhaft noch höher als 0,3V gewählt, jedoch soll der höchstzulässige Grenzwert des Basistromes nicht überschritten werden.

Durch zusätzliches Anlegen einer elektrischen Spannung von wenigstens 0,3 V in Durchlaßrichtung zwischen dem Kollektor- und dem Basisanschluß des Transistors bzw. der Transistor-

, , . ,während des Tempe^rns,.. . „ ■ _,_ „ _Λ struktur, wobei die hocifstzulassigen Grenzwerte von Basis- und Kollektorstrom ebenfalls nicht überschritten werden sollen, können zusätzlich die Eigenschaften des Kollektor-Basis-Überganges, insbesondere die Durchbruchsspannung und der Sperrstrom, im Sinne einer Ausheilung der Strahlungsschäden günstig beeinflußt werden.

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Um auch bei stark streuenden Transistoreigenschaften auf jeden Pail Alterungserscheinungen zu vermeiden, wird vorzugsweise nach der Bestrahlung wenigstens 40 Stunden lang . getempert.

Die Snergie der bei der Bestrahlung anzuwendenden Elektronenstrahlung hängt von der Dicke der Siliziumoxid-Deckschicht des Transistors bzw. .der Siliziumscheibe ab. Die Energie sollte dabei entsprechend der bekannten Energie-Reichweite-Beziehung so gewählt werden, daß die Elektronenstrahlung durch die Siliziumoxid-Deckschicht hindurch bis in die Grenzschicht zwischen Siliziumoxid-Deckschicht und Silizium eindringt. Elektronenstrahlung mit einer Energie von mehr als 150 keV ist nicht geeignet, da bei so hohen Energien Strahlungsschäden im Inneren des Siliziumkörpers des Transistors durch Verlagerung von G-itteratomen auftreten können. Mit Elektronenstrahlen einer Energie von weniger als 1 keV dürfte in der Segel di.e Siliziumoxid-Deckschicht nicht mehr zu durchdringen sein.

An Hand einer Figur soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Die Figur zeigt die Stromverstärkung von Silizium-NPN-Planartransistören in Abhängigkeit vom Kollektrostrom vor und nach der Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und nach Testbestrahlungen sowie die Stromverstärkung entsprechender Transistoren, die zu Vergleichszwecken anderen Behandlungen unterworfen wurden.

Als Ausführungsbeispiel soll die Behandlung eines Silizium-NPN-Planartransistors (Type BCY 59) näher erläutert werden.

Der Transistor wurde zunächst mit geöffnetem Gehäuse bzw. ohne Kappe in eine heiz- und kühlbare Probenhalterung eingesetzt, die aus einer mit Löchern zum Einsetzen der Transistoren versehenen Kupferplatte bestand. Ein guter Wärmekontakt

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zwischen Transistor und Kupferplatte wurde dabei durch festes Andrücken der Grundplatte des Transistorgehäusea an die Kupferplatte gesichert. Die Kupferplatte wurde in den evakuierbaren Bestrahlungsraum eines Elektronenbeschleunigers eingebaut. Emitter-, Basis- und Kollektoranschluß wurden offengelassen.

Nach dem Evakuieren des Bestrahlungsraumes bis auf einen Rest-

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gasdruck von etwa 10 bis 10- Torr wurde der Transistor mit Elektronen einer Energie von etwa 25 keV und einer Strahlstromdichte von etwa 50 /uA/cm etwa 100 Sekunden lang bestrahlt, bis an der Grenzfläche zwischen Silizium und SiIiziumoxid-Deckschicht eine Strahlungsdosis von etwa 5 · 10³ rad erreicht war. Die Bestrahlung erfolgte dabei durch die Siliziumoxid-Deckschicht hindurch, deren Dicke etwa 0,2 bis 0,5 /um betrug. Während der Bestrahlung wurde der Transistor durch Heizen der Kupferplatte auf einer Temperatur von etwa 25O⁰G gehalten. Nach der Bestrahlungsdauer von etwa 100 Sekunden würde zunächst die Bestrahlung abgeschaltet. Dann wurde die Plattenheizung abgeschaltet und die Kupferplatte mit dem Transistor auf Raumtemperatur abgekühlt. Nach der Bestrahlung wurde der Transistor in einer Vakuumkammer unter Vakuum mit

—4. -5 einem Restgasdruck von etwa 10 bis 10 Torr etwa 50 Stunden lang bei einer Temperatur von etwa 25O⁰C getempert, wobei gleichzeitig zwischen Basis- und Emitteranschluß und zwischen Basis- und Kollektoranschluß eine elektrische Spannung von etwa 0,7 V in Durchlaßrichtung angelegt wurde. Nach dem Tempern wurde der Transistor abgekühlt, gekapselt und die Kapsel mit einem möglichst trockenen Schutzgas, beispielsweise trockener Luft oder trockenem Stickstoff, gefüllt.

Die verbesserte Strahlungsresistenz des so behandelten Transistors und die gegenüber dem Verfahren nach dem Hauptpatent erzielten Vorteile sind aus der Figur zu ersehen. In dieser Figur sind an der Ordinate die Stromverstärkung B und an der

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Abszisse der Kollektorstrom Ir, in Ampere jeweils in logarithmischem Maßstat» aufgetragen. Zur Ermittlung der Kurven 1 bis 5 wurde jeweils die Stromverstärkung eines Transistors bei verschiedenen Kollektorströmen gemessen.

Vor der Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprach die Stromverstärkung des Transistors der Kurve 1. Ein nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelter gleichartiger Transistor wurde zu Vergleichszwecken mit einer lestdosis von 10 rad bestrahlt. Die Testbestrahlung erfolgte in dem hier beschriebenen Beispiel ohne elektrische Beanspruchung der Prüfmuster. Die Stromverstärkung sank dabei von der vor der Bestrahlung gültigen Kurve 1 auf die Werte der Kurve 2 ab.

Der nach dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelte Transistor hatte nach der Behandlung, also nach dem Tempern, eine Stromverstärkung, die wiederum der Kurve 1 entsprach. Durch die Behandlung wird also die ursprünglich vorhandene Stromverstärkung nicht verschlechtert. Auch dieser Transistor wurde nun einer Testbestrahlung mit Elektronen einer Dosis von 10' rad unterzogen. Die Stromverstärkung sank dabei nur auf die Werte · der Kurve 3 ab, war also insbesondere im Bereich kleiner

-7 -5 Kollektorströme zwischen 10 und 10 Ampere um mehr als den Faktor 10 höher als die durch Kurve 2 gegebene Stromverstärkung des unbehandelten Transistors nach der gleichen Testbestrahlung.

Auch nach mehr als sechsmonatiger Lagerung bei Raumtemperatur zeigen die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Transistoren keine Veränderungen ihrer Kenndaten. Die Stromverstärkung entspricht auch nach dieser Lagerzeit bei Transistoren des entsprechenden Typs den Werten der Kurve 1 und nimmt nach der erwähnten Testbestrahlung lediglich auf die Werte der Kurve 3 ab.

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Werte der Kurve 3 ab.

Silizium-NPN-Transistoren des gleichen Typs, die gemäß dem Hauptpatent zunächst einer Elektronenstrahlung mit einer Energie von 25 keV und einer Dosis von etwa 10 rad ausgesetzt, während der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 200 und 25O⁰C gehalten wurden und bei denen gleichzeitig zwischen Emitter-Basis-Anschluß und zwischen Kollektor-Basis-Anschluß jeweils eine elektrische Spannung von etwa 0,7V in Durchlaßrichtung angelegt worden war, zeigten demgegenüber zunächst ebenfalls eine Stromverstärkung, die nach der erwähnten Behandlung etwa der Kurve 1 entsprach und nach der Testbestrahlung etwa auf die Kurve 3 absank. Nach einer dreimonatigen Lagerung bei Raumtemperatur entsprach jedoch die Stromverstärkung dieser Transistoren nur noch den Werten der Kurve 4 und sank nach einer entsprechenden Testbestrahlung mit Elektronen einer Dosis von 10 rad auf die Werte der Kurve 5 ab. Die Werte dieser Kurve 5 liegen zwar noch erheblich über den Werten der Kurve 2, aber doch auch beträchtlich unter denen der Kurve 3. Aus einem Vergleich der Kurven 1 und 3 mit den Kurven 4 und 5gpht somit klar hervor, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren die Stabilität der Stromverstärkung und der Starahlungsresistenz der behandelten Transistoren gegen Alterungserscheinungen gegenüber dem Verfahren nach dem Hauptpatent noch erheblich verbessert wird.

Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die elektrische Belastung der Transistoren nicht schon während der Bestrahlung, sondern erst während des anschließenden Temperns vorgesehen ist. Es entfallen somit die elektrischen Durchführungen an der Bestrahlungskammer, wodurch sich dieser Verfahrensschritt wesentlich vereinfacht. Auch lassen sich ohne wesentlichen Mehraufwand eine größere Anzahl von Transistoren gleichzeitig bestrahlen.

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Die Kurven 1 bis 5 betreffen nicht nur Messungen an einzelnen Transistoren, sondern wurden durch Untersuchungen an einer Vielzahl von Transistoren bestätigt. Versuche an PNP-Silizium-Planartransistoren lieferten ^ähnliche Ergebnisse wie die Versuche an den NPN-Silizium-Planartransistoren.

Da der Einfluß von Feuchtigkeit auf die Transistoroberfläche, wie Versuche gezeigt haben, insbesondere während der Temperbehandlung und der anschließenden Lagerung zu einer Verschlechterung der Strahlungsresistenz des Transistors führen kann, empfiehlt es sich, sowohl die Bestrahlung als auch die Temperbehandlung unter Vakuum, vorzugsweise mit einem lestgasdruck von 10 bis 10 /oder weniger, oder unter trockenem Schutzgas, beispielsweise getrocknetem Stickstoff, vorzunehmen. Weiterhin ist es aus dem gleichen Grunde vorteilhaft, den Transistor möglichst bald nach dem Tempern mit einer Kapsel zu versehen und diese mit sorgfältig getrocknetem . Schutzgas zu füllen oder zu evakuieren. Eine ähnliche Schutzwirkung kann auch durch eine Lack- oder Kunststoffbedeckung, beispielsweise mit Siliconharzlack oder Polyimid, vor der Verkapselung oder durch Umhüllen des Transistorkristalls mit einem wasserdampfabweisenden Kunststoff, beispielsweise Siliconharz, erzielt werden. Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, daß der Transistor bereits nach der Bestrahlung mit einer Kapsel versehen und diese mit trockenem Schutzgas gefüllt oder evakuiert wird. Für die anschließende Temperbehandlung ist dann keine Vakuumapparatur erforderlich. Vielmehr kann die Temperbehandlung in einem normalen Ofen erfolgen, da sich der Transistor bereits innerhalb der Kapsel unter trockenem Schutzgas befindet. Ferner wird dadurch die elektrische Belastung des Transistors während des Temperas erheblich vereinfacht, da es nicht erforderlich ist, die entsprechenden Anschlüsse vakuumdicht in die Tempervorrichtung einzuführen.

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Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur zur Behandlung von einzelnen Silizium-Planartransistoren, sondern auch zur Behandlung von Siliziumscheiben, die eine Vielzahl von Transistorstrukturen enthalten. Falls die Siliziumscheiben zerteilt und zu einer Vielzahl von Transistoren weiterverarbeitet werden sollen und die Transistorstrukturen innerhalb der Siliziumscheiben noch nicht mit entsprechenden Emitter-Basis- und Kollektoranschlüssen versehen sind, können beispielsweise die Siliziumscheiben zunächst ohne Anschlüsse der Bestrahlung unterzogen und anschließend in einzelne Transistoren zerteilt werden. Diese können dann nach dem Aufbau auf dem G-ehäuseboden und der Kontaktierung der Temperbehandlung bei gleichzeitiger elektrischer Belastung unterzogen werden. Bei der Aufbringung auf den Gehäuseboden und der Kontaktierung sollten die Transistoren jedoch möglichst nicht wesentlich über 300⁰O hinaus erhitzt werden. Enthält dagegen die Siliziumscheibe einen integrierten Schaltkreis und handelt es sich bei den Transistorstrukturen um die Transistoren eines solchen Schaltkreises, so werden die Transistorstrukturen in der Regel vor der Bestrahlungsbehandlung entsprechend kontaktiert und können daher während der anschließenden Temperbehandlung der Siliziumscheibe ohne weiteres elektrisch belastet werden.

8 Patentansprüche
1 Figur

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Claims (8)

1. VPA 72/7543

   Patentansprüche

   Verfahren zur Verbesserung der Strahlungsresistenz von Siliziumtransistoren' mit SiIi ziumoxid-Decks chi ent, bei welchem ein Transistor oder eine Siliziumscheibe mit mehreren Transistorstrukturen einer Elektronenstrahlung mit einer

   Energie unterhalb von 150 keV und einer Dosis zwischen 1(P

   1 2
   und 10 rad an der Grenzschicht zwischen Silizium und Silizium-Deckschicht ausgesetzt und während der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 150 und 45O⁰C gehalten wird,

   nach Patent (Patentanmeldung Akt.Z.

   P 20 35 703.3-33), dadurch gekennzeichnet, daß eine Strah-

   Q "IQ

   lungsdosis zwischen 10^ und 10 rad angewandt und der Transistor oder die Siliziumscheibe während der Bestrahlung auf einer Temperatur zwischen 200 und 300⁰C gehalten wird und daß nach der Bestrahlung der Transistor bzw. die Siliziumscheibe wenigstens 10 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 200 und 30O⁰C getempert und gleichzeitig zwischen Emitter- und Basisanschluß des Transistors bzw. der Transistorstrukturen eine elektrische Spannung von wenigstens 0,3 V in Durchlaßrichtung angelegt wird.

   während des Temperns
2. 2. Verfahren nah Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß /

   zusätzlich zwischen Kollektor- und Basisanschluß des Transistors bzw. der Transistorstrukturen eine elektrische Spannung von wenigstens 0,3 V in Durchlaßrichtung angelegt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens 40 Stunden lang getempert wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Bestrahlung und Temperbehandlung unter Vakuum oder trockenem Schutzgas erfolgen.

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5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor nach dem Tempern mit einer Kapsel versehen und die Kapsel mit trockenem Schutzgas gefüllt oder evakuiert wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor nach der Temper ung mit Kunststoff umhüllt wird.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch, gekennzeichnet, daß der Transistorkristall vor der Verkapselung eine Lack- oder Kunststoffabdeckung erhält
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor bereits nach der Bestrahlung mit einer Kapsel versehen und die Kapsel mit trockenem Schutzgas gefüllt oder evakuiert wird.

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