DE2547303A1

DE2547303A1 - Halbleiterbauelement

Info

Publication number: DE2547303A1
Application number: DE19752547303
Authority: DE
Inventors: Tadaharu Tsuyuki; Hajime Yagi
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1974-10-31
Filing date: 1975-10-22
Publication date: 1976-05-06
Also published as: JPS5724659B2; JPS5151286A; IT1044307B; FR2290039B3; FR2290039A1; NL7512681A; GB1514578A; CA1056068A

Description

TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER

D-8OOO München 22 D-48OO Bielefeld

-Triftstraße 4 Siekerwall 7

S75P11 2 2. Okt. 1375

SONY CORPORATION Tokyo/Japan

Halbleiterbauelement Zusatz zu Patent (Patentanmeldung P 23 64 753.2)

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit zwei über einen ersten pn-übergang aneinandergrenzenden Halbleiterbereichen von unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp, mit einem an der dem ersten pn-übergang gegenüberliegenden Seite an den zweiten Bereich angrenzenden dritten Bereich, mit einem vierten Bereich vom Leitfähigkeitstyp des zweiten Bereichs, der einen zweiten pn-übergang zum ersten Bereich bildet, sowie mit Mitteln, die eine Vorspannung des ersten pn-übergangs und den Transport von Majoritätsladungsträgern vom ersten zum dritten Bereich ermöglichen, wobei nach Patent (Patentanmeldung P 23 64 753.2)

gilt, daß die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im

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ersten Bereich größer ist als dessen Stärke.

Es ist bekannt und allgemein üblich, Bipolartransistoren in einem Doppeldiffusionsverfahren herzustellen, bei dem ein Emitter-Basis-Übergang erzeugt wird, für den insgesamt gilt, daß die Dotierungskonzentration des Emitters höher ist als in der Basis. Wird dieser Unterschied größer, so wird auch der Emitterwirkungsgrad höher und nähert sich mehr und mehr dem Wert Eins. Mit einer hohen Dotierung jedoch erhöhen sich auch die Gitterdeffekte und Versetzungen im Halbleitersubstrat. Als Folge der hohen Dotierung nimmt die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im dotierten Bereich ab. Eine Erniedrigung der Dotierung jedoch führt bei bisher bekannten Transistoren dazu, daß auch der Verstärkungsgrad absinkt.

In der US-PS 2 8 22 310 ist unter anderem ein Transistor beschrieben, dessen Emitter einen hohen spezifischen Widerstand besitzt, für den also gilt, daß die Diffusionslänge größer ist als seine Stärke oder Weite und außerdem ist ein potentialmäßig schwimmender Bereich vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp vorgesehen, der zum Emitter einen pn-übergang bildet. Die genannte Patentschrift führt aus, daß die Anzahl der Minoritätsladungsträger sowohl im Emitter als auch im schwimmend gehaltenen Bereich unter der Gleichgewichtskonzentration bleiben soll und daß sich beide Minoritätsladungsträger über die pn-übergänge kompensieren sollen. Es wird auch ausgeführt, daß die Stärke des schwimmend gehaltenen Bereichs größer sein soll als die darin auftretende Diffusionslänge, so daß mithin der Minoritätsladungsträgerstrom im Emitter dadurch auf ein Minimum gebracht werden kann, daß der Gradient der Minoritätsladungsträgerkonzentration im schwimmenden Bereich minimisiert wird. Und schließlich wird in der US-PS ausgeführt, daß der pn-übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt werden soll, da andernfalls der Minoritätsladungsträgerstrom in jedem der Bereiche ansteigen würde.

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Weiterhin ist in der Zeitschrift "Solid State Electronics", Band 13 (1970), Seite 1025, ein Transistor beschrieben, bei dem im Emitter ein zusätzlicher Bereich vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp in einem Abstand vorhanden ist, der innerhalb der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im Emitter liegt. Das Eingangssignal wird zwischen dem Emitter und dem zusätzlichen Bereich zugeführt, während die Basis schwimmend gehalten wird.

Mit diesen bekannten Maßnahmen im Emitterbereich jedoch läßt sich noch keine wesentliche Verbesserung des Verstärkungsfaktors bei niedrigen Rauschkennwerten und stabilen Betriebsverhältnissen erreichen.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Halbleiterbauelement, insbesondere einen Transistor hinsichtlich eines hohen Verstärkungsfaktors entscheidend zu verbessern. Gleichzeitig sollen die Rauschkennwerte verbessert, eine wesentlich höhere Durchbruchspannung erzielt und eine thermisch bedingte Abweichung der Kennwerte vermieden werden. Ein weiteres Ziel besteht in der Möglichkeit des Einbaus eines solchen Halbleiterbauelements in eine integrierte Schaltung zusammen mit herkömmlichen Transistoren, insbesondere auch in Verbindung mit komplementären Transistorpaaren.

Die Erfindung ist bei einem Halbleiterbauelement der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge im erwähnten vierten Bereich ebenfalls größer ist als dessen Stärke oder Weite. Andere Ausbildungsformen des Erfindungsgedankens sind in weiteren Patentansprüchen gekennzeichnet.

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Die Erfindung bezieht sich damit in erster Linie auf einen Bipolartransistor oder einen Thyristor mit einem Emitterbereich, für den gilt, daß die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge Lp größer ist als seine Stärke und daß ein zusätzlicher, unmittelbar an den Emitterbereich angrenzender Bereich vorhanden ist, für den gilt, daß die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge Ln¹ größer ist als die Stärke des zusätzlichen Bereichs. Die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit im zusätzlichen Bereich ist kleiner als Dn'/Ln'# wobei mit Dn¹ die Minoritätsladungsträger-Diffusionskonstante bezeichnet ist. Die Oberflächenrekombination wird gewöhnlich in Bezug auf die Rekombinationsgeschwindigkeit definiert, das heißt in Bezug auf die effektive Geschwindigkeit,mit der alle Minoritätsladungsträger scheinbar an die Oberfläche geschwemmt werden, wo sie durch Oberflächentrapniveaus oder Anlagerungstherme verloren gehen.

Die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge im Emitter wird für herkömmliche Transistoren in der Größenordnung von 1 bis 2 Mikron angenommen. Beim Gegenstand der Erfindung dagegen ergeben sich Minoritätsladungsträger-Diffusionslängen von 50 bis 100 Mikron. Der Stromverstärkungsfaktor liegt bei herkömmlichen Transistoren bei etwa 500, während sich für Transistoren erfindungsgemäßer Bauart ohne weiteres Stromverstärkungsfaktoren (zum Beispiel h_p für Emitterschaltung) von 10 000 und mehr erzielen lassen, und zwar bei äußerst niedrigen Rauschkennwerten.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweisen Ausführungsformen erläutert. Es zeigen;

Fig. 1 eine schematische Teilschnittansicht eines npn-Transistors,bei dem erfindungsgemäße Merkmale verwirklicht sind;

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Fig. 2 eine graphische Modelldarstellung zur Verdeutlichung der Minoritätsladungsträgerkonzentration im Emitterbereich und in dem zusätzlichen Bereich;

Fig. 3 die schematische Schnittdarstellung eines integrierten Schaltkreis-Chips, das einen npn-Transistor erfindungsgemäßer Bauart und zusätzlich einen pnp-Transistor herkömmlichen Aufbaus enthält, wobei beide Transistoren ein komplementäres Paar bilden;

Fig. 4, 5 und 6 der Fig. 1 ähnliche schematische Schnittdarstellungen anderer Ausführungsformen von Halbleiterbauelementen mit erfindungsgemäßen Merkmalen und

Fig. 7 ein Schaltungsmodell zur Verdeutlichung, wie eine Vorspannung und ein Eingangssignal an die Halbleiteranordnung gemäß Fig. 1 angelegt werden können.

Einander entsprechende Bereiche sind in den Figuren mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet.

Das Halbleiterbauelement nach Fig. 1 besteht im wesentlichen aus einem stark mit n-Typ-Verunreinigungen dotierten Substrat oder spezieller aus einem stark mit Antimon dotierten Siliciumsubstrat. Die Dotierungskonzentration liegt vorzugsweise bei

1 Q

4x10 Atomen/cm³. Dies ergibt einen spezifischen Widerstand von etwa 0,01 Xicm. Es wurde ermittelt, daß die Dotierung so schwanken kann, daß sich Werte zwischen 0,008 und 0,012 __Q.cm ergeben. Die Stärke des Substrats liegt vorzugsweise bei 250 Mikron.

Auf dem Substrat 1 ist eine n-Siliciumepitaxialschicht 2 ausgebildet, die zusammen mit dem η -Substrat 1 als Kollektor dient. Diese Epitaxialschicht 2 wird nachfolgend als "dritter Bereich" bezeichnet; sie ist relativ niedrig mit Antimon dotiert, und

14 zwar in einer Dotierungskonzentration von 7x10 Atomen/cm³.

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Es ergibt sich ein spezifischer Widerstand von etwa 8 bis 10 Jicm. Diese Epitaxialschicht besitzt vorzugsweise eine Stärke von 20 Mikron.

Sodann ist als aktive Basis für den Transistor durch Diffusion oder Ionen-Implantation auf der η -Schicht 2 ein p-Typ-Basisbereich 3 ausgebildet, der nachfolgend als "zweiter Bereich" bezeichnet ist. Als Dotierungsmaterial kommt Bor in Frage, und zwar in einer Menge, daß sich eine Dotierungskonzentration von 1 χ 10 Atomen/cm³ ergibt.

Don Emitter bildet ein n-Typ-Slliciumepitaxialschicht 4, die sich über der η -Schicht 2 befindet und nachfolgend als "erster Bereich" bezeichnet ist. Die Schicht 4 ist leicht mit Antimon dotiert, so daß sich eine Dotierungskonzentration von

1 5
etwa 5,5 χ 10 Atomen/cm³ ergibt. Der spezifische Widerstand liegt bei etwa 1 JT.cm. Die Dicke der Schicht 4 beträgt etwa 2 bis 5 Mikron.

Als Emitterkontaktbereich dient eine η -Typ-Diffusionsschicht in der η -Schicht 4, die nachfolgend als "fünfter Bereich" bezeichnet ist. Diese Schicht 5 ist mit Phosphor dotiert, und zwar in einer Oberflächenverunreinigungskonzentration von 5x10 Atomen/cm³; sie weist eine Tiefe von etwa 1,0 Mikron auf.

Den Kollektorbereich umgibt ein stark dotierter Diffusionsbereich 6, der in die η -Kollektorschicht 2 eindringt. Als Verunreinigungsmaterial dient Phosphor und die Dotierungskonzentration liegt b<
flächenkonzentration.

1 9 konzentration liegt bei etwa 3 χ 10 Atomen/cm³ als Ober-

Ein p-Typ-Diffusionsbereich 7 durchdringt die n-Emitterschicht und reicht bis zur ρ -Basisschicht 3, so daß der Emitter 4 begrenzt und eingerahmt ist. Das Dotierungsmittel ist Bor und es

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2 b A 7 3 O

1 9 ergibt sich eine Oberflächenkonzentration von 7 χ 10 Atomen/cm³. Ein ρ-Typ-Diffusionsbereich 8 ist im Bereich 7 ausgebildet und dient als Basiskontaktbereich. Der Diffusionsbereich 8 ist stark mit Bor dotiert, und zwar in einer Ober-

1 R

flächenkonzentration von etwa 5x10 Atomen/cm³, wobei die Eindringtiefe des Bereichs 8 bei etwa 1,8 Mikron liegt.

Die obere Oberfläche der Vorrichtung ist zur Passivierung mit einer Siliciumdioxidschicht 206 bedeckt.

Am η -Substrat 1 ist eine Kollektorelektrode 9, insbesondere aus Aluminium, vorgesehen. Eine Basiselektrode 10 aus Aluminium befindet sich auf dem Basiskontaktbereich 8. Eine Emitterelektrode 11 aus Aluminium ist am Emitterkontaktbereich 5 vorgesehen.

Ein p-Typ-Bereich 200, der nachfolgend manchmal als "zusätzlicher Bereich" und manchmal als "schwimmender Bereich" bezeichnet wird, ist in den η -Emitter 4 eindiffundiert, so daß sich ein pn-übergang zwischen diesem Bereich 200 und dem Emitter 4 ergibt. Der Bereich 200 ist mit Bor dotiert und wird gleichzeitig mit der Herstellung des Basiskontaktbereiches 3

1 8 erzeugt. Die Dotierungskonzentration beträgt 5x10 Atome/cm³, während die Tiefe der Schicht 200 bei etwa 1,8 Mikron liegt.

Aus der soweit gegebenen Beschreibung ist ersichtlich, daß die n~-Schicht 2 und der p-Bereich 3 einen Kollektor-Basis-übergang 12 bilden. Der p-Bereich 3 und die n~-Schicht 4 bilden einen Emitter-Basis-Übergang 13, während die n~-Schicht 4 und der zusätzliche p-Bereich 200 - wie erwähnt - einen weiteren pn-übergang 14 bilden. Der Abstand zwischen dem Emitter-Basis-Übergang 13 und dem zusätzlichen pn-übergang 14 beträgt vorzugsweise 2 bis 5 Mikron.

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Eine in einer niedrig dotierten Epitaxialschicht ausgebildete Emitteranordnung ist in der US-PS 3 591 430 sowie in der FR-PS 2 130 399 beschrieben.

Die Fig. 3 verdeutlicht eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der ein anhand der Fig. 1 beschriebener npn-Transistor zusammen mit anderen Halbleiterbauelementen, beispielsweise einem pnp-Transistor, Teil einer integrierten Schaltung ist. Diese integrierte Schaltung enthält - wie gezeigt - zwei verschiedene Transistortypen, beispielsweise ein komplementäres Transistorpaar, nämlich einen npn-Transistor 21 und einen pnp-Transistor 22. Diese beiden Transistoren sind in einem p-Typ-Siliciumsubstrat 20 ausgebildet. Wie bereits anhand von Fig. 1 erläutert, enthält der npn-Transistor 21 einen stark dotierten Kollektorbereich 1, einen niedrig dotierten Kollektorbereich 2, einen niedrig dotierten Basisbereich 3, einen niedrig dotierten Emitterbereich 4, einen stark dotierten Emitterkontaktbereich 5, einen Kollektorzuführungsbereich 6, einen Kollektorkontaktbereich 15, einen Basiszuführungsbereich 7, einen Basiskontaktbereich 8, einen zusätzlichen Bereich 200, eine Kollektorelektrode 9, eine Basiselektrode 10 sowie eine Emitterelektrode 11.

Der pnp-Transistor 22 besitzt einen p-Typ-Kollektor 33, eine n-Typ-Bais 34, einen p-Typ-Emitter 38, einen p-Typ-Kollektorzuführungsbereich 37, einen p-Typ-Kollektorkontaktbereich 48, einen n-Typ-Basiskontaktbereich 35, eine Kollektorelektrode 39, eine Basiselektrode 40 sowie eine Emitterelektrode 41.

Die Transistoren 21 und 22 sind elektrisch gegeneinander durch pn-Übergänge isoliert. Ein p-Typ-Isolationsbereich 50 ist mit dem p-Substrat 20 verbunden und umgibt sowohl den npn- als auch den pnp-Transistor 21 bzw. 22. Drei n-Typ-Bereiche 31, 32 und 36 bilden einen napfartigen Isolationsbereich, der nur den pnp-Transistor 22 umgibt. Bei der Herstellung dieses soweit

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beschriebenen integrierten Schaltkreises werden eine Mehrzahl von Paaren oder Trios gleichzeitig hergestellt, beispielsweise werden die n⁺-Bereiche 1 und 31 durch selektives Eindiffundieren in das p-Substrat 20 hergestellt. Die η -Bereiche 2 und 32 werden durch epitaxiales n-Typ-Wachstum erzeugt. Der p~-Bereich 3 des npn-Transistors 21 und der ρ -Bereich 33 des pnp-Transistors 22 werden entweder durch epitaxiales Wachstum oder durch selektive Diffusion hergestellt. Der n~-Bereich 4 des npn-Transistors 21 und der η -Bereich 34 des pnp-Transistors 32 werden durch epitaxiales Wachstum erzeugt. Die η -Bereiche 6 und 36 werden durch n-Typ-Diffusion erzeugt. Die p-Bereiche 7 und 37 werden durch p-Typ-Diffusion hergestellt. Der ρ -Bereich 8 des npn-Transistors 21, der zusätzliche Bereich 200 des Transistors 21 und der ρ -Bereich 38 des pnp-Transistors 22 werden durch p-Typ-Diffusion erzeugt. Die η -Bereiche 5, 15 und 3 5 werden durch Diffusion hergestellt.

Fig. 4 veranschaulicht eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein zusätzlicher Bereich 201 mit dem Basis-Anschlußbereich 7 und der Basis 3 verbunden ist. Die Basiselektrode 10 kann - begrenzt auf einen relativ engen Bereich auf dem zusätzlichen Bereich 201 angeordnet sein.

Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine MIS-Struktur (Metall-Isolations-Halbleiter-Anordnung) auf der Oberfläche des niedrig dotierten Emitters 4 vorgesehen ist. Eine Gate-Elektrode 42 aus Aluminium und eine Siliciumdioxidschicht 41 bilden zusammen mit dem Emitter 4 die MIS-Anordnung. Bei Anlegen einer bestimmten Spannung an die Gate-Elektrode 4 2 tritt unter der Isolationsschicht 41 eine Barriere oder Grenzschicht 202 auf. Dies ist eine Umkehr-oder Sperrschicht, eine Verarmungsschicht oder eine Anreicherungsschicht.

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Fig. 6 verdeutlicht eine fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Schottky-Sperrschicht 203 auf einer Oberfläche des niedrig dotierten Emitters 4 ausgebildet ist. Als geeignetes Metall 51 wird beispielsweise Platin auf dem η -Emitter 4 niedergeschlagen, um die Schottky-Sperrschicht zu erzeugen.

Fig. 2 verdeutlicht in einer schematischen graphischen Darstellung die Minoritätsladungsträgerkonzentration im Emitter der Vorrichtung nach Fig. 1. Der obere Teil der Figur zeigt die Anordnung des Emitters 4 und des p-Bereichs 200. Der Graph zeigt die injizierte Minoritätsladungsträgerkonzentration im Emitter- bzw. im p-Bereich 200. Die aufgrund der vom Emitter-Basis-Übergang 13 und den zusätzlichen Übergang 14 in den Emitter 4 injizierten Löcher ausgehenden Komponenten sind durch die Gradientenlinien 101 bzw. 102 verdeutlicht. Die vom zusätzlichen Bereich 14 durch Elektroneninjektion in den p-Bereich bewirkte Komponente ist durch die Gradientenlinie 103 veranschaulicht. Die sich ergebende Gradientenlinie 104 ist im wesentlichen konstant, das heißt zeigt einen weitgehend waagerechten Verlauf, wenn auch die Gradientenlinie 103 im wesentlichen eben ist. Dies läßt sich aus einer Betrachtung der Gleichung

^Ip2 ^{= X}p1 ^In1

erkennen, worin mit I ₂ die Löcher-Reinjektion vom Bereich 200 zum Emitter 4, mit I ₁ die Löcher-Injektion vom Emitter 4 zum zusätzlichen Bereich 2 und mit I ₁ die Elektroneninjektion vom Emitter 4 in den zusätzlichen Bereich 200 bezeichnet sind.

Da I . sehr klein ist, kann es vernachlässigt werden. Damit gilt I 2 ⁼ I -t / woraus wiederum folgt, daß der Kurvenverlauf 104 im wesentlichen flach ist.

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Um dies in weiteren Einzelheiten zu erläutern, sei bemerkt/daß die durch den Emitter-Basis-Übergang 13 injizierten Minoritätsladungsträger (die Löcher) den zusätzlichen Übergang 14 erreichen und in den zusätzlichen Bereich 200 eindringen. Der zusätzliche Übergang 14 ist in Durchlaßrichtung vorgespannt und der p-Bereich 200 injiziert ebenfalls Löcher in den n-Typ-Emitter 4. Diese Löcher passieren den Emitter und erreichen den Emitter-Basis-Übergang 13, da die Stärke bzw. Weite des Emitters (W ) kleiner ist als die Diffusionslänge im η -Typ-Emitter 4. Die vom zusätzlichen Übergang 14 injizierten Löcher nehmen zahlenmäßig vom Übergang 14 zum Übergang 13 ab. Die vom Basis-Emitter-Übergang injizierten Löcher nehmen ebenfalls vom Übergang 13 zum Übergang 14 ab. Die Löcher-Konzentration über den Emitter entspricht somit der Summe der Minoritätsladungsträgerkonzentration-Gradientenlinien 101 und 102. Ist die Löcherinjektion vom p-Bereich 200 groß genug, so ergibt die Summe der Gradientenlinien 101 und 102 eine im wesentlichen konstante Ladungsträgerkonzentration über den Emitter, was in der graphischen Darstellung der Fig. 2 durch die Linie 104 verdeutlicht ist. Dies erniedrigt den Löcherstrom von der Basis 3 zum Emitter 4.

Der oben anhand der Fig. 1 erläuterte Aufbau eines Halbleiterbauelements, insbesondere eines Transistors, ergibt sehr hohe h„ -Kennwerte bei niedrigem Rauschen. Um dieses Ergebnis weiter zu erläutern, sei bemerkt, daß der Stromverstärkungsfaktor für Emitterschaltung (h_FE) einer der wesentlichen Parameter eines Transistors ist. Dieser Wert ist im allgemeinen gegeben als

^hFE

1 - o(

worin mit ^. der Stromverstärkungsfaktor für eine Basisschaltung bezeichnet ist. Dieser Stromverstärkungsfaktor ^C ist wiederum gegeben zu

0( = oC* * ß * Y (2)

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worin mit o( * ein Kollektormultiplikationsverhältnis, mit ß ein Basistransportfaktor und mit γ der Emitterwirkungsgrad bezeichnet sind. Für einen npn-Transistor beispielsweise ist der Emitterwirkungsgrad gegeben zu

Jn 1
Y ⁼ Jn + Jp ⁼ 1 + Jp/Jn ⁽³⁾ /

worin mit Jn die Elektronenstromdichte aufgrund der durch den Emitter-Basis-Übergang vom Emitter zur Basis injizierten Elektronen und mit Jp die Löcherstromdichte der über den gleichen Übergang von der Basis zum Emitter in Umkehrrichtung injizierten Löcher bezeichnet sind.

Die Elektronenstromdichte Jn ist gegeben zu

q · Dn · np cjv
^{Jn =} -^ * (e^kT -1)

Dp · Pn

^kT

Lp (e^kT -1)

worin mit Ln die Elektronendiffusionslänge in der p-Typ-Basis, mit Lp die Löcherdiffusionslänge im n-Typ-Emitter, mit Dn die Elektronendiffusionskonstante, mit Dp die Löcherdiffusionskonstante, mit np die Minoritätselektronenkonzentration in der p-Typ-Basis im Gleichgewichtszustand, mit Pn die Minoritätslöcherkonzentration im n-Typ-Emitter im Gleichgewichtszustand, mit ν die den Emitter-Basis-Übergang beaufschlagende Spannung, mit T die Temperatur, mit q die Elektronenladung und mit k die Boltzmann-Konstante bezeichnet sind.

Die Ladungsträgerdiffusionskonstanten Dn und Dp sind Funktionen der Ladungsträgermobilität und der Temperatur und können damit als konstant angesetzt werden.

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Unter Bezug auf die Erfindung gilt, daß die Minoritätsladungsträger-Diffusiönslänge Ln¹ in dem zusätzlichen Bereich größer gewählt wird als dessen Stärke oder Weite Wp und außerdem wird die Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit im zusätzlichen Bereich kleiner gewählt als Dn'/Ln¹. Mit Dn¹ ist die Elektronendiffusionskonstante im zusätzlichen Bereich bezeichnet. Ln¹ hängt von der Verunreinigungskonzentration ab und kann mehr als 10 Mikron betragen. In diesem Fall ist der in den zusätzlichen Bereich injizierte Minoritätsladungsträgerstrom kleiner als für den Fall, daß Wp größer ist als Ln¹, da eine Multiplikation mit dem Term Wp/Ln¹ stattfindet. Da der Verlust im zusätzlichen Bereich sehr klein ist, entspricht der vom zusätzlichen Bereich in den Emitter injizierte Löcherstrom demjenigen, der vom Emitter-Basis-Übergang injiziert wird. Die Minoritätsladungsträgerkonzentration im Emitter liegt weit über Gleichgewicht.

Für den Gegenstand der Erfindung wird der Ausdruck Jp wie folgt ergänzt:

_{Jp =} . _{ß __υ

Die Verkleinerung von Jp bringt mithin den Wert**" nach Gleichung (3) auf nahezu Eins; der Wert oi. wird gemäß Gleichung (2) sehr hoch und entsprechendes gilt für den Wert von hp nach Gleichung (1).

Die niedrigen Rauschkennwerte lassen sich wie folgt erklären: Die Gitterdeffekte oder Versetzungen nehmen ab, da der Emitter-Basis-Übergang 13 durch den niedrig dotierten Emitter 4 und die ebenfalls niedrig dotierte Basis 3 gebildet wird. Die Verunreinigungskonzentration im niedrig dotierten Emitter 4 sollte unter Berücksichtigung der Rauschkennwerte, der Lebensdauer X und der Minoritätsträgerdiffusionslänge Lp auf einen Wert

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1 Q

begrenzt werden, der unter bzw. höchstens bei 10 Atomen/cm³ ■ liegt.

Ein weiterer Faktor,der einen niedrigen Rauschpegel bewirkt, ist darin zu sehen, daß der Emitterstrom im niedrig dotierten Emitter 4 und in der niedrig dotierten Basis 3 weitgehend in Vertikalrichtung fließt.

Gemäß dieser Erfindung wird durch den niedrig dotierten Bereich 4 und den stark dotierten Bereich 5 ein LH-Übergang gebildet. Der Abstand zwischen dem LH-Übergang und dem Emitter-Basis-Übergang ist kleiner als die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge Lp. Der Unterschied in den Verunreinigungskonzentrat ionen zwischen dem fünften und ersten Bereich wird so gewählt, daß eine Energiesperre entsteht, die höher liegt als das Energieniveau der injizierten Minoritätsladungsträger, die vom zweiten Bereich in den ersten Bereich eintreten und den LH-Übergang erreichen. Durch den LH-Übergang wird daher ein sogenanntes "eingebautes Feld" erzeugt, das in solcher Richtung wirkt, daß der Löcherstrom vom Emitter-Basis-Übergang 13 gegen diesen Übergang 13 reflektiert wird. Ist das eingebaute Feld groß genug, so wird der Diffusionsstrom der Löcher gegen die Schicht 5 wirksam erniedrigt.

Die Fig. 7 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel für eine Schaltung, die sich zur Vorspannung und zur Einspeisung eines Eingangssignales in den Transistor nach Fig. 1 eignet. Die Anordnung bezieht sich auf Emitterschaltung. Selbstverständlich läßt sich in ähnlicher Weise eine Basisschaltung verwirklichen.

Obwohl die Erfindung insbesondere in Verbindung mit Fig. 1 anhand eines npn-Transistors beschrieben wurde, ist für den Fachmann ersichtlich, daß sich auch in gleicher Weise pnp-Transistoren mit ähnlichem Aufbau und ähnlichen Kennwerten ver-

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wirklichen lassen. Es sei auch betont, daß sich die Erfindung gut auf Halbleiterthyristoren des npnp-Typs anwenden läßt.

Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß mit der Erfindung ein Halbleiterbauelement, insbesondere ein Transistor, geschaffen wurde, der sich durch einen hohen Emitterverstärkungsgrad bei überragenden Rauscheigenschaften auszeichnet. Dieses Halbleiterbauelement besitzt einen Emitterbereich, für den gilt, daß die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge größer ist als seine Stärke. Für einen an den Emitterbereich angrenzenden zusätzlichen Bereich gilt, daß die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge ebenfalls größer ist als seine Stärke. Die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit ist für den zusätzlichen Bereich sehr klein. Der vom zusätzlichen Bereich in den Emitter injizierte Minoritätsladungsträgerstrom gleicht jenen Strom aus, der von der Basis in den Emitter injiziert wird.

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Claims

SONY CORPORATION S75P11 Patentansprüche

1.j Halbleiterbauelement mit zwei über einen ersten pn-übergang aneinandergrenzenden Halbleiterbereichen von unterschiedlichem Leitfähigkeitstyp, mit einem an der dem ersten pn-übergang gegenüberliegenden Seite an den zweiten Bereich angrenzenden dritten Bereich, mit einem vierten Bereich vom Leitfähigkeitstyp des zweiten Bereichs, der einen zweiten pn-übergang zum ersten Bereich bildet, sowie mit Mitteln, die eine Vorspannung des ersten pn-übergangs und den Transport von Majoritätsladungsträgern vom ersten zum dritten Bereich ermöglichen, wobei nach Patent .... (Patentanmeldung P 23 64 753.2) gilt, daß die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im ersten Bereich größer ist als dessen Stärke, dadurch gekennzeichnet, daß die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge auch im vierten Bereich größer ist als dessen Stärke.

2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch g e kennz eichnet, daß der vierte Bereich mit dem zweiten verbunden ist.

3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennz eichnet, daß die Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit am vierten Bereich kleiner ist als D/L, wobei mit D die Minoritätsladungsträger-Diffusionskonstante und mit L die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge im vierten Bereich bezeichnet sind.

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4. Halbleiterbauelement, insbesondere nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Halbleiterbereich (4) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Halbleiterbereich (3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der zusammen mit dem ersten Bereich einen ersten pn-übergang bildet, einen dritten Halbleiterbereich vom ersten Leitfähigkeitstyp, der mit dem zweiten Bereich einen zweiten pn-übergang bildet, der vom ersten pn-übergang durch den zweiten Bereich getrennt ist, einen vierten Halbleiterbereich vom zweiten Leitfähigkeitstyp, der mit dem ersten Bereich einen dritten pn-übergang bildet, der vom ersten pn-übergang durch den ersten Bereich getrennt ist und durch Mittel, um den ersten pn-übergang in Durchlaßrichtung vorzuspannen, um einen Majoritätsladungsträgertransport vom ersten zum dritten Bereich zu bewirken, wobei gilt, daß der vom dritten übergang injizierte Minoritätsladungsträgerstrom im ersten Bereich im wesentlichen gleich dem vom ersten übergang injizierten Minoritätsladungsträgerstrom ist und weiterhin gilt, daß der Abstand zwischen dem ersten und dritten übergang kleiner ist als die Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger im ersten Bereich.

5. Halbleiterbauelement, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Halbleitersubstrat (1) mit einer Hauptfläche, einen ersten, in der Hauptfläche des Substrats und an diese angrenzenden ersten Halbleiterbereich eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen an den ersten Bereich angrenzenden zweiten Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, von dem mindestens ein Abschnitt unter der Hauptfläche liegt, einen dritten, an den zweiten Bereich angrenzenden Halbleiterbereich vom ersten Leitfähigkeitstyp, der auf der dem ersten Bereich gegenüberliegenden Seite des zweiten Bereichs angeordnet ist; Mittel, um den Transport von Majoritätsträgern im ersten zum dritten Bereich zu bewirken, wobei ein Abschnitt

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des zweiten Bereichs sich mindestens zum Teil zwischen der genannten Hauptfläche und dem ersten Bereich erstreckt und wobei gilt, daß die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge im ersten Bereich größer ist als dessen Stärke.

6. Halbleiterbauelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge in dem Abschnitt des zweiten Bereichs größer als dessen Stärke ist.

7. Halbleiterbauelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächen-Rekombinationsgeschwindigkeit in dem Abschnitt des zweiten Bereichs kleiner ist als D/L, wobei mit D die Minoritätsladungsträgerkonstante und mit L die Minoritätsladungsträger-Diffusionslänge in diesem Abschnitt bezeichnet sind.

8. Halbleiterbauelement, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Halbleiterbereich (4) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Halbleiterbereich eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der zusammen mit dem ersten Bereich einen ersten pn-übergang bildet, einen dritten Halbleiterbereich vom ersten Leitfähigkeitstyp, der mit dem zweiten Bereich einen zweiten pn-übergang bildet, der vom ersten pn-übergang durch den zweiten Bereich getrennt ist, eine Einrichtung zur Zuführung einer Spannung, die einen Majoritätsladungsträgertransport im ersten zum dritten Bereich bewirkt, wobei gilt, daß die Stärke des ersten Bereichs kleiner ist als die Diffusionslänge der darin auftretenden Minoritätsladungsträger, und durch eine vom ersten Bereich und auf diesem ausgebildete Steuerelektrodenanordnung.

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Halbleiterbauelement, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Halbleiterbereich (4) eines ersten Leitfähigkeitstyps, einen zweiten Halbleiterbereich (3) eines zweiten Leitfähigkeitstyps, der mit dem ersten Bereich einen pn-übergang bildet, einen dritten Halbleiterbereich vom ersten Lextfähigkeitstyp, der mit dem zweiten Bereich einen zweiten pn-übergang bildet, der vom ersten pn-übergang durch den zweiten Bereich getrennt ist, eine Einrichtung zur Zuführung einer Spannung, um den Transport von Majoritätsladungsträgern im ersten zum dritten Bereich zu bewirken, wobei gilt, daß die Stärke des ersten Bereichs kleiner ist als die Diffusionslänge der darin auftretenden Minoritätsladungsträger und wobei an den ersten Bereich eine Schottky-Sperrschicht angrenzt.

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