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Transistor mit eigenleitender Zone Die bekannten Flächentransistoren
enthalten einen Bereich bzw. eine Zone eines Typs der Störstellenleitfähigkeit zwischen
zwei anderen Bereichen oder Zonen von gegenüber dem erstgenannten Bereich entgegengesetztem
Typ der Störstellenleitfähigkeit. Die Wirkungsweise dieser Flächentransistoren beruht
im wesentlichen auf dem Verhalten der Übergänge zwischen Gebieten verschiedenen
Leitfähigkeitstyps, d. h. zwischen einer P-leitenden und einer N-leitenden Zone
des Halbleiters. Es ist nun bereits bekanntgeworden, zwischen Basis und Kollektorzone
oder kollektorseitig vor den störleitenden Zonen des Flächentransistors eine eigenleitende
Zone, d. h. eine störstellenfreie bzw. störstellenarme Zone anzubringen, um höhere
Grenzfrequenzen und kleinere Kollektorkapazitäten zu gewinnen. Es sind dabei auch
Ausführungsformen bekannt, bei denen die eigenleitende Zone, die sogenannte 1-Zone,
breiter ausgeführt ist als jede der anderen störleitenden Zonen des Flächentransistors.
Die Herstellung der bisher bekanntgewordenen Flächentransistoren mit eigenleitender
Zone bereitet jedoch erhebliche technologische Schwierigkeiten. Diese zu überwinden
und die Herstellung solcher Transistoren zu vereinfachen, ist die der Erfindung
zugrunde liegende Aufgabe.
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Für einen Transistor mit eigenleitender Zone, die dicker ist als jede
der störleitenden Zonen, besteht danach die Erfindung darin, daß die eigenleitende
Zone sperrfrei an die Kollektorelektrode angebracht ist und die eigenleitende Zone
mit einer angrenzenden störleitenden Zone (P bzw. N) eine Sperrschicht bildet.
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Die Übergangsschicht zwischen der I-Zone und dem angrenzenden Störleitbereich
zeigt dabei einen Gleichrichteffekt und wird deshalb nachstehend als Sperrschicht
bezeichnet. Der Vorteil der Erfindung gegenüber dem Bekannten besteht insbesondere
darin, daß man bei einem Flächentransistor mit ohmschen Elektrodenanschlüssen mit
zwei störleitfähigen Bereichen auskommt.
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Bisher wurden Schichttransistoren allgemein so hergestellt, daß zuerst
eigenleitfähiges Germanium erzeugt wurde und dann Störstoffe in bestimmte Bereiche
in kontrollierten Mengen eingeführt wurden, um Bereiche vom P- oder N-Typ herzustellen.
Die bisher bekannten Verfahren zur Herstellung solcher Transistoren setzen eine
sorgfältige und kritische Beaufsichtigung voraus. Durch die vorliegende Erfindung
wird die Anzahl der Beimischschritte, die für die Herstellung eines Transistors
nötig sind, herabgesetzt.
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Die Erfindung stellt eine wesentliche Vereinfachung des Herstellungsverfahrens
dar und ergibt gleichzeitig eine Qualitätsverbesserung mit geringerer Kompensation
in den zuletzt gezüchteten Bereichen. Die Herstellung des Flächentransistors nach
der Erfindung geschieht in der Weise, daß ein Halbleiterkristall mit einem eigenleitenden
Bereich und einem störleitenden Bereich eines der beiden Leitfähigkeitstypen hergestellt
wird und danach in einen Teil dieses störleitenden Bereichs Störstoffe derart eindiffundiert
werden, daß in diesem Teil ein Bereich mit Störleitung des anderen der beiden Leitfähigkeitstypen
entsteht. Mit dem Verfahren zur Herstellung des Transistors nach der Erfindung gewinnt
man eine Halbleitervorrichtung mit zwei Bereichen vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp,
die durch eine Sperrschicht getrennt sind, und von denen einer einem dritten Bereich
aus Halbleitermaterial mit Eigen-Leitung benachbart ist. Diese Vorrichtung ist nach
dem genannten Verfahren leichter herstellbar als die bisherigen Schichttransistoren
nach dem bekannten Verfahren, wie aus folgendem hervorgeht.
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Bei dem einen Herstellungsverfahren wird eine NI-oder PI-Schicht dadurch
gezüchtet, daß man von einer Schmelze aus Halbleitermaterial ausgeht, aus der ein
Kristall aus eigenleitfähigem Halbleitermaterial gezüchtet werden kann, und nach
dem Züchten eines Bereichs aus eigenleitfähigem Material werden der Schmelze genügend
N- oder P-Verunreinigungen beigemischt, so daß bei fortgesetzter Kristallzüchtung
der Kristall entweder dem N- oder dem P-Leitfähigkeitstyp angehört, so daß ein Block
entsteht mit einer I-Schicht und einer mit der I-Schicht an einer NI- oder PI-Verbindungsstelle
verbundenen N- oder P-Schicht:
Die so gebildete NI- oder PI-Schicht
kann dann aus dem Block herausgeschnitten werden, und zwar vorzugsweise so, daß
das Material mit Störleitfähigkeit eine Dicke von etwa 0,13 bis 0,l8 mm und das
Material mit Eigenleitfähigkeit eine Dicke von etwa 2 mm haben. Nun kann die Schicht
zur Bildung einzelner Transistorkörper in Scheiben geschnitten werden. Die Emitterschicht
für jeden Transistorkörper wird dann gebildet durch Legieren in einem Bereich des
entgegengesetzten Störleitfähigkeitstyps in der -litte der Schicht aus störleitfähigem
Material. Den Basiskontakt am Transistor gewinnt man durch Anlöten an einer Stelle
auf der störleitfähigen Schicht, die einen gewissen Abstand von dem Mittelbereich
hat. Den Kollektoranschluß lötet man an die Oberfläche der eigenleitenden Schicht
an.
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Bei einem anderen Herstellungsverfahren werden durch Gasdiffusion
entsprechende Verunreinigungen in einen Körper aus Halbleitermaterial diffundiert.
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Bei einem weiteren Herstellungsverfahren werden gleichzeitig zwei
Arten von Verunreinigungen in einen Würfel aus eigenleitfähigem Halbleitermaterial
thermisch diffundiert.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
Die Erfindung sei an Hand der Zeichnungen für einige Ausführungsformen näher erläutert.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines PI-Schichtblocks, dessen
Bildung der erste Schritt in der Herstellung eines Transistors nach der Erfindung
ist; Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines nach der Erfindung hergestellten
fertigen NPI-Transistors; Fig. 3 ist eine schematische Darstellung eines nach der
Erfindung hergestellten fertigen PNI-Transistors; Fig.4 ist eine perspektivische
Darstellung eines nach der Erfindung hergestellten Transistors; Fig. 5 zeigt schematisch
einen Block aus eigenleitfähigem 1laterial, der das Ausgangsmaterial für ein abgewandeltes
Verfahren nach der Erfindung ist; Fig. 6 zeigt schematisch den Block nach Fig. 5
nach Durchlaufen des ersten Schrittes des abgewandelten Verfahrens; Fig. 7 ist eine
schematische Darstellung des Blocks nach Fig.6 nach dem Durchlaufen einiger weiterer
Schritte des abgewandelten Verfahrens; Fig. 8 zeigt schematisch den Block nach Fig.
7 nach dem Durchlaufen eines weiteren Verfahrensschrittes; Fig. 9 ist eine schematische
Darstellung eines fertigen nach dem abgewandelten Verfahren gemäß Fig. 5 bis 8 hergestellten
Transistors; Fig. 10 stellt schematisch den ersten Schritt eines Verfahrens nach
einer anderen Form der Erfindung dar; Fig. 11 zeigt das Verfahren nach Fig. 10 in
einem späteren Stadium; Fig. 12 ist eine schematische Darstellung eines fertigen
nach dem Verfahren nach Fig. 10 und 11 hergestellten Transistors.
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Fig. 1 zeigt einen Körper aus Halbleitermaterial, der mit der Bezugsziffer
1 bezeichnet ist und aus einem eigenleitenden I-Bereich 2 besteht, der von einem
störleitenden P-Bereich 3 durch eine Sperrschicht 4 getrennt ist.
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Zur Herstellung des Körpers 1 wird ein Einkristall aus eigenleitendem
Halbleitermaterial, z. B. Germanium. nach dem an sich bekannten »Ziehverfahren«
gebildet und ein Teil der Schmelze während der Bildung des Kristalls mit einer solchen
Beimischung versehen, daß das eine Ende des :Materials Störleitfähigkeit vom P-Typ
besitzt. Dann wird die Verbindungsschicht aus dein Einkristallblock herausgeschnitten
und so beschnitten, daß der P-Bereich und der 1-Bereich etwa die in Fig. 1 eingetragene
Dickenabmessungen haben, d. h., daß der P-Bereich etwa 0,13 bis 0,18 mm und der
I-Bereich etwa 2 min dick sind. In Fig. 2 wird dann der Halbleiterkörper 1 weiter
behandelt, bis er den in dieser Figur gezeigten Zustand aufweist. Zu diesem Zweck
wird ein Bereich 5 aus N-lfaterial in den P-Bereich 3 einlegiert, so daß eine PN-Schicht
6 entsteht. Nun wird eine Emitterverbindung 7 an den N-Bereich 5, eine Basisverbindung
8 an den P-Bereich 3 und eine Kollektorverbindung 9 an den J-Bereich 2 angelötet.
Damit ist der Transistor fertig.
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Wie bei 10 in Fig. 3 kann auch ein PNI-Transistor und einem eigenleitenden
Bereich 11, einem störleitenden N-Bereich 12 und einem störleitenden P-Bereich
13 hergestellt werden. Es werden dann ein Emitteranschluß 14 am P-Bereich
13, ein Basisanschluß 15 am N-Bereich 12 und ein Kollektoranschluß
16 am eigenleitenden Bereich J vorgesehen.
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Nach den angestellten Berechnungen hat ein Transistor mit einem eigenleitenden
Kollektorbereich eine feststehende Emittereingangsstromverstärkung von 1+1l6 für
das NPI-Aggregat und von 1+b für das PNI-Aggregat. Solche Transistoren haben den
Vorteil, daß die Emittereingangsstromverstärkungen größer als 1 sind, ohne die Nachteile,
daß die Stromverstärkungen durch Temperatur, Belastung usw. beeinträchtigt werden.
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Der spezifische Widerstand des Basisbereichs muß unter 10 Ohm cm liegen,
damit eine annehmbar hohe Potentialsperre für den Kollektor entsteht. Der spezifische
Widerstand des eigenleitenden Bereichs ist der des Halbleitermaterials in seiner
reinsten Form. Bei Germanium beträgt dieser spezifische Widerstand etwa 45 bis 55
Ohm cm bei Zimmertemperatur.
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Der Basisbereich darf nicht wesentlich dicker sein als die Diffusionslänge
für die durchschnittliche Lebensdauer von Minoritätsträgern in dem betreffenden
Bereich.
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An Hand der Fig. 5 bis 9 sei ein Gasdiffusionsverfahren zur Herstellung
eines Transistors gemäß der Erfindung nachstehend beschrieben. Ein Würfel 17 aus
eigenleitendem Material wird eine Zeitlang in einen Dampf von etwa 700 ° C eingebracht,
der z. B. ein Material wie Arsen enthält, welches als Störstoff vom N-Typ dient.
Bei dieser Behandlung diffundieren Störstoffe aus dem Dampf in das eigenleitende
Material und bilden eine Schicht 18 vom Leitfähigkeitstyp N auf allen Oberflächen
des Halbleiterwürfels. Auf der einen Seite des Würfels ist die Anbringung einer
ohmschen Verbindung zur N-Schicht vorgesehen, und zwar durch Löten wie bei 19 oder
durch Galvanisieren. Auf derselben Seite wird ein P-Bereich 20 an die 1'\r-Schicht
anlegiert oder angalvanisiert. Die Legierung könnte z. B. durch Schmelzen eines
Indiumtröpfchens geschehen. Die Seite des Würfels, auf der sich die P-Schicht und
der ohmsche Ansehluß befinden, wird dann mit einem säurebeständigen Überzug 21 versehen,
und nun wird die N-Schicht auf allen freien Seiten des Würfels vollständig weggeätzt.
Danach wird der Überzug 21 entfernt und Leitungen mit der P-Schicht 20, der ahmschen
Verbindung 19 auf der N-Schicht und dem eigenleitenden Körper 17 ohmisch verbunden.
Geeignete Ätzsäuren und säurefeste Verbindungen zur Verwendung bei Germanium sind
an sich bekannt.
Eine weitere Ausführungsform des Herstellungsverfahrens
nach der Erfindung, bei dem zwei Typen von Verunreinigungen gleichzeitig in einen
eigenleitenden Körper 22 diffundiert werden, sei an Hand der Fig. 10 bis 12 nachstehend
beschrieben. Dies kann dadurch geschehen. daß auf die eine Seite des eigenleitenden
Halbleiterkörpers 22 ein Stück 23 aus einem Metall aufgebracht wird, dessen Schmelztemperatur
niedriger als die des Halbleitermaterials ist. Diesem Metallstück, z. B. Blei oder
Gold, werden zwei verschiedene Verunreinigungen, d. h. Störstoffe, beigemischt,
die eine N- bzw. eine P-Leitfähigkeit bewirken können, z. B. Arsen und Indium. Nun
wird Wärme zur Einwirkung auf das Metall gebracht, so claß die Verunreinigungen
in den eigenleitenden Halbleiterkörper mit verschiedener Geschwindigkeit diffundieren.
Bei dem angegebenen Beispiel diffundiert das Arsen schneller als das Indium. Die
Verunreinigungen stellen den Bereich 24 direkt unter dem Metall auf P-Leitfähigkeit
um. Wegen der schnelleren Diffusionsgeschwindigkeit des Arsens wird ein schmaler
Bereich 25 des Materials zwischen dem P-Typ und dem ursprünglichen eigenleitenden
Material auf N-Typ umgestellt. Da das 'Metallstück 23 auf die Oberfläche des eigenleitenden
Würfels aufgebracht wird, findet auch die Diffusion auf der Oberfläche statt. Daher
erscheint der N-Bereich auf der Oberfläche. Dann wird das -Metall 23 entfernt,
und entsprechende elektrische Verbindungen zu dem jeweiligen Bereich nach den bekannten
Verfahren ergeben dann einen fertigen PKI-Transistor. Durch Veränderung der bei
dem an Hand der Fig. 5 bis 9 und 10 bis 12 beschriebenen Verfahren verwendeten Verunreinigungen
läßt sich ein NPI-Transistor herstellen.
