DE1250561B

DE1250561B - Leistungstransistor mit einkristallinem Halbleitergrundkörper

Info

Publication number: DE1250561B
Application number: DES54442A
Authority: DE
Inventors: 8551 Pretzfeld Dr. rer. nat. Adolf Herlet
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1957-07-23
Publication date: 1968-04-04
Also published as: CH362465A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

Int. Cl.:

HOIl

DEUTSCHES

PATENTAMT

PATENTSCHRIFT

Deutsche Kl.: 21g-11/02

Nummer:

Aktenzeichen:

Anmeldetag:

S 54442 VIII c/21 g

23. Juli 1957

21. September 1967

4. April 1968

Auslegetag:

Ausgabetag:

Patentschrift stimmt mit der Auslegeschrift überein

Die Erfindung bezieht sich auf einen Leistungstransistor mit einkristallinem Halbleitergrundkörper, der mindestens zwei verhältnismäßig großflächige, hochdotierte Gebiete von gegebenem Leitfähigkeitstyp und zwischen diesen ein weniger hochdotiertes Basisgebiet vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, das über je einen pn-Übergang an die beiden anderen Gebiete grenzt. Bekannt sind pnp- und npn-Transistoren für Signalzwecke, bei denen hauptsächlich Wert auf Verwendbarkeit für möglichst hohe Frequenzen Wert gelegt und deshalb z. B. eine dicke Scheibe aus niederohmigem Germanium verwendet und mit verkleinerten pn-Flächen mit einem Abstand von rund 0,01 mm versehen wird. Im Gegensatz dazu besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine möglichst günstige Auslegung eines Leistungstransistors insbesondere für die Verwendung als Schalttransistor mit hoher Schaltleistung und großer Leistungsverstärkung, d. h. hinsichtlich einer möglichst hohen Sperrspannung des kollektorseitigen pn-Überganges und gleichzeitig hinsichtlich eines möglichst hohen Stromverstärkungsfaktors, zu erzielen. Demgemäß besteht die Erfindung darin, daß der spezifische elektrische Widerstand ρ in Ohm · cm des Halbleitermaterials des Basisgebietes und die in Zentimetern angegebene Dicke W dieses Basisgebietes so aufeinander abgestimmt sind, daß der Wert Leistungstransistor mit einkristallinem Halbleitergrundkörper

Patentiert für:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dr. rer. nat. Adolf Herlet, Pretzfeld

g
W

-Ohm

ist, wobei

ε₀ = 8,86 · 10-¹⁴ Asec/Vcm die Influenzkonstante, ε die Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials

(dimensionslos),
μ in cm²/Vsec die Beweglichkeit der Majoritäts-

träger im Basisgebiet und
Eic in V/cm die kritische elektrische Feldstärke des Halbleitermaterials des Grundkörpers

bedeutet.

Folgende Tabelle gibt eine Übersicht der entsprechenden Zahlenwerte.

	Germanium	>·10^δ	Silizium	MO⁵
ε	16	P-Typ	12	P-Typ
E_k	etwa Ά	1800	etwa 1	500
	η-Typ	n-Typ
μ	3600	1500

Die Werte von μ gelten für etwa 300° K, ebenso die weiter unten angegebenen und dargestellten Werte von ρ.

An Hand der Zeichnung sollen die Erfindung und die ihr zugrunde liegenden Erkenntnisse näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in

F i g. 1 ein Leistungstransistorelement in stark vergrößerter und schematisierter Darstellung; F i g. 2 und 3 enthalten Schaubilder der durch verschiedene Größen gegebenen Grenzen der Sperrspannung in Abhängigkeit vom spezifischen Widerstand bei einem pnp- und einem npn-Leistungstransistor aus Silizium.

Die Erfindung ist aber nicht auf Silizium-Transistoren beschränkt, sondern hat ebenso Geltung für Leistungstransistoren aus Germanium. Sie kann auch auf andere Halbleiterstoffe mit Diamantgitterstruktur angewendet werden.

Für die weiteren Ausführungen wird beispielsweise von einem npn-Transistor ausgegangen, dessen Querschnittsprofil in F i g. 1 wiedergegeben ist. Er ist hergestellt aus einem scheibenförmigen Silizium-Einkristall vom p-Leitfähigkeitstyp. Auf seiner Unterseite ist durch Einlegieren einer antimonhaltigen Goldfolie ein Kollektor C hergestellt, der somit aus einer metallisch leitenden, antimonhaltigen Gold-Silizium-Legierungsschicht besteht, welcher ein hochdotierter η-leitender Bereich vorgelagert ist, welcher

bis zum kollektorseitigen pn-Übergang je reicht. Der Kollektor erstreckt sich über die ganze Fläche der Unterseite der Siliziumscheibe. Auf der gegenüberliegenden Seite ist in derselben Weise und mit denselben Stoffen ein Emitter E einlegiert, dessen Gebiet bis zum emitterseitigen pn-Übergang/# reicht. Er umfaßt eine Fläche von geringerem Radius als der Kollektor C und ist von einer ringförmigen Basis-

809 534/370

i 250

elektrode A umgeben, welche durch Einlegieren von Aluminium hergestellt sein und somit aus einer Aluminium-Silizium-Legierung bestehen kann. Ihm ist eine hoch p-dotierte Schicht vorgelagert, die bis zur Grenzfläche α reichen möge. Die Basiselektrode A bildet einen sperrfreien Kontakt für den übrigen, unverändert gebliebenen Teil der Siliziumscheibe, welcher das Basisgebiet B bildet und zwischen dem Emittergebiet und dem Kollektorgebiet die Dicke W hat. Der Transistor möge in geöffnetem Zustand im Bereich »hoher Injektionen«, also z. B. mit dem maximal zulässigen Belastungsstrom arbeiten.

Die Erfindung beruht auf folgenden Erkenntnissen und Überlegungen: Die wesentliche Forderung für den gesperrten Transistor ist die nach einer ausreichend hohen Grenze der Sperrspannung des kollektorseitigen pn-Übergangesy'c. Dessen Sperrspannung ist zunächst einmal begrenzt durch den Steilanstieg des Sperrstromes bei Erreichen der kritischen Feldstärke Eh. Dieser Steilanstieg wirkt bekanntlich ausgelöst entweder durch den sogenannten Zenereffekt oder durch Ausbildung einer Trägerlawine infolge Stoßionisation. Bei Annahme einer gleichmäßigen Störstellendichte tid+ im Basisgebiet B ergibt sich die dadurch festgelegte Grenzspannung Ub mit dem Elementarladungswert e = 1,6 · 10~¹⁹ Asec zu:

ε _ „ εμρ

. U-Sn ε

ρ > —^^ bzw. «#+ <

² ε μ

SneU

(2)

Werte der Basisdicke W in den Kurven b in F i g. 2 und 3 wiedergegeben ist, und führt zu der Forderung

Sie liegt um so höher, je niedriger die Dotierung des Basisgebietes bzw. je höher sein spezifischer Widerstand ist. Dies zeigen die Kurven α in den Fig. 2 und 3. Beide Kurven beruhen auf Messungen von Sperrkennlinien bei pn-Ubergängen in Süiziumkörpern. Die Kurve α der Fig. 2 wurde der Arbeit von McKay »Avalanche breakdrown in Silicon«, Phys. Rev., Bd. 94 (1954), S. 877 bis 884, entnommen. Die Kurve a in F i g. 3 ist in der Arbeit von H e r 1 e t und P a t a-1 ο η g »Die Sperrfähigkeit von legierten Silizium-Flächengleichrichtern« in der »Zeitschrift für Naturforschung«, Bd. 10 a (1955), S. 584 und 585, veröffentlicht Man wird also zunächst bestrebt sein, das Basisgebiet möglichst niedrig zu dotieren, z. B.

45 ^ 2nW² .

ρ < bzw.

ε μ U

> —

ei/

2neW^%

Die beiden Forderungen (2) und (4) sind nur im Gebiet unterhalb der Kurven α und b in F i g. 2 und 3 ίο miteinander verträglich. Die maximal erreichbare Sperrspannung U_max erhält man für Ub = Ud, also jeweils für den Schnittpunkt der Kurve a mit einer der beiden Kurven b in F i g. 2 und 3, der einen optimalen ρ-Wert des Basisgebietes

Ud=

= W²

2n εμρ

(3)

stellt also ebenfalls eine obere Grenze für die maximal erreichbare Sperrspannung dar, die für jeweils zwei Q opt =

AnW

ε μ Eic

ao festlegt; g_opt hängt allerdings noch von der Dicke W des Basisgebietes ab. Durch Einsetzen von (5) in (3) findet man die maximal erreichbare Sperrspannung:

Umax = E]c.

Die Gleichung (5) liefert eine Dimehsionierungsvorschrift für den optimalen spezifischen Widerstand des Basisgebietes.

Eine Übersicht über die hieraus resultierenden

35

40

optimalen Tabelle:	Verhältniswerte von	ΰ W	gibt folgende
Typ			Silizium
npn pnp			10000 Ohm 3000 Ohm
Germanium
2500 Ohm 1000 Ohm

Eine weitere Dimensionierungsvorschrift kann aus (6) abgelesen werden. Die Gleichung (6) besagt, daß zur Erzielung einer ausreichend hohen Sperrspannung die Dicke W des Basisgebietes nicht zu klein sein darf. Um den Transistor mit einer vorgegebenen Sperrspannung U betreiben
fordern:

zu können, ist nach (6) zu

zu machen, wenn der Transistor noch bis zu einer Spannung U sperren soll. Damit gerät man jedoch in eine andere Gefahr. Mit sinkendem Wert von riß+ wächst nämlich bei vorgegebener angelegter Spannung in Sperrichtung die kollektorseitige Raumladungszone in das Basisgebiet hinein. Man wird nun verhindern müssen, daß diese Raumladungszone bis in das Emittergebiet durchgreift, da sonst ebenfalls ein Steilanstieg des Sperrstromes am kollektorseitigen pn-Übergang einsetzt. Dieser Vorgang ist als »punch through« bekannt. Die Dicke / der Raumladungszone muß also auf jeden Fall kleiner bleiben als die Dicke W des Basisgebietes. Die durch diesen zweiten Effekt definierte Grenzspannung für / = W

Die Dicke W des Basisgebietes ist andererseits durch die mittlere Diffusionslänge L der Ladungsträger in diesem Gebiet nach oben begrenzt. Sie soll vorteilhaft kleiner sein als ¹I₃L. Diese Forderung kann naturgemäß um so leichter erfüllt werden, je größer die Diffusionslänge L des verwendeten Halbleitermaterial ist. Da nun aber die praktisch erreichbare Diffusionslänge nach oben begrenzt ist, ist man gezwungen, mit einer verhältnismäßig geringen Dicke W des Basisgebietes auszukommen. Hier bietet dann die Wahl des günstigsten Wertes des spezifischen Widerstandes nach Gleichung (5) die Möglichkeit, hinsichtlich der höchstzulässigen Sperrspannung das Äußerste herauszuholen.

Übrigens ist eine geringe Dicke W des Basisgebietes auch im Hinblick auf feine hohe Frequenzgrenze bzw. geringe Eigenzeit des Transistors vorteilhaft.

Geht man für die praktische Ausführung eines Siliziumtransistors beispielsweise von der Grundforderung aus, daß er der normalen Netzwechselspannung von 220 V_eff gewachsen sein soll, so wird man mit Berücksichtigung des zugehörigen Scheitelwertes von 314 V und eines Sicherheitszuschlages für Netzschwankungen den geforderten Wert der höchstzulässigen Sperrspannung z. B. auf 400 V festlegen. Dafür benötigt man nach F i g. 2 und 3 bzw. nach Gleichung (6) eine Mindestdicke des Basisgebietes von W = 0,004 cm. Da dieser Mindestwert keine Toleranz für fabrikatorisch bedingte Schwankungen enthält und da ferner auch der gewünschte spezifische Widerstand nur mit einem gewissen Streubereich wirtschaftlich herstellbar ist, so wird man diesen Umständen durch einen weiteren Sicherheitszuschlag Rechnung tragen und daher eine größere Dicke W des Basisgebietes wählen. Man erhält dann im Beispiel eines npn-Siliziumtransistors (F i g. 3) eine gewünschte Sperrspannung von 400 V für W = 0,005 cm in einem ρ-Bereich zwischen 45 und 60 Ohm cm, Optimalwert 53 Ohm cm, für W = 0,006 cm in einem ρ-Bereich zwischen 45 und 87 Ohm cm, Optimalwert 65 Ohm cm, und für W — 0,007 cm in einem ρ-Bereich von 45 bis 120 Ohm cm, Optimalwert 80 Ohm cm. Für geringere as Sperrspannungen sind die ρ-Bereiche entsprechend größer.

Wegen schwer vermeidbarer Ungenauigkeiten bzw. Schwankungen bei der Herstellung müssen unter

Umständen Abweichungen des Wertes -—- von dem

durch Gleichung (5) gegebenen Optimalwert in Kauf genommen werden. Sie sind aber erträglich, wenn sie den Faktor 2 nach oben oder unten nicht überschreiten. Transistoren, die innerhalb dieses Toleranzbereiches liegen, sind daher als noch im Rahmen der Erfindung liegend anzusehen. Hierbei sind für eine gegebene Dicke W Abweichungen des ρ-Wertes nach oben meist vorzuziehen, weil die obere Grenze (Kurven b) von den Unvollkommenheiten bei der Herstellung weniger stark abhängig ist als die untere (Kurve a).

Bei der Herstellung eines Leistungstranssistors nach der Erfindung wird man am besten so verfahren, daß zur Erreichung des für eine gegebene Dicke W des Basisgebietes günstigsten Wertes bzw. zulässigen Wertebereiches des spezifischen Widerstandes das Ausgangsmaterial für den Halbleiterkörper zunächst bis auf einen höheren spezifischen Widerstand gereinigt und dieser durch nachträgliche willkürliche Dotierung auf den angestrebten Wert herabgesetzt wird.

Claims

Patentansprüche:

1. Leistungstransistor mit einkristallinem Halbleitergrundkörper, der mindestens zwei hochdotierte Gebiete von gegebenem Leitfähigkeitstyp und zwischen diesen ein weniger hochdotiertes Basisgebiet vom entgegengesetzten Leitfähigkeitstyp aufweist, das über je einen pn-übergang an die beiden anderen Gebiete grenzt, dadurch gekennzeichnet, daß der spezifische elektrische Widerstand ρ des Halbleitermaterials des Basisgebietes und die in Zentimetern angegebene Dicke W dieses Basisgebietes so aufeinander abgestimmt sind, daß der Wert

ε₀ ε μ E_k

-Ohm

ist, wobei

fi₀ = 8,86 · 10~¹⁴ Asec/Vcmdielnfluenzkonstante,

ε die Dielektrizitätskonstante des Halbleitermaterials (dimensionslos),

μ in cm²/Vsec die Beweglichkeit der Majoritätsträger im Basisgebiet und

Eic in V/cm die kritische elektrische Feldstärke des Halbleitermaterials des Grundkörpers

bedeutet.

2. npn-Leistungstransistor nach Anspruch 1 aus Silizium, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert -|r ^ 10 000 Ohm ist.

3. pnp-Leistungstransistor nach Anspruch 1 aus Silizium, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert -^- «* 3000 Ohm ist.

4. pnp-Leistungstransistor nach Anspruch 1 aus Germanium, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert -^r «* 1000 Ohm ist.

5. npn-Leistungstransistor nach Anspruch 1 aus Germanium, dadurch gekennzeichnet, daß der

2500 Ohm ist.

6. Leistungstransistor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß -ψ- größer ist, aber weniger als das Doppelte des angegebenen Wertes beträgt.

7. Leistungstranssistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke W des Basisgebietes auf den höchsten betriebsmäßig vorkommenden Wert U der Spannung so abgestimmt ist, daß W nicht kleiner, aber auch nicht wesentlich

ZU

Wert -|r

größer ist als

E_k

8. Leistungstransistor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke W des Basisgebietes mindestens 0,004 cm und höchstens 0,007 cm beträgt.

9. Verfahren zur Herstellung eines Leistungstransistors nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erreichung des für eine gegebene Dicke W des Basisgebietes günstigsten Wertes bzw. zulässigen Wertebereiches des spezifischen Widerstandes das Ausgangsmaterial für den Halbleiterkörper zunächst bis auf einen höheren spezifischen Widerstand gereinigt und dieser durch nachträgliche willkürliche Dotierung auf den angestrebten Wert herabgesetzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
»Zeitschrift für Elektrochemie«, Bd. 58 (1954), S. 283 bis 321.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

70¹) 648/271 9. 67 © Bundesdruckerei Berlin