DE2364753A1 - Halbleitervorrichtung - Google Patents

Halbleitervorrichtung

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DE2364753A1 DE19732364753 DE2364753A DE2364753A1 DE 2364753 A1 DE2364753 A1 DE 2364753A1 DE 19732364753 DE19732364753 DE 19732364753 DE 2364753 A DE2364753 A DE 2364753A DE 2364753 A1 DE2364753 A1 DE 2364753A1
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Description

'jblpl.-lng. Frithjof Müller
8000 München 70
GroBhaderner Straße 56
S73 PT51
SONY CORPORATION . Tokio, Japan
HALBLEITERVORRICHTUNG
Die Erfindung betrifft eine Halbleitervorrichtung mit mehreren Übergängen zwischen unterschiedlichen Haibleiferbereichen.
Es war bisher üblich, Transistoren mit einem hochdotierten Emifterbereich zu versehen. Es sind auch bereits für Hochfrequenzbetrieb bestimmte Transistoren bekannt, die eine geringe Verunreinigungskonzentration im Emitter- und im Kollektorbereich aufweisen. Ein Beispiel dafür beschreibt die US-PS 35 91 430. In dieser Vorveröffentlichung wird außerdem vorgeschlagen, einen wesentlichen Teil des Emitterbereichs mit einem Bereich hoher Verunreinigungskonzentration und ebenso den Kollekforbereich mit einem zweiten Bereich hoher Verunreinigungskonzentration zu überdecken. in der genannten US-Patentschrift ist jedoch nicht erläutert, daß die Diffusionslänge oder Diffusionstiefe der Minontärsträger größer sein muß als die Breite bzw. V/eite des Emitterbereichs, noch ist dort ausgeführt, daß die durch das eingebaute Feld reflektierten Minoritätsträgerden injizierten Minoritätsträger-Diffusionsstrom im wesentlichen ausgleichen sollen, der von der Basis durch den Emitter fließt,
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Die amerikanische Patentschrift lehrt auch nicht, wie das endgültige Profil oder die Verteilung der Verunreinigungskonzentration beschaffen sein soll, noch ist gesagt, welche Breite bzw. Weite die Basis oder der Emitter aufweisen sollen. Es wird auch nichts über die Bedingungen für das epitaxiale Wachstum (beispielsweise Temperatur oder Niederschlagsmengen und Geschwindigkeiten) ausgeführt. Es ist lediglich etwas über die Vordiffusionsbedingung erwähnt, woraus sich jedoch kein Rückschluß und kein Bild über den endgültigen Aufbau gewinnen läßt.
Bei der Herstellung herkömmlicher Bipolar-Transistoren ist es bisher zur Ausbildung des Emitter-Basisübergangs üblich gewesen, eine Doppeldiffusionstechnik anzuwenden. Vom theoretischen Standpunkt aus, als auch aufgrund von Versuchen, wird die Dotierungskonzentration für den Emitter höher gewählt als für die Basis. Wird diese Differenz größer, so wird auch die Emitterwirksamkeit oder der Ermitterwirkungsgrad größer und nähert sich mehr und mehr dem Wert Eins. Eine Höherdotierung jedoch vergrößert die Gitterdefekte und Versetzungen im Halbleitersubstrat. Als Folge einer starken Dotierung sinkt die Diffusionslänge oder -tiefe der Minoritätsträger im dotierten Bereich ab. Eine Erniedrigung der Dotierung, entsprechend den früher bekannten Ausführungsformen von Transistoren, führt jedoch zu einem Absinken des Verstärkungsgrads.
Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich ihrer charakteristischen Kennwerte wesentlich verbesserte Halbleitervorrichtung zu schaffen,· die sich vor allem durch einen ganz wesentlich erhöhten Stromverstärkungsfaktor bei stark ver- , besserten Rauschkennwerten auszeichnet. Es ist dabei vor allem an eine Halbleitervorrichtung mit Mehrfachübergängen gedacht, die bei geringen, thermisch bedingten Kennwertabweichungen gleichzeitig eine hohe Durchbruchspannung aufweist. Schließlich soll es das Ziel der Erfindung sein, die zu schaffende Halbleitervorrichtung so auszulegen, daß die HersteDung und der Einsatz als integrierter Schaltkreis zusammen mit herkömmlichen Transistoren, einschließlich der Komplementär-Transistoren, infrage kommt.
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. 409823/0723
Für diese technische Aufgabe werden mit der Erfindung Lösungen bereitgestellt, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen in einer Lehre zum technischen Handeln niedergelegt sind.
Speziell bezieht sich die Erfindung damit auf eine Halbleitervorrichtung mit mehreren Übergängen, wie sie beispielsweise bei einem bipolaren Transistor oder einem Thyristor vorgesehen sind und betrifft dabei insbesondere eine derartige Vorrichtung mit geringer Verunreinigungskonzentration im Emitterbereich und mit einer wirksamen Minoritätsträgerdiffusionslänge, die wesentlich größer ist als die Breite des Emitterbereichs, in Kombination mit einer eingebauten Sperre, die in den Emitterbereich zu injizierende Minoritätsträger erzeugt, die in den Emitterbereich vom Basisbereich aus injizierte Minoritätsträger im wesentlichen ausgleichen und so ein im wesentlichen flaches Profil der injizierten Minoritätsträger aufrecht erhalten. Die Verunreinigungskonzentration des Kollektorbereichs wird niedrig gewählt, um eine hohe Durchbruchspannung zu gewährleisten.
Für herkömmliche Transistoren wird angenommen, daß die Minoritätsträger-Diffusionslänge in der Größenordnung von 1-2 Mikron liegt. Für die Halbleitervorrichtung mit Mehrfachübergängen nach der Erfindung dagegen beträgt die Minoritätsträgcr-Diffusionslänge 50 - 100 Mikron. Der Stromverstärkungsfaktor eines herkömmlichen Transistors liegt üblicherweise bei etwa 500, während sich mit der Halbleitervorrichtung nach der Erfindung Werte von 3.000 oder mehr erreichen lassen.
In Präzisierung der bereits erwähnten Aufgabenstellung läßt sich daher folgendes feststellen': Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Halbleitervorrichtung mit Mehrfach-Ubergängen, die einen hohen h__-Wert (Stromverstärkungsfaktor) bei geringem Rauschkennwert aufweisen. Diese Halbleitervorrichtung soll eine geringe Verunreinigungskonzentration im Emitterbereich und eine Minoritätsträger-Diffusionslänge aufweisen, die wesentlich größer ist, als die Breite des Emitters und bei der sich nur eine niedrige Rekombinationsgeschwindigkeit einstellt.
Die Erfindung ist im folgenden in beispielsweisen Ausführungsformen anhand der
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-4- 2364/53
Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 Eine schematische Teilschnittansicht eines NPN-Transistors mit Merkmalen nach der Erfindung;
Fig. 2 Ein beispielweises Verunreinigungsprofil für die Halbleitervorrichtung
nach Fig. 1 sowie die Darstellung der Minoritätsträgerkonzentration im Emitterbereich;
Fig. 3 Eine Teilschnittansicht eines integrierten Schaltkreis-Chips mit einem
NPN-Transistor gemäß der Erfindung und einem zusätzlichen PNP-Transistor herkömmlicher Bauart, die beide gemeinsam ein komplementäres Transistorpaar in dem integrierten Schaltkreis-Chip bilden;
Fig. 4, Der Teilschnittansicht nach Fig. 1 ähnliche Teilschnittansichten zur Ver-
Fig. 5 und deutlichung anderer Ausführungsformen der Erfindung; Fig. 6
Fig. 7 Die graphische Darstellung der (auf Masse bezogenen) Emitterstromverstärkung (hpp) als Funktion des Kollektorstroms;
Fig. 8 Die Darstellung des Rauschfaktors als Funktion der Frequenz bei einer
Eingangsimpedanz von 1000 Ohm;
Fig. 9 Die Darstellung des Rauschföktors als eine Funktion der Frequenz bei
einer Emgangsimpedanz von 30 Ohm;
Fig. 10 Eine Rauschwertdarsteliung zur Verdeutlichung des Rauschfaktors als
Funktion des Koüekiorstroms;
Fig. 11 Die graphische Darstellung des Faktors hpp über der Temperatur.
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Eine bevorzugte Ausgangsform der Erfindung ist in der Darstellung als NPN-Transistor in Fig. 1 gezeigt. Bezugszeichen 1 kennzeichnet dabei ein mit N-Typ-Verunreinigungen hoch dotiertes Substrat, insbesondere ein Siliciurnsubstrat, das mit Antimon stark dotiert ist. Die Dotierungskonzentration liegt vorzugsweise bei
18 -3
4 χ TO cm . Dies ergibt einen spezifischen Widerstand von etwa 0,01 Si cm.
Es wurde ermittelt, daß dieser Wert bei dieser Dotierung zwischen 0,008 und 0,012X^cm variieren kann. Die Dicke des Substrats beträgt vorzugsweise etwa 250 Mikron.
Eine N-Silicium-Epitaxialschicht 2 wird auf dem Substrat 1 zur Verwendung als Kollektor zusammen mit dem N -Substrat ausgebildet. Die Epitaxialschicht 2 ist relativ gering mit Antimon dotiert, jedoch ausreichend, um eine Dotierungskonzen-
14 -3
tration von 7 χ 10 cm zu erreichen. Der spezifische Widerstand liegt bei etwa 8 bis 10 il cm. Die Epitaxialschicht ist vorzugsweise um 20 M- stark.
Eine P -Typ Silicium-Epitaxialschicht 3 wird dann auf der N -Schicht 2 als aktive Basis für den Transistor ausgebildet. Als Dotiermittel kann Bor in so ausreichender
16 — *ί Menge vorgesehen werden, daß sich eine Dotierungskonzentration von Ix 10 cm ergibt. Der spezifische Widerstand beträgt dann 1,5 St cm. Die Dicke der Schicht 3 beträgt etwa 5 Mikron.
Eine N -Typ Silicium-Epitaxialschicht 4 wird dann auf der P -Schicht 3 als Emitter erzeugt. Diese Schicht 4 ist leicht mit Antimon dotiert, wobei die Dotierungskonzen-
15-3
tration etwa 5,5 χ 10 cm beträgt. Der spezifische Widerstand liegt bei 1 SL cm.
Die Dicke dieser Schicht 4 beträgt etwa 2-5 Mikron. Auf der N~-Schicht 4 wird sodann als Emitter-Kontaktbereich eine N-Typ Diffusionsschicht aufgebracht. Diese Schicht 5 ist mit Phosphor dotiert, mit einer Flächenverunreinigungskonzentration von
20-3 '
5x10 cm und weist eine Tiefe von etwa 1,0 Mikron auf.
Ein stark dotierter Diffusionsbereich 6 wird dann als Mantel urtg für den Kollektorbereich vorgesehen, und dieser Bereich 6 durchdringt die P -Basisschicht 3 bis in die N -Kollektarschicht 2. Als Verunreinigung wird Phosphor vorgesehen, und die Dotie-
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19-3
rung liegt bei etwa 3 χ 10 cm als eine Flächenkonzentration. Ein diffundierter P-Typ-Bereich 7 dringt durch die N -Emitterschicht 4 in die P -Basisschicht 3f die den Emitter 4 umgibt und begrenzt. Als Dotiermittel wird Bor verwendet, und
19-3 es ergibt sich eine Flächenkonzentration von 7x10 cm . Ein diffundierter P-Bereich 8 wird im Bereich 7 als Basiskontaktbereich ausgebildet, wobei der diffundierte Bereich 8 stark Bor-dotiert ist, und eine Flächenkonzentration von etwa
18 —3 " -
5x10 cm aufweist. Die Eindringtiefe des Bereichs 8 beträgt etwa 1,8 Mikron,
Eine passivierende Siliciumdioxidschicht 206 umgibt die obere Fläche der Vorrichtung.
Eine aus Aluminium bestehende KoUektorelektrode 9 ist auf dem N -Substrat 1 ausgebildet. Eine Basiselektrode 10 aus Aluminium ist auf dem Basiskontaktbereich 8 vorgesehen. Auf dem Emitterbereich 5 ist eine Emitterelektrode 11 aus Aluminium ausgebildet. Ein P-Typ-Bereich 200 ist in den N -Emitter 4 eindiffundiert, um einen PN-Übergang zwischen diesem Bereich und dem Emitter 4 zu erzeugen. Der Bereich 200 ist Bor-dotiert und wird gleichzeitig mit der Ausbildung des Basiskontaktbereichs 8 hergestellt. Die Dotierungskonzentration I
der Schicht 200 liegt bei etwa 1,8 Mikron.
18 —3 8 hergestellt. Die Dotierungskonzentration beträgt 5x10 cm , und die Tiefe
Aus obigem ergibt sich, daß die N -Schicht 2 und die P -Schicht 3 einen Kollektor-Basis-Übergang 12 bilden. Die P~-Schicht 3 und die N~-Schicht 4 bilden einen Emitter-Basis-Übergang 13, und die N -Schicht 4 und der zusätzliche P-Bereich 200 bilden, wie bereits erwähnt, einen zusätzlichen PN-Übergang 14. Der Abstand zwischen dem Emitter-Basis-Übergang 13 und dem zusätzlichen PN-Übergang 14 beträgt vorzugsweise 2-5 Mikron.
Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der der NPN-Transistor gemäß Fig. 1 in einem integrierten Schaltkreis zusammen mit anderen Hatbieiferelementen, beispielsweise einem PNP Transistor, angeordnet ist. Der gezeigte integrierte Schattkreis weist zwei verschiedene Typen von Transistoren auf,, beispielsweise
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als Komplementärtransistoren einen NPN-Transistor 21 und einen PNP-Transistor 22. Diese beiden Transistoren werden in einem P-Typ Silicium-Substrat 20 hergestellt. Wie bereits anhand von Fig. 1 erläutert wurde, weist der NPN-Transistor 21 einen stark dotierten Kollektorbereich 1, einen gering dotierten Kollektorbereich 2, einen niedrig dotierten Basisbereich 3, einen niedrig dotierten Emitter 4, einen stark dotierten Emitterkontaktbereich 5, einen Kollektoränschlußbereich 6, einen Kollektorkontaktbereich 15, einen Basisanschlußbereich 7, einen Basiskontaktbereich 8, einen zusätzlichen Bereich 200, eine Kollektorelektrode 9, eine Basiselektrode 10 und eine Emitterlektrode 11 auf.
Der PNP-Transistor 22 besitzt einen P -Typ Kollektor 33, eine N -Typ Basis 34, einen P-Emitter 38, einen P-Typ KoIlektoranschluß 37, einen P -Koilektorbereich 48, einen N -Basiskontaktbereich 35, eine Kollektorelektrode 39, eine Basiselektrode 40 und eine Emitterelektrode 41.
Die Transistoren 21 und 22 sind durch PN-Übergänge elektrisch gegeneinander isoliert. Ein P-Typ Isolationsbereich 50 ist mit dem P-Substrat 20 verbunden und umgibt den NPN- bzw. PNP-Transistor 21 bzw. 22.
Drei N-Bereiche 31, 32 und 36 bilden einen becherartigen Isolationsbereich, der nur den PNP-Transistor 22 umgibt. In diesem integrierten Schaltkreis wird eine Mehrzahl von Paaren oder Trios gleichzeitig gebildet, beispielsweise werden die N -Bereiche 1 und 3 durch selektive Diffusion in das P-Substrat 20 hergestellt. Die N Bereiche 2 und 32 werden, durch epitaxiales Wachstum erzeugt. Der P -Bereich 3 des NPN-Transistors 21 und der P~-Bereich 33 des PNP-Transistors 22 werden entweder durch epitaxiales Wachstum oder durch selektive Diffusion erzeugt. Der N Bereich 4 des NPN-Transistors 21 und der N~-Bereich 34 des PNP-Transistors 22 werden durch epitaxiales Wachstum hergestellt. Die N -Bereiche 6 und 36 werden durch Diffusion erzeugt. Die P-Bereiche 7 und 37 werden durch eine P-Typ Diffusion hergestellt. Der P -Bereich 8 des NPN-Transistors 21, der zusätzliche Bereich 200 des Transistors 21 und der P -Bereich 38 des PNP-Transistors 22 werden durch
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P-Diffusion hergestellt. Die N -Bereiche 5, 15 und 35 werden durch Diffusion erzeugt.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein zusätzlicher Bereich 201 mit dem Basisanschlußbereich 7 und der Basis 3 verbunden ist. Die Basiselektrode 10 kann nicht nur am Basisanschlußbereich 7 angeordnet sein, sondern außerdem am zusätzlichen Bereich 201. Der effektive Bqsiswiderstand wird erniedrigt, da die Löcher über den Emitter 4, als auch über den Basisanschlußbereich 7 zur Basis 3 transportiert werden.
Fig. 5 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine MiS-Anordnung (metai-insulator-semiconductor) auf der Oberfläche des niedrig dotierten Emitters 4 aufgebracht ist. Eine Gatt-Elektrode 42 aus Aluminium und eine Slliciumdioxidschicht 41 bilden zusammen mit dem Emitter 4 die. MIS-Anordnung. Durch Anlegen einer vorbestimmten Spannung an die Gatt-Elektrode 42 tritt unter der isolierenden Schicht 41 eine Sperre 202 auf. Damit ergibt sich eine Sperrschicht, eine Verarmungsschicht oder eine Anreicherungsschicht.
Fig. 6 veranschaulicht eine Fünfte Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Schottky-Sperrschicht 203 auf der Oberfläche des gering dotierten Emitters 4 erzeugt wird. Zur Bildung der Schottky-Sperrschicht wird ein geeignetes Metall 51, beispielsweise Platin, auf den N -Emitter 4 niedergeschlagen.
Fig. 2 veranschaulicht das Verunreinigungsprofil und die Minoritätsträgerkonzentration im Emitter der Vorrichtung nach Fig. 1. Der obere Teil der Figur zeigt das N -dotierte. Siliciumsubstrat 1, den N~-Koliektor 2, die P~ Basis 3, den Emitter und den P-Bereich 200. Die Verunreinigungskonzentration in jedem dieser Bereiche ist im mittleren Abschnitt der Darstellung veranschaulicht, während im unteren Teil die injizierte Minoritätsträgerkonzentration im Emitter verdeutlicht Ist, die sich aus dem vom Basisbereich 3 und dem PN-Übergang, der den PN-Bereich 200 und
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den Emitter 4 trennt, vereinigten injizierten Minoritätsträger ergibt. Insbesondere zeigt die geneigte Gradientenlinie 101 die Komponente der vom Emitter-Basis-Übergang 13 injizierten Minoritätsträger, während die Gradientenllnie 102 die vom zusätzlichen Übergang 14 durch den injizierten Minoritätsträgerstrom verursachte Komponente verdeutlicht. Da die injizierten Minoritätsträger in entgegengesetzten Richtungen fließen, zeigt sich im Ergebnis eine im wesentlichen flache oder ebene Gradientenlinie 103. Dieses charakteristische Merkmal ist in erster Linie dafür verantwortlich, daß ein sehr hoher hF -Faktor bei sehr geringem Rauschpegel· in der Vorrichtung erzeugt wird. Um dies in weiteren Einzelheiten zu erläutern, sei vermerkt, daß die Minoritätsträger (die Löcher), die durch den Emitter-Basis-Übergang 13 injiziert werden, den zusätzlichen Übergang 14 erreichen, um in den zusätzlichen Bereich 200 einzutreten. Andererseits injiziert auch der P-Bereich 200 Löcher in den N -Typ Emitter 4, und diese Löcher durchlaufen den Emitter und erreichen den Emitter-Basis-Übergang 13, da die Breite bzw. Weite des Emitters (Wp) kleiner ist als die Diffusionslänge im N -Emitter 4. Ist die Löcherinjizierung vom P-Bereich 200 groß genug, so kompensiert der Löcherstrom vom zusätzlichen Übergang 14 zum Übergang 13 den Löcherstrom vom Übergang 13 zum zusätzlichen Übergang 14. Diese Kompensation führt zu der im wesentlichen flachen Löcherverteilung im N -Typ-Emitter und vermindert den Löcherstrom von der Basis 3 zum Emitter 4.
Die oben anhand von Fig. 1 erläuterte Anordnung ergibt einen hohen h_^-Kennwert bei geringem Rauschen. Zur Erläuterung dieses erhaltenen Ergebnisses sei vor allem vermerkt, daß die (auf Masse bezogene) Emitterstromverstärkung Ov.-) einer der wichtigsten Transistorparameter ist. Diese Größe ist im allgemeinen gegeben
worin mit cC die Stromverstärkung bei an Masse liegender Basis bezeichnet ist. Die Stromverstärkung qC ist gegeben zu
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worin mit cC ein KollektormuliipUkationsverhältnis, mit β ein Basistransport-
faktor und mit Y der emitterseitige Wirkungsgrad bezeichnet sind.
Für einen NPN-Transistor beispielsweise ist der Emitterwirkungsgrad gegeben zu
O = J" = 1 (3)
r Jn+ Jp. 1 +Jp/Jn '
worin mit Jn die Elektronenstromdichte bezeichnet ist, die sich aus den über den Emitter-Basis-Übergang vom Emitter zur Basis injizierten Elektronen ergibt und Jp eine Löcherstromdichte derjenigen Löcher charakterisiert, die über den gleichen Übergang von der Basis zum Emitter in umgekehrter Richtung injiziert werden.
Das Absinken von Jp führt dazu, daß der Wert für V gemäß Gleichung (3) annähernd Eins wird, der Wert für cC ' gemäß Gleichung (2) sehr groß wird und der Wert für h__ gemäß Gleichung (1) ebenfalls sehr groß wird.
Die niedrigen Rauschkennwerte lassen sich wie folgt erklären: Der Gitterdefekt oder die Versetzung wird stark heruntergesetzt, da der Emitter-Basis-Übergang 13 durch den gering dotierten Emitter 4 und die ebenfalls niedrig dotierte Basis 3 gebildet wird. Die Verunreinigungskonzentration des niedrig dotierten Emitters 4 sollte mit Rücksicht auf die Rauschkennwerte, die Lebensdauer i ρ und die Minoritätsträgerdiffusionslänge Lp auf einen Wert begrenzt v/erden, der et-
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was kleiner ist als 10 cm .
Ein anderer Faktor der zu einem niedrigen Rauschpegel führt ist der, daß der Emitterstrom im niedrig dotierten Emitter 4 und der ebenfalls gering dotierten Basis 3 weitgehend in Vertikal richtung fließt.
Die hohe Emitterstromverstärkung (h--) (bei auf Masse bezogenem Emitter) für die Vorrichtung nach Fig. 1 ist" in Fig. 7 durch zwei Linien 104 und 105 veranschaulicht. Die beiden Kurven geben Versuchswerte wieder, die an zwei verschiedenen Transistoren erhalten wurden. Diese Unterschiede in den beiden Kurven ergeben sich lediglich aus der unterschiedlichen Planarkonfiguration des Emitters. Beide
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Kurven jedoch zeigen die sehr hohe Emitterstromverstärkung.
Fig. 8 verdeutlicht das Rauschverhalten als Funktion der Frequenz für die Vorrichtung nach Fig. 1, wenn die Eingangsimpedanz 1000 Ohm; der Kollektorstrom 1 mA beträgt und eine Kollektor-Emittervorspannung von 6 Volt anliegt. Der Wert des Rauschfaktors wird durch die Linie 106 wiedergegeben. Im Gegensatz dazu zeigt die Linie 107 den Rauschfaktor für einen typischen herkömmlichen Transistor mit äußerst niedrigen Rauschwerten.
Fig. 9 zeigt eine der Fig. 8 ähnliche Darstellung, wobei die Linie 108 die Verhältnisse bei der Vorrichtung nach Fig. 1 verdeutlicht und die Linie 109 den Rauschfaktor für eine bekannte Halbleitervorrichtung zeigt. Die Kurven der Fig. 9 sind auf eine Eingangsimpedanz von 30 Ohm bezogen, wobei jedoch der Kollektorstrom und die Spannung zwischen Kollektor und Emitter gleich wie bei den in Fig. 8 dargestellten Verhältnissen waren.
Fig. 10 zeigt eine "Rauschkarte" für das Rauschverhalten eines typischen bekannten Transistors und für die Vorrichtung nach Fig. I7 wobei die Rauschlinie 110 die Verhältnisse für eine typische bekannte Halbleitervorrichtung wiedergibt und die Linie 111 das Rauschverhalten der Vorrichtung nach Fig. 1 wiedergibt. Beide Darstellungen sind auf einen Rauschwert von 3 dB bezogen.
Fig. 11 schließlich zeigt die Darstellung der Werte für A hpp über der Temperatur.
Die Darstellung ist ohne weitere Erläuterung verständlich, wenn darauf hingewiesen wird, daß die Linie 112 sich auf eine bekannte Vorrichtung'bezieht, während die Linie 113 die Verhältnisse bei der Halbleitervorrichtung nach Fig. 1 wiedergibt.
Für den Fachmann ergibt sich aus einer Betrachtung und aus einem Vergleich der Fig.7, 8, 9, 10 und 11, daß mit der Erfindung eine ganz wesentliche Verbesserung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik erzielt wurde. , ;
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Der Ausdruck "im wesentlichen flach", der zur Darstellung der Verhältnisse bei der Minoritätsträgerkonzentration über den aktiven Emitterbereich verwendet wurde, soll so verstanden werden, daß der vereinigte Wert, der vom aktiven Basisbereich in den aktiven Emitterbereich injizierten Minoritätsträger einerseits und der sich in dem Emitter aufgrund der Sperre in umgekehrter Richtung bewegenden Minoritätsträger andererseits, im aktiven Emitterbereich relativ eben verläuft. Dies wird für den Emitterteil in Fig. 2 durch die Linie 103 wiedergegeben, die im wesentlichen horizontal verläuft.
Beim Gegenstand der Erfindung wird die niedrige Rekombinationsgeschwindigkeit nicht nur durch die erwähnte Sperre erhalten, sondern ergibt sich auch durch ein im Emitter eingebautes Feld. Die Erklärung dafür ergibt sich aus dem folgenden:
Die Elektronenstromdichte Jn ist gegeben zu
, q * Dn * np , kT .. ...
in =-J—^ c · (e - I) . (4)
Die Löeherstromdichte dagegen ergibt sich'zu
worin mit Ln die Elektronendiffusionslänge in der P-Typ-Basis, mit Lp die Löcherdiffusionslänge in dem N -Emitter, mit Dn die Elektronendiffusionskonstante, mit Dp die Löcherdiffusionskonstante, mit Np die Minoritäfsejektronenkonzentration in der P-Basis im Gleichgewichtszustand, mit Pn die Minoritätslöcherkonzentrotion im P-Emitter im Gleichgewichtszustand, mit ν die an den Emitter-Basis-Übergang angelegte Spannung, mit T die Temperatur, mit q die Eiektronenladung und mit k die Boltzmann-Konstante bezeichnet sind.
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-13- . 2364 /S3
Als Verhältniswert 0 von Jp und Jn ergibt sich dann:
C - Jp _ Ln . Dp . Pn ,,*
d ~ Jn " Tp~~ D" ""Ρ"
Daraus folgt weiter
0 - Tp- Dn -N^- . (7)
Werden die beiden Verhältnisse ersetzt, so ergibt sich
np Np. '
worin mit ΝΔ die Verunreinigungskonzentration im Basisbereich, mit Nn die Verunreinigungskonzentration im Emitterbereich und mit W eine Basisbreite bezeichnet sind, die die Elektronendiffusionslänge Ln im Basisbereich begrenzt.
Die Träger-Diffusionskonstanten Dn und Dp sind Funktionen der Trägerbeweglichkeit und der Temperatur und können im wesentlichen als konstant angesetzt werden.
Das eingebaute Feld wird im Emitter zwischen der gering dotierten Schicht 4 und der stark dotierten Schicht 5 ausgebildet und wirkt in solcher Richtung, daß der Löcherstrom vom Emitter-Bas is-Übergang 13 gegen den Übergang 13 reflektiert wird. Ist das eingebaute Feld groß genug, so wird der Diffusionsstrom an Löchern gegen die Schicht 5 kompensiert und wird nahezu gleich dem durch das Feld bewirkten Driftstrom an Löche/n.
Die zusätzliche Sperre und das eingebaute Feld tragen daher dazu bei, die niedrige Rekombinationsgeschwindigkeit an der Zwischenfläche zu erreichen, d.h. der Wert für Lp in der Gleichung (7) ist nicht begrenzt durch die Breite bzw. Weite des Emitters.
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Obgleich die Erfindung in Fig. T unter Bezug auf einen NPN-Transistor erläutert ist, ist für den Fachmann auch ein entsprechender Aufbau für einen PNP-Transistor und dessen Kennwerte ersichtlich. Es sei auch darauf hingewiesen, daß die Erfindung sich vorteilhaft auch auf einen Halbleiter?Thyristor vom NPNP-Typ anwenden läßt.
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Claims (5)

PATENTANSPRÜCHE
1. Halbleitervorrichtung mit Mehrfachübergängen und einem Emitterbereich, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die eine injizierte Minoritätsträger-Diffusionslänge bzw. - Tiefe gewährleisten, die größer ist als die Breite oder Weite des Emitterbereichs und daß weitere Mittel vorhanden sind, die eine niedrige Rekombinationsgeschwindigkeit gewährleisten.
2. Halbleitervorrichtung mit einem Emitter- und einem aktiven Basisbereich dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, die eine injizierte Minoritätsträger-Diffusionslänge bzw. -Tiefe gewährleisten, die erheblich größer ist als die Breite oder Weite des Emitterbereichs, daß eine vom aktiven Basisbereich abgesetzte Sperre vorhanden ist, die die Injizierung von Minoritätsträgern in den Emitterbereich gegen den aktiven Basisbereich bewirkt, und daß die injizierten Minoritätsträger von der Sperre einen solchen Wert bzw. eine solche Größe aufweisen, daß der Verlauf der Konzentration der vereinigten injizierten Minoritätsträger im Emitterbereich im wesentlichen flach ist.
3. Halbleitervorrichtung mit einem Emitterbereich, dadurch gekennzeichnet, daß zur Injizierung von Minoritätsträgern in den Emitterbereich zwei Quellen von Minoritätsträgern vorgesehen sind, wobei die Injektionsrichtungen der Minorifätsträger einander entgegengesetzt sind, und daß die Gesamtzahl der von den Quellen injizierten Minoritätsträger so bestimmt ist, daß sich ein im wesentlichen ebener Gradientenverlauf über den Emitterbereich ergibt.
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ORDINAL JNSPECTED
4. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das die niedrige Rekombinationsgeschwindigkeit gewährleistende Mittel aus einer Sperre und einem eingebauten Feld besteht.
5. Halbleitervorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet/ daß die Sperre ein PN-Übergang ist.
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