Bipolare Transistoren - MyWWW ZHAW SS04/Kap_4.pdf · Struktur entspricht also etwa der folgenden Darstellung: Abb. 4.6: Stromaufteilung im Transistor Aus dieser Darstellung erkennt

4Bipolare Transistoren

4.1 Aufbau und prinzipielle Funktionsweise

Betrachten wir zunächst nochmals die Verhältnisse bei einem in Flussrichtunggepolten pn-Übergang (Abbildung 4.1).

Abb. 4.1: pn-Übergang im Flussbetrieb

Dabei interessiert uns vor allem, wie sich der gesamte Flussstrom auf Elektronen-und auf Löcherstrom aufteilt. Unter der Voraussetzung, dass das p-Gebiet wie auch

p n

2 Bipolare Transistoren

das n-Gebiet gleich stark dotiert ist, also die Ladungsträgerdichten in beiden Gebie-ten gleich sind, dürfte sich eine Stromaufteilung einstellen, wie sie in Abbildung4.2 dargestellt wird:

Abb. 4.2: Stromaufteilung bei symmetrischer Dotierung

Im Bereich der Sperrschicht besteht der Strom je zur Hälfte aus Löchern und ausElektronen. Je weiter man sich von der Sperrschicht entfernt, desto kleiner wird derAnteil der jeweiligen Minoritätsträger am Gesamtstrom. An den Enden des Kris-talls besteht der Strom nur noch aus den Majoritätsträgern; die Minoritätsträger sindalle rekombiniert. Etwas anders liegen die Verhältnisse, wenn das p-Gebiet sehr vielstärker dotiert wird als das n-Gebiet; man drückt das durch die Bezeichnung p+ aus.In diesem Fall haben wir die folgende Stromaufteilung zu erwarten:

Abb. 4.3: Stromaufteilung bei stark asymmetrischer Dotierung

Da im Gebiet der Sperrschicht viel mehr Löcher als Elektronen als freie Ladungs-träger zur Verfügung stehen, wird sich auch der Strom in Flussrichtung zu einemüberwiegenden Teil aus Löchern zusammensetzen. Diese Löcher können dank ihrerÜberzahl auch recht weit in das n-Gebiet vordringen, ehe sie schliesslich doch nochrekombinieren. An den Kristall-Enden besteht auch in diesem Fall der gesamteStrom wieder aus Majoritätsträgern (Elektronen im n-Gebiet, Löcher im p-Gebiet).

Zur Repetition wollen wir auch nochmals den gesperrten pn-Übergang untersuchen.Wie bereits im Kapitel 2 ausgeführt wurde, fliesst ein kleiner Strom in Sperrich-tung, der aus Ladungsträgern gebildet wird, die im Bereich der trägerentblösstenZone durch (vorwiegend thermische) Generation von Ladungsträgern entstehen.Diese Minoritätsträger werden im elektrischen Feld der Sperrschicht beschleunigtund durchdringen die Trennzone zwischen p- und n-Gebiet. Im n-Gebiet der Sperr-schicht entstandene Löcher können also die Sperrschicht nicht nur ungehindert

p n

Elektronenstrom

Löcherstrom

p n

Elektronenstrom

Löcherstrom

4.1 Aufbau und prinzipielle Funktionsweise 3

durchdringen, sie werden dabei auch noch beschleunigt und gewinnen Energie.Diese Verhältnisse sind nochmals in Abbildung 4.4 veranschaulicht:

Abb. 4.4: Gesperrter pn-Übergang mit beschleunigten Minoritätsträgern

Die Grundidee beim bipolaren Transistor1 ist, dass man in einem Kristall zwei pn-Übergänge aneinanderfügt. Der eine Übergang wird in Flussrichtung gepolt, derandere in Sperrichtung. Die folgende Abbildung 4.5 soll das illustrieren:

Abb. 4.5: Transistor-Struktur

Der in Flussrichtung gepolte pn-Übergang ist hier auf der p-Seite sehr stark dotiert(p+). Die n-leitende Zwischenschicht ist sehr dünn (0.2 ... 1 µm). Der in Sperrich-tung gepolte pn-Übergang ist normal bis eher schwach dotiert, um eine relativ hohezulässige Sperrspannung sicherzustellen.

1. Die hier behandelten Transistoren werden bipolare Transistoren (BPT) genannt, weil beiihnen beide Ladungsträgerarten am Stromfluss beteiligt sind; dies im Gegensatz z.B. zu denspäter behandelten Feld-Effekt-Transistoren.

FDFE

p n

p+ n p


Der Strom durch die in Flussrichtung gepolte p+n-Diode besteht auch in der n-lei-tenden Zwischenschicht fast nur aus Löchern. Das elektrische Feld der Sperrschichtdes zweiten pn-Überganges reicht nun tief in die Zwischenzone hinein. Die von derp+-Zone her in die Zwischenschicht injizierten Löcher werden von diesem Felderfasst und durchdringen die Sperrschicht des rechten pn-Überganges. Dadurchsteigt der Sperrstrom dieser Diode stark an. Man kann dieses Verhalten auch miteinem Staubsauger vergleichen, der die Löcher absaugt. Allerdings schaffen nichtalle injizierten Löcher den kurzen Weg bis zur Sperrschicht; einige rekombinieren.Man kann davon ausgehen, dass immer ein gleicher Prozentsatz der injiziertenLöchern in der Zwischenschicht rekombiniert. Dadurch wird die Zwischenschichtpositiv aufgeladen (Raumladung). Diese Raumladung würde nun den Stromfluss imleitenden p+n-Übergang stark behindern, wenn sie nicht durch über den Anschlussder n-leitenden Zone zugeführte Elektronen kompensiert würde. Die übrigenLöcher gelangen in den Sog des gesperrten Überganges und bilden den Sperrstrom.Offenbar ist also dieser Sperrstrom abhängig vom Elektronenstrom, der der Zwi-schenschicht zugeführt wird. Je grösser dieser Elektronenstrom ist, desto mehrLöcher können rekombinieren. Je mehr Löcher rekombinieren können, desto mehrLöcher können den gesperrten Übergang durchdringen. Man kann also durch denkleinen Elektronenstrom den bei der angenommenen stark asymmetrischen Dotie-rung viel grösseren Sperrstrom steuern. Die Stromaufteilung in dieser Dreischicht-Struktur entspricht also etwa der folgenden Darstellung:

Abb. 4.6: Stromaufteilung im Transistor

Aus dieser Darstellung erkennt man auch, dass die Dicke der Zwischenschicht dasVerhältnis zwischen Elektronenstrom und Sperrstrom stark beeinflusst. Je dünnerdiese Schicht ist, desto kleiner sind die Rekombinationsverluste des Löcherstromes,desto kleiner muss bei gleichem Sperrstrom der Elektronenstrom sein, der ja ebendiese Rekombinationsverluste decken muss.

Die für die drei Anschlüsse gewählten Bezeichnungen erinnern an die Funktion dereinzelnen Elektroden: das stark p-dotierte Gebiet wird Emitter E (“Sender”)genannt, das andere p-Gebiet heisst Kollektor C (“Sammler”) und die Zwischen-schicht wird Basis B genannt.

p+ n p

Elektronenstrom

Löcherstrom

4.2 Symbole und Kennlinien 5

4.2 Symbole und Kennlinien

4.2.1 Symbole und Bezugsrichtungen

Abb. 4.7: Transistor-Symbole mit Bezugsrichtungen

Wie man der vorhergehenden Abbildung entnehmen kann, existieren neben denTransistoren mit einer pnp-Schichtfolge auch solche mit einer npn-Schichtfolge.Die Funktionsweise ist gleich, man muss nur die Begriffe “Löcher” und “Elek-tronen” und die Polarität der externen Spannungsquellen vertauschen. Im Falleeines npn-Transistors sind alle Grössen im Normalbetrieb positiv, bei pnp-Transis-toren sind alle Grössen negativ.

4.2.2 Kennlinien

Wegen der drei Elektroden gibt es auch sechs Ströme und Spannungen. Glückli-cherweise gelten aber auch hier Knoten- und Maschensatz, so dass wir unterBerücksichtigung der folgenden Beziehungen

für die Beschreibung des Transistors mit den vier Grössen UCE, UBE, IC und IBauskommen. Selbst diese Reduktion der Variablen erlaubt es uns noch nicht, denTransistor ähnlich wie die Diode durch eine einzige Kennlinie zu beschreiben. Wirmüssen hier mit einem Kennlinienfeld arbeiten, bei dem gewisse Grössen alsParameter einer Kurvenschar erscheinen. Vom Funktionsprinzip aus wissen wir,dass die Basis-Emitter-Diode in Flussrichtung gepolt ist; hier erwarten wir

UCE

IC

IE

IB

UCB

UBE

C

E

B

npn

UCE

IC

IE

IB

UCB

UBE

C

E

B

pnp

UCB UCE UBE–=

IE IC IB+=


eigentlich eine normale Diodenkennlinie für den Zusammenhang zwischen UBEund IB. Der Kollektorstrom IC sollte einigermassen proportional zum Basisstrom IBsein; hier wird also auch eine Kennlinie genügen, wenn man berücksichtigt, dassder Kollektorstrom als Sperrstrom nach unserem Modell eigentlich nicht von derKollektor-Emitter-Spannung UCE (.UCB) abhängig sein sollte. Interessanter wirdder Zusammenhang zwischen UCE und IC sein; hier werden wir den Basisstrom IBals Parameter verwenden. Zur messtechnischen Bestimmung des Kennlinienfeldeskann die folgende Schaltung verwendet werden:

Abb. 4.8: Mess-Schaltung für das Kennlinienfeld

Die verwendeten Messinstrumente messen die folgenden Grössen: A1 misst IB, V1misst UBE, A2 misst IC und V2 misst UCE. Das gemessene Kennlinienfeld für denTransistor 2N2219A ist in Abbildung 4.9 gezeigt.

Dieses Kennlinienfeld muss noch etwas interpretiert werden. Zunächst ist zubemerken, dass ein Kennlinienfeld nur immer gerade für den Transistor gilt, derausgemessen wurde. Bedingt durch die Herstellungstechnologie unterliegengewisse Parameter relativ grossen Exemplar-Streuungen. Das Kennlinienfeld kanndeshalb nur dazu dienen, gewisse grundsätzliche Eigenschaften eines Transistors zuuntersuchen, niemals aber um exakte Zahlwerte herauszulesen.

Anregung: Man untersuche mit Hilfe eines Kennlinienschreibers (z.B. mit demHM8042 von Hameg) die Ausgangskennlinien von mehreren Transis-toren desselben Typs und achte auf die Unterschiede.

Die Transistor-Kennlinien sind nichtlinear; eine genaue mathematische Beschrei-bung ist mit Ausnahme der Eingangskennlinie (Dioden-Kennlinie) nicht ohne wei-teres möglich. Damit die grundsätzliche Funktionsweise von Schaltungen auchohne exakte Analyse verstanden werden kann, muss man sich ein möglichst ein-faches Modell für den Transistor machen. Falls es sich in der Folge zeigen wird,dass dieses Modell unter gewissen Umständen nicht mehr genügt, wird man sichum ein genaueres Modell bemühen müssen. Man sollte aber immer mit einemmöglichst einfachen Modell arbeiten, um den Rechenaufwand in Grenzen zu halten.

RV

A1

V1 V2

A2

4.2 Symbole und Kennlinien 7

Abb. 4.9: Kennlinienfeld des Transistors 2N2219A

Wenn man das gemessene Kennlinienfeld betrachtet, so stellt man fest, dass dieKrümmung der meisten Kurven verschwindet, wenn man sie mit einem geradenLineal von einer gewissen Breite zudeckt. Aus den Kurven werden also in ersterNäherung Geraden; die entsprechenden mathematischen Zusammenhänge werdenlinear (Abbildung 4.10). Der bipolare Transistor kann offenbar in erster Näherungdurch die folgenden vier Merksätze beschrieben werden:

1. Die Spannung UBE zwischen Basis und Emitter ist konstant und beträgt etwa 0.6 bis 0.7 V.

2. Der Kollektorstrom ist proportional zum Basisstrom. Der Proportionalitäts- faktor heisst Stromverstärkung $ und liegt typisch in der Grössenordnung von 100.

3. Der Emitterstrom IE ist etwa gleich dem Kollektorstrom IC.

4. Der Kollektorstrom ist praktisch unabhängig von der Kollektor-Emitter- Spannung UCE.

UCEIB

IC

UBE

5

10

15mA

5 10 15 20V50100µA

500mV

IB = 0

IB = 20µA

IB = 40µA

IB = 60µA

IB = 80µA

IB = 100µAUCE = 15V

UCE = 15V

Transistor 2N2219AVollständiges Kennlinienfeld

Transfer-Kennlinie

Eingangs-Kennlinie

Ausgangs-Kennlinien


Abb. 4.10: Kennlinienfeld mit Näherungen

In der Literatur wird zum Teil zwischen einer sogenannten GleichstromverstärkungB ( = IC / IB) und der Wechselstromverstärkung $ ( = )IC / )IB) unterschieden. Diebeiden Stromverstärkungen unterscheiden sich bei einem Transistor nur unwe-sentlich, hingegen streuen beide Stromverstärkungsfaktoren zwischen einzelnenTransistoren recht beträchtlich. Beim vorher untersuchten Transistor 2N2219Abeträgt der zulässige Bereich für die Stromverstärkung $ gemäss Datenblatt 75 ...375. Bei anderen Transistoren kann diese Streuung noch ausgeprägter sein. Ange-sichts dieser Unsicherheit macht die Unterscheidung von B und $ keinen grossenSinn. In den folgenden Kapiteln wird einheitlich nur noch mit dem Stromver-stärkungs-Faktor $ gearbeitet.

Der vierte der obigen Merksätze wurde mit etwas schlechtem Gewissen geschrie-ben, da die Ausgangskennlinie mit wachsender Kollektor-Emitter-Spannung dochdeutlich anwächst. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass mit wachsenderSpannung in Sperrichtung sich die Sperrschicht in einem pn-Übergang ausdehntund dass dadurch die Basisschicht etwas dünner wird. Damit werden auch wenigerder injizierten Ladungsträger rekombinieren und darum kann bei gleichbleibendemBasisstrom der Kollektorstrom grösser werden. Dieser Effekt wird nach seinemEntdecker Early-Effekt genannt.

UCEIB

IC

UBE

5

10

15mA

5 10 15 20V50100µA

500mV

IB = 0

IB = 20µA

IB = 40µA

IB = 60µA

IB = 80µA

IB = 100µAUCE = 15V

UCE = 15V

Transistor 2N2219ANäherungen für die Kennlinien

4.3 Wichtige Daten und Bauformen 9

4.3 Wichtige Daten und Bauformen

4.3.1 Grenzdaten

Unter den Grenzdaten (engl. maximum ratings) eines Halbleiters versteht man dieWerte für Ströme, Spannungen, Temperatur etc., die unter keinen Umständen über-schritten werden dürfen; andernfalls würde das Bauelement zerstört. Die wichtig-sten Grenzdaten eines Transistors sind UCEO (zulässige Sperrspannung zwischenKollektor und Emitter bei offener, d.h. nicht angeschlossener Basis), UCBO (zuläs-sige Sperrspannung zwischen Kollektor und Basis bei offenem, d.h. nicht ange-schlossenem Emitter), UEBO (zulässige Sperrspannung zwischen Emitter und Basisbei offenem, d.h. nicht angeschlossenem Kollektor), ICmax (der maximal zulässige,dauernde Kollektorstrom), PDmax (die maximal zulässige Verlustleistung; dieentsprechenden Angaben in den Datenblättern erfolgen in der Regel für einebestimmte Umgebungstemperatur und für eine bestimmte Gehäusetemperatur)sowie die zulässige Betriebs- und Lagerungstemperatur Tj.

4.3.2 Kenndaten

Die Kenndaten (engl. electrical characteristics) beschreiben die Eigenschaften derTransistoren im Normalbetrieb. Die wichtigsten Kenngrössen sind die Stromver-stärkung $ und die sogenannte Transitfrequenz fT (die Frequenz, bei der der Betragder Stromverstärkung gerade gleich 1 wird); in den Datenblättern findet man abernoch eine Fülle von weiteren Informationen. Auf die Bedeutung dieser Kenndatenwird bei der Besprechung der entsprechenden Anwendungen genauer eingegangen.

4.3.3 Bauformen

Transistoren werden je nach Verwendungszweck in den verschiedensten Gehäuse-formen angeboten. Einige wichtige Gehäusetypen sind in der folgenden Abbildungdargestellt:

Abb. 4.11: Gehäuseformen mit Transistoren

Die Bezeichnungen für die Gehäuse sind von links nach rechts: TO-18, TO-39, TO-126, TO-220 und TO-3. Die Bezeichnung “TO” bedeutet übrigens “Transistor Out-line”. Die Gehäuse sind nach steigender zulässiger Verlustleistung geordnet.


Für die Anschlussbelegungen sei auf die Datenbücher verwiesen. Für zwei häufigverwendete Gehäuse finden wir die Anschlussbelegung in Abbildung 4.12:

Abb. 4.12: Anschlussbelegung für die Gehäuse TO-39 und TO-126

Neben in den hier gezeigten Gehäuseformen sind die Halbleiter in immer grössererZahl in den sogenannten SO-Gehäusen (Small Outline) für die SMD-Technik (Sur-face Mounted Devices = Teile für die Montage an der Oberfläche) erhältlich. Beidieser Technik werden die Anschlüsse nicht wie bei gewöhnlichen Printplattendurch Löcher gesteckt und auf der Unterseite verlötet, sondern die Bauelementewerden direkt auf der Bestückungsseite verlötet. Die Abmessungen dieser SMD-Bauelemente sind viel kleiner (nur noch 25% der Fläche) als die der herkömmli-chen.

Um einen Eindruck von den Grössenordnungen zu vermitteln, sind in der folgendenTabelle Grenz- und Kenndaten der im Labor normalerweise verwendeten Transis-toren aufgeführt.

Kurzdaten

Typ 2N2219A 2N2905A BD237 BD238

Polarität npn pnp npn pnp

Gehäuse TO-39 TO-39 TO-126 TO-126

UCEO 40 V 60 V 80 V 80 V

ICMAX 800 mA 600 mA 2 A 2 A

PDMAX@ TA=25°C 400 mW 600 mW 1.25 W 1.25 W

TjMAX 200 °C 200 °C 150 °C 150 °C

$ 75..375 100..300 > 25 > 25

fT 300 MHz 200 MHz 3 MHz 3 MHz

C

B

E

E C B

TO-39: Ansicht von unten TO-126: Ansicht von oben

4.3 Wichtige Daten und Bauformen 11

4.3.4 Bezeichnungen von Halbleitern

Bezüglich der Bezeichnung der Halbleiter existieren im wesentlichen zwei ver-schiedene Normen: die amerikanische und eine europäische. Bezeichnungen nachamerikanischer Norm beginnen mit einer Ziffer, gefolgt vom Buchstaben N undweiteren Ziffern. Nach unbestätigten Gerüchten soll die Ziffer vor dem N die Zahlder im Bauelement vorhandenen pn-Übergänge angeben. Für dieses Gerücht lassensich viele Gegenbeispiele finden. Wahrscheinlicher ist die These, wonach dieseZiffer die um Eins verminderte Zahl der Anschlüsse des Bauelementes angibt. Dieübrigen Ziffern haben keinerlei Aussagekraft. Kurz gesagt, aus einer amerikani-schen Typ-Bezeichnung kann man nichts herauslesen, Transistoren, Thyristoren,Triacs: alle beginnen mit 2N! Wenden wir uns der ergiebigeren europäischen Normzu, die unterdessen auch in den USA Anklang findet.

Die europäischen Typ-Bezeichnungen bestehen aus zwei Buchstaben, die von einerSeriennummer gefolgt sind. Der erste Buchstabe kennzeichnet das verwendeteHalbleiter-Material gemäss der folgenden Übersicht:

A GermaniumB SiliziumC GaAs etc.D Indium-AntimonidR Verbundmaterialien, wie sie in Hall-Generatoren und Photowider-

ständen verwendet werden

Der zweite Buchstabe enthält Informationen über die Art bzw. den Verwendungs-zweck des Bauelementes:

A Signaldiode, SchaltdiodeB KapazitätsdiodeC Kleinsignal NF-TransistorD Leistungs-NF-TransistorE Tunneldiode (Esaki-Diode)F Transistor für HF-AnwendungenH Magnetfeldempfindliche DiodeK Hall-SensorL Leistungstransistor für HF-AnwendungenM Hall-Generator (mit magn. Kreis)N OptokopplerP Strahlungsempfindliches BauelementQ Strahlung erzeugendes Bauelement


R Elektrisch getriggertes Bauelement kleiner LeistungS Schalttransistor kleiner LeistungT Elektrisch getriggertes Bauelement hoher LeistungU Schalttransistor hoher LeistungY Gleichrichter-DiodeX Vervielfacher-DiodeZ Z-Diode

Die Seriennummer besteht aus einem Buchstaben und zwei Ziffern für Bauele-mente, die primär in professionellen (und in militärischen) Geräten eingesetzt wer-den. Bauelemente, deren primäres Einsatzgebiet die Unterhaltungselektronik oderHaushaltelektronik ist, erhalten drei Ziffern als Seriennummer.

Einige Beispiele für Typenbezeichnungen:

BC107 NF-Transistor kleiner Leistung für UnterhaltungselektronikBTY79 Leistungs-Thyristor für professionellen EinsatzAAY32 Germanium-Signaldiode für professionellen EinsatzCNY47 Opto-KopplerBPW34 Foto-DiodeBD237 NF-Leistungstransistor für Unterhaltungselektronik

An die Typenbezeichnung angefügt werden häufig noch sogenannte Versions-Buchstaben. Damit werden beispielsweise bei Transistoren nach Stromverstärkungaussortierte Typen gekennzeichnet (BC107A, BC107B, ... ). Bei Dioden kann eseine Unterteilung je nach zulässiger Sperrspannung bedeuten. Manchmal wird auchein Versionsbuchstaben verwendet, um verschiedene Gehäuseformen anzugeben.

Weitere Informationen zu diesem Thema findet man in den Datenbüchern der gros-sen Halbleiterhersteller.

4.4 Halbleiter-Technologie 13

4.4 Halbleiter-Technologie

In diesem Abschnitt werden die Verfahren beschrieben, die zur Herstellung vonHalbleitern notwendig sind. Wir beschränken uns dabei auf den sogenannten Epi-taxial-Planar-Prozess, der vor allem zur Herstellung bipolarer integrierter Schal-tungen verwendet wird. Für das Verständnis der Elektronik sind die hiervermittelten Inhalte nicht überlebensnotwendig; sie dienen vielmehr der Abrundungfür besonders interessierte Leser.

4.4.1 Ausgangsmaterial

Das zur Herstellung von Halbleiter-Bauelementen verwendete Silizium muss äus-serst rein sein; die Dichte der Störstellen darf höchstens in der Grössenordnung derEigenleitungsdichte ni liegen. Für die Verfahren zur Herstellung und Reinigung vonSilizium und anderer Halbleitermaterialien sei auf die Literatur1 verwiesen. In derRegel sind es grosse Chemie-Firmen, die den Halbleiterherstellern das Rohmaterialin Form von monokristallinen Siliziumstäben mit einigen Zoll Durchmesser liefern.Das Silizium ist dabei bereits definiert dotiert, und zwar im Falle des Epitaxial-Planar-Prozesses leicht p-leitend.

Diese Stäbe werden dann im Halbleiterwerk in dünne Scheiben (sogenannte Wafer)geschnitten. Dazu werden Innenloch-Diamantkreissägen verwendet. Diese Waferwerden noch poliert und sind dann für die Weiterverarbeitung bereit.

4.4.2 Der Epitaxial-Planar-Prozess

Die Herstellung einer integrierten Schaltung benötigt eine Vielzahl von einzelnen,zum Teil sehr zeitaufwendigen Fabrikationsschritten. Diese Schritte werden nun aufden folgenden Seiten mit vielen Abbildungen erläutert. Dazu zunächst eineVorbemerkung. Die Bilder sind nicht massstäblich; sie sind in der Breite starkgestaucht und in der Höhe ist nur die Schicht unmittelbar unter der Oberflächedargestellt und nicht die gesamte Dicke des Wafers. Um die Zeichnungen nicht zuüberladen, wurden die verschiedenen Materialien durch unterschiedlicheSchraffuren gekennzeichnet und nicht mehr zusätzlich beschriftet; über dieBedeutung der Schraffuren gibt Abbildung 4.13 Auskunft.

1. Zum Beispiel Wolfgang Harth: Halbleitertechnologie. Teubner Stuttgart 1972.


Abb. 4.13: Bedeutung der Schraffuren

Das für den Epitaxial-Planar-Prozess verwendete Ausgangsmaterial ist ein Waferaus werkseitig homogen p-dotiertem Silizium, das sogenannte Substrat.

Abb. 4.14: Ausgangsmaterial (Substrat)

Die nun folgenden Schritte werden zusammengefasst als photolithographischerProzess bezeichnet und werden im Laufe der Herstellung einer integrierten Schal-tung noch mehrfach wiederholt. Dieser Prozess wird deshalb nur einmal an dieserStelle beschrieben. In einem ersten Schritt wird der Wafer in einer heissen Sauer-stoff-Umgebung oxidiert. Dabei bildet sich an der Oberfläche eine dünne, aber sehrkompakte Schicht aus Siliziumoxid (SiO2 oder Quarz).

Abb. 4.15: Oxidierter Wafer

Auf diese Oxid-Schicht wird nun eine dünne Schicht eines lichtempfindlichenMaterials (Photolack) aufgetragen.

Abb. 4.16: Mit Photolack beschichteter Wafer

Dieser Photolack hat die Eigenschaft, dass er an den Stellen aushärtet, die mit Licht(in der Regel UV-Licht) bestrahlt werden. Im nächsten Schritt wird der beschichteteWafer mit Hilfe einer Photomaske belichtet und so die auf der Maske enthaltenenStrukturen auf den Wafer übertragen.

n+-Silizium (stark dotiert)

n-Silizium

p-Silizium SiO2 (Quarz)

Photolack

Aluminium


Abb. 4.17: Belichtungsvorgang mit Photomaske

Bei der nachfolgenden Entwicklung wird der Photolack an den nicht vom Lichtgetroffenen, also nicht ausgehärteten Stellen entfernt.

Abb. 4.18: Entwickelte Photoschicht

Dadurch wird die Siliziumoxid-Schicht an bestimmten Stellen freigelegt. Die Oxid-schicht kann nun an den freigelegten Stellen durch Ätzen mit HF (Fluss-Säure)entfernt werden.

Abb. 4.19: Nach dem Ätzen mit Fluss-Säure

Der restliche Photolack wird mit Hilfe von Lösungsmitteln entfernt.

Abb. 4.20: Entfernen des Photolackes

Jetzt ist der Wafer bereit für einen weiteren Schritt, der im Laufe des ganzen Pro-zesses immer wieder wiederholt wird. In diesem Schritt werden Fremdatome einge-baut, der Kristall also dotiert. Dazu werden verschiedene Verfahren verwendet;


beim meistverwendeten Verfahren werden die Wafer in einen Ofen gebracht, in demdie Fremdatome in einer gasförmigen Phase enthalten sind. Diese Fremdatome kön-nen an den Stellen, die eine blanke, also nicht oxidierte, Oberfläche aufweisen, inden Kristall eindringen und Silizium-Atome von ihren Gitterplätzen verdrängen.Dieser Prozess heisst Diffusion. Er kann durch verschiedene Temperatur-Zeit-Kur-ven in weiten Grenzen gesteuert werden, um definierte Eindringtiefen undDotierungsprofile zu erhalten.

In unserem Beispiel wird nun durch Diffusion eine stark n-leitende Zone (ein n+-Gebiet) erzeugt, ein sogenannter “buried layer” (vergrabene Schicht). Der merk-würdig anmutende Name wird sich später von selbst erklären.

Abb. 4.21: Diffusion für den ‘buried layer’

Vor der Weiterverarbeitung wird der Wafer durch Ätzen mit Fluss-Säure von derrestlichen Oxidschicht befreit.

Abb. 4.22: Vom Oxyd befreiter Wafer

Der nachfolgende Prozess-Schritt hat dem ganzen Prozess den Namen gegeben:Epitaxie. Epitaxie bedeutet Kristallwachstum, also allgemein das Wachsen von Kri-stallen aus Keimen, wie das zum Beispiel auch bei übersättigten Zuckerlösungenbeobachtet werden kann. In unserem Fall wird der Wafer in eine heisse Atmosphärevon in der Gasphase bereit n-dotiertem Silizium gebracht. Das Silizium scheidetsich nun an der Oberfläche des Wafers ab und der Kristall wächst. Auf diese Weisewird eine ganze epitaktische Schicht aus n-leitendem Silizium auf dem Wafer abge-schieden. Diese Schicht ist absolut homogen dotiert.

Abb. 4.23: Epitaktische Schicht


Anschliessend wird der photolithographische Prozess wiederholt (Oxidieren,beschichten mit Photolack, belichten, entwickeln, und ätzen). Die nun folgende Dif-fusion dotiert an den freigelegten Stellen die ganze epitaktische Schicht bis hinunterin das Substrat so, dass eine durchgängige p-leitende Schicht entsteht. DieserSchritt wird Isolationsdiffusion genannt.

Abb. 4.24: Isolationsdiffusion

Durch die Isolationsdiffusion werden n-leitende Epitaxie-Gebiete voneinanderdurch p-leitende Gräben getrennt. Die dabei auftretenden pn-Übergänge habennatürlich eine Gleichrichterwirkung, wie das in Abbildung 4.25 gezeigt wird.

Abb. 4.25: Isolationswirkung (Dioden-Modell)

Man erkennt leicht, dass die verschiedenen n-leitenden Gebiete voneinander isoliertsind, solange das Substrat (und natürlich die damit verbundenen Gräben) an dernegativsten Spannung liegen. In diesem Fall sind mit Sicherheit alle Dioden inSperrichtung gepolt.

Noch deutlicher wird die Sache, wenn man den Wafer von oben betrachtet (Abbil-dung 4.26). Was wir bis jetzt betrachtet haben, entspricht dem in Abbildung 4.26eingetragenen Schnitt A-B. Der Wafer wird durch die Isolationsdiffusion offenbarin eine Vielzahl von voneinander isolierten n-leitenden Inseln aufgeteilt. Jede dieserInseln kann später dann einen Transistor oder auch ein anderes elektronischesBauelement enthalten. Diese Bauelemente können an der Oberfläche durch metal-lische Schichten miteinander verbunden werden (ähnlich wie bei gedruckten Schal-tungen). So ist es möglich, komplexe Schaltungen auf einem einzigen Kristall zurealisieren, ohne dass sich die einzelnen Elemente gegenseitig beeinflussen.


Abb. 4.26: Isolierte Inseln (Aufsicht auf den Wafer)

Der nächste Diffusionsschritt, die Basisdiffusion, erzeugt die spätere Basisschichtder Transistoren. Selbstverständlich geht auch diesem Diffusionsschritt wieder einphotolithographischer Prozess voraus.

Abb. 4.27: Basisdiffusion

Schliesslich wird in ähnlicher Weise noch eine stark n-leitende Schicht eindiffun-diert, die Emitterdiffusion.

Abb. 4.28: Basisdiffusion

Auffällig ist, dass neben der relativ grossflächigen Emitterzone noch eine kleineZone ins ohnehin schon n-leitende Epitaxie-Gebiet hinein diffundiert wurde. Dabeigeht es um die Erzeugung einer Kontaktfläche. Wie schon erwähnt, ist die Epitaxie-

A B


Schicht homogen dotiert. Bei einer metallischen Kontaktierung einer solchenschwach dotierten Schicht würde man eine Schottky-Diode erhalten, also keinen inbeiden Richtungen leitenden Kontakt. Solche ohmschen Kontakte erhält man nur,wenn der Halbleiter an der Oberfläche sehr stark dotiert ist, was bei allen durch Dif-fusion entstandenen Gebiete automatisch erfüllt ist. Zum Schluss wird der ganzeKristall nochmals oxidiert, die späteren Kontaktstellen auf bekannte Weisefreigelegt und durch Aufdampfen von Aluminium die Kontaktflächen erzeugt.

Abb. 4.29: npn-Transistor mit Kontaktflächen

Nun stellt sich noch die Frage nach dem Sinn des “buried layers”. Betrachten wirdazu einmal den Stromfluss in einem Transistor ohne “buried layer”.

Abb. 4.30: Stromverlauf ohne ‘buried layer’

Wenn wir die Massangaben in Abbildung 4.30 betrachten, so stellen wir fest, dassder Kollektorstrom einen sehr langen Weg im schwach dotierten, also schlecht lei-tenden epitaktischen Gebiet zurücklegen muss. Die eigentliche Transistorwirkungkommt nur in der Zone unmittelbar unter dem Emitter zustande. Dieser Stromver-lauf hat also einen grossen Zuleitungswiderstand und damit hohe Verluste zurFolge.

Der “buried layer” ist nun der epitaktischen Schicht sozusagen parallel geschaltetund ist dank der sehr starken Dotierung ziemlich niederohmig. Der Strom suchtnatürlich den Weg des geringsten Widerstandes und fliesst durch diese vergrabeneSchicht. Damit können die Transistorverluste ganz erheblich reduziert werden.

C E B

C E B

5µm

300µm


Abb. 4.31: Stromverlauf mit ‘buried layer’

Ähnliche Überlegungen können auch für den Basisstrom gemacht werden. DieBasisdiffusion muss ja auch schwach dotiert werden, damit der Transistor über-haupt funktioniert; dadurch muss auch der Basisstrom relativ lange Wege zurückle-gen. Dem kann durch geeignete Geometrie des Transistors abgeholfen werden,indem man verzahnte Strukturen schafft, wie sie in Abbildung 4.32 gezeigt sind.

Abb. 4.32: Transistor-Geometrie (Kantenlänge ca. 500µm)

Mit den gleichen Produktionsschritten, wie sie zur Herstellung von Transistorenverwendet werden, lassen sich auch andere Bauelemente realisieren, wie anhandder folgenden Abbildungen gezeigt wird. Das einfachste Bauelement ist die Diode:

Abb. 4.33: Realisierung einer Diode

C E B


Abb. 4.34: Mittelohmiger Widerstand

Widerstände lassen sich auf verschiedene Weisen realisieren. Man erhält mittel-ohmige Widerstände, indem man die relativ schlecht leitende Basisschicht ausnützt.Die Grösse des Widerstandes kann in relativ weiten Grenzen durch die Geometrie(Länge und Breite des Widerstandes) bestimmt werden. Für grössere Widerstands-werte kann man mäanderförmige Strukturen verwenden. Wenn auch das nicht mehrausreicht, kann man die Tatsache ausnutzen, dass die Emitterdiffusion den Quer-schnitt der Basisschicht verkleinert und so noch höhere Widerstandswerte reali-sierbar sind.

Abb. 4.35: Hochohmiger Widerstand

Zur Realisierung von niederohmigen Widerständen kann man die stark dotierte unddaher gut leitende Emitterdiffusion verwenden:

Abb. 4.36: Niederohmiger Widerstand

Schliesslich können auch noch Kondensatoren mit dieser Technologie realisiertwerden, wobei hier der grosse Platzbedarf nachteilig ins Gewicht fällt. Man wirdalso versuchen, möglichst keine Kondensatoren in den integrierten Schaltungen zuverwenden oder dann wenigstens nur solche mit kleinen Kapazitätswerten.


Abb. 4.37: Kondensator

Zur Realisierung eines Kondensators wird eigentlich ein gewöhnlicherPlattenkondensator verwendet, bei dem die eine Elektrode aus dem gut leitendenEmittermaterial besteht und die andere durch aufgedampftes Aluminium gebildetwird. Als Dielektrikum dient Silizium-Oxid.

4.5 Fragen zur Lernkontrolle

Es wird erwartet, dass die folgenden Fragen ohne Nachschlagen im Buch beant-wortet werden können.

1. Weshalb muss die Basis-Emitter-Diode stark asymmetrisch dotiert werden?

2. Welchen Einfluss hat die Dicke der Basis-Zone auf die Eigenschaften desTransistors?

3. Wie lauten die vier Merksätze, mit denen das Verhalten eines Transistors inerster Näherung beschrieben werden kann?

4. Warum macht es keinen grossen Sinn, die Gleichstromverstärkung B unddie Wechselstromverstärkung $ zu unterscheiden?

5. Welche Rolle spielt der Early-Effekt?

6. Was ist der Unterschied zwischen Grenzdaten und Kenndaten und wie lau-ten die entsprechenden englischen Begriffe?

7. Wie gross ist typischerweise die Stromverstärkung eines Signaltransistors?

8. Aus welchem Grund nennt man die hier behandelten Transistoren auchbipolare Transistoren ?

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Bipolare Transistoren - MyWWW ZHAW SS04/Kap_4.pdf · Struktur entspricht also etwa der folgenden Darstellung: Abb. 4.6: Stromaufteilung im Transistor Aus dieser Darstellung erkennt