Ein UHF-transistor mit basisquerfeld für das frequenzgebiet um 1000 MHz

Solid-State Electronics

Pergamon

Press 1966. Vol. 9, pp. 245-253.

EIN UHF-TRANSISTOR

Printed in Great Britain

MIT BASISQUERFELD

FUR DAS FREQUENZGEBIET

UM 1000 MHz

E. FR&CHLE* Mitteilung

aus dem Institut

ftir Halbleitertechnik

der Technischen

Hochschule

Aachen,

51 Aachen,

Germany

(Received 19 August 1965; in revised form 18 October 1965)

Zusammenfassung-Es wird eine UHF-Transistoranordnung mit einem Querfeld in der Basiszone beschrieben, welches dadurch erzeugt wird, dass die Emitterzone und eine zweite Basiselektrode durch eine metallische Briicke schon auf dem Transistorelement kurzgeschlossen wird. Dieses Querfeld engt die Emission, &nlich wie bei Transistortetroden, auf den an die eigentliche Basiselektrode angrenzenden Teil des Emitters ein. Da nur drei Anschliisse an das Element hergestellt werden miissen, ist es so mBglich, UHF-Transistoren mit relativ grossen geometrischen Abmessungen und Toleranzen zu bauen, welche eine gute UHF-Verst$irkung (ca. 12 db bei 800 MHz, ca. 10 db bei 1400 MHz) bei niedriger Rauschzahl (ca. 3 KTo bzw. 4,s kTo) und hoher fr-Frequenz von etwa 1800 MHz geben. Abstract-The paper describes an UHF-transistor with a transversal field in the base layer, produced by shorting the emitter-zone and a second base electrode directly on the transistor element by a metallic bridge. That transversal field confines the emission to the near neighbourhood of the real base electrode, analogue to the known transistor tetrodes, but with only three connexions. This makes it possible to fabricate UHF-transistors having-in spite of relatively great dimensions and tolerances-high gain (about 12 db at 800 MC, and 10 db at 1400 MC) and low noise (about 3 kTo resp. 4.5 kTs) together with a high fr-frequency of about 1800 MC. R&urn&-Cet article dbcrit un transistor UHF ayant un champ transversal dans la couche de base produit par le court-circuit direct de la zone de l’&netteur et une seconde electrode de base sur l’element transistor etabli par un pont metallique. Le champ transversal limite I’emission a l’approche immediate de l’electrode de base reelle en analogie aux transistors tetrodes connus mais ayant seulement trois connexions. Cela permet la fabrication de transistors UHF ayant-algre les dimensions et tol&ances relativement ilevees-un gain eleve (environ 12 db a 800 MHz et 10 db a 1400 MHz) et un faible bruit (environ 3 kTo et 4,s kTo) ainsi qu’une haute frequence fT d’environ 1800 MHz.

betragt dabei weniger als 7 to. Solche Transistoren sind daher schwer herzustellen und zu kontaktieren. Dass der Emitter so schmal sein muss, hat seine Ursache in der verteilten Basis-Emitterkapazitlt, welche zusammen mit dem Llngswiderstand der bei UHF-Transistoren sehr diinnen Basiszone wie eine gedlmpfte Leitung wirkt.(sJ) Die Amplitude der zwischen Basis- und Emitterzone liegenden Eingangswechselspannung fgllt daher bei wesentlich breiteren Emittern mit dem Abstand x vom Emitterrand proportional zu exp (0,s X/X,.) ab. Fur gute pnp-Transistoren aus

1. EINLEITUNG

BEI TRANSISTOREN, welche

als Anfangsstufenverstirker fiir Frequenzen urn oder iiber 1000 MHz verwendet werden sollen, muss die Emitter-f&he sehr schmal sein. Ein von DAVISund BITTMANN fur dieses Frequenzgebiet entwickelter Dreistreifen-Mesatransistor besitzt z.B. eine Emitterflache von nur 3.5 x 7 TVund zwei Basiselektroden gleicher Griisse beiderseits des Emitters. Der freie Abstand zwischen Basis und Emitterstreifen *Friiher : Firma Teleftmken lung Heilbronn am Neckar.

AG.,

Halbleiterentwick245

E. FRt)SCHLE

246

Germanium

mit einer Transitfrequenz

fT = /3f=

2000 MHz

@ = HF-StromverstPrkung in Emitters&hung bei der Frequenz f) betmgt-je nach Dimensionierung-die charakteristische GrSsse X, bei einer Betriebsfrequenz f = 1000 MHz etwa 1,7 bis 3,5 /L.(3) Vergriissert man die Breite BE des Emitters, so gehen bei fester Stromdichte Steilheit und Eingangsleitwert gegen einen oberen Grenzwert, Dieser wird nach(s) bei UHF-Transistor& mit einem Basisstreifen fiir BE = 3 xr, mit zwei Basisstreifencl) fiir BE = 6 x7 nahezu erreicht. Der Realteil Gsa des Ausgangskurzschlussleitwerts und der Kollektorrauschstrom nehmen dagegen etwa proportional zur Breite des emittierenden Gebiets weiter zu. Ein UHF-Transistor mit zu breitem Emitter gibt daher schlechte Verstlrkung und hohes Rauschen. 2. TETRODEN 1st es aus technologischen Griinden nicht m6glich, die geometrische Breite des Emitters hinreichend klein zu machen, so kann durch ein Querfeld in der Basis die Emission elektrisch auf eine s&male Zone des Emitters beschrinkt werden. Dies haben bereits WALLACE u.a.(4*5) gezeigt Sie verwendeten dazu gezogene npn-Stlbchentransistoren aus Germanium mit Emitter- und Kollektoranschliissen E und C an den beiden Pusseren n-Zonen (s. Abb. 1). Die mittlerep-Zone C

B

-J,,

E

zweite (Hi&)-Basiselektrode H einen Strom zu, so entsteht bei richtiger Polung in der Basiszone ein elektrisches Querfeld, welches die MinoritHten gegen die Steuerbasiselektrode treibt und den Emissionsstrom auf die Umgebung dieser Elektrode zusammendrlngt. Wegen ihrer 4 Anschliisse wird diese Transistoranordnung HF-Tetrode genannt. Fiir UHF-Tetroden ist die in Abb. 1 gezeigte Stibchenbauweise nicht giinstig. Ihre Basiszone muss ngmlich diinner als 1 bis 2 p gemacht werden, so dass die Basiskontakte mit ihren Legierungszonen weit in die friiheren Kollektor- und Emitterzonen des Stgbchens hineinreichen. Durch die beiderseits hohe Dotierung ist die Sperrschicht zwischen dem Emitter und dieser Legierungszone sehr diinn. Dies gibt eine hohe zu&zliche welche die Transitfrequenz Eingangskapazitit, fT stark verringert. Bei hohen Frequenzen sind Tetrodenanordnungen giinstig, welche wie der oben erwghnte Dreistreifenmesa(l) oder wie ein PAD (post alloy diffused)-Transistor mit drei Legierungskugelncs) aufgebaut sind. Diese besitzen nlmlich ebenfalls zwei getrennte Basiskontakte beiderseits des Emitters, welche jedoch an einen Sockelstift gefiihrt sind. Schaltet man solche (pnp)-Transistoren als Tetroden, d.h. l%st man zwischen den beiden Basiselektroden einen Querstrom IBH fliessen, so f&llt bei einem LE langen und BE breiten Emitter sowie konstantem spezifischem BasisflPchenwiderstand TB die Flussspannung - UBE mit dem Abstand x vom basisseitigen Emitterrand (X = 0: UBE = U&) linear ab: uBE(x)

=

U;E

+ IBgBx/LE

Da bekanntlich die emittierte Kollektorstromdichte it(x) exponentiell von der an dieser Stelle herrschenden Gleichspannung u&x) gem&s &(x> = &X exp[ -

ABE. 1. npn-Tetroden nach WALLACE u.a.(4): C Kollektoranschiuss B Basisanschluss H Hilfsbasissnschluss E Emittersnschluss ist zweimal sperrfrei kontaktiert, wobei eine Elektrode B wie beim Transistor als (Steuer)Basiselektrode dient. Fiibrt man nun iiber die

(1)

UBE(x)/UT]

(2)

abhtigt, f%llt io(x) nach Gleichung (1) und Gleichung (2) bei konstantem rB ebenfalls exponentiell mit x ab: &(x) = CCexp[ - x/Bw]

(3)

Darin bedeutet

Bw=-

LEUT (4) TBIBH

EIN UHF-TRANSISTOR

MIT BASISQUERFELD

die wirksame Breite des emittierenden Bereichs, d.h. denjenigen Abstand x vom Emitterrand, in welchem die Emission auf 37% ihres Maximalwerts i& bei x = 0 abgefallen ist. Urn mit der Tetrode gute Verstarkungsund Rauscheigenschaften zu erhalten muss, entsprechend den Ausfiihrungen in Abb. 1, die Emission mindestens so stark eingeengt werden, dass sie gleich rasch abfallt wie die Basisemitterwechselspar-mung, d.h. also Bw 6 2x,. Eine starkere Einengung auf 1,5 xr oder 1 xr ist meist noch vorteilhafter. Beim normalen Dreistreifentransistor macht sich bis zu einer Emitterbreite BE M 6 xr der verteilte Basiswiderstand noch nicht stark bemerkbar (s.Abschnitt 1). Daher sind seine Verstarkungsund Rauscheigenschaften bei dieser Emitterbreite sicher noch besser, als wenn er als optimal eingeengte Tetrode betrieben wiirde. Im Vergleich zum Transistor besitzt die Tetrode ausserdem elektrisch in verschiedenen Punkten (z.B. kleineres f~) gewisse Nachteile. Daher diirfte die Tetrodenschaltung beim Dreistreifentransistor nur dann vorteilhaft sein, wenn aus technologischen Griinden der Emitter breiter als 12 xr bis 18 xr ausgefiihrt werden muss. Fur eine optimale wirksame Emitterbreite Bw zwischen xr und 1,5 x,. entspricht dies einer Einengung der Emission auf l/8 bis 1I18 der Gesamtbreite des Emitters. 3. TRIODE

MIT BASISQUERFELD

Eine solche Einengung l%sst sich-zumindest bei Ge-Transistoren-aber such erreichen, ohne dass ein vierter Zuleitungsdraht am Element angebracht wird. Man muss dazu die Halbleiterzonen des Emitters und der Hilfsbasiselektrode schon auf dem Transistorelement galvanisch kurz schliessen.(v) Zum Betrieb eines UHF-Transistors ist zwischen Basis- und Emitteranschluss eine Flussspannung von etwa 0,45 V bei Germaniumtransistoren und etwa 0,75 V bei Siliziumtransistoren anzulegen. Daher fliesst bei Kurzschluss zwischen Emitter und Hilfsbasiselektrode ein Querstrom durch die Basiszone. Dieser betragt bei einer streifenfiirmigen Anordnung mit konstantem Basisflachenwiderstand rg: UBELE IBH=--

(5) ABBE

5

FUR DAS FREQUENZGEBIET

Daraus folgt mit Gleichung Emitterbreite (Emissionsabfall Bw=-

UM 1000 MHz 247

(4) eine wirksame auf 37%) :

UT lUBEIBE

Sie ist also bei Zimrnertemperatur (UT M 26 mV) fur Germanium Bw m B~/17,5 und fur Silizium Bw M B~/29. Da rB in Wirklichkeit mit steigender Flussspannung - U&x) abnimmt, wird Bw etwa 1,5 bis 2 ma1 grosser. Der Wegfall einer besonderen Hilfsbasiselektrode bedeutet eine grosse Erleichterung fiir die Herstellung von UHF-Transistoren mit Basisquerfeld. Der technologische Schwierigkeitsgrad dieser Anordnung ist nur etwa gleich gross wie bei einem Zweistreifentransistor gleicher Emitterbreite; Verstarkung und Rauschzahl entsprechen jedoch einem Dreistreifentransistor, dessen Emitter nur l/3 bis 115 so breit ist. Daher scheint es grundsatzlich moglich, such fiir die h&&ten mit Transistoren noch erreichbaren Frequenzen Trioden mit Basisquerfeld zu bauen, welche eine hinreichende Einengung der Emission besitzen. Dabei muss natiirlich in Kauf genommen werden, dass die Teilkapazitat C,, zwischen Kollektor und Emitter normalerweise wesentlich grosser als beim verstarkungsmhsig gleichwertigen Dreistreifentransistor ist. Bei Schaltungen mit geerdeter Basis stiirt dies in manchen Fallen. Querfeldtrioden werden daher vorzugsweise in Emitterschaltung betrieben.@) Die Teilkapazitat Ccb ist namlich relativ klein, meist sogar kleiner als beim entsprechenden Dreistreifentransistor und rein kapazitiv, so dass sie in geeigneten Schaltungen sehr gut breitbandig neutralisiert werden kann.@) Deshalb sind Querfeldtrioden besonders fur breitbandige HF-Verstarker und selbstschwingende Mischstufen geeignet. Gegeniiber Tetroden haben Querfeldtrioden weiter den Vorteil, dass kein zusatzlicher Hilfsbasisanschluss notwendig ist. Sie kiinnen in der gleichen Schaltung wie normale Transistoren betrieben werden. Der Basisgleichstrom ist jedoch hoher als bei diesen. Er betragt z.B. fiir die in folgendem beschriebenen Querfeldtrioden etwa 0,7 mA bei 5 mA Kollektorstrom. Die NF-KleinsignalstromverstHrkung entspricht dabei den Werten normaler HF-Transistoren (/9 = 20-60).

E.

248

FRdSCHLE

4. AUSGEFUHRTE BAUFORM Abbildung 2 zeigt eine brauchbare Ausfiihrungsform fur UHF-Trioden mit Basisquerfeld. Der Transistor sieht Husserlich wie ein normaler Hochfrequenztransistor nach der PAD Technikcs)

B =-o,av

Pl

E=ov

62P

7 und 8 gleich und so zusammengesetzt, dass ihre Rekristallisationszonen 3 und 4 stark n-dotiert sind. Das eigentliche Transistorelement ist die Halbleitermesa zwischen ihnen. Sie besteht aus einer etwa 1 TVdicken, stark p-dotierten Emitterzone 1, welche durch eine metallische Kurzschlussbriicke 6 mit einer der Legierungselektroden, der Emitterelektrode 8, verbunden ist. Die Oberflache der Emitterzone ist im Mitte145 p ma1 45 p gross.

b

c =-10V ABB.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 BE

Bw

2.

Schnitt durch einen UHF-Transistor mit Basisquerfeld (nicht massst8blich). Emitterzone (pf) Innere Basiszone (n) Legierungszone der Basiselektrode (n+) Legierungszone der Emitterelektrode (n+) Kollektorzone (p-) Metallische Kurzschlussbriicke Basiselektrode Ernitterelektrode Kollektorelektrode Basiszuleitung Emitterzuleitung Ort der Emission Breite der Emitterzone ca. 45 p Wirksame Breite der emittierenden Zone ca. 3 CL

fur eine Betriebsfrequenz von 100 bis 200 MHz aus. Er besitzt zwei metallische Legierungselektroden 7 und 8 von etwa 60 p Durchmesser und 110 TV Mittelpunktabstand. Ebenso ist an einer Elektrode die Emitterzuleitung 11, an der anderen die Basiszuleitung 10 angel&et und das Element so geatzt, dass nur die Halbleiteroberflache zwischen den Legierungselektroden als Mesa stehen bleibt. Der Kollektorkijrper 5 aus p-Germanium von etwa 0,5 O-cm spezifischem Widerstand ist iiber einen metallisierten Keramikstein 13 auf den Transistorsockel 14 aufgelijtet (s. Abb. 3). Im Gegensatz zu dem erw;ih.nten HF-Transistorelement sind jedoch beide Legierungselektroden

ABB.

3. UHF-Querfeldtransistor vor dem Verschliessen. 5 und 11 siehe Abb. 2. 13 Beidseitig metallisiertes Keramikpllttchen 14 TO S-Fuss

Aus der mit Antimon schwach gegendotierten Emitterzone wird die nur etwa 0,4~ dicke Basiszone 2 ausdiffundiert. Diese ist also auf einer Seite iiber die Legierungszone 3 an die Basiselektrode, auf der anderen Seite fiber 4 und die Kurzschlussbriicke 6 an die Emitterelektrode 8 und die Emitterzone 1 elektrisch gut leitend angeschlossen. Die wirksame Flussspannung zwischen Emitterzone 1 und Basiszone 2 nimmt deshalb von l& an der Grenze zur Basiselektrode stetig-bei konstantem rn linear-ab und hat an der n-Zone 4 unter der Emitterelektrode nahezu den Betrag Null. Die Emission bleibt also im wesentlichen auf ein Gebiet der Breite Bw am basisseitigen Rand der Emitterzone beschrankt. Nach Abschnitt 3 betragt Bw etwa l/l0 bis 1117 der gesamten Emitterbreite BE. Durch den gewahlten Aufbau wird erreicht, dass die Halbleiterzone unter der Basiselektrode relativ dick und stark dotiert ausgefiihrt werden kann und ausserdem fast vollstandig mit Metal1 bedeckt ist.

EIN UHF-TRANSISTOR

MIT BASISQUERFELD

Dadurch ist der Pussere Basiswiderstand dieses Transistors vernachhassigbar klein. Dafiir wird ein kleiner Vorwiderstand in der Emitterzoneim Mittel etwa 7Cl-in Kauf genommen, welcher auftritt, weil die Metallbriicke 6 die Emitterzone nur teilweise bedeckt. 5. HERSI’ELLUNGSVERFAHREN

Das Herstellungsverfahren fiir diese Transistoren hisst sich in zwei Abschnitte aufteilen. Die eigentlichen Elemente wurden in Scheibentechnik hergestellt, d.h., dass iiber 500 Elemente auf einer Scheibe gleichzeitig bearbeitet wurden. Der Aufbau der Einzelelemente nach dem Zerteilen der Scheibe geschah in enger Anlehnung an die bekannte und bei Grosserienherstellung vielfach bewlhrte Aufbautechnik der sogenannten PADTransistoren auf einen TO 5-Sockel. Dieser Aufbau ist fur Betriebsfrequenzen bis etwa 1400 MHz geeignet. Fiir hiihere Frequenzen wire ein induktionsarmer Spezialsockel notwendig. Als erstes wird im Hochvakuum auf eine Scheibe von ca. 20 bis 25 mm Durchmesser aus 0,5 O-cmp-Germanium (Kollektorkiirper) Indium mit Zusatz von Gallium und Antimon in diinner Schicht aufgedampft und die Emitterzone 1 etwa 1-2~ tief einlegiert, wobei aufgedampftes Wolframoxyd als Flussmittel dient. Nach Ablosen des Legierungsmetalls in Konigswasser sind die so hergestellten Scheiben spiegelblank und iiber die ganze Fllche gleichmassig legiert. Beim Legiervorgang und w&rend des splteren Einlegierens der gusseren Basiszonen diffundieren die wesentlich rascher beweglichen n-Stiirquellen (Sb) aus der Legierungszone 1 in das Grundmaterial und bilden die n-leitende Basiszone 2. Die nicht kompensiertep-Dotierung der Emitterzone betrligt etwa 1 bis 2.1019 cm-s, die Maximaldotierung der Basiszone etwa 1.1018 cm-s bei einer endgtiltigen Basisdicke von 0,4 p entsprechend 2/(Dt) M 0,lO II. Als nachstes miissen die lusseren Basiszonen 3,4 hergestellt werden. Dazu wird die Scheibe mit einem lichtempfindlichen Photolack (Kodak KMER) beschichtet und dieser iiber eine Maske belichtet, welche fur jedes Element zwei dunkle Kreisscheiben von 60 I_LDurchmesser und 50 ~1 lichtem Abstand besitzt. An diesen nicht belichteten Stellen wird der Photolack mit einem geeigneten Lijsungsmittel weggelijst und insgesamt 10 p Antimon und Indium galvanisch abgeschieden.

FtfR DAS FREQUENZGEBIET

UM 1000 MHz

249

Nach Entfernen das Photolacks werden diese Metallpillen so tief einlegiert, dass ihre Legierungszonen vollstindig durch die Emitterschicht 1 und die diinne Basiszone 2 dringen. Man ertilt so die beiden stark n-dotierten Anschlusszonen 3 und 4 an die innere Basiszone 2. Wihrend des Abkiihlvorgangs diffundiert aus einer diinnen Grenzschicht dieser Zonen ein Teil der n-Dotierung in die Emitterzone 1, so dass sich zwischen beiden ein schmaler gradueller pn-ubergang ausbildet, welcher die stiirende Kapazitat zwischen 3 und 1 weitgehend verkleinert. Die Briicke 6 aus Silber wird ebenfalls durch galvanische Abscheidung nach Photomaskierung hergestellt. Sie ist etwa 0,5 p dick, 30 p breit und hat von der Pusseren Basiszone etwa 10 p Abstand. Die fertigen Scheiben werden auf ca. 500 x 600 p gerastert und iiber ein beidseitig metallisiertes KeramikblPttchen (13 in Abb. 3) auf den TO-5Fuss aufgelotet. An den beiden Legierungspillen 7 und 8 werden dann verbleite Nickeldrahtchen von 40 p Durchmesser geliitet und diese Stellen mit einem Lacktropfen bedeckt. Mit einer Spritzpistole wird nun ein Losungsmittelstrahl so auf das Element gespriiht, dass die Strahlrichtung mit der Verbindungslinie der beiden Anschlussdrahte zusammenfallt. Dadurch kann aller Lack, welcher ausserhalb des Windschattens der beiden Anschlussdrahte sitzt, rasch und vollstandig entfernt werden. Diese Maskierung schiitzt die Mesa&he bei der nun folgenden elektrolytischen Atzung. Dabei wird das Germanium sonst allgemein, such unter den Legierungspillen und am Rande der Mesa, etwa 10 p abgetragen. Einen aufgebauten und ungekapselten Transistor zeigt Abb. 3. Nach Reinigung und Trocknung ist der Transistor fertig und kann verschlossen und gemessen werden. 6. ELEKTRISCHE EIGENSCHAFTEN Ersatzschaltung fiir UHF Die Vierpolparameter dieser Transistoren wurden im Frequenzbereich 300 bis 1000 MHz und fiir den Arbeitspunkt - UcE = 5V, IE = 4 mA von LEMXE(~@ schon friiher veriiffentlicht. Abbildung 4 zeigt die von LEMKE aufgestellte Ersatzschaltung, welche die Zuleitungsinduktivitaten und die Sockelkapazitaten beriicksichtigt. Kollektorvorwiderstand und Kollektoremitterkapazitat wurden jedoch etwas abgeandert, damit sie etwa dem (a)

250

E. FRt)SCHLE

z-Q47

PF

EL

oE

* ABB. 4. Ersatzschaltung nach LEMKIV) : Giiltig fiir Betriebsfrequenzen f zwischen 300 und 1000 MHz mit: Betrag der Steilheit S = &cfolf)O,40 Phase der Steilheit $ =_ $-i(L/jo) oso = 200 mS” 40 = 26” c = 0,8” Fiir Rcc und CO wurden Mittelwerte eingesetzt (Werte nach(l’J) in Klammer).

Mittelwert aller hergestellten brauchbaren Transistoren entsprechen. Die ungewiihnliche Frequenzabhangigkeit der Steilheit in Abbildung 4 ist im wesentlichen eine Folge der Zuleitungsinduktivitaten. Bezieht man die Steilheit anstatt auf die Eingangspannung Ul-was fiir Schaltungsanwendungen giinstiger ist-auf die Spannung im inneren Transistor, so andert sich Betrag und Phase bis etwa 600 MHz nur wenig gegen ihren NF-Wert von ca. 60 mS. In zwei Punkten ergeben sich jedoch Unterschiede zu normalen Trioden: Bei UHF-Transistoren mit Basisquerfeld ist, wie in Abb. 3 gezeigt wurde, die Kollektoremitterkapazit% C,, w 0,6 pF grosser als die Kollektorbasiskapazit;it C,$ M 0,25 pF. Ferner lasst sich der Transistoreingang nur in einem gewissen Frequenzgebeit mit festen Eingangsgrossen darstellen. Dies liegt an den verteilten Kapazitaten zwischen Basis und Emitter, insbesondere im nichtemittierenden Teil der Emitterzone. So ist z.B. der Eingangsleitwert fur den untersuchten Transistor bei tiefen Frequenzen nur etwa halb so gross, wie er nach Abb. 4 sein miisste. (b) Transitfrequenz fT

Die Transitfrequenz fT wurde aus der bei f = 600 MHz gemessenen Stromverstarkung /3 nach der Formel fT = pf berechnet. Fur den

Arbeitspunkt - UoE = 5V, IE = 4 mA, welcher such der Ersatzschaltung Abb. 4 zugrunde liegt, war ihr Mittelwert fT M 1800 MHz, Spitzenexemplare gingen bis fT x 2400 MHz. Abbildung 5 und 6 zeigen die typische Abhangigkeit des fT vom Emittergleichstrom IE bzw. von der Kollektorspannung UC,.

ABB. 5. Abhtigigkeit

des fT von I~=4rnA.

UCE

bei konstantem

(c) Leistungsverstiirkung und Rauschen

Bei 800 MHz betrug die mit voller Neutralisation und Anpassung gemessene mittlere Leistungsverstirkung in Emitterschaltung fur obigen Arbeitspunkt etwa IJpopt = 12 dB. Die Rauschzahl lag dabei im Mittel bei etwa 3 kTo. Bei 1400 MHz und etwas hijherer Kollektorspannung - ucE = 1OV konnten normalerweise noch etwa 10 dB

EIN UHF-TRANSISTOR

Versttikung bei erreicht werden.

einer

MIT

BASISQUERFELD

Rauschxahl

von 4,5 kT0

2000MHz

FUR

DAS FREQUENZGEBIET

UM 1000 MHz

251

In Abb. 7 ist 1/fTgegen 1/Io fiir einen typischen normaler Fertigung mit Querfeldtransistor pc = 0,5 &cm und fiir einen Transistor mit pc = 3 Q-cm, aber sonst gleichem Herstellungsverfahren, aufgetragen. Die Messfrequenz betrug 600 MHz. Die Kurven bei anderen Transistoren dieser Serien waren meist sehr Ihnlich.

1500MHz 1300MHz

ABB.

(d)

6.

JE

5mA

OmA

Abhbgigkeit

des fT van -uca = SV.

1~ bei konstantem

i?bra& Daten

Der Kollektorreststrom der Transistoren lag im Mittel fur - Uon = 10 V bei etwa 3 PA ( < 10 PA), die Durchbruchsspannung bei - Uo~o M 16 V (> 1OV). Fiir den Arbeitspunkt 1~ = 4mA, - UoE = 5 V war zum Betrieb ein Basisstrom von ca. 0,70 mA ( < 1,l mA) notwendig. Die NF-Steilheit in diesem Arbeitspunkt lag im Mittel bei S M 6OmA/V ( >2.5 mA/V) und wurde im wesentlichen durch den Emittervorwiderstand bestimmt. Die NF-Stromverstarkung betrug etwa j3 = 20-60. 7. VERGLEICH

DER

DER

MESSWERTE

MIT

THEORIE

(a) Tramitfrequenz f~

Nach

KIRIW

fT eines Transistors &

=

gilt fur die Transitfrequenz die Gleichung:

~b+~c+~c%+(~es~T/k’)

(7)

ist dabei die Basislaufzeit, T, die Sperrschichtlauafzeit, R& die Zeitkonstante des Kollektorvorwiderstandes R, und der Kollektorkapazitit CC. Bei nicht zu hohen Stromdichten sind diese Glieder unabhPngig von Kollektorgleichstrom zur Eingangszeit-konstantIc, im Gegensatz C&JT/I~ der Basis-Emittersperrschichtkapazitat c,,.

Tb

l(mA)-’

ABB. 7. Zur Analyse von fT. Aufgetragen ist l/fT gegen l/It fiir zwei Transistoren mit pe = 3 S&m und pc = 0,s Cl-cm. Parameter - Ucs in V. Die gestrichelte Linie zeigt die Extrapolation von 7.

Fiir kleine Kollektorstriime gibt 1/fTgegen 1/1c entsprechend Gleichung 7 eine Gerade. Mit steigender Stromdichte durchlauft fT ein Maximum und fallt dann sehr rasch ab. Dies ist nachol) zu erwarten, wenn die Kollektorstromdichte io so gross wird, dass die Raumladung icm/wm der mit der maximalen Geschwindigkeit v,,, driftenden Defektelektronen die feste Raumladung -eNA der ionisierten Akzeptoren in der Sperrschicht nahezu neutralisiert. Dadurch nimmt die Feldstarke in der Kollektorsperrschicht ab und die Basiszone weitet sich aus. Die maximale Stromdichte icm betragt nach FR&CHLE(~) - Abb. 6 - ic,,, = 63 A/mm2 fur pc = 0,s &cm und 9,2 A/mm2 fiir pc = 3 O-cm. Bei einer Emitterf%che von 45 x 45 p und einer Emissionseinengung auf Bw = &/17,5 (siehe

2.52

E.

FRt)SCHLE

Gleichung 6) errechnen sich daraus maximale Kollektorstrijme von 7,3 mA bzw. 1,lmA. Die Minima der Kurven von Abb. 7 liegen bei 4mAbis6,5mAbzw. 1,5mAbis2,5mA,alsozum Teil wesentlich hoher als nach obigem zu erwarten ist. Dies riihrt daher, dass durch die Aufweitung der Basis der spezifische Basisflachenwiderstand an der emittierenden Stelle kleiner und damit Bw grosser wird (s. Abschnitt 3). Verllngert man die linearen Teile der Kurven aus Abb. 7, so kann man versuchen, aus dem Anstieg die statische Kapazitat Ces, aus ihrem Achsenschnittpunkt die iibrigen Grossen der Gleichung 7 zu bestimmen. Es ergibt sich so C,, = 4,3 pF, welches zum Teil wohl durch die Kapazitat zwischen der Emitterzone und der Legierungszone der Basiselektrode, sowie durch die Sockelkapazitat verursacht wird. Die sich aus der Extrapolation Ic-tco aus Abb. 7 ergebenden Werte 7 = 7b+Tc-!-CcRc wurden in Abb. 8 gegen d( - UCB) aufgetragen, ausserdem die theoretischen Werte von 7e = wc/(2vm) fiir eine konstante Driftgeschwindigkeit V~ = 5 *lOs cm/sek. wc ist die jeweilige Dicke der Kollektorsperrschicht.

ABB. 8. Aufgetragen

ist 7 gegen Z/UCB fi_ir die Transistoren der Abb. 7. Zum Vergleich errechnete Werte fiir Sperrschichtlaufzeit 7. gestrichelt.

Bei hohen Kollektorspannungen verlluft 7 parallel zu TV.Das Minimum von 7 kann durch die Zeitkonstante R,C, des Kollektorvorwiderstandes erklHrt werden. Sie ist proportional lJc~-e95 und macht sich daher besonders bei niedrigen Kollektorspannungen bemerkbar. Fur eine befriedigende ffbereinstimmung mit den Messwerten

miisste bei - U~B = 4 V fiir R,C, = 5 *lo-1s sek, bzw. 35 *lo-12 sek (3 Q-cm), fur 76 etwa 5 bis 7.10-12 sek angesetzt werden. Letzteres ist etwa die halbe Differenz T-T~ bei hohen Spannungen. Setzt man fiir ReCc nach Abb. 4 Kapazitat und Verlustwiderstand der ganzen Mesa bei - Ucs = 4,5 V ein, so erhalt man Rcc,(Cc,,,+Cc,b,) M 12*10_1ssek. Dieser Wert ist zu hoch, der untere Grenzwert (Kapazitat und Ausbreitungswiderstand der emittierenden FlHche mit der Breite Bw) von 1,s~ lo-12 sek zu klein. An einigen Scheiben gleicher Herstellung wurden im Mittel Basisflachenwiderstande Rs von etwa 550 0 und aus Schragschliffen Basisdicken von ca. 0,4~ gemessen. Dies entspricht einem Diffusionsprofil mit einer maximalen Basisdotierung von etwa 101s cm-a. Dafiir errechnet sichos) eine Basislaufzeit von ca. 15.10-1s sek, welche jedoch etwas zu hoch sein diirfte, weil fur die Beweglichkeit der Defektelektronen ein konstanter Wert von 560 ems/V sek, entsprechend einer Basisdotierung von 101s cm-s eingesetzt wurde. Insgesamt ergibt sich, dass obige Aufteilung auf 76, -rc und R,C, nicht im Widerspruch zu anderen Messungen steht. Jedoch kann ein Teil der hohen Laufzeit bei kleinen Spannungen such durch Basisaufweitung verursacht sein.

Die Verstarkung von HF-Transistoren wird im allgemeinen durch die Angabe einer Frequenz fmax charakterisiert, welche man aus der unilateralen Leistungsverstarkung U nach kfASON(13) bei der Frequenz f zu fmax = d/u-f erhnlt. Sie ist bei einem Abfall von U N des T ansistors identisL2 mit der Schwinggrenze r Errechnet man fmax aus den von LEMKE(~@ fur den Arbeitspunkt IE = 4 mA, - UCS = 5 V gemessenen Vierpolparametern, so steigt fmax von etwa 2500 MHz bei f = 200 MHz, tiber f max = 3440 MHz bei f = 600 MHz, auf fmax = 3650 MHz bei f = 1000 MHz an. Die unilaterale Leistungsverstarkung U fallt also bei dem beschriebenen UHF-Transistor mit Basisquerfeld langsamer als f-sab. Fur den wesentlich gtinstigeren Arbeitspunkt IE = 4 mA, - UCE = 10 V wurden in Emitterschaltung nach voller Parallelneutralisation@) im Mittel bei f = 1400 MHz Leistungsverstarkungen von VP opt 63 10 gemessen, was wegen V, opt 53 U

EIN UHF-TRANSISTOR

MIT BASISQUERFELD

einer Grenzfrequenz fmax M 4500 MHz entsprethen wiirde. Bei diesen Frequenzen macht sich schon der Widerstand des homogenen Kollektorkijrpers stark bemerkbar. Eine AbschPtzung an Hand des Ersatzbildes der Abb. 4 ergibt, dass U bei 1400 MHz ohne Kollektorvorwiderstand etwa doppelt so gross wPre. Durch Verwendung eines Ausgangsmaterials, welches auf einem niederohmigen GrundkBrper eine diinne, epitaxial aufgewachsene, schwgcher dotierte (p w 0,5 o-cm) Schicht besitzt, kijnnte dieser Verstlrkungsverlust weitgehend verhindert werden. Da der Transistor fiir den vorgesehenen Betrieb bei 800 MHz jedoch eine ausreichende Verstlrkung besitzt, wurde davon Abstand genommen. Zum Vergleich mit der theoretischen Schwinggrenze eines idealisierten epitaxialen Mesa-Transistors nach@) sol1 jedoch fiir den Querfeldtransistor ebenfalls ein vernachl%ssigbarer Kollektorvorwiderstand, d.h. einfmax = 4500.62 MHz = 6400 MHz vorausgesetzt werden. Aus FR&CHLE@) Folgt, dass diese Schwinggrenze fmaxdieselbe ist, welche ein streifenfiirmiger, epitaxialer Mesa-Transistor mit gleichem Dotierungsverlauf in der Basis, 16 p Emitterbreite und 8 p Abstand zu dem beiderseits des Emitters angeordneten zwei Basiskontakten bei optimaler Dimensionierung theoretisch erreithen sollte, wenn dessen Basisfllchenwiderstand unterhalb und ausserhalb des Emitters gleich ist. Der Querfeldtransistor rauscht jedoch wesentlich weniger als diese gleichwertige Mesastruktur, weil sein lusserer Basiswiderstand kleiner ist und sich praktisch die gesamte Emission schon im Kleinsignalbetrieb hochfrequenzm;issig durchsteuern 1Hsst. 8. ZUSAMMENFASSUNG

Es wird eine UHF-Transistorordnung beschrieben, bei welcher durch eine metallische Kurzschlussbriicke zwischen Emitterzone und einer zweiten Basiselektrode ein Querfeld in der Basiszone erzeugt wird. Man e&It mit nur drei Zusseren Anschliissen eine Einengung der Emission auf die unmittelbare Umgebung der Basiselektrode, Ihnlich wie bei Transistortetroden. Damit ist es mijglich, trotz relativ grosser Abmessungen und Toleranzen UHF-Transistoren mit guter

FUR DAS FREQUENZGEBIET

UM 1000 MHz

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VerstPrkung (ca. 10 dB bei 1400 MHz) bei niedriger Rauschzahl (ca. 4,5 KTo) zu bauen, welche gleichzeitig eine hohe fT--Frequenz von etwa 1800 MHz besitzen. Es handelt sick hierbei umpnp-Transistoren aus Germanium. Die Transistorelemente (gleichzeitig etwa 500) wurden in Scheibentechnik unter Verwendung von Photomaskierungsund galvanischen Abscheidungsverfahren hergestellt, und dann Ihnlich, wie es bei HF-Transistoren nach der PAD-Technikcs) iiblich ist, aufgebaut und kontaktiert. Messungen der Strom- und Spannungsabtingigkeit von fT gaben befriedigende ubereinstimmung mit den theoretischen Werten. Anerkennung--Der experimentelle Teil dieser Arbeit wurde im Rahmen der Halbleiterentwicklung der Firma Telefunken AG., Heilbronn am Neckar, durchgefiihrt. Zur Lijsung der verschiedenen technologischen Probleme, welche im Zusammenhang mit der Herstellung solcher Transistoren auftraten, haben die Herren Ing. C. Steppat, Dipl.-Phys. J. Wolf, Ing. J. Biering, Ing. P. Conze, Ing. W. Schliberl sowie Ing. G. Bratrich und Ing. W. Burmeister wesentlich beigetragen. Die Herren Dipl.-Ing. W. Minner, Dipl.-Ing. K. Bomhart und Dr. H. Rieck entwarfen die UHFSchaltungen und Messgergte fiir diese Transistoren und unterstiitzten mich durch anregende Diskussionen. Ihnen allen, sowie Herrn Prof. Dr. H. Beneking mlichte ich an dieser Stelle vielmals danken.

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