Halbleitertechnologie von A bis Z

Der zweite wichtige Transistortyp neben dem Feldeffekttransistor ist der Bipolartransistor. Seine Funktionsweise beruht auf beiden Ladungsträgern (bipolar), Elektronen und Löchern. Bipolartransistoren sind schneller als Feldeffekttransistoren, beanspruchen jedoch mehr Platz und können somit nicht so kostengünstig gefertigt werden.

Bipolartransistoren bestehen im Wesentlichen aus zwei gegeneinander geschalteten p-n-Übergängen mit der Schichtfolge n-p-n oder p-n-p. Die Anschlüsse des Bipolartransistors werden als Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C) bezeichnet, Emitter und Kollektor besitzen jeweils die gleiche Dotierungsart. Zwischen den beiden Anschlüssen befindet sich die sehr dünne Basisschicht, die dementsprechend jeweils anders dotiert ist.

Beschrieben wird hier ein npn-Transistor in Standard Buried Collector-Bauweise (SBC, vergrabener Kollektor). Die Funktionsweise des pnp-Transistors ist analog dazu, die Vorzeichen der angelegten Spannung müssen lediglich vertauscht werden.

1. Substrat

Grundlage für einen npn-Bipolartransistor ist ein p-dotiertes Siliciumsubstrat, als Dotierstoff dient Bor. Darauf wird ein dickes Oxid (z.B. 600 nm) abgeschieden.

2. Buried-Layer-Implantation

Das Oxid dient als Implantationsmaske, als Dotierstoff wird Antimon Sb eingesetzt, da dies im Vergleich zu Phosphor bei späteren Diffusionsprozessen weniger stark diffundiert. Der stark n⁺-dotierte, vergrabene Kollektor dient als niederohmige Kontaktfläche für den Kollektoranschluss.

3. Homoepitaxie

In einem Epitaxieprozess wird eine hochohmige, schwach n^--dotierte Kollektorschicht abgeschieden (typisch 10 µm).

4. Basis-Implantation

Mit Borionen wird die p-dotierte Basis erzeugt, bei einem anschließenden Diffusionsschritt wird das Gebiet vergrößert.

5. Emitter- und Kollektor-Implantation

Mit Phosphorionen werden die beiden stark n⁺-dotierten Emitter- und Kollektoranschlüsse eingebracht.

6. Metallisierung und Fototechnik

In einem Sputterprozess wird zur Kontaktierung der drei Anschlüsse Aluminium abgeschieden und darüber eine Lackschicht strukturiert.

7. Ätztechnik

Abschließend werden die Anschlüsse für Emitter, Basis und Kollektor in einem anisotropen Trockenätzschritt strukturiert.

Aufgrund von Optimierungen sind Bipolartransistoren heutzutage aus mehr als drei Schichten (npn bzw. pnp) aufgebaut. Die Kollektorzone besteht hierbei immer aus mindestens zwei unterschiedlich stark dotierten Zonen. Die Bezeichnungen npn und pnp beziehen sich nur auf den aktiven inneren Bereich, jedoch nicht auf den tatsächlichen Aufbau.

Die beiden p-n-Übergänge werden im Folgenden als EB (Emitter-Basis) bzw. CB (Kollektor-Basis) bezeichnet. Ohne äußere Spannung bilden sich an EB und CB Raumladungszonen aus (siehe Der p-n-Übergang). Mit einer negativen Spannung am Emitter und einer positiven Spannung am Kollektor wird die Raumladungszone an EB abgebaut, an CB jedoch vergrößert. Wird an der Basis nun eine positive Spannung angelegt, so wird EB leitend - Elektronen gelangen in die Basisschicht. Da diese sehr dünn ist, können die Ladungsträger in den Kollektor injiziert werden, wo sie auf Grund der angelegten positiven Spannung abgesaugt werden. Somit fließt ein Strom von Emitter zu Kollektor. Nahezu alle Elektronen gelangen so bereits bei einer geringen Spannung an der Basis zum Kollektor (>95 %), was bedeutet, dass mit einem relativ kleinen Basisstrom (Emitter zu Basis) ein sehr großer Kollektorstrom (Emitter zu Kollektor) ermöglicht wird.

Die beiden tiefen p⁺-dotierten Gebiete dienen zur seitlichen Isolation gegen andere Bauteile. Neben dem Transistor ist zudem ein Widerstand notwendig (nicht in Grafik), da Bipolartransistoren nicht stromlos angesteuert werden können.