МОЩНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР Российский патент 1994 года по МПК H01L29/72 

Изобретение относится к области полупроводникового производства, а именно к конструкции мощного биполярного транзистора гребенчатой структуры.

В полупроводниковом производстве широко используется конструкция мощного биполярного транзистора гребенчатой (встречно-штыревой) структуры, имеющего постоянную ширину эмиттерных и базовых гребенок. При этом ширина эмиттерных гребенок выбирается произвольно и соответствует или превышает ширину базовых гребенок (базовая гребенка - расстояние между соседними эмиттерными гребенками). Основным недостатком этой конструкции является значительное снижение коэффициента усиления по току в схеме с общим эмиттером при увеличении тока коллектора (в режиме большого сигнала).

Наиболее близким к изобретению техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является мощный биполярный транзистор гребенчатой структуры. Отличительной особенностью такой конструкции является то, что ширину эмиттерной гребенки задают не произвольно, а в зависимости от диффузионных параметров базы транзистора и требуемого значения коэффициента усиления по току, что позволяет оптимизировать ширину эмиттерных гребенок мощного транзистора и несколько улучшить его усилительные свойства и мощностные характеристики, причем без изменения размеров полупроводникового кристалла мощного транзистора и параметров его диффузионных слоев. При этом ширина эмиттерной гребенки соответствует удвоенному значению "эффективной полуширины" эмиттера, а расстояние между эмиттерными гребенками в 1,5N3,0 раза меньше ширины эмиттерных гребенок.

Недостаток транзистора состоит в значительном снижении коэффициента усиления по току мощного биполярного транзистора в режиме большого сигнала.

Цель изобретения - повышение коэффициента усиления по току мощного биполярного транзистора гребенчатой структуры с постоянной шириной эмиттерных гребенок, причем без изменения размера полупроводникового кристалла мощного транзистора и параметров его диффузионных слоев.

Указанная цель достигается тем, что в конструкции мощного биполярного транзистора гребенчатой структуры с шириной а эмиттерных гребенок, расстояние между эмиттерными гребенками задают переменным, увеличивающимся последовательно от значения b_min на периферии гребенчатой структуры до значения b_max в ее центре и выбираемым в зависимости от ширины эмиттерных гребенок из соотношений
_≅ и _< таким образом, что .

0,70≅ ≅ 0,80.

Процесс снижения коэффициента усиления по току рассматривается как объективный, определяемый диффузионными параметрами транзистора не зависимо от других конструктивных особенностей и обусловленный падением коэффициента инжекции из-за возрастания при высоких плотностях тока концентрации основных носителей заряда в базе и падением коэффициента передачи тока из-за известных эффектов Кирка и квазинасыщения.

Авторы предположили, что развитие известных эффектов у транзисторов гребенчатой структуры можно замедлить, если расстояние между эмиттерными гребенками мощного транзистора задавать переменным, увеличивающимся последовательно от периферии к центру гребенчатой структуры, и обнаружили связь между коэффициентом усиления по току мощного транзистора в режиме большого сигнала и расстоянием между эмиттерными гребенками, выбираемым в зависимости от ширины эмиттерных гребенок. Таким образом, удалось без изменения размера полупроводникового кристалла и параметров диффузионных слоев мощного транзистора увеличить его коэффициент усиления по току. В настоящее время в полупроводниковом производстве не известны другие технические решения, позволяющие получить аналогичный результат. При сохранении размера полупроводникового кристалла и ширины эмиттерной гребенки мощного транзистора переменное расстояние между эмиттерными гребенками можно обеспечить либо за счет перераспределения "постоянного" расстояния между эмиттерными гребенками известной конструкции мощного транзистора при сохранении числа эмиттерных гребенок либо путем увеличения указанного расстояния за счет одной-двух эмиттерных гребенок.

Таким образом, ограничение параметров b_min и b_max снизу обусловлено необходимостью предотвращения преждевременного развития эффектов квазинасыщения и Кирка, а сверху - снижением коэффициента усиления по току из-за уменьшения площади эмиттера, а также ограничением площади самой гребенчатой структуры (т. е. размером полупроводникового кристалла). Ограничение величины b_min/b_max снизу обусловлено необходимостью предотвращения преждевременного развития эффектов квазинасыщения и Кирка и преждевременного развития прямого вторичного пробоя в периферийной части гребенчатой структуры.

Ограничение величины b_min/b_max сверху обусловлено необходимостью преждевременного развития эффектов квазинасыщения и Кирка в центральной части гребенчатой структуры мощного транзистора с неизбежным снижением коэффициента усиления по току в режиме большого сигнала. Таким образом, "произвольное" перераспределение расстояний между эмиттерными гребенками с целью максимального увеличения величины b_max и уменьшения величины b_min без учета ширины самих эмиттерных гребенок не только не приводит к росту коэффициента усиления по току в режиме большого сигнала, но и, наоборот, наряду со снижением коэффициента усиления по току часто наблюдается развитие прямого вторичного пробоя в периферийной зоне гребенчатой структуры.

В полупроводниковом производстве известна конструкция мощного биполярного транзистора гребенчатой структуры с переменным расстоянием между эмиттерными гребенками. Транзистор такой конструкции предназначался для повышения устойчивости к прямому вторичному пробою за счет получения более равномерного поля температур по площади кристалла мощного транзистора. С этой целью расстояние b¹_max между центрами соседних эмиттерных гребенок в центральной области кристалла мощного транзистора задавали по возможности больше расстояния b¹_min между центрами соседних эмиттерных гребенок на периферии кристалла мощного транзистора. Так как расстояния b¹_max и b¹_min не учитывали ширины а самой эмиттерной гребенки, то фактическое расстояние b_max между соседними эмиттерными гребенками в центральной области кристалла мощного транзистора было еще больше фактического расстояния b_min между соседними эмиттерными гребенками на периферии кристалла мощного транзистора.

Так, рекомендованному соотношению
= 0,68 при ширине эмиттерной гребенки а = 0,5 b_max соответствует фактическое соотношение
= 0,53, а при ширине а = b_max имеем
= 0,36. В результате даже при относительно невысоком токе коллектора мощного транзистора ( I_к = 3÷10 А при размере полупроводникового кристалла 5,0 х 5,0 мм) в периферийной зоне кристалла мощного транзистора из-за перекрытия электронных потоков от близко расположенных соседних эмиттерных гребенок возникают области с относительно высокой плотностью тока, что приводит к неизбежному проявлению известных эффектов квазинасыщения и Кирка, приводящих сначала к снижению коэффициента усиления по току, а затем и к преждевременному развитию вторичного пробоя транзистора.

Известная конструкция не нашла применения в полупроводниковом производстве, так как для значительного повышения устойчивости к прямому вторичному пробою она неэффективна, и даже для незначительного повышения устойчивости к прямому вторичному пробою известная конструкция требует значительного увеличения размера кристалла мощного транзистора. Применение известной конструкции с новой целью (для повышения коэффициента усиления по току) по изложенным выше причинам также оказалось неэффективным.

Предлагаемая конструкция мощного транзистора имеет большие возможности по увеличению устойчивости мощного транзистора к прямому вторичному пробою, причем без изменения коэффициента усиления по току по сравнению с известной конструкцией мощного транзистора гребенчатой структуры. Известно, что для повышения устойчивости к прямому вторичному пробою с высокой эффективностью используются так называемые "пинч-резисторы", размещаемые вокруг эмиттерной области между контактным окном базовой металлизации и эмиттерным p-n-переходом. Однако применение пинч-резисторов приводит к снижению коэффициента усиления по току в режиме большого сигнала.

Применение пинч-резисторов в предлагаемой конструкции мощного транзистора позволяет компенсировать падение коэффициента усиления по току. При этом увеличенное расстояние между эмиттерными гребенками в центре гребенчатой структуры позволяет повысить номинал пинч-резистора в самом критичном для прямого вторичного пробоя месте полупроводникового кристалла.

Таким образом, появляется возможность значительно увеличить устойчивость мощного транзистора к прямому вторичному пробою без ухудшения его усилительных свойств по сравнению с известной конструкцией мощного транзистора гребенчатой структуры.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый мощный биполярный транзистор гребенчатой структуры, имеющий коллекторную область первого типа проводимости, базовую область второго типа проводимости и эмиттерную область первого типа проводимости с шириной а эмиттерных гребенок отличается тем, что расстояние между эмиттерными гребенками задают переменным, увеличивающимся последовательно от значения b_min на периферии гребенчатой структуры до значения b_max в ее центре, и выбираемым в зависимости от ширины а эмиттерных гребенок из соотношений
_≅ и _< таким образом, что
0,70 ≅ ≅ 0,80.

Следовательно, заявляемый мощный транзистор отвечает критерию изобретения "новизна".

Проверка соответствия изобретения требованию изобретательского уровня показала, что изобретение не следует явным образом из известного уровня техники.

На чертеже представлена полупроводниковая структура предложенного мощного транзистора, поперечное сечение.

Мощный биполярный вертикальный транзистор содержит в монокристаллической полупроводниковой подложке n-типа высокоомный слой 2 с ρ = 25,0 Ом˙ см толщиной 60 мкм, сильнолегированный слой 1 n⁺-типа с N_s = 7˙ 10²⁰ ат/см³, базовую область 3 р-типа глубиной 16 мкм и N_sб = 6 ˙10¹⁷ ат/см³ и эмиттерную область 4 n⁺-типа глубиной 8 мкм и N_sэ = 7 ˙10²⁰ ат/cм³, состоящую из четырнадцати гребенок шириной а = 100 мкм с переменным расстоянием между ними, увеличивающимся от b_min = 130 мкм на периферии кристалла до b_max= 170 мкм в центре кристалла, т. е.

= = 0,75. Указанный транзистор имеет коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала h _21э (I_к= 6А) = 22 и при размере кристалла 4,4 х 4,4 мм при U_кэ = 15В рассеивает мощность 60 Вт (т. е. I_к = 4 А). Транзистор известной конструкции с постоянным расстоянием между эмиттерными гребенками b = 130 мкм имеет при том же размере кристалла и ширине эмиттерной гребенки коэффициент усиления по току h_21э (I_к = 6 А) = 16, а транзистор известной конструкции с переменным расстоянием между эмиттерными гребенками b_min = 130 мкм и b_max, выбираемым из соотношения = 0,68, что при ширине эмиттерной гребенки а = 100 мкм соответствует b_max = 240 мкм, т. е.

= = 0,42 имеет при том же размере кристалла коэффициент усиления по току h_21э(I_к= 6 А) = 14.

Таким образом, применение предлагаемой конструкции мощного транзистора позволит повысить его коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала и/или значительно повысить его устойчивость к прямому вторичному пробою, без снижения коэффициента усиления по току.

Использование: область полупроводникового производства. Сущность изобретения: мощный биполярный транзистор гребенчатой структуры имеет коллекторную область первого типа проводимости, базовую область второго типа проводимости и эмиттерную область первого типа проводимости с шириной эмиттерных гребенок a. Новым в конструкции мощного транзистора является то, что расстояние между эмиттерными гребенками задают переменным, увеличивающимся последовательно от значения b_min на периферии гребенчатой структуры до значения b_max в ее центре и выбираемым в зависимости от ширины эмиттерных гребенок из соотношений a/2≅b_min≅3a/2 и 3a/2<b_max<2a таким образом, что 0,70≅b_min/b_max0,80. 3 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. МОЩНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР гребенчатой структуры, имеющий коллекторную область первого типа проводимости, базовую область второго типа проводимости и эмиттерную область первого типа проводимости с шириной a эмиттерных гребенок, отличающийся тем, что расстояние между эмиттерными гребенками выполнено переменным, увеличивающимся последовательно от значения b_min на периферии гребенчатой структуры до значения B_max в ее центре и выбираемым в зависимости от величины a из соотношений a/2 ≅ b_min ≅ 3_a/2 и 3_a/2 < b_max < 2_a так, что 0,7 ≅ b_min/b_max ≅ 0,8. 2. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что в базовой области между эмиттерными гребенками по крайней мере в центре гребенчатой структуры сформированы пинч-резисторы. 3. Транзистор по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что эмиттерная и/или базовая области выполнены дискретными. 4. Транзистор по пп. 1 - 3, отличающийся тем, что базовая область выполнена глубиной 12 - 28 мкм, с поверхностным сопротивлением 16 - 1400 м/ □ и сформирована в высокоомном слое глубиной 45 - 65 мкм и с удельным сопротивлением 15 - 35 Ом · см.