ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР С СИММЕТРИЧНОЙ ВОЛЬТАМПЕРНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКОЙ Российский патент 1996 года по МПК H01L29/74 

Предлагаемое изобретение относится к области полупроводниковых приборов, а более конкретно к интегральным полупроводниковым приборам с симметричными вольтамперными характеристиками: симметричным стабилитронам (диодам Зенера) и диакам (двухэлектродным симметричным лавинным n-р-n транзисторам).

Известные конструкции симметричных стабилитронов и диаков (1) изготавливаются по меза-технологии путем диффузии фосфора в исходную кремниевую пластину р-типа проводимости; диаки получаются при таком процессе изготовления в случае когда р-база достаточно тонкая (10-30 мкм); при достаточно широкой р-базе прибор эквивалентен двум встречно включенным диодам Зенера.

Симметричные стабилитроны, выполненные по известным конструкциям, имеют повышенные разброс и несимметричность напряжения пробоя, а также температурный коэффициент напряжения пробоя.

Недостатком диффузионных диаков является также зависимость напряжения переключения от температуры и технологический разброс напряжения переключения. Анодные электроды приборов в известных конструкциях выходят на противоположные поверхности кристалла, что неудобно для сборки с применением поверхностного монтажа.

Известны полупроводниковые приборы с симметричными вольтамперными характеристиками, например, двунаправленные ключи (КДК) (2), известные также как Silicon Bidirectional Shwith (SВS) (3), выполненные на основе кремниевой n⁺-подложки с n-эпитаксиальным слоем, содержащие две продольные (латеральные) р-n-р-n тиристорные структуры, выполненные в n-эпитаксиальном слое таким образом, что они имеют общую n-базу, анодный электрод первой тиристорной структуры соединен с катодным электродом второй структуры при помощи металлизации и образует первый анодный вывод прибора, анодный электрод второй тиристорной структуры соединен с катодным выводом первой тиристорной структуры при помощи металлизации и образует второй анодный вывод прибора, в n-эпитаксиальном слое расположены также два диода Зенера, шунтирующие соответствующие коллекторные р-n переходы р-n-р-n продольных тиристорных структур, причем напряжение пробоя диодов Зенера менее напряжения пробоя соответствующих коллекторных р-n переходов р-n-р-n тиристорных структур.

Однако данные приборы представляют собой симметричные тиристорные ключи и имеют вольтамперные характеристики S-типа и не могут использоваться в качестве симметричных стабилитронов или диаков.

В таких полупроводниковых приборах не требуется принятия специальных конструктивных мер для изоляции компонент, т.к. n-эпитаксиальный слой выполняет роль разделяющего слоя в случае, если прибор находится в закрытом состоянии.

Наиболее близким к предлагаемому полупроводниковому прибору с симметричной вольтамперной характеристикой является кремниевый двунаправленный ключ (КДК) (4), типа КУ503А, Б, В, использующий технические решение (2), изготавливаемые на основе кремниевой n⁺ подложки с n-эпитаксиальным слоем, содержащий две продольные (латеральные) р-n-р-n тиристорные структуры, выполненные в n-эпитаксиальном слое таким образом, что они имеют общую n-базу, анодный электрод первой тиристорной структуры соединен с катодным электродом второй структуры при помощи металлизации и образует первый анодный вывод прибора, анодный электрод второй тиристорной структуры соединен с катодным выводом первой тиристорной структуры при помощи металлизации и образует второй анодный вывод прибора, в n-эпитаксиальном слое расположены также два диода Зенера, или две группы диодов Зенера, соединенные металлизацией в две цепи с последовательным соединением по меньшей мере двух диодов Зенера, шунтирующие соответствующие коллекторные р-n переходы р-n-р-n продольных тиристорных структур, причем напряжение пробоя диодов Зенера или цепей из последовательно соединенных диодов Зенера менее напряжения пробоя соответствующих коллекторных р-n переходов р-n-р-n тиристорных структур.

В указанных известных полупроводниковых приборах ширина n-базы тиристорных структур (W) менее трех диффузионных длин пролета неосновных носителей заряда в n-базе (3 Lp).

Предлагаемая конструкция интегральных полупроводниковых приборов позволяет получить приборы с вольтамперными характеристиками симметричных стабилитронов или диаков, благодаря тому, что в ней ширина n-базы продольных р-n-р-n тиристорных структур (W) и расстояния ( Wi, i 1,2.) между р-эмиттерами р-n-р-n тиристорных структур и р-областями диодов Зенера более трех диффузионных длин пролета неосновных носителей заряда в n-эпитаксиальной области (Wi>3Lр, i 1.2.). Указанные условия (W, Wi>3Lp, i 1.2.) не позволяют р-эмиттеру р-n-р-n тиристорных структур инжектировать неосновные носители в р-базы тиристорных структур или р-эмиттеры диодов Зенера, благодаря чему не возникает эффект защелкивания тиристорной структуры. В то же время эмиттерный р-n-переход тиристорной структуры блокирует ее при отрицательном напряжении на р-эмиттере. При этом в случае, если напряжение пробоя диода Зенера (или последовательной цепочки диодов Зенера) Vst менее граничного напряжения n-р-n составной структуры тиристора Vкэо гр. прибор имеет вольтамперную характеристику симметричного стабилитрона с напряжением пробоя Vпр равным Vпр Vst + 2 Vрn, где 2Vрn суммарное напряжение на эмиттерных р-n переходах р-n-р-n тиристорной структуры.

В случае, если напряжение пробоя диода Зенера (или последовательной цепочки диодов Зенера) Vst более граничного напряжения n-р-n составной структуры тиристора Vкэо гр. но менее напряжения пробоя коллекторного р-n перехода n-р-n составной структуры (Vк) прибор имеет симметричную вольтамперную характеристику диака со стабилизированным значением напряжения переключения: Vs Vst+2 Vрn.

Значение Vst определяется числом последовательно включенных диодов Зенера (k) и напряжением пробоя одиночного диода Зенера (Vz).

Предлагаемое изобретение позволяет создать конструкции симметричного стабилитрона и диака с электродными выводами, расположенными в одной плоскости, пригодными для поверхностного монтажа приборов.

Продольный разрез одной из двух симметричных частей структур полупроводникового прибора приведен на фиг.1
Топологический чертеж полупроводникового прибора приведен на фиг.2
Линия А А на чертеже разделяет I и II симметричные части прибора.

Эквивалентная электрическая схема прибора, не учитывающая паразитные структуры, например, р-n-р транзисторы с мирскими n-базами, показана на фиг. 3.

Виды вольтамперных характеристик вариантов выполнения полупроводникового прибора приведены на фиг.4 и 5.

Приняты следующие условные обозначения:
1 кремниевая n⁺ подложка,
2 эпитаксиальный слой n-типа,
3 р-эмиттер тиристорной р-n-р-n структуры,
4 р-база тиристорной р-n-р-n структуры,
5,6 р-эмиттеры диодов Зенера,
7 n⁺ эмиттер тиристорной р-n-р-n структуры,
8,9 n⁺ базы диодов Зенера,
10 n⁺ область с повышенной концентрацией донорной примеси (контактная область к эпитаксиальному слою 2),
11 диэлектрик (двуокись кремния),
12 контактная область к аноду тиристора,
13 контактная область к катоду тиристора,
14, 15, 16 металлические соединения между диодами Зенера и базами тиристора,
17 контактная область к n⁺ кремниевой подложке,
18-25 контактные окна к областям 3, 7, 2, 9, 6, 8, 5, 4,
26,27 n-р-n транзисторы,
28-31 диоды Зенера,
32-33 диоды,
34 первый анодный вывод полупроводникового прибора,
35 второй анодный вывод полупроводникового прибора,
36 третий электродный вывод полупроводникового прибора,
W расстояние между р-эмиттером 3 и р-базой 4 тиристорной структуры.

Области 4, 5, 6 в соответствии с фиг.1 и 2 располагаются также не ближе расстояния W от области 3.

Полупроводниковый прибор может быть изготовлен на кремниевой эпитаксиальной структуре (1,2 фиг.1) n-n⁺ типа с сопротивлением эпитаксиального слоя порядка 1-10 Ом см, толщиной 5-60 мкм путем диффузии бора и форсфора через маски, выполненные из двуокиси кремния (11) обычными методами планарной технологии. Металлические соединения (12-16) осуществляют напылением алюминия. Значение ширины п базы W на практике составляет величину порядка 50-200 мкм.

При подаче положительного напряжения на электрод 12 относительно электрода 13 (фиг. 1, 2) или соответственно между шинами 34 и 35 (фиг.3) после пробоя диодов Зенера 5-8, 6-9 (фиг.1, 2) или 30, 31 (фиг.3) большая часть тока протекает через диодную структуру 3-2-1 (фиг. 1, 2) транзисторную структуру 1-2-4-7 (фиг. 1, 2). Большая часть тепловой энергии рассеивается при этом в коллекторной области (2) транзисторной структуры 1-2-3. Ток по цепи симметричной части структуры 26, 28, 29 (фиг.3) не протекает из-за блокирующего действия диода 33. При изменении полярности напряжения роли первой и второй симметричной части структуры прибора взаимно меняются.

В случае, если напряжение пробоя диода Зенера (или последовательной цепочки диодов Зенера) Vst менее граничного напряжения n-р-n составной структуры (2, 4, 7 фиг.1) Vкэо гр. вольтамперная характеристика прибора соответствует характеристике симметричного стабилитрона (фиг.4).

В случае, если напряжение пробоя диода Зенера (или последовательной цепочки диодов Зенера) Vst более граничного напряжения n-р-n составной структуры (2, 4, 7 фиг.1) Vкэо гр. но менее напряжения пробоя коллекторного р-п перехода n-р-n Vк после достижения напряжением на шинах 34-35 (фиг.3) значения напряжения переключения Vs транзисторная структура 1-2-4-7 переключается на значение напряжения Vке.гр и ток через диоды Зенера 30, 31 не протекает; вольтамперная характеристика прибора соответствует характеристике симметричного диака (фиг.5). Переключение прибора с напряжения Vs на Vке.гр позволяет при применении прибора в схемах RC-генераторов выделить на нагрузке разностное напряжение (напряжение спада Vсп Vs Vке.гр).

Напряжение пробоя двухсторонних стабилитронов Vпр или напряжение переключения диаков Vs может быть выражено формулами:
Vпр k Vz + 2 Vрn, (при условии k Vz < Vке.гр)
Vs k Vz + 2 Vрn, (при условии Vk > k Vz > Vке.гр)
где к число последовательно соединенных р-n переходов,
Vz напряжение пробоя единичного диода Зенера,
Vрn падение напряжения на р-n переходе 3-2 или на эмиттерном р-n переходе 4-7, включенных в проводящем направлении (Vрп 0,6В),
Vк напряжение пробоя коллекторного р-n перехода составляющего n-р-n транзистора,
Vке. гр-граничное напряжение составляющего n-р-n транзистора
Так как температурный коэффициент напряжения пробоя диодов Зенера изменяет знак с минуса на плюс в диапазоне 5-7 В, а температурный коэффициент для р-n переходов отрицателен, то существует значение Vz, для которого суммарное значение Vпр или Vs обладает наименьшим температурным изменением.

Таким образом, симметричный стабилитрон или диак обладают повышенной температурной стабильностью напряжения пробоя или напряжения переключения в сравнении с аналогичным прибором, выполненным на одиночном диоде Зенера.

Для выполнения условий: Vпр < Vке.гр, или Vk > Vв > Vке.гр. необходимо соответствующим образом выбрать исходную толщину эпитаксиального слоя 2 и его удельное сопротивление, а также ширину р-базы и концентрацию акцепторной примеси в области активной базы.

Так как предлагаемые приборы изготавливаются методами планарной технологии, то предельные значения напряжений пробоя стабилитронов или напряжения переключения могут соответствовать предельным значениям напряжений Vке.гр для симметричных стабилитронов и предельным значениям Vк для диаков, т.е. достигать нескольких сотен Вольт.

В сравнении с известными симметричными стабилитронами или диаками предлагаемое изобретение обеспечивает:
возможность поверхностного монтажа бескорпусных конструкций приборов,
меньший технологический разброс напряжений пробоя или переключения и несимметричность напряжения пробоя и напряжения переключения,
меньший температурный коэффициент напряжения пробоя или напряжения переключения.

Благодаря тому, что при планарном процессе изготовления ширина р-базы может быть выполнена порядка 1мкм для диаков может быть достигнуто лучшее, чем при меза-технологии напряжение спада (Vсп).

Библиографические данные.

(1) Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерения. Изд. "Сов, радио" М. 1968, 78.

(2) Технический справочник. Тиристоры, под ред. В.А.Лабунцова, 1971.

(3) Тhуristor Dаtа bооk, Nеw Yоrk, 1992, р.717.

(4) Технические условия АДБК.423.160.50З ТУ.

Использование: в конструкциях полупроводниковых симметричных стабилитронов и диаков. Сущность изобретения: прибор выполнен на основе n-n⁺ эпитаксиальной структуры, в котором размещены две встречно параллельно соединенные ячейки, содержащие продольную р-n-р-n тиристорную структуру, коллекторный р-n переход который зашунтирован цепью последовательно соединенных диодов Зенера. Особенностью прибора является весьма широкая n-база р-n-р-n структуры, позволяющая избежать эффекта защелкивания, свойственного тиристору. При выборе суммарного напряжения пробоя цепи диодов Зенера менее граничного напряжения n-р-n составного транзистора тиристорной структуры прибор имеет вольтамперную характеристику симметричного диода Зенера. При выборе суммарного напряжения пробоя цепи диодов Зенера более граничного напряжения n-р-n составного транзистора тиристорной структуры прибор имеет вольтамперную характеристику симметричного диака. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Полупроводниковый прибор с симметричной вольтамперной характеристикой на основе кремниевой n подложки с n-эпитаксиальным слоем, содержащий две продольные p-n-p-n тиристорные структуры, выполненные в n-эпитаксиальном слое таким образом, что они имеют общую n-базу, анодный электрод первой тиристорной структуры соединен с катодным электродом второй структуры при помощи металлизации и образует первый анодный вывод прибора, анодный электрод второй тиристорной структуры соединен с катодным выводом первой тиристорной структуры при помощи металлизации и образует второй анодный вывод прибора, в n-эпитаксиальном слое расположены также два диода Зенера или две группы диодов Зенера, соединенные металлизацией в две цепи с последовательным соединением по меньшей мере двух диодов Зенера, шунтирующие соответствующие коллекторные p-n переходы p-n-p-n продольных тиристорных структур, причем напряжение пробоя диодов Зенера или цепей из последовательно соединенных диодов Зенера меньше напряжения пробоя соответствующих коллекторных p-n переходов p-n-p-n тиристорных структур, отличающийся тем, что ширина n-базы продольных p-n-p-n тиристорных структур и расстояния между p-эмиттерами p-n-p-n тиристорных структур и p-областями диодов Зенера более трех диффузионных длин пролета неосновных носителей заряда в n-эпитаксиальном слое. 2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что напряжение пробоя диодов Зенера или цепей из последовательно соединенных диодов Зенера меньше граничного напряжения n-p-n составной транзисторной структуры тиристора. 3. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что напряжение пробоя диодов Зенера или цепей из последовательно соединенных диодов Зенера больше граничного напряжения n-p-n составной транзисторной структуры тиристора.