БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР С ИЗОЛИРОВАННЫМ ДИЭЛЕКТРИКОМ ЗАТВОРОМ Российский патент 1996 года по МПК H01L29/10 

Изобретение относится к микроэлектронике и касается конструкции биполярных транзисторов с изолированным затвором как в дискретном исполнении, так и в составе интегральных схем.

Известна конструкция биполярного транзистора с изолированным затвором (БТИЗ) [2] отличие которой от известных ранее ДМОП-транзисторов [1] заключается в основном в том, что для создания ДМОП-транзисторов используются одноименные по типу проводимости с подложкой эпитаксиальные пленки, а для создания БТИЗ-транзисторов разноименные по типу проводимости с подложкой эпитаксиальные пленки. Приведенная конструкция БТИЗ-транзистора при ближайшем расстоянии является оригинально упакованной схемой Дарлингтона, состоящей из силового биполярного n-p-n-транзистора и p-канального управляющего ДМОП-транзистора (или p-n-p силового биполярного транзистора и n-канального управляющего ДМОП-транзистора). Обладая достоинствами МДП-транзистора по входным и биполярного транзистора по выходным характеристикам, БТИЗ-транзистор имеет существенный недостаток, а именно наличие в своей конструкции паразитной тиристорной структуры. Наличие паразитного тиристора значительно ограничивает максимальный управляемый ток коллектора БТИЗ-транзисторов.

Известна также конструкция БТИЗ-транзистора, которая получила также название БИМОП-транзистора, в которой более явно проглядывает схема Дарлингтона. В конструкции БИМОП-транзистора на подложке n⁺- (или p⁺-) типа с эпитаксиальной пленкой n- (или p-) типа, которые являются коллектором БИМОП-транзистора, создаются области биполярного транзистора: база p- (или n) типа и эмиттер n⁺- (или p⁺) типа, а также области ДМОП-транзистора: канальная p- (или n-) типа, примыкающая к базе биполярного транзистора, истоковая область n⁺- (или p⁺) типа, выполненная над канальной областью, область стока n-n⁺- (или p-p⁺) типа, являющаяся одновременно коллектором биполярного транзистора. При этом база биполярного транзистора и исток ДМОП-транзистора электрически соединены между собой материалом, образующим к ним невыпрямляющий контакт [2] В приведенной конструкции БИМОП-транзистора при наличии достоинств БТИЗ-транзистора и отсутствии паразитной тиристорной структуры все же имеются паразитные биполярные транзисторы (вертикальный параллельно ДМОП-транзистору и горизонтальный параллельно переходу эмиттер-база), которые нарушают оптимальные режимы БИМОП-транзистора при высоких токах коллектора и в режиме выключения.

Технический результат, достигаемый при реализации заявленного изобретения, состоит в улучшении характеристик переключения: увеличении тока коллектора максимального, уменьшении времени переключения, уменьшении напряжения насыщения коллектор-эмиттер за счет отсутствия паразитных тиристоров и транзисторов, снижения паразитных емкостей затвора и сопротивлений областей истока или стока МДП-транзистора.

Технический результат достигается тем, что БТИЗ- (и БИМОП-) транзисторы содержат одну или более области, эмиттер, базу, коллектор, исток, сток и затвор, расположенный над канальной областью, при этом роль n⁺- (или p⁺) истока ДМОП-транзистора выполняет материал, образующий невыпрямляющий контакт к полупроводнику канальной области p- (или n-) типа (этот контакт является стоком или истоком). При этом затвор, расположенный над канальной областью, не изменяет своих функций.

Конструкция БТИЗ- (БИМОП-) транзисторов поясняется чертежами.

На фиг. 1а, б и 2а,б 1 эмиттер, 2 база, 3 коллектор, 4 затвор, 5 - канальные области, 6 невыпрямляющие контакты к коллектору, эмиттеру, 7 - диэлектрик, 8 исток, 9 сток. Выводы и соединения электродов показаны условно.

Рассмотрим работу БТИЗ-транзистора, изображенного на фиг.1а. При подключении к области эмиттера и коллектора напряжения в полярности "+" и "-" соответственно ниже U_{проб.кэо} (пробивное напряжение коллектор-эмиттер с оборванной базой), а к затвору относительно коллектора напряжения ниже порогового для n-канала БТИЗ закрыт по полевой и биполярной частям. При приложении к затвору положительного относительно коллектора напряжения, превышающего пороговое, в канальной p-области образуется n-канал, через который коллекторное напряжение подключается к переходу эмиттер-база в прямом направлении, в результате чего эмиттер начинает инжектировать дырки в базу, захватываемые в дальнейшем полем коллектора, т.е. БТИЗ-транзистор открывается по полевой и биполярной частям. При увеличении напряжения затвор-коллектор канал приоткрывается и соответственно увеличивается ток инжекции эмиттера и ток коллектора. Максимальное значение тока коллектора ограничивается только конкретной конструкцией БТИЗ-транзистора и теплоотвода, а не паразитным тиристором, так как в предлагаемой конструкции он отсутствует.

Принцип действия БИМОП-транзистора по фиг.2а во многом схож с описанным выше. При подключении к областям эмиттера и коллектора напряжения в полярности "+" "-" соответственно ниже U _{пробкэо}, а к затвору отрицательного относительно эмиттера напряжения по модулю ниже порогового, БИМОП-транзистор закрыт по полевой и биполярной частям. При приложении к затвору отрицательного относительно эмиттера напряжения, превышающего по модулю пороговое напряжение, в канальной n-области образуется p-канал, через который коллекторное напряжение подключается к переходу эмиттер-база в прямом направлении, в результате чего эмиттер начинает инжектировать дырки в базу и биполярная часть БИМОП-транзистора открывается. При дальнейшем увеличении по модулю отрицательного напряжения на затворе у БИМОП-транзистора произойдет соответствующее увеличение тока коллектора, ограничиваемое только конкретной конструкцией БИМОП-транзистора и теплоотводом, а не паразитными транзисторами, которые в предлагаемой конструкции отсутствуют. Работа транзисторов по фиг. 1б и 2б отличается от приведенных на фиг.1а и 2а только полярностью приложенных напряжений и типом носителей.

Вольт-амперные характеристики предлагаемых БТИЗ (БИМОП)-транзисторов принципиально не отличаются от описанных в [1] кроме увеличения области работоспособности по максимальному току коллектора для предлагаемых конструкций с соответствующим увеличением переключаемой мощности.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания
1. А. Блихер. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. Л. "Энергоиздат", 1986, с. 179.

2. Патент США N4990975, кл. Н01L 29/10, 1991.

Использование: в микроэлектронике. Сущность: биполярный транзистор с изолированным диэлектриком затвором, содержащий одну или более областей эмиттера, базы, коллектора, истока, стока, электрически соединенных по одноименным областям, и затвор, расположенный над канальной областью, которая соединяется в объеме с другими областями одинакового и противоположного типа проводимости. При этом канальная область и соединенная с ней в объеме другая область одинакового типа проводимости соединены по поверхности невыпрямляющим контактом, который примыкает к слою диэлектрика, изолирующего затвор от канальной области. Все это позволяет увеличить ток коллектора максимальный, уменьшить время переключения и напряжение насыщения коллектор-эмиттер за счет отсутствия паразитных тиристоров и транзисторов, снижения паразитных емкостей и сопротивлений, связанных с названным выше невыпрямляющим контактом. 2 ил.

Биполярный транзистор с изолированным диэлектриком затвором, содержащий одну или более областей эмиттера, базы, коллектора, истока, стока, электрически соединенных по одноименным областям, и затвор, расположенный над канальной областью, которая соединяется в объеме с другими областями одинакового и противоположного типа проводимости, отличающийся тем, что канальная область и соединенная с ней в объеме другая область одинакового типа проводимости соединены по поверхности невыпрямляющим контактом, который примыкает к слою диэлектрика, изолирующего затвор от канальной области.