БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР Советский патент 1994 года по МПК H01L29/73 

Изобретение относится к электронной технике, в частности к полупроводниковым приборам, имеющим, по крайней мере, два p-n-перехода.

Известны полупроводниковые приборы с тремя зонами чередующихся типов проводимости, имеющие высокую концентрацию примесей в области инжектирующего p-n-перехода.

Недостатками таких приборов являются низкое пробивное напряжение p-n-перехода эмиттер-база, повышенная концентрация дефектов в области p-n-перехода эмиттер-база и связанные с ней высокий уровень шума и невысокая предельная плотность эмиттерного тока.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является биполярный транзистор, содержащий полупроводниковую подложку с областями эмиттера первого типа проводимости, включающего высоколегированный и слаболегированный участки, базы второго типа проводимости, включающей высоколегированный пассивный участок, который охватывает слаболегированный активный участок, а также коллектора.

Известно, что основная часть эмиттерного тока проходит через слаболегированную область по краевым областям, прилегающим к сильнолегированной области базы, поэтому носители, покидающие сильнолегированную область эмиттера, в этой конструкции прибора движутся к коллекторной области не по прямому пути, а отклоняются в горизонтальном направлении к краям слаболегированной базовой области. Прохождение носителями более длинного пути от эмиттера к коллектору приводит к высокочастотному искажению, уменьшает быстродействие прибора и коэффициент усиления мощности на высокой частоте.

Целью данного изобретения является повышение коэффициента усиления мощности на частоте свыше 10⁴ Гц.

Поставленная цель достигается тем, что в известном биполярном транзисторе, содержащем полупроводниковую подложку с областями эмиттера первого типа проводимости, включающего высоколегированный и слаболегированный участки, базы второго типа проводимости, включающей пассивный участок, который охватывает слаболегированный активный участок, а также коллектора, в активном участке области базы сформирована дополнительная высоколегированная зона того же типа проводимости, которая охватывает активный участок базы и примыкает к пассивному участку области базы, при этом проекция слаболегированного участка области базы на поверхность подложки размещена в пределах проекции высоколегированного участка области эмиттера на ту же поверхность, а концентрация примесей (П) и толщина (В) зоны удовлетворяют следующему неравенству:
П₁> П > П₂,
В₁ ≥ В ≥ B₂, где П₁ - концентрация примесей в высоколегированном участке области эмиттера,
П₂ - концентрация примесей в активном участке области базы,
В₁ - расстояние между сильнолегированным участком области эмиттера и областью коллектора,
В₂ - толщина активного участка области базы.

Существо изобретения поясняется чертежом, на котором изображен биполярный транзистор и обозначено: сильнолегированная полупроводниковая подложка 1, область коллектора 2, слаболегированный активный 3 и высоколегированный пассивный 4 участки области базы, дополнительно сформированная высоколегированная зона 5, слаболегированный 6 и высоколегированный 7 участки области эмиттера, слаболегированные области 8 того же, что и область коллектора, типа проводимости, диэлектрик 9, металлические электроды 10, 11, 12 соответственно к области коллектора, базы и эмиттера. Расположение краев слаболегированного участка области базы строго под сильнолегированным участком области эмиттера устраняет горизонтальную составляющую эмиттерного тока в транзисторе; кроме того, введение дополнительной зоны уменьшает горизонтальные размеры слаболегированного участка области базы.

Из известного выражения зависимости коэффициента усиления мощности от частоты
K = , r_б=r_oS/L - сопротивление активного участка области базы,
C_и=С_оSL - емкость истощенного слоя области коллектора,
S - ширина слаболегированного участка области базы,
L - длина слаболегированного участка области базы,
r_o - усредненное значение сопротивления области базы,
C_o - площадь области коллектора на единицу площади слаболегированного участка области базы, следует, что уменьшение ширины слаболегированного участка области базы приводит к увеличению коэффициента усиления: K~ 1/S².

Кроме увеличения коэффициента усиления мощности на частоте свыше 10⁴ Гц, уменьшается сопротивление насыщения слаболегированного участка области эмиттера за счет сокращения пути прохождения основных носителей в слаболегированной области эмиттера. Согласно изобретению, могут быть изготовлены p-n-n- и n-p-n-транзисторы или четырехслойные структуры типа p-n-p-n.

Высокая концентрация примесей в дополнительной зоне по сравнению с активными участками области баз, большая толщина зоны делают возможным эффективный отвод базового тока к сильнолегированным участкам области базы и практически полностью ограничивает ток дополнительной зоны. Введение верхнего предела по концентрации примесей в дополнительной зоне связано с увеличением инжекции в слаболегированный участок области эмиттера при П₁>П₂ и уменьшением коэффициента усиления транзистора.

Кроме увеличения тока эмиттера, повышение однородности эмиттерного тока по площади слаболегированного участка области базы делает данную конструкцию стойкой к большим импульсным токам. Линейные размеры слаболегированных участков в области базы можно делать значительно меньше, чем в конструкции прототипа, так как они формируются в одном фотолитографическом процессе вместо двух-трех процессов при изготовлении прототипа. Следствием этого является улучшение частотных свойств транзистора. Топологическое размещение металлических контактов к базе и эмиттеру в транзисторе не требуют создания большого периметра сильнолегированной области эмиттера, поэтому соотношение площадей базовой и эмиттерной металлизации можно сделать близким к соотношению базового и эмиттерного токов.

Был изготовлен транзистор, содержащий подложку 1 с удельным сопротивлением 0,01 Ом˙см, легированную сурьмой; эпитаксиальную область коллектора 2 с удельным сопротивлением 2 Ом˙см и толщиной 12 мкм, легированную фосфором, слаболегированный участок области базы 3, полученный диффузией бора, толщина зоны 3,5 мк.м, концентрация носителей 5˙10^-16 см^-3; дополнительную зону, полученную диффузией бора, толщиной 5 мкм с концентрацией носителей 2˙10^-18 см^-3, сильнолегированный участок области базы 4, окружающий область эмиттера с концентрацией носителей 5˙10¹⁸ см^-3, полученный диффузией бора, высоколегированный фосфором до концентрации 1˙10²⁰ см^-3 участок области эмиттера 7 толщиной 1 мкм, алюминиевые электроды 11, 10 к области базы, эмиттера и коллектора. Пассивация поверхности была выполнена слоем двуокиси кремния.

Использование изобретения позволит получать биполярные транзисторы с высокими частотными характеристиками, уменьшенным сопротивлением эмиттер-база в открытом состоянии прибора и большим коэффициентом усиления при инверсном включении при сохранении высокого напряжения пробоя p-n-перехода эмиттер-база.

БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР, содержащий полупроводниковую подложку с областями эмиттера первого типа проводимости, включающего высоколегированный и слаболегированный участки, базы второго типа проводимости, включающей высоколегированный пассивный участок, который охватывает слаболегированный активный участок, а также коллектора, отличающийся тем, что, с целью повышения коэффициента усиления мощности на частоте свыше 10⁴ Гц, в активном участке области базы сформирована дополнительная высоколегированная зона того же типа проводимости, которая охватывает активный участок базы и примыкает к пассивному участку области базы, при этом проекция слаболегированного участка области базы на поверхность подложки размещена в пределах проекции высоколегированного участка области эмиттера на ту же поверхность, а концентрация примесей (П) и толщина (В) зоны удовлетворяют следующему неравенству:
П₁ > П > П₂,
В₁ ≥ В ≥ В₂,
где П₁ - концентрация примесей в высоколегированном участке области эмиттера,
П₂ - концентрация примесей в активном участке области базы,
В₁ - расстояние между сильнолегированным участком области эмиттера и областью коллектора,
В₂ - толщина активного участка области базы.