Мощный биполярный транзистор Советский патент 1993 года по МПК H01L29/72 

7

L

т

%1

00 s

ю ю о

ы

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, а именно к мощным биполярным транзисторам. Цель изобретения - повышение устойчивости транзистора к вторичному пробою при повышенных значениях напряжения коллектор. - эмиттер. Конструкция транзистора содержит множество сильнолегированных полосок 1, находящихся вдоль зубца на расстоянии друг от друга и соединенных общей слаболегированной областью 2, частично заходящей в область базы. По периметру эмиттера расположена плавающая п+-полоска 3. Слаболегированная область 2 через контактные окна соединяется с металлизацией эмиттера 5, лежащей только над областью эмиттера, металлизация базы 6 расположена непосредственно над областью 7 р-типа, которая контактирует с высокоомной областью коллектора 8, переходящей в сильнолегированную п -подложку 9. Причем расстояние между сильнолегированными полосками одного зубца должно быть меньше, чем расстояние между упомянутыми резистивными областями, а расстояние между сильнолегированными полосками вдоль зубца должно быть не менее двух глубин эмиттерного p-rv-перехода. З ил.

Фиг. 2.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам.

Известно, что для увеличения устойчивости транзистора к вторичному пробою необходимо равномерно распределить ток эмиттерэ по его площади, т.е. исключить локализацию, тока в отдельных участках. Это делается, властности, за счет введения в эмиттер стабилизирующих резисторов, Одним из fenWoeoe; Создания эмиттерных стабилизирующих резисторов является создание между эмиттером и его металлизацией резистивной области одного и того же типа проводимости. Данные резисторы называются диффузионными стабилизирующими. Для практической реализации диффузионных стабилизирующих резисторов существует множество конструктивных способов. .-

Известен способ создания диффузионных распределенных резисторов, размещенных посередине эмиттерной гребенки (зубца). Диффузионные распределенные резисторы создаются с помощью резистивной области, расположенной между сильноле- гиррванными областями. Резистивная область обладает меньшей концентрацией примеси и толщиной, чем сильнолегирован ная область эмиттера. Данная структура эмиттера позволяет равномерно распределить ток по -площади эмиттера, т.е. увеличить устойчивость транзистора к вторичному пробою. Обладая таким достоинством, данная структура не позволяет до- биться в достаточной степени равномерного распределения тока вдоль эмиттерного зубца и, как следствие, не приводит к максимальному увеличению устой. чивости к вторичному пробою.

Существует структура, позволяющая более равномерно распределить ток по площади эмиттера. Это достигается тем, что вокруг эмиттера создается кольцо того же

типа проводимости, что и он сам, которое полностью повторяет конфигурацию эмиттера, при этом кольцо не соединено ни с чем, т.е. имеет плавающий потенциал. Данная структура называется структурой с плавающим эмиттером (ПЭ). Структура с ПЭ способствует снижению концентрации тока по периферии эмиттера и расширяет область безопасной работы в активном режиме.

Наиболее близкой к изобретению является конструкция транзистора, описанная в кн. Мощные высокочастотные транзисторы, / Под ред. Е.З.Мазеля. - М.: Радио и связь, 1985, с.29, у которой эмиттер создается в виде множества отдельных областей в форме кольца или рамки, внутри которых

расположены слаболегированные области, к которым осуществляется омический контакт, база общая. Отдельные эмиттеры создаются посредством общей металлизации.

Это так называемй overlay-транзистор. Дот

стоинство overlay-структуры заключается в

большем отношении периметра к площади

1 эмиттера, следовательно, она обладает

большим максимальным током и, следова0 тельно, более равномерным токораспреде- лением. Преимущество overlay-структуры по сравнению с гребенчатой состоит также в том. что если рассматривать тепловые потоки в обеих структурах, то перекрытие их в

5 первой структуре меньше, чем во второй, отсюда тепловое сопротивление первой структуры меньше. Недостатком overlay- структуры является то, что металлизация эмиттера лежит над эмиттерным. р-п-пере0 ходом, перекрывая р-области между ячейка- ми, что требует специальных мер по защите p-n-перехода от закорачивания металлизацией эмиттера. Кроме того, находящиеся под металлизацией ячейки влияют друг на

5 друга, ухудшая мощностные и переключа- тельные характеристики транзистора.

Перечисленные конструкции, позволяющие получить более равномерное токорас- предёление, каждая в отдельности или в

0 совокупности, хотя и дают положительный эффект, но оставляют возможность дальнейшего совершенствования структуры.

Целью изобретения является повышение устойчивости транзистора к вторичному

5 пробою при повышенных значениях напряжения коллектор-эмиттер.

Данная конструкция обладает преимуществами overlay-структуры и одновременно преимуществами гребенчатой структуры,

0 при этом у нее отсутствуют их недостатки, Структура кристалла обладает таким распределением тока по площади, которое позволяет увеличить устойчивость транзистора к прямому вторичному пробою

5 при увеличенных напряжениях коллектор - эмиттер. Это достигается тем, что ток эмиттера из-за улучшенного токораспределения меньше стягивается к центру при больших напряжениях коллектор - эмиттер.

0 Для достижения цели в приведенной overlay-конструкции отдельные резистив- ные эмиттерные области объединяются общей резистивной областью, частично заходящей в область базы, а вдоль всей пе5 риферии зубцов эмиттера располагается замкнутая сильнолегированная полоска того же типа проводимости, что и эмиттер. При этом сильнолегированные эмиттерные полоски должны быть удалены друг от друга на расстояние d не менее чем две глубины диффузии эмиттера. Смысл этого расстояния заключается в том, чтобы при боковой диффузии, равной глубине диффузии (предельный случай), соседние полоски не смыкались. Поперечный размер резистив- ной области между сильнолегированными полосками одного зубца эмиттера должен быть не более чем расстояние между упомянутыми резистивными областями, так как при смещениях коллектор-эмиттер макси- мум плотности тока смещается к центру эмиттера. При наличии в эмиттере сильнолегированных полосок и центральной слаболегированной области максимум плотности тока смещается к краям сильно- легированных полосок, прилежащих к центру эмиттера, убывая от периферийных участков. Соответственно под этими местами в коллекторном p-n-переходе выделяется больше тепла. Из картины токораспределения при больших напряжениях коллектор-эмиттер следует, что для того, чтобы равномерно распределить тепловыделение в коллекторе по кристаллу, необходимо сделать поперечный размер ре- зистивной области Wi не более расстояния между слаболегированными областями W2. Удаление сильнолегированных областей и расположение под центром металлизации эмиттера резистивной области исключает в этих областях инжекцию электронов в базу, следовательно, уменьшает взаимное влияние ячеек друг на друга. Кроме того, отсутствие р-области базы под металлизацией эмиттера исключает вероятность закорачи- вания эмиттерного p-n-перехода. По сути дела данная структура является многоэмит- терной, хотя отдельные ячейки и соединены между собой общей резистивной областью.

На фиг.1 изображена конструкция тран- зистора (вид сверху); на фиг.2 - разрез структуры и картина токораспределения при больших напряжениях коллектор-эмиттер; на фиг.З представлена принципиальная электрическая схема.

Структура содержит множество сильнолегированных полосок 1 n-типа, находящихся вдоль зубца на расстоянии d друг от друга и соединенных.общей слаболегированной областью 2 n-типа. Причем Wi - размер резистивной области, расположенной между сильнолегированными полосками одного зубца, a W2 - расстояние между резистивными областями. По периметру эмиттера расположена плавающая г/ -полоска 3. Слаболегированная область 2 через контактные окна 4 соединяется с металлизацией эмиттера 5, лежащей только над областью эмиттера, металлизация базы 6 расположена непосредственно над областью 7 р-типа,

которая контактирует с высоко омЩй областью коллектора 8, переходящей в сильнолегированную п+-подложку 9. Принципиальная электрическая схема предложенной структуры имеет следующие обозначения: Нб - распределенное сопротивление базы; R3 - распределенное сопротивление эмиттера; п - номер ячейки.

Пример реализации. В исходных однослойных эпитаксиальных структурах или пластинах со встречной диффузией с толщиной и сопротивлением высокоомного слоя 8 соответственно dn 90 мкм и р 40 Ом-см и подложкой 9 диффузией бора создается база с параметрами Xj« 15-16 мкм, Kse 100 Ом/ п. После этого создаются п+-поло- ски 1 эмиттера и плавающий эмиттер глуби- ной Xj3 7-9 мкм и поверхностным сопротивлением 1-2 Ом/п, затем ионным легированием с последующим отжигом создается резистивная область 2 с параметрами Rsn 40 Ом/п и Xjn 2 мкм. После формирования диффузионных областей создаются контактные окна 4 к резистивной области 2 эмиттера и базы, затем создается металлизация эмиттера 5, базы 6 и коллектора 8,

Удалось реализовать значение максимальной постоянной рассеиваемой мощности коллектора Рк.макс 250-350 Вт при напряжениях коллектор - эмиттер 100 В. Достигнутые значения по Рк.мзкс по крайней мере в несколько раз превышают значения мощности известных отечественных и зарубежных транзисторов данного класса. При этом транзистор имеет время спада гсп { 0,3 мкспри 1К 5 А, 1б1 А, Ккэ 100 В, граничную Частоту frp 5-10 МГц, граничное напряжение икэо гр 400 В, пробивное напряжение UK6o пр 600 В.

Формулаизобретения

Мощный биполярный транзистор, содержащий гребенчатую структуру с множеством отдельных эмиттерных областей в виде сильнолегированных полосок, соединенных друг с другом резистором, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости транзистора к вторичному пробою при повышенных значениях напряжения коллектор-эмиттер, резисторы, соединяющие эмиттерные области каждого зубца, выполнены в виде общей резистивной области, частично заходящей в область базы, причем размер той части резистивной области, которая расположена между сильнрлегйрб- ванными полосками одного зубца, меньше, чем расстояние между резистивными областями, соединяющими эмиттерные области, принадлежащие соседним зубцам, а расстояние между сильнолегированными полосками вдоль зубца не меньше двух глубин эмит- терного р-п-перехода. причем по периферии

зубцов эмиттера расположена замкнутая, сильнолегированная того же типа проводимости, что и эмиттер, узкая область.

Фиг. 1