Мощный транзистор с гребенчатой структурой Советский патент 1982 года по МПК H01L23/02 

(54) МОЩНЫЙ ТРАНЗИСТОР С ГРЕБЕНЧАТОЙ СТРУКТУРОЙ

1

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к конструкциям мощных полупроводниковых приборов.

Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является конструкция мощных диффузионных транзисторов с гребенчатой структурой, содержащих основание и крьшису корпуса, электрические вьгооды, компенсирующую накладку, представляющую собой плоскопараллельную пластинку (диск или параллелепипед) обычио из вольфрама или молибдена, на которой. располагается кристалл полупроводника с .транзисторной структурой 1,

Недостатком т1Ш{зисторов подобной конструкции является неоднородное распределение эмиттерного (а значит, и коллекторного) тока вдоль эмиттерных дорожек металлизации из-за падения напряжения на сопротивлении металлизации. Причем с ростом тока зта неоднородность резко увеличивается, .Это в свою очередь приводит к неоднородному распределению мощности и температуры в структуре транзистора. Тепловая обратная связь приводит к еще большему увеличению неоднородного распределения, а при определенных условиях и к выходу прибора из строя в результате теплового пробоя. При зтом проплавление базового слоя в подавляющем больишнстве случаев наблюдается у основания змиттерных зубцов.

Цель изобретения - повышение устойчивости транзистора к тепловому пробою.

Поставленная цель достигается тем, что в мощном транзисторе с гребенчатой структурой, содержащем основание корпуса, крышку, полупроводниковый кристалл с транзисторной структурой и, компенсирующую прокладку, расположенную между основанием и полупроводниковьш кристаллом, и систему выводов, компенсирующая прокладка вьшолнена переменной толщины, увеличивающейся по линейному закону от основания эмиттерных дорожек к их концу, причем угол наклона верхней плоскости прокладки к основанию определяется из соотношеиия ., ,4R-J,, аТ(о) ,58. () где 3с -предельно допустимый или номинал ный ток для данного типа транзис торов; -предельно допустимая или номинальная мощность для данного типа транзисторов; -предельно допустимая температура для германиевых или кремниевых приборов; - падение напряжения на эмиттерном р-п-переходе транзистора; -заряд электрона; -Ширина запрещенной зоны полупроводника;-ширшга эмиттерной дорожки; -полное сопротивление эмиттерной дорожки; -теплопроводность материала прокладки. , На фиг. 1 и 2 представлена конструкция мощного биполярного транзистора с гребенчатой структурой; на фиг. 3 - схема элементарного транзистора гребенчатой структуры; на фиг. 4 - график функции изменения толщ1даы прокладки f (х ) и аппроксимирующей фукиции Z (х); на фиг. 5 - зависимости падения напряжения на эмиттерном переходе { Ч б) и удельного теплового сопротивления от расстояния от основания эмиттерной дорожки к концу. Транзистор содержит основание 1 корпуса, через отверстия в котором проходят электрические выводы эмиттера 2 и базы 3, изолированные от корпуса с помощью диэлектрических втулок 4. На основании корпуса с помощью припоя закреплена компенсирующая накладка 5 клшюобразной формы (т.е. пластина с линейно-переменной толщиной), на которой также с помощью припоя закреп лена полупроводниковая пластина 6 с транзи торной гребенчатой структурой 7 такимобра зом, чтобы направление эмиттерных дорожек от общего основания к концу совпадало с направлением возрастания толщины прокладки. К основанию корпуса с помощью холод ной сварки (или контактной электрической сварки) прикреплена крьш1ка 8 корпуса, гер метично заидищающая структуру от вредных воздействий окружающей атмосферы. На фиг. 3 обозначено: 1о - полный эмиттерный ток tpaiDHCTopa; N - количество дорожек (зубцов) в змиттерной гребенке металлизации; L, а длина и ширина дорожки металлизации. Уменьщение плотности эмиттерного тока от снования к концу эмиттерной дорожки вследствие падения напряжения Hai сопротивлении металлизации компенсируется возрастанием дельного теплового сопротивления элсеттерперехода от основания к концу дорожки (из-за возрастания толщины компенсирующей аладки). Плотность эмиттерного тока в точках, .оттоящих от основания эмиттерной дорожки а расстоянии х, можно записать в следуюем виде: Эд(х) mkTtX) где А - некоторая константа для дашого типа транзисторов, слабо зависящая от температуры; Ед. - ишрина запрещенной зоны полупроводаика; q - заряд электрона; Oggo-падение напряжения на эмиттерном р-п-переходе у основания эмиттерной дорожки в точках X 0; k - постоянная Больцмана; m фактор, учитьгоающий неидеальность эмиттериого р-п-перехода; Т(х) - абсолютная температура р-п-перехода в точках с координатой х; и (х) - падение напряжения на сопротивлении j металлизации. Это падение напряжения возникает из-за протекания по дорожке тока ). Если обозначить через R полное сопротивление дорожки металлизации, то величину U (х j можно найти по формуле и(х ) г где величина Здцр(х )связана с плотностью эмиттерного тойа простым соотношением (x)eij За (Х) const При условии из (3) нетрудно получить 3 (.-i-) (4, ) (фиг- 3) и Представим следующем TX Т(о)+ ЛТ(х), где Т (о} - температура в точках х 0; АТ(к}- величина превышения температуры перехода в точках с координатой х над температурой Т (о) . Условие DjCxIs const означает, что увеличение падения напряжения на сопротивлении металлизации с ростом х компенсируется воз растанием температуры полностью, так что выражение под знаком ехр в формуле (1) не зависит от х, т.е. 4-.360 t, , (, ь) „knc,... где С - некоторая константа, откуда после некоторых преобразований след ет, что 3 3 (. X) const при q,u(x) ДТ(Х) Т(0)ЕЗ-Я. Увеличение температуры вдоль дорожки проще всего создать путем увеличения удельного теплового сопротивления р-п-перехода по мере удаления от начала дорожки, что достигается увеличением толщины компенсирующей накладки, т.е. ДсЗ (X) р дТСХ)Лр(Х)-и,.Зэ(Х) ;iqT, (6) где Др. (х) - приращение теплового сопротивления за счет увеличения толщины компенсирующей накладки ,(х), А, теплопроводность материала накладки; Уц - коллекторное напряжение; Р - мощность, рассеиваемая транзистором. Из (7), (8) и (5) нетрудно получить следующее выражение для ) ; (х.х11 TCo)-cv-R-3o-Uc j (.изБо)-р Vi 1- Таким образом, точное решение задачи дает нелинейный закон изменения толщины накладки, при котором 3j(.x) const, но реализовать такой закон , сложно и нетейю i/jj х . , , поэтому функцию {()( 11 ---j-ljail логично проксимируем с минимальным отклонением 0,5в|. Прямой Z (Х| (фиг.4 59782356 температуру р-п-перехода ТСх) вСинус угла наклона sin а (фиг. 1) верхней ввде:плоскости накладкн находится по формуле ,„,.ие,5а.,-Я„.(«) V При расчете величины sin а необходимо брать а о тах « Р тах. где max предельно допустимые ток и мощность для данного типа транзисторов, поскольку именно этот режим является наиболее опасным с точки зрения влияния сопротивления металлизации на распределение тока (можно брать номинальные значения этих величин GO- 0,7:max; «о результат от этого не изменится). В этом режиме (Ifnax- max) величина Т (о) близка к предельно дощсгимой; TC:, 400 К для германиевых приборов; Tgj 450 Кдля кремниевых приборов. Например, для транзисторов типа КТ 803А % - ,5 эВ; R 0,16 Ом; ,, 10 А; 0 Вт; а 0,015 см и формула (10) дает sin , где Л в Вт/см град. Для накладки из молибдена sin , 0,29; из никеля sin «(-0.0,12; из вольфрама ., S Wo 0,4. Технико-экономические преимущества предлагаемой конструкции состоят в том, что транзисторы подобной конструкщш имеют более равномерное распределение тока, мощности и температуры по структуре и, как следствие, более устойчивы к тепловому пробою, т.е. более надежны, чем транзисторы известной конструкции. Формула изобретения Мощный транзистор с гребенчатой структурой, содержащий основание корпуса, крьплку, полупроводников.ый кристалл с транзисторной структурой и компенсирующую прокладку, расположенную между основанием и полупроводниковым кристаллом, и систему выводов, отличающийся тем, что, с целью повыщения устойчивости транзистора к тепловому пробою, прокладка вьшолнена переменной толщины, увеличивающейся по Л1шейному закону от основания эмиттерных дорожек к их концу, причем угол наклона верхней плоскости прокладки к основанию определяется из соотношения; Я,(о) s.,58,..p -АНгде 3{) - предельно допустимый или номинальный ток для данного типа транзисторов; 797823 Р - предельно допустимая или нои«1нальная могиность для данного типа транзисторов; Т (о)- предельно допустимая температура для германиевых или кремние- 5 вых приборов; и.,. - падение напряжения на эмиттерном р-п переходе транзистора; q - заряд электрона; Ее - ширина запрещенной зоны полупро- 10 водника; 8 а - ширина эмиттерной дорожки; R - полное сопротивление змютерной дорожки; АН - теплопроводность материала прокладкиИсточники ин(|)ормашш, принятые во внимание при экспертизе i. Мазель Е. 3. Мощные транзисторы. М., Чивш-ип тл тс

о N

О

дор ()

(

fpus.:j