close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY4014

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 4014
(13)
C1
(51)
(12)
7
H 01L 29/72
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
МОЩНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР, УСТОЙЧИВЫЙ
К ОБРАТНОМУ ВТОРИЧНОМУ ПРОБОЮ
(21) Номер заявки: а 19980208
(22) 1998.03.04
(46) 2001.09.30
(71) Заявитель:
Государственное
предприятие
"Завод Транзистор" (BY)
(72) Авторы: Ануфриев Л.П., Голубев Н.Ф., Дударчик
А.И., Матюшевский А.П., Рубцевич И.И. (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное предприятие
"Завод Транзистор" (BY)
(57)
1. Мощный биполярный транзистор, устойчивый к обратному вторичному пробою, содержащий коллекторную область с проводимостью первого типа, базовую область с проводимостью второго типа, противоположного первому, примыкающую к коллекторной области с образованием p-n перехода база-коллектор,
эмиттерную область с проводимостью первого типа, примыкающую к базовой области с образованием p-n
перехода база-эмиттер, отличающийся тем, что коллекторная область, примыкающая к планарной поверхности кристалла и базовой области, дополнительно легирована примесью первого типа проводимости на глубину, не превышающую глубины перехода эмиттер-база, причем концентрация примеси первого типа
проводимости в дополнительно легированной коллекторной области выбрана такой, чтобы напряжение пробоя перехода база-коллектор в дополнительно легированной коллекторной области не превышало напряжение пробоя между коллектором и эмиттером за пределами дополнительно легированной коллекторной
области.
2. Мощный биполярный транзистор по п. 1, отличающийся тем, что транзистор выполнен составным по
схеме Дарлингтона.
(56)
RU 2024995 С1, 1994.
SU 1819072 A1, 1995.
US 5184204 A, 1993.
Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. - Л.: Энергоиздат, 1986. С. 32-36.
Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к мощным транзисторам, работающим в схемах с индуктивной нагрузкой в цепи коллектора.
Известно, что работа транзистора в схемах с индуктивной нагрузкой в цепи коллектора связана с большими перенапряжениями, возникающими во время выключения транзистора. Такие перенапряжения могут
BY 4014 C1
привести к обратному вторичному пробою и выходу транзистора из строя. Существует несколько способов
защиты транзисторов от перенапряжения.
Известен интегральный транзистор с защитой от перенапряжения [1], в котором для защиты от перенапряжения используется дополнительный защитный транзистор, включающий области коллектора и эмиттера
первого типа проводимости, область базы второго типа проводимости, противоположного первому, и высоколегированную область, расположенную в базовой области, прилегающую к донной части эмиттера и имеющую тип проводимости базы, причем область коллектора выполнена общей для основного и защитного
транзисторов, эмиттер защитного транзистора соединен с базой основного транзистора, а база защитного
транзистора имеет плавающий потенциал. Пробивное напряжение при разомкнутой базе между коллектором
и эмиттером защитного транзистора меньше значения пробивного напряжения p-n перехода между коллектором и базой основного транзистора. При перенапряжении пробивается защитный вертикальный биполярный транзистор, обеспечивая стабилизацию напряжения коллектор-база основного транзистора, то есть
защиту от перенапряжения.
Однако используемая в данном известном устройстве конструкция из не менее чем двух транзисторов и
их электрическое соединение с помощью металлических шин обладает следующими недостатками.
1. Защитный транзистор занимает определенную площадь, что увеличивает общую площадь прибора.
При увеличении мощности основного транзистора необходимо увеличивать также и площадь защитного
транзистора, то есть для транзисторов большой мощности существенно увеличивается размер кристалла.
2. Емкость защитного транзистора и емкость конденсатора металл-диэлектрик-полупроводник, образованного коллектором и металлизацией, соединяющей электроды основного и защитного транзисторов, подключены параллельно переходу база-коллектор основного транзистора, что приводит к значительному
увеличению емкости прибора.
Известна конструкция полупроводникового прибора с p-n переходом [2], состоящего из полупроводниковой подложки первого типа проводимости, группы активных ячеек второго типа проводимости, противоположного первому, которые создаются в подложке и соединены электродами, области охранных колец
второго типа проводимости, которые окружают область активных ячеек и соединяются с электродами активных ячеек. В данной конструкции пробивное напряжение прибора регулируется изменением глубины
диффузии для ячеек охранных колец так, чтобы при перенапряжении пробой происходил в области охранных колец, обеспечивая стабилизацию напряжения на p-n переходах активных ячеек.
Данная конструкции полупроводникового прибора с системой охранных колец обладает следующими недостатками.
1. Охранные кольца занимают большую площадь за пределами области активных ячеек, что существенно
увеличивает площадь кристалла.
2. Емкость, образованная ячейками охранных колец и полупроводниковой подложкой, подключена параллельно емкости активных ячеек, что существенно увеличивает емкость прибора.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является транзистор, устойчивый к вторичному
пробою [3], содержащий коллекторную область с проводимостью первого типа, первую базовую область с
проводимостью второго типа, противоположного первому, примыкающую к коллекторной области, первую
эмиттерную область с проводимостью первого типа, примыкающую к первой базовой области, вторую эмиттерную область с проводимостью первого типа, вторую базовую область с проводимостью второго типа,
примыкающую ко второй эмиттерной области и к коллекторной области, причем вторая эмиттерная область
омически соединена с первой базовой областью с помощью электрода, а вторая базовая область выполнена
плавающей и является делительным кольцом для первой базовой области. В этом случае пробивное напряжение между коллектором и эмиттером транзисторной структуры, образованной внутри второй базовой области, меньше пробивного напряжения между коллектором и эмиттером основного транзистора, что
обеспечивает при перенапряжении стабилизацию напряжения на основном транзисторе.
Однако вторая базовая область должна быть достаточно широкой для формирования в ней второго эмиттера и обеспечения контактирования к эмиттеру, то есть должна занимать большую площадь и вместе с металлической шиной, соединяющей второй эмиттер с первой базой, существенно увеличивает емкость
транзистора. Кроме того, в известной конструкции первая и вторая базовые области, первая и вторая эмиттерные области формируются в одном и том же технологическом цикле, поэтому при технологических отклонениях пробивного напряжения коллектор-база основного транзистора, например из-за разброса
удельного сопротивления коллектора, соответственно будет изменяться напряжение пробоя вспомогательного защитного транзистора, то есть, порог защиты от перенапряжения не регулируется, тогда как известны
применения, в которых требуется непревышение заданного уровня максимального напряжения, например
автомобильная электроника.
В основу изобретения положена задача повышения устойчивости транзистора к обратному вторичному
пробою с возможным регулированием порога защиты от перенапряжения при одновременном снижении вы-
2
BY 4014 C1
ходной емкости прибора и упрощении конструкции. При этом также появляется возможность уменьшения
размеров кристалла за счет уменьшения ширины делительного кольца или его исключения.
Сущность изобретения заключается в том, что мощный биполярный транзистор, устойчивый к обратному
вторичному пробою, содержащий коллекторную область с проводимостью первого типа, базовую область с
проводимостью второго типа, противоположного первому, примыкающую к коллекторной области с образованием p-n перехода база-коллектор, эмиттерную область с проводимостью первого типа, примыкающую к
базовой области с образованием p-n перехода база-эмиттер, коллекторная область, примыкающая к планарной поверхности кристалла и базовой области, дополнительно легирована примесью первого типа проводимости на глубину, не превышающую глубины перехода эмиттер-база, причем концентрация примеси первого
типа проводимости в дополнительно легированной коллекторной области выбирается такой, чтобы напряжение пробоя перехода база-коллектор в дополнительно легированной коллекторной области не превышало
напряжение пробоя между коллектором и эмиттером за пределами дополнительно легированной коллекторной области, а также в том, что транзистор выполнен составным по схеме Дарлингтона.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен разрез части структуры транзистора, устойчивого к обратному вторичному пробою, где:
1 - низкоомная область коллектора первого типа проводимости,
2 - высокоомная область коллектора первого типа проводимости,
3 - область базы второго типа проводимости, противоположного первому,
4 - область эмиттера первого типа проводимости,
5 - коллекторная область, дополнительно легированная примесью первого типа проводимости,
6 - p-n переход коллектор-база,
7 - p-n переход эмиттер-база,
8 - p-n переход база-коллектор, в коллекторной области, дополнительно легированной примесью первого
типа проводимости,
9 - металлический контакт к базе,
10 - металлический контакт к эмиттеру,
11 - металлический контакт к коллектору,
12 - маска диэлектрического материала.
Предлагаемая конструкция содержит низкоомную (1) и высокоомную (2) области коллектора первого типа
проводимости, область базы (3) второго типа проводимости, противоположного первому, примыкающую к
коллекторной области с образованием p-n перехода база-коллектор (6), область эмиттера (4) первого типа проводимости, примыкающую к базовой области с образованием p-n перехода эмиттер-база (7) и коллекторную
область (5), примыкающую к планарной поверхности кристалла и базовой области (3), дополнительно легированную примесью первого типа проводимости на глубину, не превышающую глубины перехода эмиттербаза (7), причем концентрация примеси первого типа проводимости в дополнительно легированной коллекторной области (5) выбирается такой, чтобы напряжение пробоя перехода коллектор-база (8) в дополнительно легированной базовой области (5) не превышало напряжение пробоя между коллектором (2) и эмиттером
(4) за пределами дополнительно легированной коллекторной области (5). Поверхность кристалла защищена
маской диэлектрического материала (12), в которой сделаны окна для контактов (10) и (9), соответственно к
эмиттеру и базе, контакт (11) к коллектору выполнен на нижней поверхности кристалла.
В предлагаемой конструкции функции защитного транзистора выполняет горизонтальная периферийная
приповерхностная транзисторная структура эмиттер (4) - база (3) - коллектор (5), ограниченная глубиной коллекторной области (5), дополнительно легированной примесью первого типа проводимости. Концентрация
примеси в коллекторной области (5) выбирается из условия, чтобы пробивное напряжение между базой и
коллектором "горизонтального" транзистора было меньше пробивного напряжения между коллектором и
эмиттером вертикального транзистора, и определяется по формуле [4]:
NКП = NKO (UКБО/UКБП)4/3,
(1)
где NКП и NKO - концентрации примесей первого типа проводимости соответственно в областях коллектора
(5) и (2),
UКБО - пробивное напряжение перехода база-коллектор вертикального транзистора, которое измеряется
до формирования области (5),
UКБП - пробивное напряжение горизонтального перехода база-коллектор в пределах коллекторной области (5), дополнительно легированной примесью первого типа проводимости.
Описанная конструкция мощного транзистора работает следующим образом. При перенапряжении пробивается p-n переход база-коллектор (8) в области, ограниченной глубиной слоя (5). Ток, появляющийся в цепи
коллектор-эмиттер, автоматически смещает в прямом направлении переход эмиттер-база (7) вертикального
транзистора. При этом вертикальный транзистор работает в активном режиме при напряжении меньшем,
чем пробивное напряжение коллектор-эмиттер вертикального транзистора.
3
BY 4014 C1
В предлагаемой конструкции защитный транзистор сформирован в пределах области базы (3), занимаемой
основным транзистором, и не требует формирования дополнительной базы и эмиттера за пределами основного
транзистора, а также соединения их металлическим электродом, что увеличивает площадь кристалла и выходную емкость известных конструкций транзистора. Кроме того, величину концентрации примесей в дополнительно легированном приповерхностном слое коллектора можно регулировать в любом заданном
диапазоне, что обеспечивает регулирование порога защиты от перенапряжения.
Транзистор создается следующим образом.
На подложке (1) из легированного полупроводникового материала, например кремния p-типа с низким
удельным сопротивлением (ρ ≅ 0,005 Ом⋅см), выращен эпитаксиальный слой (2) p-типа с более высоким
удельным сопротивлением (ρ ≅ 12 Ом⋅см), чем у подложки, и толщиной примерно 30 мкм. С помощью стандартных способов фотолитографии и диффузии образована область базы (3) n-типа. Область (3) образует со
слоем (2) n-p переход (6).
Далее аналогичными способами в области (3) создается область (4) p-типа гребенчатой или иной другой
известной формы. Область (4) образует с областью (3) p-n переход (7). Затем известными способами измеряются пробивные напряжения между базой и коллектором и между эмиттером и коллектором образованной
транзисторной структуры. После этого стандартными способами фотолитографии, травления и диффузии
область коллектора (2), примыкающая к области (3) и к планарной поверхности, дополнительно легируется
акцепторной примесью на глубину, не превышающую глубины перехода эмиттер-база (7), причем концентрация примеси на поверхности равна величине, рассчитанной по формуле (1) с учетом данных по удельному сопротивлению слоя (2) и результатов измерений пробивных напряжений база-коллектор и эмиттерколлектор, выполненных после создания области эмиттера (4). Затем стандартными способами создается
маска диэлектрического материала, в которой вскрываются контактные окна к областям (3), (4) и (1) и формируются металлические контакты (9), (10) и (11) к областям (3), (4) и (1). Составной биполярный транзистор по п. 2 формулы изготавливается по такому же технологическому маршруту.
Технические характеристики предлагаемых конструкций и прототипа приведены в таблице.
Технические характеристики предлагаемых конструкций и прототипа
Размер
кристалла,
мм2
Емкость перехода
база-коллектор,
Скб пф
Энергия обратного
вторичного пробоя,
Евп, мДж
Напряжение пробоя
перехода коллекторэмиттер,
Uпроб.кэ, В
мин
макс средн.
146
210
180
мин
макс средн.
мин
макс средн.
По прототипу
3,2х3,2
195
230
216
88
95
80
Предлагаемая конструкция по п. 1
3,0х3,0
178
210
190
78
106
92
120
138
130
Предлагаемая конструкция по п. 2
2,7х2,7
154
190
170
74
98
86
116
138
128
Аналогичные результаты получены также на транзисторах n-p-n типа.
Таким образом, применение предлагаемой конструкции позволяет на кристаллах меньшего размера по
сравнению с прототипом достигать более высокие уровни энергии вторичного пробоя с меньшим разбросом
напряжения пробоя, обеспечивает снижение емкости перехода база-коллектор и упрощает конструкцию
прибора, что решает поставленную задачу.
Источники информации:
1. SU 1819072, 1995.
2. US 5184204, 1993.
3. RU 2024995, 1994.
4. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. Л.: - Энергоатомиздат, 1986. - C.
32,36
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
4
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
168 Кб
Теги
by4014, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа