close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6250

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6250
(13) C1
(19)
7
(51) H 01L 29/73
(12)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
МОЩНЫЙ БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР
(21) Номер заявки: a 20010137
(22) 2001.02.21
(46) 2004.06.30
(71) Заявитель: Производственное республиканское унитарное предприятие
"Завод Транзистор" (BY)
(72) Авторы: Голубев Николай Федорович;
Ануфриев Леонид Петрович; Рубцевич Иван Иванович (BY)
(73) Патентообладатель: Производственное
республиканское унитарное предприятие "Завод Транзистор" (BY)
BY 6250 C1
(57)
1. Мощный биполярный транзистор, содержащий области коллектора и эмиттера одного типа проводимости, область базы противоположного типа проводимости, выполненную из двух частей с различным содержанием легирующей примеси, омические контакты
к областям базы и эмиттера, сформированные через окна в маске диэлектрического материала, металлические шины, причем часть области базы с большим содержанием легирующей примеси выполнена между краем области эмиттера и омическими контактами к
области базы, отличающийся тем, что область эмиттера выполнена в виде непрерывной
сетки типа мэш-структуры с множеством окон-ячеек правильной геометрической формы,
омические контакты к области базы сформированы в центре каждого окна-ячейки через
окна в маске диэлектрического материала и соединены полосовыми металлическими шинами с общей металлической шиной базы, омические контакты к области эмиттера выполнены дискретно через окна в маске диэлектрического материала в точках, одинаково
удаленных от ближайших омических контактов к области базы, и соединены полосовыми
металлическими шинами с общей металлической шиной эмиттера, расположенной с противоположной стороны от общей металлической шины базы, причем ширина полосовых
металлических шин базы выбрана такой, что отношение ширины полосовой металлической шины эмиттера к ширине полосовой металлической шины базы равно отношению
максимального тока эмиттера к максимальному току базы.
Фиг. 1
BY 6250 C1
2. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что окна-ячейки в непрерывной сетке области эмиттера выполнены в форме правильных восьмиугольников с равными сторонами,
длина которых равна расстоянию между ближайшими окнами-ячейками в двух взаимноперпендикулярных направлениях.
(56)
RU 2065643 C1, 1996.
SU 1827146 A3, 1996.
SU 1827149 A3, 1996.
SU 1827150 A3, 1996.
RU 2012101 C1, 1994.
US 3858234 A, 1974.
Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к конструкции
мощных биполярных транзисторов с расширенной областью безопасной работы.
Известно, что одной из важнейших характеристик мощного транзистора является область безопасной работы (ОБР), которая характеризует способность прибора рассеивать
подаваемую на него мощность, или, другими словами, устойчивость структуры к большим
плотностям тока при заданных напряжениях, то есть устойчивость к вторичному пробою.
Для повышения устойчивости транзистора к вторичному пробою необходимо равномерно
распределить ток эмиттера по площади кристалла, то есть исключить локальное увеличение его плотности в отдельных участках. Это достигается применением конструкций топологии эмиттера, равномерно распределяющих ток по площади кристалла, а также за
счет введения в конструкцию транзисторной структуры дополнительных стабилизирующих резисторов, увеличивающих либо последовательное эмиттерное сопротивление (сопротивление от контакта к краю эмиттера), либо последовательное базовое сопротивление
(сопротивление от базового контакта до края эмиттера).
Известен мощный биполярный транзистор гребенчатой структуры [1], в котором расстояние между зубцами гребенки эмиттера выполнено переменным, увеличивающимся
последовательно от минимального значения на периферии до максимального в центре, а в
базовой области, по крайней мере, в центре гребенчатой структуры сформированы пинчрезисторы.
Данная известная конструкция транзистора с переменным расстоянием между зубцами эмиттерной гребенки и пинч-резисторами в центре имеет следующие недостатки.
1. Неравномерное распределение плотности тока по площади кристалла, что в экстремальных условиях может привести к локальному перегреву кристалла в области крайних
периферийных зубцов гребенки эмиттера. Неравномерность распределения плотности тока по площади кристалла усиливается в тех случаях, когда в центре дополнительно формируются пинч-резисторы.
2. В неодинаковых условиях по режиму смещения р-п перехода эмиттер-база работают периферийные области кристалла, расположенные вдоль зубцов гребенки эмиттера и
поперек зубцов гребенки эмиттера, так как критерий переменности расстояния между
зубцами определен для направления перпендикулярно зубцам гребенки эмиттера.
3. Неравномерное распределение тока по длине зубца гребенки эмиттера из-за падения
напряжения вдоль зубца: через области, примыкающие к эмиттерной контактной площадке, протекает больший ток по сравнению с противоположными концами зубцов.
4. Увеличивается площадь кристалла, что снижает экономические показатели производства: уменьшается съем годных кристаллов.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому по технической сущности
является мощный биполярный транзистор [2], содержащий области эмиттера, коллектора,
2
BY 6250 C1
дополнительную область того же типа проводимости, что и эмиттер, расположенную между базовым контактом и краем эмиттера, базовую область, выполненную из двух частей
с различным содержанием легирующей примеси, часть с большим содержанием легирующей примеси выполнена между краем эмиттера и базовым контактом, причем расстояние от края эмиттера до границы между высоколегированной и слаболегированной
частями базовой области уменьшается от эмиттерной шины к краю эмиттера. Сопротивление выполненного таким способом базового пинч-резистора в известном устройстве
уменьшается от эмиттерной шины к краю эмиттера, тем самым компенсируется падение
напряжения вдоль зубца эмиттера.
Однако описанная известная конструкция мощного биполярного транзистора с изменяющимся сопротивлением базового пинч-резистора не является оптимальной и имеется
возможность ее совершенствования.
1. Известно [3], что для повышения технико-экономических показателей транзисторов
необходимо, чтобы отношение периметра эмиттера (Рэ) к его площади (Sэ), периметра
эмиттера к площади базы (Sб) и площади эмиттера к площади базы были максимально
большими. В описанной известной конструкции мощного биполярного транзистора [2]
дополнительная область того же типа проводимости, что и эмиттер, расположенная между
базовым контактом и краем эмиттера, значительно увеличивает общую площадь базы, изза чего отношение периметра эмиттера к площади базы и площади эмиттера к площади
базы не является оптимальным.
2. Применение пинч-резисторов приводит к снижению коэффициента усиления по току (h21Э) в режиме большого сигнала. В описанной известной конструкции с переменным
сопротивлением пинч-резистора коэффициент усиления по току в режиме большого сигнала будет изменяться в разной степени в разных частях кристалла: быстрое уменьшение
h21Э в области высоких сопротивлений пинч-резистора и более слабое в тех областях, где
сопротивление пинч-резистора малое. При определенных условиях описанный эффект
может привести к локальному перегреву области, где коэффициент усиления по току с
ростом сигнала снижается в меньшей степени и, следовательно, протекает больший ток,
то есть появляются предпосылки для развития вторичного пробоя.
В основу изобретения положена задача получения прибора с расширенной областью
безопасной работы, повышенной устойчивостью к вторичному пробою, низкими значениями напряжения насыщения база-эмиттер без увеличения размеров кристалла.
В заявляемой конструкции предлагается область эмиттера выполнять в виде непрерывной сетки типа мэш-структуры, которая описана в [3]. Форма эмиттера на планарной
поверхности кристалла в такой конструкции представляет непрерывную сетку, охватывающую множество дискретных элементов базы, которые являются выходами базы на
планарную поверхность кристалла. Эмиттер и дискретные элементы базы на планарной
стороне кристалла через окна в маске диэлектрического материала соединяются полосовыми металлическими шинами соответственно с эмиттерной и базовой контактными
площадками.
Сущность изобретения заключается в том, что мощный биполярный транзистор,
содержащий области коллектора и эмиттера одного типа проводимости, область базы противоположного типа проводимости, выполненную из двух частей с различным содержанием легирующей примеси, омические контакты к областям базы и эмиттера, сформированные через окна в маске диэлектрического материала, металлические шины, причем
часть области базы с большим содержанием легирующей примеси выполнена между краем
области эмиттера и омическими контактами к области базы, область эмиттера выполнена
в виде непрерывной сетки типа мэш-структуры с множеством окон-ячееек правильной
геометрической формы, омические контакты к области базы сформированы в центре каждого окна-ячейки через окна в маске диэлектрического материала и соединены полосовыми металлическими шинами с общей металлической шиной базы, омические контакты к
3
BY 6250 C1
области эмиттера выполнены дискретно через окна в маске диэлектрического материала в
точках, одинаково удаленных от ближайших омических контактов к области базы, и соединены полосовыми металлическими шинами с общей металлической шиной эмиттера,
расположенной с противоположной стороны от общей металлической шины базы, причем
ширина полосовых металлических шин базы выбрана такой, что отношение ширины полосовой металлической шины эмиттера к ширине полосовой металлической шины базы
равно отношению максимального тока эмиттера к максимальному току базы, а также в
том, что окна-ячейки в непрерывной сетке области эмиттера выполнены в форме правильных восьмиугольников с равными сторонами, длина которых равна расстоянию между
ближайшими окнами-ячейками в двух взаимно-перпендикулярных направлениях.
Сущность изобретения поясняется фиг. 1÷3. На фиг. 1 изображена конструкция транзистора (вид сверху), на фиг. 2 и фиг. 3 - разрезы структуры.
На чертежах введены следующие обозначения.
1 - низкоомная область коллектора первого типа проводимости,
2 - высокоомная область коллектора первого типа проводимости,
3 - область эмиттера первого типа проводимости,
4 - часть области базы с большим содержанием легирующей примеси,
5 - часть области базы с меньшим содержанием легирующей примеси,
6 - омический контакт к области базы,
7 - омический контакт к области эмиттера,
8 - маска диэлектрического материала, защищающего планарную поверхность кристалла,
9 - полосовая металлическая шина базы,
10 - полосовая металлическая шина эмиттера,
11 - общая металлическая шина базы,
12 - общая металлическая шина эмиттера,
13 - окно-ячейка для омических контактов к базовой области,
14 - металлический контакт к области коллектора,
15 - р-п переход база-коллектор.
Предлагаемая конструкция мощного биполярного транзистора содержит низкоомную (1)
и высокоомную (2) области коллектора первого типа проводимости, область эмиттера (3)
первого типа проводимости, область базы противоположного типа проводимости, выполненную из двух частей: с большим (4) содержанием легирующей примеси и меньшим (5)
содержанием легирующей примеси, омические контакты (6) к области базы и омические
контакты (7) к области эмиттера, сформированные через окна в маске диэлектрического
материала (8), металлические шины (9), (10), (11), (12), часть области базы (4) с большим
содержанием легирующей примеси выполнена между краем области эмиттера (3) и омическими контактами (6) к области базы, область эмиттера (3) выполнена в виде непрерывной
сетки типа мэш-структуры с множеством окон-ячееек (13) правильной геометрической
формы, омические контакты (6) к области базы сформированы в центре каждого окнаячейки (13) через окна в маске диэлектрического материала (8) и соединены полосовыми
металлическими шинами (9) с общей металлической шиной (11) базы, омические контакты (7) к области эмиттера выполнены дискретно через окна в маске диэлектрического материала (8) в точках, одинаково удаленных от ближайших омических контактов (6) к области
базы, и соединены полосовыми металлическими шинами (10) с общей металлической шиной (12) эмиттера, расположенной с противоположной стороны от общей металлической
шины (11) базы, причем ширина полосовых металлических шин (9) базы выбрана такой,
что отношение ширины полосовой металлической шины (10) эмиттера к ширине полосовой металлической шины (9) базы равно отношению максимального тока эмиттера к максимальному току базы.
Металлический контакт (14) к коллектору выполнен на нижней стороне кристалла.
4
BY 6250 C1
Дискретные элементы базовой области могут быть выполнены в виде фигур различной геометрической формы, позволяющей создавать повторяющуюся сетчатую структуру,
например, кругов, квадратов, восьмиугольников и других более сложных симметричных
фигур.
Наиболее симметричное распределение токов достигается в том случае, когда элементарная ячейка сетки имеет форму правильного восьмиугольника. Сетка эмиттера создается из множества равносторонних правильных восьмиугольников, соединенных в двух
взаимно-перпендикулярных направлениях перемычками в форме квадратов с длиной стороны, равной расстоянию между ближайшими окнами-ячейками. В этом случае окно-ячейка,
в которой формируются омические контакты к базовой области, также имеет форму правильного восьмиугольника с такой же длиной стороны.
Таким образом, в предлагаемой конструкции эмиттер и база построены из симметричных дискретных элементов. Влияние соседних элементов друг на друга в такой конструкции исключается благодаря наличию узких частей сетки эмиттера. Дискретные омические
контакты к области эмиттера и базовой области формируются в центрах правильных
восьмиугольников. В каждом восьмиугольнике область от контакта до края эмиттера выполняет роль элементарного резистора соответственно эмиттерного в расширенной части
сетки эмиттера и базового в каждом окне-ячейке. В известных конструкциях с гребенчатой структурой эмиттера одним из основных недостатков является падение напряжения
вдоль зубцов за счет протекания тока по зубцам. В предлагаемой конструкции дискретные
элементы и эмиттера и базы отделены друг от друга областями с повышенным сопротивлением, что полностью исключает протекание тока между соседними дискретными элементами и эмиттера, и базы. Все дискретные элементы и эмиттера, и базы соединены
полосовыми металлическими шинами соответственно с общими металлическими шинами
эмиттера и базы, расположенными на противоположных концах кристалла. При таком
расположении общих металлических шин эмиттера и базы напряжение смещения р-п перехода эмиттер-база для дискретных элементов эмиттера, расположенных на разных расстояниях от общей металлической шины эмиттера, будет отличаться на величину падения
напряжения вдоль полосовых металлических шин эмиттера и базы. Падение напряжения
(UЭШ) вдоль полосовой металлической шины эмиттера определяется из выражения
I
L ЭШ
n +1
⋅ρ⋅
U ЭШ = ЭШ ⋅
,
(1)
n
2
WЭШ h ЭШ
где IЭШ - часть тока эмиттера, протекающая по одной полосовой металлической шине
эмиттера,
n - число дискретных элементов эмиттера, которые соединяет одна полосовая металлическая шина эмиттера,
ρ -удельное сопротивление металла, из которого изготовлена полосовая металлическая шина эмиттера,
LЭШ, WЭШ, hЭШ - длина, ширина и толщина полосовой металлической шины эмиттера.
Падение напряжения (UБШ) вдоль полосовой металлической шины базы определяется
из выражения
I
L бш
n +1
U бш = бш ⋅
⋅ρ⋅
,
(2)
n
2
Wбш h бш
где Iбш - часть тока базы, протекающая по одной полосовой металлической шине базы,
n - число дискретных элементов базы, которые соединяет одна полосовая металлическая шина базы,
ρ - удельное сопротивление металла, из которого изготовлена полосовая металлическая шина базы,
Lбш, Wбш, hбш - длина, ширина и толщина полосовой металлической шины базы.
5
BY 6250 C1
Дискретные элементы эмиттера, расположенные на противоположных краях кристалла вдоль полосовой металлической шины эмиттера, будут находиться в одинаковых условиях по напряжению смещения р-п перехода эмиттер-база в том случае, когда падения
напряжения вдоль полосовых металлических шин эмиттера и базы будут равны, то есть,
UЭШ = Uбш. Так как Lбш = LЭШ, hбш = hЭШ, то из выражений (1) и (2) следует, что
IЭШ/Iбш = WЭШ/Wбш.
(3)
Предлагаемая конструкция имеет строго периодическую конфигурацию сетки эмиттера, число полосовых металлических шин эмиттера равно числу полосовых металлических
шин базы, поэтому соотношение (3) можно применить к максимально допустимым значениям тока эмиттера (IЭ МАКС) и тока базы (IБ МАКС), то есть
Iэ макс/Iб макс = Wэш/Wбш .
(4)
Описанная конструкция мощного биполярного транзистора работает следующим образом. Все дискретные элементы эмиттера и базы имеют форму правильных восьмиугольников.
Омические контакты к каждому дискретному элементу формируются в его центральной
части. Часть области эмиттера от омического контакта до края дискретного элемента является дополнительным распределенным эмиттерным резистором. Базовая область состоит из двух частей с различным содержанием легирующей примеси. Омические контакты к
каждому дискретному элементу в окне-ячейке формируются в его центральной части с
большим содержанием легирующей примеси. Часть дискретного элемента базовой области от омического контакта до края эмиттера является дополнительным распределенным
базовым резистором. Сопротивление этого резистора регулируется расстоянием от края
эмиттера до границы между частями базы с различным содержанием легирующей примеси.
В предельных режимах работы транзистора в предлагаемой конструкции падение напряжения вдоль полосовых металлических шин эмиттера и базы компенсируется выбором
соотношения между их шириной в соответствии с выражением (4), а в каждом дискретном
элементе эмиттера ток выравнивается за счет симметрии радиального растекания тока от
узкого омического контакта к краю эмиттера, при этом сопротивление распределенного
резистора за счет его расширения уменьшается по мере приближения к краю эмиттера.
Следовательно, в предлагаемой конструкции мощного биполярного транзистора все дискретные элементы транзисторной структуры находятся в идентичных условиях по напряжению смещения р-п перехода эмиттер-база, что обеспечивает равномерное распределение
плотности тока по площади кристалла и снижает вероятность развития вторичного пробоя, то есть расширяется область безопасной работы.
Расширение области безопасной работы в предлагаемой конструкции мощного биполярного транзистора по сравнению с известными конструкциями мощных биполярных
транзисторов с гребенчатыми (встречно-штыревыми) конфигурациями эмиттера достигается за счет следующих новых конструктивных решений.
1. Периметр эмиттера, образованного из множества дискретных восьмиугольных фигур, всегда больше периметра фигуры гребенчатой формы, образованной длинными прямоугольными зубцами.
2. Отношение площади эмиттера к площади базы в предлагаемой конструкции больше
0,5, тогда как в известных конструкциях с дополнительным "плавающим" эмиттером это
отношение не превышает 0,4.
3. Ток в каждом дискретном элементе области эмиттера протекает преимущественно
по четырем дискретным сегментам симметрично по четырем направлениям. Токи соседних дискретных элементов не перекрываются, так как разделены более глубокими и сильнолегированными частями базовой области, тем самым исключается локальный перегрев.
4. Резисторы между омическим контактом и краем эмиттера имеют форму трапеции,
широкой стороной которой является край эмиттера, то есть сопротивление этого резистора уменьшается от контакта к краю эмиттера, что дополнительно выравнивает по площади
распределение тепловыделения в каждом дискретном элементе.
6
BY 6250 C1
5. Выравнивание потенциалов всех дискретных элементов эмиттера и базы обеспечивается выбором ширины полосовых металлических шин.
Кроме того, в предлагаемой конструкции мощного биполярного транзистора по сравнению с известными конструкциями за счет исключения высокоомного пинч-резистора
обеспечивается снижение напряжения насыщения база-эмиттер, входного напряжения базаэмиттер, входного сопротивления, что улучшает частотные свойства транзистора. Имеется
также возможность уменьшить размеры кристалла, так как по сравнению с известными
конструкциями исключается дополнительная область - "плавающий эмиттер" - и достигается увеличение отношения площади эмиттера к площади базы.
Транзистор создается следующим образом.
В исходных пластинах электронного типа проводимости с диффузионной низкоомной
областью (1) и высокоомной областью (2) с толщиной высокоомного слоя dN = 160 мкм и
удельным сопротивлением 90 Омсм с помощью стандартных способов окисления, двух
фотолитографий, ионного легирования и диффузии формируется область базы дырочного
типа проводимости, состоящая из двух частей (4) и (5) с различным содержанием легирующей примеси, с глубиной р-п перехода (15) база-коллектор xjp = (23÷26)мкм в части (5)
области базы с меньшим содержанием легирующей примеси. Далее аналогичными способами с использованием фотолитографии и диффузии примеси фосфора в пределах части (5)
области базы с меньшим содержанием легирующей примеси формируется область эмиттера (3) электронного типа проводимости в виде непрерывной сетки типа мэш-структуры
с глубиной р-п перехода эмиттер-база хjn = 11÷14 мкм. Не легированные эмиттерной примесью зоны области базы (окна-ячейки (13)) имеют форму правильных восьмиугольников.
Планарная поверхность кристалла после формирования области эмиттера защищена диэлектрической маской (8) оксида кремния, в которой с помощью фотолитографии и травления оксида кремния создаются дискретные контакты (6) и (7) соответственно к области
базы и области эмиттера. После этого стандартными способами создаются полосовые металлические шины (9) и (10), соединяющие соответственно дискретные омические контакты (6) к области базы с общей металлической шиной (11) базы и дискретные
омические контакты (7) к области эмиттера с общей металлической шиной (12) эмиттера.
Металлический контакт (14) к области коллектора формируется на обратной стороне кристалла к низкоомной области (1) коллектора.
Технические характеристики предлагаемой конструкции мощного биполярного транзистора и прототипа приведены в таблице.
Технические характеристики предлагаемой конструкции и прототипа
Напряжение
Максимальный Максимальная
Размер Напряжение
насыщения
пропускаемый рассеиваемая
кри- насыщения баколлекторток, А
мощность, Вт
сталла, за-эмиттер, В
эмиттер, В
2
мм
мин макс сред мин макс сред мин макс сред мин макс сред
По прототипу
с гребенчатой 5,5×5,5 1,24 1,36 1,32 0,18 0,36 0,26 8,5 9,6 9,0
структурой
Предлагаемая
конструкция
с эмиттером в 4,8×4,8 1,05 1,18 1,10 0,20 0,36 0,28 9,0 10,5 9,8
виде мэшструктуры
7
150 170 160
160 180 170
BY 6250 C1
Таким образом, применение предлагаемой конструкции мощного биполярного транзистора с областью эмиттера, выполненной в виде непрерывной сетки типа мэш-структуры, позволяет на кристаллах меньшего размера по сравнению с прототипом достигать
более низкие уровни напряжения насыщения база-эмиттер, сравнимые с прототипом
уровни напряжения насыщения коллектор-эмиттер и более высокие, чем у прототипа,
значения предельного тока и максимальной рассеиваемой мощности, то есть решена поставленная задача: получен прибор с расширенной областью безопасной работы и малыми
значениями напряжения насыщения база-эмиттер на кристалле меньшего размера по
сравнению с прототипом.
Источники информации:
1. Патент РФ 2012101, МПК H01L 29/72, 1994 // Бюл. № 8.
2. Патент РФ 2065643, МПК H01L 29/73, 1996 // Бюл. № 23.
3. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. - Л.: Энергоатомиздат, Ленинградское отделение, 1986. - C. 114, 133, 134.
Фиг. 2
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
1
Размер файла
238 Кб
Теги
патент, by6250
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа