Транзистор с защитой от перенапряжений

 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к мощным высоковольтным транзисторам. Сущность изобретения: транзистор содержит в подложке-коллекторе вспомогательную защитную транзисторную структуру с базовой и эмиттерными областями того же типа проводимости, что и основного транзистора, причем эмиттерная область защитного транзистора омически соединена электродом с базовой областью основного транзистора, а базовая область защитного транзистора выполнена плавающей. Базовая область основного транзистора расположена вокруг базовой области защитного транзистора на расстоянии меньшем, чем ширина области пространственного заряда при напряжении пробоя коллектор-эмиттерная область защитного транзистора. 1 ил.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к мощным высоковольтным транзисторам, работающим на индуктивную нагрузку.

Известно, что при выключении транзистора, имеющего в нагрузке индуктивность, после подачи отрицательного тока в базу на коллекторном p-n-переходе возникают напряжения, близкие к напряжению U_{проб.к-э} перехода коллектор-эмиттер при заданных параметрах электрической цепи эмиттер-база. Наряду с этим в течение процесса перехода транзистора из выключенного состояния ток остается постоянным до тех пор, пока не будет выведен накопленный заряд в базе и коллекторе. Ситуация, когда ток и напряжение имеют большое значение одновременно приводит к большой мгновенной мощности рассеяния и, как следствие, к обратному вторичному пробою.

Известно много способов повышения устойчивости транзисторов к обратному вторичному пробою. Одним из способов, при помощи которого защищаются от перенапряжений на коллекторном p-n-переходе, является простой и экономичный способ изготовления интегральных транзисторов с защитой от перенапряжений, описанный в [1] В данном транзисторе база основного транзистора присоединена к эмиттеру вспомогательного транзистора, выполненного на одном кристалле. База вспомогательного транзистора ни с чем не соединена, т.е. имеет плавающий потенциал. Коллектор у обоих транзисторов общий. Эмиттер, база и коллектор вспомогательного транзистора образуют вспомогательную защиту. Удельное сопротивление базы или эмиттера вспомогательного транзистора регулируют так, чтобы пробивное напряжение коллектор-эмиттер в защите транзистора при разомкнутой базе было ниже, чем пробивное напряжение между коллектором и базой или эмиттером основного транзистора. Описанный транзистор обладает следующими недостатками: 1. Возможна невоспроизводимость результата, т.е. напряжение пробоя U_{к-э проб}. коллектор-эмиттер вспомогательного транзистора в большей степени зависит от напряжения пробоя его коллекторного p-n-перехода. Дело в том, что при наличии большого фиксированного и подвижного заряда (зависящего от уровня технологии) на поверхности p-n-перехода коллектора-базы вспомогательного транзистора область пространственного заряда, возникающая при подаче обратного смещения, сужается на поверхности, что приводит к резкому уменьшению пробивного напряжения коллекторного p-n-перехода вспомогательного транзистора, что в свою очередь снижает пробивное напряжение U_{кэопроб.} коллектор-эмиттер вспомогательного транзистора до значений, много меньших требуемых. Таким образом, при прочих равных условиях напряжение U_{кэопроб.} коллектор-эмиттер будет зависеть от расстояния d между базами основного и вспомогательного транзисторов, т.е. ширины слаболегированной области n-типа. Если вспомогательный транзистор находится внутри основного транзистора, то базовая область основного транзистора является охранным (делительным) кольцом для базовой области вспомогательного транзистора. При приложении отрицательного смещения между коллектором и эмиттером вспомогательного транзистора его область пространственного заряда, смыкаясь с областью пространственного заряда базы основного транзистора, распространяется до периферии p-n-перехода основного транзистора. При неправильно выбранном расстоянии d напряжение пробоя коллектор-база вспомогательного транзистора будет снижено до неприемлемо малого значения, pавного напряжению пробоя цилиндрического p-n-перехода.

2. Техпроцесс изготовления кристалла включает в себя дополнительную фотолитографию и диффузию для образования разного уровня легирования областей эмиттера или базы вспомогательного транзистора по сравнению с уровнем легирования эмиттера или базы основного транзистора. Указанные недостатки устраняются предлагаемым изобретением.

Целью изобретения является повышение устойчивости транзистора к обратному вторичному пробою.

Поставленная цель достигается тем, что базовая область основного транзистора соединяется с эмиттерной областью вспомогательного транзистора, базовая область вспомогательного транзистора имеет плавающий потенциал, коллекторная область основного и вспомогательного транзисторов общая, причем расстояние d от базы вспомогательного транзистора до базы основного транзистора составляет не более ширины области пространственного заряда при напряжении пробоя коллектор-эмиттер U_кэопр, вспомогательного транзистора. Другими словами, напряжением U_кэопр можно управлять при помощи изменения расстояния d между базами транзисторов, не прибегая к дополнительной диффузии базы или эмиттера вспомогательного транзистора. Таким образом можно создать интегральный транзистор с защитой от перенапряжений, пригодный для переключения индуктивной нагрузки и изготовленный простым и экономичным способом, не требующим дополнительных операций диффузии и фотолитографии.

На чертеже изображена структура кристалла транзистора с защитой от перенапряжений, в разрезе.

Транзистор содержит сильнолегированную подложку 1, слаболегированный эпитаксиальный слой коллектора 2, области базы основного 3 и вспомогательного 4 транзисторов, коллекторные p-n-переходы основного 5 и вспомогательного 6 транзисторов, эмиттерные области основного 7 и вспомогательного 8 транзисторов, двуокись кремния 9, металлические контакты к базе 10 и эмиттеру 11 основного транзистора, металлический контактсоединяющий базовую область основного транзистора с эмиттером вспомогательного транзистора 12, металлический контакт к коллектору, расстояние d между базовыми областями основного и вспомогательного транзисторов.

Структуру транзистора можно изготовить одним из известных способов изготовления мощных высоковольтных транзисторов. На подложке 1 с низким удельным сопротивлением ≅0,01 Ом˙ см выращен эпитаксиальный слой 2 с удельным сопротивлением около 50 Ом ˙см и толщиной 80 мкм. С помощью стандартных процессов фотолитографии и диффузии в слое 2 образованы базовые области 3 и 4 р-типа основного и вспомогательного транзисторов с низким удельным сопротивлением и глубиной 10-12 мкм с поверхностным сопротивлением около 10¹⁸ ат/см³. Области 3 и 4 образуют с областью коллектора 2 два p-n-перехода 5 и 6. Боковая граница p-n-перехода в вспомогательном транзисторе находится от p-n-перехода 5 основного транзистора на расстоянии d. Затем путем фотолитографии и диффузии создаются области 7 и 8 эмиттеров основного и вспомогательного транзисторов одинаковой глубины и низкого удельного сопротивления с поверхностной концентрацией около 10²⁰ ат/см³. В слое двуокиси кремния 9 создаются окна для создания с помощью алюминиевой металлизации омических контактов 10 к базе, а 11 к эмиттеру основного транзистора и 12 для соединения областей 3 и 8. На коллекторную сторону напылен металлический контакт.

При выключении транзистора, имеющего в нагрузке индуктивность, отрицательным базовым током области пространственного заряда от p-n-переходов 5 и 6 смыкаются примерно посредине расстояния d. Для того, чтобы не было пробоя между областями 5 и 6 необходимо, чтобы по крайней мере область пространственного заряда между этими областями смыкалась раньше, чем область пространственного заряда в плоской части достигнет n⁺-подложки. Величина напряжения пробоя U_{кэпроб.} коллектор-эмиттер вспомогательного транзистора в случае, когда напряжение пробоя коллектор-база боковой его части близко к напряжению пробоя плоской части и зависит в основном от толщины и электрофизических параметров n⁺-, p и n^- -слоев эмиттера, базы и коллектора. Для того, чтобы пробой произошел в плоской части p-n-перехода, необходимо, чтобы расстояние d было меньше, чем ширина области пространственного заряда при напряжении пробоя в плоской части.

Транзистор, изготовленный в соответствии с предложенным изобретением, обладает воспроизводимым значением устойчивости к обратному вторичному пробою и может быть изготовлен простым и экономичным способом, не требующим дополнительных технологических операций фотолитографии и диффузии.

Формула изобретения

ТРАНЗИСТОР С ЗАЩИТОЙ ОТ ПЕРЕНАПРЯЖЕНИЙ, включающий коллекторную область первого типа проводимости, первую базовую область с проводимостью второго типа, противоположную первому типу, и примыкающую к первой базовой области первую эмиттерную область с проводимостью первого типа, примыкающую к первой базовой области с образованием p n-перехода база эмиттер, вторую эмиттерную область с проводимостью первого типа, вторую базовую область с проводимостью второго типа, примыкающую к второй эмиттерной области и коллекторной области, причем вторая эмиттерная область омически соединена с первой базовой областью при помощи электрода, а вторая базовая область выполнена плавающей, отличающийся тем, что первая базовая область расположена вокруг второй базовой области на расстоянии, меньшем ширины области пространственного заряда при напряжении пробоя коллектор вторая эмиттерная область.