Полупроводниковый прибор

 

Использование: в полупроводниковой технике при создании запираемых и комбинированно-выключаемых тиристоров, а также биполярных транзисторов. Сущность изобретения: в полупроводниковом приборе высокопроводящие участки сформированы внутри базового слоя регулярно на глубине не менее ширины области объемного заряда эмиттерного перехода и толщиной не более разности между расстоянием от поверхности участков, обращенной к эмиттерному переходу, до коллекторного перехода и шириной его области объемного заряда. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано при создании запираемых и комбинированно-выключаемых тиристоров, а также биполярных транзисторов.

Известна конструкция тиристорa, в базе которого на границе с управляемым эмиттером выполнены диффузионным способом произвольно расположенные участки толщиной не более толщины самой базы того же, что и база, типа проводимости, с повышенным хотя бы на порядок относительно базы уровнем легирования.

Недостатками такой конструкции являются малое напряжение пробоя управляемого эмиттера в местах расположения высокопроводящих участков и, следовательно, невозможность существенного уменьшения времени выключения, а также невозможность увеличения выключаемой мощности из-за невозможности увеличения количества элементарных ячеек без потери рабочей площади прибора.

Наиболее близким к изобретению является полупроводниковый прибор, управляемый по базе, содержащий эмиттер, коллектор и базу с регулярно расположенными высокопроводящими участками, которые выполнены диффузионным путем под эмиттерными элементами. Размеры участков не превышают размеров эмиттерных элементов, а толщина не более толщины базы.

Недостатками известных конструкций и приборов являются невозможность получения высокого напряжения пробоя управляемого эмиттера из-за высокой проводимости сильнолегированных участков, расположенных на границе с эмиттером, и, следовательно, невозможность уменьшения времени выключения и увеличения выключаемой мощности.

Задачей изобретения является создание полупроводникового прибора с уменьшенным временем выключения при одновременном увеличении выключаемой мощности. Для этого в полупроводниковом приборе, содержащем эмиттер, коллектор и базу с регулярно расположенными высокопроводящими участками, высокопроводящие участки выполнены толщиной не более разности между расстоянием от поверхности участков, обращенной к эмиттерному переходу, до коллекторного перехода и шириной его области объемного заряда, а расстояние от поверхности высокопроводящих участков, обращенной к эмиттерному переходу, до эмиттерного перехода не менее ширины области объемного заряда эмиттерного перехода.

Эмиттер может быть выполнен в виде монокристаллической кремниевой пластины.

На фиг. 1 представлен полупроводниковый прибор; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1.

На фиг.1 показаны управляемый эмиттерный переход 1, монокристаллическая кремниевая пластина 2 базы, высокопроводящие участки 3 внутри базы, часть 4 базы между высокопроводящими участками и коллекторным p-n-переходом прибора и коллекторный переход 5.

Суть предлагаемой конструкции состоит в том, что высокопроводящие участки, используемые для уменьшения сопротивления базы выключающему току, выполнены не на границе управляемого эмиттера и базы, а внутри базы на глубине не менее ширины области объемного заряда эмиттерного перехода и толщиной не более разности между расстоянием от поверхности участков, обращенной к эмиттерному переходу, до коллекторного перехода и шириной его области объемного заряда. Благодаря выполнению первого условия возникает возможность формирования управляемого эмиттерного перехода с высоким напряжением пробоя (на 1-2 порядка выше, чем в известных технических решениях). Благодаря выполнению второго условия обеспечивается высокое рабочее напряжение прибора при уменьшении в нем времени выключения и увеличении выключаемой мощности. Верхняя граница глубины формирования высокопроводящих участков и нижняя граница толщины высокопроводящих участков определяются из условия обеспечения высокого коэффициента передачи верхнего транзистора полупроводниковой структуры из общеизвестных зависимостей. Ширина и расстояние между участками также выбирается из общепринятых соображений. Высокопроводящие участки выполнены либо за счет локальной диффузии примеси с концентрацией на 1-2 порядка превышающей исходную концентрацию в базе, либо из поликремния или металла. В предлагаемой конструкции эмиттер выполнен сплошным, база на границе с эмиттером также сплошной (высокопроводящие участки внутри базы), и напряжение лавинного пробоя управляемого эмиттера определяется только удельным объемным сопротивлением и толщиной базы между эмиттерным переходом и высокопроводящими участками. При этом обеспечивается не только высокое напряжение пробоя, но и увеличение рабочей площади прибора, т.е. достигается положительный эффект.

Эмиттер в предлагаемой конструкции может быть получен диффузией примеси, эпитаксией или методом прямого соединения.

В известных решениях высокопроводящие участки выполнены на границе управляемого эмиттера и базы. Эмиттер представляет собой либо набор мелкодисперсных ячеек, окруженных базовой областью, либо является сплошным, с выполненными в нем высокопроводящими участками базы. Недостатком известных решений является невозможность получения высокого напряжения пробоя управляемого эмиттера из-за высокой проводимости сильнолегированных участков. В отличие от известных в предлагаемом решении высокопроводящие участки сформированы внутри базы на определенной глубине и определенной толщины, а эмиттер выполнен сплошным.

В предлагаемом изобретении обеспечивается высокое напряжение пробоя управляемого эмиттера, так как исключено влияние высокопроводящих участков на величину напряжения пробоя, и увеличена рабочая площадь прибора, что приводит к увеличению мощности и уменьшению времени выключения.

Предлагаемая конструкция лежит в основе как запираемого и комбинированно-выключаемого тиристора, так и транзистора.

Полупроводниковый прибор работает следующим образом.

При подаче на прибор прямого смещения благодаря его конструктивным особенностям инжекция неосновных носителей заряда в базу осуществляется по всей площади сплошного эмиттера. Перенос заряда через базу обеспечивается соответствующим выбором глубины высокопроводящих участков в базе, их шириной, расстоянием между ними, толщиной и расстоянием их до коллекторного перехода. При подаче отрицательного смещения на управляющий электрод запирающий ток, протекающий по высокопроводящим участкам в базе, обеспечивает быстрое выведение накопленного заряда благодаря малому сопротивлению этих участков и высокому напряжению пробоя управляемого эмиттера. Величина выключаемой мощности при этом определяется фактически площадью прибора.

П р и м е р. Согласно предлагаемому изобретению был изготовлен запираемый тиристор с рабочей площадью S ≈ 1 см² по следующей технологической схеме: 1. Изготовление p-n-p-структуры в полированной пластине кремния n-типа с ρ_v 80 Ом.см путем диффузии галлия χ ≈ 15 мкм с поверхностной концентрацией примерно 10¹⁸ см^-3.

2. Изготовление на одной из сторон p-n-p-структуры высокопроводящих участков шириной 30 мкм, длиной 100 мкм, расстоянием между участками примерно 100 мкм и толщиной участков примерно 5 мкм методом локальной диффузии бора до концентрации примерно 10²⁰ см^-3.

3. Сращивание (Silicon Direct Bonding) p-n-p структуры с полированной монокристаллической кремниевой пластиной p-типа с ρ_v 10 Ом^.см.

4. Сошлифовка полученной после сращивания структуры со стороны монокристаллической пластины до общей толщины базы примерно 40 мкм (формирование базы).

5. Изготовление управляемого эмиттера путем диффузии фосфора в базовый p-слой на глубину примерно 10-12 мкм.

В полученной структуре глубина высокопроводящих участков составляет примерно 25-30 мкм, толщина 5 мкм, расстояние от их поверхности до коллекторного перехода 15 мкм. Интегральное удельное сопротивление 1 см длины p-базы составило при этом величину, примерно равную 2^.10^-3 Ом^.см. Напряжение пробоя управляемого эмиттера примерно 140 В. Величина выключаемого анодного тока составила при этом примерно 400 А, что почти в 1,5 раза выше, чем в ранее известных технических решениях, при времени выключения примерно 4 мкс, что вдвое меньше, чем у прототипа.

Таким образом, из примера следует, что предлагаемое изобретение позволило увеличить выключаемую мощность приборов, управляемых по базе, уменьшить их время выключения и тем самым улучшить их коммутационные характеристики, что открывает перед потребителями новые возможности их применения.

Формула изобретения

1. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР, управляемый по базе, содержащий эмиттер, коллектор и базу с регулярно расположенными в ней высокопроводящими участками, отличающийся тем, что высокопроводящие участки выполнены толщиной не более разности между расстоянием от поверхности высокопроводящих участков, обращенной к эмиттерному переходу, до коллекторного перехода и шириной его области объемного разряда, а расстояние от поверхности высокопроводящих участков, обращенной к эмиттерному переходу, до эмиттерного перехода не менее ширины области объемного заряда эмиттерного перехода.

2. Прибор по п. 1, отличающийся тем, что эмиттер выполнен из пластины монокристаллического кремния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2