Резистивный элемент высоковольтного полупроводникового резистора
Изобретение относится к области полупроводниковых приборов и может быть использовано при разработке высоковольтных полупроводниковых резисторов с заданной зависимостью их сопротивления от приложенного напряжения. Техническим результатом изобретения является разработка конструкции резистивных элементов высоковольтных полупроводниковых резисторов, у которых относительное изменение величины сопротивления (∂RU), при изменении приложенного к нему напряжения в заданном диапазоне напряжений, не превышает заданное значение (∂RUз). Сущность изобретения: в резистивном элементе высоковольтного полупроводникового резистора, изготовленном из монокристаллического полупроводника с заданным типом проводимости, в котором созданы приконтактные области, омические контакты и предусмотрена защита краевого контура от поверхностного пробоя, толщину резистивного элемента (Lз) определяют из определенных соотношений. 1 табл.
Изобретение относится к области полупроводниковых приборов и может быть использовано при разработке высоковольтных полупроводниковых резисторов с заданной зависимостью их сопротивления от приложенного напряжения.
Известен мощный полупроводниковый резистор [1], состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска монокристаллического кремния n-типа проводимости. В этом резисторе с целью снижения зависимости его сопротивления (R) от температуры (Т) вводят дефекты, имеющие глубокие уровни в запрещенной зоне. В качестве дефектов служат атомы платины с концентрацией от 1,1·1013см-2 для кремния с удельным сопротивлением ρ0=150 Ом·см до 1,1·1017 см-2 для кремния с ρ0=0,8 Ом·см.
Известен мощный полупроводниковый резистор [2], состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска монокристаллического кремния n-типа проводимости. В этом резисторе с целью снижения зависимости R от Т путем электронного облучения вводят радиационные дефекты, имеющие глубокие уровни в запрещенной зоне с концентрацией от 4·1013см-2 для кремния с удельным сопротивлением ρ0=120 Ом·см до 2,5·1014 см-2 для кремния с ρ0=20 Ом·см.
Недостатком этих резисторов является то, что величина их сопротивления сохраняет сильную зависимость от приложенного к резистору напряжения. Это обусловлено тем, что величина удельного сопротивления полупроводника описывается выражением (1).
где q - заряд электрона;
n - концентрация свободных носителей заряда;
µ(Е) - подвижность свободных носителей заряда как функция напряженности электрического поля.
В рабочем диапазоне напряжений (0÷10000 В) и температур (-40÷125°С) при изменении величины напряжения, приложенного к резистору, величины n и q остаются постоянными, поэтому изменение удельного сопротивления при изменении приложенного к нему напряжения определяется зависимостью подвижности свободных носителей заряда от напряженности электрического поля µ(Е). При неправильно выбранной толщине резистивного элемента это может приводить к недопустимо большому изменению величины сопротивления резистора при изменении величины напряжения, приложенного к нему, от минимального значения (U1) до максимального (U2) в заданном диапазоне напряжений.
Целью данного изобретения является разработка конструкции резистивных элементов высоковольтных полупроводниковых резисторов, у которых относительное изменение величины сопротивления (∂RU) при изменении приложенного к нему напряжения в заданном диапазоне напряжений не превышает заданное значение (∂RUЗ).
Указанная цель достигается тем, что толщину резистивного элемента (LЗ) выбирают из соотношений (2, 3):
где
- значения подвижности основных носителей заряда в резистивном элементе при минимальном (U1) и максимальном (U2) значениях напряжения, приложенных к резистивному элементу в заданном диапазоне напряжений.
где R(U1), R(U2) - значения сопротивления резистивного элемента при минимальном (U1) и максимальном (U2) значениях напряжения в заданном диапазоне напряжений.
С использованием данного метода был проведен выбор толщины резистивных элементов резисторов. Резистивные элементы должны были иметь сопротивление 3 Ом и диаметр 40 мм. Они изготавливались из кремния n-типа проводимости. При этом величина U1 была равной 0 В, а величина U2 должна была иметь значения 500 В, 1000 В и 2000 В. При этом значение относительного изменения сопротивления ∂RUЗ задавалось равным 0,1 для U=500 В, 0,2 - для U=1000 В, 0,4 - для U=2000 В.
Для описания зависимости подвижности свободных носителей заряда (электронов) от напряженности электрического поля µn(Е) было использовано выражение (4) [3]:
где µn0 - начальная подвижность электронов (µn0=1417 см2/B·с);
Е - напряженность электрического поля;
- скорость насыщения электронов при температуре;
βn - температурно-зависимый коэффициент зависимости подвижности электронов от напряженности электрического поля;
βn0=1,109, 
T0=300К.
Напряженность электрического поля в структуре полупроводникового резистора описывается выражением (5):
где L - толщина структуры полупроводникового резистора;
U - напряжение, приложенное к структуре полупроводникового резистора.
Сопротивление резистора описывается выражением (6):
где S - площадь резистивного элемента полупроводникового резистора.
Из соотношений (2, 3, 4, 5, 6), следует, что толщина резистивного элемента (LЗ), при которой относительное изменение сопротивления не превышает заданного (∂RUЗ), определяется из выражения (7).
Отработка предлагаемого способа проводилась на трех партиях резистивных элементов мощных резисторов типа РК343 диаметром 40 мм в количестве 10 штук в каждой партии. Полупроводниковые структуры изготовлялись из кремния n-типа проводимости. Для первой партии величина ∂RUЗ1 должна была быть не более 0,1 в диапазоне напряжения 0В÷500 В; для второй партии ∂RUз2 не более 0,2 в диапазоне напряжения 0В÷1000 В; для третьей партии ∂RUз3 не более 0,4 в диапазоне напряжения 0В÷2000 В. В соответствии с предлагаемым способом были рассчитаны толщины резистивных элементов (LЗ): для первой партии толщина LЗ1≥0,48 см, для второй - LЗ2≥0,51 см и для третьей LЗ3≥0,54 см.
Технологический процесс изготовления резистивных элементов включает в себя следующие технологические операции: резку слитка полупроводникового материала на пластины и их последующие шлифовку и полировку. В результате этого толщины резистивных элементов данного типа могут иметь разброс по толщине, величина которого (±ΔL) определяется используемым технологическим процессом и оборудованием. Поскольку фактическая толщина резистивного элемента должна быть не менее LЗ, при изготовлении партий резисторов заданное документацией значение толщины резистивных элементов (LДЗ) выбиралось из соотношения (8)
и составляло LДЗ1=0,481 см, LДЗ2=0,511 см, LДЗ3=0,541 см для первой, второй и третьей партий соответственно.
Три партии резистивных элементов были изготовлены по серийному технологическому процессу ОАО «Электровыпрямитель» в соответствии с вышеуказанным способом.
В таблице приведены экспериментальные значения величины ∂RU элементов на основе монокристаллического кремния, рассчитанные для трех партий резистивных элементов, при температуре Т=300К в заданных диапазонах напряжения.
| Таблица | |||
| Экспериментальные значения величин ∂RU, измеренные у опытных образцов. | |||
| № р.э. | Партия №1 | Партия №2 | Партия №3 |
| ∂RU (∂RUЗ1=0,1) | ∂RU (∂RUЗ2=0,2) | ∂RU (∂RUЗ3=0,4) | |
| 1 | 0,10 | 0,20 | 0,40 |
| 2 | 0,09 | 0,20 | 0,40 |
| 3 | 0,09 | 0,19 | 0,40 |
| 4 | 0,10 | 0,20 | 0,40 |
| 5 | 0,09 | 0,20 | 0,39 |
| 6 | 0,09 | 0,20 | 0,40 |
| 7 | 0,10 | 0,19 | 0,40 |
| 8 | 0,09 | 0,20 | 0,39 |
| 9 | 0,09 | 0,20 | 0,40 |
| 10 | 0,09 | 0,19 | 0,40 |
Из таблицы видно, что для выбранных значений толщин резистивных элементов в заданных диапазонах приложенного к ним напряжения величина ∂RU не превышает ∂RUЗ.
Список используемых источников
1. Патент России №2206146, 7 H01L 29/36, заявка №2001127918/28 // Асина С.С., Кондрашов Е.И., Черников А.А., Щукин Б.П. Мощный полупроводниковый резистор и способ его изготовления. - Опубл. 12.10.2001.
2. Патент России №2169411, 7 H01L 29/30, заявка №2000122023/28 // Асина С.С., Беккерман Д.Ю. Мощный полупроводниковый резистор и способ его изготовления. - Опубл. 17.08.2000.
3. С.Canali, G.Majni, R.Minder, and G.Ottaviani, "Electron and hole drift velocity measurements in Silicon and their empirical relation to electric field and temperature," IEEE Transactions on Electron Devices, vol.ED-22, pp.1045-1047, 1975.
Резистивный элемент высоковольтного полупроводникового резистора, изготовленный из монокристаллического полупроводника с заданным типом проводимости, в котором созданы приконтактные области, омические контакты и предусмотрена защита краевого контура от поверхностного пробоя, отличающийся тем, что, с целью обеспечения у него относительного изменения величины сопротивления (∂RU) не более заданного значения (∂RUз) при изменении приложенного к нему напряжения в заданном диапазоне, толщину резистивного элемента (Lз) определяют из соотношений (1, 2):
где 
, - значения подвижности основных носителей заряда в резистивном элементе при минимальном (U1) и максимальном (U2) значениях напряжения, приложенных к резистивному элементу в заданном диапазоне напряжений,
где RU1, RU2 - значения сопротивления резистивного элемента при минимальном (U1) и максимальном (U2) значениях напряжения в заданном диапазоне напряжений.
