Полупроводниковый прибор

 

Союз Советских

Социалистимеских

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К ПАТЕНТУ (61) Дополннтельный к патенту (22) Заявлено18.03.74 (21) 2008790/18-25 (23) Приоритет — (32) (11) 626713 а к > ф"»» «>>,»

«««««« с> >

t ° -;:- ", г ( ф (51) Ж "Мй;---Н 01 L» 29/70

Государственный комитет

Совета Министров СССР оо делам иэооретений н открытий (31)— (43) Опубликовано 30.09.78.Бюллетень № 36 (45) Дата опубликования опнсанияЗ .о .78 (53) УДК 621.382 (088.8) (723 Авторы изобретения

Ино от ранцы

Хадзиме Яги. и Тадахару Цуюки (Япония) Иностранная фирма

"Сони Корпорейшн" (Япония) (71) Заявитель (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР

Изобрс fc. k:èå относится к по унр(гводннк(м)ь(м прпоорам, имеющим большое количествоо р-п-п(реходов, например биполярным транзисторам или тиристорам, в частности к i.pIIoopy, в котором обеспечнвасгся такая концентрация примеси в области миттера, 1 ри которой эффективная диффузионная дли1а нсосновнk lx носителей заряда оказывается значительно больше, чем ширина 00.!асти эмиттсра, и устройствам, обсспечивак)щим такую генерацию неосновных носителей заряда. инжектируемых в область эмиттера, которые уравнов IIIHk!BIoT неосновные носители заряда. инжектируемые в область эмптTel)« Ià об.(асти базы.

Известны полупроводниковые приборы с большим количеством р-п-переходов (1).

Нанболс(г)1пзкое техническое решение к изобретению — полупроводниковый прибор, имеющий эмпттерную, базовую и коллекторную зоны чередующегося типа проводимости и образующие два р-п-перехода, дополнительную зону противоположного типа проводи (IocTH в эмиттере и образующую с ней дог(олн!!тельный р-п-переход, и средство для прямого смещения (2). Однако в этом приборе нс определен ни вид распредел ния конц«нтрацпп примесей, нп го, как()й должна быть 1пприна базы 1!ли эмпттера.

Концентрацию легирующих э.)см«нг(н в эмиттере обеспечивают болсс высокой. чем в базе. Iln мере увеличения этой разницы новы(паст«я эффеvTIIBность эмпттсра, которая принимает значение. близкое к «динпцс. Однако I:ðII сильной ст(II«I.II легированпя Iip011« ходит возрастание концентрации дефектов решетки и дислокаций в теле полупроводника. У;I«III.I!Iekikie степени легiipon;IIIII» «01:ровождастся в транзисторах снижением коэфф и ц и (I I T l ус н л е н и я 110 т оку .

11«, ll> 1(зоорет«нпя — ум«ньп!«нп«:!!ум»

\ Вели !сl! Ii(коэффициента мсп,lен)1!1 Il() ок > .

П0«тавленная цель !остпгаег.я 1«м, 1то

1б расстояние между переходом эмнrT« )-<)нз;1 и до!10«l l! I IT(!ь вы >1 l1 « l)«>;ÎTÎ) (1« iir» I: i (, >I«hl диффуэноппая дЛПН;! НСОСНОВНЬ)Х и()(1ГГ«Лс в эмпттерс, что позволяет получа! ь i;!I I .()мерную концсIITðà!kèþ неосновных носит«,- I! в области эмит1ера.

Базовая и дополнительная з«н1ы эл«ктрнчсски соединены, а переход эмиттср-()аз;1 и

Доll(), I IIIITP.,1ЪНЫЙ ПЕPP."ОД СМС)К I)!>1(. .

1 l:" 1 .г. «X«.(lkITI1VCс :,и н()к;!3 ili I III(I!>

IIoп«р III()i () разрез!! АХ--,l);IIIçll«. ();;l: н»

626>13 > зисторы, в 11!стг>ос11; МР >-транз!>стор и РМРтранзистор). Эт>> транзисторы созл il<> .OH на подложи< 5, BhfflOлненной HB KpCIIIIIISI Р-TI!па. ХРХ-r;>FIH3>lcTop включает в сеоя с!!л>,но легированну!<Г область ко,!г!ектора, функц>>к>

КОТОрои ВЫГ10.! Няет Под,10м<ка 1, C1d00;I(fl- 5

poBdHHblH сл< и 2 коллектора, слабо легированный слой 3 базы, слабо легированный слой 4.эмиттера, сильн > легированный контактный слой 5 эмиттера, ввод в область 6 коллектора, контактную область 16 коллектора, ввод в базовую область 7, контактную область 8 базы, дополнительную область, электрод к области 9 коллектора, базовый электрод 10 и электрод 11 к области эмиттера.

В PNP-транзисторе имеется коллектор 17

Р-типа, база 18 М-типа, эмиттер 19 P-типа, коллектор 20 P-типа, контактная область 21 коллектора, контактная область 22 базы Х-типа, коллекторный электрод 23, базовый элекTpog 24 и эмиттерный электрод 25.

Электрическое разделение транзисторов осушеств; яется с помощью PIN-переходов.

Изолирую>цая область 26 P-типа примыкает к подложке 15 P-типа и охватывает как

ХРМ-, так и PNP-транзисторы. Три области

N-типа, 27, 28 и 29 образуют чашеобразную изолирующую область, охватывающую только PNP-транзистор. В этой интегральной схеме од>и>временно создается большое количество парных или строенных элементов, например N P-слои 1 и 3 образуются методом селективной диффузии в подложку 15

P-типа. Слой 2 и область 28 создаются методом эпитаксиального выра!цивания материала N -типа, P-слой 3 транзистора NPN и коллектор 17, P-типа транзистора PiUP создаются либо методом эпитаксиального вырашивания, либо методом селективной диффузии. М-слой 4 iUPN транзистора и N-база 18 PUP-транзистора создаются методом эпитаксиального выращивания. Области Х+

6 и 29 создаются с помощью диффузии элементов, приводящих к возникновению N-ти- 40 па проводимости. P-область 7 и коллектор 20 создаются с помощью диффузии элементов, приводящих к возникновению слоя

P-типа проводимости. Р -область 8 PNP-транзистора, дополнительная область транзистора и IUPN-эмиттер 19 PNP-транзистора создаются с помощью диффузии элементов, приводящих к возникновению слоя P-типа проводимости. Области 5, 16 и 22 созданы- методом диффузии. . 50

В варианте, показанном,на фнг. 4, дополнительная область примыкает к области 7 il области 8 базы. Базовый электрол мож T наноситься не только на области 7 базы, но и на дополнительную область 30.

В варианте по фиг. 5 Hd IloBcрх>>Г>сги спа- 55 оо легированного слоя 4 эмиттерн р,>d÷åùdåòcs» . ЧО11-c i рчкт p;>(ACT;>sfл-окись-1!Ог! и ро 10 1IIII K°, У lip Fl, IH1011ГII H э I<. fi p<> !

31, II ll <>l<>B.>снный 1>з алюминия. If ел<>Й 32 лвуOKllc рсч>11!я вместе со слоем 4 эчиттеpB o<>pi .> l<>T МОП-струитi ру. Прп пр >илаlbf

1:;>1!ии заранее ныбра>>ных значе>>ий напряж< II >I я K ч 1 1 pB Вля I<>Ill 0>l ч э 1 KTpоj ч,3 1 110 1

Il l<>,I )>.IoIIIIIxI слоем 32 Hpollcxo IIIT образоB;l l fl l< <>f1 pbCpiI 33. С, IOil 32 21>аз IBaeTCH та кмсс

I! fill<. РС11Ы"! С,IO< . >1, 00, 1 >CTbK> IICTOIIIBHIISI It, III

<>< >. I!i< "hI<> Н Г> КОП1CIIIIFI.

В вариан ге, показанном на фиг. 6, на поверх>>ость слабо легированного слоя 4 эчит>ера наносится слой, с помощью которого создается барьер Шоттки. Для образования барьера Шоттки íà N-слой 4 эмиттера наносится подходя>ций для этой цели металл, например платина.

На фпг. 2 представлена диаграмма рас1>ред<ления примеси и концентрации неосновныx носителей заряда в эмиттере прибо:.">. пре>ставленного на фиг. !. В верхней ча< и показаны кривые, относящиеся к М -легирован!>ой кречниевой подложке 1, слою 2 1 -коллектора, слою 3 P-базы, слою 4 эмиттера и

P-области. Распределение концентрации примеси в каждой из этих областей показано в центральной части,и в нижней части — распределение концентрации инжектированных в эмиттер неосновных носителей заряда, которая является комбинацией пнжектированных неосновных носителей заряда из базовой области слоя 3 и из PN-перехода, разделяющего P-область и слой 4.

Компонент концентрации, возникаюший в результате инжекции неосновных носителей заряда из перехода 13 эмиттер-база, изображен линией 34 градиента, компонент концентрации, возникающий в результате инжекцпи тока неосновных носителей заряда из дополнительного перехода 14, — линией 35 градиента. Так как инжектированные неосновные носители заряда перече>цаются в противоположных направлениях, они облала!От тенденцией к рекомбинации друг с другом, в результате чего определяется строго плоская илп находя>цаяся на одном уровне линия 35 градиента. Именно за счет э.гой характеристики обеспечивается большое зна IcHIIp коэффициента усиления пo оку и низкий p<)BcHb шумов в приборе.

Неосновные носители заряда (лырк>!), ftIfiKcfiTfipoBdHHbfe через переход axfffTTep-база, л >стигают дополнительного ffepcx<>.tll;>л !loT в дополнительную область. С труt > II c "op<>ffû IIB Р-о<>г!асти также пр<н холит инжекция дырок в слое 4 xfftTTepa N-типа, н эти IblpKII проходят через эмиттер и лохо,!ят до перехода 13 эмиттер-база, поск<>льну диффузионная длина инжектированных носителей Wb меньше, чем диффузионHая лли>>а в слое 4 N-эмиттера. Когда уровень инжекции дырок из P-области достаточно высок, дырочный ток из дополнительного перехода- 14, направленный в сторону переход

С помощью прибора, показанного на фиг. ), достигаются высокое зиачаине коэффициента усиления по току и малый уровень шумов, Это происходих потому, что коэффициент Ь gусиления по току в схеме с заземленнь1м эмиттером является одним из важнейших параметров транзистора.

Ои определяется hp,— — 4 (I) где ц. коэффициент усиления в схеме с заземленной базой. Коэффициент а усиления по току находят по формуле (>) где ФР— отношение, связанное с умножением на коллекторе; ф — коэффициент передачи базы; у — эффективность эмиттера.

В NPN-транзисторе, например, эффективность эмиттера определяет я как где За — плотность электронного тока, создаваемого электронами, которые инжектируются через переход эмиттер-база в направлении от эмиттера к базе, а плотность дырочного тока, создаваемого дырками, которые иижектируются через тот же переход — в обратном направлении от базы к эм итте ру.

Величина плотности электронного тока задается xiii(,М ).

Р Ри (ф ) (,5)

P где Le — это диффузионная длина электронов в базе, имеющей р-тип проводимости;

Еу — диффузионная длина дырок в эмиттере, имеющем N-тип проводимости;

6p — коэффициент диффузии для дырок;

Вя —, коэффициент диффузии для электронов; ц р — концентрация электронов, являющихся неосновными носителями в базеР-типа s состоянии равновесия;

Р4 — - концентрация дырок, являющихся неосновными. носителями в эмиттере N-типа проводимости в состоянии равновесия;

V, — напряжение, приложенное к Р-N-nep6KQ+f:

à — температура;

q — заряд электрона„

k — постоянная Больцмана.

Вводя величину В, равную ф иЯ,.„, можно тогда запивать

Г

3n Lp Эа отношению

ld ÝIß, L

"а заменив соотношение

Ра «Я4

Рр P3

Кривые отражают экспериментальные результаты, полученные при исследованиях двух различных транзисторов. Разница между двумя кривыми объясняется тем, что имеет место различная плоскостная конфигурагде N — концентрация примесей в области базы;

N — концентрация. примеси в области

26 эмиттера;

% — ширина базы, величина которой ограничивает диффузионную длину электронов Lä в области базы.

Коэффициенты диффузии носителей заря-... да 0п и 0 являются функциями подвижиос ти носителей заряда и температуры и могут быть практически постоянными.

При уменьшении значения $> величина у становится близкой к единице в соответствии с уравнением (3), значение e(,возрастает в соответствии с уравнением (2) и значение hp — в соответствии с уравнением (l)

Низкие шумовые характеристики объясняются следующим: концентрация дефектов решетки или дислокаций значительно уменьшается в связи с тем, что N-переход эмитЗ> тер-база образуется сильно легированным слоем 4 эмиттера и сильно легированным слоем 3 базы. Концентрация примесей в сил но легированном слое 4 эмиттера с точки зрения шумовых характеристик, .времени жизни тр и диффузионной длины неосновиых носителей заряда Lp, должна быть уменьшена до значений, приблизительно меньших, чем lo 8 см .

Другим фактором, приводящим к низкому уровню шумов, является то, что ток

4S эмиттера течет почти в вертикальном направлении как в сильно легированном слое 4 эмиттера, так и в сильно легированном слое

3 базы.

Высокие значения коэффициента усиления по току — для схемы с заземленным

56 эмиттером h<> для прибора, представленного на фиг. 1, показаны на фиг. 7 двумя графиками 36, 37.

6267I

Формула изобретения

9 ция эмиттера. Обе кривые свидетельствуют, что приборы обладают высокими зиачвниями коэффициента усиления по току в схеме с заземленным эмиттером.

На фиг. 8 приведены зависимости уровня шумов от частоты, полученные для прибора, изображенного иа фиг. I, случай, когда полное входное сопротивлеиие равно

1000 Ом, ток коллектора мА, а иапряжение смещения, приложеииое между эмиттером и коллектором,6 В. Значения уровня шумов показаны линией 38. Уровеиь шумов для транзистора, изготовлеииого по известной технологии, при которой уровень шумов минимальный, показан иииией 39.

На фиг. 9 представлена кривая, подоб" иая кривой иа фиг. 8, где характеристики прибора, представлеииого иа фиг. 1, изображеиы линией 40, а уровень шумов, наблюдаемый иа поборе, изготовлеииом по технологии предшествующего уровня техники, показан линией 41 Кривые иа фиг, 9 соответствуют величине полного входного .опротив- 2О лений, равного 30 Ом, при этом величииы тока коллектора и напряжение между эмиттером и коллектором такие же, как при построении диаграмм иа фиг. 8.

НЪ фиг. 10 представлены шумо;ые диаграммы для известного транзистора (42) и прибора, изображенного иа фиг. 1 (43).

Обе диаграммы построены для уровня шума в3дб:

Кривые, построенные на фиг. 11, являются зависимостью от температуры. Кутивая 44 3о отиосится к известному прибору, а кривая

45 — к предлагаемому.

Выражение «фактически плоское», которое используется для описания распределения концентрации на основных носителях заряда вдоль эффективной области эмиттера, следует понимать таким образом, что комбинированное зиачеиие концентрации иеосновных носителей заряда, которые иижектируются из активной области базы в активную область эмиттера, и концентрация иеосновных носителей заряда в эмиттере, перемещающихся в противоположном направлеиии под воздействием возникающего контактиого поля, оставалось иа одном уровие

1() но всей активной области эмигтера. Это состояиие представлеио частью линии иа фиг. 2, которая отиосится к области эмиттера и идет горизонтально.

В описанных выше вариантах прибора за счет хорошего качества поверхности кремния и иаиесеиия пассивирующего слоя SIO> обеспечивается низкое значение скорости поверхностей рекомбинации. С помощью дополнительного барьера, описанного выше, также удается получить низкое значение скорости поверхностной рекомбинации и иа поверхностях отдельных плоскостей переходов.

Хотя изобретение поясиеио с помощью

NPN-транзистора, показанного иа фиг. 1, очеви ио, что это может быть и PNP-траизистор, имеющий подобную структуру и характеристики. Практически вариантом изобретеиия может быть и полупроводииковый прибор NPNP-типа.

I. Полупроводниковый прибор, имеющий эмиттерную базовую и коллекториую зоны чередующегося типа проводимости и образующие два р-п-перехода, дополнительнуюзоиу противоположиого типа проводимости в эмиттере и образующую с ней дополиительиый р-п-ае, и средство для прямого смещения, отличаюи(ийся тем, что, с целью уменьшения шумя и увеличения коэффициента усиления по току, расстояние между переходом эмиттер-база и дополиительиым переходом меньше, чем диффузионная длина иеосиовных носителей в эмиттере, что позволяет получить равиомериу|о концентрацию иеосновиых йосителей в области эмиттера.

2. Прибор по п. i, отличающийся тем, что базовая и дополнительная зоны электрически соединены, а переход эмиттер-база и дополнительный переход смежные.

Источники информации, принятые во виимание при экспертизе:

I. Кузьмин В. A. Тиристоры малой я средней мощностей. М., «Сов. радио». !97!.

2. Патент США № 3591430, кл. 317 — 235, 1968. ф 71 5 Н 7

626713

hFE

5 11 N+ 7 6

1О

7,У г тг

0тиг.6

NF 10

Рие. 9

100к

AFE тк

100

1О

0,О01 О,О1

1 10 — э» Ic mA/

01 Рие. 10 моиг. 11

Составитель О.Федюкина

Техред О. Луговая Корректор В. Сер.нюк

Тираж 960 Подписное

Редактор Т. Рыбалова

Заказ 5477/22

ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП «Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4 (Ю!

/70 (л) как

10 100 тК 1ОК 100 К вЂ” Э (az) 15 (db) ю

100рА mA fomA тоотА I c отие, 7 то 100 тк тол тоок — - (ez)