Полупроводниковое устройство

 

t t !! 640686

ОП ИСАНИ Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

1. о!ое Советских

Социалистических

Республик (61) Дополнительный к патенту (22) Заявлено 18.03.74 (21) 2008682/18-25 (23) Приоритет — (32) (31) — (33) (51) М. Кл.-

Н OIL 29/70

Гссударстееииый комитет по делам иесбретеиий (43) Опубликовано 30.12.78. В1оллетспь е 48 (53) УДК 621.382 (088.8) и открытий (45) Дата опубликования описания 30.12.78 (72) Авторы изобретения

Иностранцы

Яги Хадзиме и Цуюки Тадахару (Япония) Иностранная фирма

«Сони Корпорейшн» (Япония) (71) Заявитель (54) ПОЛУПРОВОДНИКОВОЕ УСТРОЙСТВО

Изобретение относится к полупроводниковым переходным приборам, а именно к многопереходным полупроводниковым приборам (биполярный транзистор или тиристор).

Известны полупроводниковые устройства, содержащие области полупроводника чередующегося типа проводимости и имеющие по крайней мере два р — n-перехода, например тиристор 1).

В известпых полупроводниковых приоорах с чередующимся типом проводпмосги концентрация легирования эмиттера делается вьппе, чем у базы. Когда это различие становится большим, то эффективносгь 15 эмиттера приближается к единице. Однако высокая концентрация легирующей примеси увеличивает дефекты кристаллической решетки. B результате уменьшается диффузионная длина неосновных носителей. При 20 уменьшении ровня легирования происходит уменьшение коэффициента усиления.

Известен также полупроводниковый прибор с низкой концентрацией примесей в эмиттерпой, базовой и коллекторной обла- 25 стях (2).

В этом случае диффузионная длина нсосновных носителей меньше, че vl шнрина

Области эмиттсра, и пеосновныс носители !!алaпс1!1)у!ото!!;!!!11!фy:t ttottttatм током !it!- 30 жектированных неосновных носителей, протекающим от базы через эмиттер.

Цель изобретения — увеличение коэффициента усиления по току и уменьшение уровня шума.

Поставленная цель достигается тем, что первая область полупроводника выполнена из двух зон различной концентрации, образующих L Н-переход, причем зона, прилегающая к р — n-переходу, имеет меньшую концентрацию, чем вторая, и разность концентраций обеспечивает встроенное поле в первой области, уравновешивающее диффузионный ток неосновных носителей тока, инжектируемых в нее пз первого p — 1г-перехода, а толщина первой области меньше диффузионной длины неосновных носителей в ней.

Диффузионная длина неосновных носителей в,первой области лежит в диапазоне от

50 до 100 мкм.

Концентрация примеси в первой зоне первой области меньше 10" ат/см .

На фиг. 1 схематически показан ЖРМтранзистор в разрезе; на фиг. 2 представлен уровень концентрации примесей в приборе, показанном на рис. 1, !1 концснтра ция неocHQBHbtx носителей в области эмиттера; на фпг. 3 дана интегральная схема, имеющая Л РЛ -транзистор предлагаемой

640686 конструкции и дополнительный PNP-транзистор известной конструкции; на фиг. 4 приведен график для коэффициента h+> усиления по току в схеме с заземленным эмиттером как функция коллекторного тока; на фиг. 5 — график для шумового фактора, как функция частоты с входным импедансом 1000 см; на фиг. 6 — график для шумового фактора, как функция частоты с входным импедансом 30 ом; на фиг. 7 дана диаграмма шума, составленная для шумового фактора, как функция коллскторного тока.

Транзистор NPN-типа (фиг. 1) содержит подложку 1, сильно легированную примесями N-типа, например, это .может быть кремний, сильно легированный сурьмой. Уровень легирования должен составлять 4)(10 Всм, что соответствует величине сопротивления приблизительно 0,01 Ом см. При этом величины сопротивления могут варьироваться от

0,008 до 0,12 Ом см. Толщина подложки составляет величину порядка 250 мкм. Эпитаксиальный слой 2 кремния N -ти па образован на подложке 1 для совместного использования с ней в качестве коллектора.

Эпитаксиальный слой 2, слабо легированный сурьмой, имеет концентрацию легирующей примеси порядка 7)(10 4 см, сопротивление этого слоя приблизительно от 8 до 10 Ом. см, оптимальная толщина эпитаксиального слоя порядка 20 мкм.

Эпитаксиальный слой 3 кремния P --типа образован на слое 2 для создания активной базы транзистора. Легирование может быть обеспечено достаточным количеством бора для получения уровня легирования порядка

1;(10" см . Это соответствует сопротивлению 1,5 Ом. см, толщине слоя 3 приблизительно 5 мкм.

Эпитаксиалвный слой 4 кремния N -типа формируется на P — -слое 3 для получения эмиттера. Слой 4 слегка легирован сурьмой, концентрация легирования соответствует сопротивлению приблизительно 1 Ом см, толщина слоя составляет примерно от 2 до

5 мкм.

Диффузионный слой 5 N+-типа представляет собой область, сильно легированную фосфором, и имеет уровень концентрации примеси приблизительно 10" см —, а толщи ну порядка 1,0 мкм.

Диффузионная область 6 N+-типа, сильно легированная фосфором, окружает NPNтр анзистор. Легирование проводится до уровня концентрации примеси приблизительно 3)(10" см †. Примесь проникает через слой 3 P -типа в слой 2 N †-типа до тех пор, пока не достигнет области 1 N+-подложки. Таким образом, она окружает базовую область 3.

Диффузионная область 7 P+-типа используется как проводящая часть базовой области 3. Область 7 легируется бором с концентрацией, примеси па поверхности при5

4 близительно 3)(10" сМ вЂ”, Диффузионная область 7 проходит через слой 4 N — -ти па в базовый слой 3 P — -типа, который ограничивает всю эмиттерную область 4.

Диффузионная область 8 P òèïà обеспечивает общий контакт всей площади и представляет собой сильно легированную бором область. Содержание примесей на поверхности приблизительно 5)(10 8 см .

Алюминиевый коллекторный электрод 9 формируется под поверхностью подложки

1. Алюминиевый базовый электрод 10 образуется на базовой области 8, алюминиевый эмиттерный электрод 11 — на сильно легированный эмиттерной области 5.

Слой из двуокиси кремния служит для пассирования и покрывает сверху всю поверхность прибора.

Слой 2 N — -типа и слой 3 P -типа образует коллекторно-базовый переход 12. Слой

3 и слой 4 N — -типа образует эмиттерно-базовый переход 13. Слой 4 и слой 5 N+-типа образует L — Н-переход 14 для примесей того же типа (L Н определяет две граничащих области с примесью того же самого типа, одна из которых слабо легирована, а вторая сильно легирована). Ширина,W< между эмиттерно-базовым переходом 13 и

L — Н-переходом 14 составляет приблизительно 6 мкм.

На фиг. 2 представлен уровень концентрации примесей и концентрация неосновных носителей в эмиттере прибора. В верхней части показано относительное расположение эмиттера, базы и коллектора, в средней части — концентрация носителей в атомах на кубический сантиметр в направлении от внешней поверхности к областиподложки 1, в нижней части — относительное количество концентрации неосновных носителей последовательно в различных областях, начиная с области 5 N+-типа. Если диффузионная длина неосновных носителей меньше, чем ширина эмиттера Р, профилю определения концентрации неосновных носителей соответствует пунктирная линия (пунктирной кривой а показан профиль распределения концентрации неосновных носителей для малых величин встроенного поля). L — H-переход образуется слабо легированными и сильно легированными областями с одним типом проводимости и через L — Н-переход проходят лишь основные носители.

Значения коэффициента h>g усиления в схеме с заземленным эмиттером представлены на фиг. 4. Кривые 15 и 16 соответствуют различным планерным конфигурациям. Обе кривые показывают очень высокую величину коэффициента усиления по току в схеме с заземленным эмиттером.

Кривая 17 на фиг. 5 представляет собой зависимость от частоты для прибора, изображенного на фпг. 1, кривая 18 является типичной шумовой характеристикой извест640686

5 ных приборов. Кривые 19 и 20 на фиг. 6 представляют собой шумовые характеристики прибора для различных входных импедансов.

На фиг. 7 кривой 21 показана шумовая характеристика известных приборов, а кривой 22 — шумовая характеристика предлагаемого прибора. Кривые 21 и 22 являются шумовыми факторами при 3 дб. Область внутри параболы имеет шум ниже 3 дб. Из сравнения фигур 4, 5, 6 и 7 следует, что предлагаемый прибор имеет значительные преимущества перед из вестными.

На фиг. 3 приведен второй вариант предлагаемого прибора.

NPN-транзистор, показанный на фиг. 1, сформирован в интегральной схеме с одним или несколькими полупроводниковыми элементами, например PNP-транзисторами обычного типа. На подложке P — -THitta NPNтранзистор формируется по тем же самым принципам, что и транзистор на фиг. 1. Он включает сильно легированный коллектор

1, слабо легированный коллектор 2, слабо легированную базу 3, слабо легированный эмиттер 4, сильно легированную область 5, коллекторную управляющую площадку 6, коллекторную контактную площадку 7, базовую контактную площадку 8, коллекторный электрод 9, базовый электрод 10 и эмиттерный электрод 11, На той же самой подложке формируется обычный транзистор PNP-типа, который имеет коллектор

P — -ти па, базу N-типа, эмиттер P-типа, управляющий коллектор P-типа, коллекторную контактную площадку P-типа, базовую контактную площадку N-типа, коллекторный электрод и эмиттерный электрод. Два транзистора электрически изолированы

P — N-переходами. Площадь изоляции P-типа связана с подложкой и окружает как

NPN-транзистор, так и PNP-транзистор.

Области N-типа образуют изолирующую площадь в форме чаши вокруг транзистора

PNP-типа.

В приведенной интегральной схеме tvtli0rue соединения формируются одновременно.

Все сказанное выше î NPN-транзисторе в такой же степени относится и к PNPтранзистору с сравнимой структурой и характеристиками. Кроме того, можно легко представить это изобретение как полупроводниковый тиристор NPNP-типа.

Формула изобретения

1. Полупроводниковое устройство, содержащее по крайней мере три области полупроводника чередующегося типа проводи15 мости, образующие два p — n перехода, отл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения коэффициента усиления по току и уменьшения уровня шума, первая область полупроводника выполнена из двух зон

20 различной концентрации, образующих L

Н-переход, причем зона, прилегающая к р — n-переходу, имеет меньшую концентрацию примеси, чем вторая, и разность концентраций обеспечивает встроенное поле в

25 первой области, уравновешивающее диффузионный ток неосновных носителей тока, инжектируемых в нее из первого p — и-перехода, а толщина первой области меньше диффузионной длины неосновных носителей

30 в ней.

2. Полупроводниковое устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что диффузионная длина неосновных носителей в первой области лежит в диапазоне от 50 до 100 мкм.

З5 3. Полупроводниковое устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что концентрация примеси в первой зоне первой области меньше 10" ат/см

40 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Зи С. М. Физика полупроводниковых приборов. М., «Энергия», 1973, с. 263.

2. Патент США № 3591430, кл. 317 †2, 45 опублик. 1970.

640686

Хх, е

4g ч

j0JuR

/rnR

1асг 4

/0»>R 00.ryyA юг. 2

И+ />!-/>+

+ г /> 1! $ у 1 }Л>д

1 (1

+ |

T >/x )

-) 1002 3! 2! >0::.!

152.)

/0/!

-о э- -О-— т —— Г!

/00 /!; . 1 /00Л

11г„5

Х(.Г >!

20 хс

Ф о б

/00

100 N !О/Г /00 К л

/1//в) —

Фиг. б! I

l0 i;rA }

001 01 ср, Корректор Л. Бракнииа

Тс >; рсд С. Антипенко

Редактор Т. Рыбалова

1ииографии, пр. Сапунова, 2

31кзз 2456/7 Изд. г} 822 Тира>к !)22 Подписное

11ПО Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, )K-35, Раушскаи иаб., д. 4/:>