Мощный транзистор с гребенчатой структурой

 

Союз Советски к

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< 1978235 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 14.01.81 (21) 3237739/18-21 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет (51)М. Кл.

Н 01 L 23/02

3Ъвударствеай каиитат

СССР аа двлаи изобретений и открьпий

Опубликовано 30.11.82. Бюллетень № 44

Дата опубликования описания 30.11.82 (53) УДК 621.382..002 (088.8) В. А. Сергеев, Н. Н. Горюнов,,В, М. Мулев, А. А. ШирЮков

1 и О. А. Дулов (72) Авторы изобретения

/ с (Vl ) Заявитель

Ульяновский политехнический институт (54) МОЩНЫЙ ТРАНЗИСТОР С ГРЕБЕНЧАТОЙ СТРУКТУРОЙ

Изобретение относится к полупроводниковой технике, в частности к конструкциям мощных полупроводниковых приборов.

Наиболее близкой по технической сущное=

5 ти к предлагаемой является конструкция мощных диффузионных транзисторов с гре-. бенчатой структурой, содержащих основание и крышку корпуса, электрические выводы, компенсирующую накладку, представляющую собой плоскопараллельную пластинку (диск или параллелепипед) обычно из вольфрама или молибдена, на которой. располагается кристалл полупроводника с . транзисторной структурой (1) . т5

Недостатком транзисторов подобной конструкции является неоднородное распределение эмиттерного (а значит, и коллекторного) тока вдоль эмиттерных дорожек метал- 2о лизации из-эа падения напряжения на сопротивлении металлиэации. Причем с ростом тока эта неоднородность резко увеличивает.ся..Это в свою очередь приводит к неодно2 родному распределению мощности и температуры в структуре транзистора. Тепловая обратная связь приводит к еще большему увеличению неоднородного распределения, а при определенных условиях и к выходу при- бора из строя в результате теплового пробоя.

При этом проплавление базового слоя в подавляющем большинстве случаев наблюдается у основания эмитгерных зубцов.

Цель изобретения — повышение устойчивости транзистора к тепловому пробою.

Поставленная цель достигается тем, что в мощном транзисторе с гребенчатой структурой, содержащем основание корпуса, крышку, полупроводниковый кристалл с транзисторной структурой и. компенсирующую прокладку, расположенную между основанием и полупроводниковым кристаллом, и систему выводов, компенсирующая прокладка выполнена переменной толщины, увеличивающейся по линейному закону от основания эмиттерных дорожек к их концу, причем угол наклона

978235 4

\ металлиэации; L,a — длина и ширина дорожки металлизации.

Уменьшение плотности эмиттерного тока от основания к концу эмиттерной дорожки вследствие падения напряжения на сопротивлении металлизации компенсируется возрастанием удельного теплового сопротивления эмиттерперехода от основания. к концу дорожки (из-за возрастания толщины компенсирующей

10 наладки).

Плотность эмиттерного тока в точках, .отстоящих от основания эмиттерной дорожки на расстоянии х, можно записать в следующем виде:

15 к с1 Т (o)

О(Qgg О д (Ч О 50) Р где Зе — предельно допустимый или номинальный ток для данного типа транзис торов;

P — предельно допустимая или номи- нальная мощность для данного типа транзисторов;

Т(0} — предельно допустимая температура для германиевых или кремниевых приборов; (}Э о — падение напряжения на эмиттерном р-и-переходе транзистора;

q †зар электрона;

Š— ширина запрещенной зоны полупроводника; 20 а — ширина эмиттерной дорожки;

Н вЂ” полное сопротивление эмиттерной дорожки;

Л н — теплопроводность материала прокладки. 25

На фнг, 1 и 2 представлена конструкция мощного биполярного транзистора с гребенчатой структурой; на фиг. 3 — схема элементарного транзистора гребенчатой структуры; на фиг. 4 — график функции измене- ч0 ния толщины прокладки f (õ ) и аппроксимирующей фукнции Z (х); на фиг. 5 — зависимости падения напряжения на эмиттерном переходе (Ч з ) и удельного теплового сопротивления от расстояния от основания эмиттерной дорожки к концу.

Э (х} =А-ехр ф ( т(х) U (х } = — 3 „0Р(w } - сЗ, x () Транзистор содержит основание 1 корпуса, через отверстия в котором проходят элект- 0 рические выводы эмиттера 2 и базы 3, изолированные от корпуса с помощью диэлектрических втулок 4. На основании корпуса с помощью припоя закреплена компенсирующая накладка 5 клинообразной формы (т.е. пластина с линейно-переменной толщиной), на которой также с помощью припоя закреплена полупроводниковая пластина 6 с транзисторной гребенчатой структурой 7 таким образом, чтобы направление эвпптерных дорожек от общего основания к концу совпадало с

50 из (3) нетрудно полуппь направлением возрастания толщины прокладки. К основанию корпуса с помощью холодной сварки (или контактной электрической сварки) прикреплена крышка 8 корпуса, герметично защищающая структуру от вредных воздействий окружающей атмосферы. (р .3}

На фиг. 3 обозначено: !а — полный эмиттерный ток транзистора; и — количество дорожек (зубцов) в эмиттерной "гребенке*

40 где величина ЗАор(х )связана с плотностью эмиттерного тоМа простым соотношением

33(x) Bx ( х

При условии -}р(")=00" "- р}.1„., 0 х Х

U(X) = — — — ° (5 ) а(. верхней плоскости прокладки к основанию определяется из соотношения где А — некоторая константа для данного типа транзисторов, слабо зависящая от температуры; Еа . — ширина запрещенной зо ны полупроводника; q — заряд электрона; 0 60падение напряжения на эмиттерном р-п-переходе у основания эмиттерной дорожки в точках x = О; k — постоянная Больцмана;

m — фактор, учитывающий неидеальность эмиттерного р-и-перехода; Т (х) — абсолютная температура р-и-перехода в точках с координатой х;

U (х) — падение напряжения на сопротивлении, металлизации.

Это падение напряжения возникает из-за протекания по дорожке тока 3,, о„,Ж Если обозначить через и полное сопротивление дорожки металлизации, то величину U (х) . можно найти по формуле

5 978235 6 Представим температуру р-п-перехода Т(х) в Синус угла наклона sin а (фиг. 1) верхней следующем виде: плоскости накладки находится по формуле

Tx = Т(о)+ bT (х ), где Т(о) — температура в точках x = 0;

ЬТ(х) — величина превышения температуры перехода в точках с координатой х над температурой Т (о ) .

Условие 3 (х)=сопв1 означает, что увеличение падения напряжения на сопротивлении металлизации с ростом х компенсируется возрастанием температуры полностью, так что выражение под знаком ехр в формуле (1) не зависит от х, т.е. 35 .— %UBo+q, (х) -С, (6) tnt Т(о ) 1+ 1

Т(о) J

20 где С вЂ” некоторая константа, откуда после некоторых преобразований следует, что 3в (X) = const npu

g U(х) дТ(Х)=Т(о), () (!/

ЕР Ч ОЭЬО

Увеличение температуры вдоль дорожки проще всего создать путем увеличения удельного теплового сопротивления р-п-перехода по 30 мере удаления от начала дорожки, что достигается увеличением толщины компенсирующей накладки, т.е. д,) (х) дт)х)=д>х(х) их.Э,)х)= „" „,,„д ю C))) >д

Н где !ц) (x) — приращение теплового сопротивления за счет увеличения толщины компенсирующей накладки зон(х) Л -. теплон проводность материала накладки; U < — коллекторное напряжение; P — мощность, рассеиваемая транзистором.

Иэ (7), (8) и (5) нетрудно получить следующее выражение для вс1„(х) .

Таким образом, точное решение задачи дает нелинейный закон изменения толщины 50 накладки, при котором Зз(х)= const, но реализовать такой закон сложно и нетехноX Х логично, поэтому функцию Их) = (— —,2 !ап55 проксимируем с минимальным отклонением

"Г2 х х прямой Z (Ц= — х 0,58 — (ф 4) .,Б- ) ), В и о = — "- О, э 8. Л Н . (!О)

a(4) Ч КЭО мт(о) (4 %""ýüî)Р

При расчете величины sin а необходимо брать 3 о = 3max " Pmax A< 3rnax

Pmа, — предельно допустимые ток и мощность для данного типа транзисторов, поскольку именно этот режим является наиболее опасным с точки зрения влияния сопротивления металлизации на распределение тока (можно брать номинальные значения этих величин 3 о = 0>73max> - V.>max но ре- . зультат от этого не изменится), В этом ре.жиме (imaÄ Prna„) величина Т (о) близка к предельно допустимой; Т)=е = 400 К— для германиевых приборов; Т8„= 450 К— для кремниевых приборов, Например, для транзисторов типа КТ 803А

Eg — ц0 бор0,5 эВ; Я = 0,16 Ом; 3)т)а„=

=ГОА; Р„1а, =60Вт; а=0,015 сми фоумУла (10) дает sin а 0,2ЛН, где Лн в

Вт/см град.

Для накладки из молибдена sin Ф!))!о 0,29;

;из никеля sin dl)i;0,12; из вольфрама я)п а що = 0,4.

Технико-экономические преимущества предлагаемой конструкции состоят в том, что транзисторы подобной конструкции имеют более равномерное распределение тока, мощности и температуры по структуре и, как следствие, более устойчивы к тепловому пробою, т.е. более надежны, чем транзисторы известной конструкции.

Формула изобретения

Мощный транзистор с гребенчатой структурои; содержащий основание корпуса, крышку, полупроводниковый кристалл с транзисторной структурой и компенсирующую прокладку, расположенную между основанием и полупроводниковым кристаллом, и систему выводов, отличающийся тем, что, с целью повышения устойчивости транзистора к тепловому пробою, прокладка выполнена переменной толщины, увеличивающейся по линейному закону от основания эмиттерных дорожек к их концу, причем угол наклона верхней плоскости прокладки к основанию определяется из соотношения, Ч,R30 ol т(0)

51 и о(, =0,58 AH где 3о — предельно допустимый или номи) нальный ток для данного .типа транзисторов;

978235 фиЕ. f

4 Х

P — предельно допустимая или номинальная мощность для данного типа транзисторов;

Т(о ) — предельно допустимая температура для германиевых или кремниевых приборов;

0 — падение напряжения на эмиттерном

Щ) р-п переходе транзистора;

q — заряд электрона; — ширина запрещенной эоны полупроводника; а — ширина эмиттерной дорожки;

Я вЂ” полное сопротивление эмиттерной дорожки;

Аи — теплопроводиость материала прокладки. с

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Мазель Е. 3. Мощные транзисторы. М., "Энергия", с. 104 — 105 (прототип).

978235

Р,2 х

Составитель Е. Гаврилова

Техред Ж.Кастелевич Корректор А, Ференц

Редактор П. Макаревич

Тираж 761 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 9230/69

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

02 д4 фиг Ф

«X

Рб д8 / Е