Мощный биполярный транзистор, устойчивый к обратному вторичному пробою

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ(71) Заявитель Государственное предприятие Завод Транзистор(73) Патентообладатель Государственное предприятие Завод Транзистор(57) 1. Мощный биполярный транзистор, устойчивый к обратному вторичному пробою, содержащий коллекторную область с проводимостью первого типа, базовую область с проводимостью второго типа, противоположного первому, примыкающую к коллекторной области с образованием - перехода база-коллектор,эмиттерную область с проводимостью первого типа, примыкающую к базовой области с образованием перехода база-эмиттер, отличающийся тем, что коллекторная область, примыкающая к планарной поверхности кристалла и базовой области, дополнительно легирована примесью первого типа проводимости на глубину, не превышающую глубины перехода эмиттер-база, причем концентрация примеси первого типа проводимости в дополнительно легированной коллекторной области выбрана такой, чтобы напряжение пробоя перехода база-коллектор в дополнительно легированной коллекторной области не превышало напряжение пробоя между коллектором и эмиттером за пределами дополнительно легированной коллекторной области. 2. Мощный биполярный транзистор по п. 1, отличающийся тем, что транзистор выполнен составным по схеме Дарлингтона.(56)2024995 С 1, 1994.1819072 1, 1995.5184204 , 1993. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. - Л. Энергоиздат, 1986. С. 32-36. Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности к мощным транзисторам, работающим в схемах с индуктивной нагрузкой в цепи коллектора. Известно, что работа транзистора в схемах с индуктивной нагрузкой в цепи коллектора связана с большими перенапряжениями, возникающими во время выключения транзистора. Такие перенапряжения могут 4014 1 привести к обратному вторичному пробою и выходу транзистора из строя. Существует несколько способов защиты транзисторов от перенапряжения. Известен интегральный транзистор с защитой от перенапряжения 1, в котором для защиты от перенапряжения используется дополнительный защитный транзистор, включающий области коллектора и эмиттера первого типа проводимости, область базы второго типа проводимости, противоположного первому, и высоколегированную область, расположенную в базовой области, прилегающую к донной части эмиттера и имеющую тип проводимости базы, причем область коллектора выполнена общей для основного и защитного транзисторов, эмиттер защитного транзистора соединен с базой основного транзистора, а база защитного транзистора имеет плавающий потенциал. Пробивное напряжение при разомкнутой базе между коллектором и эмиттером защитного транзистора меньше значения пробивного напряжения - перехода между коллектором и базой основного транзистора. При перенапряжении пробивается защитный вертикальный биполярный транзистор, обеспечивая стабилизацию напряжения коллектор-база основного транзистора, то есть защиту от перенапряжения. Однако используемая в данном известном устройстве конструкция из не менее чем двух транзисторов и их электрическое соединение с помощью металлических шин обладает следующими недостатками. 1. Защитный транзистор занимает определенную площадь, что увеличивает общую площадь прибора. При увеличении мощности основного транзистора необходимо увеличивать также и площадь защитного транзистора, то есть для транзисторов большой мощности существенно увеличивается размер кристалла. 2. Емкость защитного транзистора и емкость конденсатора металл-диэлектрик-полупроводник, образованного коллектором и металлизацией, соединяющей электроды основного и защитного транзисторов, подключены параллельно переходу база-коллектор основного транзистора, что приводит к значительному увеличению емкости прибора. Известна конструкция полупроводникового прибора с - переходом 2, состоящего из полупроводниковой подложки первого типа проводимости, группы активных ячеек второго типа проводимости, противоположного первому, которые создаются в подложке и соединены электродами, области охранных колец второго типа проводимости, которые окружают область активных ячеек и соединяются с электродами активных ячеек. В данной конструкции пробивное напряжение прибора регулируется изменением глубины диффузии для ячеек охранных колец так, чтобы при перенапряжении пробой происходил в области охранных колец, обеспечивая стабилизацию напряжения на - переходах активных ячеек. Данная конструкции полупроводникового прибора с системой охранных колец обладает следующими недостатками. 1. Охранные кольца занимают большую площадь за пределами области активных ячеек, что существенно увеличивает площадь кристалла. 2. Емкость, образованная ячейками охранных колец и полупроводниковой подложкой, подключена параллельно емкости активных ячеек, что существенно увеличивает емкость прибора. Наиболее близким техническим решением к заявляемому является транзистор, устойчивый к вторичному пробою 3, содержащий коллекторную область с проводимостью первого типа, первую базовую область с проводимостью второго типа, противоположного первому, примыкающую к коллекторной области, первую эмиттерную область с проводимостью первого типа, примыкающую к первой базовой области, вторую эмиттерную область с проводимостью первого типа, вторую базовую область с проводимостью второго типа,примыкающую ко второй эмиттерной области и к коллекторной области, причем вторая эмиттерная область омически соединена с первой базовой областью с помощью электрода, а вторая базовая область выполнена плавающей и является делительным кольцом для первой базовой области. В этом случае пробивное напряжение между коллектором и эмиттером транзисторной структуры, образованной внутри второй базовой области, меньше пробивного напряжения между коллектором и эмиттером основного транзистора, что обеспечивает при перенапряжении стабилизацию напряжения на основном транзисторе. Однако вторая базовая область должна быть достаточно широкой для формирования в ней второго эмиттера и обеспечения контактирования к эмиттеру, то есть должна занимать большую площадь и вместе с металлической шиной, соединяющей второй эмиттер с первой базой, существенно увеличивает емкость транзистора. Кроме того, в известной конструкции первая и вторая базовые области, первая и вторая эмиттерные области формируются в одном и том же технологическом цикле, поэтому при технологических отклонениях пробивного напряжения коллектор-база основного транзистора, например из-за разброса удельного сопротивления коллектора, соответственно будет изменяться напряжение пробоя вспомогательного защитного транзистора, то есть, порог защиты от перенапряжения не регулируется, тогда как известны применения, в которых требуется непревышение заданного уровня максимального напряжения, например автомобильная электроника. В основу изобретения положена задача повышения устойчивости транзистора к обратному вторичному пробою с возможным регулированием порога защиты от перенапряжения при одновременном снижении вы 2 4014 1 ходной емкости прибора и упрощении конструкции. При этом также появляется возможность уменьшения размеров кристалла за счет уменьшения ширины делительного кольца или его исключения. Сущность изобретения заключается в том, что мощный биполярный транзистор, устойчивый к обратному вторичному пробою, содержащий коллекторную область с проводимостью первого типа, базовую область с проводимостью второго типа, противоположного первому, примыкающую к коллекторной области с образованием - перехода база-коллектор, эмиттерную область с проводимостью первого типа, примыкающую к базовой области с образованием - перехода база-эмиттер, коллекторная область, примыкающая к планарной поверхности кристалла и базовой области, дополнительно легирована примесью первого типа проводимости на глубину, не превышающую глубины перехода эмиттер-база, причем концентрация примеси первого типа проводимости в дополнительно легированной коллекторной области выбирается такой, чтобы напряжение пробоя перехода база-коллектор в дополнительно легированной коллекторной области не превышало напряжение пробоя между коллектором и эмиттером за пределами дополнительно легированной коллекторной области, а также в том, что транзистор выполнен составным по схеме Дарлингтона. Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлен разрез части структуры транзистора, устойчивого к обратному вторичному пробою, где 1 - низкоомная область коллектора первого типа проводимости,2 - высокоомная область коллектора первого типа проводимости,3 - область базы второго типа проводимости, противоположного первому,4 - область эмиттера первого типа проводимости,5 - коллекторная область, дополнительно легированная примесью первого типа проводимости,6 - - переход коллектор-база,7 - - переход эмиттер-база,8 - - переход база-коллектор, в коллекторной области, дополнительно легированной примесью первого типа проводимости,9 - металлический контакт к базе,10 - металлический контакт к эмиттеру,11 - металлический контакт к коллектору,12 - маска диэлектрического материала. Предлагаемая конструкция содержит низкоомную (1) и высокоомную (2) области коллектора первого типа проводимости, область базы (3) второго типа проводимости, противоположного первому, примыкающую к коллекторной области с образованием - перехода база-коллектор (6), область эмиттера (4) первого типа проводимости, примыкающую к базовой области с образованием - перехода эмиттер-база (7) и коллекторную область (5), примыкающую к планарной поверхности кристалла и базовой области (3), дополнительно легированную примесью первого типа проводимости на глубину, не превышающую глубины перехода эмиттербаза (7), причем концентрация примеси первого типа проводимости в дополнительно легированной коллекторной области (5) выбирается такой, чтобы напряжение пробоя перехода коллектор-база (8) в дополнительно легированной базовой области (5) не превышало напряжение пробоя между коллектором (2) и эмиттером(4) за пределами дополнительно легированной коллекторной области (5). Поверхность кристалла защищена маской диэлектрического материала (12), в которой сделаны окна для контактов (10) и (9), соответственно к эмиттеру и базе, контакт (11) к коллектору выполнен на нижней поверхности кристалла. В предлагаемой конструкции функции защитного транзистора выполняет горизонтальная периферийная приповерхностная транзисторная структура эмиттер (4) - база (3) - коллектор (5), ограниченная глубиной коллекторной области (5), дополнительно легированной примесью первого типа проводимости. Концентрация примеси в коллекторной области (5) выбирается из условия, чтобы пробивное напряжение между базой и коллектором горизонтального транзистора было меньше пробивного напряжения между коллектором и эмиттером вертикального транзистора, и определяется по формуле 4 КП(КБО/КБП)4/3,(1) где КП и- концентрации примесей первого типа проводимости соответственно в областях коллектора(5) и (2),КБО - пробивное напряжение перехода база-коллектор вертикального транзистора, которое измеряется до формирования области (5),КБП - пробивное напряжение горизонтального перехода база-коллектор в пределах коллекторной области (5), дополнительно легированной примесью первого типа проводимости. Описанная конструкция мощного транзистора работает следующим образом. При перенапряжении пробивается - переход база-коллектор (8) в области, ограниченной глубиной слоя (5). Ток, появляющийся в цепи коллектор-эмиттер, автоматически смещает в прямом направлении переход эмиттер-база (7) вертикального транзистора. При этом вертикальный транзистор работает в активном режиме при напряжении меньшем,чем пробивное напряжение коллектор-эмиттер вертикального транзистора. 4014 1 В предлагаемой конструкции защитный транзистор сформирован в пределах области базы (3), занимаемой основным транзистором, и не требует формирования дополнительной базы и эмиттера за пределами основного транзистора, а также соединения их металлическим электродом, что увеличивает площадь кристалла и выходную емкость известных конструкций транзистора. Кроме того, величину концентрации примесей в дополнительно легированном приповерхностном слое коллектора можно регулировать в любом заданном диапазоне, что обеспечивает регулирование порога защиты от перенапряжения. Транзистор создается следующим образом. На подложке (1) из легированного полупроводникового материала, например кремния -типа с низким удельным сопротивлением (0,005 Омсм), выращен эпитаксиальный слой (2) -типа с более высоким удельным сопротивлением (12 Омсм), чем у подложки, и толщиной примерно 30 мкм. С помощью стандартных способов фотолитографии и диффузии образована область базы (3) -типа. Область (3) образует со слоем (2) - переход (6). Далее аналогичными способами в области (3) создается область (4) -типа гребенчатой или иной другой известной формы. Область (4) образует с областью (3) - переход (7). Затем известными способами измеряются пробивные напряжения между базой и коллектором и между эмиттером и коллектором образованной транзисторной структуры. После этого стандартными способами фотолитографии, травления и диффузии область коллектора (2), примыкающая к области (3) и к планарной поверхности, дополнительно легируется акцепторной примесью на глубину, не превышающую глубины перехода эмиттер-база (7), причем концентрация примеси на поверхности равна величине, рассчитанной по формуле (1) с учетом данных по удельному сопротивлению слоя (2) и результатов измерений пробивных напряжений база-коллектор и эмиттерколлектор, выполненных после создания области эмиттера (4). Затем стандартными способами создается маска диэлектрического материала, в которой вскрываются контактные окна к областям (3), (4) и (1) и формируются металлические контакты (9), (10) и (11) к областям (3), (4) и (1). Составной биполярный транзистор по п. 2 формулы изготавливается по такому же технологическому маршруту. Технические характеристики предлагаемых конструкций и прототипа приведены в таблице. Технические характеристики предлагаемых конструкций и прототипа Размер кристалла,мм 2 Энергия обратного вторичного пробоя,Евп, мДж Напряжение пробоя перехода коллекторэмиттер,проб.кэ, В мин макс средн. 146 210 180 мин макс средн. мин макс средн. По прототипу 3,2 х 3,2 195 230 216 88 95 80 Предлагаемая конструкция по п. 1 3,0 х 3,0 178 210 190 78 106 92 120 138 130 Предлагаемая конструкция по п. 2 2,7 х 2,7 154 190 170 74 98 86 116 138 128 Аналогичные результаты получены также на транзисторах типа. Таким образом, применение предлагаемой конструкции позволяет на кристаллах меньшего размера по сравнению с прототипом достигать более высокие уровни энергии вторичного пробоя с меньшим разбросом напряжения пробоя, обеспечивает снижение емкости перехода база-коллектор и упрощает конструкцию прибора, что решает поставленную задачу. Источники информации 1.1819072, 1995. 2.5184204, 1993. 3.2024995, 1994. 4. Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. Л. - Энергоатомиздат, 1986. - . 32,36 Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. 4