CS212292B2 - Polovodičové zařízení - Google Patents

Description

Při výrobě dosavadních bipolárních tranzistorů bylo dosud obvyklé užít pro vytvoření přechodu emitor-báze techniky dvojí difúze. Z teoretického hlediska a také na základě pokusů se dotovací koncentrace pro emitor volí vyšší než pro bázi. Když se tento rozdíl zvětšuje, zvyšuje se také působení emitoru nebo jeho účinnost a blíží se jednotce. Vyšší dotování však zvětšuje vady mřížky a dislokace v polovodičovém substrátu. Následkem silné dotace klesá délka difúze nebo difúzní hloubka minoritních nosičů v dotované oblasti. Snížení dotace podobně jako u dosud známých provedení tranzistorů vede však k poklesu zisku.

Vynález proto vychází z úlohy vytvořit polovodičové zařízení, které by mělo značně dokonalejší charakteristické vlastnosti a která především by mšlo velmi podstatně zvýšený činitel proudového zisku při silně zlepšených gumových charakteristikách. Přitom je především myšleno na polovodičové zařízení s mnoha přechody, které by při nepatrných odchylkách charakteristických vlastností v důsledku zmšnšné teploty mělo současně vysoké průrazné napětí. Konečně je účelem vynálezu dimenzovat nové polovodičové zařízení tak, aby je bylo možné vyrábět a užívat jako integrovaný spínací obvod společně s dosavadními tranzistory, včetně doplňkových tranzistorů.

Daná úloha je u polovodičového zařízení podle vynálezu v podstatě řešena tak, že vzdálenost mezi prvním přechodem PN a druhým přechodem PN je menší než difúzní délka minoritních nosičů v první polovodičové oblasti.

Podle výhodného provedení vynálezu jsou druhá polovodičová oblast a čtvrtá polovodičová oblast elektricky spojeny a oba přechody PN probíhají na protilehlých stranách první polovodičové oblasti a jsou k sobě přilehlé.

Podle dalšího provedení vynálezu je difúzní délka minoritních nosičů mezi 50 a 100/um a vzdálenost mezi oběma přechody PN je v rozmezí mezi 2 až 5 /um.

Tím se především dosáhne v podstatě rovnoměrné koncentrace minoritních nosičů napříč první polovodičové oblasti.

Polovodičové zařízení s mnoha přechody podle vynálezu má dále nepatrnou koncentraci příměsí v emitorové oblasti a mé účinnou difúzní délku minoritních nosičů značně větší než je šířka emitorové oblasti. Toto polovodičové zařízení s několika přechody, jak se vyskytují například u bipolárního tranzistoru nebo tyristoru, je kombinováno se zabudovanou bariérou, která vytváří minoritní nosiče vstřikované do emitorové oblasti, které v podstatě vyrovnávají minoritní nosiče vstřikované do emitorové oblasti z oblasti báze, a tak udržují v podstatě plochý profil vstřikovaných minoritních nosičů. Koncentrace příměsí kolektorové oblasti se zvolí nízká, aby se zaručilo vysoké průrazné napětí.

Pro dosavadní tranzistory se předpokládá, že difúzní délka minoritních nosičů je velikostního řádu 1 až 2 /Jm. Pro polovodičové zařízení s mnoha přechody podle vynálezu je naproti tomu difúzní délka minoritních nosičů 50 až 100/um. Stupeň zesílení dosavadního tranzistoru je obvykle přibližně 500, kdežto u polovodičového zařízení podle vynálezu lze dosáhnout hodnot 3 000 nebo vyšší.

Lze tedy konstatovat toto: vynález vytvořuje polovodičové zařízení s mnoha přechody, které má vysokou hodnotu hp_E stupně proudového zesílení při nepatrné hodnotě ěumu. Toto polovodičové zařízení má nepatrnou koncentraci příměsí v emitorové oblasti a takovou difúzní délku minoritnich··nosičů, která je značně větší než šířka emitoru a při které se nastaví pouze rekombinační rychlost.

Vynález bude popsán na několika provedeních v souvislosti s výkresy. Obr. 1 znázorňuje částečný řez tranzistorem NPN podle vynálezu. Obr. 2 je příklad profilu příměsí pro polovodičové zařízení podle obr. 1, jakož i nárys koncentrace minoritních nosičů v emitorové oblasti. Obr. 3 je částečný řez integrovaným obvodem v podobě čipu a tranzistorem NPN podle vynálezu a přídavným tranzistorem PNP obvyklé konstrukce, jež oba společně tvoří doplňkovou dvojici tranzistorů v integrovaném čipovém obvodu. Obr, 4, 5, a 6 jsou v částečném řezu podobné pohledy jako v obr. 1 pro jiná provedení vynálezu. Obr. 7 znázorňuje graficky ve funkci kolektorového proudu zesílení hp_E emitorového proudu pro emitor vztažený na masu.

Obr. 8 znázorňuje činitel Sumu jako funkci kmitočtu při vstupní impedanci 1 000 ohmů.

Obr. 9 znázorňuje činitele Sumu jako funkci .kmitočtu při vstupní impedanci 30 ohmů. Obr. 10 znázorňuje hodnotu ěumu pro ozřejmění činitele šumu ve funkcí kolektorového proudu. Obr. 1! znázorňuje graficky průběh činitele Ahj.^ v závislosti na teplotš.

Jako výhodné provedení vynálezu je v obr. 1 znázorněn tranzistor NIN. Substrát i, zejména křemíkový substrát, je silně dotován příměsemi typu N, v případě křemíkového substrátu je tento substrát silně dotován antimonem.Koncentrace dotace je s výhodou 4χ!θ’® ce3 To dává specifický odpor přibližně 0,01 ohm.cm. Bylo zjištěno, že tato hodnota při uvedeném dotování může kolísat mezi 0,008 a 0,012 ohm.cm. Tloušťka substrátu 1 je s výhodou přibližně 250 /um.

Epitaxiální vrstva 2 z křemíku typu N” se na substrátu J. vytvoří za účelem použití jako kolektor společně se substrátem typu N⁺. Epitaxiální vrstva 3 3^e poměrně slabě dotována anti monem, avšak přece do té míry, aby se dosáhlo dotovecí koncentrace 7x1 θ’⁴ cm“⁸. Specifický odpor je přitom 8 až 10 ohm.cm. Epitaxiální vrstva má s výhodou tloušťku 20/um.

Potom se na vrstvě 2 typu N” vytvoří jako aktivní báze pro tranzistor epitaxiální vrstva 3, tj. druhá polovodičová oblast, z křemíku typu P“. Jako příměsi, popřípadě donoru lze ušít boru v tak dostatečném množství, že se dostane dotovací koncentrace Ixio'^ cm“⁸. Specifický odpor přitom je 1,5 ohm.cm. Tloušťka vrstvy 3 je přibližně 5 <um.

Potom se na vrstvě 3 typu ^p~ vytvoří jako emitor křemíková epitaxní vrstva z křemíku typu N. Tato vrstva 4 je slabě dotována antimonem, přičémž koncentrace dotování je přibližně 5,5x10^ cm”⁸. Specifický odpor je asi 1 ohm.cm. Tloušťka této vrstvy £ je přibližně 2 až 5 /um· Na vrstvě £ typu N“ se pak jako kontaktní emitorová oblast nanese difuzní vrstva typu N. Tato vrstva 3 j® dotována fosforem, přičemž plošná koncentrace příměsí je

ΟΛ

5x10 cm a hloubka vrstvy Je asi 1,0 /um·

Pak se jako obal pro kolektorovou oblast vytvoří silně dotovaná difúzní oblast g, která proniká vrstvou 3 báze typu P” až do kolektorové vrstvy 2 typu N“. Jako příměsi se užije —3 fosforu a dotování má plošnou koncentraci přibližně 3x10 cm . Difundovaná oblast 2 typu P proniká emitorovou vrstvou 4, typu N” do vrstvy 3 báze typu P“, které obklopuje a ohraničuje —3 emitor £. Jako příměsi je užito boru, přičemž se dostane plošná koncentrace 7x10 ' cm . Difundované oblast § typu P se v oblasti 2 vytvoří jako kontaktní oblast báze, přičemž difundovaná oblast g je silně dotována borem a má plošnou koncentraci přibližně 5x10*® cm”⁸. Hloubka vniknutí oblasti g je přibližně 1,8 /um.

Horní plochu zařízení obklopuje pasivující vrstva 6 z kysličníku křemičitého.

Na substrátu 1 typu N⁺ je vytvořena kolektorová elektroda g sestávající z hliníku.

Na kontaktní oblasti g báze je umístěna elektroda 10 báze z hliníku. Na emitorové oblasti g je vytvořena emitorová elektroda 11 z hliníku. Do emitoru 4. typu N“ je vdifundována oblast 200 typu P, tj. čtvrtá polovodičová vrstva, aby se vytvořil přechod PN mezi touto oblastí a emitorem 4. Oblast 200 ,je dotována borem a vytvoří se současně při vytvářeni kontaktní oblasti báze. Koncentrace dotace je 5x10 cm ^J a hloubka vrstvy 200 je asi 1 ,8/um.

Z hořejšího vyplývá, že vrstva 2 typu N” a vrstva 3 typu P“ tvoří přechod 12 kolektor-báze. Vrstva 3 typu P~ a vrstva 1 typu N“ tvoří první přechod 13 emitor-báze a vrstva í typu N“ a přídavná oblast 200 typu P tvoří, jak již uvedeno, přídavný druhý přechod 14 typu PN. Odstup mezi prvním přechodem 13 emitor-báze a přídavným druhým přechodem 14 typu PN je s výhodou 2 až 5/um.

2,2292

Obr. 3 znázorňuje druhé provedení vynálezu, u něhož tranzistor NPN podle obr. 1 je upraven v integrovaném obvodu s jinými polovodičovými prvky, například s tranzistorem PNP. Znázorněný integrovaný obvod má dva různé typy tranzistorů, například jako doplňkové tranzistory tranzistor 21 typu NPN a tranzistor 22 typu PNP. Tyto oba tranzistory se vytvoří v křemíkovém substrátu 20 typu P. Jak již bylo vysvětleno v souvislosti s obr. 1, má tranzistor 21 typu NPN silně dotovanou kolektorovou oblast £, málo dotovanou kolektorovou oblast 2, slabě dotovanou oblast £ báze, slabě dotovaný emitor £, silně dotovanou emitorovou' kontaktní oblast £, kolektorovou připojovací oblast 6., kolektorovou kontaktní oblast 15 připojovací oblast £ báze, kontaktní oblast 8 báze, přídavnou oblast 200. kolektorovou elektrodu £, elektrodu 10 báze a emitorovou elektrodu 11

Tranzistor 22 typu PNP má kolektor 33 typu P”, bázi 34 typu N“, emitor 38 typu P, kolektorovou přípojku 37 typu P, kolektorovou oblast 48 typu P⁺, kontaktní oblast 35 báze typu N⁺, kolektorovou elektrodu 39. elektrodu 40 báze a emitorovou elektrodu 41.

Tranzistory 21 a 22 jsou navzájem elektricky izolovány přechody PN. Izolační oblast 50 typu P je spojena se substrátem 20 typu P a obklopuje tranzistor 21 typu NPN, popřípadě tranzistor 22 typu PNP.

Tři oblasti 31 . 32 a 36 typu N tvoří pohárkovitou izolační oblast, která obklopuje pouze tranzistor 22 typu PNP. V tomto integrovaném obvodu se současně vytvoří velký počet dvojic nebo trojic, například se vytvoří oblasti 1 a £ typu N⁺ selektivní difúzí do substrá tu 20 typu P. Oblasti 2. a 32 typu N“ se vytvoří epitaxiálním růstem. Oblast £ typu P“ tranzistoru 21 typu NPN a oblast 33 typu P“ tranzistoru 22 typu PNP se vytvoří buS epitaxiálním růstem nebo selektivní difúzí. Oblast £ typu N“ tranzistoru 21 typu NPN a oblast 34 typu N“ tranzistoru 22 typu PNP se vytvoří epitaxiálním růstem. Oblasti 6 a 36 typu N⁺ se vytvoří difúzí. Oblasti £ a 37 typu P se vytvoří difúzí typu P. Oblast 8 typu P⁺ tranzistoru 21 typu NPN, přídavná oblast 200 tranzistoru 21 a oblast 38 typu P⁺ tranzistoru 22 typu PNP se vytvoří difúzí typu P. Oblasti £, i£ a ££ typu N⁺ se vytvoří difúzí.

Obr. 4 znázorňuje třetí provedení vynálezu, u něhož je přídavná oblast 201 spojena s přípojnou oblastí £ báze a s bází £. Elektroda 10 báze nemůže být umístěna pouze na přípojné oblasti £ báze, nýbrž kromě toho na přídavná oblasti 201. Efektivní odpor báze se sníží, jelikož díry jsou k bázi £ dopravovány jak přes emitor £, tak i přes přípojnou oblast £ báze.

Obr. 5 znázorňuje čtvrté provedení vynálezu, u něhož je na povrchu slabě dotovaného emitoru £ nanesen útvar MIS (metal-insulator-semiconductor, tj. kov-izolátor-polovodič). Hradlové elektroda il z hliníku a vrstva 41 z kysličníku křemičitého tvoří společně s emitorem £ útvar MIS. Připojením určitého napětí na hradlovou elektrodu 42 vznikne pod izolující vrstvou 41 bariéra 202. Z toho vznikne hradící vrstva, ochuzená vrstva nebo obohacená vrstva.

Obr. 6 znázorňuje páté provedení vynálezu, u něhož se na povrchu slabě dotovaného emitoru £ vytvoří Sehottkyho bariérová vrstva ^03. K vytvoření Schottkyho bariérové vrstvy se na emitor £. typu N~ uloží vhodný kov 51 . například platina.

Obr. 2 znázorňuje profil příměsí a koncentraci minoritních nosičů emitoru zařízeni podle obr. 1. Horní část vyobrazení ukazuje křemíkový substrát £ dotovaný N⁺, kolektor 2 typu N~, bázi £ typu P~, emitor £ a oblast 200 typu P. Koncentrace příměsí^z každé z těchto oblastí je nanesena ve středním úseku vyobrazení, zatímco v dolní části je znázorněna koncentrace vstřiknutých minoritních nosičů v emitoru, což jsou kombinované v střiknuté minoritní nosiče z oblasti £ báze, z oblasti přechodu FN, který odděluje oblast 200 typu PN od emitoru £. šikmé Sára 101 naznačuje složku minoritních nosičů vstřikovanou z prvního přechodu 13 emitor-báze, zatímco Šikmá čára 102 znázorňuje složku způsobenou proudem vstřikovaných minoritních nosičů z přídavného druhého přechodu ££. Jelikož vstřikované minoritní '5 nosiče proudí v opačných směrech, projeví se výsledek jako v podstatě plochá nebo rovinná čára 103. Tento charakteristický znak je především příčinou toho, že v zařízení je velmi nízké úroveň šumu při velmi vysokém zesílení h_FE· Aby to bylo podrobněji vysvětleno, je třeba poznamenat, že minoritní nosiče (díry), které jsou vstřikovány prvním přechodem 13 emitor-báze, dostávají se k přídavnému druhému přechodu 14. aby vstoupily do přídavné oblasti 200. Kromě toho vstřikuje také oblast 200 typu P díry do emltoru £ typu N“ a tyto díry procházejí emitorem a přicházejí k prvnímu přechodu 13 emitor-báze, jelikož šířka emitoru, tj. W_E, je menši než difúzní délka v emitoru £ typu N“. Je-li vstřikování děr z olbasti typu P dosti veliké, kompenzuje proud děr od přídavného druhého přechodu ££ k prvnímu přechodu 13 děrový proud od prvního přechodu 13 k přídavnému druhému přechodu 14. Tato kompenzace vede v podstatě k plochému rozložení děr v emitoru typu N“ a snižuje proud děr od báze J k emitoru £.

Uspořádáni vysvětlené v souvislosti s obr. 1 dává při nepatrném šumu vysokou hodnotu koeficientu hpg· Pro vysvětlení tohoto získaného výsledku budiž především poznamenáno, že zesílením emltorového proudu (h_FE) pro emitor vztažený na masu je jedním z nejdůležitějších parametrů tranzistoru. Tato veličina je obecně dána vztahem ^hFE a

-a (1) kde a je proudový zisk pro bázi spojenou s masou. Proudový zisk a je dán vztahem « = a^x . p .γ (2) kde a^x je násobiči poměr kolektoru, β je přenášecí činitel báze a γ účinnost emitoru.

Například pro tranzistor typu NPN je účinnost emitoru dána vztahem ₍ Jn 1

V = - = - (3)

Jn + Jp 1 + Jp/Jn kde Jn označuje hustotu elektronového proudu daného elektrony vstřikovanými od emitoru k bázi přes přechod emitor-báze a Jp je hustota proudu oněch děr, které jsou přes stejný přechod vstřikovány v opačném směru od báze k emitoru.

Snížení hodnoty Jp vede k tomu, že hodnota pro γ podle rovnice (3) je přibližně jednotka, hodnota pro a podle rovnice (2) je velmi vysoká a hodnota pro h_FE podle rovnice (1) se rovněž velice zvětší.

Nízké hodnoty činitele šumu se dají vysvětlit takto:

Mřížková vada nebo dislokace se silně sníží, jelikož přechod 13 emitor-báze je vytvořen slabě dotovaným emitorem £ a rovněž slabě dotovanou bází J. Koncentrace příměsí nízko dotovaného emitoru £ měla by s ohledem na Činitel šumu, na životnost rp a na difúzní délku Lp minoritních nosičů být omezena na hodnotu, která je poněkud menší než 1θ'⁸ cm^-3.

Vysoké zesílení emltorového proudu (h_FE) při emitoru vztaženém na masu pro zařízení podle obr. 1 je v obr. 7 znázorněno dvěma křivkami 104 a 105. Obě křivky reprodukují pokusné hodnoty, které byly získány na dvou různých tranzistorech. Rozdíly v obou křivkách vyplývají pouze z různé rovinné konfigurace emitoru. Obě křivky však jeví velmi vysoké zesílení emltorového proudu. ,

Obr. 8 znázorňuje Sumovou charakteristiku ve funkci kmitočtu pro zařízení podle obr. 1, když vstupní impedance je 1 000 ohmů, kolektorový proud je 1 mA a předpětí kolektoru a emitoru je 6 voltů. Hodnota činitele Sumu je naznačena čarou 106. Naproti tomu znázorňuje křivka 107 činitel šumu pro typický dosavadní tranzistor s mimořádně nízkými hodnotami ěumu.

Obr. 9 je podobné znázornění jako obr. 8, přičemž křivka 108 znázorňuje chovéní zařízení podle obr. 1 a křivka 109 činitel Sumu pro znémé polovodičové zařízení. Křivky na obr. 9 jsou vztaženy na vstupní impedanci 30 ohmů, přičemž vSak kolektorový proud a napětí mezi kolektorem a emitorem jsou stejné jako v případě znázorněném v obr. 8.

Obr. 10 znázorňuje šumový diagram pro typický známý tranzistor a pro zařízení podle obr. 1, přičemž křivka 110 reprodukuje poměry u typického známého polovodičového zařízení a křivka 111 poměry u zařízení podle obr. 1. Obě znázornění se vztahuji na ěumovou hodnotu 3 dB.

Obr. ,1 konečně znázorňuje hodnoty závislosti Λ h_FE na teplotě.

Toto znázorněni je jasné bez dalšího vysvětlování, poukáže-li se na to, že čára 112 se týká známého zařízení a Čára 113 polovodičového zařízení podle obr. 1.

Při pozorování a srovnání obr. 7, 8, 9, 10 a 11 je odborníku ihned jasné, že vynálezem bylo docíleno zcela podstatného zdokonalení oproti známému stavu techniky.

Výrazu v podstatě plochý, kterého bylo použito pro popsání poměrů koncentrace mino řitních nosičů na aktivní oblasti emitoru, je třeba rozumět tak, že kombinovaná hodnota minoritních nosičů vstřikovaných z aktivní oblasti báze do aktivní emitorové oblasti a minoritních nosičů pohybujících se v emitoru v důsledku zabudovaného pole v opačném směru, je v aktivní oblasti emitoru poměrně ve stejné úrovni. To je pro emitorovou část v obr. 2 reprodukováno čarou 103. která probíhá v podstatě vodorovně.

U předmětu vynálezu se dosáhne nízké povrchové rekombinační rychlosti nejen v důsledku shora uvedené bariéry, nýbrž také v důsledku pole zabudovaného v emitoru. Vysvětlení tohoto jevu je toto: hustota Jn elektronového proudu je dána vztahem qv q . Dn . np 3 Jn = -'- . (e^ki - 1)

Ln (4)

Hustota proudu děr naproti tomu je dána vztahem q . Dp . Pn Jp = Lp <e qv kT

1) (5) kde Ln je difúzní délka élektronů v bázi typu P, Lp je difúzní délka děr v emitoru typu N“, Dn je konstanta difúze elektronů, Dp je difúzní konstanta děr, Np je koncentrace minoritních elektronů v bázi typu P v rovnovážném stavu, Pn je koncentrace minoritních děr v emitoru typu P v rovnovážném stavu, £ je napětí připojené na přechod emitor-báze, T je teplota, q je náboj elektronů a & je Boltzmannova konstanta.

Hodnota 8 poměru Jp	a Jn	Je	dána	vztahem:
	Jp	Ln	Dp	Pn
8-=	— _		r
	Jn	Lp	Dn	np
z toho dále vyplývá
	W	Dp	na
S =	«	—	• “““
	Lp	Dn	nd

(7)

Jestliže se do obou poměrů dosadí, vyplývá

Pn ₌ Na np N_d kde N_a označuje koncentraci příměsí v oblasti báze, Ν_β koncentraci příměsi v emitorové oblasti a W Šířku báze, která v oblasti báze omezuje difúzní délku Ln elektronů.

Difúzní konstanty Dn a Dp pro nosiče jsou funkcemi pohyblivosti nosičů a teploty a mohou být v podstatě předpokládány konstantní.

Zabudované pole se v emitoru vytvoří mezi slabě dotovanou vrstvou £ a silně dotovanou vrstvou 2 a působí v takovém směru, že proud děr od prvnízo přechodu 13 emitor-báze se odráží k druhému přechodu 14. Je-li zabudované pole dostatečně veliké, kompenzuje se difúzní proud děr směrem k vrstvě a stane se přibližně rovným driftovému proudu děr vyvolanému polem.

Přídavná bariéra a zabudované pole přispívají tedy k tomu, aby bylo na mezilehlé ploSe dosaženo nízké rekombinačnl rychlosti, tj. hodnota pro Lp v rovnici (7) není omezena šířkou emitoru, popř jeho rozsahem.

I když je vynález v souvislosti s obr. 1 vysvětlen pro případ tranzistoru NPN, je pro odborníka snadné provést příslušnou konstrukci i pro tranzistor PNP a pro jeho charakteristické faktory. Je vhodné také poukázat na to, že vynálezu lze s výhodou použít také u polovodičového tyristoru typu NPNP.

Claims (3)

1. Polovodičové zařízení s první polovodičovou oblastí prvního typu vodivosti, s druhou polovodičovou oblastí druhého typu vodivosti, která tvoří s první polovodičovou oblastí první přechod PN, s třetí oblastí prvního typu vodivosti, se čtvrtou polovodičovou oblastí druhého typu vodivosti, která tvoří s první polovodičovou oblastí druhý přechod PN, a s prostředky pro předpínáni přechodu mezi první a druhou oblastí směrem dopředu a pro dopravování majoritních nosičů v první polovodičové oblasti do třetí oblasti, vyznačujicí se tím, že vzdálenost mezi prvním přechodem PN (13) a druhým přechodem PN (14) je menší než difúzní délka minoritních nosičů v první polovodičové oblasti (4).

2. Polovodičové zařízení podle bodu 1, vyznačujicí se tím, že druhá polovodičová oblast (3) a čtvrtá polovodičová oblast (200) jsou elektricky spojeny a že oba přechody PN (13 a 14) probíhají na protilehlých stranách první polovodičové oblasti (4) a jsou k sobě přilehlé.

3. Polovodičové zařízení podle bodu 1, vyznačující se tím, že difúzní délka minoritních nosičů je mezi 50 a 100 /mn a vzdálenost mezi oběma přechody PN (13, 14) je v rozmezí mezi 2 až 5 A®·