CS229728B1 - Power transistor structure arrangement - Google Patents

Description

(54)

Uspořádáni struktury výkonového tranzistoru

Účelem vynálezu je zvýšeni odoOnooti výkonového tranzistoru proti druhému průrazu. Uvedeného účelu se dosáhne uspořádáním struktury výkonového tranzistoru, které spočívá v tom, že v bázové vrstvě.je umístěna další vrstva stejného typu elektrické vodivooti jako má bázová vrstva, ale s vyšší koncennrací aktivních přměsí než má bázová vrstva. Tlusíka této další vrstvy je menší než tloušťka bázové vrstvy a - tato další vrstva buá přmo tvoří kolektory P-N přechod nebo - se nachází v jeho blízkosti, přičemž vzdálenoot.této další vrstvy od kolektorového P-N přechodu je menši než vzdálenost této vrstvy od emitorového .P-N přechodu. Kromě uvedených znákйnlŘndmёtu vynálezu existují i d^Lší možné' varianty.

Vynález lze využít především u výkonových tranzistorů.

..... .i

229 728

- 2 229 728

Vynález se týká uspořádání struktury výkonového tranzistoru s epitaxní bází, které řeší problém odolnosti proti druhému průrazu.

Charakteristickým parametrem výkonového tranzistoru je maximální kolektorová ztráta, což je v podstatě výkon, který se při provozu tranzistoru mění v teplo a který je dán velikostí procházejícího proudu kolektorovým přechodem při určitém napětí mezi kolektorem a emitorem. Maximální velikost tohoto výkonu je závislá na konstrukčním uspořádání výkonového tranzistoru jako celku, přičemž se klade největší důraz na dokonalý odvod tepla z polovodičového čipu do okolního prostředí. Pro danou velikost polovodičového čipu výkonového tranzistoru a zvolené konstrukční uspořádání je však velikost maximálního výkonu závislá i na velikosti napětí mezi kolektorem a emitorem, a to tak, že s rostoucí velikostí tohoto napětí se maximální výkon snižuje. Snížení výkonu je způsobeno tzv. druhým průrazem. Mechanismus druhého průrazu je obvykle vysvětlován tak, že v důsledku geometrických rozměrů aktivní bázové vrstvy výkonového tranzistoru dochází к nerovnoměrnému rozložení proudu, procházejícího kolektorovým přechodem. Toto nerovnoměrné rozložení proudu je způsobeno existencí příčného elektrického pole v bázi, které vzniká průchodem bázového proudu. Podle toho, zda výkonový tranzistor pracuje v režimu s kladným nebo se záporným vnějším předpětím báze, způsobuje příčné elektrické pole v bázi soustřeďování emitorového proudu bučí na hrany nebo do středu emitorové vrstvy. Emitorový proud je tak koncentrován do úzkých svazků, které na odpovídajících místech kolektorového přechodu vytvářejí místa s vysokou proudovou hustotou a tudíž i s vysokou teplotou. Při vyšším napětí mezi kolektorem a emitorem se v důsledku rozšiřování oblasti prostorového náboje do bázové vrstvy zmenšuje efektivní tloušbka aktivní báze, · · .· ·· ·. ·. ·· -3 - .

229 728 což vede ke zvětšení příčného elektrického pole v bázové vrstvě a tím i k větší koncentraci emitorového proudu ve svazcích, takže se ' na odpovícdLaících mstech kolektorového přechodu podstatně zvyšuje proudová hustota a tím i teplota. Zejména u tranzistorových struktur s bázovou vrstvou o nízké koncentraci aktivních příměsí je tento jev výrazný. Zúžení teploty v těchto horkých místech nad kritickou mez způsobí destrukci tranzistorové struktury.

Známé způsoby zlepšení vdoOnovti proti druhému průrazu spočiva jí bučí v omezení velikosti příčného pole aktivní vrstvy báze, např. zvýšením koncentrace aktivních příměsí v bázové vrstvě nebo v omezení vlivu svazkování emitorového proudu na kolektorový přechod,např. zvětšením tloišťky aktivní bázové vrstvy. Protože na vlastnostech aktivní bázové vrstvy závisí řada dilších elektrických parametrů výkonového tranzistoru, dosahuje se zlepšení odolnooti proti druhému průrazu obvykle na úkor jiných elektrických parametrů, a to zejména proudových a dynamckých parametrů výkonového tranzistoru.

Výše uvedené nedostatky jsou podtatně omezeny uspořádáním struktury výkonového tranzistoru podle vynálezu, ' jehož podstata spočívá v tom, že bázová vrstva obsahuje &aší vrstvu téhož typu elektrické vocdvosti,' jako má bázová vrstva, ale s vyšší koncentrací aktivních příměěí, než má bázová vrstva, přičemž tlcušťka této (diaší vrstvy je mrňí, než tloušťka bázové vrstvy. Tato &a.ší vrstva je u\vntř bázové vrstvy umístěna tak, že buď tvoří s funkční kolektorovou vrstvou kolektorový P-N přechod, nebo je kolektorový P-N přechod vytvořen spojením bázové vrstvy a kolektorové vrstvy a dilší vrstva je uvnitř bázové vrstvy umístěna v blízkosti kolektorového P-N přechodu. Vzddlenost dlší vrstvy v bázové vrstvě od kolektorového P-N přechodu je menší než vzdálenost této 'vrstvy od emtorového P-N přechodu, Konnentrace aktivních příměsí v povrchové vrstvě je vyí^i^íí nebo stejná jako v bázové vrstvě, ale měrní než v další vrstvě a tloušťka povrchové vrstvy je měrní než tloušťka emitorové vrstvy. DUší vrstva s vyšší konccnnsracďL příměsí je plošně omezena na velikost srovnatelnou s průmětem aktivní obbaati báze ve vodorovné rovině. Bázová vrstva má nerovnoměrné rozložení koncentrace aktivních příměěí, při němž se směrem od povrchu k daLší vrstvě koncentrace těchto příměsí zmeinuje.

Ž29 728

Poctetata vynálezu spočívá · v tom, že dlší vrstva·. . s vysokou koncentrací aktivních příměsí výrazně ' · zmenšuje rozšíření prostorového náboje v bážové vrstvě .· při vyšším napěití mezi kolektorem a esterem, takže velikost příčného pole v bázi a tím i teplota horkých rást na kolektorovém P-N .přechodu se s rostoucím i napětím mezi kolektorem a·emitorem téměř neměrtf· Kromě toho přítomnost vrstvy s vysokou koi^c^c^i^t^j^í^c^zí aktivních příměsí v těsné blízkosti kolektorového P-N přechodu zlepšuje rovnoměrnost v rozložení eMtorového proudu, protože převážná část rekombiračrá složky bázového ·proudu vzniká až v blízkosti kolektorového P-N přechodu. Dále se ukazuje, že svazkování emitorového proudu působením příčného elektrického pole v bázi je závislé i na koncentraci aktivních příměsí v bázové vrstvě· · v bezprostřední blízkosti eMtorového přechodu. Proto.je žádoucí, aby koncentrace aktivních příměsí v povrchové báze, t.j. v povrchové vrstvě byla co nejblíže koncentraci aktivních příměsí · v bázové vrstvě.

Vyyná.ez výrazným způsobem zvyšuje odolnost výkonových tranzistorů s epitaxní bázi proti druhému průrazu a omezuje tak nutnost redukce povolené · kolektorové ztráty při vyšších napětích mezi kolektorem a emitorem při současném zachování výhodných proudových i dynamckých parametrů výkonového tranzistoru.

Příklady uspořádání struktury výkonového tranzistoru podle vynálezu jsou na připojených obrázcích 1 až 4, kde na obr. 1 je řez strukturou výkonového tranzistoru s další vrstvou s vyšší koncentrací aktivních příměsí tvořící s kolektorovou funkční vrstvou kolektorový P-N přechod, na obr. 2 je řez strukturou výkonového tranzistoru, kde je vrstva s vyšší koncentrací aktivních p^jřměsí v blízkosti kolektorového P-N přechodu, na obr. 3 je řez strukturou výkonového tranzistoru podle obr. 1, přičemž bázová vrstva je doplněna povrchovou vrstvou stejného typu elektrické ve(d.voeti, na obr. 4 je řez strukturou výkonového tranzistoru podle ober. 1, kde je &a.ší vrstva s vyšší koncentrací příměsí plošně omezena průmětem aktivního povrchu báze v horizontá-ní rovině.

Na obr. 1 je v řezu znázorněno uspořádání struktury výkonového tranzistoru, kde vrstva 2 představuje funkční·kolektorovou vrstvu s koncentrací aktivních příměsi meení nebo stejnou jako má· epitaxní bázová vrstva 2 s opačným typem elektrické vodivou. Styk bázové vrstvy 2 s kolektorovou vrstvou 2 předsta-ovijící kolektorový P-N přechod je uskutečněn prostřednictvím další vrstvy·ž

Ž29 728 stejného typu elektrické vodivosti jako má béžová vrstva 2, ale s vyšší koncentrací aktivních příměsí než má bázová vrstva 2, přičemž tloušťka vrstvy 2 je menší, než tloušťka bázové vrstvy

2. Vrstva 3 zaujímá celou plochu kolektorového P-N přechodu.

Na obr· 2 je v řezu znázorněno obdobné uspořádání struktury výkonového tranzistoru, ve kterém je vrstva 2 ^s vyšší koncentrací aktivních příměsí umístěna v bázové vrstvě 2 tak, že se nachází v blízkosti kolektorového P-N přechodu.

Na obr. 3 je v řezu znázorněno obdobné uspořádání struktury výkonového tranzistoru, kde je proti uspořádání v obr. 1 a 2 povrchová vrstva báze doplněna další vrstvou 4 stejného typu elektrické vodivosti jako má bázová vrstva 2, přičemž koncentrace aktivních příměsí ve vrstvě 4 je větší než v bázové vrstvě 2, ale menší než ve vrstvě 2 ^a tloušlka této vrstvy 4 je menší než tloušťka emitorové vrstvy 2·

Na obr. 4 je v řezu znázorněno obdobné uspořádání struktury výkonového tranzistoru, kde je na rozdíl od obr. 1 až obr. 3 vrstva 2 plošně omezena průmětem aktivního povrchu báze, který představuje plošně omezená vrstva 4.

Další možnosti v uspořádání struktury výkonového tranzistoru vzniknou kombinací způsobů, uvedených v obr. 1 až obr. 4.

Vynález nalezne uplatnění především u výkonových tranzistorů s epitaxní bází pro všechny aplikace s vysokými nároky na odolnost proti druhému průrazu.

Claims (5)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   229 728

   1. Uspořádání struktury výkonového tranzistoru s epitaxní bází ., sestává jící z funkční kolektorové vrstvy o koncentraci aktivních příměsí meen-íí nebo stejné jako má bázová vrstva s ným typem elektrické vocdvosti, z povrchové obohacené bá^pvé vrstvy tvořící s funkční kolektorovou vrstvou kolektorový P-N přechod a z em.torové vrstvy, vytvářející s bázovou vrstvou _n emtorový P-N přechod, vyznačené tím, že bázová vrstva /2/ obsahuje <dilš:í vrstvu /3/ téhož typu elektrické γκ^ν^ΐ!, jako má bázová vrstva ·./2/, ale s vyšší koorcentrací aktivních přím^jsí než má bázová vrstva /2/, přičemž tloušťka této další vrstvy /3/ je mer^í než tloušťka bázové vrstvy ' /2/ a tato vrstva /3/ je uvnitř bázové vrstvy /2/ umetána tak, · že buá tvoří s funkční kolektorovou vrstvou /1/ kolektorový · P-N přechod, nebo· je kolektorový P-N přechod vytvořen spojením bázové vrstvy/2/ a kolektorové vrstvy /1/ a další vrstva . /3/ je uvnitř bázové vrstvy /2/ wmstěna · v blízkosti· kolektorového P-N přechodu.
2. 2. Uspořádání struktury výkonového tranzistoru s epitaxní . bází dLe bodu 1, vyznačené tm, že vzdálenost diXšdí vrstvy /3/ v bázové vrstvě · /2/ od kolektorového P-N přechodu je menší* než vzdálenost této vrstvy /3/ od emitorového · P-N přechodu.
3. 3. Uspořádání struktury výkonového tranzistoru s epitaxní bází ďle bodů 1 a 2, vyznačené · tím, · že koncentrace aktivních pří-_i méísí v povrchové vrstvě /4/ je vyšší nebo stejná jako v b>á^ zové vrstvě·/2/, ale menší · než v dlší . vrstvě · /3/ a tloušťka povrchové vrstvy /4/ je meení než · tloušťka emitorové · vrstvy /5/.
4. 4. Uspořádání struktury výkonového · tranzistoru s·epitaxní bází ďLe bodů 1 · až 3, vyznačené tím, že da.ší vrstva /3/ s vyšší koncentrací příměsí je plošně omezena na velikost srovnitelnou s průmětem aktivní oblasti báze /2/ ve vodorovné rovině.
5. 5. Uspořádání struktury výkonového tranzistoru s epitaxní bází dLe bodů 1 až 4, · vyznačené· tím, že bázová vrstva /2/ má nerovnoměrné rozložení koncentrace aktivních příměí, při němž se směrem od povrchu k dú.ší vrstvě /3/ koncentrace těchto . příměsí zmernuje.