Uprawniony z patentu: RCA Corporation, Nowy Jork (Stany Zjedno¬ czone Ameryki) Przyrzad pólprzewodnikowy 10 Przedmiotem wynalazku jest przyrzad pólprze¬ wodnikowy, zwlaszcza przeznaczony do pracy przy wysokich wartosciach napiecia.Wysokonapieciowy przyrzad pólprzewodnikowy wymaga duzej szerokosci warstwy zubozonej w jeden z sasiadujacych obszarów wysokonapiecio¬ wego zlacza p-n w przyrzadzie. Wymaganie to jest powszechnie .spelniane przez zastosowanie przynaj¬ mniej jednego stosunkowo grubego, wysoce rezy¬ stywnego (lekko domieszkowanego) obsizaru sasia¬ dujacego z tym zlaczem, co zostalo przedstawione na fig. 1, na której podano znany przyrzad pól¬ przewodnikowy wykonany zgodnie ze stanem tech¬ niki.W znanym przyrzadzie pólprzewodnikowym, któ¬ rym przykladowo na faig 1 jest dioda 10, brzegowe pola elektryczne 12 otaczaja (powierzchnie brzego¬ wa 14 od wysokonapieciowego zlacza p-n przy¬ rzadu do obszaru zubozenia (przedstawiono linia¬ mi przerywanymi na fig. 1). Jesli pola brzegowe 12 nie sa kontrolowane, zmienia obszar zubozenia i zmniejsza najwyzsze napiecie przebicia, które w innych warunkach zlacze 16 byloby w stanie wy¬ trzymac podczas normalnej pracy wysokonapiecio¬ wej.Taka budowa przyrzadu stwarza jednak co naj¬ mniej dwa wazne problemy. Po pierwsze, po¬ wierzchnie obszaru o duzej rezystancji sa latwo podatne na oddzialywanie zewnetrznych ladunków 30 20 25 wokól zlacza, a zatem takie stany wystepujace w otaczajacym srodowisku kilku milimetrów od zla¬ cza, jak przemieszczenie czy zgromadzenie ladun¬ ku oddzialuja na zlacza. Poza tym, podczas pracy przyrzadu przy wysokich napieciach, brzegowe po¬ la elektryczne wystepujace na powierzchniach brze¬ gowych przyrzadu miedzy punlkltami o róznych po¬ tencjalach niepozadanie zmieniaja przy tych po¬ wierzchniach obszar warstwy zubozonej, a ponadto czesto pola brzegowe powiekszaja sie tak, ze wy¬ kraczaja poza izolacyjne warstwy zastosowane dla pasywacji i isa podatne na oddzialywanie ladunków zewnetrznych. W rezultacie zlacze wysokonapiecio¬ we nie jest zdolne wytrzymac napiecia przebicia, co w innych warunkach jest osiagalne dla czesci wewnetrznej tego zlacza.Znanych jest kilka rozwiazan zagadnienia kon¬ troli, tych pól brzegowych oraz otrzymanie wy¬ maganej ochrony od wplywów ladunku zewnetrz¬ nego. Kontrole pól brzegowych (przeprowadza sie tak, ze maksymalna wartosc pola elektrycznego na odcinku zlacze — powierzchnia zmniejsza sie poprzez zmiane rozkladu pól brzegowych w war¬ stwie ladunku przestrzennego na tym odcinku.Zgodnie z jednym z rozwiazan ksztaltuje sie lub scina powierzchnie brzegowe przyrzadu na odcin¬ ku zlacze — powierzchnia. Ksztaltowanie krawe¬ dzi jest jednakze rozwiazaniem stosunkowo dro¬ gim i nie moze byc stosowane we wszystkich kon¬ strukcjach przyrzadu, przy czym na przyklad pro- 832933 83293 4 20 filowanie jest niewykonalne w przyrzadach pla¬ narnych.W innym rozwiazaniu pola brzegowe i oddzialy¬ wanie ladunku zewnetrznego sa kontrolowane za pomoca nalozenia grubych warstw izolujacych oraz 5 pasywujacych substancji na odcinku zlacze — po- wierzchnia. Do tego celu stosowane sa pewne ro¬ dzaje szkla i zywic.Jeszcze innym rozwiazaniem tego problemu jest zastosowanie warstwy metalowej polaczonej elek- 10 trycznie z wysoce przewodzacym obszarem sasia¬ dujacym zlacza. Warstwametalowa pokrywa zlacze i obszar wnikania, przy czym oddzielona jest war¬ stwa izolujaca.W innych konstrukcjach przyrzadu nie projekto- 15 wanych specjalnif-pdd katem kontroli pól brze¬ gowych zlaczy wysokonapieciowych uzyskuje sie ten rezultat w ograijiczonym stopniu. W jednym z przylgftdfcW '4akfefj; konstrukcji stosuje sie po- mocnicaS* elektrode odpowiadajaca ekranowi Fa¬ radaya, która- zmniejsza niepozadane efekty.Celem wynalazku jest zreaMzowanie przyrzadu pólprzewodnikowego ze stabilnym zlaczem wyso¬ konapieciowym, umozliwiajacego zapewnienie kon¬ troli elektrycznych pól brzegowych wokól odcin¬ ka zlacze — powierzchnia przyrzadu.Cel ten zostal osiagniety wedlug wynalazku w przyrzadzie pólprzewodnikowym zawierajacym dwa obszary pólprzewodnikowe odpowiedniopierw¬ szego i drugiego typu przewodnictwa ze zlaczem p-n miedzy obszarami. Przyrzad wyposazony jest w pozostajace w elektrycznym kontakcie z obu obszarami srodki, których zadaniem jest kontrolo¬ wanie pól brzegowych wokól zlacza oraz ochra¬ nianie zlacza od wplywów zewnetrznych ladunków podczas pracy przyrzajdu.W jednym przykladzie wykonania przyrzadu wedlug wynalazku wspomnianymi srodkami kon¬ trola pola sa rozlozone srodki rezystancyjne pozo¬ stajace w elektrycznym (kontakcie z obu obszara¬ mi. W drugim przykladzie wykonania przyrzadu wedlug wynalazku wspomnianymi srodkami kon¬ troli pola sa pierwsza i druga warstwa przewo¬ dzaca w elektrycznym kontakcie odpowiednio z pierwszym i drugim obszarem. Warstwy przewo¬ dzace sa rozmieszczone jedna "obok drugiej z od¬ powiednim odstepem i w taki sposób, zeby zacho¬ dzily na siebie.Wynalazek zostanie blizej wyjasniony w przy¬ kladach wykonania zilustrowanych na zalaczonych rysunkach, które przedstawiaja: fig. 2 czesciowo poprzeczny przekrój a czesciowo schemat ukladu ilustrujacy pierwszy przyklad wykonania przyrza¬ du pólprzewodnikowego wedlug wynalazku, fig. 3 przekrój poprzeczny pierwszego przykladu wyko¬ nania przyrzadu pólprzewodnikowego wedlug wy¬ nalazku, fig. 4 widok z góry pierwszego przykla¬ du wykonania przyrzadu pólprzewodnikowego we¬ dlug wynalazku, fig. 5 przekrój poprzeczny przy- «o rzadu -pólprzewodnikowego zgodnie z alternatyw¬ nym wykonaniem przyrzadu z fig. 3 i fig. 4, fig. 6 przekrój poprzeczny drugiego przykladu wykona¬ nia przyrzadu pólprzewodnikowego wedlug wy¬ nalazku, fig. 7 przekrój poprzeczny przyrzadu pól- « 35 40 50 55 przewodnikowego stanowiacego alternatywne roz¬ wiazanie przyrzadu z fig. 6.Pierwszy przyklad wykonania przyrzadu pól¬ przewodnikowego wedlug wynalazku przedstawio¬ no na fig. 2 jako wysokonapieciowa diode p-n po¬ siadajaca rozdzielone srodki rezystancyjne w celu kontrolowania elektrycznych pól brzegowych. Mi¬ mo tego, ze w tym i innych przykladach wynala¬ zek jest wyjasniony dla diody, nie ogranicza sie do tego przyrzadu i jest stosowany w innych przyrzadach pólprzewodnikowych, na przyklad ta¬ kich, jak tranzystory, tyrystory i obwody scalone.Dioda 20 przedstawiona na fig. 2 jest utworzona w elemencie pólprzewodnika 22 takiego, jak krzem, majacego górna powierzchnie 24 i dolna po¬ wierzchnie 26. Kraniec elementu pólprzewodniko¬ wego 22 jest okreslony przez powierzchnie brze¬ gowa 25. Wewnatrz elementu utworzone sa dwa stosunkowo dobrze przewodzace obszairy pólprze¬ wodnikowe, z których kazdy rozciaga sie do jed¬ nej z powierzchni.W przykladowym wykonaniu zgodnie z fig. 2 obszar 28 typu p+ rozciaga sie do górnej po¬ wierzchni 24, a obszar 30 typu n+ rozciaga sie do dolnej powierzchni 26. Te dwa obszary 28 i 30 sa oddzielone przez wysoko rezystancyjny obszar 32 o innym typie przewodnictwa, w tym przy¬ kladzie obszar wysoce rezystancyjny 32 ma prze¬ wodnictwo typu n^-. Obszar 28 typu p+ i obszar 32 typu n— sa oddzielone zlaczem p-n 34, które przecina powierzchnie brzegowa 25 na odcinku zlacze-powiertzchnia 35. Od tego zlacza 34 wymaga sie wytrzymania, podczas pracy diody 20, stosun¬ kowo wysokich poziomów napiec i dlatego pow¬ szechnie nazywane jest zlaczem wysokonapiecio¬ wym.Dioda 20 zawiera rozlozone rezystancje w celu zmniejszenia brzegowych pól elektrycznych wokól odcinka 35 zlacze—powierzchnia 25 oraz ochrony zlacza 34 od wplywów zewnetrznych ladunków podczas pracy przyrzadu. Te ^rezystancje 36 styka¬ ja sie elektrycznie z obszarami lezacymi po prze¬ ciwnych stronach zlacza wysokonapieciowego 34, a wiec rezystancje 36 stykaja sie elektrycznie z obszarem 28 typu p+ i obszarem 32 typu n— albo obszarem 30 typu n+. Jak zostanie wyjasnione w odniesieniu do fig 3 i fig. 4, rezystancje 36 calko¬ wicie otaczaja przeciecie 35 zlacze—powierzchnia.Okreslenie „rozlozona rezystancja" oznacza ele¬ ment rezystancyjny rozlozony wzdluz okreslonej sciezki pradowej. W diodzie 20 rozlozone elemen¬ ty rezystancyjne sa umieszczone stycznie do tej czesci powierzchni, która obejmuje obszar zuboze¬ nia podczas pracy przy wysokim napieciu. Cho¬ ciaz na fig. 2 obszar zubozenia jest oznaczony li¬ niami przerywanymi, to jednak jest oczywiste, ze faktyczna szerokosc tego obszaru zmienia sie w zaleznosci od typu przyrzadu oraz poziomów na¬ piecia w czasie pracy. Niemniej jednak zaleca sie, zeby elementy rezystancyjne 36 byly rozlozone na calej powierzchni brzegowej 25, jak przedstawio¬ no to na fig. 2. Gdy to nie jest konieczne rozlo¬ zone elementy rezystancyjne 36 sa odpowiednio oddzielone od przejscia 35 zlacze — powierzchnia.Te elementy rezystancyjne 36 kontroluja brzego-83293 5 6 we pola elektryczne przez laczenie linii sil pola do punktu ekwipotencjalnego wzdluz rozlozonej rezystancji. W ten spoisób elementy rezystancyjne rozkladaja linie sil albo linie efkwipotencjalne nad powierzchnia obszaru wnikania, zamiiast koncen¬ tracji w jednym punkcie potencjalowym.Szczególna konstrukcje diody z zastosowaniem rozlozonych srodków rezystancyjnych takich, jak na fig. 2, przedstawiono na fig 3 i fig. 4. Dioda 40 jest utlwlortzona w elemencie pólpraewiodnika 42, ograniczonej powierzchniami: górna 44, brzegowa 45 i dolna 46. Powierzchnia brzegowa 45 przedsta¬ wiona na fig. 3 jest profilowana, nie jest to jed¬ nak niezbedne. Dioda 40 zawiara dwa dobrze prze¬ wodzace obszary o przeciwnym przewodnictwie, graniczace z górna lub dolna powierzchnia. Na przyklad, obszar 48 typu p+ graniczy z górna po- wderzchnia 44, a obszaT 50 typu n+ graniczy z dol¬ na powierzchnia 46D.Dobrze przewodzace obszary 48 i 50 sa rozdzie¬ lone przez wysoce rezystancyjny obszar 52 (w tym przykladzie n—). Zlacze wysokonapieciowe p^n, 54, które przecina powierzchnie brzegowa 45 na odcinku zlacze—powierzchnia 55, oddziela ob¬ szary 48 typu p+ i 52 typu n—. Na powierzchni brzegowej 45 wlacznie z przecieciem zlacze — po- powderzchnia 55, umieszczona jest oslona izolujaca 56. Oslona izolujaca 56 moze byc na przyklad dwutlenek krzemu albo azotek krzemu. Na oslonie izolujacej 56 umieszczona jest rozlozona warstwa rezystancyjna pozostajaca w elektrycznym kontak¬ cie z dwoma obszarami po obu stronach zlacza 54 i calkowicie obejmujaca przeciecie zlacze — po¬ wierzchnia. Na fig. 3 warstwa rezystancyjna 58 ma zapewniony kontakt elektryczny z obszarami 48 typu p+ i 50 typu n+ za pomoca elektrod 60, 62, które stykaja sie odpowiednio z tymi obszara¬ mi.Dobór rodzaju materialu zastosowanego na roz¬ lozona warstwe rezystancyjna 58 nie jest krytycz¬ ny, jednakze zaleca sie, zeby warstwa ta miala rezystancje (r0 powierzchniowa warstwy) wynosza¬ ca od 102 do 109 ohmów na jednostike powierzchni.Odpowiednimi do tego celu materialami sa nie¬ znacznie domieszkowane materialy pólprzewodni¬ kowe polikrystaliczne, takie jak krzem, stopy opo¬ rowe, oporowe tlenki metali jalk na przyklad tlen¬ ki niklu, tlenek cyny lub trójtlenek antymonu, trudno topliwe oporowe tlenlki metali, jak ma przy¬ klad niestechiometiryczne tlenki tytanu, chromu, wolframu, lub molibdenu. Zalecana jest jednak polikrystaliczna warstwa krzemu, która najlepiej pasuje do przyrzadu i jest latwa do wytworzenia.Budowa diody planarnej 70, w której zastosowa¬ no do kontrolowania pól brzegowych rozlozone srodki rezystancyjne, przedstawiona jest na fig. 5.Dioda planarna 70 utworzona jest w elemencie pólprzewodnika 72 majacej powierzchnie górna 74 i dolna 76. Trzy obszary pólprzewodnikowe: 78 typu p+, 80 typu n+ i 82 typu n— sa rozmieszczo¬ ne w elemencie i sa w istocie takie same, jak od¬ powiednie obszary 48, 50 i 52 na fig. 3 za wyjat¬ kiem tego, ze obszary 78 typu p+ oraz 82 typu n— rozciagaja sie do górnej powierzchni 74.Wysokonapieciowe zlacze 84 p-n oddziela obsza¬ ry 78 typu p+ i 82 typu n— oraz przecina po¬ wierzchnie górna 74 na odcinku zlacze — po¬ wierzchnia 85. Na górnej powierzchni 74 umiesz¬ czone jest pokrycie izolacyjne 86 posiadajace szczeliny 88 i 90, z których kazda odslania czesc obszaru 78 typu p+ i obszaru 82 typu n—. Rozlo¬ zona warstwa rezystancyjna 92 jest umieszczona na tej czesci pokrycia izolujacego, które otacza przeciecie zlacze — powierzchnia 85 i rozciaga sie przez szczeliny 88 i 90 az do styku z obu obszara¬ mi 78 typu p+ i 82 typu n~. Ta rozlozona war¬ stwa rezystancyjna 9? jest podobna do warstwy rezystancyjnej 58 z fig. 3 i fig. 4 i mimo tego, ze nie jest to uwidocznione na rysunku, jest oczywi¬ stym, ze rozlozona warstwa rezystancyjna 92 przy¬ rzadu 70 z fig. 5 obejmuje cale przeciecie zlacze — powierzchnia 85 tego przyrzadu. Dioda 70 uzupel¬ niona jest doprowadzeniami (nie oznaczonymi) do obszarów 78 typu p+ i 80 typu n+ przy odpowied¬ nich powierzchniach.Wyzej opisane i przedstawione na fig. 3 i fig. 5 przyrzady moga byc wykonane za pomoca jednej ze znanych technik wytwarzania pólprzewodników, które nie stanowia czesci tego wynalazku. Jednak¬ ze, dioda planarna 70, z fig* 5 moze byc na przy¬ klad wytwarzana w nastepujacy sposób. Materia¬ lem poczatkowym jest plytka krzemu typu prze¬ wodnictwa n+. Na plytce krzemu umieszczona jest technika epitaksjalna wysoce rezystancyjna war¬ stwa krzemu o przewodnictwie n—, a nastepnie górna powierzchnia warstwy n— pokrywa sie gru¬ ba warstwa dwutlenku krzemu. Ta warstwa pod¬ dawana jest dzialaniu fotolitograficznemu w celu odsloniecia czesci górnej powierzchni warstwy n-, po czym domieszki typu p dyfunduja do warstwy n-. Po dyfuzji umieszcza sie na powierzchni gruba warstwe szkla, w której wykonuje sie nastepnie szczeliny 88 i 90 i jedna z licznych technik pokry¬ wa sie cala powierzchnie warstwa polikrystalicz¬ nego krzemu, która stanowi rozlozona warstwe re¬ zystancyjna 92.Drugi przyklad wykonania przyrzadu wedlug wynalazku przedstawiony jest na fig. 6. Przyrzad przedstawiony na tym rysunku jako dioda planar¬ na 100 utworzony jest w elemencie pólprzewod¬ nikowym 102 ograniczonej powierzchniami górna 104 i dolna 106. Przyrzad 100 zawiera obszar 110 o przewodnictwie typu n+ rozciagajacy sie do dol¬ nej powierzchni 106 oraz obszary 108 typu p+ i 112 typu n— rozciagajace sie do górnej powierzch¬ ni 104. Obszary 108 typu p+ i 112 typu n- od¬ dzielone sa wysokonapieciowym zlaczem p-n 114, które przecina górna powierzchnie 104 na odcin¬ ku zlacze — powierzchnia 115. Nad przecieciem zlacze — powierzchnia 115 oraz nad czesciami ob¬ szarów 108 typu p+ i 112 typu n— po obu stro¬ nach tego przeciecia umieszczona jest warstwa izolujaca 116. Pierwsza warstwa przewodzaca 118, ulozona na warstwie izolujacej 116, posiada kon¬ takt elektryczny z górna powierzchnia 104 obsza¬ ru 112 o przewodnictwie typu n—. Korzystnym jest, aby ta pierwsza warstwa przewodzaca kon¬ czyla sie przed przecieciem zlacze — powierzchnia 115, tak jak przedstawia to fig. 6. Na warstwie izolujacej 116 i pierwszej warstwie przewodzacej 10 15 20 26 30 35 40 45 50 55 6083293 7 8 118. umieszczona jest druga warstwa izolujaca 120.Druga warstwa przewodzaca 122 posiada kontakt elektryczny z górna powierzchnia 104 obszaru 108 0 przewodnictwie typu p+ i rozciaga sie nad dru¬ ga warstwa izolujaca 120 zachodzac nad pierwsza warstwe przewodzaca 118.Zakladka miedzy dwiema warstwami przewo¬ dzacymi 118 i 122 graniczy z czescia 124 wysoce rezystancyjnego obszaru 112 typu n— i calkowicie otacza przeciecie zlacze — powierzchnia 115. Okres¬ lenie „warstwa przewodzaca" uzyte w odniesieniu do pierwszej 118 i drugiej 122 warstwy przewodza¬ cej nie .stanowi ograniczenia do warstw metalicz¬ nych, chociaz sa one odpowiednie do tego celu. 1 tak którakolwiek z nich lub obie warstwy 118 i 122 moga stanowic pewna opornosc, wzglednie mciga miec bardzo duza przewodnosc. Korzystnym jest, zeby opornosc powierzchniowa warstw 118 i 122 wynosila nie wiecej, niz 103 ohma na jed¬ nostke powierzchni. Materialami odpowiednimi na warstwy przewodzace sa zarówno wszystkie ma¬ terialy oporowe wyszczególnione w pierwszym przykladzie wykonania, jak tez takie metale prze¬ wodzace, jak na przyklad aluminium, zloto, srebro, wolfram lub molibden.W czasie pracy diody 100 z fig. 6 pierwsza 118 i druga 122 warstwa przewodzaca zmienia brzego¬ we pole elektryczne, obnizajac, jego wartosc mak¬ symalna oraz rozkladajac je bardziej równomier¬ nie nad powierzchnia 104. Mimo tego, ze na fig. 6 przedstawiono przyrzad planarny, nalezy zdawac sobie sprawe, ze technike talka mozna równiez za¬ stosowac przy przyrzadach nieplahairnych, w któ¬ rych zlacze wysokonapieciowe przecina powierzch¬ nie brzegowa. Przyrzad taki przedstawiono na filg. 7.Przyrzad bedacy dioda profilowana 140 ma ob¬ szary 142 typu p+, 144 typu n+ i 146 typu n— oraz wysokonapieciowe zlacze p-n 148 przecinajace powierzchnie brzegowa 150 na odcinku zlacze — powierzchnia 152 rozmieszczone w/ podobny spo¬ sób, jak przyrzad z fig. 3. Nad warstwa izolujaca 158 umieszczone sa pierwsza 154 i druga 156 war¬ stwy przewodzace, które zachodzac na siebie cal¬ kowicie obejmuja przejscie zlacze — powierzchnia 152 na powierzchni brzegowej 150. Warstwa prze¬ wodzaca 154 ma kontakt elektryczny z obszarem . 142 typu p+, natomiast warstwa 156 jest w kon¬ takcie elektrycznym z obszarem 144 typu n+. PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL PL