SU626713A3 - Полупроводниковый прибор - Google Patents

Description

1

Изобретение откоситс  к по.п проводникавым приборам, имеющим большое количество р-п-пере.одов, например бипол |)пым транзисторам или тиристорам, в частности к прибору, в котором обеспеч}гваетс  така  концентр.аци  примеси в области миттера, при которой эффективна  диффузионна  длина неосновных носителей зар да оказываетс  значительно болыие, 4eivi ширина области эмиттера, и устройствам, обеспечивающим такую генерацию неосновных носителей зар да, инжектируемых в область эмиттера, которые урав 1ове1пивают неосновные носите .ли зар да, инжектируемые в область эмиттера из области базы.

Известны полупроводниковые приборы с больп1им количеством р-п-переходов 1,

Наиболее близкое техническое решение к изобретению - полупроводниковый прибор , имеюший э п ттерную, базовую и коллекторную зоны чередующегос  типа проводимости и образуюндие два р-п-перехода. дополнительную зону противоположного типа проводимости в эмиттере и образующую с ней допо.1ннтельный р-п-переход, и средство дл  пр мого смешени  2, Однако в этом приборе не определен ни вид распределени 

концентрации примесей, ни то, какой ;u. быть пшрина базы или эмиттера.

Концентрацию легирующих элементов в эмиттере обеспечивают более высокой, чем в базе. По мере увеличени  этой разшщы повьппаетс  эффективность , котора  принимает значение, близкое к единице. ()днако при сильной степени легировани  происходит возрастание концентрации дефектов решетки и дислокаци в те,те полупроводника . Умепьпление степени легировани  сопровождаетс  в транзисторах снижением коэс})фициеита усилени  но току.

Цель изобретени  - уменьнкми-.е и увеличение коэффициента усилени  току.

Поставленна  це,1ь достигаетс  , что рассто ние между переходом эмиттер-база и допо,тп1 Т:мьпым переходо%; кч;и1::е, чем диффузионна  длина пеосновнь Х носителе в эм1 ттере, что позвол ет по.тучагь равномерную концентрацию неосновных носитс. в области эмиттера.

Базова  и допо.шительна  зошз элек рл чески соед,инены, а переход эмиттер-база и допо.шительный переход смежные.

Н,-| фИГ. схематически показана часть попе Ччного разреза ХРХ-трпнзнстора; на фиг. 2 - диаграмма, распределени  примеси в приборе и концентрации неосновных носителей зар да п области эмиттера; на фиг. 3 изображена часть иоперсчного разре .чл чипа интегральной схемы, в которую вход т предлагаемый NPN-транзистор и Pi P-TpaH3HCTOp известной конструкции, обеспечивающие создание дополнительной пары транзисторов в чипе интегральной схе.мы; на фиг. 4, 5 и б представлены варианты технического решени ; на фиг. 7 показана зависимость коэффициента Ьр усилени  но току , получаемого в схеме с заземленным эмиттером , от тока коллектора; на фиг. 8 - зависимость шум-фактора от частоты при значении полного входного сопротивлени , равного 1000 Ом; на фиг. 9 - зависимость шум-фактора от частоты при значении полного входного сопротивлени , равном 30 Ом; на фиг. 10 даны шумовые диаграммы, на которых шум-фактор построен в зависимости от тока коллектора; на фиг. 11 представлена зависимость коэффициента температуры. Предлагаемый прибор имеет подложку 1, сильно легированную примес .ми N-типа, т.е. подложка может образовыватьс  на базе кремни , сильно легированного сурьмой. Г1редпочтительное значение концентрации легируюшей примеси составл ет 4 X Ш с.м-, а. удельное сопротивление подложки - приблизительно 0,01 Ом-см. При этой концентрации легируюш,ей примеси удельное сопротивление подложки .может мен тьс  в пределах от 0,008 до 0,012 ОмСм, предпочтительное значение толщины подложки составл ет приблизительно 250 мкм. На подложку 1 нанос т выращенный эпитаксиально слой 2 кремни , имеющий N-тип. проводимости, который вместе с N -областью подложки образует область коллектора . Этот эпитаксиальный слой слабо легирован сурьмой таким ,образом, чтобы концентраци  легирующей примеси в нем составл ла 7 X 10 см . Удельное сопротивление сло  в это.м случае равно приблизительно 8-10 Ом-см Предпочтительное значение толщины эпитаксиального сло  составл ет приблизительно 20 мкм. Далее на N-слой 2 нанос т эпитаксиально слой 3 кремни  р-типа дл  создани  активной базы транзистора. В качестве легирующего элемента дл  этого сло  может быть вз т бром в таком количестве, чтобы концентраци  легирующей примеси составл ла 1 X . Уд,ельное сопротивление сло  составл ет 1,5 Ом-см. Предпочтительное значение толщины эпитакси-ального сло  3 составл ет приблизительно 5 мкм. На слой 3 Р-типа накладывают эпитаксиально слой 4 кремни  N-типа, с помощью которого создаетс  э.миттер. Слой 4 слабо легирован сурьмой таким образом, что конце1гграци  легирующей примеси составл ет приблизительно 5 5 X 10 ное сопротивление сло  приблизите. 1ьно 1Ом-см, толщина сло  от 2 до 5 мкм. На N-слой 4-затем методом диффузии напоситс  слой 5 1-типа, предназначенный дл  обеспечени  создани  контактной поверхности к области эмиттера. Этот слой легирован фосфором, концентраци  примесей на его поверхности составл ет 5 X см , а глубина залегани  пор дка 1 мк.м. Сильно легированна  область 6, охватывающа  область коллектора, образуетс  методом диффузии, причем эта область проникает через Р-базу в N-коллекторный слой 2. Легирующей при.месью в этом случае  вл етс  фосфор, а поверхностна  концентраци  легирующей примеси составл ет приблизительно 3 X 105 смЗ. Область 7 Р-типа, получаема  методом диффузии, проникает через N-слой 4 эмиттера в слой 3 базы Р-типа, который ограничивает область эмиттера и охватывает ее. Концентраци  на поверхности легирующего элемента, в качестве которого выбран бор, составл ет 7 X Ш® см . В области 7 методом диффузии создаетс  область 8 Р-типа , сильно легированна  бором, поверхностна  концентраци  атомов которого равна приблизительно 5X10 см , а глубина области 8-1,8 мк.м. Верхнюю часть прибора покрывают слоем двуокиси кремни  дл  пассивировани  поверхности. Электрод к поверхности области 9 коллектора , образуемый с помощью алюмини , наноситс  на N область подложки 1. Электрод 10 к области базы создаетс  на основе алюмини , который на оситс  на контактную область 8 базы. Электрод 11 к области эмиттера наноситс  на контактный слой 5 эмиттера. На N-область эмиттера наноситс  методом диффузии область Р-типа, с помощью которой образуетс  PN-переход между ней и слоем эмиттера. Эта область легирована борол и образуетс  одновременно с образованием контактной области 8 базы, концентраци  легирующей примеси составл ет 5-10 см , глубина залегани  сло  - приблизительно 1,8 .мкм. Таким образом, переход 12 коллектор - база создан N-слоем 2 и Р-слоем 3. С помощью Р-сло  3 и N-сло  4 образуетс  переход 14 эмиттер-база, а с помощью N-сло  4 и дополнительной области Р-типа - допол-нительный PN-переход 14. Предпочтительное рассто ние между переходом 13 э.миттер-база и дополнительны.м PN-переходом 14 от 2до 5 мкм. В варианте, показанном на фиг. 3, NPNтранзистор , который был изображен на фиг. 1, используетс  в интегральной схеме с другими полупроводниковыми элемента.ми (например PNP-транзистор). Интегральна  схема содержит транзисторы двух различных типов (например дополнительные транзисторы , в частносш Р --транз11Сто|) и PNPтранзистор ). Эти транзисторы создаю:о  на подложке 1-5, выполненной из кремни  Р-типа . NPN-TJU1H3HCTOP включает в себ  cii.ibiio легированнук/ область коллектора, функцию которой выполн ет подложка 1. слабо легпрованный сл(й 2 коллектора, слабо легированный слой 3 базы, с. легированный слой 4.эмиттера, сильно легированный контактный слой 5 эмиттера, ввод в область б коллектора, контактную область 16 коллектора , ввод в базовую область 7, контактную область 8 базы, дополнительную область, электрод к области 9 коллектора, базовый электрод 10 и электрод 11 к области э.миттера .

В PNP-траизисторе имеетс  коллектор 17 Р-типа, база 18 N-типа, эмиттер 19 Р-тнна, коллектор 20 Р-типа, контактна  область 21 коллектора, контактна  область 22 базы N-тииа , коллекторный электрод 23, базовый электрод 24 и эмиттерный электрод 25.

Электрическое разделение транзисторов осуш,еств.,|Яетс  с помощью PN-переходов. Изолирующа  область 26 Р-типа примыкает к подложке 15 Р-типа и охватывает какNPN- , так и PNP-транзисторы. Три области N-типа, 27, 28 и 29 образуют чашеобразную изолирующую область, охватывающую только PNP-транзистор. В этой интегральной схеме одновременно создаетс  большое количество парных или строенных эле.ментов, например N t Р-слои 1 и 3 образуютс  методом селективной диффузии в подложку 15 Р-типа. Слой 2 и область 28 создаютс  методом эпитаксиального выращивани  материала N-типа, Р-слой 3 транзистора NPN и коллектор 17, Р-типа транзистора PNP создаютс  либо методом эпитаксиального выращивани , либо методом селективной диффузии . N-слой 4 NPN транзистора и N-база 18 Р Ф-транзистора создаютс  методом эпитаксиального выращивани . Области N 6 и 29 создаютс  с помощью диффузии элементов , привод щих к возникновению N-типа проводимости. Р-область 7 и коллектор 20 создаютс  с помощью диффузии элементов , привод щих к возникновению сло  Р-типа проводимости.Р -область 8 PNP-транзистора , дополнительна  область транзистора и NPN-эмиттер 19 PNP-транзистора создаютс  с помощью диффузии элементов, привод щих к возникновению сло  Р-типа проводимости . Области 5, 16 и 22 созданы- .методом диффузии.

В варианте, показанном ,на фиг. 4, дополнительна  область при.мыкает к области 7 и области 8 базы. Базовый электрод может наноситьс  не только на области 7 базы, но и на дополнительную область 30.

В варианте по фиг. 5 на гкик рхиосги елабо легированного сло  4 эмиттера p i MeiiiaeTс  Л ОГ1-структура(мет;1.лл-окись-11().1упроводник .У11р;ии юни1Й .-j.ieKrpo.i

31. iLiroHH.icHHbiii из алюмини , и cjioii 32 двуокиси кремни  со слоем 4 эмиттера обра. ют .М()П-структу|1 . При ириклады| ,а11ии заранее выбранных значений напр жени  к управл ющему э.1ектроду 31 иод и и) с.юем 32 происходит образование барьера 33. Слой 32 называетс  также iiHiKpcnijivi .слоем, областью иетон1ени  и.1и оплао накоплени .

В варнанге, показанном на фиг. 6, на поверхность елабо легированного сло  4 Э.МИТI ера наноситс  слой, с по.мощью которого создаетс  барьер Шоттки. Дл  образовани  барьера Шотткн на N-слой 4 эмиттера наноситс  подход щий дл  этой цели металл , например платина.

На фиг. 2 представлена диаграмма раснределени  нримеси и кo цeнтpaции неосновных носителей зар да в эмиттере прибогч, представленного на фиг. 1. В верхней час и показаны кривые, относ щиес  к N-легированной кре.мниевой подложке 1, слою 2 N-KO.Tлектора , слою 3 Р-базы, слою 4 эмиттера и Р-об.-|асти. Распределение концентрации примеси в каждой из этих областей показано в центральной части,и в нижней части - распределение концентрации инжектированных в эмиттер неосновных носителей зар да, котора   вл етс  комбинацией инжектированных неосновных носителей зар да из базовой области сло  3 и из PN-перехода, раздел ющего Р-область и слой 4.

Компонент концентрации, возникающий в результате инжекции неосновных носителей - зар да из пере.хода 13 эмиттер-база, изображен линией 34 градиента, компонент концентрации, возникающий в результате инжекции тока неосновных носителей зар да из дополнительного перехода 14, - линией 35 градиента. Так как инжектированные неосновные носители зар да перемещаютс  в противоположных направлени х, они обладают тенденцией к рекомбинации друг с другом, в результате чего определ етс  строго плоска  или наход ща с  на одном уровне лини  35 градиента. Именно за счет этой характеристики обеспечиваетс  большое значение коэффициента усилени  по оку и ini3кий уровень шумов в приборе.

Claims (2)

1. Неосновные носители зар да (дырки), инжектированные через переход эмиттер-база , достигают дополнительного перехода 14 и попадают в дополнительную область. С друг1 1 oTopofibi из P-o6.iacTH также происходит инжекци  дырок в слое 4 э.миттера N-тииа , и эти Дырки проход т через эмиттер и. доход т до перехода 13 эмиттер-база, поскольку диффузионна  длина инжектированных носителей Wg меньше, чем диффузионна  длина в слое 4 N-эмиттера. Когда уровень инжекции дырок из Р-области достаточно высок, дырочный ток из дополнительного переходами, направленный в сторону перехода 13, компенсирует дырочный ток. протекающий от перехода 3 к дополнительному переходу И. В результате этой компенсацнм обеспечиваетс  плоское распределение концентрации дырок в Э айттере N-типа н уменьшаетс  величина дырочного тока, текущего от сло  3 базы к слою 4 эмнттера. С помощью прибора, показанного на фиг. i, достигаютс  sbscoKoe значение коэффициента усилени  по току и малый уровень шумов. Это пронсходит потому, что коэффициент h;-|4fcsifleHMH по току в схеме с заземленнь м эмиттером  вл етс  одним из важнейших параметров транзистора. Он определ етс  hfg. () где «1, коэффициент усилени  в схеме с заземленной базой. Коэффициент йЬусилени  по току наход т по формуле (2) где ей - отношение, св занное с умножением на коллекторе; J8 - коэффициент передачи базы; у - эффективность эмиттера. В NPN-траизисторе, например, эффективность эмиттера определ етс  как i 3p/3f, где За - плотность электронного тока, создаваемого электронами, которые инжектируютс  через переход эмиттер-база в направлении от эмиттера к базе, а плотность дырочного тока, создаваемого дырками, которые инжектируютс  через тот же переход - в обратном направлении от базы к эмиттеру. Величина плотности электронного тока задаетс  Dp-Р. ( f - f) () где Lit - это диффузионна  длина электронов в базе, имеющей р-тип проводимрсти; диффузионна  длина дырокв эмиттере , имеющем N-тип проводимости; tj -- коэффициент диффузии Дл  дырок; P(j7- коэффициент диффузии дл  электронов; Ир - концентраци  электронов,  вл ющихс  неосновными носител ми в базе Р-типа в состо нии равиовеси ; Р - концентраци  дырок,  вл ющихс  неосновными носител ми в эмиттере N-типа проводимости в состо нии равиовеси ; V - напр жение, приложенное к P-N-neреходу: Т - температура; q -- зар д мектрона; k - посто нна  Больцмана. Ввод  величину 6, равную отношекка и, можно тогда записать f 2. Л аменив соотношение где Ыд- концентраци  примесей в области азы; Ng - концентраци - примеси в области эмиттера; W - ширина базы, величина которой ограничивает диффузионную длину электронов LI, в области базы. Коэффициенты диффузии носителей зар  а DD и Dp  вл ютс  функци ми подвижноси носителей зар да и температуры и могут быть практически посто нными. При умеиьшении значени  3р.величина у становитс  близкой к единице в соответствии с уравнением (3), значение eLвозрастает в соответствии с уравнением (2) и значение в соответствии с уравнением (I) Низкие шумовые характеристики объ сн ютс  следующим: концентраци  дефектов решетки или дислокаций значительно уменьшаетс  в св зи с тем, что N-переход эмиттер-база образуетс  сильно легированным слоем 4 эмиттера и сильно легированным слрем 3 базы. Концентраци  примесей в сильно легированном слое 4 эмиттера с точки зрени  шумовых характеристик, .времени жизни тр и диффузионной длины неосновных носителей зар да Lf, должна быть уменьшена до значений, приблизительно меньших, чем 10 8 см. Другим фактором, привод щим к низкому уровню шумов,  вл етс  то, что ток эмнттера течет почти в вертикальном направлении как в сильно легированном слое 4 эмиттера, так и в сильно легированном слое 3 базы. Высокие значени  коэффициента усилени  по току - дл  схемы с заземленным эмиттером hpj дл  прибора, представленного на фиг 1, показаны на фиг. 7 двум  графиками 36, 37. Кривые отражают экспериментальные результаты , полученные при исследовани х двух различных транзисторов. Разница между двум  кривыми объ сн етс  тем, что имеет место различна  плоскостна  конфигурацн  эмиттера. Обе кривые свидетельствуют, что приборы обладают высокими знач1 ни ми коэффициента усилени  по току в схеме с заземленным эмиттером. На фиг. 8 приведены зависимости уровн  шумов от частоты, полученные дл  прибора , изображенного на фиг. I. случай, когда полное входное сопротивление равно 1000 Ом, ток коллектора I мА, а напр жение смещени , приложенное между эмиттером и коллектором,6 В. Значени  уровн  шумов показаны линией 38. Уровень шумов дл транзистора, изготовленного по известной технологии, при которой уровень шумов минимальный, показан линией 39. На фиг. 9 представлена крива , подобна  кривой на фиг. 8, где характеристики прибора, представленного на фиг. , изображены линией 40, а уровень шумов, наблюдаемый на npti6ope, изготовленном по технологии предшествующего уровн  техники, показан линией 41 Кривые на фиг. 9 соответствуют величине полного входного сопротивлени , равного 30 Ом, при этом величины тока коллектора и напр жение между эмиттером и коллектором такие же, как при построении диаграмм на фиг. 8. Н фиг. 10 представлены шумовые, диаграммы дл  известного транзистора (42) и прибора, изображенного на фиг. (43). Обе диаграммы построены дл  уровн  шума в 3 дб: Кривые, построенные на фиг. 11,  вл ютс  зависимостью от температуры. К,(ива  44 относитс  к известному прибору, а крива  45 - к предлагаемому. Выражение «фактически плоское, которое используетс  дл  описани  распределени  концентрации на основных носител х зар да вдоль эффективной области эмиттера , следует понимать таким образом, что комбинированное значение концентрации неосновных носителей зар да, которые инжектируютс  из активной области базы в активную область эмиттера, и концентраци  неосновных носителей зар да в эмиттере, перемещающихс  в противоположном направлении под воздействием возникающего контактного пол , оставалось на одном уровне 6 ПО всей активной области эмиттера. Это состо ние представлено частью линии на фиг. 2, котора  относитс  к области эмиттера и нДет горизонтально. В описанных выше вариантах прибора за счет хорошего качества поверхности кремни  и нанесени  пассивирующего сло  SIOj обеспечиваетс  низкое значение скорости поверхностей рекомбинации. С помощью дополнительного барьера, описанного выше, также удаетс  получить низкое значение скорости поверхностной рекомбинации и на поверхност х отдельных плоскостей переходов. Хот  изобретение по снено с помощью NPN-траизистора, показанного на фиг. I, очевидно, что это может быть и PNP-транзистор , имеющий подобную структуру и характеристики . Практически вариантом изобретени  может быть и полупроводниковый прибор NPNP-типа. Формула изобретени  1. Полупроводниковый прибор, имеющий эмиггериую б зовую и коллекторную зоны чередующегос  типа проводимости н образующие два р-п-перехода, дополнительную зону противоположного типа проводимскти в эмиттере и образующую с ней дополнительный р-п-ргереход, и средство дл  пр мого смешени , отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  щума и увеличени  коэффициента усилени  по току, рассто ние между переходом эмиттер-база и дополнительным переходом меньше, чем диффузионна  длина неосновных носителей в эмиттере, что позвол ет получить равномерную концентрацию неосновных Носителей в области эмнттера. 2. Прибор по п. I, отличающийс  тем, что базова  и дополнительна  зоны электрически соединены, а переход эмиттер-база и дополнительный переход смежные. Источники информации, прин тые во внимание при экспертизе: 1.Кузьмин В. А. Тиристоры малой и средней мощностей. М., «Сов. радио. 1971.
2. 2.Патент США № 3591430, кл. 317-233, 1968.

   2

   Л

   ТИ

   J -9 / / f

   W

   - ;

   -w w

   2S S 7 8 10 13 14 p 11 TPIF ЖЕ /5 3 n 2 If

   J т 35 Б 26 га 20 г гг fa 25 22 zi 20 гэ ze ,4, h 1 1 N r H. h LJ LJ и h r r YL I / / „- I 4-F// v -trr Pл/27 5 /7 W

   6 16 3 7 to i3 f 30 1 ff 7 6

   E

   M- iL -,-u::ii/r H- I /П

   U / LAJlIZII bj,L

   .P-

   1 12 2 3

   16 Э 7 6 10 13 33 32 31 Ti 7

   . S Ю 8 f S 11 / 7 S /

   «1

   t2-uJ- 4-J

   s

   7

   /

   2 /г .j

   (риг.е

   lOOjjA rriA 10mA iOOmA Ic Ф.иг. 7

   NF

   J5 (аь)

   (риг. 11