книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы

стор, вследствие самовозбуждения схемы из-за чрезвычайно большого коэффициента усиления ( ß J T - > оо). Поэтому для нормальной рабо­

Однако возможно еще одно явление •— «прокол» базы или смыкание р-п перехода, обусловленное процессами внутри базы, а не в коллек­ торном р-п переходе, что также приводит к выходу прибора из строя. При увеличении коллекторного напряжения UK э илиUK б расширяет­ ся коллекторный р-п переход, а граница х'к перехода и квазиней­ тральной базы перемещается к эмиттерному р-п переходу. При неко­ тором напряжении UK(j с слой пространственного заряда проходит через всю область базы вплоть до смыкания с эмиттерный р-п пере­ ходом. В этом случае базовый электрод теряет свои управляющие свойства, а через транзистор протекают большие токи даже при нуле­

Рис. 8.17. Зонная диаграмма п-р-п транзистора без смещения (а) и при смещении (б).

221

торный слои, а роль диэлектрика—база, из которой удалены основ­ ные носители —• дырки. Под действием отрицательного потенциала коллекторного источника питания электроны инжектируются из

лишь для германиевых сплавных транзисторов, в которых коллектор­

при допущении, что дрейфовая скорость носителей (дырок) не зависит

сторов коллекторный р - п переход гораздо значительнее распростра­ няется в область более высокоомного коллекторного слоя, чем в об­

планарных транзисторов до настоящего времени, по-видимому, не проводились.

Таким образом, при с / к б с < £ / К бо транзистор может выйти из строя, поскольку большие токи могут привести к тепловому пробою (см. § 10.1). При тепловом пробое имеет место расплавление эмиттерной и базовой металлизации, вызывающее короткое замыка­ ние эмиттер—база, проплавление алюминия через эмиттерный и ба­ зовый диффузионные слои с образованием короткого замыкания эмиттер—коллектор. Следовательно, при работе приборов в схемах следует всегда задавать напряжение UK < UUQ с , если £/К б с <

<^кбо-

Интересно найти выражение для £ / к б 0 в зависимости от тол­ щины базы WOO и параметров распределения донорной и акцептор­ ной примеси в базе. Величина UKo с рассчитана в работах [143—145] для кремниевых транзисторов, изготовленных двойной диффузией примесей в предположении распределения примесей по дополнитель­ ной функции ошибок или по закону Гаусса.

Как показано в гл. 2, эти законы распределения примесей обыч­ но не выполняются в реальных приборах. В работе [145] выведено

222

где Nn (xi) = Na (хэ 0 ) ехр [ —(xâ—xs 0 )/La ]-— концентрация акцепто­ ров на границе х"э эмиттерного р-п перехода и квазинейтралыюй базы.

цепторов. Это обусловлено тем, что с уменьшением L d уменьшается

ния эмиттером базовой примеси (см. § 2.4) толщина базы под центром эмиттера Wf)0 и у края эмиттера Wéo может отличаться на 0,3—0,5 мкм,

р-п перехода. Из формулы (8.37) следует также другой важный для практики конструирования высоковольтных кремниевых транзисто­ ров вывод о том, что для получения значений напряжений UKe с ^ ^ 1000 В толщина базы 1^С о должна быть не менее 1 мкм, а концен­

8.6.Пробой эмиттерного р-п перехода

Пробивные напряжения эмиттерных р-п переходов в кремниевых планарных транзисторах обычно оказываются значительно меньше пробивных напряжений коллекторных р-п переходов и лежат в пре­ делах ( 7 э б 0 = 5—8 В. Это объясняется следующим. Концентрация

2 2 3

ние эмиттерного слоя с характерным закруглением у поверхности подобно коллекторному р-п переходу (рис. 8 . 1 8 ) .

Это закругление образуется вследствие диффузии эмиттерной примеси в горизонтальном направлении под краем окисной маски. Радиус закругления примерно равен глубине залегания эмиттерного р-п перехода, т. е. около ха0 = 1 — 3 мкм для высокочастотных тран­ зисторов. Ширина же этого перехода у поверхности, как будет пока­

на поверхности х = 0, где концентрация базовой примеси максималь­ на (Ns/N (ха0) А 1 0 ) . Напряженность поля максимальна в поверх­ ностном слое, и пробой происходит прежде всего в этом слое. Этот качественный вывод подтверждает прямые экспериментальные ис­ следования авторов. Путем химического вытравливания канавок по периферии эмиттерного р-п перехода до глубины залегания р-п

до 1 0 — 1 2 В. Очевидно, что после удаления вытравливанием сильно легированного слоя пассивной базы с поверхностной концентрацией бора J V S B » 5 • 1 0 1 8 с м - 3 пробой происходил в плоской части эмит­ терного р-п перехода на границе с более высокоомной активной

224

Рис. 8.19. Схема туннельного пробоя в уз­

!123], нельзя считать применимым

креальным приборам.

Впервом приближении можно положить распределение эмит­ терной примеси в поверхностном слое и в окрестности металлурги­

ческого р-п перехода экспоненциальным, например, для п-р-п тран­ зистораКеннеди и О'Брайном в работе

где L'd — характеристическая длина в распределении доноров эмит­ терной примеси, отличается от длины L d (см. гл. 3), характеризую­ щей распределение доноров в плоской части эмиттерного р-п пере­

хода (х = хэ0).

Тогда ширину поверхностного эмиттерного р-п перехода можно найти по формуле (8.9) для плавного р-п перехода, причем градиент концентрации примесей с учетом (8.38) равен

С помощью формулы (8.39) легко проверить, что для типичных зна-

Для столь узких р-п переходов следует ожидать наложения двух механизмов пробоя — лавинного, уже рассмотренного выше, и тун­ нельного (зенеровского) (рис. 8.19). Для характеристики туннель­ ного эффекта важное значение имеет коэффициент прозрачности, определяемый как отношение потока прошедших частиц к потоку падающих на барьер. Расчет величины прозрачности барьера для р-п переходов проводился в работах [147—149]. В приближении однород-

разных авторов. Например, в работе Келдыша [147] и Кейна [148] а* — я/2, а в работе Франца [149] а* = я/4.

Из формулы (8.40) видно, что туннельный ток экспоненциально зависит от напряженности поля в р-п переходе, и обратная вольт-

226

и тем самым увеличить пробивное напряжение. Рассмотрим наибо­ лее эффективные методы увеличения пробивного напряжения планар­ ных р-п переходов.

Как уже указывалось, значительное влияние на снижение на­ пряжения пробоя оказывает искривление р-п перехода. Метод, умень­ шающий действие этого фактора в планарных структурах, впервые был предложен Гетцбергером [152] и носит название метода охран­ ного кольца. Он состоит в следующем. По периферии планарного р-п перехода создается дополнительная диффузионная область оди­ накового типа проводимости с базовой областью транзистора и имею­ щая значительную глубину залегания (рис. 8.23). Такая структура дает возможность при сохранении параметров транзистора \ B\ ,fT, которые определяются в основном ее центральной частью, заметно увеличить пробивное напряжение.

В самом деле, глубину залегания области охранного кольца можно выбрать достаточно большой. Следовательно, р-п переход, образуемый охранным кольцом, будет иметь больший радиус кри­ визны. Тогда в соответствии с графиком рис. 8.7 (см. § 8.1) мы смо­ жем получить значительное увеличение напряжения пробоя в срав­ нении со структурой, пробой которой определялся бы перифериче­ ской областью р-п перехода с параметрами центральной части рас­ сматриваемого транзистора. Заметим также, что пробивное на­ пряжение транзистора с охранным кольцом все-таки значитель­ но ниже напряжения соответствующего меза-транзистора с плоским коллекторным переходом, так как охранное кольцо может в значи­ тельной степени ослабить влияние кривизны, но не может устранить этот фактор полностью.

При конструировании планарной структуры характеристики кольца выбираются с учетом влияния геометрии на параметры тран­ зистора. Целесообразно выбирать глубину залегания кольца по графику рис. 8.7. Ширину области охранного кольца следует вы­ брать минимальной (обычно ?» 5—10 мкм), чтобы свести к минимуму увеличение емкости коллекторного р-п перехода. В транзисторах с низкоомным коллектором глубину залегания области охранного кольца следует выбирать не слишком большой, поскольку при глу­ боком охранном кольце пришлось бы расширять высокоомный слой коллектора, что отрицательно скажется как на сопротивлении насы­ щения транзистора, так и на его частотных свойствах. Особенно важ­ но избегать глубоких охранных колец в эпитаксиально-планарных транзисторах, так как увеличение ширины высокоомного слоя кол-

228

Рис. 8.24. Структура высоковольтно­ го планарного транзистора с расши­ ренным базовым контактом.

лектора в этом случае приведет еще и к ухудшению качества эпитаксиальной пленки, что отрицательно скажется на выходе годных приборов.

Метод охранного кольца несколько неудобен технологически, так как он требует проведения дополнительной фотолитографиче­ ской обработки окисной маски для локализации области кольца и дополнительной диффузии в режимах, отличающихся от типовых режимов при создании активных областей планарных транзисторов.

Эффективность же метода охранного кольца достаточно высока: если обычные планарные транзисторы с глубиной залегания коллек­ торного р-п перехода порядка 3—4 мкм и р„ « 2—7 Ом-см имеют пробивное напряжение ІУк б 0 « 50—70 В, то применение охранного кольца в оптимальных условиях дает возможность увеличить эту цифру до 100—200 В.

Другим методом, позволяющим увеличить напряжение пробоя, является метод расширенного базового контакта. Сущность метода заключается в создании структуры, у которой высокоомная область коллектора я-типа вблизи р-п перехода обедняется под действием поля, возникающего при подаче рабочего смещения на транзистор (7к б , у которого контакт базы расширен и выведен над коллектором (рис. 8.24). Это аналогично соединению с диффузионной областью базы р-типа дополнительного электрода в рассмотренной нами в § 8.2 структуре, напряжение пробоя которой повышается за счет подачи обедняющего потенциала на дополнительный электрод. Обед­ няющий потенциал базовой расширенной металлизации, равный положительному потенциалу базового электрода , приводит к умень­ шению концентрации электронов в приповерхностной области кол­ лекторного слоя я-типа за счет компенсации поля положительного ионного заряда в окисной пленке.

Экспериментальные данные авторов по изучению пробоя струк­ тур с расширенным базовым контактом показывают, что увеличение напряжения пробоя может быть значительным (рис. 8.25). Из графи­ ка видно, что сплошные кривые напряжения пробоя структур с рас­ ширенным базовым контактом проходят значительно выше кривых, соответствующих аналогичным структурам с обычной геометрией (штриховая кривая).

При конструировании структур с расширенным базовым кон­ тактом следует учесть, что ширина перекрытия расширенным кон­ тактом коллекторного перехода не должна быть излишней, так как

229