Мощный полупроводниковый биполярный переключающий прибор

Предлагаемая полезная модель относится к силовой полупроводниковой электронике и может быть использована в конструкциях чипов мощных биполярных приборов с полным управлением - транзисторов и интегральных тиристоров, являющихся активными элементами полупроводниковых преобразователей электроэнергии. Сущность полезной модели заключается в том, что в полупроводниковом биполярном переключающем приборе с полным управлением (мощном транзисторе и интегральном тиристоре), имеющем структуру чипа n⁺p^/Nn⁺ (транзистор), либо n⁺p^/Nn^/p ⁺ (интегральный тиристор, ИТ), в котором все эмиттерные n⁺-полосы электрически связаны между собой металлическими эмиттерными шинами, а все базовые p^/-полосы электрически связаны металлическими базовыми шинами, для уменьшения тангенциального сопротивления шин и увеличения тем самым величины рабочего тока ширину этих шин увеличивают, размещая часть шины над эмиттерными и базовыми полосами, предварительно покрытыми изолирующим слоем. Такое расположение шин позволяет существенно увеличить их ширину и, следовательно, уменьшить сопротивление без дополнительной затраты рабочей площади чипа. Техническим результатом является существенное увеличение предельной плотности выключаемого тока.

Полезная модель относится к силовой полупроводниковой электронике и может быть использована в конструкциях чипов мощных биполярных приборов с полным управлением - транзисторов и интегральных тиристоров, являющихся активными элементами полупроводниковых преобразователей электроэнергии.

Полупроводниковые чипы этих приборов обычно выполняются на кремнии n-типа проводимости и имеют структуру вида n⁺p^/Nn⁺ (транзистор) либо n⁺p^/N^n/p ⁺ (интегральный тиристор, ИТ), где n⁺, p ⁺-сильнолегированные эмиттерные области n- и p-типа проводимости, n^/, p^/-области со средним уровнем легирования, N-слаболегированный исходный материал n-типа проводимости. В плане эмиттерные n⁺-области обычно имеют вид полос шириной 1-10 мкм и длиной 5-100 мкм, окруженных базовыми p ^/-полосами с примерно аналогичной шириной и длиной. Электрически все эмиттерные и базовые полосы связываются эмиттерными и базовыми металлическими шинами. На Рис.1 показана типичная конструкция такого чипа, описанная, например, в патенте США N 3.358.197 "Semiconductor device", Dec. 12, 1967. Эмиттерные полосы 1 электрически связаны металлической эмиттерной шиной 2, а базовые полосы 3 связаны металлической базовой шиной 4, изолирующий слой 5 отделяет эмиттерную шину от базовых полос. Аналогичная конструкция чипа мощного кремниевого транзистора описана также в патенте РФ по заявке 93008367/25 от 10.02.1993 г. «Мощный биполярный транзистор». Эта конструкция является прототипом предлагаемой полезной модели. Общим недостатком описанных конструкций является то, что эмиттерная и базовая шины, по которым протекают суммарные токи всех эмиттерных и базовых полос, имеют довольно высокое сопротивление в направлении протекания тока. Из-за этого возникает неоднородность распределения плотности эмиттерного и базового токов между полосами, что снижает допустимую величину общего рабочего тока чипа. Возможность уменьшения сопротивления шин путем увеличения их толщины ограничена из-за того, что при этом падает разрешающая способность фотолитографии с последующим травлением рисунка эмиттерных и базовых полос, а снижение сопротивления шин за счет увеличения их ширины нежелательно, поскольку приводит к уменьшению рабочей площади чипа.

Целью предлагаемой полезной модели является устранение этого недостатка, т.е., снижение сопротивления шин без уменьшения рабочей площади чипа и повышение тем самым допустимой величины рабочего тока.

Сущность полезной модели и отличие от прототипа

Поставленная цель достигается в полупроводниковом биполярном переключающем приборе с полным управлением (мощном транзисторе и интегральном тиристоре), имеющем структуру чипа n⁺p^/Nn⁺ (транзистор) либо n ⁺p^/Nn^/p⁺ (интегральный тиристор, ИТ), в котором все эмиттерные n⁺-полосы 1 электрически связаны между собой металлическими эмиттерными шинами 2, а все базовые p^/-полосы 3 электрически связаны металлическими базовыми шинами 4, а изолирующий слой 5 отделяет эмиттерную шину от базовых полос, отличающемся тем, что для уменьшения тангенциального сопротивления шин и увеличения тем самым величины рабочего тока ширину этих шин увеличивают, размещая часть шины над эмиттерными и базовыми полосами, предварительно покрытыми изолирующим слоем 6. Такое расположение шин позволяет существенно увеличить их ширину и, следовательно, уменьшить сопротивление без дополнительной затраты рабочей площади чипа. Предлагаемая конструкция шин чипа поясняется на Рис.2.

Конкретный пример выполнения

На пластине кремния n-типа с удельным сопротивлением =150 Омсм были изготовлены опытные образцы чипов интегральных тиристоров с конструкциями шин согласно прототипу и согласно предлагаемой полезной модели.

Основные конструктивные параметры чипов:

ширина N-базы 340 µm,

глубина p^/N-перехода (коллектор) ~6 µm,

n⁺p^/-перехода (верхний эмиттер) ~2 µm,

n^/-слоя 40 µm (буферный слой)

p⁺n^/-перехода 6 µm (нижний эмиттер),

габаритный размер чипа 11.3×9.15 мм²

размер рабочей зоны 7.5×6 мм²,

рабочая площадь 0.45 см²

блокируемое напряжение 3.3 кВ.

Фотография чипа со снятыми силовыми шинами показана на Рис.3. Чипы были испытаны в схеме с индуктивной нагрузкой; измерялась разрушающая величина импульсного тока при выключении прибора при блокируемом напряжении 1650 В. Разрушение образцов с конструкцией шин, выполненной согласно прототипу, происходило при амплитуде импульса тока 50-55 А, а с конструкцией шин согласно предлагаемой модели - при амплитуде импульса тока 80-85 А.

Список литературы

1. R.M. Scarlett "Semiconductor Device", US Patent office 3,358,197, Patented Dec. 12, 1967

2. А.И. Гордеев, В.О. Насейкин, А.Ф. Королев, А.А. Левин «Мощный биполярный транзистор» Заявка РФ 93008367/25 от 10.02.1993 г.

Полупроводниковый биполярный переключающий прибор с полным управлением, имеющий структуру чипа n⁺p^/ Nn⁺(транзистор) либо n⁺p^/Nn ^/p⁺(интегральный тиристор, ИТ), где n⁺ , р⁺ - сильнолегированные эмиттерные области n- и р-типа проводимости; n^/, р^/ - области со средним уровнем легирования; N - слаболегированный исходный материал, в котором чередующиеся эмиттерные n⁺-полосы электрически связаны металлическими эмиттерными шинами, а все базовые р ^/-полосы электрически связаны металлическими базовыми шинами, отличающийся тем, что части базовых и эмиттерных шин размещены над эмиттерными и базовыми полосами, покрытыми изолирующим слоем.