автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему:Разработка основ проектирования и технологии транзисторных ключевых элементов для преобразовательной техники нового поколения

государственный 1шенежый университет ашении

На правах рукописи

варданян арам амбащу1ювич

разработка основ проешгования и технологии транзисторных ключевых элементов ДЛЯ ПРЕСБ-разовательной техники нового ПОКОЛЕНИЯ

Специальность: 05.13.05 - элементы и устройства вычислительной техники и систем управления; 05.27.01 - твержстельная электроника и микроэлектроника .

ДИССЕРТАЦИИ

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

ЕРЕВАН

4

ГО СУ ДАРСГБЫ ШЫй КННЕНЕШЫИ УНИВЕРСИТЕТ АШЕНИИ

На правах рукописи

ВАРДАНЯН АРАМ АМБАЩУМСШЧ

РАЗРАБОТКА ОСНОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ТРАНЗИСТОРНЫХ КЛЮЧЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ТЕШКИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Специальность: 05.13.05 - элементы и .устройства вычислительной техники и систем .управления; 05.27.01 - твержстельная электроника и микроэлектроника.

диссертации

на соискание ученой степени доктора технических наук в форме научного доклада

ЕРЕЕАН-1994

Работа выполнена на научно-производственном предприятии "Транзистор" (г.Ереван)

официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор МКРГЧЯИ К.А,

Доктор технических наук, профессор АМАЗА.СПЯН В.Н. Доктор технических наук, д.оцейт ВАРДАНЯН P.P.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: НПО АКБ "Якорь" (г.МоСква).

Защта состоится " О"8 " ¡О1594г. в 14 часов на заседании специализированного Совета Д0Б5.03.01 Государств! ного Инженерного Университета Армении по адресу.: 375009, г.Ереван, ул.Теряна,105.

Автореферат разослан " Р £ 1994г.

Ученый секретарь ■специализированного соБет?

К.Т.Н., доцент -^ЛуМШ ÍÚ \ Э.Х.А№Ш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕГОСШКА РАБОТЫ

1К1УАЛЬН0СТЬ ПРОБЛЕМЫ. В связи с неуклонным ростом энерговооруженности всех отраслей народного хозяйства потребность преобразования электрической энергии сильно возрастает. Преобразование зачастую заключается не просто в изменении напряжения переменного тока, а в преобразовании переменного тока в постоянный и постоянного в переменный, в изменении частоты переменного тока, плавном регулировании отдаваемой потребителю мощности и т.п.

Большие и все возрастающие масштабы преобразования электроэнергии требуют создания эффективных устройств с высоким КПД, надежных, долговечных, простых в эксплуатации г, в некоторых областях применения - легких и малогабаритных.

Отрасль промышленности, занимающаяся созданием тглсих устройств на основе силовмх полупроводниковых приборов, является одной из самых быстро развивающихся отраслей гряктически во всех промышленно развитых странах.

Эффективность преобразователей существенно повышается при переходе на новую элементную базу - силовые транзисторы.

Эффективность применения транзисторов определяется прежде всего возможностью получения высоких оииакических гоказа-гелей преобразователей за счет применения полностью .управляемых 1риборов и отказа от узлов принудительной коммутации, а при наличии высоковольтных приборов - и от силовых трансформаторов. 1ри этом обеспечивается гначительное снижение расходов меди и электротехнической стали. При переходе от тиристорннх преобразователей к транзисторным становится возможным уменьшение вес* преобразователя в 2-3 раза, что дает наибольший э|4>ект в случае использования агрегатов в мобильных установках и бортовой аппаратуре, В случае применения транзисторных преобразователей в приводе станков возможность достижения предельного быстродействия позволяет повысить точность и чистоту обработки деталей и способствует росту производительности станков.

для повышения экономичности преобразовательной техники важное значение имеет совершенствование конструкции и технологии изготовления силовых транзисторов.

Долгое время разработка и производство силоЕЫХ-'транзис-торов, рассчитанных на большие токи и напряжения, не находили должного развития в связи с невысоким уровнем технологии изготовления^ также в силу недостаточно глубокого изучения взаимосвязи между электрофизическими и электрическими характеристиками транзисторной структуры. Наименее исследованы физические процессы в транзисторных структурах больших размеров, в которых благодаря поперечному растеканию тока важное значение приобретают неодномерные процессы.

В связи с этим, постановка комплекса инженерно-физических исследований,на основе которых можно было бы осуществить целенаправленное проектирование и разработку конструкции и технологии силовых транзисторных ключевых элементов, является актуальной как в,научном плане, так и в плане решения важной практической, задачи - создания на их основе эффективной преобразовательной техники ноеого поколения.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является решение важной проблемы, имеющей существенное народнохозяйственное значение - разработка основ проектирования и технологии серийного производства разновидностей силовых транзисторных ключевых элементов для преобразовательной техники нового' поколения и организации на их базе выпуска в Республике Армения современных высокоэффективных устройств и изделий, таких как станочный электропривод, стабилизаторы частоты и напряжения, индукционные нагревательные приборы, агрегаты бесперебойного питания, бытовые инверторы, высокочастотные сварочные аппараты, электронные пускорегули-рующие устройства для зажигания люминесцентных ламп и т.д.

шложения, вкшсишые на защу

I. Разработанные методы оптимального проектирования и технологии позволяют создать широкую гамму транзисторных ключевых элементов для преобразовательной техники нового поколения.

2. Закономерности спада статического коээфкциентя усиления силового транзистора при умеренных и высоких уровнях инжекции определяются эффектами оттеснения эмиттерного тока

и расширения квазинейтральной базы.

3. Распределение линейной плотности тока эмиттера по длине полоски имеет седлообразную форму, а его минимум перемещается по плине полоски в зависимости о* режима раооуы силового транзистора.

4.. Сопротивление насыщения транзистора в открытом состоянии определяется эффектами оттеснения эмиттерного тока, поперечного разветвления линий тока в высоксомном коллекторе и расширением кгазинейтральной базы в область коллектора.

5. Динамический процесс форсированного выключения силового транзистора в схеме с индуктивной нагрузкой в общем случае имеет неодномерный характер в связи с тангенциальным механизмом вывода избыточного заряда из коллектора обратным базовым током.

6.'При форсированном выключении силового транзистора скорость сжатия токопровопящего канала к центру ьмиттерной полоски и возникновения условий лавинной инжекции и втсрич-ногс пробоя зависят от коэффициента запирания транзистора, ширины полоски :: электрофизических параметров активной базы и коллектора.

7. Принципы оптимального конструирования дискретных силовых транзисторов паянной и прижимной конструкций, предназначенных для работы в различных преобразовательных устройствах,

в бортовой радиоэлектронной аппаратуре, агрегатах бесперебойного питания, электроприводе стрнков с ЧПУ и промышленных роботов, инпукционной технике и т.д.

8. Принципы оптимального конструирования гибридных много-нристальных транзисторных модулей с изолированным корпусом,

9. Технология изготовления модификаций современных транзисторных ключевых элементов для преобразовательной техники нового поколения.

10. Пакет рекомендаций по применения транзисторных ключей в различных схемах преобразовательных устройств и изделиях.

с ■■■'

- б -

НАУЧНАЯ НОШЗНА

I. Разработаны принципы оптимального проектирования и основы промышленной технологии изготовления транзисторных ключевых элементов широкой номенклатуры для преобразовательной техники нового поколения.

\ 2. Впервые разработана и'исследована нелинейная двухмерная модель токовой зависимости статического коэффициента усиления силового транзистора с учетом эффекта оттеснения эыит-терного тока и расширения квазинейтральной базы при высоких уровнях инжекции.

3. предложена физическая модель, адекватно отражающая характер распределения линейной плотности тока по длине эыит-терных полосок при статическом и динамическом режимах работы транзистора.

4. Построена физическая модель и проанализированы нелинейные механизмы и изменения сопротивления насыщения силового транзистора в открытом состоянии.

5. Впервые построена двухмерная модель для определения области безопасной работы при форсированном выключении силового транзистора обратным базовым током в схеме с индуктивной нагрузкой.

6. Разработана методика расчета и проектирования топологии силовых транзисторов и силовых гибридно-интегральных ключевых элементов.

7. Разработаны новые технологические способы получения транзисторных ключевых элементов с высокими показателями по совокупности параметров.

3, Разработан комплекс контрольно-измерительного и испытательного оборудования для производства силовых полупроводниковых приборов.

9.Разработана и внедрене в производство на базе транзисторных ключевых элементов серия преобразовательных устройств и высокоэффективных электробытовых изделий.

. практическое значение работы

I.Разработаны, исследованы и внедрены в серийное производство разновидности силовых транзисторных ключевых элементов нового поколения широкой номенклатуры,которые служат осноьн

элементной базой для современной преобразовательной техники.

2. Разработана технология серийного производства силовых транзисторных ключевых элементов, на основе которой проектирована и создается крупнейшая технологическая база для массового выпуска силовых транзисторов в Армении в г.Аштараке,.

3. Создан ряд новых силовых транзисторов на токи 10г100л, наряжение!.. 100-г1ъ00 Ь, в т.ч. высоковольтные транзисторы марлингтсна. Разработаны одно- и двухключевые транзисторные

...о дул и' с изолированным корпусом на токи 20+Ь0 А, напряжением оООтЮОО Ь, а также защитные быстровосстанавливающиеся диоды серии ДЧ на те же токи и напряжения.

4. На базе созданных транзисторных ключевых элементов разработаны и внедрены на ряде предприятий РА агрегаты бесперебойного электропитания, стабилизаторы частоты и напряжения, индукционные электроплиты и т.д.

основные результаты работы используются в НПО "Транзистор" ьри разработке силовых транзисторов, транзисторных модулей и других элементов для преобразовательной техники. Разработанные л.етолы оптимального проектирования транзисторных ключевых элементов используются также в учебном процессе в Государственном Инженерном Университете Армении.

На основе разработанных транзисторных ключевых элементов, гибридных схем и диодов созданы и в настоящее время производятся в ¡'¡,¿1 "Транзистор" и на других предприятиях РА различные преобразовательные'устройства и изделия, в том числе:

- стабилизатор напряжения и частоты когзостью йи о кВт;

- бытбвые инверторы токи мощностью 0,4-1 кВт;'

- агрегаты бесперебойного питания мощностью 1 шя;

- индукционная плита "превнк";

- переносной самозарядный осветительный прибор;

- серия пуско-регулирующих устройств для зажигания люминесцентных лам:.

А11РСБА1^'Я РАБОТЫ. Основные положения и результаты исследований и разработок докладывались на Всесоюзных и отраслевых научно-технических конференциях и семинарах:"Применение новых технологических методов и оборудования в производстве СШ1"(Ереван-1У80г.), "Применение эпитаксиальной технологии в производстве

СИП" (Сан-Гасте, Эстония, 1982г.), Технология и конструирование быстродействующих.СШ" (Аюллемяэ, Эстония, 1983г.), "Основные направления в области развития технологии, конструирования и исследования СПП" Шолодечно, Белоруссия, 1984г.), "Шумовые и деградационные процессы в полупроводниковых приборах" (Черноголовка, 1990г.), на научных семинарах ВЭИ (Москва) и СКТБ ПТ (Ереван).

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 32 печатные

работы,Б ТОМ ЧИСЛб ОрНа мОНОГрйфйй И С йЬторСкЙХ свидетельств.

Материалы диссертации использованы в ii ответах о НИР.

основное содержание работы i. особенности проектирования и технологии

тРАнзистогаых ключевых элементов

Требования к электрическим параметрам силового транзистора, как к ключевому элементу, сводятся к обеспечению режима переключения максимально возможных коммутируемых мощностей с минимальными потерями мощности, причем частота переключения должна быть достаточно высокой. Силовые транзисторы должны обеспечить высокие пробивные и максимально допустимые обратные напряжения, большие значения тока коллектора, малое сопротивление насыщения. Важную роль играют хорошие переключательные свойства, прежде всего малые значения времени нарастания и времени спада тока коллектора, так как при повышении частоты коммутации основные потери мощности возникают именно при переключении. Особое внимание уделяется именно переключательным свойствам мощных высоковольтных транзисторов, так как у этих приборов наряду с достижением высоких значений обратного напряжения и максимального тока, главной 'задачей стало повышение их быстродействия. Бесспорно, это не означает, что достижение необходимых значений других параметров (и прежде всего пробивного или максимально допустимого напряжения) отходит на второй план. Улучшение любого из основных параметров силового ключевого транзистора неизбежно влечет за собой ухудшение других. Создание транзистора с хорошим сочетанием

основных параметров возможно лишь на основе компромиссных конструктивных и технологических решений.Повышение максимального напряжения транзистора неизбежно связано с .увеличением удельного сопротивления и толщины высокоомного слоя, т.е. области, где накапливаются неосновные носители заряда, что, естественно, приводит к ухудшению переключательных свойств.

Технология производства силовых транзисторов п+-р-п~-п+ структуры с гребенчатой топологией (рис. I) имеет ряд особенностей и намного сложнее технологии производства традиционных

Рис. I. Поперечный разрез транзисторной структуры типа п+-р-п~-п+ с гребенчатой топологией: I- высокоомный коллекторный слой; 2- п+ низкоом-. ная лсдложка; 3- диффузионная базовая область; 4- эмиттерная область; 5- разделительная окисная дорожка; 6,7,8 - омические контакты к коллекторным, базовым и эмиттерным областям.

силовых полупроводниковых элементов - тиристоров и диодов. Прежде всего прздъявляются высокие требования к технологическому оборудовании, к производственной гигиене и культуре. Относительно малые глубины р-п - переходов (10 4- 30 мкм), использование тонких полированных исходных кремниевых пластин толщиной = 200 * 300 мкм, сильно разветвленная топология структур с несколькими интегральными элементами (транзистора-

ми, быстродействующими встроенными диодами), большое количество фотолитографических операций (5 + 6) с точностью совмещения рисунков 1+2 мкм, а также применение радиационной технологии для локального регулирования времени жизни неосновных носителей заряда требуют применения сложного прецизионного оборудования, высокой культуры выполнения технологических операций и специальных -условий в технологических помещениях, при которых возможно обеспечить точность воспроизведения необходимых электрофизических параметров и топологических размеров полупроводниковых структур силовых транзисторов.

Основным направлением увеличения коммутируемой мощности силовых кремниевых транзисторов является увеличение площади транзисторной структуры и, следовательно, длины периметра эмиттера. В настоящее время зарубежными фирмами Tosh¡.bo-Thomson , Wectcocle уже выпускаются силовые транзисторы с аиаметром кремниевой структуры 32 * 40 мм, у которых длина периметра эмиттера достигает 200 + 300 см. Создание такого сильно разветвленного эмиттера обусловлено, прежде всего, наличием эффекта оттеснения эмиттерного тока к краям эмиттер-ной гребенки из-за падения напряжения на поперечном сопротивлении активной базы при протекании прямого базового тока. Б связи с этим ширина эффективно инжектирующего края змиттерной области не превышает 100 + 150 мкм.

Вместе с тем, создание слишком узких ьыиттерных гребенок ( **150 + 200 мкм) связано с проблемой перераспределения эмиттерного тока по длине эмиттерных гребенок из-за ограниченной толщины металлизации токоотводлщих шин. Более того, в силовых высоковольтных транзисторах, благодаря большим значениям тока базы (1^^0,25^), существенным оказывается и падение напряжения на базовых'токоотводящчх шинах, чему не уделяется должное внимание в литературе. Неодномерный характер физических процессов, протекающих в транзисторной структуре как в статическом,так и динамическом режимах работы, накладывает серьезные ограничения на предельные параметры силовых транзисторов.

Одним из важнейших направлений исследований биполярных силовых транзисторов является изучение процессов форсированного выключения. Но последним сообщениям фирмы IR по запи-

ранию транзисторов методом отключения по эмиттеру, т.е. выключению транзистора обратным базовым током, близким к коллекторному, биполярные транзисторы пока.имеют еще большие резервы по быстродействию, коммутируемому напряжению и стойкости ^ко вторичному пробою, и, в принципе, можно достичь того, чтобы биполярные силовые транзисторы на основе кремния в широком диапазоне частот (вплоть до ЗЭ кГц) успешно конкурировали с полевыми транзисторами, вплоть до 2000-го года.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И РАСЧЕТ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИЛОВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ

Одной из задач транзисторной электроники якляетея создание силовых транзисторов с определенными усилительными свойствами и заданным значением остаточного напряжения коллектор-эмиттер при номинальных значениях коллекторного тока в открыток состоянии.<В связи с этим детальное изучение механизмов спала статического коэффициента передачи тока Ь £|э в наиболее распространенной схеме включения транзисторов - в схеме с общим эмиттером при различных уровнях инжекции является ге,:ги-очередной.задачей.

ТОКОВАЯ ЗАШСШ.ЮСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА УСИЛЕНИЯ ШЛОБКХ ТРАНЗИСТОРОВ

Основной причиной токовой зависимости коэффициента усиления является расширение квазинейтральной базы транзистора при высоких плотностях токов. Увеличение толщины базы в значительной степени сказывается на таких характеристиках транзистора, как эффективность эмиттера, коэффициент переноса, падение напряжения на транзисторе во включенном состоянии

II ю •

Был проведен комплексный теоретический 1Г экспериментальный анализ зависимости коэффициента усиления от коллекторного тока с учетом расширения квазинейтральной базы.

Расширение квазинейтральной базы при фиксированное значении и<э начинается с некоторого значения коллекторного

тока 1к = 1ко. Последний определяется из условия нулевого смещения на коллекторном р-п- переходе и при полном палении напряжения Ыкб на сопротивлении .коллекторного слоя. Профиль распределения концентрации носителей заряда в п~- коллекторе для мощного транзистора с п+-р-п~-п+ структурой, при 1к > ХКо, приведен на рис. 2.

гис. е.. 11усщ>нль распределения концентрации избыточных носителей заряда в п~- коллекторе транзистора в режиме квазинасыщения

При Ik» ^переход коллектор-база смещается в прямом направлении и из р-базы в п~- область инжектируются дырки. В п~- области осуществляется модуляция проводимости, а во всей п~- области накапливается дополнительный заряд основных носителей, нейтрализующих инжектированные носители. Эта нейтральная область становится областью "наведенной" базы. Толщина базы начинает увеличиваться при постепенном изменении коллекторного тока выше критического значения Х<0. Немоцулированная область продолжает сокращаться, несмотря на то, что количество электронов, инжектированных в п~-область, увеличивается.

Б результате проведенного теоретического анализа получено следующее выражение, связывающее с электрофизическими параметрами транзистора:

Ьш= ibii3+ -¥({- М- г4а--Ь

гяе

L fQßo/Bß . V/fio \i1 Q . u<s W<o

Ьиэо - максимальное значение При J*« tyo , Q/-^

число Гуммеля, п - константа, учитывающая встроенное поле в базе.

В выражении (I) второй член определяет снижение г? 21Э за счет уменьшения эффективности эмиттера, а третий член связан с уменьшением коэффициента переноса. Расчетные зависимости отношения hilа/Ьцэоот ¿¿/¿^приведены на рис. 3 а,б. Видно, что скорость спада одномерного На1э,в основном, определяется параметрами (WK gjL^), Ьг13о и (Qo/J>s) /СОэ /Д») -

h/he

10

hiG/km -

bifazSA ЦФз '

1)

's

tfjkp«

Рис. 3. Нормализованные зависимости коэффициента усиления от тока коллектора транзистора прк трех значениях параметра Ч<Дгл / ^ р ^ :

а) - пр0,01;.

б)

¥ Йэ/D э

0,1.

Для заданного значения Ь 21Э0спад ^ 21 ^олее крутой в случае транзисторов с толстым коллекторным слоем.

Проведенные многочисленные экспериментальные исследования подтвердили результаты теоретических исследований. На рис. 4 в качестве примера приведены теоретические и экспериментальные результаты по измерению Ь^^^ лля двух тестовых транзисторов.

Щ1

п>

-

К*

г ,

Гг иг* ' <0'

1х/р, А/см

Рис. 4. Теоретически рассчитанные (сплошные линии при . $ < I, пунктирные линии при $ = I) и экспериментальные (кружки) зависимости коэффициента усиления от линейной плотности тока для узкого эмиттера:

1 - = 25 Ом-см, Ч/к„ = 45 мкм

2 - = 80 Ом.см, \х/к:о = 140 мкм

Сравнение теоретических и экспериментальных зависимостей И21Э= ^ ^ ^^ показывает, что для узких эмиттеров

Ут-ЗО

—

0 о зкстригаит 4- )Х/ко - Ч5мкм

А = г5-аи-ем

1 Мо = ШОпхМ Л =8О-0М-О1

( VC/д~ ЬО мкм) одномерная модель биполярного транзистора адекватно описывает усилительные свойства прибора. Другими словами, теоретические и экспериментальные токовые зависимости h 21Э1 удовлетворительно согласуются для обоих тестовых транзисторов. Шесте с тем отметим, что для тестовых транзисторов с тонким коллектором ( Wko = '45 мкм), при выполнении условия ¿рк /Wko^ 3 учет снижения $ за зчет расширения квазинейтральной базы не вносит существен-тах изменений в величину H gjg* Этого же нельзя сказать о транзисторных структурах с толстым коллектором ( \К/к0= 140 мкм), 1ЛЯ которых 1л?к/Wk<>~ 0,9. В этом случае снижение Q су-цественно влияет на h

Наряду с явлениями снижения эффективности эмиттера и <оэффициента переноса через "эффективную" базу, существует ipyroe явление, которое уменьшает коэффициент усиления при юльших токах. Последнее- связано с протеканием базового тока, юздающего поперечное падение напряжения в базовой области и >бу сдавливающего эффект оттеснения вмиттерного тока (ЭОЭТ) к сраям гребенки, при котором активная площадь эмиттера замет-го уменьшается.

. Поскольку перечисленные эффекты начинают проявляться приблизительно при одном и том же значении тока, то все они ¡заимно связаны, и, следовательно, необходио учитывать их |ри создании модели для объяснения токовой зависимости h 21Э ри умеренных и высоких уровнях инжекции.

Несмотря на интенсивное изучение этого явления, инженерен практика до сих пор нуждается в относительно несложных пособах,которые позволили бы получить более или менее досто-ерные количественные данные об эффекте оттеснения как в ста-ическом режиме, так и во время переходных процессов работы иловых транзисторов. Такая ситуация обусловлена сложностью дновременного учета основных факторов, влияющих на характер ерераспределения тока под эмиттером, таких как конструктивно-ехнологические факторы с одной стороны (профили распределе-ия примесей и геометрия эмиттера) и режимов работы транзис-ора (влияние модуляции проводимости безы и высокоомного оллектора, расширение квазинейтральной базы в режиме насыще-

ния и т.д.) с другой стороны.

На рис, 5 приведен поперечный разрез элементарного транзистора типа п+-ргП~-п+, иллюстрирующий оттеснение эмиттерного тока ¿3 по оси)( к краю эмиттера, находящемуся в начале координат .

■|.V!iTTTll'- Б'/✓|r.ll|ll,!ili,lt»!.;';'l. тттж

Wßo

n'

jm n+

\ * V Ч «.. \ 4 ^ • V \ \ N \ \ К • \ Ч 4 \ Ч ч

Рис. Ь. Схематическое изображение расчетной модели силовой транзисторной структуры типа п+-р-л""-п+

В результате теоретического анализа получены следующие выражения для коэффициента усиления и полного коллекторного тока

г* гу+ w>u,c г/у<цэь0пыусщ| _l hm - П21Эо t2Mr,Gb/D:>)Vw/ I Лс лм L

■ 1 • (2) d-VVjL Ок (Гк. 1 \

т _ <|к(ОГЬэ У</з _ I I (3)

где = средняя плотность коллекторного тока.

Цж данном значении 11кэ измеряя Ь 21Э и ^ 21Э0 на тестовой транзисторной структуре и зная ее основные геометрические и технологические параметры, из представленных

уравнений можно определить два неизвестных параметра ¿к С0' и с^ и тем самым получить закон распределения тока поп

эмиттерной гребенкой практически для всех режимов работы транзистора (как в активном режиме, так и в режиме насыщения).

Многочисленные экспериментальные исследования, проведенные на специально изготовленных тестовых структурах, подтвердили правомочность полученных теоретических результатов.

Таким образом, в зависимости от режима работы транзистора на ЭОЭТ и, следовательно, на V) 213 преобладает влияние тех или иных факторов, которые могут усилить или ослабить ЭОЭТ. В некоторых случаях один из факторов может компенсировать влияние другого.

Для более детального определения влияния различных участков эмиттера на полный коллекторный ток и коэффициент .усиления введем еще два параметра:

хо

(Ь)

ЬшОо = (р/и * (I

На рис. б приведена зависимость !,<(*) , соответствующая следующему режиму работы тестовой структуры 1к= 280 мЛ,

Ь\21Э 2, ББ. На том же рисунке пунктиром приведена

зависимость 1к(*) при отсутствии эффекта оттеснения. Сравнение показывает, что уже на расстоянии 150 мкм от края эмиттера ток уменьшается почти вдвое из-за эффекта оттеснения.

Ркс. 6. Зависимость величины интегрального "1 о*'а (снимаемого с участка [0-Х] гребенки) от координаты X. Пунктирная линия соответствует режиму работы без аффекта оттеснения эмиттерного тока.

На рис. 7 приведена зависимость 1ц1э1*), определенная для того же режима работы по формуле (Ь), а пунктиром при-ьедена зависимость локального (одномерного) коэффициенте усиления Ьг1Э»дЭД. этих зависимостей следует, что хотя отдаленные от края эмиттера участки слабо инжектируют, но интегральный коэффициент усиления заметно увеличивается и достигает 14. Это объясняется тем, что слабо инжектирующий участок эмиттера, имеющий большой коэффициент усиления,охватывает большую часть эмиттера.

¿ля достижения высоких значений коэффициента усиления обычно используется схема Дарлингтона, электрическая схема которого приведена на рис. Ь.

иного каска гное усиление тока г.о схеме, приведение" на рис. С,и при этом возможность работы транзисторов Тт, Т в сравнительно глубоком режиме насыщения при прочих равных .условиях позволяют по сравнению с обычными транзистора^!! увеличить допустимую мощность,тока коллектора и, следовательно, ток коммутации в 1,5-2 раза.

Расчет статических характеристик подобных транзисторов с п+-р-п~-п+ структурой, в конечном счете, сеодится к опре-

__лока*лна<)

. интегранная

т чоо

Рис. 7. Зависимость локального (пунктирная линия) и интегрального (сплошная линия) коэффициентов усиления от координаты х.

делению выходного 1к= 1К(+ и входного =

токов, т.е. интегрального коэффициента усиления по току

Рис. 8. Электрическая схема транзистора Дарлингтона.

О

транзистора Дарлингтона Пцэз> для заданного значения напряжения на транзисторе 11кэ«= Uoa.

Нетрудно получить выражение hiOJ) , связывающее его со значениями коэффициентов усиления токов одинарных транзисторов т1# Tg, т3 - hibl<l« 1,2,3)

3 _

bii3j) = [ЬиэИ biisibioi + ^hzuihnaihioiij , (6)

qTo упрощает задачу, сводя ее к определению токовой зависимости коэффициента усиления тока одинарного транзистора.

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДБУХШШ ПРОЦЕССОВ РАСТЕКАНИЯ ТОКА Б ШШОШМ КОЛЛЕКТОРЕ

Одно из основных требований к силовым транзисторам, работающим в режиме мощного ключа, заключается в обеспечении минимального прямого падения напряжения на транзисторе в открытом насыщенном состоянии. Для силовых транзисторов характерно наличие высокоомного коллекторного слоя, обеспечивающего определенное значение обратного напряжения пробоя коллекторного перехода Укб^ в закрытом состоянии транзистора. При этом высокое обратное напряжение главным образом падает на высокоомный коллекторный слой. Ота высокоомная область коллектора становится источником излишнего падения напряжения после перехода транзистора в открытое состояние. Это обстоятельство указывает на необходимость выбора параметров этой области такими, чтобы статические потери не открытое транзисторе оказались минимальными.

Как известно, сопротивление коллектора Кк транзисторной структуры типа n+-p-n~:-in+ ь режиме квазинасыщеккя, благодаря эффекту модуляции проводимости части г"-слоя, может сказаться существенно меньше своего равновесного значения Б одно-

мерной приближении Ric0 определяется как омическое сопротивление п~- слоя толщиной Wkj, удельным сопротивлением 5к и площадью поперечного сечения San » равной металлургической площади эмиттера

р\ко с^н ~ к ком — ^^

Ко

>эм

(V)

На рис. 9 приведена характерная БЛХ силового транзистора с высокоомнык коллектором в схеме с общи;/ эмиттером с указа»-нием трех основных областей - .усиления, кглзкнаеьщения и полного насыщения.

1/лвсть _акт и ¡из)!

хасыщшл.

¡¿/ест*

глс, Типичная выходная ЬЛХ силового транзистора с высокоомнь'м коллектором и основные ее характерные, области

Ь реальных условиях из-за проявления двумерных эффек-1ое (".ротекание тока, эффект оттеснения и т.п.) равновесное: сопротивление коллекторного слоя Яке , определяемое наклоном пунктирной линии на рис. 9, получаете?, заметно больше своего одномерного значение К ком , т.е.

к

КОИ

< Якот

I)« „ ЫкБ Хко -1-Ко

(6)

К числу двумерных эффектов, определяющих поведение К к о, относятся эффекты оттеснения эмиттерного тока и поперечного разветвления коллекторного тока.

Эти два двумерных эффекта действуют противоположно, а, именно: если эффект оттеснения уменьшает площадь эмиттера, сквозь которую носители проходят через смодулированный коллектор, то поперечное разветвление линий тока, наоборот, увеличивает эффективную площадь растекания тока в коллекторе

и, тем самым, в некоторой степени компенсирует вредное влияние эффекта оттеснения.

Б общем случае, когда в транзисторе одновременно проявляются эффекты модуляции проводимости п~- коллекторного слоя,-' оттеснения эмиттерного тока с эффективно инжектирующим краем эмиттерной гребенки шириной и поперечного разветвления

линий тока, можно представить напряжение насыщения коллектора Шкан следующим образом (см.рис. 10)

линии рлстивш/л тока

гхМм/т

Рис. 10. а) Поперечное разветвление линий тока при прохождении через слой еысокоомного коллектора толщиной сквозь окна шириной

б) Одномерный эквивалент слоя коллектора.

иКэн г К Я Ком и ф-к

где М = - \<<С16 I - ¡¡-актор, учить Бающий

эффект модуляции проводимости, ф = = ъ/э 1 -

фактор, учитывающий эффект оттеснения тока с учетов литерально:*: инжекции в кваэинейтральной базе (р- периметр эмиттера), К ? I -фактор, учитывающий поперечное разветвление линий тока е ьекоду-лированном коллекторе. В выражении (9) из-за малости :.гене-брегли сопротивлением модулированной части УС''«б коллекторного слоя.

При прохождении тока сквозь окна шириной уУээ'р'р (см. рис. №а) через смодулированный слой коллектора будем считать, что все точки нижнего контакта коллектора с п+- слоем и верхнего источника тока шириной эквипотенциальны и между ними при-

ложено внешнее напряжение 11ю ^ ^кб. При этом разветвление линий тока в п~- слое будет управляться исключительно законов постоянства приложенного внешнего напряжения Но вдоль любой линии тока, идущей от нижней границы квазинейтральной базы до сильнолегированной п+ подложки.

Аналогично двумерной модели распространения теплового потока, воспользуемся одномерным эквивалентом для протекания коллекторного тока. Возьмем гипотетический анизотропный материал, у которого в *направлении оси ^ удельное сопротиачение такое же, как у коллекторного слоя ( ), а в направлениях X и 2. - равно нулю. Если теперь заменить смодулированный слой коллектора указанным гипотетическим материалом,то можно его форму подобрать так, чтобы при любой толщине его сопротивление равнялось

сопротивлению смодулированного слоя коллектора (см.рис. Юб). Это и называется одномерным эквивалентом коллекторного слоя.

Нескольку в направлениях X и Ъ эквивалент имеет нулевое сопротивление, то можно сказать, что все полоски (У + ) эквипотенциальны, и в пределах каждой из них значение линеРнсП плотности тока (У)постоянно. В соответствии со сказанным, сопротивлоние слоя эквивалента толщиной на плоскости у будет равным-

бкэ^'рСУ)

где ф - эффективная площадь коллектора на глубине .У , для которой можно получить выражение

.¿1

(II)

где - лосюянная разветвления, которая численно равна той глубине )) , на которой эффективная площадь растекания тока в коллекторе ¿жэ^чр увеличивается в два раза, '/з выражения (II) следует, что боковые границы эквивалента растекания тока ьреаетг.ыякуг собой параболы.

Для напряжения насыщения коллектор.-: -<:з (10) и (II) :..ожно получать выражение

Из выражения (12) следует, что снихени.е 1)кэн за счет эффекта разветьления линий тока в коллекторе существенно в случае относительно толстых коллекторных слоев, когда• !'.з рис. II видно, что при определенных условиях разветвленные с двух краев эмиттерной полоски потоки носителей будут перекрываться под эмиттерной полоской. При этом глубина, на кстсроГ начинается перекрытие, будет определяться из условия

, (13)

откупа для глубины перекрытия будем иметь

- '¿и-

"з выражения (14) следует,что при слабом эффекте оттеснения или узких гребенках, т.е. когда \(/э перекрытие наиинает-

ся с самого начала нижней границы квазинейтральной базы, и при ото:.! поперечная площадь линий тока в коллекторе будет определяться следующим выражением

БкэттСУН^Р^^ф1] - '

(1Ь)

Сравнение выражений (II) и (15) говорит о том, что в предыдущем случае в условиях проявления аффекта оттеснения тока скорость

Рис. II. Схема, иллюстрирующая перекрытие одномерных эквивалентов под эмиттерной гребенкой.

увеличения поперечной площади линий тока з коллекторе с ростом глубины в два раза больше, чем в случае отсутствия эффекта оттеснения (2 'Ч/аэс^ )•

Анализ полученных результатов показывает, что основной причиной возрастания напряжения насыщения транзистора является эффект оттеснения эмиттерчого тока. Например, при значении

даже в режиме насыщения коллекторное напряжение может в 2 * 3 раза превзойти свое равновесное ¡металлургическое значение. Вместе с тем, наблюдается компенсирующее Елияние эффекта поперечного: растекания тока в немодулированном коллекторе, благодаря чему, при увеличении степени поперечного разветвления вредное влияние эффекта оттеснения на

К к 1 Яко<* при Уи ¿< = 2 уменьшается почти в 1,5 + 2

Для экспериментнсй,проверки простой модели и подученных аналитических ьыраженчй по.одной и той же технологии совместно были изготовлены три группы тестовых транзисторных структур, которые отличались лишь толщиной п~- коллекторного слоя. Экспериментальные и расчетные значения 1)хЭН совпали с 10% точностью при различных режимах работы, что свидетельствует о пригодности принятой модели для расчета И силовых транзисторов с учетом двумерных эффектов при протекании тока.

3. ГЕС!..ЕГИ;Я ЭМИТТЕРА И ОСОБШЮСШ Т0К0-•'¿АСПРВДЕШИЯ 1.0 ПЛ0ЦАДК СТРУКТУР СИЛОВЫХ

• транзисторов

Проблема равномерного распределения тока по периметру эмиттера как в статическом, так и в динамическом режимах "работы имеет первостепенное значение для надежной работы силовых транзисторов. .

Причины, приводящие к неоднородному распределению тока по периметру эмиттера, могут быть конструкционные и технологические. Конструкционные причины связаны с тем, что падения напряжения на ыеталлизациях эмиттерных и базовых гребенок превышают величину теплового потенциала. Технологические причины связаны с неоднородностью металлизации и наличием крупных царапин и трещин, на металлизации.4

В силовых транзисторах в условиях проявления эффекта, оттеснения тока с целью увеличения эффективно инжектирующей площади эмиттерные областиюбычно. создаются в виде узких гребенок (полссок), которые с обеих сторон окружены базовыми полосками. На поверхности полупроводниковой структуры по таким же рисункам при помощи вакуумного испарения и фотолитографии создаются гребенчатые металлические электроды (обычно алюминиевые) к эмиттерным и базовым областям, которые изолированы между собой пленкой двуокиси кремния (см. рис. I).- - .Г 4 1 ; .

/

Естественно, что конечная продольная проводимость металлических электродов эмиттерных и базовых гребенок при определенных значениях их длины приведет к падению напряжения на электродах, превосходящему значение кТ, что и обуславливает неоднородную инжекцию эмиттеров по их длине.

Изучений данного вопроса в силовых транзисторах с гребенчатой топологией, работающих преимущественно в режиме насыщения, посвящено мало работ.

Б известных работах считается, чтс базовый ток i;o величине мал, и падение напрячешь на металлизациях баэ'оьых гребенок не учитывается. Получено, что минимум линейной плотно;;^ экиттерного .тска всегда находится у базовой контактной -./.ощйд-ки, а максимум - у эмиттерной контактной площадки.

Поперечный раз per. элементарной силовой транзисторной структуры типа i;+-p~r.~-rf с гребенчатой топологией приведен на рис. I. Исходя ;-.з сидаетрак задачи, будем рассматривать голупирину экиттерний гребенки и прилегающую к ней полуширину базовой грейенк;1. ¡.реш одежи*, что ширина эмиттерной области Wb примерно раьна l¿ * , гае \#ээср£? ширина

эффективно ¿¡нжект. py¡c.vf го . ,.ая эмиттерной голоски, и, следовательно, эффектом г.'гс.кен:<я то.<а будем пренебрегать. Как показали иселедовангя, г- ¡.-ожике несыщения для силовых высоковольтных транзисторов.серди ТК ширина эффективно инжектирующего края эмиттера составляет примерно 60 * 100 мкы.

Ьыбииая начало отсчета на оси X у основания эмиттерной полоски для линейной плотности эмиттерного и базового тока можно записать следующее выражение

* (16)

гг.е W> - ширин;, эмиттерной полоски, 1!эС*\ - шцепке- напряжения в точке д амиттолного ртп переход*;, Vo = _ тепловой потенцлал, - ток насыщения^ Ш - коэффициент неидеаль-HOcTi'. лорехсав, яльиеядий от плотности тока. Г»ри г.алой плотнее-

ти тока Ю = I и с ростом плотности тока 1Т1 может возрасти до четырех. Б дальнейшем для простоты будем считать квазипостоянным. Определим также - как ток, снимае-

мый с участка (ОХ) эмиттерной полоски, а 1 £С^^ - с участка (Х-1"1 ) базовой полоски:

, (17)

о

i

а*

где 1эпи Хь»\- полные змиттерные и базовые токи, Ь - длина полоски.

I Если полное падение напряжения между выводами эмиттера и базы обозначить через ХДэБ * то, с учетом падения напряжения на металлизациях эмиттеркой и базовой гребенок, для иаОО можно записать следующее выражение

'' 1ш- иэь-ас1э(х)рэс1)(-ас1б()с)кбси * (к)

ь х о-!

где Кэ и Кб - сопротивления единицы длины металлизации .эмиттррной и базовой гребенок.

Проведя несложные преобразования для С^С*) можно полу- . чить следующее выражение

где

и и

о > _ ' '

Используя (17), Ш) и (20) для 1эОО можно получить • ■ о лующее выражение

АВ

а ^Ум-а1 сЦ Удь-а1 Л

где ^

1-- тЧ/пЬ ; а = (Яб/аЯэ)тБп ?

А> 0 - константа интегрирования, определяемая из граничного условия 1э(.М = 1эп.

Из полученных результатов следует, что падение напряжения нэ базовой металлизации при статических режимах работы может привести к существенному перераспределению плотности эмиттерного тока. Причем, по мере увеличения степени насыщения транзистора, минимум плотности тока перемещается от основания эмиттёрной гребенки к основанию базовой гребенки.

Полученные результаты можно применить для рассмотрения распределения плотности эмиттерного тока при динамических режимах работы силовых переключающих транзисторов, характеризующихся воздействием прямоугольных базовых отпирающих^'и запирающих импульсов тока и при наличии индуктивной нагрузки в цепи коллектора. При этом.импульс базового тока обычно мгновенно нарастает от нуля До своего амплитудного значения, а эмиттерный. (коллекторный) ток нарастает гораздо медленнее по закону

где 1)\< - напряжение питания коллекторной иепи; Кн , Кна.с. -сопротивления нагрузкк, и насыщенного транзистора^ £э<р<р -постоянная времени коллекторной цепи, определяющая процесс зарастания коллекторного тока.

Анализ кривых зависимости линейной плотности тока переходного процесса говорит о том, что в начальный момент вклю-

чения транзистора минимум плотности эмиттерного тока находится у основания базовой гребенки и, по мере нарастания коллекторного тока, перемещается к основанию эмиттерной гребенки.

Таким образом, если в статическом режиме с большим коэффициентом усиления эыиттерный ток,в основном,концентрируется у эмиттерной контактной-площадки, то в начальный момент включения, наоборот, ток концентрируется у базовой контактной площадки.

Нами методом регистрации рекомбинационного излучения с транзисторной структура было проведено экспериментальное исследование особенностей распределения тока по длине эмиттерной гребенки транзистора в статическом режиме. Для этой цели были изготовлены специальные тестовые транзисторные структуры с различным сочетанием ширины и длины эмиттерных и базовых гребенок.

На рис. 12 приведена схема установки для регистрации рекомбинационного излучения с транзисторной структуры. Пластина с тестовыми транзисторными структурами крепилась на пвухкоординатном столике, позволяющем перемещать ее относительно фотоприемника,в качестве которого использовался германиевый фотодиод ^ с диаметром входного окна 2 мм. С г.скощью объектива изображение транзисторной структуры увеличивалось в 10 + 20 раз и фокусировалось на экран (аь), в плоскости которого и помещался фотоприемник. Слабые электрические сигналы с фотодиода усиливались при повода усилителя, характеризующегося линейностью усиления (100) и низким уровнем .шумов. Усиленный сигнал с фотодиода подавался на вход двухлучевого' осциллографа, что позволяло одновременно наблюдать величину базового или эмиттерного'тока транзистора и характер изменения излучения в данной точке вдоль эмиттерной гребенки. Отметим, что при этом излучение с о'сье^и транзисторной структуры еыходит только лишь через узкие окна пленки двуокиси кремния шириной 80 мкм, изолирующие металлизации эмиттерных и базовых гребенок. Ь связи с этж перемещение образца относительно фотодиода осуществлялось ьаоль окменой порожки. При средней линейной плотности токь

Рис. • 12. Схема установки для определения -. особенностей токораспределения по длине , , гребенки методом регистрации рекомбина-ционного излучения -

порядка I А/см чувствительность фотоэлектрического преобразователя дала возможность увеличивать изображение тестовой транзисторной структуры в 20 раз, при котором разрешение на образце составляло ^ 100 мкм.

1

■с

и

1 З1

-<й1к~{ол,2е-.гщию кЬ-бЯЛе-ЬЩин ш38 ■з-т

у/1 6 ) 2 3 4 5

и шжшш»:

хтонш

Рис, 13. Экспериментальное распределение интенсивности рекомбинационного излучения по длине гребенки при трех режимах.работы транзистора: I - режим предельного тока; 2 - режим насыщения при номинальном токе; 3 - режим усиления при номинальном токе.

На рис. 13 приведены распределения интенсивности излучения для образца с четырьмя эмиттерными гребенками длиной Ь э = ь мм и шириной металлизации эииттерной и базовой гребенок №3 = 400 мкм и \*4= МО мкм, где интенсивность излучения характеризуется величиной сигнала фотоэлектри-

ческого преобразователя . Приведенные распределения

излучения сняты для трех рёжимов работы тестового транзистора: I - режим предельного тока 1^= ЮА, 2, Ей, Усэж 3 в; 2 - режим насыщения при номинальном токе 1к= 6 а, 1^= 1,2А, Но ■«• 1,5 Б; 3 - режим квазинасыщения при номинальном токе 1К= б А, 1Б= 0,5 Л, 1)кэ= 5 В.

Экспериментальные результаты качественно совпадают с полученными теоретическими результатами,. В частности, при характерных для силовых транзисторов режимах работы наблюдается седлообразная зависимость интенсивности излучения по длине гребенки (режимы I и 2), а в усилительном режиме работы (режим. 3) минимум интенсивности перемещается к основанию эмиттера. Следует обратить внимание на распределение интен-сивностей излучения в режимах 2 и 3. Хотя при обоих этих режимах коллекторные токи равны между собой, но абсолютные значения интенсивностей излучения, в среднем, отличаются е 4 раза. Это легко понять, если иметь в виду, что интенсивность излучения пропорциональна базовому, а не коллекторному току транзистора, поэтому на практике кривые распределения интенсивности рекомбинационного излучения более удобно рассматривать не в абсолютных величинах, а в относительных, нормализуя каждую кривую относительно своего минимума.

4. даНАШЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ВТОШЧНЫЙ ПРОБОЙ в силовых транзисторах

Силовые транзисторы,в основном,применяются в коммутационных схемах с индуктивным характером нагрузки, в которых быстродействие и устойчивость транзистора ко вторичному прббою во многом определяются процессом выключения, т.е. формой и амплитудой запирающего базового тока. Во включенном состоянии в высокоом-ном слое, коллектора транзистора накапливается большое количество избыточного заряда, что приводит к увеличению продолжительности промежутков рассасывания и спада коллекторного тока. С увеличением амплитуды запирающего базового тока быстродействие

транзистора при выключении намного увеличивается. Бместе с тем, при форсированном выключении транзистора от индуктивной нагрузки нарастание коллекторного напряжения происходит в условиях почти постоянного коллекторного тока. Одновременное наличие в слаболегированной области коллектора высоких значений плотности коллекторного тока и напряженности электрического поля способствует развитию процесса лавинной инжекции. Вторичный пробой, обусловленный лавинной инжекцией, опасен для силовых транзисторов, так как характеризуется очень малым временем развития ООО неек) и, если достаточно быстро не щунтировать транзистор, происходит деградация его характеристик или полное его разрушение. Увеличение быстродействия силовых транзисторов Путем форсированного запирания неизбежно связано со снижением надежности и* работы, и при этом важную роль играют двумерные эффекты сжатия тока к центру эмиттерной гребенки.

Для изучения условий возникновения явления вторичного пробоя в силовых высоковольтных транзисторах следует рассмотреть динамику "сжатия" тока к центру эмиттерной гребенки и нарастания при форсированном выключении от индуктивной нагрузки. Буцеи предполагать, что транзистор форсированно выключается /з открытого насыщенного состояния при токе путем подачи постоянного по амплитуде импульса обратного базового тока 1др. При этом считается, что модулированный коллектор толщиной перед выключением охватывает весь коллекторный слой . Будеи

также считать, что в начальной стадии нарастания коллекторного напряжения Укэ ток поддерживается почти постоянным, что • справедливо, когда время реакции транзистора намного меньше времени реакции внешней цепи. \ Нарастание коллекторного напряжения начинается в момент, \\ когда в результате рассасывания и рекомбинации носителей, нижняя граница эффективной базы отходит от п+ границы коллектор. На рис. 14 заштрихованная часть, заключенная между границами-* ("Ь ). и МктбШ, соответствует области накопленного \ ¿¿¡ряда 0- ("Ь ) в момент времени 1 . Предположим, что при \ выключении обратным базовым током инжектированные в металлур-^ гическую базу из боковых краев области дырки поворачи-

- зь -

ваются под углом У0° и дальше дрейфуют к базовому электроду.

с

и*

17

у/ф

Ш///777Х\%

-си

о ущ

V.

Не

©

¿¿а

Шв

У -6 + 9

{ГГ///У7/77777Т77ТГГГГГГЛГ7777т

_ппт_

Гис. 14. Схема,иллюстрирующая рассасывание избыточного заряда,накопленного в коллекторе (заптрихозанная часть) обратным базовым током и рекомбинацией при выключении

транзистора

ьЫрки, вертикально передвигаемые из области \^С/усХБ , инжектируются в эмиттер. Этот компонент дырочного потока тот же, что и в открытом состоянии транзистора, только их источник со временем уменьшается.

1фи выключении транзистора изменение заряда ("Ь ), накопленного в высокоомном коллекторе, будет определяться уравнением

= 'и,

ль . 6*

где - характернее-.время релаксации области .

Процесс релаксации включает в себя эффекты рекомбинации и выталкивания дырок из области \х/к1Б внутренним поле». Граничные

условия для уравнения 123) в момент времени 1 » , когда начинается нарастание напряжения на транзисторе, следующие

ам- 1кЫк0/(кЪк) . , (24)

Как указывалось выше, в результате рекомбинации и рассасывания обратным базовым током область ОДссе- со временем уменьшается, причем ее размеры в направлении будут уменьшаться со скоростью

^ - ьИ (О.У

■ ^С-Ьч) = Ч^/Я. . (26)

Исходя из выражения (25) и .условий (24), для положения нижней границы области накопленного заряда в направлении X получим выражение

с,,

Из рис. 14 следует, что отход границы У ( ^ ) от края к центру эмиттерной полоски приводит к увеличению последовательного сопротивления базы. Тогда при фиксированном значении запирающего базового тока будет увеличиваться обратное напряжение на зажимах база-эмиттер IIэ & (1) , которое определяется уравнением:

где КзБ - поверхностное сопротивление активной базы, Р - периметр эмиттера.

Из выражения (2Б) следует, что знание временной зависимости нарастания обратного напряжения на переходе эмиттер-база, помимо степени "сжатия".тока в центре гребенки, позволяет определить плотность тока в центре гребенки

1 г 1 ^ _ ^^ _ ^к /р<.\

раем ~ го^--1Мз5М Л_1

. 16В " «л-* .

.закон нарастания коллекторного напряжения икэ^) можно определить исходя из выражения для кваэинасыщенного транзистора с учетом временных зависимостей (27);

У кз а) - 5к1к (Х0~ \</к1бСЬ^)/Р У С-Ь) = 1Л кои ■

(30)

где (хком —равновесное сопротивление коллекторного слоя.

Из выражения (2У) и (30) следует, что с ростом амплитуды запирающего импульса базового тока резко возрастает плотность тока в проводящем канале и скорость нарастания коллекторного напряжения на транзисторе'; Вместе с тем, из выражения (23), на первый взгляд, следует, что уменьшение со временем величины ) должно привести к бесконечному возрастанию ¿К{Ь) . Однако в действительности этого не происходит, поскольку, го-первых, после некоторого временного интервала коллекторный ток начинает спадать, а во-вторых, при быстром сжатии тока в проводящем канале начинает сказываться инерционность рассасывания заряда из коллектора.

Как указывалось выше, при возрастании плотности коллекторного тока и напряжения в рзжиме квазинасыщения может возникнуть

— ч-

ситуация, когда напряженность электрического поля на п -п переходе достигнет своего критического значения. При этом напряжение на транзисторе равно >

- 3b -

Комбинируя выражения (27J и (30) <с условием (31) можно получить уравнение для граничной линии, вне которой транзистор при форсированном выключении войдет в режим лавинной инжекции, а затем токового вторичного, пробоя.

С целью экспериментального изучения справедливости предложенной модели для описанных процессов форсированного выключения силового транзистора бы^и изготовлены специальные тестовые транзисторные структуры типа 'п+-р-п~-п+, подученные методом тройной односторонней диффузии, которые имели'следующие параметры: . '

LOO Giá'Cu,^,» 100 мкы, Rse * 3000 Cm/Q , Р = 4,5 см, \f/i » 200 мкм. Значение было определено косвенным образом.,' исходя из экспериментальной зависимости 11э& ■= и уравнений (28).и составило I мкс. Максимальные обратные коллекторные напряжения тестовых структур, в среднем, составили: Uiox^lOOO Б,

700 В. Испытания проводились на специально изготовленном уст^ойстве^' где транзистор подвергался i действию вторичного пробоя в течение короткого проыежу*ка'времени (200-300 Не),

после чего коллекторный ток отворился с помощью защитной щунтч-рующей схемы>

.¡ч Исштапия ¡проводились npuL » 500 Н , токах коллектора * 0,1 у 5 А, напряжениях 11кэ « 10 - 700 В и напряжении писания коллекторной цепи до 50 В. Во -все* случаях при выключении транзистора траектория нагрузочной линии на плоскости токов и<напряжений может быть представлена в виде прямоуголь-' ника, что свидетельствует о том, чтб величина OÍc/dt в боль- . шей степени определяется параметрами.коллекторной цепи, а не времёне i релаксации транзистора, Проверку подученных в рамках принято) модели временных зависимостей 0кьЭДи ^(jt) необходимо провестив том промежутке времени выключёния, в течение которого коллекторный ток относительно постоянен. На рис. 15 приведены экспериментальные и теоретически рассчитанные го формуле (30) зависимости Цкэ от времени, при 0,6h. л ьвух значениях обрат-

ного сааосого тока 1Бр - 0,1; 0,2 А. ¿ложно сказать, что совпадение результатов измерений и расчетов в обоих случаях удовлет-ьоритслоное.

I'KJ.ti

_ _ тар"» — зкепер. 1 1 К 1 1 1

L - IK s А h^O.HA 1 1 | \ 1 \ • Кя=0,2Д

1 ! 1 1

/ // п Л // у ч 1ст =0.1/4

i ¿AS

;<•> i i.S t 2,S t-titMKC

Рис. Теоретически рассчитанные (пунктирные линии) и экспериментальные (сплошные линии) эпюры нарастания коллекторного напряжения при форсированном выключении транзистора при 1г

БН

I

вн

0,1 А и 0,2 «

1.ри этих же ре:ки.мах коллекторных и базовых токов, исходя из уригкп»ия (¿о) и экспериментальной зависимости обратного

напряжения й.-.зь-о-леттвр с помощью формул

= ,

Кзв Гбк

pact)

(оЗ)

»тно определить временные зависимости ширины токопроводящего канала и плотности коллекторного тока н центре эмиттариоЯ гребенки.

"3 <•»•'* • 13_ видно, что с ростом запирающего базового тока

скорость "сжатия" и плотность тока сильно возрастают, достигая критических значений.

Рис. 16. Временные зависимости изменения ширины токо-проводящего канала и плотности тока в ней при выключении транзистора от индуктивной нагрузки с 0,1 Л и

о. особишосд-. пОНСП№*\)ШИй технологий жиз-

ВСДСТБА' РАЗНОВИДНОСТЕЙ ТРАНЗИСТОРНЫХ КЛЮЧЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Разработанные в настоящее время отечественные силовые транзисторы характеризуются широкой гаммой коммутируемых токоь и напряжений, Конструктивные исполнения силовых транзисторов имеют несколько дискретных и интегральных разновидностей.

'-иловые транзисторы в зависимости от значений напряжения иитающей сети и максимально пбЯустимо^ напряжения

го

20

0

0 0.5 10 1,5 2,0 2,5 Ь ~ £1, мпс

1БК= 0,2л.

коллектор-базе можно разделить на три больших класса: до 200 В - работающих от бортовой сети, до 600 В - работающих от сети 220 В и высоковольтных транзисторов до 1000 В - ' раборающих от сети 380 В. .

Базовая технология изготовления и конструкция во многом определяются значениями рабочих токов и напряжений силовых транзисторов.

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАЗНОБЩЮСТЕЙ ТРАНЗИСТОШЫХ КЛЮЧЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Как было отмечено в предыдущих главах, статические и динамические параметры силовых транзисторов определяются электрофизическими й геометрическими характеристиками тран-зислорной структуры. Так,с параметрами п~- коллекторного слоя связано пробивное напряжение Ük60перехода1 коллектор-база, с одной стороны, и прямое падение напряжения Uk3h¿c. на транзйсюре, с другой стороны. На основе полученных в данной работе формул, исходя из. требуемого значения Ui<6o с учетов ZO/ó-ого технологического запаса, опрёделяются толщина и степень легирования п~- слоя. Затем путем длительного низкотемпературного стжига при Т « Ш0°С гете-рируются примеси, создающие рекомбинационные центры, и ■ повышается время жизни дырок настолько,'чтобы диффузион- • ная длина была Сы больше, чем'толщина коллектора. Для силовых транзисторов с .коллекторным напряжением • 1)кьо —

. ,ш I00Ü В к напряжением насыщения Цкэиас^^ В'можно привести "параметры ¡Г- слоя: Wícp « 120-140 мкм,.

« 60-90 См-ск.и . fр к 10-12 мкс. Вместе с тем, слишком 'большие значения Ср тоже нежелательны, так как при этом ухудшаются динамические свойства транзистора в связи С\ увеличением времен рассасывания и спада коллекторного тока. Важно отметить, что разброс времени жизни носителей тока по площади транзисторных структур, особенно структур с большим диаметром, должен быть как можно меньше.

При конструировании силовых транзисторов одной из важных I задач является расчет профилей распределения примесей, техно-I логических и других электрофизических характеристик многослойной транзисторной структуры типа п+-р-п~-п+. Такой расчет обеспечивает оптимальное сочетание таких параметров,как коэффициент усиления и граничное напряжение транзистора, с одной стороны, и возможность технического осуществления такой структуры в рамках существующих технологий, с другой.

Из результатов проведенных исследований следует, что для I эмиттеров, созданных диффузией фосфора при поверхностных | концентрациях порядка 1Сг - Ю*см~3, число Гуммеля ^Эо/ЗЪ 1 в широком диапазоне Х]э«= 2-10 и км глубины залёгания эмиттер-I ного перехода величина почти постоянная и находится в пре-I делах 2-4- Ю^см~^«сек. Это обстоятельство указывает на то,

что максимальное значение, коэффициента усиления Ьщдв , , поперечное сопротивление активной базы, максимальное значение пробивного напряжения эмиттерного перехода Иэб© (следовательно, и максимальный запирающий базовый ток Хби ) и, во ьногом, степень оттеснения тока к краям эмиттерной гребенки будут определяться числом Гуммеля базы (2б»/1)|3 .

Типичные значения для современных силовых транзис- ,

; торов колеблются в пределах от 30 до 60. При этом значения числа ^уммеля базы должны находиться в пределах 2-6«.10+■см"4.»сек. Требуемое значение 0-йи/1)6тшо получить различным сочетанием толщины базы и поверхностной концентрации акцепторов. Например, для получения данного значения 0ьо/Фб нужно взять тонкую базу с высокой поверхностной концентрацией акцепторов или толстую базу с меньшим .значением К! б о.. Наиболее выгодной с этой точки зрёния является широкая база с меньшим так как г.ри этом, во-первых, из-за уменьшения средней концентрации примесей в базе увеличится подвижность дырок и уменьшится поперечное сопротивление базы, во-вторых, снижение концентрации акцепторов под ¡¡лоской частью эмиттера приводит к увеличению и^Бо» х.-третьих,.уменьшение при это;.; градиента концентрации и увеличение глубины коллекторного р~/. серехлда Суьет способствс- -пать повышению'его пр'обивного наги.якгн^л ¡т-зполит гыле.ть-

коллекторный переход снятием двойной механической фаски, применяемой в технологии изготовления силовых транзисторов.

Что касается ширины эмиттерных полосок , то ее необ- ' ходимо брать одинаковой по всей площади структуры, чтобы обеспечить одновременное запирание всех гребенок при индуктивном выключении транзистора. '

При проектировании силовых транзисторов обычно ширине эмиттерной Полоски выбирается такой, чтобы выполнялось следующее условие:

&Б 7 «- \Х/аэ«р<р . (43)

т.е. чтобы она была меньше, чем ширина эффективно.инжектирующей части эмиттера и чтобы было возможным заг.ереть транзистор заданным обратным базовым током. Однако, ввиду конечности проводимости металлизированной полоски, условие (43) часто приходится нарушать и брать ширину эмиттера несколько больше, чем оЬ^ээ-рср. В случаях, когда имеются длинные гребенки, ширины эмиттерных и базовых.металлизация выбирают- -ся такими, чтобы обеспечить равномерность распределения тока го длине гребенки и при этом, во избежание вторичного пробоя, эмиттеры делают двухступенчатыми. Так как коэффициент усиления средней мелкозаглубленной части эмиттера ничтожный,то она фактически не будет инжектировать. Такой профиль придается и широким эыиттерным областям, находящимся под.эыиттерныш контактными площадками.

Одно из важных мест-при-конструировании полупроводнике--вых структур принадлежит проектированию.топологий силовых транзисторов. При проектировании топологии прежде всего.принимается во внимание эффект оттеснения эмиттерного тока к краям эмиттерной гребенки. В условиях умеренных и-высоких уровней инжекции ток практически концентрируется-в узкой полосе шириной 100-130 мкм по периметру эмиттера. Б отличие от обычных тиристоров, в силовых транзисторах, максимальный ток определяется не площадью транзисторной структуры,--а- дли- -•■■ной периметра эмиттера. В связи с этим топология современных

транзисторов имеет сильно разветвленный характер. Например, плина периметра эмиттера транзисторных структур диаметром 32-40 мм достигает нескольких метров.

Как указывалось выше, стойкость силового транзистора к вторичному пробою также во многом определяется топологией транзисторной структуры.

Топология транзисторной структуры должна обеспечивать однородные распределения тока и равномерное выделение тепла по периметру эмиттера как в статическом, так и в динамическом режимах работы, что и является критерием правильного проектирования отдельных узлов и всей топологии,

В последнее время в силовой электроника наблюдается тенденция создания монолитных силовых ключей с несколькими силовыми элементами. Такие монолитные ключи состоят из силовых транзисторов, соединенных пруг с другом по схеме Дарлингтона со встрое:™ы;ли диодами.

Схема Дарлингтона известна своим высоким коэффициентом усиления по току и позволяет при тех же размерах кристалла увеличить коммутируемую транзистором мощность.

На практике при применении силовых транзисторов в типовых мостовых или трехфазных инверторных схемах управления асинхронными электродвигателями приходится шунтировать каждый из транзисторов обратным быстровосстанавливающимся диодом, позволяющим протекание рекуперативных при коммутациях токов и, тем самым, намного облегчающим перенапряжение услорий работы транзисторов. Конструктивно' этот диод Д£ можно создать на базе коллекторного перехода по периферии силового транзистора (см.рис. 17). При этом, с целью уменьшения времени обратного восстановления диода ¿£ до 0,5-1 мкс, структуру'следует подвергнуть электронному облучению через свинцовую маску, покрывающую область транзистора. Для этих целей рекомендуется применение линейных электронных ускорителей типа ЗЛУ-б г. режимом облучения: электронами о энергией 3*4 1,!эВ, дозой 5 • ал/см®, временем облучения 40-00 мин.

Увеличение при этом пассивной периферийной площади структуры можно использовать с двойным назначением: при напайке поверх структуры ьамкн.уаого металлического элемента 2 (молибден толщиной I мм) (см.рис.17) возможным станет снять обратную фаску,а сам этот элемент использовать в качестве эмиттерного токоснимающего электрода и, тем самым, исключить при этом специально оставленные на транзисторной структуре эмиттерные контактные площадки.

Рис. 17. Конструктивное исполнение быстровосстянавли-вахмцего диода по периферии транзистора Т на основе облученного электронами перехода коллектор-база: I- свинцовая маска,перекрывающая область транзистора Т при электронном облучении, 2- замкнутый молибденовый электрод, сверху покрывающий область лиспа Д^ и частично область эмиттера транзистора Т, .3- обратная фаска.

Конструкция транзисторной структуры с утопленным эмиттером. При сильном легировании эмиттера фосфором на большой глубине возникает ряд вредных факторов, приводящих к ухудшении эффективности эмиттера.

Ь такой ситуации альтернативным является создание эмиттер-ных'Областей силового транзистора так называемым "комбинированным способом". Суть этого способа заключается к создании эмиттер-ного р-н перехода и области активной базы ло эаданноГ. ширине путем мелкой кратковременной диффузии фосфора на определенную глубину в предварительно вытравленные эмичтврные карманы. Образованная таким образом структура с утопленным эмиттером приведена на рий.18.

Создание эмиттерной области подобной конструкции становится возможным путем применения технологии прецизионного микрохимического или плазмохимического травления кремния, обеспечивающего точности + I мкм на глубине 10 мкм по всей поверхности транзисторной структуры.

На рис. 19 приведены рассчетные зависимости П^Дэ , »

-)кэ0/икььи Rse».& тестового транзистора от толщины активной fía3w W¿o чр« следующих значениях параметров:40 ь.км, Xj.í = Г» к;км, Р = I см, \/э = 200 мкм, Wk0 = 100 мкм,

= GC Ом «см, Оз/Dj = &.К13смЛек, Uk3 = ЬБ, П =. 4,6, D¿ = 10 С!и%ек, Ñas = I,4-ICI7cs.r3, IK - 0.2А, dtT1 = IW мкм, характерных для силовых транзисторов.

Анализ .¿ученных зависимостей показывает, что применение конструкции транзистора с утопленным эмиттеро»; нает возможность без технологических трудностей, связанных с глубокой диффузией фосфора и ухудшением обратных характеристик р-л переходов, регулировать эффективную глубину XjaqpV = Ь ♦ эмиттера и тол-шину активной базы W&¡> в широком диапазоне значений. Вместе с тем, для конструкции транзистора с утопленным пмиттером диффузия фосфора в эмиттер осуществляется лиши на ту глубину и при такой поверхностной концентрации, когда хорошо сочетаются инжекционные свойства эмиттера и минимальное дефектообразова-ние. На примере расчетных зависимостей на рис. 19 можно заме-

Рис. 16. Поперечный разрез структуры силового транзистора с утопленным эмиттером и профиль распределения легирующих примесей по сечению 0-0

тить, что диапазон значений теб^ в пределах от 23 до 27 мкм является оптимальным, так как при этом имеется приемлемое сочетание основных параметров высоковольтного транзистора: Ицэ® 7+8, [¡кэ^^кбо = 0,5 + 0,6, Яйо-б «0,4 + 0,7 К0м/а .

Экспериментальное исследование электрических параметров опытных образцов высоковольтных транзисторов, изготовленных по схеме с утопленным эмиттером, с геометрическими и электрофизическими параметрами, близкими к расчетным, подтвердили высокую эффективность предложенной новой конструкции транзистора и хорошее совпадение расчетных и экспериментальных характеристик приборов.

Рис. 19. Расчетные зависимости параметров

Ьцэ , Ымь/икБс и ^а.6 от толщины активной базы УС^ и глубины вытравленного эмиттерного кармана Ь .

Транзистор с двухполярным управлением. В микроэлектронике известны планарные полупроводниковые приборы п-р-п или р-ь-р проводимости с двумя р-п переходами, например, биполярные транзисторы. Подобные приборы на выходе усиливают лишь те электрические сигналы, которые смещают эмиттерный переход в прямом направлении, подавляя сигналы противоположной полярности.

Ниже описывается конструкция твердотельного полупроводникового, прибора, позволяющая одинаково усиливать сигналы обеих полярностей, подаваемые на вход прибора.

На рис.20 показана структура предлагаемого прибора п-р-п проводимости и его эквивалентная электрическая схема.

Прибор состоит из слоя I п-типа проводимости и слоя

2 р-типа проводимости,сформированного на нем эпитаксиальным или диффузионным способом. Б слое 2 сформирована локальная экшттерная область 3 п-типа проводимости, а под электрод

эимттерний гребенки симметрично эмиттерной области 3 относительно оси 00 введена вторая локальная эмиттерная область 4 ;|-ти;;а. Области 3 и 4 сформированы по пленарной технологии. Смитте^чке области 3 .и 4 удалены друг от друга на расстояние не менее двух областей эмиттера. Между эмиттерными областями

3 и 4 образован канал 5 базовой области р-типа проводимости.

Базовая область, расположенная между двумя эмиттерными областями 3 и 4, находится в непосредственном электрическом контакте с металлизацией эмиттерной гребенки.

С обеих сторон эмиттерного электрода б в области базы 2 сформирован дополнительный базовый электрод в виде полосок 7 и 6, которые сверху полупроводниковой структуры изолированы друг от друга и электрически соединены лишь поперечными диффузионными сопротивлениями активной базы 9 и 10.

На слое I п-типа проводимости сформирован коллекторный ; онтакт Л.

Рис. 20.-Структура предлагаемого прибора п-р-п провопи-мости и его эквивалентная электрическая схема

Принцип работы прибора следующий: вначале предположим, что от внешнего источника К выводу 13 на входе прибора подается плюс, а к выводу 14 - минус, при этом ток во вхопноР цепи будет протекать от вывода 13 к выводу 14 через одинаковые по величине диффузионные базовые сопротивления & и 10, создавая на сопротивлениях равное по величине падение напряжения, прямо пропорциональное входному току и сопротивлениям 0 и 10. Смещения, возникающие на сопротивлениях 9 и 10,черев р-канал 5 и металлический контакт б передаются к й.«иттерчым р-п переходам эмиттеров 3 и 4 соответственно. При данной полярности входного сигнала омиттер 3 будет открываться и инжектировать,а эмиттер 4, наоборот, будет находиться в запертом состоянии. Если теперь полярность импульса на входе прибора изменить, то ток уже будет протекать от вывода 14 к выводу 13, и По той ;хе причине в этом случае будет открываться эмиттер а амиттер 3 будет находиться в запертом состоя»,',»,. Б обоих случаях в выходной цепи мы будем иметь одинаково усиленные сигналы, поскольку эмиттеры 3 и 4 и сопротивления V и 10, созданные в непосредственной близости на одном полупровод-яиковом кристалле в течение одного и того же технологического цикла и находящиеся в непосредстенном тепловом контакте, будут иметь очень близкие характеристики.

технологические особенности изготовления структур шошх транзисторов

Технология производства силовых транзисторных ключевых элементов имеет ряд особенностей и намного сложнее технологии изготовления традиционных силовых полупроводниковых олег.ппхв -тиристоров и диодов. Прежде всего, предъявляются высокие требования к производственной гигиене и технологическому оборудованию .

Как указывалось ьыше, основным- направление:.: ¡гоькшения рабочих напряжений икб0и токов 1к транзисторов является увеличение толщины и удельного сопротивления ькссксокного п" коллекторного слоя и диаметра выпрямительного элемента,

достигающего величины 40 мм для транзисторов на ток Ь00 А. Трудности на этом пути связаны,з основном,со сложностью , получения однородного по электрофизическим параметрам высо-коомного кремния большого диаметра. Традиционные методы легирования кремниевых слитков на сегодняшний день не обеспечивают требуемую однородность по удельному сопротивлению, и -с увеличением .диаметра возрастает разброс неоднородности по торцу и по образующей.

Наиболее перспективным исходным материалом для производства СПП и, в частности, силовых траннисгоуоь является радиационнолегироьанный кремний (РЖ), полученный бомбардировкой кремниевых слитков тепловыми нейтронами. При этом

J0W ' d •

изотоп bt превращается в mi и затем - в стабильный фосфор

"sUn.jWik-З'р ♦ Í

который разномерно распределен по объему слитка монокристаллического кремния.

Базовая технология создания силовых транзисторов вс многом определяется величиной рабочих напряжений.

Первые два поколения силовых транзисторов на токи 40-100 А, напряжения до 200 Б и до 600 Б изготавливаются по групповой эпитаксиально-диффузионной технологии на основе исходных кремниевых прямых и обращенных эпитаксиальных структур типа г.~-п+ путем двойной односторонней диффузии эмкттерных- и базовых .примесей.

Для высоковольтных транзисторов третьего поколения, рассчитанных на напряжение I000-I6G00 Б, более оптимальным является полностью диффузионная технология создания многослойной транзисторной структуры.

Перспективным способом получения диффузионных слоев транзисторной структуры является одновременное создание

коллекторной области и р- базовой области путем высокотемпературной встречной диффузии примесей (Т = I2ó0°C) из легированных фосфором и алюминием стекловидных материалов на основе тетраэтоксисилана (TajC). Стекловидный материал^

наносится на противоположные шлифованные поверхности кремниевой пластины толщиной порядка 270 мкм аналогично технологии силовых диодов. Такой способ имеет следующие преимущества: во-первых, отличается высокой производительностью (2-3 тыс. пластин одновременно вместо £0-100 в случае обычной технологии),' во-вторых, диффузия алюминия из шероховатой поверхности идет более равномерно, чем через полированную поверхность из источников экранных пластин в среде ОСЧ аргона, и, в-третьих, в данном случае не требуется среда дорогостоящего аргона высокой чистоты.

Кроме того, процесс диффузии из шероховатой поверхности достаточно воспроизводим, при этом диффузия фосфора с п+-стороны проводится на глубину 60-70 мкм, а диффузия алюминия с противоположной стороны - на глубину II0-I20 мкм, и, таким образом, для коллектора с удельным сопротивлением 60-S0 Ом-см имеем W< = 100 мкм. После встречной диффузии со стороны р-слоя шлифовкой и полировкой снимается слой толщиной 50-60 мкм, далее базовая р-область подлегируется бором при поверхностной концентрации 5'Ю^см-3 и глубине порядка 6 мкм. Затем проводится одновременное окисление. Диффузия фосфора в локальные РС^з эмиттерные области проводится из жидкого источника на глубин;' порядка 10 мкм с таким расчетом, чтобы обеспечить значения hs.|3~ 25-30.

После высокотемпературных термообработок проводится гетерированке атомов тяжелых элементов путем низкотемпературного ( Ттс 800°С) длительного отжига (10-16 часов).

Достигнутый на сегодняшний день уровень технологии позволяет успешно решить проблему получения эмиттерных и базовых омических контак тов путем электронно-лучевого напыления алюминия толщиной 10—15 мкм на рабочую поверхность с последующей фотолитографией.

РАЗНОШДОСТИ СИЛОВЫХ ТРАНЗИСТСНШХ КЛЮЧЕВЫХ

элементов

Дискретные транзисторы паянной конструкции. Разработанные конструкции силовых транзисторов .устанавливались в металлостеклянный корпус. По способу соединения транзисторна элементов с основаниями силовые полупроводниковые приборы подразделяются на приборы с-паянными и прижимными контактами.

Рис.21. Схема конструкции транзисторов с паянными контактами серии 2ТК235: I- основание корпуса, 2- транзисторная структура, 3- контактное устройство, 4- эмиттерикй вывод, 5- базовый вывод, б- крьидка корпуса

Ка рис. 21 представлена конструкция типичного представителя транзистора паянной конструкции серии 2ТК235. Последний собирается в металлоетеклянный корпус фланцевого исполнения, а отвод тока от активных областей транзисторной структуры осуществляется при

5

гм

39,2

помощи специального траверса. В такие корпуса собирались разработанные в НИ! "Транзистор" структуры, рассчитанные на токи от 10 до 63 А, напряжением от 100 до 1500 В.

Транзисторные модули. В последние годы все интенсивнее происходит процесс интеграции в силовой полупроводниковой технике, одним из проявлений которого является создание и широкое внедрение в промышленность силовых полупроводниковых модулей, являющихся перспективными элементами преобразовательной техники. Б связи с этим большая часть новых разработок полупроводниковых приборов осуществляется в модульном исполнении.

Силовой полупроводниковый модуль (СДМ) представляет собой гибридный интегральный полупроводниковый прибор, состоящий из нескольких соединенных по определенной схеме полупроводниковых элементов.

Создание СГЫ приведет к сокращению количества дискретных элементов и примыкающих к ним цепей, а значит, и к уменьшению их массы, способствует снижению коммутационных потерь при высоких частотах, создает максимум конструктивных удобств разработчикам преобразовательной техники.

Транзисторные модули предназначены для коммутации активно-индуктивной нагрузки и являются основными силовыми элементами блоков регулирования быстродействующих электроприводов, работающих по принципу широтно-импульсно-го или релейного регулирования станков с ЧПУ и промышленных робртов.

Гальваническая развязка в модуле (изолированный корпус) позволит монтировать все плечи трехфазного инвертора электропривода на одном охладителе, т.е. откроется возможность исключения из трехфазного инвертора силовых транзисторов и быстровосстанавливающихся диодов, что приведет к значительному улучшению весогабаритных- показателей преобразователя, а также - к снижению трудоемкости монтажных работ.

- Ь6 -

На рис. 22 показаны поперечные разрезы двухключевого (а) модуля ыТКД-20 и одноключевого (б) модуля гЛКД-60.

.Рис. 22. Поперечный разрез двухключевого модуля •МТКД-20 (а) и одноключевого модуля ¡.¡ТКД-БО (б)

■ 6. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПНИДИШМЯ РАЗРАБОТАННЫХ ТРАНЗИСТОРНЫХ КЛЮЧЕВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Б основном силовые транзисторы используются б устроР.ст вах с ключевым режимом работы: прерывателях,преобразователях тока,напряжения,частоты и т.д. Исключение составляют усилители низкой частогде требуются, в первую очероль, транзисторы со слабой зависимостью коэффициента усилен;;*

- U7 -

от тока коллектора.

Рынок силовых транзисторов включает в себя следующие основные направления - преобразование и распределение электроэнергии, регулирование скорости электродвигателей, транспорт, обрабатывающие станки. Кроме того, силовые транзисторы находят широкое применение в сложной бытовой технике, сварочном оборудовании, ультразвуковых генераторах, спецтехнике и т.д.

Некоторые примеры использования силовых транзисторов и модулей типа ТК, 1КД и 'Л'КД приведены в таблице, состБвтст-г-уаде им типовые схемы на рис. 23.

Таблица

Схема Рис.23 Область применения

прерыватели а Управление двигателями постоянного тока для электротранспорта,станков, регуляторы тока, напряжения.

Преобразователи частоты б Управление синхронными и асинхронными двигателями для текстильных машин,насосов,электротранспорта

Преобразователи переменного тока Б постоянный тек в Стабилизированные источники тока для аккумуляторов,электродвигателей, сварочных аппаратов

Преоб разоратели постоянного тока г Источники постоянного тока,регуляторы, преобразователи напряжения

преобразователи постоянного тока в перегенякй ток д Источники переменного тока для газоразрядных ламп, воздушного и водного транспорта

преобразователи о обратной связью е Управление двигателями,многопозицион ное управление (станки,радарные антены)

".сточилки пита-, ь'.ш социальных приборов ж Ультразвуковые генераторы,электроэрозионное обору до вание,устансбки индукционного нагрева, передатчики, электронные предохранители

"Т

L

г: к

т..

.Г

г.

+ 6

5

<3

-Г <<

ж.

Рис. 23. Типовые схемы использования силовых транзисторов '

- ЗУ -

основные резу-НЬТАТЫ и вывода

1. На основе двух- и трехмерного моделирования выполнены теоретические и экспериментальные исследования электронных процессов в структурах силовых транзисторов при больших плотностях тока, разработаны пакеты прикладных методик для расчета и проектирования разновидностей транзисторных ключевых элементов для преобразовательной техники нового поколения.

2. На основе метода заряда предложена двухмерная модель для исследования особенностей токовой зависимости и механизмов спада статического коэффициента усиления при умеренных и высоких уровнях инжекции в условиях проявления эффекта концентрации эмиттерного тока у краев гребенки и модуляции проводимости коллекторного слоя.

3. Выявлено, что при увеличении степени оттеснения тока и возрастания его плотности на краю эмиттерной полоски эффект поперечного растекания тока в коллекторе сильно увеличивается,

благодаря чему ожидаемое увеличение сопротивления коллектора .эа сче-i' эффекта оттеснения заметно компенсируется противоположным влиянием поперечного растекания.

4. Теоретически и экспериментально доказано, что в' общем случае в силовых транзисторах из-за падения напряжения на металлизациях базовых и эмиттерных гребенок распределение тока го длине имеет седлообразный характер^ и, в зависимости

от режима работы транзистора,он может трансформироваться в широком диапазоне.

5. Установлено, что динамически! процесс форсированного выключения транзистора в схеме с индуктивной нагрузкой имзет сугубо двухмерный характер, согроволоащчйея локализацией избыточного заряда и эмиттерного тока к центру эмиттерной гребенки.

6. Впервые разработана методика для аналитического определения области безопасной работу (ОБР) при активном запирании силового транзистора. Показано,что увеличение амплитуды запирающего тока базы заметно сужает ОБР транзистора, выработаны реког.еноации пдл максимального сниже-

ния вредного влияния эффекта вторичного пробоя на ОБР при проектировании силовых транзисторов.

7. Разработаны оригинальные методики для прямого

и косвенного исследования двухмерных и трехмерных процессов протекания и распределения'тока в полупроводниковой структуре силового транзистора.

8. Разработана конструкция и базовая технология изготовления силового транзистора с интегральным высокочастотным диодом и обратной фаской, налажен серийный выпуск подобных транзисторов напряжением до 1500 Б.

5. Разработана конструкция транзисторов серии 2ТК142, отвечающая всем современным требованиям военной бортовой специальной техники по воздействиям специальных факторов, налажен их крупномасштабный выпуск.

10. Создзны конструкции разновидностей ряда новых транзисторных многокристальных модулей с изолированным корпусом в одноключевоы и двухключевом исполнении для инверторных схем электроприводов.

11. Созданы и исследованы некоторые новые интегральные и гибридные элементы сильноточной электроники,двух-полярный транзистор и быстродействующие транзисторы с комбинированным выключением по цепи эмиттера для высокочастотных схем коммутации до 30 кГц.

12. На базе созданных элементов разработаны и внедр< ны на предприятиях РА ряд высокоэффективных преобразовательных устройств и сложных электробытовых из дел имехвд большое народнохозяйственное и социадьное значение в уело-виях энергетического кризиса в Республике Армения.

По содержанию диссертации опубликованы следующие работы

1. Варданян А.А.,Гукасян М.А.,Татевосян Р,Г.,ыабоян С.А, Особенности протекания тока и сопротивление насыщения

в силовых кремниевых транзисторах с высокоомным колле,к-тором//Электротехническая промышленность.Преобразовательная техника.-1984- № 5(163),- С.3-5.

2. Варданян А.А.,1йабоян С.А. Особенности распределения тока вдоль эмиттерных гребенок в силовых транзисторах// Известия АН Арм.ССР.Сер.Технических наук,-т.37, № 2, 1984г.- С,35-39,

3. Варданян А.А.,шабоян С.А. Эффект оттеснения эмиттерного тока в силовых транзисторах//Известия АН Арм.ССР. Сер. Физика,, т.19, Ii 4, 1984г.- С.206-211.

4. Варданян А.А.,шабсян С.А. О механизмах спада коэффициента передачи тока силовых высоковольтных транзисторов//

В сб.: Быстродействующие СПП,-Таллинн;Валгус,1964,-С.J30-134.

5. Бахшецян А,Г.,Варданян А.А.,Налбанрян P.C. Способ изготовления омического контакта в кремниеьых силовых транзисторах. A.c. К 1162343, 1985,

6. Варданян А,А.,Татевосян Р.Г. Способ изготовления силовк. транзисторов. A.c. Ii 1202458, I9B5.

7. Варданян А.А.,Арзуманян А.А.,Татевссян Р.Г.Дабоян A.C. 0 возможности оптимизации сопротивления слоя активной базы силовых транзисторов//3 сб.!:Силовые полупрово дникоглг приборы.-Таллинн:Валгус, 1906,- С.173-176.

8. Варданян А.А.,шабоян С.А..Бахшецян А,Г..Татевосян Р.Г.// Особенности конструкции и технологии сборки силовых транзисторов с прижимными контактами//Промышенность Армении.-1986.- № 10.- С.56-58.

9. Варданян А.А.,Авагян Р.Б..Геворкян Л.Е.,1.;анасян К.Б. ü возможности изготовления силоеых транзисторов методом одновременной диффузии акцепторных и донорных примесей из легированных çkhchux пленок//В сб.:Техно-логия силовых п/п приборов.-Таллинн:Балг.ус, 1987.-* С. 125-128.

10. Вахшецян А.Г.,Варданян А.А.,Симонян А.Дж.,Дешрчда К.С. Сравн'тельный анализ различных методов выявления коллекторных переходов силовых транзисторов серии ТК//Б сб.¡Методы и аппаратура исследования и измерения СПП.-Таллинн:Балгус,IS87.-С.123-126.

11. Арзуманян А.А.,ыабоян А,С.,Варданян A.A. Экспериментальное исследование особенностей токсраспределения по периметру эмиттера силовых транзисторов//Г.звестия АН Арм.ССР. Сер. Технических наук.-I9S7.-Вып. о.

С. 40-42.

12. Варданян А.А.,1;акарян Г.А.,шабоян С.А. Обеспечение качества силовых транзисторов и.ключевых элементов

на их основе//Иромышленность,Строительство к Архитектура Армении.- 1988.- ?."< 2,- С. 43-44.

13. Варданян А.А.,Татевосян Р.Г.,!Дабоян С.А. Силовые биполярные транзисторы и транзисторные модули//Электротех-ника.-1388.- № 5.- С.30-33.

14* Варданян А.А.,Хумарян Д.Б.,Татевосян Р.Г.,Вахшецян А.Г., Пирумян А.П. Силовые быстровосстанавливающиеся диоды ДЧ ISLy/Iipoiib'iiwem.'ocTb, Строительство и Архитектура Армении.- 1988.- }? 7.- С.58-60.

15. Варданян А.А.,Татевосян Р.Г. Твердотельный двухпсляр-ный усилитель//Известия АН Арм.ССР. Сер. Физика.-1989.- т.24.- Вып.1.- С.26-30.

16. Бахшецян А.Г..Варданян А.А.,Дикарев Ю.'/..,Есин Б .К., Пирумян А.О.,Симонян А.Дж. Способ изготовления полупроводниковых приборов. A.c. Î? 1461314, 39ос.

17. Нискевич Я.Д.,Локтаев Ю.М.,Варданян А.А.,Бахшецян А.Г. Раствор для диффузионного легирования кремния фосфором. A.c. №1480665, 1989.

18. Лейтман Ь!.С.,Зеленер М.С.,Зарахани А.Н..Варданян A.A., Татевосян Р.Г, Специальный сплав для молибдена (термо-компенсаторсв). A.c. № 1570326, 1990.

19. Варданян А.А.,Ыанасян К.В. Силовой полупроводниковый узел. Д.с. Положительное решение БНИИГПЭ. № 4796446/2102576, H0I«. 23/04 от 28.0I.IS9I.

20. Варданян A.A. Быстродействующие биполярные силовые транзисторные ключевые приборы//Электротехника.-1590,-И 2.-С. 60-63.

21. Варданян A.A. .0 перспективах развития силовой электроники в Армении//Промышленность,Строительство-и Архитектура Армении, 1990,- JS 4.- С.34-38.

22. Варданян A.A. Двумерный анализ усилительных свойств силовых биполярных транзисторов//Электротехника, 1990.-Ji 8.- С.64-68,

23. Авакян Р.В..Варданян А,А.,Киракосян Г.Г.,Еабоян A.C. Силовые твердотельные транзисторные ключи с многокаскадным уеилением//Известия АН Арм.ССР.Сер. Технических наук,- 1990г.-Вып.5.- С.220-225.

24. Шабоян А.С.,Варданян A.A. О возможности комбинированной оптимизации структуры силового транзистора с утопленным эмиттером/известия АН Арм.ССР. Сер. Физика.-1989г.,т.24.- Вып.5.- С.247-251.

25. Симонян А.Дж.,Варданян А.А.,Бротиковский С.К.,Пирумян А.П. Улучшение технологичности производства силовых транзисторов на основе стекломезапассивации//Известия АН Арм.ССР. Сер. Технических наук,1991г.- С.44-46.

26. Варданян А.А.,Какарян Г.А-.,шабоян Л.С.,Гшрумян А.П,, Погпатян Ф.А. Инверсный режим работы и особенности конструирования транзисторных ключей с обратной лре-водимостыс//Электротехника.1991г.- ,v 6,- С.£1-41.

27. Варданян A.A. Расчет и конструирование силовых транзисторных ключевых элементов,-Ереван:Мегапарт, 1991,200 з.

26. Варданян А.А.,Макарян Г.А.,^абоян A.C. Новые серии одно- и двухюшчевых транзисторных модулей для силовых инверторных схем//Электротехническое производство. -

1991г.-Вып.12.- С.66-68. 29. Варданян А.А.,Макарян Г.А.,Шабоян A.C. Сравнительный

действующих диодов для работы в инверторных схемах// Известия АН Арм.ССР. Сер. Технических наук,- 1991г.-т.44,- Вып. Ь-6,- C.I88-I9I.

30. Симонян А,Дж.,Варданян А.А.,Пирумян А.П.,Минасян Г .А. Оптимизация технологического процесса стекломезапассива-ции структуры силовых высоковольтных транзисторов// Электротяхническое производство. 1991г.-Вып.6,-

С.20-24.

31. АЙьгаэ,чн Г,Е.,Багдасарян А.Е.,Варданян A.A. Об определении ^статочных напряжений в диффузионных слоях//Извес тин-'АН"■Армении, Сер. Технических наук.-1992.-т.46,-

С. 35-39.

32. Ыакарян.^'Д., Варданян A.A. Исследование влияния проникающей радиации ца. параметры силовых транзисторов серии <ЙК для бортовой техники//Известия АН Армении.Сер. Технических наук.?1992.- J." 122,- С..243-246.

il II Ф H 11 4 (i Г

UpuiiT îiuifpuipd miffi 'tuipquiVijuiVfi , ubp\iqfi

фп(ишЦЬрщ^ш inb|u^(il|ai luiduip uipui^jqp uinnp-pui\jui¡Jiuijpli inuippbpfi TjuiJuinqbiTuili II иЦи-^ [itTni.,Up\ibp[i ifjiulinLlfp, , qfiimulpuV qb^nigiTuli dlinij qnl{uinpuiljui'li uiшЬЪш[ипuni P

Х'ЬпЦш jnLifu qpinni¡3 jui\i, mbfjlj^lpu jp U dnqn^pquitiui^ mVuibunij} juili инГЬЪшмшр php piiuiqumlihpni. J ^lujljnpbli oqmuiqnpb^ni if h\j nid«j[iXi inp»'\iq|iuimipui j^ili umippbpji Црш Цшпгн gijuib ^ ^ЬЦтршЦиЛ! tVbpqtnajti puiqJuiuibuuili ifnjeul^bninb¿^hp :

11тЬЪш|ипиП|.[}jui\i ï«|uimuil{\i £ Vnp ubpljqfi i}in|uml{lipu(¿uijf»Vi uib(ulip-Цш j[i luii/ыр nLdiajti"li uipei\jqtiuonpa jp\i ршЪя i fita jp\i uiuipptipp tai|uuiqb-ifui\i U шЬ^Ъп^пс^шЦшЪ qnphp\j|3uig[i îfiiinL^ip^hpfi iljul^niJp, (i\i¿njbu \juiIi \ipui\jg ^[и/ыЪ Црш £ui juiuuiiu\i[i £uilipuiu(buinip jnt^jnLif puipdp iapq jniljui^hmmp jui\j фг(ишЦЬр1ц;1в uuippuii|npni. LT\ihp[i шрц jmliuipû-pnißjmli t{iitqiTiat{bpu(nLLrp:

lluiwuipijuib b\i riLdtuj[i^j uipui\iqpuinnp\jbp|i ui2(uiuuuii\ip(i uimuWUuSuiui-tyni p jniMibpti inbuui^uit Ii ijinndliailpií^ íuiifuiípp 1 tiuimqnuini. Jlibp : Unui-¿iup!{i|uib b\i Ьр1^шф Ii Ьпш^шф i/nqb^hp.npnVp [fiuidbpn-

pfa\j pliniprnqpruiT bXi niduij|i\> tnpui'XiqfiutnnpljbpnLd' ínuuiligp |uinnL¡3 jwli рш^фчЬгир jm^p t^iljiuibriiu jfiVi шшииГЪЬр^ bplpuprup juitíp , m dbquigiTuiV qripbuiljgfi lpu|HL{uibru!il jm\ip puin ínuuiligp, uiVii)tnuiliq ui2|uuiinuj\ip[t tn[ipnLjftp Il nidmjfili inpui^fiuuinpVibpfi'U jnLpmíuiinnLl{ ^ bl|mpí|\nu j [i\i шд mpngbu-tiUp% i|bpДЛЬр^и uijfuuimuilipp идаииф^ U qp^uiiltiq n&dtiiT"übp[i rçbiugmii:

V2«ul{i|uib Mi iTj^X»¿U. 100 U ínuuAipfi U. 1500 4 ittpJuli триЛ^ришпр-\ibpfi oqnfiiTuii liui|uuiqt>Jiu\i "ipJruTjgVtipp Ii тЬ^Ап^пц^шЪ, рркЦшЪиид^шЬ t lipui\ig (ап2"рЧ1иши21гшр upinuiqpniß jn"Up : [lia j|iV muippLp|i fu.quj[i

i|piu liuifimqiijmh ЬЪ if[i 2ШРР pwpdp lupq jm\iuiiJLmni.[3 ju\i фп[ишЦЬри{ ¿iu jfiXi uiappunjnpnj. J\ibp Ii puiprj -l{b\!giiiqui ^LuipшIlupmuiqpminbuuil^bp,

npnlip \ibpqpi|niJ ЬЪ '¡шЪршцЬтп!RjuiV dbnV'uipUniПjnilÁibpniif: