Високовольтний біполярний транзистор

Изобретение относится к области силовой электроники и может найти применение в качестве ключевого элемента в силовых преобразовательных устройствах. Биполярный транзистор широко используется в преобразовательных устройствах в качестве ключевого элемента благодаря таким свойствам, как полная управляемость при включении и выключении и низкие статические потери [Ромаш Э.М., Драбович Ю.И., Юрченко H.H., Шевченко П.Н, Высокочастотные транзисторные преобразователи. - М.: Радио и связь, 1988, 0.70-71]. Недостатками высоковольтных биполярных транзисторов являются низкий коэффициент усиления по току, вследствие большой толщины базы, обусловленной требованиями обеспечения высоких напряжений прокола базы транзистора и большое время выключения, определяемое временем рассасывания избыточных неосновных носителей в базе и коллекторе транзистора, накопленных в режиме насыщения, приводящее к большим динамическим потерям при повышении частоты переключения транзистора [Блихер А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов. /Пер. с англ. под ред. И.В.Грекова. - Л.: Энергоатомиздат, 1986, с.248]. Известна структура быстродействующего биполярного транзистора (БТ), в котором защита от насыщения достигается использованием транзистора со статической индукцией (CHT)[Wilamowski В.М., Mattson R.H., Staszak Z.J. The SIT Saturation Protected Bipolar Transistor. /IEEE Elektron Device Letters.-1984- Vol. EDL-5, Ns7, -P.263-265]. В высокоомной подложке р -типа диффузионным способом сформирована глубокая коллекторная область n-типа, которая по периметру охватывает область р-типа исходной подложки. Затем в коллекторную область и в выходящую на поверхность область р-типа введена примесь р-типа, образующая базовую область n-р-n-транзистора. В базовой области сформирована n+-область, являющаяся эмиттером n-р-nтранзистора. В данной структуре в дополнение к основному n-p-n-транзистору содержится р-канальный СИТ, истоком которого является база n-p-n-транзистора, затвором - область коллектора n-типа, а стоком - подложка р-типа., При больших положительных напряжениях на коллекторе (затвор СИТа), СИТ выключен, т.к. перекрыт канал между истоком (база n-p-n-транзистора) и стоком (подложка). При отпирании n-p-n-транзистора, напряжение на коллекторе уменьшается и при некотором значении начинает проводить ток СИТ, шунтир уя сопротивлением канала исток-сток переход коллектор-база, предупреждая глубокое насыщение коллекторного перехода. Степень насыщения коллекторного перехода зависит от геометрических размеров канала, электрофизических параметров структуры СИТ и от напряжения на подложке, а именно, чем больше отрицательное напряжение на подложке, тем меньше насыщение биполярного n-p-n-транзистора. Правильный выбор напряжения отсечки СИТ и напряжения на подложке позволяет полностью исключить насыщение n-р-n-транзистора. Такая структура не может быть использована для высоковольтного биполярного транзистора ввиду малого значения напряжения прокола базы. Наиболее близким по совокупности признаков к заявляемому является биполярный транзистор - GAT [Kondo Н., Yukimoto Y. А new Bipolar Transistor - GAT.//IEEE Trans.Electron,, -1980, -ED-27, № 2, P. 373-379], имеющий следующую структур у. На высоколегированной подложке n+-типа выращен эпитаксиальный высокоомный слой n-типа, в котором на определенном расстоянии друг от друга диффузионным способом созданы глубокие высоколегированные области р+-типа. В промежутках между р+-областями находятся неглубокие базовые области р-типа с низкой концентрацией, в них создаются эмиттерные области с высокой концентрацией n+-типа. Такая структура GAT позволяет, благодаря тонкой базе, увеличить коэффициент усиления по тoку и в то же время обеспечивает высокие рабочие напряжения, так кзк области объемного заряда p-n-перехода, образованного р+-областями, смыкаясь при высоких напряжениях, защищают тонкую базу от воздействия высокого коллекторного напряжения. Чем ближе расположены р+ -области друг к другу и чем они глубже, тем более высокие рабочие напряжения будет иметь GAT. Недостатком GAT, как любого другого БТ, является большое время выключения вследствие наличия этапа рассасывания при глубоком насыщении базы и коллектора GAT неосновными носителями. В основу изобретения поставлена задача уменьшения степени насыщения путем шунтирования перехода база-коллектор БТ транзистором со статической индукцией и, тем самым, увеличения быстродействия БТ и уменьшения динамических потерь. Для решения поставленной задачи в БТ, содержащем высоколегированную подложку n+ -типа, на которой выращен эпитаксиальный высокоомный слой n-типа и на расстоянии друг от друга созданы глубокие высоколегированные области р+-типа, а в промежутках между ними - неглубокие высокоомные базовые робласти, в которых об-разованы. высоколегированные n+ -эмиттерные области, согласно изобретению между двумя р+-областями, прилегающими к базовым областям, сформирован омический контакт к коллекторной области и электрически соединенный с р+-областя-ми. Сформированный омический контакт в виде тонкого n+ -слоя к коллекторной области высоковольтного биполярного транзистора (ВБТ) является истоком, прилегающие р+ -области - затвором, коллектор ВБТстоком нормально закрытого СИТ, который при смещении перехода база-коллектор ВБТ в прямом направлении открывается и сопротивлением канала исток-сток шунтирует этот переход и защищает ВБТ от глубокого насыщения. Структура ВБТ изображена на фиг.1; на фиг.2 - эквивалентная схема этой структуры. ВБТ содержит высоколегированную подложку n+ -типа 1, на которой выращен высокоомный коллекторный слой n- типа 2, в нем сформированы высоколегированные глубокие области р+ -типа 3, а между ними -низколегированные неглубокие базовые области р- типа 4, в которых, в свою очередь, сформированы высоколегированные эмиттерные области n+ типа 5. Омический контакт к коллекторной области 2 образован n+ областью и металлом 7. Омические контакты металла к эмиттерной области 5 образуют электрод эмиттера 8, к областям 3 - базовый электрод 9, к подложке 1 - коллекторный электрод 10. На эквивалентной схеме (фиг.2) транзисторы со статической индукцией (СИТ) 11 и 12, образованные областями 1, 2, 3 имеют общие области стока 1,2 представляющие собой коллектор ВБТ. Затвор СИТ 11, соответствующий области 3, соединен с базой биполярного транзистора 13, а исток СИТ 11 является одновременно коллектором БТ 13, эмиттер которого (область 5) - эмиттер ВБТ. База БТ 13 через резистор 14, отражающий сопротивление р+ -областей от контакта базы 7-9 до области базы 4, соединена с базой ВБТ и с затвором, и с истоком СИТ 12 (области 3 и 6). В качестве примера приведены параметры реализованной структуры ВБТ. Подложка 1 имеет толщину 240 мкм, концентрацию примеси доноров 1019 см -3, элитаксиальный слой 2 толщиной 50 мкм, концентрация 1017 см -3; концентрация примеси в р+ -областях 3 равна 1017 см -3 , глубина этих областей - 5 мкм, расстояние между ними 12 мкм для СИТ 11 и 4 мкм для СИТ 12; в базовых областях 4 концентрация примеси 10 см , глубина их 1,5 мкм; глубина эмитерных n+ - областей 5 и области 6 равна 0,5 мкм, концентрация примеси в них 1019 см -3. Работает ВБТ следующим образом. Если на базу 9 ВБТ подать нулевое или отрицательное напряжение относительно эмиттера 8 и начать увеличивать напряжение на коллекторе 10, ВБТ будет находиться в закрытом состоянии, т.к. переход, образованный областями 5, 4, будет смещен в обратном направлении. Будет закрыт также и СИТ, образованный областями 6 (исток), 3 (затвор) и 2 (сток) за счет смыкания обедненных областей р+-n перехода 3-2, обусловленных контактной разностью потенциалов. По мере увеличения коллекторного напряжения будет возрастать толщина обедненных областей переходов 3-2 и при некотором значении они сомкнутся в биполярном транзисторе (область 5,4 и 2) в результате чего часть коллекторного напряжения будет падать на этих обедненных областях, а к коллекторному переходу 4-2 будет прикладываться только часть приложенного напряжения, чем и обеспечивается увеличение рабочих напряжений; чем ближе расположены области 3 друг к другу и чем глубже, тем выше их блокирующие свойства и выше рабочие напряжения. Однако при этом уменьшается плотность тока с единицы площади кристалла. При смещении эмиттерного перехода в прямом направлении ВБТ открывается, напряжение на коллекторном переходе уменьшается и при некотором его значении переход сместится в прямом направлении, однако глубокого насыщения не произойдет, т.к. вследствие более низкого потенциального барьера СИТ часть базового тока начнет протекать через СИТ (области 9-7, 6-2), минуя коллекторный переход 4-2. Так как в СИТ ток переносится основными носителями, накопление неосновных носителей в коллекторе не происходит. Принцип действия ВБТ по эквивалентной схеме (фиг.2) можно представить следующим образом. В случае нулевого или отрицательного напряжения между базой и эмиттером, транзисторы СИТ 11 и СИТ 12 закрыты; в СИТ 12 канал обеднен за счет контактной разности потенциалов, в истоке СИТ 11 - включен закрытый биполярный транзистор 13. Если теперь увеличить напряжение на коллекторе, то основная часть напряжения будет приложена к закрытому каналу СИТ 11 и СИТ 12 и только некоторая часть напряжения, а именно, близкое к напряжению отсечки СИТ 11, будет приложено к коллектору БТ 13. Пробой произойдет, когда напряжение на коллекторе превысит напряжение пробоя перехода затвор-сток, то есть перехода 3-2, или, когда начнет проводить СИТ 12 (контакт 6-2), или, когда произойдет прокол базы БТ 13 (смыкание переходов 2-4 и 4-5). Напряжения пробоя БТ возрастают в величину коэффициента блокирования СИТ 11, который, как уже отмечалось, тем больше, чем ближе расположены р+-области и чем они глубже, и может достигать десяти и более. При прямом смещении, т.е. когда на базу В БТ (фиг.2) подано положительное напряжение, СИТ 11 и СИТ 12 открыты, база и коллектор БТ 13 соединены между собой через малые сопротивления каналов СИТ 11 и СИТ 12, сопротивление канала СИТ 12 шунтирует переход база-коллектор БТ 13, Высоковольтный биполярный транзистор благодаря наличию СИТ-диода характеризуется высоким быстродействием и малыми динамическими потерями.