интегральный транзистор с защитой от перенапряжений

Формула изобретения

Интегральный транзистор с защитой от перенапряжений, содержащий коллекторную область первого типа проводимости, базовую область второго типа проводимости, эмиттерную область первого типа проводимости, полевой транзистор, сток которого соединен с базовой областью, а исток является базовым контактом, отличающийся тем, что полевой транзистор расположен в базовой области второго типа проводимости, область стока полевого транзистора совмещена с базовой областью, затвор подключен к коллекторной области либо омически, либо через обратно смещенный стабилитрон, выполненный в виде отдельного элемента или в виде обособленной области кристалла, при этом базовая область, прилегающая к затвору со стороны базового контакта и находящаяся между затвором и эмиттерной областью, может вытравливаться.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов, в частности к мощным высоковольтным транзисторам.

Работа мощного транзистора связана с возможностью выхода рабочей точки за пределы области безопасной работы вследствие перенапряжения или короткого замыкания в нагрузочной цепи, а также энергетического выброса индуктивности, что приводит к выходу из строя как транзистора, так и нагрузки. Существует множество методов защиты транзистора от перенапряжения. Один из таких способов описан в Европейском патенте N 0186518 A2 (N заявки 85309507.3, публикация от 02.07.86 г.). В указанном изобретении для защиты от перенапряжения используется полевой транзистор с управляющим p-n-переходом, последовательно включенный в цепь базы. Один из электродов полевого транзистора - сток - омически соединен с базовой областью биполярного транзистора, исток является базовым контактом, а коллектор этого биполярного транзистора является затвором полевого транзистора. Благодаря этой схеме взаимосоединения приборов входное сопротивление базы увеличивается для понижения тока коллектора, когда по какой-либо причине увеличивается напряжение на коллекторе (например, из-за короткого замыкания в цепи нагрузки или при коммутации индуктивности). Следует отметить, что наряду с несомненными достоинствами описанный способ приводит к значительному увеличению площади кристалла, т.к. необходимо зарезервировать площадь под полевой транзистор, выполненный в виде обособленной области кристалла. Также такая структура обладает худшими временными параметрами из-за увеличения пассивной площади базы.

Целью предлагаемого изобретения является повышение защиты транзистора от перенапряжений. Поставленная цель достигается тем, что в интегральном транзисторе с защитой от перенапряжений, содержащем коллекторную область первого типа проводимости, базовую область второго типа проводимости, эмиттерную область первого типа проводимости, полевой транзистор, сток которого соединен с базовой областью, а исток является базовым контактом, полевой транзистор располагается в базовой области второго типа проводимости, при этом область стока полевого транзистора совмещена с базовой областью, а затвор подключен к коллекторной области либо омически, либо через обратно смещенный стабилитрон, выполненный в виде отдельного элемента или в виде обособленной области кристалла. Данный полевой транзистор представляет собой прибор с двусторонним перекрытием канала, причем основная доля перекрываемой области приходится на затвор, выполненный в виде пинч-диффузионной области с фиксированным потенциалом. Этот затвор расположен в пассивной части базовой области на расстоянии, большем 2-3 длин свободного пробега неосновных носителей в базовой области от эмиттерной области для исключения влияния поверхностного паразитного транзистора. Управление напряжением, при котором начинается падение тока вследствие перекрытия канала, производится стабилитроном, выполненным в виде отдельного элемента или в виде обособленной области кристалла. Вариантная часть изобретения предполагает также изготовление меза-областей, представляющих собой вытравливаемые базовые области, прилегающие к затвору со стороны базового контакта и находящиеся между затвором и эмиттерной областью, ограничивающие выход на поверхность p-n-перехода затвор - база, а также диэлектрически изолирующих эмиттерную область и затвор. В маломощных приборах возможно создание такого транзистора с меньшим расстоянием между затвором и эмиттерной областью, т.е. при использовании поверхностного транзистора в качестве основного биполярного транзистора.

На чертеже представлен разрез части структуры интегрального транзистора с защитой от перенапряжения. Здесь области 1 и 2 - коллекторная область первого типа проводимости интегрального транзистора; 3 - базовая область второго типа проводимости; 4 - коллекторный p-n-переход интегрального транзистора; 5 - эмиттерная область первого типа проводимости; 6 - затвор вспомогательного полевого транзистора; 7 - область канала полевого транзистора второго типа проводимости; 8 - слой диэлектрика; 9 - металлизация эмиттерной области; 10 - металлизация базовой области; 11 - металлизация затвора; 12 - металлизация коллекторной области. В целях увеличения напряжения пробоя затвор - исток U_зи возможно вытравливание областей 13 и 14, с образованием меза-структуры.

Описанный транзистор работает следующим образом.

При работе прибора в схеме с общим эмиттером увеличение напряжения "коллектор-эмиттер" U_кэ приводит к протеканию в приборе двух противоположно направленных процессов.

1. Увеличение тока коллектора вследствие увеличения напряжения U_кэ.

2. Падение тока базы по причине перекрытия канала в ее цепи вследствие увеличения напряжения коллектор - база U_кб, U_кб=U_кэ-U_бэ, U_бэ - напряжение база - эмиттер; U_кб=U_зи, где U_зи - напряжение затвор - исток.

Увеличение U_кэ приводит к росту U_кб. При малых напряжениях U_кэ первый процесс носит преобладающий характер, что отображается в выходной характеристике в виде участка с положительным импедансом. Однако с ростом U_кэ второй процесс начинает превалировать над первым и происходит падение тока коллектора (появляется участок отрицательного дифференциального сопротивления - ОДС). Величина сопротивления участка ОДС зависит от ширины канала полевого транзистора. Следует отметить, что ток насыщения такого прибора определяется не током базы, а напряжением U_бэ. Включаемый в цепь затвора стабилитрон производит ограничение напряжения U_зи, поэтому с ростом U_кб, обусловленным ростом U_кэ, напряжение U_зи начинает расти только тогда, когда U_кб>U_стаб, где U_стаб - напряжение стабилизации стабилитрона. Это позволяет довольно жестко фиксировать напряжение ограничения.

Данный прибор также может работать и в цепи с общей базой, где участок ОДС также ограничивает рост тока коллектора при увеличении напряжения U_кб.

Описанная конструкция может использоваться как генератор с индуктивной нагрузкой, причем она является как нагрузкой, так и элементом колебательного контура, что обеспечивает высокий КПД такого генератора.

Для осуществления генераторного режима затвор 5 омически соединяется с коллекторной областью, что смещает рабочую область выходной характеристики (область ОДС) в сторону меньших напряжений.

Пример изготовления транзистора с защитой от перенапряжений.

На подложке 1 из легированного полупроводникового материала, например кремния, n⁺-типа с низким удельным сопротивлением (0,01 Омсм) выращен эпитаксиальный слой 2 n-типа проводимости с более высоким удельным сопротивлением (45 Омсм), чем у подложки и толщиной примерно 90 мкм. Больший или меньший уровень легирования на чертеже обозначен значками "+" и "-". С помощью известных методов диффузии и фотолитографии в слое 2 сформирована область 3 p-типа, которая образует со слоем 2 p-n-переход 4. Далее тем же способом в области 3 создаются области 5 и 6 n⁺-типа. На поверхности имеется слой двуокиси кремния, образованный после окончательной диффузии, в котором получены окна для образования омических контактов к областям 3, 5, 6. Одним из известных способов металлизации в окнах в слое 14 образуются металлические контакты 9, 10, 11 к соответствующим областям. На свободной поверхности подложки 1 формируется металлический контакт 12. Коллекторные области 1 и 2, базовая область 3 и эмиттерная область 5 образуют основной транзистор I. Этот транзистор имеет защиту в виде вспомогательного полевого транзистора II, затвор которого образован областью 6, а каналом 7 является часть базовой области 3. Затвор полевого транзистора II в зависимости от варианта включения соединен либо с обратносмещенным стабилитроном, либо с коллекторной областью.

Проверка работоспособности структуры такого интегрального транзистора подтверждает, что созданная таким образом защита отключает прибор при значительных перегрузках. Исследования генераторных свойств прибора показали наличие генерационного режима на участке ОДС. Исследования в режиме ограничения тока активной нагрузки показали возможность работы транзистора как защищенного по току ключевого элемента. Таким образом, можно создать интегральный транзистор с защитой от энергетических перегрузок простым и экономичным способом, не резервируя дополнительные площади кристалла для создания защитных областей. Описанную структуру интегрального транзистора целесообразно использовать в качестве входного транзистора схемы Дарлингтона.