Мощные высокочастотные транзисторы (стр. 7 )

Во-вторых, была предложена структура, позволяю­щая получать глубокие планарные переходы с очень высоким (до 3200 В) пробивным напряжением [15]. Важно было преодолеть основное ограничение планар-ных высоковольтных переходов — снижение пробивного напряжения вблизи от поверхности из-за локального изменения концентрации носителей, связанного с за­грязнениями (на поверхности кремния или в защитном окисле). Суть этого предложения заключалась в созда­нии вокруг основного планарного перехода на неболь­шом расстоянии от него одного или нескольких кольце­вых переходов. При подаче напряжения на основной переход область пространственного заряда у поверх­ности расширяется до тех пор, пока она не дойдет до первого кольца. С этого момента поле на поверхности ; в зазоре между основным переходом и кольцом пере­стает расти, а начинает расширяться пространственный заряд с внешней стороны первого кольца. Расширение идет, пока пространственный заряд не достигнет второ - ; го кольца, и т. д. Если зазоры между кольцами подоб - : раны так, чтобы поле на поверхности оставалось безус - j ловно меньше критического, то при достаточном числе колец можно добиться того, что пробой начнется не на поверхности, т. е. что пробивное напряжение планарно­го перехода будет увеличено до объемного пробивного напряжения плоского перехода (рис. 1.11).

Подобные структуры могут быть использованы и для устранения эффекта снижения пробивного напря­жения в расположенных неглубоко планарных перехо­дах [16]. Таким образом, делительные кольца могут быть использованы при создании сравнительно низко­вольтных мощных ВЧ транзисторов для того, чтобы залегающие мелко планарные коллекторные переходы могли иметь напряжение пробоя, близкое к пробивному напряжению плоского перехода.

Рис. 1.11. Структура планарного перехода с делительными кольцами:

1 — диффузионная область типа р; 2 — делительные кольца (получены диффу­зией примесей типа р); 3 — область пространственного заряда; 4 — исходный материал типа я

Рассмотрим вопросы, связанные с выбором формы и размеров коллекторной области. Этот выбор прихо­дится делать так, чтобы удовлетворить целому ряду противоречивых требований. Во-первых, удельное со­противление коллектора (по крайней мере, области, прилегающей к переходу коллектор — база) выбирается так, чтобы пробивное напряжение перехода (точнее, его плоской части) было равно заданному значению. Выби« рать более высокое удельное сопротивление нельзя, по-тому что это приведет к нежелательному росту сопро­тивления насыщения прибора. (На практике некоторый запас по удельному сопротивлению исходного материа­ла должен быть, так как имеющиеся в нем дефекты могут снижать пробивное напряжение.) Если удельное сопротивление выбрано, то можно определить необхо­димую толщину коллектора. Чтобы не уменьшилось пробивное напряжение, толщина коллектора не долж­на быть меньше, чем ширина пространственного заряда при напряжении, равном расчетному значению пробив­ного напряжения. В то же время эта толщина не долж­на быть больше указанного значения, чтобы не увели­чилось сопротивление насыщения прибора.

Даже при некотором запасе по толщине (при коле­бании ширины области пространственного заряда из-за возможной неоднородности или разброса удельного со­противления) толщина коллектора будет достаточно малой. Для удельных сопротивлений 1 — 5 Ом-см опти­мальная толщина коллектора будет составлять 10 — 20 мкм.

Пластины кремния толщиной 20 мкм не обладают механической прочностью. Кроме того, столь тонкие пластины практически нельзя подвергать термообработ­кам, которые неизбежны при изготовлении планарных транзисторов. Уверенно, не опасаясь коробления или поломки, можно обрабатывать пластины, толщина кото­рых составляет 150 мкм при диаметре 40 мм, 300 мкм при диаметре 60 мм и 450 мкм при диаметре 76 мм. Но даже при толщине 150 мкм сопротивление насыщения транзисторной структуры будет иметь недопустимо большое значение. Выходом из создавшегося положения является использование структур со встречной диффу­зией или эпитаксиальных структур.

В структуре со встречной диффузией исходную плас­тину кремния типа п толщиной в несколько сотен мик­рометров с обеих сторон легируют с помощью диффу­зии фосфора на глубину 130 — 180 мкм. Затем с одной стороны механически (путем шлифовки и последующей полировки) удаляют легированный слой и часть высо-коомного слоя так, чтобы оставшийся высокоомный слой имел заданную толщину. Затем в этом высокоом-ном слое создают планарную транзисторную структуру. Достоинство структур со встречной диффузией в том, что они позволяют увеличить толщину исходных плас­тин кремния и обеспечить требуемую механическую прочность, сохранив приемлемое значение сопротивле­ния насыщения. Недостаток их связан с тем, что естест­венный разброс при механических обработках и диф­фузионном легировании не позволяет точно обеспечить требуемую толщину высокоомного слоя. Поэтому вместо толщины 20 мкм ее приходится делать равной, напри­мер, 30±10 мкм. В результате или сопротивление на - сыщения будет слишком большим, или пробивное на - пряжение слишком низким.

От этого недостатка свободны эпитаксиальные структуры, представляющие собой тонкие высокоомные слои кремния, выращенные с помощью специальных процессов на низкоомных монокристаллических под­ложках так, что кристаллическая структура высокоом­ного слоя является продолжением кристаллической структуры подложки. Технология выращивания эпитак­сиальных (т. е. сохраняющих структуру подложки) слоев позволяет с высокой точностью (до ±10%) зада-вать их толщину и с приемлемой точностью (±15 — 20%) обеспечивать их заданное удельное со­противление. Недостаток эпитаксиального выращивания заключается в том, что в процессе роста на границе подложка — высокоомный слой и в самом слое могут возникать структурные дефекты, ухудшающие параме­тры приборов или приводящие к полной непригодности структур. Тем не менее с этим недостатком приходится мириться и идти на определенное, иногда значительное снижение выхода годных, так как без использования эпитаксиальных структур параметры изготавливаемых транзисторов были бы намного хуже.

Ранее отмечалось, что для улучшения ВЧ характе­ристик площадь перехода коллектор — база следует уменьшать, а для обеспечения требуемых тепловых па­раметров ее следует увеличивать. Чтобы разрешить эта противоречие, были созданы кремниевые мощные мно­гоструктурные транзисторы, представляющие собой по существу набор отдельных миниатюрных соединенных параллельно планарных транзисторов, изготовленных на общем кристалле. Если представить себе, что много-эмиттерный транзистор разделен на несколько частей» в каждой из которых сохранены имевшиеся на ней эмиттерные элементы, и что все эти части раздвинуты на сравнительно большое расстояние, то мы получим транзистор с несколькими структурами, в котором сум­марная площадь коллекторных переходов и отношение периметра эмиттера к этой площади не будут сильно отличаться от исходного многоэмиттерного транзистора. Тепловое сопротивление в многоструктурном транзисто­ре может быть сделано намного ниже, чем в многоэмит-терном с тем же числом эмиттеров, расположенных не в нескольких, а в одной базовой области. Выигрыш в тепловом сопротивлении, получаемый при переходе от одноструктурного к многоструктурному транзистору, создается в основном за счет той части RT, которая от­носится собственно к кремниевому кристаллу.

Рис. 1.12. Тепловой поток в многоэмиттерном (а) и многоструктур­ном (б) транзисторах

Некото­рый выигрыш будет иметь место и в самом корпусе за счет того, что из кристалла в корпус придет тепловой поток большего сечения, но этот выигрыш будет состав­лять сравнительно небольшую долю от того, что можно выиграть по RT в кристалле. Расчеты показывают, что за счет создания на кристалле вместо одной структуры ряда раздвинутых мелких структур разность темпера­тур между коллекторным переходом и нижней поверх­ностью кристалла может быть уменьшена в несколько раз. На рис. 1.12 можно увидеть качественно, как умень­шается тепловое сопротивление кристалла при пере­ходе к многоструктурным транзисторам. В конструкци­ях наиболее современных мощных ВЧ транзисторов уменьшение RT, связанное с переходом к большому числу структур, не всегда оказывается достаточным. Тогда в качестве дополнительной меры приходится при­бегать к уменьшению толщины кристалла после завер­шения изготовления транзисторных структур. Действи­тельно, если транзисторы изготавливать на эпитакси-альных пластинах с толщиной высокоомного слоя около 20 мкм и толщиной подложки 400 мкм и если готовую пластину с транзисторными структурами со-шлифовать со стороны подложки на 300 мкм, то можно в несколько раз уменьшить падение температуры в кристалле кремния.

Рассмотрим некоторые требования к металлизиро­ванным токоведущим дорожкам, через которые отдель­ные эмиттеры в многоэмиттерном приборе соединяются с внутренними эмиттерными проволочными выводами.

Какую бы конфигурацию мы не рассматривали (типа overlay, с сетчатым эмиттером или полосковую), метал­лизация для каждой отдельной структуры будет иметь вид гребенок, зубцы которых подходят к контактным окнам над каждым эмиттером, а также к расположен­ным между ними базовым контактным окнам. При этом зубцы эмиттерной металлизации будут чередоваться с зубцами базовой металлизации. Проходя от эмиттер-ного вывода прибора к эмиттерным областям, ток про­текает сначала по общей части металлизации, а затем по металлизированным дорожкам — зубцам, идущим вдоль полосковых эмиттеров и контактирующих с эмит­тером по всей длине полоски.

Ток, идущий вдоль зубца, создает на нем падение напряжения. В результате открывающее напряжение будет меняться вдоль каждого эмиттера, убывая от начала дорожки к ее концу. Плотность эмиттерного тока также будет падать от начала эмиттера к его кон­цу, причем это падение может быть весьма значитель­ным. В неправильно сконструированном с этой точки зрения приборе может оказаться, что в каждом эмит­тере практически работает только незначительная его часть, расположенная со стороны общей шины эмит­терной металлизации. Некоторая компенсация этого от­рицательного явления происходит за счет падения на­пряжения на зубцах базовой металлизации, оказываю­щего обратное действие, но, так как базовый ток гораздо меньше, чем эмиттерный, роль этого компенси­рующего эффекта сравнительно невелика.