183428. lajstromszámú szabadalom • Bipoláris tranzisztor, különösen nagyteljesítményre
1 183 428 2 A találmány tárgya bipoláris tranzisztor, amelynek első vezetési típusú kollektortestében vagy kollektortestén elhelyezkedő második vezetési típusú bázisrétege és a bázisrétegben elhelyezkedő első vezetési típusú, egy vagy több elemből álló emiterrétege van. A találmány szerinti bipoláris tranzisztor különösen nagyteljesítményű alkalmazásra ajánlatos, annak biztonságos működési tartományának javítására. A teljesítménytranzisztorok területén ismert probléma a nyitóirányú másodlagos letörés korlátozó hatása, amelynek megoldása a homogén árameloszlás megvalósításában rejlik. A homogén árameloszlás kialakulását gátolja azonban a belső bázisellenállás következtében fellépő áramkiszorulás. Az áramkiszorulás miatt az emitteráram az emitterperem közelébe koncentrálódik és így ezen a helyen jelentősen megnő az áramsűrűség, amihez még az is hozzájárul, hogy amúgy is éppen ez a perem az emitterbázis átmenetek villamos paraméterek szempontjából legkritikusabb része. Mindebből következik, hogy az egyes konstrukciós megoldások során törekedni kell az áramkiszorulás csökkentésére. Egyik általánosan elterjedt megoldás szerint az emitter peremnek a hosszát megnövelik az emitterréteg alapterületéhez képest, így alakultak ki a különféle sokujjas emítteralakzatok. Ez a konstrukció azonban helyigényes. Egy másik konstrukció szerint negatív visszacsatoló ellenállást építenek a teljesítménytranzisztorba, mely az emitteráram növekedése esetén a növekvő feszültségesés következtében visszaszabályozza az illető helyen az emitteráramot. Ilyet ismertet az 1 589 709 lajstromszámú NSZK szabadalmi leírás, ahol az emitterréteg és a kontaktusfém között hoznak létre nagy' átmeneti ellenállású közbenső réteget. E megoldásnak több hátránya is van, így' például nem növelhető a visszacsatoló ellenállás értéke tetszés szerint, mivel rajta folyik át a teljes emitteráram, azonkívül az ezen eső feszültség rontja a tranzisztor szaturációs feszültségét, továbbá e megoldás nem tesz különbséget a kritikusabb emitterperem és a kevésbé kritikus emitterbelső között. Szokásos konstrukciós megoldás szerint (például a Motorola cég „power base’" konstrukciója) a bázisoldalon építenek be kiegyenlítő ellenállást. Ennek viszont olyan hátrányai vannak, hogy például igen vékony bázisréteg esetén nehezen építhető be a kiegyenlítő ellenállás, továbbá az, hogy magasabb üzemi hőmérsékleten csökken a hatása. A találmány célja olyan konstrukció biztosítása, melynél a nyitóirányű másodlagos letörés korlátozó hatásainak csökkenése fenti hátrányok nélkül érhető el. A találmány azon a felismerésen alapul, hogy az emitterárameloszlás egyenletesebbé tehető, ha az emitterréteg az emitterperemnél az emitterbelsőt körülvevő befűzött ellenállással (pinch out resistor) rendelkezik. Ennek megfelelően a találmány bipoláris tranzisztor, melynek első vezetési típusú kollektortestében vagy kollektortestén elhelyezkedő második vezetési típusú bázisrétege és a bázisrétegben elhelyezkedő első vezetési típusú, egy vagy több elemből álló emitterrétege van úgy', hogy az emitterréteg az emitterperem közelében egy' folytonos és az emitterbelsőt körülvevő befűzött ellenállással rendelkezik. Célszerű ezt a befűzött ellenállást úgy' választani, hogy' állandó szelességben vegye körül az emitterbelsőt. Találmányunk a befűzött ellenállás konstrukciós kialakítására több megoldást is tartalmaz anélkül, hogy' ezekre korlátoznánk oltalmi igényünket. Egyik megoldás 2 szerint az emitterrétegben kialakított és az emitterbelsőt körülvevő második, azaz az emitterrétegével ellentétes vezetési típusú sáv van, mely alatt alakul ki a befűzött ellenállás. A második bevezetési típusú sáv az enritterperemtől a diffúziós úthossznál célszerűen nagyobb távolságban helyezkedik el. Másik kiviteli alak szerint az emitterrétegben az emitterperemnél mart árok van, mely alatt helyezkedik el a befűzött ellenállás. Célszerű kialakítás, amelynél a mart árok az emitterperemnél átnyúlva beleér a bázisrétegbe is. Egy további kiviteli alak, amelynél az emitterrétegben az emitterperemnél ín-situ növesztett benyúló oxidréteg szűkíti az emitterréteget, létrehozva a befűzött ellenállást. Ez a benyúló oxidréteg célszerűen átnyúlik a bázisrétegbe is. További kiviteli alak, amelynél az emitterrétegben az emitterperemnél kialakított mart árok és abban helyet foglaló in-situ növesztett benyúló oxidréteg is van és ezek célszerűen átnyúlnak a bázisrétegbe is. A találmány szerinti konstrukció előnyei az alábbiakban foglalhatók össze: Az ismertetett megoldásnál a kritikus emitterperemnél korlátozódik az emitteráram és így csökken az emitteráramkiszorulás. Mivel a bázisáram nem tud rekombinálódni az emitterperemnél, átfolyik a belső bázisellenálláson is, miáltal kialakul a bázisoldalon egy virtuális kiegyenlítő ellenállás is. Mind az emitteráramkiszorulás csökkenése, mind pedig a bázisoldali virtuális kiegyenlítő ellenállás kialakulása a nyitóirányú másodlagos letörés korlátozó hatását csökkenti, így a két mechanizmus egyidejűleg lép fel, ami a hatást növeli. Az egyenletesebb emitteráram eloszlás azt is eredményezi, hogy a záróirányú másodlagos letörés korlátozó hatása is csökken, továbbá a bétaesés csak nagyobb kollektoráramoknál kezdődik. A találmány szerinti megoldásnál elmarad az egyes más megoldásoknál tapasztalható szaturációs feszültség romlás. Az 1., 2., valamint 3. ábrákon a találmány szerinti planár tranzisztor befűzött ellenállásának kialakítására mutatunk be példákat. Az 1. ábrán olyan teljesítmény tranzisztor látható, melynél a befűzött ellenállást az első vezetési típusú emitterrétegben kialakított második vezetési típusú sáv hozza létre. Az n vezetési típusú 10 kollektortesten helyezkedik el a p vezetési típusú epitaxiális 12 alapbázisréteg, melyben egy ugyancsak p vezetési típusú diffúziós 14 bázisréteg van kialakítva. A diffúziós 14 bázisiétegben helyezkedik el az n wzetési típusú 18 emitterréteg, amelyben a 19 emitterperem közelében a p vezetési típusú 20 diffúziós gyűrű van kialakítva, mely a 17 emitterbelsőt körülveszi: A 18 emitterréteget és a 20 diffúziós gyűrűt a 24 oxidrétegen nyitott 25 kontaktusablakban elhelyezkedő 26 kontaktusfém rövidrezárja-Mivel a 20 diffúziós gyűrű által létrehozott 22 befűzött ellenállás miatt a bázisáram a 18 emitterréteg alá folyik, hatásossá válik a 16 bázisoldali virtuális kiegyenlítő ellenállás. E példa szerinti npn teljesítménytranzisztor előnyös méretezése a következő: A 12 alapbázisréteg 2,5 Ohmcm fajlagos ellenállású és 12 jum vastagságú. A diffúziós 14 bázisréteg 100-120 ohrn/ü rétegelicnállású és 4,0-4,5 gm mélységű. A 18 emitterréteg 10-12 Ohm/c rétegellenállású és kb. 4 pm mélységű. A 20 diffúziós gyűrű 10-50 pm, célszerűen 15-20 pm szélességű és 1—3 pm, célszerűen l,8-2,0pm 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65
