182506. lajstromszámú szabadalom • Emitter elrendezés MOSFET számára
7 182506 Sok ilyen eszköz valósítható meg egyetlen félvezető lemezen, és az egyes elemek bemetszéssel vagy bármely más megfelelő módszerrel különíthetők el egymástól. A találmány egy másik jellemzője szerint a p-típusú tartomány, amely a vezérlő elektróda oxidrétege alatti csatornát alkotja, egy viszonylag mélyen diffundált réteggel rendelkezik az emitter alatt, úgyhogy a p-típusú diffúziós tartomány nagy görbületi sugárral rendelkezik az n(-) epitaxiális rétegben, amely az eszköz alapját képező testet alkotja. Ez a mélyebb diffúzió vagy mélyebb réteg javítja a feszültséggrandienst az eszköz szélén, és így lehetővé teszi az eszköz használatát nagyobb zárófeszültségek esetén is. A találmány tárgyát a továbbiakban kiviteli példák és rajzok alapján ismertetjük részletesebben. A rajzokon az 1. ábra a találmány szerint készült nagyteljesítményű MOSFET chip felülnézete, amely elsősorban a két emitter és a vezérlő elektróda fémezési mintáját szemlélteti, a 2. ábra az 1. ábra 2—2 vonala mentén vett keresztmetszet, a 3. ábra a 2. ábrához hasonló keresztmetszet, amely az 1. és 2. ábra szerinti chip gyártási folyamatának kezdő lépését mutatja, különösen a p(+) érintkező implantálását és a diffúziót, a 4. ábra a gyártási folyamat második lépését mutatja, az n(+) implantációt és a diffúziót, az 5. ábra az 1. és a 2. ábra szerinti chip gyártási folyamatának egy további lépése, a csatorna implantáció és a diffúzió, a 6. ábra a gyártási folyamat egy további lépése, az emitter kialakítása és a diffúzió; ez megelőzi az utolsó lépést, a vezérlő elektróda oxidjának kivágását a fémezési lépés számára, amelynek eredményeként létrejön a 2. ábra szerinti eszköz, a 7. ábra a találmány egy második kiviteli alakjánál a fémezési minta felülnézete, a 8. ábra a 7. ábra 8—8 vonala mentén vett keresztmetszet, a 8a. ábra a 2. ábrához hasonlóan egy módosított emitter-érintkező elrendezést mutat, a 9. ábra a 2. ábra szerinti eszköz áteresztőirányú áramkarakterisztikája, ahol az oxidréteg alatti tartomány n(-) anyagból van, a 10. ábra a 2. ábra szerinti eszköz karakterisztikája, amely eszköznél az oxidréteg alatti tartomány jó vezetőképességű n(+) anyagból van, a 11. ábra egy félvezető lemezen kialakított eszköz felülnézete a félvezető lemez megmaradó részéről való leválasztás előtt, a 12. ábra a vezérlőelektróda egy nagyított részlete, amely a vezérlő elektróda érintkezők és az emitter sokszögek viszonyát mutatja a vezérlő elektróda környezetében, a 13. ábra az emitter tartomány egy kis részének részlete az eszköz gyártási folyamatának egy fázisában, a 14. ábra a 13. ábra 14—14 vonala mentén vett keresztmetszet, és a 15. ábra a 14. ábrához hasonlóan vett metszet, amely egy poliszih'dum vezérlő elektróda, egy emitter elektróda, egy kollektorelektróda kialakítását mutatja a félvezető lemezen. Az új MOSFET eszköz találmány szerinti első kiviteli dákját az 1—2. ábra mutatja, ahol az szilícium egy kristályból (vagy más alkalmas anyagból) álló 20 chip látható az elektródákkal, amelyek a 21 szerpentin alakjában vannak kiképezve, ami jól látható az 1. ábrán, annak érdekében, hogy növekedjék az eszköz áramvezető tartománya. Más geometriai alakok is használhatók. Az ábrázolt eszköz zárófeszültsége kb. 400 Volt, és áteresztőirányú ellenállása kisebb, mint kb. 0,4 Ohm, 50 cm csatornaszélesség mellett. 90—400 Volt zárófeszültséggel rendelkező eszközöket készítettünk. A 40 Voltos eszközök 30 Amperes impulzusáram szállítására képesek. A 90 Voltos eszköz áteresztőirányú ellenállása kb. 0,1 Ohm, 50 cm csatomaszélesség mellett, és a szállított impulzusáram kb. 100 Amper is lehet. Nagyobb és kisebb feszültségű eszközök szintén készíthetők megfelelő változó csatornaszélességgel. A jelenleg ismert MOSFET eszközök a fent említettnél sokkal nagyobb áteresztőirányú ellenállással rendelkezik. Például egy az általunk javasolt eszközhöz hasonló, de ismert módon gyártott 400 Voltos MOSFET áteresztőirányú ellenállása jóval nagyobb, mint 1,5 Ohm, szemben a találmány szerinti eszköz kb. 0,4 Ohmnál kisebb áteresztőirányú ellenállásával. Ezenkívül a találmány szerinti MOSFET kapcsolóeszköz rendelkezik a MOSFET eszközök valamennyi kívánt előnyével, mivel többségi töltéshordozókkal működik. Ezek az előnyök magukban foglalják a nagy kapcsolási sebességet, a nagy erősítést és a kisebbségi töltéshordozókkal működő eszközöknél mutatkozó másodlagos karakterisztika letörés hiányát. Az 1. és 2. ábra szerinti eszköz két 22, 23 emitter elektródával rendelkezik, amelyeket a 24 vezérlő elektróda választ el egymástól. A 24 vezérlő elektróda a félvezetőtömb felületéhez van rögzítve, de attól a szilícium-dioxidból álló 25 oxidréteg választja el. A 24 vezérlő elektróda 25 oxidrétege által képzett 21 szerpentin 50 cm hosszú és 667 kanyarulattal rendelkezik, amit az 1. ábrán egyszerűsítve tüntettünk fel. Más csatornaszélességek is alkalmazhatók. A 22 és 23 emitter elektródák oldalirányban terjedhetnek ki, amint azt az ábrákon feltüntettük, és az így keletkező lemezek elősegítik a kiürítéses tartomány szétterjedését zárófeszültség mellett. A 22 és 23 emitter elektródák mindegyike áramot szolgáltat egy közös 26 kollektor elektróda felé, amely a félvezető lemez alsó részére van rögzítve. Az eszköz viszonylagos méreteit, különösen vastagságát, az áttekinthetőség kedvéért erősen torzítva ábrázoltuk a 2. ábrán. A szilíciumból álló 20 chip (vagy lemez) egy n(+) szubsztráton van kialakítva, amelynek vastagsága kb. 0,36 mm. A szubsztráton egy n(-) epitaxiális réteg van elhelyezve, amelynek vastagsága és fajlagos ellenállása a kívánt zárófeszültségtől függ. Valamennyi réteg-átmenet ebben az epitaxiális rétegben van ldalakítva, amelynek viszonylag 8 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 4
