Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время полупроводниковые приборы, имеющие вольт-амперную характеристику (ВАХ) с отрицательным дифференциальным сопротивлением (ОДС) нашли широкое применение в средствах телекоммуникаций, устройствах преобразования и отображения информации, автоматики из-за значительного упрощения многих схемных решений, снижения массогабаритных параметров, повьппения качества и надежности аппаратуры. Вместе с тем, за исключением приборов СВЧ диапазона, полупроводниковые как биполярные, так и биполярно-полевые приборы с N-образной ВАХ остаются малоизученными. Современное состояние этой области характеризуется практически полным отсутствием силовых N-приборов, выполненных в одном кристалле. Также недостаточно изучены принципы схемотехнического построения приборов данного типа. В то же время такие приборы имеют значительный потенциал в области силовой электроники с самозащитными функциями.
Развитие электроники и, прежде всего, силовой электроники привело к появлению приборов, комбинирующих разнотипные элементы в одном полупроводниковом кристалле. Использование двух различных технологий - биполярной и униполярной позволило создать биполярно-полевые приборы (БСИТ - , IGBT - транзисторы, SIT - тиристоры и т. д.), которые обладают преимуществами каждого из видов технологии. Применение биполярно-полевой технологии для создания N-приборов открывает перспективы создания приборов этого класса с улучшенными электрическими и динамическими параметрами.
Поэтому задача разработки, моделирования и исследования приборов с N-образной ВАХ на основе биполярно-полевой и биполярной технологий для повышения эффективности работы, улучшения
4 электрических характеристик (повышение значения тока максимума N-
образной ВАХ, увеличение пробивных напряжений, улучшение
управляемости параметрами ВАХ) и расширения их функциональных
возможностей является в настоящее время весьма актуальной.
Цель работы.
Улучшение параметров и расширение функциональных возможностей полупроводниковых структур и приборов с N-образной ВАХ. Для достижения цели в работе решались следующие задачи:
-
Анализ известных принципов построения полупроводниковых структур и приборов с N-образной ВАХ
-
Разработка и исследование новых интегральных биполярно-полевых полупроводниковых структур с N-образной ВАХ.
-
Физико-топологическое моделирование полупроводниковых структур с N-образной ВАХ.
-
Разработка м исследование новых биполярных приборов с N-образной вольт-амперной характеристикой.
-
Определение аналитических соотношений, пригодных для инженерных расчетов, и проведение схемотехнического моделирования биполярных N-приборов.
-
Разработка и исследование полупроводниковых структур и схемотехнических решений, на основе которых возможно создание приборов с симметричной N-образной ВАХ и N-приборов с несколькими участками ОДС на ВАХ.
-
Разработка и исследование силовых полупроводниковых приборов с N-образной вольт-амперной характеристкой.
Научная новизна.
-
Предложен метод реализации биполярно-полевых N-приборов, заключающийся во введении МДП-элемента с вертикальным каналом в активную область кристалла (область базы биполярного транзистора), что позволяет значительно сократить площадь исток-стоковых областей.
-
Предложен метод создания МДП-биполярных приборов с N-образной ВАХ, заключающийся в шунтировании базо-эмиттерного участка биполярного транзистора каналом интегрально встроенного в базовую область МДП-транзистора, управляемого по цепи обратной связи напряжением коллектора биполярного транзистора.
-
Разработаны и экспериментально исследованы схемотехнические методы создания биполярно-полевых приборов с симметричной N-образной ВАХ на основе симметричных биполярных транзисторов и элементов разделения управляющего тока в зависимости от полярности напряжения коллектор-эмиттер биполярного транзистора.
-
Предложены МДП-биполярные полупроводниковые структуры с N-образной ВАХ с несколькими участками ОДС, полученными за счет изменения толщины слоя подзатворного диэлектрика МДП-элемента.
-
Разработаны и экспериментально исследованы схемотехнические методы создания N-приборов на основе биполярных транзисторов с одинаковыми и различными типами проводимости и предложены интегральные варианты таких приборов.
-
Разработана математическая модель прибора с N-образной ВАХ на основе биполярных транзисторов одинакового типа проводимости.
-
Предложена бшолярно-полсвая структура с N-образной ВАХ повышенной мощности, отличающаяся наличием низколегированных слоев в базовой области для уменьшения значения отрицательного
дифференциального сопротивления и улучшения управляемости параметрами ВАХ.
Практическая значимость работы.
-
Предложенные МДП-биполярные структуры N-приборов позволяют сократить площадь кристалла приборов такого типа за счет введения МДП-элемента в область базы биполярного транзистора.
-
Предложенный вариант МДП-биполярного прибора с N-образной ВАХ с шунтированием базо-эмиттерного участка позволяет повысить максимально допустимое напряжение коллектор-эмиттер.
-
Предложен схемотехнический метод создания приборов с симметричной N-образной ВАХ, способных работать на переменном токе с загцитой от перегрузок.
-
Предложенные полупроводниковые структуры с N-образной ВАХ с несколькими участками ОДС могут использоваться при создании новых типов элементов многоуровневой логики.
-
Разработанная математическая модель биполярного прибора с N-образной ВАХ с шунтированием базо-эмиттерного перехода позволяет проводить инженерный расчет характеристик такого прибора.
-
Результаты моделирования и исследования биполярного N-триода на основе комплементарного включения транзисторов использованы при создании серийно выпускаемого транзистора с выходным током 25 А с защитой от перенапряжений.
-
Результаты физико-топологического моделирования полупроводниковой биполярно-полевой структуры повышенной мощности могут использоваться при создании интегральных "разумных" транзисторов для силовой электроники.
Положения выносимые на защиту:
-
Введение МДП-элемента с вертикальным каналом или каналом, шунтирующим эмитер-базовый участок, в область базы биполярного транзистора с одновременным созданием управляющей цепи обратной связи по напряжению, как показывают результаты физико-топологического моделирования, позволяет создать МДП-бішолярньїй N-прибор с наименьшими затратами площади кристалла.
-
Использование МДП-элемента с вертикальным каналом с различными толщинами подзатворного диэлектрика, введением в базовую область кристалла, как показывают результаты экспериментального исследования схем замещения, позволяет реализовать биполярно-полевую структуру с N-образной ВАХ с несколькими участками ОДС.
-
Использование симметричных биполярных транзисторов и элементов разделения управляющего тока в зависимости от полярности напряжения коллектор-эмиттер биполярного транзистора, как показывают результаты экспериментального исследования схемотехнических моделей, позволяет создать биполярно-полевые приборы с симметричной N-образной ВАХ.
-
Предложенные варианты биполярных N-приборов на основе комплементарного включения транзисторов и шунтирования базо-эмиттерного перехода, как показывают результаты математического моделирования и экспериментального исследования, позволяют создать, N-приборы повышенной мощности с рабочими токами до 25А.
5. Использование дополнительной низколегированной области под
пинч-лентой в типовой конструкции силового биполярного
транзистора с пикч-резистором, ограничивающим инжекцию
носителей заряда боковой поверхностью эмиттера, как показывают
результаты физико-топологического моделирования и
8 экспериментального исследования опытных, образцов позволяют создать
биполярно-полевой N-прибор с управляющим р-n- переходом
повышенной мощности.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались на 3-й Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения" (Новосибіфск, 1996); 3-й Международной конференции "Распознавание-97" (Курск, 1997); Межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и информатика" (Москва, 1998), 5-й всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, 1998), 6-й всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, 1999), Международном научно-техническом симпозиуме "Надежность и качество" (Пенза, 2000), 7-й всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники" (Дивноморское, 2000), на научных семинарах кафедр микроэлектроники и физики и технологии интегральных микросхем Ульяновского государственного университета.
Достоверность результатов.
Достоверность научных результатов обусловлена применением в экспериментах стандартной измерительной аппаратуры, апробированных методик и пакетов программ физико-топологического моделирования, согласованностью полученных результатов с данными других исследователей, соответствием результатов расчета и эксперимента, результатами промышленных испытаний, проведенных на этапах разработки и внедрения приборов с N-образной ВАХ.
9 Личный вклад автора.
В диссертационной работе изложены результаты, которые были получены автором самостоятельно и в соавторстве, при этом автор разрабатывал методы реализации N-приборов, методики исследований, принимал участие в изготовлении измерительных установок, макетных и опытных образцов, осуществлял подготовку и настройку программного обеспечения, проводил моделирование, расчеты и эксперименты, осуществлял обработку, анализ и обобщение получаемых результатов.
Публикации.
По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 статьи и 9 материалов и тезисов докладов на научно-технических конференциях, 2 научно-технических отчета по грантам -РФФИ "Р-Волга 98" и Мин. образования РФ.
Структура работы.
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, и списка цитируемой литературы из ПО наименований, содержит 152 страницы текста и 107 рисунков, включая оглавление и список литературы.
