Главная  Интегральный монолит 

[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [ 82 ] [83] [84]

11-8. ВЫСОКОВОЛЬТНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МОНОЛИТНЫХ СХЕМ

Пробивное напряжение р-п перехода накладывает основное ограничение на" возможность работы монолитных схем при высоких напряжениях. На рис. 2-9 Б гл. 2 показана зависимость напряжения лавинного пробоя ступенчатого р-п перехода от концентрации примесей слаболегированной стороны перехода. Пробивное напряжение в зависимости от концентрации примесей можно приближенно выразить в следующем виде (см. § 2-1):

С/1ф«2,7-1012 (11-15)

где С/пр - напряжение лавинного пробоя; N - концентрация примесей на слаболегированной стороне перехода, атомов/см.

Однако данные, приведенные на рис. 2-9, и уравнение (11-15) относятся только к лавинному пробою в кремнии. Нарущение непрерывности кристаллической рещетки кремния у поверхности и электрические заряды у поверхности раздела кремний - двуокись кремния могут изменить распределение электростатического поля в концах перехода, прилегающих к поверхности. Это приводит к сужению обедненного слоя перехода, как схематически показано на рис. 11-15,с. В результате может иметь место локальный пробой перехода у поверхности прц более низком напряжении по сравнению с пробивным напряжением, рассчитанным из уравнения (11-15).

Явление поверхностного пробоя можно значительно ослабить или даже исключить полностью путем применения электростатического экрана, размещаемого над участками перехода, выходящими к поверхности. Такой электростатический экран изготовляется осаждением металлического слоя на слой двуокиси кремния непосредственно над переходом, как это видно на

р-контакт \ ,Р

Экран

Экран


Обедненный слой а) .0)

Рис. 11-15. Влияние электростатического экрана на обедненный слой р-п перехода. а - без экрана; б - с экраном.

рис. 11-15,6. Если на экран подать более отрицательный потенциал по сравнению с и-стороной р-п перехода, то он будет стремиться расширить обедненный слой у поверхности, что и позволит устранить явление поверхностного пробоя. В боль-щинстве случаев электростатический экран соединяется непосредственно с контактом /-области путем их сплавления с тем, чтобы полностью перекрыть края р-п перехода, выходящие на поверхность; при этом толщина слоя двуокиси кремния, расположенная под электростатическим экраном, не является критичной.

В биполярных интегральных схемах переходы база - коллектор и коллектор - подложка (изолирующий переход) должны выдерживать наибольшие обратные напряжения. П]эи проектировании схемы уровень постоянного напряжения на коллекторе относительно базы и амплитуду переменного напряжения выбирают на уровне ниже напряжения источника питания. Что же касается изолирующего перехода между подложкой и коллектором, то он в любой момент времени должен находиться под обратным ньшряжением, уровень которого должен быть не менее напряжения источника питания.

Пробивное напряжение коллектор - эмиттер С/пр.кэ всегда меньше пробивного напряжения коллектор - база С/пр.кб благодаря явлению умножения носителей в базовой области. Пробивное напряжение C/iip.K3 связано с коэффициентом усиления р и пробивным напряже-



нием [Упр.кэ следующим соотноще-нием (см. § 2-1):

где т = 4 для транзисторов п-р-п типа.

Поэтому при заданном пробивном напряжении f/iip.k6 коэффициент усиления по току высоковольтного транзистора не должен быть очень большим (обычно не более 80) для того, чтобы обеспечить требуемое значение С/щ.кэ-

Для того чтобы не допустить смыкания коллекторного и эмиттерного переходов и, следовательно, пробоя транзистора, необходимо предусмотреть достаточное расстояние для увеличения толщины обедненного слоя при обратном напряжении на переходе. Толщина обедненного слоя перехода Хц зависит от величины приложенного напряжения и и от концентрации примесей N на слаболегированной стороне перехода. Для ступенчатого перехода эта зависимость может быть записана в следующем виде:

(11-17)

где е - диэлектрическая постоянная; q - заряд электрона.

При невысокой концентрации примесей величина Ха не превышает нескольких десятков микро-


Рис. 11-16. Микрофотография высоковольтного транзистора с диэлектрической изоляцией.

метров при высоких уровнях приложенного напряжения. Таким образом, при разработке высоковольтных транзисторов необходимо предусматривать большее расстояние-для расширения обедненного споя переходов коллектор - база и коллектор- подложка. Так как обедненный слой коллекторно-базового-перехода не должен сокрикасаться с захороненным слоем п+-типа, расположенного между подложкой и коллекторной областью, область-rt-типа должна иметь достаточную глубину. Это в свою очередь накладывает требование иметь большую-толщину эпитаксиального слоя (как правило, порядка 20-30 мкм).. С увеличением толщины эпитаксиального слоя время изолирующей диффузии также возрастает, что-приводит к дополнительной диффузии из захороненного слоя п+-типа в эпитаксиальную область, и при этом уменьшается эффективная толщина коллекторной области с высоким удельным сопротивлением. Это обстоятельство накладывает ограничение на толщину коллекторной области с высоким удельным: сопротивлением, которую можно изготовить в обычных планарных. зпитаксиальных устройствах, а также ограничивает максимальное-пробивное напряжение величиной приблизительно 120 В.

Некоторые из проблем, возникающие при использовании диодного метода изоляции при высоких напряжениях, можно устранить путем; применения диэлектрического метода изоляции, который был рассмотрен в гл. 1 (см. рис. .1-15).

При диэлектрическом методе изоляции удельное сопротивление области определяется выбором исходного материала, а ее глубина- первоначальной шириной окна в двуокиси кремния для травления изолирующих канавок [см. уравнение (1-18) и рис. 1-16]. На рис. 11-16 показан вид сверху высоковольтного п-р-п транзистора, при изготовлении которого исполь-



зован метод диэлектрической изоляции. Коллекторная область этого транзистора имеет удельное сопротивление 30 Ом-см, глубину изолированной области около 50 мкм и пробивное напряжение более 250 В при коэффициенте усиления по току .Р=90.

Для устранения поверхностного пробоя над коллекторно-базовым переходом расположен алюминиевый электростатический экран. При нормальной работе электростатический экран должен быть присоединен к базе или эмиттеру транзистора, так как разность потенциалов (по постоянному току) между базой и эмиттером является лишь частью полного напряжения. Следует также «меть в виду, что коллекторый л+-контакт должен располагаться на достаточно большом расстоянии от коллекторно-базового перехода с тем, чтобы было обеспечено необходимое пространство для расширения обедненного слоя при высоком напряжении.

Высоковольтные полевые транзисторы с диодным затвором и резисторы с уменьшенным поперечным сечением также можно изготовлять, используя метод диэлектрической изоляции. Рисунок 11-17 иллюстрирует схематическое устройство высоковольтного полевого транзистора с п-каналом, который имеет небольшую величину управляющего напряжения и достаточно высокое пробивное напряжение затвор- исток и затвор -сток. Такое устройство действует как полевой транзистор благодаря возможности изменения поперечного сечения канала между обедненным слоем и слоем диэлектрика, который в этом случае выполняет роль неуправляемого клапана. Глубина области в непосредственной близости от истока должна быть невелика, чтобы управляющее напряжение имело небольшую величину. Глубина области у стока несколько увеличена для того, чтобы иметь простран-ство/ для расширения обедненного

слоя перехода между затвором и стоком. Для уменьшения возможности поверхностного пробоя над переходом затвор - сток располагается электростатический экран. При работе полевого транзистора в схеме электростатический экран необходимо присоединять к затвору или истоку.

Величина тока через сток в высоковольтной схеме должна быть сведена к минимуму для того, чтобы рассеиваемая мощность не превышала допустимого уровня. Для этого в схемах часто приходится применять резисторы с большим сопротивлением. В качестве таких резисторов, имеющих большие значения сопротивления, применяются тонкопленочные или объемные резисторы, устройство которых было описано в гл. 3. В схемах с диодной изоляцией можно также применять эпитаксиальные резисторы с уменьшенным поперечным сечением. В схемах с диэлектрической изоляцией в качестве резисторов п-типа с уменьшенным поперечным сечением можно использовать высоковольтные полевые транзисторы с диодным затвором, устройство которого показано на рис. 11-17. Б этом случае затвор транзистора соединяется с истоком.

При изготовлении высоковольтных схем, как правило, наращивают более толстый слой диэлектрика на поверхности по сравнению с обычными интегральными схемами. Это делается для исключения возможности пробоя слоя двуокиси кремния между алюминиевой соеди-

licmoK - ЗатВвр Экран Стек SULJ.--


обедненный. Пплакрасталлаческай


слои

кремнии

Рис. 11-17. Высоковольтный полевой транзистор с диэлектрической изоляцией.



[0] [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] [44] [45] [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64] [65] [66] [67] [68] [69] [70] [71] [72] [73] [74] [75] [76] [77] [78] [79] [80] [81] [ 82 ] [83] [84]

0.0009