4. Охранное кольцо планарного p-n перехода и барьера Шоттки

Для уменьшения пространственной кривизны мелкого планарного p-n перехода и барьера Шоттки формируют по периметру более глубокую с меньшей концентрацией (или градиентом концентрации) примесную область в виде кольца (рисунок 5.84). Из-за более низкой концентрации (или градиента концентрации) толщина ОПЗ на периферии p-n перехода больше, чем в плоской части, что обеспечивает объёмный лавинный пробой. Такая конструкция используется в лавинно-пролётных диодах, лавинных фотодиодах и др., где необходимо исключить поверхностный пробой.

В

а)

диодах Шоттки охранное кольцо позволяет значительно понизить токи утечки и повысить напряжение лавинного пробоя. Недостаток конструкции – снижение быстродействия из-за увеличения ёмкости. В случае диода Шоттки на больших токах возможна инжекция неосновных носителей заряда из охранного кольца, что также приводит к снижению быстродействия при переключении (время рассасывания избыточного заряда).

Р

б)

Рисунок 5.85 - Структура планарного p-n перехода с делительными кольцами (а) и эквивалентная схема (б)

исунок 5.84 – структура p⁺-n перехода (а)

и диода Шоттки (б) с охранным кольцом

5. Делительные кольца планарных p-n переходов

Делительное кольцо представляет собой диффузионную область, расположенную на фиксированном расстоянии по периметру основного p-n перехода и формируемую одновременно с основным p-n переходом. Возможны конструкции с двумя и более делительными кольцами. В первом приближении расстояние между основным переходом и кольцом определяется, как δ_пр/(n+1), где n – число колец. При увеличении обратного напряжения ОПЗ расширяется как в глубь, так и латерально. При некотором напряжении ОПЗ периферии смыкается с делительным кольцом и дальнейшее приращение потенциала будет делиться между основным и переходом кольцо–n-база в латеральном направлении. В результате уменьшается пространственная кривизна и напряженность поля на поверхности (δ_S > δ_V), что повышает значение напряжения пробоя до величины, определяемой плоской частью p-n перехода (рисунок 5.85). С точки зрения эквивалентной схемы делительные кольца можно представить последовательно включёнными в обратном смещении диодами, цепочка которых включена параллельно основному p-n переходу (рисунок 5.85, б). Конструкция с делительными кольцами используется в структурах высоковольтных биполярных транзисторов. Недостаток – увеличение ёмкости коллектора.

6. Объёмные делительные слои одс

В ряде случаев требуется обеспечить большое напряжение пробоя при обратном смещении и малое сопротивление при прямом смещении одновременно с высоким быстродействием. Такие требования предъявляются, в первую очередь, к униполярным приборам: диодам Шоттки, мощным импульсным МДП-транзисторам и их разновидностям. В униполярных приборах, работающих на основных носителях заряда отсутствуют эффекты накопления избыточной концентрации, что обеспечивает их большее быстродействие по сравнению с биполярными. Однако это обстоятельство существенно усложняет вопросы обеспечения малого падения напряжения во включенном состоянии из-за отсутствия эффекта модуляции проводимости базы. Одна из возможностей уменьшения противоречий между требованием высокоомной базы для обеспечения большого обратного напряжения и низкого сопротивления базы для обеспечения малого значения падения напряжения в прямом смещении заключается в выравнивании напряжённости поля в ОПЗ при обратном смещении, как в i- области p-i-n структуры.

Для пояснения принципа действия ОДС рассмотрим p⁺-n переход (рисунок 5.86).

Рисунок 5.86 – Распределение поля в обратном смещении и структура p-n перехода с ОДС

Слой ОДС представляет собой сетку из p⁺- областей по всей площади поперечного сечения базы, расстояние между элементами которой меньше удвоенной толщины ОПЗ при напряжении смыкания основного p-n перехода с объёмным делительным слоем.

При увеличении обратного смещения до U_см блокирующим является основной металлургический переход. При дальнейшем увеличении напряжения внешний потенциал перераспределяется между основным и переходом ОДС – n-база (пунктир на рисунке 5.86).

Пробой перехода происходит, когда в плоскости металлургического или дополнительного перехода напряжённость поля достигает критического значения. Можно показать, что если ОДС расположен относительно металлургического перехода на расстоянии δ_см < 0.5δ_пр , то пробой будет определяться переходом ОДС – n-база. Если δ_см > 0.5δ_пр , то пробой определяется металлургическим переходом. При δ_см = 0.5δ_пр напряжение пробоя

,

где U_B0 – напряжение лавинного пробоя p-n перехода без ОДС, достигает максимального значения. В прямом смещении сетка ОДС уменьшает эффективную площадь сечения базы (0,5 ÷ 0,8)S₀ , что незначительно увеличивает U_пр .

Включение ОДС в квазинейтральный объем коллектора биполярного транзистора позволяет увеличить рабочее напряжение в схеме с общим эмиттером в 2 – 3 раза за счёт подавления лавинного размножения в металлургическом переходе коллектора. Особенно эффективно применение ОДС в диодах Шоттки, где ОДС позволяет исключать вход в ударную ионизацию физического перехода металл – полупроводник, тем самым, предотвращая деградацию барьера, что обеспечивает повышение надёжности приборов. Одновременно обеспечиваются более высокие рабочие напряжения при сохранении быстродействия.