книги из ГПНТБ / Кремниевые планарные транзисторы

кой плотности свободных носителей заряда в обедненном слое кол­ лекторного перехода на распределение напряженности поля и на коэффициент умножения М. Однако, как видно из формулы (4.46), концентрация электронов п (х) становится сравнимой с концентра­ цией доноров NdK в коллекторном р-п переходе лишь при очень больших плотностях токов / э « (2—5) • 103 А/см2 . При столь высо­ ких плотностях токов /а , по-видимому, более важными для наступ­ ления вторичного пробоя будут чисто термические, а не электри­ ческие эффекты.

Специфичным для мощных эпитаксиально-планарных ВЧ и СВЧ транзисторов, полученных путем диффузии в тонкий высокоомный слой коллектора, является такой вторичный пробой, время задержки которого на несколько порядков величины меньше, чем для транзисторов с достаточно толстым высокоомным слоем кол­ лектора [218]. В данном случае явление вторичного пробоя носит нетепловой характер и связано с лавинной инжекцией в высо­ коомном коллекторном слое [219, 220].

Всего к настоящему времени опубликовано более трехсот работ, посвященных теоретическому и экспериментальному изу­ чению явления вторичного пробоя, что говорит о пристальном вни­ мании к этой проблеме (исчерпывающий обзор различных механиз­

ко вторичному пробою (и, в частности, проблема термической ста­ бильности) является особенно насущной в связи с тем, что при ис­ пользовании мощных транзисторов ВЧ и СВЧ диапазона в реаль­ ных схемах усиления мощности рабочая точка проходит широкий интервал различных значений токов и напряжений.

Пожалуй, наибольший интерес представляет изучение явления вторичного пробоя в случае работы транзистора в активной области (прямое смещение на переходе эмиттер — база), когда оно обуслов­ лено перераспределением тока в транзисторной структуре и потерей термической устойчивости. Как уже отмечалось, в реальных тран­ зисторах существует ряд причин, приводящих к нарушению рав­ номерного распределения тока и образованию локальных областей перегрева («горячих пятен»).

Некоторые из них достаточно подробно описывались в преды­ дущих главах настоящей книги. Поэтому имеет смысл привести лишь более четкую классификацию возможных причин концентра­ ции тока применительно к рассматриваемой проблеме. *

Прежде всего отметим, что перераспределение тока в транзис­ торной структуре может быть вызвано постоянно действующими факторами. К таким факторам относятся:

1. Оттеснение тока к периферийной части эмиттерного р-п пе­ рехода за счет того, что напряжение ІІЭ Р-п, приложенное к различ­ ным участкам этого перехода, неодинаково вследствие падения на­ пряжения на базовом слое при протекании базового тока (см. § 4.1). В результате этого наибольшее смещение 1!э р.п и плотность тока

274

оказываются у краевых участков эмиттера, в то время как инжекция в центральной части значительно ослаблена и иногда ею во­ обще можно пренебречь. В последнее время было проведено более детальное изучение характера распределения тока в пределах от­ дельной эмиттерной области для гребенчатой структуры транзистора [222]. Авторами данной работы показано, что существует другой возможный механизм концентрации тока в пределах эмиттерной области, возникающий из-за температурного градиента в области эмиттерного р-п перехода при высоких уровнях рассеиваемой мощности.

Анализ явления оттеснения тока к периферийной части эмит­ тера всегда проводился в предположении, что эмиттерная область изотермична. Однако такое допущение оказывается справедливым только для значений коллекторных напряжений, приближающихся

в области эмиттерного перехода. В результате этого температура центральной части эмиттера оказывается наиболее высокой, что может привести к концентрации тока в этом месте, т. е. к появлению термической нестабильности. Величина температурного градиента (так же, как и абсолютное значение температуры) будет зависеть от ширины эмиттерных полосок, уровня тока и коллекторного на­ пряжения, толщины кристалла и температуры теплоотвода. В за­ висимости от соотношения рабочих значений тока и напряжения может преобладать тот или иной механизм оттеснения тока, вслед­ ствие чего концентрация тока возникает либо в периферийной, либо в центральной части эмиттера. В принципе транзисторы могут иметь максимальную плотность тока в любой области эмиттера, что определяется конкретными рабочими условиями и структурой тран­ зистора. Уменьшение ширины эмиттерных зубцов до 1—3 мкм всегда оказывается эффективным для предотвращения значительной кон­

приводит к тому, что плотность тока будет максимальной в начале эмиттерных зубцов (т. е. в той части, где они объединяются общей металлизацией).

Существуют также причины случайного характера, которые с неизбежностью приводят к концентрации тока в локализованной области структуры транзистора:

1) неоднородность толщины диффузионных слоев и переход­ ного сопротивления в области омических контактов эмиттера и базы. Непосредственным результатом этого является различие в ве­ личине коэффициента передачи тока а и плотности тока / к для различных областей структуры, вследствие чего какая-то область берет на себя большую часть тока через транзистор [189];

275

кристалла или из-за различной толщины отдельных кристаллов, объединяемых параллельно в одном корпусе для получения задан­ ной мощности;

3) дефекты в области р-п переходов (дислокации, скопление примесей) и в геометрии структуры;

4) неоднородность удельного сопротивления и толщины эпитаксиального слоя, перетравливание металлизированных дорожек к ак­ тивным областям или наличие более тонкого слоя напыленного ме­ талла над ступенькой в окисной пленке и т. д.

Все эти причины случайного характера в значительной степени способствуют возникновению точек перегрева и увеличивают вероят­ ность вторичного пробоя, однако в принципе их нельзя считать ответственными за механизм термической нестабильности. Лучшим доказательством этого является тот факт, что все приборы, незави­ симо от технологии их изготовления и принятия самых тщательных мер по устранению случайных факторов, в определенных условиях подвержены вторичному пробою. Данное положение сохраняется и в том случае, когда топология транзистора разработана с учетом ограничения действия причин систематического характера, отме­ ченных ранее.

В связи с этим необходимо, очевидно, рассмотреть физические явления, которые закономерно приводят к появлению термической неустойчивости и вторичному пробою в условиях прямого смещещения перехода эмиттер — база и которые нашли свое отражение

втеории поперечной тепловой нестабильности Скарлетта — Шокли

иБергманна — Герстнера. В рамках этой теории, развитой впос­ ледствии во многих других работах (см., например, [183, 223—225]), первоначальное распределение тока предполагается однородным; кроме того, предполагается, что лавинообразным размножением носителей в области коллекторного р-п перехода можно пренеб­ речь, и поэтому эта теория описывает неустойчивость только при напряжениях, меньших UKg 0.

Согласно теории, предложенной авторами работ [211, 212], термическая неустойчивость является фундаментальным явлением. Она может возникнуть в любом транзисторе в том случае, когда локальное повышение температуры ДТ за счет первоначально воз­ никшего возмущения тока Ä / x достаточно велико для того, чтобы вызвать увеличение тока инжекции А / 2 , превышающее Д / х . Пер­ воначальное возмущение тока, в свою очередь, обусловлено причи­ нами чисто вероятностного, статистического характера.

В самом деле, известно, что плотность тока через переход эмит­ тер — база определяется соотношением (3.23). Поскольку кон­ центрация носителей в собственном полупроводнике согласно (6.12) равна

276

В соответствии с выражением (10.1) любое локальное повыше­ ние температуры р-п перехода А,Тр-п приводит к локальному уве­ личению тока (при постоянном напряжении U3 р . п ) , т. е. фактически к повышению уровня рассеиваемой мощности в данном месте. Это, в свою очередь, вновь вызывает повышение температуры и т. д.

Результатом действия такой положительной термической обрат­ ной связи являются тепловая нестабильность и стягивание тока в пределы небольшой области, приводящие, как правило, ко вто­ ричному пробою.

Таким образом, в основе теории тепловой нестабильности лежит концепция положительной термической обратной связи, возникаю­ щей в результате взаимодействия локального повышения темпе­ ратуры и возросшей плотности рабочего тока и приводящей к обра­ зованию горячего пятна. Температура такого горячего пятна сос­ тавляет по оценкам различных исследователей 350—500° С. Не­ большое увеличение рассеиваемой мощности приводит к локаль­ ному тепловому пробою в этих пятнах.

Для того чтобы в рамках предложенной теории вывести крите­ рий тепловой стабильности, необходимо рассмотреть некоторые но­ вые физические величины и, прежде всего, температурный коэф­ фициент эмиттерного тока ато (иногда называемый также темпе­ ратурным коэффициентом перехода эмиттер — база).

По определению.

277

эмиттерном р-п переходе оэ р.п^ 0,65—0,7 В из (10.3) получаем,

(7эб- Однако экспериментальные исследования [224] показывают, что реальные значения температурного коэффициента эмиттерного тока ат при больших эмиттерных токах Ід оказываются значитель­

приложенное к эмиттерному переходу [183], не совпадает с напря­

сопротивление пассивной части базовой области, которое опреде­ ляется расстоянием от границы эмиттерного перехода до базового

Тогда, с учетом соотношений (10.3) и (10.5), более точное выражение для температурного коэффициента эмиттерного тока будет иметь вид

Т 1+ ( ? / А Г р . п ) [ г ; + ^ п / ( 1 + в с т ) ] / э '

где коэффициент ато определяется из формулы (10.3). Как видно из выражения (10.6), коэффициент ат убывает с ростом эмиттерного

тока / э .

Рассмотрим теперь влияние локального повышения плотности тока на поведение транзистора, в котором первоначальное распре­ деление тока предполагается равномерным. Обозначим флюктуационное отклонение тока (в сторону больших значений) в какомлибо участке транзисторной структуры через Д / х . При постоянном напряжении UK (рис. 10.3) это приведет к возрастанию мощности

новании формулы (9.18)]. В соответствии с (10.1) это повышение

не включает в себя дифференциальное сопротивление эмиттера гд р_„.

278

будет связано с первоначальным отклонением тока через показатель стабильности s, а именно

напряжении) вызывает достаточное увеличение температуры, чтобы поддержать это изменение тока A / l t т. е. имеет место условие само­ баланса.

р-п переходов относительно корпуса может быть совершенно незна­

чителен. Наоборот, при больших токах растет падение напряжения

Как было отмечено ранее, топология структуры мощных тран- 'зисторов обычно представляет собой параллельную комбинацию многих отдельных активных ячеек (иногда для получения заданной мощности просто осуществляют параллельное соединение большого количества маленьких транзисторов, выполненных на одной пла­ стинке кремния).

В связи с этим большой интерес представляет изучение внут­ ренней тепловой нестабильности в системе параллельных транзисто­ ров или многих ячеек одного транзистора. Возникновение положи­ тельной термической обратной связи в любой отдельной ячейке (отдельном транзисторе) общей параллельной цепочки приведет к тому, что эта ячейка будет стремиться взять на.себя все большую часть тока, в то время как остальная часть транзистора останется относительно холодной. Если не принять специальных мер, то прибор попадет в область вторичного пробоя с последующим вы­ ходом из строя.

Д л я оценки стабильности такой системы рас­ смотрим для простоты параллельную комбинацию двух транзисторов, как это показано на рис. 10.4, a [211]. Условие стабильной работы такой параллель­ ной цепочки зависит не .только от характеристик отдельных транзисторов, но также и от их спо-

Рис. 10.3. Схема для определения показателя ста­ бильности 5.

279

двумя такими транзисторами (так же, как и неравномерное распределение

состояние возмущения, когда для каждого из транзисторов существует отк­ лонение в величине тока, равное і (положительное для левого транзистора и отрицательное для правого). Соответствующее отклонение температуры равно ОТ. Приращение теплового потока от левого, более нагретого транзис­

тору слева. Таким образом, отклонение в температуре 6Т приводит к увели­

При таком положении возможно появление тепловой нестабильности, когда один прибор нагревается, а второй соответственно охлаждается. Очевидно, что показатель стабильности, соответствующей эквивалентной схеме рис. 10.4, б, может быть записан как

ности s для одиночного транзистора с равномерным распределением тока (10.7). Условие (10.9), называемое иногда условием самобаланса, непосред­

мическая неустойчивость с последующим образованием горячего пятна, раз­ меры которого 5 П до определенной температуры ограничены сопротивлением базы и коллектора. Если температура горячего пятна настолько высока, что носители, возникшие за счет тепловой генерации в коллекторном р-п пере-

Рис. 10.4. Параллельная комбинация двух идентичных транзисторов [211J.

280

пряжения на сопротивлении активной базы эмиттерный ток концентрируется под центром эмиттерной полоски и реализуются условия для локализованно­ го теплового пробоя.

В более поздней работе [225] приводится несколько уточненная мо­ дель термической обратное связи для определения области безопасной ра­ боты транзистора. Эта модель (рис. 10.5) учитывает возможное умножение

где Л„р = МІІкъ — усиление для прямого потока мощности.

Сучетом концентрации тока в какой-либо области транзисторной

величиной неустановившейся однородной температуры перехода (т. е. фак­

Следовательно, условие потери термической устойчивости и начало развития

Как уже отмечалось, механизм развития вторичного пробоя, основанный на теории тепловой нестабильности, действует при напряжениях, меньших Um о-

Если не принять специальных мер и исходить из теоретиче­ ской гиперболы (7К = Р к м а к с / ^ к э ) рассеиваемой мощности, по­ строенной в предположении постоянного теплового сопротивления, то это может привести к катастрофическим отказам. Непосредствен­ ные измерения теплового сопротивления, выполненные авторами работ [186, 187], показали, что формула (9.18), определяющая мак-

281

симально допустимую мощность рассеяния, справедлива только в области малых напряжений — больших токов. Начиная с неко­ торого критического уровня напряжения, в транзисторной струк­ туре появляются области локального перегрева («горячие пятна»). Следствием этого являются серьезные (иногда на порядок величины) ограничения уровня рассеиваемой мощности при условии прямого смещения перехода эмиттер — база. По мере повышения напряже­ ния вплоть до иид = ІІКЭ о несоответствие становится еще более резким, возможно, в связи с тем, что начинает действовать допол­ нительный механизм электрической неустойчивости, связанный с лавинным умножением в коллекторном р-п переходе, и вероятность возникновения вторичного пробоя увеличивается.

На образование областей перегрева из-за явлений, связанных с концентрацией тока, указывает большое количество эксперимен­ тальных фактов.

Если, например, в качестве параметра, чувствительного к тем­

пределения в структуре мощного транзистора с большой площадью может служить появление участка с отрицательным сопротив­

ка с отрицательным сопротивлением при повышении температуры является фундаментальным явлением [183] и присуще всем тран­ зисторам, в том числе и маломощным. В самом деле, из соотноше­ ния (10.1) видно, что если при повышении температуры ток эмиттера поддерживать постоянным, то это фактически будет означать уменьшение напряжения U3p.n. При этом производная (dU3 Р-п/дТ)Іэ== const представляет собой отрицательную величину, характеризующую уменьшение напряжения эмиттер — база приб­ лизительно на 2 мВ при повышении температуры на 1° С. При низ­ ких уровнях тока, когда рассеиваемая мощность относительно мала,

282

падать—транзистор обнаруживает тепло­ вую нестабильность. Степень отклонения фактической кривой влево зависит от те­ плового сопротивления и концентрации тока.

Аналогично (рис. 10.8) произведение г'бСк при повышении напряжения UKa начинает резко возрастать также при меньших постоянных токах Ік. При импульсных измерениях ход зависимо­ сти предельной частоты }т от тока коллектора по мере роста напря­ жения UK3 носит противоположный характер по сравнению со случаем измерений в статическом режиме (см. сплошные кривые на рис. 10.7). Как показано в гл. 5, резкий спад /V и рост емкости коллектора С к в планарных транзисторах имеют место при плот-

eorpçCK,nc ыов

401

20

283