УДК 621.382.333.33 МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЩНОГО

УДК 621.382.333.33
МОДЕЛИРОВАНИЕ МОЩНОГО КРЕМНИЕВОГО БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА
С ИЗОЛИРУЮЩЕЙ КАНАВКОЙ В ОБЛАСТИ ПАССИВНОЙ БАЗЫ МЕЖДУ
Р+ БАЗОВЫМ КОНТАКТОМ И ЭМИТТЕРОМ
1Поярков
В. Н., 1Кшенский О. Н., 1Шкарлат Р. С., 2Турин В. О., 2Шадрин И. Ф.
г. Болхов, ОАО «Болховский завод полупроводниковых приборов»
2Россия, г. Орёл, ФБГОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК»
1 Россия,
Приборно-технологическое моделирование показывает, что введение изолирующей канавки между
базовым и эмиттерным контактами приводит к существенному увеличению статического коэффициента
усиления и позволяет существенно увеличить длину эмиттера, без изменения размера ячейки силового
биполярного транзистора. При этом максимальное значение статического коэффициента усиления
практически не меняется, а его деградация из-за эффектов высокой инжекции уменьшается. Предложенные
изменения в конструкции прибора, за счёт общего улучшения его характеристик, существенно уменьшают
деградацию статического коэффициента усиления из-за радиационного воздействия.
Ключевые слова: силовой биполярный транзистор, статический коэффициент усиления, изолирующая
канавка, высокий уровень инжекции, радиационное воздействие, приборно-технологическое моделирование.
TCAD simulation shows that the insertion of the insulating groove between the base and emitter contacts leads
to a substantial increase of the static gain and length of the emitter can be significantly increased, without changing the
size of the power BJT cell. In this case, the maximum value of the static gain almost unchanged, while its degradation
due to the effects of high injection significantly reduced. The proposed changes in the design of the device, due to general improvements of its characteristics, significantly reduce the degradation of the static gain due to radiation dose.
Key words: power BJT, static gain, insulating groove, high injection, radiation dose, TCAD simulation.
Повышение радиационной стойкости ключевых элементов на основе мощных
биполярных транзисторов (БТ) является важной задачей, связанной с повышением
надёжности систем управления устройств автоматики для атомной промышленности. В
данной работе моделировались электрические характеристики мощного БТ - основного
элемента интегральной микросхемы серии 286ЕП. Были разработаны геометрическая и
физическая модели БТ для приборно-технологического моделирования. При моделировании
влияние дозы радиации учитывалось за счёта соответствующего уменьшения времени жизни
электронов и дырок. Результаты моделирования позволяют сформировать картину
деградации статического коэффициента усиления БТ с увеличением дозы облучения и
качественно совпадают с результатами испытаний на имитационных установках.
Анализ распределения базового тока в сечении прибора показал наличие
составляющей базового тока протекающей из базового контакта в боковую область эмиттера
вдоль высокоомной области пассивной базы. Предложено ввести в конструкцию прибора
изолирующую канавку между базовым и эмиттерным контактами, для максимальной
инжекции базового тока в область активной базы.
Рисунок 1 — Структура половины ячейки БТ для серийного прибора (а), прибора
с изолирующей канавкой (б) и с изолирующей канавкой и увеличенным эмиттером (в).
Моделирование показывает увеличение статического коэффициента усиления
приблизительно на 40% в этом случае. Т.к. размер области изоляции меньше длины
высокоомного участка между базовым контактом и эмиттером, появляется возможность
увеличить размер эмиттера приблизительно на 30%, без изменения размера транзисторной
ячейки. При этом, как показывает моделирование, заметно уменьшается деградация
коэффициента усиления, связанная с эффектами высокой инжекции. Так, в структуре с
изолирующей канавкой и с удлинённым эмиттером коэффициент усиления при высоких
плотностях коллекторного тока на 10% выше, чем в структуре только с изолирующей
канавкой.
Предложенные изменения в конструкции прибора, за счёт общего улучшения его
характеристик, существенно уменьшают деградацию статического коэффициента усиления
из-за радиационного воздействия. Результаты моделирования для меньших, из-за воздействия
радиации, значений времени жизни носителей показывают соответствующее уменьшение
статического коэффициента усиления с относительной стабилизацией его значения при
эффектах высокой инжекции.
На рисунке 1 представлена половина ячейки биполярного транзистора (по вертикали
30 мкм и по горизонтали 42 мкм), где К — коллектор, Э — эмиттер, Б — база, И - изолятор, а
— исходная структура, б — структура с добавлением изолирующей канавки, в — структура с
изолирующей канавкой и увеличенным эмиттером. Легирование базового контакта 6,4·1018
см-3, эмиттерного 1019 см-3; n+ коллектор толщиной 3 мкм легировался сурьмой с гауссовым
распределением и с концентрацией в максимуме 8·1018 см-3; n коллектор легировался сурьмой
с концентрацией 4·1018 см-3; пассивная р база толщиной 10 мкм легировалась бором с
гауссовым распределением с концентрацией в максимуме 1017 см-3; р+ базовый контакт, с
толщиной 3,8 мкм и шириной 15 мкм, легировался бором с гауссовым распределением и
концентрацией в максимуме 6,3·1018 см-3; n+ эмиттер, толщиной 7 мкм, легировался
фосфором с концентрацией 1019 см-3 (в случае серийного прибора ширина эмиттера 16 мкм, в
случае прибора с увеличенным эмиттером его ширина 27 мкм). При расчётах поперечный
размер структуры перпендикулярный плоскости рисунка полагался 1 мкм. Реальный
эффективный поперечный размер ячейки 125 мкм. Всего 390 ячеек. Соответственно, токи на
графиках надо умножать на 125 x 790 = 98750 для получения итоговых токов транзистора.
а)
б)
Рисунок 2 — зависимость статического коэффициента усиления от тока базы с 1мкм
ячейки серийного прибора (а), с изолирующей канавкой (б, штрих) и с изолирующей
канавкой и увеличенным эмиттером (б, сплошная). Толстая линия — исходный случай,
тонкая — после облучения. Напряжение на коллекторе 5 В.
На рисунке 2 представлены графики зависимости статического коэффициента
усиления от тока базы для времени жизни носителей в базе 250 нс (тонкие линии) и 500 нс
(толстые линии), где рисунок 2а соответствует структуре (а) на рисунке 1, штриховой
пунктир на рисунке 2б соответствует структуре (б), сплошная линия на рисунке 2б
соответствует структуре (в). На рисунке 3 представлены выходные характеристики при токах
базы 0,04, 0,08, 0,12, 0,16, 0,2 мкА. На рисунке 3а показаны выходные характеристики
исходной структуры, на рисунке 3б штриховым пунктиром показаны выходные
характеристики для структуры с изолирующей канавкой, сплошной линией — для структуры
с изолирующей канавкой и увеличенным эмиттером.
Рисунок 3 — ВАХ с 1мкм ячейки серийного прибора (а), с изолирующей канавкой (б,
штрих) и с изолирующей канавкой и увеличенным эмиттером (б, сплошная). Токи надо
умножать на 98750 для получения итоговых токов транзистора.
Работа выполнена при поддержке Госуниверситета-УНПК в рамках реализации
проектной части государственного задания в сфере научной деятельности 16.1117.2014/К,
гранта ВК-33-2013, а также Программы развития нанотехнологий университета [4].
Список литературы
1. Поярков, Н.Н. Моделирование мощных биполярных транзисторов после облучения
быстрыми нейтронами в САПР SYNOPSIS TCAD [Текст] / В. Н. Поярков, О.Н. Кшенский, В.О.Турин
//
Системные
проблемы
надёжности,
качества,
математического
моделирования
и
инфотелекоммуникационных технологий в инновационных проектах. Коллективная монография под
отв. редакцией д.т.н., проф. НИУ ВШЭ Кофанова Ю.Н., М.: НИУ ВШЭ, 2014. - С. 68-80.
2. Блихер, А. Физика силовых биполярных и полевых транзисторов [Текст] / А. Блихер - Л. :
Энергоатомиздат. 1986. - 248 с.
3. Таперо К. И. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического
применения [Текст] / К. И. Таперо, В. Н. Улимов, А. М. Членов. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний,
2012. – 304 с.
4. Степанов, Ю.С. Научно-образовательный центр нанотехнологий в структуре учебнонаучно-производственного университетского комплекса /Ю.С. Степанов, Г.В. Барсуков, Е.Ю.
Степанова //Наноинженерия. - № 5. – 2012. – С. 3-6.
Поярков Вячеслав Николаевич, канд.техн.наук, генеральный директор, ОАО «Болховский
завод полупроводниковых приборов», г. Болхов. E-mail: oaobzpp@mail.ru
Кшенский Олег Николаевич, канд.техн.наук, начальник СКТБ, ОАО «Болховский завод
полупроводниковых приборов», г. Болхов.
Шкарлат Роман Сергеевич, инженер-конструктор, ОАО «Болховский завод
полупроводниковых приборов», г. Болхов.
Турин Валентин Олегович, к.ф.м.н., зав. кафедрой «Физика»
«Госуниверситет — УНПК». E-mail: voturin@ostu.ru
Шадрин Иван Фёдорович, к.ф.м.н., доцент кафедры «Физика»
«Госуниверситет — УНПК».
ФГБОУ
ВПО
ФГБОУ
ВПО