Биполярный транзистор с изолированным электродом затвора

Биполярный транзистор с изолированным электродом затвора

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области полупроводниковой технологии. Оно касается биполярного транзистора с изолированным затвором (IGBT) согласно ограничительной части пункта 1 или 2 формулы изобретения.

Биполярный транзистор с изолированным затвором такого типа известен из US-A-5 208 471. Там раскрыт кристалл биполярного транзистора с изолированным затвором, который имеет множество параллельно включенных отдельных ячеек биполярного транзистора с изолированным затвором, первый и второй основные выводы и вывод затвора. Вывод затвора электрически соединен с электродами затвора отдельных ячеек биполярного транзистора с изолированным затвором. Электроды затвора образованы соединенными параллельно слоями поликремния.

В биполярных транзисторах с изолированным затвором, согласно уровню техники, сигнал затвора в кристалле биполярного транзистора с изолированным затвором и минимальной поверхностью 0,2 см сначала распределяется по периферии кристалла с помощью питателей затвора.

Узкие полоски (элементы затвора) затем проводят сигнал внутрь кристалла (отчетливо показаны в ЕР 0755076 А2). Как питатели затвора, так и элементы затвора состоят из алюминиевой металлизации. Возможно также распределять сигнал по поверхности кристалла исходя из расположенной в одном углу или в центре подушки затвора через элементы затвора (смотри фиг.1).Обычно применяемое конструкционное правило гласит, что расстояние х между элементами затвора должно соответствовать следующему условию.

где R обозначает сопротивление слоя поликремния, который проводит сигнал с элемента затвора на физический затвор, с обозначает емкость слоя металл-оксид-полупроводник (МОП) на единицу поверхности затвора и τ - характерное время переключения биполярного транзистора с изолированным затвором, определяемое как τ =R_Gate·С_tot где R_gate обозначает сопротивление затвора и С_tot - общую емкость слоя МОП кристалла. Типичными являются величины с=30 нФ/см², R=30 Ом и τ =200 нс. Это приводит к × <<0,47 см. Если выполнено это условие, то независимо от добавочного сопротивления затвора распределение напряжения в затворе в любой момент времени является плоским и тем самым плотность тока - гомогенной.

Однако элементы затвора требуют сложной и дорогостоящей металлизации припоем, если необходима пайка со стороны катода, и предъявляют высокие требования к пассивации. Изъяны пассивации приводят к коротким замыканиям между затвором и эмиттером, которые проявляются в виде досрочных выходов из строя и которые можно обнаружить только с помощью дорогостоящих испытаний на термическое старение. Аналогичные проблемы возникают при прижимном контактировании.

В статье Ивамуро и др. "Экспериментальная демонстрация МОП-тиристора с двойным затвором". Proceedings of the 7th International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC's (ISPSD), Yokohama, Май 23-25 1995, Nr. SYMP. 7, 23 мая 1995, страницы 18-23, ХР 000594234 Institute of Electrical and Electronics Engineers, раскрыт МОП-тиристор с двойным затвором, в котором скомбинирован биполярный транзистор с изолированным затвором и тиристор. Общий полупроводниковый элемент имеет площадь 0,25 см, причем имеет переключательную способность 100 А/см².

В основу изобретения положена задача создания биполярного транзистора с изолированным затвором, который можно изготавливать простым образом и который несмотря на это переключает гомогенно. Эта задача решена с помощью признаков независимых пунктов формулы изобретения.

Основной идеей изобретения является то, что ток затвора в кристалле биполярного транзистора с изолированным затвором, исходя из вывода затвора, через слои поликремния электродов затвора непосредственно направляется к отдельным ячейкам биполярного транзистора с изолированным затвором без применения элементов затвора. Согласно первому варианту выполнения сигнал затвора можно подводить к кристаллу биполярного транзистора с изолированным затвором через расположенный в углу вывод затвора (подушку затвора) или, согласно второму варианту выполнения, - через центральный вывод затвора.

Таким образом, изобретение диаметрально противоположно преобладающему мнению, что, начиная с определенной величины кристалла, гомогенное включение достигается только при применении элементов затвора. В противоположность этому изобретатели впервые установили, что максимальная плотность рассеиваемой мощности является всегда гомогенной, если все еще гомогенной является распределение плазмы. Биполярный компонент ведет себя, в частности, в момент времени, когда МОП-ток в нем не является больше достаточным для поддержания внешнего тока, принципиально по-другому, чем униполярный элемент, например, МОП-транзистор. После этого момента времени происходит переход от биполярного тока к чисто дырочному току, сопровождаемый рассасыванием неосновных носителей главного перехода. Как только этот процесс заканчивается, полный ток обеспечивается дырками и создается зона пространственного заряда. Однако распределение плазмы в поперечном направлении все еще достаточно гомогенное. Поэтому быстро гомогенизируется также очень негомогенное распределение тока. В момент максимальной мощности рассеяния распределение тока почти гомогенно. Поэтому не сокращается область надежной работы и едва изменяется энергия переключения. В результате можно изготавливать биполярные транзисторы с изолированным затвором без элементов затвора, даже если превышается минимальная поверхность 0,2 см², которая считается необходимой для МОП-транзисторов без элементов затвора.

На фиг.2а и 2b показан пример выполнения кристалла 1 биполярного транзистора с изолированным затвором согласно изобретению. Показан первый основной вывод 3, который окружен изоляцией 7 и рамкой 8 затвора. Рамка 8 затвора соединена с выводом 4 затвора, от которого, например, гибкий металлический проводник может вести к соответствующему выводу на корпусе. В противоположность этому, согласно уровню техники предусмотрены, как показано на фиг.1а и 1b, элементы затвора 6, которые распределяют сигнал затвора, исходя от вывода 4 затвора, по поверхности затвора.

Преимущества изобретения состоят, в частности, в том, что

- за счет отсутствия элементов затвора обеспечивается простое и дешевое выполнение металлизации припоем;

- более простая технология обеспечивает большую надежность при прижимном контактировании кристалла.

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на чертежи, на которых изображено:

фиг.1a - кристалл биполярного транзистора с изолированным затвором, согласно уровню техники, на виде сверху;

фиг.1b - часть кристалла биполярного транзистора с изолированным затвором, согласно фиг.1а, в изометрической проекции;

фиг.2а - кристалл биполярного транзистора с изолированным затвором, согласно первому примеру выполнения изобретения, на виде сверху;

фиг.2b - часть кристалла биполярного транзистора с изолированным затвором, согласно фиг.2а, в изометрической проекции;

фиг.3 - кристалл биполярного транзистора с изолированным затвором, согласно второму примеру выполнения изобретения, на виде сверху;

фиг.4 - разрез кристалла биполярного транзистора с изолированным затвором согласно изобретению;

фиг.5 - слой поликремния на виде сверху.

Используемые на фигурах позиции приведены в перечне позиций.

В предварительных опытах был изготовлен медленный кристалл на 2,5 кВ с минимальной поверхностью 0,2 см² без элементов затвора и измерены его свойства. Они были внутри поля допусков не отличимы от версии с элементов затвора. Однако существовали опасения, что быстрый кристалл без элементов затвора будет отключать при экстремально негомогенных распределениях тока и поэтому будет иметь высокие потери переключения, медленные переходные процессы и небольшую область надежной работы. Однако аналитические вычисления, цифровое моделирование процесса переключения, а также тестирование переключения быстрых биполярных транзисторов с изолированным затвором без элементов затвора показали неожиданный результат. Было показано, что время распространения сигнала, сравнимое со временем переключения τ , необязательно приводит к негомогенному распределению тока при отключении. Опыты также показали, что включение не является критичным для отключения.

В случае, когда управление затвором происходит с периферии кристалла и выбрано

то при выключении сначала возникает перераспределение тока. Наружные части кристалла начинают отключать, нагрузка поддерживает общий ток неизменным и коммутирует ток в центр кристалла. К этому моменту времени анодное напряжение еще по существу равно нулю.

В этот момент времени МОП-ток уже больше недостаточен для поддержания внешнего тока. В чисто МОП-транзисторе теперь начинается увеличение напряжения. Увеличение напряжения через емкость затвор - анод вносит в затвор заряд так, что распределение напряжения по затвору остается постоянным и ток больше не уменьшается. Как только достигается полное напряжение нагрузки, то механизм регулирования разрушается, напряжение затвора падает и компонент отключает.

Сущность изобретения состоит в том, что было установлено и с преимуществом использовано то, что биполярный компонент с выше указанного момента ведет себя принципиально по-другому. С этого момента времени происходит переход от биполярного тока к чисто дырочному току, сопровождаемый рассеиванием неосновных носителей главного перехода. Как только этот процесс заканчивается, то весь поток обеспечивается дырками и создается зона пространственного заряда. Однако распределение плазмы в поперечном направлении все еще достаточно гомогенное. Поэтому в этот момент времени быстро гомогенизируется очень негомогенное распределение тока. В момент времени максимальной мощности рассеяния распределение тока почти гомогенно. Поэтому не уменьшается область надежной работы и почти не изменяется энергия отключения. Таким образом, можно изготавливать биполярные транзисторы с изолированным затвором, которые не нуждаются в элементах затвора.

На фиг.2а и 2b показан кристалл 1 биполярного транзистора с изолированным затвором без элементов затвора, согласно изобретению, на виде сверху, соответственно в изометрической проекции, содержащий первый видимый основной вывод 3 и второй, не изображенный второй основной вывод, а также вывод 4 затвора, который в показанном на фиг.2а и 2b варианте выполнения расположен на краю, в частности, в углу кристалла 1 биполярного транзистора с изолированным затвором. В противоположность к фиг.1а и 1b, которые соответствуют уровню техники, не предусмотрены элементы затвора 6, а сигнал затвора, исходя из вывода 4 затвора, распределяется через рамку 8 затвора по периферии. Как показано на фиг.2b, рамка 8 затвора также находится в непосредственном соединении с электродом 5 затвора. Она предпочтительно имеет сопротивление менее 5 Ом.

Таким образом, первый основной вывод 3 образован поверхностью, которая является выпуклой вплоть до гнезда вывода 4 затвора, причем в случае выполнения, согласно фиг.2а и 2b, его выполненная выпукло зона поверхности окружена рамкой 8 затвора. Если имеются несколько выводов 4 затвора, то по существу возвышенная поверхность первого главного вывода имеет соответствующее число выемок.

Между первым основным выводом, имеющим большую поверхность (показан в виде металлизации), который образован, в частности, катодом биполярного транзистора с изолированным затвором и выводом 4 затвора и рамкой 8 затвора, предусмотрена изоляция 7. Согласно изобретению вывод 4 затвора, соответственно рамка 8 затвора соединены со слоями поликремния электродов 5 затвора биполярного транзистора с изолированным затвором непосредственно, т.е. без промежуточного включения элементарных затворов. Слой 5 поликремния биполярного транзистора с изолированным затвором соединен непосредственно с выводом 4 затвора. Остальные слои 5 поликремния отдельных ячеек 2 биполярного транзистора с изолированным затвором соединены параллельно в компоненте. Один вариант выполнения расположения слоев 5 поликремния показан на фиг.5. В этом случае он покрывает по большой поверхности кристалл и имеет выемки 5'. На фиг.4 показана также изоляция 7, которая предусмотрена между выводом 4 затвора и первым основным выводом 3 соответственно, предусмотренное для нее углубление.

Естественно, что вывод 4 затвора может быть расположен центрально на кристалле 1 биполярного транзистора с изолированным затвором. Этот вариант выполнения показан на фиг.3. В этом случае вывод 4 затвора также окружен изоляцией 7, которая отделяет его от основного вывода.

Перечень позиций

1 Кристалл биполярного транзистора с изолированным затвором

2 Отдельная ячейка биполярного транзистора с изолированным затвором

3 Первый главный вывод

4 Вывод затвора (подушка затвора)

5 Электрод затвора

5' Выемка

6 Элементарный затвор

7 Изоляция

8 Рамка затвора

1. Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBТ), содержащий по меньшей мере один кристалл (1) биполярного транзистора с изолированным затвором со множеством параллельно соединенных отдельных ячеек (2) биполярного транзистора с изолированным затвором, на каждом кристалле первый (3) и второй основные выводы и по меньшей мере один вывод (4) затвора, который электрически соединен с электродами (5) затвора отдельных ячеек биполярного транзистора с изолированным затвором, причем электроды (5) затвора образованы электрически параллельно соединенными слоями поликремния, отличающийся тем, что кристалл (1) биполярного транзистора с изолированным затвором имеет вывод (4) затвора без элементов затвора и такую величину поверхности, при которой в МОП-транзисторах с выводом затвора с элементами затвора происходит неоднородное распределение тока при максимальной рассеиваемой мощности, и что слои поликремния электрически соединены непосредственно с выводом (4) затвора или с каждым выводом затвора.

2. Биполярный транзистор по п.1, отличающийся тем, что кристалл биполярного транзистора с изолированным затвором имеет площадь, по меньшей мере, 0,2 см².

3. Биполярный транзистор по п.1 или 2, отличающийся тем, что вывод (4) затвора расположен на краю кристалла (1) биполярного транзистора с изолированным затвором, в частности в одном углу.

4. Биполярный транзистор по п.3, отличающийся тем, что предусмотрена окружающая первый основной вывод (3) металлизированная рамка (8) затвора, которая электрически соединена с выводом (4) затвора, а между первым основным выводом (3) и выводом (4) затвора и рамкой (8) затвора предусмотрена изоляция (7).

5. Биполярный транзистор по п.4, отличающийся тем, что рамка (8) затвора имеет сопротивление слоя менее 5 Ом.

6. Биполярный транзистор по п.1, отличающийся тем, что вывод (4) затвора расположен, по существу, в центре кристалла (1) биполярного транзистора с изолированным затвором и окружен изоляцией (7).