4. Реферативная часть курсового проекта

4.1. Силовые ДМОП-транзисторы.

Прогресс в большинстве областей современной техники неразрывно связан с развитием приборов силовой электроники. Их значимость определяется все возрастающей потребностью в регуляторах и преобразователях электрической энергии. Основными представителями приборов силовой электроники являются мощные ДМОП-транзисторы (или МОП-транзисторы с двойной диффузией), биполярные транзисторы с изолированным затвором (БТИЗ), а также быстро восстанавливающиеся диоды (БВД).

Для кристаллов приборов силовой электроники, таких, как ДМОП-транзисторы и БТИЗ, свойственны большие площади (до 100 мм² и более), а также большие площади подзатворного диэлектрика, что накладывает высокие требования по культуре производства и по чистоте процессов при их изготовлении.

Структура кристалла мощного ДМОП транзистора схематически изображена на рис. 4.1.1, а поперечное сечение элементарной ячейки кристалла — на рис. 4.1.2.

Характеристики ДМОП-транзистора отличаются от характеристик обычных МОП-транзисторов: при определенном напряжении на затворе изменение U3 практически не влияет на крутизну. ДМОП-транзисторы являются высокочастотными приборами: так, транзисторы с каналом z-типа проводимости могут работать на частотах до 2 ГГц. Такой транзистор характерен маленькой длиной канала, которую можно точно контролировать.

Примером может служить транзистор типа КП 727. Кристалл данного прибора имеет ячеистую структуру и состоит из нескольких тысяч параллельно включенных короткоканальных МОП транзисторов. Структура прибора отличается низкой мощностью рассеивания, малой величиной сопротивления открытого прибора, низкими значениями времени переключения. Обычно такие приборы собирают в корпуса типа КТ-28-2, что делает их стоимость доступной для широкого круга потребителей.

Рисунок 4.1.1 - Твердотельная структура кристалла мощного ДМОП-транзистора.

Рисунок 4.1.2 - Сечение элементарной ячейки мощного ДМОП-транзистора.

Силовые полупроводниковые приборы, в частности, мощные ДМОП-транзисторы, характеризуются такими потребительскими свойствами, как предельно допустимые напряжения в закрытом состоянии U_{СИ. макс} (20 В - 1200 В), сопротивление сток-исток в открытом состоянии R_{СИ. отк} (0,003 Ом - 10 Ом), предельно-допустимый ток стока, конструктивное исполнение корпуса, а также динамические параметры приборов. Причем потребителям требуется широкая номенклатура приборов с различными потребительскими свойствами. Возможны различные подходы к проектированию мощного ДМОП-транзистора с конкретными потребительскими требованиями.

4.2. Способы проектирования ДМОП-транзисторов.

Первый способ — проектирование ДМОП-транзистора непосредственно под заданные требования. Такой подход оптимален при массовом производстве этого транзистора. Однако он порождает значительную номенклатуру разнотипных приборов, отличающихся как толщиной и удельным сопротивлением эпитаксиального слоя, которые определяют предельно допустимое напряжение в закрытом состоянии U_{СИ. макс.}, так и площадью кристалла транзистора, определяющей R_{СИ. отк.} транзистора. В соответствии со стандартами на полупроводниковые приборы для каждой конструкции требуется проведение комплекса испытаний.

Проведение квалификационных испытаний каждого типономинала приборов приводит к большому объему работ, что значительно увеличивает сроки и стоимость разработки. Проведение при последующем производстве периодических испытаний этих приборов в условиях неритмичного и мелкосерийного производства, характерного для приборов специального назначения, приводит к существенному удорожанию продукции.

В зависимости от диапазона U_{СИ. макс.}, типовую конструкцию кристалла мощного ДМОП-транзистора можно разбить на два типа с диапазонами 20 В - 150В и 200В - 1200 В. Первый тип не требует для обеспечения необходимых значений U_{СИ. макс.} делительных колец на периферии кристалла, в то время как для второго типа характерно обязательное использование этого конструктивного элемента.

Вертикальный разрез структуры приборов первого и второго типов приведены на рис. 4.2.1 и 4.2.2 соответственно.

Рисунок 4.2.1 - Типовой разрез структуры ДМОП-транзистора первого типа.

Рисунок 4.2.2 - Типовой разрез структуры ДМОП-транзистора второго типа.

Для реализации необходимых значений R_{СИ. отк.} приборы первого типа можно разбить на две группы, единые по конструкции ячейки в части размеров с диапазонами U_{СИ. макс} 20 В - 40 В и 50 В - 150 В, а приборы второго типа на группу с диапазонами U_{СИ. макс} 200 В - 1200 В.

Разбиение на эти группы обусловлено размерами ячейки в конструкции кристалла, обеспечивающими его работоспособность в диапазоне U_{СИ. макс} и оптимальные параметры по R_{СИ. отк}.

Для примера в табл. 4.2.1 и 4.2.2 указаны типовые значения удельного сопротивления (приведенного на единицу активной площади кристалла 1 мм²) в открытом состоянии для приборов первого и второго типа с конкретными значениями U_{СИ. макс}.

Таблица 4.2.1 - Типовые значения удельного сопротивления в открытом состоянии для ряда приборов первого типа.

UСИ. макс, В	30	40	60	100
RСИ. отк*мм2, Ом	0,14	0,18	0,27	0,35

Таблица 4.2.2 - Типовые значения удельного сопротивления в открытом состоянии для ряда приборов второго типа.

UСИ. макс, В	200	400	600	800	1200
RСИ. отк*мм2, Ом	1,45	4,5	8,0	11,0	25

С учетом изложенного, спроектировав кристаллы ДМОП-транзисторов с конкретными активными площадями для каждой группы, можно создавать ряды групп приборов с указанными выше диапазонами напряжений. Кристаллы каждой группы в каждом ряду едины по площади, конструкции и технологии изготовления. При изготовлении приборов каждой группы по единой технологии сборки в корпусе одного типа обеспечивается также одинаковое тепловое сопротивление кристалл-корпус. Это позволяет проводить квалификационные и периодические испытания на воздействие механических, климатических и специальных факторов, а также испытания на надежность на типовом представителе группы с распространением результатов испытаний на все типономиналы группы.

Таким образом, описанный подход формирования рядов мощных ДМОП-транзисторов с определенными диапазонами предельно допустимых напряжений в закрытом состоянии позволяет резко уменьшить объем квалификационных испытаний при разработке и объем периодических испытаний в условиях неритмичного и мелкосерийного производства. В частности, с использованием данного подхода в настоящее время в разработке находится ряд высоковольтных мощных ДМОП-транзисторов с повышенной стойкостью к воздействию специальных факторов с диапазоном U_{СИ. макс} 200 В - 1200 В, площадью кристалла 64 мм², активной площадью кристалла 45 мм², в металлокерамическом корпусе КТ-43А, типовые значения основных параметров, которых в нормальных климатических условиях приведены в табл. 4.2.3. Фото корпуса приведено на рис. 4.2.3.

Таблица 4.2.3 - Типовые значения основных параметров ряда высоковольтных мощных ДМОП-транзисторов.

Наименование	UСИ. макс, В	IС. макс, А	RСИ. отк, Ом	Тип корпуса
2П830А	1200	7	1,6	КТ-43А
2П830Б	800	11	0,7	КТ-43А
2П830В	600	15,5	0,4	КТ-43А
2П830Г	500	22	0,25	КТ-43А
2П830Д	400	24	0,2	КТ-43А
2П830Е	200	45	0,05	КТ-43А

Аналогичный подход можно применять при разработке и производстве таких приборов силовой электроники, как биполярные транзисторы с изолированным затвором и быстро восстанавливающиеся диоды.

Рисунок 4.2.3 - Фото корпуса КТ-43.

4.3. Конструктивно-технологические особенности создания ДМОП-транзисторов.

Главной особенностью при создании полевого ДМОП-транзистора является использование в процессе создания двойной диффузии. Данный процесс не требует применения масок с жесткими допусками.

В ДМОП полевых транзисторах осуществляется следующая последовательность диффузионных операций: сначала диффузией акцепторной примеси формируют подложку прибора, а затем диффузией донорной примеси с высокой концентрацией (n⁺) создают исток. Хорошая контролируемость операции второй диффузии (n⁺) обеспечивает получение короткого канала в транзисторе.

Рисунок 4.3.1 Структура вертикального ДМОП-транзистора.

Там, где высоковольтная горизонтальная ДМОП-структура становится слишком громоздкой, вертикальная структура сохраняет размеры кристалла такими, что затраты на ее изготовление равноценны созданию биполярного транзистора с аналогичными номинальными параметрами. В настоящее время все высоковольтные ДМОП полевые транзисторы имеют вертикальную структуру, в которой исток и затвор расположены на верхней стороне кристалла, а сток – на нижней (рисунок 4.3.1).

При использовании вертикальной структуры, ограничивающей тем или иным способом поле, ДМОП полевой транзистор способен выдерживать чрезвычайно высокие напряжения. С точки зрения механизма работы вертикальная и планарная структуры мало отличаются друг от друга. Однако кроме высокого пробивного напряжения, вертикальная структура имеет большую экономическую эффективность вследствие небольших размеров кристалла.

Технологические особенности мощных MOSFET (металл оксидных полупроводниковых полевых транзисторов) характеризуются процессом изготовления n-канальных транзисторов HEXFET, разработанной фирмой International Rectifier (США). На рисунке 4.3.2 показана часть центральной зоны кристалла и его периферия, на которой изображены варианты краевой защиты.

Рисунок 4.3.2 - Последовательность технологического процесса изготовления мощного ДМОП-транзистора.

Процесс включает следующую последовательность технологических операций:

А) Выращивание толстого защитного слоя изолятора (SiO₂ или SiO₂ + Si₃N₄) на планарной поверхности n- n+-подложки; формирование окон в слое изолятора; создание в обнаженных участках n—слоя подложки высоколегированных p+-областей диффузией или ионной имплантацией; окисление и последующее формирование фотолитографией островков изолятора над p+-областями; подлегирование высокоомного n—слоя подложки донорной примесью в промежутках между высоколегированными p+-областями.

Б) Выращивание изолятора затвора на планарной поверхности подложки в центральной зоне кристалла и нанесение поверх изолятора слоя поликремния толщиной примерно 0,5 мкм; легирование поликремния донорной примесью высокой концентрации; формирование затвора в центральной зоне кристалла и полевых электродов на его периферии; удаление прилегающих к высоколегированным p+-областям участков изолятора затвора в центральной зоне структуры.

В) Создание вокруг областей p+ в центральной зоне кристалла n-канальных областей и высоколегированных n+-областей истока ионной имплантации сначала акцепторной, а затем донорной примеси в открытые участки подложки.

Г) Нанесение на всю планарную поверхность подложки слоя SiO₂, легированной фосфором; вытравление в межслойном изоляторе методом фотолитографии контактных окон над p+ и n—истоковыми областями отдельных транзисторных ячеек и одновременно формирование зазоров в межслойном изоляторе на периферии кристалла.

Д) Напыление алюминия и формирование из него фотолитографией электрода истока и периферийного противоканального металлического электрода на планарной поверхности структуры; формирование многослойного (хром, никель, золото или титан, никель-серебро) омического контакта стока на не планарной стороне подгонки.

Для снижения R_{СИ отк.} используются подлегирование приповерхностной зоны высокоомного n—эпитаксиального слоя подложки имплантацией ионов фосфора с энергией 120 кэВ и дозой 10¹¹…10¹⁴ (см^-2). Краевая защита приборов HEXFET включает в себя периферийную p+-область центральной зоны структуры, одно и более делительное кольцо над толстым защитным слоем изолятора на периферии кристалла, толстый слой ФСС (фосфорно-силикатного стекла) поверх защитного слоя изолятора, два металлических и два поликремниевых электрода. Металлические электроды непосредственно соединены с лежащими под ними поликремневыми электродами, и, кроме того, внутренний металлический электрод, выполненным как продолжение электрода истока, соединен с p+- и n+-областями истока и периферийных транзисторных ячеек, а внешний – с высокоомным эпитаксиальным n—слоем подложки.

Все элементы конструкции MOSFET в совокупности обеспечивают высокие пробивные напряжения стока и малые утечки прибора в закрытом состоянии. Зазоры в верхнем слое ФФС предотвращают его поляризацию, а внешний металлический и поликремневый электроды исключают возможность образования инверсионного канала на периферии кристалла. Внутренний поликремневый электрод по своим функциям аналогичен расширенному базовому электроду в биполярных транзисторах.

4.4. Примеры современных ДМОП транзисторов.

В качестве примера первого примера рассмотрим высоковольтный N-канальный ДМОП-транзистор со встроенным обратным диодом (аналог IRFR1N60) разработанный на ОАО «Ангстрем». На рисунке 4.4.1 изображено его схемотехническое изображение.

Рисунок 4.4.1 Схемотехническое изображение N-канального ДМОП-транзистора со встроенным обратным диодом.

Параметры:

• U_СИ = 600 В.

• R_{СИ. откр} = 7,0 Ом

• I_С = 1,4 А

Особенности:

• Супервысокая плотность упаковки ячеек, обеспечивающая низкое сопротивление сток-исток в открытом состоянии.

• Возможность параллельного включения.

Транзисторы предназначены для использования:

• в быстродействующих источниках вторичного электропитания;

• в бытовой технике;

• в осветительных приборах;

• в схемах управления электродвигателями.

Транзисторы поставляются в трех вариантах корпусного исполнения КТ-28, КТ-91, КТ-89 (рисунок 4.4.2) и бескорпусном исполнении на общей пластине или разделенные на кристаллы.

Рисунок 4.4.2 Примеры корпусов N-канального ДМОП транзистора.

Предельно допустимые параметры приведены в таблице 4.4.1.

Таблица 4.4.1 – Предельно допустимые параметры транзисторов.

Параметр	Значение
Постоянный ток стока (Uзи =10 В), Tкорпуса =25оС	1,4 А
Напряжение затвор-исток	± 30 В
Энергия лавинного пробоя (L=95 мГн, Iс=Iс max)	93 мДж
Рабочая температура	-60оС +125оС

Электрические параметры при Т = 25°С приведены в таблице 4.4.2.

Таблица 4.4.2 – Электрические параметры транзисторов.

Параметр, (задаваемые режимы), единица измерения	Буквенное обозначение	Значение
		мин.	тип.	макс.
Пробивное напряжение сток–исток (Uзи= 0 В, Iс = 250 мкА), В	UСИ. проб	600	-	-
Сопротивление сток-исток в открытом состоянии (Iс = 0,84 А, Uзи = 10 В), Ом	RСИ откр	-	-	7,0
Пороговое напряжение (Iс = 250 мкА, Uзи = Uси), В	UЗИ. пор	2	-	4
Ток утечки затвора (Uзи = ±30 В ,Uси = 0 В), нА	IЗ ут	-	-	±100
Начальный ток стока, мкА (Uзи =0 В, Uси =600 В)	IС. нач	-	-	25
Постоянное прямое напряжение встроенного диода ( I с = 1,4 А, Uзи = 0 B), B	Uпр	-	-	1,6
Входная емкость, пФ	Свх	-	229	-
Выходная емкость, пФ	Свых	-	32,5	-

В качестве второго примера рассмотрим ДМОП-транзисторы КП109, КП110 разработанный на ОАО «Протон». Данные транзисторы подразделяются на категории А, Б, В.

Особенности:

• Коммутируемое напряжение:

  • 60В - КП110А (7П6);

  • 230В - КП110Б (7П4);

  • 350В - КП110В (7П5);

• ДМОП-транзистор со встроенным каналом (нормально открытый).

Применение: Устройства коммутации электрических цепей.

На рисунке 4.4.3 показаны эскиз, проекция и таблица размеров для ДМОП-транзисторов КП109/КП110.

Рисунок 4.4.3 Эскиз, проекция и таблица размерностей ДМОП-транзисторов КП109/КП110.

В таблице 4.4.3 приведены технические характеристики и предельно-допустимые режимы эксплуатации для ДМОП-транзисторов КП109/КП110 для температуры окружающей среды T_окр(T_A) = 25 ^оС.

Таблица 4.4.3 – Технические характеристики и предельно-допустимые режимы эксплуатации.

Тип изделия	Технические характеристики										Предельно-допустимые режимы эксплуатации
	Начальный ток стока				Ток утечки затвора @UЗИ = ±5 В		Сопротивление сток-исток в открытом состоянии				Максимально допустимое напряжение сток-исток		Максимально допустимое напряжение затвор-исток		Максимально допустимая рассеиваемая мощность		Максимально допустимый постоянный ток стока		Максимально допустимый импульс ток стока		Рабочий диапазон температур
	IС	@UЗИ	@UСИ	IЗ ут		RСИ отк		@UЗИ	@IСИ	UСИ		UЗИ		P		IС		IС имп		оС
	(мкА)	(В)	(В)	(мкА)		(Ом)		(В)	(мА)	(В)		(В)		(Вт)		(мА)		(мА)		Min		Max
КП109А	10	0	60	1,0		2		4,5	400	60		±20		0,3		400		1000		-45		85
КП109Б		0	230			10			150	230		±30				200		500
КП109В		0	400			20		5	100	400		±20				100		300
КП110А		-5	60			3		0	300	60		±20				400		100
КП110Б		-5	230			20			150	230		±30				140		500
КП110В		-5	350			25			100	360		±20				100		300