Мощная полупроводниковая структура

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных полупроводниковых приборов. Сущность изобретения: мощная полупроводниковая структура содержит ряд окруженных со всех сторон областью первого типа проводимости областей второго типа проводимости в форме вписанных в прямоугольники трапеций с параллельными высотами и монотонным убыванием ширины каждой от большого основания к малому, образующих разделенную на фрагменты полосу, ограниченную по ширине основаниями трапеций, а по длине - боковыми сторонами крайних трапеций. По крайней мере, в части ряда верхние и нижние основания трапеций у края полосы чередуются, что приводит к увеличению расстояний между их наиболее разогретыми участками и снижению максимума температуры структуры. 1 ил.

 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных полупроводниковых приборов.

Известна мощная полупроводниковая структура, включающая в себя область одного типа проводимости, в пределах которой находится область второго типа проводимости (Батушев В.А. Электронные приборы. - М.: Высш. школа, 1980. - С.57, 96-97).

Недостатком такой полупроводниковой структуры является неравномерное распределение температуры по ее площади вследствие неодинаковых условий отвода выделяемой тепловой мощности от отдельных участков его активной области (p-n-перехода), приводящее к снижению выходной мощности P₁ и надежности полупроводниковой структуры.

В другой полупроводниковой структуре область второго типа проводимости разделена на одинаковые прямоугольные участки, расположенные в ряд (Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И.Никишин, Б.К.Петров, В.Ф.Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С.63). Это позволяет уменьшить теплообмен между участками области второго типа проводимости, тем самым снизить максимальную температуру Т_макс каждого участка по сравнению с Т_макс целой области с суммарной площадью и за счет этого повысить выходную мощность и надежность полупроводниковой структуры.

Недостатком такой полупроводниковой структуры является неравномерное распределение температуры среди прямоугольных участков ввиду взаимного теплообмена между ними. В результате участки, которые находятся в центре ряда, более интенсивно нагреваются другими аналогичными им конструктивными элементами - источниками выделяемой тепловой мощности, чем участки, находящиеся на краях ряда. Следствием этого является снижение термической устойчивости полупроводниковой структуры (Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И.Никишин, Б.К.Петров, В.Ф.Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С.97-98), что ограничивает ее выходную мощность и уменьшает надежность.

Наиболее близкой по совокупности признаков является мощная полупроводниковая структура, участки области второго типа проводимости которой имеют форму вписанных в прямоугольники трапеций, ширина которых монотонно убывает от большого основания к малому (А.с. 1679922 СССР, МКИ H01L 29/72). При этом относительно меньшую ширину имеют участки областей второго типа проводимости с худшими условиями отвода тепла. Это позволяет уменьшить максимальную температуру полупроводниковой структуры или повысить равномерность ее нагрева и таким образом соответственно повысить надежность полупроводниковой структуры или увеличить P₁ без ухудшения усилительных и частотных характеристик.

Уменьшение отношения площади области второго типа проводимости к полной площади структуры за счет непрямоугольной формы ее участков приводит к уменьшению отношения выходной мощности P₁ полупроводниковой структуры к ее площади S.

Конфигурация и площадь области второго типа проводимости определяют конфигурацию и площадь p-n-перехода, т.е. активной области полупроводниковой структуры.

Технология резки полупроводниковых пластин в условиях массового производства и требования минимизации отходов обусловили прямоугольную форму полупроводниковых структур, монтируемых в корпусах полупроводниковых приборов или интегральных схем. Поэтому непрямоугольная форма активной области полупроводниковой структуры не позволяет обеспечить максимальное использование площади структуры, и с увеличением отклонения формы активной области от прямоугольной уменьшается отношение P₁/S.

Заявляемое изобретение предназначено для увеличения отношения площади активной области мощной полупроводниковой структуры к общей площади структуры либо для увеличения максимальной тепловой мощности, рассеиваемой полупроводниковой структурой.

Технический результат заключается в увеличении отношения выходной мощности полупроводниковой структуры к ее площади.

Технический результат достигается тем, что в известной мощной полупроводниковой структуре, содержащей ряд окруженных со всех сторон областью первого типа проводимости областей второго типа проводимости в форме вписанных в прямоугольники трапеций с параллельными высотами и монотонным убыванием ширины каждой от большого основания к малому, образующих разделенную на фрагменты полосу, ограниченную по ширине основаниями трапеций, а по длине - боковыми сторонами крайних трапеций, согласно изобретению, по крайней мере, в части ряда верхние и нижние основания трапеций у края полосы чередуются.

Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение отношения выходной мощности полупроводниковой структуры к ее площади, достигается за счет того, что в ряду трапеций имеет место чередование больших и малых оснований по ширине образованных ими полосы, что позволяет без увеличения максимальной рабочей температуры полупроводниковой структуры Т_макс в пределах заданной длины ряда разместить большее количество областей второго типа проводимости, чья суммарная площадь равна активной области полупроводниковой структуры S_a, либо уменьшить длину ряда, тем самым - площадь полупроводниковой структуры S, при заданном количестве N областей второго типа проводимости.

При неизменном значении S или S_a технический результат достигается за счет увеличения максимальной тепловой мощности Р_{т макс,} рассеиваемой полупроводниковой структурой, лимитируемой максимальной температурой полупроводниковой структуры Т_макс.

Значение Р_{т макс} ограничивает значение P₁, пропорциональное квадрату выходного тока, в свою очередь пропорционального активной площади структуры (Проектирование и технология производства мощных СВЧ-транзисторов / В.И.Никишин, Б.К.Петров, В.Ф.Сыноров и др. - М.: Радио и связь, 1989. - С.80, 86). В свою очередь Т_макс определяется наивысшей температурой среди температур Т_{макс i}, областей второго типа проводимости:

; i=1, …, N.

Локальные максимумы температуры приходятся на геометрические центры областей второго типа проводимости (Захаров А.Л., Асвадурова Е.И. Расчет тепловых параметров полупроводниковых приборов: Метод эквивалентов. - М.: Радио и связь, 1983. - С.10-12, 31-42). Значения Т_{макс i} определяются геометрией области второго типа проводимости, а также степенью близости внешних источников тепла, т.е. соседних областей второго типа проводимости, характеризующихся, например, расстоянием между геометрическими центрами трапеций.

Геометрический центр равнобедренной трапеции располагается на расстоянии (Жуковский Н.Е. Теоретическая механика: учебное пособие для вузов / Н.Е.Жуковский. - 2-е изд. - М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952. - С.210):

от большого основания трапеции. Здесь а и b - длины большого и малого оснований трапеции, h - ее высота. При чередовании верхних и нижних оснований трапеций на краю образованной ими полосы геометрические центры трапеций смещаются по вертикали на расстояние Δу=h-2Н, что приводит к уменьшению теплообмена между областями второго типа проводимости и уменьшению Т_{макс i} и Т_макс и дает возможность увеличить P₁ до значения, при котором достигается исходное предельное значение Т_макс.

Увеличение P₁ до значения, соответствующего предельному значению Т_макс, может быть также достигнуто путем уменьшения расстояния между смежными областями второго типа проводимости, вплоть до восстановления исходного расстояния между геометрическими центрами трапеций, т.е. за счет сокращения площади S транзисторной структуры или размещения на площади S дополнительных областей второго типа проводимости и, тем самым, увеличения S_a.

В обоих случаях обеспечивается увеличение съема полезной мощности с единицы площади полупроводниковой структуры.

На фиг.1 изображена заявляемая мощная полупроводниковая структура, вид сверху.

Мощная полупроводниковая структура включает в себя область первого типа проводимости 1 длиной W и шириной D, внутри которой располагаются области второго типа проводимости 2 в форме равнобедренных трапеций с длинами больших и малых оснований соответственно а и b и высотами h. Расстояние между смежными боковыми сторонами соседних трапеций обозначено как Δ, а длина полосы, образованной областями второго типа проводимости, - d. Жирной пунктирной линией показан отрезок G₁G₂, соединяющий геометрические центры первой и второй областей 2 в их ряду.

Очевидно (фиг.1):

D=h+2ε,

W=d+2ε,

где ε - технологический параметр.

При чередовании верхних и нижних оснований трапеций на краю образованной ими полосы с учетом выражения (1):

Прирост расстояния между геометрическими центрами соседних трапеций за счет чередования оснований трапеций:

или

где Δ* - расстояние от края большого основания трапеции до проекции на данный край полосы смежного края большого основания соседней трапеции, обеспечивает уменьшение теплового взаимодействия между областями 2 и, тем самым, снижение величин Т_{макс i} (i=1, …, N) и Т_макс.

Достижение исходной величины Т_макс может быть осуществлено за счет уменьшения расстояния Δ на величину δ<Δ_G1G2, приводящего к уменьшению d, соответственно - W (максимум - на N·Δ_G1G2), и площади S, или за счет размещения в пределах ширины d дополнительных областей 2, что приведет к увеличению S_a и соответственно P₁ или повышению P₁ за счет увеличения выходного тока. Во всех трех случаях увеличивается отношение P₁/S.

Мощная полупроводниковая структура, содержащая ряд окруженных со всех сторон областью первого типа проводимости областей второго типа проводимости в форме вписанных в прямоугольники трапеций с параллельными высотами и монотонным убыванием ширины каждой от большого основания к малому, образующих разделенную на фрагменты полосу, ограниченную по ширине основаниями трапеций, а по длине - боковыми сторонами крайних трапеций, отличающаяся тем, что, по крайней мере, в части ряда верхние и нижние основания трапеций у края полосы чередуются.