Файл: Кремниевые планарные транзисторы..pdf

речной тепловой нестабильности, предложенная в 1963 г. Скарлеттом и Шокли [211] и независимо Бергмаином и Герстнером [212], которая будет подробнее рассмотрена ниже. Здесь же лишь отме­ тим, что идеальное решение проблемы равномерной токовой на­ грузки и термической стабильности вряд ли возможно в связи с су­ ществованием в реальных транзисторах целого ряда причин, при­ водящих к концентрации (стягиванию) тока и, следовательно, к появлению более «горячих» участков по отношению к соседним областям структуры.

В случае нулевого или обратного смещения на эмиттерном пере­ ходе наиболее важную роль в развитии вторичного пробоя играет, по всей вероятности, эффект стягивания обратного тока коллектора

в самый начальный момент времени равномерно распределен по площади коллекторного перехода. Однако в последующем ток, протекающий через область базы к базовому контакту, создает поперечный градиент потенциала под эмиттером (рис. 10.2), при­ водящий к тому, что в точке, находящейся под центром эмиттерного перехода, возникает прямое смещение и транзистор «открывается», т. е. происходит быстрое стягивание (шнурование) тока.

В условиях лавинного размножения носителей при обратном смещении перехода эмиттер — база развитие вторичного пробоя специфично для каждого транзистора, причем время задержки в этом случае гораздо меньше, чем при прямом смещении; несмотря на принятые меры предосторожности, вторичный пробой происходит так быстро, что вызывает полное разрушение транзистора (хотя средняя температура перехода при этом невелика). Путем измерения температуры горячего пятна непосредственно перед возникновением вторичного пробоя при обратном смещении эмиттерного перехода Рейх и Хаким [186] показали, что в этом случае тепловое сопротив­ ление горячего пятна имеет наибольшую величину. Это означает, что транзистор находится в наихудших условиях в отношении устойчивости к вторичному пробою.

Существует еще целый ряд теорий возможного механизма вто­ ричного пробоя и множество экспериментальных исследований этого явления. Среди них следует отметить модель возникновения вторичного пробоя, развитую Фордом в работе [216]. Согласно этой модели вторичный пробой начинается в том случае, когда в резуль­ тате локального разогрева температура отдельной малой части кол­ лекторного перехода достигает такого значения, при котором насту­ пает собственная проводимость в высокоомной коллекторном слое. При этом область пространственного заряда исчезает и происходит «закорачивание» перехода, что проявляется в виде резкого сниже­ ния напряжения і/кэ.

Другая точка зрения связана с электрическими эффектами [217] и заключается в том, что в качестве механизма, способствую­ щего развитию вторичного пробоя, рассматривается влияние высо-

273

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