РЕЗИСТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ВЫСОКОВОЛЬТНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО РЕЗИСТОРА
RESISTIVE ELEMENT FOR HIGH-VOLTAGE SEMICONDUCTOR RESISTOR

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов и может быть использовано при разработке высоковольтных полупроводниковых резисторов с заданной зависимостью их сопротивления от приложенного напряжения.
13
-2
17
-2
0
0
Известен мощный полупроводниковый резистор [1], состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска монокристаллического кремния n-типа проводимости. В этом резисторе с целью снижения зависимости его сопротивления (R) от температуры (Т) вводят дефекты, имеющие глубокие уровни в запрещенной зоне. В качестве дефектов служат атомы платины с концентрацией от 1,1·10см для кремния с удельным сопротивлением ρ=150 Ом·см до 1,1·10 см для кремния с ρ=0,8 Ом·см.
13
-2
14
-2
0
0
Известен мощный полупроводниковый резистор [2], состоящий из резистивного элемента, выполненного в виде диска монокристаллического кремния n-типа проводимости. В этом резисторе с целью снижения зависимости R от Т путем электронного облучения вводят радиационные дефекты, имеющие глубокие уровни в запрещенной зоне с концентрацией от 4·10смдля кремния с удельным сопротивлением ρ=120 Ом·см до 2,5·10 см для кремния с ρ=20 Ом·см.
Недостатком этих резисторов является то, что величина их сопротивления сохраняет сильную зависимость от приложенного к резистору напряжения. Это обусловлено тем, что величина удельного сопротивления полупроводника описывается выражением (1).
где q - заряд электрона;
n - концентрация свободных носителей заряда;
µ(Е) - подвижность свободных носителей заряда как функция напряженности электрического поля.
1
2
В рабочем диапазоне напряжений (0÷10000 В) и температур (-40÷125°С) при изменении величины напряжения, приложенного к резистору, величины n и q остаются постоянными, поэтому изменение удельного сопротивления при изменении приложенного к нему напряжения определяется зависимостью подвижности свободных носителей заряда от напряженности электрического поля µ(Е). При неправильно выбранной толщине резистивного элемента это может приводить к недопустимо большому изменению величины сопротивления резистора при изменении величины напряжения, приложенного к нему, от минимального значения (U) до максимального (U) в заданном диапазоне напряжений.
U
UЗ
Целью данного изобретения является разработка конструкции резистивных элементов высоковольтных полупроводниковых резисторов, у которых относительное изменение величины сопротивления (∂R) при изменении приложенного к нему напряжения в заданном диапазоне напряжений не превышает заданное значение (∂R).
З
Указанная цель достигается тем, что толщину резистивного элемента (L) выбирают из соотношений (2, 3):
где
1
2
- значения подвижности основных носителей заряда в резистивном элементе при минимальном (U) и максимальном (U) значениях напряжения, приложенных к резистивному элементу в заданном диапазоне напряжений.
1
2
1
2
где R(U), R(U) - значения сопротивления резистивного элемента при минимальном (U) и максимальном (U) значениях напряжения в заданном диапазоне напряжений.
1
2
UЗ
С использованием данного метода был проведен выбор толщины резистивных элементов резисторов. Резистивные элементы должны были иметь сопротивление 3 Ом и диаметр 40 мм. Они изготавливались из кремния n-типа проводимости. При этом величина U была равной 0 В, а величина U должна была иметь значения 500 В, 1000 В и 2000 В. При этом значение относительного изменения сопротивления ∂R задавалось равным 0,1 для U=500 В, 0,2 - для U=1000 В, 0,4 - для U=2000 В.
n
Для описания зависимости подвижности свободных носителей заряда (электронов) от напряженности электрического поля µ(Е) было использовано выражение (4) [3]:
n0
n0
2
где µ - начальная подвижность электронов (µ=1417 см/B·с);
Е - напряженность электрического поля;
- скорость насыщения электронов при температуре;
n
β - температурно-зависимый коэффициент зависимости подвижности электронов от напряженности электрического поля;
n0
0
β=1,109,  T=300К.
Напряженность электрического поля в структуре полупроводникового резистора описывается выражением (5):
где L - толщина структуры полупроводникового резистора;
U - напряжение, приложенное к структуре полупроводникового резистора.
Сопротивление резистора описывается выражением (6):
где S - площадь резистивного элемента полупроводникового резистора.
З
UЗ
Из соотношений (2, 3, 4, 5, 6), следует, что толщина резистивного элемента (L), при которой относительное изменение сопротивления не превышает заданного (∂R), определяется из выражения (7).
UЗ1
Uз2
Uз3
З
З1
З2
З3
Отработка предлагаемого способа проводилась на трех партиях резистивных элементов мощных резисторов типа РК343 диаметром 40 мм в количестве 10 штук в каждой партии. Полупроводниковые структуры изготовлялись из кремния n-типа проводимости. Для первой партии величина ∂R должна была быть не более 0,1 в диапазоне напряжения 0В÷500 В; для второй партии ∂R не более 0,2 в диапазоне напряжения 0В÷1000 В; для третьей партии ∂R не более 0,4 в диапазоне напряжения 0В÷2000 В. В соответствии с предлагаемым способом были рассчитаны толщины резистивных элементов (L): для первой партии толщина L≥0,48 см, для второй - L≥0,51 см и для третьей L≥0,54 см.
З
ДЗ
Технологический процесс изготовления резистивных элементов включает в себя следующие технологические операции: резку слитка полупроводникового материала на пластины и их последующие шлифовку и полировку. В результате этого толщины резистивных элементов данного типа могут иметь разброс по толщине, величина которого (±ΔL) определяется используемым технологическим процессом и оборудованием. Поскольку фактическая толщина резистивного элемента должна быть не менее L, при изготовлении партий резисторов заданное документацией значение толщины резистивных элементов (L) выбиралось из соотношения (8)
ДЗ1
ДЗ2
ДЗ3
и составляло L=0,481 см, L=0,511 см, L=0,541 см для первой, второй и третьей партий соответственно.
Три партии резистивных элементов были изготовлены по серийному технологическому процессу ОАО «Электровыпрямитель» в соответствии с вышеуказанным способом.
U
В таблице приведены экспериментальные значения величины ∂R элементов на основе монокристаллического кремния, рассчитанные для трех партий резистивных элементов, при температуре Т=300К в заданных диапазонах напряжения.
Таблица
Экспериментальные значения величин ∂R<sub>U</sub>, измеренные у опытных образцов.
№ р.э.
Партия №1
Партия №2
Партия №3
∂R<sub>U</sub> (∂R<sub>UЗ1</sub>=0,1)
∂R<sub>U</sub> (∂R<sub>UЗ2</sub>=0,2)
∂R<sub>U</sub> (∂R<sub>UЗ3</sub>=0,4)
1
0,10
0,20
0,40
2
0,09
0,20
0,40
3
0,09
0,19
0,40
4
0,10
0,20
0,40
5
0,09
0,20
0,39
6
0,09
0,20
0,40
7
0,10
0,19
0,40
8
0,09
0,20
0,39
9
0,09
0,20
0,40
10
0,09
0,19
0,40
U
UЗ
Из таблицы видно, что для выбранных значений толщин резистивных элементов в заданных диапазонах приложенного к ним напряжения величина ∂R не превышает ∂R.
Список используемых источников
1. Патент России №2206146, 7 H01L 29/36, заявка №2001127918/28 // Асина С.С., Кондрашов Е.И., Черников А.А., Щукин Б.П. Мощный полупроводниковый резистор и способ его изготовления. - Опубл. 12.10.2001.
2. Патент России №2169411, 7 H01L 29/30, заявка №2000122023/28 // Асина С.С., Беккерман Д.Ю. Мощный полупроводниковый резистор и способ его изготовления. - Опубл. 17.08.2000.
3. С.Canali, G.Majni, R.Minder, and G.Ottaviani, "Electron and hole drift velocity measurements in Silicon and their empirical relation to electric field and temperature," IEEE Transactions on Electron Devices, vol.ED-22, pp.1045-1047, 1975.