ТРАНЗИСТОР И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
TRANSISTOR AND METHOD OF MAKING SAID TRANSISTOR

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано для изготовления сверхмощных высокочастотных диодов, транзисторов и др. полупроводниковых приборов с высокоточными, стабильными электрическими параметрами, работающих как в низкотемпературно-силовом и частотном диапазоне, так и в условиях высоких температур и электрических перегрузок вплоть до гипервысоких частот - 3 ТГц.
Из литературы известен диод Шоттки (см. И.П.Степаненко. // Основы микроэлектроники, изд. 2-е. М.: Лаборатория базовых знаний. 2004, С.93-95), в котором предлагается достичь за счет устранения диффузионной емкости не основных носителей заряда сравнительно высоких значений рабочей частоты до 3-15 ГГц.
Известен многоэмиттерный транзистор (Тарабрин Б.В., Якубовский С.В., Барканов Н.А. // Справочник по интегральным микросхемам. М.: Энергия, 1980. - 816 с.). Эти транзисторы решают проблему расширения числа входных логических сигналов в микросхемах.
Из патентной литературы известен мощный СВЧ-транзистор, содержащий основание с электродами и полупроводниковую подложку с транзисторными ячейками, каждая из которых включает в себя область коллектора, области эмиттера и базы, контактирующие каждая со своей расположенной на поверхности подложки металлизированной площадкой, одна из которых соединена с электродом общего вывода, и балластный резистор, контактирующий своими противоположными сторонами с областью эмиттера и металлизированной площадкой эмиттера, согласно изобретению хотя бы одна из площадок или один из балластных резисторов, как минимум, одной ячейки имеет выемки в форме канавок глубиной не менее толщины их металлизации (см. Патент РФ №2253924).
Известен мощный СВЧ-транзистор, в нем суммарная площадь выемок в контактных площадках металлизации эмиттерных и базовых областей каждого транзисторного модуля, предназначенных для уменьшения паразитной емкости площадок, увеличивается по мере увеличения индуктивности его выходной цепи (см. Патент РФ №2227946).
Известен мощный СВЧ-транзистор, в нем средняя площадь изолированных фрагментов контактных площадок металлизации эмиттерных и базовых областей каждого транзисторного модуля уменьшается по мере увеличения индуктивности его выходной цепи. При этом дополнительным условием является неувеличение суммарной площади изолированных фрагментов металлизации данного модуля относительно модулей с меньшими значениями индуктивностей выходных цепей (см. Патент РФ №2227945).
Близким аналогом является СВЧ-транзистор (см. В.М.Петухов. // Полупроводниковые приборы. Транзисторы. М.: «РИКЕЛ», «Радио и связь». 1995, С.90-92) 2Т648А-5 с рабочей частотой 12 ГГц и мощностью 40 мВт. Такой результат по частоте в этом транзисторе достигнут за счет уменьшения размеров базового и эмиттерного слоя и уменьшения контактных электродов на базе и эмиттере, однако его мощность сравнительно мала.
Наиболее близким аналогом является транзистор с множеством не связанных между собой (отдельных) эмиттеров в виде полосок или дисков (см. В.В.Пасынков, Л.К.Чиркин. Полупроводниковые приборы. Санкт-Петербург - Москва - Краснодар, «Лань», 2003, стр.270).
к
к
к
к
Обычно по мощности рассеяния Р (или выходной мощности) на коллекторе транзисторы условно подразделяют на маломощные (Р≤0,3 Вт), средней мощности (Р=0,3 Вт - 1,5 Вт) и большой мощности (Р≥1,5 Вт). Транзисторы мощностью на один (или более) десятичный порядок выше, чем 1,5 Вт, таким образом, корректно отнести к сверхмощным (СМ).
По рабочему диапазону высокочастотные транзисторы условно подразделяются: на высокочастотные ВЧ (диапазон до 3-30 МГц), очень высокой частоты ОВЧ (диапазон до 30-300 МГц), ультравысокой частоты УВЧ (диапазон до 0,3-3 ГГц), сверхвысокой частоты СВЧ (диапазон до 3-30 ГГц, крайне высокой частоты КВЧ (диапазон до 30-300 ГГц) и гипервысокой частоты (ГВЧ) (диапазон до 300 ГГц - 3 ТГц).
Общими недостатками всех полупроводниковых (обычных и высокочастотных) приборов являются большая величина и разброс полного сопротивления в p-n-переходах, состоящая из активной (R), емкостной (C) и индуктивной (L) составляющих. Это приводит к снижению мощности полупроводникового прибора, к нестабильности электрических параметров, к существенному разбросу значений вольтамперных характеристик (ВАХ), а также ведет к снижению чувствительности и быстродействия, приводящие к снижению рабочей частоты. В связи с этим, как правило, все высокочастотные, к примеру, СВЧ-ГВЧ-транзисторы имеют малую мощность. К недостаткам известных полупроводниковых приборов необходимо отнести также нестабильность их электрических параметров в условиях низких и высоких температур.
В связи с этим возникает необходимость в изготовлении высокоточных полупроводниковых транзисторов с одновременным повышением их мощности, рабочей частоты, стабильности входных и выходных характеристик, способных работать как в обычных условиях, так и в экстремальных, в частности, в условиях низких и высоких температур, в условиях электрических и тепловых перегрузок в диапазоне СВЧ-ГВЧ.
В данном решении снижение разброса сопротивления и значений электрических параметров, повышение стойкости к перегрузкам по тепловому и электрическому напряжению и одновременно устойчивая работа в СВЧ-ГВЧ-диапазоне достигается за счет применения новых физических способов модификации материалов, используемых при изготовлении полупроводниковых приборов. Это простые, но для данного уровня развития техники принципиально новые способы физического модифицирования основаны на использовании общего универсального принципа температурно-временной (силовой) и частотной эквивалентности (принцип ТВЭ) и законов математической статистики [1-4].
кр
Согласно принципа ТВЭ время воздействия (или одно и то же, что частота), приложенная силовая нагрузка (или масштаб образца), частота (или время воздействия), температура воздействия вызывают в твердых телах или в других физических объектах эквивалентные изменения физических характеристик, в частности, они приводят к снижению или увеличению экспериментального разброса данных физических измерений [1-2]. Поэтому для того, чтобы снизить разброс и величину физического параметра, например, сопротивления R, какого-либо полупроводникового материала, можно подобрать соответствующую температуру, силовую токовую нагрузку, частоту воздействия на материал, или масштаб образца. Исследователи 20-го века [5] с этой целью снижали температуру опыта, к примеру, ими было обнаружено таким путем существование некоторой критической температуры Т, при которой материал переходил в сверхпроводящее состояние. Электрическое сопротивление при этой температуре снижалось практически до нуля, а величина дисперсии сопротивления практически отсутствовала, т.е. сопротивление становилось стабильным по величине, не имело экспериментального разброса. В этом случае производные электрические параметры (к примеру, ток и напряжение) также становятся идеально стабильными.
Согласно принципа ТВЭ такой же результат можно получить изменением не только температуры, но и изменением силовой нагрузки или изменением частоты, или изменением времени воздействия, или изменением масштаба образца. Однако использование этих способов, за исключением изменения масштаба требуют больших энергетических и финансовых затрат и к тому же их технически сложно или невозможно (из-за их дороговизны) осуществить на данном этапе развития техники.
Согласно предлагаемого изобретения, снижение полного сопротивления, устранение разброса и повышение температурной стабильности и рабочей частоты достигается объединением тонких элементов из используемого полупроводникового материала в один статистический пучок или трос (см. «эффект троса», «эффект пучка» [3-4]. При этом согласно изобретению для этого необходимо достаточно большое число N>1 (где N - целое число и оно должно быть бесконечно большим, а в идеале N→∞) этих элементов в тросе и чтобы эти элементы были отдельными и однотипными. Кроме того, согласно эффекта Цоя [4] для реализации эффекта усиления или ослабления какого-либо физического параметра в пучке они (элементы пучка) должны быть еще с достаточно малыми геометрическими размерами (в идеале должны быть бесконечно малыми и стремиться к нулевому значению), т.е. в случае полупроводниковых приборов p-n-переходы (элементы пучка) должны быть точечными.
В настоящее время, для преодоления недостатков полупроводниковых приборов исследователи и технологи идут по пути модификации химической структуры полупроводниковых материалов, из которых они выполнены. В частности, для получения прецизионных высокоточных, сверхмощных и высокочастотных, или температуростойких приборов используются дорогостоящие сверхчистые материалы и др. продукты современной нанотехнологии. Все это существенно увеличивает затраты на создание и изготовление полупроводниковых приборов и приводит к все большему усложнению технологии их получения.
Настоящее изобретение направлено на изготовление сверхмощных и высокоточных полупроводниковых ГВЧ-транзисторов, характеризуемых высокой стабильностью входных и выходных характеристик, способных работать в условиях низких и высоких температур, электрических и частотных перегрузок без капитальных финансовых затрат.
Техническим результатом настоящего изобретения является легкая (без капитальных затрат) адаптация в существующие современные полупроводниковые технологии и получение высокоточных сверхмощных (СМ) транзисторов со стабильными электрическими параметрами, способных работать как в обычных температурно-силовых и частотных условиях воздействия, так и вплоть до ГВЧ-диапазона в условиях электрических и температурных перегрузок.
В диодных структурах, из которых выполнены в конечном счете транзисторы и другие полупроводниковые приборы, технический результат достигается тем, что они выполнены по меньшей мере из одной p-области и по меньшей мере с одной n-области с прилегающими к каждой из указанных областей электродами, выполнены из числа N>1 (где N - целое число и при этом предпочтительно, чтобы N»l и стремилось к бесконечно большому числу) областей с одноименной проводимостью и одной областью с противоположной проводимостью с образованием N отдельных однотипных точечных p-n-переходов, причем электроды, прилегающие к каждой из N областей с одноименной проводимостью, параллельно соединены посредством одного проводника, т.е. объединены в один узел (или пучок).
В частном случае указанные N области с одноименной проводимостью могут являться p-областями, а указанная одна область с противоположной проводимостью являться n-областью.
1
2
3
i
В транзисторных структурах, технический результат достигается тем, что транзистор содержит первое множество, включающее N>1000000 областей с одноименной проводимостью, второе множество, включающее N>1000000 областей с той же проводимостью, а также третье множество, включающее N>1000000 областей с противоположной проводимостью, выполненные с образованием первого набора отдельных однотипных точечных p-n-переходов между областями из первого и третьего множества и второго набора отдельных однотипных точечных p-n- переходов между областями из второго и третьего множества, при этом электроды, прилегающие к областям, входящим по меньшей мере в одно из указанных множеств, для которых выполнено условие N>1000000, где i∈{1, 2, 3}, параллельно соединены посредством одного проводника, т.е. объединены в один токовый узел.
1
2
1
2
3
Указанные области с одноименной проводимостью, входящие в первое и второе множества, являются p-областями, а области, входящие в третье множество - n-областями. Первое и второе множества содержат одинаковое количество p-областей: N=N. Первое, второе и третье множества содержат одинаковое количество p- и n-областей соответственно: N=N=N.
1
3
Первое и третье множества содержат одинаковое количество p- и n-областей соответственно: N=N.
2
3
Второе и третье множества содержат одинаковое количество p- и n-областей соответственно: N=N.
Указанные области с одноименной проводимостью, входящие в первое и второе множества, являются n-областями, а области, входящие в третье множество, - p-областями.
1
3
Первое и третье множества содержат одинаковое количество n- и p-областей соответственно: N=N.
1
2
3
Второе и третье множества содержат одинаковое количество n- и p-областей соответственно: N=N=N.
Первое, второе и третье множества являются n-областями, а третье множество содержит p-области.
1
2
3
i
Способ изготовления транзистора включает применение полупроводникового материала, содержит первое множество, включающее N>1000000 областей с одноименной проводимостью, второе множество, включающее N>1000000 областей с той же проводимостью, а также третье множество, включающее N>1000000 областей с противоположной проводимостью, которые выполнены с образованием первого набора отдельных однотипных точечных p-n-переходов между областями из первого и третьего множества и второго набора отдельных однотипных точечных p-n-переходов между областями из второго и третьего множества, при этом электроды, прилегающие к областям, входящим по меньшей мере в одно из указанных множеств, для которых выполнено условие N>1000000, где i∈{1, 2, 3}, параллельно соединены посредством одного проводника.
Указанные области с одноименной проводимостью, входящие в первое и второе множества, являются p-областями, а области, входящие в третье множество, - n-областями.
1
2
1
2
3
Первое и второе множества содержат одинаковое количество p-областей: N=N. Первое, второе и третье множества содержат одинаковое количество p- и n-областей соответственно: N=N=N.
1
3
Первое и третье множества содержат одинаковое количество p- и n-областей соответственно: N=N.
2
3
Второе и третье множества содержат одинаковое количество p- и n-областей соответственно: N=N.
1
2
Указанные области с одноименной проводимостью, входящие в первое и второе множества, являются n-областями, а области, входящие в третье множество, - p-областями. Первое и второе множества содержат одинаковое количество n-областей соответственно: N=N.
1
2
3
Первое, второе и третье множества содержат одинаковое количество n- и p-областей соответственно: N=N=N.
1
3
Первое и третье множества содержат одинаковое количество n- и p-областей соответственно: N=N.
2
3
Второе и третье множества содержат одинаковое количество n- и p-областей соответственно: N=N.
В транзисторах согласно изобретению, таким образом, возможно множество различных конструктивных комбинаций исполнения, например:
1
1
- «многоэмиттерный» транзистор (например, p-n-p). В этом транзисторе изготавливается эмиттер с числом p-n-переходов («эмиттер-база») N>1 (в идеале N→∞), одна база с одним p-n-переходом («коллектор-база») и один коллектор. При этом примыкающие к эмиттерным p-областям электроды посредством одного проводника соединены параллельно в цепь, сходящуюся в один узел;
2
2
- «многоколлекторный» транзистор (p-n-p). В этом транзисторе изготавливается коллектор с числом p-n-переходов («коллектор-база») N>1 (в идеале N→∞), одна база и один эмиттер с одним p-n-переходом («эмиттер-база»). При этом примыкающие к коллекторным p-областям электроды собраны в параллельную цепь, сходящуюся в один узел;
3
3
- «многобазовый» транзистор (p-n-p). В этом транзисторе изготавливается база с числом p-n-переходов («коллектор-база») N>1 (в идеале N→∞), один коллектор и один эмиттер с одним p-n- переходом («эмиттер-база»). При этом примыкающие к базовым n-областям электроды собраны в параллельную цепь, сходящуюся в один узел;
1
1
2
2
3
3
- «многобазово-эмиттерно-коллекторный» транзистор (p-n-p). В этом транзисторе изготавливается эмиттер с числом p-областей и p-n-переходов (эмиттер-база») N>1 (в идеале N→∞), коллектор с числом p-областей N>1 (в идеале N→∞) и база с числом n-областей и p-n- переходов («коллектор-база») N>1 (в идеале N→∞). При этом электроды, примыкающие и к базовым n-областям, и к эмиттерным p-областям, и коллекторным p-областям, соединены внутри соответствующих множеств p- или n-областей параллельно в цепь, сходящуюся в один узел.
Возможны другие сочетания и комбинации базы-коллектора-эмиттера или стока-затвора-истока. При этом, чем меньше размер p-n-переходов и больше будет число N p-n-переходов, с прилегающими к ним p и n областями с электродами базы-эмиттера-коллектора в параллельной цепи, тем точнее и стабильнее будут электрические параметры, и тем больше будет усиление мощности, увеличение температурной стойкости, быстродействие и рабочей частоты транзистора. В идеале для достижения технического результата изобретения, как отмечено выше, p-n-переходы должны иметь бесконечно малые геометрические размеры, т.е. они должны быть точечными.
В частности, в «многоэмиттерном» транзисторе, чем больше будет число N p-n-переходов, тем больше будет носителей зарядов на переходах эмиттер-база и тем больше будет усиление тока коллектора в активном режиме транзистора. В «многоколлекторном» транзисторе, чем больше будет число N p-n-переходов, тем больше будет собираться носителей зарядов на электроде коллектора и тем самым больше будет усиление тока во внешней цепи транзистора. В «многобазовом» транзисторе при увеличении числа p-n-переходов «база-коллектор» уменьшается разброс и увеличится стабильность электрических параметров базы (сопротивления, тока и напряжения), в результате которого получаются сверхстабильные и сверхточные вольтамперные характеристики транзистора. Кроме того, в таком транзисторе увеличивается его быстродействие и рабочая частота.
В «многобазово-эмиттерно-коллекторном» транзисторе происходит изменение всех перечисленных выше параметров: устраняется разброс электрических параметров (индуктивности, сопротивления, входных и выходных токов и напряжений); все вольтамперные характеристики транзистора становятся идеально стабильными; существенно усиливаются все электрические характеристики (ток, напряжение и мощность); существенно увеличивается стойкость к температурным, электрическим и частотным перегрузкам.
В описанном выше способе выполнения полупроводникового транзистора по существу через электроды, прилегающие к p-областям и n-областям, соединяют посредством одного проводника в параллельную цепь, в один узел, внутренние сопротивления p-n-переходов с p-областями и n-областями проводимости. Такое объединение отдельных и однотипных p- и n-областей и соответствующих им p-n-переходов в один узел приводит к неожиданному эффекту - к аномально скачкообразному падению и устранению величины разброса полного сопротивления p-n-переходов в полупроводниковых приборах. Этот эффект скачкообразного снижения сопротивления в параллельной электрической цепи приводит к стабильности электрических параметров и увеличению мощности, температурной и частотной стойкости полупроводниковых транзисторов согласно изобретению. Результат снижения сопротивления следует из закона Ома для параллельной цепи. В нашем случае внутренние сопротивления p-n-переходов соединены в параллельную электрическую цепь, общее сопротивление такой цепи, при условии однотипности и отдельности составляющих элементов - сопротивлений цепи, обратно пропорционально числу сопротивлений в такой цепи. И если в таком параллельном соединении, при некотором большом значении числа N элементов-сопротивлений хоть один p-n-переход будет иметь близкие к нулю значения сопротивления, или какое-то наименьшее значение, то электрический ток пройдет по пути наименьшего сопротивления и общее суммарное значение сопротивления по закону шунта примет значение меньше наименьшего значения и будет приближаться к нулевому значению.
Упомянутый выше набор параллельно соединенных проводников представляет собой в сущности статистическую выборку (или пучок) из N>1 элементов. Этими элементами статистической выборки являются p-n-переходы (с p- и n-областями), имеющие, как правило, большой экспериментальный разброс значений сопротивлений.
Если исходить из ныне существующей разрешающей способности обычной фотолитографии, размер ячеек-окон для внедрения примесей и формирования p-n-переходов может иметь 2-3 мкм в диаметре при круговой конфигурации. Соответственно площадь p-n-перехода S будет ограничена этими размерами. При этом согласно теории и экспериментально наблюдаемым данным разброс будет тем больше, чем меньше размер p-n-переходов [1-4]. И тем больше будет разброс и число N p-n-переходов, тем больше вероятность того, что в такой статистической выборке будут присутствовать p-n-переходы с малыми значениями сопротивления R. В таком статистическом пучке (или выборке) сопротивлений по закону больших чисел дисперсия снижается обратно пропорционально числу сопротивлений, т.е. чем больше будет число N p-n-переходов, тем меньше будут дисперсии значений сопротивления и стабильнее электрические параметры прибора.
Поэтому согласно нашему изобретению в полупроводниковых структурах при их изготовлении необходимо использовать достаточно большое число p-n-переходов (в идеале их число должно стремиться, как это отмечено выше, к бесконечно большому числу) с достаточно малыми геометрическими размерами.
Таким образом, для усиления эффекта аномального снижения сопротивления во внутренней цепи полупроводникового перехода необходимо, чтобы число p-n-переходов стремилось к бесконечно большому числу, т.е. N→∞, и чтобы эти переходы были отдельными, точечными, а размер (в частности, площадь S) каждого из N p-n-переходов был бы достаточно малым и в идеале стремился к нулю, т.е S→0. Этому условию соответствуют точечные переходы.
В целом для осуществления технического результата в предлагаемом способе изготовления высокоточного СМ ГВЧ-транзистора должны выполняться следующие условия для p-n-переходов:
1) p-n-переходы должны быть отдельными (должен соблюдаться принцип отдельности, т.е. они должны быть между собой не связанными),
2) p-n-переходы должны быть однотипными (идентичными, одинаковыми) и выполнены в одинаковых технологических условиях (должен соблюдаться принцип однотипности),
3) число p-n-переходов должно быть достаточно большим; для них должно соблюдаться неравенство N>1 (в идеальном случае N→∞),
4) размер p-n-переходов должен быть минимальным, в частности, площадь отдельного p-n-перехода должна стремиться к нулю - S→0 (должен соблюдаться принцип минимальности размеров p-n-переходов, т.е. предпочтительно, чтобы переходы были точечными).
При соблюдении этих условий в транзисторах согласно изобретению (как будет ниже показано) полное сопротивление будет стремиться к минимальному (нулевому) значению. Это является следствием снижения активной R (R→0), емкостной С (С→0) и индуктивной L→0 составляющей сопротивления p-n-переходов. Величина добротности Q в таком транзисторе с увеличением числа N→∞ p-n-переходов стремится к достаточно большой величине. В целом, таким образом, постоянная времени τ=R·C транзистора согласно изобретению снижается и стремится также к нулю (τ→0). В результате рабочая частота такого транзистора будет стремиться к бесконечно большому значению (f→∞), а температурная стойкость электрических параметров будет увеличиваться вплоть до температуры, близкой к температуре внедрения (диффузии) примесей в кристалл полупроводника.
к
Поскольку полное сопротивление снижается, то мощность будет увеличиваться. Следовательно, увеличивая число N и снижая размер отдельных p-n-переходов, можно изготовить транзистор любой высокой и гипервысокой рабочей частоты f, сверхвысокой выходной мощности P на коллекторе и сверхвысокой температурной стойкости электрических параметров.
В соответствии с современным уровнем развития техники [1-4], под статистическим пучком (тросом, пакетом и т.д.) или просто пучком в рамках настоящего изобретения следует понимать многоэлементную статистическую структуру, образованную из числа N>1 (где N - целое число) отдельных однотипных индивидуальных составляющих элементов-сопротивлений (в данном случае сопротивлений p-n-переходов с p- и n-областями), соединенных (объединенных) параллельной цепью посредством одного проводника в один узел двумя противоположными токовыми контактами или электродами.
В рамках настоящего изобретения под однотипными понимаются отдельные (не связанные между собой) p-n-переходы, выполненные одинаковым способом (в одинаковых условиях) из одних и тех же материалов (с использованием одних и тех же примесей в одинаковых количествах), имеющие по существу одинаковые геометрические размеры, конфигурацию и форму, а также одинаковые структурно-чувствительные физические (механические, электрические, электромагнитные и др.) характеристики и свойства. Случай, когда все p-n-переходы выполняются абсолютно идентичными, предпочтителен, но на практике трудно достижим. Кроме того, под отдельностью p-n-переходов понимается их обособленность и изолированность друг от друга (например, каким-нибудь отделителем или диэлектриком), каждый из p-n-переходов располагается обособленно (отдельно) от остальных p-n-переходов в приборе.
Доказательство осуществления технических результатов по устранению разброса данных и снижения сопротивления и емкости p-n-переходов в изобретении представлены на фиг.1-3. На этих фигурах представлены:
Фиг.1. Сравнительные вариационные диаграммы статистического распределения значений активного сопротивления R p-n-переходов серийных СВЧ полупроводниковых диодов Шоттки (с частотой 10 ГГЦ) и диодных структур согласно изобретению: (N=1) - контрольные образцы серийных диодов с одним p-n-переходом; (N=4) - образцы согласно изобретению с 4-мя отдельными однотипными p-n-переходами; (N=8) - диоды согласно изобретению с восемью отдельными однотипными p-n-переходами; (N=1000) - диоды согласно изобретению с числом отдельных однотипных p-n-переходов 1000.
Фиг.2. Сравнительные вариационные диаграммы статистического распределения значений емкости С p-n-перехода серийного диода КД 522 (с числом p-n-переходов N=1) и выполненных согласно изобретению с числом отдельных однотипных p-n-переходов: N=4, 8, 12 и 1000.
1
3
2
1
3
2
б
Фиг.3. Сравнительные статические вольт-амперные выходные характеристики серийного транзистора КТ-315 Г с числом N=2 p-n-переходов: 1 эмиттер (N=1), 1 база (N=1), 1 коллектор (N=1); с числом отдельных переходов N=16 p-n-переходов: 8 эмиттеров (N=8), 8 баз (N=8), 8 коллекторов (N=8) при токах базы J=8, 20, 30, 40 мкА.
Из фигуры 1, таким образом, четко видно, что при параллельном соединении числа N>1 отдельных однотипных p-n-переходов посредством одного проводника в один узел общее сопротивление R и величина разброса катастрофически снижаются. При значениях, например, N=1000 отдельных однотипных p-n-переходов сопротивление падает почти до нулевого значения, а разброс полностью устраняется. Это соответственно ведет к стабилизации и усилению всех электрических параметров полупроводниковых приборов согласно изобретению: тока, напряжения, мощности.
Из фигуры 2 видно, что при объединении в параллельную цепь числа N>1 отдельных однотипных p-n-переходов снижается не только величина сопротивления, но и его емкость, которая при числе переходов N=1000 приобретает нулевое значение. Отсутствие емкости с увеличением числа p-n-переходов N обусловлено резким падением активного сопротивления в параллельной цепи p-n-переходов, в результате которого скопление зарядов на p-n-переходах не происходит, т.е. образующийся на переходах «паразитный заряд», не скапливаясь, сразу уходит во внешнюю электрическую цепь.
Экспериментальные данные, представленные на фигурах 1-2, получены в различных температурно-частотных областях: температура варьировалась от -100°С до +300°С, а частота от 1 кГц до 1 ГГц.
1
3
б
На фигуре 3 в качестве примера приведены выходные вольт-амперные характеристики (ВАХ) для промышленных транзисторов КГ 315 Г и изготовленных согласно изобретению с N=16 отдельных однотипных p-n-переходов (с N=8 p-n-переходов «эмиттер-база», N=8 p-n-переходов «коллектор-база»). Из фигуры 3 видно, что выходные ВАХ для серийного транзистора КТ 315 Г при различных токах базы J нестабильны, в то время как у многопереходного транзистора согласно изобретению с числом N=16 выходные ВАХ идеально стабильны. Аналогичные данные получены и для входных ВАХ.
об
Таким образом, в полупроводниковом приборе при объединении в параллельную цепь из числа N>1 p-n-переходов посредством одного проводника в один узел снижается разброс и полное внутреннее сопротивление R p-n-переходов в этом узле, ведущее к увеличению выходной мощности прибора. Кроме того, увеличивается температурная стойкость, рабочая частота и добротность p-n-переходов. Эти эффекты и легли в основу способа изготовления сверхточных транзисторов со сверхстабильными электрическими параметрами, могущими работать в условиях перепадов температур, силовых нагрузок и частот воздействия.
Изобретение далее поясняется на конкретном примере осуществления СМ ГВЧ-транзистора со ссылками на прилагаемые чертежи.
Пример 1. Способ изготовления СМ ГВЧ-транзистора.
Согласно изобретению предлагается пучковый СМ ГВЧ-транзистор, схемы конструктивного исполнения которого представлены на фиг.4-6.
На фигурах приняты следующие условные обозначения:
1 - электрод коллектора; 2 - электрод эмиттера; 3 - электрод базы; 4 - диэлектрик; 5Е, 5В, 5К - контактные площадки эмиттера, базы и коллектора; 6 - коллектор (n-слой); 7 - эмиттер (n-слой); 8 - база (p-слой); 9 - отдельные однотипные p-n-переходы.
Фиг.4. Схема конструктивного исполнения сверхмощного пучкового ГВЧ многоэмиттерного, -базового и -коллекторного (МЭБК) транзистора (разрез А-А).
Фиг.5. Схема конструктивного исполнения сверхмощного пучкового ГВЧ МЭБК-транзистора (вид сверху).
Фиг.6. Схема конструктивного исполнения сверхмощного пучкового ГВЧ МЭБК-транзистора (вид снизу).
При проектировании CM ГВЧ-транзистора в качестве базовой модели был взят биполярный серийный СВЧ-транзистор типа 2Т648А - 5. Это серийный кремниевый транзистор с входной мощностью 25 мВт и выходной мощностью 50 мВт с рабочей частотой 12 ГГц.
В предлагаемом варианте СМ ГВЧ-транзистора конструкция коллектора 6 состоит из N2=1000 n-областей, к которому примыкают с одной стороны N=1000 электродов 1, а с другой стороны - примыкают N3=1000 отдельных однотипных (не связанных между собой) p-n-переходов «коллектор-база» (фиг.4-6).
1
Эмиттер 7 выполнен из N=1000 n-областей с N=1000 отдельных однотипных (не связанных между собой) точечных p-n-переходов 9 (эмиттер-база), объединенных в один токовый узел с помощью N=1000 электродов 2 и контактной площадки (фиг.4-5). С целью дополнительного снижения емкости С токопроводящие цепи выведены за пределы эмиттерной области.
3
1
База 8 выполнена из N=1000 p-областей, к которому прилегают с одной стороны N=1000 отдельных однотипных p-n-переходов 9 («коллектор-база»), а с другой стороны прилегают N=1000 отдельных однотипных p-n-переходов («база-эмиттер»). Кроме того, к базе 8 примыкают N=1000 электродов 3. Особенности выполнения базы - контактная площадка (см. фиг.4-5) вынесена за пределы базы с целью уменьшения барьерной и диффузионной емкости, а толщина базы, чтобы для носителей заряда была прозрачной, снижена до 0,6-0,8 мкм.
Для изготовления указанного транзистора используется стандартная технология. Для выполнения транзистора берется, например, 100 мм стандартная пластина-подложка толщиной 270-300 мкм из полупроводникового материала, например, кремния p-типа с отполированной поверхностью.
Затем все операции размещения на этой подложке p-n-переходов, токопроводящих цепей, электродов и соединений производятся с помощью фотолитографии.
Технологический цикл последовательных операций общеизвестен. Для осуществления изобретения в полупроводниковой технологии изменяется лишь число ячеек-окон и их конфигурация под p-n-переходы, токопроводящие цепи и электроды. Для того чтобы обеспечить выполнение конструкции транзистора по изобретению, необходимо увеличить число окон под p-n-переходы, например, в 2000 раз (т.е. число переходов N будет равно 2000). Конструктивно в шаблоне предусматривается токопроводящая цепь, параллельно связывающая 1000 ячеек-окон под эмиттеры и 1000 ячеек-окон под базы. Таким образом, изготовление биполярного транзистора по изобретению предусматривает лишь незначительные изменения: изменяется конструкция фотошаблона, в частности конфигурация и количество окон. Фотошаблон изготавливается исходя из схемы конструктивного исполнения транзистора (см. фиг.4-7). В указанной конструкции транзистора полное сопротивление R и величина емкости уменьшаются до значений, близких к 0.
В зависимости от подаваемого входного сигнала и числа N p-n-переходов получены приборы с различными техническими характеристиками. Так, выходная мощность для N=16 p-n-переходов составляет 4,8 Вт, рабочая частота - 120 ГГц. Для транзистора, выполненного из N=2000 p-n-переходов, рабочая частота составляет 600 ГГц, а мощность в зависимости от величины подаваемого тока и напряжения составляет от 60 до 300 Вт. Транзисторы, изготовленные согласно изобретению, показывают высокую стабильность электрических параметров, высокую температурную стойкость электрических параметров выше базового, в пределах измеренных значений температур до +300°С.
1
2
3
1
2
3
Пример 2. Частные случаи реализации пучковых транзисторов. На фиг.7-9 приведены другие разновидности пучковых транзисторов с различным числом p-n-переходов. На фиг.7 представлена схема конструктивного исполнения транзистора с N=4, N=1, N=4 (4 эмиттера, 4 коллектора, одна база), а на фиг.8 приведена схема конструктивного исполнения транзистора с N=4, N=1, N=4 (4 эмиттера, 4 базы, 1 коллектор). К ним применимы закономерности МЭБК-транзисторов.
В заключение следует отметить, что вышеприведенные примеры представлены лишь для лучшего понимания сущности изобретения, а также его преимуществ и ни в коей мере не охватывают все возможные частные случаи его осуществления. К примеру, предлагаемый СМ ГВЧ-транзистор и способ его изготовления могут быть использованы не только в режиме усиления мощности и преобразования ГВЧ, но и в режиме генерирования ГВЧ, поскольку на p-n-переходах идут одновременно как процессы образования электронно-дырочных пар, так и рекомбинация.
Эффект образования электронно-дырочных пар использовался нами выше для изготовления транзистора, а эффект рекомбинации в связи с этим можно использовать для генерации различных частот, включая ГВЧ и выше.
Специалисту в данной области техники ясно, что возможны и другие конкретные варианты его воплощения, например, фототранзисторах, или в диодах и светодиодах, тиристорах, или в транзисторах с различными (комбинациями) p- и n-областей (в частности, вместо p-n-p-транзисторов аналогично могут выполняться n-p-n-транзисторы), а также применением других полупроводниковых материалов, в частности, арсенида галлия, полимерных полупроводниковых материалов и др. Кроме того, очевидно, что все указанные способы и варианты, очевидные для специалиста, не выходят за рамки объема притязаний данного изобретения, определяемого исключительно прилагаемой формулой.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Карташов Э.М., Цой Б., Шевелев В.В. Структурно-статистическая кинетика разрушения полимеров. Москва: Химия, 2002. 736 с.
2. Tsoi В., Kartashov E.M. and Shevelev V.V. THE STATISTIKAL NATURE AND LIFETIME IN POLYMERS AND FIBERS. Utrecht-Boston. Brill Academic Publishers / VSP. 2004, 522 p.
3. Цой Б. О трех научных открытиях, связанных с явлением дискретности. Москва, Мир-Химия, 2004, 208 с.
4. Цой Б., Лаврентьев В.В. Основы создания материалов со сверхвысокими физическими характеристиками. Москва, Энергоатомиздат, 2004, 400 с.
5. Гинзбург В.Л. / Сверхпроводимость: позавчера, вчера, сегодня, завтра. // Успехи физических наук. 2000, том 170, №6, с.619-630.