МОЩНАЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ СТРУКТУРА
POWERFUL SEMICONDUCTOR STRUCTURE

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть применено в конструкциях мощных полупроводниковых приборов.
Известна мощная полупроводниковая структура, содержащая 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).
1
Недостатком такой полупроводниковой структуры является неравномерное распределение температуры по ее площади вследствие неодинаковых условий отвода выделяемого джоулева тепла от отдельных участков его активной области (p-n-перехода), приводящее к снижению выходной мощности P и надежности полупроводниковой структуры.
макс i
макс
В другой полупроводниковой структуре область второго типа проводимости площадью S представляет собой прямолинейный ряд одинаковых прямоугольных участков площадью S/N, расположенных на некотором расстоянии один от другого (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 каждого участка по сравнению с Т целой области и за счет этого повысить выходную мощность и надежность полупроводниковой структуры.
макс i
Недостатком такой полупроводниковой структуры является различие максимальных температур прямоугольных участков Т ввиду взаимного теплообмена между ними. Участки, которые находятся в центре ряда, более интенсивно нагреваются, 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.
макс
1
Наиболее близкой по совокупности признаков является мощная полупроводниковая структура, расположенные в ряд участки области второго типа проводимости которой имеют форму трапеций с монотонным убыванием ширины 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 Т полупроводниковой структуры или повысить равномерность ее нагрева, и таким образом соответственно повысить надежность полупроводниковой структуры или увеличить P без ухудшения усилительных и частотных характеристик.
1
Уменьшение отношения площади области второго типа проводимости к полной площади структуры за счет непрямоугольной формы ее участков приводит к уменьшению отношения выходной мощности полупроводниковой структуры P к ее площади S.
Конфигурация и площадь области второго типа проводимости определяют конфигурацию и площадь p-n-перехода, т.е. активной области полупроводниковой структуры.
1
Непрямоугольная форма активной области полупроводниковой структуры не позволяет обеспечить максимальное использование площади структуры, и с увеличением отклонения формы активной области от прямоугольной уменьшается отношение P/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 трапеций с параллельными высотами, образующих разделенную на фрагменты полосу, ограниченную по ширине основаниями трапеций, а по длине - боковыми сторонами крайних трапеций, согласно изобретению, по крайней мере, часть областей второго типа проводимости выполнена в форме непрямоугольных параллелограммов, стороны которых параллельны смежным сторонам соседних областей второго типа проводимости, из которых как минимум одна не является параллелограммом.
*
a
Получаемый при осуществлении изобретения технический результат, а именно увеличение отношения выходной мощности полупроводниковой структуры к ее площади, достигается за счет того, что при равенстве площадей равнобедренных трапеций и параллелограммов длина основания последних меньше длины большого основания равнобедренных трапеций, что при параллельности смежных сторон соседних параллелограммов и трапеций и неизменности расстояния между их краями позволяет в пределах заданной длины ряда областей второго типа проводимости разместить их большее количество N>N, т.е. увеличить суммарную площадь активной области полупроводниковой структуры, либо уменьшить длину ряда, тем самым - площадь полупроводниковой структуры S, при неизменном количестве N областей второго типа проводимости и их суммарной площади S.
a
макс
1
a
Уплотнение размещения областей второго типа проводимости в пределах площади S области первого типа проводимости, т.е. увеличение отношения S/S не приводит к повышению максимальной рабочей температуры полупроводниковой структуры Т, которое лимитирует значение Р, пропорциональное квадрату выходного тока, в свою очередь пропорционального S (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).
макс
макс i
Значение Т определяется наивысшей температурой среди температур Т, областей второго типа проводимости:
макс
макс i
T=Max{T}; i=1, …, N.
макс i
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 T определяются геометрией области второго типа проводимости, а также степенью близости внешних источников тепла, т.е. соседних областей второго типа проводимости, характеризующимся, 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):
макс i
макс
1
a
1
a
от большого основания трапеции. Здесь а и b - длины большого и малого оснований трапеции, h - ее высота. Если с трапецией соседствует параллелограмм, то между геометрическими центрами данных областей второго типа проводимости возникает дополнительное смещение по вертикали на величину λ=h/2-H, что позволяет компенсировать уменьшение расстояния между рассматриваемыми геометрическими центрами по горизонтали на величину (a-b)/2, т.е. достичь увеличения плотности размещения областей второго типа проводимости в пределах области первого типа проводимости без увеличения Т и Т. При неизменной величине S это будет приводить к увеличению P за счет увеличения S, а при неизменном значении P и S - к уменьшению S.
В обоих случаях обеспечивается увеличение съема полезной мощности с единицы площади полупроводниковой структуры.
На фиг.1 изображена заявляемая мощная полупроводниковая структуpa, 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 или непрямоугольных параллелограммов той же площади с длинами оснований (a+b)/2 и боковыми сторонами, параллельными боковым сторонам трапеций.
1
2
3
4
Расстояние между смежными боковыми сторонами соседних трапеций обозначено как Δ, а длина полосы, образованной областями второго типа проводимости, - d. Жирными пунктирными линиями показаны отрезки GG и GG, соединяющие геометрические центры первой и второй областей 2 в их ряду.
Очевидно (фиг.1):
D=h+2ε,
W=d+2ε,
где ε - технологический параметр.
С учетом выражения (1):
Прирост расстояния между геометрическими центрами трапеции и параллелограмма по сравнению с прототипом:
или
*
макс i
макс
где Δ - расстояние от края большого основания трапеции до проекции на данный край полосы смежного края противоположного основания соседнего параллелограмма, обеспечивает уменьшение теплового взаимодействия между областями 2 и тем самым снижение величин Т (i=1, …, N) и Т.
1i
макс i
макс i
Если i-я область второго типа проводимости представляет собой простую геометрическую фигуру с равномерным распределением по ее площади идентичных источников тепла, то при некоторой заданной выделяемой тепловой мощности P и без учета влияния других областей второго типа проводимости, величина Т определяется отношением периметра данной области к ее площади. Таким образом, замена трапеции на параллелограмм той же площади с сохранением угла наклона боковых сторон к основанию не приводит к увеличению Т, так как периметр фигуры при этом не меняется.
макс
a
1
1
макс i
1
Достижение исходной величины Т может быть осуществлено за счет уменьшения расстояния Δ на величину  приводящего к уменьшению d и W (максимум - на  тем самым - площади S, или за счет размещения в пределах ширины d дополнительных областей 2, что приведет к увеличению S и соответственно P. В обоих случаях увеличивается отношение P/S. Условие на то, чтобы каждый параллелограмм соседствовал, как минимум, с одной трапецией исключает возможность уменьшения расстояния между геометрическими центрами тепловыделяющих областей на величину (a-b)/2 одновременно с обеих сторон от любой из таких областей и увеличение таким образом Т, что привело бы к снижению P и показателей надежности мощной полупроводниковой структуры.