双极型静电感应晶体管：实验和二维分析法

文章内容：双极型静电感应晶体管实验和二维分析珐--等""作为新型结构的功率器件已在国内外问世.它具有开关特性好.饱和压降小阳负温度系数的特点.国内在电子整流器的应用中取得了高可靠的效果.本文介绍了该器件的平而结构及其工作原理.希望能被大家所重视.～～编者担.摘要:双极型静电感应晶体管()作为实验性器件巳经生产.并显示了一个简单的平面结构图,又通过二维模型的研究可以用五报管的输出特性来解释的工作原理.模型解释了随偏置电压的变化而引起势垒的变化,又用直流阿络模拟鹌释外接偏置电堆决定导电沟道的物理条件.最后分析表明要的电流是受复杂的电压控制的.一.导言一个双般犁静电感应晶体管的导电沟根据旋加的外按在三种物理条件下工作;(1)在没有少数裁流子注八的情况下,(2)低注八的条件下.(3)高注八的条件下.在条件(1)情况下.作为一个常关闭型单极静电感直晶体管()工作,在其它条件下.是由于少数载流子注八沟内形成双极型晶体管的工作模式.通常说.也是一种器件.它的电流主要受控于源区域多敛载流子的热离子注八,而且热离子注人决定刁:电流回路中势垒的状态,就偏置电压来说.势垒是一个可变函数.那么根据偏置电压.很容易分析表明所取得的电流.因此在沟内势能的变化唯一根据的物理条件是由外接偏置电压(和)所决定的.所以电流无法用简单的方式表现出来.有许多有关[1].[2]和基极耗尽层晶体管()[3][4]的器件物理分析指出控制源热离子注八的势叠是可以由器件参数来调整的.诸如沟掺杂浓度.控铺栅距离和沟长.在[3]和[2]的分析表明了势能和偏置电压以及器件参数之间关系公式.但是这些公式是复杂的而对于整极偏置分布函数的物理意义是不明确的.最近我们对作丁一次试验.并对这电压控制的器件作了二维模型.这样便能在各种外加条件下解释器件工作,这项研究主要针对在外接电压的条件下势能分配的变化.通过二维模型的讨论来得到明确的结果.:,器件制作第一步.我们作_一个实验器件有两个淘.完全桕同的淘(如图1.所示的沟结构).一[艺从准备的.—,,()型硅片作为一个有效的沟道层.在高电阻衬底上的型外延层是用硅艺(液相外延技术)来制造.外延层生长厚度为500.掺杂浓詹为1×10"～.猩对底抛光和减薄之后.通过热扩散制作一个区和一个'区所选肋扩散时间和温度以达到区深度为7(扩散时间=5温度=60℃).一个区深?53?■'.●,,度为2(时间:.批度=100℃).在热扩散的尉肘,裘琦经怒氧化长成层嗣6掩蔽屡.然詹再过蒸发在电极位置觚造和—多层金属电极扈从而形成一个完整的器件结构.:两个区城的表面掺杂浓度都是×10一.从这些器件测得的～特性与数字模型结果相似.这在以下部分讨论.三:堆模拟.基础方程和边界条件一组由电子,空穴组成的连续方程和泊松(])方程所组成的偏微分方程被用于楔型程序中.载流子复合率包括2个因素:肖克策～一里德一一霍尔复合和俄歇复合.俄歇复合是在载流子大注八时发生的.电子和空穴的寿命在任何位置上都是相同的.但它们的变化是随掺杂密度的平方根成反比[6].载流子迁图截面移率是根据半导体材料,掺杂浓摩和电场而决定的.我们对迁移结构.以模型器件的一率的实验式采用了曲线拟台方法[7].半为代表.因为它是对假如在热平衡状态下栽流予浓度在金属半导体接触表面不发称的.生变化.那么就不存在宅问电荷.边界上的势能是由准费米能级势能所决定的.我/]源电极电位:为参考电位.在金属自由表面上.由电子和空穴组成的电流密度为零的假设是合理的.,解决过程在图1中显示的模型.沟的中心线(轴虚线)作为镜面对称.在模型中只需运用二维结构的一半.器件参数髓在裘巾表示.用在艇型里的掺杂曲线在方向是阶梯分_佰在方向是高斯分布.我们用来解决双线性微分方程是以有限差分方法()为基础.由采用"演导出来的经积分詹的电流密廖公式是离散的,[8这些离散公式经过线性化处'理后可以应用牛顿的反复原理.为解决矩阵矢量方程使明了运次线性超松驰方法.当备个变量的相关变化完全少于0时,反复环路即停止了.丧模型器件的结构参数栅间距离()9.0"栅的结椿(])7.0源的结深()2.0¨有效淘长()28.0外延屡厚度5.0¨栅表面受子浓度1.0×1.0"一源表面施子浓度.0×1.0'.编表面施子馓度1.0×1.0'有效沟内施子浓守4.0×10"四结果分析实测的和镤拟的—曲线的比欲在图2中表示.这两条曲线清楚地表明了像五稷管一样.-54?,■●●■.-构沟特性模型.模型很接近实验的宴铡结果.所以可以确认数字模型的有效性.首先我们要证明的是偏置电压和势垒之间复杂关系.图3表明了当)=时.不嗣晌沿淘中心线(图的轴)分布的势窟和簸流子浓度.在各个偏置条件下,在漏和源之间有一个最小的势能点,它称之为木征门点或鞍点.在这点上的势能和源电极上势能之问的差被认为是电子注八沟内的势垒高度.本征门势能迅速或逐渐随(图4()和()的变化表明了对应于和变量的各个势垒高度.图所示势垒高度和偏置电压之问的关系是复杂的.以下在讨论我们考虑了这种特性的物理概念.溪脚溪-?.,图2,实验性的实测的(星号注)和模型的(实线)电流～电压特性.在低电流区升0.1/妞;在高电流.05/煦当高于.1,=.6时电流趋向饱和.轴方『台图3.在不同的情况下沿沟的中心线势能,厚\布曲线(见图)电子浓度(实线(和空穴隶度(虚线)的分布曲线(见躅).)&;(见图3)最小势能点的定义是本征门点和势垒.置.在这个点上的势能和在塬电枉上的势能之同的差异是吝循置条件下的势垒高度.?55?'●▲,,^'.凸—1^0口冉3\\,.\<>'-'_,'\_^--,?源电舡):^",?-'黼一源电压御舂囤4,()在不同的情况下势垒高度对关系曲线,图3()在不同的情况下势垒高度对的关系曲蠛.在图3()里状态相对应的条件.门进八为内没有发生注八少数载流子:状态2和状态3相对应的条件是在沟内低注八载流子和高注八载流子.在图3()里,状态是三_:2和.觎态2,=.2和0.4,虚线代表状态2和状奄3之闸的界线.根据三种状态可分成

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