резистивный элемент высоковольтного полупроводникового резистора

Формула изобретения

Резистивный элемент высоковольтного полупроводникового резистора, изготовленный из монокристаллического полупроводника с заданным типом проводимости, в котором созданы приконтактные области, омические контакты и предусмотрена защита краевого контура от поверхностного пробоя, отличающийся тем, что, с целью обеспечения у него относительного изменения величины сопротивления ( R_U) не более заданного значения ( R_Uз) при изменении приложенного к нему напряжения в заданном диапазоне, толщину резистивного элемента (L_з ) определяют из соотношений (1, 2):



где , - значения подвижности основных носителей заряда в резистивном элементе при минимальном (U₁) и максимальном (U ₂) значениях напряжения, приложенных к резистивному элементу в заданном диапазоне напряжений,



где R_U1, R_U2 - значения сопротивления резистивного элемента при минимальном (U₁ ) и максимальном (U₂) значениях напряжения в заданном диапазоне напряжений.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов и может быть использовано при разработке высоковольтных полупроводниковых резисторов с заданной зависимостью их сопротивления от приложенного напряжения.

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 1,1·10¹³см^-2 для кремния с удельным сопротивлением ₀=150 Ом·см до 1,1·10¹⁷ см^-2 для кремния с ₀=0,8 Ом·см.

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 4·10¹³см^-2 для кремния с удельным сопротивлением ₀=120 Ом·см до 2,5·10¹⁴ см^-2 для кремния с ₀=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.

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 (U₁) до максимального (U₂) в заданном диапазоне напряжений.

Целью данного изобретения является разработка конструкции резистивных элементов высоковольтных полупроводниковых резисторов, у которых относительное изменение величины сопротивления ( R_U) при изменении приложенного к нему напряжения в заданном диапазоне напряжений не превышает заданное значение ( R_UЗ).

Указанная цель достигается тем, что толщину резистивного элемента (L_З) выбирают из соотношений (2, 3):

где

- значения подвижности основных носителей заряда в резистивном элементе при минимальном (U₁) и максимальном (U ₂) значениях напряжения, приложенных к резистивному элементу в заданном диапазоне напряжений.

где R(U₁), R(U₂) - значения сопротивления резистивного элемента при минимальном (U₁) и максимальном (U₂) значениях напряжения в заданном диапазоне напряжений.

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 U₁ была равной 0 В, а величина U ₂ должна была иметь значения 500 В, 1000 В и 2000 В. При этом значение относительного изменения сопротивления R_UЗ задавалось равным 0,1 для U=500 В, 0,2 - для U=1000 В, 0,4 - для U=2000 В.

Для описания зависимости подвижности свободных носителей заряда (электронов) от напряженности электрического поля µ_n(Е) было использовано выражение (4) [3]:

где µ_n0 - начальная подвижность электронов (µ_n0=1417 см² /B·с);

Е - напряженность электрического поля;

- скорость насыщения электронов при температуре;

_n - температурно-зависимый коэффициент зависимости подвижности электронов от напряженности электрического поля;

_n0=1,109, T₀=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.

Из соотношений (2, 3, 4, 5, 6), следует, что толщина резистивного элемента (L_З), при которой относительное изменение сопротивления не превышает заданного ( R_UЗ), определяется из выражения (7).

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_UЗ1 должна была быть не более 0,1 в диапазоне напряжения 0В÷500 В; для второй партии R_Uз2 не более 0,2 в диапазоне напряжения 0В÷1000 В; для третьей партии R_Uз3 не более 0,4 в диапазоне напряжения 0В÷2000 В. В соответствии с предлагаемым способом были рассчитаны толщины резистивных элементов (L_З): для первой партии толщина L_З1 0,48 см, для второй - L_З2 0,51 см и для третьей L_З3 0,54 см.

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 (± L) определяется используемым технологическим процессом и оборудованием. Поскольку фактическая толщина резистивного элемента должна быть не менее L_З, при изготовлении партий резисторов заданное документацией значение толщины резистивных элементов (L_ДЗ) выбиралось из соотношения (8)

и составляло L_ДЗ1=0,481 см, L_ДЗ2=0,511 см, L_ДЗ3=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.

В таблице приведены экспериментальные значения величины R_U элементов на основе монокристаллического кремния, рассчитанные для трех партий резистивных элементов, при температуре Т=300К в заданных диапазонах напряжения.

Таблица
Экспериментальные значения величин RU, измеренные у опытных образцов.
№ р.э.	Партия № 1	Партия № 2	Партия № 3
RU ( RUЗ1=0,1)	RU ( RUЗ2=0,2)	RU ( RUЗ3=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

Из таблицы видно, что для выбранных значений толщин резистивных элементов в заданных диапазонах приложенного к ним напряжения величина R_U не превышает R_UЗ.

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.