ESTIMATION OF THERMAL PARAMETERS OF POWER BIPOLAR TRANSISTORS BY THE METHOD OF THERMAL RELAXATION DIFFERENTIAL SPECTROMETRY

Thermal performance of electronic devices determines the stability and reliability of the equipment. This leads to the need for a detailed thermal analysis of semiconductor devices. The goal of the work is evaluation of thermal parameters of high-power bipolar transistors in plastic packages TO-252 and TO-126 by a method of thermal relaxation differential spectrometry. Thermal constants of device elements and distribution structure of thermal resistance defined as discrete and continuous spectra using previously developed relaxation impedance spectrometer. Continuous spectrum, based on higher-order derivatives of the dynamic thermal impedance, follows the model of Foster, and discrete to model of Cauer. The structure of sample thermal resistance is presented in the form of siх-chain electro-thermal RC model. Analysis of the heat flow spreading in the studied structures is carried out on the basis of the concept of thermal diffusivity. For transistor structures the area and distribution of the heat flow cross-section are determined. On the basis of the measurements the thermal parameters of high-power bipolar transistors is evaluated, in particular, the structure of their thermal resistance. For all of the measured samples is obtained that the thermal resistance of the layer planting crystal makes a defining contribution to the internal thermal resistance of transistors. In the transition layer at the border of semiconductor-solder the thermal resistance increases due to changes in the mechanism of heat transfer. Defects in this area in the form of delamination of solder, voids and cracks lead to additional growth of thermal resistance caused by the reduction of the active square of the transition layer. Method of thermal relaxation differential spectrometry allows effectively control the distribution of heat flow in high-power semiconductor devices, which is important for improving the design, improve the quality of landing crystals of power electronics products to reduce overheating

Influence of the annealing temperature on the ferroelectric properties of niobium-doped strontium–bismuth tantalate

Characteristics of ferroelectric thin films of nio-bium-doped strontium–bismuth tantalite (SBTN), which were deposited by magnetron sputtering on Pt/TiO2/SiO2/Si substrates, are investigated. To form the ferroelectric structure, deposited films were subjected to subsequent annealing at 700–800°C in an O2 atmosphere. The results of X-ray diffraction showed that the films immediately after the deposition have an amorphous structure. Annealing at 700–800°C results in the formation of the Aurivillius struc-ture. The dependences of permittivity, residual polariza-tion, and the coercitivity of SBTN films on the modes of subsequent annealing are established. Films with residual polarization 2Pr = 9.2 μC/cm2, coercitivity 2Ec = 157 kV/cm, and leakage current 10–6 A/cm2 are obtained at the annealing temperature of 800°C. The dielectric constant and loss tangent at fre-quency of 1.0 MHz were ε = 152 and tanδ = 0.06. The ferroelectric characteristics allow us to use the SBTN films in the capacitor cell of high density ferroelectric random-access non-volatile memory (FeRAM)

Моделирование влияния типа эпитаксиальной пленки на электрические характеристики высоковольтных кремниевых диодов

The device-process simulation of the high-voltage silicon diode was performed at its forming in three types of epitaxial film: 1) 17.0SEPh2.0 (silicon doped phosphor of electron type conductivity with the thickness d = 17 μm and resistivity of pv = 2.0 Ohm.sm); 2) 25.0SEPh6.0 (d = 25.0 μm, pv = 6.0 Ohm.sm); 3) 25.0SEPh20.0 (d = 25.0 μm, pv = 20.0 Ohm.sm). Technological process parameters of diode structure making were defined and its design data was calculated for three types of epitaxial film, the comparison of calculated values with typical ones obtained experimentally was carried out. It was determined that the difference between calculated values and typical ones obtained by experiment is not more then ±10%. The device modeling of diode was performed and it was investigated how the thickness and resistivity of epitaxial film influence on structural and electrical features of diode.Приводятся результаты моделирования операций технологического маршрута и электрических характеристик высоковольтного кремниевого диода при изготовлении его в эпитаксиальной пленке трех типов: 17КЭФ2,0 (кремний, легированный фосфором, электронного типа проводимости толщиной d = 17 мкм с удель -ным электрическим сопротивлением ру = 2,0 Ом.см); 25,0КЭФ6,0 (d = 25,0 мкм, ру = 6,0 Ом.см); 25,0КЭФ20,0 (d = 25,0 мкм, ру = 20,0 Ом.см). Проведен расчет таких конструктивных параметров диодной структуры, как толщина остаточного окисла, поверхностное сопротивление, глубина залегания p-n-перехода. Выполнен сравнительный анализ результатов моделирования указанных параметров с их экспериментальными типовыми значениями. Рассчитаны зависимости значений электрического тока диода от прямого и обратного электрических напряжений, прикладываемых к р-n-переходу прибора, для трех типов эпитаксиальной пленки. Исследовано влияние таких параметров эпитаксиальной пленки, как толщина d и удельное электрическое сопротивление, на конструктивные параметры и электрические характеристики диода

УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО МАРШРУТА ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИБОРНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА СО СТАТИЧЕСКОЙ ИНДУКЦИЕЙ

The results of the bipolar static induction transistor (BSIT) making process flow improvement and its device-process simulation are presented. The process flow improvement have allowed to reduce number of metal intermediate subject copies (MISC) applied at projection photolithography by one and to receive experimental samples of transistor with required electrical characteristic. The BSIT device simulation was performed with using the developed by authors model of transistor and the software package MOD-1D.Приведены результаты усовершенствования технологического маршрута изготовления биполярного транзистора со статической индукцией (БСИТ) и его приборно-технологического моделирования. Усовершенствование маршрута позволило сократить количество металлизированных промежуточных оригиналов (МПО), используемых при проекционной фотолитографии, на один, и получить экспериментальные образцы транзистора с требуемыми электрическими характеристиками. Приборное моделирование БСИТ было выполнено с использованием разработанных авторами модели транзистора и комплекса программ MOD-1D

ПРОЕКТИРОВАНИЕ IGBT-ПРИБОРА ВЫСОКОГО БЫСТРОДЕЙСТВИЯ

Results of the investigation of IGBT manufacturing technology parameters influence on its dynamic features are presented. The important role of impurities concentration in various parts of IGBT structure (concentration level in the emitter of the bipolar transistor as apart of the IGBT structure, implantation dose in the MOS channel, the energy of ions implanted in the base of the bipolar transistor) was shown. These effects are discussed with the standpoint of dynamic characteristics of charge carriers. It was discovered that the level of impurity concentration in the emitter does not affect on the device dynamic features and reveals only small influence from the level of impurity concentration in the base. More effect is determined by the dose and energy of implanted ions under the doping of the MOS channel: the two-time dose increasing leads 20 % decreasing of switch on and switch off times of IGBT and the 20 % increasing of the ion energy leads to 25 % increasing of output impulse duration.Представлены результаты исследования влияния технологических параметров формирования структуры IGBT-прибора на его динамические характеристики. Показано, что быстродействие (время включения и выключения) структуры существенно определяется технологическими параметрами формирования как биполярного транзистора, так и МОП-транзистора - составляющих элементов IGBT-прибора. Показано, что на быстродействие прибора не влияет уровень концентрации примеси в эмиттере биполярного транзистора и проявляется лишь небольшое влияние степени легирования базы. В большей мере динамические характеристики IGBT-структуры определяются дозой и энергией ионов при имплантационном подлегировании области канала МОП-транзистора (при увеличении дозы в 2 раза время включения и выключения снижаются почти на 20 % каждое, а при увеличении энергии ионов на 20 % длительность выходного импульса увеличивается почти на 25 %)

ОЦЕНКА ТЕПЛОВЫХ ПАРАМЕТРОВ МОЩНЫХ БИПОЛЯРНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ МЕТОДОМ ТЕПЛОВОЙ РЕЛАКСАЦИОННОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ СПЕКТРОМЕТРИИ

Thermal performance of electronic devices determines the stability and reliability of the equipment. This leads to the need for a detailed thermal analysis of semiconductor devices. The goal of the work is evaluation of thermal parameters of high-power bipolar transistors in plastic packages TO-252 and TO-126 by a method of thermal relaxation differential spectrometry. Thermal constants of device elements and distribution structure of thermal resistance defined as discrete and continuous spectra using previously developed relaxation impedance spectrometer. Continuous spectrum, based on higher-order derivatives of the dynamic thermal impedance, follows the model of Foster, and discrete to model of Cauer. The structure of sample thermal resistance is presented in the form of siх-chain electro-thermal RC model. Analysis of the heat flow spreading in the studied structures is carried out on the basis of the concept of thermal diffusivity. For transistor structures the area and distribution of the heat flow cross-section are determined. On the basis of the measurements the thermal parameters of high-power bipolar transistors is evaluated, in particular, the structure of their thermal resistance. For all of the measured samples is obtained that the thermal resistance of the layer planting crystal makes a defining contribution to the internal thermal resistance of transistors. In the transition layer at the border of semiconductor-solder the thermal resistance increases due to changes in the mechanism of heat transfer. Defects in this area in the form of delamination of solder, voids and cracks lead to additional growth of thermal resistance caused by the reduction of the active square of the transition layer. Method of thermal relaxation differential spectrometry allows effectively control the distribution of heat flow in high-power semiconductor devices, which is important for improving the design, improve the quality of landing crystals of power electronics products to reduce overheating. Температурный режим работы электронной аппаратуры определяет надежность и стабильность оборудования. Это приводит к необходимости детального теплового анализа полупроводниковых приборов. Цель работы – оценка тепловых параметров мощных биполярных транзисторов в пластмассовых корпусах TO-252 и TO-126 методом тепловой релаксационной дифференциальной спектрометрии. Тепловые постоянные элементов приборов и распределение структуры теплового сопротивления определены в виде дискретного и непрерывного спектров с использованием ранее разработанного релаксационного импеданс-спектрометра. Непрерывный спектр рассчитан на основе производных высшего порядка динамического теплового импеданса и соответствует модели Фостера, дискретный – модели Кауера. Структура теплового сопротивления образцов представлялась в виде шестизвенной электротепловой RC-модели. Анализ растекания теплового потока в исследуемых структурах проводился на основе концепции температуропроводности. Для транзисторных структур определены площадь и распределение сечения теплового потока. На основе проведенных измерений оценены тепловые параметры мощных биполярных транзисторов, в частности, структура их теплового сопротивления. Для всех измеренных образцов выявлено, что тепловое сопротивление слоя посадки кристалла вносит определяющий вклад во внутреннее тепловое сопротивление транзисторов. В переходном слое на границе полупроводник– припой тепловое сопротивление возрастает из-за изменения механизма теплопереноса. Наличие дефектов в этой области в виде отслоений припоя, пустот и трещин приводит к дополнительному росту теплового сопротивления в результате уменьшения активной площади переходного слоя. Метод тепловой релаксационной дифференциальной спектрометрии позволяет эффективно контролировать распределение тепловых потоков в мощных полупроводниковых приборах, что необходимо для совершенствования конструкции, повышения качества посадки кристаллов изделий силовой электроники с целью снижения их перегрева.

ДИАГНОСТИКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЩНЫХ ТРАНЗИСТОРОВ С ПОМОЩЬЮ РЕЛАКСАЦИОННОГО ИМПЕДАНС–СПЕКТРОМЕТРА ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

The efficient method of determining thermal parameters in high-power field-effect transistors has been developed and tested based on a study of transient processes during self heating by direct current. With the developed relaxation spectrometer of thermal processes differential distribution profiles of thermal resistance of KP723G transistors have been investigated which were selected in accordance with the regimes of setting of their crystals. Thermal resistance spectra have been obtained from the analysis of time−dependent dynamic thermal impedance using a new non−destructive method of differential spectroscopy using higher order derivatives (order 3). We present both continuous (integral) and discrete spectra of the distribution of internal thermal resistance in the transistors and the value of the junction/case thermal resistance. Thermal characteristics of the KP723G transistors and their imported counterparts IRLZ44 and IRLB3036 have been determined. The method of determining the active area of devices has been developed and its decrease during heating has been shown. The proposed methodology is useful in solving technological problems of forming the setting layers of crystals and intermediate layers between a crystal and a heat sink and also for the development of thermal models in SPICE modeling of powerful MOSFETs and diode emitters.На основе исследования переходных процессов при саморазогреве прямым током разработан и апробирован эффективный метод определения тепловых параметров мощных полевых транзисторов. С помощью разработанного релаксационного спектрометра тепловых процессов исследованы дифференциальные профили распределения теплового сопротивления транзисторов КП723Г, подобранных в партии в соответствии с режимами посадки их кристаллов на теплоотводящее основание. Спектры тепловых сопротивлений рассчитаны из анализа временной зависимости динамического теплового импеданса новым неразрушающим методом дифференциальной спектроскопии с использованием производных высших порядков (3-го порядка). Представлены как непрерывные (интегральные), так и дискретные спектры распределения внутреннего теплового сопротивления транзисторов, а также значения теплового сопротивления переход—корпус. Определены тепловые характеристики транзисторов КП723Г и их импортных аналогов IRLZ44 и IRLB3036. Развит метод оценки активной площади приборов и установлено ее уменьшение с нагревом. Показано, что предложенные методики полезны при решении технологических проблем формирования слоев посадки кристаллов и создания промежуточных слоев между кристаллом и теплоотводящим основанием, а также для разработки тепловых моделей при SPICE-моделировании мощных полевых транзисторов и диодных излучателей

ЗОЛЬ-ГЕЛЬ СИНТЕЗ ПЛЕНОК ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ

The strontium titanate thin films were fabricated on silicon using the sol-gel method. The strontium titanate phase was registered with X-ray diffraction analysis after heat treatment in the temperature range 750-1000 °C. The films were deposited by spin-on technique and the film thickness was in the range of 90-250 nm depending on numbers of layer. The perspectives of developments of the sol-gel method for the formation of elements of electronic device as well as varistors and capacitors on the basis of SrTiO3 xerogels are discussed.Золь-гель методом получены пленки титаната стронция на подложках кремния. Фаза титаната стронция зарегистрирована методом рентгенофазового анализа после термообработки при температуре 750-1000 °С. Толщина пленок, полученных методом центрифугирования, изменяется от 90 до 250 нм в зависимости от числа формируемых слоев. Обсуждаются перспективы развития золь-гель метода для формирования пленочных элементов электронной техники, а также варисторов и конденсаторов, на основе ксерогелей SrTiO3

ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОНДЕНСАТОРНЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ПЛЕНОК ТИТАНАТА СТРОНЦИЯ, СФОРМИРОВАННЫХ ЗОЛЬ-ГЕЛЬ МЕТОДОМ

The thin film capacitors were formed on silicon. The capacitor is based on the strontium titanate multi-layer which was fabricated using the sol-gel method after heat treatment at the temperature 750 or 800 °C. The lower and upper electrodes were made from platinum and nickel accordingly. The average values of the dielectric permittivity, ε, and the loss factor, tg δ, were found between 150-190 and 0,06-0,1 respectively. The standard deviation values of the mentioned characteristics were calculated.Сформированы тонкопленочные конденсаторы на подложках кремния. Основу конденсатора составляет многослойная пленка титаната стронция, полученная золь-гель методом при температурах отжига 750-800 °С. Нижний электрод сформирован из платины, верхний - из никеля. Средние значения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлекрических потерь лежат в пределах 150-190 и 0,06-0,1 соответственно. Приведены значения среднеквадратического отклонения указанных величи