УДК 621.382.3
НОВОСЕЛОВ А.Ю., ГУРИН Н.Т.
ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
БИПОЛЯРНО-ПОЛЕВЫХ ПРИБОРОВ С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ N-ТИПА
Ульяновский государственный университет, 432700, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, 42, тел.: (8422)
320617, e-mail: nalu@mail.ru
Применение биполярно-полевых полупроводниковых приборов открывает
широкие перспективы для проектирования новых типов современной электронной
аппаратуры
[1].
Наличие
участка
отрицательного
дифференциального
сопротивления (ОДС) N-типа в вольтамперной характеристике некоторых приборов
данного типа позволяет использовать их как в области силовой электроники для
создания "разумных" транзисторов с защитой от перегрузок, так и в области
нейроинформатики как перспективной элементной базы [2].
Физико-топологическое моделирование биполярно-полевых приборов с ОДС
N-типа позволяет наиболее адекватно описать физические процессы, протекающие в
таких полупроводниковых структурах. В работе приводятся результаты
моделирования МДП-биполярной кремниевой структуры представленной на рис. 1.
Рис.1. МДП-биполярная структура с ОДС N-типа
Основой данной структуры является мощный высоковольтный биполярный
транзистор КТ8144. Характерной особенностью данного прибора является

многополосковая реализация эмиттера, который представляет собой узкие (60мкм)
полоски кремния n+ типа проводимости (RS=2,5Ом/ ) в области базы глубиной 7
мкм,
гальванически
соединенные
металлизацией.
В
базовой
области
непосредственно на боковой поверхности каждого из эмиттерных переходов
сформирован МДП-транзистор со встроенным каналом и вертикальным
направлением тока. Исток данного элемента - базовый контакт прибора, а стока
представляет собой активную p-базовую область кристалла. Это позволяет избежать
инжекционных потерь базового тока. Особенностью данного МДП-элемента
является практически полное отсутствие насыщения. Это объясняется не дрейфовой
природой тока в канале, т.к. фактически канал МДП-элемента является частью
активной базовой области, и ток в канале определяется неосновными носителями -
электронами. Инжектированные в базу электроны не успевают рекомбинировать в
канале и рекомбинируют лишь в приконтактной зоне базового электрода. Это
возможно исключительно в случае использования в качестве материала канала
слаболегированного кремния, когда концентрация примеси в канале сравнима с
концентрацией примеси в эпитаксиальном коллекторном слое. В данном случае
использовался кремний с многослойный эпитаксией: n-слой - 90КЭФ45, p-слой -
10КДБ0.5, p- - слой - 5КДБ50.
Ограничение потока неосновных носителей происходит посредством
инверсии призатворных областей канала с ростом напряжения затвора,
гальванически соединенного с коллектором. Физико-топологическое моделирование
позволяет проводить точный расчет электрических параметров кристалла на основе
комплексной системы его физических характеристик и основано прежде всего на
решении уравнений Пуассона и использовании зависимостей основных физических
параметров полупроводника (подвижности основных и неосновных носителей,
диффузионной длины, времени жизни, коэффициентов рекомбинации и др) от
внешних условий, таких как напряженность электрического поля, концентрация
примеси в полупроводнике, температура и др. Для физико-топологического
моделирования МДП-биполярных структур использовалась система двухмерного
моделирования Pisces-IIB [3]. Применимость двухмерной системы моделирования
обусловлена постоянством всех топологических параметров в одном из

направлений, т.е. двумерный срез кристалла полностью отражает его структуру.
Расчетные выходные характеристики - зависимость линейной плотности тока
коллектора от напряжения коллектор-эмиттер рассматриваемой МДП-биполярной
структуры представлены на рис. 2.
Данная структура функционирует следующим образом:
При малых напряжениях коллектора (участок 1) выходной ток (ток
коллектора) обусловлен прямосмещенным коллекторным переходом. Канал
полностью открыт.
С ростом потенциала коллектора (участок 2) усиливается инжекция
неосновных носителей в базу, что приводит к росту тока коллектора. При этом
канал начинает перекрываться. Однако инжекционные процессы носят
преобладающий характер.
Рис.2. Расчетная выходная характеристика МДП-биполярной структуры.
При дальнейшим росте напряжения (участок 3) перекрытие канала
доминирует, что приводит к уменьшению инжекции электронов в базу и
соответствующему падению выходного тока.
При больших напряжениях (участок 4) канал полностью перекрыт.
Коллекторный ток обусловлен утечками коллекторного перехода
Данный прибор способен найти применение в качестве элементов защиты от
токовых перегрузок, а так же в качестве базовых элементов нейросистем и
генераторных схем.

Галузо В.Е., Матсон Э.А., Мельничук В.В. Полупроводниковые биполярно-
полевые структуры // Зарубежн. электрон. техника. -1981. - 10 (244). -50 с
Новиков С.Г., Новоселов А.Ю., Бакланов С.Б. Гурин Н.Т. Схемотехническое
моделирование и исследование мощных N-транзисторов // Изв. вузов. Электрон.-
1999.-1.-С.86-90.
Z. Yu, D. Chen, L. So, and R. W. Dutton. PISCES-2ET 2D Device Simulator //
Integrated Circuits Laboratory, Stanford University -1994. p. 233.