Двухколлекторный металлополупроводниковый прибор
DOUBLE-HEADER METAL-SEMICONDUCTOR DEVICE

Изобретение относится к области магнитоэлектроники, а именно к преобразователям магнитного поля в электрический сигнал, и может быть использовано в различных электронных устройствах, предназначенных для усиления и генерации электрических сигналов, кроме того, может использоваться для защиты входных цепей радиоэлектронной аппаратуры от мощных электромагнитных излучений, а также в контрольно-измерительной технике как датчик магнитной индукции.
В полупроводниковой электронике широко применяются полевые транзисторы (ПТ), в которых используется полевой способ управления величиной тока путем изменения сопротивления канала с помощью управляющего электрического напряжения, подаваемого на затвор.
ds
ds
На высоких частотах ПТ работают при небольших значениях ускоряющего напряжения U, потому что при увеличении U между стоком и затвором возникает сильное электрическое поле, которое приводит к электрическому пробою, что ограничивает возможность увеличения выходной мощности прибора. Кроме того, в канале ПТ выделяется мощность потерь, зависящая от сопротивления канала и тока, протекающего по каналу, что приводит к снижению КПД прибора и его долговечности, а также к необходимости охлаждения мощных ПТ.
Также успешно развивается магнитоэлектроника [1, 2], где обычно используются эффекты Холла и Гаусса, возникающие в полупроводниках и металлах при воздействии внешнего магнитного поля. Известно, что на движущийся заряд q со скоростью V в поперечном магнитном поле с индукцией В действует сила Лоренца F=q[V⋅B]. Сила Лоренца отклоняет заряды, что приводит к образованию поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла [1, с. 218-220]), а также к возрастанию сопротивления полупроводника или проводника (эффект Гаусса [2, с. 61-65]).
Близкими к заявленному прибору по принципу действия являются биполярные магнитотранзисторы, например р-n-р-типа [1, 2]. Магнитотранзисторы содержат эмиттер, базу и два «вертикальных» коллектора, расположенных на боковых поверхностях базы [1, с. 228, рис. 7.18, б]. В цепях коллекторов имеются нагрузочные резисторы. При отсутствии магнитного поля инжектированные эмиттером носители заряда (дырки) примерно поровну распределяются между коллекторами, поэтому их токи будут мало различаться между собой, следовательно, разность напряжений между коллекторами (используется мостовая схема) будет около нуля. Под действием поперечного магнитного поля происходит перераспределение инжектированных носителей заряда между коллекторами, что приводит к разбалансу моста и изменению напряжения между коллекторами. При изменении направления магнитного поля соответственно изменяется знак напряжения между коллекторами.
В другом варианте магнитотранзистора для увеличения чувствительности в его структуру введен дополнительный базовый контакт [1, с. 228, рис. 7.18, в]. Приложенное к базовым контактам напряжение увеличивает напряженность электрического поля в базе, что приводит к увеличению скорости инжектированных дырок и соответственно силы Лоренца. Кроме того, основные носители заряда в базе (электроны) будут двигаться между базовыми контактами, и в результате действия поперечного магнитного поля в базе создастся ЭДС Холла, которая в свою очередь отклонит инжектированные дырки в ту же сторону, что и сила Лоренца. Следовательно, хотя электроны не попадают на коллектор, в данной структуре происходит увеличение напряжения между коллекторами, что приводит к увеличению чувствительности датчика магнитного поля [2, с. 26].
Для увеличения чувствительности по напряжению разрабатываются новые варианты конструкций биполярных магнитотранзисторов, например в патенте [3] описан планарный биполярный магнитотранзистор с четырьмя коллекторами, причем с каждой стороны эмиттера расположены по два коллектора, которые соединены между собой металлизацией, поэтому прибор также имеет два общих вывода коллекторов.
Биполярные магнитотранзисторы имеют сложную структуру, носители зарядов отклоняются магнитным полем непосредственно в базе магнитотранзистора, они проходят больший путь, чем в обычном биполярном транзисторе, поэтому их частотные свойства заметно ухудшаются, при этом процессы рекомбинации носителей заряда в базе усиливаются, что приводит к возникновению шумов, ограничивающих возможность регистрировать слабые магнитные поля.
t
Наиболее близким к заявленному прибору, выбранному в качестве прототипа, является прибор, описанный в [4]. Прототип содержит тонкую металлическую ленту с токовыми контактами К1 и К2 на ее концах, две области с n-типом проводимости, которые являются коллекторами в приборе, между лентой и n-областями расположены буферные области с р-типом проводимости, при этом между р- и n-областями сформированы выпрямляющие p-n-переходы, а между металлической лентой и р-областями - омические контакты, причем области с р- и n-типом проводимости расположены на обеих сторонах ленты. На контакт К1 подают положительное напряжение U, относительно контакта К2, и ток I протекает в ленте в одном направлении от контакта К1 к контакту К2.
В прототипе коллекторы расположены на обеих (верхней и нижней) сторонах ленты, что усложняет конструкцию и технологию изготовления прибора.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления прибора при сохранении преимуществ прототипа [4].
Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом двухколлекторном металлополупроводниковом приборе коллекторы сформированы только на одной стороне металлической ленты, при этом направления токов в ленте взаимно противоположны.
1
2
1
2
t
1
2
t1
1
t2
2
t1
t2
t
t1
t2
1
2
0
1
2
t1
t2
t1
t2
1
2
Прибор содержит тонкую металлическую ленту, у которой на ее концах расположены токовые контакты K2 и К2, а в средней части - общий контакт К1. Токовые контакты К2 и К2 имеют одинаковый потенциал. На общий контакт К1 подают положительное напряжение U относительно контактов K2 и К2, при этом ток в ленте I проходит от контакта К1 к контакту K2, а ток I - от контакта К1 к контакту К2, причем токи I и I в ленте протекают в противоположных направлениях. Сопротивления соответствующих участков ленты между токовыми контактами и величина U определяют значения токов I и I. В общем случае эти токи могут незначительно отличаться друг от друга, но в частном случае будем полагать, что эти токи одинаковы. Кроме того, прибор содержит две области с n-типом проводимости (n-области), которые являются коллекторами в приборе и размещены на одной стороне ленты между токовыми контактами K1 - K2 и К1 - К2. Между металлической лентой и n-областями размещены буферные области с р-типом проводимости (р-области). При этом между лентой и р-областями сформированы омические контакты. Между р- и n-областями сформированы выпрямляющие контакты (p-n-переходы). На коллекторы подается положительное напряжение U относительно контактов K2 и К2, которое является обратным для p-n-переходов, поэтому при отсутствии поперечного магнитного поля токи коллекторов минимальны и определяются обратными токами p-n-переходов. Под воздействием магнитного поля, направленного параллельно металлической ленте, электроны, движущиеся между токовыми контактами перпендикулярно к внешнему магнитному полю, будут отклоняться вверх или вниз в зависимости от направлений магнитной индукции и токов I и I. В предлагаемом приборе направления токов I и I взаимно противоположны, поэтому если на одном участке ленты, например между контактами K1 - К2, электроны отклоняются вверх, то на другом участке ленты К1 - К2 электроны будут отклоняться вниз. При изменении направления магнитного поля электроны на участках ленты будут отклоняться в противоположных направлениях. Электроны, которые отклоняются вверх, попадают в р-область, затем в ускоряющее поле p-n-перехода, и будет появляться управляемый ток соответствующего коллектора. При изменении направления магнитного поля будет появляться управляемый ток другого коллектора. Величина тока каждого коллектора определяется значениями магнитной индукции и тока в ленте. Электроны, которые отклоняются вниз, не участвуют в образовании тока коллектора, но если длина коллекторов и буферных р-областей будет больше длины участка ленты, который проходят электроны за половину периода переменного магнитного поля, то при изменении направления магнитного поля электроны будут отклоняться вверх и образовывать ток коллектора. Прибор может иметь одну металлическую ленту или содержать достаточно большое число лент.
10
Z
Z
Z
Двухколлекторный металлополупроводниковый прибор может использоваться как усилитель мощности электромагнитных колебаний или в качестве высокочувствительного датчика магнитного поля. При использовании прибора в качестве усилителя мощности его размещают в линиях передачи сигнала в том месте, где переменное магнитное поле имеет наибольшее значение. Например, в прямоугольном волноводе при использовании волны Н прибор целесообразно разместить вдоль узкой стенки волновода, где продольная составляющая магнитного поля H имеет наибольшее значение. Причем металлическую ленту располагают параллельно узкой стенке волновода, а ток в ленте должен протекать перпендикулярно к продольной составляющей магнитного поля H. В этом случае продольная составляющая магнитного поля H будет отклонять электроны к коллекторам прибора. В цепи коллекторов в качестве нагрузки можно подключить петли связи, причем они должны быть подключены таким образом, чтобы обеспечить двухтактное усиление.
Известно, что магнитное поле не изменяет энергию носителей заряда, а изменяет только их направление движения, поэтому предлагаемый прибор возможно использовать для защиты входных цепей радиоэлектронных устройств от мощных электромагнитных излучений.
t1
t2
0
t1
t2
В случае использования прибора в качестве датчика магнитного поля в цепи коллекторов подключают резисторы с высоким сопротивлением, чтобы получить высокую чувствительность по напряжению. При этом токи в ленте I и I могут быть небольшими, что особенно важно при использовании автономных источников питания датчиков магнитного поля, а также в энергосберегающих устройствах. В частном случае можно использовать один источник питания с напряжением U. Ограничить величину токов I и I в ленте можно с помощью дополнительного ограничительного сопротивления в цепи между общим токовым контактом К1 и источником питания.
дp
Z
др
Z
Частотные свойства прибора зависят от времени перехода электронов из ленты в коллектор, поэтому металлическая лента и р-области должны быть очень тонкими, причем в каждой р-области целесообразно сформировать внутреннее ускоряющее электрическое поле, для этого концентрация легирующей акцепторной примеси вблизи ленты должна быть выше, чем около n-области. Кроме того, величина дрейфовой скорости электронов V в ленте и значение продольной составляющей магнитного поля H также влияют на частотные свойства, так как при увеличении V и H электроны сильнее отклоняются, их поперечная скорость увеличивается и они быстрее достигают коллекторного перехода.
t1
t2
Предлагаемый двухколлекторный металлополупроводниковый прибор, в котором коллекторы сформированы только на одной стороне металлической ленты, а токи в ленте I и I протекают в противоположных направлениях, позволяет получить заявленный технический результат.
+
1
2
На фигуре изображены возможный вариант прибора с тремя металлическими лентами в плане и его продольное и поперечное сечения, где 1 - подложка, 2 - металлические ленты, на которых сформированы буферные (промежуточные) области 3 и 4 с р-типом проводимости (р-области) и области 5 и 6 с n-типом проводимости (n-области), которые являются коллекторами в приборе. Между р- и n-областями сформированы выпрямляющие контакты (p-n-переходы). Контакты между лентой и р-областями омические. Области 7 и 8 с n-типом проводимости сформированы для получения омических контактов с выводами коллекторов 9 и 10. По краям лент 2 расположены токовые контакты K2 - 11 и К2 - 12. В средней части лент 2 расположен общий токовый контакт К1 - 13.
t
1
2
0
1
2
t
1
2
1
2
Прибор работает следующим образом. На общий контакт К1 подают положительное напряжение U относительно контактов K2 и К2, которые могут быть соединены с общей шиной с нулевым потенциалом (на фигуре общая шина не показана). На коллекторы подают также положительное напряжение U относительно контактов K2 и К2, которое может быть значительно больше U. Если магнитное поле отсутствует, токи в каждой ленте проходят от контакта К1 к контакту К2 и от контакта К1 к контакту К2. Токи коллекторов в этом случае определяются обратными токами р-n-переходов и будут минимальными. Под воздействием магнитного поля, направленного параллельно металлической ленте и перпендикулярно к току в ленте, электроны, например на участке между контактами К1 - К2, будут отклоняться вверх, попадут в р-область, затем в ускоряющее поле р-n-перехода, и ток коллектора будет увеличиваться. При этом на другом участке ленты К1 - К2 электроны отклоняются вниз и не участвуют в образовании тока второго коллектора. Если изменить направление магнитного поля, то электроны будут отклоняться в противоположном направлении и ток второго коллектора станет увеличиваться. Длину коллекторов и промежуточных буферных р-областей целесообразно формировать больше длины участка ленты, который проходят электроны за половину периода переменного магнитного поля, в этом случае электроны, которые отклоняются вниз, в течение следующего полупериода будут отклоняться вверх и образовывать ток соответствующего коллектора.
Величина тока каждого коллектора определяется значениями магнитной индукции и токов в лентах. Металлическая лента может иметь небольшое сопротивление, поэтому потери при протекании тока могут быть незначительными, что позволит повысить КПД усилителя мощности.
III
V
Прибор может быть изготовлен из материалов, обычно используемых при производстве полупроводниковых приборов. Например, металлическая лента может быть выполнена из алюминия (Al), меди (Cu), серебра (Ag), золота (Au) и других материалов, а р- и n-области - из кремния (Si) или из полупроводниковых материалов группы AB, обладающих более высокой подвижностью электронов. Могут быть использованы буферные слои между лентой и р-областями, например из золота (Au), для уменьшения сопротивления ленты, а также для уменьшения механических напряжений в электрическом переходе. Металлическая лента в магнитном поле не должна намагничиваться, так как процесс перемагничивания инерционный и при этом будут ухудшаться частотные свойства прибора.
Предлагаемый двухколлекторный металлополупроводниковый прибор позволит упростить конструкцию и технологию изготовления прибора, увеличить выходную мощность усилителя, а при использовании прибора в качестве датчика магнитного поля повысить магнитную чувствительность по напряжению.
Источники информации
1. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Радио и связь, 1990. - С. 218-231.
2. Бараночников М.Л. Микромагнитоэлектроника. Т. 1. - М.: ДМК Пресс, 2001. - С. 24-44, 61-65, 101-106.
3. Козлов А.В., Королев М.В., Тихонов Р.Д., Черемисинов А.А. Планарный биполярный магнитотранзистор. Патент № RU 2439748, МПК: H01L 29/82 (2006.01), заявл. 07.10.2010, опубл. 10.01.2012.
4. Юркин В.И. Металлополупроводниковый прибор. Патент № RU 2559161 С1, МПК: H01L 29/82 (2006.01), заявл. 05.05.2014, опубл. 10.08.2015.