ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПОЛЕВОЙ РЕГУЛЯТОР ТОКА
SOLID-STATE FIELD CURRENT REGULATOR

Изобретение относится к области полупроводниковой микро- и наноэлектроники, а именно к приборам с полевым управлением, и может быть использовано в различных электронных устройствах и интегральных схемах, предназначенных для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.
В настоящее время в полупроводниковой электронике широко используются полевые транзисторы (ПТ), в которых применяется полевой способ управления величиной тока. Существуют различные типы ПТ [1-3], однако все они имеют характерную особенность: в ПТ управление значением тока стока осуществляется путем изменения сопротивления канала с помощью управляющего электрического напряжения, подаваемого на затвор, расположенный между стоком и истоком транзистора. В настоящее время ПТ работают на более высоких частотах, чем биполярные транзисторы, но и они имеют ряд ограничений. ПТ на сверхвысоких частотах (СВЧ) работают при небольших значениях ускоряющего напряжения, потому что между стоком и затвором возникает сильное электрическое поле, которое приводит к электрическому пробою. Кроме того, процессы, связанные с движением зарядов в канале, влияют на частотные свойства ПТ. Также на частотные свойства ПТ влияет проходная емкость, которая увеличивается при уменьшении расстояния между стоком и затвором.
Наиболее близким к заявленному прибору, выбранному в качестве прототипа, является прибор, описанный в [4]. Прототип содержит анод, проводящую область с n-типом проводимости (n-область), катод и управляющий электрод, при этом управление величиной тока осуществляется путем изменения площади и, следовательно, сопротивления омического контакта между металлическим катодом и n-областью.
Однако прототип имеет вертикальную структуру, что усложняет технологию изготовления прибора, кроме того, в прототипе необходимо сформировать омический контакт между металлическим катодом и слабо легированной n-областью, что также усложняет технологию изготовления прибора.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и технологии изготовления прибора при сохранении преимуществ способа управления величиной тока в прототипе.
+
+
+
отс
Сущность изобретения заключается в том, что в приборе, содержащем катод с n-типом проводимости (n-область), анод также с n-типом проводимости, проводящую область с n-типом проводимости (n-область) между анодом и катодом, а также управляющий электрод (регулятор тока), при этом все электроды расположены в горизонтальной плоскости (планарная структура), причем катод размещен между анодом и управляющим электродом ближе к управляющему электроду, а между управляющим электродом и n-областью сформирован обедненный слой, например с помощью барьера Шотки, управление величиной тока осуществляется путем изменения площади и, следовательно, сопротивления контакта между катодом (n-область) и n-областью на участке между катодом и управляющим электродом. При увеличении обратного напряжения на управляющем электроде толщина обедненного слоя увеличивается, и если обедненный слой барьера Шотки контактирует или частично перекрывает контакт катода с n-областью, то площадь контакта катода с n-областью на участке между катодом и управляющим электродом будет уменьшаться, при этом длина n-области на участке между анодом и катодом немного сокращается, поэтому ее сопротивление будет незначительно уменьшаться, а в ПТ сопротивление канала (n-область), наоборот, значительно увеличивается. В предлагаемом приборе напряжение на управляющем электроде влияет на n-область на участке между катодом и управляющим электродом и незначительно влияет на n-область на участке между анодом и катодом, а в ПТ напряжение на затворе влияет именно на канал между стоком и истоком, поэтому недостатки, присущие ПТ, могут быть значительно уменьшены. При полном перекрытии контакта катод отсекается от n-области обедненным слоем, при этом ток прибора будет минимальным. Величина напряжения отсечки U зависит от длины контакта катода с n-областью, концентрации примеси, а также от характера распределения примеси вблизи катода.
Для изменения площади контакта могут быть использованы: барьер Шотки, структура металл - диэлектрик - полупроводник (изолированный управляющий электрод) или управляющий p-n-переход.
отс
При уменьшении длины контакта уменьшаются значение напряжения отсечки U и время, необходимое для полного перекрытия контакта катода с n-областью, что позволяет повысить быстродействие прибора. Концентрация примеси вблизи катода и управляющего электрода может быть небольшой, потому что в приборе изменяется не сопротивление канала, а площадь контакта катода с n-областью. При низкой концентрации примеси n-области вблизи катода и управляющего электрода толщина обедненного слоя увеличивается, а электрическое поле в нем уменьшается, поэтому возможно повысить величину ускоряющего напряжения на аноде прибора. Прибор может иметь только одну единичную структуру или содержать достаточно большое число единичных структур, что позволит увеличить ток и выходную мощность.
В настоящее время технология изготовления приборов с планарной структурой хорошо отработана, поэтому предлагаемый новый полевой прибор позволяет получить заявленный технический результат.
+
+
На фигуре 1 изображены возможный вариант прибора с двумя единичными структурами и барьером Шотки в плане и его продольное сечение, на фигуре 2 - поперечные сечения прибора, где 1 - подложка, 2 - область с n-типом проводимости (n-область), 3 - первый буферный слой из чистого высокоомного материала, отделяющий проводящую n-область 2 от подложки 1, 4 - второй буферный слой также из чистого высокоомного материала, отделяющий n-область 2 от диэлектрической пленки 5, 6 и 7 - аноды единичных структур прибора с n-типом проводимости, 8 и 9 - катоды единичных структур прибора с n-типом проводимости, 10 - общий управляющий электрод (регулятор тока), образующий с n-областью барьер Шотки, 11 - обедненный слой барьера Шотки (область пространственного заряда показана только в n-области), причем обедненный слой 11 может частично перекрывать контакты катодов 8 и 9 с n-областью 2, 12 и 13 - выводы анодов, 14 и 15 - выводы катодов. Выводы катодов соединены с шиной 16, а управляющий электрод 10 - с шиной 17.
На фигуре 3 изображены возможный вариант прибора с двумя единичными структурами и изолированным управляющим электродом 10 в плане и его продольное сечение, где 18 - окисел, изолирующий управляющий электрод 10 от области 2 с n-типом проводимости, 19 - обедненный слой, образующийся при подаче отрицательного напряжения на управляющий электрод. Обедненный слой 19 также может частично перекрывать контакты катодов 8 и 9 с n-областью 2.
+
+
+
На фигуре 4 изображены возможный вариант прибора с двумя единичными структурами и управляющим p-n-переходом в плане и его продольное сечение, где 20 - область с p-типом проводимости, 21 - вывод управляющего электрода, 22 и 23 - обедненные слои (области пространственного заряда) в p- и n-областях соответственно. Обедненный слой 23 частично перекрывает контакты катодов 8 и 9 с n-областью 2.
0
у
а
0
y
y
а
отс
а
Прибор с барьером Шотки (фигура 1) работает следующим образом. В каждой единичной структуре прибора на анод подают положительное напряжение U относительно катода. На управляющий электрод подают обратное напряжение U также относительно катода. Ток в каждой единичной структуре будет протекать от анода к катоду через n-область. Величина тока анода I при постоянных значениях U и U определяется сопротивлением n-области, а также сопротивлением контакта между катодом и n-областью, которое зависит от площади этого контакта. При увеличении обратного напряжения U на управляющем электроде увеличивается толщина обедненного слоя, и если он контактирует с контактом или частично его перекрывает, то площадь контакта между катодом и n-областью будет уменьшаться, что приведет к увеличению сопротивления контакта и, следовательно, к уменьшению тока анода I. Когда обедненный слой полностью перекроет контакт между катодом и n-областью при напряжении отсечки U на управляющем электроде, ток анода I будет минимальным и его величина будет определяться сопротивлением обедненного слоя. При уменьшении длины контакта катода с n-областью будут улучшаться частотные свойства прибора.
отс
Буферные слои 3 и 4 устраняют влияние дефектов соответственно в подложке 1 и диэлектрической пленке 5 на токопрохождение в проводящей n-области 2. При этом высокоомный буферный слой 4 изолирует от n-области 2 боковые и торцевые поверхности катода, что приводит к уменьшению поверхности контакта катода с n-областью и, следовательно, к уменьшению значения U.
Конструкция управляющего электрода может быть различной, в том числе иметь U-образную форму, как показано на фигуре 1. Ширину управляющего электрода целесообразно формировать немного большей, чем ширина катода, чтобы торцевые поверхности катода также полностью отсекались обедненным слоем барьера Шотки от n-области.
вх
y
Для уменьшения входной емкости С между управляющим электродом и катодом глубину залегания катода и управляющего электрода необходимо уменьшать, кроме того, толщину проводящей n-области 2 также следует уменьшать, чтобы обедненный слой при U=0 перекрывал n-область непосредственно под управляющим электродом и достигал буферного слоя 3.
+
Катод (область с n-типом проводимости) не должен касаться металлического управляющего электрода, так как при их контакте может возникнуть большой ток утечки вследствие туннельного эффекта.
0
Толщина обедненного слоя барьера Шотки L в одномерном приближении при равномерном распределении примеси в n-области может быть определена по известному выражению [3, с. 39]:
0
к
d
d
y
0
отс
-14
-19
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника n-области, ε=8,85 Ф/см - диэлектрическая проницаемость вакуума, φ - высота барьера Шотки, е=1,6·10 N - заряд электрона, N - концентрация донорной примеси в n-области, U - обратное напряжение на управляющем электроде. Отрицательный знак обратного напряжения на управляющем электроде учтен в формуле для L, поэтому в тексте приводятся положительные значения напряжения отсечки U [4].
y
d
к
0
d
0
к
к min
max
0
max
y
отс
14
-3
13
-3
Для частного случая при U=0, N=10 см, φ=0,8 В, ε=12 получим L=3,3 мкм, а при N=10 см толщина обедненного слоя L=10,3 мкм. Толщина обедненного слоя определяет возможную длину контакта катода с n-областью D. Минимальную длину контакта D целесообразно выбирать равной приращению толщины обедненного слоя ΔL=L-L, где L - максимальная толщина обедненного слоя при U=U.
y
к max
к
к
отс
d
к
отс
к
отс
y
14
-3
Если обедненный слой при U=0 контактирует с контактом, то в этом случае поверхность контакта катода с n-областью будет максимальной: F=W·ΔL, где W - ширина катода. При этом ток прибора будет также максимальным. Для улучшения частотных свойств прибора длину контакта катода с n-областью целесообразно уменьшать, тогда будет уменьшаться значение U. Например, если N=10 см, длина контакта D=5,5 мкм, то U=5 В, а при D=1 мкм напряжение отсечки изменится до U=0,6 В. Уменьшение напряжения отсечки позволяет работать при небольших значениях обратного напряжения U на управляющем электроде.
к max
max
y
к
к
к max
Максимальная длина контакта катода D с n-областью должна быть меньше L, чтобы катод не касался управляющего электрода, но может быть больше ΔL. В этом случае при U=0 часть поверхности контакта, равная ΔF=W(D-ΔL), будет перекрыта от n-области обедненным слоем.
к
у
у
0
у
y
В общем случае D может быть меньше ΔL, тогда при U=0 обедненный слой барьера Шотки может не контактировать с контактом и при увеличении обратного напряжения U на управляющем электроде ток прибора вначале не изменится, его величина будет определяться значением ускоряющего напряжения U, сопротивлением n-области и площадью контакта катода с n-областью. При некотором значении U обедненный слой достигнет контакта, затем, при дальнейшем увеличении U, площадь контакта катода с n-областью будет уменьшаться, что приведет к увеличению сопротивления контакта и, следовательно, к уменьшению тока прибора.
y
Если при U=0 обедненный слой полностью перекрывает контакт катода с n-областью, то в этом случае на управляющий электрод необходимо подавать небольшое прямое напряжение для уменьшения толщины обедненного слоя.
к
Таким образом, изменяя напряжение на управляющем электроде, можно изменять величину тока прибора. Для увеличения максимального значения тока прибора целесообразно увеличивать ширину катода W и использовать более одной единичной структуры, причем при использовании двух единичных структур они могут быть объединены в новую структуру не только с общим управляющим электродом, двумя анодами и катодами, как показано на фигуре 1, но и с общим анодом, двумя управляющими электродами и катодами. Если структур в приборе более двух, то в этом случае общими электродами для соседних структур будут и управляющие электроды, и аноды.
+
Приборы с изолированным управляющим электродом (фигура 3) и управляющим p-n-переходом (фигура 4) работают аналогично. При подаче отрицательного напряжения на управляющий электрод толщина обедненного слоя в n-области будет увеличиваться, что приведет к уменьшению площади контакта катода с n-областью и тока прибора.
III
V
Прибор может быть изготовлен из кремния или из полупроводниковых материалов группы ΑΒ, обладающих более высокой подвижностью электронов.
Предлагаемый новый полупроводниковый прибор с планарной структурой позволит упростить конструкцию и технологию изготовления прибора, повысить быстродействие и увеличить ток и выходную мощность.
Источники информации
1. Базовые лекции по электронике. Том 2 // Твердотельная электроника: сборник под общ. ред. В.М. Пролейко. - М.: Техносфера, 2009. - С.76-77.
2. Зебрев Г.И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: учеб. пособие. - М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - С.159-163, 172-173.
3. Гуртов В.А. Твердотельная электроника: учеб. пособие. - 2-е изд., доп. - М.: Техносфера, 2005. - С.39, 194-195, 211-213, 235-243.
4. Юркин В.И. Способ управления током и устройство для его осуществления. Патент №RU 2525154, С1, МПК: H01L 29/80 (2006.01), заявл. 18.02.2013, опубл. 10.08.2014, бюл. №22.