СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТОКОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO CONTROL CURRENT AND DEVICE FOR ITS REALISATION

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. В результате совершенствования технологии изготовления ПТ их характерные размеры существенно сократились, что находит свое отражение в смене названия микроэлектроники на наноэлектронику. 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 затвора, расположенного между истоком и стоком. 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.
Предлагаемый способ управления величиной тока в полупроводниковом приборе не имеет аналогов в электронике.
Техническим результатом предлагаемого изобретения являются повышение быстродействия и увеличение выходной мощности полупроводникового прибора.
oтc
Сущность изобретения заключается в том, что управление величиной тока в приборе с вертикальной структурой, содержащем проводящую область с n-типом проводимости (n-область), анод, расположенный на нижней стороне n-области, управляющий электрод (регулятор тока), расположенный на верхней стороне n-области и образующий с ней барьер Шотки, и катод, расположенный на боковой поверхности n-области между анодом и управляющим электродом, осуществляется путем изменения площади и, следовательно, сопротивления омического контакта между катодом и n-областью. Если обедненный слой барьера Шотки контактирует или частично перекрывает контакт катода с n-областью, то при увеличении обратного напряжения на управляющем электроде толщина обедненного слоя увеличивается, что приводит к уменьшению площади и, следовательно, увеличению сопротивления контакта катода с n-областью и уменьшению тока прибора. При полном перекрытии контакта катод отсекается от n-области обедненным слоем барьера Шотки, 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. Прибор может иметь планарную структуру, в которой все электроды расположены в горизонтальной плоскости.
oтc
Вертикальная структура обеспечивает возможность уменьшения длины контакта катода с n-областью. 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 в n-области 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. Предлагаемый новый способ управления величиной тока анода в полупроводниковом приборе позволяет получить заявленный технический результат.
+
На фигуре 1 изображены возможный вариант прибора с единичной вертикальной структурой и барьером Шотки в плане и его продольное сечение, где 1 - подложка, 2 - область с n-типом проводимости (анод прибора), 3 - вывод анода, 4 - область с n-типом проводимости, 5 - катод прибора, 6 - управляющий электрод. Между катодом прибора 5 и n-областью 4 осуществлен омический контакт, а между управляющим электродом 6 и n-областью 4 сформирован барьер Шотки. Обедненный слой барьера Шотки 7 частично перекрывает контакт катода 5 с n-областью 4. Катод прибора 5 совмещен с n-областью 4 с помощью диэлектрической пленки 8. Вывод анода 3 соединен с шиной 9, катод 5 - с шиной 10, а управляющий электрод 6 - с шиной 11. Шины 10 и 11 расположены на диэлектрической пленке 8, а шина 9 - на подложке 1.
На фигуре 2 изображены возможный вариант прибора с единичной вертикальной структурой и изолированным управляющим электродом 6 в плане и его продольное сечение, где 12 - окисел, изолирующий управляющий электрод 6 от области 4 с n-типом проводимости, 13 - обедненный слой, образующийся при подаче отрицательного напряжения на управляющий электрод. Обедненный слой 13 частично перекрывает контакт катода 5 с n-областью 4.
+
+
+
На фигуре 3 изображены возможный вариант прибора с единичной вертикальной структурой и управляющим p-n-переходом в плане и его продольное сечение, где 14 - область с p-типом проводимости, 15 и 16 - обедненные области (области пространственного заряда) в p- и n-областях соответственно.
Обедненная область 16 частично перекрывает контакт катода 5 с n-областью 4.
На фигуре 4 изображены возможный вариант прибора с четырьмя единичными вертикальными структурами и барьерами Шотки в плане и его продольное сечение.
На фигуре 5 изображены поперечные сечения прибора с четырьмя единичными вертикальными структурами и барьерами Шотки.
0
y
a
0
y
y
a
a
Прибор с барьером Шотки (фигура 1) работает следующим образом. На анод прибора 2 подают положительное напряжение U относительно катода 5. На управляющий электрод 6 подают обратное напряжение и U также относительно катода 5. Ток в каждой единичной структуре будет протекать от анода до катода через n-область 4. Величина тока анода I при постоянных значениях U и U определяется сопротивлением n-области 4, а также сопротивлением омического контакта между катодом 5 и n-областью 4, которое зависит от площади этого контакта. При увеличении обратного напряжения U на управляющем электроде увеличивается толщина обедненного слоя, и если он контактирует с катодом или частично перекрывает контакт, то площадь контакта между катодом 5 и n-областью 4 будет уменьшаться, что приведет к увеличению сопротивления контакта и, следовательно, уменьшению тока анода I. Когда обедненный слой полностью перекроет контакт между катодом 5 и n-областью 4, ток анода I будет минимальным и его величина будет определяться сопротивлением обедненного слоя.
<mrow><msub><mi>L</mi><mo>.</mo></msub></mrow>
Толщина обедненного слоя барьера Шотки
при равномерном распределении примеси в n-области может быть определена по известному выражению [3, с.39]:
<mrow><msub><mi>L</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>ε</mi><msub><mi>ε</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ϕ</mi><mi>k</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>U</mi><mi>y</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>e</mi><msub><mi>N</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
,
0
k
d
y
oтc
-14
-19
<mrow><msub><mi>L</mi><mo>.</mo></msub></mrow>
где ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника n-области, ε=8,85 Ф/см - диэлектрическая проницаемость вакуума, φ - высота барьера Шотки, e=1,6·10 Кл - 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
, поэтому в тексте приводятся положительные значения напряжения отсечки U.
y
d
k
d
k
y
oтc
y
k
oтc
d
k
oтc
k
oтc
y
14
-3
13
-3
14
-3
<mrow><msub><mi>L</mi><mo>.</mo></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mo>.</mo><mo>_</mo></mrow></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>L</mi><mo>=</mo><msub><mi>L</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>L</mi><mo>.</mo></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mo>_</mo></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mo>.</mo><mo>_</mo></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>W</mi><mi>k</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><mi>L</mi></mrow>
Для частного случая при U=0, N=10 см, φ=0,8 В, ε=12 получим
=3,3 мкм, а при N=10 см толщина обедненного слоя
=10,3 мкм. Толщина обедненного слоя определяет возможную длину контакта катода с n-областью D. Минимальную длину контакта
целесообразно выбирать равной приращению толщины обедненного слоя
, где
- максимальная толщина обедненного слоя при U=U. Если обедненный слой при U=0 контактирует с катодом, то в этом случае поверхность контакта катода с n-областью будет максимальной:
, 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 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.
<mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mo>.</mo><mo>_</mo></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>L</mi><mo>_</mo></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>F</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>W</mi><mi>k</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mo>.</mo><mo>_</mo></mrow></msub><mo>−</mo><mi>Δ</mi><mi>L</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
y
Максимальная длина контакта катода с n-областью
должна быть меньше
, чтобы катод не касался управляющего электрода, но может быть больше ΔL. В этом случае при U=0 часть поверхности катода, равная
, будет перекрыта от n-области обедненным слоем.
k
y
y
0
y
y
В общем случае D может быть меньше ΔL, тогда при U=0 обедненный слой барьера Шотки может не контактировать с катодом 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 катода, 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.
Таким образом, изменяя напряжение на управляющем электроде, можно изменять величину тока прибора. При увеличении ширины катода и использовании более одной единичной структуры ток прибора будет увеличиваться. Для уменьшения сопротивления катода толщина его в средней части может быть больше, чем на краю, контактирующем с n-областью.
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.
+
Приборы с изолированным управляющим электродом (фигура 2) и управляющим p-n-переходом (фигура 3) 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.
При использовании более одной единичной структуры в приборе (фигура 4) соседние единичные структуры объединены в новую структуру с двумя катодами 5, единой n-областью 4 с анодом 2 и управляющим электродом 6. Внутренние катоды контактируют обеими боковыми сторонами с n-областями новых соседних структур.
III
V
Прибор может быть изготовлен из кремния или из полупроводниковых материалов группы A B, обладающих более высокой подвижностью электронов.
Предлагаемый способ управления величиной тока и полупроводниковый прибор с вертикальной структурой для его осуществления позволят:
- повысить быстродействие прибора;
- увеличить ток и выходную мощность при использовании более одной единичной структуры в приборе.
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. Зебров 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.