ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД С ОТРИЦАТЕЛЬНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ
SEMICONDUCTOR DIODE WITH NEGATIVE RESISTANCE

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, а именно к приборам с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и может быть использовано в различных электронных устройствах и интегральных схемах, предназначенных для генерации и преобразования электрических сигналов.
+
+
Известен вертикальный полевой транзистор (ПТ), содержащий полупроводниковую подложку, сток (исток) с n-типом проводимости, вертикальные проводящие каналы с n-типом проводимости, затвор, выполненный в виде металлической ленты, перфорированной в пределах полупроводниковой структуры, слои диэлектрика на нижней и верхней поверхностях ленты, которые прилегают к боковым поверхностям вертикальных каналов, и исток (сток) с n-типом проводимости [1]. Между затвором и каналами образуются барьеры Шотки. Транзистор выполнен из арсенида галлия (GaAs).
Однако в этом приборе используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.
+
+
+
Известен вертикальный ПТ [2], содержащий подложку с n-типом проводимости, которая является истоком (стоком) каналов с n-типом проводимости, металлические затворы, размещенные на непроводящих областях структуры прибора и образующие барьеры Шотки с каналами, а также стоки с n-типом проводимости. Между подложкой и каналами расположены два дополнительных слоя. Первый эпитаксиальный слой с n-типом проводимости является буферным между подложкой и каналами, второй слой изготовлен из AlGaAs. Все остальные области прибора изготовлены из GaAs. Кроме того, на том же кристалле дополнительно сформирован диод Шотки (ДТП), причем один контакт диода совмещен с контактом истока (стока) вертикального ПТ, а другой контакт ДТП соединяется с контактом стока (истока) ПТ. Вертикальный ПТ с ДТП образуют составное устройство.
Однако в этом приборе также используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.
+
+
Известен вертикальный ПТ [3], содержащий металлический вывод истока, омический контакт к истоку, исток, выполненный из полупроводника n-типа проводимости, вертикальные проводящие каналы с n-типом проводимости, затвор, выполненный в виде металлической ленты, перфорированной в пределах полупроводниковой структуры, слои диэлектрика на нижней и верхней поверхностях ленты, которые прилегают к боковым поверхностям вертикальных каналов, и сток с n-типом проводимости. Между затвором и каналами образуются барьеры Шотки. Для повышения выходной мощности прибора подложка из арсенида галлия заменена на диэлектрическую подложку с более высокой теплопроводностью. Также введен демпфирующий слой из пластичного металла между полупроводниковой структурой и диэлектрической подложкой с целью увеличения надежности и долговечности работы прибора за счет уменьшения в нем механических напряжений.
В этом приборе также используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.
Наиболее близким к заявленному устройству является полупроводниковый прибор - лямбда-диод, состоящий из двух комплементарных полевых транзисторов обедненного типа с управляющими p-n-переходами [4, 5], который выбран в качестве прототипа. Каждый полевой транзистор содержит подложку, на которой размещены исток, канал с затвором и сток. При этом комплементарные полевые транзисторы соединяются между собой следующим образом: вывод стока ПТ с n-каналом соединяется с выводом затвора другого ПТ с р-каналом, вывод стока которого соединяется с затвором ПТ с n-каналом, а выводы истоков соединяются между собой непосредственно. На сток ПТ с n-каналом подается положительное напряжение относительно стока ПТ с р-каналом.
Основные недостатки этого прибора:
- прибор состоит из двух отдельных полевых транзисторов, поэтому размеры прибора увеличиваются;
- наличие перекрестных металлических соединений между электродами усложняет конструкцию прибора, особенно при использовании достаточно большого числа единичных структур.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение размеров, повышение быстродействия и увеличение тока и выходной мощности диода с отрицательным сопротивлением.
+
Сущность изобретения: в диоде, содержащем каналы с n- и р-типами проводимости, истоки и стоки каналов, использованы вертикальные каналы, которые расположены параллельно друг другу. Причем каналы соприкасаются между собой боковыми сторонами, при этом образуется электрический переход. Отличительной особенностью предлагаемого диода является расположение истока р-канала напротив стока n-канала, а стока р-канала - напротив истока n-канала. Для соединения истоков каналов между собой сформирована дополнительная область с n-типом проводимости. Исток р-канала соединен с дополнительной областью с помощью проводника, а исток n-канала размещен непосредственно на дополнительной области. Стоки каналов имеют отдельные выводы. Ток в каналах проходит в одном направлении. В отличие от лямбда-диода, в предлагаемом диоде отсутствуют металлические соединения между стоками каналов и соответствующими затворами. В диоде электрический переход, запирающий каналы, образован непосредственно между каналами, что упрощает конструкцию прибора и уменьшает его размеры.
Вертикальная структура обеспечивает возможность уменьшения длин каналов, что позволит повысить быстродействие диода. Прибор может иметь только одну единичную структуру или содержать достаточно большое число единичных структур, в этом случае можно увеличить ток и выходную мощность диода. В предлагаемом диоде объединены два комплементарных полевых транзистора в единую вертикальную структуру, благодаря чему достигается заявленный технический результат.
+
+
+
На фигуре 1 изображены возможный вариант единичной структуры диода в плане и его продольное сечение, на фигуре 2 - поперечные сечения диода, а на фигуре 3 изображены возможный вариант диода с двумя единичными структурами в плане и продольное сечение. На подложке 1 сформированы единичные структуры, в каждой структуре канал 2 с р-типом проводимости соприкасается с каналом 3 с n-типом проводимости. Исток 4 р-канала находится напротив стока 5 n-канала, а сток 6 р-канала - напротив истока 7 n-канала. Исток 4 и сток 6 р-канала имеют p-тип проводимости, а сток 5 и исток 7 n-канала имеют n-тип проводимости. Сток 6 р-канала соединен с выводом 8, а сток 5 n-канала имеет вывод 9. Исток 7 n-канала расположен на дополнительной области 10 с n-типом проводимости. Исток 4 р-канала соединен с истоком 7 n-канала с помощью области 10 и проводника 11, который образует омические контакты с областью 10 и истоком 4 р-канала. Диэлектрическая пленка 12 изолирует вывод стока 8 р-канала от области 10. Вывод стока 9 n-канала соединен с шиной 13, а вывод стока 8 р-канала - с шиной 14. Шина 13 расположена на диэлектрической пленке 15, а шина 14 - на подложке 1.
O
n
p
n
p
O
p
n
n
p
n
p
O
Прибор работает следующим образом. На шину 13 подают положительное напряжение U относительно шины 14. По n-каналу 3 и р-каналу 2 будет протекать ток в одном направлении. Ток создает падение напряжения на n-канале U, а на р-канале U. Если не учитывать падения напряжений на стоке, истоке каналов и области 10, то U+U=U. На электрическом переходе между каналами с n- и р-типами проводимости оказывается обратное напряжение. Разность потенциалов на переходе изменяется от U в нижней части электрического перехода между истоком 7 n-канала и стоком 6 р-канала до U в верхней части перехода между стоком 5 n-канала и истоком 4 р-канала. Обратное напряжение запирает каждый канал от истока до стока. В общем случае U не равно U, но возможен вариант, когда U=U. Однако в любом варианте при увеличении обратного напряжения на переходе толщина обедненного слоя в каждом канале возрастает, что приводит к уменьшению толщины проводящей части канала, поэтому с увеличением U ток сначала растет, достигает наибольшего значения, затем вследствие перекрытия каналов и увеличения их сопротивлений ток будет уменьшаться. Когда каналы полностью перекроются обедненными слоями, ток будет определяться токами утечек обратно смещенных переходов. Таким образом, в приборе формируется вольт-амперная характеристика с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
+
При использовании более одной единичной структуры в диоде (фигура 3) внутренние вертикальные каналы с n- и р-типами проводимости контактируют между собой с двух сторон, при этом образуются электрические переходы, поэтому толщина проводящей части внутренних каналов уменьшается. Для выравнивания сопротивлений внутренних и внешних каналов можно, например, уменьшить толщину внешних каналов или уменьшить концентрацию примесей во внешних каналах. Область 10 с n-типом проводимости соединяет истоки всех n-каналов, поэтому напряжения на всех n- и р-каналах будут равны Un и Up соответственно, но токи в отдельных каналах в общем случае могут быть не равны между собой.
III
V
Диод может быть изготовлен из кремния или из полупроводниковых материалов группы AB, обладающих более высокой подвижностью электронов.
По сравнению с прототипом предлагаемый диод с вертикальной структурой и параллельно расположенными каналами позволит:
- уменьшить размеры и упростить конструкцию диода;
- повысить быстродействие диода за счет уменьшения длин каналов;
- увеличить ток и выходную мощность диода.
Источники информации
1. Hollis M.A., Bozler C.O., Nichols K.B., Bergeron N.J. Vertical transistor device fabricated with semiconductor regrowth. Патент № US 4903089 (A), МПК: H01L 29/80, заявл. 02.02.1988 г., опубл. 20.02.1990 г.
2. Brar B.P.S., На W. Vertical field-effect transistor and method of forming the same. Патент № US 7663183, заявл. 19.06.2007 г., опубл. 16.02.2010 г.
3. Семенов А.В., Хан А.В., Хан В.А. Вертикальный полевой транзистор. Патент № RU 2402105, МПК: H01L 29/772, заявл. 03.08.2009 г., опубл. 20.10.2010 г.
4. Лямбда-диод - многофункциональный прибор с отрицательным сопротивлением. Г. Кано, X. Ивазо, X. Такаги, И. Терамото. Электроника. - 1975 г., Т.48, №13 - с.48-53.
5. Физика полупроводниковых приборов. И.М. Викулин, В.И. Стафеев - М.: Радио и связь, 1990 г. - с.138-140.