Результат интеллектуальной деятельности: ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПОЛЕВОЙ РЕГУЛЯТОР ТОКА

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.

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_отс 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.

При уменьшении длины контакта уменьшаются значение напряжения отсечки U_отс 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.

Прибор с барьером Шотки (фигура 1) работает следующим образом. В каждой единичной структуре прибора на анод подают положительное напряжение U₀ относительно катода. На управляющий электрод подают обратное напряжение U_у также относительно катода. Ток в каждой единичной структуре будет протекать от анода к катоду через n-область. Величина тока анода I_а при постоянных значениях U₀ и U_y определяется сопротивлением n-области, а также сопротивлением контакта между катодом и n-областью, которое зависит от площади этого контакта. При увеличении обратного напряжения U_y 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_а. Когда обедненный слой полностью перекроет контакт между катодом и n-областью при напряжении отсечки U_отс на управляющем электроде, ток анода I_а будет минимальным и его величина будет определяться сопротивлением обедненного слоя. При уменьшении длины контакта катода с n-областью будут улучшаться частотные свойства прибора.

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_отс.

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.

Для уменьшения входной емкости С_вх 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_y=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.

Толщина обедненного слоя барьера Шотки L₀ в одномерном приближении при равномерном распределении примеси в n-области может быть определена по известному выражению [3, с. 39]:

где ε - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника n-области, ε₀=8,85^-14 Ф/см - диэлектрическая проницаемость вакуума, φ_к - высота барьера Шотки, е=1,6·10^-19 N_d - заряд электрона, N_d - концентрация донорной примеси в n-области, U_y - обратное напряжение на управляющем электроде. Отрицательный знак обратного напряжения на управляющем электроде учтен в формуле для L₀, поэтому в тексте приводятся положительные значения напряжения отсечки U_отс [4].

Для частного случая при U_y=0, N_d=10¹⁴ см^-3, φ_к=0,8 В, ε=12 получим L₀=3,3 мкм, а при N_d=10¹³ см^-3 толщина обедненного слоя L₀=10,3 мкм. Толщина обедненного слоя определяет возможную длину контакта катода с n-областью D_к. Минимальную длину контакта D_{к min} целесообразно выбирать равной приращению толщины обедненного слоя ΔL=L_max-L₀, где L_max - максимальная толщина обедненного слоя при U_y=U_отс.

Если обедненный слой при U_y=0 контактирует с контактом, то в этом случае поверхность контакта катода с n-областью будет максимальной: F_{к max}=W_к·ΔL, где W_к - 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_отс. Например, если N_d=10¹⁴ см^-3, длина контакта D_к=5,5 мкм, то U_отс=5 В, а при D_к=1 мкм напряжение отсечки изменится до U_отс=0,6 В. Уменьшение напряжения отсечки позволяет работать при небольших значениях обратного напряжения U_y на управляющем электроде.

Максимальная длина контакта катода D_{к max} с n-областью должна быть меньше L_max, чтобы катод не касался управляющего электрода, но может быть больше ΔL. В этом случае при U_y=0 часть поверхности контакта, равная ΔF_к=W_к(D_{к max}-ΔL), будет перекрыта от n-области обедненным слоем.

В общем случае D_к может быть меньше ΔL, тогда при U_у=0 обедненный слой барьера Шотки может не контактировать с контактом и при увеличении обратного напряжения U_у на управляющем электроде ток прибора вначале не изменится, его величина будет определяться значением ускоряющего напряжения U₀, сопротивлением n-области и площадью контакта катода с n-областью. При некотором значении U_у обедненный слой достигнет контакта, затем, при дальнейшем увеличении U_y, площадь контакта катода с n-областью будет уменьшаться, что приведет к увеличению сопротивления контакта и, следовательно, к уменьшению тока прибора.

Если при U_y=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.

Таким образом, изменяя напряжение на управляющем электроде, можно изменять величину тока прибора. Для увеличения максимального значения тока прибора целесообразно увеличивать ширину катода W_к 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.

Прибор может быть изготовлен из кремния или из полупроводниковых материалов группы Α^III Β^V, 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.