ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 1995 года по МПК H01L27/02 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в радиоэлектронных устройствах.

Известны многоэлектродные транзисторы, имеющие более трех выводов, функционально работающие по принципу тетрода. Необходимость в использовании таких электронных приборов возникает при одновременной обработке двух и более сигналов. В частности, известен точечный транзистор, состоящий из двух эмиттерных контактов и одного коллекторного, расположенных по окружности под углом 120^о друг к другу. На каждый эмиттер подается переменный сигнал, а с коллектора, при его работе на нелинейном участке, может быть снят суммарный или разностный сигнал.

Недостаток указанного полупроводникового прибора заключается в существенном ограничении частотных характеристик в высокочастотном диапазоне, а также в малой мощности снимаемого сигнала. Первое связано с необходимостью в данном приборе достаточно большой протяженности базовой области, поскольку в противном случае (при тонкой базе) при большом сигнале, например, при имеющем место в различных смесителях имеет место паразитная модуляция сигнала. Ограничение по мощности в основном обусловлено конструкцией прибора, заключающейся в близком расположении электродов, ограничивающей рассеяние мощности.

Известны также полупроводниковые приборы, чувствительные к дополнительным внешним воздействиям, роль которых выполняет тепловое, механическое воздействия, либо магнитное или же электрическое поле. Указанные устройства имеют слишком длительные переходные процессы, а вследствие этого и неудовлетворительные частотные характеристики, либо низкие функциональные возможности, обеспечивающие их работу лишь с одним сигналом. Указанные недостатки объясняются конструктивными особенностями полупроводникового прибора (транзистора), имеющего лишь один, работающий в аналоговом режиме управляющий электрод.

Из известных решений наиболее близким по технической сущности является полупроводниковый прибор, содержащий комбинацию двух полупроводниковых слоев с различными типами проводимости, каждый из которых снабжен внешним омическим (невыпрямляющим) контактом. Работа указанного прибора основана на том, что в переходном слое между разнотипными полупроводниковыми слоями имеет место перераспределение концентрации носителей заряда. При этом в областях локализации разноименных пространственных зарядов р-n-перехода образуется электрическое поле. Вследствие приобретенной электрической асимметрии указанная структура обладает выпрямительными свойствами, вследствие чего может использоваться в разнообразных электронных схемах как диод [6].

Недостаток известного полупроводникового прибора заключается в его низких функциональных возможностях, ограничивающих его использование в качестве электронного компонента лишь в качестве диода. Техническим результатом изобретения является повышение функциональных возможностей полупроводникового прибора.

Сущность изобретения состоит в том, что в полупроводниковом приборе, содержащем два полупроводниковых слоя с различными типами проводимости, каждый из которых снабжен внешним омическим (невыпрямляющим) контактом, вышеуказанные слои выполнены различной толщины и в тонком слое сформированы две области противоположного типа проводимости с различающимися концентрациями носителей, которые снабжены омическими контактами, а в промежутке между указанными областями образован слой диэлектрика, на который нанесен электрод.

По данным, которыми располагают авторы, им неизвестен источник информации, в котором был бы раскрыт комплекс признаков, указанных в отличительной части формулы изобретения с достижением поставленной цели изобретения. Следовательно можно сделать вывод о том, что, данное техническое решение соответствует критериям, предъявляемым к изобретению.

Сущность изобретения пояснена фиг. 1, на котором изображено конструктивное оформление предлагаемого полупроводникового прибора. Последний содержит два различной толщины полупроводниковых слоя 1 и 2, в частности n- и более тонкий р-типа проводимости, которые снабжены омическими контактами 3 и 4. В более тонком р-слое сформированы две области n⁺ и n⁺⁺ 5 и 6 противоположного ей типа проводимости, которые снабжены соответственно контактами 7 и 8. Между областями 5 и 6 на поверхности тонкого слоя 2 образован слой 9 диэлектрика, поверх которого по всей его площади нанесен полевой электрод 10. В качестве материала для полупроводникового слоя 1 может быть использован полупроводник n-типа проводимости, для слоя 2 - полупроводник р-типа. Последний выполнен более тонким, поскольку лимитирует верхнее значение частотной характеристики полупроводникового прибора и выбирается величиной не более 0,5-0,6 мкм. Слой 1 снабжен омическим контактом 3, который может быт выполнен нанесением на поверхность полупроводника слоя металла. Слой 2 снабжен омическим контактом 4, который может быть нанесен напылением металла на предварительно сформированную в нем р⁺ область. Область 5 формируется ионной имплантацией фосфора или мышьяка, а область 6 диффузией фосфора. Концентрации носителей в них с целью обеспечения возможности обогащения электронами при создании инверсного слоя должны резко отличаться и быть на уровне n⁺ ≈ 10¹⁸, а n⁺⁺ ≈ 10²¹ 1/см³ соответственно. На эти области также методом вакуумного напыления нанесены металлические электроды 7 и 8 дополнительных управляющих контактов. Слой 9 может быть выполнен из окисного кремния, толщина его должна быть минимальна и составляет примерно 400 400 . Управляющий полевой электрод 10 затвора выполнен из того же металла и наносится одновременно с электродами 7 и 8.

При включении полупроводникового прибора во внешнюю цепь контактами 3 и 4, он работает как обычный диод, выполняя функции полностью соответствующие выполняемым прототипом.

В транзисторном режиме прибор работает при подаче на контакт 3 эмиттерного напряжения, использовании контакта 7 как коллекторного, а контакта 4 - как базы. Прибор при этом выполняет функции биполярного тр-ра.

Подача еще одного сигнала на электрод 10 дает возможность дополнительного управления полупроводниковым прибором посредством регулирования толщины его базы, которое осуществляется за счет увеличения инверсного напряжения, подаваемого на электрод 10. При этом реализуется его работа в качестве тетрода. Управление толщиной базы полученного транзистора дает возможность регулировать его частотные свойства, а также изменять его коэффициент усиления по току. Причем, эффективность управления будет тем выше, чем тоньше слой 2 р-области. В частности, при современной технологии, позволяющей надежно получать толщину указанной области порядка 0,5 мкм, толщина инверсного слоя может быть соизмерима с шириной базы, что дает сравнимую с основной крутизну характеристики по дополнительному управляющему электроду. Изменение электрического напряжения на затворе в транзисторном включении по режиму тетрода позволяет также менять время становления сигнала, т.е. фактически изменять частотную характеристику прибора без смены типа транзистора. Это свойство может быть использовано для настройки фильтрации сигнала. Высокая частота прибора в данном случае реализована благодаря тонкой базе, толщина которой может меняться внешним напряжением, реализуемым до толщин, определяемых условиями пробоя, что обеспечивает значения частот, включая СВЧ диапазон. Кроме того, увеличение площади коллекторного перехода в результате создания инверсионного слоя между контактами 7 и 8 под действием затворного напряжения на электроде 10 увеличивает коэффициент передачи транзистора и усиление по мощности. Мощность рассеяния при этом повышена благодаря наличию толстого электрода, что дает улучшенный теплоотвод.

При подаче еще одного сигнала на контакт 8 с n⁺⁺-областью получена еще одна возможность управления работой прибора. Для этого используется резистивное свойство инверсного слоя, который может быть обогащен электронами, выходящими из контакта 8, сформированного на области с высоким обогащением. Прибор при этом работает как полупроводниковый аналог электровакуумного пентода, что может быть использовано для обработки на одном элементе одновременно трех электрических сигналов. Плавное изменение напряжения на втором управляющем электроде может быть использовано для регулировки усиления, например в АРУ, выполненного на данном приборе каскада. При подаче же несущего высокочастотного сигнала между электродами 8 и 10 имеется возможность детектирования его с целью выделения низкочастотной составляющей. Имеются возможности использования представленного прибора для выполнения большого числа функций, необходимых для решения разнообразных задач прикладной радиоэлектроники.

Пример изготовления: В качестве исходного материала пластины выбирают кремний КЭФ-0,01, в которую осуществляют ионную имплантацию бора на глубину 0,5-0,6 мкм до значения N_б ≈ 10¹⁸ - 5 ˙ 10¹⁸ см^-1, формируя тем область р-типа - базы. Затем последующими процессами фотолитографии вскрывают окна под р⁺, n⁺ и n⁺⁺ (см. рис.). "p⁺" и n⁺ при этом формируют соответственно бором с N = 10¹⁹ см^-1 и фосфором или мышьяком N = 10¹⁸ см^-1 ионной имплантацией, а "n⁺⁺" - диффузией фосфора, достигая максимальной концентрации N ≈ 10²¹ cм^-1. Причем, при диффузии фосфора под "n⁺⁺" происходит одновременное легирование и подложки, необходимое для получения тонкого слоя "n⁺⁺", на который по его поверхности наносится электрод 3. После этого, между областями "n⁺" и "n⁺⁺" формируют подзатворный диэлектрик (SiO₂) при режиме: Т = 1000^оС, среда - O₂ + НСl, толщина слоя 400 400 , производят вскрытие окон под контакты, после чего вакуумным напылением алюминия (толщина слоя 1,5 мкм) с последующей фотогравировкой формируют сами контакты, образуя структуру, разрез которой изображен на прилагаемом рисунке.

Использование изобретения позволит значительно расширить функциональные возможности полупроводникового прибора, наряду с диодным, обеспечить его работу в качестве транзистора, используя его в триодном, тетродном и пентодном режиме. Полученная универсальность прибора существенно сократит номенклатуру используемых для построения электронных схем радиокомпонентов. Кроме того появляется ценная возможность путем обычных переключений электрических цепей в схеме, построенной на одном приборе, реализовать большое разнообразие выполняемых им функций, что бывает необходимо для решения ряда задач.

Использование: в радиоэлектронных устройствах. Сущность изобретения: прибор содержит два полупроводниковых слоя с различным типом проводимости, каждый из которых снабжен внешним омическим контактом. Слои выполнены различной толщины и в тонком слое сформированы две области противоположного типа проводимости с различающимися в них концентрациями носителей, которые снабжены омическими контактами, а в промежутке между этими областями образован слой диэлектрика, на который нанесен электрод. 1 ил.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР, содержащий два полупроводниковых слоя с различными типами проводимости, каждый из которых снабжен внешним омическим контактом, отличающийся тем, что слои выполнены различной толщины, в тонком слое дополнительно сформированы две области противоположного ему типа проводимости с различной в них концентрацией основных носителей, области снабжены омическими контактами, а в промежутке между областями на поверхности тонкого слоя сформирован слой диэлектрика, на поверхность которого нанесен электрод.