ВАКУУМНЫЙ ТРАНЗИСТОР КАРПОВА Российский патент 1997 года по МПК H01J21/10 H01J31/12 H01J1/30 

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в вакуумных интегральных схемах в качестве активных элементов, управляемых по току, а также в плоских катодолюминисцентных дисплеях.

Известен полевой транзистор с барьером Шоттки (ПТШ), содержащей полуизолирующую подложку, на которой расположен эпитаксиальный n-слой арсенида галлия, на котором выполнены омические контакты истока и стока и расположенный между ними зазор из металла, образующий c n-слоем арсенида галлия барьер Шоттки.

Работа полевого транзистора заключается в следующем. Между истоком и стоком прикладывается постоянное напряжение величиной 10--20 и в цепи исток-n-слой-сток возникает электрический ток. Подавая на затвор отрицательное напряжение величиной (-4)--(-10) можно управлять величиной тока в цепи исток -n-слой сток. Для данного полевого транзистора характерно ограничение по быстродействию (10--50 ГГц), обусловленное ограниченной скоростью перемещение электронов в n -слое арсенида галлия. Наиболее близким к заявляемому техническому решению является автоэлектронный прибор, содержащий кварцевую подложку и выполненные на ней эмиттер, затвор и анод [2]
Прибор работает следующим образом.

На анод относительно эмиттера подается напряжение величиной 150 В. На затвор подается положительное напряжение V, создающее электрическое поле ≥10⁷ в/см на кромке эмиттера, в результате чего возникает холодная эмиссия электронов в направлении к аноду. Изменяя напряжение на затворе можно управлять током в цепи анода. Благодаря тому, что между кромкой эмиттера и анодом выполнен вакуумный зазор (P_ост-10^-6 Па). Рабочие частоты прибора могут достигать 100-500 ГГц. Для данного прибора характерна необходимость подключения к затвору высоких управляющих напряжений (до 110 В), что приводит к увеличению его потребляемой мощности, снижению надежности т.к. возможен электрический пробой между кромкой эмиттера и затвором. Кроме того, приводит к нестабильности тока эмиссии во времени, связанной с изменением геометрии кромки эмиттера под бомбардирующим воздействием ионов остаточных газов. Активность ионизации остаточного газа обусловлена высокими напряжениями на затворе (~110 В) и аноде (~150 В) и сравнительно большим зазором между кромкой эмиттера и анодом (~5 мкм).

В основу изобретения положена задача создать вакуумный полевой транзистор, в котором можно было бы получить изменяющийся по величине ток актоэлектронной эмиссии в цепи анода при меньших напряжениях на затворе и аноде (путем уменьшения расстояния между эмиттером и анодом и выполнением затвора в виде барьера Шоттки к поверхности эмиттера), что позволило бы повысить надежность, стабильность работы транзистора во времени, снизить его энергоемкость.

Поставленная задача решается тем, что в вакуумной полевом транзисторе, содержащем расположенные на подложке эмиттер, анод и затвор, причем в подложке между кромкой эмиттера и анодом выполнено углубление, а кромка эмиттера выступает над углублением, согласно изобретению, затвор выполнен на поверхности эмитерра и образует с ней барьер Шоттки.

Выполнение затвора на поверхности эмиттера позволяет уменьшить расстояние между кромкой эмиттера и анодом до 0,05-0,2 мкм м следовательно уменьшить анодное напряжение, вызывающее автоэлектронную эмиссию до 10-20 В.

0образование барьера Шоттки между поверхностями эмиттера и затвора позволяет подавать на последний управляющие напряжения величиной (-4)--(-10) в, которые могут изменять в широких пределах ток в цепи анода вплоть до его прекращения. Это позволит повысить надежность транзистора, стабильность его работы во времени и снизить энергоемкость.

Целесообразно также, чтобы затвор был бы расположен параллельно кромки эмиттера. чтобы затвор был бы расположен под углом и кромке эмиттера; чтобы анод был бы выполнен в виде полосков, расположенных перпендикулярно кромке эмиттера.

Такое расположение эмиттера под углом друг к другу, а анодов в виде полосков позволяет снимать на выходе полосков импульса тока с задержкой во времени, что позволит использовать его в линиях задержки со сверхвысоким быстродействием.

Техническое решении поясняется примером его конкретного выполнения со ссылкой на чертежи, где на фиг. 1 вид прибора сверху; на фиг. 2 разрез по А-А фиг. 1; на фиг. 3 вид прибора сверху, тогда кромка эмиттера и затвор расположены под углом; на фиг. 4 пояснение работы прибора, выполненного согласно фиг.3.

Кривая I изменение напряжения во времени U=f(t) на затворе
Кривые II, III, IV изменение тока во времени в цепи анода A₁, A₂, A₃ соответственно.

Вакуумный полевой транзистор (фиг. 1,2) содержит диэлектрическую или полуизолирующую подложку 1, на которой расположены эмиттер 2 с кромкой 3, анод 4, затвор 5, выполненный на поверхности эмиттера 2 параллельно кромки 3 и образующий с поверхностью эмиттера барьер Шоттки; в подложке 1 выполнено углубление 6.

На фиг. 3 затвор 5 выполнен под углом к кромке эмиттера 3, а анод 4 выполнен в виде полосков.

Вакуумный полевой транзистор работает следующим образом. На анод 4 подается относительно эмиттера 2 постоянное положительное напряжение величиной 10^oC20 в. В следствии небольшого расстояния между кромкой 3 и анодом 4, на кромке 3 создается высокая напряженность электрического поля (более 10⁷в/см), обеспечивающая холодную эмиссию электронов к аноду. Подавая отрицательное напряжение на затвор величиной (-4)-(-10)В можно управлять током эмиссии в цепи анода, вследствие обогащения или объединения подзатворной области эмиттера 2 электронами.

Вакуумный транзистор (фиг.3, 4) работает следующим образом. На анод, выполненный в виде полосков, подается положительное напряжение величиной (10-20) В относительно эмиттера 2 и в их цепях возникает ток актоэлектронной эмиссии. При подключении к затвору запирающего напряжения величиной (-8) (-10)В ток сначала уменьшается до 0 в цепи A₁, затем в цепи анода A₂ и в последнюю очередь в цепи анода A₃ (фиг.4), что обусловлено различным расстоянием, которое проходит от подзатворных областей до анодов. Этот прибор может быть использован в линиях задержки.

Пример конкретного выполнения.

Подложка вакуумного полевого транзистора выполнена из полиизолирующего арсенида галлия, эмиттер 2 из пленки арсенида галлия n-типа с концентрацией носителей заряда 10¹⁷ см^-3, толщиной 0,1 мкм. Анод 4 выполнен из алюминия толщиной 0,5 мкм, материал затвора 5 алюминий толщиной 0,2 мкм. Зазор между анодом 4 и кромкой эмиттера 3 составляет 0,2 мкм. Кромка 3 эмиттера 2 выступает над углублением 7 в полуизолирующем арсениде галлия на 0,15 мкм, величина углубления 7 составляет 0,3 мкм. К поверхности эмиттера 2 формировали омический контакт на основе композиции Au-Ge-Ni (на чертеже не показано).

Изобретение может быть использовано в качестве активных элементов управляемых по току в вакуумных интегральных схемах в плоских полевых дисплеях (в сверхбыстродействующих линиях задержки.

Использование: в электронной технике в вакуумных интегральных схемах в качестве активных элементов, управляемых по току, а также в плоских катодолюминисцентных дисплеях. Изобретение позволяет повысить надежность транзистора, стабильность его работы во времени и сократить энергоемкость. Сущность изобретения: в вакуумном полевом транзисторе, содержащем расположенные на подложке эмиттер, анод и затвор, причем а подложке между кромкой эмиттера и анодом выполнено углубление, а кромка эмиттера выступает над углублением, затвор выполнен на поверхности эмиттера и образует с ней барьер Шоттки. Кроме того, затвор может быть расположен параллельно или под углом к кромке эмиттера. Кроме того, анод может быть выполнен в виде полосков, расположенных перпендикулярно к кромке эмиттера. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Вакуумный полевой транзистор, содержащий расположенные на подложке эмиттер и анод, затвор, причем в подложке между кромкой эмиттера и анодом выполнено углубление, а кромка эмиттера выступает над углублением, отличающийся тем, что затвор выполнен на поверхности эмиттера и образует с ней барьер Шотки. 2. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что затвор расположен параллельно кромке эмиттера. 3. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что затвор выполнен под углом к кромке эмиттера. 4. Транзистор по п. 1, отличающийся тем, что анод выполнен в виде полосков, расположенных перпендикулярно кромке эмиттера.