ПЛАСТИНЧАТЫЙ ДИОД Российский патент 2003 года по МПК H01L29/861 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение касается полупроводникового элемента, конкретно говоря, оно касается пластинчатого диода.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Конструкция полупроводникового диода, известная из уровня техники, является конструкцией р-n-типа, сформированной полупроводниковым материалом. Под воздействием определенного электрического поля носитель тока в нем приходит в направленное движение, что выражается в однонаправленной проводимости. Такой полупроводниковый диод в основном служит выпрямительным элементом или ключевым элементом (переключателем). Очевидно, что без приложения смещающих напряжения и тока однонаправленная проводимость такого диода исчезнет и диод станет обычным линейным элементом. Другой полупроводниковый элемент, обычно называемый селеновым выпрямителем, последовательно соединяет несколько пластинчатых полупроводниковых материалов, включая селеновые пластинки. Такой диод также является выпрямительным полупроводниковым элементом с однонаправленной проводимостью при наличии приложенного электрического поля.

СОДЕРЖАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить пластинчатый диод, который без приложения смещающего напряжения и смещающего тока может поддерживать однонаправленную проводимость в электрической цепи.

Вышеуказанная цель реализуется нижеследующим способом. Пластинчатый диод включает металлические электроды и находящийся в контакте с ними полупроводниковый материал. Пластинчатые электроды образованы двумя взаимно параллельными слоями металла, а между ними расположен пластинчатый слой полупроводникового материала, при этом концентрация носителей в слое полупроводникового материала составляет 20% или меньше от концентрации токопроводящих электронов в металле. Один из указанных металлических электродов выполнен таким образом, что его поверхность со стороны, обращенной к пластине полупроводникового материала, имеет множество углублений, направленных в глубь электрода. Средний диаметр углублений составляет менее 4 мкм. В качестве наиболее оптимального вида указанных углублений принимается отверстие. В качестве материала между указанными металлическими электродами предпочтительным является материал с низкой электропроводностью.

Опыты показывают, что при соединении электропроводом двух электродов пластинчатого диода согласно настоящему изобретению с внешней цепью в последней будет течь непрерывный и устойчивый прямой ток I_T (смотри схемы на Фиг. 1 (а) и 1 (b)). Дело в том, что когда диаметр углубления в металле, например диаметр отверстия, является достаточно малым (опыты показывают, что следует использовать отверстия с диаметром менее 4 мкм), явно наблюдается электростатическое притяжение между диссоциированным электроном, ограниченным кристаллической решеткой на поверхности стенки отверстия, и соответственным положительным ионом (см. схему на Фиг.2). Под воздействием данного электростатического притяжения к указанным положительным ионам, находящимся на поверхности отверстия, внутри отверстия образуется электрическое поле Е. В связи с этим токопроводящий электрон в "днище" отверстия и на поверхности другого пластинчатого металлического электрода в вышеуказанном диоде испытывает изгибающее действие данного электрического поля Е, что приводит к захвату электронов стенкой отверстия. Таким образом, эффект воздействия отверстия можно выразить так - "входят много, а выходит мало", т.е. отверстие исполняет функцию "электронной дырки". Повторные опыты доказывают, что вышеуказанный пластинчатый диод устанавливает однонаправленную проводимость без смещения, т. е. не нуждается в приложении смещающего напряжения и смещающего тока, при этом однонаправленный электрический ток внешне проявляется в движении горячих токопроводящих электронов.

Распределение скорости движения горячих токопроводящих электронов в металлическом электроде пластинчатого диода приблизительно соответствует распределению Максвелла. По этой причине выходное напряжение пластинчатого диода согласно данному изобретению, как показывают опыты, при различной величине нагрузки может изменяться в широких пределах, максимально до 100 мВ. Опыты также показывают, что когда выходное напряжение составляет приблизительно 30 мВ, то соответственная выходная мощность является наибольшей, т.е. это состояние соответствует самой вероятной из скоростей движения горячих токопроводящих электронов.

Опыты показывают, что выходной электрический ток данного пластинчатого диода связан с диаметром отверстия и количеством отверстий в электроде. Конкретно говоря, при уменьшении диаметра отверстия коэффициент К однонаправленности диода увеличивается, что соответствует увеличению тока в электрической цепи. Кроме того, чем больше глубина отверстия, тем больший ток можно поддерживать в электрической цепи. Опыты показывают, что лучшим является вариант, при котором диаметр и глубина отверстия близки по величине. Используя теоретический, опытный и опытно-теоретический подходы для поиска оптимального соотношения между диаметром отверстия и указанной плотностью тока I_T, Заявитель получил близкие сходящиеся результаты. Приведенное ниже соотношение получено при использовании опытно-теоретического подхода. Анализ проведенных опытов с использованием кремниевого пластинчатого диода, имеющего конструкцию из вышеуказанного примера, при условии, что выходное напряжение составляет 30 мВ, показывает, что между плотностью выходного тока I_T (А/см²) и диаметром отверстия D₁ имеется следующее эмпирическое отношение:
I_T-K₃(K₄/D₁)^K5=800(K₄/D₁)^4,9 (1).

Здесь в качестве единиц диаметра отверстия D₁ является сантиметр, К₃, К₄, К₅ являются опытными коэффициентами. Из формулы (1) следует, что чем меньше диаметр отверстия, тем больше плотность тока. В настоящих опытах были получены отверстия с диаметром около 0,7 мкм, и в этом случае выходной ток пластинчатого диода с конструкцией согласно данному изобретению составляет 0,2 мкА. При использовании метода гравирования потоком электронов диаметр отверстия может достигать на и в этом случае данный диод может поддерживать плотность выходного тока на уровне около 800 А/см². Следовательно, данное изобретение имеет превосходные перспективы прикладного использования.

Пластинчатый диод согласно настоящему изобретению может служить детекторным диодом, так как характеристика детектора значительно улучшена. Кроме того, такой диод может быть использован для электропитания электронных часов, миниатюрных калькуляторов и других электроаппаратов со средней и малой мощностью.

Нижеследующее подробное описание конкретного примера воплощения настоящего изобретения вместе со следующими Фигурами позволяет более четко понять техническое содержание и достоинства данного изобретения, а также представляет собой руководство для осуществления данного изобретения.

Здесь
Фиг. 1(а) и 1 (b) являются схемами действия пластинчатого диода согласно данному изобретению с однонаправленной проводимостью без смещения;
Фиг.2 является конструктивной схемой пластинчатого диода согласно данному изобретению с указанием механизма образования "электронной дырки";
Фиг. 3(а)-3(f) являются перспективными видами углублений различной формы в пластинчатом диоде согласно данному изобретению;
Фиг.4 является конструктивной схемой отверстий в пластинчатом диоде согласно данному изобретению, при этом стенка отверстия выполнена из различных материалов;
Фиг. 5 (а)-5 (d) являются конструктивными схемами пластинчатого диода согласно данному изобретению, при этом Фиг.5(b) и (с) обозначают диод, в котором оба металлических электрода имеют конструкцию с отверстием;
Фиг. 6 (а) и 6(b) являются схемами общей конструкции пластинчатого диода согласно одному из вариантов воплощения данного изобретения, при этом Фиг.6 (а) обозначает конструкцию диода в разрезе, а Фиг.6(b) обозначает вид сверху;
Фиг. 7 (а) и 7 (b) являются схемами микроструктуры диода согласно приведенному на Фиг.6(а)-6(b) варианту воплощения данного изобретения, при этом Фиг.7 (а) обозначает схему в разрезе, а Фиг.7(b) обозначает вид сверху;
Фиг.8 является испытательным графиком диода согласно варианту воплощения данного изобретения, приведенному на Фиг.6(а)-6(b);
Фиг. 9 (а) и 9(b) являются схемами общей конструкции пластинчатого диода согласно другому варианту воплощения данного изобретения, при этом Фиг.9(а) обозначает вид спереди, а Фиг.9(b) обозначает вид сверху;
Фиг. 10 является схемой микроструктуры диода согласно приведенному на Фиг.9 (а) и 9(b) варианту воплощения данного изобретения;
Фиг. 11 является испытательным графиком диода согласно варианту воплощения данного изобретения, приведенному на Фиг.9(а) и (b).

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ВОПЛОЩЕНИЯ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРИМЕР 1
Ниже будет изложен предпочтительный вариант воплощения пластинчатого диода согласно данному изобретению, у которого имеется стеклянная футеровка.

На Фиг. 6 (а), 6 (b) и 7 (а), 7 (b) показан изготовленный пластинчатый диод на стеклянной футеровке 31. Указанная стеклянная футеровка представляет собой квадратную стеклянную пластинку размером в 25•25 мм и толщиной в 1,2 мм, вырезанную из большой стеклянной пластины. На указанную стеклянную футеровку осажден хромовый электрод 3, а электрод 1 выполнен из металлической сурьмы. На указанных Фигурах кремниевый слой 2 расположен между указанными хромовым и сурьмяным электродами.

Все слои диода в приведенном примере могут быть получены посредством осаждения испарением, среди них предпочтительно получение методом осаждения испарением электрода, имеющего отверстия. Кроме того, металлический электрод с отверстиями может быть получен методом гравирования потоком электронов. При использовании метода осаждения испарением для осаждения электродов 1 и 3 давление (вакуум) составляет 5•10^-3 Па, а при осаждении слоя 2 давление (вакуум) составляет 1,5-1,8 Па в азотной атмосфере. В то же время диаметр сформированных отверстий составляет 0,7 мкм, глубина отверстий составляет приблизительно 0,2 мкм. При этом хромовый электрод 3 является гладким и используется в качестве анода диода, а сурьмяный электрод 1 является электродом со отверстиями и используется в качестве катода диода.

При использовании метода гравирования потоком электронов необходимо сначала провести осаждение испарением хромового слоя 3 на стеклянную пластину, а потом гравирование отверстия потоком электронов, в результате чего получается отверстие диаметром около и глубиной около Кремниевый слой 2 изготовлен методом химического осаждения из газовой фазы (CVD). Сурьмяный слой 1 также получен методом осаждения испарением. При осаждении хромового слоя 3 и сурьмяного слоя 1 необходимо поддержание вакуума на уровне 5•10^-3 Па.

На Фиг.8 показан испытательный график пластинчатого диода согласно примеру 1, при этом отверстия в электроде 1 были получены методом осаждения испарением. При соединении диода из данного примера с электрической цепью в соответствии с Фиг. 1(b) металлический пластинчатый электрод с отверстиями является катодом, а другой металлический пластинчатый электрод является анодом, а использованное нагрузочное электросопротивление составляет 3 МОм. На Фиг. 8 показаны полученные таким образом фиксированные выходные ток и напряжение. На графике вдоль оси абсцисс отложено время измерения (в минутах), а по оси ординат отложено выходное напряжение и ток диода (в милливольтах и амперах соответственно). Из Фиг.8 видно, что при использовании пластинчатого диода из данного примера получены статичные выходные напряжение и ток, при этом ярко выражена хорошая однонаправленность проводимости.

Поперечное сечение отверстия в диоде данного приведенного примера может иметь форму круга, квадрата, прямоугольника и разнообразные другие неправильные формы, как это показано на Фиг.3(а)-3(d). Отверстия могут также представлять собой последовательность впадин и/или выступов, в которых выпуклые и вогнутые участки чередуются друг с другом. Отверстия могут также иметь корытообразную форму, как это показано на Фиг.3(f), при этом все эти отверстия пересекают электрод.

Использованный кремниевый полупроводниковый материал в данном примере может быть кремнием n-типа или р-типа, включая типы кремниевых полупроводниковых материалов высокого, среднего и низкого сопротивления, тяжелого активирования, собственного характера проводимости и т.д. Разрешается использование разнообразных германиевых полупроводниковых материалов или любых других полупроводниковых материалов в качестве полупроводникового диода с конструкцией согласно данному варианту воплощения. Указанный металлический электрод может быть выполнен из любого однородного металла или сплава, необходим только хороший контакт между веществами слоев под номерами 1, 2, 3, показанных на Фиг.6. Образованный из перечисленных материалов пластинчатый диод с конструкцией согласно данному варианту воплощения изобретения также может выдавать на выходе ток и напряжение.

Кроме того, в соответствии с вышеизложенным опытным результатом специалисту в данной области нетрудно понять, что текучий полупроводниковый материал и металлический сплав с высоким электросопротивлением будут являться активным материалом указанного пластинчатого диода. Здесь термин сплав с высоким электросопротивлением относится и к металлу. Поскольку прочность такого материала значительно выше, чем у полупроводника, пластинчатый диод из его основе будет очень прочным. Из-за того, что пластичный полупроводниковый материал обладает жидкотекучестью, достоинство пластинчатого диода с его использованием заключается в том, что, испытывая повреждения, диод легко сам восстанавливается. При этом сформированная из данного пластичного (текучего) материала пластина не может быть разрушена из-за различий в коэффициентах термического расширения. Кроме того, пластичный (текучий) материал имеет также хорошие теплообменные свойства.

Можно также, взяв пластинчатый диод с вышеуказанной конструкцией на стеклянной подложке или на подложке из другого изоляционного материала в качестве секции, поочередно соединять металлический электрод с отверстиями одного диода с соседним с ним хромовым электродом другого диода с тождественной конструкцией, образуя таким образом пластинчатый диод с последовательной конструкцией.

Опыты показывают, что для реализации такой конструкции необходимо только соблюдать взаимную параллельность всех слоев диода. Общая форма диода указанными слоями не ограничена. Используемый в описании данного изобретения термин "параллельная пластина" не ограничен тем, что понимается под такой параллельной пластиной, которая может быть названа "плоской пластиной", а включает, на самом деле, все конструкции, приведенные на Фиг.5(а)-5(d).

Надо сказать, что получение электрода с идеальной гладкой поверхностью очень трудно. На самом деле контактирующие с полупроводниковым материалом поверхности двух металлических электродов, из которых образован пластинчатый диод из данного примера, имеют углубления. Средний диаметр углублений на одной из них равен или меньше 0,7 мкм, средний диаметр углубления на другой поверхности больше 0,7 мкм. При соединении подобного диода в замкнутый контур металлический электрод с малым диаметром углубления считается катодом, а металлический электрод с большим диаметром углубления - анодом. Вообще говоря, обе поверхности металлических электродов со стороны, обращенной к пластине полупроводникового материала и контактирующей с полупроводниковым материалом, покрыты углублениями, однако глубина и форма углублений на этих двух поверхностях не одинаковы. Такой диод так же может выдавать ток и напряжение.

Опыты показывают, что две стенки отверстия в пластинчатом диоде согласно данному изобретению могут быть выполнены из двух различных веществ, как это показано на Фиг.4. Если обозначить работу выхода двух стенок еФ1 и еФ3, то при соблюдении условия Ф1<Ф3, коэффициент однонаправленности пластинчатого диода с отверстиями, в котором стенка отверстия выполнена из различных материалов, оказывается лучше. В особенности, когда конструкция со стенкой отверстия из различных материалов применена в комбинации с корытообразной конструкцией, показанной на Фиг. 3(f), т. е. в случае, если левая и правая стороны корыта состоят из двух различных материалов и их работа выхода удовлетворяет вышеизложенному отношению, получается пластинчатый диод с большим коэффициентом однонаправленности и сравнительно большими величинами выходных напряжения и тока. При этом корытообразная конструкция, показанная на Фиг.3(f), может быть легко получена.

ПРИМЕР 2
На Фиг. 9(а), 9(b) и 10 показан другой пример пластинчатого диода согласно данному изобретению, в котором в качестве футеровки использован сплав - ковар.

Как показано на Фиг.9(а), 9(b), при выборе сплава-ковара с коэффициентом термического расширения в 3,1•10^-6 K^-1см^-1 используется металлическая футеровка 3 размером 20•20 мм и толщиной 0,2 мм. На данной металлической футеровке осажден кремниевый слой 2 общей толщиной в 2 мкм, потом на указанном слое 2 сформирован профиль углублений и затем последовательно сформирован профиль на другой поверхности, противолежащей с поверхностью указанной металлической пластины, где нанесен кремниевый слой 2 (см. Фиг.10). При соприкосновении поверхности с последовательными углублениями с другим слоем электрода 1 из сплава-ковара, последний электрод 1 из сплава-ковара также будет приобретать от поверхности с последовательными углублениями вышеуказанного кремниевого слоя профиль с последовательными отверстиями.

Индекс 2-2 в Фиг.10 означает первый кремниевый слой, образованный нанесением 16 слоев посредством осаждения в низком вакууме (в атмосфере азота, остаточное давление поддерживалось на уровне 1,5-1,8 Па), а индекс 2-1 означает второй кремниевый слой, образованный посредством осаждения в высоком вакууме, он включает 6 слоев кремния для увеличение твердости покрытия.

Фиг. 11 обозначает испытательный график диода из приведенного примера 2. Диод из данного примера соединяли в электрическую цепь по Фиг.1(b), употребляя нагрузочное электросопротивление в 1 МОм. В этом случае металлический электрод с отверстиями являлся катодом, а другой металлический пластинчатый электрод - анодом. На Фиг.11 одновременно показаны измеренные таким образом выходные напряжение и ток, при этом вдоль оси абсцисс отложено время измерения (в минутах), а по оси ординат отложено выходное напряжение и ток диода (в милливольтах и микроамперах соответственно). Из Фиг.11 видно, что при использовании пластинчатого диода согласно данному примеру можно получать стабильные выходные напряжения и ток, что также выражается в хорошей однонаправленности проводимости.

Можно также, взяв пластинчатый диод с вышеуказанной конструкцией в качестве секции, поочередно соединять электрод из сплава-ковара с отверстиями одного диода с футеровкой из сплава-ковара другого диода с тождественной конструкцией, образуя таким образом пластинчатый диод с последовательной конструкцией.

Остальные признаки указанного примера 2 одинаковы с признаками вышеуказанного примера 1, поэтому приводить повторное описание Заявитель считает нецелесообразным.

Использование: микроэлектроника, полупроводниковые диоды. Сущность изобретения: параллельно-пластинчатый диод включает металлические электроды и контактирующую с ними пластину полупроводникового материала. Два пластинчатых электрода, выполненных из металла, расположены параллельно друг другу, а между ними расположена тонкая пластина полупроводникового материала. Концентрация носителей в полупроводниковом материале составляет 20% или менее от концентрации токопроводящих электронов в металле. Один из металлических электродов выполнен таким образом, что его поверхность со стороны, обращенной к пластине полупроводникового материала, имеет множество углублений, направленных в глубь электрода. Средний диаметр углублений составляет менее 4 мкм. Углубления представляют собой впадины или последовательность выступов, в которых выпуклые и вогнутые участки чередуются друг с другом. Поперечное сечение углублений может быть округлой, квадратной или прямоугольной формы. Такой диод обеспечивает во внешней электрической цепи статичное выходное напряжение и выходной ток без приложения смещающего напряжения и смещающего тока, что является техническим результатом изобретения. 17 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Параллельно-пластинчатый диод, включающий в себя металлические электроды и контактирующую с ними пластину полупроводникового материала, отличающийся тем, что два пластинчатых металлических электрода расположены параллельно друг другу, а пластина полупроводникового материала расположена между ними, концентрация носителей в полупроводниковом материале составляет 20% или менее от концентрации токопроводящих электронов в металле и один из металлических электродов выполнен таким образом, что его поверхность со стороны, обращенной к пластине полупроводникового материала, имеет множество углублений, направленных в глубь электрода, и средний диаметр углублений составляет менее 4 мкм. 2. Параллельно-пластинчатый диод по п. 1, отличающийся тем, что указанные углубления в металлическом электроде имеют форму открытых полостей. 3. Параллельно-пластинчатый диод по п. 2, отличающийся тем, что указанные открытые полости в параллельном пластинам сечении имеют форму круга, квадрата, прямоугольника и разнообразные другие неправильные формы. 4. Параллельно-пластинчатый диод по п. 2, отличающийся тем, что указанные открытые полости имеют форму канавки. 5. Параллельно-пластинчатый диод по п. 2, отличающийся тем, что указанные открытые полости образованы последовательностью выступов, причем в сечении, перпендикулярном пластинам диода и проходящем через указанные выступы, выпуклые и вогнутые участки чередуются друг с другом. 6. Параллельно-пластинчатый диод по любому из пп. 2-5, отличающийся тем, что две стенки указанных открытых полостей или канавок выполнены из двух различных веществ, при этом еФ1 и еФ3, соответственно обозначающие работу выхода двух стенок, удовлетворяют условию Ф1<Ф3. 7. Параллельно-пластинчатый диод по п. 1, отличающийся тем, что указанным полупроводниковым материалом является материал с низкой электропроводностью. 8. Параллельно-пластинчатый диод по п. 1, отличающийся тем, что указанный диод осажден на подложку из изоляционного материала. 9. Параллельно-пластинчатый диод по п. 8, отличающийся тем, что указанный диод осажден на стеклянную подложку. 10. Параллельно-пластинчатый диод по п. 9, отличающийся тем, что металлический электрод с углублениями одного диода соединен с соседним с ним хромовым электродом другого диода с тождественной конструкцией, образуя параллельно-пластинчатый диод с последовательной конструкцией. 11. Параллельно-пластинчатый диод по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала указанного металлического электрода использован сплав-ковар. 12. Параллельно-пластинчатый диод по п. 11, отличающийся тем, что электрод из сплава-ковара с углублениями одного диода соединен с подложкой из сплава-ковара другого диода с тождественной конструкцией, образуя параллельно-пластинчатый диод с последовательной конструкцией. 13. Параллельно-пластинчатый диод по п. 1 или 2, отличающийся тем, что контактирующие с полупроводниковым материалом поверхности обоих из указанных двух металлических электродов имеют углубления, при этом средний диаметр углублений на одной из поверхностей равен или меньше 0,7 мкм, а средний диаметр углубления на другой поверхности больше 0,7 мкм. 14. Параллельно-пластинчатый диод по п. 13, отличающийся тем, что глубина углублений в указанных двух металлических электродах различается. 15. Параллельно-пластинчатый диод по п. 13, отличающийся тем, что углубления в указанных двух металлических электродах различаются по форме. 16. Параллельно-пластинчатый диод по п. 1, отличающийся тем, что все пластины диода взаимно параллельны, а общая форма диода, образованного указанными пластинами, не ограничена. 17. Параллельно-пластинчатый диод по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что указанным полупроводниковым материалом является жидкий полупроводниковый материал. 18. Параллельно-пластинчатый диод по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что указанным полупроводниковым материалом является металлический сплав с высоким электросопротивлением.