МЕТАЛЛОПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР Российский патент 2015 года по МПК H01L29/82 

Изобретение относится к области магнитоэлектроники, а именно к преобразователям магнитного поля в электрический сигнал, и может быть использовано в различных электронных устройствах, предназначенных для усиления и генерации электрических сигналов, кроме того, может использоваться для защиты входных цепей радиоэлектронной аппаратуры от мощных электромагнитных излучений, а также в контрольно-измерительной технике как датчик магнитной индукции.

В настоящее время в полупроводниковой электронике широко используются полевые транзисторы (ПТ), в которых применяется полевой способ управления величиной тока путем изменения сопротивления канала с помощью управляющего электрического напряжения, подаваемого на затвор, расположенный между истоком и стоком транзистора.

На высоких частотах (ВЧ) ПТ работают при небольших значениях ускоряющего напряжения, потому что между стоком и затвором возникает сильное электрическое поле, которое приводит к электрическому пробою, что ограничивает возможность увеличения выходной мощности прибора. Кроме того, в канале ПТ выделяется мощность потерь, зависящая от сопротивления канала и тока, протекающего по каналу, что приводит к снижению КПД прибора и необходимости охлаждения мощных ПТ.

Также успешно развивается магнитоэлектроника [1, 2], где обычно используются эффекты Холла и Гаусса, возникающие в полупроводниках и металлах при воздействии внешнего магнитного поля. Известно, что на движущийся заряд q со скоростью V в поперечном магнитном поле с индукцией B действует сила Лоренца F=q[V*B]. Сила Лоренца отклоняет заряды, что приводит к образованию поперечной разности потенциалов (ЭДС Холла [1, с. 218-220]), а также к возрастанию сопротивления полупроводника или проводника (эффект Гаусса [2, с. 61-65]).

Наиболее близкими к заявленному прибору по принципу действия являются биполярные двухколлекторные магнитотранзисторы, например p-n-p-типа [1, 2]. Магнитотранзисторы содержат эмиттер, базу и два «вертикальных» коллектора, расположенных на боковых поверхностях базы [1, с. 228, рис. 7.18, б]. В цепях коллекторов имеются нагрузочные резисторы. При отсутствии магнитного поля инжектированные эмиттером носители заряда (дырки) примерно поровну распределяются между коллекторами, поэтому их токи будут мало различаться между собой, следовательно, разность напряжений между коллекторами (используется мостовая схема) будет около нуля. Под действием поперечного магнитного поля происходит перераспределение инжектированных носителей заряда между коллекторами, что приводит к разбалансу моста и изменению напряжения между коллекторами. При изменении направления магнитного поля соответственно изменяется знак напряжения между коллекторами.

В другом варианте двухколлекторного магнитотранзистора [1, с. 228, рис. 7.18, в], который выбран в качестве прототипа, для увеличения чувствительности в его структуру введен дополнительный базовый контакт. Приложенное к базовым контактам напряжение увеличивает напряженность электрического поля в базе, что приводит к увеличению скорости инжектированных дырок и соответственно силы Лоренца. Кроме того, основные носители заряда в базе (электроны) будут двигаться между базовыми контактами, и в результате действия поперечного магнитного поля в базе создается ЭДС Холла, которая в свою очередь отклоняет инжектированные дырки в ту же сторону, что и сила Лоренца. Следовательно, хотя электроны не попадают на коллектор, в данной структуре происходит увеличение напряжения между коллекторами, что приводит к увеличению чувствительности датчика магнитного поля по напряжению [2, с. 26].

Для увеличения чувствительности по напряжению разрабатываются новые варианты конструкций биполярных магнитотранзисторов, например в патенте [4] описан планарный биполярный магнитотранзистор с четырьмя коллекторами, причем с каждой стороны эмиттера расположены по два коллектора, которые соединены между собой металлизацией, поэтому прибор также имеет два общих вывода коллекторов.

Биполярные магнитотранзисторы имеют сложную структуру, носители зарядов отклоняются магнитным полем непосредственно в базе магнитотранзистора, они проходят больший путь, чем в обычном биполярном транзисторе, поэтому их частотные свойства заметно ухудшаются, при этом процессы рекомбинации носителей заряда в базе усиливаются, что приводит к возникновению шумов, ограничивающих возможность регистрировать слабые магнитные поля.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются увеличение выходной мощности прибора, а также увеличение магнитной чувствительности по напряжению при использовании прибора в качестве датчика магнитного поля.

Сущность изобретения заключается в том, что в предлагаемом приборе ток проходит по тонкой металлической ленте, а управление величиной тока в приборе осуществляется с помощью внешнего поперечного переменного или постоянного магнитного поля. Прибор содержит тонкую металлическую ленту с токовыми контактами на ее концах, на которые подают напряжение U_t. Сопротивление ленты и величина U_t определяют значение тока I_t. Кроме того, прибор содержит две области с n-типом проводимости (n-области), которые являются коллекторами в приборе и размещены на обеих сторонах ленты, причем между металлической лентой и n-областями сформированы промежуточные (буферные) области с p-типом проводимости (p-области). Работа выхода электронов из металлической ленты должна быть больше, чем работа выхода электронов из p-области, при этом между лентой и p-областью может быть сформирован омический контакт. Между p- и n-областями сформированы выпрямляющие контакты (p-n-переходы). На коллекторы подается положительное напряжение U₀, которое является обратным для p-n-перехода, поэтому при отсутствии поперечного магнитного поля токи коллекторов будут минимальными и будут определяться обратными токами p-n-переходов. Под воздействием магнитного поля, направленного параллельно металлической ленте, электроны, движущиеся между токовыми контактами перпендикулярно к внешнему магнитному полю, будут отклоняться вверх или вниз в зависимости от направления магнитной индукции. При этом они попадают в p-область, а затем в ускоряющее поле p-n-перехода, и будет появляться управляемый ток коллектора. Величина тока коллектора определяется значением магнитной индукции и током I_t. Прибор может использоваться как усилитель мощности электромагнитных колебаний или в качестве высокочувствительного датчика магнитного поля. При использовании прибора в качестве усилителя мощности его размещают в линиях передачи сигнала в том месте, где переменное магнитное поле имеет наибольшее значение. Например, в прямоугольном волноводе при использовании волны H₁₀ прибор целесообразно разместить вдоль узкой стенки волновода, где продольная составляющая магнитного поля H_Z имеет наибольшее значение. Причем металлическую ленту располагают параллельно узкой стенке волновода, а ток в ленте должен протекать перпендикулярно к продольной составляющей магнитного поля H_Z. В этом случае продольная составляющая магнитного поля H_Z будет отклонять электроны к коллекторам прибора. В цепи коллекторов в качестве нагрузки можно подключить петли связи, причем они должны быть подключены таким образом, чтобы обеспечить двухтактное усиление.

Известно, что магнитное поле не изменяет энергию носителей заряда, а только изменяет их направление движения, поэтому предлагаемый прибор возможно использовать для защиты входных цепей радиоэлектронных устройств от мощных электромагнитных излучений.

В случае использования прибора в качестве датчика магнитного поля в цепи коллекторов подключают резисторы с высоким сопротивлением, чтобы получить высокую чувствительность по напряжению. При этом ток в ленте I_t может быть небольшим, что особенно важно при использовании автономных источников питания датчиков магнитного поля, а также в энергосберегающих устройствах.

Частотные свойства прибора зависят от времени перехода электронов из ленты в коллектор, поэтому металлическая лента и p-области должны быть очень тонкими, причем в каждой p-области целесообразно сформировать внутреннее ускоряющее электрическое поле, для этого концентрация легирующей акцепторной примеси вблизи ленты должна быть выше, чем около n-области. Кроме того, величина дрейфовой скорости электронов V_др в ленте и значение продольной составляющей магнитного поля Hz также влияют на частотные свойства, так как при увеличении V_др и H_Z электроны сильнее отклоняются, их поперечная скорость увеличивается и они быстрее достигают коллекторного перехода.

Предлагаемый металлополупроводниковый прибор, в котором ток проходит по тонкой металлической ленте, а управление величиной тока коллекторов осуществляется с помощью внешнего поперечного магнитного поля, позволяет получить заявленный технический результат.

На фигуре 1 изображены возможный вариант прибора в плане и его продольное и поперечное сечения, где 1 - подложка, 2 - металлическая лента, на которой сформированы области 3 и 4 с p-типом проводимости (p-области) и области 5 и 6 с n-типом проводимости (n-области). Между p- и n-областями сформированы выпрямляющие контакты (p-n-переходы). Контакты между лентой и p-областями омические. Для получения омических контактов с выводами коллекторов 7 и 8 сформированы области 9 и 10 с n⁺-типом проводимости. По краям ленты 2 расположены токовые контакты К1-11 и К2-12.

Прибор работает следующим образом. На контакт К1 подают положительное напряжение U_t относительно контакта К2. На коллекторы подают также положительное напряжение U₀ относительно контакта К2, которое может быть значительно больше U_t. При отсутствии магнитного поля ток I_t в ленте протекает от контакта К1 к контакту К2. Токи коллекторов в этом случае определяются обратными токами p-n-переходов и будут минимальными. При воздействии магнитного поля, направленного параллельно металлической ленте и перпендикулярно к току I_t в ленте, электроны будут отклоняться и попадут в p-область, затем в ускоряющее поле p-n-перехода, увеличивая соответствующий ток коллектора. Если изменить направление магнитного поля, то электроны будут отклоняться в противоположном направлении и ток другого коллектора станет увеличиваться. Величина тока каждого коллектора определяется значениями магнитной индукции и тока в ленте I_t. Металлическая лента может иметь небольшое сопротивление, поэтому потери при протекании тока I_t могут быть незначительными, что позволит повысить КПД усилителя мощности.

В частном случае при использовании прибора в качестве датчика магнитного поля можно использовать один источник питания с напряжением U₀. Ограничить величину тока I_t в этом случае можно с помощью дополнительного ограничительного сопротивления в цепи I_t между лентой и источником питания.

Прибор может быть изготовлен из материалов, обычно используемых при производстве полупроводниковых приборов. Например, металлическая лента может быть выполнена из алюминия {Al), меди (Cu), серебра (Ag), золота (Au) и других материалов, а p- и n-области - из кремния (Si) или арсенид-галлия (GaAs). Металлическая лента в магнитном поле не должна намагничиваться, так как процесс перемагничивания инерционный и при этом будут ухудшаться частотные свойства прибора.

Для получения омического контакта между лентой и p-областями могут быть применены следующие основные приемы [3, с. 190-191]:

- использование металла с работой выхода электронов больше, чем работа выхода из p-области;

- создание очень тонкого слоя сильно легированного полупроводника с P⁺-типом проводимости непосредственно у границы с металлом.

Кроме того, могут быть использованы и буферные слои между лентой и p-областями, например из золота (Au), для уменьшения сопротивления ленты, а также для уменьшения механических напряжений в электрическом переходе.

Предлагаемый металлополупроводниковый прибор позволит увеличить:

- выходную мощность усилителя;

- магнитную чувствительность по напряжению при использовании прибора в качестве датчика магнитного поля.

Изобретение относится к области магнитоэлектроники, а именно к преобразователям магнитного поля в электрический сигнал, и может быть использовано в различных электронных устройствах, предназначенных для усиления и генерации электрических сигналов, кроме того, может использоваться для защиты входных цепей радиоэлектронной аппаратуры от мощных электромагнитных излучений, а также в контрольно-измерительной технике как датчик магнитной индукции. Управление величиной тока в предлагаемом металлополупроводниковом приборе осуществляется с помощью внешнего поперечного переменного или постоянного магнитного поля. Прибор содержит тонкую металлическую ленту, по которой проходит постоянный ток. На верхней и нижней поверхностях ленты размещены p- и n-области, причем между лентой и p-областями сформированы омические контакты, а n-области являются коллекторами, на которые подается обратное напряжение. При воздействии поперечного магнитного поля образуются управляемые токи коллекторов, зависящие от направления и величины магнитного поля. Предлагаемый металлополупроводниковый прибор позволит увеличить выходную мощность усилителя, а при использовании прибора в качестве датчика магнитного поля - магнитную чувствительность по напряжению. 1 ил.

Металлополупроводниковый прибор, содержащий токопроводящий слой с токовыми контактами, области с p- и n-типом проводимости, причем области с n-типом проводимости являются коллекторами в приборе, отличающийся тем, что токопроводящий слой выполнен в виде тонкой металлической ленты с токовыми контактами на ее концах, при этом области с p- и n-типом проводимости размещены на верхней и нижней поверхностях ленты, причем области с p-типом проводимости сформированы между лентой и n-областями, при этом между лентой и p-областями сформированы омические контакты, а между p- и n-областями сформированы выпрямляющие p-n-переходы.