ТРАНЗИСТОР С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ БАЗОЙ Российский патент 2016 года по МПК H01L29/00 

Изобретение относится к области полупроводниковой микро- и наноэлектроники, а именно к транзисторам, содержащим эмиттер, базу из материала с металлической проводимостью и коллектор, и может быть использовано в различных электронных устройствах и интегральных схемах, предназначенных для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.

Транзистор с металлической базой (ТМБ) является униполярным транзистором, так как в нем в качестве носителей заряда используются только электроны [1, 2]. Благодаря возможности значительного уменьшения толщины базы движение электронов в ней носит баллистический характер без процессов рекомбинации, что уменьшает шумы в транзисторе. Кроме того, вследствие небольшого удельного сопротивления металла поперечное сопротивление металлической базы значительно меньше, чем в обычных биполярных транзисторах, поэтому частотные свойства ТМБ улучшаются. Использование металлической базы также улучшает радиационную стойкость и уменьшает мощность рассеяния в транзисторе.

Однако у ТМБ статический коэффициент передачи тока эмиттера в схеме с общей базой α небольшой и находится в пределах 0,3-0,6, что является существенным недостатком таких транзисторов. Для устранения этого недостатка в [2] предложена конструкция ТМБ, содержащая эмиттерный переход, базу из материала с металлической проводимостью и коллектор из полупроводникового материала, причем эмиттерный переход выполнен в виде туннельного перехода проводник-диэлектрик, при этом диэлектрик расположен между эмиттером и базой. На эмиттерный переход подают прямое напряжение, величина которого достаточна для того, чтобы сообщить инжектируемым электронам энергию, необходимую для ионизации материала коллектора и образования там электронно-дырочных пар, что приводит к увеличению тока коллектора и, следовательно, коэффициента передачи α. Однако процесс ионизации материала в коллекторе увеличивает коэффициент шума и ухудшает частотные свойства транзистора.

Наиболее близким к заявленному прибору, выбранному в качестве прототипа, является прибор, описанный в [1]. Прототип содержит эмиттер, выполненный из кремния с n-типом проводимости, базу из дисилицида кобальта (CoSi₂) с металлической проводимостью и коллектор из кремния с более высоким уровнем легирования, чем эмиттер. Применение дисилицида кобальта в качестве базы вместо, например, вольфрама (W) или золота (Аu) упрощает технологический процесс изготовления ТМБ, однако не устраняет основной недостаток, связанный с небольшим значением α (α≅0,6).

Техническим результатом предлагаемого изобретения является увеличение статического коэффициента передачи тока эмиттера в схеме с общей базой α до значений больше 0,95 при сохранении преимуществ, связанных с использованием базы с металлической проводимостью.

Сущность изобретения заключается в том, что в транзисторе, содержащем эмиттер с n⁺-типом проводимости, базу из материала с металлической проводимостью и коллектор с n-типом проводимости (n-область), между базой и коллектором размещен тонкий буферный слой из полупроводникового материала с р-типом проводимости (р-область). Между эмиттером и базой формируют барьер Шотки, а между базой и р-областью - омический контакт. Коллектор отделен от базы p-n-переходом. Инжектированные из эмиттера электроны баллистически пролетают тонкую базу, затем проходят без отражений омический контакт, р-область, далее попадают в ускоряющее поле p-n-перехода, и будет появляться управляемый ток коллектора. Предлагаемый транзистор также является униполярным, так как в нем носителями заряда являются только электроны.

Известно, что частотные свойства транзистора зависят от времени перехода электронов из эмиттера в коллектор, поэтому металлическая база и р-область должны быть очень тонкими, причем в р-области целесообразно сформировать ускоряющее для электронов внутреннее электрическое поле, для этого концентрация легирующей акцепторной примеси вблизи базы должна быть выше, чем около коллектора с n-типом проводимости.

Предлагаемый транзистор с металлической базой, в котором между базой и коллектором сформирован буферный слой с р-типом проводимости, благодаря чему устранен отражающий барьер Шотки между базой и коллектором в прототипе, позволяет получить заявленный технический результат.

На чертеже изображены возможный вариант транзистора в плане и его поперечное сечение, где 1 - база из материала с металлической проводимостью, 2 - буферный слой из полупроводникового материала с р-типом проводимости, 3 - коллектор из полупроводникового материала с n-типом проводимости. Между базой и р-областью осуществлен омический контакт, а между р- и n-областями сформирован выпрямляющий контакт (р-n-переход), 4 и 5 - обедненные области (области пространственного заряда) в р- и n-областях соответственно. Для получения омического контакта с выводом коллектора 6 сформирована область 7 с n⁺-типом проводимости. Эмиттер 8 с n⁺-типом проводимости размещен на базе 1, 9 - вывод эмиттера, 10 - вывод базы. Между эмиттером и базой сформирован барьер Шотки.

Прибор работает аналогично обычному биполярному транзистору. В схеме с общей базой на эмиттер подают отрицательное напряжение U_ЭБ относительно базы, на коллектор подают положительное напряжение U_КБ также относительно базы. Напряжение U_ЭБ смещает эмиттерный переход (барьер Шотки) в прямом направлении, что приводит к инжекции электронов из эмиттера в базу, а напряжение U_КБ является обратным для коллекторного перехода (p-n-переход). Инжектированные из эмиттера электроны баллистически пролетают тонкую базу, затем проходят буферный слой из полупроводникового материала с р-типом проводимости, далее попадают в ускоряющее поле p-n-перехода, и будет появляться управляемый ток коллектора.

В предлагаемом приборе значение коэффициента передачи тока эмиттера α может быть больше, чем в обычных биполярных транзисторах, так как в приборе отсутствует дырочная составляющая тока эмиттера. Для уменьшения времени пролета электронов через р-область необходимо толщину р-области уменьшать, при этом ток рекомбинации электронов и дырок в ней будет также уменьшаться, что приведет к увеличению α. Кроме того, в р-области можно создать ускоряющее внутреннее электрическое поле, тогда будет уменьшаться время пролета электронов через область и, следовательно, ток рекомбинации, а значение коэффициента передачи тока эмиттера α будет увеличиваться.

Прибор может быть изготовлен из материалов, обычно используемых в полупроводниковой электронике, например кремния, полупроводниковых материалов группы A^III В^V в качестве эмиттера, р-области и коллектора, а в качестве базы - дисилицида кобальта (CoSi₂), алюминия (Аl), вольфрама (W) и других материалов, позволяющих сформировать барьер Шотки с эмиттером и омический контакт с р-областью.

Предлагаемый транзистор с металлической базой позволит увеличить значение статического коэффициента передачи тока эмиттера α и улучшить усилительные свойства прибора.

Источники информации

1. Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. - М.: Радио и связь, 1990. - С. 246-248.

2. Грехов И.В. Транзистор. Патент № RU 2062531, С1, МПК: H01L 29/73, заявл. 06.04.1992, опубл. 20.06.1996.

Использование: для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов. Сущность изобретения заключается в том, что транзистор с металлической базой, содержащий эмиттер, базу из материала с металлической проводимостью и коллектор, при этом между эмиттером и базой сформирован барьер Шотки, эмиттер выполнен из полупроводникового материала с n⁺-типом проводимости, коллектор - из материала с n-типом проводимости, причем между базой и коллектором размещен тонкий буферный слой из материала с p-типом проводимости, при этом между базой и буферным слоем сформирован омический контакт, а между буферным слоем и коллектором - p-n-переход. Технический результат: обеспечение возможности увеличения статического коэффициента передачи тока эмиттера в схеме с общей базой. 1 ил.

Транзистор с металлической базой, содержащий эмиттер, базу из материала с металлической проводимостью и коллектор, при этом между эмиттером и базой сформирован барьер Шотки, отличающийся тем, что эмиттер выполнен из полупроводникового материала с n⁺-типом проводимости, коллектор - из материала с n-типом проводимости, причем между базой и коллектором размещен тонкий буферный слой из материала с p-типом проводимости, при этом между базой и буферным слоем сформирован омический контакт, а между буферным слоем и коллектором - p-n-переход.