Полевой тиристор с неизолированным фоточувствительным оптическим затвором и светоизлучающим p-n-переходом Российский патент 2019 года по МПК H01L31/147 H01L31/167 

Изобретение относится к электронным компонентам микросхем.

Известен светотранзистор [1] с низким уровнем тепловыделений, светотранзистор [2] с высоким быстродействием и светотиристор [3]. Во всех этих устройствах используются биполярные полупроводниковые структуры. Для повышения быстродействия целесообразно использовать униполярные полупроводниковые структуры.

Также известен прецизионный датчик фотонов [4], у которого внутри тиристора сформирована оптическая положительная обратная связь между p-n-переходами для лавинообразного нарастания тока при попадании фотона в фоточувствительный n-p-переход. Недостатком данного устройства является меньшее быстродействие за счет прохождения электронов через p-n-переходы.

Цель изобретения – повышение быстродействия тиристора.

Это достигается тем, что в отличие от обычного полупроводникового p-n-p-n тиристора, полевой тиристор производится только из полупроводника n-типа с одним неизолированным фоточувствительным оптическим затвором на полупроводнике p-типа изготавливаемым из фоточувствительного материала (металла с малым уровнем работы выхода электронов). При попадании фотонов на фоточувствительный оптический затвор электроны приобретают энергию и могут покинуть фоточувствительный оптический затвор, придав ему положительный заряд. Это, в свою очередь, приведет к прохождению электронов от истока с отрицательным потенциалом к стоку с положительным потенциалом, а также в сторону фоточувствительного оптического затвора через светоизлучающий p-n-переход, что вызовет генерацию фотонов. Попадание этих фотонов на фоточувствительный оптический затвор приведет к еще большему выходу электронов и увеличению на нем положительного потенциала. В результате полевой тиристор полностью будет открыт и через него будет течь максимально допустимый ток.

На фиг. 1 изображена схема полевого тиристора с неизолированным фоточувствительным оптическим затвором и светоизлучающим p-n-переходом.

Тиристор работает следующим образом: через полупроводниковый кристалл n-типа 1 со светоизлучающим p-n-переходом 6 протекает поток электронов от истока 3 с отрицательным потенциалом к стоку 4 с положительным потенциалом под действием приложенной разности потенциалов. Исток 3 с отрицательным потенциалом и сток 4 с положительным потенциалом выполнены в виде металлических электродов с зеркальными поверхностями. В зависимости от заряда на фоточувствительном оптическом затворе 2, находящимся на полупроводнике p-типа 5, величина запрещенной зоны в полупроводниковом кристалле n-типа 1 на светоизлучающем p-n-переходе 6 будет различной. В начальный момент времени на затвор 2 через резистор 8 поступает отрицательный потенциал от источника питания, который создает запирает полевой тиристор. При попадании фотона на затвор 2 электроны приобретут энергию достаточную для покидания поверхности электрода, что придаст ему положительный потенциал для открывания полевого тиристора. Чем больше положительный потенциал на фоточувствительном оптическом затворе 2, тем больший поток электронов будет проходить от истока 3 с отрицательным потенциалом к стоку 4 с положительным потенциалом. Некоторая часть электронов от истока 3 с отрицательным потенциалом будет проходить через светоизлучающий p-n-переход 6 к фоточувствительному оптическому затвору 2. Это приведет к генерации фотонов часть из которых попадет на фоточувствительный оптический затвор 2 сразу, а оставшаяся часть, после отражения от зеркальных поверхностей металлических электродов - исток 3 с отрицательным потенциалом, сток 4 с положительным потенциалом и зеркальной поверхности 7, также попадет на фоточувствительный оптический затвор 2. В результате фоточувствительный оптический затвор 2 потеряет электроны и приобретет больший положительный потенциал. Это, в свою очередь, увеличит поток электронов через полевой тиристор и еще больше усилит генерацию фотонов на светоизлучающем p-n-переходе 6. Такая положительная обратная связь в полевом тиристоре приведет к лавинообразному нарастанию величины тока и полному открываю тиристора с высоким быстродействием за счет того, что потенциалом на затворе управляют не электроны, а фотоны, имеющие максимально возможную скорость. Для возвращения полевого тиристора в исходное закрытое состояние необходимо на короткое время отключить на нем питание, как и на обычном биполярном тиристоре.

В качестве материалов для изготовления полевого тиристора с неизолированным фоточувствительным оптическим затвором и светоизлучающим p-n-переходом могут быть использованы любые материалы, традиционно используемые при изготовлении светодиодов, а именно фосфид галлия (GaP), нитрид галлия (GaN), карбид кремния (SiC).

Разработанный полевой тиристор является логическим продолжением развития светодиодных и светотранзисторных электронных компонентов и имеет широкие перспективы для применения в сверхбольших интегральных схемах.

Литература

1. Патент РФ на изобретение №2487436. Светотранзистор / Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М., Нежведилов Т.Д., Челушкина Т.А., опубл. 10.07.2013.

2. Патент РФ на изобретение № 2507632. Светотранзистор с высоким быстродействием / Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Нежведилов Т.Д., Юсуфов Ш.А. Опубл. 20.02.2014.

3. Патент РФ № 2562744. Светотиристор / Исмаилов Т.А., Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М., Челушкина Т.А., Челушкин Д.А. Опубл. 10.09.2015.

4. Патент РФ № 2673987. Прецизионный датчик фотонов на полупроводниковом тиристоре с одним фоточувствительным n-p-переходом и двумя излучающими p-n-переходами / Гаджиев Х.М., Гаджиева С.М., Иванченко А.А., Челушкина Т.А., Козлов В.В., Михайлов А.К. Опубл. 03.12.2018. Бюл. №34.

Изобретение относится к электронным компонентам микросхем. Полевой тиристор выполнен из полупроводника n-типа с одним неизолированным фоточувствительным оптическим затвором на фоточувствительном полупроводнике p-типа. При попадании фотонов на фоточувствительный оптический затвор электроны приобретают энергию и могут покинуть фоточувствительный оптический затвор, придав ему положительный заряд. Это, в свою очередь, приведет к прохождению электронов от истока с отрицательным потенциалом к стоку с положительным потенциалом, а также в сторону фоточувствительного оптического затвора через светоизлучающий p-n-переход, что вызовет генерацию фотонов. Попадание этих фотонов на фоточувствительный оптический затвор приведет к еще большему выходу электронов и увеличению на нем положительного потенциала. В результате полевой тиристор полностью будет открыт и через него будет течь максимально допустимый ток. Изобретение обеспечивает повышение быстродействия тиристора. 1 ил.

Полевой тиристор с неизолированным фоточувствительным оптическим затвором и светоизлучающим p-n-переходом, выполненный в виде полупроводникового прибора, отличающийся тем, что полевой тиристор производится только из полупроводника n-типа с одним неизолированным фоточувствительным оптическим затвором на полупроводнике p-типа, изготавливаемым из фоточувствительного материала.