Способ повышения быстродействия транзисторов и транзисторных интегральных схем Российский патент 2023 года по МПК H01L31/16 

Изобретение относится к области электроники и микроэлектроники, а именно к работе дискретных биполярных и полевых транзисторов, а также интегральных схем на биполярных и полевых транзисторах.

Повышение быстродействия периферийных цифровых устройств возможно с применением приборов и принципов оптоэлектроники. Из уровня техники известны следующие оптоэлектронные приборы:

1. Электроника. Энциклопедический словарь. Гл. ред. В.Г. Колесников. – М.: Сов. энциклопедия, 1991. – С. 348–351.

2. Носов Ю.Р. Оптоэлектроника. – М.: Радио и связь, 1989. – 360 с.

3. Розеншер Э., Винтер Б. Оптоэлектроника. – М.: Техносфера, 2004. – 592 с.

4. Тилл У., Лаксон Дж. Интегральные схемы. Материалы, приборы, изготовление. – М.: Мир, 1985. – 504 с

Фототранзистор и фототиристор представляют собой приборы, в которых вместо управляющих электродов используется освещение полупроводниковых слоёв. Оптотиристор отличается тем, что источник света - светодиод из GaAs — встроен в общий корпус с кремниевой тиристорной структурой. На практике широко применяются оптроны, которые состоят из излучателя и фотоприёмника в едином корпусе. Как правило, в качестве излучателя используется светодиод. Фотоприемниками служат фоторезисторы, фотодиоды, биполярные и полевые фототранзисторы, фототиристоры. Принцип работы большинства приборов оптоэлектроники заключается в преобразовании световых сигналов в электрические сигналы при отсутствии гальванической развязки в управляющей цепи. Это осуществляется за счет внутреннего фотоэффекта – при освещении полупроводниковой структуры в ней происходит генерация электрон-дырочных пар и создается управляющий фототок.

Известны различные технические решения для оптоэлектронных интегральных схем. Некоторые из них описаны в патентах JP 2007096305 A, US 9202971 B2, патент US 2018/0040597 A1, US 2018/0323873 A1. Такие интегральные микросхемы представляют собой приёмники или передатчики оптических сигналов, которые могут использоваться, например, в волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС).

В патенте US 2018/0372781 A1.предлагаются датчики напряжения и тока с использованием изолятора с оптической связью.

По своим функциям оптопары могут заменять трансформаторы.

Оптически связанный изолятор может использоваться в качестве силового затвора для снижения потребляемой мощности. Энергосбережение достигается за счет выбора фототранзисторов и регулируемых резисторов смещения, чтобы установить минимальный прямой ток фотодиода и уменьшить разряд батареи, обеспечивая при этом достаточный коэффициент усиления для оптического транзистора. Напряжение смещения может быть выбрано равной напряжению включения фотодиода. Кроме того, потребляемая мощность датчиков напряжения и тока может регулироваться путем регулировки частоты сигнала управления с помощью микроконтроллера.

Общим недостатком имеющихся оптоэлектронных приборов и интегральных схем является невозможность их применения в качестве логических элементов для создания интегральных схем цифровых устройств и микропроцессоров с высокой плотностью компоновки.

Задача повышения быстродействия чрезвычайно актуальна для цифровых устройств и микропроцессоров. Известные методы повышения быстродействия полупроводниковых приборов и интегральных схем подразделяются в основном на два типа: конструктивно-технологические и схемотехнические. Конструктивно-технологические методы включают в себя миниатюризацию активных и пассивных компонентов на чипе, уменьшение паразитных емкостей, работу в режимах с высокими значениями плотностей токов базы и коллектора или тока стока, снижение перепадов напряжений между низкими и высокими уровнями в сигналах. Схемотехнические методы позволяют для одной и той же технологической структуры чипа достичь высокоскоростной работы путём реализации тех или иных схемных решений. Здесь выделяются форсирование динамического режима с помощью корректирующих цепей, использование фиксирующих и шунтирующих диодов, нелинейной обратной связи и токовых переключателей.

Задача настоящего изобретения – применение принципов оптоэлектроники для повышения быстродействия транзисторов и интегральных схем на их основе.

Основное отличие предлагаемого способа повышения быстродействия от известных технических решений в оптоэлектронике заключается в отсутствии физических и конструктивных ограничений, связанных с гальванической развязкой в управляющих цепях. Традиционная структура биполярных и полевых транзисторов с электродами базы и затвора сохраняется.

Суть изобретения заключается в следующем. На поверхность полупроводникового кристалла транзистора или интегральной схемы в процессе его работы от излучателя падает стационарный и непрерывный поток фотонов (Фиг.1). Интенсивность этого потока может прецизионно регулироваться внешним устройством. В тонком приповерхностном слое кристалла происходит генерация неравновесных электрон-дырочных пар, увеличиваются токи основных и неосновных носителей заряда в активных областях приборных структур. По отношению к биполярному транзистору это приводит к уменьшению напряжения открывания (для кремния менее 0.6 В, для германия менее 0.3 В), росту коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером, который зависит от эффективности эмиттера, ускорению переноса неосновных носителей заряда в базе и уменьшению поверхностной рекомбинации [с.184]. В полевых транзисторах МОП и с управляющим pn-переходом непрерывное облучение фотонами снижает пороговое напряжение [с.217] и напряжение отсечки [с.250], а также увеличивает токи основных носителей заряда в каналах. При воздействии потока фотонов на биполярные или полевые интегральные схемы изменяются их статические и динамические характеристики. Уменьшение напряжений открывания или отсечки транзисторов приводит к уменьшению пороговых напряжений логических элементов и вентилей в составе интегральной схемы, сужению диапазона переключения между низкими и высокими уровнями сигналов и уменьшению потребляемой мощности. Кроме того, непрерывное воздействие потока фотонов делает транзисторы и интегральные схемы малочувствительными к внешнему радиационному воздействию. Тем самым попутно решается проблема радиационной стойкости. В целом можно сказать, что внешний излучатель создает своеобразную оптическую накачку для полупроводниковых приборов и интегральных схем. [4]

На фиг. 2-4 представлены примеры результатов исследования статических и динамических характеристик ключа на дискретном биполярном npn-транзисторе в едином корпусе с излучателем в виде «белого» SMD-светодиода. На всех графиках характеристики (а) и (б) были измерены соответственно с выключенным и включенным излучателем. Можно видеть, что действие излучателя приводит к эффективному уменьшению порога переключения, увеличению выходного тока и заметному снижению среднего времени задержки ключа. На фиг. 5 для двух разных биполярных npn-транзисторов показаны зависимости коэффициента передачи тока базы в схеме с общим эмиттером от произведения тока на напряжение в управляющей цепи, то есть фактически от потребляемой электрической мощности SMD-светодиода. Здесь обнаруживаются линейные зависимости. Можно видеть, что путём применения светодиодного излучателя можно добиться значительного (более, чем в три раза) увеличения коэффициента передачи. В качестве излучателя допустимо использовать маломощный полупроводниковый лазер, что позволит создавать направленное излучение и усилить наблюдаемые эффекты. Таким образом, имеются достаточные основания полагать, что оптимизация конструкции полупроводниковых приборов и интегральных схем с использованием предлагаемого способа может приводить к улучшению их статических и динамических характеристик.

Экспериментально выявлены два основных недостатка предлагаемого способа: 1) длительное время релаксации после выключения излучателя; 2) влияние флуктуаций параметров излучателя. Указанные недостатки частично или даже полностью устраняются конструктивно-технологическими приёмами и методами.

Технический результат заключается в повышении быстродействия полупроводниковых приборов и интегральных схем за счет включения в их конструкцию излучателя в виде светодиода или маломощного лазера. Излучатель размещается в одном корпусе вместе с функциональным кристаллом транзистора или интегральной схемы. В процессе работы на функциональный кристалл воздействует непрерывный стационарный поток фотонов, испускаемый излучателем. Внешнее излучение приводит к уменьшению напряжений открывания и увеличению коэффициентов усиления биполярных транзисторов, снижению пороговых напряжений и напряжений отсечки полевых транзисторов, увеличению быстродействия и радиационной стойкости указанных приборов и интегральных схем на их основе.

Изобретение относится к области электроники и микроэлектроники. Способ управления быстродействием транзисторов и транзисторных интегральных схем включает воздействие на полупроводниковые структуры транзисторов и транзисторных интегральных схем потока фотонов от светодиода или маломощного лазера, при этом транзисторы, транзисторные интегральные схемы, светодиод или маломощный лазер размещают в одном корпусе, а воздействие на полупроводниковые структуры транзисторов и транзисторных интегральных схем осуществляют непрерывным потоком фотонов от светодиода или маломощного лазера в процессе работы транзисторов и транзисторных интегральных схем. Технический результат заключается в повышении быстродействия полупроводниковых приборов и интегральных схем. 5 ил.

Способ управления быстродействием транзисторов и транзисторных интегральных схем, включающий воздействие на полупроводниковые структуры транзисторов и транзисторных интегральных схем потока фотонов от светодиода или маломощного лазера, при этом транзисторы, транзисторные интегральные схемы, светодиод или маломощный лазер размещают в одном корпусе, отличающийся тем, что воздействие на полупроводниковые структуры транзисторов и транзисторных интегральных схем осуществляют непрерывным потоком фотонов от светодиода или маломощного лазера в процессе работы транзисторов и транзисторных интегральных схем.