РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫЙ ТРАНЗИСТОР Советский патент 1995 года по МПК H01L29/73 

Изобретение относится к области электроники и может быть использовано в вычислительной технике и технике СВЧ.

Целью изобретения является повышение быстродействия транзистора.

На фиг. 1 изображена структура резонансно-туннельного транзистора; на фиг.2 энергетическая диаграмма зоны проводимости для случая, когда основными носителями заряда, инжектированными из эмиттера, являются электроны, где уровень энергии, соответствующий дну зоны проводимости, ε_с, уровень Ферми -ε _F, дискретный уровень в квантовой яме ε_о.

Транзистор содержит электрод эмиттера 1, электрод базы 2, контактный эмиттерный слой 3 сильнолегированного узкозонного материала толщиной d₃, нелегированный барьерный слой 4 одного широкозонного материала толщиной d₄, слой 5 узкозонного материала, образующего потенциальную яму, толщиной d₅, нелегированный барьерный слой 6 другого широкозонного материала толщиной d₆, нелегированный слой 7 третьего широкозонного материала толщиной d₇, базовый слой 8 узкозонного материала толщиной d₈, коллекторный барьер из широкозонного материала 9 толщиной d₉, сильнолегированный коллекторный слой 10 узкозонного материала толщиной d₁₀, металлический электрод 11 коллектора.

Структура резонансно-туннельного транзистора обеспечивает уменьшение ширины резонансных пичков на вольт-амперной характеристике. Механизм формирования узкого пичка определяется следующими конструктивными признаками. Толщина d₇ барьерного слоя 7 выбирается большей толщины d₄, так, чтобы его проницаемость для электронов с энергией ε< ε₇ была пренебрежимо мала по сравнению с проницаемостью барьера слой 6 для электронов с энергией ε > ε₇. Материал слоя 7, образующего барьер, выбирается таким, чтобы высота этого барьера Δ ε₇ удовлетворяла соотношению
ε_o-ε_F< (Δε₇-ε_o) < ε_o, где ε_о равновесное положение резонансного энергетического уровня в квантовой яме;
ε_F энергия Ферми электронов в эмиттерном слое.

При выполнении этого условия резонансное туннелирование электронов начинается при большем значении разности потенциалов, приложенной к гетероструктуре. Задержка начала резонансного туннелирования обуславливает уменьшение ширины пичка тока на вольт-амперной характеристике. Изменение ширины пичка тока осуществляется изменением высоты Δ ε₇ путем выбора материала слоя 7 или изменением положения резонансного уровня ε _о путем, например, изменения толщины слоя 5.

Конструкция данного резонансно-туннельного транзистора позволяет в широких пределах изменять ширину пичка тока без заметного изменения максимального значения тока и получать значительно более узкие пички и, следовательно, увеличить частоту их следования, что в конечном счете ведет к увеличению частоты и повышению быстродействия устройств на его основе. Одновременно расширяются и функциональные возможности этих устройств, поскольку сужение пичков позволяет увеличить их число на вольт-амперной характеристике и создавать устройства многозначной логики.

Аналогично путем введения дополнительного слоя широкозонного материала в квантовую гетероструктуру со стороны базы или как со стороны базы, так и со стороны эмиттера может быть уменьшена ширина пичка.

П р и м е р. Резонансно-туннельный транзистор может быть изготовлен на основе арсенида галлия n-типа и нелегированных твердых растворов Al_xGa_1-xAs с различным содержанием алюминия Х в различных барьерных слоях. Слой 3 может быть выполнен из арсенида галлия с концентрацией активных доноров не менее 1^. 10¹⁸ см^-3 и толщиной d₃ ≥0,3 мкм. Слой 4 может быть выполнен толщиной d₄= 4 Нм из нелегированного Al_0,36Ga_0,65As. Слой 8 толщиной d₈=25 Нм может быть выполнен из арсенида галлия. Концентрация свободных электронов в нем, превышающая 3 ^.10¹⁸ см^-3, обеспечивается введением тонкой ( ≈5 Нм) сильнолегированной кремниевой прослойки арсенида галлия с концентрацией атомов кремния (1,5. 2) ^.10¹⁹ см^-3. Коллекторный барьер 9 толщиной d₉=300 Нм выполнен из нелегированного Al_0,16Ga_0,84As. Слой 10 выполнен из арсенида галлия толщиной d₁₀=100 мкм.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в вычислительной технике и технике СВЧ. Цель изобретения увеличение быстродействия достигается тем, что по крайней мере один из потенциальных барьеров квантовой гетероструктуры, а именно барьер, ограничивающий потенциальную яму со стороны базового слоя, выполнен из двух слоев полупроводниковых материалов, различающихся значениями ширины запрещенной зоны, которое для слоя, примыкающего к базовому, является промежуточным между значениями ширины запрещенной зоны слоя узкозонного материала, образующего потенциальную яму, и примыкающего к нему барьерного слоя. 2 ил.

РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНЫЙ ТРАНЗИСТОР, содержащий между полупроводниковыми слоями эмиттера и базы многослойную квантовую гетероструктуру из материалов с различными значениями ширины запрещенной зоны, включающую слой узкозонного материала, образующего квантовую яму для носителей заряда, ограниченную с двух сторон потенциальными барьерами, образованными слоями широкозонных материалов, отличающийся тем, что с целью повышения быстродействия транзистора, по крайней мере один из потенциальных барьеров, ограничивающих потенциальную яму со стороны базы, выполнен многослойным из полупроводниковых материалов, различающихся значениями скачка потенциалов для основных носителей заряда на гетерограницах между слоями этих материалов и узкозонным слоем, образующим потенциальную яму, причем для слоя, примыкающего к базе, упомянутый скачок потенциала меньше, чем для слоя, примыкающего к потенциальной яме, и определяется соотношением

где Δε скачок потенциала для слоя, примыкающего к базе;
e_F энергия Ферми носителей заряда в эмиттере;
ε_o резонансное значение поперечной энергии носителей заряда в квантовой яме;
d_Б1, d_Б2 толщина барьерных слоев, примыкающих к квантовой яме;
d_я толщина слоя узкозонного материала.