Полупроводниковая структура и способ управления проводимостью полупроводниковой структуры Советский патент 1992 года по МПК H01L29/06 

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в полупроводниковых датчиках различных физических величин и других полупроводниковых приборах с частотно-импульсным выходным сигналом.

Известны полупроводниковые структуры с р-п-переходом и способ управления их проводимостью магнитным полем. Изменение проводимости под действием магнитного поля приводит к изменению тока через такие структуры, измеряя который определяют величину магнитного поля.

Недостатком таких структур и способа управления их проводимостью является получение аналогового выходного сигнала,

как правило, небольшой амплитуды, имеющего низкую помехоустойчивость и требующего дальнейшей обработки,

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой является p-n-структура, в которую введена глубокая энергетическая примесь, и выполненный на ее основе магнитоди- од. Эта структура выполнена из высокоомного кремния, компенсированного иридием. p-n-переход создан вплавлением золота с сурьмой. Контакты pacпqлoжeны на разных сторонах кремниевой структуры. Структура имеет S-образную вольт-амперную характеристику, рабочим участком которой является участок, следующий за участком с отрицательным дифференциальным сопроvjсо ю

-N О

ю

тивлением. Проводимостью структуры управляют поперечным магнитным полем, величину которого определяют по изменению тока в цепи. Такая структура имеет достаточно высокую чувствительность, выходной сигнал не всегда требует усиления.

Недостатком данной структуры является аналоговый вид выходного сигнала и, как следствие, низкая помехоустойчивость и точность измерений, сложность последующей обработки сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, управления проводимостью полупроводниковой структуры, при котором в полупроводниковой структуре, один из электродов которой выполнен в виде равнобедренного треугольника, формируют шнур тока и воздействуют на него магнитным полем. Под действием магнитного поля шнур, как правило, возникающий в центральной части базы против вершины треугольника, отклоняется на некоторую величину от места своего возникновения. Отклонение шнура тока сопровождается увеличением длины базовой области, тем самым наряду с отклонением носителей происходит удлинение базы и проводимость уменьшается.

К недостаткам данного способа следует отнести, помимо аналогового вида выходного сигнала, сложность реализации исходной структуры, связанную с необходимостью выполнения электрода в виде равнобедренного треугольника, что не всегда можно осуществить.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей структуры.

Постазленная цель достигается тем, что в полупроводниковой структуре из материала, легированного примесью первого типа проводимости с концентрацией NI, в которой сформирован p-n-переход введением примеси второго типа проводимости с концентрацией N2, причем примесь первого типа проводимости скомпенсирована третьей примесью с образованием глубоких энергетических уровней и содержащая электроды, концентрации примесей NI и N2 находятся в соотношении

NiV N2V,

где V - полный объем структуры;

V2 - объем части структуры, легированной примесью второго типа проводимости.

При этом полупроводниковым материалом является кремний, примесью первого типа проводимости является фосфор, примесью второго типа проводимости является алюминий, а третьей примесью - золото.

Поставленная цель согласно способу управления проводимостью полупроводниковой структуры достигается тем, что электроды структуры подключают к источнику

постоянного напряжения в прямом направлении и увеличивают напряжение до формирования шнура тока в структуре, а затем вызывают периодические изменения тока через электроды структуры, частотой пери0 одических изменений тока управляют внешним воздействием, прикладываемым к p-n-переходу. При этом периодические изменения тока через электроды структуры вызывают путем либо увеличения напряжения, приложенного к электродам структуры

5 со сформированным шнуром тока, либо путем внешнего воздействия, прикладываемого к структуре со сформированным шнуром тока. При этом в качестве внешнего воздействия используют либо магнитное

0 поле, ориентированное параллельно р-п- переходу, либо механическое усилие; которое прикладывают к полупроводниковой структуре перпендикулярно р-п-переходу, либо оптическое излучение, направленное в

5 область p-n-перехода, либо тепловое воздействие, которому подвергают полупроводниковую структуру, либо одновременно по меньшей мере два типа воздействия, причем воздействием одного типа вызывают перио0 дические изменения тока через электроды структуры, а воздействием других типов управляют частотой этих изменений.

На фиг,1 приведена схема включения полупроводниковой структуры; на фиг.2 5 вольт-амперная характеристика полупроводниковой структуры; на фиг.З - направление воздействия магнитного поля на полупроводниковую структуру; на фиг.4 - направление воздействия механического

0 усилия на полупроводниковую структуру; на фиг.5 - направление воздействия оптического излучения на полупроводниковую структуру.

Физические процессы, происходящие в

5 структуре, рассмотрим на примере конкретной полупроводниковой структуры.

Полупроводниковую структуру выполняют из кремния, который легируют фосфором. Фосфор в кремнии является донорной

0 примесью, т.е. он отдает электроны и таким образом создает n-тип проводимости (п-об- ласть). При этом основными носителями в n-области структуры являются электроны, концентрация которых определяется кон5 центрацией примеси фосфора. Для создания p-n-перехода в структуру вводят алюминий. Алюминий в кремнии является акцепторной примесью, т.е. он отбирает электроны и таким образом создает р-тип

проводимости (р-область). При этом основными носителями в р-области структуры являются дырки, концентрация которых определяется концентрацией алюминия.

Примесь фосфора компенсируют глубокой примесью - золотом, при этом свободные электроны переходят на глубокие энергетические уровни золота и их концентрация в n-области становится практически равной собственной концентрации носителей в кремнии.

В исходном состоянии при температуре, отличной от температуры абсолютного нуля, можно считать, что концентрация основных носителей - дырок в р-области намного превышает концентрацию основных носителей - электронов в n-области, так как электроны, в основном, находятся на глубоких энергетических уровнях золота. Сопротивление структуры главным образом определяется сопротивлением компенсированной n-области, проводимость которой близка к собственной.

Рассмотрим вольт-амперную характеристику структуры при включении р-п-пере- хода в прямом направлении (р-область подключается к положительной клемме источника постоянного напряжения).

Полупроводниковую структуру 1 (фиг.1) включают в цепь источника 2 постоянного напряжения через нагрузочный резистор 3, который служит для ограничения тока и съема выходного сигнала.

На начальном участке вольт-амперной характеристики (фиг.2, отрезок ОА) сопротивление полупроводниковой структуры 1 велико и ток через нее мал. При увеличении питающего напряжения ток монотонно возрастает. Напряжение, приложенное к структуре 1, в основном падает на высокоомной n-области. В некоторый момент времени напряжение достигает значения критического напряжения UK, при котором напряженность электрического поля в структуре 1 вырастает до величины, соответствующей энергии активации носителей тока (электронов), находящихся на уровнях компенсирующей примеси. Вследствие того, что в структуре 1 из-за неравномерности распределения легирующих примесей, наличия дефектов и дислокаций всегда имеются участки, в которых энергетический разогрев носителей тока в результате роста напряженности поля достигается при меньших значениях UK, чем в остальном объеме, происходит локальный пробой структуры. Т.е. возникает участок, на котором носители тока, находящиеся на глубоком энергетическом уровне компенсации, переходят в зону проводимости. При этом происходит резкое

увеличение проводимости данного участка. Начинается процесс формирования шнура тока. При этом в структуре нарушается равновесное состояние, возникает градиент концентрации электронов и диффузионный

поток для его устранения. Дальнейшее развитие процесса определяется соотношением между примесями в структуре.

Если концентрации примесей NI и N2 находятся в таком соотношении, что NiV

0 №V2, то количество электронов, вышедших при пробое с глубоких уровней золота, меньше количества дырок, созданных примесью алюминия и при достижении напряжения на структуре UK, вышедшие с

5 уровней золота электроны быстро рекомби- нируют с дырками. Шнур тока не образуется.

Если N1V NaVa, то тогда при достижении напряжения на структуре UK, начавший0 ся в структуре процесс формирования шнура тока продолжается. По завершении этого процесса ток через структуру скачком возрастает, напряжение на структуре падает (фиг.2, отрезок ВС). Причем по сечению

5 структуры плотность тока не одинакова: в зоне шнура она значительно больше, чем в других сечениях. При увеличении напряжения питания происходит рост диффузионного потока дырок к границам шнура

0 Рекомбинация с носителями тока (электронами) в шнуре увеличивается, ток шнура уменьшается, напряжение на структуре увеличивается, начинается процесс разрушения шнура тока. Однако при этом

5 напряжение на структуре увеличивается и при достижении некоторого значения напряжения Ui (фиг.2) процесс разрушения шнура тока (у его границ) приостанавливается, рекомбинировавшие электроны вновь

0 активируются полем при напряжении на структуре Ui, начинается новый процесс ударной ионизации и шнур тока расширяется до первоначального значения. При дальнейшем увеличении напряжения питания

5 (тока) происходит расширение шнура тока (в основном в n-области), подходящих к границам шнура дырок становится недостаточно для разрушения шнура тока и колебания тока прекращаются. Таким образом, в полу0 проводниковой структуре с указанным соот- ношением примесей при достижении значения напряжения UK образуется шнур тока. При определенном значении напряжения питания возникает периодическое из5 менение тока через электроды структуры, вызванное колебаниями шнура тока.

Рассмотрим структуру, в которой возникли периодические изменения тока. При приложении к такой структуре магнитного

поля, ориентированного перпендикулярно шнуру 4 тока, на носители тока (электроны и дырки) в шнуре и вне шнура действует сила Лоренца Рл(фиг.З). Под действием этой силы происходит отклонение носителей от первоначального направления движения. При этом, так как подвижность электронов выше, чем подвижность дырок, то первые отклоняются на большую величину. Это приводит к тому, что в области шнура тока нарушается равновесие между дырками и электронами, дырок становится больше и шнур тока разрушается быстрее.

Сопротивление структуры увеличивается, напряжение на структуре возрастает. При достижении напряжением на структуре значения 1Н происходит следующий процесс ионизации электронов, вернувшихся на глубокие энергетические уровни золота, и процесс повторяется, Таким образом, при- кладываемое магнитное поле увеличивает скорость разрушения шнура тока, тем самым увеличивая частоту изменения проводимости полупроводниковой структуры. На выходе структуры формируется частотно- импульсный сигнал, частота которого пропорциональна величине магнитного поля В.

Если в структуре, в которой возникли периодические изменения тока, приложить в область локализации шнура тока 4 в качестве внешнего воздействия механическое усилие, то это приведет к изменению подвижности электронов и дырок в этой области, изменению скорости рекомбинации (фиг.4). Следовательно, при этом частота изменения проводимости структуры также станет отличной от первоначальной и на выходе структуры частота сигнала будет определяться величиной внешнего механического уси- лия Р.

Если структуру с периодическими изменениями тока подвергнуть воздействию оптического излучения (внешнее воздействие), направленного в область локализации шнура тока, то это приведет к изменению концентрации носителей в этой области (фиг.5). При этом изменится скорость разрушения шнура 4 тока, скорость изменения проводимости и, следовательно, частота выходного сигнала пропорциональны интенсивности излучения е.

Если структуру с периодическими изменениями тока подвергнуть тепловому воздействию (внешнее воздействие), то это приведет к увеличению энергии как свободных носителей, так и находящихся на глубоких энергетических уровнях золота, перейдет в зону проводимости и увеличит ток в шнуре (происходит расширение шну-

ра). Причем чем сильнее тепловое воздействие, тем больше расширение шнура. Это приводит к тому, что время процесса рекомбинации у границ шнура возрастает. Скорость изменения проводимости и, следовательно, частота выходного сигнала уменьшаются пропорционально величине теплового воздействия.

Таким образом, если в описанной структуре концентрации примесей выбраны из условия NiV NaV2, то в ней при определенном напряжении питания возникает осциллирующий шнур тока, проводимость которого периодически изменяется. Причем частотой изменения проводимости можно управлять путем приложения к структуре внешнего воздействия: магнитного поля, механического усилия, оптического излучения, теплового воздействия. Дальнейшее увеличение напряжения питания приводит к срыву колебаний, шнур тока становится устойчивым. Ток через структуру не изменяется.

При приложении к такой структуре магнитного поля,ориентированного перпендикулярно шнуру тока, как и в рассмотренном примере с колебаниями шнура тока, носители тока отклоняются от первоначального направления дрейфа (фиг.З). При этом чем сильнее магнитное поле, тем сильнее отклонение носителей. В шнуре 4 тока увеличивается рекомбинационный процесс. При некотором значении Вт величины магнитного поля количество дырок, подошедших к шнуру, становится равным числу электронов в нем. При этом шнур начинает разрушаться и возникает процесс, аналогичный описанному процессу, т.е. под действием магнитного поля возникают колебания шнура тока в структуре, приводящие к периодическому изменению ее проводимости и появлению на выходе частотно-импульсного сигнала, частота которого пропорциональна величине магнитного поля. Величина Bi магнитного поля, при которой начинаются колебания шнура тока, зависит от того, насколько количество электронов, активированных с глубоких энергетических уровней золота, превышает количество дырок, участвующих в рекомбинации.

Если теперь к этой структуре приложить механическое усилие (внешнее воздействие) в область локализации шнура тока, как показано на фиг.4, то из-за искривления энергетических зон энергии активации глубокой энергетической примеси золота в центре шнура тока и у его границ станут различными. В центре шнура тока энергия уменьшится, у границ увеличивается. Это

приводит к тому, что часть свободных электронов у границ осядет на уровне золота.

Чем сильнее механическое усилие, тем больше количество таких электронов. Если механическое усилие имеет величину, при которой количество электронов становится равным числу дырок, то у стенок начинается процесс уменьшения проводимости шнура тока и возникают колебания тока в структуре, аналогичные описанным. Частота колебаний и, следовательно, частота выходного сигнала пропорциональны величине прикладываемого механического усилия.

Рассмотрим еще один вариант приложения внешнего воздействия к такой структуре, в качестве которого используют оптическое излучение. Воздействие на полупроводниковую структуру оптического из- лучения, направленного в область локализации шнура тока (фиг.5), интенсивность Б которого достаточна для перевода электронов из валентной зоны на глубокие энергетические уровни золота, приводит к увеличению концентрации дырок в зоне шнура тока. Когда количество этих дырок сравняется с количеством электронов, в структуре возникнут периодические изменения проводимости шнура тока. Чем больше интенсивность оптического излучения е, тем быстрее будет разрушаться шнур и тем выше частота периодических изменений тока в структуре.

Таким образом, в описанной структуре под действием внешнего воздействия величиной выше некоторого порогового значения возникают периодические изменения проводимости шнура тока. На выходе такой структуры формируется частотно-импульсный выходной сигнал, частота которого про- порциональна величине внешнего воздействия. Пороговое значение внешнего воздействия при этом тем выше, чем больше разница между NiV и №V2.

Существенное снижение величины порога может быть достигнуто за счет приложения к структуре воздействий по меньшей мере двух типов. В этом случае, например, магнитным полем вызывают возникновение периодических изменений проводимости шнура тока, а давлением, тепловым воздействием или оптическим излучением управляют их частотой. Возможны и другие сочетания внешних воздействий.

Формула изобретения

1. Полупроводниковая структура из материала, легированного примесью первого

типа проводимости с концентрацией NI, в которой сформирован p-n-переход введением примеси второго типа проводимости с концентрацией N2, причем примесь первого

типа проводимости скомпенсирована третьей примесью с образованием глубоких энергетических уровней и содержащая электроды, отличающаяся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей структуры, концентрации примесей NI и Na находятся в соотношении

NiV N2V2,

где V - полный объем структуры, V2 - объем части структуры, легированной примесью

второго типа проводимости.

2.Структура по п.1,отличающаяся тем, что полупроводниковым материалом является кремний, примесью первого типа проводимости является фосфор, примесью

второго типа является алюминий, а третьей примесью - золото.

3.Способ управления проводимостью полупроводниковой структуры, отличающийся тем, что электроды структуры

подключают к источнику постоянного напряжения в прямом направлении и увеличивают напряжение до формирования шнура тока, а затем вызывают периодические изменения тока через электроды структуры,

частотой периодических изменений тока уп - равляют внешним воздействием, прикладываемым к р-п-переходу.

4.Способ по п.З, отличающийся тем, что периодические изменения тока через электроды структуры вызывают путем увеличения напряжения приложенного к электродам структуры со сформированным шнуром тока.

5.Способ по п.З, отличающийся тем, что периодические изменения тока через электроды структуры вызывают путем внешнего воздействия, прикладываемого к структуре со сформированным шнуром.

6.Способ по пп.З и 5, отличающий- с я тем, что в качестве внешнего воздействия используют магнитное поле, ориентированное параллельно р-п-переходу.

7.Способ по пп.З и 5, отличающий- с я тем, что в качестве внешнего воздействия используют механическое усилие, которое прикладывают к полупроводниковой структуре перпендикулярно к р-п-переходу.

8.Способ управления проводимостью полупроводниковой структуры по пп,3 и 5,

отличающийся тем, что в качестве внешнего воздействия используют оптическое излучение, направленное в область р- п-перехода.

9.Способ управления проводимостью полупроводниковой структуры по п.З, отличающийся тем, что в качестве внешнего воздействия используют тепловое воздействие, которому подвергают полупроводниковую структуру.

10.Способ управления проводимостью полупроводниковой структуры по п.5, отличающийся тем, что, в качестве внешнего воздействия одновременно используют, по меньшей мере, два типа воздействия, причем воздействием одного типа вызывают периодические изменения тока через электроды структуры, а воздействием других типов управляют частотой этих изменений.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано в полупроводниковых датчиках различных физических величин и других полупроводниковых приборах с частотно-импульсным выходным сигналом. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей структуры. Изобретение позволяет за счет периодического изменения проводимости структуры, управления частотой этих изменений внешними воздействиями повысить точность и упростить процесс получения информационного сигнала. Отличиями структуры по изобретению являются: во-первых, соотношение концентраций примесей в структуре, при котором количество носителей, созданных примесью первого типа проводимости, компенсированных третьей примесью, по существу равно или превышает не более чем на порядок, количество носителей, созданных примесью второго типа проводимости; во-вторых, управление частотой периодических изменений проводимости шнура тока. 2 с. и 8 з.п. ф-лы, 5 ил. (Л С

П

О

Риг.2

П

15

ФигЪ ,-,

Ч Ч

Т

16

/

ФигМ

л

м 1 м

X

X