Твердотельное устройство Советский патент 1992 года по МПК H01L31/10 

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано, в частности в ключевых схемах, логических устройствах, системах преобразования информации (анзлогово-частотных преобразователях).

Известно твердотельное устройство, содержащее полупроводниковый кристалл с туннельным p-n-переходом и контактами к р- и n-областям. При подаче на контакты разности потенциалов, превышающей пороговую, неустойчивость проявляется в виде колебаний либо переключения из

состояния с малой в состояние с высокой проводимостью. Тип неустойчивости (генерация, переключение), реализуемой в устройстве на основе туннельных структур, на практике задается с помощью внешних пассивных и активных элементов. Переключение состояний туннельных диодных структур происходит с высоким быстродействием как за счет малой инерционности туннельного p-n-перехода, так и за счет низкого сопротивления п- и р-областей.

Конструктивное исполнение известных туннельных структур определяет их функци2

ч

Ч)

ся ел

нальное назначение. Так, наиболее широое применение находят туннельные диоды, одержащие сильно легированные п- и р-об- асти и омические контакты к этим облатям. На основе таких диодов создают енераторы, переключатели и усилители, работающие в высокочастотном диапазоне.

К недостаткам этих устройств можно отнести следующие. Изменение частоты колебаний, а также функции устройства, например переход из генераторного в ключевой режим, достигается только с помощью замены внешних элементов или подачей на контакты напряжения другой величины. Таким образом, при применении описанных туннельных диодных структур невозможно осуществить дистанционное бесконтактное управление режимами его работы, что сужает область их применимости. Кроме того, подключение ч устройству внешних пассивных или активных управляющих элементов усложняет электронную схему в целом, повышает ее массогабарит- ные показатели.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет формирования дополнительных цепей управления.

На фиг.1 приведена схема структуры устройства; на фиг.2-7 - кривые зависимостей тока j вдоль p-n-перехода и тока i через p-n-переход от величины U разности потенциалов на р-п-переходе.

Кривые на фиг.2 и 3,4 и 5, 6 и 7 соответствуют случаям малого, среднего и большого уровней подсветки.

Структура включает р -область 1 (подложка), п -слой 2, п-слой 3, омические контакты 4 и 5 к n-слою и омический контакт 6 к подложке.

При подключении к контактам 4 и 5 структуры (фиг.1) источника Е питания в структуре происходит перераспределение потенциалов таким образом, что суммарный ток через p-n-переход равен нулю. В рассматриваемой структуре потенциал ро в слоях 2 и 3 можно считать зависящим только от координат вдоль слоев. При этом в силу сильного легирования подложки 1 распределение потенциала (рр в ней однородно. Таким образом, разность р рр - р0 потенциалов на p-n-переходе распределена так, что часть p-n-перехода смещена в пря- мом, а часть вблизи контакта 5 - в обратном направлении, т.е. потенциал подложки оказывается в пределах 0 фр Е. Вдоль р-п- перехода по слоям 2 и 3 протекает суммарный ток j, определяемый распределением потенциала в этих слоях. В отсутствии подсветки связь между J и разностью потенциалов на p-n-переходе имеет вид,. приведенный на фиг.З. В силу равенства нулю суммарного тока через р-п-переход

значения j в области контактов 4 и 5 (токи в точках а и b на графике фиг.З) равны току в цепи питания. При этом разность потенциалов между точками b и а равна Д(р рр - р0 - Е. Вольт-амперная характеристика определяется интегральным уравнением

v

L- /(L/J)Ay,

, Vr

где L - расстояние между контактами 4 и 5. Баланс токов в p-n-переходе характеризуется соотношением

Р

Оп-м) i($dp,

Vp-t

где In величина тока через контакт 6 (в случае отключенной подложки п 0. Анализ уравнений показывает, что ВАХ не имеет особенностей типа S- или М-ветвей,

5 несмотря на то, что зависимость плотности тока (у) (фиг.2) обладает участком отрицательного дифференциального сопротивления. В силу этого электрическое состояние образца устойчиво относительно флуктуа0 ций д Е напряжения и тока 51 на контактах структуры. Равновесное распределение j(0) устойчиво также и к флуктуациям потенциала подложки и отклонений д In суммарного тока в p-n-переходе от состояния равнове5 сия. Таким образом, в отсутствии подсветки подача смещения на омические контакты, расположенные на поверхности слоя 3, не приводит к возникновению неустойчивости в структуре.

0 при освещении образца светом из области собственного поглощения материала структуры в последней генерируется фото- ток д, приводящий к уменьшению тока i при заданной величине р. При некотором поро5 говом уровне Рпор освещенности величина g становится больше, чем Мин (значение тока i во впадине ВАХ i($) туннельного перехода), и при смещениях р #Vi0p возникает участок I 0 (фиг.4), а на зависимости J2(#) 0 дополнительные экстремумы. При малых напряжениях существует два устойчивых состояния (aibi) и (aaba), отличающихся значением потенциала подложки tpp. При превышении Е пороговой величины Епор (Е Епор) структура находится в неустойчивом состоянии (азЬз) или (a4b-i), проявляющемся в генерации электрических колебаний или переключении электрического состояния. При дальнейшем увеличении Е (Е Епор)

структура опять переходит в устойчивое состояние (agbs). Таким образом, существует диапазон напряжений

Епор Е Емакс1

в котором при включении подсветки проис- ходит возбуждение неустойчивостей. Кроме перечисленных состояний, в структуре может быть реализовано состояние (aebe). характеризующееся периодическим распределением потенциала р вдоль п- слоя. Состояние (aebe) переходит при увеличении напряжения Е в состояние (азЬз) или (). При высоких уровнях подсветки Р Рмэкс, Рмакс - значение Р, когда фототок g через p-n-переход превышает значение макс (фиг.4), ВАХ I(E) однозначна и не имеет особенностей. При заданном Е в структуре устанавливается равновесное распределение потенциалов, устойчивое к возмущениям 5E.5l, , .

Таким образом, возбуждение электрических неустойчивостей, проявляющихся в виде колебаний тока или напряжения во внешней цепи либо переключения электрического сопротивления туннельной структу- ры, происходит бесконтактным способом. Изменяя интенсивность светового потока возможно осуществить дистанционное управление электрическим состоянием образца. Помимо управления электрическим состоянием структуры с помощью изменения интенсивности светового потока возможно также осуществлять переключение структуры из одного устойчивого (относительно малых флуктуации) состояния в дру- гое путем подачи на контакт 6 к подложке импульса напряжения, равного по величине разности значений р в различных экстремумах (при постоянных Е и мощности светового потока), например из состояния (aibi)

В СОСТОЯНИе (32Ьа) ИЛИ ИЗ СОСТОЯНИЯ (Э2Ь2) В

состояние (aebe). Такие переключения реализуются при напряжениях Е 4Епор и Рпор Р Рмакс и имеют порог относительно амплитуды импульса напряжения, подаю- щегося «а подложку.

Конструкция устройства обеспечивает высокую фоточувствительность при условиях

ID Н Li, h L2, Е92 Едз,

где Li и U - диффузионные длины носителей;

Н и h - толщины слоев;

Е д2 и Едз - ширины запрещенных зон слоев 2 и 3 соответственно;

ID дебоевская длина экранированная заряда в слое 2.

Освещение поверхности структуры в Области собственного поглощения материала

слоя 2 вызывает генерацию электронно-дырочных пар в этом слое и.фотопотока в тун- нельном p-n-переходе. При энергии квантов света Ё92 L О) Едз слой 3 практически прозрачен для такого излучения, что способствует высокой квантовой эффективности преобразования свет- электричество в слое 2.

П р и м е р. На подложке GaAs с ориентацией (100), легированной Zn с концентрацией Р 5 1019 , методом жидкофазной эпитаксии выращен слой GaAs, легированный Ga с концентрацией N 5 -1018 , а затем слой GaL-xAlxAs (x 0.15) n-типа проводимости, легированный Те с концентрацией 3 -10 см , толщиной h - 5 мкм.

На поверхность n-слоя исходной структуры наносился слой SI02 и в диэлектрике вскрывались окна под металлические контакты. Для создания контактов использовалась композиция AuCr, напыленная на структуру в вакууме. После операций по вытравлению контактных площадок на поверхность подложки наносился слой Аи; Ge и проводилось вжигание контактов. Последней операцией являлось вытравливание ме- заструктур со стороны n-слоя на глубину, превышающую глубину p-n-перехода. Размер мезаструктур составлял 100 х 500 мкм. Изготовленные пластины разделялись на кристаллы и монтировались в корпуса типа ТО-5.

Образцы включались в цепь источника питания последовательно с сопротивлением нагрузки RH 50 Ом. Освещение поверхности мезаструктуры осуществлялось от полупроводникового лазера, излучение которого направлялось на образец с помощью световода. Зарегистрированные времена переключения структуры составляли менее

1 НС.

Устройство обеспечивает ряд технических преимуществ по сравнению с известными решениями. Так, в отличие от обычных туннельных диодов или генераторов на основе эффекта Ганна, которые представляют трехполюсники, изобретение позволяет реализовать элементы .ипа четырехполосни- ков, обладающих тремя каналами управления: по напряжению питания на токовых электродах, электрическому смещению на электроде к подложке и световым потоком, причем последний канал обеспечивает гальваническую развязку входных (управляющих) и выходных цепей устройства. За счет сочетания режимов на отдельных

каналах возможно осуществлять функции, реализуемые на известных устройствах (переключение, генерация), а также производить новые функции, например ключевой режим при напряжениях Е Епор и варьировании уровня подсветки от Р РПор до Р Рмакс, генераторный режим при напряжении Епор Е Емакс и уровне подсветки Рпор Р Рмакс, режим бистабильного элемента (тиристора) при напряжении Е Епор, уровне Рпор Р Рмакс и подаче импульсов напряжения рр положительной и отрицательной полярности величиной I ft I iop. логическое умножение (при Е Епор) сигналов двух каналов - оптического (Р) и электрического ( уэр), при этом О Р-канала отвечает уровню Р Рпор Г Р- канала - Рпор Р Рмакс, О я р-канала - уровню рр 0, 1 узр -канала - Й рп°р - логическое сложение (при Е Епор) сигналов Р- и р-каналов, при этом О Р-канала отвечает уровню

Рпор Р Рмакс, Г Р-канала - Р Рмакс, О, -канала - уровню рр О, Г рр -канала - р phop.

Формула изобретения Твердотельное устройство, содержащее полупроводниковую структуру с туннельным р-п-переходом, образованным

р (п подложкой и п (р слоем, расположенным на одной поверхности подложки, и два омических контакта, первый из которых сформирован на другой поверхности подложки, отличающееся тем, что, с

целью расширения функциональных возможностей за счет формирования дополни- тельных цепей управления, структура дополнительно содержит полупроводниковый слой п(р)-типа, расположенный на поверхности п4+( и выполненный из материала, более широкозонного, чем материал слоя (р н), и третий омический контакт, причем второй и третий омические контакты расположены на поверхности полупроводникового слоя п(р)-типа, а толщины Н и h слоев )- и п(р)-типа соответственно определены соотношениями ID Н Li и h La, где Li и U - диффузионные длины носителей заряда в слоях

) и п(р), a ID - дебаевская длина экранирования заряда в .

Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано в системах преобразования информации. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет формирования дополнительных цепей управления. Твердотельное устройство содержит структуру с туннельным р-п-пе- реходом, образованным подложкой р44(п44)-типа и п4+(р+4)-слоем, расположенным на поверхности подложки. На )- слое расположен слой п(р)-типа, выполненный из материала более широкозонного, чем материал . На поверхности п(р)-слоя на расстоянии L расположены два омических контакта. Третий омический контакт сформирован на другой поверхности подложки. Толщины Н и h слоев )- и п(р)-типа соответственно определены соотношениями ID H U и h , где LI и - диффузионные длины носителей заряда в слоях ) и n(p); ID - дебаевская длина экранирования заряда в п р -слое. Устройство имеет три канала управления (один оптический и два электрических) и может выполнять функции ключевого элемента с управляемым порогом срабатывания, логического умножения и сложения, автогенератора и бистабильного элемента. 7 ил. w fe

k

Фиг/

Г ftm

/

Фиг. 2

У

Фаг. 3

Составитель Б.Идлис Техред М.Моргентал

Корректор Э.Лончакова

Редактор И.Горная

Заказ 2599ТиражПодписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

А

Фиг. ц.

Ч

Фиг. $

фиг. 7

Корректор Э.Лончакова