ФОТОТРАНЗИСТОР Советский патент 1996 года по МПК H01L29/76 H01L31/10 

Изобретение относится к области микроэлектроники, в частности к функциональным элементам оптических интегральных схем, и может быть использовано в системах обработки оптической информации, а также в измерительной, вычислительной и усилительной технике.

Известен полевой фототранзистор с управляющим р-n-переходом, содержащий области истока и стока, сформированные в полупроводниковой подложке, и затвор. При подаче на электроды областей истока, стока и затвора соответствующих напряжений в проводящем канале между истоком и стоком и во внешней цепи фототранзистора протекает ток, величина которого зависит от освещенности канала. Рабочие характеристики полевого фототранзистора в значительной мере зависят от качества поверхности полупроводника между истоком и стоком и плотности распределения поверхностных уровней.

Недостатком такого транзистора является ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия возможности управлять уровнем выходного сигнала при неизменяющихся напряжениях на электродах в результате освещения области канала одновременно несколькими световыми пучками при различных комбинациях интенсивностей этих пучков.

Наиболее близким по технической сущности к устройству по изобретению является фототранзистор на основе МДП-структуры, содеpжащий полупроводниковую подложку, одна из поверхностей которой является чувствительной к излучению, с областями стока, истока и канала, на которой сформирован слой диэлектрика и электрод затвора.

Однако недостатком такого фототранзистора является ограниченные функциональные возможности из-за отсутствия возможности управлять уровнем сигнала при неизменяющихся напряжениях на электродах в результате освещения области индуцированного канала одновременно несколькими световыми пучками при различных комбинациях интенсивностей этих пучков.

Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в известном фототранзисторе на основе МДП-структуры, содержащем полупроводниковую подложку, одна из поверхностей которой является чувствительной к излучению, с областями стока, истока и канала, на которой сформирован слой диэлектрика и электрод затвора, поверхность подложки, свободная от диэлектрика, является чувствительной к излучению и имеет над областью канала пазы, площадь сечения каждого из которых удовлетворяет следующему соотношению:
S₁< где S₁ площадь сечения паза;
S площадь канала;
n число пазов, а диаметр паза и расстояние между соседними пазами не менее чем на порядок превышает длину волны излучения.

Существо изобретения поясняется чертежом, где полупроводниковая подложка 1, области стока 2, истока 3 и канала 4, слой диэлектрика 5, электрод затвора 6, пазы 7 и 8.

Устройство работает следующим образом.

Между областью затвора и подложкой, областями истока и стока прикладываются напряжения таким образом, чтобы стоковый р-n-переход был смещен в обратном направлении, а истоковый р-n-переход имел нулевое или небольшое положительное смещение. Напряжение между затвором и подложкой должно быть равно или выше порогового. При этом величины напряжений сток-исток и на обратно смещенных переходах область сток-подложка и область исток-подложка должны быть значительно меньше, чем смещение между областью затвора и подложкой. В результате освещения одновременно пазов 7 и 8 излучением с длиной волны, соответствующей внутреннему фотоэффекту в полупроводнике, на выходе прибора появляется сигнал. Если освещается только один из пазов, то сигнал на выходе оказывается намного меньше своего максимального уровня и может быть принят в качестве логического нуля. При полном затемнении обеих пазов сигнал на выходе также очень мал и соответствует нулевому уровню.

В зависимости от схемного использования в оптоэлектронных устройствах освещение пазов может осуществляться либо непосредственно лучом от источника, например от лазера или светодиода, либо с использованием оптических микроволноводов. В оптимальном варианте, обеспечивающем стабильную работу фототранзистора в схемах, число пазов должно быть равно 5.

Для обеспечения достаточной чувствительности фототранзистора к излучению необходимо, чтобы при данном количестве пазов площадь их поперечного сечения была максимальна и чтобы своим нижним торцом они возможно ближе примыкали к верхней границе индуцированного канала, а максимальная площадь поперечного сечения каждого паза должна выбираться из соотношения
S₁< где S₁ площадь паза, S площадь канала, n число пазов.

Для того чтобы избежать рассеяния света на пазах, минимальный диаметр каждого пара и минимальное расстояние между соседними пазами не менее чем на порядок должно превышать длину волны излучения.

Для улучшения светопередачи внутренняя поверхность паза может быть покрыта просветляющей пленкой, а сами пазы могут быть заполнены прозрачными диэлектрическими материалами.

Фототранзистор работает следующим образом.

Под влиянием освещения через пазы в область канала происходит генерация неравновесных пар носителей заряда.

При условии невысокого уровня инжекции генерированные светом носители заряда за счет диффузии перемещаются к истоковому и стоковому р-n-переходам. После стокового перехода неосновные носители (дырки в полупроводнике n-типа) втягиваются в область стока, а основные носители остаются в области между истоком и стоком создавая отрицательный объемный заряд. Этот заряд уменьшает высоту потенциального барьера истокового перехода, повышая уровень инжекции истокового перехода. Инжектированные неосновные носители преимущественно достигают стокового перехода и выходной ток увеличивается. Величина выходного тока тем больше, чем больше число носителей р-типа генерируется под действием освещения, т.е. при прочих равных условиях, чем больший объем полупроводника будет освещаться. Следовательно, максимальный выходной ток будет иметь место при освещении всех пазов одновременно. Уровень выходного тока можно регулировать, изменяя величину потенциального затвора, т.е. изменяя проводимость индуцированного канала. Достаточную стабильность работы, т.е. наличие сигнала логического нуля на выходе при освещении (n-1) количества пазов и логической единицы при освещении всех пазов при реализации операции "И", можно обеспечить, изменяя потенциал на области истока и работая на соответствующем участке ветви вольтамперной характеристики истокового n-р-перехода.

При освещении всех пазов одновременно прибор может быть использован как обычный МДП-транзистор.

Устройство по изобретению может быть использовано в качестве МДП-транзистора, а также в качестве логической оптоэлектронной ячейки, реализующей логическую операцию "И" для оптоэлектронных логических устройств.

При реализации логической операции "И" принимается, что наличие освещения одного из пазов соответствует поступлению на вход одной логической единицы, а отсутствие освещения поступлению на вход логического нуля. Наличие выходного сигнала высокого уровня принимается как наличие выходной единицы, а малого уровня выходного нуля. Величину выходного сигнала, соответствующего входным логическому нулю или единице, можно регулировать путем изменения напряжения между областями истока и стока, затвором и подложкой и интенсивности излучения.

Кроме перечисленных функций данный фототранзистор может выполнять также функции модулятора и выключателя с разделенными входами в оптоэлектронных устройствах. В этом случае при неизменяющихся потенциалах на областях истока, стока и затвора подается модулирующий световой сигнал на пазы или на один из пазов. Тем самым обеспечивается стабильность работы фототранзистора в выбранном режиме.

Малые размеры прибора и его планарная конструкция обеспечивают возможность применения в оптических интегральных схемах. Наличие раздельных оптических входов позволяет расширить функциональные возможности фототранзистора.

ФОТОТРАНЗИСТОР на основе МДП - структуры, содержащий полупроводниковую подложку, одна из поверхностей которой является чувствительной к излучению, с областями стока, истока и канала, на которой сформирован слой диэлектрика и электрод затвора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, поверхность подложки, свободная от диэлектрика, является чувствительной к излучению и имеет пазы над областью канала, площадь сечения каждого из которых удовлетворяет следующему соотношению:

где S₁ - площадь сечения паза;
S - площадь канала;
n - число пазов,
а диаметр паза и расстояние между соседними пазами не менее чем на порядок превышает длину волны излучения.

ФОТОТРАНЗИСТОР на основе МДП структуры, содержащий полупроводниковую подложку, одна из поверхностей которой является чувствительной к излучению, с областями стока, истока и канала, на которой сформирован слой диэлектрика и электрод затвора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, поверхность подложки, свободная от диэлектрика, является чувствительной к излучению и имеет пазы над областью канала, площадь сечения каждого из которых удовлетворяет следующему соотношению:

где
S₁ площадь сечения паза;
S площадь канала;
n число пазов,
а диаметр паза и расстояние между соседними пазами не менее чем на порядок превышает длину волны излучения.