Полупроводниковый прибор с отрицательной дифференциальной проводимостью Советский патент 1986 года по МПК H01L29/86 H01L47/00 

Изобретение относится к полупроводниковой, микроэлектронике, а имен но к полупроводниковым приборам с о рицательной дифференциальной проводимостью (.ОДП).. Известен полупроводниковый прибо с ОДП, работа которого основана на зависимости интенсивности рекомбина ции на глубоких центрах от величины электрического поля. Такой прибор в полнен в виде пластины легированног полупроводника, например, м-типа, в котором концентрации мелких доноров Nd и глубоких центров N связаны ус ловием 3N, с двумя проводящими контактами. Однако такой прибор обладает малой ОДП. Наиболее близким по технической сущности к устройству по изобретению является полупроводниковый прибор с ОДП, содержащий полупроводниковую пластину, легированную мелкими примесями с контактами. В этом приборе возникновение ОДП основано на захвате дырок (неосновных носителей на глубокие уровни. Однако глубокие уровни хаотически распределены в объеме полупроводника. При возникновении случайной избыточной концентрации электронов флуктуации) прежде, чем экранирующие ее дырки будут захвачены на глу бокие уровни, часть избыточной концентрации электронов рассасывается вследствие диффузии, т.е. удаляется от глубокого уровня и не принимает участия в генерации электрических колебаний. Это ограничивает амплитуду генерируемых колебаний и, соот ветственно, величину ОДП. Цель изобретения - увеличение ОДП при одновременном уменьшении порогового напряжения. Поставленная цель достигается тем, что в известном полупроводниковом приборе с ОДП содержащем полупроводниковую пластину, легирован ную мелкими примесями с контактами, толщина пластины сравнима с дебаевской длиной экранирования, а по крайней мере у одной поверхности пластины образовано поле, которому соответствует безразмерйый изгиб зон, удовлетворякнций следующему условию : Vi, (О 72 величина изгиба энергетических зон, .измеренная в единицах k Т ; постоянная Больцмана; температура; концентрация основных носителей заряда в объеме полупроводника;концентрация неосновных носителей заряда в объеме полупроводника;частота захвата основных носителей заряда на поверхj ностные центры; частота захвата неосновных носителей заряда на поверхностные центры. I Полупроводниковый прибор .ра отает следующим образом. Пусть в некоторой точке Хд в области приповерхностного поля возникла электронно-дырочная флуктуация. За время максвелловской релаксации флуктуация поляризуется приповерхностным полем: носители заряда одного знака вытягиваются на геометрическую поверхность, носители другого знака удаляются от нее. Когда к пластине вдоль ее поверхности прикладывается электрическое поле, то в этом поле возникает добавочная поляризация флуктуации в направлении поля. Концентрация свободньпс носителей заряда, локализованных на геометрической поверхности при условии, что частота захвата носителей больше частоты выброса .(практически все носители, выдававшие флуктуацию, захватились поверхностными центрами), не зависит от координаты или же в области флуктуации меньше, чем за ее пределами. Тогда ток, создаваемый носителями, локализованными на геометрической поверхности, за пределами флуктуации равен () Г„рррЕ„, где 00 - равновесная концентрация неосновных носителей заряда в области приповерхностного поля; f4f подвижность этих носителей; напряженность приложенного электрического поля. Ток, создаваемый неосновными носителями в области флуктуации равен j(XX,b(r,p.r,p)fUp(E,E,;),

где Г,р - добавочная концентрация неосновных носителей, вызванная возникшей флуктуацией;

Н, - добавочное электрическое поле, вызванное поляризацией флуктуации в приложенном поле fд,, .

Добавочное поле Е, всегда имеет знак, обратный знаку поля ЕОХ его вызвавшего.

Для нарастания флуктуации, т.е. для возникновения отрицательной дифференциальной проводимости, необходимо, чтобы в точку нахождения флуктуации поступал добавочный заряд, т.е. () j(XXo) , т.е.Г,рррЕо,,х Это. условие сводится к условию U)«

Захват свободных носителей заряда в поверхностные состояния и.их удержание на поверхности является условием формирования электрической неустойчивости (отрицательной дифференциальной проводимости) и возможны

благодаря тому что толщина полупроводниковой пластины сравнима с дебаевской длиной экранирования, а по меньшей мере на одной из поверхностей пластины образовано приповерхностное поле, изгиб энергетических зон которого удовлетворяет условию (1), при котором в области флуктуации и за ее пределами имеется разность потоков неосновных носителей заряда. Таким образом, флуктуация локализована у поверхности и ее рассасывание возможно без удаления от поверхностных центров захвата, в то время как в полупроводниковом

приборе, имеющем толщину пластины .значительно больше, чем дебаевская длина экранирования, рассасывание флуктуации сопровождается ее удалением от места локализации поверхностных центров захвата. Щоэтому в предлагаемом решении в генерировании колебаний принимает участие большая флуктуация. Это увеличивает

амплитуду колебаний, т.е. отрицательную дифференциальную проводимость. Время нарастания флуктуации определяется временем нахождения связанного заряда в ловушках. Нарастание флуктуации происходит после ее поляризации электрическим полем. Чем больше напряженность приложенного электрического поля, тем быстрее происходит поляризация, и флуктуация может нарасти за малое время нахождения заряда в ловушке. Увеличение времени нахождения неосновных носителей заряда в центрах захвата сопровождается ослаблением критического поля включения генерации (понижением порогового напряжения.

Предложенное техническое решение по сравнению с прототипом имеет большую отрицательную дифференциальную проводимость при меньшем поро говом напряжении.

Кроме того, предлагаемое решение более технологично, так как вместо легирования глубокими и мелкими примесями полупроводник легируют только мелкими примесями.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР С ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ даФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ, содержащий полупроводниковую пластину, легированную мелкими примесями с контактами, отличающийся тем, что, с целью увеличения отрицательной дифференциальной проводимости при одновременном уменьшении порогового напряжения, толщина пластины сравнима с дебаевской длиной экранирования, а по крайней мере у одной поверхности лпастины образовано попе, которому соответствует безразмерный изгиб зон, удовлетворяющий следующему условию: ,: где Q - величина изгиба энергетических зон измеренная в единицах ; k Т п. -постоянная Больцмана; -температура; -концентрация основных носителей заряда в объеме полупроводника; Р концентрация неосновных носителей заряда в объеме посл лупроводника; Лчастота захвата основных носителей заряда на поверхностные центры; Рчастота захвата неосновных (Х) носителей заряда на поверх(X) ностные центры. а 9д