Полупроводниковый прибор

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР, содержащий p-n-переходы и управляющую МДП-систему, отличающийся тем, что, с целью получения низковольтных программируемых напряжений, p-n-переходы выполнены в виде переходов с туннельным механизмом пробоя.

Изобретение относится к области микроэлектроники и может быть использовано в схемах управления в качестве программируемого источника ограничительного напряжения. Кроме того, оно может найти применение в качестве переключающего элемента, в частности, в составе кремниевых МОП интегральных схем. Известно полупроводниковое устройство, состоящее из полупроводниковой пластины p-n-перехода, слоя защитного диэлектрика и двух электродов к р- и n-областям полупроводниковой пластины. Недостаток известного устройства заключается в том, что его напряжение ограничения является неуправляемым, то есть для него отсутствует возможность контролируемого изменения его характеристического параметра напряжения- ограничения U_В посредством внешнего управляющего сигнала. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому устройству является полупроводниковый прибор, содержащий p-n-переходы и управляющую МДП-систему. Его недостатком является большая величина ≈ 100 В программируемых напряжений вследствие лавинного механизма пробоя p-n-переходов. Цель изобретения заключается в получении низковольтных программируемых напряжений. Поставленная цель достигается тем, что в полупроводниковом приборе, содержащем p-n-переходы и управляющую МДП-систему, p-n-переходы выполнены с туннельным механизмом пробоя. В результате того, что напряжение при туннельном пробое p-n-перехода составляет величину не более 10 В, обеспечивается достижение низковольтных программируемых напряжений. На фиг. 1 показана конструкция одного из возможных вариантов полупроводникового прибора; на фиг.2 зависимость напряжения пробоя от площади для различных концентраций примеси. Прибор содержит полупроводниковую пластину 1, n или р-типа проводимости, два p-n-перехода 2,3 с туннельным механизмом пробоя, слой диэлектрика 4, МДП-систему 5, управляющую смыканием p-n-переходов 2,3, электрод 6 к одному из p-n- переходов 2,3, в данном случае к p-n-переходу 2, электрод 7 к исходной полупроводниковой пластине 1 и полевой электрод 8 МДП-системы 5, при высокоомной подложке для обеспечения туннельного механизма пробоя могут быть созданы области 9 с большей концентрацией. Работа устройства в качестве программируемого ограничителя напряжения основана на нелинейной зависимости напряжения туннельного пробоя U_Bt от площади p-n-перехода: S при постоянном обратном токе I_Rt. Наличие такой зависимости следует из известных положений теории протекания туннельного тока через резкий p-n-переход j_t= · exp- (1) где j_t I_Rt/S плотность туннельного тока; ε (U_Bt + U_Bi)/W электрическое поле в p-n-переходе; U_Bi контактная разность потенциалов; W ширина области пространственного заряда в p-n-переходе; ε_g ширина запрещенной зоны полупроводника; m^* эффективная масса носителей заряда; q заряд электрода; h постоянная Планка. При логарифмировании выражения (1) получается сложное существенное нелинейное соотношение между напряжением на p-n-переходе с туннельным пробоем U_Bt и площадью p-n-перехода S K₁lgU_Bt(U_Bt + U_{B i}) K₂(U_Bt + U_Bi) K₃ lg ˙ S, (2) где К₁, К₂, К₃ постоянные, определяемые физическими характеристиками полупроводника и носителей тока в области p-n-перехода. Нелинейная зависимость напряжения пробоя от площади p-n-перехода (2) присуща только p-n-переходам с туннельным механизмом пробоя. Причем для области туннельного пробоя, фиг.2, конечное значение U_B, соответствующее увеличению площади p-n-перехода от значения S₁ до значения S S₁ + S₂, где S₂ приращение площади p-n-перехода, может быть записано приближенным выражением (2). В предлагаемом устройстве требуемое изменение площади p-n-перехода, например, p-n-перехода 3 с помощью управляющей МОП-системы 5, на полевой электрод 8 которой подается напряжение, величина и полярность которого необходимы для образования проводящего канала между указанными p-n-переходами 2,3. В результате имеет место трансформация p-n-перехода 2 с площадью в p-n-переход с интегральной площадью S S₁ + S₂ и соответствующее им дискретное изменение напряжения ограничения на выходе предлагаемого устройства, электроды 6, 7 от значения U_B1(S₁) до значения U_B2(S₁ + S₂). Таким образом, предлагаемое устройство может выполнять функции программируемого ограничителя напряжения с двумя рабочими состояниями в низковольтной области напряжений ограничения 2,5-6 В. Изменением концентрации примесей в p- и n-областях предлагаемого устройства, размеров области, разделяющей рабочие p-n-переходы, толщины диэлектрика под управляющим полевым электродом, размеров рабочих p-n-переходов можно регулировать абсолютные значения и разницу между ними напряжений ограничения на выходе предлагаемого устройства. Область применения предлагаемого устройства может быть значительно расширена, если использовать матрицы смежных p-n-переходов с туннельным или смешанным механизмами пробоя, имеющих различные площади и управляемых несколькими МОП-системами или управляющими p-n-переходами. Использование устройства обеспечивает существенные технические преимущества, связанные с применением низковольтных p-n-переходов с туннельным механизмом пробоя в качестве рабочих элементов конструкции. Применение таких p-n-переходов позволяет осуществлять переключение напряжений ограничения величиной порядка десяти и менее вольт с разницей между переключаемыми уровнями в единицы вольт, что согласуется с величинами питающих напряжений в логических интегральных схемах.

Формула изобретения

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ПРИБОР, содержащий p-n-переходы и управляющую МДП-систему, отличающийся тем, что, с целью получения низковольтных программируемых напряжений, p-n-переходы выполнены в виде переходов с туннельным механизмом пробоя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2