Твердотельное устройство
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-переходом, 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
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (53)5 Н 01 1 31/10
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
1 (21) 4808041/25 (22).30.03.90 (46) 23.07.92. Бюл, М 27 (71) Научно-исследовательский институт
"Дельта" (72) Б.Г.Идлис и B.Ä.Ôðoëoâ (56) Roy 0.К. Tunneling and negative
Resistance Phenomena in Semiconductors.—
Pergamon Press, Oxford, 1977, р. 94 — 95.
Там же, с. 101 — 110. (54) ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к. полупроводниковой электронике и может быть испольаовано в системах преобразования информации, Цель изобретения — расширение функциональных воэможностей устройства за счет формирования дополнительных цепей управления. Твердотельное устройство содержит структуру с туннельным р-и-переходом, образованным подложкой
Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано, в частности в ключевых схемах, логических устройствах, системах преобразования информации (аналогово-частотных преобразователях), Известно твердотельное устройство, содержащее полупроводниковый кристалл с туннельным р-п-переходом и контактами к р- и и-областям. При подаче на контакты разности потенциалов, превышающей пороговую, неустойчивость проявляется в виде колебаний либо переключения из
„, Я2ÄÄ 1749955 А1 р (и+ )-типа и и (р++)-слоем, расположенным на поверхности подложки. На п (р )слое расположен слой п(р)-типа, выполненный из материала более широкозонного, чем материал и (р )-слоя. На поверхности n(p)-слоя на расстоянии L расположены два омических контакта. Третий омический контакт сформирован на другой поверхности подложки. Толщины Н и h слоев и (р )- и п(р)-типа соответственно определены соотношениями 1О < Н< Lt u
h < L, где Lt u Q — диффузионные длины носителей заряда в слоях п (р +) и п(р); 1О— дебаевская длина экранирования заряда в и (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, 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 р — n-перехода, так и эа счет низкого сопротивления и- и р-областей.
Конструктивное исполнение известных туннельных структур определяет их функци1749955
3 ональное назначение. Так, наиболее широ- вии подсветки связь между ) и разностью
Кое и именение находят туннельные диоды, потенциалов на р-и-переходе имеет вид, коепримене и содержащиесильнолегированные A" èр-об- приведенный на фиг.3. силу р ласти и омические контакты к этим обла- нулю суммарного тока через р-A-переход стям. На основе таких диодов создают 5 значения j в области контактов 4 и 5(токи в генераторы, переключатели и усилители, точках а и b на графике фиг.3) равны току в аботающие в высокочастотном диапазоне, цепи питания. При этом разность потенцира ота
Кнедостаткамэтихустройствможноот- алов между точками b p нести следующие, Изменение частоты коле- Лp = р, — pp = Е. Вольт-амперная характебаний, а также функции устройства, 10 ристика определяется интегРальным уравнапример переход из генераторного в клю- нением чевой режим, достигается только с по- 1р мощью замены внешних элементов или f (/))hy, подачей на контакты напряжения другой величины. Таким образом, при применении 15 где L — расстояние между контактами 4 и 5. описанных туннельных диодных структур Баланс токов в р-и-переходе характеризуневозможно осуществить дистанционное ется соотношением бесконтактное управление режимами его
Р работы, что сужает область их применимо- (Р +1)2 12 У ( сти, Кроме того, подключение к устроиству 20, р- внешних пассивных или активных управля- где iп — величина тока через контакт 6 (в ющих элемейтов усложняет электронную случае отключенной подложки 4=0. схему в целом, повышает ее массогабарит- Анализ уравнений показывает, что BAX не ные показатели. имеет особенностей типа S- или N-ветвей, Цель изобретения — расширение функ- 25 несмотря на то, что зависимость плотности циональных возможностей за счет форми- тока 1(rp) (фиг.2) обладает участком отрицарования дополнительных цепей тельного дифференциального сопротивления. В силу этого электрическое состояние
На фиг.1 приведена схема структуры ус- образца устойчиво относительно флуктуатройства; на фиг.2-7-кривые зависимостей 30 ций д Е напряжения и тока д1 на контактах тока ) вдоль р — и-перехода и тока i через структуры. Равновесное распределение)(у) р-и-переход от величины U разности потен- устойчиво также и к флуктуациям потенциациалов на р — n-переходе.. ла подложки и отклонений д!п суммарного
Кривые на фиг.2 и 3,4 и 5, 6 и 7 соответ- - тока в р-и-переходе от состояния равновествуют случаям малого, среднего и большо- 35 сия. Таким образом, в отсутствии подсветки го уровней подсветки. подача смещения на омические контакты.
Структура включает р -область 1 (под- расположенные на поверхности слоя 3, не ложка), п -слой 2, и-слой 3, омические кон- приводит к возникновению неустойчивости такты 4 и 5 к и-слою и омический контакт 6 в структуре. к подложке. 40 При освещении образца светом из облаПри подключении к контактам 4 и 5 ати собственного поглощения материала структуры {фиг.1) источника Е»»» в структуры в последней генерируется фотоструктуре происходит перераспределение ToKg,приводящийкуменьшениютока!при потенциаловтакимобразом,чтосуммарный заданной величине р При некотором пороток через P— - и-пеРеход Равен нУлю. В Рас 45 говом уровне Рррр освещенности величина сматРиваемой сТРу Ре потенциал 9Ъ a g становится больше, чем i„(значение то.слоях 2 и 3 можно считать зависящим только ка i во "впадине" BAX i(p) туннельного переот кооРдинат вдоль слоев, При этом в силУ хода), и пРи смещениЯх Р > P„p возникает сильного,легирования подложки 1 распре- участок i <0(фиг,4), а на зависимости p(p)деление потенциала Рр â ней одноРодно. 50 дополнительные экстремумы, При малых
Таким образом, разность @=A -pp по- напряжениях существует два устойчивых тенциалов на р-и-переходе .Распределена состояния (a>bq) v (azbg), отличающихся знатак, что часть р — и-перехода смещена в пря- чением потенциала подложки +. При премом,ачастьвблизиконтакта5-вобратном вышении Е пороговой величины Епор (Е> напРавлении, т.е. потенциал подложки ока- 55 >Eppp) стРУктУРа находитсЯ в неУстойчивом зывается в пределах 0 <фр< E. Вдоль Р-и- состоянии {азЬз) или (a4b4), проявляющемся перехода по слоям 2 и 3 протекает в генерации электрических колебаний или суммарный ток ), определяемый распреде- * переключении электрического состояния, лением потенциалавэтихслоях. Вотсутст- При дальнейшем увеличении Е (Е> E«p) 1749955 структура опять переходит в устойчивое состояние (asbs). Таким образом, существует диапазон напряжений
Enop < E <Емакс, в котором при включении подсветки происходит возбуждение неустойчивостей. Кроме перечисленных состояний, в структуре может быть реализовано состояние (abbe), характеризующееся периодическим распределением потенциала ф вдоль ислоя. Состояние (авЬо) переходит при увеличении напряжения Е в состояние (азЬз) или (а4Ь4). При высоких уровнях подсветки
Р> Рмакс, Рмакс — значение Р, когда фототок
g через р — n-переход превышает значение
IMsxc (фиг.4), BAX l(E) однозначна и не имеет особенностей. При заданном Е в структуре устанавливается равновесное распределение потенциалов, устойчивое к возмущениям д Е, д 1, д Рр, д 1и.
Таким образом, возбуждение электрических неустойчивостей, проявляющихся в виде колебаний тока или напряжения во внешней цепи либо переключения электрического сопротивления туннельной структуры, 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 флуктуаций) состояния в другое 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 (а1Ь1) в состояние (azbz) или из состояния (azbz) в состояние (asbo). Такие переключения реализуются при напряжениях Е < Ellop u
Рпор <Р <Рмакс и имеют порог относительно амплитуды импульса напряжения, подающегося на подложку.
Конструкция устройства обеспечивает высокую фоточувствительность при условиях
Io < H < L1, h < Lz, E z < Ецз, где I 1 и Lz — диффузионные длины нОсителей;
Н и h — толщины слоев;
Е Ilz u EIIs — ширины запрещенных зон слоев 2 и 3 соответственно;
ID — дебоевская длина экранированная . заряда в слое 2.
Освещение поверхности структуры в области. собственного поглощения материала
35 ем нагрузки RH = 50 Ом. Освещение поверхности мезаструктуры осуществлялось от
40 полупроводникового лазера, излучение ко45
50 управления: по напряжению питания на токовых электродах, электрическому смеще55 нию на электроде к подложке и световым
30 слоя 2 вызывает генерацию электронно-дырочных пар в этом слое и,фотопотока в туннельном р-и-переходе. При энергии квантов света EIIz Пример. На подложке GaAs с ориентацией (100), легированной Z> с концентрацией P = 5 101 см, методом жидкофазной эпитаксии выращен слой GaAs, легированный Gà с концентрацией N - 5 101а см з, а затем слой Оа .-xAlxAs (х - 0,15) tl-типа проводимости легиуованный Те с концентрацией 3 10 см, толщиной h-5мкм. На поверхность и-слоя исходной структуры наносился слой SIOz 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 Au; Ge u проводилось вжигание контактов..Последней операцией являлось вытравливание мезаструктур со стороны и-слоя на глубину, превышающую глубину р-и-перехода. Размер мезаструктур составлял 100 х 500 мкм. Изготовленные пластины разделялись на кристаллы и монтировались в корпуса типа Т0-5. Образцы включались в цепь источника, питания последовательно с сопротивлениторого направлялось на образец с помощью световода. Зарегистрированные времена переключения структуры составляли менее 1 нс. Устройство обеспечивает ряд технических преимуществ по сравнению с известнымии решениями. Так, в отличие от обычных туннельных диодов или генераторов на основе эффекта Ганна, которые представляют трехполюсники, изобретение позволяет реализовать элементы; ипа четырехполосников, обладающих тремя каналами потоком, причем последний канал обеспечивает гальваническую развязку входных (управляющих) и выходных цепей устройства. За счет сочетания режимов на отдельных 1749955 каналах возможно осуществлять функции, реализуемые на известных устройствах (переключение, генерация), а также производить новые функции, напрймер ключевой режим при напряжениях Е < Еп р и варьировании уровня подсветки от Р <Рпор до P > P o o, генераторный режим при напряжении Едор <Е < Е ы и уровне подсветки Poop
t я> I > +op, логическое умйожение (йри Е "Р-канала" отвечает уровню Р <Р р "1" "Pканала" — Poop <Р< Рм®с, "О"" д -канала" — уровню у = О, "1" " ф -канала"— ф >уЪор, ло гическое сложение (при Е Рлор < Р <Рмаке, "1" "Р-канала" — Р> Рмакс, -"О", " рр-канала" — уровню у - О. "1" " фр -канала" — рр > дар. Формула изобретения Твердотельное устройство, содержа-. щее полупроводниковую структуру с туннельным р-п-переходом, образованным 5 р (и )-подложкой и и (p+слоем, расположенным на одной поверхности подложки, и два омических контакта, первый из которых сформирован на другой поверхности подложки,отл ича ю щеес я тем,что, с 10 целью расширения функциональных возможностей за счет формирования дополни тельных цепей управления, структура дополнительно содержит полупроводниковый слой п(р)-типа, расположенный на по15 верхности и (р+ )-слоя и выполненный из материала, более широкозонного, чем материал слоя n (ð+4), и третий омический контакт, причем второй и третий омические контакты расположены на поверхности по20 лупроводникового слоя п(р)-типа, а толщины Н и h слоев n (ð++)- и п(р)-типа соответствейно определены соотношениями )g <Н < Lp u h < 4, где L1. и Q - диффузионные длины носителей заряда s слоях 25 n (ð+ ) и п(р), à ID - дебаевская длина экранирования заряда в и (р++)-слое. 1749955 @uz, 2 У-Е Y 4РиГ. 7 Составитель Б.Идлис Техред М.Моргентал Корректор Э.Лончакова Редактор И.Горная Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 Заказ 2599 Тйраж - .: Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113О35, Москва, Ж-38, Раушская наб., 4/5
