CN100337335C - 包括突然金属－绝缘体相变器件的电流跳变控制电路 - Google Patents

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Abstract

一种包括突然金属-绝缘体相变器件的电流跳变控制电路，包括电源、突然金属-绝缘体相变器件、以及电阻元件。该突然金属-绝缘体相变器件包括与该电源连接的第一和第二电极，并当在该第一电极与第二电极之间施加电场时显示出电流跳变的突然金属-绝缘体相变特性。该电阻元件连接在该电源与突然金属-绝缘体相变器件之间，以控制流经该突然金属-绝缘体相变器件的跳变电流。根据上述电流控制电路，可以防止该突然金属-绝缘体相变器件由于大电流而失效，并且由此可以将该电流跳变控制电路应用于各种应用领域。

Description

包括突然金属-绝缘体相变器件的电流跳变控制电路
本申请要求于2003年11月6日提交给韩国知识产权局的韩国专利申请第2003-78333号的优先权，其公开内容在此全部作为参考引入。
技术领域
本发明涉及一种包括突然金属-绝缘体相变器件(abrupt metal-insulatorphase transition device)的电流跳变控制电路(current-jump-control circuit)。
背景技术
近年来，已经提出了使用Mott(莫特)绝缘体作为沟道层的Mott场效应晶体管(FET)来取代具有沟道长度减小限制的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。由于Mott FET利用连续发生的金属-绝缘体相变，因此必须增加将要作为电荷载流子的电子或空穴，直至确实表现出金属性，这导致了所增加的电荷应处于高浓度状态的限制。因此，近来已经提出了一种使用一种在固定条件下表现出电流跳变的突然金属-绝缘体相变特性的绝缘体的方法，以取代表现出连续金属-绝缘体相变的绝缘体，并在美国专利第6,624,463号中公开。美国专利第6,624,463号中公开的场效应晶体管表现出通过掺杂小浓度空穴而导致的电流跳变的突然金属-绝缘体相变特性。
图1为示出使用表现出这种突然金属-绝缘体相变的材料制造的器件的电流跳变的电场-电流密度特性的曲线图。
参照图1，在向该器件的两接线端施加预定水平(例如，7MV/m)的电场(Efield)时，该突然金属-绝缘体相变器件突然从绝缘体相变为金属，使得大量电流流经该器件的两接线端。因此，当电流限度以上的大电流流过时，该器件可能无法耐受该大电流，并且可能失效。在本说明书中，在施加临界值以上的电场时导致突然金属-绝缘体相变的器件被定义为“突然金属-绝缘体相变器件”。
如上所述，在突然金属-绝缘体相变器件中，突然金属-绝缘体相变可突然产生大量的电流(电流跳变)。为此，突然金属-绝缘体相变器件需要可以控制电流跳变的控制电路以耐受此大量电流。
发明内容
本发明提供一种包括突然金属-绝缘体相变器件的电流跳变控制电路，其可以适当地控制流经突然金属-绝缘体相变器件的大量电流，以防止突然金属-绝缘体相变器件失效。
根据本发明的一个方面，提供一种包括突然金属-绝缘体相变器件的电流跳变控制电路，包括：电源；突然金属-绝缘体相变器件，包括与该电源连接的第一和第二电极，并在向该第一电极与第二电极之间施加电场时显示出电流跳变的突然金属-绝缘体相变特性；以及电阻元件，其连接在该电源与该突然金属-绝缘体相变器件之间，并能够控制流经该突然金属-绝缘体相变器件的电流跳变。
该电阻元件可以与该突然金属-绝缘体相变器件串联连接。
该电阻元件可以为电阻器。在此情况下，该电阻元件可为可变电阻器。
该电阻元件可以为可用作电阻器的平面型器件图案。
该电阻元件为可用作电阻器的交流电阻器(或阻抗电阻)。
该电阻元件可以为可用作电阻器的非均匀相变(inhomogeneousphase-transition)薄膜绝缘体中的内阻材料(internal resistance material)。
该突然金属-绝缘体相变器件可以具有以下结构，即：在第一电极与第二电极之间设置具有突然金属-绝缘体相变特性的绝缘膜。在此情况下，该绝缘体可以包括氧化钒(vanadium oxide)。
附图说明
通过参照附图详细介绍本发明的示例性实施例，将使本发明的上述和其它特征及优点变得更加明显易懂，附图中：
图1为示出使用表现出这种突然金属-绝缘体相变的材料制造的器件的电流跳变的电场-电流密度特性的曲线图；
图2为根据本发明的包括突然金属-绝缘体相变器件的电流控制电路的图示；
图3A和3B为图2的突然金属-绝缘体相变器件的截面图的几个示例；
图4为示出根据本发明第一实施例的包括突然金属-绝缘体相变器件的电流控制电路的电流跳变电压-电流密度特性与电阻的相关性的曲线图；以及
图5为示出根据本发明第二实施例的包括突然金属-绝缘体相变器件的电流控制电路的电流跳变电压-电流密度特性与电阻的相关性的曲线图。
具体实施方式
现在，将参照附图更加充分地介绍本发明，附图中示出了本发明的示例性实施例。
图2为根据本发明的包括突然金属-绝缘体相变器件的电流控制电路的图示，图3为图2的突然金属-绝缘体相变器件的截面图。
首先，参照图2，根据本发明的电流控制电路包括电源100、突然金属-绝缘体相变器件200、以及电阻元件300。电源100可以是直流(DC)电源或交流(AC)电源。在DC电源的情况下，电流沿一个方向流动；而在AC电源的情况下，电流双向流动。如图3A或3B所示，突然金属-绝缘体相变器件200设置有具有电流跳变的突然金属-绝缘体相变特性的薄膜型绝缘体220，以及设置在薄膜型绝缘体220两侧的第一和第二电极230和240。该器件200包括由蓝宝石(Al2O3)或硅(Si)制成的衬底210。显见，衬底210可以由不同于上述材料的材料制成。绝缘体220包括二氧化钒(VO2)。电阻元件300为可以起可控电阻作用的元件，并且通常包括电阻器。特别地，电阻元件300可以是能够容易地控制其电阻的可变电阻器。有时，电阻元件300可以是能用作电阻器的平面器件图案。此平面器件图案具有其电阻与其长度成比例的性质，并采用平面器件图案的该性质通过连接弯曲型传输线、各种平面型电感器(AC电阻)等而表现出电阻特性。在此情况下，电阻可以通过调整传输线的长度或平面型器件的数量等来控制。有时，电阻元件300可以是非均匀相变薄膜绝缘体中的内阻材料。
下面将介绍如上构造的电流控制电路的操作。
在向突然金属-绝缘体相变器件200的第一电极230和第二电极240施加预定电场时，该突然金属-绝缘体相变器件200的绝缘体220在其表面上形成电流通路(由图3中的虚线箭头表示)，同时发生突然金属-绝缘体相变现象。经过该电流通路，大量跳变电流从第一电极230流向第二电极240。此时，通过电阻元件300减小(即控制)电流量，使得电流以突然金属-绝缘体相变器件200不失效的量流动。
图4为示出根据本发明第一实施例的包括突然金属-绝缘体相变器件的电流控制电路的电流跳变电压-电流密度特性与电阻的依赖关系的曲线图。图4中，水平轴表示施加在第一电极230与第二电极240之间的电压(V)，垂直轴为第一电极230与第二电极240之间的电流密度(J)。
图4的测试中采用的突然金属-绝缘体相变器件200为具有蓝宝石(Al2O3)衬底210和二氧化钒(VO2)绝缘体220的器件，并具有第一电极230与第二电极240之间5μm的沟道长度和25μm的沟道宽度。图4中，由表示符“●”表示的线对应于电阻元件300的电阻(R)为1.0kΩ的情况，由表示符“▲”表示的线对应于电阻元件的电阻(R)为2.5kΩ的情况，由表示符“”表示的线对应于电阻元件300的电阻(R)为5.0kΩ的情况。由图4可见，当突然金属-绝缘体相变器件200处于绝缘体状态(由图4中的“I”表示)时，尽管电阻元件300的电阻(R)彼此不同，但未表现出电流密度的差异；而当突然金属-绝缘体相变器件200处于金属状态(由图4中的“M”表示)时，表现出随着电阻元件300的电阻(R)增大，流经突然金属-绝缘体相变器件200的电流逐渐减小。当将此结果与图1的情况(即电阻元件300不存在的情形)相比较时，易知可以防止具有电阻元件300的突然金属-绝缘体相变器件200失效，即使由于突然金属-绝缘体相变而产生大量电流。
图5为示出根据本发明第二实施例的包括突然金属-绝缘体相变器件的电流控制电路的电流跳变电压-电流密度特性与电阻的依赖关系的曲线图。图5中，水平轴表示施加在第一电极230与第二电极240之间的电压(V)，垂直轴为第一电极230与第二电极240之间的电流密度(J)。
图5的测试中采用的突然金属-绝缘体相变器件200为使用硅(Si)衬底210和二氧化钒(VO2)绝缘体220的器件，并具有第一电极230与第二电极240之间5μm的沟道长度和25μm的沟道宽度。图5中，由表示符“■”表示的线对应于电阻元件300的电阻(R)为110Ω的情况，由表示符“●”表示的线对应于电阻元件300的电阻(R)为340Ω的情况，由表示符“▲”表示的线对应于电阻元件的电阻(R)为1.0kΩ的情况，由表示符“”表示的线对应于电阻元件300的电阻(R)为5.0kΩ的情况，由表示符“◆”表示的线对应于电阻元件300的电阻(R)为10kΩ的情况。由图5的曲线可见，显示出的趋势为，随着电阻元件300的电阻(R)增大，流经该突然金属-绝缘体相变器件200的电流逐渐减小。
如前所述，在根据本发明的包括突然金属-绝缘体相变器件的电流控制电路中，尽管由于突然金属-绝缘体相变现象而产生了大量电流，但是串联连接于突然金属-绝缘体相变器件的电阻元件抑制了电流跳变的隔度，使得可以防止突然金属-绝缘体相变器件失效，且由此该电流控制电路可用于各种应用领域。
虽然已参照本发明的示例性实施例具体示出和介绍了本发明，但是本领域技术人员应理解，可以在不脱离由所附权利要求限定的本发明的精髓和范围的情况下对其进行形式和细节上的各种改动。

Claims (8)

1.一种包括突然金属-绝缘体相变器件的电流跳变控制电路，包括：
电源；
突然金属-绝缘体相变器件，其包括与该电源连接的第一和第二电极，并且当在该第一电极与第二电极之间施加电场时显示出电流跳变的突然金属-绝缘体相变特性；以及
电阻元件，其连接在该电源与该突然金属-绝缘体相变器件之间，并能够控制流经该突然金属-绝缘体相变器件的跳变电流的幅度，
其中该电阻元件与该突然金属-绝缘体相变器件串联连接。
2.如权利要求1所述的电流跳变控制电路，其中该电阻元件为电阻器。
3.如权利要求1所述的电流跳变控制电路，其中该电阻元件为非均匀相变薄膜绝缘体中的内阻材料。
4.如权利要求2所述的电流跳变控制电路，其中该电阻元件为可变电阻器。
5.如权利要求1所述的电流跳变控制电路，其中该电阻元件为可用作电阻器的平面型器件图案。
6.如权利要求1所述的电流跳变控制电路，其中该电阻元件为可用作电阻器的交流电阻器。
7.如权利要求1所述的电流跳变控制电路，其中该突然金属-绝缘体相变器件具有以下结构，即：在该第一电极与该第二电极之间设置具有电流跳变的突然金属-绝缘体相变特性的绝缘膜。
8.如权利要求5所述的电流跳变控制电路，其中该绝缘体包括氧化钒。
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