DE2001622A1 - Feldeffekttransistor-Bauelement - Google Patents

Feldeffekttransistor-Bauelement

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DE2001622A1
DE2001622A1 DE19702001622 DE2001622A DE2001622A1 DE 2001622 A1 DE2001622 A1 DE 2001622A1 DE 19702001622 DE19702001622 DE 19702001622 DE 2001622 A DE2001622 A DE 2001622A DE 2001622 A1 DE2001622 A1 DE 2001622A1
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Description

14. Januar 1970 Docket TO 968 O$l Dr.Sehie/E
Anmelderin: International Business Machines Corporation, Irmonk, H.Y. 10504 (Y.St.A.)
Vertreters Patentanwalt Dr.-Ing. Rudolf Schiering, 703 Böblingen/Württ., Westerwaldweg 4
Feldeffekttransistor-Bauelement
Die Erfindung betrifft die Weiterbildung eines Feldeffekttransistor-Bauelementes · Man unterscheidet bekanntlich nach der technologischen Ausführungsform zwei Arten von Feldeffekttransistoren· Die eine bekannte Art ist der Metalloxyd-Peldeffekttransistor, auch Mosfet genannt· Die andere bekannte Art ist derSperrschicht-Feldeffekttransi^- .stor, auch Junction-Fst bezeichnet, '
Der bekannte Metalloxyd-Feldeffekttransistor wird von einem Metallbelag aus gesteuert, der durch eine nichtleitende Halbleiter-Oagrdschicht gegen die stromführende Halbleiterbahn isoliert ist« läetallbelag und Halbleiterbahn üben die Funktion von Kondensatorplatten aus* ·
Der bekannte Sperrsohieht-Feideffekttransistor ist demgegenüber gebrättehliches?» einfacher herstellbar, billiger und verfügt fast über einen gleich hohen Eingangswiderstand wie der Matalloxyd-Feldeffökttransißtor. Der SperrscMcht-Ielaeff«kttraziaistor bekannter Bauart ist von einer Halblaitörschicat aus atemzhaSi $1β im Vergleich zur stroaifuarenden
HalbleiterbaTin entgegengesetzt dotiert ist. Damit "bildet sich zwischen Strompfad (auch Channel genannt) und Steuerelektrode (auch Gate genannt) eine diodenartige Sperrschicht aus, die bei entsprechender Vorspannung einen Isolator darstellt, so daß zwischen Steuerelektrode und Strompfad eine Kapazität auftritt.
Alle Arten von Feldeffekttransistoren zeichnen sich dadurch aus, daß die Realtelle ihrer Eingangs-Impedanzen weit höhere Werte haben als die der Bipolar-Transistoren..
Die Erfindung bezieht sich nun auf ein photo-empfindliches Halbleiterbauelement, insbesondere auf ein verbessertes Feldeffekttransistor-Bauelement mit photoempfindlicher isolierter Steuerelektrode (Torelektrode bzw· Gate).
Isolierte Torfeldeffekttransistoren sind bekannt. Sie enthalten generell zwei Bereiche des einen Leitfähigkeitstyps, z. B. n-Typ-Zone getrennt von einer p-Typ-Zone, wodurch zwei pn-Übergänge zustande kommen. Die beiden n-Typ-Bereiche werden als Quelle und Senke bezeichnet und eine Vorspannung wird diesen Zonen so aufgeprägt, daß der eine pn-übergang in der Durchlaßrichtung und der andere pn-übergang in der P Sperrichtung gepolt ist·
Die Leitfähigkeit zwischen Quelle und Senke ist durch Anlegung der Signale an eine Torelektrode steuerbar, die auf eine Oberfläche des Bauelementenkörpers aufgebracht ist und den Teil des Bauelementenkörpers überbrückt, welcher Quelle- und Senke-Elektroden trennt·
Die der Torelektrode zugeführten Spannungssignale liefern elektrische Felder, welche die Leitfähigkeits-Charakteristiken von mindestens einem Strompfad (Channel) in dem Material verändern, welches Quelle und «ienke trennt und
einen Stromfluß zwischen diesen beiden Bereichen ermöglicht*
Bei diesem Typ des Feldeffekt-Bauelements ist die Steuerelektrode (Gate elektrode) von der Oberfläche des Halbleiterkörper s isoliert, lind bei einer anderen Form macht die Steuerelektrode (Gate) eine Ohmsche Verbindung mit dem Halbleiterkörper ο Feldeffekt-Bauelemente des letztgenannten Typs sind bereits für photoempfindliche Anwendungen bekannt geworden, in denen die eingegebene Strahlungsenergie die Leitfähigkeit der Gatezone sowie den Stromfluß im Gatekreis verändert· Der Stromfluß im Gätekreis erzeugt eine Spannung-»- an der Gateelektrode, welche wiederum ein elektrisches Feld liefert, das in der Gatezone vorhanden ist. Das Feld ändert die Leitfähigkeit der Zone, so daß ein verstärkter Stromfluß zwischen Quelle und Senke erhalten wird« ,
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht nun darin, einen photoempfindlichen Feldeffekttransistor vom isolierten Gatetyp zu schaffen, in welchem eine Stromverstärkung erreicht werden kann, welche Eins überschreitet·
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Feldeffektbauelementes mit den vorstehend genannten Merkmalen, welche in vorteilhafter Weise selbst integrierte Herstellungsmethoden gestatten. " . ."
Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, ein Feldeffekt-Bauelement mit den vorstehend genannten Merkmalen zu schaffen, bei dem Betriebsfrequenz und Stromverstärkung leicht zu handhaben sind. ·..---
Für ein Feldeffekttransistor-Bauelement mit isolierter Tor- ' elektrode besteht danach die Erfindung darin, daß der pleitende Substratkörper zwei η-leitende Bereiche enthält, womit entsprechende pn-Übergänge gegeben sind, daß die
— 4. — 009830/1334
Torelektrode die beiden pn-Übergänge überbrückt und daß eine äußere Spannungsquelle zwischen dem Substratkörper und den pn-Übergängen ansehließbar ist.
Dieser Feldeffekttransistor vom Typ des isolierten Gates kann als Photodetektor verwendet werden und hat eine Stromverstärkung größer als Eins. Der Transistor nach der Erfindung ist zu diesem Zwecke durch ein Substratpotential (Quelle gegen Substrat) in den Sperrzustand vorgespannt. Dieses Potential rührt von der äußeren Spannungsquelle her, welche aus Quelle und Substrat in der Schleife gebildet ist. Mit der Bestrahlung von Quelle und den Senken-pn-Übergängen im Transistor entsteht ein Strom, der zwischen der Quelle und der Senkenelektrode fließt, wobei sich eine Stromverstärkung größer als Eins ergibt.
Um Zusammenzufassen, bringt die Erfindung eine strahlungsempfindliche Schaltungsanordnung, welche einen Feldeffekttransistor mit isoliertem Gate enthält. Dieser Transistor ist von dem Typ, welcher einen Substratkörper aus halbleitendem Material eines Leitfähigkeitstyps enthält, auf dessen Oberfläche zwei voneinander getrennte Bereiche eingelassen sind, die gegenüber dem Substratkörper die entgegengesetzte Leitfähigkeit aufweisen, so daß ein erster und ein zweiter pn-übergang gebildet werden. Auf eine Oberfläche des Substrats ist mit einer Zwischenisolation die Gateelektrode so aufgebracht, daß sie die erste Zone mit der zweiten Zone überbrückt. Durch entsprechende Mittel des Stromkreises wird der eine pn-übergang in der Durchlaß-Bichtung und der andere pn-übergang in der umgekehrten Richtung vorgespannt, um damit Elektroden für die Quelle und für die Senke zu haben.
Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist zwischen der Quelle und dem Substratkörper ein Potential geschaffen, um
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ein. Quelle/Substrat-Potential zum Vorspannen für den Sperrzustand zu haben, wodurch bei auf die pn-Übergänge einfallender Strahlungsenergie der Strom zwischen Quelle- und Senke-Elektroden einen Betrag annimmt, welcher ausreicht, eine Stromverstärkung größer als Eins zu schaffen·
Die Erfindung sei nachstehend an Hand der.Zeichnungen für ' eine beispielsweise Ausführungsform näher erläutert.
Fig. 1 zeigt zum Teil schematisch und zum Teil im Schnitt ein photoempfindliches Feldeffekt-Bauelement nach der Erfindung·
Pig· 2 ist eine andere schematische Darstellung der Erfindung.
Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Anwendungsform der Erfindung·
Fig. 1 zeigt den physikalischen Aufbau des Feldeffekttransistors nach der Erfindung mit seinem Halbleiterkörper und den zugehörigen Elektroden. Der Halbleiterkörper ist dort mit 10 bezeichnet. Er hat eine bestimmte Leitfähigkeit, z. B. vom p-Typ, und wird nachstehend als Substrat bezeichnet·
Der Körper 10 enthält die beiden n-leitenden Bereiche 12 und 14, die durch Eindiffusion von Störsubstanzes. gebildet sind. Damit ergeben sich die pn-Übergänge 16 bzw. 18. Diese. pn-Übergänge erstrecken sich bis zur Oberfläche dee Subetratkörpers 10» die mit einer isolierenden Schicht 20 aus Siliciumdioxyd bedeckt 1st, wobei Teile dieser Schicht für das Anbringen elektrischer Anschlüsse entfernt sind.
Die pa-tibergänge 16 und 18 sind an die Ohmschen Kontakt· 22 bsw. 24 abgeschlossen.
"409130/1*14 -
Eine Gateelektrode 26 ist auf jenem Teil der Siliciumdioxydschicht 20 aufgesetzt, welcher die pn-Übergänge 16 und 18 überbrückt. Es sei bemerkt, daß der Teil der Schicht, auf welchem die Elektrode aufgebracht ist,dünner ist,als die anderen Teile der Schicht 20.
Der Ohmsche Zontakt 24 ist ait der positiven Klemme der Quelle/Senke-Potentialquelle V^ verbunden. Die Ohmsche Verbindung 22 ist an die negative Klemme der Stromquelle V"d angeschlossen· Die Elektrode 22 ist demgemäß Senkenelektrode und die Elektrode 24 ist die Quellenelektrode.
Die Grateelektrode 26, auch Torelektrode genannt, ist mit der Halbleiterzone 12 durch einen Ohmsehen Kontakt 28 verbunden, wodurch dieser auf dem Potential dieser Zone ruht·
Das Licht fällt auf den Quellenbereich und dringt durch die Halbleiterzone 12 bis zur inneren Beführungsflache des pn-Übergangs 16. Das Gebiet 12/16 kann als Photodiode betrachtet werden·
Die positive Klemme einer äußeren Spannungsquelle V ist mit der Quelle V^ über den Widerstand 32 verbunden. Die negative Klemme ist über den Widerstand B. mit dem Substrat 10 verbunden. Die sich über dem Substrat entwickelnde Spannung spannt den Feldeffekttransistor für den Sperrzustand vor· Hierfür dient das Substratpotential V^ in der aus Quelle und Substrat gebildeten Schleife. In dieser Verbindung soll mit einer geeigneten Wahl des Substratwiderstandes die Vorrichtung normalerweise im Ein-Zustand sein und zwar ohne Substrat-Vorspannung·
Ein solcher Zustand wird normalerweise bei einem n-Typ-Channeltystem erreicht. Bei der Einführung von Lioht auf die pn-Ubergänge 18 biw. 16 nimnt der Nettowert de· UBgt-
- 7 -009830/1334
■- - ■ -■' - 7 "·■■■ ν - :^ ^
kehrten Vorspannstromes, welcher durch die Injektion von . Elektronen-Loch-Paaren im Substrat induziert wird, zu, woraus ein zusätzlicher Spannungsabfall am Widerstand R5^ resultiert. Der Widerstand Rg^ ist ein diffundierter Widerstand, der durch die Geometrie des Quellen-pn-Übergangs gebildet ist. Wenn der Betrag dieses Stromes erhöht wird, i, dann wird V011^ um den Betrag
niedrigt, und der Quelle/Senke-Strom wird um den Wert erhöht· Daher kann jetzt der Stromverstärkungsfaktor
durch den Gegenwirkleitwert gm s des Substrates berechnet werden:
sub
Die Stromverstärkung, dividiert durch die Ladezeit der Quellenkapazität C^ d'kann definiert werden als Stromversträkungsbandbreite der Vorrichtung: * Rsub em.";";■■
Es ist bequemer % die graduelle Channel-Formulierung für die Berechnung von gf zu verwenden:
"'■■■ V " "" : :: ■"■"■■
•i
worin tSD der Quellen/Senke-Strom, G(V) die differenzielle Leitfähigkeit und V^ das Quelle/Senke-Potential ist*
Is1Ur"den Sttbstrat-tJbexgangsleitwert braucht nur der Bulk- ■ ladungsausdruck Q* für die Übergangsleitwertberechnung in Betracht gezogen zu werden, wobei Ai die Oberflächenbeweglichkeit, W die Ohannelbreite und L die Quelle-Senke-Distanz ist, · . " - 8 -
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cf
V V
Γ w 1 Γά
ι Ol
wobei
dann wird
ί"( Ä): (2)
Die Kapazität längs des Channels ist definiert durch
OQ (T) .-/ 2N '
QC) |/
Deiagemäß wird
wobei C(V,) und C(o) die Quellen « bzw. Senkenkapazitäten pro Flächeneinheit sind. Damit wird
4 -1=/1'0(o)
für die konstante JiL Approximation. Die Stromverstärkungsbandbreite
- 1J ···
wobei I «R_· C die Zeit für das Quellenpotential zur Selbstnachregelung ist·
C « C(O)A
A ■ Quellen-pn-Übergangs-Plächenbereich
0Ό9 83 0/1334
Es sei bemerkt, daß die Verstärkungsbandbreite umgekehrt proportional zur Zellengröße ist, d. h.
Das vorstehend dargestellte Phänomen sei nachstehend in Verbindung mit der in Fig. 2 gezeigten Zelle erörtert. In dieser Figur ist die Zelle mit 35 bezeichnet. Die Quellenpn-Übergangsflache ist quadratisch gewählt· Ihre Breite ist W, und eine Channel-Länge ist mit L bezeichnet· Die Quellen-Senke und der Serienwiderstand R sind durch Oberflächendiffusion mit 2000 Ohm pro Quadrat gebildet* Eine derartige Oberflächendiffusion, ermöglicht den einfallenden Lichtstrahl, bis zum pn-übergang unter der Oberfläche einzudringen, so daß Elekttoneh-Loch-Paare durch die einfallende Strahlung erzeugt werden können.
Normalerweise würde eine nichtreflektierende Schicht über den diffundierten Bereichen vorgesehen, wie man dies z.B* bei handelsüblichen Dioden-Photozellen hat»
Für die in Fig. 2 gezeigte Zelle seien folgende Konstanten* Daten und Arbeitsbedingungen als vorteilhaft ängegebeni
W- 0,24 mm
L- Ö»Q12 mm - "
A * 100 iaüsendstelciuadratzoll
C(O)* 3^1CT /i/o. F pro^ Tausendötelquadratzoil
Vd * 24· Volt V8 * 10 Volt V$ - 1,0 Volt 800 Volt
»2 Ohm cm
10 *-
Setzt man diese Werte in die Gleichung (4) ein so erhält man m 2,8 · 108 Hertz » Verstärkung f,
wobei f die Arbeitsfrequenz ist·
π Als Beispiel sei angenommen, daß eine Frequenz von 10' Hertz
gewünscht wird· Dies legt den Wert von Hg fest. Damit wird:
-j— 2/TSg.G
Eg - 4,6 K
Verstärkung » 28 - Sm#Bg
gm s- 6100 Ai m hos
Eine Empfindlichkeit von 0,5/u/ifpro ßa. Watt und ein Signal von 10 Ai Watt liefert 140yu Amp. (für Bandlücken-Strahlung) in der Quelle-Senke-Schleife.
In der Anordnung nach Pig· 3 ißt 36 eine Zeil'} nach der Erfindung. Sie enthält die Gateelektrode 36G. Dieser Elektrode 36G werden Signale aufgeprägt, um den Stromfluß zwischen einer Quellenklemae 38 und einer Senkenklemme 40 zu steuern. Die Zelle ist durch die äußere Spannung V in den Sperrzustand vorgespannt. Mit B_ ist der bereits oben er-
wähnte Reihenwiderstand bezeichnet. Zwischen der Zelle 36 und der B+Potential-Quelle liegt als Belastung der Feldeffekttransistor 42. Die Feldeffekttransistoren 44 und 46 bilden eine Inverterschaltung, welche durch die Kombination der Zelle 36 mit dem Feldeffekttransistor 42 betrieben wird·
In der Betriebsweise der in Fig· 3 gezeigten Anordnung ist der Netto-Stromverstärkungsfaktor de· Systems in der Groß· von
■ α 2
Bm 0B β
wobei g3 der Gegenwirkleitwert der Treiberschaltung ist«
- 11 -
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Das vorstehend Erörterte sei nachstehend zusammengefaßt· Dureh.Vorsehung einer äußeren Stromquelle in der Quelle-Substrat-Schleife eines Feldeffekttransistors wird eine Verarmungs-Modus-Vorrichtung durch ein Substratpotential (Quelle-Substrat) in den Sperrzustand vorgespannt·. Mit dieser Anordnung kann ein !Feldeffekttransistor als Photodetektor mit einer Verstärkung größer als Eins verwendet werden. Der Widerstand R ^ dient der genauen Auslegung des Quellenpn-Übergangs. Der Feldeffekttransistorteil der Struktur kann eine Verstärkung liefern mit wesentlich geringer Aufopferung an Fvläche. Wie aus Fig. 2. zu ersehen ist, ist der Teil der ρ gesamten Fläche, welche durch den Feldeffekttransistor besetzt ist, gleich 4-L/W. Die Erfindung ist somit für integrierte Systeme und Verfahren vorteilhaft geeignet·
Durch Einstellung und Justierung des Widerstandes E_ können Arbeitsgeschwindigkeit und Widerstand der Anordnung reguliert und an bestimmte Verhältnisse angepaßt werden. Zusätzlich kann bei der Erfindung eine Anordnung ohne zusätzliche Isolation integriert werden, und ein Signal wird auf einen brauchbaren Pegel in einer Matrix gebracht, womit sich die Kosten peripherer Spezialschaltungen verringern und auch die Probleme der Rauschtoleranz geringer werden. μ
Patentansprüche
09S3 0/1314

Claims (8)

  1. - 12 -
    Patent anspräche
    Feldeffekttransistor-Bauelement' mit gegenüber dem Halbleiterkörper isolierter Torelektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der p-leitende Substrätkörper (10) zwei n-leitende Bereiche (12, 14) enthält, womit entsprechende pn-Übergänge (16, 18) gegeben sind, daß die isoliert aufgesetzte Torelektrode (26) die beiden pn-Übergänge (16, 18) überbrückt und daß eine äußere Spannungsquelle (V ) zwischen dem Substratkörper (10) und den pn-übergängen (16, 18) anschließbar ist.
  2. 2.) Feldeffekttransistor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein pn-übergang in der Sperr-Richtung und der andere pn-übergang in der Durchlaß-Richtung vorgespannt ist.
  3. 3.) Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eine auf den pn-übergang (16) Ohmisch aufgesetzte Elektrode (22) als Senkenelektrode und die andere auf den anderen pn-übergang (18) Ohmisch aufgesetzte Elektrode (24) als Quellenelektrode dient.
  4. 4.) Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Oberflächenschicht (20) des Substratkörpers (10) unter der Torelektrode (26) dünner ist als an den anderen Stellen dieser Oberfläche.
  5. 5.) Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Torelektrode (26) über eine Außenverbindung mit dem Ohmschen Anschluß (28) verbunden ist, der auf einem (12) der beiden η-leitenden Halbleiter-Bereiche gebildet ist.
    - 13 -
    009830/1334
  6. 6.) Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen !"bis 5, dadurch gekeimzeichnet, daß die imHalbleiterkörper (10) eingelassene Halbleiterzone (12) entgegengesetzen Leitfähigkeit styps mit dem pn-übergang (16) an ihrer Berührungs-.stelle (12, 16) eine Photodiode bildet.
  7. 7.) Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 bis 6, da-, durch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (V ) an den Substratkörper (10) über einen Widerstand (S_) angeschlossen ist·
  8. 8.) Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet-,- daß der in den Substratkörper (10) eingebaute Halbleiterbereich (12) entgegengesetzten Leitfähigkeit styps strahlungsdurchlässig ist.
    9*) Feldeffekttransistor nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Substratwiderstand so groß gewählt ist, daß das Gesamtsystem ohne eine besondere Substratvörspannung normalerweise im Ein-Zustand ist.
    009830/1334
    Leerseite
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