DE2015748A1

DE2015748A1 - Feldeffekthalbleiterelement

Info

Publication number: DE2015748A1
Application number: DE19702015748
Authority: DE
Inventors: John Louis Dayton Ohio Janning (V.St.A.). M
Original assignee: NCR
Current assignee: NCR
Priority date: 1969-04-04
Filing date: 1970-04-02
Publication date: 1971-10-21
Also published as: BE748428A; CH505471A; FR2038238A1; US3593071A; FR2038238B1; GB1247819A

Description

THK NATIONAL CASH REGISTER COMPANY Dayton, Ohio (V.St,A.)

eIdun.c;
Mein Az.; Il82/Germany

PELDEPPEKTHALBLEITERELEMENT

Die Erfindung-betrifft ein Felde.ffekthalbleiterelernent mit isolierter Gate-Elektrode.

Unter einer Feldeffekthalbleitervorrichtung 30II eine Anordnung verstanden werden, die aus einer Source-Elektrode, einer Drain-Elektrode und aus einer Gate-Elektrode besteht, wobei die Source-Elektrode von der Drain-Elektrode durch ; Halbleitermaterial getrennt ist und oie Gate-Elektrode oder Elektroden durch ein« Isoliersn'-vicht von dem Halbleiter-, material isoliert wird. Durch Anisen eines geeigneten Potentiale an die Gate-Elektrode wird die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials zwischen Source- und Dratn-Elektrode verändert. .

Im allgemeinen werden die einzelnen Elektroden ro wie die Halbleiter- und Isolierschichten als dünne Filme auf einem nichtleitenden Substrat abgelagert, so daß ein Feldeffekt halbleiterelement entsteht. Bei den sogenannten MOS-Peldeffefcttransistofen fmetal-oxidö-semiconductor) wird Halbleitermaterial eines ersten LeitfaTiigkeittyps auf bestimmte Bereiche eines fialbleiternaterialii eines zweiten Leitfähigkeittype abgelagert, wodurch die Source- und Drain-El*ktrode gebildet werden, Die isoliert angeordnete Gate-' Elektrode besteht au*tinem Metall oder Metallhaltigem Material. Derartig aufgebaute.Halbleiterelemente werden au Β* I» der U^-P»tente<jhrift ^.253,6^3 ausführlich be-•chrieben. - _{' ;■".-'_■ : ; ... ' - ' /-. ^:

Dir Kachteil der bekannten Felderfektaaibleiterelemente

109M3/rS07- V BAD OMMAL

ist die relativ kleine Wirkung des von der isolierten G.ite-Blektrode erzeugten Kraftfeldes auf das zwischen der Souroe- und Drain-Elektrode befindlichen Halbleitermaterial.

Es ist Aufgabe der Erfindung ein Feldeffakthalbleiterelement anzugeben, in dem das von der Gate-Elektrode erzeugte Potential einen größeren Einfluß auf die Leitfähigkeit des zwischen der Source- und Gate-EleVrtrode befindlichen Halbleitermaterial? hat.

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine· oder mehrere der Gate-Elektroden eine zugespitzte Torrn aufweist, . und daß die Spitze oder die Spitzen der Gate-Elektroden auf daa zwischen den Source- und Drain-Elektroden befindliche Halbleitermaterial gerichtet sind. Mit der Erfindung können sowohl gewöhnliche Feldeffekttransistoren als auch MOS-Transistoren aufgebaut werden. Ausführunnsbeiapiele der

Zeichnungen Erfindung werden im folgenden anhand von ■¥$%..'beschrleben.

In diesen zeigt*

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Feldeffekthalbleitervorrichtung mit isolierter Gate-alektrode gemäß der Erfindung,

Fig. 2 ein zweites Ausf'lhrungsbeispiel der erfindungsgertäßen Feldeffekttransistoranordnung,

Fig. 3 ein Frequenxmisoher, in »lern ein Feldeffekttransistor mit isolierter· Gate-Elektrode gemäß der Erfindung \ verwendet wird^

Fig. 4 ein ODER-Glieu, in uem ein Peldeffekthalbleiterelement gemäß der Erfindung verwerv)«' viro, und

Fig. 5 ein UND-Glied mit dem erfinduugSEemäßen Feld- ;ffekthalbleiterelement.

In Fig. 1 ist ein Feldeffekthalbleiterelement aus dilnnen, koplanaren Schichten dargestellt. Diese sind auf ein . nichtleitend·« Substrat 5,z.E. auf Glas, abgelagert. Die source- und Drain-Elektroden 6 und 7, die aus auf Tantal in Vakuum abgelagertem Gold bestehen, sind spitzenförnig ausp;ebi ldet. Die gleiche Form weisen die aus Tantal bestehenden Gate* Elektroden 9 und 10 auf. Die vier zugespitzten Kiek trotten bilden die Source- und Drainelektrode und die Gate-ßUiJetroden der Feldeffekthalbleitervorricatun£. Die aus Tantal bestehender»

109843/1507

13.. 3.1970 BAD ORIGINAL

Qate-Elektroden 9 und 10 .werden duroli ein anodlsrihes Ablagerungsv«rfehren auf eine« aus Tantalojcyd bestehenden Isolator \y gebildet. Das Halbleitermaterial 12, da« aus Kadmiumselenid besteht, wird durch einen Aufdampfvorgang . auf die Source- und Drain-Elektroden 6 und 7 und auf die Tantaloxydschicht Ij5 aufgebracht. Das HalbleJ termaterial 12 steht im elektrischen Kontakt nit den aus.Gold bestehenden Source- und Drain-Elektroden 6 und 7, es ist Jedoch von den Gate-Elektroden 9.und 10 isoliert.

Das Feldeffekthalbleiterelement in Fig. 1 wire? mit einer Gleichspannungequelle 17 und mit einer Wechselspannungequelle 19 betrieben» Mit der Gleichspannungsquelle 17 liegt ein Ladewiierstand 20 in Serie. Die Source- und Drain-Elektroden 6 und 7 werden mit der Gleichspannung der Quelle I7 beaufschlagt. Die steuerbare Wechsel spahnungsquelle 19 ist mit den beiden Gate-Elektroden 9 und 10 und mit der Source-Elektrode 6 verbunden. Ein von der Spannungsquelle I.9 erzeugtes positives Potential wirkt auf das Halbleitermaterial 12 zwischen den Gate-ElektroOen 9 und 10 und der Source-Elektrode 6. Dadurch erhält der Pfad zwischen der Source- und Drainelektrode 0 und 7 eine höhere Leitfähigkeit, so daß ein höherer Gleichstrom zwischen den beiden genannten Elektroden fließen kann. Durch die zugespitzten Ausbildungsformen der in Fig. 1 dargestellten Elektroden 1st es möglich, das zwischen der Source- und der Drain-Elektrode liegende Halbleitermaterial bezüglich seiner Leltfäiiigkeitseigenschaften besser zu beeinflussen, da das an die Gate-Elektroden angelegte Potential konzentrierter an den gewünschten Bereichen zur Wirkung kommt.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Dieses Halbleiterelement besteht ebenfalls aus dünnen abgelagerten Schichten. Auf einem Tr'igerkörper, z. B. Glas, werden die aus Chrom bestehenden Source- und Drain-Elektroden j52 und.34 durch ein AbIagerungsverfahren in Vakuum gebildet. Sie weisen die gleiche keilförmige Form wie die Elektroden in Fig. 1 auf, und werden anschließend mit Gold be^ch,iohtet... Die Spitzen der Source- und Drain-Elektrqden

_;r3/1507 ; ' :"^v" ^;' ■ - '

AvK ^C ÜA ξ ^bAD ORIGINAL

sind etwa 3/um voneinander entfernt. Kl» ir. Vakuum abgelagertes Halbleitermaterial y^ besitzt mit der Source- und Drain-Elektrode 32 und y\ elektrischen Kontakt. Auf die gleiche Weise wird ein aus Siliziummoneoxyd bestehender iecL-Lator 37 auf das Halbleitermaterial 36 abgelagert. Auf dem Träger 37 werden zwei Gate-Elektroden 36 und 40 aus Aluminium aufgebracht. Die Source-Elektrode 32 ist Jiber einen Leiter 42 und di<--· Drain-Elektrode 3% Über einen Leiter 44 und einen Widerstand 51 mit einer Gleicnspannungsquelle 48 verbunden. Die beiden Leiter können beispielsweise aus einer silberhaltigen, elektrischjleitenden Färb· bestehen.

Das in Fig. 2 dargestellte Feldeffekthalbleiterelement wird mit zwei Spannungsquellen 46 und 48 betrieben. Die steuerbare Wechselspanmtngsquelle 46 ist mit den beiden Gate-Elektroden 38 und 40 verbunden. Das durch die Spannungcquelle 46 an die Elektroden 38 und 40 angelegte Spannungspotential hat eine konzentrierte Wirkung in dem Halbleitermaterial 36. Durch die Wechselspannungsquelle 46 wird entweder ein positives Potential an die Gate-Elektrode 38 in bezug auf die Gate-Elektrode 40 oder ein positives Potential an die Gate-Elektrode 40 in bezug auf die Gate-Elektrode 38 angelegt. Wird an die Gate-Elektrode ^8 ein positives Potential in bezug auf die Gate-Elektrode 40 angelegt, wird der in Nähe der Gate-Elektrode 38 liegende Halbleiterbereich 60 eioe größere Leitfähigkeit erhalten. Dadurch flipUt ein erhöhter Strom zwischen der Source-Elektrode 32 und der Drain-Elektrode J>k über dem Bereich 60. Weist die Gate-Elektrode 40 ein positives Potential in bezug auf die Gate-Elektrode 38 auf, so wird der Bereich 62 des Halbleitermaterials % in der Nähe der Gate-Elektrode 40 leitfähiger. Dadurch fließt ein erhöhter Strom zwischen der Source-Elektrode 32 und der Drain-Elektrode 34 Über den Bereich 62 des Halbleitermaterials 36. Somit fließt ein Gleichstrom zwischen der Source-Elektrode 32 und der Drain-Elektrode 34.

In Fig. 3 ist ein weiteres Feldeffekthalbleiterelement dargestellt, dal als Frequenzmischer verwendet wird. Eine

13.3.1970 1098*3/1507

BAD ORIGINAL

steuerbare erste Spannungsquelle 50 liefert eine erste Mischfrequenz, die an die Gate-Elektrode 38 und an die Source-Elektrode 32 angelegt wird. Die zweite steuerbare Wechselspannungsquelle 50erzeugt eine etwas höhere Frequenz, die zwischen die Gate-Elektrode 40 und die Source-Elektrode 32 angelegt wird. Durch die von der Spannungsquelle 50 erzeugte ', Frequenz wird die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials 36 im Bereich 60 und durch die Frequenz der Spannungsquelle 52 wird die Leitfähigkeit des Halbleitermaterials 36 in Bereich 62 moduliert« Entsprechend dieser Modulation wird der durch die Source- und Drain-Elektroden fließende Gleichstrom verändert. D.h. der zwischen den genannten Elektroden fliesende Oleichstrom verändert sich im Rhythmus der Differenz-Frequenz.

In Fig. 4 wird ein erfindungsgemäßes Feldeffekthalbleiterelement in einem-ODER-Schaltkreis verwendet, Eine erste Gleichspannungsquelle 70 ist mit der Gate-Elektrode 33 über einen Schalter 71 und mit der Source-Elektrode 32 verbunden. Eine zweite Oleichspannungsquelle 72 1st über einen Schalter 73 mit der Source-Elektrode 32 und mit der Gate-Elektrode 40 verbunden. Wenn der Schalter 73 geschlossen ist, fließt ein Strom zwischen der Source-Elektrode 32 und der Drain-Elektrode 34. Zwischen den genannten Elektroden fließt ebenfalls ein Strom* wenn der Schalter 71 oder der Schalter 71 und der Schalter 72 geschlossen ist. Mit diesen Schaltungsmöglichkeiten kann somit eine ODER-Funktion realisiert werden.

In Fig. 5 ist ein UND-Glied dargestellt, in dem ein erfindungsgemäöes Feldeffekthalbleiterelement verwendet wird. Im Gegensatz zu der Schaltung in Fig. 4 ist hier lediglich eine Spahnungsquelle 70 vorhanden, die Über einen Schälter 71 mit der ersten Gate-Elektrode 3& und über einen Schalter 73 mit der zweiten Gate-Elektrode 40verbundenist*In einer Schaltung nach Fig. 5 wird nur dann ein Strom zwischen den Source· und Drsin-Elektrodeh 32 und 34 fließen, wenn beide Schalter 71 und "73. geschlossen sind* Ir* Fig. 5 besteht keine Verbindung «wischen der Source-Elektrode132 und der Spannungequelle 70. Durch das Schließen der beiden Schalter

13.3.1970 109843/1507

6AD ORIGINAL

71 und 73 wird dl· Leitfähigkeit im Bereich 60 des Halbleiter« »aterial« 36 erhöht. Du«*ch Betätigen der beiden Schalter 71 und 73 in Pig· 5 entsprechend der VertaUpfungxTariablen kann •oeit eint WD-Funktibn realisiert werden.

Öle Im vorangehenden beschriebenen Aue führ· mgsbelsplele ^:' können selbst verstund Hch in anderen allgemein bekannten Schaltungstechniken ausgeführt werden. Die Erfindung kann, wie bereits gesagt, in MOS-Halbleitervorrichtung und in gewöhnlichen Feldeffekthalbleitervorrichtungen verwendet werden«

Ebenso beschränkt sioh die Erfindung nicht auf die Anwendung von zwei Qate-Elektroden, denn es können ebenso Vorrichtungen gemäß der Erfindung aufgebaut werden, die eine, drei, vier oder mehrere Gate-Elektroden aufweisen. Durch die erfindungsgemäße Formgebung der Elektroden können die Eigenschaften der Halbleiterelemente wesentlich verbessert werden, d.h. bei größerer Störunempfindlichkeit können Gleichzeitig die Widerstandswerte, z. B. Eingangswiderstand und Sperrwiderstand wesentlich verbessert werden.

BAD ORIGINAL

109U9/1S07

Claims

Patentansprüche:

1. Feldeffekthalbleiterelement mit isolierter Gate-Hlektrode, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder mehrere der Gate-Elektroden (9, lo) eine zugespitzte Form aufweist, und daß die Spitze oder die Spitzen der Gate-Elektroden (6, 7) auf das zwischen den Source» und Drain-Elektroden (6, 7) befindliche Halbleitermaterial (12) gerichtet sind.

2. Halbleiterelement nach Anspruch 1, daduroh gekennzeichnet, daß die zugespitzten Drain-, Source- und Gate-Elektroden (6, 7, 9, 10) als leitende Bereiche auf. einer Isolierschicht (5) abgelagert, werden, oder daß die oder Jede der Elektroden auf eine Isolierschicht (13) abgelagert wird, und daß auf die Elektrodenspitzen die Halbleitermaterialschicht (12) abgelagert wird.

3. Halbleiterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Source- und Drain-Elektroden (Ύ>, 34) als elektrischleitende Bereiche auf einer Isolierschicht (31) abgelagert sind, und auf die Spitzen dieser Elektroden (32, 34) die Halbleiterschicht (36) aufgebracnt wird, und wobei auf die HaIbleiterschlcht (36) die Gate-Elektroden (38, 40) als leitende Bereiche zwischen den Source- und Drain-Elektroden (32, 3*0 so angeordnet werden, daß die Spitzen der Drain-Elektroden (32, 34) aufeihanderzeigen, und die Gate-Elektroden (38, 40) von der Halblelterschicht (36) durch eine abgelagerte Isolierschicht getrennt sind.

4. Halbleiterelement nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Source-

und Drälh-EIeictroden (6, 7) zugespitzte Formen aufweisen,

at deren Spitzen aufeinander gericht/sind.

5. Frequenzmische'r mit einem Feldeffekthalbleiterelenient nach einem oder mehreren der vorangehenden Ansprüche, dadurch

109843/ 1507 BAD ORIGINAL

gekennzeichnet, daß eine erste WachseIepannungsqu·!Ie 50, zwischen tile, Souree-Elektrode (32) und die erste Öate-Ilektrod* (38) und eine zweite WechjeUpannungiquell· (5S) iwieohen dl« Source-Blektrod· (32) und dl« zweite G*te~ ·. Elektrode (40) geschaltet ist.

6. ODER-Verknüpfungssehaltung mit einem Feldefftkthalb· * leiterelement gemÄß der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Gleichspannungequelle (70) zwischen die Source-Slektrode (32) und die erste Gate-Elektrode (58) Über einen Schalter (70) und eine zweite Gleichspannungsquelle (72) zwischen die Souree-Elektrode (32) und die zweite Oat«-Elektrode (40) über einen Schalter (73) angeschaltet sind.

7. , ÜND-Verknüpfungsschaltung mit einem Feldeffekthalbleiterelement gemäß der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichspannungsquelle (70) über einen ersten Schalter (71) mit der ersten Gate-Elektrode (38) und über einen zweiten Schalter (73) mit der zweiten Gate-Elektrode (4o) und die Source- und Drain-Elektroden (32, 3*0 Über einen Widerstand (51) mit einer separaten Gleichspannungsquelle (48) verbunden sind.

BAD ORIGINAL

1139843/1507 13.3.1970

Leerseite