JP2741774B2 - 絶縁ゲート型静電誘導トランジスタ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、負性抵抗特性を示すエンハンスメントモ
ード絶縁ゲート型静電誘導トランジスタに関する。

〔従来の技術〕

負性抵抗特性を示す半導体素子として、いわゆるトン
ネルダイオードが知られている。このトンネルダイオー
ドは、P⁺N⁺接合において量子力学的トンネル効果により
流れる電流を利用して負性抵抗特性をもたせるようにし
た素子である。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、トンネルダイオードはトランジスタで
はないので、第３の電極（制御電極）により負性抵抗特
性を制御するようなことはできない。光照射を断続する
ことにより、負性抵抗特性自体を断続するような制御も
勿論できない。

半導体装置が広く実用されている昨今、高度な利用形
態が可能な高機能半導体装置の出現が強く望まれてい
る。

この発明は、上記の事情に鑑み、第３の電極による負
性抵抗特性の制御が可能であり、光照射の断続により負
性抵抗特性自体の断続も可能な絶縁ゲート型静電誘導ト
ランジスタを提供することを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題を解決するため、この発明は以下の構成をと
るようにしている。すなわち、絶縁膜を介してゲート電
極により電位制御されるベース領域が静電誘導特性をも
たせられるように短い幅で形成されているとともに、前
記ベース領域表面のチャネル用域、ゲート絶縁膜および
ゲート電極で構成されるMIS構造がエンハンスメント特
性を備えているこの発明の絶縁ゲート型静電誘導トラン
ジスタは、前記ベース領域およびその両側の領域で構成
される寄生バイポーラトランジスタが前記半導体基板表
面近傍には存在して前記MIS構造に並列に接続された状
態となっているとともに、この寄生バイポーラトランジ
スタが光照射によってキャリアをベース領域のうちに生
成するようになっており、同寄生バイポーラトランジス
タは前記キャリアをベース電流として動作するようにな
っているのである。

〔作用〕

この発明の絶縁ゲート型静電誘導半導体トランジスタ
（以下、「静電誘導トランジスタ」という）では、エン
ハンスメントモードであるため、ゲート電圧がしきい値
電圧よりも低い場合にはチャネルが実質的に形成されな
いため、ドレイン電流が流ないはずであるが、そのベー
ス領域へ光照射がなされている時は、MIS構造に並列に
接続された寄生バイポーラトランジスタ（以下、「寄生
トランジスタ」という）に光照射により発生するキャリ
アがベース電流として供給されており、したがって、寄
生トランジスタにはコレクタ電流が流れ、このコレクタ
電流が静電誘導トランジスタのドレイン電流となって流
れる。しかし、静電誘導トランジスタでは、ドレイン電
極の電圧（ドレイン電圧）の上昇につれベース領域が空
乏化し、これに伴い寄生バイポーラトランジスタのベー
ス抵抗が増大し、このため、ドレイン電圧の上昇に伴い
前記コレクタ電流は一定のドレイン電圧を越えると減少
するという事態が起こる。つまり、ドレイン電圧の上昇
に伴いドレイン電流が増加するのではなく逆に減少する
という負性抵抗特性が発現するのである。

一方、静電誘導トランジスタに光照射がなされていな
い場合、寄生トランジスタにはベース電流となるキャリ
アが供給されない。そのため、静電誘導トランジスタ
は、上記寄生トランジスタのドレイン電圧上昇に伴うコ
レクタ電流の減少作用による負性抵抗特性を示さない。
つまり、光照射を断たれている場合には、単なる静電誘
導トランジスタとして動作するのにとどまるのである。

〔実施例〕

以下、この発明の実施例を、図面を参照しながら説明
する。

第１図は、この発明のエンハンスメントモードの二重
拡散縦型静電誘導トランジスタをあらわす。第４図は、
この静電誘導トランジスタの等価回路をあらわす。

この静電誘導トランジスタは、エンハンスモード二重
拡散MIS構造を備え、同MIS構造に並列に接続された寄生
トランジスタが半導体基板10表面部分に存在している。

半導体基板10の表面部分には、ベース領域（Ｐ領域）
15とその内側に形成されたソース領域（N⁺領域）12がい
わゆる不純物二重拡散により設けられ、ベース領域15外
側のN^-領域はN⁺領域17と共にドレイン領域（N^-領域）16
となっている。二重拡散によるベース領域15の幅は半導
体基板10裏面のドレイン電極18からの静電誘導効果が及
ぶように十分に短く（薄く）なっている。

MIS構造はベース領域15表面のチャネル用域CH、ゲー
ト絶縁膜14およびゲート電極13で構成されており、ベー
ス領域15はゲート絶縁膜14を介してゲート電極13により
電位制御されるようになっている。このMIS構造は、ベ
ース領域15の不純物濃度等の調整により、ゲート電圧Vg
＝０の状態でチャネルが閉じているエンハンスメントモ
ードとされている。

一方、MIS構造に並列に接続された寄生トランジスタ
は、ソース領域12をエミッタ、ベース領域15をベース、
ドレイン領域16をコレクタとするトランジスタである。

他方、静電誘導トランジスタでは、ベース領域15に光
を照射することによりベース領域15にキャリアが発生す
るようになっている。例えば、Alからなるソース電極11
が絶縁層14′の上を覆わずに上方から照射された光がベ
ース領域15に達することができるようになっている。ま
た、さらに静電誘導トランジスタ全体が樹脂等で封止さ
れ照射光を外部から導入する場合には、光が通る部分に
透明樹脂材料を用いたりする。

以上のように構成された静電誘導トランジスタは、主
絶縁ゲート型のトランジスタT1に寄生トランジスタT2が
並列に接続されたかたちとなっており、等価回路で示す
と、第４図のようになる。

続いて、上記静電誘導トランジスタの動作を説明す
る。

まず、静電誘導トランジスタに光照射がなされる場合
の動作から述べる。

ゲート電極13に加わるゲート電圧Vgがしきい値電圧Vt
h以下の場合、光照射がなされた状態であれば、つぎの
ような負性抵抗特性があらわれる。

第５図は、ゲート電圧Vg＝０の場合のドレイン電圧−
ドレイン電流特性曲線をあらわす。上に位置する曲線ほ
ど光照射強度が高い。

この場合、ゲート電圧がしきい値電圧以下であるから
チャネルは閉じており、第３図に示すチャネル電流Imは
事実上流れず、ドレイン電流は寄生トランジスタのコレ
クタ電流Icが支配的であり、ドレイン電圧がVd1以下の
場合、光照射に伴いベース領域15で発生した電子・ホー
ル対のうちホールがベース電流として寄生トランジスタ
に供給されコレクタ電流が流れるため、バイポーラトラ
ンジスタ特性に準じたかたちでドレイン電流が流れる。
一方、ドレイン電圧が電圧Vd1を越えるようになると、
ベース領域15が殆ど空乏化しベース抵抗Rbが増加して逆
にコレクタ電流が減少し、第５図にみるように、ドレイ
ン電圧が上昇するにもかかわらずドレイン電流が減少す
るという負性抵抗特性があらわれるのである。

なお、第５図にみるように、光照射強度が高いほどド
レイン電流が多いのは、生成する電子・ホール対が増え
ベース電流量が増加するからである。また、第５図の場
合、ドレイン電圧−ドレイン電流特性曲線には電圧Vd1
近傍でコブが生じる。これは、ゲート電圧Vg＝０の場
合、第６図にみるように、ベース領域15全体が空乏化し
ておらず、チャネル（反転層）も形成されていないた
め、ドレイン電圧の上昇に伴いアーリー効果によるドレ
イン電流の増加があるからである。

第７図は、ゲート電圧Vg＞０の場合のドレイン電圧−
ドレイン電流特性曲線をあらわす。やはり、上に位置す
る曲線ほど光照射強度が高い。

ドレイン電圧が電圧Vd1以下では、光照射に伴い発生
するキャリアがベース電流となり寄生トランジスタにコ
レクタ電流が流れ、その結果、バイポーラトランジスタ
特性に準じたかたちでドレイン電流が流れる。ドレイン
電圧が電圧Vd1を越えると、ベース領域15が殆ど空乏化
しベース抵抗Rbが増えコレクタ電流が減り、第７図にみ
るように、負性抵抗特性があらわれる。

ただ、先の場合と違って、ドレイン電圧−ドレイン電
流特性曲線にコブが生じない。これは、第８図にみるよ
うに、ゲート電圧Vg＞０の場合、ベース領域15の界面に
極く近い所に電流通路が形成され、ドレイン電圧を上げ
ていくと空乏層は界面よりもベース領域内部へ広がり、
先のようなベース幅が減少することによるアーリー効果
がないからである。

第９図は、光照射強度を一定にして、しきい値電圧Vt
h≧ゲート電圧Vg≧０の場合のドレイン電圧−ドレイン
電流特性曲線を示す。上の曲線ほど高いゲート電圧であ
る。ドレイン電圧が電圧Vd1よりも低いうちは、第10図
（ａ）にみるように、ベース領域15内では空乏層がまだ
支配的でなくベース抵抗Rbは小さいが、ドレイン電圧が
電圧Vd1を越えるようになると、第10図（ｂ）にみるよ
うに、ベース領域15内で空乏層が支配的となりベース抵
抗Rbが増え、負性抵抗特性があらわれる。

第９図において、ゲート電圧Vg＝０の場合のドレイン
電圧−ドレイン電流特性曲線にコブがみられ、ゲート電
圧Vg＞０の場合のドレイン電圧−ドレイン電流特性曲線
にコブがみられないのは、勿論、アーリー効果の有無に
よるものである。ゲート電圧が大きくなれば、チャネル
用域CHでは絶縁膜側の電位が低く電子が流れやすいた
め、ドレイン電流が多くなる。

第11図は、光照射強度を一定にして、０≧ゲート電圧
Vg≧−Vg1の範囲でのドレイン電圧−ドレイン電流曲線
を示す。右の曲線ほど低いゲート電圧である。ゲート電
圧Vg＝０でドレイン電圧−ドレイン電流特性曲線にコブ
が見られない場合（第11図の場合）でも、ゲート電圧Vg
が０より少し低くなると、第13図（ａ）にみるように、
電流通路がベース領域15内になり、ドレイン電圧の変化
によりベース幅が変化するようになり、アーリー効果が
起きて、ドレイン電圧−ドレイン電流特性曲線にコブが
現れる。

ゲート電圧Vgの減少につれ電流通路がさらにベース領
域15内になる一方、ベース電流たるホールを引きつける
作用が高まり、ベース抵抗Rbが減少しベース電流が増
え、コレクタ電流すなわちドレイン電流は多くなる。し
かし、ゲート電圧Vgが−Vg1まで下がると、空乏層がベ
ース領域15内部で支配的となり（第13図（ｂ）に示す状
態）、もはやベース抵抗Rbが減少させられなくなる。

そして、ゲート電圧Vgが−Vg1になると、電流通路が
さらに奥深くに移動し（第13図（ｃ）に示す状態）、ド
レイン電圧を大きくしないとバイポーラトランジスタ特
性に準じた動作をしない。そのため、第12図にみるよう
に、負性抵抗特性があらわれるドレイン電圧範囲もより
高いところに移る。

なお、光照射がある場合でも、ゲート電圧Vgがしきい
値電圧よりも高いと、チャネルが形成され、チャネル電
流Imが支配的になり、寄生トランジスタのコレクタ電流
Icの減少分が相殺され負性抵抗特性が事実上あらわれな
くなる。

続いて、光照射のない場合の静電誘導トランジスタの
動作について説明する。

光照射のない場合、寄生トランジスタにはベース電流
としてのャリアの供給がなく、寄生トランジスタのコレ
クタ電流分が実質的ない。そのため、第14図にみるよう
に、MIS構造がエンハンスメントモードであるため、ゲ
ート電圧Vgがしきい値電圧Vth以上のときにチャネルが
形成され、チャネル電流がドレイン電流として流れる。
勿論、ベース領域15はドレイン電圧による静電誘導効果
が十分に及ぶ薄い厚みであるから、ドレイン電圧−ドレ
イン電流特性曲線は、第14図にみるように、指数関数的
に増加する特性をもつと同時に不飽和特性をもつ。な
お、比較のために、ゲート電圧Vgがしきい値電圧Vth以
下の条件の下で光照射をした場合のドレイン電圧−ドレ
イン電流特性曲線を、第15図にあらわす。光の照射がな
い場合、第15図に示すような負性抵抗特性はあらわれな
いのである。

この発明は上記実施例に限らない。静電誘導トランジ
スタが、第２図にみるように、エンハンスメントモード
の二重拡散横型静電誘導トランジスタであってもよい。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、この発明の静電誘導トランジス
タは、MIS構造に並列に接続された寄生トランジスタを
巧みに利用することにより、ゲート電極およびドレイン
電極により制御可能な負性抵抗特性を有し、負性抵抗特
性自体の断続が可能な高機能半導体素子である。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の静電誘導トランジスタの一例をあら
わす概略断面図、第２図は、この発明の静電誘導トラン
ジスタの他の例をあらわす概略断面図、第３図は、前記
一例の静電誘導トランジスタのMIS構造部分を示す概略
断面図、第４図は、前記一例の静電誘導トランジスタの
等価回路図、第５図、第７図、第９図、第11図、第12図
および第15図は、それぞれ、前記一例の静電誘導トラン
ジスタの光照射時のドレイン電圧−ドレイン電流特性を
あらわすグラフ、第６図、第８図、第10図（ａ），
（ｂ）および第13図（ａ），（ｂ），（ｃ）は、光照射
の際の動作状態におけるMIS構造部分を示す概略断面
図、第14図は、前記一例の静電誘導トランジスタの非光
照射時のドレイン電圧−ドレイン電流特性をあらわすグ
ラフである。 10…半導体基板、12…ソース領域、13…ゲート電極、14
…絶縁膜、15…ベース領域、16…ドレイン領域、18…ド
レイン電極、CH…チャネル用域、T2…寄生トランジスタ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁膜を介してゲート電極により電位制御
   されるベース領域が静電誘導特性をもたせられるように
   短い幅で形成されているとともに、前記ベース領域表面
   のチャネル用域、ゲート絶縁膜およびゲート電極で構成
   されるMIS構造がエンハンスメント特性を備えている絶
   縁ゲート型静電誘導トランジスタにおいて、前記ベース
   領域およびその両側の領域で構成される寄生バイポーラ
   トランジスタが前記半導体基板表面近傍には存在して前
   記MIS構造に並列に接続された状態となっているととも
   に、この寄生バイポーラトランジスタが光照射によって
   キャリアをベース領域のうちに生成するようになってお
   り、同寄生バイポーラトランジスタは前記キャリアをベ
   ース電流として動作するようになっていることを特徴と
   する絶縁ゲート型静電誘導トランジスタ。