JPH06151989A - 超電導素子 - Google Patents
超電導素子Info
- Publication number
- JPH06151989A JPH06151989A JP4301436A JP30143692A JPH06151989A JP H06151989 A JPH06151989 A JP H06151989A JP 4301436 A JP4301436 A JP 4301436A JP 30143692 A JP30143692 A JP 30143692A JP H06151989 A JPH06151989 A JP H06151989A
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- JP
- Japan
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- gate
- oxide superconductor
- drain
- conductivity
- source
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- Superconductor Devices And Manufacturing Methods Thereof (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】ソース−ドレイン間の耐電圧性に優れる超電導
素子を得る。 【構成】基板上にp型の酸化物超電導体10を設けると
ともに酸化物超電導体10にゲート11を接合する。ゲ
ート11は例えばn型の酸化物超電導体で構成する。酸
化物超電導体10にはソースとドレインを設ける。ゲー
ト11に逆バイアスを印加して酸化物超電導体10内に
空間電荷層40を広がらせる。空間電荷層40の幅によ
り酸化物超電導体10の超電導臨界電流値を変調する。
このように酸化物超電導体10内に広がる空間電荷層に
より超電導電流を制御するのでソースとドレイン間の距
離は任意であり、耐電圧性の良好な超電導素子が得られ
る。
素子を得る。 【構成】基板上にp型の酸化物超電導体10を設けると
ともに酸化物超電導体10にゲート11を接合する。ゲ
ート11は例えばn型の酸化物超電導体で構成する。酸
化物超電導体10にはソースとドレインを設ける。ゲー
ト11に逆バイアスを印加して酸化物超電導体10内に
空間電荷層40を広がらせる。空間電荷層40の幅によ
り酸化物超電導体10の超電導臨界電流値を変調する。
このように酸化物超電導体10内に広がる空間電荷層に
より超電導電流を制御するのでソースとドレイン間の距
離は任意であり、耐電圧性の良好な超電導素子が得られ
る。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は超電導素子に係り、特
に酸化物超電導体を用いる超電導電界効果トランジスタ
に関する。
に酸化物超電導体を用いる超電導電界効果トランジスタ
に関する。
【0002】
【従来の技術】超電導現象は電気抵抗がゼロになること
から、この現象を利用した高速且つ低消費電力の素子の
開発が期待され、種々の構造が提案され、その内のある
ものは実用化されている。そのなかで電圧駆動型の超電
導トランジスタは入力インピーダンスが大きいため駆動
し易く、また入力損失も少ないためその開発が有望視さ
れている。
から、この現象を利用した高速且つ低消費電力の素子の
開発が期待され、種々の構造が提案され、その内のある
ものは実用化されている。そのなかで電圧駆動型の超電
導トランジスタは入力インピーダンスが大きいため駆動
し易く、また入力損失も少ないためその開発が有望視さ
れている。
【0003】図7は従来の電圧駆動型の超電導トランジ
スタを示す要部断面図である。この超電導トランジスタ
はシリコン単結晶基板4上に設けられたヒ素打ち込み部
5を介してソース1とドレイン2を設け、ソース1とド
レイン2の間にゲート酸化膜8によって、絶縁されたゲ
ート3を設けた構造を有し、ゲート3は側壁絶縁膜7と
オーバハング6によって被覆されている。ここで例えば
ソース1とドレイン2は金属超電導体であるNbによっ
て形成され、ゲート3は多結晶シリコンからなり、オー
バハング6と側壁絶縁膜7は窒化シリコンから形成され
る。ゲート酸化膜8は酸化シリコンから形成される。
スタを示す要部断面図である。この超電導トランジスタ
はシリコン単結晶基板4上に設けられたヒ素打ち込み部
5を介してソース1とドレイン2を設け、ソース1とド
レイン2の間にゲート酸化膜8によって、絶縁されたゲ
ート3を設けた構造を有し、ゲート3は側壁絶縁膜7と
オーバハング6によって被覆されている。ここで例えば
ソース1とドレイン2は金属超電導体であるNbによっ
て形成され、ゲート3は多結晶シリコンからなり、オー
バハング6と側壁絶縁膜7は窒化シリコンから形成され
る。ゲート酸化膜8は酸化シリコンから形成される。
【0004】図7に示す超電導トランジスタにおいては
ソース1とドレイン2とからコヒーレント長程度のクー
パ電子対がゲート酸化膜8に滲みだし、上記コヒーレン
ト長をゲート3に印加する電圧の大きさによって変調
し、ソース1とドレイン2をクーパ対によって繋ぐもの
である。コヒーレント長は従来の金属超電導体では数1
0nm程度であり、上述の構造の超電導トランジスタに
おいてはゲート1とドレイン2の間隔を100nm程度
に近接させる必要があった。
ソース1とドレイン2とからコヒーレント長程度のクー
パ電子対がゲート酸化膜8に滲みだし、上記コヒーレン
ト長をゲート3に印加する電圧の大きさによって変調
し、ソース1とドレイン2をクーパ対によって繋ぐもの
である。コヒーレント長は従来の金属超電導体では数1
0nm程度であり、上述の構造の超電導トランジスタに
おいてはゲート1とドレイン2の間隔を100nm程度
に近接させる必要があった。
【0005】図8は従来の超電導トランジスタのソース
−ドレイン電流とソース−ドレイン電圧の関係を示す線
図である。ゲート電圧をパラメータにした特性である。
上記した電圧駆動型の超電導トランジスタの他に電流注
入型の超電導トランジスタも提案されているが電流注入
によるジュール熱のために高速動作ができず又電流利得
が小さいという問題があった。
−ドレイン電流とソース−ドレイン電圧の関係を示す線
図である。ゲート電圧をパラメータにした特性である。
上記した電圧駆動型の超電導トランジスタの他に電流注
入型の超電導トランジスタも提案されているが電流注入
によるジュール熱のために高速動作ができず又電流利得
が小さいという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
電圧駆動型の超電導トランジスタにおいてはコヒーレン
ト長の制限のためゲート長を100nm以下にする要が
ありこのような超電導トランジスタを製造することは困
難である。一方コヒーレント長ξと超電導転移温度Tc
との関係は式(1)で与えられる。
電圧駆動型の超電導トランジスタにおいてはコヒーレン
ト長の制限のためゲート長を100nm以下にする要が
ありこのような超電導トランジスタを製造することは困
難である。一方コヒーレント長ξと超電導転移温度Tc
との関係は式(1)で与えられる。
【0007】
【数1】 ξ∝1/Tc … (1) コヒーレント長ξは転移温度Tcが高い程短くなるので
転移温度が40K以上の酸化物超電導体においてはξは
数nmであるといわれている。従って酸化物超電導体を
用いる超電導トランジスタにおいてはソースとドレイン
間のゲート長は一層短くなり、このようなデバイスを作
ることは極めて困難である。
転移温度が40K以上の酸化物超電導体においてはξは
数nmであるといわれている。従って酸化物超電導体を
用いる超電導トランジスタにおいてはソースとドレイン
間のゲート長は一層短くなり、このようなデバイスを作
ることは極めて困難である。
【0008】この発明は上述の点に鑑みてなされ、その
目的はゲート長の制約のないトランジスタ構造を用いる
ことにより、耐電圧性に優れる超電導電界効果トランジ
スタを提供することにある。
目的はゲート長の制約のないトランジスタ構造を用いる
ことにより、耐電圧性に優れる超電導電界効果トランジ
スタを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば、基板と、第一導電型の酸化物超電導体と、第二
導電型の電導体を有し、第一導電型の酸化物超電導体は
基板上に積層され、第二導電型の電導体は第一導電型の
酸化物超電導体上に積層されて接合部を形成し、第二導
電型の電導体はゲートであり、第一導電型の酸化物超電
導体はソースとドレインと前記接合部とを含むとするこ
とにより達成される。
よれば、基板と、第一導電型の酸化物超電導体と、第二
導電型の電導体を有し、第一導電型の酸化物超電導体は
基板上に積層され、第二導電型の電導体は第一導電型の
酸化物超電導体上に積層されて接合部を形成し、第二導
電型の電導体はゲートであり、第一導電型の酸化物超電
導体はソースとドレインと前記接合部とを含むとするこ
とにより達成される。
【0010】
【作用】酸化物超電導体は金属超電導体に比してキャリ
ア密度が低い(1020cm-3)ことが知られている。従
ってpn接合半導体などでみられるような空間電荷層が
形成される。酸化物超電導体のなかでもLnBa2 Cu
3 Oy (Ln:希土類)は多数キャリアがホールであ
り、Nd2-x Cex CuO4 (x=0.1〜0.2),
BiKBaO,BiPbBaO等は多数キャリアが電子
である。
ア密度が低い(1020cm-3)ことが知られている。従
ってpn接合半導体などでみられるような空間電荷層が
形成される。酸化物超電導体のなかでもLnBa2 Cu
3 Oy (Ln:希土類)は多数キャリアがホールであ
り、Nd2-x Cex CuO4 (x=0.1〜0.2),
BiKBaO,BiPbBaO等は多数キャリアが電子
である。
【0011】多数キャリアの異なる上記二つの酸化物超
電導体を接合すると、接合界面に空間電荷層が形成され
る。この空間電荷層は超電導状態においても常電導状態
においても等しく維持される。空間電荷層の幅dは式
(2),式(3)により与えられる。
電導体を接合すると、接合界面に空間電荷層が形成され
る。この空間電荷層は超電導状態においても常電導状態
においても等しく維持される。空間電荷層の幅dは式
(2),式(3)により与えられる。
【0012】
【数2】 dn =(1/Nd )(2ε0 ε(V+Va ))1/2 (q((1/Na )+(1 /Nd )))-1/2 … (2)
【0013】
【数3】 dp =(1/Na )(2ε0 ε(V+Va ))1/2 (q((1/Na )+(1 /Nd )))-1/2 … (3) ここでdn は多数キャリアが電子である酸化物超電導体
の空間電荷層の幅であり、dp は多数キャリアがホール
である場合の空間電荷層の幅である。Na 、N d は酸化
物超電導体中のアクセプタ濃度、ドナー濃度である。q
は素電荷、Vaは拡散電位、Vは印加電圧、εは誘電率
である。
の空間電荷層の幅であり、dp は多数キャリアがホール
である場合の空間電荷層の幅である。Na 、N d は酸化
物超電導体中のアクセプタ濃度、ドナー濃度である。q
は素電荷、Vaは拡散電位、Vは印加電圧、εは誘電率
である。
【0014】式(2),式(3)は空間電荷層の幅が印
加電圧に依存することを示す。酸化物超電導体の物理定
数はNa =Nd =1×1020cm-3、ε=10、Va =
1Vであるから、空間電荷層の幅はゲート電圧がゼロの
とき、1nmであることがわかる。図2は空間電荷層の
幅と逆方向バイアスゲート電圧との関係を示す線図であ
る。ゲート電圧が大きくなると空間電荷層の幅が増大す
ることがわかる。この場合の空間電荷層はキャリアのな
い空乏層を表す。
加電圧に依存することを示す。酸化物超電導体の物理定
数はNa =Nd =1×1020cm-3、ε=10、Va =
1Vであるから、空間電荷層の幅はゲート電圧がゼロの
とき、1nmであることがわかる。図2は空間電荷層の
幅と逆方向バイアスゲート電圧との関係を示す線図であ
る。ゲート電圧が大きくなると空間電荷層の幅が増大す
ることがわかる。この場合の空間電荷層はキャリアのな
い空乏層を表す。
【0015】このようにしてゲート電圧の大きさにより
空間電荷層の幅を変化させ超電導臨界電流を制御するの
でゲート−ドレイン間の距離は任意の大きさに設定する
ことができ耐電圧に優れる超電導素子を得ることができ
る。
空間電荷層の幅を変化させ超電導臨界電流を制御するの
でゲート−ドレイン間の距離は任意の大きさに設定する
ことができ耐電圧に優れる超電導素子を得ることができ
る。
【0016】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明
する。 実施例1 図1はこの発明の実施例に係る超電導素子を示す断面図
である。基板9上に酸化物超電導体10であるYBa2
Cu3 Oy を積層する。YBa2 Cu3 Oy はp型の酸
化物超電導体である。酸化物超電導体10にはソースと
ドレインが形成される。ソースとドレインにはそれぞれ
ソース電極12とドレイン電極13が設けられる。酸化
物超電導体10の上にはn型の酸化物超電導体であるN
d2-x Cex CuO4 が形成される。これはゲート11
となる。ゲート11にはゲート電極14が形成される。
ゲート電極にはプラスの電圧が印加される。このときゲ
ート11と酸化物超電導体10の接合面に形成される空
間電荷層の幅が増大する。
する。 実施例1 図1はこの発明の実施例に係る超電導素子を示す断面図
である。基板9上に酸化物超電導体10であるYBa2
Cu3 Oy を積層する。YBa2 Cu3 Oy はp型の酸
化物超電導体である。酸化物超電導体10にはソースと
ドレインが形成される。ソースとドレインにはそれぞれ
ソース電極12とドレイン電極13が設けられる。酸化
物超電導体10の上にはn型の酸化物超電導体であるN
d2-x Cex CuO4 が形成される。これはゲート11
となる。ゲート11にはゲート電極14が形成される。
ゲート電極にはプラスの電圧が印加される。このときゲ
ート11と酸化物超電導体10の接合面に形成される空
間電荷層の幅が増大する。
【0017】酸化物超電導体10の膜厚はゲート電圧と
空間電荷層の幅との関係により決定される。例えばゲー
ト電圧を10Vに設定して酸化物超電導体10に流れる
超電導電流をゼロにするときは式(3)の関係により
3.5nmの膜厚が選ばれる。図3はこの発明の実施例
に係る超電導素子のソース−ドレイン電流とソース−ド
レイン電圧の関係を示す線図である。ゲート電圧を増大
するに従って酸化物超電導体10とゲート11との接合
面に生成する空間電荷層が広がり超電導領域が減少す
る。そのために臨界電流値が小さくなる。ゲート電圧1
0Vにおいては臨界電流値はゼロになる。このようにし
てゲート電圧により臨界電流値を変調する超電導電界効
果トランジスタが得られる。 実施例2 図4はこの発明の異なる実施例に係る超電導素子を示す
断面図である。基板9に上に酸化物超電導体19が積層
される。ソースとドレインの上にはそれぞれソース電極
12とドレイン電極13が形成される。酸化物超電導体
19の上には半導体を用いるゲート20が形成される。
酸化物超電導体19はYBa2 Cu3 O y が用いられ
る。ゲート20の半導体は酸化物超電導体19のアクセ
プタと同程度かそれ以上のドナー濃度を有する半導体が
用いられる。式(3)により与えられる空間電荷層は酸
化物超電導体19に広がり、その幅は印加電圧に依存す
る。このようにして酸化物超電導体19を流れる電流を
制御することができる。 実施例3 図5はこの発明のさらに異なる実施例に係る超電導素子
を示す断面図である。基板9の上にゲート30と酸化物
超電導体29とが積層される。ゲート30と酸化物超電
導体29はストライプ状で相互にクロスして設けられ
る。ゲート30には同一の極性の電圧が印加される。ゲ
ート30と酸化物超電導体29の接合部が酸化物超電導
体29を挟む形となるので空間電荷層の幅は単一の接合
部の場合に比し倍増する。酸化物超電導体29をp型の
YBa2 Cu3 Oy とし、ゲート30をn型のNd2-x
Cex CuO4 で形成し、酸化物超電導体29の膜厚を
3.5nmとするとき空間電荷層の幅が全体で3.5n
mとなるゲート電圧は1.8Vとなる。このとき超電導
臨界電流はゼロとなる。
空間電荷層の幅との関係により決定される。例えばゲー
ト電圧を10Vに設定して酸化物超電導体10に流れる
超電導電流をゼロにするときは式(3)の関係により
3.5nmの膜厚が選ばれる。図3はこの発明の実施例
に係る超電導素子のソース−ドレイン電流とソース−ド
レイン電圧の関係を示す線図である。ゲート電圧を増大
するに従って酸化物超電導体10とゲート11との接合
面に生成する空間電荷層が広がり超電導領域が減少す
る。そのために臨界電流値が小さくなる。ゲート電圧1
0Vにおいては臨界電流値はゼロになる。このようにし
てゲート電圧により臨界電流値を変調する超電導電界効
果トランジスタが得られる。 実施例2 図4はこの発明の異なる実施例に係る超電導素子を示す
断面図である。基板9に上に酸化物超電導体19が積層
される。ソースとドレインの上にはそれぞれソース電極
12とドレイン電極13が形成される。酸化物超電導体
19の上には半導体を用いるゲート20が形成される。
酸化物超電導体19はYBa2 Cu3 O y が用いられ
る。ゲート20の半導体は酸化物超電導体19のアクセ
プタと同程度かそれ以上のドナー濃度を有する半導体が
用いられる。式(3)により与えられる空間電荷層は酸
化物超電導体19に広がり、その幅は印加電圧に依存す
る。このようにして酸化物超電導体19を流れる電流を
制御することができる。 実施例3 図5はこの発明のさらに異なる実施例に係る超電導素子
を示す断面図である。基板9の上にゲート30と酸化物
超電導体29とが積層される。ゲート30と酸化物超電
導体29はストライプ状で相互にクロスして設けられ
る。ゲート30には同一の極性の電圧が印加される。ゲ
ート30と酸化物超電導体29の接合部が酸化物超電導
体29を挟む形となるので空間電荷層の幅は単一の接合
部の場合に比し倍増する。酸化物超電導体29をp型の
YBa2 Cu3 Oy とし、ゲート30をn型のNd2-x
Cex CuO4 で形成し、酸化物超電導体29の膜厚を
3.5nmとするとき空間電荷層の幅が全体で3.5n
mとなるゲート電圧は1.8Vとなる。このとき超電導
臨界電流はゼロとなる。
【0018】図6はこの発明のさらに異なる実施例に係
る超電導素子のソース−ドレイン電流とソース−ドレイ
ン電圧の関係を示す線図である。ゲート電圧は0,0.
5V,1.8Vの三段階に変化している。ゲート電圧1
0Vで臨界電流値がゼロになる酸化物超電導体の膜厚は
7.0nmとなるので酸化物超電導体の膜厚を大きくで
き超電導素子の調製がより容易となる。
る超電導素子のソース−ドレイン電流とソース−ドレイ
ン電圧の関係を示す線図である。ゲート電圧は0,0.
5V,1.8Vの三段階に変化している。ゲート電圧1
0Vで臨界電流値がゼロになる酸化物超電導体の膜厚は
7.0nmとなるので酸化物超電導体の膜厚を大きくで
き超電導素子の調製がより容易となる。
【0019】
【発明の効果】この発明によれば基板と、第一導電型の
酸化物超電導体と、第二導電型の電導体を有し、第一導
電型の酸化物超電導体は基板上に積層され、第二導電型
の電導体は第一導電型の酸化物超電導体と接合部を形成
し、第二導電型の電導体はゲートであり、第一導電型の
酸化物超電導体はソースとドレインと前記接合部とを含
むので、第一導電型の酸化物超電導体と、第二導電型の
電導体の接合部にゲートを介して逆バイアス電圧を印加
すると第一導電型の酸化物超電導体内に空間電荷層が広
がり、この空間電荷層の広がりを利用して超電導臨界電
流を変調できるのでソース−ドレイン間の距離は任意の
大きさに設定でき耐電圧に優れる超電導素子が得られ
る。
酸化物超電導体と、第二導電型の電導体を有し、第一導
電型の酸化物超電導体は基板上に積層され、第二導電型
の電導体は第一導電型の酸化物超電導体と接合部を形成
し、第二導電型の電導体はゲートであり、第一導電型の
酸化物超電導体はソースとドレインと前記接合部とを含
むので、第一導電型の酸化物超電導体と、第二導電型の
電導体の接合部にゲートを介して逆バイアス電圧を印加
すると第一導電型の酸化物超電導体内に空間電荷層が広
がり、この空間電荷層の広がりを利用して超電導臨界電
流を変調できるのでソース−ドレイン間の距離は任意の
大きさに設定でき耐電圧に優れる超電導素子が得られ
る。
【図1】この発明の実施例に係る超電導素子を示す断面
図
図
【図2】空間電荷層り幅と逆方向バイアスゲートとの関
係を示す線図
係を示す線図
【図3】この発明の実施例に係る超電導素子のソース−
ドレイン電流とソース−ドレイン電圧の関係を示す線図
ドレイン電流とソース−ドレイン電圧の関係を示す線図
【図4】この発明の異なる実施例に係る超電導素子を示
す断面図
す断面図
【図5】この発明のさらに異なる実施例に係る超電導素
子を示す断面図
子を示す断面図
【図6】この発明のさらに異なる実施例に係る超電導素
子のソース−ドレイン電流とソース−ドレイン電圧の関
係を示す線図
子のソース−ドレイン電流とソース−ドレイン電圧の関
係を示す線図
【図7】従来の電圧駆動型の超電導トランジスタを示す
要部断面図
要部断面図
【図8】従来の超電導トランジスタのソース−ドレイン
電流とソース−ドレイン電圧の関係を示す線図
電流とソース−ドレイン電圧の関係を示す線図
1 ソース 2 ドレイン 3 ゲート 4 基板 5 ヒ素イオン打ち込み部 6 オーバハング 7 側壁絶縁膜 8 ゲート酸化膜 9 基板 10 酸化物超電導体 11 ゲート 12 ソース電極 13 ドレイン電極 14 ゲート電極 19 酸化物超電導体 20 ゲート 29 酸化物超電導体 30 ゲート 40 空間電荷層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大井 明彦 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 (72)発明者 津田 孝一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 (72)発明者 向江 和郎 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内
Claims (5)
- 【請求項1】基板と、第一導電型の酸化物超電導体と、
第二導電型の電導体を有し、 第一導電型の酸化物超電導体は基板上に積層され、 第二導電型の電導体は第一導電型の酸化物超電導体と接
合部を形成し、 第二導電型の電導体はゲートであり、 第一導電型の酸化物超電導体はソースとドレインと前記
接合部とを含むことを特徴とする超電導素子。 - 【請求項2】請求項1記載の超電導素子において、第一
導電型の酸化物超電導体はp型のLnBa2 Cu3 Oy
(Lnは希土類元素)であることを特徴とする超電導素
子。 - 【請求項3】請求項1記載の超電導素子において、第二
導電型の電導体はn型の酸化物超電導体であるNd2-x
Cex CuOy であることを特徴とする超電導素子。 - 【請求項4】請求項1記載の超電導素子において、第二
導電型の電導体はn型の半導体であることを特徴とする
超電導素子。 - 【請求項5】請求項1記載の超電導素子において、接合
部は第一導電型の酸化物超電導体の一部を挟持してなる
ことを特徴とする超電導素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4301436A JPH06151989A (ja) | 1992-11-12 | 1992-11-12 | 超電導素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP4301436A JPH06151989A (ja) | 1992-11-12 | 1992-11-12 | 超電導素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH06151989A true JPH06151989A (ja) | 1994-05-31 |
Family
ID=17896867
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP4301436A Pending JPH06151989A (ja) | 1992-11-12 | 1992-11-12 | 超電導素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH06151989A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6459142B1 (en) * | 1998-01-14 | 2002-10-01 | Infineon Technologies Ag | Power MOSFET |
-
1992
- 1992-11-12 JP JP4301436A patent/JPH06151989A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6459142B1 (en) * | 1998-01-14 | 2002-10-01 | Infineon Technologies Ag | Power MOSFET |
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