SU1749955A1 - Твердотельное устройство - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к полупроводниковой электронике и может быть использовано в системах преобразовани  информации. Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей устройства за счет формировани  дополнительных цепей управлени . Твердотельное устройство содержит структуру с туннельным р-п-пе- реходом, образованным подложкой р44(п44)-типа и п4+(р+4)-слоем, расположенным на поверхности подложки. На )- слое расположен слой п(р)-типа, выполненный из материала более широкозонного , чем материал . На поверхности п(р)-сло  на рассто нии L расположены два омических контакта. Третий омический контакт сформирован на другой поверхности подложки. Толщины Н и h слоев )- и п(р)-типа соответственно определены соотношени ми ID H U и h , где LI и - диффузионные длины носителей зар да в сло х ) и n(p); ID - дебаевска  длина экранировани  зар да в п р -слое. Устройство имеет три канала управлени  (один оптический и два электрических ) и может выполн ть функции ключевого элемента с управл емым порогом срабатывани , логического умножени  и сложени , автогенератора и бистабильного элемента. 7 ил. w fe

Description

Изобретение относитс  к полупроводниковой электронике и может быть использовано , в частности в ключевых схемах, логических устройствах, системах преобразовани  информации (анзлогово-частотных преобразовател х).

Известно твердотельное устройство, содержащее полупроводниковый кристалл с туннельным p-n-переходом и контактами к р- и n-област м. При подаче на контакты разности потенциалов, превышающей пороговую , неустойчивость про вл етс  в виде колебаний либо переключени  из

состо ни  с малой в состо ние с высокой проводимостью. Тип неустойчивости (генераци , переключение), реализуемой в устройстве на основе туннельных структур, на практике задаетс  с помощью внешних пассивных и активных элементов. Переключение состо ний туннельных диодных структур происходит с высоким быстродействием как за счет малой инерционности туннельного p-n-перехода, так и за счет низкого сопротивлени  п- и р-областей.

Конструктивное исполнение известных туннельных структур определ ет их функци2

ч

Ч)

с  ел

нальное назначение. Так, наиболее широое применение наход т туннельные диоды, одержащие сильно легированные п- и р-об- асти и омические контакты к этим облат м . На основе таких диодов создают енераторы, переключатели и усилители, работающие в высокочастотном диапазоне.

К недостаткам этих устройств можно отнести следующие. Изменение частоты колебаний , а также функции устройства, например переход из генераторного в ключевой режим, достигаетс  только с помощью замены внешних элементов или подачей на контакты напр жени  другой величины . Таким образом, при применении описанных туннельных диодных структур невозможно осуществить дистанционное бесконтактное управление режимами его работы, что сужает область их применимости . Кроме того, подключение ч устройству внешних пассивных или активных управл ющих элементов усложн ет электронную схему в целом, повышает ее массогабарит- ные показатели.

Цель изобретени  - расширение функциональных возможностей за счет формировани  дополнительных цепей управлени .

На фиг.1 приведена схема структуры устройства; на фиг.2-7 - кривые зависимостей тока j вдоль p-n-перехода и тока i через p-n-переход от величины U разности потенциалов на р-п-переходе.

Кривые на фиг.2 и 3,4 и 5, 6 и 7 соответствуют случа м малого, среднего и большого уровней подсветки.

Структура включает р -область 1 (подложка ), п -слой 2, п-слой 3, омические контакты 4 и 5 к n-слою и омический контакт 6 к подложке.

При подключении к контактам 4 и 5 структуры (фиг.1) источника Е питани  в структуре происходит перераспределение потенциалов таким образом, что суммарный ток через p-n-переход равен нулю. В рассматриваемой структуре потенциал ро в сло х 2 и 3 можно считать завис щим только от координат вдоль слоев. При этом в силу сильного легировани  подложки 1 распределение потенциала (рр в ней однородно. Таким образом, разность р рр - р0 потенциалов на p-n-переходе распределена так, что часть p-n-перехода смещена в пр - мом, а часть вблизи контакта 5 - в обратном направлении, т.е. потенциал подложки оказываетс  в пределах 0 фр Е. Вдоль р-п- перехода по сло м 2 и 3 протекает суммарный ток j, определ емый распределением потенциала в этих сло х. В отсутствии подсветки св зь между J и разностью потенциалов на p-n-переходе имеет вид,. приведенный на фиг.З. В силу равенства нулю суммарного тока через р-п-переход

значени  j в области контактов 4 и 5 (токи в точках а и b на графике фиг.З) равны току в цепи питани . При этом разность потенциалов между точками b и а равна Д(р рр - р0 - Е. Вольт-амперна  характеристика определ етс  интегральным уравнением

v

L- /(L/J)Ay,

, Vr

где L - рассто ние между контактами 4 и 5. Баланс токов в p-n-переходе характеризуетс  соотношением

Р

Оп-м) i($dp,

Vp-t

где In величина тока через контакт 6 (в случае отключенной подложки п 0. Анализ уравнений показывает, что ВАХ не имеет особенностей типа S- или М-ветвей,

5 несмотр  на то, что зависимость плотности тока (у) (фиг.2) обладает участком отрицательного дифференциального сопротивлени . В силу этого электрическое состо ние образца устойчиво относительно флуктуа0 ций д Е напр жени  и тока 51 на контактах структуры. Равновесное распределение j(0) устойчиво также и к флуктуаци м потенциала подложки и отклонений д In суммарного тока в p-n-переходе от состо ни  равнове5 си . Таким образом, в отсутствии подсветки подача смещени  на омические контакты, расположенные на поверхности сло  3, не приводит к возникновению неустойчивости в структуре.

0 при освещении образца светом из области собственного поглощени  материала структуры в последней генерируетс  фото- ток д, привод щий к уменьшению тока i при заданной величине р. При некотором поро5 говом уровне Рпор освещенности величина g становитс  больше, чем Мин (значение тока i во впадине ВАХ i($) туннельного перехода ), и при смещени х р #Vi0p возникает участок I 0 (фиг.4), а на зависимости J2(#) 0 дополнительные экстремумы. При малых напр жени х существует два устойчивых состо ни  (aibi) и (aaba), отличающихс  значением потенциала подложки tpp. При превышении Е пороговой величины Епор (Е Епор) структура находитс  в неустойчивом состо нии (азЬз) или (a4b-i), про вл ющемс  в генерации электрических колебаний или переключении электрического состо ни . При дальнейшем увеличении Е (Е Епор)

структура оп ть переходит в устойчивое состо ние (agbs). Таким образом, существует диапазон напр жений

Епор Е Емакс1

в котором при включении подсветки проис- ходит возбуждение неустойчивостей. Кроме перечисленных состо ний, в структуре может быть реализовано состо ние (aebe). характеризующеес  периодическим распределением потенциала р вдоль п- сло . Состо ние (aebe) переходит при увеличении напр жени  Е в состо ние (азЬз) или (). При высоких уровн х подсветки Р Рмэкс, Рмакс - значение Р, когда фототок g через p-n-переход превышает значение макс (фиг.4), ВАХ I(E) однозначна и не имеет особенностей. При заданном Е в структуре устанавливаетс  равновесное распределение потенциалов, устойчивое к возмущени м 5E.5l, , .

Таким образом, возбуждение электрических неустойчивостей, про вл ющихс  в виде колебаний тока или напр жени  во внешней цепи либо переключени  электрического сопротивлени  туннельной структу- ры, происходит бесконтактным способом. Измен   интенсивность светового потока возможно осуществить дистанционное управление электрическим состо нием образца . Помимо управлени  электрическим состо нием структуры с помощью изменени  интенсивности светового потока возможно также осуществл ть переключение структуры из одного устойчивого (относительно малых флуктуации) состо ни  в дру- гое путем подачи на контакт 6 к подложке импульса напр жени , равного по величине разности значений р в различных экстремумах (при посто нных Е и мощности светового потока), например из состо ни  (aibi)

В СОСТОЯНИе (32Ьа) ИЛИ ИЗ СОСТОЯНИЯ (Э2Ь2) В

состо ние (aebe). Такие переключени  реализуютс  при напр жени х Е 4Епор и Рпор Р Рмакс и имеют порог относительно амплитуды импульса напр жени , подаю- щегос  «а подложку.

Конструкци  устройства обеспечивает высокую фоточувствительность при услови х

ID Н Li, h L2, Е92 Едз,

где Li и U - диффузионные длины носителей;

Н и h - толщины слоев;

Е д2 и Едз - ширины запрещенных зон слоев 2 и 3 соответственно;

ID дебоевска  длина экранированна  зар да в слое 2.

Освещение поверхности структуры в Области собственного поглощени  материала

сло  2 вызывает генерацию электронно-дырочных пар в этом слое и.фотопотока в тун- нельном p-n-переходе. При энергии квантов света Ё92 L О) Едз слой 3 практически прозрачен дл  такого излучени , что способствует высокой квантовой эффективности преобразовани  свет- электричество в слое 2.

П р и м е р. На подложке GaAs с ориентацией (100), легированной Zn с концентрацией Р 5 1019 , методом жидкофазной эпитаксии выращен слой GaAs, легированный Ga с концентрацией N 5 -1018 , а затем слой GaL-xAlxAs (x 0.15) n-типа проводимости , легированный Те с концентрацией 3 -10 см , толщиной h - 5 мкм.

На поверхность n-сло  исходной структуры наносилс  слой SI02 и в диэлектрике вскрывались окна под металлические контакты . Дл  создани  контактов использовалась композици  AuCr, напыленна  на структуру в вакууме. После операций по вытравлению контактных площадок на поверхность подложки наносилс  слой Аи; Ge и проводилось вжигание контактов. Последней операцией  вл лось вытравливание ме- заструктур со стороны n-сло  на глубину, превышающую глубину p-n-перехода. Размер мезаструктур составл л 100 х 500 мкм. Изготовленные пластины раздел лись на кристаллы и монтировались в корпуса типа ТО-5.

Образцы включались в цепь источника питани  последовательно с сопротивлением нагрузки RH 50 Ом. Освещение поверхности мезаструктуры осуществл лось от полупроводникового лазера, излучение которого направл лось на образец с помощью световода. Зарегистрированные времена переключени  структуры составл ли менее

1 НС.

Устройство обеспечивает р д технических преимуществ по сравнению с известными решени ми. Так, в отличие от обычных туннельных диодов или генераторов на основе эффекта Ганна, которые представл ют трехполюсники, изобретение позвол ет реализовать элементы .ипа четырехполосни- ков, обладающих трем  каналами управлени : по напр жению питани  на токовых электродах, электрическому смещению на электроде к подложке и световым потоком, причем последний канал обеспечивает гальваническую разв зку входных (управл ющих) и выходных цепей устройства . За счет сочетани  режимов на отдельных

каналах возможно осуществл ть функции, реализуемые на известных устройствах (переключение , генераци ), а также производить новые функции, например ключевой режим при напр жени х Е Епор и варьировании уровн  подсветки от Р РПор до Р Рмакс, генераторный режим при напр жении Епор Е Емакс и уровне подсветки Рпор Р Рмакс, режим бистабильного элемента (тиристора) при напр жении Е Епор, уровне Рпор Р Рмакс и подаче импульсов напр жени  рр положительной и отрицательной пол рности величиной I ft I iop. логическое умножение (при Е Епор) сигналов двух каналов - оптического (Р) и электрического ( уэр), при этом О Р-канала отвечает уровню Р Рпор Г Р- канала - Рпор Р Рмакс, О   р-канала - уровню рр 0, 1 узр -канала - Й рп°р - логическое сложение (при Е Епор) сигналов Р- и р-каналов, при этом О Р-канала отвечает уровню

Рпор Р Рмакс, Г Р-канала - Р Рмакс, О, -канала - уровню рр О, Г рр -канала - р phop.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Твердотельное устройство, содержащее полупроводниковую структуру с туннельным р-п-переходом, образованным

   р (п подложкой и п (р слоем, расположенным на одной поверхности подложки, и два омических контакта, первый из которых сформирован на другой поверхности подложки, отличающеес  тем, что, с

   целью расширени  функциональных возможностей за счет формировани  дополни- тельных цепей управлени , структура дополнительно содержит полупроводниковый слой п(р)-типа, расположенный на поверхности п4+( и выполненный из материала, более широкозонного, чем материал сло  (р н), и третий омический контакт , причем второй и третий омические контакты расположены на поверхности полупроводникового сло  п(р)-типа, а толщины Н и h слоев )- и п(р)-типа соответственно определены соотношени ми ID Н Li и h La, где Li и U - диффузионные длины носителей зар да в сло х

   ) и п(р), a ID - дебаевска  длина экранировани  зар да в .

   k

   Фиг/

   Г ftm

   /

   Фиг. 2

   У

   Фаг. 3

   Составитель Б.Идлис Техред М.Моргентал

   Корректор Э.Лончакова

   Редактор И.Горна 

   Заказ 2599ТиражПодписное

   ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени м и открыти м при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушска  наб., 4/5

   Производственно-издательский комбинат Патент, г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

   А

   Фиг. ц.

   Ч

   Фиг. $

   фиг. 7

   Корректор Э.Лончакова