Полупроводниковый диод с отрицательным сопротивлением

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2550310:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Рязанский государственный радиотехнический университет" (RU)

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники. В диоде с отрицательным дифференциальным сопротивлением согласно изобретению объединены два комплементарных полевых транзистора в единую вертикальную структуру с параллельно расположенными каналами, между которыми образуется электрический переход, при этом исток р-канала расположен напротив стока n-канала, а сток р-канала - напротив истока n-канала. Истоки каналов соединены между собой с помощью проводника и дополнительной области с n⁺-типом проводимости, на которой расположен исток n-канала, а стоки каналов имеют отдельные выводы. Изобретение позволяет уменьшить размеры, повысить быстродействие и увеличить ток и выходную мощность диода. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области полупроводниковой электроники, а именно к приборам с отрицательным дифференциальным сопротивлением, и может быть использовано в различных электронных устройствах и интегральных схемах, предназначенных для генерации и преобразования электрических сигналов.

Известен вертикальный полевой транзистор (ПТ), содержащий полупроводниковую подложку, сток (исток) с n⁺-типом проводимости, вертикальные проводящие каналы с n-типом проводимости, затвор, выполненный в виде металлической ленты, перфорированной в пределах полупроводниковой структуры, слои диэлектрика на нижней и верхней поверхностях ленты, которые прилегают к боковым поверхностям вертикальных каналов, и исток (сток) с n⁺-типом проводимости [1]. Между затвором и каналами образуются барьеры Шотки. Транзистор выполнен из арсенида галлия (GaAs).

Однако в этом приборе используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.

Известен вертикальный ПТ [2], содержащий подложку с n⁺-типом проводимости, которая является истоком (стоком) каналов с n-типом проводимости, металлические затворы, размещенные на непроводящих областях структуры прибора и образующие барьеры Шотки с каналами, а также стоки с n⁺-типом проводимости. Между подложкой и каналами расположены два дополнительных слоя. Первый эпитаксиальный слой с n⁺-типом проводимости является буферным между подложкой и каналами, второй слой изготовлен из AlGaAs. Все остальные области прибора изготовлены из GaAs. Кроме того, на том же кристалле дополнительно сформирован диод Шотки (ДТП), причем один контакт диода совмещен с контактом истока (стока) вертикального ПТ, а другой контакт ДТП соединяется с контактом стока (истока) ПТ. Вертикальный ПТ с ДТП образуют составное устройство.

Однако в этом приборе также используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.

Известен вертикальный ПТ [3], содержащий металлический вывод истока, омический контакт к истоку, исток, выполненный из полупроводника n⁺-типа проводимости, вертикальные проводящие каналы с n-типом проводимости, затвор, выполненный в виде металлической ленты, перфорированной в пределах полупроводниковой структуры, слои диэлектрика на нижней и верхней поверхностях ленты, которые прилегают к боковым поверхностям вертикальных каналов, и сток с n⁺-типом проводимости. Между затвором и каналами образуются барьеры Шотки. Для повышения выходной мощности прибора подложка из арсенида галлия заменена на диэлектрическую подложку с более высокой теплопроводностью. Также введен демпфирующий слой из пластичного металла между полупроводниковой структурой и диэлектрической подложкой с целью увеличения надежности и долговечности работы прибора за счет уменьшения в нем механических напряжений.

В этом приборе также используются вертикальные каналы только с n-типом проводимости.

Наиболее близким к заявленному устройству является полупроводниковый прибор - лямбда-диод, состоящий из двух комплементарных полевых транзисторов обедненного типа с управляющими p-n-переходами [4, 5], который выбран в качестве прототипа. Каждый полевой транзистор содержит подложку, на которой размещены исток, канал с затвором и сток. При этом комплементарные полевые транзисторы соединяются между собой следующим образом: вывод стока ПТ с n-каналом соединяется с выводом затвора другого ПТ с р-каналом, вывод стока которого соединяется с затвором ПТ с n-каналом, а выводы истоков соединяются между собой непосредственно. На сток ПТ с n-каналом подается положительное напряжение относительно стока ПТ с р-каналом.

Основные недостатки этого прибора:

- прибор состоит из двух отдельных полевых транзисторов, поэтому размеры прибора увеличиваются;

- наличие перекрестных металлических соединений между электродами усложняет конструкцию прибора, особенно при использовании достаточно большого числа единичных структур.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение размеров, повышение быстродействия и увеличение тока и выходной мощности диода с отрицательным сопротивлением.

Сущность изобретения: в диоде, содержащем каналы с n- и р-типами проводимости, истоки и стоки каналов, использованы вертикальные каналы, которые расположены параллельно друг другу. Причем каналы соприкасаются между собой боковыми сторонами, при этом образуется электрический переход. Отличительной особенностью предлагаемого диода является расположение истока р-канала напротив стока n-канала, а стока р-канала - напротив истока n-канала. Для соединения истоков каналов между собой сформирована дополнительная область с n⁺-типом проводимости. Исток р-канала соединен с дополнительной областью с помощью проводника, а исток n-канала размещен непосредственно на дополнительной области. Стоки каналов имеют отдельные выводы. Ток в каналах проходит в одном направлении. В отличие от лямбда-диода, в предлагаемом диоде отсутствуют металлические соединения между стоками каналов и соответствующими затворами. В диоде электрический переход, запирающий каналы, образован непосредственно между каналами, что упрощает конструкцию прибора и уменьшает его размеры.

Вертикальная структура обеспечивает возможность уменьшения длин каналов, что позволит повысить быстродействие диода. Прибор может иметь только одну единичную структуру или содержать достаточно большое число единичных структур, в этом случае можно увеличить ток и выходную мощность диода. В предлагаемом диоде объединены два комплементарных полевых транзистора в единую вертикальную структуру, благодаря чему достигается заявленный технический результат.

На фигуре 1 изображены возможный вариант единичной структуры диода в плане и его продольное сечение, на фигуре 2 - поперечные сечения диода, а на фигуре 3 изображены возможный вариант диода с двумя единичными структурами в плане и продольное сечение. На подложке 1 сформированы единичные структуры, в каждой структуре канал 2 с р-типом проводимости соприкасается с каналом 3 с n-типом проводимости. Исток 4 р-канала находится напротив стока 5 n-канала, а сток 6 р-канала - напротив истока 7 n-канала. Исток 4 и сток 6 р-канала имеют p⁺-тип проводимости, а сток 5 и исток 7 n-канала имеют n⁺-тип проводимости. Сток 6 р-канала соединен с выводом 8, а сток 5 n-канала имеет вывод 9. Исток 7 n-канала расположен на дополнительной области 10 с n⁺-типом проводимости. Исток 4 р-канала соединен с истоком 7 n-канала с помощью области 10 и проводника 11, который образует омические контакты с областью 10 и истоком 4 р-канала. Диэлектрическая пленка 12 изолирует вывод стока 8 р-канала от области 10. Вывод стока 9 n-канала соединен с шиной 13, а вывод стока 8 р-канала - с шиной 14. Шина 13 расположена на диэлектрической пленке 15, а шина 14 - на подложке 1.

Прибор работает следующим образом. На шину 13 подают положительное напряжение U_O относительно шины 14. По n-каналу 3 и р-каналу 2 будет протекать ток в одном направлении. Ток создает падение напряжения на n-канале U_n, а на р-канале U_p. Если не учитывать падения напряжений на стоке, истоке каналов и области 10, то U_n+U_p=U_O. На электрическом переходе между каналами с n- и р-типами проводимости оказывается обратное напряжение. Разность потенциалов на переходе изменяется от U_p в нижней части электрического перехода между истоком 7 n-канала и стоком 6 р-канала до U_n в верхней части перехода между стоком 5 n-канала и истоком 4 р-канала. Обратное напряжение запирает каждый канал от истока до стока. В общем случае U_n не равно U_p, но возможен вариант, когда U_n=U_p. Однако в любом варианте при увеличении обратного напряжения на переходе толщина обедненного слоя в каждом канале возрастает, что приводит к уменьшению толщины проводящей части канала, поэтому с увеличением U_O ток сначала растет, достигает наибольшего значения, затем вследствие перекрытия каналов и увеличения их сопротивлений ток будет уменьшаться. Когда каналы полностью перекроются обедненными слоями, ток будет определяться токами утечек обратно смещенных переходов. Таким образом, в приборе формируется вольт-амперная характеристика с отрицательным дифференциальным сопротивлением.

При использовании более одной единичной структуры в диоде (фигура 3) внутренние вертикальные каналы с n- и р-типами проводимости контактируют между собой с двух сторон, при этом образуются электрические переходы, поэтому толщина проводящей части внутренних каналов уменьшается. Для выравнивания сопротивлений внутренних и внешних каналов можно, например, уменьшить толщину внешних каналов или уменьшить концентрацию примесей во внешних каналах. Область 10 с n⁺-типом проводимости соединяет истоки всех n-каналов, поэтому напряжения на всех n- и р-каналах будут равны Un и Up соответственно, но токи в отдельных каналах в общем случае могут быть не равны между собой.

Диод может быть изготовлен из кремния или из полупроводниковых материалов группы A^IIIB^V, обладающих более высокой подвижностью электронов.

По сравнению с прототипом предлагаемый диод с вертикальной структурой и параллельно расположенными каналами позволит:

- уменьшить размеры и упростить конструкцию диода;

- повысить быстродействие диода за счет уменьшения длин каналов;

- увеличить ток и выходную мощность диода.

Источники информации

1. Hollis M.A., Bozler C.O., Nichols K.B., Bergeron N.J. Vertical transistor device fabricated with semiconductor regrowth. Патент № US 4903089 (A), МПК: H01L 29/80, заявл. 02.02.1988 г., опубл. 20.02.1990 г.

2. Brar B.P.S., На W. Vertical field-effect transistor and method of forming the same. Патент № US 7663183, заявл. 19.06.2007 г., опубл. 16.02.2010 г.

3. Семенов А.В., Хан А.В., Хан В.А. Вертикальный полевой транзистор. Патент № RU 2402105, МПК: H01L 29/772, заявл. 03.08.2009 г., опубл. 20.10.2010 г.

4. Лямбда-диод - многофункциональный прибор с отрицательным сопротивлением. Г. Кано, X. Ивазо, X. Такаги, И. Терамото. Электроника. - 1975 г., Т.48, №13 - с.48-53.

5. Физика полупроводниковых приборов. И.М. Викулин, В.И. Стафеев - М.: Радио и связь, 1990 г. - с.138-140.

1. Полупроводниковый диод с отрицательным сопротивлением, содержащий каналы с n- и р-типами проводимости, истоки и стоки каналов, отличающийся тем, что в приборе использованы параллельно расположенные вертикальные каналы с n- и р-типами проводимости, контактирующие между собой боковыми сторонами, при этом исток р-канала расположен напротив стока n-канала, а сток р-канала - напротив истока n-канала, истоки каналов соединены между собой с помощью проводника и дополнительной области с n⁺-типом проводимости, на которой сформирован исток n-канала, а стоки каналов имеют отдельные выводы.

2. Прибор по п.1, отличающийся тем, что при наличии более одной единичной структуры в диоде внутренние вертикальные каналы с n- и р-типами проводимости контактируют между собой с двух сторон.

Изобретение относится к области полупроводниковых приборов. Мультиэпитаксиальная структура кристалла двухинжекционного высоковольтного гипербыстровосстанавливающегося диода на основе соединений галлия и мышьяка содержит высоколегированную монокристаллическую подложку p+-типа проводимости, с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей не менее чем 3·1018 см-3 и толщиной не менее 200 мкм, выполненный на ней эпитаксиальный GaAs слой p-типа проводимости толщиной не менее 5,0 мкм и изменяющейся разностной концентрацией донорной и акцепторной легирующих примесей от концентрации в подложке до значений не более чем , p-n-переходный по типу проводимости эпитаксиальный GaAs i-слой толщиной 5÷100 мкм, содержащий область пространственного заряда и внутрирасположенную мультиэпитаксиальную металлургическую переходную зону, и эпитаксиальный GaAs слой на p-n переходном эпитаксиальном i-слое, выполненный n+-типа проводимости с разностной концентрацией акцепторной и донорной легирующих примесей в приповерхностном слое не менее чем 1·1017 см-3 и толщиной не менее 0,1 мкм.

Высоковольтный самосовмещенный интегральный диод // 2492552

Изобретение относится к полупроводниковым приборам, в частности, к формированию самосовмещенных высоковольтных диодов. .

Блокирующий диод для солнечных батарей космических аппаратов // 2457578

Изобретение относится к области дискретных полупроводниковых приборов, в частности к блокирующим диодам для солнечных батарей космических аппаратов. .

Импульсный лавинный s-диод // 2445724

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в источниках питания полупроводниковых лазеров, мощных полупроводниковых светодиодов, диодов Ганна, системах сверхширокополосной локации.

Наноэлектронный полупроводниковый выпрямительный диод // 2415494

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для выпрямления переменного тока в радиоаппаратуре, радиоизмерительных приборах и системах.

Диод на основе одностенной углеродной нанотрубки и способ его изготовления // 2414768

Изобретение относится к технологическим процессам производства компонентов микроэлектроники и вычислительных схем. .

Наноэлектронный полупроводниковый выпрямительный диод // 2412898

Изобретение относится к электронным приборам, в частности к полупроводниковым приборам, и может быть использовано для выпрямления переменного тока и преобразования ВЧ-сигнала в постоянное напряжение в источниках питания радиоаппаратуры, радиоизмерительных приборах и системах.

Наноэлектронный полупроводниковый выпрямительный диод // 2412897

Диод силовой низкочастотный выпрямительный непланарный и способ его изготовления // 2411611

Изобретение относится к области силовой промышленной электронной техники. .

Мощный кремниевый диод с улучшенной термостабильностью // 2352022

Изобретение относится к области конструирования полупроводниковых приборов и может быть использовано в производстве мощных кремниевых диодов с улучшенной термостабильностью.

Полупроводниковый диод // 2561779

Изобретение относится к полупроводниковым электронным приборам. В полупроводниковом диоде на полупроводниковой GaAs подложке расположены катодный слой, обедненный слой, барьерный слой, обедненный узкозонный слой, анодный узкозоный слой, анодный слой. Металлизированный катодный контакт с омическим сопротивлением сформирован к катодному слою. Металлизированный анодный контакт с омическим сопротивлением сформирован к анодному слою. На границе анодного слоя и анодного узкозонного слоя и на границе барьерного слоя и обедненного узкозонного слоя сформированы гетеропереходы. Технический результат - снижение обратного тока и увеличение пробивного напряжения диода. 1 з.п. ф-лы, 6 ил., 2 табл.

Полупроводниковый конструктивный элемент с оптимизированным краевым завершением // 2564048

Изобретение относится к полупроводниковым приборам. В полупроводниковом конструктивном элементе, имеющем полупроводниковое тело (21) с первой стороной (22), второй стороной (23) и краем (24), внутреннюю зону (27) с основным легированием первого типа проводимости, расположенную между первой стороной (22) и внутренней зоной (27) первую полупроводниковую зону (61) первого типа проводимости с концентрацией легирования, которая выше концентрации легирования внутренней зоны (27), расположенную между второй стороной (23) и внутренней зоной (27) вторую полупроводниковую зону (29) второго типа проводимости, с концентрацией легирования выше концентрации легирования внутренней зоны (27), по меньшей мере один первый краевой скос, который проходит под первым углом (30) к плоскости прохождения перехода от второй полупроводниковой зоны (29) к внутренней зоне (27) по меньшей мере вдоль края (24) второй полупроводниковой зоны (29) и внутренней зоны (27), второй краевой скос со вторым углом (71), величина которого меньше величины первого угла, который проходит вдоль края (24) первой полупроводниковой зоны (61) или скрытой полупроводниковой зоны (41), при этом по меньшей мере одна скрытая полупроводниковая зона (41) второго типа проводимости с концентрацией легирования, которая выше, чем во внутренней зоне (27), предусмотрена между первой полупроводниковой зоной (61) и внутренней зоной (27) и проходит по существу параллельно первой полупроводниковой зоне (61). Изобретение позволяет исключить повышенные пики силы поля в краевой области, возникающие во время процесса выключения полупроводникового конструктивного элемента, а также обеспечивает повышенную воспроизводимость и меньший разброс электрических свойств. 9 з.п. ф-лы, 7 ил.

Импульсный лавинный s-диод // 2609916

Изобретение относится к импульсной технике, в частности к импульсным лавинным полупроводниковым диодам, полученным легированием GaAs хромом или железом, и предназначено для использования в системах силовой импульсной электроники. Техническим результатом являются устранение влияния инжекции электронов на протекание тока при обратном смещении π-ν-перехода до переключения S-диода, повышение напряжения переключения по сравнению со структурами, полученными легированием только хромом или железом, повышение надежности работы таких структур в схемах импульсного питания. В S-диоде, выполненном на основе n-π-ν-n-структуры из арсенида галлия, компенсированного хромом, между n- и π-областями введена дополнительная область p-типа проводимости, толщина этого p-слоя не превышает 5·Ln, где Ln – диффузионная длина электронов в p-области. 2 ил.

Диод на гетеропереходах металл-полупроводник-металл (мпм) // 2632256

Изобретение относится к быстродействующим диодам. Диод содержит полупроводниковый слой, имеющий первую сторону и противоположную первой стороне вторую сторону, полупроводниковый слой имеет толщину между первой стороной и второй стороной, при этом толщина полупроводникового слоя сравнима со средней длиной свободного пробега носителей заряда, эмитированного в полупроводниковый слой. Диод содержит первый металлический слой, осажденный на первой стороне полупроводникового слоя, второй металлический слой, осажденный на второй стороне полупроводникового слоя, первый гетеропереход между полупроводниковым слоем и первым металлическим слоем или между полупроводниковым слоем и вторым металлическим слоем, причем полупроводниковый слой, первый металлический слой и второй металлический слой выполнены с возможностью осуществления баллистической проводимости носителя заряда из первого металлического слоя через полупроводниковый слой во второй металлический слой. Изобретение обеспечивает получение диода с высокой плотностью тока термоионной эмиссии, высокой нелинейностью и выпрямлением. 5 н. и 20 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.