Твердотельное устройство

(5 ии чни ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯ(56) Яоу О.К, Топпе 11 пц апб пе 9 ас 1 че Вез 1 зтаппсе Рйеповепа 1 и Яев 1 сопс 1 цстогз. - Регцааоп Ргезз, Охогс 1, 1977, р. 94-95.Там же, с. 101 - 110.(54) ТВЕРДОТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (57) Изобретение относится к. полупроводниковой электронике и может быть испольвовано в системах преобразования информации, Цель изобретения - расширение функциональных воэможностей устройства за счет формирования дополнительных цепей управления. Твердотельное устройство содержит структуру с туннельным р-и-переходом, образованным подложкой Изобретение относится к полупроводниковой электронике и может быть использовано, в частности в ключевых схемах, логических устройствах, системах преобразования информации (аналогово-частотных преобразователях),Известно твердотельное устройство, содержащее полупроводниковый кристалл с туннельным р-и-переходом и контактами к р- и и-областям. При подаче на контакты разности потенциалов, превышающей пороговую, неустойчивость проявляется в виде колебаний либо переключения из, Я 2 1749955 р (и)-типа и и (р)-слоем, расположенным на поверхности подложки. На и (р )- слое расположен слой п(р)-типа, выполненный из материала более широкозонного, чем материал и (р )-слоя, На поверхности пр)-слоя на расстоянии 1 расположены два омических контакта. Третий омический контакт сформирован на другой поверхности подложки. Толщины Н и Н слоев и (р )- и п(р)-типа соответственно определены соотношениями 1 оН 11 и Ь12, где О и 12 - диффузионные длины носителей заряда всло"ях и (р ) и п(р), 1 о - дебаевская длина экранирования заряда в и (р )-слое. Устройство имеет три канала управления один оптический и два электрических) и может выполнять функции ключевого элемента с управляемым порогом срабатывания, логического умножения и сложения, автогенератора и бистабильного элемента. 7 ил,состояния с малой в состояние с высокой (Л проводимостью, Тип неустойчивости (гене.рация, переключение). ревливуемой в уст.ройстве на основе туннельных структур, налевей практике задается с помощью внешних пассивных и активных элементов, Переключение состояний туннельных диодных структур происходит с высоким быстродействием как за счет малой инерционности туннельного р - п-перехода, так и эа счет низкого сопротивления и- и р-областей.Конструктивное исполнение известных туннельных структур определяет их функци17499553ональное назначение, Так, наиболее широ- вии подсветки связь междуи разностьюкое и именение находят туннельные диоды, потенциалов на р-и-переходе имеет вид,коепримене исодержащие сильнолегированные и-и р-об- приведенный на фиг.З. силу рласти и омические контакты к этим обла- нулю суммарного тока через р-и-переходстям. На основе таких диодов создают 5 значения) в области контактов 4 и 5(токи вгенераторы, переключатели и усилители, точках а и Ь на графике фиг.З) равны току ваботающие в высокочастотном диапазоне,цепи питания. При этом разность потенцира отаКнедостаткамэтихустройствможноот- алов между точками Ь рнести следующие, Изменение частоты коле- Лр = р, - Ъ = Е. Вольт-амперная характебаний, а также функции устройства, 10 ристика определяется интегральным уравнапример переход из генераторного в клю- нениемчевой режим, достигается только с по- рмощью замены внешних элементов или =,/ (О 1)Ьр,подачей на контакты напряжения другой ве-, Мличины. Таким образом, при применении 15 где- расстояние между контактами 4 и 5.описанных туннельных диодных структур Баланс токов в р-и-переходе характеризуневозможно осуществить дистанционное ется соотношениембесконтактное управление режимами егоработы, что сужает область их применимо- + 1)2 12( )Рсти, Кроме того, подключение к устроиству 20, р-евнешних пассивных или активных управля- где 1 - величина тока через контакт б (вющих элемейтов усложняет электронную случаеотключенной подложки Ь=О.схему в целом, повышает ее массогабарит- Анализ уравнений показывает, что ВАХ неные показатели. имеет особенностей типа Я- или М-ветвей,Цель изобретения - расширение Функ несмотря на то, что зависимость плотностиционапьных возможностей за счет форми- тока 1( р) (фиг.2) обладает участком отрицарования дополнительных цепей тельного дифференциального сопротивления. В силу этого электрическое состояниеНа фиг.1 приведена схема структуры ус- образца устойчиво относительно Флуктуатройства; на фиг.2-7-крйвые зависимостей 30 ций д Е напряжения и тока дна контактахтока ) вдоль р - и-перехода и тока 1 через структуры. Равновесное распределение)(у)р-п-переход от величины 0 разности потен- устойчиво также и к флуктуациям потенциациалов на р - п-переходе ла подложки и отклонений д 1 л суммарногоКривые на Фиг.2 и 3, 4 и 5, б и 7 соответ- тока в р-и-переходе от состояния равновествуют случаям малого, среднего и большо сия. Таким образом, в отсутствии подсветкиго уровней подсветки. подача смещения на омические контакты.Структура включает р -область 1 (под- расположенные на поверхности слоя 3, неложка), п-слой 2, и-слой 3, омические кон- приводит к возникновению неустойчивоститакты 4 и 5 к и-спою и омический контакт б вструктуре.к подложке. 40 При освещении образца светом из облаПри подключении к контактам 4 и 5 ати собственного поглощения материаластруктуры (Фиг.1) источника Е питания в структуры в последней генерируется фотоструктуре происходит перераспределение токд,приводящийкуменьшениютока 1 припотенциаловтакимобразом,чтосуммарный заданной величине гр. При некотором пороток через р-и-переход равен нулю. В Рас говом уровне Рор освещенности величинасматриваемой структуре потенциал 9 Ъ в д становится больше, чеммин (значение то.слоях 2 и 3 можно считать зависящимтолько каво "впадине" ВАХ(р) туннельного переот координат вдоль слоев, При этом в силу хода), и при смещениях одЪ,р возникаетсильного,легирования подложки 1 распре-,участок О (фиг,4), а на зависимости 3 (р) -деление потенциала урв ней однородно. 5 О дополнительные экстремумы, При малыхТаким образом, разность Р=Рр -9 Ъ по- напряжениях существует два устойчивыхтенциалов на р-и-переходе распределена состояния (а 1 Ь 1) и (а 2 Ь 2), отличающихся знатак, что часть р - и-перехода смещена в пря- . чением потенциала подложки ур. При премом,ачастьвблизиконтакта 5-вобратном вышении Е пороговой величины Епор (Енаправлении, т,е. потенциал подложки ока Е,р) структура находится в неустойчивомзывается в пределах О ур Е. Вдоль Р-и- состоянии (азЬз) или(адЬ 4), проявляющемсяперехода по слоям 2 и 3 протекает в генерации электрических колебаний илисуммарный ток ), определяемый распреде-переключении электрического состояния,пением потенциалавэтихслоях. Вотсутст- При дальнейшем увеличении Е (Е Елор)структура опять переходит в устойчивое состояние (аьЬь), Таким образом, существуетдиапазон напряженийЕпорЕ Емакс,в котором при включении подсветки происходит возбуждение неустойчивостей. Кромеперечисленных состояний, в структуре может быть реализовано состояние (а 6 Ьв), характеризующееся периодическимраспределением потенциала ф вдоль ислоя. Состояние (а 6 Ьо) переходит при увеличении напряжения Е в состояние (азЬз) или(а 4 Ь 4). При высоких уровнях подсветкиР Рмакс, Рмакс - значение Р, когда фототокц через р - и-переход превышает значениемакс (фиг.4), ВАХ(Е) однозначна и не имеетособенностей. При заданном Е в структуреустанавливается равновесное распределение потенциалов, устойчивое к возмущениям д Е, д 1, д фр, д 1 и,Таким образом, возбуждение электрических неустойчивостей, проявляющихся ввиде колебанийтока или напряжения вовнешней цепи либо переключения электрического сопротивления туннельной структуры, происходит бесконтактным способом.Изменяя интенсивность светового потокавозможно осуществить дистанционное управление электрическим состояниемобразца. Помимо управления электрическимсостоянием структуры с помощью изменения интенсивности светового потока возможно также осуществлять переключениеструктуры из одного устойчивого (относительно малых флуктуаций) состояния в другое путем подачи на контакт 6 к подложкеимпульса напряжения, равного по величинеразности значений р в различных экстремумах(при постоянных Е и мощности светового потока), например из состояния (а 1 Ь 1)в состояние (а 2 Ь 2) или из состояния (а 2 Ь 2) всостояние (абЬ 6). Такие переключения реализуются при напряжениях Е Епор иРпор Р Рмакс и имеют порог относительноамплитуды импульса напряжения, подающегося на подложку.Конструкция устройства обеспечиваетвысокую фоточувствительность при условиях1 оНО, и12, Ец 2 Ецз,где О и Е 2 - диффузионные длины носителей;Н и Ь - толщины слоев;Е ц 2 и Ецз - . ширины запрещенных зонслоев 2 и 3 соответственно;1 о - дебоевская длина экранированная20 35 ем нагрузки йн = 50 Ом. Освещение поверхности мезаструктуры осуществлялось от 40 полупроводникового лазера, излучение ко 45 50 управления: по напряжению питания.на токовых электродах, электрическому смеще нию на электроде к подложке и световым 10 15 25 30 слоя 2 вызывает генерацию электронно-дырочных пар в этом слое и,фотопотока в туннельном р-и-переходе. При энергии квантов света Ец 2 . со Ецз слой 3 практически прозрачен для такого излучения, что способствует высокой квантовой эффективности преобразования свет- электричество в слое 2,П р и м е р. На подложке ОаАз с ориентацией (100), легированной Ео с концентрацией Р = 5 101 см, методом жидкофазной эпитаксии выращен слой ОаАз, легированный Оа с концентрацией й "5 10 щ см з, а затем слой Оа.-хАкАа (х - 0.15) и-типа проводимости легиуованный Те с концентрацией 3 10 см, толщиной Ь -5 мкм. На поверхность и-слоя исходной структуры наносился слой 3102 и в диэлектрике вскрывались окна под металлические контакты. Для создания контактов использовалась композиция АоСг, напыленная на структуру в вакууме. После операций по вытравлению контактных площадок на поверхность подложки наносился слой Ав; Ое и проводилось вжигание контактов, Последней операцией являлось вытравливание мезаструктур со стороны и-слоя на глубину, превышающую глубину р-и-перехода. Размер мезаструктур составлял 100 х 500 мкм. Изготовленные пластины разделялись на кристаллы и монтировались в корпуса типа Т 0-5. Образцы включались в цепь источника,питания последовательно с сопротивлени торого направлялось на образец с помощью световода. Зарегистрированные времена переключения структуры составляли менее 1 нс, Устройство обеспечивает ряд технических преимуществ по сравнению с известными решениями, Так, в отличие от обычных туннельных диодов или генераторов на основе эффекта Ганна, которые представляют трехполюсники, изобретение позволяет реализовать элементы; ипа четырехполосников, обладающих тремя каналами потоком, причем последний канал обеспечивает гальваническую развязку входных(управляющих) и выходных цепей устройст" ва. За счет сочетания режимов на отдельныхканалах возможно осуществлять функции, реализуемые на известных устройствах (переключение, генерация), а также производить новые функции, напрймер ключевой режим при напряжениях ЕЕпор и варьировании уровня подсветки от Р Рпор до РРмакс, генераторный режим при напряжении Епор ЕЕмакс и уровне подсветки Рпор Р Рмакс, режим бистабильногоэлемента(тиристора) при напряжении ЕЕпор, уровне РпорР Рмакс и подаче импульсов напряжения 10 положительной и отрицательной полярности величиной 1 яуЪор логическое умйожение (йри Е Епор) сйгналов двух каналов-.оптического (Р) и электрического ( уЯ, при этом "О" "Р-канала" отвечает уровню Р Рпор "1" "Р- канала" - Рпор Р Рмакс, "О р-канала" - уровню у= О, "1" " ф -канала" - щ упор, логическое сложение (при Е Епор) сигналов "Р-" и " ф -каналов", при этом "О" "Р-канала" отвечает уровню РпорР Рмакс, "1" "Р-канала" - Р Рмакс, "О", " рр-канала" - уровню у - О, "1" " фр -канала" - ррЪор. формула изобретения Твердотельное устройство, содержащее полупроводниковую структуру с туннельным р-п-переходном, образованным 5 р (и )-подложкой и и (р+ф)-слоем, расположенным на одной поверхности подложки, и два омических контакта, первый из которых сформирован на другой поверхности подложки,отличающееся тем,что,с 10 целью расширения функциональных возможностей за счет формирования дополни тельных цепей управления, структурадополнительно содержит полупроводниковый слой п(р)-типа, расположенный на по верхности и (рн)-слоя и выполненный изматериала, более широкозонного, чем материал слоя и (р+ф), и третий омический контакт, причем второй и третий омические контакты расположены на поверхности по лупроводвикового слоя п(р)-типа, а толщины Н и и слоев п(р)- и п(р)-типа соответствейно определены соотношениями Ь Н1.1 и иЬ, где Ь и 1.2- диффузионные длины носителей заряда в слоях 25 п(р+ф) и п(р), а 1 о -дебаевская длина экранирования заряда в и (р+ф)-слое.1749955 Риг Составитель Б.ИдлиТехред М,Моргентал орная Корректор Э,Лончакова Заказ 2599 Тйраж . .: Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям ИЗО 35, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 и ГКНТ СССР изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина