ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТРАНЗИСТОРНЫХ СТРУКТУР С РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ЭМИТТЕРОМ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ НА ИХ ОСНОВЕ

Б. С. Муравский, Г. П. Рубцов, Л. Р. Григорьян, О. Н. Куликов

Кубанский государственнй университет

Получена 11 октября 2000г.

Рассмотрены результаты исследований электрофизических и фотоэлектрических свойств транзисторных структур, содержащих распределенный по всей площади кристалла эмиттерный p⁺-n – переход и локальный контакт к n – области с поверхностным потенциальным барьером, возникающим либо за счет наличия поверхностных состояний, либо за счет локального введения в приповерхностный слой атомов примеси, создающих в запрещенной зоне глубокие энергетические уровни. Приведены параметры и характеристики созданных на основе особенностей свойств структур оригинальных функциональных приборов.

Введение

Ранее нами кратко рассматривались особенности электрофизических и фотоэлектрических свойств транзисторных структур, содержащих распределенный по всей площади кристалла эмиттерный p⁺-n – переход, на n – области (база) которого создается локальный контакт (активный контакт), представляющий собой структуру металл – туннельно – прозрачный – окисел – полупроводник (МТОП). Основная особенность характеристик структур состоит в том, что с некоторого напряжения на активном контакте (АК) относительно базы U_ак даже при "оборванном" эмиттерном переходе в структуре возникают импульсные колебания тока через АК и пилообразные колебания потенциала на p⁺ - области эмиттера [1]. Было установлено, что возникновение колебаний обусловлено одним из видов рекомбинационной неустойчивости тока – поверхностно – барьерной неустойчивостью тока и связано с периодическим опустошением и заполнением поверхностных центров, контролирующих потенциальный барьер в АК [1,2]. Проведенные недавно обстоятельные исследования условий возникновения неустойчивости тока в n – канальном МОП – транзисторе также связываются с перезарядкой ловушечных состояний [3] и, как отмечает автор, хорошо согласуются с результатами, полученными в [1,2]. Дальнейшие наши исследования структур с активными контактами, полученными посредством локального введения в приповерхностный слой n – области примесных атомов, создающих в запрещенной зоне полупроводника акцепторные глубокие (0,3¸ 0,5 эВ)  уровни, полностью подтвердили связь возникновения в структурах колебаний с перезарядкой ловушечных состояний [4].

Структуры с АК, полученными указанными способами, обладают высокой стабильностью электрофизических и фотоэлектрических характеристик, что позволило создать на их основе стабильно работающие оригинальные функциональные приборы, принцип действия которых был ранее в общих чертах изложен в авторских свидетельствах [5-11] и работе [12].

В настоящей статье впервые приведены результаты детальных исследований электрофизических и фотоэлектрических свойств транзисторных структур с распределенным эмиттером, а также параметры и характеристики созданных на их основе функциональных приборов.

1. Электрофизические и фотоэлектрические характеристики структур

Схематическое изображение исследуемых образцов представлено на рис 1 (a,b), на рис 1 (с) приведено обозначение структуры в электрических цепях, а на рис 2 схема ее подключения к источнику питания. Образцы изготавливались по технологии, подробно описанной в работах [1,4]. Поверхностный потенциальный барьер в АК обоих типов образцов создавался за счет наличия в приповерхностном слое n – области поверхностных примесных центров, причем в образцах рис 1 (а)  в качестве их вступают поверхностные состояния, а в образцах рис 1(b) специально введенные атомы примеси. Как следовало ожидать, электрофизические и фотоэлектрические свойства обоих типов образцов в общих чертах идентичны, однако образцы рис 1 (b) обладают меньшим разбросом параметров и более высокой их стабильностью.

Рисунок 1. Схематическое изображение структур с распределенным p⁺-n – переходом.

2 – n-область (база) d=10 мкм, r=4 Ом×см, 4 – p⁺-область r=0,01 Ом×см, 3,5 – омические контакты;

а) 1 – контакт МТОП, 6 – туннельно прозрачный окисел;

б) 1 – область с введенными примесными атомами;

с) обозначение структуры в электрических схемах.

Рисунок 2. Схема подключения структуры к источнику питания (U_a – напряжение на активном контакте).

 Рассмотрим физические процессы, определяющие особенности электрофизических характеристик структур. При подаче на АК обратного напряжения U_a относительно базы при разомкнутом p⁺-n – переходе (резистор R_p-n отключен) за счет экстракции дырок из базы через АК возникает их отрицательный градиент вдоль базы. В результате уменьшается поток дырок из базы в p⁺ - область, который был в равновесном состоянии, и встречный поток дырок из p⁺ - области в базу оказывается неуравновешенным. Это приводит к накоплению дырок в базе, а p⁺ - область распределенного эмиттерного p⁺-n – перехода приобретает отрицательный потенциал j  (плавающий потенциал).

В обычных транзисторах плавающий потенциал эмиттера, возникающий при подаче на коллектор обратного напряжения при разомкнутом эмиттере не превышает, как известно, нескольких десятков милливольт. В рассматриваемых нами структурах величина j при U_а =3¸15 В может достигать значений 0,5-2В. Это свидетельствует о значительном увеличении концентрации дырок в базе структур, что обусловлено особенностью “геометрии” структуры, приводящей к появлению ряда положительных обратных связей по току, стимулирующих процесс накопления неосновных носителей в базе и тем самым увеличение j. Более интенсивному, чем в обычных транзисторах, накоплению дырок в базе структуры и в области пространственного заряда (ОПЗ) АК способствует падение напряжения на распределенном сопротивлении базы, которое у исследуемых структур достигает значений нескольких кОм. Поскольку потенциал p⁺-области вследствие ее высокой проводимости (10² Ом^-1см^-1) не зависит от координаты, потенциал вдоль распределенного p⁺-n-перехода (участок АВ на рис.1) при наличии тока через АК изменяется, причем чем ближе участок РП к АК, тем меньше отрицательное значение j. В локальном участке непосредственно под АК – величина j может обратится в нуль или приобрести положительное значение. Возникающее на p⁺-n – переходе напряжение U_p обусловлено, таким образом, экстракцией АК из базы дырок и падением напряжения на распределенном сопротивлении базы, и его величина зависит от напряжения, приложенного к АК, и сопротивления R_p-n, задающего ток через p⁺-n-переход и определяющего дополнительный ток через АК. С ростом концентрации дырок в базе увеличивается ток через АК, это приводит к увеличению U_p, что, в свою очередь, к увеличению Dp и т.д., т.е. возникает положительная обратная связь по току, поддерживающая процесс накопления дырок в базе. Этому процессу в значительной мере способствует усиление тока в АК. Физические процессы, обуславливающие усиление тока в транзисторных структурах с АК, выполненном в виде поверхностно – потенциального барьера, рассмотрены в работах [1,13].

Рисунок 3. Эквивалентная схема структуры при U_a < U_aк.

А – активный контакт, В – базовый контакт, С – вывод p⁺ - области.  r_a, r_p-n, C_б, С_p-n – сопротивления и барьерные емкости соответственно АК и p⁺-n – перехода; r_б – распределенное сопротивление базы; R_н, R_p-n – внешние сопротивление нагрузки и сопротивление, перемыкающее p⁺-область на базу; U_p – зависимый источник напряжения,  aI_p – генератор, учитывающий наличие усиления тока в активном контакте.

Исходя из изложенного, эквивалентную схему структуры необходимо представить в виде, приведенном на рис. 3. Генератор тока aI_p учитывает усиление тока в АК, причем, как следует из [13], a может значительно превышать единицу. Зависимый источник U_p соответствует напряжению на РП, возникающему непосредственно под АК. Применяя к полученной эквивалентной схеме законы Кирхгофа, получаем:

Учитывая, что концентрация дырок в локальном участке n – области РП Dp определяется соотношением

   (2)

где Dp_n – концентрация дырок под базовым контактом В (рис. 1) а U смещение p⁺-n – перехода на рассматриваемом локальном участке, из (1) и (2) для избыточной концентрации дырок в базе под АК получаем:

Из выражения (3) следует, что, задавая I_a и изменяя R_p-n, можно в широких пределах регулировать смещение РП и концентрацию носителей в базе непосредственно под АК. Из соотношения следует также, что избыточная концентрация дырок распределена экспоненциально вдоль направления ВА (рис. 3) и максимальна под АК.

Накопление дырок в базе, ОПЗ АК и РП структуры непосредственно подтверждают измерения зависимости полного сопротивления АК от напряжения U_a. На рис 4 приведены зависимости барьерной емкости АК С_б и его дифференциального сопротивления r_d от напряжения U_a, при различных значениях тока в РП, задаваемого резистором R_p-n различной величины. Как видим, с ростом U_a C_б не уменьшается, как в обычных полупроводниковых диодных структурах, а увеличивается. Это аномальное увеличение обусловлено сужением  ОПЗ АК, вызываемого рассмотренным выше накоплением в ней дырок, о чем свидетельствует также уменьшение дифференциального сопротивления АК (рис 4).

Рисунок 4. Зависимость барьерной емкости С_б (кривые 1, 2) и дифференциального сопротивления r_d (кривые 3, 4) от напряжения на активном контакте U_a при R_p-n = 1 МОм кривые 2, 4, и R_p-n = 5 МОм кривые 1, 3.

Как показали исследования, зависимость C_б = f(U_a) на участке, соответствующем увеличению C_б, достаточно хорошо апроксимируется выражением , где К постоянный коэффициент, значения которого для различных образцов обоих типов (рис 1а, 1b) лежат в пределах .

Сужение ОПЗ АК и РП приводит к появлению дополнительной положительной обратной связи, поддерживающей процесс накопления дырок в базе, и, соответственно, в ОПЗ АК, связанный с увеличением емкости АК С_б, обусловленным сужением ОПЗ при накоплении в нем дырок, поскольку увеличение C_б при постоянстве на ней заряда приводит к уменьшению напряжения на C_б и, соответственно, на АК и увеличению напряжения на распределенном сопротивлении базы r_б (рис.3) и тем самым способствует  увеличению прямого смещения на локальном участке p⁺-n-перехода (соотношение (3)).

Следует особо подчеркнуть, что описанные процессы в структуре (при U_a < U_ak), обусловлены требованиями сохранения электронейтральности каждого участка структуры и диффузионно – дрейфового уравновешивания токов через эти участки.

Увеличение концентрации дырок в базе структуры, связанное с рассмотренными выше процессами, вызывающее сужение ОПЗ активного контакта, приводит к увеличению напряженности поля в нем, и при некотором критическом напряжении на АК U_ак, лежащем для различных образцов в пределах 3¸15 В, происходит его туннельный пробой, обусловленный туннельной эмиссией электронов с ловушек (поверхностные состояния [1,2], введенные примесные атомы [4]), контролирующих потенциальный барьер в АК. Механизм туннельного пробоя АК структур детально обсуждался ранее в работах [1, 14] и непосредственно подтверждается экспериментальными исследованиями вольтфарадных характеристик АК, поскольку вычисленная по измеренным значениям барьерной емкости АК при U_a, близких к напряжениям пробоя U_ак, ширина ОПЗ АК в результате накопления дырок сужается до значений см, и при прикладываемых к нему напряжениях 3¸15 В напряженность поля в ОПЗ оказывается достаточной для туннельной эмиссии электронов из поверхностных состояний или глубоких центров, контролирующих потенциальный барьер АК.

Поскольку электрофизические процессы в структурах в значительной мере связаны с накоплением дырок, они определяются и могут управляться величиной токозадающего сопротивления R_p-n. Как показали исследования, при значениях резистора R_p-n (рис.2) более 5×10³ Ом переключения структуры в открытое состояние после пробоя АК не происходит, так как накопленные в базе и ОПЗ дырки рекомбинируют, ОПЗ расширяется, напряженность поля в АК уменьшается, и потенциальный барьер АК в результате заполнения электронами ловушек возвращается к состоянию, существовавшему до пробоя. После увеличения концентрации дырок до начальной соответствующей пробою критической величины вновь происходит туннельный пробой АК и т.д. Таким образом в рассматриваемом режиме в структуре возникают разрывные колебания тока через АК и напряжения на p⁺-области [1], период которых определяется в основном временем накопления в базе дырок. При значениях R_p-n менее 5 кОм после туннельного пробоя АК структура переходит в состояние с высокой проводимостью, поскольку в создании прямого напряжения на p⁺-области начинает принимать участие независимый источник напряжения, питающий АК, непосредственно подключенный из-за малой величины R_p-n положительным полюсом к p⁺ - области (рис.3).

Периодическое накопление и рассасывание в базе заряда дырок, вызывающее сужение и расширение ОПЗ как АК, так РП вызывает соответственно параметрическое изменение их барьерных емкостей C_б  и С_p-n, поскольку распределенный p⁺-n – переход, смещенный своей большей частью в обратном направлении имеет большое (10⁵¸10⁷ Ом) сопротивление, параметрическое изменение его емкости вызывает колебания потенциала p⁺ - области.

Рисунок 5. Типичное семейство зависимости тока через активный контакт I_a и потенциала j от напряжения на активном контакте U_a при различных значениях R_p-n.

Типичное семейство вольтамперных характеристик I_a = f(U_a) при различных значениях резистора R_p-n приведено на рис 5. Здесь же приведены соответствующие этим семействам зависимости j = f(U_a). Вертикальными линиями отмечены начало и амплитуда колебаний тока через АК, а в зависимостях j=f(U_a) колебания потенциала p⁺ - области. В кружках на графиках показана форма колебаний. Совместные осциллограммы колебаний тока через АК и потенциала p⁺- области приведены на рис.6. В работе [1] детально рассмотрены процессы в структуре, соответствующие каждому временному участку колебаний, поэтому обратимся к рассмотрению семейства зависимостей I_a = f(U_a) и j = f(U_a). Как видим, значение тока через АК зависит от величины токозадающего резистора R_p-n, причем с увеличением R_p-n увеличивается критическое напряжение возникновения колебаний, резистор R_p-n также влияет на величину j и амплитуду колебаний потенциала p⁺ - области. Эти закономерности хорошо согласуются с рассмотренными выше электрофизическими процессами в структуре, основным из которых является процесс накопления избыточных дырок в базе и соответственно ОПЗ АК и РП.

Рисунок 6. Типичные совместные осциллограммы колебаний тока (а) и потенциала p⁺- области (б).

Рассмотрим теперь подробнее процесс возникновения колебаний потенциала p⁺ -  области, вызываемый параметрическим изменением емкости C_p-n. Типичная зависимость барьерной емкости РП C_p-n от напряжения на p⁺-n – переходе приведена на рис.7.

Рисунок 7. Типичная зависимость барьерной емкости p⁺-n – перехода С_p-n от потенциала j на p⁺-области.

Как видим, с увеличением отрицательной величины j емкость C_p-n возрастает. Это возрастание также связано с перестройкой ОПЗ РП, обусловленной заполнением базы дырками. Для анализа возможности связи колебаний потенциала p⁺ - области  j с параметрическим изменением емкости C_p-n, введем в рассмотрение динамическую дифференциальную емкость . Ток перезарядки емкости , откуда   

       (4).

Находя изменение емкости D C_pd при изменении j от значения j₁ до j₂ посредством интегрирования соотношения (4), получаем:

     (5).

 Все входящие в соотношение (5) величины определяются экспериментально, и расчетное значение величины DC_pd может быть сверено с экспериментальным, полученным из зависимости, приведенной на рис.6.

Поскольку  (рис.3.) выражение (5) можно преобразовать к виду:    (6).

Из осциллограмм (рис.6) по зависимостям j = f(t) непосредственно находились значения j₁, j₂ и соответствующее им значение Dt, далее по соотношению (6) рассчитывалось значение DC_pd и сравнивалось со значениями DC_pd полученными из экспериментальных зависимостей (рис.6, рис.7). Достаточно хорошее совпадение расчетных и экспериментальных значений DC_pd непосредственно подтверждает  связь колебаний потенциала p⁺ - области структуры с параметрическим изменением емкости C_p-n.

Рисунок 8. Типичные зависимости тока через активный контакт I_a и потенциала p⁺-области j от мощности излучения Р_изл  (l=0,63 мкм).

Поскольку дополнительную избыточную концентрацию дырок в n – области структуры можно создавать излучением, параметры и характеристики структуры имеют высокую чувствительность к действию света в области собственного поглощения кремния. На рис. 8. приведены типичные зависимости тока через АК I_a и потенциала p⁺ - области j от мощности излучения P_изл, полученного от калиброванного по мощности лазера ЛГ-126 (l=0,63 мкм). Вертикальными линиями показаны участки возникновения колебаний тока I_a и потенциала j. Приведенные зависимости также подтверждают важную роль в возникновении колебаний накопления дырок в базе и ОПЗ. При небольших напряжениях U_a, в довольно широком диапазоне действия излучения j имеет положительное значение (рис. 8), это обусловлено тем, что контактное напряжение p⁺-n – перехода больше, чем напряжение U_a, и генерированные светом электронно – дырочные пары, разделяясь контактным полем, создают на РП фотоЭДС, противоположную по полярности напряжению Up. С увеличением U_a участок положительных значений j смещается в сторону меньших значений P_изл, и само j уменьшается. Со значений j=0 более резко увеличивается ток I_a, что свидетельствует о преобладании экстракции дырок АК над процессами, приводящими к возникновению фотоЭДС, и увеличению их концентрации в базе и, соответственно, в ОПЗ АК, обусловленному процессами подробно рассмотренными выше. Колебания, как следовало ожидать, возникают лишь при отрицательных значениях j, и их возникновение происходит при тем меньших значениях мощности излучения, чем больше напряжение U_a.

Поскольку период колебаний тока I_a и потенциала j определяется временем накопления в базе неосновных носителей, он зависит от мощности действующего на n – область структуры излучения. Зависимость частоты колебаний от мощности излучения P_изл, при различных значениях R_p-n приведены на рис. 9. Линейная зависимость f от P_изл со значений P_изл > 10^-4 мВт объясняется линейной зависимостью концентрации генерируемых светом избыточных дырок от мощности излучения.

Рисунок 9. Типичные зависимости частоты колебаний тока I_a и потенциала j от мощности излучения (l=0,63 мкм) при различных значениях R_p-n.

Исследование зависимости периода возникающих в структуре колебаний от температуры показало, что при задаваемом резистором Rp-n начальном токе через p+-n – переход не менее 5¸10 мкА (R_p-n не более 150¸250 кОм) в диапазоне температур –50¸50 ⁰С период колебаний практически не зависит от температуры. Высокая температурная стабильность периода колебаний и других характеристик связана с тем, что при указанных значениях резистора R_p-n и, соответственно, начальных токов концентрация накопленных в базе носителей на 3¸4 прядка превышает концентрацию носителей, обусловленных их тепловой генерацией. Типичная зависимость частоты колебаний тока I_a  и потенциала j от температуры при различных значениях R_p-n, иллюстрирующая отмеченные выше закономерности, приведена на рис.10.

Рисунок 10. Типичная зависимость периода колебаний тока I_a и потенциала j от температуры при различных значениях R_p-n.

Рассмотренные особенности электрофизических и фотоэлектрических характеристик, как показали исследования, обуславливают следующие 3 режима работы структуры:

1) “закрытое” состояние (при U_а < U_ак) R_p-n>5кОм когда через структуру протекают только незначительные обратные токи p⁺-n-перехода (не более 1 мкА) и АК (не более 0,1 мА), этому состоянию соответствует процесс накопления дырок в базе;

2) режим генерации колебаний (при U_а = U_ак) R_p-n>5кОм когда ток через активный контакт периодически изменяется от 10^-6 до 2×10^-2 А, а напряжение на p⁺-области от 0,5 В до напряжения, близкого к напряжению источника питания; этому режиму соответствует периодическое накопление и рекомбинация дырок в базе и, соответственно, периодический пробой и восстановление потенциального барьера в АК;

3) высокопроводящие состояние (при U_а > U_ак) R_p-n<5кОм, когда через АК протекает постоянный ток, величина которого определяется сопротивлением нагрузки R_н и распределенным сопротивлением базы.

Перевод структуры из одного состояния в другое осуществляется изменением концентрации и скорости накопления дырок, которое определяется изменением параметров внешней электрической цепи и внешними воздействиями.

2. Функциональные приборы на основе структур

Изложенные выше особенности электрофизических и фотоэлектрических характеристик исследуемых структур позволили создать ряд опытных образцов принципиально новых приборов. Для изготовления приборов использовались материалы и технология, описанные в работах [1, 4].

Рассмотрим некоторые практические схемы на основе структур с распределенным эмиттерным переходом. На рис.11 представлена схема использования структуры в качестве генератора прямоугольных импульсов тока и пилообразных импульсов напряжения. На АК подается напряжение питания 3¸15В, а между базой и p⁺ - областью включается резистор R_p-n. Изменение величины R_p-n в пределах 10⁴-10⁷ Ом позволяет изменять частоту следования импульсов f генератора в пределах 10^-2¸3·10⁵ Гц. Такие же пределы изменения f можно получить, если резистор R_p-n оставить неизменным, а параллельно ему подключать конденсаторы емкостью C_p =3·10²¸10^-4 мкф. Амплитуда импульсов тока при нагрузке в цепи АК 200-400 Ом составляет 1-15 мА, а амплитуда пилообразного напряжения на p⁺-области близка к напряжению питания.

Рисунок 11. Схема генератора прямоугольных и пилообразных импульсов.

Поскольку при освещении n-области светом скорость накопления дырок в достаточно широком диапазоне действия излучения и, соответственно, частота следования импульсов тока через АК изменяются линейно, представленная на рис.11 схема генератора прямоугольных импульсов может использоваться как фотоприемник, преобразующий аналоговое изменение мощности излучения в частоту следования электрических импульсов. В этом случае значения R_p-n и  C_p-n остаются неизменными, а n-область освещается принимаемым оптическим сигналом. В таком режиме чувствительность прибора к оптическому излучению, вычисляемая как отношение изменение частоты следования импульсов к изменению мощности излучения при l=0,63 мкм, достигает значений 3×10⁹ Гц/Вт, а пороговая чувствительность 10^-7 Вт. Поскольку устойчивые колебания в АК при заданном на нем напряжении возникают при определенном значении R_p-n и определенной мощности излучения Р_изл, поглощаемого n-областью, а увеличение или уменьшение значений R_p-n до некоторых предельных значений, так же как и увеличение Р_изл, приводит к срыву колебаний, фотоприемник можно использовать для выполнения логических операций над оптическими сигналами. В качестве примера рассмотрим работу генератора прямоугольных импульсов (рис.11) в режиме фотоприемника, выполняющего логические операции "и" и "или". Входными сигналами в этом случае являются два оптических луча, падающих на поверхность n-области фотоприемника, причем единице соответствует наличие колебаний, а нулю – их отсутствие. Подбором величины R_p-n фотоприемник устанавливается в режим ниже порога генерации колебаний так, чтобы колебания возникали только при одновременном освещении базы обоими лучами и не возникали при освещении одним из лучей. В этом случае над оптическими сигналами выполняется операция «и». Если установить значение резистора R_p-n таким, чтобы колебания возникали при освещении базы любым из двух лучей, то над оптическими сигналами выполняется операция «или».

Зависимость частоты следования импульсов от сопротивления R_p-n, и емкости, включенных между p⁺-областью  и базой, позволяет использовать приборы на основе структур с распределенным p⁺-n-переходом для измерения сопротивления или емкости. В этом случае в цепь p⁺-n-перехода включаются измеряемые R_i, C_i, и по предварительно калиброванным зависимостям вида непосредственно определяются значения R_i и C_i. Пределы измерений при точности не менее 5% для сопротивлений лежат в пределах 10^-2-10 МОм, а для емкости 10^-3¸300 мкф.

Нелинейность перестройки периода следования импульсов резистором R_p-n и конденсатором C_p-n определяется внутренними параметрами полупроводниковой структуры. Например, при внешнем резисторе 5¸10 МОм протекающий через него ток становится сравним с током утечки p⁺-n-перехода, а при внешнем резисторе менее 20 кОм резко возрастает длительность импульсов. Барьерная емкость p⁺-n-перехода составляет 100-200 пф, и ее надо учитывать при подключении к структуре внешних емкостей небольшой величины.

Этот же эффект позволяет использовать приборы в системах контроля параметров технологических процессов. Так, если в цепь p⁺-n-перехода наряду с токозадающим резистором R_p-n включать терморезисторы, тензорезисторы, фоторезисторы, магниторезисторы, аналоговые изменения температуры, давления, излучения, магнитного поля, приводящие к увеличению Dp, могут быть эффективно преобразованы в частоту следования импульсов. При таких схемах включения структура с распределенным p⁺-n-переходом выступает в качестве измерительного преобразователя “аналог-частота”, а независимые и аддитивные каналы управления частотой (периодом) следования импульсов имеют следующую чувствительность: 0,8¸4 кГц/мкА (ток), 10²¸10³ мкс/кОм (сопротивление), 0,1¸1,5 мкс/пф (емкость) 10⁸¸10⁹ Гц/Вт (оптическое излучение). Датчики на основе структур обладают широкой возможностью регулировки чувствительности и порога срабатывания.

Значительно улучшить параметры выходных сигналов можно посредством подключения к структуре с распределенным эмиттерным p⁺-n-переходом дополнительных приборов. Так, для получения импульсов тока с плоской вершиной в цепь АК необходимо включить генератор стабильного тока, в качестве которого в простейшем случае может выступать опорный диод. Включение опорного диода в цепь p⁺-n – перехода приводит к получению на нем пилообразного напряжения с низким коэффициентом нелинейности K_n, причем для получения  K_n, близкого к нулю, в эту цепь необходимо включить дополнительную емкость, превышающую барьерную емкость p⁺-n – перехода.

Если в участок цепи p⁺ - область – база включить сверхвысокочастотный транзистор (например, ГТ328, КТ337) (рис.12), можно уменьшить время нарастания импульсов, возникающих в АК, и их длительность до 10^-9 ¸10^-10сек.

Рисунок 12. Схема генератора импульсов с малой (10^-8¸10^-10 с) длительностью.

В этом случае, когда структура находится в состоянии "выключено", транзистор заперт. В момент импульса происходит падение напряжения на резисторе R_н, и транзистор отпирается. По мере спада тока в импульсе транзистор запирается раньше длительности генерируемого структурой импульса, и его длительность уменьшается, предельное уменьшение длительности импульса огранивается быстродействием самого транзистора и временем переднего фронта импульса. В виду того, что эффективное время жизни дырок в базе сверхвысокочастотного транзистора  составляет меньше 100 пс, длительность импульсов определяется только передним фронтом импульса, т.е. временем нарастания. Поэтому дальнейшее уменьшение длительности связано прежде всего с технологией изготовления структур, которая должна обеспечивать минимальное время туннельной ионизации примесных центров, контролирующих потенциальный барьер АК.

Оригинальные оптоэлектронные приборы могут быть получены при использовании рассматриваемых структур в сочетании с фотодиодами. Если в цепь распределенного p⁺-n-перехода через резистор R_p-n  подобранный так, чтобы колебания на АК не возникали, включить фотодиод, так чтобы при освещении его импульсом света в базу поступали дырки, то на активном контакте возникают усиленные по току в 10²¸10³ раз импульсные колебания, существующие только при освещении фотодиода. В таком режиме импульс света, освещающий фотоэлемент, может быть преобразован практически в любое число импульсов тока через активный контакт, длительность которых задается величиной резистора R_p-n и интенсивностью освещения (длительность входного импульса лежит в пределах 2¸2×10³ мкс, выходных импульсов- 1¸10³ мкс), т.е. такая схема представляет собой оптоэлектронный времяимпульсный преобразователь.

Рисунок 13. Схема функционального фазового детектора на основе структуры с распределенным p⁺-n – переходом, содержащей два активных контакта.

Функциональные возможности структур можно существенно расширить посредством изготовления на n-области нескольких активных контактов. Рассмотрим, например, использование структуры с распределенным p⁺-n –переходом, содержащей два активных контакта, в качестве функционального фазового детектора, принципиальная схема которого изображена на рис.13. На активные контакты A  и D подаются взаимно синхронизированные прямоугольные импульсы, имеющие сдвиг фаз j. Резистор R_p-n (и при необходимости конденсатор C_p) подбираются так, чтобы выходное напряжение, снимаемое с p⁺-n – перехода, изменялось линейно за интервал времени между действием импульсов на активный контакт, и обеспечивалась термостабильность периода колебаний (при частотах выше 40 кГц, как показали исследования, R_p-n лежит в пределах 10 ¸ 20 кОм, а С_р отсутствует). Детекторные (выходные) характеристики для двух различных значений напряжений входных импульсов приведены на рис.14 и полностью соответствуют характеристикам цифрового фазового детектора (детектор типа 1) [15].

Рисунок 14. Детекторные характеристики функционального фазового детектора при различных значениях входного импульсного напряжения U_вх.

Важным преимуществом приборов, основанных на структурах с распределенным эмиттерным переходом, является исключительная простота устройств, широкие функциональные возможности, а также большая амплитуда импульсов тока через АК и колебаний потенциала p⁺-области, что обеспечивает непосредственное их согласование с типовыми приборами цифровой обработки информации.

Литература

1. Муравский Б.С., Черный В.Н., Яманов И.Л., Потапов А.Н., Жужа М.А. //. Микроэлектроника. 1989. Т18. №4. С.304-309.

2. Муравский Б.С., Кузнецов В.И., Фризен Т.И., Черный В.Н. // ФТП, 1972, Т6, вып 11, С. 2114 – 2122.

3. Кокин А.А. // Микроэлектроника, 1991, Т 20, вып 5, С. 424-434.

4. Muravskiy B.C., Kulikov O.N. //Proceedings of International Semiconductor Device Research Symposium, USA Charlottesville, 1999, p. 157 –160.

5.  Муравский Б.С. и др. // АС ССР №281651 приоритет от 3.12. 1968.

6. Муравский Б.С. и др. // АС ССР №504438 приоритет от 26.04. 1974.

7. Муравский Б.С. // АС ССР №660536 приоритет от 17.06. 1974.

8. Муравский Б.С. и др. // АС ССР №1438537 приоритет от 30.12. 1986.

9. Муравский Б.С. и др. // АС ССР №1438538 приоритет от 15.06. 1986.

10. Муравский Б.С. и др. // АС ССР №1551179 приоритет от 18.12. 1987.

11. Муравский Б.С. и др. //АС ССР №1804251 приоритет от 23.08. 1990.

12. Muravskiy B.C., Grigorian L.R. // Proceedings of International Semiconductor Device Research Symposium, USA Charlottesville, 1997, p. 233 – 236.

13. Муравский Б.С., Кузнецов В.И. // Радиотехника и электроника. 1980. Т25. №5. С.1112-1114.

14. Долуденко В.Г., Муравский Б.С. // Поверхность. (физика, химия, механика). 1989. №12. С. 101-105.

15. П. Хоровиц, У.Хилл. Искусство схемотехники. // М. Мир., 1993, Т2, 370 С.

Авторы:

Муравский Борис Семенович, зав. кафедрой физики полупроводников КубГУ, профессор, доктор физ. мат. наук.

Рубцов Геннадий Павлович, доцент кафедры физики полупроводников КубГУ, кандидат физ. мат. наук.

Григорьян Леонтий Рустемович, научный сотрудник НПФ "Мезон", e-mail: leonmezon@mail.ru , leongr@istnet.ru.

Куликов Олег Николаевич, аспирант кафедры физики полупроводников КубГУ.