10.6. Диэлектрическая электроника

При изучении свойств тонких пленок, различных металлических и неметаллических материалов, используемых в микроэлектро­нике, были обнаружены новые интересные физические явления. Так, в двухслойной пленочной структуре, состоящей из тонких (порядка 1-10 мкм) пленок металла и диэлектрика (рис. 10.17), приконтактная область диэлектрика обогащается электронами, эмитированными из металла. В массивных образцах диэлектрика эти узкие приконтактные области повышенной электропроводно­сти практически не влияют на токовый режим. В тонких же плен­ках эмиттированные из металла в диэлектрик носители заряда су­щественно изменяют электропроводность диэлектрического слоя. Если те-

Рис. 10.17. Эмиссия элек- перь приложить к диэлектрику, обогащенному носителями заряда, разность

тронов из металлической потенциалов, то через него пройдет ток, величина которого будет зависеть от

пленки в тонкий слой ди- числа эмитированных в диэлектрик из металла электронов. Это явление поз-

электрика волило создать новый класс микроэлектронных приборов, составляющих технические средства диэлектрической электроники. В качестве примера рассмотрим принцип действия простейших диэлектрических приборов — дио­да и транзистора.

Диэлектрический диод (рис. 10.18,) представляет собой пле­ночную структуру типа МДМ (металл-диэлектрик-металл). Металлические пленки изготавливают из разнородных металлов с различной работой выхода (из золота и индия), диэлектрическая пленка образована путем осаждения на металл тонкого слоя сер­нистого кадмия (CdS). Выпрямительный эффект в диэлектрическом диоде определяется различием работ выхода из истока и стока. По-Рис.10.18. Диэлектрический диод () и

­этому в одном направлении возникают большие токи, а в обратном транзистор ()

- очень малые. Коэффициент выпрямления такого диода (отношение прямого тока к обратному) достигает значений 10и выше. В ди­электрическом транзисторе (рис. 10.18,) три электрода - исток, сток и затвор. Пленочные исток и сток могут быть выполнены из металла или, как показано на рисунке из обогащенного электро­нами кремния-типа. Слой затвора высокоомный. Им может слу­жить диэлектрик или полупроводник-типа с низкой дырочной электропроводностью. Конфигурация затворного слоя и уровень электропроводности отдельных участков выбираются так, чтобы имитировать функции управляющей сетки в вакуумном триоде. Подаваемое на затвор внешнее напряжение управляет величиной тока между истоком и стоком.

Приборы и устройства диэлектрической электроники микро­миниатюрны, малоинерционны, обладают низким уровнем соб­ственных шумов, мало чувствительны к изменениям температуры и радиации. Создание эмиссионных токов в диэлектриках не требует затрат энергии. Поэтому диэлектрические приборы весьма эко­номичны.

10.7. Функциональные устройства, основанные на эффекте Ганна

Примером реализации эффекта Ганна (параграф 2.6) для постро­ения схемы с регулируемой формой выходного сигнала может слу­жить устройство, показанное на рис. 10.19, . Его основу состав­ляет кристалл арсенида галлия длиной 1 мм, шириной 0,5 мм и толщиной 0,5 мм. К концам пластины приправлены омические контакты из чистого индия. На внешние клеммы 1 (катод) и 4 (анод) подается напряжение смещения, достаточное для возникнове­ния доменов. Образовавшийся у катода домен движется к аноду. На одну из сторон кристалла через высокоомный слой 3 помещен управляющий электрод 2. Если контактРис. 10.19. Функциональное ус- SА замкнут, то, как только домен попадает в зону управляющего электро-

тройство с регулируемой фор- да ток через прибор возрастает. При разомкнутом контакте SА ток на вы-

мой выходного сигнала:- схе- ходе прибора не меняется.

ма (1 - катод; 2 - управляющий Временная диаграмма выходного тока показана на рис. 10.19,. Дли-

электрод; 3-высокоомный слой; тельность выходных импульсов зависит от времени прохождения домена

4-анод); -временная диаграм- под управляющим электродом.

ма выходного тока Если вместо управляющего электрода на поверхность образца помес- тить светочувствительное сопротивление, то получится при­бор, преобразующий световую информацию в электрическую. Такой прибор может служить для высокоскоростного считывания световых изображений и преобразования их в последовательность электрических импульсов. Если на образец поместить несколько управляющих электродов, то такой прибор обеспечит последовательное считывание информации с управляющих электродов и преобразование ее в цифровой код (рис. 10.20,(схема: 1-катод; 2-управляющий электрод; 3-анод)). На рис. 10.20,показаны временные диаграммы управляющих сигналов на электродах и тока в выходной цепи прибора. Экспериментальные исследо­вания такого многоканального импульсного модулятора показали, что кристалл арсенида галлия длиной 300 мкм с десятью управ­ляющими электродами (каждый длиной 20 мкм) производит считы­ваниеРис.10.20. Многоканальный им- и временное уплотнение десяти входных импульсов (длительностью 2 нс)

пульсный модулятор со скоростью, в десятки раз превышающей скорость, достигнутую в транзисторных устройствах.