Книги по разным темам Pages:     | 1 | 2 | Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 4 01;05;06;09 Кремниевый однопереходный тензотранзистор й Г.Г. Бабичев, С.И. Козловский, В.А. Романов, Н.Н. Шаран Институт физики полупроводников НАН Украины, 03028 Киев, Украина e-mail: mickle@semicond.kiev.ua (Поступило в Редакцию 14 мая 2001 г.) Приведены результаты исследования однопереходного тензотранзистора на основе кремния. Тензотранзистор относится к тензочувствительным биполярным полупроводниковым приборам с горизонтальной структурой и входной (эмиттерной) вольт-амперной характеристикой S-типа. Определена оптимальная топология прибора, а также рассчитаны его основные характеристики. На основе однопереходного тензотранзистора могут быть созданы релаксационные генераторы с физически интегрированным преобразованием механического напряжения в изменение частоты выходного сигнала.

Однопереходный транзистор (или двухбазовый диод) и обычного однопереходного транзистора [1Ц3]. При представляет собой полупроводниковый прибор с одним приложении к базовым контактам разности потенциалов p-n-переходом и двумя базовыми контактами. На стати- Ubb и отсутствии разности потенциалов между эмиттеческой вольт-амперной характеристике однопереходного ром и базовым электродом B1 Ue = 0 через p-n-переход транзистора (S-типа) имеется участок с отрицательным протекает малый обратный ток эмиттера Ie = Is (Is Ч дифференциальным сопротивлением. Благодаря наличию ток насыщения), обусловленный напряжением Ubb, где такого участка однопереходные транзисторы использу- = le/lx Ч коэффициент передачи напряжения, или ются для построения схем генераторов импульсов, ли- внутренний коэффициент деления; le Ч расстояние от нейно изменяющихся напряжений, пороговых устройств эмиттера до базового электрода B1. Здесь и далее и преобразователей. Схемы, выполненные на однопере- мы будем считать геометрические размеры эмиттера ходных транзисторах, обычно проще и надежнее, чем малыми по сравнению с соответствующими размерами схемы на диодных и биполярных транзисторах [1Ц3]. базовой области тензотранзистора. По мере роста отриЭти преимущества делают их перспективными для раз- цательной разности потенциала Ue p-n-переход смещаработки датчиков физических величин. Так, на основе ется в прямом направлении и эмиттер начинает инжекоднопереходных транзисторов, чувствительных к вели- тировать неравновесные электроны, которые уносятся чине магнитного поля (однопереходных магнитотранзи- тянущим полем к базовому электроду B1. Вследствие сторов), созданы датчики с выходным сигналом, частота этого сопротивление первой базы Reb1 (сопротивление которого зависит от величины магнитного поля [2,4]. участка эмиттерЦбазовый электрод B1) уменьшается, что В настоящей работе мы рассмотрим конструкцию приводит к дальнейшему увеличению прямого смещеи основные характеристики однопереходного тензотран- ния эмиттерного перехода. Этот процесс имеет лавизистора, на основе которого могут быть созданы датчики нообразный характер и заканчивается переходом тензомеханических величин, прежде всего датчики давления транзистора в открытое состояние. Схематично входная с частотным выходом. Как известно [1,2,5], датчики с вольт-амперная (эмиттерная) характеристика одноперечастотным выходным сигналом отличаются удобством ходного транзистора показана на рис. 2. Как видно, сопряжения с цифровыми системами и повышенной вольт-амперная характеристика имеет две важные для помехозащищенностью вследствие слабой чувствительности частотно-модулированного сигнала к наводкам и помехам.

Однопереходной тензотранзистор может быть изготовлен методами стандартной интегральной технологии и размещен на планарной стороне профилированной кремниевой мембраны EE-типа (с двумя жесткими центральными островками) [6], которая трансформирует равномерно распределенную по ее поверхности нагрузку в одноосную упругую деформацию растяженияЦсжатия той части мембраны, где расположен тензотранзистор.

Топология однопереходного тензотранзистора, электрическая схема его включения и кристаллографическая ориентация показаны на рис. 1.

Рис. 1. Топология, схема включения и кристаллографическая В отсутствие упругой деформации принцип рабо- ориентация однопереходного тензотранзистора. B1, B2 Чбазоты рассматриваемого тензотранзистора такой же, как вые электроды; E Ч эмиттер.

Кремниевый однопереходный тензотранзистор и относительной тензочувствительности по напряжению включения SAP, SRP и напряжению насыщения или напряжению впадины SAV, SRV соответственно, определив их следующим образом:

Up(v) SAP(AV) =, Up(v) SRP(RV) =. (3) Up(v) Здесь Ч механическое напряжение в базовой области тензотранзистора. Символ 0 означает, что указанные параметры определяются при малых значениРис. 2. Входная характеристика однопереходного транзистора.

ях. С целью оптимизации топологии и геометрических размеров однопереходного тензотранзистора проведем расчет эмиттерной характеристики Ue(Ie), а также вепрактического применения точки: максимума (Up, Ip) личин Up, Ip и Uv, Iv. Расчет проведем в приближении слабых однородных деформаций [6,8], когда параметр и минимума (Uv, Iv) напряжения, в которых производная анизотропии достаточно мал |a| Ue/Ie обращается в нуль, a() =44/2, (4) Ue 2Ue (Ie = Ip) =0 при (Ie = Ip) < 0, (1) Ie Ie где 44 Ч сдвиговый пьезорезистивный коэффициент для p-Si.

Ue 2Ue (Ie = Iv) =0 при (Ie = Iv) > 0, (2) Ограничим базу однопереходного тензотранзистора Ie Ie координатами величины Up, Ip и Uv, Iv Ч называют напряжениями 0 < x < lx, 0 < y < ly, 0 < z < lz. (5) и токами пика (включения) и впадины (насыщения) соответственно [1,2].

Режим работы тензотранзистора рассмотрим в двух При одноосной упругой деформации в кристаллограпредельных случаях: малого и большого уровней инжекфическом направлении [110] исходно изотропная поции в области первой базы тензотранзистора. При малых движность основных носителей заряда (дырок) p в базоуровнях инжекции уравнение, описывающее эмиттерную вой области тензотранзистора становится анизотропной.

характеристику однопереходного тензотранзистора, имеВследствие этого дрейф дырок в продольном тянущем ет вид электрическом поле базы (в x-направлении; рис. 1) сопровождается их отклонением в поперечном направле- T Ie Ue(Ie) = ln 1 + + IeReb1(Ie) нии и возникновением поперечной разности потенциаe Is лов Vy. Наведенная деформацией поперечная разность + Ubb[1 + Reb2(Ie)/Reb1(Ie)]-1 + Vy ()/2. (6) потенциалов будет модулировать инжекцию эмиттерного p-n-перехода, а значит и напряжение переключения Здесь T Ч температура в энергетических единицах, e Ч однопереходного тензотранзистора в высокопроводящее заряд электрона, Reb2 Ч сопротивление второй базы состояние Up.

(сопротивление участка эмиттераЦбазовый электрод B2).

Принцип действия описываемого однопереходного Как следует из выражения (6), действие упругой детензотранзистора формально эквивалентен принципу формации сводится к модуляции инжекции эмиттера действия однопереходного магнитотранзистора, у котопоперечной разностью потенциалов Yy(). При однорого холловское поле модулирует инжекцию эмиттера.

родной деформации поперечная разность потенциалов Этот эффект в магнитотранзисторах получил название описывается выражением [8] эффекта модуляции инжекции [7]. Следует заметить, что ранее исследованы однопереходные магнитотранзиVy() =a()UbbF(le, lx, ly ), (7) сторы, принцип действия которых основан на другом эффекте Ч эффекте отклонения [2,4]. В этих приборах где F(le, lx, ly) Ч геометрический фактор, магнитное поле модулирует сопротивление первой базы, 4 [1 - (-1)n] отклоняя инжектированные эмиттером неравновесные F(le, lx, ly) = носители к боковым поверхностям базовой области с 2 n=1 nвысокой либо с малой скоростями поверхностной рекомnle nly бинации.

sin tanh. (8) Для характеристики однопереходного тензотранзистоlx 2lx ра можно ввести следующие параметры абсолютной 5 Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 68 Г.Г. Бабичев, С.И. Козловский, В.А. Романов, Н.Н. Шаран Сучетом(7) эмиттерная характеристика однопереход- Граничные условия примем в виде ного тензотранзистора принимает вид p Ie (x = le) =, (17) x eSeD(b + 1) T Ie Ue(Ie, ) = ln 1 + + IeReb1(Ie) e Is p(x = 0) =p0. (18) Здесь Se Ч площадь эмиттерного перехода. Условие (17) Reb1(Ie) a() + Ubb + F(le, lx, ly ). (9) следует из выражения для плотности тока дырок (14) [Reb1(Ie) +Reb2(Ie)] и означает отсутствие дырочной компоненты тока на граПроанализируем выражение (9). Согласно экспери- нице эмиттерного p-n-перехода. Решение задачи (16) - (18) имеет вид ментальным данным [1], величину сопротивления второй базы Reb2 в первом приближении можно считать незавиIeLsinh(x/L) сящей от величины тока эмиттера p(x) =p0 +. (19) eDnSe(b + 1)cosh(le/L) Reb2(Ie) Reb2(Ie = 0) =Reb2. (10) = Режим малого уровня инжекции накладывает ограничение на величину эмиттерного тока в выражении (19) В то же время зависимость Reb1(Ie) определяется ряIe eDnSe(b + 1)p0/Ltanh(le/L). (20) дом параметров [1,2]: геометрическими размерами базы, граничными условиями на контактах, пространственным Сопротивление первой базы находим интегрированираспределением неравновесных носителей на участке ем базовой области 0 x le и др. Для стационарного слуle чая система уравнений, описывающих пространственное 0 dx распределение концентрации неравновесных носителей Reb1(Ie) =. (21) Sb [1 +(b + 1)p(x, Ie)/p0] в приближении квазинейтральности имеет вид [2,3,9] Здесь 0 Ч удельное сопротивление базы в отсутствие div(jp) +R - G0 = 0, (11) инжекции, S0 Ч площадь поперечного сечения базы.

e Вычисление интеграла (21) приводит к следующему div(j) div(jn + jp) =0, rot(E) =0, (12) результату:

jp = eppE - eDpp, jn = ennE - eDnn, (13) Reb1(Ie = 0)L Reb1(Ie) = le 1 + P(Ie)n - n0 = p - p0 =p. (14) Здесь n и p Ч концентрации электронов и дырок, n1 + P(Ie) + 1 + P(Ie)2 tanh(le/2L) и p0 Ч их равновесные значения, n, Dn и p, Dp Ч ln, (22) подвижности и коэффициенты диффузии электронов (n) 1 + P(Ie) - 1 + P(Ie)2 tanh(le/2L) и дырок (p), jn и jp Ч плотности электронного и дырочного токов; величины R и G0 являются темпами где P(Ie) =Ie/I0, I0 = eDSe p0cosh(le/L)/L.

объемной рекомбинации и генерации, E Ч электриче- Для расчета напряжения пика Up по формуле (9) ское поле. После исключения поля E из уравнений (13) кроме зависимости Reb1(Ie) и величины тока Ip необполучаем выражение для плотности тока дырок ходимо определить значение геометрического фактора F(le, lx, ly ). Зависимость величины F(le, lx, ly) от разj меров базовой области и положения эмитера показана jp - eDp, (15) = b + на рис. 3. Как видно, величина геометрического фактора максимальна при lx ly и le = lx /2. Полученные соотно= где D = 2bDp/(b + 1), b = n/p.

шения для величин lx, ly, le соответствуют однородному Дальнейшее рассмотрение проведем в предположении случаю, когда упругая деформация постоянна в пределах квазиодномерности пространственного распределения базы тензотранзистора. Расчет величин поперечной разнеравновесных носителей в базе, а ограничение размера ности потенциалов Vy() и геометрического фактора для базовой области тензотранзистора в yz-плоскости учтем неоднородного случая приведен в работах [8,13].

введением эффективного времени жизни eff и соответ С целью упрощения расчетов воспользуемся следуствующей ему диффузионной длины L = Deff [10,11].

ющим экспериментальным фактором [1]: зависимость Согласно [12], эффективное значение L в нашем слусопротивления первой базы от тока эмиттера в широком чае (lx, ly lz) ограничено толщиной базы L lz.

интервале величин Ie можно аппроксимировать выражеПодставляя выражение для плотности тока дырок (15) нием вида [2,4] в уравнение (11), получаем при принятых упрощениях уравнение для их концентрации Reb1(Ie = 0) Reb1(Ie) =, (23) 1 + Ie 2 p p - p- = 0. (16) где Ч аппроксимирующий коэффициент.

x2 LЖурнал технической физики, 2002, том 72, вып. Кремниевый однопереходный тензотранзистор При известном значении тока Ip величину напряжения пика легко найти из выражения для входной характеристики (9). На рис. 5 представлена расчетная зависимость напряжения пика от величины параметра анизотропии a.

Как видно, зависимость Up(a) имеет линейный характер, что важно с точки зрения практического применения тензотранзистора.

Согласно (3), (9), абсолютная тензочувствительность по напряжению включения SAP не зависит от тока эмиттера SAP = UbbF(le, lx, ly ), (25) при 44 = 1.410-9 Pa-1 и Ubb = 4 V получаем значение SAP 10-9 V/Pa.

= Рис. 3. Зависимость величины геометрического фактора от Зависимость относительной тензочувствительности по размера базы тензотранзистора. Положения эмиттера le/lx:

напряжению включения SRP от разности потенциалов Ubb 1 Ч0.5, 2 Ч0.3, 3 Ч0.8.

показана на рис. 6, откуда видно, что с ростом величины Ubb значение тензочувствительности SRP стремится к насыщению (кривая 1), в то время как абсолютная величина напряжения пика линейно возрастает (кривая 2).

Рис. 4. Зависимости сопротивления первой базы от величины тока эмиттера. Сплошная кривая Ч расчет по формуле (22), звездочки Ч аппроксимирующая зависимость по формуле (23).

Рис. 5. Зависимость напряжения пика от величины параметра анизотропии. Ubb, V: 1 Ч4, 2 Ч6, 3 Ч8.

На рис. 4 показана зависимость сопротивления первой базы Reb1 от тока эмиттера, рассчитанная по формулам (22) и (23). Видно, что зависимость Reb1(Ie) хорошо аппроксимируется выражением (23) при величине = 1.11 104 A-1. Расчет зависимости Reb1(Ie) по формуле (22) выполнен для базовой области тензотранзистора размером lx ly lz (m) : 100 100 10 и при следующих электрофизических параметрах кристалла кремния (при 300 K): Dn = 35 cm2s-1, Dp = 13 cm2s-1, p0 = 5 1015 cm-3, ni = 1.4 1010 cm-3.

Выражение для тока пика находим, подставляя зависимость (23) в выражение для входной характеристики (9) и приравнивая нулю первую производную эмиттерной характеристики (см. выражение (1)). Тогда при малых уровнях инжекции (Ie 1) выражение для величины тока пика Ip имеет вид Рис. 6. Зависимости относительной тензочувствительности по T напряжению включения (1) и величины напряжения включеIp. (24) = 2[Ubb(1 - ) - Reb1(Ie = 0)] ния (2) от разности потенциалов Ubb.

Журнал технической физики, 2002, том 72, вып. 70 Г.Г. Бабичев, С.И. Козловский, В.А. Романов, Н.Н. Шаран При высоких уровнях инжекции (Ie 1) вследствие эффекта закорачивания величиной поперечной разности потенциалов Vy в выражении (6) можно пренебречь Vy() 0 и эмиттерная характеристика тензотранзистора принимает вид T Ie Ue(Ie) = ln 1 + +(Ie + Ibb)Reb1(Ie), (26) e Is где Ibb = Ubb/(Reb2 + Reb1) Ubb/Reb2 Ч межбазовый = ток.

Подставляя аппроксимирующую зависимость (23) Рис. 7. Схема простейшего мультивибратора на однопереходв формулы (26) и (2), получаем следующее выражение ном тензотранзисторе.

для тока впадины:

Pages:     | 1 | 2 |    Книги по разным темам