ВАКУУМНІ ІНТЕГРАЛЬНІ СХЕМИ

У вакуумних інтегральних схемах (ВІС) активними елементами є електровакуумні лампи з розмірами, близькими до розмірів інтегральних транзисторів. Електровакуумні мікролампи за своїми властивостями багато в чому подібні до польовим транзисторам. Вакуумні інтегральні тріоди називають також вакуумними польовими транзисторами , а їх електроди - катод, сітка, анод називаються відповідно емітер, затвор, колектор.

В основі роботи ВІС лежать ті ж фізичні явища, що і в основі роботи розглянутих електровакуумних триодов.

ВІС мають ряд унікальних характеристик, зокрема, швидкість електронів в них може бути набагато більше, ніж в будь-якому полупроводнике, їх частотні властивості краще частотних властивостей кремнієвих ІС і порівняти з властивостями арсенід-галієвих. Крім того, ВІС мають кращу радіаційної стійкістю. При виготовленні ВІС використовується добре відпрацьована технологія напівпровідникових ІС.

Однією з основних проблем при створенні ВІС є розробка холодних (не підігрівати) емітерів (катодів). У ВІС використовується в основному електростатична (автоелектронна) емісія.

Найбільш досліджені інтегральні тріоди, пристрій яких включає холодний катод (катод), керуючий електрод (затвор - аналог керуючої сітки) і колектор (анод).

Можна виділити чотири типи холодних катодів, використовуваних в ВІС:

  • 1) напівпровідникові (кремнієві) решітки емітерів;
  • 2) металеві катоди;
  • 3) структури метал-діелектрик-напівпровідник (МДП структури);
  • 4) обратносмещенного р- / г-переходи, діоди Шотткі і р- Ь -л-діоди.

Структури планарних приладів, що створюються з використанням катодів 1-го і 2-го типів, багато в чому схожі (рис. 11.10).

При виготовленні металевих емітерів 2 (див. Рис. 11.10) використовується діелектрична ізоляційна підкладка 1 (наприклад, скляна), на якій і формується решітка емітерів. Відстань між електродами (катод - 2, керуючий електрод - З у анод - 4) коливається від десятих часток мікрона до декількох мікрон; радіус заокруглення кінчика емітера - 20 ... 30 нм; напруга на колекторі - від одиниць до десятків, а іноді і до декількох сотень В. В таких умовах в області емітера створюється поле з напруженістю близько 10 7 В / см, яке досить для створення сили, необхідної для виходу електронів з катода, т. е . для здійснення електростатичного емісії. За допомогою таких емітерів можна отримати щільність струму 10 2 ... 10 : * А / см 2 .

Мал. 11.10

Мал. 11.11

Добрими емітує властивостями володіють і МДП-структури (діоди) (рис. 11.11). У емітерах такого типу робота виходу напівпровідника (звичайно л кремнію) менше роботи виходу металу А1.

Метал і напівпровідник розділені плівкою (15 ... 20 мкм) діелектрика (8Ю 2 ) (див. Рис. 11.11). При подачі прямого зміщення між А1 і п -електронів з п -81 через плівку 8Ю 2 туннелируют в метал і займають енергетичні рівні вище рівня Фермі металу Е ф м

(рис. 11.12, а), тим самим знижуючи його роботу виходу і забезпечуючи емісію електронів з структури (крива 1 на рис. 11.13).

Якщо ж на розглянуту структуру катода подати зворотний зсув ( "мінус" джерела підключається до металу, рис. 11.12, 0), то електрони будуть туннелировать через 8Ю 2 з металу в напівпровідник і ток потече подібно до того, як це відбувається для малих напруг при прямому зміщенні. Однак при збільшенні зворотної напруги збіднена область простягається все більше і більше в напівпровідник, т. Е. Прикладена напруга падає в основному на збідненим шарі напівпровідника. Це обмежує число електронів, туннелирующих через оксидний шар, що викликає насичення струму (крива 2 на рис. 11.13).

Мал. 11.12

Мал. 11.13

Мал. 11.14

Мал. 11.15

Катоди на основі обратносмещенного р-л-переходів відносяться до найефективніших і добре вивченим. Приклад пристрою таких катодів представлений на рис. 11.14.

Між тонкою л * -область і р ^ -, р '-область створюється зворотне зміщення. Робочий (емітує) р -л перехід формується між областями р} "і л + . Цей перехід зміщується в область лавинного пробою. Виникає лавина локалізується практично на поверхні А, -Структури. Утворюється в результаті пробою електронно-діркова плазма і є джерелом емісії електронів з поверхні а 1 (див. рис. 11.14). Під дією поля, формованого напругою 17 у і £ / а , прикладеними до керуючого електрода УЕ і анода а (колектора), електрони переміщаються до анода (колектора). Одним з істотних переваг таких холодних кремнієвих катодів є те, що форму активної емітує електрони поверхні можна вибирати.

Ефективність емісії та електронна температура залежать від ступеня легування областей структури (п + і р ^), від просторового розподілу (профілю) легуючої домішки і дуже сильно - від умов на поверхні А г . Якісно ці залежності можна пояснити наступним чином.

Ступінь легування і профіль легування визначають величину і просторовий розподіл електричного поля всередині збідненого шару р ++ -переходу і, отже, швидкість і функцію розподілу електронів в переході. Частина цих електронів (найбільш швидкі, гарячі) емітується в вакуум. Для зменшення роботи виходу електронів з поверхні і, следова-

Мал. 11.16

Мал. 11.17

тельно, збільшення струму емісії поверхню А х покривають цезієм. Такими методами отримана щільність струму до 8000 А / см 2 .

Були розроблені і досліджені також катоди на основі переходів Шотткі, р - / - л-діодів. Вони мають структури, подібні розглянутим для р -л-переходу.

Приклади пристроїв вакуумних мікротріодов плоскою і вертикальної конструкції наведені на рис. 11.15-11.17. На рис. 11.15 катод 1 виготовлений у вигляді вістря з кремнію. Між масивної частиною катода і керуючим електродом (сіткою) 2, виконаним з металевої плівки, розташовується діелектричний шар БЮ 2 (3). Структура на рис. 11.15 виконана на площині (поверхні) діелектричної підкладки і накривається діелектричним порожнистим ковпачком. Аналогічно функціонують і структури, 'показані на рис. 11.16 і 11.17. Однак на відміну від плоских мікротріодов (див. Рис. 11.16, 11.17) прилад на рис. 11.15 може бути зроблений і у вертикальному виконанні. В цьому випадку анод упаюється в діелектричний ковпачок, через який робляться висновки інших електродів.

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >