Вакуумные интегральные схемы

В вакуумных интегральных схемах (ВИС) активными элементами являются электровакуумные лампы с размерами, близкими к размерам интегральных транзисторов. Электровакуумные микролампы по своим свойствам во многом подобны полевым транзисторам. Вакуумные интегральные триоды называют также вакуумными полевыми транзисторами, а их электроды — катод, сетка, анод называются соответственно эмиттер, затвор, коллектор.

В основе работы ВИС лежат те же физические явления, что и в основе работы рассмотренных электровакуумных триодов.

ВИС обладают рядом уникальных характеристик, в частности, скорость электронов в них может быть намного больше, чем в любом полупроводнике, их частотные свойства лучше частотных свойств кремниевых ИС и сравнимы со свойствами арсенид-галлиевых. Кроме того, ВИС обладают лучшей радиационной стойкостью. При изготовлении ВИС используется хорошо отработанная технология полупроводниковых ИС.

Одной из основных проблем при создании ВИС является разработка холодных (не подогреваемых) эмиттеров (катодов). В ВИС используется в основном электростатическая (автоэлектронная) эмиссия.

Наиболее исследованы интегральные триоды, устройство которых включает холодный эмиттер (катод), управляющий электрод (затвор — аналог управляющей сетки) и коллектор (анод).

Можно выделить четыре типа холодных катодов, используемых в ВИС:

• 1) полупроводниковые (кремниевые) решетки эмиттеров;
• 2) металлические катоды;
• 3) структуры металл—диэлектрик—полупроводник (МДПструктуры);
• 4) обратносмещенные р—/г-переходы, диоды Шоттки и р— Ь—л-диоды.

Структуры планарных приборов, создаваемых с использованием катодов 1-го и 2-го типов, во многом схожи (рис. 11.10).

При изготовлении металлических эмиттеров 2 (см. рис. 11.10) используется диэлектрическая изолирующая подложка 1 (например, стеклянная), на которой и формируется решетка эмиттеров. Расстояние между электродами (катод — 2, управляющий электрод — З_у анод — 4) колеблется от десятых долей микрона до нескольких микрон; радиус закругления кончика эмиттера — 20…30 нм; напряжение на коллекторе — от единиц до десятков, а иногда и до нескольких сотен В. В таких условиях в области эмиттера создается поле с напряженностью около 10⁷ В/см, которое достаточно для создания силы, необходимой для выхода электронов из катода, т. е. для осуществления электростатической эмиссии. С помощью таких эмиттеров можно получить плотность тока 10²…10^:* А/см².

Рис. 11.10.

Рис. 11.11.

Хорошими эмитирующими свойствами обладают и МДП-структуры (диоды) (рис. 11.11). В эмиттерах такого типа работа выхода полупроводника (обычно л кремния) меньше работы выхода металла А1.

Металл и полупроводник разделены пленкой (15…20 мкм) диэлектрика (8Ю₂) (см. рис. 11.11). При подаче прямого смещения между А1 и п—электроны из п—81 через пленку 8Ю₂ туннелируют в металл и занимают энергетические уровни выше уровня Ферми металла Е_{ф м}

(рис. 11.12, а), тем самым снижая его работу выхода и обеспечивая эмиссию электронов из структуры (кривая 1 на рис. 11.13).

Если же на рассматриваемую структуру катода подать обратное смещение («минус» источника подключается к металлу, рис. 11.12, 0), то электроны будут туннелировать через 8Ю₂ из металла в полупроводник и ток потечет подобно тому, как это происходит для малых напряжений при прямом смещении. Однако при увеличении обратного напряжения обедненная область простирается все больше и больше в полупроводник, т. е. приложенное напряжение падает в основном на обедненном слое полупроводника. Это ограничивает число электронов, туннелирующих через оксидный слой, что вызывает насыщение тока (кривая 2 на рис. 11.13).

Рис. 11.12.

Рис. 11.13.

Рис. 11.14.

Рис. 11.15.

Катоды на основе обратносмещенных р—л-переходов относятся к самым эффективным и хорошо изученным. Пример устройства таких катодов представлен на рис. 11.14.

Между тонкой л*-областью и р^-, р'-областями создается обратное смещение. Рабочий (эмитирующий) р—л переход формируется между областями р}" и л⁺. Этот переход смещается в область лавинного пробоя. Возникающая лавина локализуется практически на поверхности А,-структуры. Образующаяся в результате пробоя электронно-дырочная плазма и является источником эмиссии электронов с поверхности А₁ (см. рис. 11.14). Под действием поля, формируемого напряжениями 17_у и ?/_а, приложенными к управляющему электроду УЭ и аноду, А (коллектору), электроны перемещаются к аноду (коллектору). Одним из существенных достоинств таких холодных кремниевых катодов является то, что форму активной эмитирующей электроны поверхности можно выбирать.

Эффективность эмиссии и электронная температура зависят от степени легирования областей структуры (п⁺ и р^), от пространственного распределения (профиля) легирующей примеси и очень сильно — от условий на поверхности А_г. Качественно эти зависимости можно объяснить следующим образом.

Степень легирования и профиль легирования определяют величину и пространственное распределение электрического поля внутри обедненного слоя р⁺—л⁺-перехода и, следовательно, скорость и функцию распределения электронов в переходе. Часть этих электронов (наиболее быстрые, горячие) эмитируется в вакуум. Для уменьшения работы выхода электронов с поверхности и, следова;

Рис. 11.16.

Рис. 11.17.

тельно, увеличения тока эмиссии поверхность А_х покрывают цезием. Такими методами получена плотность тока до 8000 А/см².

Были разработаны и исследованы также катоды на основе переходов Шоттки, р—/—л-диодов. Они имеют структуры, подобные рассмотренным для р—л-перехода.

Примеры устройств вакуумных микротриодов плоской и вертикальной конструкции приведены на рис. 11.15—11.17. На рис. 11.15 катод 1 изготовлен в виде острия из кремния. Между массивной частью катода и управляющим электродом (сеткой) 2, выполненным из металлической пленки, располагается диэлектрический слой БЮ₂ (3). Структура на рис. 11.15 выполнена на плоскости (поверхности) диэлектрической подложки и накрывается диэлектрическим пустотелым колпачком. Аналогично функционируют и структуры,'показанные на рис. 11.16 и 11.17. Однако в отличие от плоских микротриодов (см. рис. 11.16, 11.17) прибор на рис. 11.15 может быть сделан и в вертикальном исполнении. В этом случае анод впаивается в диэлектрический колпачок, через который делаются выводы других электродов.