пластинчатый диод
Классы МПК: | H01L29/861 диоды |
Автор(ы): | СЮЙ Елинь (CN), ЦЗЯН Лин (CN), СЮЙ Цян (CN) |
Патентообладатель(и): | ИНСТИТЬЮТ ОФ БАЙОФИЗИКС ЧАЙНИЗ АКАДЕМИ ОФ САЙЕНСИЗ (CN) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-03-29 публикация патента:
10.09.2003 |
Использование: микроэлектроника, полупроводниковые диоды. Сущность изобретения: параллельно-пластинчатый диод включает металлические электроды и контактирующую с ними пластину полупроводникового материала. Два пластинчатых электрода, выполненных из металла, расположены параллельно друг другу, а между ними расположена тонкая пластина полупроводникового материала. Концентрация носителей в полупроводниковом материале составляет 20% или менее от концентрации токопроводящих электронов в металле. Один из металлических электродов выполнен таким образом, что его поверхность со стороны, обращенной к пластине полупроводникового материала, имеет множество углублений, направленных в глубь электрода. Средний диаметр углублений составляет менее 4 мкм. Углубления представляют собой впадины или последовательность выступов, в которых выпуклые и вогнутые участки чередуются друг с другом. Поперечное сечение углублений может быть округлой, квадратной или прямоугольной формы. Такой диод обеспечивает во внешней электрической цепи статичное выходное напряжение и выходной ток без приложения смещающего напряжения и смещающего тока, что является техническим результатом изобретения. 17 з.п. ф-лы, 11 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11
Формула изобретения
1. Параллельно-пластинчатый диод, включающий в себя металлические электроды и контактирующую с ними пластину полупроводникового материала, отличающийся тем, что два пластинчатых металлических электрода расположены параллельно друг другу, а пластина полупроводникового материала расположена между ними, концентрация носителей в полупроводниковом материале составляет 20% или менее от концентрации токопроводящих электронов в металле и один из металлических электродов выполнен таким образом, что его поверхность со стороны, обращенной к пластине полупроводникового материала, имеет множество углублений, направленных в глубь электрода, и средний диаметр углублений составляет менее 4 мкм. 2. Параллельно-пластинчатый диод по п. 1, отличающийся тем, что указанные углубления в металлическом электроде имеют форму открытых полостей. 3. Параллельно-пластинчатый диод по п. 2, отличающийся тем, что указанные открытые полости в параллельном пластинам сечении имеют форму круга, квадрата, прямоугольника и разнообразные другие неправильные формы. 4. Параллельно-пластинчатый диод по п. 2, отличающийся тем, что указанные открытые полости имеют форму канавки. 5. Параллельно-пластинчатый диод по п. 2, отличающийся тем, что указанные открытые полости образованы последовательностью выступов, причем в сечении, перпендикулярном пластинам диода и проходящем через указанные выступы, выпуклые и вогнутые участки чередуются друг с другом. 6. Параллельно-пластинчатый диод по любому из пп. 2-5, отличающийся тем, что две стенки указанных открытых полостей или канавок выполнены из двух различных веществ, при этом еФ1 и еФ3, соответственно обозначающие работу выхода двух стенок, удовлетворяют условию Ф1<Ф3. 8. Параллельно-пластинчатый диод по п. 1, отличающийся тем, что указанный диод осажден на подложку из изоляционного материала. 9. Параллельно-пластинчатый диод по п. 8, отличающийся тем, что указанный диод осажден на стеклянную подложку. 10. Параллельно-пластинчатый диод по п. 9, отличающийся тем, что металлический электрод с углублениями одного диода соединен с соседним с ним хромовым электродом другого диода с тождественной конструкцией, образуя параллельно-пластинчатый диод с последовательной конструкцией. 11. Параллельно-пластинчатый диод по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве материала указанного металлического электрода использован сплав-ковар. 12. Параллельно-пластинчатый диод по п. 11, отличающийся тем, что электрод из сплава-ковара с углублениями одного диода соединен с подложкой из сплава-ковара другого диода с тождественной конструкцией, образуя параллельно-пластинчатый диод с последовательной конструкцией. 13. Параллельно-пластинчатый диод по п. 1 или 2, отличающийся тем, что контактирующие с полупроводниковым материалом поверхности обоих из указанных двух металлических электродов имеют углубления, при этом средний диаметр углублений на одной из поверхностей равен или меньше 0,7 мкм, а средний диаметр углубления на другой поверхности больше 0,7 мкм. 14. Параллельно-пластинчатый диод по п. 13, отличающийся тем, что глубина углублений в указанных двух металлических электродах различается. 15. Параллельно-пластинчатый диод по п. 13, отличающийся тем, что углубления в указанных двух металлических электродах различаются по форме. 16. Параллельно-пластинчатый диод по п. 1, отличающийся тем, что все пластины диода взаимно параллельны, а общая форма диода, образованного указанными пластинами, не ограничена. 17. Параллельно-пластинчатый диод по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что указанным полупроводниковым материалом является жидкий полупроводниковый материал. 18. Параллельно-пластинчатый диод по любому из пп. 1-13, отличающийся тем, что указанным полупроводниковым материалом является металлический сплав с высоким электросопротивлением.Описание изобретения к патенту
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИИзобретение касается полупроводникового элемента, конкретно говоря, оно касается пластинчатого диода. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Конструкция полупроводникового диода, известная из уровня техники, является конструкцией р-n-типа, сформированной полупроводниковым материалом. Под воздействием определенного электрического поля носитель тока в нем приходит в направленное движение, что выражается в однонаправленной проводимости. Такой полупроводниковый диод в основном служит выпрямительным элементом или ключевым элементом (переключателем). Очевидно, что без приложения смещающих напряжения и тока однонаправленная проводимость такого диода исчезнет и диод станет обычным линейным элементом. Другой полупроводниковый элемент, обычно называемый селеновым выпрямителем, последовательно соединяет несколько пластинчатых полупроводниковых материалов, включая селеновые пластинки. Такой диод также является выпрямительным полупроводниковым элементом с однонаправленной проводимостью при наличии приложенного электрического поля. СОДЕРЖАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить пластинчатый диод, который без приложения смещающего напряжения и смещающего тока может поддерживать однонаправленную проводимость в электрической цепи. Вышеуказанная цель реализуется нижеследующим способом. Пластинчатый диод включает металлические электроды и находящийся в контакте с ними полупроводниковый материал. Пластинчатые электроды образованы двумя взаимно параллельными слоями металла, а между ними расположен пластинчатый слой полупроводникового материала, при этом концентрация носителей в слое полупроводникового материала составляет 20% или меньше от концентрации токопроводящих электронов в металле. Один из указанных металлических электродов выполнен таким образом, что его поверхность со стороны, обращенной к пластине полупроводникового материала, имеет множество углублений, направленных в глубь электрода. Средний диаметр углублений составляет менее 4 мкм. В качестве наиболее оптимального вида указанных углублений принимается отверстие. В качестве материала между указанными металлическими электродами предпочтительным является материал с низкой электропроводностью. Опыты показывают, что при соединении электропроводом двух электродов пластинчатого диода согласно настоящему изобретению с внешней цепью в последней будет течь непрерывный и устойчивый прямой ток IT (смотри схемы на Фиг. 1 (а) и 1 (b)). Дело в том, что когда диаметр углубления в металле, например диаметр отверстия, является достаточно малым (опыты показывают, что следует использовать отверстия с диаметром менее 4 мкм), явно наблюдается электростатическое притяжение между диссоциированным электроном, ограниченным кристаллической решеткой на поверхности стенки отверстия, и соответственным положительным ионом (см. схему на Фиг.2). Под воздействием данного электростатического притяжения к указанным положительным ионам, находящимся на поверхности отверстия, внутри отверстия образуется электрическое поле Е. В связи с этим токопроводящий электрон в "днище" отверстия и на поверхности другого пластинчатого металлического электрода в вышеуказанном диоде испытывает изгибающее действие данного электрического поля Е, что приводит к захвату электронов стенкой отверстия. Таким образом, эффект воздействия отверстия можно выразить так - "входят много, а выходит мало", т.е. отверстие исполняет функцию "электронной дырки". Повторные опыты доказывают, что вышеуказанный пластинчатый диод устанавливает однонаправленную проводимость без смещения, т. е. не нуждается в приложении смещающего напряжения и смещающего тока, при этом однонаправленный электрический ток внешне проявляется в движении горячих токопроводящих электронов. Распределение скорости движения горячих токопроводящих электронов в металлическом электроде пластинчатого диода приблизительно соответствует распределению Максвелла. По этой причине выходное напряжение пластинчатого диода согласно данному изобретению, как показывают опыты, при различной величине нагрузки может изменяться в широких пределах, максимально до 100 мВ. Опыты также показывают, что когда выходное напряжение составляет приблизительно 30 мВ, то соответственная выходная мощность является наибольшей, т.е. это состояние соответствует самой вероятной из скоростей движения горячих токопроводящих электронов. Опыты показывают, что выходной электрический ток данного пластинчатого диода связан с диаметром отверстия и количеством отверстий в электроде. Конкретно говоря, при уменьшении диаметра отверстия коэффициент К однонаправленности диода увеличивается, что соответствует увеличению тока в электрической цепи. Кроме того, чем больше глубина отверстия, тем больший ток можно поддерживать в электрической цепи. Опыты показывают, что лучшим является вариант, при котором диаметр и глубина отверстия близки по величине. Используя теоретический, опытный и опытно-теоретический подходы для поиска оптимального соотношения между диаметром отверстия и указанной плотностью тока IT, Заявитель получил близкие сходящиеся результаты. Приведенное ниже соотношение получено при использовании опытно-теоретического подхода. Анализ проведенных опытов с использованием кремниевого пластинчатого диода, имеющего конструкцию из вышеуказанного примера, при условии, что выходное напряжение составляет 30 мВ, показывает, что между плотностью выходного тока IT (А/см2) и диаметром отверстия D1 имеется следующее эмпирическое отношение:
IT-K3(K4/D1)K5=800(K4/D1)4,9 (1). Здесь в качестве единиц диаметра отверстия D1 является сантиметр, К3, К4, К5 являются опытными коэффициентами. Из формулы (1) следует, что чем меньше диаметр отверстия, тем больше плотность тока. В настоящих опытах были получены отверстия с диаметром около 0,7 мкм, и в этом случае выходной ток пластинчатого диода с конструкцией согласно данному изобретению составляет 0,2 мкА. При использовании метода гравирования потоком электронов диаметр отверстия может достигать на
![пластинчатый диод, патент № 2212079](/images/patents/258/2212079/2212079-2t.gif)
Фиг. 1(а) и 1 (b) являются схемами действия пластинчатого диода согласно данному изобретению с однонаправленной проводимостью без смещения;
Фиг.2 является конструктивной схемой пластинчатого диода согласно данному изобретению с указанием механизма образования "электронной дырки";
Фиг. 3(а)-3(f) являются перспективными видами углублений различной формы в пластинчатом диоде согласно данному изобретению;
Фиг.4 является конструктивной схемой отверстий в пластинчатом диоде согласно данному изобретению, при этом стенка отверстия выполнена из различных материалов;
Фиг. 5 (а)-5 (d) являются конструктивными схемами пластинчатого диода согласно данному изобретению, при этом Фиг.5(b) и (с) обозначают диод, в котором оба металлических электрода имеют конструкцию с отверстием;
Фиг. 6 (а) и 6(b) являются схемами общей конструкции пластинчатого диода согласно одному из вариантов воплощения данного изобретения, при этом Фиг.6 (а) обозначает конструкцию диода в разрезе, а Фиг.6(b) обозначает вид сверху;
Фиг. 7 (а) и 7 (b) являются схемами микроструктуры диода согласно приведенному на Фиг.6(а)-6(b) варианту воплощения данного изобретения, при этом Фиг.7 (а) обозначает схему в разрезе, а Фиг.7(b) обозначает вид сверху;
Фиг.8 является испытательным графиком диода согласно варианту воплощения данного изобретения, приведенному на Фиг.6(а)-6(b);
Фиг. 9 (а) и 9(b) являются схемами общей конструкции пластинчатого диода согласно другому варианту воплощения данного изобретения, при этом Фиг.9(а) обозначает вид спереди, а Фиг.9(b) обозначает вид сверху;
Фиг. 10 является схемой микроструктуры диода согласно приведенному на Фиг.9 (а) и 9(b) варианту воплощения данного изобретения;
Фиг. 11 является испытательным графиком диода согласно варианту воплощения данного изобретения, приведенному на Фиг.9(а) и (b). ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ВОПЛОЩЕНИЯ ДАННОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ
ПРИМЕР 1
Ниже будет изложен предпочтительный вариант воплощения пластинчатого диода согласно данному изобретению, у которого имеется стеклянная футеровка. На Фиг. 6 (а), 6 (b) и 7 (а), 7 (b) показан изготовленный пластинчатый диод на стеклянной футеровке 31. Указанная стеклянная футеровка представляет собой квадратную стеклянную пластинку размером в 25
![пластинчатый диод, патент № 2212079](/images/patents/258/2212027/8226.gif)
![пластинчатый диод, патент № 2212079](/images/patents/258/2212027/8226.gif)
![пластинчатый диод, патент № 2212079](/images/patents/258/2212079/2212079-3t.gif)
![пластинчатый диод, патент № 2212079](/images/patents/258/2212079/2212079-4t.gif)
![пластинчатый диод, патент № 2212079](/images/patents/258/2212027/8226.gif)
На Фиг. 9(а), 9(b) и 10 показан другой пример пластинчатого диода согласно данному изобретению, в котором в качестве футеровки использован сплав - ковар. Как показано на Фиг.9(а), 9(b), при выборе сплава-ковара с коэффициентом термического расширения в 3,1
![пластинчатый диод, патент № 2212079](/images/patents/258/2212027/8226.gif)
![пластинчатый диод, патент № 2212079](/images/patents/258/2212027/8226.gif)