DE1300993B

DE1300993B - Elektronisches Duennschichtbauelement

Info

Publication number: DE1300993B
Application number: DEM76233A
Authority: DE
Inventors: Yamashita Akio; Tuzaki Takehiro
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1966-11-15
Filing date: 1967-11-15
Publication date: 1969-08-14
Also published as: NL150270B; NL6715410A; GB1149589A; US3505572A; DE1300993C2

Description

Die Erfindung betrifft ein elektronisches Dünnschichtbauelement mit zwei zwischen zwei Metallelektroden angeordneten isolierenden oder halbleitenden dünnen Schichten, die durch eine als dritte Elektrode dienende metallische Zwischenschicht voneinander getrennt sind.

Derartige Dünnschichtbauelemente sind bereits bekannt. Eine bekannte Anordnung dieser Art soll die raumsparende Bauweise von Dünnschichtbauelementen dadurch voll ausnutzen, daß mit der Dünnschichttechnik eine ganze logische Schaltung aufgebaut wird, der äußere Schaltelemente, wie Kondensatoren und Widerstände, nicht mehr zugeordnet werden müssen. Eine weitere bekannte Anordnung dieser Art dient bei als Tunneleffekt-Trioden arbeitenden Dünnschichtelementen dazu, die sich zwischen Basis und Kollektor der Triode ausbildende Kapazität zu verringern. Eine derartige Kapazität hat nämlich ungünstige Einflüsse auf die Ausgangsdaten der Triode. Zur Verringerung dieser Kapazität wird deshalb bei einem bekannten Dünnschichtbauelement vorgeschlagen, in die die Basis vom Kollektor der Triode trennende isolierende Schicht eine elektrisch leitende poröse oder von Löchern durchbrochene Dünnschicht einzulegen. Bei elektronischen Dünnschichtbauelementen sind im allgemeinen zwei Elektroden in Ohmschen Kontakt mit einer dünnen CdS-Schicht. Zwischen die beiden Elektroden ist weiter eine dünne Isolierschicht, beispielsweise aus SiO_s eingebracht, an der eine Torelektrode angeordnet wird. Der durch die CdS-Schicht fließende Strom wird beispielsweise durch ein elektrisches Feld gesteuert, das auf die Dünnschicht von der Torelektrode her über die Isolierschicht einwirkt.

Ganz allgemein wird bei den bekannten Dünnschichtbauelementen eine Steuerung durch elektrische Potentiale oder ein elektrisches Feld bewirkt.

Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, ein elektronisches Dünnschichtbauelement so aufzubauen, daß es durch eine Welle, beispielsweise eine Schallwelle bzw. eine Ultraschallwelle, steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die eine der beiden im Dünnschichtbauelement vorgesehenen, nichtmetallischen Schichten mit einem Aktivator dotiert ist, dessen Störstellen ein tiefes Energieniveau innerhalb des verbotenen Bandes dieses Schichtmaterials besitzen und daß die andere dieser beiden Schichten piezoelektrisch ist. Man erhält so ein Dünnschichtbauelement, das trotz einfachstem Aufbau gegenüber den herkömmlichen Dünnschichtbauelementen eine Grenzfrequenz und eine hohe Eingangsimpedanz aufweist.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise

ίο veranschaulicht, und zwar zeigt

Fig. 1 eine Schnittansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektronischen Dünnschichtbauelements,

Fig. 2 Strom-Spannungs-Kennlinie des Baudementes nach Fig. 1 und

Fig. 3 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform des Bauelements nach der Erfindung.

Das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Bauelements wird im folgenden im Zusammenhang mit

ao einer Ausführungsform beschrieben. F i g. 1 zeigt die grundlegende Struktur des erfindungsgemäßen aktiven Dünnschichtbauelements, das eine Metallunterlage 11 aufweist, auf der eine dünne Schicht 12 vorgesehen ist, die aus einem Halbleiter, Isolator od. dgl. gebildet ist,

as der mit einem ein tiefes Energieniveau im verbotenen Band bildenden Störstoff dotiert ist. An der dünnen Schicht 12 ist eine Metallelektrode 13 vorgesehen, auf der eine weitere dünne Schicht 14 angeordnet ist, die aus einem Halbleiter, Isolator od. dgl. besteht, der piezoelektrisch ist. Auf der dünnen Schicht 14 ist eine Metallelektrode 15 vorgesehen.

Durch Anlegen einer Spannung zwischen den Metallelektroden 13 und 15 wird auf Grund des Piezoeffekts der dünnen Schicht 14 eine Quer- oder eine Längswelle erzeugt, die auf die dünne Schicht 12 übertragen wird, die den das tiefe Niveau bildenden Störstoff enthält. Die Ausbreitung der Welle verursacht in der Nähe der das tiefe Niveau bildenden Störstoffatome eine elastische Verzerrung, wodurch die Lebensdauer der Ladungsträger verkürzt wird.

Infolgedessen wird der zwischen den Metallelektroden 11 und 13 fließende Strom / gemäß der folgenden Gleichung

verstärkt. In der obigen Gleichung bedeutet

e	= elektrische Ladung
k	= Boltzmannsche Konstante
= Trägerdichte eines eigenleitenden Halbleiters
»»	= Elektronendichte eines n-Halbleiters
Mn	= Beweglichkeit der Elektronen
fp	= Beweglichkeit der Löcher
*τ_η*	= Lebensdauer der Elektronen
*^τη*	= Lebensdauer der Löcher
Pp	= Lochdichte eines p-Halbleiters
V	= Potential

Auf diese Weise wird ein elektronisches Dünnschichtbauelement hergestellt, das eine bemerkenswert hohe Eingangsimpedanz hat und das zur Strom- und Leistungsverstärkung geeignet ist.

so Es ist hier zu bemerken, daß die dünne Schicht 12 das wichtigste Merkmal der Erfindung darstellt. Wenn nämlich ein Halbleiter, Isolator od. dgl., der ein verbotenes Band hat, mit einem ein tiefes Energieniveau im verbotenen Band bildenden Störstoff dotiert wird, wird dessen Widerstand durch einen geringen Druck stark verändert. Dies wird dadurch bewirkt, daß ein solcher Stoff mechanisch leicht zerstörbar wird. Hieraus ist zu folgern, daß durch Zugabe eines ein tiefes Niveau bildenden Störstoffs zu einem Halbleiter oder Isolator in diesem ein hochenergetischer und deshalb unstabiler Zustand erzeugt wird, so daß durch eine geringe Kraft Fehler, beispielsweise Verzerrungen od. dgl., in diesem Festkörper verursacht werden. Tatsächlich wird der Widerstand durch eine Kraft von etwa 10 bis 30³ g/cm² verändert. Infolgedessen kann das Mittel, durch das die Welle auf diese dünne Schicht übertragen wird, irgendeine dünne Schicht mit Piezoeffekt sein, die z. B. aus zur Klasse der Wurtzit-

Claims

kristalle gehörigem ZnS, ZnO, CdS od. dgl., oder dem zur Klasse der Sphaleritkristalle gehörigen GaAs, ZnS od. dgl. bestehen kann. Als Isolator kann auch Bergkristall od. dgl. verwendet werden.

Im folgenden wird die Ausführungsform eines Bauelements nach der Erfindung weiter beschrieben.

Eine Metallunterlage aus Tantal (Ta) wird mit Silizium (Si) zusammen mit Kupfer (Cu) im Vakuum beschichtet, um eine dünne kupferhaltige Siliziumschicht herzustellen. Diese dünne Siliziumschicht wird im Vakuum mit Indium (In) beschichtet, auf welches CdS aufgebracht wird. Daraufhin wird die CdS-Schicht mit Indium beschichtet. Auf diese Weise erhält man ein Bauelement des in F i g. 1 dargestellten Aufbaus.

Wenn ein Wechselstromsignal den beiden Indiumelektroden zugeführt wird, dann wird auf Grund des Piezoeffekts des CdS eine mechanische Wellenbewegung auf die dünne Siliziumschicht übertragen mit dem Ergebnis, daß der Widerstand der dünnen Siliziumschicht verändert wird.

Fig. 2 zeigt die Spannung(V)-Strom(mA)-Kennlinien, wenn ein Druck auf das Bauelement ausgeübt wird. Kurve 21 bezeichnet den Fall ohne Druckeinwirkung und die Kurven 22 und 23 zeigen Fälle, bei denen ein Druck von 2,5 · IO² g/cm² bzw. 7,6 · IO² g/cm² as auf die Schicht wirkt.

Die Frequenzcharakteristik des Ansprechens des vorliegenden Bauelements hängt von der Amplitude der einwirkenden Welle ab. Normalerweise kann das Bauelement bis in den Ultraschallbereich arbeiten.

Zur besseren Darstellung wurde oben das erfindungsgemäße Bauelement in seiner einfachsten Form, wie in F i g. 1 veranschaulicht, beschrieben. Es ist jedoch möglich, an Stelle der Metallunterlage 11 eine Isolatorunterlage zu verwenden, die mit Metallelektroden versehen ist. Es ist ferner möglich, einen Aufbau zu verwenden, wie er in F i g. 3 dargestellt ist, bei dem auf der Oberfläche eines Isolators 31 eine dünne Schicht 32 ausgebildet ist, die ein verbotenes Band aufweist und Störstoffe mit tiefem Niveau enthält. Auf der dünnen Schicht 32 ist eine Metallelektrode 33 angeordnet, und eine dünne Isolatorschicht 34 erstreckt

sich sowohl über die dünne Schicht 32 als auch über die Metallelektrode 33. Auf der Oberfläche der dünnen Isolatorschicht 34 ist eine Metallelektrode 35 vorgesehen, auf deren Oberfläche eine dünne Schicht 36 mit Piezoeffekt ausgebildet ist. Auf der Oberfläche der dünnen Schicht 36 ist eine Metallelektrode 37 angeordnet.

Das Arbeitsprinzip des Bauelements der F i g. 3 ist genau das gleiche wie das des in F i g. 1 dargestellten Bauelements. Der einzige Unterschied zwischen dem Bauelement der F i g. 3 und dem der F i g. 1 besteht darin, daß im ersteren der Stromdurchfluß quer zur dünnen Schicht 32 mit dem den Störstoff tiefen Niveaus enthaltenden verbotenen Band verläuft.

Wie oben im einzelnen beschrieben, weist das erfindungsgemäße aktive Dünnschichtbauelement eine hohe Grenzfrequenz und eine hohe Eingangsimpedanz auf. Diese Merkmale können mit den bekannten aktiven Bauelementen nicht erzielt werden. Außerdem ist das vorliegende Bauelement völlig verschieden von den Transistoren, da die zu steuernden Ladungsträger Majoritätsträger in der dünnen Schicht sind.

Mehr als zwei Elektroden können auf der einen Störstoff mit tiefem Niveau enthaltenden dünnen Schicht vorgesehen sein. Auch in diesem Fall kann im wesentlichen die gleiche Wirkung erzielt werden. Diese Elektroden können mit den Schichten, an denen sie angebracht sind, in ohmschen oder gleichrichtendem Kontakt sein.

Patentanspruch:

Elektronisches Dünnschichtbauelement mit zwei zwischen zwei Metallelektroden angeordneten isolierenden oder halbleitenden dünnen Schichten, die durch eine als dritte Elektrode dienende metallische Zwischenschicht voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der beiden nichtmetallischen Schichten mit einem Aktivator dotiert ist, dessen Störstellen ein tiefes Energieniveau innerhalb des verbotenen Bandes dieses Schichtmaterials besitzen und daß die andere dieser beiden Schichten piezoelektrisch ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen