Вакуумные
интегральные схемы (ВИС)
Это устройства, где активными приборами являются электронно-вакуумные лампы, с размерами, близкими к размерам полупроводниковых транзисторов. Из-за более высокой скорости электронов (106…107 м/с) они обладают лучшими частотными свойствами, чем кремниевые транзисторы, характеризуются более высокой радиационной стойкостью.
В ВИС используются холодные катоды, работающие на принципе электростатической (автоэлектронной) эмиссии.
Конструкция ВИС с холодным катодом, выполненным в виде острия, изображена на рис. 7.8, а. Радиус закругления острия rк = 20…30 нм. При подаче на анод напряжения Ua= 2…3 В создается электрическое поле напряженностью около 109 В/м. Плотность тока автоэлектронной эмиссии достигает 106…107 А/м2, то есть даже выше, чем при термоэлектронной эмиссии.
Другой тип холодного катода, применяемого в ВИС, - это катод на МДП структуре. Соответствующая конструкция ВИС приведена на рис. 7.8, б. В данном случае в качестве диэлектрика используется тонкая (1,5 нм) пленка двуокиси кремния (SiO2), а в качестве катода – тонкая металлическая пленка Al, покрывающая поверхность окисла. Работа выхода электронов из металла, χм, больше, чем работа выхода из кремния, . При подаче прямого смещения +Uк на катод, электроны из подложки (n-Si) через пленку SiO2 туннелируют в металлическую пленку Al и обеспечивают эмиссию электронов из структуры. При отрицательном напряжении на катоде Uк в приграничном слое кремниевой подложки на границе Si-SiO2 возникает обедненный слой и ток эмиссии насыщается. Плотность тока автоэмиссии достигает 10 4…105 А/м2.
Высокую плотность тока автоэлектронной эмиссии, до 8·107 А/м2, обеспечивает катод на основе обратно-смещенного p+-n+ перехода с лавинным пробоем. Конструкция такой ВИС представлена на рис. 7.9.
Эмитирующий p1+-n+ переход формируется между областями p1+и n+. При подаче обратного напряжения Uобр на n+-p переход возникает лавинный пробой. При этом лавина электронов локализуется на поверхности структуры и перемещается к аноду А.
Электроды сетки С расположены на диэлектрических балках, сформированных из двуокиси кремния SiO2.