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JP2009060082A - Semiconductor device and driving method thereof - Google Patents

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JP2009060082A
JP2009060082A JP2008178011A JP2008178011A JP2009060082A JP 2009060082 A JP2009060082 A JP 2009060082A JP 2008178011 A JP2008178011 A JP 2008178011A JP 2008178011 A JP2008178011 A JP 2008178011A JP 2009060082 A JP2009060082 A JP 2009060082A
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Kaori Takakubo
統 ▲高▼窪
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  • Metal-Oxide And Bipolar Metal-Oxide Semiconductor Integrated Circuits (AREA)
  • Thin Film Transistor (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Bipolar Transistors (AREA)

Abstract

【課題】低電源で駆動でき、しかも高利得が得られる半導体装置及びその駆動方法を提供する。
【解決手段】第1半導体領域11及び第2半導体領域10が接合面30a,30bで隣り合い、電位障壁を構成するpn接合体と、前記接合面の近傍で前記第1半導体領域11に絶縁体12を介して接続される第1電極22と、前記第1半導体領域11に接続される第2電極21と、前記第2半導体領域に接続される第3電極20と、を備える。前記第2電極21と前記第3電極20との間に順方向バイアスを印加すると、前記接合面に対応して前記電位障壁が低下する。前記第1電極22と前記第2電極21との間に電位差を与えることにより、前記電位障壁が変化し、前記第1半導体領域11は、前記絶縁体13との境界の表層に、表面近傍領域が、駆動電流を流すチャネル31として形成される。その結果、半導体装置は、トランジスタとして駆動され得る。
【選択図】図1
A semiconductor device which can be driven with a low power supply and which can obtain a high gain and a driving method thereof are provided.
A first semiconductor region 11 and a second semiconductor region 10 are adjacent to each other at junction surfaces 30a and 30b, a pn junction forming a potential barrier, and an insulator in the first semiconductor region 11 in the vicinity of the junction surface. 12, a second electrode 21 connected to the first semiconductor region 11, and a third electrode 20 connected to the second semiconductor region. When a forward bias is applied between the second electrode 21 and the third electrode 20, the potential barrier is lowered corresponding to the bonding surface. The potential barrier is changed by applying a potential difference between the first electrode 22 and the second electrode 21, and the first semiconductor region 11 is a surface vicinity region on the surface layer of the boundary with the insulator 13. Is formed as a channel 31 through which a drive current flows. As a result, the semiconductor device can be driven as a transistor.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、半導体装置及びその駆動方法、特にMOS FET(Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor)及びバイポーラトランジスタの構造を一部持つ半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ(Field Effect Bipolar Transistor)と命名する。)及びその駆動方法に関するものである。   The present invention is named as a semiconductor device (Field Effect Bipolar Transistor) having a part of the structure of a semiconductor device and its driving method, in particular, a MOS FET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) and a bipolar transistor. ) And its driving method.

近年、集積回路製造における微細化技術の進歩に伴い、ゲート酸化膜の薄膜化及び拡散領域の薄層化により集積回路上で使用できる電源電圧が低下している。集積回路上で通常のバイポーラトランジスタを利用する場合、ベース領域へのバイアス電圧を必要とするために、低電圧、低消費電力で動作させることが困難であり、バイポーラトランジスタを汎用携帯機器の集積回路上に利用する上での障害になっている。     In recent years, with the progress of miniaturization technology in integrated circuit manufacturing, the power supply voltage that can be used on the integrated circuit is decreasing due to the thinning of the gate oxide film and the thinning of the diffusion region. When using a normal bipolar transistor on an integrated circuit, it is difficult to operate with a low voltage and low power consumption because a bias voltage to the base region is required. It is an obstacle to use above.

また、バイポーラトランジスタのもう一つの欠点として入力抵抗が低いという問題がある。他方、電界効果トランジスタは入力抵抗が大きいという特徴が有り、定常的なバイアス電流を必要としないために利便性の高い素子として現在の集積回路に幅広く利用されている。     Another disadvantage of bipolar transistors is the low input resistance. On the other hand, the field effect transistor has a feature that the input resistance is large, and does not require a steady bias current, so that it is widely used in current integrated circuits as a highly convenient element.

バイポーラトランジスタの持つ指数関数特性は、電界効果トランジスタの二乗特性に比べて大きな利得を容易に実現できるという利点が有るが、現在は、バイポーラトランジスタの代わりに電界効果トランジスタが利用されている。電界効果トランジスタを利用した増幅器は、利得、出力抵抗、動作速度等の面でバイポーラトランジスタに劣るために、次世代の高速通信技術では、電界効果トランジスタに代わる素子が求められている。     The exponential function characteristic of a bipolar transistor has an advantage that a large gain can be easily realized as compared with the square characteristic of a field effect transistor. At present, however, a field effect transistor is used instead of a bipolar transistor. An amplifier using a field effect transistor is inferior to a bipolar transistor in terms of gain, output resistance, operation speed, and the like. Therefore, an element that replaces a field effect transistor is required in next-generation high-speed communication technology.

ところで、半導体基板に直接電極を取り付けた半導体装置として、非特許文献1がある。非特許文献1は、pn接合にソース/ドレイン層を金属層として電極が埋め込まれたMOS FETを示している。   Incidentally, Non-Patent Document 1 is a semiconductor device in which an electrode is directly attached to a semiconductor substrate. Non-Patent Document 1 shows a MOS FET in which an electrode is embedded in a pn junction using a source / drain layer as a metal layer.

東芝レビューVol.56No.4(2001)Toshiba Review Vol.56No.4 (2001)

しかしながら、低電圧で駆動でき、しかも高利得が得られる半導体装置及びその駆動方法は、存在していない。   However, there is no semiconductor device that can be driven at a low voltage and can obtain a high gain, and a driving method thereof.

そこで、本発明は、低電圧で駆動でき、しかも高利得が得られる半導体装置を提供することを目的とする。     Therefore, an object of the present invention is to provide a semiconductor device that can be driven at a low voltage and can obtain a high gain.

(1)本発明の第1の構成は、第1不純物濃度を持ち、正孔密度が伝導電子密度より高い第1不純物濃度領域及び第2不純物濃度を持ち、前記伝導電子密度が前記正孔密度より高い第2不純物濃度領域が、接合面で接合される接合体と、前記接合面の近傍で前記第1不純物濃度領域に絶縁体を介して接続される第1電極と、前記第1不純物濃度領域に直接接続される第2電極と、前記第2不純物濃度領域に直接接続される第3電極と、を備え、前記接合面から前記第1不純物濃度領域に対応して電位障壁を構成すると共に、前記第1電極と前記第3電極との間に順方向バイアスを印加することにより、前記電位障壁が低下し、前記第1不純物濃度領域は、前記絶縁体との境界の表層に、前記第1不純物濃度の不足する表面近傍領域が、前記第1電極及び前記第3電極の間に駆動電流を流すチャネルとして形成される結果、トランジスタとして駆動され得ることを特徴とする半導体装置である。       (1) The first configuration of the present invention has a first impurity concentration region having a first impurity concentration and a hole density higher than a conduction electron density and a second impurity concentration, and the conduction electron density is the hole density. A joined body having a higher second impurity concentration region joined at a joining surface; a first electrode connected to the first impurity concentration region in the vicinity of the joining surface through an insulator; and the first impurity concentration A second electrode directly connected to the region and a third electrode directly connected to the second impurity concentration region, and constitutes a potential barrier from the junction surface corresponding to the first impurity concentration region. By applying a forward bias between the first electrode and the third electrode, the potential barrier is lowered, and the first impurity concentration region is formed on the surface layer at the boundary with the insulator. 1 near-surface region where the impurity concentration is insufficient Results that are formed as a channel to flow a driving current between the electrode and the third electrode is a semiconductor device which is characterized in that can be driven as a transistor.

(2)本発明の第2の構成は、第1不純物濃度を持ち、正孔密度が伝導電子密度より高い第1不純物濃度領域及び第2不純物濃度を持ち、前記伝導電子密度が前記正孔密度より高い第2不純物濃度領域が、接合面で接合される接合体を形成する工程と、前記接合面の近傍で前記第1不純物濃度領域に絶縁体を介して接続される第1電極を形成する工程と、前記第1不純物濃度領域に直接接続される第2電極を形成する工程と、前記第2不純物濃度領域に直接接続される第3電極を形成する工程と、を備え、前記接合面から前記第1不純物濃度領域に対応して電位障壁を構成すると共に、前記第1電極と前記第3電極との間に順方向バイアスを印加する工程を更に備え、前記電位障壁が低下し、前記第1不純物濃度領域は、前記絶縁体との境界の表層に、前記第1不純物濃度の不足する表面近傍領域が、前記第1電極及び前記第3電極の間に駆動電流を流すチャネルとして形成される結果、トランジスタとして駆動され得ることを特徴とする半導体装置の駆動方法である。 (2) A second configuration of the present invention has a first impurity concentration region having a first impurity concentration and a hole density higher than a conduction electron density and a second impurity concentration, and the conduction electron density is the hole density. A step of forming a bonded body in which the higher second impurity concentration region is bonded at the bonding surface, and a first electrode connected to the first impurity concentration region through the insulator in the vicinity of the bonding surface A step of forming a second electrode directly connected to the first impurity concentration region, and a step of forming a third electrode directly connected to the second impurity concentration region, from the bonding surface Forming a potential barrier corresponding to the first impurity concentration region, and further applying a forward bias between the first electrode and the third electrode, the potential barrier being lowered, 1 impurity concentration region is the boundary with the insulator The semiconductor is characterized in that in the surface layer, the region near the surface where the first impurity concentration is insufficient is formed as a channel through which a driving current flows between the first electrode and the third electrode, and can be driven as a transistor. It is a drive method of an apparatus.

本発明の第1又は第2の構成によれば、第1不純物濃度領域及び第2不純物濃度領域から成る接合体に絶縁体を介して接続された第1電極と、第2不純物濃度領域に直接接続される第3電極との間に順方向バイアスが、印加される。この場合、電位障壁が低下するように作用する。前記第1不純物濃度領域は、前記絶縁体との境界の表層に、前記第1不純物濃度の不足する表面近傍領域が、前記第1電極及び前記第3電極の間に駆動電流を流すチャネルとして形成される。その結果、本発明の半導体装置は、トランジスタとして駆動され得る。     According to the first or second configuration of the present invention, the first electrode connected to the joined body including the first impurity concentration region and the second impurity concentration region via the insulator, and directly to the second impurity concentration region. A forward bias is applied between the third electrode to be connected. In this case, the potential barrier is lowered. The first impurity concentration region is formed in a surface layer at a boundary with the insulator as a channel through which a driving current flows between the first electrode and the third electrode in a region near the surface where the first impurity concentration is insufficient. Is done. As a result, the semiconductor device of the present invention can be driven as a transistor.

(3)本発明の第3の構成は、少数キャリアを伝導電子として含む第1半導体領域及び多数キャリアを伝導電子として含む第2半導体領域が接合面で接合された接合体と、該接合面の近傍で前記第1半導体領域に絶縁体を介して設けられた第1電極と、前記第1半導体領域に直接接続される第2電極と、前記第2半導体領域に直接接続される第3電極と、を備え、前記接合面から前記第1半導体領域に対応して電位障壁を構成すると共に、前記第1電極と前記第3電極との間に順方向バイアスすることにより、前記電位障壁が低下し、前記第1半導体領域は、前記絶縁体との境界に、表面近傍領域が、前記少数キャリアに依存性のある拡散電流としての駆動電流を流すチャネルとして形成され、これにより、トランジスタとして駆動され得ることを特徴とする半導体装置である。   (3) According to a third configuration of the present invention, a joined body in which a first semiconductor region containing minority carriers as conduction electrons and a second semiconductor region containing majority carriers as conduction electrons are joined at a joining surface; A first electrode provided in the vicinity of the first semiconductor region via an insulator; a second electrode directly connected to the first semiconductor region; and a third electrode directly connected to the second semiconductor region; And a potential barrier is formed corresponding to the first semiconductor region from the junction surface, and the potential barrier is reduced by forward biasing between the first electrode and the third electrode. In the first semiconductor region, a region near the surface is formed as a channel for flowing a driving current as a diffusion current dependent on the minority carriers at the boundary with the insulator, and can thereby be driven as a transistor. That It is a semiconductor device according to symptoms.

(4)本発明の第4の構成は、少数キャリアを伝導電子として含む第1半導体領域及び多数キャリアを伝導電子として含む第2半導体領域が接合面で接合された接合体を形成する工程と、該接合面の近傍で前記第1半導体領域に絶縁体を介して設けられた第1電極を形成する工程と、前記第1半導体領域に直接接続される第2電極を形成する工程と、前記第2半導体領域に直接接続される第3電極を形成する工程と、を備え、前記接合面から前記第1半導体領域に対応して電位障壁を構成すると共に、前記第1電極と前記第3電極との間に順方向バイアスする工程を更に備えることにより、前記電位障壁が低下し、前記第1半導体領域は、前記絶縁体との境界に、表面近傍領域が、前記少数キャリアに依存性のある拡散電流としての駆動電流を流すチャネルとして形成され、これにより、トランジスタとして駆動され得ることを特徴とする半導体装置の駆動方法である。   (4) The fourth configuration of the present invention is a step of forming a joined body in which a first semiconductor region containing minority carriers as conduction electrons and a second semiconductor region containing majority carriers as conduction electrons are joined at a joining surface; Forming a first electrode provided in the first semiconductor region via an insulator in the vicinity of the bonding surface; forming a second electrode directly connected to the first semiconductor region; Forming a third electrode directly connected to the semiconductor region, and forming a potential barrier corresponding to the first semiconductor region from the junction surface, and forming the first electrode and the third electrode; Further comprising a step of forward-biasing the potential barrier, the potential barrier is lowered, the first semiconductor region is a boundary with the insulator, and the surface vicinity region is a diffusion dependent on the minority carriers. Drive current as current Is formed as Yaneru, thereby, a driving method of a semiconductor device, characterized in that can be driven as a transistor.

本発明の第3又は第4の構成によれば、第1半導体領域及び第2半導体領域から成る接合体に絶縁体を介して接続された第1電極と、第2半導体領域に直接接続される第3電極との間に順方向バイアスが、印加される。この場合、電位障壁が低下するように作用する。前記第1半導体領域は、前記絶縁体との境界の表層に、前記第1半導体領域の少数キャリアの伝導電子が過剰となった表面近傍領域が、前記第1電極及び前記第3電極の間に駆動電流を流すチャネルとして形成される。その結果、本発明の半導体装置は、トランジスタとして駆動され得る。       According to the third or fourth configuration of the present invention, the first electrode connected to the joined body composed of the first semiconductor region and the second semiconductor region via the insulator and directly connected to the second semiconductor region. A forward bias is applied between the third electrode. In this case, the potential barrier is lowered. The first semiconductor region has a surface vicinity region where the conduction electrons of minority carriers in the first semiconductor region become excessive between the first electrode and the third electrode on a surface layer at a boundary with the insulator. It is formed as a channel through which a drive current flows. As a result, the semiconductor device of the present invention can be driven as a transistor.

本発明の第5の構成は、pn接合面で接合されるp形半導体領域及びn形半導体領域を構成するpn接合体と、前記pn接合面の近傍でpn接合体に絶縁体を介して接続された第1電極と、前記p形半導体領域に直接接続された第2電極と、前記n形半導体領域に直接接続された第3電極と、を備え、前記接合面から前記第1半導体領域に対応して電位障壁を構成すると共に、前記第1電極と前記第3電極との間の動作領域において順方向電圧を印加し、前記n形半導体領域は、多数キャリアの伝導電子が前記電位障壁を越えて前記p形半導体領域に拡散し、前記動作領域を負の方向に移行させ逆方向電圧を印加し、前記p形半導体領域における多数キャリアの正孔を蓄積状態にして少数キャリアの伝導電子の拡散電流を減少させると共に、前記n形半導体領域における少数キャリアの正孔を排斥状態にし、多数キャリアの伝導電子の拡散電流を増加させることで、前記pn接合体に流れる前記キャリアを電界により制御可能とすることを特徴とする半導体装置である。   According to a fifth configuration of the present invention, a p-type semiconductor region joined at a pn junction surface and a pn junction constituting the n-type semiconductor region are connected to the pn junction near the pn junction surface via an insulator. A first electrode connected to the p-type semiconductor region, and a third electrode connected directly to the n-type semiconductor region. Correspondingly, a potential barrier is formed, and a forward voltage is applied in an operation region between the first electrode and the third electrode. In the n-type semiconductor region, conduction electrons of majority carriers pass through the potential barrier. Is diffused to the p-type semiconductor region, the operating region is shifted in the negative direction, a reverse voltage is applied, and the holes of the majority carriers in the p-type semiconductor region are accumulated, and the conduction electrons of the minority carriers While reducing the diffusion current, The carriers flowing in the pn junction can be controlled by an electric field by eliminating minority carrier holes in the n-type semiconductor region and increasing the diffusion current of conduction electrons of majority carriers. It is a semiconductor device.

本発明の第6の構成は、pn接合面で接合されるp形半導体領域及びn形半導体領域を構成するpn接合体を形成する工程と、前記pn接合面の近傍でpn接合体に絶縁体を介して接続された第1電極を形成する工程と、前記p形半導体領域に直接接続された第2電極を形成する工程と、前記n形半導体領域に直接接続された第3電極を形成する工程と、を備え、前記接合面から前記第1半導体領域に対応して電位障壁を構成すると共に、前記第1電極と前記第3電極との間の動作領域において順方向電圧を印加する工程と、を備え、前記n形半導体領域は、多数キャリアの伝導電子が前記電位障壁を越えて前記p形半導体領域に拡散し、前記動作領域を負の方向に移行させ逆方向電圧を印加する工程と、を更に備え、前記p形半導体領域における多数キャリアの正孔を蓄積状態にして少数キャリアの伝導電子の拡散電流を減少させると共に、前記n形半導体領域における少数キャリアの正孔を排斥状態にし、多数キャリアの伝導電子の拡散電流を増加させることで、前記pn接合体に流れる前記キャリアを電界により制御可能とすることを特徴とする半導体装置の駆動方法である。   A sixth configuration of the present invention includes a step of forming a p-type semiconductor region and a pn junction constituting the n-type semiconductor region that are joined at a pn junction surface, and an insulator in the pn junction near the pn junction surface. Forming a first electrode connected via the first electrode; forming a second electrode directly connected to the p-type semiconductor region; and forming a third electrode directly connected to the n-type semiconductor region. And a step of forming a potential barrier corresponding to the first semiconductor region from the junction surface and applying a forward voltage in an operation region between the first electrode and the third electrode; The n-type semiconductor region includes a step of diffusing majority-carrier conduction electrons across the potential barrier to the p-type semiconductor region, moving the operating region in a negative direction, and applying a reverse voltage; The p-type semiconductor region further includes In addition to reducing the diffusion current of minority carrier conduction electrons by setting the majority carrier holes in the accumulation state, the minority carrier holes in the n-type semiconductor region are rejected and increasing the diffusion current of majority carrier conduction electrons. By doing so, the carrier flowing in the pn junction can be controlled by an electric field.

本発明の第5及び第6の構成によれば、接合面から第1半導体領域に対応して電位障壁が構成されると共に、第1電極と第3電極との間の動作領域において順方向電圧が印加される。このとき、n形半導体領域は、多数キャリアの伝導電子が前記電位障壁を越えてp形半導体領域に拡散する。動作領域を負の方向に移行させ逆方向電圧が印加された場合には、p形半導体領域における多数キャリアの正孔が蓄積状態になり少数キャリアの伝導電子の拡散電流が減少すると共に、n形半導体領域における少数キャリアの正孔が排斥状態になり、多数キャリアの伝導電子の拡散電流が増加する。これにより、pn接合体に流れるキャリアは、電界により制御可能となる。   According to the fifth and sixth configurations of the present invention, the potential barrier is configured corresponding to the first semiconductor region from the junction surface, and the forward voltage is applied in the operation region between the first electrode and the third electrode. Is applied. At this time, in the n-type semiconductor region, conduction electrons of majority carriers diffuse over the potential barrier and diffuse into the p-type semiconductor region. When the operating region is shifted in the negative direction and a reverse voltage is applied, the holes of majority carriers in the p-type semiconductor region are accumulated, the diffusion current of conduction electrons of the minority carriers decreases, and the n-type Minority carrier holes in the semiconductor region are eliminated, and the diffusion current of conduction electrons of majority carriers increases. Thereby, the carriers flowing in the pn junction can be controlled by the electric field.

本発明の第7の構成は、第1不純物濃度を持つ第1半導体領域と、
該第1半導体領域に絶縁体を介して接続された第1電極と、前記第1電極を挟む位置の前記第1半導体領域に構成される一方及び他方の埋め込み領域と、前記一方の埋め込み領域に直接接続される第2電極と、前記他方の埋め込み領域に直接接続される第3電極と、前記一方の埋め込み領域には、前記第1不純物濃度より高濃度の第1不純物プラス半導体が、埋め込まれ、前記他方の埋め込み領域には、前記第1不純物濃度と異なる第2不純物濃度を持つ第2不純物半導体の高濃度の第2不純物プラス半導体が、埋め込まれ、前記第1電極と前記第3電極との間の動作領域において順方向電圧を印加し、前記第1半導体領域におけるキャリアを蓄積状態にし、前記動作領域を負の方向に移行させ逆方向電圧を印加し、前記第2不純物プラス領域におけるキャリアを排斥状態にすることで、前記第2不純物プラス領域から前記第1不純物プラス領域に流れる前記キャリアを電界により制御可能とすることを特徴とする半導体装置である。
A seventh configuration of the present invention includes a first semiconductor region having a first impurity concentration,
A first electrode connected to the first semiconductor region via an insulator; one and other embedded regions configured in the first semiconductor region at a position sandwiching the first electrode; and the one embedded region The second electrode directly connected, the third electrode directly connected to the other buried region, and the one buried region are filled with a first impurity plus semiconductor having a concentration higher than the first impurity concentration. In the other buried region, a high-concentration second impurity plus semiconductor of a second impurity semiconductor having a second impurity concentration different from the first impurity concentration is buried, and the first electrode, the third electrode, A forward voltage is applied in the operation region between the first semiconductor region, carriers in the first semiconductor region are accumulated, a reverse voltage is applied by moving the operation region in a negative direction, and the second impurity plus region is applied. The semiconductor device is characterized in that the carriers flowing from the second impurity plus region to the first impurity plus region can be controlled by an electric field by setting the carriers to the excluded state.

本発明の第8の構成は、第1不純物濃度を持つ第1半導体領域を形成する工程と、該第1半導体領域に絶縁体を介して接続された第1電極を形成する工程と、前記第1電極を挟む位置の前記第1半導体領域に構成される一方及び他方の埋め込み領域を形成する工程と、前記一方の埋め込み領域に直接接続される第2電極を形成する工程と、前記他方の埋め込み領域に直接接続される第3電極を形成する工程と、前記一方の埋め込み領域には、前記第1不純物濃度より高濃度の第1不純物プラス半導体が、埋め込まれ、前記他方の埋め込み領域には、前記第1不純物濃度と異なる第2不純物濃度を持つ第2不純物半導体の高濃度の第2不純物プラス半導体が、埋め込まれ、前記第1電極と前記第3電極との間の動作領域において順方向電圧を印加する工程を備え、前記第1半導体領域におけるキャリアを蓄積状態にし、前記動作領域を負の方向に移行させ逆方向電圧を印加する工程を更に備え、前記第2不純物プラス領域におけるキャリアを排斥状態にすることで、前記第2不純物プラス領域から前記第1不純物プラス領域に流れる前記キャリアを電界により制御可能とすることを特徴とする半導体装置の駆動方法である。     According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a step of forming a first semiconductor region having a first impurity concentration, a step of forming a first electrode connected to the first semiconductor region via an insulator, Forming one and the other buried regions configured in the first semiconductor region at a position sandwiching one electrode, forming a second electrode directly connected to the one buried region, and the other buried Forming a third electrode directly connected to the region; and filling the one buried region with a first impurity plus semiconductor having a concentration higher than the first impurity concentration, and filling the other buried region with A high concentration second impurity plus semiconductor of a second impurity semiconductor having a second impurity concentration different from the first impurity concentration is embedded, and a forward voltage is applied in an operation region between the first electrode and the third electrode. The process of applying And further comprising a step of putting carriers in the first semiconductor region into an accumulation state, moving the operation region in a negative direction and applying a reverse voltage, and putting carriers in the second impurity plus region into a rejection state. Thus, the method for driving a semiconductor device is characterized in that the carriers flowing from the second impurity plus region to the first impurity plus region can be controlled by an electric field.

本発明の第7及び第8の構成によれば、第2電極は、一方の埋め込み領域において接続され、第1不純物濃度より高濃度の第1不純物プラス半導体が、埋め込まれている。また、第3電極は、他方の埋め込み領域において接続され、第1不純物濃度と異なる第2不純物濃度を持つ第2不純物半導体の高濃度の第2不純物プラス半導体が、埋め込まれている。第1電極と第3電極との間の動作領域において順方向電圧が印加される場合には、第1半導体領域におけるキャリアが蓄積状態になり、動作領域を負の方向に移行させ逆方向電圧が印加される。第2不純物プラス領域におけるキャリアが排斥状態になり、第2不純物プラス領域から第1不純物プラス領域に流れるキャリアは、電界により制御可能となる。   According to the seventh and eighth configurations of the present invention, the second electrode is connected in one buried region, and the first impurity plus semiconductor having a higher concentration than the first impurity concentration is buried. The third electrode is connected in the other buried region, and a second impurity semiconductor having a high concentration of a second impurity semiconductor having a second impurity concentration different from the first impurity concentration is buried. When a forward voltage is applied in the operation region between the first electrode and the third electrode, carriers in the first semiconductor region are in an accumulation state, and the operation region is shifted in the negative direction to cause a reverse voltage. Applied. Carriers in the second impurity plus region are rejected, and carriers flowing from the second impurity plus region to the first impurity plus region can be controlled by an electric field.

本発明の半導体装置及びその駆動方法によれば、pn接合体における拡散電流を電界により直接制御することが可能となる。コレクタ電流は、ゲート電圧およびエミッタ側pn接合の順方向バイアス電圧に対して指数関数特性を持つため、高利得の増幅器を容易に実現できる。   According to the semiconductor device and the driving method thereof of the present invention, the diffusion current in the pn junction can be directly controlled by the electric field. Since the collector current has an exponential characteristic with respect to the gate voltage and the forward bias voltage of the emitter-side pn junction, a high gain amplifier can be easily realized.

また、ベース領域へのキャリア注入を行うバイアス入力端子と信号入力を行うゲート端子が独立しているために、信号入力端子にバイアス電流や大きなバイアス電圧を必要とせず、低電源電圧化で動作するトランジスタを実現できるという効果を奏する。   In addition, since the bias input terminal for injecting carriers into the base region and the gate terminal for signal input are independent, the signal input terminal does not require a bias current or a large bias voltage and operates with a low power supply voltage. There is an effect that a transistor can be realized.

本発明の実施の形態に係る半導体装置及びその駆動方法を述べる。本発明は、pn接合に電界制御を作用させる構造及び制御方式を創作したものであり、従来の電界効果トランジスタ及びバイポーラトランジスタの双方の利点を持ち、低電源電圧下で動作可能な半導体装置、すなわち、電界効果バイポーラトランジスタ(FEBT)である。     A semiconductor device and a driving method thereof according to an embodiment of the present invention will be described. The present invention has created a structure and a control system for applying electric field control to a pn junction, and has the advantages of both a conventional field effect transistor and a bipolar transistor, and is a semiconductor device that can operate under a low power supply voltage. A field effect bipolar transistor (FEBT).

詳しく述べると、接合体に絶縁された電極を取り付けることにより、電極材料の仕事関数と接合体表面の不純物濃度によって決まるフェルミ準位の関係に従って接合体表面のエネルギーバンドは曲げられている。   More specifically, by attaching an insulated electrode to the joined body, the energy band on the joined body surface is bent according to the relationship between the work function of the electrode material and the Fermi level determined by the impurity concentration on the joined body surface.

エミッタ−ベース間のpn接合を順方向にVfだけバイアスすると、エミッタ領域の多数キャリアである伝導電子は拡散電位Vdからバイアス電圧Vfを差し引いたポテンシャルに相当する電位障壁Vsを越えてベース領域に拡散し、ベース領域の多数キャリアである正孔もまた同様にエミッタ領域に拡散する。ベース領域に拡散した伝導電子は、伝導電子の拡散長よりも短い距離に配置されたコレクタに取り込まれる。 Emitter - If only biasing Vf the pn junction in the forward direction between the base, the base region conduction electrons are majority carriers in the emitter region is beyond the potential barrier V s corresponding to the potential obtained by subtracting the bias voltage V f from the diffusion potential Vd The holes which are majority carriers in the base region also diffuse into the emitter region. The conduction electrons diffused in the base region are taken into the collector disposed at a distance shorter than the diffusion length of the conduction electrons.

この過程でゲート電極にわずかな負の電圧Vgnを印加してバイポーラトランジスタ領域に電界を印加すると、ベース領域のp形半導体は蓄積状態となるために正孔の表面濃度はゲート電圧Vgnに対してほぼ指数関数的に増加すると共に、フェルミ準位が価電子帯に近づき、pn接合の両領域間の表層領域におけるポテンシャル差はほぼVgnだけ増加する。この効果によりベース領域からの正孔の拡散電流の変化は少なく、エミッタ領域からの伝導電子の拡散電流が減少する。 In this process, when a slight negative voltage V gn is applied to the gate electrode and an electric field is applied to the bipolar transistor region, the p-type semiconductor in the base region is in an accumulation state, so that the surface concentration of holes becomes the gate voltage V gn . On the other hand, the Fermi level approaches the valence band while increasing approximately exponentially, and the potential difference in the surface layer region between both regions of the pn junction increases by approximately V gn . Due to this effect, there is little change in the diffusion current of holes from the base region, and the diffusion current of conduction electrons from the emitter region is reduced.

一方、負のゲート電圧Vgnの印加によりエミッタ領域のn形半導体は排斥状態となるため、伝導電子の表面濃度はゲート電圧Vgnに対してほぼ指数関数的に減少すると共に、フェルミ準位が真性半導体のフェルミ準位に近づきpn接合の両領域間のポテンシャル障壁の差はほぼVgnだけ減少する。この効果によりエミッタ領域からの伝導電子の拡散電流の変化は少なく、ベース領域からの正孔の拡散電流が増加する。 On the other hand, since the n-type semiconductor in the emitter region is rejected by applying a negative gate voltage V gn , the surface concentration of conduction electrons decreases almost exponentially with respect to the gate voltage V gn and the Fermi level is reduced. As the Fermi level of the intrinsic semiconductor is approached, the potential barrier difference between the two regions of the pn junction decreases by approximately V gn . Due to this effect, there is little change in the diffusion current of conduction electrons from the emitter region, and the diffusion current of holes from the base region increases.

これら2つの効果により、エミッタ領域を構成している半導体の不純物濃度がベース領域よりも高い場合で、pn接合の拡散電流がエミッタの伝導電子濃度で決定されている場合は、結果的にエミッタ−ベース間pn接合の電流は負のゲート電圧Vgnに対して指数的に減少する。 Due to these two effects, when the impurity concentration of the semiconductor constituting the emitter region is higher than that of the base region and the diffusion current of the pn junction is determined by the conduction electron concentration of the emitter, the emitter- The current of the base pn junction decreases exponentially with respect to the negative gate voltage V gn .

ゲート電極にわずかな正の電圧Vgpを印加した場合は、ベース領域のp形半導体は排斥状態となるために正孔の表面濃度はゲート電圧Vgpに対してほぼ指数関数的に減少すると共に、フェルミ準位が真性半導体のフェルミ準位に近づき、pn接合の両領域間のポテンシャル差はほぼVgpだけ減少する。この効果によりベース領域からの正孔の拡散電流の変化は少なく、エミッタ領域からの伝導電子の拡散電流が増加する。 When a slight positive voltage V gp is applied to the gate electrode, the p-type semiconductor in the base region is in an excluded state, so that the surface concentration of holes decreases almost exponentially with respect to the gate voltage V gp . The Fermi level approaches the Fermi level of the intrinsic semiconductor, and the potential difference between the two regions of the pn junction is reduced by approximately V gp . Due to this effect, the change in the diffusion current of holes from the base region is small, and the diffusion current of conduction electrons from the emitter region increases.

一方、正のゲート電圧Vgpの印加によりエミッタ領域のn形半導体は蓄積状態となるため、伝導電子の表面濃度はゲート電圧Vgpに対してほぼ指数関数的に増加すると共に、フェルミ準位が伝導帯に近づきpn接合の両領域間のポテンシャル差はほぼVgpだけ増加する。この効果によりエミッタ領域からの伝導電子の拡散電流の変化は少なく、ベース領域からの正孔の拡散電流が減少する。 On the other hand, since the n-type semiconductor in the emitter region becomes an accumulation state by applying a positive gate voltage V gp , the surface concentration of conduction electrons increases almost exponentially with respect to the gate voltage V gp , and the Fermi level is When approaching the conduction band, the potential difference between the two regions of the pn junction increases by approximately V gp . Due to this effect, there is little change in the diffusion current of conduction electrons from the emitter region, and the diffusion current of holes from the base region is reduced.

これら2つの効果により、エミッタ領域を構成している半導体の不純物濃度がベース領域よりも高い場合で、pn接合の拡散電流がエミッタの伝導電子密度で決定されている場合は、結果的にエミッタ−ベース間pn接合の電流は正のゲート電圧Vgpに対して指数的に増加する。 Due to these two effects, when the impurity concentration of the semiconductor constituting the emitter region is higher than that of the base region and the diffusion current of the pn junction is determined by the conduction electron density of the emitter, the emitter- The current of the base pn junction increases exponentially with respect to the positive gate voltage V gp .

コレクタ−ベース間のpn接合が逆方向バイアスされている場合は、コレクタ−ベース間のpn接合からの拡散電流はエミッタ−ベース間のpn接合からの拡散電流に比べて無視できるほど小さく、エミッタ領域からエミッタ−ベース間のpn接合を通って注入する伝導電子の拡散電流がコレクタ電流として観測される。   When the collector-base pn junction is reverse-biased, the diffusion current from the collector-base pn junction is negligibly small compared to the diffusion current from the emitter-base pn junction, and the emitter region A diffusion current of conduction electrons injected from the emitter through the emitter-base pn junction is observed as a collector current.

コレクタ−ベース間のpn接合が順方向にバイアスされている場合は、ゲート電圧の印加によりコレクタ−ベース間のpn接合においてもエミッタ−ベース間のpn接合と同様の効果が発生し、これらを重ね合わせた電流がコレクタ電流として観測される。   When the collector-base pn junction is biased in the forward direction, the same effect as the emitter-base pn junction occurs in the collector-base pn junction by applying the gate voltage. The combined current is observed as the collector current.

エミッタ−ベース間のpn接合の順方向バイアス電圧Vfを変化させた場合は、エミッタ−ベース間pn接合の電流の大きさをVfに対して指数関数的に変化させることができ、コレクタ電流もこれに従って変化する。エミッタ−ベース間のpn接合の順方向バイアス電圧Vfとゲート電圧Vgは独立に制御することが可能であり、バイアス入力回路と信号入力回路とを分離できる。また、エミッタ−ベース間のpn接合の順方向バイアス電圧Vfとゲート電圧Vgを同時に制御する場合は、双方の効果が重畳し高利得増幅デバイスとして機能させることが可能となる。 When the forward bias voltage V f of the emitter-base pn junction is changed, the magnitude of the current of the emitter-base pn junction can be changed exponentially with respect to V f , and the collector current Will change accordingly. The forward bias voltage V f and gate voltage V g of the pn junction between the emitter and the base can be controlled independently, and the bias input circuit and the signal input circuit can be separated. Further, when the forward bias voltage V f and the gate voltage V g of the pn junction between the emitter and the base are controlled at the same time, the effects of both can be superimposed and function as a high gain amplifying device.

図面につき本発明の実施例を示す。図は寸法通りではなく、しかも便宜上層の厚さ方向を拡大して示している。     BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. The figure is not according to the dimensions, and for the sake of convenience, the layer thickness direction is shown enlarged.

図1Aは本発明の電界効果バイポーラトランジスタの構造断面図であり、n形半導領域10、p形半導体領域11で構成されるpn接合のp形半導体領域11上に、絶縁皮膜12によって絶縁された電界制御電極13を配置して電界効果バイポーラトランジスタを構成する。電界効果バイポーラトランジスタへの電極の接続については、n形半導体領域10に対してはエミッタ電極20を、p形半導体領域11に対してはコレクタ電極21を、電界制御電極13に対してはゲート電極22を接合して電気的接続を行う。エミッタ電極20、コレクタ電極21、ゲート電極22は絶縁層23により絶縁されている。本発明の装置は、半導体製造手法を用いて製造可能で、特別な製造技術を導入することなく、最先端の集積回路上に容易に実現可能なものであり、工業的な利用価値が高いものである。 FIG. 1A is a structural cross-sectional view of a field effect bipolar transistor of the present invention, which is insulated by an insulating film 12 on a pn junction p-type semiconductor region 11 composed of an n-type semiconductor region 10 and a p-type semiconductor region 11. The field control electrode 13 is arranged to constitute a field effect bipolar transistor. Regarding the connection of the electrodes to the field effect bipolar transistor, the emitter electrode 20 is applied to the n-type semiconductor region 10, the collector electrode 21 is applied to the p-type semiconductor region 11, and the gate electrode is applied to the electric field control electrode 13. 22 is joined to make an electrical connection. The emitter electrode 20, the collector electrode 21, and the gate electrode 22 are insulated by an insulating layer 23. The device of the present invention can be manufactured using a semiconductor manufacturing method, can be easily realized on a state-of-the-art integrated circuit without introducing special manufacturing technology, and has high industrial utility value It is.

本発明の半導体装置、すなわち、電界効果バイポーラトランジスタの動作について説明する。本発明の電界効果バイポーラトランジスタは、n形半導体領域10とp形半導体領域11で構成されるpn接合30a,30bに電圧を印加することにより発生する拡散電流を、電界制御電極13に与える電位によって発生する電界によりp形半導体領域の表面近傍領域31における表面準位を制御することで、高利得でかつ低電源電圧下で動作可能なトランジスタを実現するものであり、ゲート電極22からみた素子の入力抵抗が高いという特徴を有している。     The operation of the semiconductor device of the present invention, that is, the field effect bipolar transistor will be described. In the field effect bipolar transistor of the present invention, a diffusion current generated by applying a voltage to the pn junctions 30 a and 30 b formed by the n-type semiconductor region 10 and the p-type semiconductor region 11 is generated by the potential applied to the electric field control electrode 13. By controlling the surface level in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor region by the generated electric field, a transistor capable of operating at a high gain and under a low power supply voltage is realized. It has the feature that input resistance is high.

はじめに、n形半導領域10、p形半導体領域11のみで構成されるpn接合30a、30bの電流密度、すなわち、ゲート電極13の影響を受けない場合の電流密度Jbulkについて考える。電子正孔対の発生による電流は無視できる程度に小さいものとし、pn接合の電流が主に担体の拡散電流で決定できるものとする。n形半導体領域10からp形半導体領域11に注入される伝導電子密度npは、 First, the current density of the pn junctions 30a and 30b composed of only the n-type semiconductor region 10 and the p-type semiconductor region 11, that is, the current density J bulk when not affected by the gate electrode 13 will be considered. The current due to the generation of electron-hole pairs is assumed to be negligibly small, and the pn junction current can be determined mainly by the carrier diffusion current. The conduction electron density n p injected from the n-type semiconductor region 10 into the p-type semiconductor region 11 is:

p=np0×exp(−qVec/kT)、 (1) n p = n p0 × exp (−qV ec / kT), (1)

となる。ここで、np0はp形半導体領域11における少数担体である伝導電子の密度、qは電気素量、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、Vecはn形半導体領域10を正としてn形半導体領域10とp形半導体領域11間のpn接合に印加するエミッタ−コレクタ間電圧を表している。pn接合30a、30bの伝導電子による電流密度Jnは、式(1)で求められる伝導電子が、p形半導体領域11を拡散することによって定まり、 It becomes. Here, n p0 is the density of conduction electrons which are minority carriers in the p-type semiconductor region 11, q is the elementary charge, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, and V ec is the n-type with the n-type semiconductor region 10 being positive. The emitter-collector voltage applied to the pn junction between the semiconductor region 10 and the p-type semiconductor region 11 is shown. The current density J n due to the conduction electrons of the pn junctions 30a and 30b is determined by the diffusion of the conduction electrons obtained by the equation (1) in the p-type semiconductor region 11,

J=qDnp0/Ln ×(exp(−qVec/kT)− 1)、 (2) J n = qD n n p0 / L n × (exp (-qV ec / kT) - 1), (2)

となることが知られている。ここで、Dnは伝導電子の拡散定数、Lnは伝導電子の拡散長を表している。p形半導体領域11からn形半導体領域10に注入される正孔密度pnは、 It is known that Here, D n represents a conduction electron diffusion constant, and L n represents a conduction electron diffusion length. hole density p n injected from p-type semiconductor region 11 to the n-type semiconductor region 10,

n=pn0×exp(−qVec/kT)、 (3) p n = p n0 × exp (−qV ec / kT), (3)

となる。ここで、pn0はn形半導体領域10における少数担体である正孔の密度を表している。pn接合30a、30bの正孔による電流密度Jpは、式(3)で求められる正孔が、n形半導体領域10を拡散することによって定まり、 It becomes. Here, pn 0 represents the density of holes that are minority carriers in the n-type semiconductor region 10. The current density J p due to the holes in the pn junctions 30a and 30b is determined by diffusing the holes obtained by the formula (3) through the n-type semiconductor region 10,

J=qDpn0/Lp ×(exp(−qVec/kT)− 1)、 (4) J p = qD p p n0 / L p × (exp (-qV ec / kT) - 1), (4)

となる。ここで、Dpは正孔の拡散定数、Lpは正孔の拡散長を表している。pn接合30a、30bの電流密度Jbulkは、式(2)と式(4)によって求められる伝導電子による電流密度Jnと正孔による電流密度Jの和によって定まり、 It becomes. Here, D p represents the hole diffusion constant, and L p represents the hole diffusion length. The current density J bulk of the pn junctions 30a and 30b is determined by the sum of the current density J n due to conduction electrons and the current density J p due to holes, which are obtained by the equations (2) and (4).

Jbulk=(qDnp0/Ln + qDpn0/Lp)×(exp(−qVec/kT)− 1)、 (5) J bulk = (qD n n p0 / L n + qD p p n0 / L p) × (exp (-qV ec / kT) - 1), (5)

となる。図1B〜Gは、電界効果バイポーラトランジスタのエネルギーバンド図である。図1Bにおいて、Ecnはn形半導体領域10の伝導帯のエネルギー準位、Evnはn形半導体領域10の価電子帯のエネルギー準位、Efnはn形半導体領域10のフェルミ準位、Ecpbはp形半導体領域11の伝導帯のエネルギー準位、Evpbはp形半導体領域11の価電子帯のエネルギー準位、Efpはp形半導体領域11のフェルミ準位をそれぞれ表している。pn接合30a、30bは、エミッタ−コレクタ間の印加電圧Vecが零の場合、n形半導体領域10とp形半導体領域11のフェルミ準位EfnとEfpが同じエネルギー準位となるように接合する。n形半導体領域10とp形半導体領域11の伝導帯のエネルギー準位ならびに価電子帯のエネルギー準位は、それぞれ、拡散電位Vによって決まるエネルギー準位の段差qVdを持つ。pn接合30a、30bのエミッタ−コレクタ間に印加電圧Vecを印加した場合のエネルギーバンド図を図1Cに示す。pn接合30a、30bのエミッタ−コレクタ間に印加電圧Vecを印加すると、p形半導体領域11のエネルギーバンドがqVecのエネルギー準位分だけ下方にシフトして接合する。このシフトにより、n形半導体領域10からみた伝導電子のエネルギー障壁の段差Ecpb−Ecn、ならびに、p形半導体領域11から見た正孔のエネルギー障壁の段差Evpb−EvnはqVec分だけ減少することになり、それぞれのエネルギー障壁の減少に対応して式(5)に示されるようにpn接合30a、30bの電流密度Jbulkは指数関数的に増加する。 It becomes. 1B to 1G are energy band diagrams of a field effect bipolar transistor. In FIG. 1B, E cn is the energy level of the conduction band of the n-type semiconductor region 10, E vn is the energy level of the valence band of the n-type semiconductor region 10, E fn is the Fermi level of the n-type semiconductor region 10, E cpb represents the energy level of the conduction band of the p-type semiconductor region 11, E vpb represents the energy level of the valence band of the p-type semiconductor region 11, and E fp represents the Fermi level of the p-type semiconductor region 11. . The pn junctions 30a and 30b are arranged such that the Fermi levels E fn and E fp of the n-type semiconductor region 10 and the p-type semiconductor region 11 have the same energy level when the applied voltage Vec between the emitter and the collector is zero. Join. energy level of the energy level and the valence band of the conduction band of the n-type semiconductor region 10 and the p-type semiconductor region 11, respectively, with a step qV d energy level determined by the diffusion potential V d. FIG. 1C shows an energy band diagram when an applied voltage Vec is applied between the emitter and collector of the pn junctions 30a and 30b. pn junction 30a, the emitter of 30b - The application of the applied voltage V ec between the collector, the energy band of the p-type semiconductor region 11 is joined shifted downward energy level component of qV ec. Due to this shift, the step E cpb −E cn of the conduction electron energy barrier viewed from the n-type semiconductor region 10 and the step E vpb −E vn of the hole energy barrier viewed from the p-type semiconductor region 11 are qV ec minutes. The current density J bulk of the pn junctions 30a and 30b increases exponentially as shown in the equation (5) corresponding to the decrease of each energy barrier.

次に、電界効果バイポーラトランジスタのp形半導体領域11上に電界制御電極13を配置した場合のpn接合30a、30bの電流密度、すなわち、電界制御電極13の影響を考慮した場合の電流密度について考える。pn接合30aの領域は電界制御電極13から十分に離れており電界制御電極13による電界の影響を受けない領域とすると、pn接合30aの領域における電流密度は、電界制御電極13の影響を受けないことから、式(5)と同じになる。一方、pn接合30bの領域における電流密度Jsurは、電界制御電極13を接合することにより大きく変化する。p形半導体の表面近傍領域31の表面エネルギー準位φs0は、電界制御電極13を構成する材料の仕事関数φとp形半導体領域11のフェルミ準位φの差φms(=φ−φ)によって、q(φms−Vi)だけ変化する。ここでViは電界制御電極13の接合により、電界制御電極の直下にある絶縁皮膜12の両界面間に生じる電位差である。電界制御電極13の接合により生じる電位差φmsは、絶縁皮膜12の界面間の電位差Viとp形半導体の表面近傍領域31の表面電位φs0に分圧されている。ここでは、便宜上、絶縁被膜12の内部や界面に存在する電荷等による影響は小さいものとし、また、pn接合30bの領域の電流密度が主に表面近傍の特性で決まっているものとする。電界効果バイポーラトランジスタのp形半導体領域11上に電界制御電極13を配置した場合のエネルギーバンド図を図1Dに示す。図1Dのエネルギーバンド図において、エネルギー準位EcpsならびにEvpsは、それぞれ、p形半導体領域11の伝導帯のエネルギー準位Ecpbと価電子帯のエネルギー準位Evpbが電界制御電極13を接合した効果によりqφs0だけ低下した様子を示している。p形半導体領域11の表面近傍領域31の状態は、qφs0の大きさにより、蓄積状態、排斥状態、弱反転状態、強反転状態になる。図1Dのエネルギーバンド図では、φs0=0.15V程度の場合で、p形半導体の表面近傍領域31の状態が排斥状態となっている例を図示している。電界制御電極13を接合した場合のp形半導体の表面近傍領域31における伝導電子密度np1は、 Next, the current density of the pn junctions 30a and 30b when the electric field control electrode 13 is arranged on the p-type semiconductor region 11 of the field effect bipolar transistor, that is, the current density when the influence of the electric field control electrode 13 is taken into consideration will be considered. . If the region of the pn junction 30a is sufficiently away from the electric field control electrode 13 and is not affected by the electric field by the electric field control electrode 13, the current density in the region of the pn junction 30a is not affected by the electric field control electrode 13. Therefore, it becomes the same as the equation (5). On the other hand, the current density J sur in the region of the pn junction 30b changes greatly by joining the electric field control electrode 13. The surface energy level φ s0 of the p-type semiconductor near-surface region 31 is the difference φ ms (= φ m between the work function φ m of the material constituting the electric field control electrode 13 and the Fermi level φ s of the p-type semiconductor region 11. −φ s ) changes by q (φ ms −V i ). Here, V i is a potential difference generated between both interfaces of the insulating film 12 immediately below the electric field control electrode due to the bonding of the electric field control electrode 13. The potential difference φ ms generated by the bonding of the electric field control electrode 13 is divided into the potential difference V i between the interfaces of the insulating film 12 and the surface potential φ s0 of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor. Here, for the sake of convenience, it is assumed that the influence of the electric charge or the like existing in the insulating coating 12 or at the interface is small, and the current density in the region of the pn junction 30b is mainly determined by the characteristics in the vicinity of the surface. FIG. 1D shows an energy band diagram when the electric field control electrode 13 is disposed on the p-type semiconductor region 11 of the field effect bipolar transistor. In the energy band diagram of FIG. 1D, the energy levels E cps and E vps are respectively determined by the conduction band energy level E cpb and the valence band energy level E vpb of the p-type semiconductor region 11 from the electric field control electrode 13. It shows a state in which reduced by Qfai s0 by bonding the effect. state of near-surface region 31 of the p-type semiconductor region 11, the size of Qfai s0, accumulation state, reject condition, the weak inversion state, it becomes a strong inversion state. The energy band diagram of FIG. 1D illustrates an example in which the state of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor is in the rejected state when φ s0 is about 0.15V. The conduction electron density n p1 in the surface vicinity region 31 of the p-type semiconductor when the electric field control electrode 13 is joined is

p1=np × exp(qφs0/kT) (6) n p1 = n p × exp (qφ s0 / kT) (6)

となる。室温においてはφs0が0.15Vの場合、p形半導体の表面近傍領域31における伝導電子の密度は約400倍に増加することがわかる。一方、n形半導体領域10上部へ電界制御電極13を接合しない本実施例では、n形半導体領域10における正孔の密度pn1はpnのまま変化しない。後述の実施例においては、n形半導体領域10に電界制御電極を施した例についても言及される。pn接合30bの領域における電流密度Jsurは式(2)、式(4)および式(6)より、 It becomes. It can be seen that when φ s0 is 0.15 V at room temperature, the density of conduction electrons in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor increases about 400 times. On the other hand, in this embodiment in which the electric field control electrode 13 is not joined to the upper part of the n-type semiconductor region 10, the hole density pn1 in the n-type semiconductor region 10 remains pn . In the examples described later, an example in which the n-type semiconductor region 10 is provided with an electric field control electrode is also referred to. The current density J sur in the region of the pn junction 30b is obtained from the equations (2), (4), and (6).

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(q(−Vec+φs0)/kT)−exp(qφs0/kT))+qDpn0/Lp×(exp(−qVec/kT)−1)、 (7) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (q (-V ec + φ s0) / kT) -exp (qφ s0 / kT)) + qD p p n0 / L p × (exp (-qV ec / kT -1), (7)

となる。ここで、n形半導体領域10の不純物濃度がp形半導体領域11の不純物濃度に対して十分に大きい場合は、正孔による電流は伝導電子による電流に対して十分に小さくなり、式(7)は、 It becomes. Here, when the impurity concentration of the n-type semiconductor region 10 is sufficiently higher than the impurity concentration of the p-type semiconductor region 11, the current due to holes becomes sufficiently smaller than the current due to conduction electrons, and the equation (7) Is

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(q(−Vec+φs0)/kT)−exp(qφs0/kT))、 (8) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (q (-V ec + φ s0) / kT) -exp (qφ s0 / kT)), (8)

と近似される。pn接合30bの領域における電流密度Jsurは、p形半導体の表面近傍領域31における伝導電子の拡散電流のみで決定される。式(5)と式(8)を比較するとJsurはJbulkに対してはるかに大きな電流を流すことがわかる。室温においてφs0が0.15Vの場合、JsurはJbulkに対して約400倍の電流となる。したがって、qφs0が適切な大きさになるように電界制御電極13とp形半導体領域11の材料を選ぶことで、pn接合30a,30bの電流は、pn接合30bの表面近傍領域を通過する電流密度Jsurによって決めることができる。さらに、図1Cと図1Dのエネルギーバンド図を比較すると、電界制御電極13の接合による影響を受けるp形半導体の表面近傍領域31の伝導帯エネルギー準位Ecpsは、電界制御電極13の接合による影響を受けないp形半導体領域11の伝導帯エネルギー準位Ecpbよりもqφs0だけ低い。伝導電子は周りよりもエネルギー準位の低いp形半導体の表面近傍領域31に拡散していく。図1Aの断面図には示されないが、p形半導体の表面近傍領域であって電界制御電極13の影響を受けない領域、すなわち、電界制御電極13を表面に施さないp形半導体領域が存在する場合がある。電界制御電極13を表面に施さないp形半導体領域の伝導帯エネルギー準位Ecps1は、p形半導体領域11の伝導帯のエネルギー準位Espbと同じとなるために、電界制御電極13を表面に施さないp形半導体領域にも電流は流れにくくなる。すなわち、pn接合の近傍に電界制御電極13を接合することで、pn接合で発生する電流を選択的に流す電流路(チャンネル)を実現していることになる。 Is approximated. The current density J sur in the region of the pn junction 30b is determined only by the diffusion current of conduction electrons in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor. Comparing equations (5) and (8), it can be seen that J sur passes a much larger current to J bulk . When φ s0 is 0.15 V at room temperature, J sur has a current about 400 times that of J bulk . Therefore, by choosing the material of the field-control electrode 13 and the p-type semiconductor region 11 as Qfai s0 it becomes appropriate size, pn junction 30a, 30b of the current, the current passing through the near-surface region of the pn junction 30b It can be determined by the density J sur . Further, when comparing the energy band diagrams of FIG. 1C and FIG. 1D, the conduction band energy level E cps of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor affected by the junction of the electric field control electrode 13 depends on the junction of the electric field control electrode 13. It is lower than the conduction band energy level E cpb of the unaffected p-type semiconductor region 11 by qφ s0 . The conduction electrons diffuse into the surface vicinity region 31 of the p-type semiconductor having a lower energy level than the surroundings. Although not shown in the cross-sectional view of FIG. 1A, there is a region near the surface of the p-type semiconductor that is not affected by the electric field control electrode 13, that is, a p-type semiconductor region where the electric field control electrode 13 is not applied to the surface. There is a case. Since the conduction band energy level E cps1 of the p-type semiconductor region where the electric field control electrode 13 is not applied to the surface is the same as the energy level E spb of the conduction band of the p-type semiconductor region 11, the electric field control electrode 13 is It becomes difficult for current to flow even in the p-type semiconductor region that is not applied to. That is, by joining the electric field control electrode 13 in the vicinity of the pn junction, a current path (channel) for selectively flowing a current generated in the pn junction is realized.

次に、電界効果バイポーラトランジスタの電界制御電極13にゲート電圧Vを印加して、pn接合30bの電流密度Jsurを制御することを考える。ゲート電圧Vgは、電界制御電極13直下の絶縁皮膜12における電界制御電極13−絶縁被膜12界面と絶縁被膜12−p形半導体領域11界面の界面間電位差Vgiとp形半導体の表面近傍領域31の表面電位φgsに分圧される。したがって、ゲート電圧Vgの印加により、p形半導体の表面近傍領域31の表面準位はφgsだけ変化する。界面間電位差Vgiとp形半導体の表面近傍領域31の表面電位φgsの分圧の割合は、p形半導体の表面近傍領域31における電荷分布からポアソンの方程式を解くことにより正確に求めることができる。電界制御電極13に正のゲート電圧Vgを印加した場合、すなわち、p形半導体の表面近傍領域31を排斥状態とした場合のエネルギーバンド図を図1Eに示す。電界制御電極13に正のゲート電圧Vgを印加した場合、p形半導体の表面近傍領域31の伝導帯のエネルギー準位Ecpsと価電子帯のエネルギー準位Evpsは、図1Dと比べて図中+の符号の方向にqφgsだけ低下する。電界制御電極13にさらに高い正のゲート電圧Vgを印加した場合、すなわち、p形半導体の表面近傍領域31を反転状態とした場合のエネルギーバンド図を図1Fに示す。電界制御電極13にさらに高い正のゲート電圧Vgを印加した場合、p形半導体の表面近傍領域31の伝導帯のエネルギー準位Ecpsと価電子帯のエネルギー準位Evpsは、図1Dと比べて図中++の符号の方向にqφgsだけ低下するとともに、p形半導体の表面近傍領域31では、フェルミ準位Efpnが真性フェルミ準位を越えてn形化して反転層が形成され、さらに、p形半導体の表面近傍領域31の領域のフェルミ準位が傾斜することで、拡散電流に加えてドリフト電流が流れるようになる。電界制御電極13に負のゲート電圧Vgを印加した場合、すなわち、p形半導体の表面近傍領域31を蓄積状態とした場合のエネルギーバンド図を図1Gに示す。電界制御電極13に負のゲート電圧Vgを印加した場合、p形半導体の表面近傍領域31の伝導帯のエネルギー準位Ecpsと価電子帯のエネルギー準位Evpsは、図1Dに比べて、図中−の符号の方向にqφgsだけ上昇する。このとき、pn接合30bの領域における電流密度Jsurは式(8)より、 Next, consider that the gate voltage Vg is applied to the electric field control electrode 13 of the field effect bipolar transistor to control the current density J sur of the pn junction 30b. The gate voltage V g is determined by the inter-interface potential difference V gi between the electric field control electrode 13-insulating film 12 interface and the insulating film 12-p-type semiconductor region 11 interface in the insulating film 12 immediately below the electric field control electrode 13, and the surface vicinity region of the p-type semiconductor. 31 is divided into a surface potential φ gs of 31. Therefore, the application of the gate voltage V g changes the surface level of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor by φ gs . The ratio of the partial pressure between the interfacial potential difference V gi and the surface potential φ gs of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor can be accurately obtained by solving Poisson's equation from the charge distribution in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor. it can. FIG. 1E shows an energy band diagram when a positive gate voltage Vg is applied to the electric field control electrode 13, that is, when the near-surface region 31 of the p-type semiconductor is in the rejected state. When a positive gate voltage V g is applied to the electric field control electrode 13, the energy level E cps of the conduction band and the energy level E vps of the valence band in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor are compared with FIG. 1D. It decreases by qφ gs in the direction of the plus sign in the figure. FIG. 1F shows an energy band diagram when a higher positive gate voltage Vg is applied to the electric field control electrode 13, that is, when the near-surface region 31 of the p-type semiconductor is in an inverted state. When a higher positive gate voltage V g is applied to the electric field control electrode 13, the energy level E cps of the conduction band and the energy level E vps of the valence band in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor are as shown in FIG. Compared to the direction of the sign ++ in the figure, it decreases by qφ gs , and in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor, the Fermi level E fpn exceeds the intrinsic Fermi level and becomes n-type to form an inversion layer, Furthermore, since the Fermi level in the region of the p-type semiconductor near-surface region 31 is inclined, a drift current flows in addition to the diffusion current. FIG. 1G shows an energy band diagram when a negative gate voltage V g is applied to the electric field control electrode 13, that is, when the vicinity of the surface region 31 of the p-type semiconductor is in an accumulation state. When a negative gate voltage V g is applied to the electric field control electrode 13, the energy level E cps of the conduction band and the energy level E vps of the valence band in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor are compared with FIG. 1D. In the figure, it increases by qφ gs in the direction of the sign of −. At this time, the current density J sur in the region of the pn junction 30b is obtained from the equation (8):

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(q(−Vec+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))、 (9) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (q (-V ec + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)), (9)

と求められる。負のゲート電圧を印加する場合、pn接合30bの電流密度Jsurは、φgsの減少に伴い指数関数的に減少する。ゲート電圧を印加したことによる表面準位の変動量φgsと電界制御電極13を接合したことによる表面準位の変動量φs0が等しくなるまでゲート電圧が低下すると、p形半導体の表面近傍領域31のエネルギーバンドはフラットバンドとなり電界制御電極13を接合しない状態と等価となる。このとき、pn接合30bの領域における電流密度Jsurは、pn接合30aの領域における電流密度Jbulkと等しくなる。図1Gのエネルギーバンド図は、この状態を示しており、図1Cと一致している。この状態が、電界によりpn接合の拡散電流を制御するゲート電圧Vgの下限値を与える。p形半導体の表面近傍領域31のエネルギーバンドがフラットバンドとなるときのゲート電圧VgfはVgf=φmsとなる。正のゲート電圧を印加する場合、pn接合30bの電流密度Jsurは、式(9)に示すようにφgsの増加にともない指数関数的に増加する。ゲート電圧をさらに上昇させていくと、p形半導体の表面近傍領域31にn形半導体の強い反転層が形成され、電流は拡散電流に加えてドリフト電流が流れるようになり指数関数特性は失われる。したがって、本発明の電界効果バイポーラトランジスタは、電界制御電極13に印加するゲート電圧Vgが、φmsから強い反転層が形成される電圧の範囲で入力電圧に対して指数関数の電流特性を持つ。また、pn接合の順方向バイアス電圧に対応するエミッタ−コレクタ間電圧Vecを調整することで電流のバイアスレベルをVecに関して指数的に変化させて設定することが可能である。 Is required. When a negative gate voltage is applied, the current density J sur of the pn junction 30b decreases exponentially as φ gs decreases. When the gate voltage decreases until the fluctuation amount φ gs of the surface state due to application of the gate voltage and the fluctuation amount φ s0 of the surface state due to joining of the electric field control electrode 13 become equal, the region near the surface of the p-type semiconductor The energy band 31 is a flat band, which is equivalent to a state where the electric field control electrode 13 is not joined. At this time, the current density J sur in the region of the pn junction 30b is equal to the current density J bulk in the region of the pn junction 30a. The energy band diagram of FIG. 1G shows this state and is consistent with FIG. 1C. This condition gives the minimum value of the gate voltage V g which controls the diffusion current of the pn junction by the electric field. The gate voltage V gf when the energy band of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor is a flat band is V gf = φ ms . When a positive gate voltage is applied, the current density J sur of the pn junction 30b increases exponentially with increasing φ gs as shown in the equation (9). When the gate voltage is further increased, a strong inversion layer of the n-type semiconductor is formed in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor, and a drift current flows in addition to the diffusion current, and the exponential characteristic is lost. . Therefore, in the field effect bipolar transistor of the present invention, the gate voltage V g applied to the electric field control electrode 13 has an exponential current characteristic with respect to the input voltage in a voltage range from φ ms to a strong inversion layer. . Further, by adjusting the emitter-collector voltage V ec corresponding to the forward bias voltage of the pn junction, it is possible to set the current bias level exponentially with respect to V ec .

次に電界効果バイポーラトランジスタのエミッタ電流について考える。式(9)に示されるpn接合30bの電流密度Jsurは、pn接合30bの接合面から、伝導電子の拡散長Lnの範囲に伝導電子を捕らえるコレクタ電極21が存在しない場合の電流密度を示している。p形半導体の表面近傍領域31上の電界制御電極13の長さLが伝導電子の拡散長Lnよりも短い場合にpn接合30bの電流密度Jsurは、式(9)より、 Next, consider the emitter current of a field effect bipolar transistor. The current density J sur of the pn junction 30b shown in Expression (9) is the current density when the collector electrode 21 that captures the conduction electrons does not exist within the range of the diffusion length L n of the conduction electrons from the junction surface of the pn junction 30b. Show. When the length L of the electric field control electrode 13 on the near-surface region 31 of the p-type semiconductor is shorter than the diffusion length L n of the conduction electrons, the current density J sur of the pn junction 30b is obtained from the equation (9):

Jsur=qDnp0/L×(exp(q(−Vec+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))、 (10) J sur = qD n n p0 / L × (exp (q (-V ec + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)), (10)

となり、pn接合30bの領域における電流密度JsurはLn/L倍に増加する。また、p形半導体の表面近傍領域31における伝導電子の拡散を円滑に行うためには、伝導電子を捕らえるコレクタ電極近傍のエネルギーバンドが、図1B〜Gのエネルギーバンド図に示すように、伝導電子に対してエネルギー準位がコレクタ電極21に向かって低下するように接合している必要がある。図2Aは、この条件を満たす場合の構成例を示している。コレクタ電極21を高濃度のp形半導体領域28を介してp形半導体領域11に接合させている。電界効果バイポーラトランジスタのエミッタ電流Ieは、Jsurが流れる方向に対して垂直の断面で切断されるp形半導体の表面近傍領域31の断面積Aを式(10)に乗じることで、 Thus, the current density J sur in the region of the pn junction 30b increases to L n / L times. In order to smoothly diffuse conduction electrons in the surface vicinity region 31 of the p-type semiconductor, the energy band in the vicinity of the collector electrode that captures the conduction electrons is as shown in the energy band diagrams of FIGS. In contrast, it is necessary that the energy level be bonded so as to decrease toward the collector electrode 21. FIG. 2A shows a configuration example when this condition is satisfied. The collector electrode 21 is joined to the p-type semiconductor region 11 through the high-concentration p-type semiconductor region 28. The emitter current Ie of the field effect bipolar transistor is obtained by multiplying the cross-sectional area A of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor cut along a cross section perpendicular to the direction in which J sur flows by the equation (10):

Ie=AqDnp0/L×(exp(q(−Vec+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))、 (11) I e = AqD n n p0 / L × (exp (q (-V ec + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)), (11)

と求められる。さらに、エミッタ電流Ieが流れるp形半導体の表面近傍領域31の平均的な厚みをdとすると、p形半導体の表面近傍領域31の断面積Aは、図1Aにおける電界制御電極13の奥行き方向の幅Wを用いてA=dWと表され、電界効果バイポーラトランジスタのエミッタ電流Ieは、 Is required. Furthermore, if the average thickness of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor through which the emitter current I e flows is d, the cross-sectional area A of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor is the depth direction of the electric field control electrode 13 in FIG. A = dW, and the emitter current Ie of the field effect bipolar transistor is

Ie=qDnp0dW/L×(exp(q(−Vec+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))、 (12a) I e = qD n n p0 dW / L × (exp (q (-V ec + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)), (12a)

となる。エミッタ電流Ieは電界制御電極13の形状比W/Lに比例した電流となる。式(11)および式(12a)では、便宜上深さ方向の電流分布を簡単化して説明しているが、エミッタ電流Iはpn接合30bの電流密度Jsurの式(10)を深さ方向に積分することでより正確に求めることができる。 It becomes. The emitter current I e is a current proportional to the shape ratio W / L of the electric field control electrode 13. In equations (11) and (12a), the current distribution in the depth direction is simplified for convenience, but the emitter current I e is expressed by the equation (10) of the current density J sur of the pn junction 30b in the depth direction. It is possible to obtain more accurately by integrating into.

実施例1の図2Aに示す電界効果バイポーラトランジスタについて、図 3Aの測定回路を用いてエミッタ電流を測定した場合の測定結果を図3Bに示す。ゲート電圧Vgは、−0.70Vから0.01V刻みに0.70Vまで変化させて測定している。エミッタ−コレクタ間電圧Vecは、パラメータとして、0.00Vから−0.10V刻みに−0.80Vまで変化させて測定している。電界効果バイポーラトランジスタのエミッタ電流は、エミッタ電極20に接続された電圧源を流れる電流として測定した。電界効果バイポーラトランジスタのp形半導体の表面近傍領域31に強い反転層が形成される電圧は約0.6V、フラットバンド電圧は約−0.2Vである。電界効果バイポーラトランジスタの電界制御電極の形状は、W=10μm、L=2μmである。図3Bの測定結果では、ゲート電圧Vgがフラットバンド電圧−0.2Vから強い反転層が形成される電圧0.6Vの範囲で式(10)の指数関数の特性が得られている。電界効果バイポーラトランジスタは、ゲート電圧Vgが0V近傍でも動作している。電界効果バイポーラトランジスタは入力信号にトランジスタを動作させるためのバイアス電圧を必要としないため、近年の低電源電圧化が要求されている集積回路において信号振幅を大きく確保することが可能である。ゲート電圧Vgの変動0.2Vに対してφgsは約0.12V変動し、この結果約100倍の電流変動が実測されている。低消費電力化が要求される今日の集積回路において、低い出力バイアス電流で動作させる集積回路を構成する場合に、バイポーラトランジスタと同等の高利得増幅器を実現可能である。また、このときゲート電極に流れ込む電流は50fA以下であり、電界効果バイポーラトランジスタは高い入力抵抗を持つ。エミッタ−コレクタ間電圧Vecの変動0.10Vに対して、約50倍の電流変動が測定されている。エミッタ−コレクタ間電圧Vecにより、出力バイアス電流を広い電流レンジの範囲で設定可能である。ゲート電圧Vgの変動0.2Vおよびエミッタ−コレクタ間電圧Vecの変動0.10Vを同時に与えた場合は、約5000倍の電流変動が実測されている。これらの実測結果は、前述の電界効果バイポーラトランジスタの動作原理と正確に対応し、動作原理が正しいことを裏付けるものである。実施例1では、n形半導体領域10の不純物濃度がp形半導体領域11よりも十分に高いという例を示したが、濃度の関係が逆の場合は、電流を決定する担体を伝導電子から正孔に入れ替えることで同様に扱うことができる。
実施例1の変形として、図2Bに示すように、電界制御バイポーラトランジスタを絶縁層27および25で取り囲むと共に、コレクタ電極21を高濃度のp形半導体領域28を介してp形半導体領域11に接合させている例を示す。本構成では、30aにおける深層部の電流密度Jbulkを減少させることが可能となり、30bにおける表面層の電流密度をより低い電流レンジまで拡張して利用することが可能となるため、低消費、低リーク、低ノイズな回路を実現できる。さらに、他の電界制御電極を絶縁層25の下部に用意することで図2Aの表面型電界効果バイポーラトランジスタに代わる、多電極型電界効果バイポーラトランジスタを構成できる。
実施例1の変形として、図2Cに示すように、図1Aにおけるn形半導体領域10を図2Cにおけるp形半導体領域15に、図1Aにおけるp形半導体領域11を図2Cにおけるn形半導体領域16にそれぞれ入れ替えることで、相対な構造の電界効果バイポーラトランジスタを構成することが可能である。この場合、エミッタ電流Ieは、式(12a)と同様に、
Ie=qDn0dW/L×(exp(q(Vec−φs1−φgsn)/kT)−exp(q(−φs1−φgsn)/kT))、 (12b)
となる。ここで、pn0はn形半導体領域16における少数担体である正孔の密度、φs1は電界制御電極17を接合した場合のn形半導体の表面近傍領域における表面準位、φgsnは電界制御電極17に電圧Vgを印加した場合のn形半導体の表面近傍領域における表面準位の変化量をそれぞれ表している。実施例1の変形では、式(12b)に示すように、正のゲート電圧を印加する場合にエミッタ電流は指数関数的に減少し、負のゲート電圧を印加する場合にエミッタ電流は指数的に増加する特性を持ち、ゲート電圧に対するエミッタ電流の変化が実施例1に対して反対の特性を持つ相対な電界効果バイポーラトランジスタを構成することが可能である。図2Cに示した実施例1の変形として、コレクタ電極21を高濃度のn形半導体領域29を介してn形半導体領域16に接合させた場合の例を図2Dに示す。
実施例1の図2Dに示す電界効果バイポーラトランジスタについて、図4Aの測定回路を用いてエミッタ電流を測定した場合の測定結果を図4Bに示す。ゲート電圧Vgは、−0.70Vから0.01V刻みに0.70Vまで変化させて測定している。エミッタ−コレクタ間電圧Vecは、パラメータとして、0.00Vから0.10V刻みに0.80Vまで変化させて測定している。電界効果バイポーラトランジスタのエミッタ電流は、エミッタ電極20に接続された電圧源を流れる電流として測定した。電界効果バイポーラトランジスタのp形半導体の表面近傍領域31に強い反転層が形成される電圧は約-0.7V、フラットバンド電圧は約0.1Vである。電界効果バイポーラトランジスタの電界制御電極の形状は、W=10μm、L=2μmである。図4Bの測定結果では、ゲート電圧Vgがフラットバンド電圧0.1Vから強い反転層が形成される電圧−0.7Vの範囲で式(12b)の指数関数の特性が得られている。電界効果バイポーラトランジスタは、ゲート電圧Vgが0V近傍でも動作している。電界効果バイポーラトランジスタは入力信号にトランジスタを動作させるためのバイアス電圧を必要としないため、近年の低電源電圧化が要求されている集積回路において信号振幅を大きく確保することが可能である。ゲート電圧Vgの変動0.2Vに対してφgsは約0.12V変動し、この結果約100倍の電流変動が実測されている。低消費電力化が要求される今日の集積回路において、低い出力バイアス電流で動作させる集積回路を構成する場合に、バイポーラトランジスタと同等の高利得増幅器を実現可能である。また、このときゲート電極に流れ込む電流は50fA以下であり、電界効果バイポーラトランジスタは高い入力抵抗を持つ。エミッタ−コレクタ間電圧Vecの変動0.10Vに対して、約50倍の電流変動が測定されている。エミッタ−コレクタ間電圧Vecにより、出力バイアス電流を広い電流レンジの範囲で設定可能である。ゲート電圧Vgの変動0.2Vおよびエミッタ−コレクタ間電圧Vecの変動0.10Vを同時に与えた場合は、約5000倍の電流変動が実測されている。これらの実測結果は、前述の電界効果バイポーラトランジスタの動作原理と正確に対応し、動作原理が正しいことを裏付けるものである。実施例1では、n形半導体領域10の不純物濃度がp形半導体領域11よりも十分に高いという例を示したが、濃度の関係が逆の場合は、電流を決定する担体を伝導電子から正孔に入れ替えることで同様に扱うことができる。図2Cに示された実施例1の変形として、図2Eに示すように、電界制御バイポーラトランジスタを絶縁層27および25で取り囲むと共に、コレクタ電極21を高濃度のn形半導体領域29を介してn形半導体領域16に接合させている例を示す。本構成では、30aにおける深層部の電流密度Jbulkを減少させることが可能となり、30bにおける表面層の電流密度をより低い電流レンジまで拡張して利用することが可能となるため、低消費、低リーク、低ノイズな回路を実現できる。さらに、他の電界制御電極を絶縁層25の下部に用意することで図2Eの表面型電界効果バイポーラトランジスタに代わる、多電極型電界効果バイポーラトランジスタを構成できる。
FIG. 3B shows the measurement results when measuring the emitter current of the field effect bipolar transistor shown in FIG. 2A of Example 1 using the measurement circuit of FIG. 3A. The gate voltage V g is measured by changing from −0.70 V to 0.70 V in increments of 0.01 V. Emitter - collector voltage V ec as a parameter, are measured by changing from 0.00V to increments -0.10V to -0.80V. The emitter current of the field effect bipolar transistor was measured as a current flowing through a voltage source connected to the emitter electrode 20. The voltage at which a strong inversion layer is formed in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor of the field effect bipolar transistor is about 0.6V, and the flat band voltage is about −0.2V. The shape of the electric field control electrode of the field effect bipolar transistor is W = 10 μm and L = 2 μm. In the measurement result of FIG. 3B, the exponential function characteristic of the formula (10) is obtained in the range of the gate voltage V g from the flat band voltage −0.2 V to the voltage 0.6 V at which a strong inversion layer is formed. The field effect bipolar transistor operates even when the gate voltage V g is near 0V. Since the field effect bipolar transistor does not require a bias voltage for operating the transistor for an input signal, it is possible to ensure a large signal amplitude in an integrated circuit that is required to have a low power supply voltage in recent years. Φ gs fluctuates by about 0.12 V with respect to 0.2 g fluctuation of the gate voltage V g , and as a result, a current fluctuation of about 100 times is measured. In today's integrated circuits that require low power consumption, a high gain amplifier equivalent to a bipolar transistor can be realized when configuring an integrated circuit that operates with a low output bias current. At this time, the current flowing into the gate electrode is 50 fA or less, and the field effect bipolar transistor has a high input resistance. Emitter - for variations 0.10V of collector voltage V ec, about 50 times the current variation is measured. The output bias current can be set in a wide current range by the emitter-collector voltage Vec . Variation 0.2V and the emitter of the gate voltage V g - if the fluctuations 0.10V of collector voltage V ec gave simultaneously, about 5000 times the current variation is measured. These actual measurement results accurately correspond to the operation principle of the above-described field effect bipolar transistor and confirm that the operation principle is correct. In the first embodiment, an example in which the impurity concentration of the n-type semiconductor region 10 is sufficiently higher than that of the p-type semiconductor region 11 is shown. However, when the concentration relationship is reversed, the carrier that determines the current is positively transferred from the conduction electrons. It can be handled in the same way by replacing it with a hole.
As a modification of the first embodiment, as shown in FIG. 2B, the electric field control bipolar transistor is surrounded by insulating layers 27 and 25, and the collector electrode 21 is bonded to the p-type semiconductor region 11 through the high-concentration p-type semiconductor region 28. An example is shown. In this configuration, it is possible to reduce the current density J bulk of the deep layer portion at 30a and to expand the surface layer current density at 30b to a lower current range. A circuit with low leakage and low noise can be realized. Furthermore, by preparing another electric field control electrode under the insulating layer 25, a multi-electrode field effect bipolar transistor can be configured in place of the surface type field effect bipolar transistor of FIG. 2A.
As a modification of the first embodiment, as shown in FIG. 2C, the n-type semiconductor region 10 in FIG. 1A is replaced with the p-type semiconductor region 15 in FIG. 2C, and the p-type semiconductor region 11 in FIG. 1A is replaced with the n-type semiconductor region 16 in FIG. It is possible to configure a field effect bipolar transistor having a relative structure by replacing each of the above. In this case, the emitter current I e is similar to the equation (12a):
I e = qD pp n0 dW / L × (exp (q (V ec −φ s1 −φ gsn ) / kT) −exp (q (−φ s1 −φ gsn ) / kT)), (12b)
It becomes. Here, p n0 is the density of holes which are minority carriers in the n-type semiconductor region 16, φ s1 is the surface level in the region near the surface of the n-type semiconductor when the electric field control electrode 17 is joined, and φ gsn is the electric field control. The amount of change in the surface level in the region near the surface of the n-type semiconductor when the voltage V g is applied to the electrode 17 is shown. In the modification of the first embodiment, as shown in Expression (12b), the emitter current decreases exponentially when a positive gate voltage is applied, and the emitter current exponentially decreases when a negative gate voltage is applied. It is possible to construct a relative field effect bipolar transistor having an increasing characteristic and a change in the emitter current with respect to the gate voltage having a characteristic opposite to that of the first embodiment. FIG. 2D shows an example in which the collector electrode 21 is joined to the n-type semiconductor region 16 via the high-concentration n-type semiconductor region 29 as a modification of the first embodiment shown in FIG. 2C.
FIG. 4B shows the measurement results when measuring the emitter current for the field effect bipolar transistor shown in FIG. 2D of Example 1 using the measurement circuit of FIG. 4A. The gate voltage V g is measured by changing from −0.70 V to 0.70 V in increments of 0.01 V. Emitter - collector voltage V ec as a parameter, are measured by changing from 0.00V to increments 0.10V to 0.80 V. The emitter current of the field effect bipolar transistor was measured as a current flowing through a voltage source connected to the emitter electrode 20. The voltage at which a strong inversion layer is formed in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor of the field effect bipolar transistor is about −0.7V, and the flat band voltage is about 0.1V. The shape of the electric field control electrode of the field effect bipolar transistor is W = 10 μm and L = 2 μm. In the measurement results of FIG. 4B, the gate voltage V g is the characteristic of the exponential function of equation (12b) in the range of the voltage -0.7V strong inversion layer is formed from a flat band voltage 0.1V is obtained. The field effect bipolar transistor operates even when the gate voltage V g is near 0V. Since the field effect bipolar transistor does not require a bias voltage for operating the transistor for an input signal, it is possible to ensure a large signal amplitude in an integrated circuit that is required to have a low power supply voltage in recent years. Φ gs fluctuates by about 0.12 V with respect to 0.2 g fluctuation of the gate voltage V g , and as a result, a current fluctuation of about 100 times is actually measured. In today's integrated circuits that require low power consumption, a high gain amplifier equivalent to a bipolar transistor can be realized when configuring an integrated circuit that operates with a low output bias current. At this time, the current flowing into the gate electrode is 50 fA or less, and the field effect bipolar transistor has a high input resistance. Emitter - for variations 0.10V of collector voltage V ec, about 50 times the current variation is measured. The output bias current can be set in a wide current range by the emitter-collector voltage Vec . Variation 0.2V and the emitter of the gate voltage V g - if the fluctuations 0.10V of collector voltage V ec gave simultaneously, about 5000 times the current variation is measured. These actual measurement results accurately correspond to the operation principle of the above-mentioned field effect bipolar transistor, and confirm that the operation principle is correct. In the first embodiment, an example in which the impurity concentration of the n-type semiconductor region 10 is sufficiently higher than that of the p-type semiconductor region 11 is shown. However, when the concentration relationship is reversed, the carrier that determines the current is positively transferred from the conduction electrons. It can be handled in the same way by replacing it with a hole. As a modification of the first embodiment shown in FIG. 2C, as shown in FIG. 2E, the electric field control bipolar transistor is surrounded by insulating layers 27 and 25, and the collector electrode 21 is n-typed via a high-concentration n-type semiconductor region 29. An example of bonding to the shaped semiconductor region 16 is shown. In this configuration, it is possible to reduce the current density J bulk of the deep layer portion at 30a and to expand the surface layer current density at 30b to a lower current range. A circuit with leakage and low noise can be realized. Furthermore, by preparing another electric field control electrode under the insulating layer 25, a multi-electrode field effect bipolar transistor can be configured in place of the surface type field effect bipolar transistor of FIG. 2E.

図5Aは本発明の電界効果バイポーラトランジスタにおける実施例2の構造断面図である。実施例2では、n形半導領域10とp形半導体領域11で構成されるpn接合のp形半導体領域11上に、絶縁皮膜12によって絶縁された電界制御電極13を配置した電界効果バイポーラトランジスタと、n形半導領域14とp形半導体領域11で構成されるpn接合のp形半導体領域11上に電界制御電極13を配置した電界効果バイポーラトランジスタとを、p形半導体領域11を共通に配置して電界効果バイポーラトランジスタを構成する。電界効果バイポーラトランジスタへの電極の接続については、n形半導体領域10に対してはエミッタ電極20を、p形半導体領域11に対してはベース電極24を、n形半導体領域14に対してはコレクタ電極21を、電界制御電極13に対してはゲート電極22を接合して電気的接続を行う。二つの電界効果バイポーラトランジスタで共通に使用するp形半導体領域11の電位を与えるために、ベース電極24を配置して4端子構造のトランジスタを構成している。ベース電極24は便宜上素子の裏面に接続しているが、電界制御電極13で覆われないp形半導体領域11の表面から電気的接続を取ることができる。また、p形半導体領域11とベース電極24の接合が抵抗的な接合とならない場合は、高濃度のp形半導体領域を介してp形半導体領域11とベース電極24を接合させる。エミッタ電極20、コレクタ電極21、ゲート電極22は絶縁層23により絶縁されている。本発明の実施例2の装置は、実施例1と同様に半導体製造手法を用いて製造可能で、特別な製造技術を導入することなく、最先端の集積回路上に容易に実現可能なものであり、工業的な利用価値が高いものである。 FIG. 5A is a structural cross-sectional view of Example 2 in the field effect bipolar transistor of the present invention. In the second embodiment, a field effect bipolar transistor in which an electric field control electrode 13 insulated by an insulating film 12 is disposed on a pn junction p-type semiconductor region 11 composed of an n-type semiconductor region 10 and a p-type semiconductor region 11. And a field effect bipolar transistor in which the electric field control electrode 13 is arranged on the p-type semiconductor region 11 of the pn junction constituted by the n-type semiconductor region 14 and the p-type semiconductor region 11, and the p-type semiconductor region 11 in common The field effect bipolar transistor is configured by arranging. Regarding the connection of the electrodes to the field effect bipolar transistor, the emitter electrode 20 is applied to the n-type semiconductor region 10, the base electrode 24 is applied to the p-type semiconductor region 11, and the collector is applied to the n-type semiconductor region 14. The electrode 21 is electrically connected to the electric field control electrode 13 by bonding the gate electrode 22. In order to give the potential of the p-type semiconductor region 11 that is commonly used by two field effect bipolar transistors, a base electrode 24 is disposed to constitute a four-terminal transistor. The base electrode 24 is connected to the back surface of the element for convenience, but electrical connection can be established from the surface of the p-type semiconductor region 11 that is not covered by the electric field control electrode 13. When the junction between the p-type semiconductor region 11 and the base electrode 24 is not a resistive junction, the p-type semiconductor region 11 and the base electrode 24 are joined via the high-concentration p-type semiconductor region. The emitter electrode 20, the collector electrode 21, and the gate electrode 22 are insulated by an insulating layer 23. The device according to the second embodiment of the present invention can be manufactured by using a semiconductor manufacturing method as in the first embodiment, and can be easily realized on a state-of-the-art integrated circuit without introducing a special manufacturing technique. There is a high industrial utility value.

電界効果バイポーラトランジスタの動作について説明する。本発明の電界効果バイポーラトランジスタは、n形半導体領域10とp形半導体領域11で構成されるpn接合30a,30bに電圧を印加することにより発生する拡散電流を、電界制御電極13に与える電位によって発生する電界によりp形半導体領域の表面近傍領域31の表面準位を制御することで、低電源電圧下で動作する高利得なトランジスタを実現するものであり、ゲート電極22から見た素子の入力抵抗が高いという特徴を有している。   The operation of the field effect bipolar transistor will be described. In the field effect bipolar transistor of the present invention, a diffusion current generated by applying a voltage to the pn junctions 30 a and 30 b formed by the n-type semiconductor region 10 and the p-type semiconductor region 11 is generated by the potential applied to the electric field control electrode 13. By controlling the surface level of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor region by the generated electric field, a high-gain transistor that operates under a low power supply voltage is realized. It is characterized by high resistance.

はじめに、n形半導領域10、p形半導体領域11のみで構成されるpn接合30a、30bの電流密度、すなわち、ゲート電極13の影響を受けない場合の電流密度Jbulkについて考える。電子正孔対の発生による電流は無視できる程度に小さいものとし、pn接合の電流が主に担体の拡散電流で決定できるものとする。n形半導体領域10からp形半導体領域11に注入される伝導電子密度npは、 First, the current density of the pn junctions 30a and 30b composed of only the n-type semiconductor region 10 and the p-type semiconductor region 11, that is, the current density J bulk when not affected by the gate electrode 13 will be considered. The current due to the generation of electron-hole pairs is assumed to be negligibly small, and the pn junction current can be determined mainly by the carrier diffusion current. The conduction electron density n p injected from the n-type semiconductor region 10 into the p-type semiconductor region 11 is:

p=np0×exp(−qVeb/kT)、 (13) n p = n p0 × exp (−qV eb / kT), (13)

となる。ここで、np0はp形半導体領域11における少数担体である伝導電子の密度、qは電気素量、kはボルツマン定数、Tは絶対温度、Vebはn形半導体領域10を正としてn形半導体領域10とp形半導体領域11間のpn接合に印加するエミッタ−ベース間電圧を表している。pn接合30a、30bの伝導電子による電流密度Jnは、式(13)で求められる伝導電子が、p形半導体領域11を拡散することによって定まり、 It becomes. Here, n p0 is the density of conduction electrons that are minority carriers in the p-type semiconductor region 11, q is the elementary charge, k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature, and V eb is the n-type with the n-type semiconductor region 10 being positive. The emitter-base voltage applied to the pn junction between the semiconductor region 10 and the p-type semiconductor region 11 is shown. The current density J n due to the conduction electrons of the pn junctions 30a and 30b is determined by the diffusion of the conduction electrons obtained by the equation (13) in the p-type semiconductor region 11,

J=qDnp0/Ln ×(exp(−qVeb/kT)− 1)、 (14) J n = qD n n p0 / L n × (exp (-qV eb / kT) - 1), (14)

となる。ここで、Dnは伝導電子の拡散定数、Lnは伝導電子の拡散長を表している。p形半導体領域11からn形半導体領域10に注入される正孔密度pnは、 It becomes. Here, D n represents a conduction electron diffusion constant, and L n represents a conduction electron diffusion length. hole density p n injected from p-type semiconductor region 11 to the n-type semiconductor region 10,

n=pn0×exp(−qVeb/kT)、 (15) p n = p n0 × exp (−qV eb / kT), (15)

となる。ここで、pn0はn形半導体領域10における少数担体である正孔の密度を表している。pn接合30a、30bの正孔による電流密度Jpは、式(15)で求められる正孔が、n形半導体領域10を拡散することによって定まり、 It becomes. Here, pn 0 represents the density of holes that are minority carriers in the n-type semiconductor region 10. The current density J p due to the holes of the pn junctions 30a and 30b is determined by the diffusion of the holes obtained by the equation (15) through the n-type semiconductor region 10,

J=qDpn0/Lp ×(exp(−qVeb/kT)− 1)、 (16) J p = qD p p n0 / L p × (exp (-qV eb / kT) - 1), (16)

となる。ここで、Dpは正孔の拡散定数、Lpは正孔の拡散長を表している。pn接合30a、30bの電流密度Jbulkは、式(14)と式(16)によって求められる伝導電子による電流密度Jnと正孔による電流密度Jの和によって定まり、 It becomes. Here, D p represents the hole diffusion constant, and L p represents the hole diffusion length. The current density J bulk of the pn junctions 30a and 30b is determined by the sum of the current density J n due to conduction electrons and the current density J p due to holes determined by the equations (14) and (16),

Jbulk=(qDnp0/Ln + qDpn0/Lp)×(exp(−qVeb/kT)− 1)、 (17) J bulk = (qD n n p0 / L n + qD p p n0 / L p) × (exp (-qV eb / kT) - 1), (17)

となる。図5Bは、電界効果バイポーラトランジスタのエネルギーバンド図である。Ecnはn形半導体領域10の伝導帯のエネルギー準位、Evnはn形半導体領域10の価電子帯のエネルギー準位、Efnはn形半導体領域10のフェルミ準位、Ecpbはp形半導体領域11の伝導帯のエネルギー準位、Evpbはp形半導体領域11の価電子帯のエネルギー準位、Efpはp形半導体領域11のフェルミ準位をそれぞれ表している。pn接合30a、30bは、エミッタ−ベース間の印加電圧Vebが零の場合、n形半導体領域10とp形半導体領域11のフェルミ準位EfnとEfpが同じエネルギー準位となるように接合する。n形半導体領域10とp形半導体領域11の伝導帯のエネルギー準位ならびに価電子帯のエネルギー準位は、それぞれ、拡散電位Vによって決まるエネルギー準位の段差qVdを持つ。pn接合30a、30bのエミッタ−ベース間に印加電圧Vebを印加した場合のエネルギーバンド図を図5Cに示す。pn接合30a、30bのエミッタ−ベース間に印加電圧Vebを印加すると、p形半導体領域11のエネルギーバンドがqVebのエネルギー準位分だけ下方にシフトして接合する。このシフトにより、n形半導体領域10からみた伝導電子のエネルギー障壁の段差Ecpb−Ecn、ならびに、p形半導体領域11から見た正孔のエネルギー障壁の段差Evpb−EvnはqVeb分だけ減少することになり、それぞれのエネルギー障壁の減少に対応して式(17)に示されるようにpn接合30a、30bの電流密度Jbulkは指数関数的に増加する。 It becomes. FIG. 5B is an energy band diagram of a field effect bipolar transistor. E cn is the energy level of the conduction band of the n-type semiconductor region 10, E vn is the energy level of the valence band of the n-type semiconductor region 10, E fn is the Fermi level of the n-type semiconductor region 10, and E cpb is p The energy level of the conduction band of the p-type semiconductor region 11, E vpb represents the energy level of the valence band of the p-type semiconductor region 11, and E fp represents the Fermi level of the p-type semiconductor region 11. The pn junctions 30a and 30b are arranged so that the Fermi levels E fn and E fp of the n-type semiconductor region 10 and the p-type semiconductor region 11 have the same energy level when the applied voltage V eb between the emitter and the base is zero. Join. energy level of the energy level and the valence band of the conduction band of the n-type semiconductor region 10 and the p-type semiconductor region 11, respectively, with a step qV d energy level determined by the diffusion potential V d. FIG. 5C shows an energy band diagram when an applied voltage V eb is applied between the emitter and base of the pn junctions 30a and 30b. When an applied voltage V eb is applied between the emitter and base of the pn junctions 30a and 30b, the energy band of the p-type semiconductor region 11 is shifted downward by the energy level of qV eb and joined. As a result of this shift, the step E cpb −E cn of the conduction electron energy barrier viewed from the n-type semiconductor region 10 and the step E vpb −E vn of the hole energy barrier viewed from the p-type semiconductor region 11 are equal to qV eb . The current density J bulk of the pn junctions 30a and 30b increases exponentially as shown in the equation (17) corresponding to the reduction of the respective energy barriers.

次に、電界効果バイポーラトランジスタのp形半導体領域11上に電界制御電極13を配置した場合のpn接合30a、30bの電流密度、すなわち、電界制御電極13の影響を考慮した場合の電流密度について考える。pn接合30aの領域は電界制御電極13から十分に離れており電界制御電極13による電界の影響を受けない領域とすると、pn接合30aの領域における電流密度は、電界制御電極13の影響を受けないことから、式(17)と同じになる。一方、pn接合30bの領域における電流密度Jsurは、電界制御電極13を接合することにより大きく変化する。p形半導体の表面近傍領域31の表面エネルギー準位φs0は、電界制御電極13を構成する材料の仕事関数φとp形半導体領域11のフェルミ準位φの差φms(=φ−φ)によって、q(φms−Vi)だけ変化する。ここでViは電界制御電極13の接合により、電界制御電極の直下にある絶縁皮膜12の両界面間に生じる電位差である。電界制御電極13の接合により生じる電位差φmsは、絶縁皮膜12の界面間の電位差Viとp形半導体の表面近傍領域31の表面電位φs0に分圧されている。ここでは、便宜上、絶縁被膜12の内部や界面に存在する電荷等による影響は小さいものとし、また、pn接合30bの領域の電流密度が主に表面近傍の特性で決まっているものとする。電界効果バイポーラトランジスタのp形半導体領域11上に電界制御電極13を配置した場合のエネルギーバンド図を図5Dに示す。図5Dのエネルギーバンド図において、エネルギー準位EcpsならびにEvpsは、それぞれ、p形半導体領域11の伝導帯のエネルギー準位Ecpbと価電子帯のエネルギー準位Evpbが電界制御電極13を接合した効果によりqφs0だけ低下した様子を示している。p形半導体領域11の表面近傍領域31の状態は、qφs0の大きさにより、蓄積状態、排斥状態、弱反転状態、強反転状態になる。図5Dのエネルギーバンド図では、φs0=0.15V程度の場合で、p形半導体の表面近傍領域31の状態が排斥状態となっている例を図示している。電界制御電極13を接合した場合のp形半導体の表面近傍領域31における伝導電子密度np1は、 Next, the current density of the pn junctions 30a and 30b when the electric field control electrode 13 is arranged on the p-type semiconductor region 11 of the field effect bipolar transistor, that is, the current density when the influence of the electric field control electrode 13 is taken into consideration will be considered. . If the region of the pn junction 30a is sufficiently away from the electric field control electrode 13 and is not affected by the electric field by the electric field control electrode 13, the current density in the region of the pn junction 30a is not affected by the electric field control electrode 13. Therefore, it becomes the same as Expression (17). On the other hand, the current density J sur in the region of the pn junction 30b changes greatly when the electric field control electrode 13 is joined. The surface energy level φ s0 of the p-type semiconductor near-surface region 31 is the difference φ ms (= φ m between the work function φ m of the material constituting the electric field control electrode 13 and the Fermi level φ s of the p-type semiconductor region 11. −φ s ) changes by q (φ ms −V i ). Here, V i is a potential difference generated between both interfaces of the insulating film 12 immediately below the electric field control electrode due to the bonding of the electric field control electrode 13. The potential difference φ ms generated by the bonding of the electric field control electrode 13 is divided into the potential difference V i between the interfaces of the insulating film 12 and the surface potential φ s0 of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor. Here, for the sake of convenience, it is assumed that the influence of the electric charge or the like existing in the insulating coating 12 or at the interface is small, and the current density in the region of the pn junction 30b is mainly determined by the characteristics in the vicinity of the surface. FIG. 5D shows an energy band diagram when the electric field control electrode 13 is disposed on the p-type semiconductor region 11 of the field effect bipolar transistor. In the energy band diagram of FIG. 5D, the energy level E cps and E vps, respectively, the energy level E vpb energy level E cpb the valence band of the conduction band of the p-type semiconductor region 11 is a field control electrode 13 It shows a state where qφ s0 has been lowered due to the effect of joining. The state of the surface vicinity region 31 of the p-type semiconductor region 11 becomes an accumulation state, a rejection state, a weak inversion state, and a strong inversion state depending on the magnitude of qφ s0 . The energy band diagram of FIG. 5D illustrates an example in which the state of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor is in the rejected state when φ s0 is about 0.15V. The conduction electron density n p1 in the surface vicinity region 31 of the p-type semiconductor when the electric field control electrode 13 is joined is

p1=np × exp(qφs0/kT) (18) n p1 = n p × exp (qφ s0 / kT) (18)

となる。室温においてはφs0が0.15Vの場合、p形半導体の表面近傍領域31における伝導電子の密度は約400倍に増加することがわかる。一方、n形半導体領域10上部へ電界制御電極13を接合しない本実施例では、n形半導体領域10における正孔の密度pn1はpnのまま変化しない。後述の実施例においては、n形半導体領域10に電界制御電極を施した例についても言及される。pn接合30bの領域における電流密度Jsurは式(14)、式(16)および式(18)より、 It becomes. It can be seen that when φ s0 is 0.15 V at room temperature, the density of conduction electrons in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor increases about 400 times. On the other hand, in this embodiment in which the electric field control electrode 13 is not joined to the upper part of the n-type semiconductor region 10, the hole density pn1 in the n-type semiconductor region 10 remains pn . In the examples described later, an example in which the n-type semiconductor region 10 is provided with an electric field control electrode is also referred to. The current density J sur in the region of the pn junction 30b is obtained from the equations (14), (16), and (18).

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(q(−Veb+φs0)/kT)−exp(qφs0/kT))+qDpn0/Lp×(exp(−qVeb/kT)−1)、 (19) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (q (-V eb + φ s0) / kT) -exp (qφ s0 / kT)) + qD p p n0 / L p × (exp (-qV eb / kT -1), (19)

となる。ここで、n形半導体領域10の不純物濃度がp形半導体領域11の不純物濃度に対して十分に大きい場合、正孔による電流密度は伝導電子による電流密度に対して十分に小さくなり、式(19)は、 It becomes. Here, when the impurity concentration of the n-type semiconductor region 10 is sufficiently higher than the impurity concentration of the p-type semiconductor region 11, the current density due to holes becomes sufficiently smaller than the current density due to conduction electrons. )

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(q(−Veb+φs0)/kT)−exp(qφs0/kT))、 (20) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (q (-V eb + φ s0) / kT) -exp (qφ s0 / kT)), (20)

と近似される。pn接合30bの領域における電流密度Jsurは、p形半導体の表面近傍領域31における伝導電子の拡散電流のみで決定される。式(17)と式(20)を比較するとJsurはJbulkに対してはるかに大きな電流を流すことがわかる。室温においてφs0が0.15Vの場合、JsurはJbulkに対して約400倍の電流となる。したがって、qφs0が適切な大きさになるように電界制御電極13とp形半導体領域11の材料を選ぶことで、pn接合30a,30bの電流は、pn接合30bの表面近傍領域を通過する電流密度Jsurによって決めることができる。さらに、図5Cと図5Dのエネルギーバンド図を比較すると、電界制御電極13の接合による影響を受けるp形半導体の表面近傍領域31の伝導帯エネルギー準位Ecpsは、電界制御電極13の接合による影響を受けないp形半導体領域11の伝導帯エネルギー準位Ecpbよりもqφs0だけ低い。伝導電子は周りよりもエネルギー準位の低いp形半導体の表面近傍領域31に拡散していく。図5Aの断面図には示されないが、p形半導体の表面近傍領域であって電界制御電極13の影響を受けない領域、すなわち、電界制御電極13を表面に施さないp形半導体領域が存在する場合がある。電界制御電極13を表面に施さないp形半導体領域の伝導帯エネルギー準位Ecps1は、p形半導体領域11の伝導帯のエネルギー準位Espbと同じとなるために、電界制御電極13を表面に施さないp形半導体領域にも電流は流れにくくなる。すなわち、pn接合の近傍に電界制御電極13を接合することで、pn接合で発生する電流を選択的に流す電流路(チャネル)を実現していることになる。 Is approximated by The current density J sur in the region of the pn junction 30b is determined only by the diffusion current of conduction electrons in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor. Comparing equation (17) and equation (20) shows that J sur passes a much larger current to J bulk . When φ s0 is 0.15 V at room temperature, J sur has a current about 400 times that of J bulk . Therefore, by choosing the material of the field-control electrode 13 and the p-type semiconductor region 11 as Qfai s0 it becomes appropriate size, pn junction 30a, 30b of the current, the current passing through the near-surface region of the pn junction 30b It can be determined by the density J sur . 5C and FIG. 5D are compared, the conduction band energy level E cps of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor affected by the junction of the electric field control electrode 13 is determined by the junction of the electric field control electrode 13. only qφ s0 lower than the conduction band energy level E cpb of the p-type semiconductor region 11 which is not affected. The conduction electrons diffuse into the surface vicinity region 31 of the p-type semiconductor having a lower energy level than the surroundings. Although not shown in the cross-sectional view of FIG. 5A, there is a region near the surface of the p-type semiconductor that is not affected by the electric field control electrode 13, that is, a p-type semiconductor region where the electric field control electrode 13 is not applied to the surface. There is a case. Since the conduction band energy level E cps1 of the p-type semiconductor region where the electric field control electrode 13 is not applied to the surface is the same as the energy level E spb of the conduction band of the p-type semiconductor region 11, It becomes difficult for current to flow even in the p-type semiconductor region that is not applied to. That is, by joining the electric field control electrode 13 in the vicinity of the pn junction, a current path (channel) for selectively flowing a current generated in the pn junction is realized.

次に、電界効果バイポーラトランジスタの電界制御電極13にゲート電圧Vを印加して、pn接合30bの電流密度Jsurを制御することを考える。ゲート電圧Vgは、電界制御電極13直下の絶縁皮膜12における電界制御電極13−絶縁被膜12界面と絶縁被膜12−p形半導体領域11界面の界面間電位差Vgiとp形半導体の表面近傍領域31の表面電位φgsに分圧される。したがって、ゲート電圧Vgの印加により、p形半導体の表面近傍領域31の表面準位はqφgsだけ変化する。界面間電位差Vgiとp形半導体の表面近傍領域31の表面電位φgsの分圧の割合は、p形半導体の表面近傍領域31における電荷分布からポアソンの方程式を解くことにより正確に求めることができる。電界制御電極13に正のゲート電圧Vgを印加した場合、すなわち、p形半導体の表面近傍領域31を排斥状態とした場合のエネルギーバンド図を図5Eに示す。電界制御電極13に正のゲート電圧Vgを印加した場合、p形半導体の表面近傍領域31の伝導帯のエネルギー準位Ecpsと価電子帯のエネルギー準位Evpsは、図5Dに比べて図中+の符号の方向にqφgsだけ低下する。電界制御電極13にさらに高い正のゲート電圧Vgを印加した場合、すなわち、p形半導体の表面近傍領域31を反転状態とした場合のエネルギーバンド図を図5Fに示す。電界制御電極13にさらに高い正のゲート電圧Vgを印加した場合、p形半導体の表面近傍領域31の伝導帯のエネルギー準位Ecpsと価電子帯のエネルギー準位Evpsは、図5Dに比べて図中++の符号の方向にqφgsだけ低下するとともに、p形半導体の表面近傍領域31では、フェルミ準位Efpnが真性フェルミ準位を越えてn形化して反転層が形成され、さらに、p形半導体の表面近傍領域31の領域のフェルミ準位が傾斜することで、拡散電流に加えてドリフト電流が流れるようになる。電界制御電極13に負のゲート電圧Vgを印加した場合、すなわち、p形半導体の表面近傍領域31を蓄積状態とした場合のエネルギーバンド図を図5Gに示す。電界制御電極13に負のゲート電圧Vgを印加した場合、p形半導体の表面近傍領域31の伝導帯のエネルギー準位Ecpsと価電子帯のエネルギー準位Evpsは、図5Dに比べて、図中−の符号の方向にqφgsだけ上昇する。このとき、pn接合30bの領域における電流密度Jsurは式(20)より、 Next, consider that the gate voltage Vg is applied to the electric field control electrode 13 of the field effect bipolar transistor to control the current density J sur of the pn junction 30b. The gate voltage V g is determined by the inter-interface potential difference V gi between the electric field control electrode 13-insulating film 12 interface and the insulating film 12-p-type semiconductor region 11 interface in the insulating film 12 immediately below the electric field control electrode 13, and the surface vicinity region of the p-type semiconductor. 31 is divided into a surface potential φ gs of 31. Therefore, application of the gate voltage V g changes the surface level of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor by qφ gs . The ratio of the partial pressure between the interfacial potential difference V gi and the surface potential φ gs of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor can be accurately obtained by solving Poisson's equation from the charge distribution in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor. it can. FIG. 5E shows an energy band diagram when a positive gate voltage Vg is applied to the electric field control electrode 13, that is, when the near-surface region 31 of the p-type semiconductor is in the rejected state. When a positive gate voltage V g is applied to the electric field control electrode 13, the energy level E cps of the conduction band and the energy level E vps of the valence band in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor are compared with FIG. 5D. It decreases by qφ gs in the direction of the plus sign in the figure. FIG. 5F shows an energy band diagram when a higher positive gate voltage Vg is applied to the electric field control electrode 13, that is, when the near-surface region 31 of the p-type semiconductor is in an inverted state. When a higher positive gate voltage V g is applied to the electric field control electrode 13, the energy level E cps of the conduction band and the energy level E vps of the valence band in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor are shown in FIG. 5D. Compared to the direction of the sign of ++ in the figure, it decreases by qφ gs , and in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor, the Fermi level E fpn exceeds the intrinsic Fermi level and becomes n-type to form an inversion layer, Furthermore, since the Fermi level in the region of the p-type semiconductor near-surface region 31 is inclined, a drift current flows in addition to the diffusion current. When applying a negative gate voltage V g to the field control electrode 13, i.e., an energy band diagram in the case where the near-surface region 31 of the p-type semiconductor and the storage state in FIG 5G. When a negative gate voltage V g is applied to the electric field control electrode 13, the energy level E cps of the conduction band and the energy level E vps of the valence band in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor are compared with FIG. 5D. In the figure, it rises by qφ gs in the direction of the sign of −. At this time, the current density J sur in the region of the pn junction 30b is obtained from the equation (20).

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(q(−Veb+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))、 (21)
と求められる。負のゲート電圧を印加する場合、pn接合30bの電流密度Jsurは、φgsの減少に伴い指数関数的に減少する。ゲート電圧を印加したことによる表面準位の変動量φgsと電界制御電極13を接合したことによる表面準位の変動量φs0が等しくなるまでゲート電圧が低下すると、p形半導体の表面近傍領域31のエネルギーバンドはフラットバンドとなり電界制御電極13を接合しない状態と等価となる。このとき、pn接合30bの領域における電流密度Jsurは、pn接合30aの領域における電流密度Jbulkと等しくなる。図5Gはこの状態を示しており、この状態が、電界によりpn接合の拡散電流を制御するゲート電圧Vgの下限値を与える。p形半導体の表面近傍領域31のエネルギーバンドがフラットバンドとなるときのゲート電圧VgfはVgf=φmsとなる。正のゲート電圧を印加する場合、pn接合30bの電流密度Jsurは、式(21)に示すようにφgsの増加にともない指数関数的に増加する。ゲート電圧をさらに上昇させていくと、p形半導体の表面近傍領域31にn形半導体の強い反転層が形成され、電流は拡散電流に加えてドリフト電流が流れるようになり指数関数特性は失われる。したがって、本発明の電界効果バイポーラトランジスタは、電界制御電極13に印加するゲート電圧Vgが、φmsから強い反転層が形成される電圧の範囲で入力電圧に対して指数関数の電流特性を持つ。また、pn接合の順方向バイアス電圧に対応するエミッタ−ベース間電圧Vebを調整することで電流のバイアスレベルをVebに関して指数的に変化させて設定することが可能である。
J sur = qD n n p0 / L n × (exp (q (-V eb + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)), (21)
Is required. When a negative gate voltage is applied, the current density J sur of the pn junction 30b decreases exponentially as φ gs decreases. When the gate voltage decreases until the fluctuation amount φ gs of the surface state due to application of the gate voltage and the fluctuation amount φ s0 of the surface state due to joining of the electric field control electrode 13 become equal, the region near the surface of the p-type semiconductor The energy band 31 is a flat band, which is equivalent to a state where the electric field control electrode 13 is not joined. At this time, the current density J sur in the region of the pn junction 30b is equal to the current density J bulk in the region of the pn junction 30a. Figure 5G illustrates this state, this state gives a lower limit value of the gate voltage V g which controls the diffusion current of the pn junction by the electric field. The gate voltage V gf when the energy band of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor is a flat band is V gf = φ ms . When a positive gate voltage is applied, the current density J sur of the pn junction 30b increases exponentially as φ gs increases as shown in the equation (21). When the gate voltage is further increased, a strong inversion layer of the n-type semiconductor is formed in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor, and a drift current flows in addition to the diffusion current, and the exponential characteristic is lost. . Therefore, in the field effect bipolar transistor of the present invention, the gate voltage V g applied to the electric field control electrode 13 has an exponential current characteristic with respect to the input voltage in a voltage range from φ ms to a strong inversion layer. . Further, by adjusting the emitter-base voltage V eb corresponding to the forward bias voltage of the pn junction, it is possible to set the current bias level exponentially with respect to V eb .

次に電界効果バイポーラトランジスタのコレクタ電流について考える。式(21)に示されるpn接合30bの電流密度Jsurは、pn接合30bの接合面から、伝導電子の拡散長Lnの範囲に伝導電子を捕らえるコレクタ電極21が存在しない場合の電流密度を示している。p形半導体の表面近傍領域31上の電界制御電極13の長さLが伝導電子の拡散長Lnよりも短い場合にpn接合30bの電流密度Jsurは、 Next, consider the collector current of a field effect bipolar transistor. The current density J sur of the pn junction 30b shown in the equation (21) is the current density when the collector electrode 21 that captures conduction electrons does not exist within the range of the diffusion length L n of conduction electrons from the junction surface of the pn junction 30b. Show. When the length L of the electric field control electrode 13 on the surface vicinity region 31 of the p-type semiconductor is shorter than the diffusion length L n of the conduction electrons, the current density J sur of the pn junction 30b is

Jsur=qDnp0/L×(exp(q(−Veb+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))、 (22) J sur = qD n n p0 / L × (exp (q (-V eb + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)), (22)

となり、pn接合30bの領域における電流密度JsurはLn/L倍に増加する。本発明の実施例2の構成、図5Aでは、p形半導体領域11を共通にして、エミッタ電極20に接続されるn形半導体領域10とコレクタ電極21に接続されるn形半導体領域14は対称な構造になっている。従って、pn接合30a、30bとpn接合32a、32bにおける電流密度は、式(21)におけるエミッタ−ベース間電圧をコレクタ―ベース間電圧Vcbと入れ替えて考えることで、同様に考えることができる。pn接合32a、32bにおける電流密度Jsurcは、式(21)より、 Thus, the current density J sur in the region of the pn junction 30b increases to L n / L times. In the configuration of Embodiment 2 of the present invention, FIG. 5A, the p-type semiconductor region 11 is shared, and the n-type semiconductor region 10 connected to the emitter electrode 20 and the n-type semiconductor region 14 connected to the collector electrode 21 are symmetrical. It has a simple structure. Therefore, the current density in the pn junctions 30a and 30b and the pn junctions 32a and 32b can be considered in the same manner by replacing the emitter-base voltage in the equation (21) with the collector-base voltage Vcb . The current density J surc in the pn junctions 32a and 32b is obtained from the equation (21):

Jsurc=−qDnp0/L×(exp(q(−Vcb+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))、 (23) J surc = -qD n n p0 / L × (exp (q (-V cb + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)), (23)

と求められる。ここで、Vcbはn形半導体領域14を正としてn形半導体領域14とp形半導体領域11間のpn接合に印加するコレクタ−ベース間電圧を表している。また、電流の向きを考慮して、−の符号が付けられている。式(22)で求められた電流が流れるためには、p形半導体の表面近傍領域31をエミッタ電極からからコレクタ電極方向に向かって伝導電子が拡散できる濃度分布が存在する必要がある。この濃度分布は、pn接合32bの電流密度Jsurcをpn接合30bの電流密度Jsurに比べて十分に小さく設定すること、すなわち、コレクタ−ベース間電圧Vcbを負に印加して、pn接合32a、32bを逆方向バイアス状態で動作させることで達成される。図5A〜5Gのエネルギーバンド図において、Ecncはn形半導体領域14の伝導帯のエネルギー準位、Evncはn形半導体領域14の価電子帯のエネルギー準位、Efncはn形半導体領域14のフェルミ準位を表している。pn接合32a、32bのコレクタ−ベース間にp形半導体領域11を負とする印加電圧Vcbを印加すると、n形半導体領域14のエネルギーバンドがqVcbのエネルギー準位分だけ下方にシフトして接合する。このシフトにより、n形半導体領域14からみた伝導電子のエネルギー障壁の段差Ecpb−Ecnc、ならびに、p形半導体領域から見た正孔のエネルギー障壁の段差Evpb−EvncはqVcb分だけ増加している。n形半導体領域10からp形半導体領域11に注入した伝導電子は、p形半導体領域11を拡散し、エネルギー障壁の段差qVcbを下ってn形半導体領域14に接続されたコレクタ電極21に到達する。電界効果バイポーラトランジスタのコレクタ電流Icは、式(22)より、 Is required. Here, V cb represents a collector-base voltage applied to the pn junction between the n-type semiconductor region 14 and the p-type semiconductor region 11 with the n-type semiconductor region 14 being positive. In addition, in consideration of the direction of the current, a minus sign is attached. In order for the current obtained by the equation (22) to flow, it is necessary that there exists a concentration distribution in which the conduction electrons can diffuse from the emitter electrode toward the collector electrode in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor. This concentration distribution is determined by setting the current density J surc of the pn junction 32b to be sufficiently smaller than the current density J sur of the pn junction 30b, that is, by applying the collector-base voltage V cb negatively, This is achieved by operating 32a and 32b in the reverse bias state. 5A to 5G, E cnc is the energy level of the conduction band of the n-type semiconductor region 14, E vnc is the energy level of the valence band of the n-type semiconductor region 14, and E fnc is the n-type semiconductor region. It represents 14 Fermi levels. When an applied voltage V cb in which the p-type semiconductor region 11 is negative is applied between the collector and base of the pn junctions 32a and 32b, the energy band of the n-type semiconductor region 14 is shifted downward by the energy level of qV cb. Join. Due to this shift, the energy barrier step E cpb −E cnc of the conduction electron seen from the n-type semiconductor region 14 and the step E vpb −E vnc of the hole energy barrier seen from the p-type semiconductor region are equal to qV cb . It has increased. The conduction electrons injected from the n-type semiconductor region 10 into the p-type semiconductor region 11 diffuse in the p-type semiconductor region 11 and reach the collector electrode 21 connected to the n-type semiconductor region 14 down the energy barrier step qV cb. To do. The collector current I c of the field effect bipolar transistor is obtained from the equation (22):

Ic=AqDnp0/L×(exp(q(−Veb+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))、 (24) I c = AqD n n p0 / L × (exp (q (−V eb + φ gs + φ s0 ) / kT) −exp (q (φ gs + φ s0 ) / kT)), (24)

と求められる。さらに、コレクタ電流Icが流れるp形半導体の表面近傍領域31の平均的な厚みをdとすると、p形半導体の表面近傍領域31の断面積Aは、図5Aにおける電界制御電極13の奥行き方向の幅Wを用いてA=dWと表され、電界効果バイポーラトランジスタのコレクタ電流Icは、 Is required. Furthermore, if the average thickness of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor through which the collector current I c flows is d, the cross-sectional area A of the near-surface region 31 of the p-type semiconductor is the depth direction of the electric field control electrode 13 in FIG. A = dW, and the collector current I c of the field effect bipolar transistor is

Ic=qDnp0dW/L×(exp(q(−Veb+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))、 (25a) I c = qD n n p0 dW / L × (exp (q (−V eb + φ gs + φ s0 ) / kT) −exp (q (φ gs + φ s0 ) / kT)), (25a)

となる。コレクタ電流Icは電界制御電極13の形状比W/Lに比例した電流となる。式(24)および式(25a)では、便宜上深さ方向の電流分布を簡単化して説明しているが、コレクタ電流Icはpn接合30bの電流密度Jsurの式(22)を深さ方向に積分することでより正確に求めることができる。また、実施例2の電界効果バイポーラトランジスタは、構造の対称性より、コレクタ−ベース間電圧Vcbとエミッタ−ベース間電圧Vebの電圧を入れ替えて与えることで、伝導電子の拡散電流の向きをコレクタ電極からエミッタ電極に向かうように制御することも可能である。 It becomes. The collector current I c is a current proportional to the shape ratio W / L of the electric field control electrode 13. In formula (24) and formula (25a), the current distribution in the depth direction is simplified for the sake of convenience, but the collector current I c is the formula (22) of the current density J sur of the pn junction 30b in the depth direction. It is possible to obtain more accurately by integrating into. In addition, the field effect bipolar transistor of Example 2 gives the direction of the diffusion current of conduction electrons by switching the collector-base voltage V cb and the emitter-base voltage V eb , due to the symmetry of the structure. It is also possible to control so as to go from the collector electrode to the emitter electrode.

実施例2の図6Aに示す電界効果バイポーラトランジスタについて、図7Aの測定回路を用いてコレクタ電流Icを測定した場合の測定結果を図7Bに示す。図6Aは、実施例2の変形として、ベース電極24を抵抗接触させるためのp型半導体領域28をベース電極24の下に配置した構成を示している。ゲート電圧Vgは、−0.60Vから0.01V刻みに1.00Vまで変化させて測定している。エミッタ−ベース間電圧Vebは、パラメータとして、0.00Vから−0.10V刻みに−0.80Vまで変化させて測定している。コレクタ−ベース間電圧Vcbは−1.0Vに固定している。電界効果バイポーラトランジスタのコレクタ電流Icは、コレクタ電極21に接続された電圧源を流れる電流として測定した。電界効果バイポーラトランジスタのp形半導体の表面近傍領域31に強い反転層が形成される電圧は約0.6V、フラットバンド電圧は約−0.2Vである。電界効果バイポーラトランジスタの電界制御電極の形状は、W=10μm、L=2μmである。図中、Vebが0Vの曲線は、電界効果トランジスタの特性の一部を表している。図7Bの測定結果では、ゲート電圧Vgがフラットバンド電圧−0.2Vから強い反転層が形成される電圧0.6Vの範囲で式(25a)の指数関数の特性が得られている。電界効果バイポーラトランジスタは、ゲート電圧Vgが0V近傍でも動作している。電界効果バイポーラトランジスタは入力信号にトランジスタを動作させるためのバイアス電圧を必要としないため、近年の低電源電圧化が要求されている集積回路において信号振幅を大きく確保することが可能である。ゲート電圧Vgの変動0.2Vに対してφgsは約0.12V変動し、この結果約100倍の電流変動が実測されている。低消費電力化が要求される今日の集積回路において、低い出力バイアス電流で動作させる集積回路を構成する場合に、バイポーラトランジスタと同等の高利得増幅器を実現可能である。また、このときゲート電極に流れ込む電流は50fA以下であり、電界効果バイポーラトランジスタは高い入力抵抗を持つ。エミッタ−ベース間電圧Vebの変動0.10Vに対して、約50倍の電流変動が測定されている。エミッタ−ベース間電圧Vebにより、出力バイアス電流を広い電流レンジの範囲で設定可能である。ゲート電圧Vgの変動0.2Vおよびエミッタ−ベース間電圧Vebの変動0.10Vを同時に与えた場合は、約5000倍の電流変動が実測されている。 FIG. 7B shows the measurement results when the collector current I c is measured for the field effect bipolar transistor shown in FIG. 6A of Example 2 using the measurement circuit of FIG. 7A. FIG. 6A shows a configuration in which a p-type semiconductor region 28 for bringing the base electrode 24 into resistance contact is disposed under the base electrode 24 as a modification of the second embodiment. The gate voltage V g is measured by changing from −0.60 V to 1.00 V in increments of 0.01 V. The emitter-base voltage V eb is measured by changing the parameter from 0.00 V to −0.80 V in steps of −0.10 V. The collector-base voltage V cb is fixed at −1.0V. The collector current I c of the field effect bipolar transistor was measured as the current flowing through the voltage source connected to the collector electrode 21. The voltage at which a strong inversion layer is formed in the near-surface region 31 of the p-type semiconductor of the field effect bipolar transistor is about 0.6V, and the flat band voltage is about −0.2V. The shape of the electric field control electrode of the field effect bipolar transistor is W = 10 μm and L = 2 μm. In the drawing, a curve with V eb of 0 V represents a part of the characteristics of the field effect transistor. In the measurement result of FIG. 7B, the exponential function characteristic of the formula (25a) is obtained in the range of the gate voltage V g from the flat band voltage −0.2 V to the voltage 0.6 V at which a strong inversion layer is formed. The field effect bipolar transistor operates even when the gate voltage V g is near 0V. Since the field effect bipolar transistor does not require a bias voltage for operating the transistor for an input signal, it is possible to ensure a large signal amplitude in an integrated circuit that is required to have a low power supply voltage in recent years. Φ gs fluctuates by about 0.12 V with respect to 0.2 g fluctuation of the gate voltage V g , and as a result, a current fluctuation of about 100 times is measured. In today's integrated circuits that require low power consumption, a high gain amplifier equivalent to a bipolar transistor can be realized when configuring an integrated circuit that operates with a low output bias current. At this time, the current flowing into the gate electrode is 50 fA or less, and the field effect bipolar transistor has a high input resistance. About 50 times the current fluctuation is measured with respect to the fluctuation 0.10 V of the emitter-base voltage V eb . The output bias current can be set in a wide current range by the emitter-base voltage V eb . Variation 0.2V and the emitter of the gate voltage V g - if given simultaneously change 0.10V of base voltage V eb, about 5000 times the current variation is measured.

最後に図8Aの測定回路を用いて電界効果バイポーラトランジスタの静特性を測定した場合の測定結果を図8Bに示す。コレクタ−ベース間電圧Vcbを−0.6Vから1.0Vまで0.01V刻みに変化させて測定した結果である。エミッタ−ベース間電圧Vebは−0.50Vに固定し、Vをパラメータとして−0.1Vから0.10V刻みに0.7Vまで変化させて測定している。図8Bにおいて、ゲート電圧Vgが0.7Vの特性曲線ではp形半導体の表面近傍領域31は反転状態、ゲート電圧Vgが0.6V〜0.3Vの特性曲線では弱反転状態、ゲート電圧Vgが0.2V〜−0.2Vの特性曲線では排斥状態、ゲート電圧Vgが−0.3V〜−0.5Vの特性曲線では蓄積状態の場合の動作をそれぞれ示している。コレクタ−ベース間電圧Vcbが0.0V以上の範囲で、コレクタ−ベース間電圧Vcbの変化に対してコレクタ電流Icが変化しない飽和特性が得られている。ゲート電圧がVg=0.0Vの場合において、Vcb- Ic特性の飽和している領域における傾きから得られる出力抵抗Roは7.2MΩであり、ゲート電圧の変化から求めた伝達コンダクタンスgmは32μSである。従って、gmとRoの積から求められる電界制御バイポーラトランジスタの固有利得は230であり、バイポーラトランジスタとMOSFETとの中間的な値を取り、同等の電流値を持つMOSFETに対して2〜3倍程度の固有利得を有する。 Finally, FIG. 8B shows the measurement results when the static characteristics of the field effect bipolar transistor are measured using the measurement circuit of FIG. 8A. This is a result of measurement by changing the collector-base voltage V cb from −0.6 V to 1.0 V in increments of 0.01 V. The emitter-base voltage V eb is fixed at −0.50 V, and V g is measured as a parameter by changing from −0.1 V to 0.7 V in increments of 0.10 V. In Figure 8B, the near-surface region 31 of the p-type semiconductor in the characteristic curve of the gate voltage V g is 0.7V is inverted state, the weak inversion state gate voltage V g is the characteristic curve of 0.6V~0.3V, the gate voltage The characteristic curve with V g of 0.2V to -0.2V shows the operation in the rejected state, and the characteristic curve with gate voltage V g of -0.3V to -0.5V shows the operation in the accumulation state. When the collector-base voltage V cb is in the range of 0.0 V or more, a saturation characteristic is obtained in which the collector current I c does not change with respect to the change of the collector-base voltage V cb . In the case where the gate voltage is V g = 0.0V, V cb - output resistor R o obtained from the slope in the saturation to that region of the I c characteristics are 7.2Emuomega, transfer conductance obtained from the change of the gate voltage g m is 32 μS. Therefore, specific gain of the field-control bipolar transistor obtained from the product of g m and R o is 230 takes an intermediate value between the bipolar transistor and the MOSFET, 2 to 3 with respect to MOSFET having an equivalent current value It has about twice the intrinsic gain.

本発明における電界制御バイポーラトランジスタについて、図7BのVg-Ic特性の傾きより得られたgm、図8BのVcb-Ic特性の傾きより得られたRo、対応するIc, Vg, Veb, Vcbの測定条件、gmとRoの積より求められた固有利得の値gmRo、図7BのVebを変化させた場合のVg-Ic特性の傾きより得られたgmm、および、gmmとRoの積より求められた固有利得の値gmmRoを図22の表1に示す。また、固有利得の値gmRoおよびgmmRoは、図7B中にも測定点に対応して記入されている。固有利得は、エミッタ−ベース間電圧Vebが−0.5Vの場合、70〜486の範囲で得られる。さらに、コレクタ電流Icが50μAの場合は、84〜117の範囲で得られる。また、ゲート電圧とエミッタ−ベース間電圧双方の変化から求めた伝達コンダクタンスgmmは210μSである。gmmとRoの積から求められる電界制御バイポーラトランジスタの固有利得は1500である。また、固有利得の値gmmRoは、図7B中にも測定点に対応して記入されている。 For the electric field control bipolar transistor in the present invention, g m obtained from the slope of the V g -I c characteristic in FIG. 7B, R o obtained from the slope of the V cb -I c characteristic in FIG. 8B, corresponding I c , V g, V eb, measurement conditions V cb, g m and R values of intrinsic gain obtained from the product of o g m R o, the V g -I c characteristics when changing the V eb of Figure 7B g mm obtained from the slope, and show the g mm and the value of intrinsic gain obtained from the product of R o g mm R o in Table 1 of FIG. 22. The intrinsic gain values g m Ro and g mm Ro are also entered in FIG. 7B corresponding to the measurement points. The intrinsic gain is obtained in the range of 70 to 486 when the emitter-base voltage V eb is -0.5V. Further, when the collector current I c is 50 μA, it is obtained in the range of 84 to 117. Further, the transfer conductance g mm obtained from changes in both the gate voltage and the emitter-base voltage is 210 μS. specific gain of the field-control bipolar transistor obtained from the product of g mm and R o is 1500. The intrinsic gain value g mm Ro is also entered in FIG. 7B corresponding to the measurement point.

実施例2の電界制御バイポーラトランジスタ、MOSFET、バイポーラトランジスタの代表的な特性の比較結果を図24の表3に示す。図8Bにおいて、コレクタ−ベース間電圧Vcb=−0.5Vの点でコレクタ電流Icの極性が入れ替わっている。この点を境に、式(22)で示されるpn接合30bの電流Jsurと式(23)で示されるpn接合32bの電流Jsurcの大小関係が入れ替わることにより、エミッタ電極とコレクタ電極が入れ替わった双方向トランジスタ動作をしている。本発明の電界効果バイポーラトランジスタは、双方向動作が可能であるという利点も備えている。
図6Aでは、便宜上、ベース電極に接続される高濃度のp形半導体領域28をコレクタ電極に接続されるn形半導体領域14近傍に配置して例を示しているが、ベース電極に接続される高濃度のp形半導体領域28はコレクタ電極に接続されるn形半導体領域14ならびにエミッタ電極に接続されるn形半導体領域11に対して等しい距離に配置することが望ましい。
これらの実測結果は、前述の電界効果バイポーラトランジスタの動作原理と正確に対応し、動作原理が正しいことを裏付けるものである。実施例2では、n形半導体領域10およびn形半導体領域14の不純物濃度がp形半導体領域11よりも十分に高いという例を示したが、濃度の関係が逆の場合は、電流を決定する担体を伝導電子から正孔に入れ替えることで同様に扱うことができる。n形半導体領域10の不純物濃度がn形半導体領域14の不純物濃度と異なる場合でも、同様に取り扱うことができる。
実施例2の変形として、図6Bに示すように、電界制御バイポーラトランジスタを絶縁層27および25で取り囲むと共に、ベース電極24をp形半導体領域28を介してp形半導体領域11に接合させている例を示す。他の製造手法で作られた、図6Bに示された電界効果バイポーラトランジスタの上面からの部分図を図6Cに示す。本構成では、30aにおける深層部の電流密度Jbulkを減少させることが可能となり、30bにおける表面層の電流密度をより低い電流レンジまで拡張して利用することが可能となるため、低消費、低リーク、低ノイズな回路を実現できる。さらに、他の電界制御電極を絶縁層25の下部に用意することで図6Aの表面型電界効果バイポーラトランジスタに代わる、多電極型電界効果バイポーラトランジスタを構成できる。
実施例2の変形として、図6Dに示すように、図5Aにおけるn形半導体領域10を図6Dにおけるp形半導体領域15に、図5Aにおけるp形半導体領域11を図6Dにおけるn形半導体領域16に、図5Aにおけるn形半導体領域14を図6Dにおけるp形半導体領域18に、それぞれ入れ替えることで、相対な構造の電界効果バイポーラトランジスタを構成することが可能である。この場合、コレクタ電流Iは、式(25a)と同様に、
Ic=qDn0dW/L×(exp(q(Veb−φs1−φgsn)/kT)−exp(q(−φs1−φgsn)/kT))、 (25b)
となる。ここで、pn0はn形半導体領域16における少数担体である正孔の密度、φs1は電界制御電極17を接合した場合のn形半導体の表面近傍領域における表面準位、φgsnは電界制御電極17に電圧Vgを印加した場合のn形半導体の表面近傍領域における表面準位の変化量をそれぞれ表している。実施例2の変形では、式(25b)に示すように、正のゲート電圧を印加する場合にコレクタ電流は指数関数的に減少し、負のゲート電圧を印加する場合にコレクタ電流は指数的に増加する特性を持ち、ゲート電圧に対するコレクタ電流の変化が実施例2に対して反対の特性を持つ相対な電界効果バイポーラトランジスタを構成することが可能である。図6Dに示した実施例2の変形として、ベース電極24をn形半導体領域29を介してn形半導体領域16に接合させた場合の例を図6Eに示す。
実施例2の図6Eに示す電界効果バイポーラトランジスタについて、図9Aの測定回路を用いてコレクタ電流Icを測定した場合の測定結果を図9Bに示す。ゲート電圧Vgは、−1.0Vから0.01V刻みに0.6Vまで変化させて測定している。エミッタ−ベース間電圧Vebは、パラメータとして、0.00Vから0.10V刻みに0.80Vまで変化させて測定している。コレクタ−ベース間電圧Vcbは1.0Vに固定している。電界効果バイポーラトランジスタのコレクタ電流Icは、コレクタ電極21に接続された電圧源を流れる電流として測定した。電界効果バイポーラトランジスタのn形半導体領域16に強い反転層が形成される電圧は約-0.7V、フラットバンド電圧は約0.1Vである。電界効果バイポーラトランジスタの電界制御電極の形状は、W=10μm、L=2μmである。図中、Vebが0Vの曲線は、電界効果トランジスタの特性の一部を表している。図9Bの測定結果では、ゲート電圧Vgがフラットバンド電圧0.1Vから強い反転層が形成される電圧−0.7Vの範囲で式(25a)の指数関数の特性が得られている。電界効果バイポーラトランジスタは、ゲート電圧Vgが0V近傍でも動作している。電界効果バイポーラトランジスタは入力信号にトランジスタを動作させるためのバイアス電圧を必要としないため、近年の低電源電圧化が要求されている集積回路において信号振幅を大きく確保することが可能である。ゲート電圧Vgの変動0.2Vに対してφgsは約0.12V変動し、この結果約100倍の電流変動が実測されている。低消費電力化が要求される今日の集積回路において、低い出力バイアス電流で動作させる集積回路を構成する場合に、バイポーラトランジスタと同等の高利得増幅器を実現可能である。また、このときゲート電極に流れ込む電流は50fA以下であり、電界効果バイポーラトランジスタは高い入力抵抗を持つ。エミッタ−ベース間電圧Vebの変動0.10Vに対して、約50倍の電流変動が測定されている。エミッタ−ベース間電圧Vebにより、出力バイアス電流を広い電流レンジの範囲で設定可能である。ゲート電圧Vgの変動0.2Vおよびエミッタ−ベース間電圧Vebの変動0.10Vを同時に与えた場合は、約5000倍の電流変動が実測されている。
図10Aの測定回路を用いて電界効果バイポーラトランジスタの静特性を測定した場合の測定結果を図10Bに示す。コレクタ−ベース間電圧Vcbを−1.0Vから0.6Vまで0.01V刻みに変化させて測定した結果である。エミッタ−ベース間電圧Vebは0.50Vに固定し、Vをパラメータとして−0.9Vから0.10V刻みに0.5Vまで変化させて測定している。図10Bにおいて、ゲート電圧Vgが−0.9V〜−0.7Vの特性曲線ではn形半導体領域16の表面は反転状態、ゲート電圧Vgが−0.6V〜−0.3Vの特性曲線では弱反転状態、ゲート電圧Vgが−0.2V〜0.1Vの特性曲線では排斥状態、ゲート電圧Vgが0.2V〜0.5Vの特性曲線では蓄積状態の場合の動作をそれぞれ示している。コレクタ−ベース間電圧Vcbが0.0V以下の範囲で、コレクタ−ベース間電圧Vcbの変化に対してコレクタ電流Icが変化しない飽和特性が得られている。本発明における電界制御バイポーラトランジスタについて、図9BのVg-Ic特性の傾きより得られたgm、図10BのVcb-Ic特性の傾きより得られたRo、対応するIc, Vg, Veb, Vcbの測定条件、gmとRoの積より求められた固有利得の値gmRo、図9BのVebを変化させた場合のVg-Ic特性の傾きより得られたgmm、および、gmmとRoの積より求められた固有利得の値gmmRoを図23の表2に示す。また、固有利得の値gmRo、および、gmmRoは、図9B中にも測定点に対応して記入されている。固有利得は、エミッタ−ベース間電圧Vebが0.5Vの場合、22〜102の範囲で得られる。さらに、コレクタ電流Icが20μAの場合は、33〜42の範囲で得られる。また、固有利得の値gmmRoは、図9B中にも測定点に対応して記入されている。
A comparison result of typical characteristics of the electric field control bipolar transistor, MOSFET, and bipolar transistor of Example 2 is shown in Table 3 of FIG. In FIG. 8B, the polarity of the collector current Ic is switched at the point where the collector-base voltage V cb = −0.5V. With this point as a boundary, the magnitude relationship between the current J sur of the pn junction 30b expressed by the equation (22) and the current J surc of the pn junction 32b expressed by the equation (23) is switched, so that the emitter electrode and the collector electrode are switched. Bi-directional transistor operation. The field effect bipolar transistor of the present invention also has an advantage that bidirectional operation is possible.
FIG. 6A shows an example in which a high-concentration p-type semiconductor region 28 connected to the base electrode is disposed in the vicinity of the n-type semiconductor region 14 connected to the collector electrode for convenience, but is connected to the base electrode. The high-concentration p-type semiconductor region 28 is preferably disposed at an equal distance from the n-type semiconductor region 14 connected to the collector electrode and the n-type semiconductor region 11 connected to the emitter electrode.
These actual measurement results accurately correspond to the operation principle of the above-described field effect bipolar transistor and confirm that the operation principle is correct. In the second embodiment, an example in which the impurity concentration of the n-type semiconductor region 10 and the n-type semiconductor region 14 is sufficiently higher than that of the p-type semiconductor region 11 is shown. However, when the concentration relationship is reversed, the current is determined. It can be handled in the same way by replacing the carrier from conduction electrons to holes. Even when the impurity concentration of the n-type semiconductor region 10 is different from the impurity concentration of the n-type semiconductor region 14, it can be handled in the same manner.
As a modification of the second embodiment, as shown in FIG. 6B, the electric field control bipolar transistor is surrounded by insulating layers 27 and 25, and the base electrode 24 is joined to the p-type semiconductor region 11 through the p-type semiconductor region 28. An example is shown. FIG. 6C shows a partial view from the top surface of the field effect bipolar transistor shown in FIG. 6B made by another manufacturing method. In this configuration, it is possible to reduce the current density J bulk of the deep layer portion at 30a and to expand the surface layer current density at 30b to a lower current range. A circuit with leakage and low noise can be realized. Furthermore, by preparing another field control electrode under the insulating layer 25, a multi-electrode field effect bipolar transistor can be configured in place of the surface field effect bipolar transistor of FIG. 6A.
As a modification of the second embodiment, as shown in FIG. 6D, the n-type semiconductor region 10 in FIG. 5A is replaced by the p-type semiconductor region 15 in FIG. 6D, and the p-type semiconductor region 11 in FIG. Further, by replacing the n-type semiconductor region 14 in FIG. 5A with the p-type semiconductor region 18 in FIG. 6D, a field effect bipolar transistor having a relative structure can be formed. In this case, the collector current I c is equal to the expression (25a),
I c = qD pp n0 dW / L × (exp (q (V eb −φ s1 −φ gsn ) / kT) −exp (q (−φ s1 −φ gsn ) / kT)), (25b)
It becomes. Here, p n0 is the density of holes which are minority carriers in the n-type semiconductor region 16, φ s1 is the surface level in the region near the surface of the n-type semiconductor when the electric field control electrode 17 is joined, and φ gsn is the electric field control. The amount of change in the surface level in the region near the surface of the n-type semiconductor when the voltage V g is applied to the electrode 17 is shown. In the modification of the second embodiment, the collector current decreases exponentially when a positive gate voltage is applied, and the collector current exponentially decreases when a negative gate voltage is applied, as shown in Expression (25b). It is possible to construct a relative field effect bipolar transistor having an increasing characteristic and a change in the collector current with respect to the gate voltage having a characteristic opposite to that of the second embodiment. FIG. 6E shows an example in which the base electrode 24 is joined to the n-type semiconductor region 16 via the n-type semiconductor region 29 as a modification of the second embodiment shown in FIG. 6D.
FIG. 9B shows a measurement result when the collector current I c is measured for the field effect bipolar transistor shown in FIG. 6E of Example 2 using the measurement circuit of FIG. 9A. The gate voltage V g is measured by changing from −1.0 V to 0.6 V in increments of 0.01 V. The emitter-base voltage V eb is measured by changing the parameter from 0.00V to 0.80V in increments of 0.10V. The collector-base voltage V cb is fixed at 1.0V. The collector current I c of the field effect bipolar transistor was measured as the current flowing through the voltage source connected to the collector electrode 21. The voltage at which a strong inversion layer is formed in the n-type semiconductor region 16 of the field effect bipolar transistor is about −0.7V, and the flat band voltage is about 0.1V. The shape of the electric field control electrode of the field effect bipolar transistor is W = 10 μm and L = 2 μm. In the drawing, a curve with V eb of 0 V represents a part of the characteristics of the field effect transistor. In the measurement result of FIG. 9B, the characteristic of the exponential function of the formula (25a) is obtained in the range of the gate voltage V g from the flat band voltage 0.1 V to the voltage −0.7 V at which a strong inversion layer is formed. The field effect bipolar transistor operates even when the gate voltage V g is near 0V. Since the field effect bipolar transistor does not require a bias voltage for operating the transistor for an input signal, it is possible to ensure a large signal amplitude in an integrated circuit that is required to have a low power supply voltage in recent years. Φ gs fluctuates by about 0.12 V with respect to 0.2 g fluctuation of the gate voltage V g , and as a result, a current fluctuation of about 100 times is measured. In today's integrated circuits that require low power consumption, a high gain amplifier equivalent to a bipolar transistor can be realized when configuring an integrated circuit that operates with a low output bias current. At this time, the current flowing into the gate electrode is 50 fA or less, and the field effect bipolar transistor has a high input resistance. About 50 times the current fluctuation is measured with respect to the fluctuation 0.10 V of the emitter-base voltage V eb . The output bias current can be set in a wide current range by the emitter-base voltage V eb . Variation 0.2V and the emitter of the gate voltage V g - if given simultaneously change 0.10V of base voltage V eb, about 5000 times the current variation is measured.
FIG. 10B shows the measurement results when the static characteristics of the field effect bipolar transistor are measured using the measurement circuit of FIG. 10A. This is a result of measurement by changing the collector-base voltage V cb from −1.0 V to 0.6 V in increments of 0.01 V. The emitter-base voltage V eb is fixed to 0.50 V, and V g is measured as a parameter by changing from −0.9 V to 0.5 V in steps of 0.10 V. In FIG. 10B, the surface of the n-type semiconductor region 16 is inverted in the characteristic curve with the gate voltage V g of −0.9V to −0.7V, and the characteristic curve with the gate voltage V g of −0.6V to −0.3V. in weak inversion state indicates the gate voltage V g is repelled state at characteristic curve of -0.2V~0.1V, the gate voltage V g is the operation when the storage state in the characteristic curve of 0.2V~0.5V respectively ing. When the collector-base voltage V cb is 0.0 V or less, a saturation characteristic is obtained in which the collector current I c does not change with respect to the change of the collector-base voltage V cb . For the electric field control bipolar transistor in the present invention, g m obtained from the slope of the V g -I c characteristic of FIG. 9B, R o obtained from the slope of the V cb -I c characteristic of FIG. 10B, the corresponding I c , V g, V eb, measurement conditions V cb, g m and R values of intrinsic gain obtained from the product of o g m R o, the V g -I c characteristics when changing the V eb in Figure 9B g mm obtained from the slope, and show the g mm and the value of intrinsic gain obtained from the product of R o g mm R o in Table 2 of FIG. 23. Further, the intrinsic gain values g m Ro and g mm Ro are also entered in FIG. 9B corresponding to the measurement points. The intrinsic gain is obtained in the range of 22 to 102 when the emitter-base voltage V eb is 0.5V. Further, when the collector current I c is 20 μA, it is obtained in the range of 33 to 42. The intrinsic gain value g mm Ro is also entered in FIG. 9B corresponding to the measurement point.

実施例2の電界制御バイポーラトランジスタ、MOSFET、バイポーラトランジスタの代表的な特性の比較結果を図24の表3に示す。図10Bにおいて、コレクタ−ベース間電圧Vcb=0.5Vの点でコレクタ電流Icの極性が入れ替わっている。本発明の電界効果バイポーラトランジスタは、双方向動作が可能である。
図6Eでは、便宜上、ベース電極に接続されるn形半導体領域29をコレクタ電極に接続されるp形半導体領域18近傍に配置して例を示しているが、ベース電極に接続されるn形半導体領域29はコレクタ電極に接続されるp形半導体領域18ならびにエミッタ電極に接続されるp形半導体領域15に対して等しい距離に配置することが望ましい。
これらの実測結果は、前述の電界効果バイポーラトランジスタの動作原理と正確に対応し、動作原理が正しいことを裏付けるものである。実施例2の変形では、p形半導体領域15およびp形半導体領域18の不純物濃度がn形半導体領域16よりも十分に高いという例を示したが、濃度の関係が逆の場合は、電流を決定する担体を正孔から伝導電子に入れ替えることで同様に扱うことができる。p形半導体領域15の不純物濃度がp形半導体領域18の不純物濃度と異なる場合でも、同様に取り扱うことができる。
実施例2の変形として、図6Fに示すように、電界制御バイポーラトランジスタを絶縁層27および25で取り囲むと共に、ベース電極24をn形半導体領域29を介してn形半導体領域16に接合させている例を示す。他の製造手法で作られた、図6Fに示された電界効果バイポーラトランジスタの上面からの部分図を図6Gに示す。本構成では、深層部の電流密度Jbulkを減少させることが可能となり、表面層の電流密度をより低い電流レンジまで拡張して利用することが可能となるため、低消費、低リーク、低ノイズな回路を実現できる。さらに、他の電界制御電極を絶縁層25の下部に用意することで図6Eの表面型電界効果バイポーラトランジスタに代わる、多電極型電界効果バイポーラトランジスタを構成できる。
A comparison result of typical characteristics of the electric field control bipolar transistor, MOSFET, and bipolar transistor of Example 2 is shown in Table 3 of FIG. In FIG. 10B, the polarity of the collector current Ic is switched at the point where the collector-base voltage V cb = 0.5V. The field effect bipolar transistor of the present invention is capable of bidirectional operation.
FIG. 6E shows an example in which the n-type semiconductor region 29 connected to the base electrode is disposed in the vicinity of the p-type semiconductor region 18 connected to the collector electrode for convenience, but the n-type semiconductor connected to the base electrode is shown. The region 29 is preferably arranged at an equal distance from the p-type semiconductor region 18 connected to the collector electrode and the p-type semiconductor region 15 connected to the emitter electrode.
These actual measurement results accurately correspond to the operation principle of the above-described field effect bipolar transistor and confirm that the operation principle is correct. In the modification of the second embodiment, an example in which the impurity concentration of the p-type semiconductor region 15 and the p-type semiconductor region 18 is sufficiently higher than that of the n-type semiconductor region 16 is shown. It can be handled in the same manner by replacing the carrier to be determined from holes to conduction electrons. Even when the impurity concentration of the p-type semiconductor region 15 is different from the impurity concentration of the p-type semiconductor region 18, it can be handled in the same manner.
As a modification of the second embodiment, as shown in FIG. 6F, the electric field control bipolar transistor is surrounded by insulating layers 27 and 25, and the base electrode 24 is joined to the n-type semiconductor region 16 via the n-type semiconductor region 29. An example is shown. FIG. 6G shows a partial view from the top surface of the field effect bipolar transistor shown in FIG. 6F made by another manufacturing method. In this configuration, the current density J bulk in the deep layer can be reduced, and the current density in the surface layer can be extended to a lower current range for use, resulting in low consumption, low leakage, and low noise. A simple circuit can be realized. Furthermore, by preparing another electric field control electrode under the insulating layer 25, a multi-electrode field effect bipolar transistor can be configured in place of the surface type field effect bipolar transistor of FIG. 6E.

実施例3は、図11に示すように、実施例1の電界効果バイポーラトランジスタにおいて、n形半導体領域の上面にのみ電界制御電極を施した構成である。電界制御電極の影響を受けない場合のpn接合の電流密度Jbulkは式(5)と同様に求められる。実施例1と異なり、電界制御電極を配置したことによるp形半導体領域の伝導電子密度np1は式(6)のように変化せずnpのままであり、その代わりにn形半導体領域の正孔密度pn1As shown in FIG. 11, the third embodiment has a configuration in which the field control electrode is provided only on the upper surface of the n-type semiconductor region in the field effect bipolar transistor of the first embodiment. The current density J bulk of the pn junction when not affected by the electric field control electrode is obtained in the same manner as the equation (5). Unlike the first embodiment, the conduction electron density n p1 of the p- type semiconductor region due to the arrangement of the electric field control electrode does not change as in the formula (6) but remains n p , and instead of the n-type semiconductor region. The hole density p n1 is

n1=p × exp(−qφs1/kT) (26) p n1 = p n × exp ( -qφ s1 / kT) (26)

のように変化する。ここで、φs1はn形半導体の表面近傍領域の表面エネルギー準位である。n形半導体の表面近傍領域の表面エネルギー準位φs1は、電界制御電極を構成する材料の仕事関数φとn形半導体領域のフェルミ準位φsnの差φms(=φ−φsn)によって、q(φms−Vi)だけ変化する。ここでViは電界制御電極の接合により、電界制御電極の直下にある絶縁皮膜の両界面間に生じる電位差である。電界制御電極の接合により生じる電位差φmsは、絶縁皮膜の界面間の電位差Viとn形半導体の表面近傍領域の表面準位φs1に分圧されている。これらの表面準位の変化により、pn接合表面近傍における電流密度Jsurは式(2)、式(4)および式(26)より、 It changes as follows. Here, φ s1 is the surface energy level of the near-surface region of the n-type semiconductor. The surface energy level φ s1 in the region near the surface of the n-type semiconductor is the difference φ ms (= φ m −φ sn) between the work function φ m of the material constituting the electric field control electrode and the Fermi level φ sn in the n-type semiconductor region. ) Changes by q (φ ms −V i ). Here, Vi is a potential difference generated between both interfaces of the insulating film immediately below the electric field control electrode due to bonding of the electric field control electrode. The potential difference φ ms generated by the bonding of the electric field control electrode is divided into the potential difference V i between the interfaces of the insulating film and the surface level φ s1 in the region near the surface of the n-type semiconductor. Due to the change of these surface states, the current density J sur in the vicinity of the pn junction surface is obtained from the equations (2), (4) and (26).

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(−qVec/kT)−1)+qDpn0/Lp×(exp(q(−Vec−φs1)/kT)−exp(−qφs1/kT))、 (27) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (-qV ec / kT) -1) + qD p p n0 / L p × (exp (q (-V ec -φ s1) / kT) -exp (- qφ s1 / kT)), (27)

となる。電界制御電極にゲート電圧Vgを印加した場合は、実施例1と同様にゲート電圧Vgは、絶縁皮膜の界面間電位差Vginとn形半導体の表面近傍領域の表面準位φgsnに分圧される。pn接合における電流密度Jsurは式(27)と表面準位φgsnを用いて、 It becomes. When applying a gate voltage V g to the field control electrode, the gate voltage V g in the same manner as in Example 1, minute surface level phi gsn interfacial potential difference V gin and the n-type semiconductor region near the surface of the insulating film Pressed. The current density J sur in the pn junction is calculated using the equation (27) and the surface state φ gsn ,

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(−qVec/kT)−1)+qDpn0/Lp×(exp(q(−Vec−φs1−φgsn)/kT)−exp(q(−φs1−φgsn)/kT))、 (28) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (-qV ec / kT) -1) + qD p p n0 / L p × (exp (q (-V ec -φ s1 -φ gsn) / kT) - exp (q (−φ s1 −φ gsn ) / kT)), (28)

と表わすことができる。p形半導体領域の不純物濃度をn形半導体領域の不純物濃度に対して十分に大きくした場合は、伝導電子による電流密度は正孔による電流密度に対して十分に小さくなり、式(28)は、 Can be expressed as When the impurity concentration of the p-type semiconductor region is sufficiently larger than the impurity concentration of the n-type semiconductor region, the current density due to conduction electrons is sufficiently smaller than the current density due to holes, and Equation (28) is

Jsur=qDpn0/Lp×(exp(q(−Vec−φs1−φgsn)/kT)−exp(q(−φs1−φgsn)/kT))、 (29) J sur = qD p p n0 / L p × (exp (q (-V ec -φ s1 -φ gsn) / kT) -exp (q (-φ s1 -φ gsn) / kT)), (29)

と近似される。式(29)の正孔の拡散電流式は、表面準位の極性を反転して考えれば、式(9)の伝導電子の拡散電流式と同様である。すなわち、式(9)における伝導電子の振舞いとは反対に、正孔の電流密度Jsurは正のゲート電圧に対して減少し、負のゲート電圧に対して増加する。この極性の違いを除けば、実施例3の電界効果バイポーラトランジスタは実施例1と同様の特性を示す。実施例1と同様に、コレクタ電極は高濃度のp形半導体領域を介してp形半導体領域に接合させてもよい。本実施例は、ゲート電圧に対するエミッタ電流の変化の極性が異なる2種類の電界効果バイポーラトランジスタを実現することで、今日のディジタル集積回路を低消費電力に構成する際に必要とされる相補電界効果バイポーラトランジスタを提供するものである。 Is approximated. The hole diffusion current equation of equation (29) is the same as the conduction electron diffusion current equation of equation (9) when the polarity of the surface state is reversed. That is, contrary to the conduction electron behavior in equation (9), the hole current density J sur decreases with respect to the positive gate voltage and increases with respect to the negative gate voltage. Except for this difference in polarity, the field-effect bipolar transistor of Example 3 exhibits the same characteristics as Example 1. Similar to the first embodiment, the collector electrode may be bonded to the p-type semiconductor region via the high-concentration p-type semiconductor region. The present embodiment realizes two types of field effect bipolar transistors having different polarity of changes in the emitter current with respect to the gate voltage, so that the complementary field effect required for constructing a current digital integrated circuit with low power consumption. A bipolar transistor is provided.

実施例4は、図12に示すように、実施例1の電界効果バイポーラトランジスタにおいて、n形半導体領域の上面の一部にも電界制御電極を施した構成である。電界制御電極の影響を受けない場合、pn接合の電流密度Jbulkは式(5)と同様に求められる。電界制御電極を配置したことによる、p形半導体の表面近傍領域の伝導電子密度np1は、実施例1の式(6)と同様に変化し、n形半導体領域の正孔密度pn1は実施例3の式(26)と同様に変化する。pn接合表面近傍における電流密度Jsurは式(2)、式(4)、式(6)および式(26)より、 As shown in FIG. 12, the fourth embodiment has a configuration in which the field control electrode is also provided on a part of the upper surface of the n-type semiconductor region in the field effect bipolar transistor of the first embodiment. When not affected by the electric field control electrode, the current density J bulk of the pn junction is obtained in the same manner as in the equation (5). Due to the arrangement of the electric field control electrode, the conduction electron density n p1 in the region near the surface of the p-type semiconductor changes in the same manner as the equation (6) in Example 1, and the hole density p n1 in the n-type semiconductor region is implemented. It changes similarly to the expression (26) of Example 3. The current density J sur in the vicinity of the pn junction surface is obtained from the equations (2), (4), (6), and (26).

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(q(−Vec+φs0)/kT)−exp(qφs0/kT))+qDpn0/Lp×(exp(q(−Vec−φs1)/kT)−exp(−qφs1/kT))、 (30) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (q (-V ec + φ s0) / kT) -exp (qφ s0 / kT)) + qD p p n0 / L p × (exp (q (-V ec −φ s1 ) / kT) −exp (−qφ s1 / kT)), (30)

となる。電界制御電極にゲート電圧Vgを印加した場合は、実施例1と同様にゲート電圧Vgは、絶縁皮膜の界面間電位差Vginとn形半導体の表面近傍領域の表面準位φgsnに分圧される。pn接合における電流密度Jsurは式(30)とゲート電圧Vを印加することによる表面準位φgsならびにφgsnを用いて、 It becomes. When applying a gate voltage V g to the field control electrode, the gate voltage V g in the same manner as in Example 1, minute surface level phi gsn interfacial potential difference V gin and the n-type semiconductor region near the surface of the insulating film Pressed. The current density J sur at the pn junction is obtained by using the surface states φ gs and φ gsn by applying the equation (30) and the gate voltage V g ,

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(q(−Vec+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))+qDpn0/Lp×(exp(q(−Vec−φs1−φgsn)/kT)−exp(q(−φs1−φgsn)/kT))、 (31) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (q (-V ec + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)) + qD p p n0 / L p × ( exp (q (−V ec −φ s1 −φ gsn ) / kT) −exp (q (−φ s1 −φ gsn ) / kT)), (31)

求められる。この結果は、実施例1における伝導電子の拡散電流密度の式(9)と実施例3における正孔の拡散電流密度の式(29)を合わせた電流密度の式となっており、以下の動作は実施例1および実施例3と同様に考えることができる。実施例1と同様に、コレクタ電極は高濃度のp形半導体領域を介してp形半導体領域に接合させてもよい。 Desired. This result is a current density equation that is a combination of the equation (9) of the diffusion current density of conduction electrons in Example 1 and the equation (29) of the diffusion current density of holes in Example 3. Can be considered in the same manner as in Example 1 and Example 3. Similar to the first embodiment, the collector electrode may be bonded to the p-type semiconductor region via the high-concentration p-type semiconductor region.

実施例4におけるpn接合の電流密度Jsurは、ゲート電圧Vに対して指数関数で増加する伝導電子の拡散電流と、ゲート電圧Vに対して指数関数で減少する正孔の拡散電流が、両少数担体の密度の比で加算される特性となる。本実施例は、電界制御電極がpn接合を構成する半導体領域のうち、高濃度側の半導体領域の上部に張り出した場合に、張り出しによる特性への影響が少ないことを示しており、電界効果パイポーラトランジスタを製造する際の整合技術への負担を低減することで製造コストの低減が可能であることを示している。 Current density J sur of the pn junction in Example 4, the diffusion current of the conduction electrons which increases exponentially with respect to the gate voltage V g, the hole diffusion current decreases exponentially with respect to the gate voltage V g is , The characteristics are added by the ratio of the density of both minority carriers. This example shows that when the electric field control electrode protrudes above the semiconductor region on the high concentration side of the semiconductor region constituting the pn junction, the influence of the protrusion on the characteristics is small. This shows that the manufacturing cost can be reduced by reducing the burden on the matching technique when manufacturing the polar transistor.

実施例5は、図13に示すように、実施例4の電界効果バイポーラトランジスタにおいて、n形半導体領域上の電界制御電極とp形半導体領域上の電界制御電極を2つに分離した構成である。2つのゲート電極GnとGpにより、n形半導体領域の正孔密度pn1とp形半導体領域の伝導電子密度np1を個別に制御することが可能となる。ゲート電極Gnに印加するゲート電圧Vgnによるn形半導体表面近傍領域の表面準位の変化をφgsn、ゲート電極Gpに印加するゲート電圧Vgpによるp形半導体表面近傍領域の表面準位の変化をφgs、とするとpn接合における電流密度Jsurは式(31)と同様となり、以下の動作は実施例4と同様に考えることができる。実施例4と同様に、コレクタ電極は高濃度のp形半導体領域を介してp形半導体領域に接合させてもよい。実施例5におけるpn接合の電流密度Jsurは、ゲート電圧Vgnに対して指数関数で増加する伝導電子の拡散電流と、ゲート電圧Vgpに対して指数関数で減少する正孔の拡散電流が、両少数担体の密度の比で加算される特性となる。本実施例の電界効果バイポーラトランジスタは、ゲート電極Gnを逆相入力、ゲート電極Gpを正相入力とした2入力差動電界効果バイポーラトランジスタを構成している。 As shown in FIG. 13, the fifth embodiment has a configuration in which the field control electrode on the n-type semiconductor region and the field control electrode on the p-type semiconductor region are separated into two in the field effect bipolar transistor of the fourth embodiment. . The two gate electrodes Gn and Gp, the conduction electron density n p1 of hole density p n1 and p-type semiconductor region of the n-type semiconductor area can be controlled individually. The change of the surface level in the region near the n-type semiconductor surface due to the gate voltage V gn applied to the gate electrode Gn is φ gsn , and the change in the surface level in the region near the p-type semiconductor surface due to the gate voltage V gp applied to the gate electrode Gp Is φ gs , the current density J sur at the pn junction is the same as that in the equation (31), and the following operation can be considered as in the fourth embodiment. As in the fourth embodiment, the collector electrode may be joined to the p-type semiconductor region via the high-concentration p-type semiconductor region. The current density J sur of the pn junction in Example 5 is determined by the diffusion current of conduction electrons that increases exponentially with respect to the gate voltage V gn and the diffusion current of holes that decreases exponentially with respect to the gate voltage V gp . , The characteristics are added by the ratio of the density of both minority carriers. The field effect bipolar transistor of this embodiment constitutes a two-input differential field effect bipolar transistor in which the gate electrode Gn has a reverse phase input and the gate electrode Gp has a positive phase input.

実施例6は、図14に示すように、実施例1の電界効果トランジスタを2個、コレクタ電極に接続される半導体領域を共通にして配置した構成である。個々の電界効果バイポーラトランジスタの動作は、実施例1と同様となる。実施例1と同様に、コレクタ電極は高濃度のp形半導体領域を介してp形半導体領域に接合させてもよい。電界効果バイポーラトランジスタを集積化して信号処理等に利用する場合、近接して作成された特性のそろった電界効果バイポーラトランジスタを複数個利用して基本回路を構成する。本実施例は、信号処理の基本回路を集積化する場合に、コレクタ領域の面積を節約できるという利点を持つ。近年の高速通信機器を構成する際に不可欠である高利得差動増幅回路を提供するものである。
実施例6の変形として、コレクタ電極に接続されるp形半導体領域を共通にする代わりに、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域を共通にして実施例6を構成することができ、それらの特性も同様に考えることができる。また、実施例6の変形として、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域とコレクタ電極に接続されるp形半導体領域をそれぞれ共通にして二つの電界効果バイポーラトランジスタを並列に接続して構成することができ、それらの特性も同様に考えることができる。さらに、実施例6の変形として、実施例1の電界効果バイポーラトランジスタ2個の代わりに、実施例3、4、5の構造の電界効果バイポーラトランジスタ2個を用いて実施例6の電界効果バイポーラトランジスタを構成することができ、これらの特性も同様に考えることができる。
As shown in FIG. 14, the sixth embodiment has a configuration in which two field effect transistors of the first embodiment and a semiconductor region connected to the collector electrode are arranged in common. The operation of each field effect bipolar transistor is the same as in the first embodiment. Similar to the first embodiment, the collector electrode may be bonded to the p-type semiconductor region via the high-concentration p-type semiconductor region. When field effect bipolar transistors are integrated and used for signal processing or the like, a basic circuit is configured by using a plurality of field effect bipolar transistors with close characteristics created in close proximity. This embodiment has the advantage that the area of the collector region can be saved when the basic circuit for signal processing is integrated. The present invention provides a high-gain differential amplifier circuit that is indispensable when constructing high-speed communication equipment in recent years.
As a modification of the sixth embodiment, instead of having a common p-type semiconductor region connected to the collector electrode, the sixth embodiment can be configured with a common n-type semiconductor region connected to the emitter electrode. The characteristics can be considered similarly. As a modification of the sixth embodiment, the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode and the p-type semiconductor region connected to the collector electrode are commonly used, and two field effect bipolar transistors are connected in parallel. And their characteristics can be considered similarly. Further, as a modification of the sixth embodiment, instead of the two field effect bipolar transistors of the first embodiment, two field effect bipolar transistors having the structures of the third, fourth, and fifth embodiments are used. These characteristics can be considered similarly.

実施例7は、図15に示すように、実施例2の電界効果バイポーラトランジスタにおいて、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域の上面にのみ電界制御電極を施した構成である。電界制御電極の影響を受けない場合のpn接合の電流密度Jbulkは式(17)と同様に求められる。実施例2と異なり、電界制御電極を配置したことによるp形半導体領域の伝導電子密度np1は式(18)のように変化せずnpのままであり、その代わりにエミッタ電極に接続されるn形半導体領域の正孔密度pn1As shown in FIG. 15, the seventh embodiment has a configuration in which the field control electrode is provided only on the upper surface of the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode in the field effect bipolar transistor of the second embodiment. The current density J bulk of the pn junction when not affected by the electric field control electrode is obtained in the same manner as in the equation (17). Unlike the second embodiment, the conduction electron density n p1 of the p- type semiconductor region due to the arrangement of the electric field control electrode does not change as in the equation (18) but remains n p and is connected to the emitter electrode instead. The hole density p n1 of the n-type semiconductor region is

n1=p × exp(−qφs1/kT) (32) p n1 = p n × exp ( -qφ s1 / kT) (32)

のように変化する。ここで、φs1はエミッタ電極に接続されるn形半導体の表面近傍領域の表面エネルギー準位である。エミッタ電極に接続されるn形半導体の表面近傍領域の表面エネルギー準位φs1は、電界制御電極を構成する材料の仕事関数φとエミッタ電極に接続されるn形半導体領域のフェルミ準位φsnの差φms(=φ−φsn)によって、q(φms−Vi)だけ変化する。ここでViは電界制御電極の接合により、電界制御電極の直下にある絶縁皮膜の両界面間に生じる電位差である。電界制御電極の接合により生じる電位差φmsは、絶縁皮膜の界面間の電位差Viとn形半導体の表面近傍領域の表面準位φs1に分圧されている。これらの表面準位の変化により、pn接合表面近傍における電流密度Jsurは式(14)、式(16)および式(32)より、 It changes as follows. Here, φ s1 is the surface energy level of the near-surface region of the n-type semiconductor connected to the emitter electrode. The surface energy level φ s1 of the region near the surface of the n-type semiconductor connected to the emitter electrode is expressed by the work function φ m of the material constituting the electric field control electrode and the Fermi level φ of the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode. the difference in sn φ ms (= φ m -φ sn), changes by q (φ ms -V i). Here V i by joining the field control electrode, a potential difference generated between both the interface between the insulating film immediately under the field control electrode. The potential difference φ ms generated by the bonding of the electric field control electrode is divided into the potential difference V i between the interfaces of the insulating film and the surface level φ s1 in the region near the surface of the n-type semiconductor. Due to the change of these surface states, the current density J sur in the vicinity of the pn junction surface is obtained from the equations (14), (16), and (32).

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(−qVeb/kT)−1)+qDpn0/Lp×(exp(q(−Veb−φs1)/kT)−exp(−qφs1/kT))、 (33) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (-qV eb / kT) -1) + qD p p n0 / L p × (exp (q (-V eb -φ s1) / kT) -exp (- qφ s1 / kT)), (33)

となる。電界制御電極にゲート電圧Vgを印加した場合は、実施例2と同様にゲート電圧Vgは、絶縁皮膜の界面間電位差Vginとエミッタ電極に接続されるn形半導体の表面近傍領域の表面準位φgsnに分圧される。pn接合における電流密度Jsurは式(33)と表面準位φgsnを用いて、 It becomes. When applying a gate voltage V g to the field control electrode, the gate voltage V g in the same manner as in Example 2, the interface between the electric potential difference V gin and the n-type surface of the semiconductor near the surface region connected to the emitter electrode of the insulation coating The voltage is divided to the level φ gsn . The current density J sur at the pn junction is calculated using the equation (33) and the surface state φ gsn .

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(−qVeb/kT)−1)+qDpn0/Lp×(exp(q(−Veb−φs1−φgsn)/kT)−exp(q(−φs1−φgsn)/kT))、 (34) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (-qV eb / kT) -1) + qD p p n0 / L p × (exp (q (-V eb -φ s1 -φ gsn) / kT) - exp (q (−φ s1 −φ gsn ) / kT)), (34)

と表わすことができる。p形半導体領域の不純物濃度をエミッタ電極に接続されるn形半導体領域の不純物濃度に対して十分に大きくした場合は、伝導電子による電流密度は正孔による電流密度に対して十分に小さくなり、式(34)は、 Can be expressed as When the impurity concentration of the p-type semiconductor region is sufficiently higher than the impurity concentration of the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode, the current density due to conduction electrons is sufficiently smaller than the current density due to holes, Equation (34) is

Jsur=qDpn0/Lp×(exp(q(−Veb−φs1−φgsn)/kT)−exp(q(−φs1−φgsn)/kT))、 (35) J sur = qD p p n0 / L p × (exp (q (−V eb −φ s1 −φ gsn ) / kT) −exp (q (−φ s1 −φ gsn ) / kT)), (35)

と近似される。式(35)の正孔の拡散電流式は、表面準位の極性を反転して考えれば、式(21)の伝導電子の拡散電流式と同様である。すなわち、式(21)における伝導電子の振舞いとは反対に、正孔の電流密度Jsurは正のゲート電圧に対して減少し、負のゲート電圧に対して増加する。この極性の違いを除けば、実施例7の電界効果バイポーラトランジスタは実施例2と同様の特性を示す。また、実施例7ではエミッタ電極に接続されるn形半導体領域の上面にのみ電界制御電極を施した構成を例として示しているが、構造の対称性より、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域の上面の代わりに、コレクタ電極に接続されるn形半導体領域の上面にのみ電界制御電極を施した場合も同様に考えることができる。本実施例は、ゲート電圧に対するコレクタ電流の変化の極性が異なる2種類の電界効果バイポーラトランジスタを実現することで、今日のディジタル集積回路を低消費電力に構成する際に必要とされる相補電界効果バイポーラトランジスタを提供するものである。 Is approximated. The hole diffusion current equation of Equation (35) is the same as the conduction electron diffusion current equation of Equation (21) when the polarity of the surface state is reversed. That is, contrary to the behavior of conduction electrons in equation (21), the hole current density J sur decreases with respect to the positive gate voltage, and increases with respect to the negative gate voltage. Except for this difference in polarity, the field effect bipolar transistor of Example 7 exhibits the same characteristics as Example 2. Further, in the seventh embodiment, the configuration in which the electric field control electrode is provided only on the upper surface of the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode is shown as an example. However, the n-type semiconductor connected to the emitter electrode due to the symmetry of the structure. The same can be considered when the electric field control electrode is provided only on the upper surface of the n-type semiconductor region connected to the collector electrode instead of the upper surface of the region. This embodiment realizes two types of field effect bipolar transistors having different polarities of changes in the collector current with respect to the gate voltage, so that the complementary field effect required for constructing today's digital integrated circuit with low power consumption. A bipolar transistor is provided.

実施例8は、図16に示すように、実施例2の電界効果バイポーラトランジスタにおいて、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域の上面の一部にも電界制御電極を施した構成である。電界制御電極の影響を受けない場合、pn接合の電流密度Jbulkは式(17)と同様に求められる。電界制御電極を配置したことによる、p形半導体の表面近傍領域の伝導電子密度np1は、実施例2の式(18)と同様に変化し、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域の正孔密度pn1は実施例7の式(32)と同様に変化する。エミッタ電極に接続されるn形半導体領域とp形半導体領域で構成されるpn接合表面近傍における電流密度Jsurは式(14)、式(16)、式(18)および式(32)より、 As shown in FIG. 16, the eighth embodiment has a configuration in which the field control electrode is also provided on a part of the upper surface of the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode in the field effect bipolar transistor of the second embodiment. When not affected by the electric field control electrode, the current density J bulk of the pn junction is obtained in the same manner as in the equation (17). The conduction electron density n p1 in the region near the surface of the p-type semiconductor due to the arrangement of the electric field control electrode changes in the same manner as in the equation (18) of Example 2, and the positive polarity of the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode The hole density p n1 changes in the same manner as the expression (32) in the seventh embodiment. The current density J sur in the vicinity of the pn junction surface composed of the n-type semiconductor region and the p-type semiconductor region connected to the emitter electrode is obtained from the equations (14), (16), (18), and (32).

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(q(−Veb+φs0)/kT)−exp(qφs0/kT))+qDpn0/Lp×(exp(q(−Veb−φs1)/kT)−exp(−qφs1/kT))、 (36) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (q (-V eb + φ s0) / kT) -exp (qφ s0 / kT)) + qD p p n0 / L p × (exp (q (-V eb −φ s1 ) / kT) −exp (−qφ s1 / kT)), (36)

となる。電界制御電極にゲート電圧Vgを印加した場合は、実施例2と同様にゲート電圧Vgは、絶縁皮膜の界面間電位差Vginとエミッタ電極に接続されるn形半導体の表面近傍領域の表面準位φgsnに分圧される。pn接合における電流密度Jsurは式(36)とゲート電圧Vを印加することによる表面準位φgsならびにφgsnを用いて、 It becomes. When applying a gate voltage V g to the field control electrode, the gate voltage V g in the same manner as in Example 2, the interface between the electric potential difference V gin and the n-type surface of the semiconductor near the surface region connected to the emitter electrode of the insulation coating The voltage is divided to the level φ gsn . The current density J sur at the pn junction is obtained by using the surface states φ gs and φ gsn by applying the equation (36) and the gate voltage V g ,

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(q(−Veb+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))+qDpn0/Lp×(exp(q(−Veb−φs1−φgsn)/kT)−exp(q(−φs1−φgsn)/kT))、 (37a) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (q (-V eb + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)) + qD p p n0 / L p × ( exp (q (−V eb −φ s1 −φ gsn ) / kT) −exp (q (−φ s1 −φ gsn ) / kT)), (37a)

と求められる。この結果は、実施例2における伝導電子の拡散電流密度の式(21)と実施例7における正孔の拡散電流密度の式(35)を合わせた電流密度の式となっている。コレクタ電極に接続されるn形半導体領域とp形半導体領域で構成されるpn接合表面近傍における電流密度Jsurcは、 Is required. This result is a current density equation obtained by combining the equation (21) of the diffusion current density of conduction electrons in Example 2 and the equation (35) of the diffusion current density of holes in Example 7. The current density J surc in the vicinity of the pn junction surface composed of the n-type semiconductor region and the p-type semiconductor region connected to the collector electrode is

Jsurc=−qDnp0/Ln×(exp(q(−Vcb+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))−qDpn0/Lp×(exp(−qVcb/kT)−1)、 (37b) J surc = -qD n n p0 / L n × (exp (q (-V cb + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)) - qD p p n0 / L p × (exp (−qV cb / kT) −1), (37b)

と求められる。電流の向きを考慮して−の符号がつけられている。実施例8は式(37a)と式(37b)を合わせた特性として、考えることができ、以下の動作は実施例2および実施例7と同様に考えることができる。実施例8におけるpn接合の電流密度Jsur+Jsurcは、エミッタ−ベース電圧Vebの下で、ゲート電圧Vに対して指数関数で増加するエミッタ電極からの伝導電子の拡散電流ならびにゲート電圧Vに対して指数関数で減少するエミッタへ向かう正孔の拡散電流と、コレクタ−ベース電圧Vcbの下で、ゲート電圧Vに対して指数関数で増加するコレクタ電極からの伝導電子の拡散電流ならびにゲート電圧Vに依存しないコレクタへ向かう正孔の拡散電流が、少数担体の密度の比で向きを考慮して加算された特性となる。また、実施例8ではエミッタ電極に接続されるn形半導体領域の上面の一部にも電界制御電極を施した構成を例として示しているが、構造の対称性より、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域の上面の一部の代わりに、コレクタ電極に接続されるn形半導体領域の上面の一部に電界制御電極を施した場合も同様に考えることができる。本実施例は、エミッタ−ベース間pn接合を構成する半導体領域のうち、高濃度側の半導体領域の上部に電界制御電極が張り出した場合に、張り出しによる特性への影響が少ないことを示しており、電界効果パイポーラトランジスタを製造する際のマスク整合技術への負担を低減することで製造コストの低減が可能であることを示している。 Is required. In consideration of the direction of current, the symbol-is attached. The eighth embodiment can be considered as a characteristic combining the equations (37a) and (37b), and the following operations can be considered in the same manner as the second and seventh embodiments. The current density J sur + J surc of the pn junction in Example 8 is the diffusion current of the conduction electrons from the emitter electrode and the gate voltage V that increase exponentially with respect to the gate voltage V g under the emitter-base voltage V eb. and diffusion current of holes toward the emitter decreases exponentially with respect to g, the collector - under the base voltage V cb, conduction electrons diffusion current from the collector electrode increases exponentially with respect to the gate voltage V g and diffusion current of holes toward the collector does not depend on the gate voltage V g becomes the ratio are added in consideration of the orientation by the characteristics of the density of minority carriers. Further, in Example 8, a configuration in which the electric field control electrode is also provided on a part of the upper surface of the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode is shown as an example. However, due to the symmetry of the structure, it is connected to the emitter electrode. The same can be considered when an electric field control electrode is provided on a part of the upper surface of the n-type semiconductor region connected to the collector electrode instead of a part of the upper surface of the n-type semiconductor region. This example shows that when the electric field control electrode protrudes above the semiconductor region on the high-concentration side among the semiconductor regions constituting the emitter-base pn junction, the influence of the protrusion on the characteristics is small. This shows that the manufacturing cost can be reduced by reducing the burden on the mask matching technique when manufacturing the field effect bipolar transistor.

実施例9は、図17に示すように、実施例8の電界効果バイポーラトランジスタにおいて、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域上の電界制御電極とp形半導体領域上の電界制御電極を2つに分離した構成である。2つのゲート電極GnとGpにより、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域の正孔密度pn1とp形半導体領域の伝導電子密度np1を個別に制御することが可能となる。ゲート電極Gnに印加するゲート電圧Vgnによるエミッタ電極に接続されるn形半導体表面近傍領域の表面準位の変化をφgsn、ゲート電極Gpに印加するゲート電圧Vgpによるp形半導体表面近傍領域の表面準位の変化をφgsとすると、pn接合における電流密度Jsur+Jsurcは式(37a)と式(37b)の和で求まる。以下の動作は実施例8と同様に考えることができる。実施例9におけるpn接合の電流密度Jsur+Jsurcは、エミッタ−ベース電圧Vebの下で、ゲート電圧Vgnに対して指数関数で増加する伝導電子の拡散電流ならびに指数関数で減少する正孔の拡散電流と、コレクタ−ベース電圧Vcbの下で、ゲート電圧Vgpに対して指数関数で増加する伝導電子の拡散電流ならびにゲート電圧Vに依存しないコレクタへ向かう正孔の拡散電流が、各領域における少数担体の密度の比で向きを考慮して加算された特性となる。したがって、実施例9の電界効果バイポーラトランジスタは、ゲート電極Gnを逆相入力、ゲート電極Gpを正相入力とした差動入力の電界効果バイポーラトランジスタを構成している。また、実施例9ではエミッタ電極に接続されるn形半導体領域の上面の一部にも電界制御電極を施した構成を例として示しているが、構造の対称性より、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域上面の一部の代わりに、コレクタ電極に接続されるn形半導体領域の上面の一部にも電界制御電極を施した場合も同様に考えることができる。 As shown in FIG. 17, the ninth embodiment has two field control electrodes on the n-type semiconductor region and two p-type semiconductor regions connected to the emitter electrode in the field effect bipolar transistor of the eighth embodiment. It is the structure separated into. The two gate electrodes Gn and Gp, it is possible to individually control the conduction electron density n p1 of hole density p n1 and p-type semiconductor region of the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode. The change in the surface level of the region near the n-type semiconductor surface connected to the emitter electrode due to the gate voltage V gn applied to the gate electrode Gn is φ gsn , and the region near the p-type semiconductor surface due to the gate voltage V gp applied to the gate electrode Gp Where φ gs is the change in the surface level of the pn junction, the current density J sur + J surc at the pn junction can be obtained by the sum of the expressions (37a) and (37b). The following operation can be considered in the same manner as in the eighth embodiment. The current density J sur + J surc of the pn junction in Example 9 is the diffusion current of conduction electrons that increases exponentially with respect to the gate voltage V gn and the holes that decrease exponentially under the emitter-base voltage V eb. And the diffusion current of the conduction electrons exponentially increasing with respect to the gate voltage V gp and the diffusion current of the holes toward the collector independent of the gate voltage V g under the collector-base voltage V cb , It becomes the characteristic added in consideration of the direction by the ratio of the density of minority carriers in each region. Therefore, the field effect bipolar transistor of Example 9 constitutes a differential input field effect bipolar transistor in which the gate electrode Gn is a reverse phase input and the gate electrode Gp is a positive phase input. Further, in the ninth embodiment, a configuration in which the electric field control electrode is also provided on a part of the upper surface of the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode is shown as an example, but it is connected to the emitter electrode due to the symmetry of the structure. The same can be considered when the electric field control electrode is applied to a part of the upper surface of the n-type semiconductor region connected to the collector electrode instead of a part of the upper surface of the n-type semiconductor region.

実施例10は、図18に示すように、実施例2に示される電界効果バイポーラトランジスタにおいて、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域、p形半導体領域、コレクタ電極に接続されるn形半導体領域の上部にまたがって電界制御電極を配置した構成である。エミッタ電極に接続されるn形半導体領域とp形半導体領域で構成されるpn接合における電流密度Jsurは式(37a)と同じになる。コレクタ電極に接続されるn形半導体領域とp形半導体領域で構成されるpn接合における電流密度Jsurcは、 Example 10 is an n-type semiconductor region connected to an emitter electrode, a p-type semiconductor region, and an n-type semiconductor region connected to a collector electrode in the field effect bipolar transistor shown in Example 2 as shown in FIG. In this configuration, the electric field control electrode is disposed over the upper part of the electrode. The current density J sur at the pn junction composed of the n-type semiconductor region and the p-type semiconductor region connected to the emitter electrode is the same as that in Expression (37a). The current density J surc in a pn junction composed of an n-type semiconductor region and a p-type semiconductor region connected to the collector electrode is

Jsurc=−qDnp0/Ln×(exp(q(−Vcb+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))−qDpn0/Lp×(exp(q(−Vcb−φs1−φgsn)/kT)−exp(q(−φs1−φgsn)/kT))、 (38) J surc = -qD n n p0 / L n × (exp (q (-V cb + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)) - qD p p n0 / L p × (exp (q (−V cb −φ s1 −φ gsn ) / kT) −exp (q (−φ s1 −φ gsn ) / kT)), (38)

となる。電流の向きを考慮して−の符号がつけられている。式(38)は電流の向きが異なる点を除いて式(37a)と同様であるため、実施例10は式(37a)と式(38)を合わせた特性として、実施例8と同様に考えることができる。実施例10におけるpn接合の電流密度Jsur+Jsurcは、エミッタ−ベース電圧Vebの下で、ゲート電圧Vに対して指数関数で増加するエミッタ電極からの伝導電子の拡散電流ならびにゲート電圧Vに対して指数関数で減少するエミッタへ向かう正孔の拡散電流と、コレクタ−ベース電圧Vcbの下で、ゲート電圧Vに対して指数関数で増加するコレクタ電極からの伝導電子の拡散電流ならびにゲート電圧Vに対して指数関数で減少するコレクタへ向かう正孔の拡散電流が、少数担体の密度の比で向きを考慮して加算された特性となる。 It becomes. In consideration of the direction of current, the symbol-is attached. Since Expression (38) is the same as Expression (37a) except that the direction of the current is different, Example 10 is considered in the same manner as Example 8 as the combined characteristic of Expression (37a) and Expression (38). be able to. The current density J sur + J surc of the pn junction in Example 10 is the diffusion current of the conduction electrons from the emitter electrode and the gate voltage V that increase exponentially with respect to the gate voltage V g under the emitter-base voltage V eb. and diffusion current of holes toward the emitter decreases exponentially with respect to g, the collector - under the base voltage V cb, conduction electrons diffusion current from the collector electrode increases exponentially with respect to the gate voltage V g and hole diffusion current toward collector decreases exponentially with respect to the gate voltage V g becomes the ratio are added in consideration of the orientation by the characteristics of the density of minority carriers.

実施例11は、図19に示すように、実施例2に示される電界効果バイポーラトランジスタにおいて、p形半導体領域上の電界制御電極を2つの電極に分割した構成である。エミッタ電極に接続されるn形半導体領域とp形半導体領域で構成されるpn接合における電流密度JsurIn Example 11, as shown in FIG. 19, in the field effect bipolar transistor shown in Example 2, the electric field control electrode on the p-type semiconductor region is divided into two electrodes. The current density J sur in a pn junction composed of an n-type semiconductor region and a p-type semiconductor region connected to the emitter electrode is

Jsur=qDnp0/Ln×(exp(q(−Veb+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))+qDpn0/Lp×(exp(−qVeb/kT)−1)、 (39) J sur = qD n n p0 / L n × (exp (q (-V eb + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)) + qD p p n0 / L p × ( exp (−qV eb / kT) −1), (39)

と求まる。一方、コレクタ電極に接続されるn形半導体領域とp形半導体領域で構成されるpn接合における電流密度Jsurcは、 It is obtained. On the other hand, the current density J surc in a pn junction composed of an n-type semiconductor region and a p-type semiconductor region connected to the collector electrode is

Jsurc=−qDnp0/Ln×(exp(q(−Vcb+φgs+φs0)/kT)−exp(q(φgs+φs0)/kT))−qDpn0/Lp×(exp(−qVcb/kT)−1)、 (40) J surc = -qD n n p0 / L n × (exp (q (-V cb + φ gs + φ s0) / kT) -exp (q (φ gs + φ s0) / kT)) - qD p p n0 / L p × (exp (−qV cb / kT) −1), (40)

と求められる。電流の向きを考慮して−の符号がつけられている。式(40)は電流の向きが異なる点を除いて式(39)と同様であるため、実施例11は式(39)と式(40)を合わせた特性として、実施例2と同様に考えることができる。実施例11におけるpn接合の電流密度Jsur+Jsurcは、エミッタ−ベース電圧Vebの下で、ゲート電圧Vに対して指数関数で増加するエミッタ電極からの伝導電子の拡散電流ならびにゲート電圧Vに依存しないエミッタへ向かう正孔の拡散電流と、コレクタ−ベース電圧Vcbの下で、ゲート電圧Vに対して指数関数で増加するコレクタ電極からの伝導電子の拡散電流ならびにゲート電圧Vに依存しないコレクタへ向かう正孔の拡散電流が、少数担体の密度の比で向きを考慮して加算された特性となる。したがって、実施例11の電界効果バイポーラトランジスタは、ゲート電極G1を逆相入力、ゲート電極G2を正相入力とした差動入力の電界効果バイポーラトランジスタを構成している。
実施例11の変形として、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域の上面の一部にも張り出して電界制御電極を施した場合、すなわち、実施例8の構造を持つ2つの電界効果バイポーラトランジスタをベース電極に接続されるp形半導体領域を共通に用いて実施例11を構成した場合も同様に考えることができる。また、実施例11の変形として、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域とコレクタ電極に接続されるn形半導体領域のみに電界制御電極を施した場合、すなわち、実施例7の構造を持つ2つの電界効果バイポーラトランジスタをベース電極に接続されるp形半導体領域を共通に用いて実施例11を構成した場合も同様に考えることができる。
Is required. In consideration of the direction of current, the symbol-is attached. Since Expression (40) is the same as Expression (39) except that the direction of the current is different, Example 11 is considered in the same manner as Example 2 as a characteristic combining Expression (39) and Expression (40). be able to. The current density J sur + J surc of the pn junction in Example 11 is the diffusion current of the conduction electrons from the emitter electrode and the gate voltage V that increase exponentially with respect to the gate voltage V g under the emitter-base voltage V eb. The diffusion current of holes toward the emitter independent of g , and the diffusion current of the conduction electrons from the collector electrode and the gate voltage V g that increase exponentially with respect to the gate voltage V g under the collector-base voltage V cb. The diffusion current of the holes toward the collector, which does not depend on, becomes a characteristic obtained by adding the density considerations of the minority carriers in consideration of the direction. Therefore, the field effect bipolar transistor of Example 11 constitutes a differential input field effect bipolar transistor in which the gate electrode G1 has a negative phase input and the gate electrode G2 has a positive phase input.
As a modification of the eleventh embodiment, when the electric field control electrode is applied to a part of the upper surface of the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode, that is, two field effect bipolar transistors having the structure of the eighth embodiment are provided. The same applies to the case where Example 11 is configured using a p-type semiconductor region connected to the base electrode in common. Further, as a modification of the eleventh embodiment, when the electric field control electrode is applied only to the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode and the n-type semiconductor region connected to the collector electrode, that is, 2 having the structure of the seventh embodiment. The same applies to the case where the eleventh embodiment is configured using a common p-type semiconductor region in which two field effect bipolar transistors are connected to the base electrode.

実施例12は、図20に示すように、実施例2の電界効果バイポーラトランジスタ2個を、コレクタ電極に接続されるn形半導体領域を共通にして配置した構成である。個々の電界効果バイポーラトランジスタの動作は、実施例2と同様となる。2つの電界効果バイポーラトランジスタのエミッタ−ベース間pn接合に与える順方向バイアス電圧が等しい場合は、ベース電極に接続されるp形半導体領域を共通に使用する。電界効果バイポーラトランジスタを集積化して信号処理等に利用する場合、近接して作成された特性のそろった電界効果バイポーラトランジスタを複数個利用して基本回路を構成する。実施例12は、信号処理の基本回路を集積化する場合に、コレクタ領域の面積を節約できるという利点を持つ。近年の高速通信機器を構成する際に不可欠である高利得差動増幅回路を提供するものである。
実施例12の変形として、コレクタ電極に接続されるn形半導体領域を共通にする代わりに、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域を共通にして実施例12を構成することができ、それらの特性も同様に考えることができる。また、実施例12の変形として、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域とコレクタ電極に接続されるn形半導体領域をそれぞれ共通にして二つの電界効果バイポーラトランジスタを並列に接続して構成することができ、それらの特性も同様に考えることができる。さらに、実施例12の変形として、実施例2の電界効果バイポーラトランジスタ2個の代わりに、実施例7、8、9、10、11の構造の電界効果バイポーラトランジスタ2個を用いて実施例12の電界効果バイポーラトランジスタを構成することができ、それらの特性も同様に考えることができる。
In Example 12, as shown in FIG. 20, two field effect bipolar transistors of Example 2 are arranged with a common n-type semiconductor region connected to the collector electrode. The operation of each field effect bipolar transistor is the same as that of the second embodiment. When the forward bias voltages applied to the emitter-base pn junctions of the two field effect bipolar transistors are equal, the p-type semiconductor region connected to the base electrode is commonly used. When field effect bipolar transistors are integrated and used for signal processing or the like, a basic circuit is configured by using a plurality of field effect bipolar transistors with close characteristics created in close proximity. The twelfth embodiment has an advantage that the area of the collector region can be saved when the signal processing basic circuit is integrated. The present invention provides a high-gain differential amplifier circuit that is indispensable when constructing high-speed communication equipment in recent years.
As a modification of Example 12, instead of having a common n-type semiconductor region connected to the collector electrode, Example 12 can be configured with a common n-type semiconductor region connected to the emitter electrode. The characteristics can be considered similarly. Further, as a modification of the twelfth embodiment, the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode and the n-type semiconductor region connected to the collector electrode are shared, and two field effect bipolar transistors are connected in parallel. And their characteristics can be considered in the same way. Further, as a modification of the twelfth embodiment, two field effect bipolar transistors having the structures of the seventh, eighth, ninth, tenth, and eleventh embodiments are used instead of the two field effect bipolar transistors of the second embodiment. Field effect bipolar transistors can be constructed and their characteristics can be considered as well.

実施例13は、図21に示すように、実施例2の電界効果バイポーラトランジスタにおいて、pn接合の上部に電界制御電極が配置されない領域における式(17)で示される電流密度Jbulkを低減することで、ゲート電圧による電流制御範囲を電界制御電極の構造により確保する例を示している。エミッタ電極に接続されるn形半導体領域を囲うように周囲をゲート電極に接続されるp形半導体領域で取り囲み、p形半導体領域の全面を環状の電界制御電極で覆った構造を持つ。コレクタ電極に接続されるn形半導体領域は、ゲート電極に接続されるp形半導体領域を取り囲む構造を持つ。ベース電極を接続するための高濃度注入領域は、コレクタ電極に接続されるn形半導体領域の周囲を環状に取り囲んで装置を構成する。エミッタ電極に接続されるn形半導体領域を囲うように周囲を電界制御電極で取り囲むことで、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域とp形半導体領域で構成されるpn接合の電流密度をpn接合の深部を除きすべて式(20)に示される電流密度Jsurとして扱うことができる。本実施例では、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域から、周囲に漏れ出る少数担体を低減することが可能となり、電界効果バイポーラトランジスタを用いて集積回路を構成する際に発生する寄生素子による諸問題を解決できる。
実施例13の変形として、エミッタ電極に接続されるn形半導体領域を囲うように周囲を電界制御電極で取り囲む代わりに、周囲を埋め込み絶縁層で取り囲む構造を持たせることで同様の効果を得ることができる。また、実施例13の変形として、実施例2の代わりに、実施例1、実施例3〜実施例12の電界効果バイポーラトランジスタを用いて実施例13の装置を構成することができ、それらの特性も同様に考えることができる。
In Example 13, as shown in FIG. 21, in the field effect bipolar transistor of Example 2, the current density J bulk represented by the equation (17) in the region where the electric field control electrode is not disposed on the pn junction is reduced. Thus, an example is shown in which the current control range by the gate voltage is secured by the structure of the electric field control electrode. The n-type semiconductor region connected to the emitter electrode is surrounded by a p-type semiconductor region connected to the gate electrode, and the entire surface of the p-type semiconductor region is covered with an annular electric field control electrode. The n-type semiconductor region connected to the collector electrode has a structure surrounding the p-type semiconductor region connected to the gate electrode. The high-concentration implantation region for connecting the base electrode surrounds the n-type semiconductor region connected to the collector electrode in an annular shape to constitute a device. By surrounding the periphery with an electric field control electrode so as to surround the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode, the current density of the pn junction composed of the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode and the p-type semiconductor region is pn All can be treated as the current density J sur shown in the equation (20) except for the deep part of the junction. In this embodiment, minority carriers leaking out from the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode can be reduced, and parasitic elements generated when an integrated circuit is configured using a field effect bipolar transistor are used. Can solve various problems.
As a modification of the thirteenth embodiment, the same effect can be obtained by providing a structure surrounding the periphery with a buried insulating layer instead of surrounding the periphery with an electric field control electrode so as to surround the n-type semiconductor region connected to the emitter electrode. Can do. As a modification of the thirteenth embodiment, instead of the second embodiment, the field effect bipolar transistors of the first embodiment and the third to twelfth embodiments can be used to configure the device of the thirteenth embodiment. Can be considered similarly.

以上述べたように、本発明によれば、pn接合における拡散電流を電界効果により直接制御することが可能となり、電界制御により拡散電流を制御する新しい動作原理のトランジスタを構成することができる。電界効果バイポーラトランジスタは、コレクタ電流がゲート電圧およびエミッタ側pn接合の順方向バイアス電圧に対して指数関数特性を持つため、高利得の増幅器に応用できる。ゲート電極を入力として利用した場合の電界効果バイポーラトランジスタの静特性からは、数MΩ程度の高い出力抵抗Roを有していることがわかる。固有利得g×Roは約230倍となり、バイポーラトランジスタに近い高利得増幅器を実現できる。電界効果バイポーラトランジスタは、ベース領域への担体注入を行うバイアス入力端子と信号入力を行うゲート端子が独立しているために、信号入力端子にバイアス電流や大きなバイアス電圧を必要とせず、低電源電圧下で動作する。電界効果バイポーラトランジスタは、ゲート電極が絶縁構造を有しているために、高い入力抵抗を持つ。ゲート電極とエミッタ電極双方を入力として利用した場合の固有利得gmm×Roは約1500倍となり、電界の効果とバイポーラトランジスタの特性が重畳した高利得増幅デバイスとして機能する。電界効果バイポーラトランジスタでは、pn接合を構成する各半導体領域を個別の電界制御電極で制御することにより、各領域における少数担体の表面密度を個別に制御することが可能であり、差動入力等の機能を持つ高機能トランジスタを構成できる。電界効果バイポーラトランジスタでは、pn接合を構成する半導体の種類を入れ替えることで相対な構造を持ち相対な特性を持つトランジスタを構成できる。 As described above, according to the present invention, the diffusion current in the pn junction can be directly controlled by the electric field effect, and a transistor with a new operation principle that controls the diffusion current by electric field control can be configured. The field effect bipolar transistor can be applied to a high gain amplifier because the collector current has an exponential characteristic with respect to the gate voltage and the forward bias voltage of the emitter side pn junction. From the static characteristics of the field effect bipolar transistor in the case of utilizing the gate electrode as an input, it can be seen that a high order of several MΩ output resistor R o. The intrinsic gain g m × R o is about 230 times, and a high gain amplifier close to a bipolar transistor can be realized. A field effect bipolar transistor is independent of a bias input terminal for injecting carriers into the base region and a gate terminal for signal input. Therefore, the signal input terminal does not require a bias current or a large bias voltage, and has a low power supply voltage. Works below. The field effect bipolar transistor has a high input resistance because the gate electrode has an insulating structure. When both the gate electrode and the emitter electrode are used as inputs, the intrinsic gain g mm × Ro is about 1500 times, and the device functions as a high gain amplification device in which the effect of the electric field and the characteristics of the bipolar transistor are superimposed. In a field effect bipolar transistor, the surface density of minority carriers in each region can be individually controlled by controlling each semiconductor region constituting the pn junction with an individual electric field control electrode. A highly functional transistor having a function can be configured. In a field effect bipolar transistor, a transistor having a relative structure and a relative characteristic can be configured by switching the types of semiconductors constituting the pn junction.

本発明では、高利得で高い入力抵抗を有し、信号入力端子に大きなバイアス電圧を必要とせず、今日の大規模集積回路において課題とされている問題を解決した低電源電圧動作が可能な高機能な電界効果バイポーラトランジスタとして使用され得る。また、電界効果バイポーラトランジスタは、製造において特別な技術を必要としないために、既存の集積回路技術と共存して利用できるという利点を持ち、極めて有効性の高い素子として利用され得る。   The present invention has a high input resistance with a high gain, does not require a large bias voltage at the signal input terminal, and is capable of low power supply voltage operation that solves the problems that are a problem in today's large-scale integrated circuits. It can be used as a functional field effect bipolar transistor. In addition, since the field effect bipolar transistor does not require special technology in manufacturing, it has the advantage that it can be used in combination with existing integrated circuit technology, and can be used as an extremely effective device.

図1Aは、本発明の第1実施例の半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の原理を示す縦断面図である。 図1Bは、図1Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の縦断面図に対応したpn接合深層部のエネルギーバンド図(pn接合に電圧を印加しない場合)である。 図1Cは、図1Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の縦断面図に対応したpn接合深層部のエネルギーバンド図(pn接合を順方向バイアスした場合)である。 図1Dは、図1Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の縦断面図に対応したpn接合表層部のエネルギーバンド図(Vg=0V)である。 図1Eは、図1Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の縦断面図に対応したpn接合表層部のエネルギーバンド図(排斥状態)である。 図1Fは、図1Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の縦断面図に対応したpn接合表層部のエネルギーバンド図(反転状態)である。 図1Gは、図1Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の縦断面図に対応したpn接合表層部のエネルギーバンド図(蓄積状態)である。FIG. 1A is a longitudinal sectional view showing the principle of a semiconductor device (field effect bipolar transistor) according to a first embodiment of the present invention. FIG. 1B is an energy band diagram of a deep pn junction layer corresponding to the longitudinal sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 1A (when no voltage is applied to the pn junction). FIG. 1C is an energy band diagram of a pn junction deep layer corresponding to a longitudinal sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 1A (when the pn junction is forward-biased). FIG. 1D is an energy band diagram (V g = 0 V) of the pn junction surface layer corresponding to the longitudinal sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 1A. FIG. 1E is an energy band diagram (exhausted state) of the pn junction surface layer corresponding to the longitudinal sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 1A. FIG. 1F is an energy band diagram (inverted state) of the pn junction surface layer corresponding to the longitudinal sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 1A. FIG. 1G is an energy band diagram (accumulation state) of a pn junction surface layer corresponding to a longitudinal sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 1A. 図2Aは、図1Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の変形例で、測定に使用した埋め込み構造の電界効果バイポーラトランジスタの縦断面図である。図2Bは、図1Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の変形例で、周囲および底面を絶縁層で覆うことにより電界制御領域以外へのリーク電流を低減した構造の電界効果バイポーラトランジスタの縦断面図である。 図2Cは、図1Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の変形例で、n形半導体領域とp形半導体領域とを入れ替えた電界効果バイポーラトランジスタの縦断面図である。 図2Dは、図1Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の変形例で、図2Cに対応した埋め込み構造の電界効果バイポーラトランジスタの縦断面図である。 図2Eは、図1Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の変形例で、図2Cに対応した周囲および底面を絶縁層で覆うことにより電界制御領域以外へのリーク電流を低減した構造の電界効果バイポーラトランジスタの縦断面図である。FIG. 2A is a vertical cross-sectional view of a field effect bipolar transistor having a buried structure used for measurement, which is a modification of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 1A. FIG. 2B is a modification of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 1A, and is a longitudinal section of a field effect bipolar transistor having a structure in which leakage current to areas other than the electric field control region is reduced by covering the periphery and bottom with an insulating layer. FIG. 2C is a vertical cross-sectional view of a field effect bipolar transistor in which an n-type semiconductor region and a p-type semiconductor region are interchanged, as a modification of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 1A. 2D is a vertical cross-sectional view of a field effect bipolar transistor having a buried structure corresponding to FIG. 2C, which is a modification of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 1A. FIG. 2E is a modification of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 1A. The field effect has a structure in which leakage current to areas other than the electric field control region is reduced by covering the periphery and bottom corresponding to FIG. 2C with an insulating layer. It is a longitudinal cross-sectional view of a bipolar transistor. 図3Aは、図2Aに対応する本発明第1実施例の半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)についての測定回路である。 図3Bは、図2Aに対応する本発明第1実施例の半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)においてエミッタ−コレクタ間電圧をパラメータとした場合のゲート電圧Vgに対するエミッタ電流Ieの測定結果を示すVg−Ie特性図である。FIG. 3A is a measurement circuit for the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 2A. FIG. 3B shows a measurement result of the emitter current Ie with respect to the gate voltage Vg when the emitter-collector voltage is used as a parameter in the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 2A. It is an Ie characteristic view. 図4Aは、図2Dに対応する本発明第1実施例の半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)についての測定回路である。 図4Bは、図2Dに対応する本発明第1実施例の半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)においてエミッタ−コレクタ間電圧をパラメータとした場合のゲート電圧Vgに対するエミッタ電流Ieの測定結果を示すVg−Ie特性図である。FIG. 4A is a measurement circuit for the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 2D. 4B shows a measurement result of the emitter current Ie with respect to the gate voltage Vg when the emitter-collector voltage is used as a parameter in the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of the first embodiment of the present invention corresponding to FIG. 2D. It is an Ie characteristic view. 図5Aは、本発明の第2実施例の半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の断面図である。 図5Bは、図5Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の断面図に対応したpn接合深層部のエネルギーバンド図(pn接合に電圧を印加しない場合)である。 図5Cは、図5Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の断面図に対応したpn接合深層部のエネルギーバンド図(エミッタ側pn接合を順方向バイアス、コレクタ側pn接合を逆方向バイアスした場合)である。 図5Dは、図5Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の断面図に対応したpn接合表層部のエネルギーバンド図(Vg=0V)である。 図5Eは、図5Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の断面図に対応したpn接合表層部のエネルギーバンド図(排斥状態)である。 図5Fは、図5Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の断面図に対応したpn接合表層部のエネルギーバンド図(反転状態)である。 図5Gは、図5Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の断面図に対応したpn接合表層部のエネルギーバンド図(蓄積状態)である。FIG. 5A is a sectional view of a semiconductor device (field effect bipolar transistor) according to a second embodiment of the present invention. FIG. 5B is an energy band diagram (when no voltage is applied to the pn junction) of the pn junction deep layer corresponding to the cross-sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 5A. FIG. 5C is an energy band diagram of the pn junction deep layer corresponding to the cross-sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. It is. FIG. 5D is an energy band diagram (V g = 0 V) of the pn junction surface layer corresponding to the cross-sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 5A. FIG. 5E is an energy band diagram (exhausted state) of the pn junction surface layer corresponding to the cross-sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 5A. FIG. 5F is an energy band diagram (inverted state) of the pn junction surface layer corresponding to the cross-sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 5A. FIG. 5G is an energy band diagram (accumulation state) of the pn junction surface layer corresponding to the cross-sectional view of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 5A. 図6Aは、図5Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の変形例で、測定に使用した埋め込み構造の電界効果バイポーラトランジスタの縦断面図である。図6Bは、図5Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の変形例で、周囲および底面を絶縁層で覆うことにより電界制御領域以外へのリーク電流を低減した構造の電界効果バイポーラトランジスタの縦断面図である。 図6Cは、図6Bの上面図である。 図6Dは、図5Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の変形例で、n形半導体領域とp形半導体領域とを入れ替えた電界効果バイポーラトランジスタの縦断面図である。 図6Eは、図5Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の変形例で、図6Dに対応した埋め込み構造の電界効果バイポーラトランジスタの縦断面図である。 図6Fは、図5Aの半導体装置(電界効果バイポーラトランジスタ)の変形例で、図6Dに対応した周囲および底面を絶縁層で覆うことにより電界制御領域以外へのリーク電流を低減した構造の電界効果バイポーラトランジスタの縦断面図である。 図6Gは、図6Fの上面図である。FIG. 6A is a vertical cross-sectional view of a field effect bipolar transistor having a buried structure used for measurement in a modification of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 5A. FIG. 6B is a modification of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 5A, and is a longitudinal section of a field effect bipolar transistor having a structure in which leakage current to areas other than the electric field control region is reduced by covering the periphery and bottom with an insulating layer. FIG. 6C is a top view of FIG. 6B. FIG. 6D is a vertical cross-sectional view of a field effect bipolar transistor in which an n-type semiconductor region and a p-type semiconductor region are interchanged in a modification of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 5A. 6E is a vertical cross-sectional view of a field effect bipolar transistor having a buried structure corresponding to FIG. 6D, which is a modification of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 5A. FIG. 6F is a modified example of the semiconductor device (field effect bipolar transistor) of FIG. 5A, and has a structure in which leakage current to a region other than the electric field control region is reduced by covering the periphery and bottom corresponding to FIG. 6D with an insulating layer. It is a longitudinal cross-sectional view of a bipolar transistor. 6G is a top view of FIG. 6F. 図7Aは、本発明の第2実施例において、図6Aの構造の電界効果バイポーラトランジスタについて、エミッタ−ベース間電圧をパラメータとした場合のゲート電圧に対するコレクタ電流特性の測定における測定回路である。 図7Bは、本発明の第2実施例において、図6Aの構造の電界効果バイポーラトランジスタについて、エミッタ−ベース間電圧をパラメータとした場合のゲート電圧に対するコレクタ電流の測定結果を示す図である。FIG. 7A is a measurement circuit for measuring the collector current characteristic with respect to the gate voltage when the emitter-base voltage is used as a parameter for the field effect bipolar transistor having the structure of FIG. 6A in the second embodiment of the present invention. FIG. 7B is a diagram showing a measurement result of the collector current with respect to the gate voltage when the emitter-base voltage is used as a parameter for the field effect bipolar transistor having the structure of FIG. 6A in the second embodiment of the present invention. 図8Aは、本発明の第2実施例において、図6Aの構造の電界効果バイポーラトランジスタについて、ゲート電圧をパラメータとした場合のコレクタ−ベース間電圧に対するコレクタ電流特性の測定における測定回路である。 図8Bは、本発明の第2実施例において、図6Aの構造の電界効果バイポーラトランジスタについて、ゲート電圧をパラメータとした場合のコレクタ−ベース間電圧に対するコレクタ電流の測定結果を示す図である。FIG. 8A is a measurement circuit for measuring the collector current characteristic with respect to the collector-base voltage when the gate voltage is used as a parameter for the field effect bipolar transistor having the structure of FIG. 6A in the second embodiment of the present invention. FIG. 8B is a diagram showing a measurement result of the collector current with respect to the collector-base voltage when the gate voltage is used as a parameter for the field effect bipolar transistor having the structure of FIG. 6A in the second embodiment of the present invention. 図9Aは、本発明の第2実施例において、図6Eの構造の電界効果バイポーラトランジスタについて、エミッタ−ベース間電圧をパラメータとした場合のゲート電圧に対するコレクタ電流特性の測定における測定回路である。 図9Bは、本発明の第2実施例において、図6Eの構造の電界効果バイポーラトランジスタについて、エミッタ−ベース間電圧をパラメータとした場合のゲート電圧に対するコレクタ電流の測定結果を示す図である。FIG. 9A is a measurement circuit for measuring the collector current characteristics with respect to the gate voltage when the emitter-base voltage is used as a parameter for the field effect bipolar transistor having the structure of FIG. 6E in the second embodiment of the present invention. FIG. 9B is a diagram showing a measurement result of the collector current with respect to the gate voltage when the emitter-base voltage is used as a parameter for the field effect bipolar transistor having the structure of FIG. 6E in the second embodiment of the present invention. 図10Aは、本発明の第2実施例において、図6Eの構造の電界効果バイポーラトランジスタについて、ゲート電圧をパラメータとした場合のコレクタ−ベース間電圧に対するコレクタ電流特性の測定における測定回路である。 図10Bは、本発明の第2実施例において、図6Eの構造の電界効果バイポーラトランジスタについて、ゲート電圧をパラメータとした場合のコレクタ−ベース間電圧に対するコレクタ電流の測定結果を示す図である。FIG. 10A is a measurement circuit for measuring the collector current characteristics with respect to the collector-base voltage when the gate voltage is used as a parameter for the field effect bipolar transistor having the structure of FIG. 6E in the second embodiment of the present invention. FIG. 10B is a diagram showing a measurement result of the collector current with respect to the collector-base voltage when the gate voltage is used as a parameter for the field effect bipolar transistor having the structure of FIG. 6E in the second embodiment of the present invention. 本発明電界効果バイポーラトランジスタ実施例3の一部の断面図である。It is a partial cross-sectional view of the field effect bipolar transistor embodiment 3 of the present invention. 本発明電界効果バイポーラトランジスタ実施例4の一部の断面図である。It is a partial sectional view of a field effect bipolar transistor embodiment 4 of the present invention. 本発明電界効果バイポーラトランジスタ実施例5の一部の断面図である。6 is a partial cross-sectional view of a field effect bipolar transistor embodiment 5 of the present invention. FIG. 本発明電界効果バイポーラトランジスタ実施例6の一部の断面図である。7 is a partial sectional view of a field effect bipolar transistor embodiment 6 of the present invention. FIG. 本発明電界効果バイポーラトランジスタ実施例7の一部の断面図である。It is a partial cross-sectional view of the field effect bipolar transistor embodiment 7 of the present invention. 本発明電界効果バイポーラトランジスタ実施例8の一部の断面図である。10 is a partial cross-sectional view of a field effect bipolar transistor embodiment 8 of the present invention. FIG. 本発明電界効果バイポーラトランジスタ実施例9の一部の断面図である。10 is a partial cross-sectional view of a field effect bipolar transistor embodiment 9 of the present invention. FIG. 本発明電界効果バイポーラトランジスタ実施例10の一部の断面図である。It is a partial cross-sectional view of the field effect bipolar transistor embodiment 10 of the present invention. 本発明電界効果バイポーラトランジスタ実施例11の一部の断面図である。It is a partial sectional view of the field effect bipolar transistor embodiment 11 of the present invention. 本発明電界効果バイポーラトランジスタ実施例12の一部の断面図である。It is a partial cross section figure of this invention field effect bipolar transistor Example 12. FIG. 本発明電界効果バイポーラトランジスタ実施例13の一部の表面図である。It is a partial surface view of the field effect bipolar transistor Example 13 of the present invention. 表1Table 1 表2Table 2 表3Table 3

符号の説明Explanation of symbols

10・・・n形半導体領域、
11・・・p形半導体領域、
12・・・絶縁被膜、
13・・・電界制御電極、
14・・・n形半導体領域、
15・・・p形半導体領域、
16・・・n形半導体領域、
17・・・電界制御電極、
18・・・p形半導体領域、
20・・・エミッタ電極、
21・・・コレクタ電極、
22・・・ゲート電極、
23・・・絶縁層、
24・・・ベース電極、
25・・・基板深部の絶縁層、
26・・・基板、
27・・・側面の絶縁層、
28・・・p形半導体領域、
29・・・n形半導体領域、
30a,32a・・・深部のpn接合
30b,32b・・・表層部のpn接合、
31・・・p形半導体領域の表層
10 ... n-type semiconductor region,
11 ... p-type semiconductor region,
12 ... Insulating coating,
13 ... Electric field control electrode,
14 ... n-type semiconductor region,
15 ... p-type semiconductor region,
16 ... n-type semiconductor region,
17 ... Electric field control electrode,
18 ... p-type semiconductor region,
20 ... Emitter electrode,
21 ... Collector electrode,
22 ... Gate electrode,
23 ... Insulating layer,
24 ... Base electrode,
25 ... Insulating layer deep in substrate,
26 ... substrate,
27 ... Insulating layer on the side surface,
28 ... p-type semiconductor region,
29... N-type semiconductor region,
30a, 32a ... deep pn junctions 30b, 32b ... surface layer pn junctions,
31 ... Surface layer of p-type semiconductor region

Claims (10)

第1のキャリアの密度が第2のキャリアの密度より高い第1半導体領域及び該第2のキャリアの密度が前記第1のキャリアの密度より高い第2半導体領域が隣り合い、それにより
、電位障壁を構成する接合体を備え、
少なくとも前記第1半導体領域に絶縁体を介在させ前記第2半導体領域との間に電荷を付与する手段によってトランジスタとして駆動し得ることを特徴とする半導体装置。
A first semiconductor region in which the density of the first carrier is higher than the density of the second carrier and a second semiconductor region in which the density of the second carrier is higher than the density of the first carrier are adjacent to each other. Comprising a joined body comprising
A semiconductor device, characterized in that it can be driven as a transistor by means for interposing an insulator at least in the first semiconductor region and for applying a charge to the second semiconductor region.
第1のキャリアの密度が第2のキャリアの密度より高い第1半導体領域及び該第2のキャリアの密度が前記第1のキャリアの密度より高い第2半導体領域が隣り合い、それにより
、電位障壁を構成する接合体を形成する工程と、
少なくとも前記第1半導体領域に絶縁体を介在させ前記第2半導体領域との間に電荷を付与する工程と、
を備え、それにより、トランジスタとして駆動し得ることを特徴とする半導体装置の駆動方法。
A first semiconductor region in which the density of the first carrier is higher than the density of the second carrier and a second semiconductor region in which the density of the second carrier is higher than the density of the first carrier are adjacent to each other. Forming a joined body comprising:
Providing an electric charge between the second semiconductor region by interposing an insulator at least in the first semiconductor region;
A method for driving a semiconductor device, characterized in that it can be driven as a transistor.
前記第1半導体領域は、第1不純物濃度を持ち、
前記第2半導体領域は、第2不純物濃度を持ち、
前記接合体は、これら第1及び第2半導体領域が接合面で隣り合う半導体装置であって、
前記接合面の近傍で少なくとも前記第1半導体領域に絶縁体を介して接合される第1電極と、
前記第1半導体領域に接続される第2電極と、
前記第2半導体領域に接続される第3電極と、
を備え、
これら第2及び第3電極間に順方向バイアスが印加され、前記接合面に対応して前記電位障壁を低下させると共に、
前記第1電極と前記第2電極との間に電位差を与えることにより、前記電位障壁が変化し、前記第1半導体領域は、前記絶縁体との境界の表層に、前記第2キャリア密度の変化する表面近傍領域が、前記第2電極及び前記第3電極の間に駆動電流を流すチャネルとして形成される結果、トランジスタとして駆動され得ることを特徴とする請求項1に記載の半導体装置。
The first semiconductor region has a first impurity concentration,
The second semiconductor region has a second impurity concentration;
The bonded body is a semiconductor device in which the first and second semiconductor regions are adjacent to each other at a bonding surface,
A first electrode bonded to at least the first semiconductor region via an insulator in the vicinity of the bonding surface;
A second electrode connected to the first semiconductor region;
A third electrode connected to the second semiconductor region;
With
A forward bias is applied between the second and third electrodes to lower the potential barrier corresponding to the bonding surface,
By applying a potential difference between the first electrode and the second electrode, the potential barrier changes, and the first semiconductor region changes in the second carrier density on the surface layer at the boundary with the insulator. 2. The semiconductor device according to claim 1, wherein the surface vicinity region to be formed can be driven as a transistor as a result of being formed as a channel through which a drive current flows between the second electrode and the third electrode.
前記第1半導体領域は、第1不純物濃度を持ち、
前記第2半導体領域は、第2不純物濃度を持ち、
前記接合体は、これら第1及び第2半導体領域が接合面で隣り合う半導体装置の駆動方法
であって、
前記接合面の近傍で少なくとも前記第1半導体領域に絶縁体を介して接合される第1電極を形成する工程と、
前記第1半導体領域に接続される第2電極を形成する工程と、
前記第2半導体領域に接続される第3電極を形成する工程と、
を備え、これら第2及び第3電極間に順方向バイアスが印加され、前記接合面に対応して前記電位障壁を低下させると共に、
前記第1電極と前記第2電極との間に電位差を与えることにより、前記電位障壁が変化し、前記第1半導体領域は、前記絶縁体との境界の表層に、前記第2キャリア密度の変化する表面近傍領域が、前記第2電極及び前記第3電極の間に駆動電流を流すチャネルとして形成される結果、トランジスタとして駆動され得ることを特徴とする請求項2に記載の半導体装置の駆動方法。
The first semiconductor region has a first impurity concentration,
The second semiconductor region has a second impurity concentration;
The joined body is a method for driving a semiconductor device in which the first and second semiconductor regions are adjacent to each other at a joining surface,
Forming a first electrode bonded to at least the first semiconductor region via an insulator in the vicinity of the bonding surface;
Forming a second electrode connected to the first semiconductor region;
Forming a third electrode connected to the second semiconductor region;
A forward bias is applied between the second and third electrodes to lower the potential barrier corresponding to the junction surface,
By applying a potential difference between the first electrode and the second electrode, the potential barrier changes, and the first semiconductor region changes in the second carrier density on the surface layer at the boundary with the insulator. 3. The method of driving a semiconductor device according to claim 2, wherein the surface vicinity region to be formed can be driven as a transistor as a result of being formed as a channel through which a drive current flows between the second electrode and the third electrode. .
第1のキャリアの密度が第2のキャリアの密度より高い第1半導体領域を挟む位置に、前記第2のキャリアの密度が前記第1のキャリアの密度よりも高い第2及び第3半導体が隣り合い、第1及び第2の電位障壁を構成する接合体と、
前記第1半導体領域は一方及び他方の面を持ち、該一方の面に絶縁体を介して接合された第1電極と、
前記第2半導体領域に接続される第2電極と、
前記第3半導体領域に接続される第3電極と、
前記第1半導体領域の両面のいずれかの面に接続される第4電極と、
を備える半導体であって、
前記第1電極と前記第4電極との間に電位差を与える手段により、前記第1及び第2の電位障壁のうち少なくともいずれか一方が変化し、前記第1半導体領域は、前記絶縁体と
の境界に、表面近傍領域が、駆動電流を流すチャネルとして形成され、これにより、トランジスタとして駆動され得ることを特徴とする半導体装置。
Second and third semiconductors having a density of the second carrier higher than the density of the first carrier are adjacent to each other at a position sandwiching the first semiconductor region where the density of the first carrier is higher than the density of the second carrier. A joined body constituting the first and second potential barriers;
The first semiconductor region has one surface and the other surface, and is joined to the one surface via an insulator;
A second electrode connected to the second semiconductor region;
A third electrode connected to the third semiconductor region;
A fourth electrode connected to any one of both surfaces of the first semiconductor region;
A semiconductor comprising:
At least one of the first and second potential barriers is changed by means for applying a potential difference between the first electrode and the fourth electrode, and the first semiconductor region is connected to the insulator. A semiconductor device characterized in that a surface vicinity region is formed at a boundary as a channel through which a driving current flows, and thereby can be driven as a transistor.
第1のキャリアの密度が第2のキャリアの密度より高い第1半導体領域を挟む位置に、前記第2のキャリアの密度が前記第1のキャリアの密度よりも高い第2及び第3半導体が隣り合い、第1及び第2の電位障壁を構成する接合体を形成する工程と、
前記第1半導体領域は一方及び他方の面を持ち、該一方の面に絶縁体を介して接合された第1電極を形成する工程と、
前記第2半導体領域に接続される第2電極を形成する工程と、
前記第3半導体領域に接続される第3電極を形成する工程と、
前記第1半導体領域の両面のいずれかの面に接続される第4電極を形成する工程と、
を備える半導体の駆動方法であって、
前記第1電極と前記第4電極との間に電位差を与える工程を備え、これにより、前記第1及び第2の電位障壁のうち少なくともいずれか一方が変化し、前記第1半導体領域は、
前記絶縁体との境界に、表面近傍領域が、駆動電流を流すチャネルとして形成され、これにより、トランジスタとして駆動され得ることを特徴とする半導体装置の駆動方法。
The second and third semiconductors having a density of the second carrier higher than the density of the first carrier are adjacent to each other at a position sandwiching the first semiconductor region where the density of the first carrier is higher than the density of the second carrier. Forming a joined body constituting the first and second potential barriers;
The first semiconductor region has one and other surfaces, and a step of forming a first electrode bonded to the one surface via an insulator;
Forming a second electrode connected to the second semiconductor region;
Forming a third electrode connected to the third semiconductor region;
Forming a fourth electrode connected to any one of both surfaces of the first semiconductor region;
A semiconductor driving method comprising:
Providing a potential difference between the first electrode and the fourth electrode, whereby at least one of the first and second potential barriers changes, and the first semiconductor region includes:
A method for driving a semiconductor device, characterized in that a region near the surface is formed as a channel through which a driving current flows at a boundary with the insulator, and thereby can be driven as a transistor.
一方及び他方の面を持ち、前記一方の面上に絶縁体を介して第1電極が接合された第1不純物濃度を持つp形基板と、前記第1電極を挟む前記一方の面に埋め込まれる前記第1不純物濃度より高濃度の第1及び第2のnプラス半導体領域と、
前記一方の面に埋め込まれる前記第1不純物濃度より高濃度のpプラス半導体領域と、
前記第1のnプラス半導体領域に直接接続される第2電極と、
前記第2のnプラス半導体領域に直接接続される第3電極と、
前記pプラス半導体領域に直接接続される第4電極と、を備え、
前記第2電極及び前記第4電極間に順方向バイアスが印加される半導体であって、
前記第1電極と前記第4電極との間の動作領域において、前記第1電極に正の電位を与える手段によって、前記p形基板における多数キャリアの正孔を排斥状態にして少数キャリアの伝導電子の拡散電流を増加させると共に、
前記動作領域を負の方向に移行させる電位を与え、前記p形基板における多数キャリアの正孔を蓄積状態に近づけ少数キャリアの伝導電子の拡散電流を減少させることで、前記p形基板の表層で前記第1のnプラス半導体領域の伝導電子を前記p形基板に移動させ、電界により制御可能とすることを特徴とする半導体装置。
A p-type substrate having a first impurity concentration having one and the other surfaces and having the first electrode bonded to the one surface via an insulator and embedded in the one surface sandwiching the first electrode First and second n plus semiconductor regions having a concentration higher than the first impurity concentration;
A p plus semiconductor region having a higher concentration than the first impurity concentration embedded in the one surface;
A second electrode connected directly to the first n-plus semiconductor region;
A third electrode directly connected to the second n-plus semiconductor region;
A fourth electrode directly connected to the p plus semiconductor region,
A semiconductor to which a forward bias is applied between the second electrode and the fourth electrode,
In the operation region between the first electrode and the fourth electrode, by means for applying a positive potential to the first electrode, the majority carrier holes in the p-type substrate are eliminated, and minority carrier conduction electrons While increasing the diffusion current of
By applying a potential for moving the operating region in a negative direction, the holes of the majority carriers in the p-type substrate are brought close to the accumulation state, and the diffusion current of conduction electrons of the minority carriers is reduced, so that the surface layer of the p-type substrate A semiconductor device characterized in that conduction electrons in the first n-plus semiconductor region are moved to the p-type substrate and can be controlled by an electric field.
一方及び他方の面を持ち、前記一方の面上に絶縁体を介して第1電極が接合された第1不純物濃度を持つp形基板を形成する工程と、前記第1電極を挟む前記一方の面に埋め込まれる前記第1不純物濃度より高濃度の第1及び第2のnプラス半導体領域を形成する工程と、
前記一方の面に埋め込まれる前記第1不純物濃度より高濃度のpプラス半導体領域を形成する工程と、
前記第1のnプラス半導体領域に直接接続される第2電極を形成する工程と、
前記第2のnプラス半導体領域に直接接続される第3電極を形成する工程と、前記pプラス半導体領域に直接接続される第4電極を形成する工程と、を備え、
前記第2電極及び前記第4電極間に順方向バイアスが印加される半導体の駆動方法であって、
前記第1電極と前記第4電極との間の動作領域において、前記第1電極に正の電位を与える工程を備え、前記p形基板における多数キャリアの正孔を排斥状態にして少数キャリアの伝導電子の拡散電流を増加させると共に、
前記動作領域を負の方向に移行させる電位を与える工程を更に備え、前記p形基板における多数キャリアの正孔を蓄積状態に近づけ少数キャリアの伝導電子の拡散電流を減少させることで、前記p形基板の表層で前記第1のnプラス半導体領域の伝導電子を前記p形基板に移動させ、電界により制御可能とすることを特徴とする半導体装置の駆動方法。
Forming a p-type substrate having a first impurity concentration having one and the other surface and having the first electrode joined to the one surface via an insulator; and the one surface sandwiching the first electrode Forming first and second n plus semiconductor regions having a higher concentration than the first impurity concentration embedded in a surface;
Forming a p plus semiconductor region having a higher concentration than the first impurity concentration embedded in the one surface;
Forming a second electrode directly connected to the first n-plus semiconductor region;
Forming a third electrode directly connected to the second n-plus semiconductor region, and forming a fourth electrode directly connected to the p-plus semiconductor region,
A semiconductor driving method in which a forward bias is applied between the second electrode and the fourth electrode,
A step of applying a positive potential to the first electrode in an operation region between the first electrode and the fourth electrode, wherein the majority carrier holes in the p-type substrate are rejected to conduct minority carriers. While increasing the electron diffusion current,
A step of applying a potential for moving the operating region in the negative direction, and bringing the holes of majority carriers in the p-type substrate closer to the accumulation state to reduce the diffusion current of conduction electrons of minority carriers, thereby reducing the p-type A driving method of a semiconductor device, wherein conduction electrons in the first n-plus semiconductor region are moved to the p-type substrate on the surface layer of the substrate and can be controlled by an electric field.
一方及び他方の面を持ち、前記一方の面上に絶縁体を介して第1電極が接合された第1不純物濃度を持つn形基板と、前記第1電極を挟む前記一方の面に埋め込まれる前記第1不純物濃度より高濃度の第1及び第2のpプラス半導体領域と、
前記一方の面に埋め込まれる前記第1不純物濃度より高濃度のnプラス半導体領域と、
前記第1のpプラス半導体領域に直接接続される第2電極と、
前記第2のpプラス半導体領域に直接接続される第3電極と、
前記nプラス半導体領域に直接接続される第4電極と、を備え、
前記第2電極及び前記第4電極間に順方向バイアスが印加される半導体であって、
前記第1電極と前記第4電極との間の動作領域において、前記第1電極に負の電位を与える手段によって、前記n形基板における多数キャリアの伝導電子を排斥状態にして少数キャリアの正孔の拡散電流を増加させると共に、
前記動作領域を正の方向に移行させる電位を与え、前記n形基板における多数キャリアの伝導電子を蓄積状態に近づけ少数キャリアの正孔の拡散電流を減少させることで、前記n形基板の表層で前記第1のpプラス半導体領域の正孔を前記n形基板に移動させ、電界により制御可能とすることを特徴とする半導体装置。
An n-type substrate having a first impurity concentration, having one and the other surfaces and having the first electrode joined to the one surface via an insulator, and embedded in the one surface sandwiching the first electrode First and second p plus semiconductor regions having a concentration higher than the first impurity concentration;
An n-plus semiconductor region having a higher concentration than the first impurity concentration embedded in the one surface;
A second electrode connected directly to the first p-plus semiconductor region;
A third electrode directly connected to the second p-plus semiconductor region;
A fourth electrode connected directly to the n-plus semiconductor region,
A semiconductor to which a forward bias is applied between the second electrode and the fourth electrode,
In the operation region between the first electrode and the fourth electrode, by means of applying a negative potential to the first electrode, the conduction electrons of the majority carrier in the n-type substrate are rejected, and the holes of the minority carrier While increasing the diffusion current of
By applying a potential for moving the operating region in the positive direction and bringing the conduction electrons of majority carriers in the n-type substrate closer to the accumulation state and reducing the diffusion current of the holes of minority carriers, the surface layer of the n-type substrate A semiconductor device, wherein holes in the first p-plus semiconductor region are moved to the n-type substrate and can be controlled by an electric field.
一方及び他方の面を持ち、前記一方の面上に絶縁体を介して第1電極が接合された第1不純物濃度を持つn形基板を形成する工程と、前記第1電極を挟む前記一方の面に埋め込まれる前記第1不純物濃度より高濃度の第1及び第2のpプラス半導体領域を形成する工程と、
前記一方の面に埋め込まれる前記第1不純物濃度より高濃度のnプラス半導体領域を形成する工程と、
前記第1のpプラス半導体領域に直接接続される第2電極を形成する工程と、
前記第2のpプラス半導体領域に直接接続される第3電極を形成する工程と、
前記nプラス半導体領域に直接接続される第4電極を形成する工程と、を備え、
前記第2電極及び前記第4電極間に順方向バイアスが印加される半導体の駆動方法であって、
前記第1電極と前記第4電極との間の動作領域において、前記第1電極に負の電位を与える工程を備え、前記n形基板における多数キャリアの伝導電子を排斥状態にして少数キャリアの正孔の拡散電流を増加させると共に、
前記動作領域を正の方向に移行させる電位を与える工程を更に備え、前記n形基板における多数キャリアの伝導電子を蓄積状態に近づけ少数キャリアの正孔の拡散電流を減少させることで、前記n形基板の表層で前記第1のpプラス半導体領域の正孔を前記n形基板に移動させ、電界により制御可能とすることを特徴とする半導体装置の駆動方法。
Forming an n-type substrate having a first impurity concentration having one and the other surface and having the first electrode joined to the one surface via an insulator; and the one surface sandwiching the first electrode Forming first and second p plus semiconductor regions having a higher concentration than the first impurity concentration embedded in a surface;
Forming an n plus semiconductor region having a higher concentration than the first impurity concentration embedded in the one surface;
Forming a second electrode directly connected to the first p-plus semiconductor region;
Forming a third electrode directly connected to the second p-plus semiconductor region;
Forming a fourth electrode connected directly to the n-plus semiconductor region,
A semiconductor driving method in which a forward bias is applied between the second electrode and the fourth electrode,
A step of applying a negative potential to the first electrode in an operation region between the first electrode and the fourth electrode, wherein conduction electrons of the majority carriers in the n-type substrate are rejected, and While increasing the diffusion current of the holes,
A step of applying a potential to shift the operating region in a positive direction, and bringing the conduction electrons of majority carriers in the n-type substrate closer to the accumulation state and reducing the diffusion current of the holes of minority carriers, thereby A method for driving a semiconductor device, wherein holes in the first p-plus semiconductor region are moved to the n-type substrate on a surface layer of the substrate and can be controlled by an electric field.
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