一种基于pn结的逻辑运算器件的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种基于pn结的基本元件，和用这种元件构成的可用于实现逻辑电路运算的器件。本发明的一种基于pn结的可构成逻辑运算器件的元件，由pn结和位于pn结外的位于绝缘层上的电极构成，它由在pn结之上设置一个绝缘层和位于绝缘层之上的电极构成的栅极，位于pn结外的p型区域和n型区域分别接信号的接线端构成。由本发明的这种器件可构成不同的逻辑运算的器件。本发明的元器件结构简单，继承了传统的硅工艺，不需要其他特殊的工艺，与传统的BJT和MOSFET相比体积更加微小，可实现更高的集成度，而且本发明用于逻辑运算电路，既可以用电压驱动，也可以用电流驱动，且驱动电压和电流比较低，具有广阔的应用前景。
【专利说明】
一种基于pn结的逻辑运算器件
技术领域
[0001]本发明涉及一种可用于实现逻辑电路运算的器件及构成所述逻辑电路器件的基于pn结基本元件。
【背景技术】
[0002]信息时代的发展离不开逻辑电路的推动，由于逻辑电路，特别是数字逻辑电路只分高低电平，抗干扰能力强，精确度高，因此广泛应运于数字通讯，自动化等领域，而组成逻辑电路的基本器件大都以双极性晶体管(BJT)，场效应晶体管(MOSFET)为主，其构成相对较复杂，制备较为困难，而且成本也相对较高。
【发明内容】
[0003]本发明提供一种可用于构成逻辑电路的器件的基本元件，同时提供用这种基本元件构成的逻辑电路器件。
[0004]本发明的一种基于pn结的可构成逻辑运算器件的元件，由pn结和位于pn结外的位于绝缘层上的电极构成，它由在pn结之上设置一个绝缘层和位于绝缘层之上的电极构成的栅极，位于pn结外的P型区域和η型区域分别接信号的接线端构成。
[0005]本发明的基于pn结的逻辑运算器件的绝缘层为二氧化硅。
[0006]本发明的基于pn结的可构成逻辑运算器件的元件制备方法为先制作一个简单的横向轻掺杂的pn结，然后在横向pn结的正上方生长一层Si02，之后在Si02的上面生长一个金属电极。
[0007]本发明是受到MOSFET器件结构的启发，在基本半导体器件pn结的基础上，加一个绝缘栅控极，将pn结改造成为一个新型的三端器件，受到栅控能力的影响，pn结的1-V特性曲线会发生移动，根据这个特性，将其与电阻元件相组合，组装成的电路可以实现逻辑运算的功能。
[0008]本发明的一种“非”逻辑运算的器件是用所述的元件的一个接线端接地作为阴极，另一个接线端与一个高阻值电阻元件相连接、电阻再接一个高电平作为阳极，元件的pn上的栅极为输入电压，元件两端的接线端为输出电压。
[0009]本发明的一种实现“与非”逻辑运算的器件，是用前述的元件按pn-pn的顺序串联起来，一个元件的输入端接地为阴极，另一个元件的输入端与一个高阻值电阻元件相连接、电阻再接一个高电平作为阳极，两个元件的pn上的栅极分别接输入电压Vinl和Vin2，两元件靠近高电平的一侧的接线端为输出电压端。
[0010]本发明的一种实现“或非”逻辑运算的器件是用两个前述的元件对称并联起来，一个并联端接地为阴极，另一个并联端与一个高阻值电阻元件相连接、电阻再接一个高电平作为阳极，两个元件pn结的栅极分别接输入电压Vinl和Vin2，两并联端为输出电压端。
[0011]本发明的元器件结构简单，继承了传统的硅工艺，不需要其他特殊的工艺，与传统的BJT和MOSFET相比体积更加微小，可实现更高的集成度，而且本发明用于逻辑运算电路，既可以用电压驱动，也可以用电流驱动，且驱动电压和电流比较低，具有广阔的应用前景。
【附图说明】
[0012]附图给出了本发明的器件垂直剖面结构图和本发明应用于实现逻辑电路运算的几个简单的电路图，其中:
[0013]图1为本发明的纵向剖面结构示意图。
[0014]图2为本发明pn结元件在栅极分别加高电平0.5V和低电平OV时的1-V特性曲线。
[0015]图3为本发明pn结逻辑器件与电阻元件串联组成的逻辑“非”运算电路。
[0016]图4为两个pn结逻辑器件按照pn-pn的结构串联，再与两个电阻元件组成的电路结构，可用于实现逻辑运算“与非”。
[0017]图5为两个pn结逻辑器件并联后，再与一个电阻串联的结构，可用于实现逻辑运算“或非”。
[0018]图6为非门电路输入输出电压的模拟波形图。
[0019]图7为“或非”门电路输入输出电压的模拟波形图。
[0020]图8为“与非”门电路输入输出电压的模拟波形图。
【具体实施方式】
[0021]以下对本发明做详细的解释。
[0022]本发明是受到MOSFET的启发，在基础的半导体器件pn结上进行创新改造，也就是在横向的pn结之上生长一层绝缘介质层，之后再生长一层Al电极，器件的剖面结构如附图1所示。由于该器件是与传统的pn结工艺相兼容的，因此利用传统的pn结工艺即可制成。
[0023]因为器件的基本结构是由MOSFET演变而来，因此其工作原理也与MOSFET相类似。在栅极加上偏压之后会在沟道中相应的地方形成积累层和反型层，从而改变器件沟道的电导，因此，器件的1-V特性也发生了变化。该元件在栅极分别加高电平0.5V和低电平OV时的1-V特性曲线参见附图2。
[0024]栅极偏压可以让本发明器件的1-V特性发生变化，利用该栅控能力，将本发明中的pn结逻辑运算器件中阴极(η型区)接地，阳极(P型区)和一个高阻值电阻元件相连接，电阻再接一个高电平，将pn结逻辑运算器件的栅极作为输入电压Vin，pn结的逻辑运算器件的阳极电压记为输出电压Vciut。按前述方法即形成一个“非”逻辑运算的器件，参见附图3，当其栅极外加低电平时，即相当于Vin= “O”，此时由于流过pn结的电流比较小，电阻上承受的压降相对较小，而pn结阳极的电压则相对较高，即相当于Vciut= “I”；反之，栅极外加高电平时，即Vm= “I”，由于pn结电导变大，则流过pn结的电流变大，电阻承受的压降自然相对变大，因此pn结的阳极电压即降低，相当于Vciut= “O”。所以，只要选择合理的参数，组成的这个简单的电路就可以实现简单的逻辑“非”，其输入输出电压的波形图如图6所示。
[0025]将本发明中的两个pn结的元件按照pn-pn的顺序串联起来，参见附图4，然后在左边pn结元件的P型区一端串联一个高阻值电阻，电阻再接高电平，将两个pn结逻辑器件的栅极输入电压分别记为Vinl和Vin2，靠近高电平的一侧的pn结逻辑器件的阳极电压记为输出电压Vciut,这样只有在两个pn结逻辑器件同时加高的栅偏压，即栅极均接高电平，才会使pn结逻辑器件阳极的电压降低，输出低电平，这个是“与非”电路的特性，所以只要选择合适的参数，组成的这个简单的电路即可实现逻辑“与非”，其输入输出电压的波形图如图8所示。
[0026]将本发明中两个pn结的元件对称并联起来，然后将并联后元件的阳极(P型区端)端与电阻串联，同样的电阻再接接高电平，参见附图5，将两个pn结逻辑运算器件的栅极输入电压分别记为Vinl和Vin2，pn结逻辑器件阳极的电压记为输出电压V-，这样只要有一个栅极接高电平，电流就会增大，电阻上承受的压降就会增大，使阳极输出低电压，这是“或非”电路的特性，所以只要选择合适的参数，组成的这个简单的电路即可实现逻辑“或非”，其输入输出电压的波形图如图7所示。
[0027]通过以上的实例可见，本发明可以作为逻辑运算电路的基本器件，这为集成电路元器件的选择增加了一种新的选项。
【主权项】
1.一种基于pn结的可构成逻辑运算器件的元件，由pn结和位于pn结外的位于绝缘层上的电极构成，其特征在于该逻辑运算器件Pn结之上设置一个绝缘层和位于绝缘层之上的电极构成的栅极，位于pn结外的P型区域和η型区域分别接信号的接线端。2.根据权利要求1所述的基于pn结的逻辑运算器件，其特征在于栅极中的绝缘层为二氧化硅。3.权利要求1或2所述的基于pn结的可构成逻辑运算器件的元件的制备方法，其特征在于先制作一个简单的横向轻掺杂的pn结，然后在横向pn结的正上方生长一层Si02，之后在Si〇2的上面生长一个金属电极。4.一种实现“非”逻辑运算的器件，其特征在于在权利要求1或2所述的元件的一个接线端接地作为阴极，另一个接线端与一个高阻值电阻元件相连接、电阻再接一个高电平作为阳极，元件的pn上的栅极为输入电压，元件两端的接线端为输出电压。5.—种实现“与非”逻辑运算的器件，其特征在于用两个权利要求1或2所述的元件按pn-pn的顺序串联起来，一个元件的输入端接地为阴极，另一个元件的输入端与一个高阻值电阻元件相连接、电阻再接一个高电平作为阳极，两个元件的pn上的栅极分别接输入电压Vinl和Vin2，两元件靠近高电平的一侧的接线端为输出电压端。6.—种实现“或非”逻辑运算的器件，其特征在于用两个权利要求1或2所述的元件对称并联起来，一个并联端接地为阴极，另一个并联端与一个高阻值电阻元件相连接、电阻再接一个高电平作为阳极，两个元件pn结的栅极分别接输入电压Vinl和Vin2，两并联端为输出电压端。
【文档编号】H03K17/56GK106067798SQ201610517487
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月4日
【发明人】杨建红, 杨盼, 庞正鹏, 陈健, 谌文杰
【申请人】兰州大学