Биполярно-полевые структуры с мдп транзисторами.

Варианты схем, содержащие все три вида транзисторов, весьма многочисленны. Наиболее часто они используются в ячейках памяти. Рассмотрим три конструкции:

1. В этой конструкции не требуется дополнительных технологических операций.

Эта структура содержит вертикальный n–p–n транзистор и 2 МДП транзистора, соединенные по К-МОП технологии. В транзисторе можно создавать поликремниевые плавкие перемычки, присоединенные к эмиттеру программирующего n–p–n транзистора через контактные окна над его диффузионной эмиттерной областью. Другие концы присоединяются к столбцовым линиям через непосредственный контакт к металлической разводке.

2. Представляет собой ячейку памяти на основе инжекционно – полевой логики и содержит нагрузочный биполярный p–n–p транзистор, переключающий полевой и n – канал МДП транзистор.

Данная ячейка обладает повышенным быстродействием, присущим ячейкам на биполярных транзисторах; малой энергией переключения и высокой степенью интеграции, благодаря функционально интегрированным областям.

3. Инжекционно-полевая логика с диодом Шоттки и полевой МПТ.

Технология производства структур 2 и 3 сложна и содержит до 12 фотолитографических обработок и целый ряд современных прецизионных операций. Однако, на это идут, т.к. объединение в одном кристалле все трех типов транзисторов позволяет улучшить электрические характеристики аналоговых ИС за счет достоинств различных типов транзисторов.

Мдп элементы полупроводниковых пзу.

Элементной базой полупроводниковых ПЗУ служат интегральные диоды, биполярные транзисторы или МДП транзисторы, размещенные в узлах двухкоординатной матрицы. Запись информации в таких ПЗУ производится либо на стадии производства, либо прожиганием специальных элементов. В такие ПЗУ информация заносится однократно и не может быть изменена.

В микропроцессорных системах с целью изменения информации применяется перепрограммируемые ПЗУ (ППЗУ). Элементной базой современных ППЗУ являются лавинно- инжекционные МДП транзисторы с плавающим затвором (ЛИПЗМДП), ЛИПЗМДП с плавающим и управляющим затвором и МНОП транзисторы. Исторически первой и самой простой является конструкция на основе p – канальной технологии.

Толщина подзатворного диэлектрика 0,1 мкм.

Для заряда электронами плавающего затвора на сток подается отрицательный импульс напряжения. Величина аккумулированного заряда на плавающем затворе зависит от амплитуды и длительности импульсов, геометрических размеров и свойств материалов подзатворного диэлектрика. После заряда плавающего затвора в области канала образуется инверсионный слой p – типа и транзистор открыт (хранит 0), т.к. плавающий затвор со всех сторон окружает диэлектрик, то заряд не рассасывается. Исследования стабильности показали, что за 10 лет при 125^оС заряд уменьшился не более, чем на 30%.

Стирание информации в таком транзисторе осуществляется УФ лучами. Для этого корпус ППЗУ снабжается окном из очень дорогого кварцевого стекла, что делает ППЗУ этого класса очень дорогим.

Недостатком этого типа транзисторов является также стирание информации сразу во всех ячейках и необходимость еще одного МДП транзистора для организации выборки:

Дальнейшим развитием данной конструкции стала конструкция с двумя затворами (плавающим и управляющим).

В процессе заряда на управляющей затвор подается положительный потенциал, что повышает уровень инжекции и эффективность записи. Стирание информации производится электрически подачей на управляющей затвор импульса высокого положительного потенциала. Эти транзисторы позволяют стирать информацию выборочно без изъятия из устройства, и они называются ЭСППЗУ.

Недостаток: большое время и напряжение стирания (примерно 80В).

Транзистор выдерживает до 500 циклов перезаписи.

Для устранения этих недостатков применяются следующие конструкции:

В а) УЗ служит только для стирания информации и изолирован от плавающего затвора слои нитрида кремния примерно равный 0,07 мкм. Это позволяет производить перезапись быстрее и при низких напряжениях.

В конструкциях б) и в) запись информации производится обычным образом за счет инжекционных электронов из обратносмещенного p⁺–n перехода, а стирание за счет инжекции дырок из обратносмещенного n⁺–p перехода при положительном U_ПИ и отрицательном потенциале на управляющем затворе. Поэтому эти транзисторы имеют 2 пороговых напряжения по управляющему затвору- положительное и отрицательное.

Недостатком этой конструкции является необходимость в дополнительном транзисторе, как и в предыдущем случае. Кроме этого память на p – канальных МДП транзисторах имеет малое быстродействие из-за низкой подвижности дырок в кремнии по сравнению с электронами.

Перспективными являются СБИС ЭСППЗУ большой емкости и высокого быстродействия на основе n- канальных МДП транзисторов с плавающим и управляющими затворами, изготовленными по совмещенной технологии с применением пленок поликремния для обоих затворов, самосовмещением и ионным легированием.

Управление осуществляется за счет емкостных связей, управляющий затвор – плавающий затвор и плавающий затвор – подложка. Для достижения максимальной емкостной связи толщина межзатворного диэлектрика делается соизмеримой с толщиной подзатворного диэлектрика. Величина накопленного заряда Q определяется геометрическим размером ячейки и амплитудой импульсов записи, прикладывающийся к управляемому затвору и стоку (приблизительно равно +20В).

В незаряженном состоянии пороговое напряжение ячейки имеет низкое значение (U₀≈ 2..3В). А после заряда плавающего затвора оно увеличивается на величину Q/С_м3 (С_м3- межзатворная емкость).

Т.о. если на управляющий затвор подать напряжение 2В U₀ (3+ Q/С_м3), то незаряженная ячейка откроется, а заряженная останется закрытой. Это позволяет в узле ЭСППЗУ обойтись без дополнительного транзистора.

Но в рассмотренной конструкции есть противоречия между быстротой записи информации и длительностью хранения. Диэлектрик должен с одной стороны быстро пропускать через себя горячие электроны при заряде, а с другой должен их надежно удерживать.

Поэтому были разработаны конструкции в которых заряд производится не за счет горячих электронов, а за счет туннельного эффекта. Заряд производится через тонкий подзатворный туннельный окисел толщиной (10 - 20)мкм из нитрида кремния. Вырастить такой тонкий окисел технологически трудно. Однако это окупается следующим преимуществами:

• малый расход энергии и высокая эффективность заряда и хранения;

• туннельный эффект двухсторонний, поэтому его можно использовать как для заряда, так и разряда;

• малая площадь туннельного окисла, и как следствие, высокая степень интеграции.

В а) туннельный окисел располагается над каналом. При подаче на управляющий затвор напряжения при нулевом потенциале на стоке и истоке происходит заряд транзистора. И наоборот – при подаче положительного напряжения (≈17В) на сток, исток и подложку и "нулевого" потенциала на управляющем затвор происходит разряд ячейки. Запоминающий элемент располагается в p – кармане, что позволяет осуществлять развязку между матричным накопителем и схемой управления.

В б) туннельный окисел расположен над стоковой n⁺ – областью. Сформировать такой окисел значительно труднее, но преодоление таких трудностей позволяет создать ЭСППЗУ с побайтовой записью и стиранием информации.

На практике широко применяется также следующая конструкция:

В этой конструкции короткий примерно 3,5мкм канал. Плавающий затвор лишь частично перекрывает канал, принадлежащий к стоковой области и немного перекрывает область истока. Туннельный эффект используется только для стирания информации, а запись производится обычными горячими электронами. Эта конструкция не требует введения в ячейку дополнительных транзисторов, что существенно уменьшает площадь ячейки памяти. Подобная конструкция n – канального транзистора используется в программируемых логических матрицах, в которых конфигурация электрических цепей может изменяться программирование ключей.