DE2555002C2

DE2555002C2 - Gleichstromstabile Speicherzelle mit einem bipolaren Transistor und Verfahren zu deren Betrieb

Info

Publication number: DE2555002C2
Application number: DE2555002A
Authority: DE
Inventors: Shashi Dhar Fishkill N.Y. Malaviya
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1974-12-23
Filing date: 1975-12-06
Publication date: 1984-09-06
Also published as: AR210591A1; FR2296245B1; IT1050018B; DE2555002A1; FR2296245A1; BR7508615A; US3914749A; JPS5339752B2; JPS5178693A; GB1530317A

Description

— Anlegen einer Sperrvorspannung an Emitter- und Koilektorelekrrode, wodurch der innen liegende Bereich (14) der Basiszone abgeschnürt wird und das Potential des; zweiten außen liegenden Bereichs (12) der Basiszone ansteigt;

— Abschalten des Sperrpotentials von der Emitterelektrode, wodurch das Emitterpotential auf einen ersten stabilen Wert ansteigt, und

^3d — Anlegen eines Potentials an die Emitterelektrode, welches unterhalb des zum Aufrechterhalten des

ersten stabilen Zustandes erforderlichen Potentials liegt, wodurch das Emitterpotential auf einen zweiten stabilen Wert abgesenkt wird.

7. Verfahren zum zerstörungsfreien Auslesen der stabilen Speicher/.ustände der Speicherzelle gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spannung über einen Reihenwiderstand an den zweiten außen liegenden Bereich der Basiszone angelegt wird, welche mindestens gleich hoch ist, wie das höhere der beiden an dem zweiten außen liegenden Bereich der Basiszone auftretenden Potentiale, wobei der Wert des Reihenwiderstandes so hoch gewählt wird, daß dadurch das niedrigere der beiden Potentiale beeinflußt wird, und

daß dann die Größe des von der Spannungsquelle durch den zweiten außen liegenden Bereich der Basiszone fließenden Stromes in der Weise ausgewertet wird, daß die Anwesenheit oder Abwesenheit eines merklichen Stromes als Anzeichen für das höhere bzw. niedrigere Potential des zweiten außen liegenden Bereiches der Basiszone dient.

Die Erfindung betrifft eine in integrierter Schaltungstechnik herstellbare, gleichstromstabile Speicherzelle mit nur einem bipolaren Transistor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu deren Betrieb.

Nachdem die Vorteile von aus Halbleitern aufgebauten Speicheranordnungen mit wahlfreiem Zugriff über magnetische Speicher vor einigen Jahren offenbar wurden, hat man die weiteren Versuche darauf gerichtet, einfachere und zuverlässigere Vorrichtungen zu schaffen. Eine typische Halbleiter-Speicherzelle benötigt nämlich wesentlich weniger Leistung und ist viel schneller als magnetische Vorrichtungen.

Datenspeichersysteme mit aus Feldeffekttransistoren mit isolierter Gate-Elektrode oder bipolaren Transistoren aufgebauten Speicherelementen werden heute vorwiegend benutzt. Feldeffekttransistoren mit isolierter w) Gate-Elektrode, sogenannte IGFETs, sind weniger kostspielig in der Herstellung und können dichter gepackt werden als bipolare Schaltungen, doch sind letztere wiederum schneller. Die Entwickler in dieser Technik sind sich jedoch darüber im klaren, daß bisher keine Halbleiterspeichcrzelle die Bezeichnung »ideale Zelle« verdient. Für alle praktischen Zwecke sollte eine ideale Halbleiterspeichervellc so aufgebaut scm, daß sie eine lnforma· lionsbit in einem einzigen Transistor für unbestimmt lange Zeit speichern kann, ohne daß die Information bei b5 jedem Speicherzyklus neu eingespeichert werden muß. Eine solche, einen Feldeffekttransistor enthaltende Speicherzelle ist beispielsweise aus der DF.-PS 17 74 482 bekannt.

Die übliche Speicherzelle für wahlfreien Zugriff, entweder mit FET oder mit bipolarem Transistor, enthält eine bistabile Kippschaltung, die auf einem HaIbIc.terschaltungsplüuehen oder Chip eine relativ große Oberflä-

ehe einnimmt Jede dieser Kippschaltungen benötigt für die Speicherung eines Informationsbits vier bis sechs Halbleitervorrichtungen. Eine solche Schaltung ist gleichstromstabil, d. h. sie benötigt keine erneute Einspeicherung der gespeicherten Information für jeden Speicherzyklus.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine dynamische Speicherzelle für wahlfreien Zugriff zu benutzen, die zwischen einem und drei Transistoren benötigt, bei der jedoch andererseits die eingespeicherte Information für jeden Speicherzyklus oder für jeweils eiüige Speicherzyklen neu eingespeichert werden muß.

Die soeben beschriebenen Vorrichtungen waren, obgleich sie keinesfalls vollkommen sind, in der datenverarbeitenden Industrie außergewöhnlich erfolgreich. Trotzdem besteht nach wie vor eine Notwendigkeit, eine der idealen Zelle nahekommende Zelle zu schaff en, was bis jetzt nicht erreicht worden ist

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Speicherzelle einschließlich eines Verfahrens zu deren Betrieb anzugeben, bei der in nur einem einzigen Haibleitertransistor ein Informationsbit einspeicherbar ist, wobei die Zelle außerdem gleichstromstabil ist. Dabei soll sich diese neue Speicherzelle mit den heute üblichen Verfahren herstellen lassen.

Die Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Speicherzelle der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die außen liegenden Basisbereiche nur über den innen liegenden Basisbereich verbunden sind, daß der innen liegende Basisbereich etwa die gleiche Flächenausdehnung wie die darüber liegende Emitterzone und eine so geringe Dotierung aufweist, daß bei Anlegen einer Sperrvorspannung an Emitter und Kollektor der innenliegende Basisbereich vollständig abgeschnürt wird, daß die Länge der zwischen den außen liegenden Bereichen der Basiszone liegenden Emitterzone wesentlich größer ist als die Breite der Emitterzone, und daß die Potentiale am Emitter und an dem zweiten außen liegenden Basisbereich zwei stabile Werte zur Darstellung zweier stabiler Speicherzustände anzunehmen in der Lage sind.

Die geometrische Begrenzung des innenliegenden Teils des Basisbereichs bewirkt, daß die seitlich um den Emitter herumführenden leitenden Strombahnen beseitigt werden. Der einzige elektrische leitende Strompfad zwischen den außenliegenden Basisbereichen liegt unter dem Emitter. Wenn einer der äußeren Basisbereiche in bezug auf den Kollektor und den Emitter (für einen NPN-Transistor) negativ vorgespannt ist, dann ist der andere außenliegende Basisbertich ohne Vorspannung, wenn sein leitender Strompfad durch den innenliegenden Bereich der Basiszone durch die Sperrvorspannung abgeschnürt worden ist. Der vom Kollektor nach der Basis fließende Leckstrom l_c neigt dann dazu, das Potential des vorspannungsfreien, außenliegenden Basisbereichs zu unterstützen, wodurch der Übergang vom äußeren Basisbereich zum Emitter in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Der Emitter wird selbst dann auf dem höheren Potential gehalten, wenn die Emittervorspannungsquelle abgeschaltet ist, vorausgesetzt, daß der in der nicht vorgespannten äußeren Basiszone fließende Kollektor-Basis-Leckstrom ausreichend groß ist, sowohl einen Leckstrom nach dem abgeschnürten Basiskanal als auch einen Emitterleckstrom zu liefern. Dieses Emitterpotential kann als der Einszustand der Zelle festgestellt werden. ^a

Wenn man ein Vorspannungspotential an den Emitter anlegt, das praktisch gleich dem des vorgespannten (geerdeten) außenliegenden Basisbereichs ist, dann wird die Abschnürung des leitenden Strompfads durch den innenhegenden Basisbereich aufgehoben, so daß der Kollektorstrom /_c-₀ durch den innenliegenden Basisbereich an der vorgespannten äußeren Basiszone nach Erde abfließen kann und der Übergang vom vorspannungsfreien äußeren Basisbereich zum Emitter nicht mehr in Durchlaßrichtung vorgespannt wird. Daher kann der Emitter nicht positiv werden, und der Emitter bleibt daher bei diesem »Null«-Zustand gleichstromstabil.

In der bevorzugten Ausführungsform der Zelle ist die Länge der Emitterzone wesentlich größer als ihre Breite, so daß ein ausreichend großer Unterschied zwischen den Spannungspegeln für »Ein« und »Aus« besteht.

Die Erfindung wird nunmehr anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen beschrieben. Die unter Schutz zu stellenden Merkmale der Erfindung finden sich in den Patentansprüchen. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Querschnittsansicht eines Transistors mit Merkmalen der Erfindung:

Fig. 2 ein auf der Wirkungsweise eines Sperrschicht-Feldeffekttransistor beruhendes Modell des bipolaren Transistors mit Merkmalen der Erfindung;

Fig.3 eine Darstellung der verschiedenen, durch den Transistor fließenden Ströme, die für eine stabile Arbeitsweise kompensiert werden müssen;

Fig.4 und 5 eine einfache lineare Struktur mit den Potentialgradienten des bipolaren Transistors gemäß Merkmalen der Erfindung mit gleichförmiger Basisbreite;

F i g. 6-9 den Potentialverlauf an verschiedenen Punkten längs des innenliegenden Basisbereichs.

Der in Fig. 1 dargestellte Transistor enthält eine N + -leitende Emitterzone 2, eine N-leitende Kollektorzone 5 und einen in einem P-Ieitenden Substrat vorhandenen (N+-leitenden) Subkollektor 8. Der Basisbereich ist P-Ieitend und zur Darstellung der Erfindung in drei Abschnitte 11,12 und 14 unterteilt. Die Abschnitte 11 und 12 sind sogenannte außenliegende Basisbereiche, und der unmittelbar unter der Emitterzone 2 liegende Bereich wird als innenliegender Basisbereich bezeichnet. Die Emitterzone, Basiszone, Kollektorzone und Subkollektorzone des Transistors, die die aktiven Zonen der Vorrichtung sind, sind von einem Isolationsbereich 6 umgeben Vorzugsweise besteht der Bereich 6 aus einer eingelassenen Oxidschicht. Der Bereich 6 oder Teile davon kann auch nicht mit Oxid ausgefüllt sein, wobei die Umgebung, wie z. B. die Luft die nötige Isolation liefert. Eine hochdotierte Isolierzone könnte anstelle dieser eingelassenen Oxidschicht benutzt werden. Dies ist jedoch für eine Verhinderung eines Leckstromes nicht so zufriedenstellend. L>er Subkollektor 8 ist für ein zufriedenstellendes Arbeiten des Transistors als Speicherzelle nicht erforderlich. Die bekannten Vorteile einer solchen Zone in einem bipolaren Transistor sind jedoch auch in dem erfindungsgemäß aufgebauten Transistor festzustellen

Die Herstellung des Transistors erfolgt mil heute üblichen Verfahren. Wie aus F i g. 1 zu erkennen ist der Transistor vorzugsweise ein Planartransistor, wobei Emitter-, Basis- und Kollektorzonen auf einer Hauptoberriache des Halbleitcrsubstrats Kontaktflächen aufweisen. Die verschiedenen Zonen können entweder Hi.rrh

Diffusion oder Ionenimplantation der entsprechenden, die Leitfähigkeit bestimmenden Störelemente oder durch eine Kombination von Diffusion und Ionenimplantation hergestellt werden, wobei man jeweils dasjenige Verfahren nimmt, das für den entsprechenden Schritt am geeignetsten ist. Beim augenblicklichen Stand der Technik scheinen ausführliche Darlegungen der Herstellungsverfahren nicht erforderlich zu sein. Das Herstellen des Transistors selbst einschließlich seiner neuen Merkmale kann mit den heute bekannten Verfahren durchgeführt werden. Das Verfahren zum Herstellen einer innenliegenden Oxidisolationsschicht 6 zur Isolation zwischen den einzelnen Halbleitervorrichtungen, welche gemäß der Erfindung außerdem zur Sperrung möglicher Leckstrombahnen zwischen den Bereichen der gleichen Vorrichtung dient, ist ebenfalls bekannt. Der in der Halbleiterentwicklung tätige Ingenieur wird ebenfalls verstehen, daß die Darstellung nicht maßstabsgerecht ist. Die waagrechten Abmessungen in F i g. 1 sind viel größer dargestellt als die senkrechten Abmessungen. Das heißt, daß die Breite des Basisbereichs 14 zwischen Emitterbasisübergang und Basis-Kollektorübergang in der Zeichnung stark übertrieben dargestellt ist.

Für eine betriebsfähige Halbleitervorrichtung müssen noch geeignete Elektroden 23 und 24 zum Anlegen der Potentiale an Emitter und Kollektor und die Elektroden 21 und 22 zum Anlegen von Potentialen an die außenliegende Bereiche 11 bzw. 12 der Basiszone vorgesehen werden.

Wie bereits dargelegt, muß der Dotierungsgrad des innenliegenden Bereiches !4 der Basiszone niedrig genug gewählt werden, damit dieser Bereich durch Anlegen geeigneter Sperrvorspannungspotentiale am Kollektor 5 und Emitter 2 vollständig abgeschnürt werden kann. Als allgemeine Regel kann hier angegeben werden, daß mit höherem Dotierungsgrad des innenliegenden Bereiches der Basiszone auch höhere Sperrpotentiale an die Elektroden 23 und 24 angelegt werden müssen, um sicherzustellen, daß der innenliegende Bereich 14 der Basiszone vollständig abgeschnürt werden kann. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der Dotierungsgrad zwischen 5 χ 10¹⁵ und 1 χ 10^lb Atomen/cm¹. Offensichtlich darf dabei die Kollektorspannung V_c nicht so hoch sein, daß sich am Übergang ein Durchbruch mit Lawinenvervielfachung einstellt. Ein derartiger Lawinendurchbruch stellt jedoch keine Schwierigkeit dar, da für eine hier typische Breite der Basiszone und den angegebenen Dotierungsgrad Vr für Silicium bis zu 30 Volt betragen kann. Eine mehr ins einzelne gehende Analyse dieses Gegenstandes findet sich in einem Handbuch von Sze mit dem Titel »Physics of Semiconductor Devices«, Verlag John Wiley &. Sons, 1969. Teil 1, Abschnitt 5. Außenliegende Bereiche 11 und 12 der Basiszone können einen höheren Dotierungsgrad aufweisen, so daß der Gesamtwiderstand der Basiszone verringert und auch ein ausreichend guter ohmscher Kontakt zwischen diesen Zonen den Elektroden 21 und 22 hergestellt wird.

Ein wichtiger Faktor, durch den sich der neue Transistor vom Stande der Technik unterscheidet, ist die geometrische Beziehung zwischen Emitterzone 2 und dem innenliegenden Bereich 14 der Basiszone. Diese Zonen haben etwa gleiche Abmessungen, d. h. in der VZ-Ebene ist dieFläche des innenliegenden Bereichs 14 der Basiszone praktisch gleich der Fläche der Emitterzone 2. Bei den üblichen doppeltdiffundierten bipolaren Transistoren wird der Emilterbereich innerhalb der Basiszone gebildet, so daß die Basiszone die Emitterzone an der Oberfläche des Substrats vollkommen umgibt und einen wesentlichen größeren Bereich als die Emitterzone überdeckt. Das ist bei der Herstellung die praktischste Lösung und hat beim Betrieb derart aufgebauter Halbleitervorrichtungen bisher nicht zu Schwierigkeiten geführt. Bei dem erfindungsgemäß aufgebauten Transistor ist es jedoch wichtig, daß es von der Emitterzone über den innenliegenden Bereich 14 der Basiszone, wenn dieser Bereich abgeschnürt ist, keine Leckstrombahnen gibt. Daher wird der innenliegende Bereich 14 der Basiszone durch den Isolationsbereich 6 so begrenzt, daß er die gleichen Abmessungen hat wie die Emitterzone 2. Maximal kann die Ausdehnung des innenliegenden Bereichs der Basiszone in Z-Richtung etwa die halbe Basisbreite Wb (Abstand zwischen Emitter und Kollektor einschließlich der Verarmungsgebiete) aufweisen, damit eine vollständige Abschnürung möglich ist.

In der in F i g. 1 dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung begrenzt der Isolationsbereich 6 außerdem die außenliegenden Bereiche 11 und 12 der Basiszone in Z-Richtung. Dies ist erwünscht, jedoch für bistabilen Betrieb nicht unbedingt erforderlich.

Die Länge L der Emitterzone in K-Richtung. verglichen mit deren Breite Tin Z-Richtung ist außerdem ein wichtiges Kriterium. Wie noch im einzelnen erläutert wird, ist das Verhältnis UT ein Faktor, durch den der Unterschied zwischen dem »1«- und dem »0«-Zustand der Speicherzelle festgelegt wird.

so Für eine Halbleitervorrichtung mit einem Dotierungsgrad des innenliegenden Bereichs der Basiszone von 5 χ 10'⁵ Atomen/cm³, bei welcher die Kollektorspannung V₁- willkürlich auf dem doppelten Wert der Emitterspannung V, genauen wird, iäßi sich die Länge L wie foigt berechnen:

L » 15 I -4r (W_B - 0,39 X ΙΟ"⁴ /Κ,) Γ'² cm

wobei P der gesamte Leckstrom je Längeneinheit ist, der in den verarmten, innenliegenden Bereich der Basiszone von den in Sperrichtung vorgespannten Kollektor- und Emitterübergängen injiziert wird, ausgedrückt in Ampere χ 10~⁸jecm,und W/> die metallurgische Breite der Basiszone in cm.
Somit erhält man beispielsweise mit

T= Wb= 10-⁴cmund
W₈ > 039 χ 10-⁴/V;

so daß Vc £ 6.5 Volt, z. B. 2 Volt ist, bei einem Leckstrom P = 4 χ 10~⁸ Ampere/cm die Werte
L = 5 χ 10-⁴ cm und L : T s 5 :1.

Arbeitsweise der Zelle

Für eine Erleichterung der Analyse kann der bipolare Aufbau auch als ein Sperrschicht-Feldeffekttransistor dargestellt werden, mit den zwei Basiskontakien 21 und 22, die als Source- und Drain-Zone dienen, einem Emitter 2, der als Gate-Elektrode mit Übergang arbeitet und dem Kollektor als rückwärtige Gate-Elektrode. In F i g. 2 ist die in F i g. 1 dargestellte Konstruktion umgezeichnet worden, damit die bistabile Arbeitsweise besser erläutert werden kann. Wird von außen eine Spannung von + Vr an der Kollektorzone 5 an der Klemme 24 angelegt, und liegt an der Emitterzone über die Klemme ein Potential + Vi:, während die Basisklemme 21 geerdet und der Basiskontakt ohne Potential ist, dann ist die Breite Wb des innenliegenden Basisbereichs 14 zwischen Emitter und Kollektor eine Funktion von Vr und Vt· Wt,2 ist dabei die ursprüngliche Breite der Basis einschließlich der Verarmungsbereiche Emitter-Basis und Kollektor-Basis. Für einen gegebenen Wert von V_r nimmt W_b2 auf W_b\ ab, und wenn V_(: ausreichend positiv gemacht wird, so daß die Basiszone vollkommen abgeschnürt wird, dann wird Wb = 0. Der vom Kollektor nach der Basis fließende Leckstrom /ckann daher nicht langer an der Elektrode 21 nach Erdpotential abfließen. Dadurch beginnt dieser Strom aber, den außenliegenden Basisbereich 12 mit gleichförmiger Ladegeschwindigkeit positiv aufzuladen, unter der Annahme, daß der am Übergang auftretende Leckstrom von der Sperrvoispannung praktisch unabhängig ist (was für hohe Sperrvorspannungen im allgemeinen der Fall ist). Währenddessen fließt ein ständiger Leckstrom /_t. von dem in Sperrichtung vorgespannten Emitter 2 an der Elektrode 21 nach Erde ab. Wenn der Bereich 12 ein Potential Vf -I- Vt,_c über Erdpotential angenommen hat, dann wird der Basis-Emitterübergang rund um den außenliegenden Basisbereich 12 in Durchlaßrichtung vorgespannt, und der Leckstrom fließt nunmehr von der Basis nach dem Emitter.

Wird nunmehr das Potential V^ vom Emitter 2 abgeschaltet, so daß an diesem kein Potential mehr anliegt, dann wird die Emitterspannung anzusteigen beginnen, wenn Ic größer ist als l_t..

Der unter dem Emitter liegende P-Ieitende Kanal (innenliegender Basisbereich 14) wird nunmehr noch stärker abgeschnürt, und dieser Vorgang setzt sich so lange fort, bis bei einer hohen positiven Emitterspannung /_t. = /_t. geworden ist.

Diesem Vorgang liegen folgende Vorgänge zugrunde:

a) Mit zunehmender Spannung im Bereich 12 (und zunehmender Spannung V_t.) nimmt die Sperrvorspannung über dem Übergang zwischen Kollektor und außenliegendem Basisbereich 12 ab. Der Lecksirom l_c beginnt daher abzufallen, wobei dieser Abfall sehr rasch vor sich geht, wenn die Sperrvorspannung unter 1 Volt abfällt. ^Ju

b) Mit zunehmender positiver Emitterspannung neigt deren Leckstrom I₁- zu einer Zunahme. Der Emitter 2 kann daher unbegrenzt lange in seinem i-Zustand gehalten werden, so daß die Vorrichtung bistabil wird, wenn /_c > /_cund wenn die Basiszone abgeschnürt ist.

c) Wenn die Emitterspannung 2 auf null Volt verringert wird, dann wird die wirksame Breite Wb der Basis sehr | groß. Dadurch kann aber l_c nach Masse abfließen, so daß die Elektrode 22 nahe null Volt gehalten wird, und ^J5 | der Emitter nicht dazu neigt, positiv zu werden. Der Nullzustand des Emitters ist also ebenso gleichstrom- % stabil. I

Der Wert von l_c ist größer als der von /,.., da die Fläche des Übergangs von Kollektor nach außenliegendem j;

Basisbereich 12 größer ist als die Fläche des Übergangs von Emitter nach außenliegendem Basisbereich 11. 40 %

Bedingungen für Gleichstromstabilität R

Die vorangegangene Beschreibung der Arbeitsweise der Zelle wird dadurch besser verständlich, daß man die £

Bedingungen für den für die Gleichstromstabilitäi. erforderlichen Leckstrom analysiert. Die Leckströme sind in 45 v,

Fig. 3 wie folgt dargestellt: f

l\ = Leckstrom vom Kollektors nach dem außenliegenden Basisberich 12: %

h — Strom in Durchlaßrichtung vom Bereich 12 nach Emitter 2; ;

/3 = Leckstrom vom Emitter 2 nach dem außenliegenden Basisbereich 11. Dieser Strom ist proportional der h

Fläche des Übergangs zwischen Emitter und außenliegendem Basisbereich 11: ί

h — Leckstrom vom Kollektor 5 nach Bereich !!; f

/5 = Leckstrom vom Kollektor 5 nach dem innenliegenden Basisbereich 14 (im abgeschnürten Zustand); [■

U = Leckstrom vom Emitter 2 nach Bereich 14;

/7 = Leckstrom vom Kollektor 5 durch den außenliegenden Basisbereich 12 und nach dem Bereich 14.

Die Größe von /1 und /7 ist proportional der Fläche des Übergangs zwischen Kollektor und außenliegendem Basisbereich.

Damit der Emitter in seinem EI NS-Zustand gehalten werden kann, ist es notwendig, daß der Gesamtleckstrom /1 größer ist, als der Gesamtleckstrom Iy. Wenn andere Faktoren (wie z. B. der Dotierungsgrad und die Sperrvorspannung der Übergänge) die gleichen sind, so bedeutet dies, daß die Fläche des Übergangs vom Kollektor nach ' außenliegendem Basisbereich 12 größer sein muß, als die Fläche des Übergangs vom Emitter nach dem außenliegenden Basisbereich 11. Dies ist eine der notwendigen Bedingungen für bistabiles Verhalten.

Eine weitere notwendige Bedingung besteht darin, daß der gesamte Spannungsabfall über dem abgeschnürten Bereich 14 gleich V_c + Vt_x sein sollte, wenn der gegebene ursprüngliche Leckstrom /7 und der Gesamtstrom /5 + h in dem Bereich 14 injiziert werden. Der vom Emitter 2 nach der umgebenden Basiszone ausgehenden Leckstrom ist vernachlässigbar, wenn die Basisspannung an der Elektrode 21 gleich oder größer als V_e ist, erreicht jedoch fast ihren vollen Wert, sobald die Basisspannung in dem abgeschnürten Bereich 14 auf etwa V₂ Volt unterhalb V_c abfällt

Zerstörungsfreies Auslesen der Zelle

Das bevorzugte Verfahren zum zerstörungsfreien Auslesen von Informationen aus der Zelle, d. h. ohne Änderung des Speicherinhalts der Zelle, besteht darin, den nicht an einem festen Potential liegenden Bereich 12 über den Kontakt 22 (Fig. 1) über einen Reihenwiderstand in Verbindung mit einer auf einen Stromfluß ansprechenden Vorrichtung an einer äußeren Potentialquelle anzuschließen. Der Wert des Potentials muß größer sein oder gleich dem Wert des Potentials, den der außenliegende Basisbereich bei seinem Ein-Zustand annimmt. (Der Pegel des Emitters 2 beim Ein-Zustand plus ein Vi_x). Der Wert des Widerstands muß ausreichend hoch sein, so daß das äußere Potential auf die Spannung des außcnliegenden Basisbereiches 12 dann einen

ίο vernachlässigbaren Einfluß ausübt, wenn dieser Bereich in seiner Null-Lage ist. In der bevorzugten Ausführungsform könnte beispielsweise das von außen zugeführte Potential bei etwa 3 Volt liegen und der Wert des Widerstandes wäre etwa 10 Kiloohm bis 20 Kiloohm oder mehr.

Wenn die äußere Potentialquelle am Kontakt 22 angelegt wird und die eingespeicherte Information eine Eins ist, dann bleibt der innenliegende Basisbereich 14 gesperrt, und es kann kein Strom vom außenliegenden Basisbereich 12 nach Masse fließen. Ist die gespeicherte Information jedoch eine Null, dann fließt ein Strom durch den innenliegenden Basisbereich 14 nach Masse. Da die äußere Potentialquelle auf das Potential an dem außenliegenden Bereich 12 der Basiszone nur einen sehr kleinen Einfluß hat, unabhängig davon, ob die Zelle sich in ihrem Eins-Zustand oder Null-Zustand befindet, bleibt nach Abnehmen der Potentialquelle vom Kontakt 22 die Zelle in ihrem ursprünglichen Zustand. Dem Entwicklungsingenieur für Halbleiterspeicherschaltungen ergeben sich damit sofort verschiedene Verfahren für zerstörendes und nichtzerstörendes Auslesen der Speicherzelle, die sich aus offensichtlichen Abwandlungen bekannter Speicherzellen ableiten lassen.

Theoretische Analyse der Zelle

Fig.4 zeigt eine einfache lineare Anordnung eines bipolaren N-P-N-Transistors mit einer gleichförmigen metallurgischen Basisbreite We. Die Vorrichtung ist dabei um 90° gedreht, damit sie besser an das Potentialdiagramm in Fig.5 angepaßt ist. Wird der Kollektor und der Emitter auf einer ausreichend hohen positiven Spannung (Sperrvorspannung) gehalten, und ist die Basiszone vollständig verarmt, wie dies durch die gestrichelten Linien angezeigt ist, dann folgt der Potentialgradient vom Emitter zu Kollektor der bekannten, in F i g. 5 gezeigten Kurve. Die Form der Kurve wird durch die Lösung der Grundgleichungen der Halbleitervorrichtung bestimmt. Es wird dabei angenommen, daß der Kollektor-Leckstrom /,. größer ist als der Emitterleckstrom /„ und daß die Differenz (l_c — /_f) als Basisstrom //> abfließt. Es sei weiterhin angenommen, daß ein Basisstrom /(,o in die Basis injiziert wird, so daß der gesamte Basisstrom h an der Unterseite gegeben ist durch:

_J5 h - 4o + Κ- - /«· (4)

Bei X - X_n, besteht dabei in der Basiszone ein Potentialminimum V_n. Jedes in dem Bereich zwischen X_m und dem Kollektor befindlichen Elektron wird in Richtung auf den positiv geladenen Kollektor beschleunigt und würde sich dorthin begeben. In gleicher Weise würde jedes zwischen X_n, und dem Emitter befindliche Elektron vom Emitter angezogen werden. Wie dies jedoch bei allen in Durchlaßrichtung vorgespannten PN-Übergängen der Fall ist, wenn die Basis-Emitter-Sperrschicht (V_e — V_n) ausreichend reduziert ist. dann können einige in dem Emitter thermisch erzeugten Elektronen die Sperrschicht überwinden und über den Punkt X_n, hinauslaufen, von wo sie dann nach dem Kollektor wandern werden. Dies ist der normale, in üblichen Transistoren ablaufende, vom Emitter nach dem Kollektor fließende Elektronenstrom, der bei geringfügig in Durchlaßrichtung vorgespannter Basis den Kollektor-Emittersirom bildet.

In den Fig.6 und 9 ist jeweils der Potentialverlauf in der X-Z-Ebene an ausgewählten Orten längs des innenliegenden Basisbereichs f K-Richtung) von dem potentialfreien außenliegenden Basisbereich 12 nach dem geerdeten außenliegenden Basisbereich 11 dargestellt. Da die Breite der Verarmungsbereiche in der Ernitter- und Kollektorzone im Vergleich mit der Breite des Verarmungsbereiches der Basiszone vernachlässigbar ist, können die Verarmungsbereiche von Emitter- und Kollektorzone vernachlässigt werden, während in den F i g. 6 bis 9 nur der Verarmungsbereich der Basiszone gezeigt ist. Somit stellen also XO und XO' den metallurgischen Emitter-Basis-Übergang und XW und XW den Kollektor-Basis-Übergang für die innenliegenden bzw. außenliegenden Basisbereiche dar. Die Gesamtbedeutung dieser Figuren liegt darin, daß die kleinste Basisspannung Vm ι allmählich «on einem positiven Wert in unmittelbarer Nähe des potentialfreien, außenliegenden Basisbereiches 12 nach Erdpotential an dem geerdeten außenliegenden Basisbereich 11 abnimmt.

InFi g. 6, die die X-Z-Ebene in unmittelbarer Nachbarschaft des Bereiches 12 darstellt, liegt das Potentialminimum V_M ι bei etwa +2 Volt und hat einen ausgeprägt flachen Verlauf. Dieser Verlauf ergibt sich, weil in der Nachbarschaft des Kollektors thermisch erzeugte Fehlstellen oder Löcher in Richtung auf das in der Basiszone vorhandene Potentialminimum beschleunigt werden, wie dies auch für die in der Nachbarschaft des Emitters befindlichen Fehlstellen oder Löcher der Fall ist Das Potentialtief um X_n, (F i g. 4) füllt sich daher allmählich mit

bo mobilen, positiven Ladungsträgern (Löchern) auf, so daß dessen Gleichspannung ansteigt, bis ein dynamisches Gleichgewicht erreicht ist, wobei diese Potentialsenke zwischen X = X,„ ι bis X = X_n \ mit mobilen oder beweglichen Ladungsträgern gefüllt ist Eine weitere Zunahme des Potentials in dieser Potentialsenke wird dann beendet, wenn V_Cb klein und der Emitter-Basis-Übergang in Durchlaßrichtung vorgespannt wird, so daß damit ein Strompfad für das Abfließen überschüssiger Fehlstellen oder Löcher geschaffen wird. Ein weiterer Faktor,

b5 der das Auffüllen der Potentialsenke zu beenden vermag, ist der Leckstrom h in dem abgeschnürten Teil des Basiskanals.

Da über die Potentialsenke nur ein sehr kleiner Strom fließt, tritt zwischen X_n ι nach X_n, ι nur ein vernachlässigbarer Potentialabfall auf, so daß die Potentialsenke praktisch flach ist. Man kann jedoch eine leichte Zunahme

in der Höhe der Potcntialsenke bei X„\ fcsistellen, die auf einen Leckstrom von einigen wenigen Picoampere zurückzuführen ist, die normalerweise darüberfließen würden.

Der stelle Potentialgradient von X« nach X_n \ erteilt den Fehlstellen oder Löchern eine kinetische Energie, so daß einige von diesen beim Erreichen von .V„,i die zusätzliche Potentialschwelle überwinden können. Dieser Einfluß auf die Arbeitsweise der Halbleitervorrichtung ist jedoch vernachlässigbar klein. ^r,

F i g. 7 zeigt einen Potentialverlauf in einer X-Z-Ebcnedes Bereichs 14, der von dem potentialfreien Bereich 12 weiter entfernt ist als die Ebene in F i g. 6. F i g. 7 zeigt die Auswirkung eines Potentialabfalls in der Potentialsenke von Vm ι bis zum Wert Vm 2, der typischerweise 1 Voll beträgt. Die Verbreiterung der beiden Potentialgradientenbereiche X₀ bis X_n,2 und X₁₁2 bis X₁, ist mit den erhöhten Spannungsabfällen V₁-^₂ und V,._h2 verträglich. F i g. 8 zeigt den Grenzfall, wenn in dem inncnliegenden Basisbereich in der Nähe des außenliegenden Basisbe^reiches 11 V_n, = 0 ist. Das Potential in der Potentialsenke bei X = X_n, j ist nunmehr gleich null Volt.

Das Verhältnis Länge zu Breite des Emitters

Mit zunehmender Breite der Basiszone am Schnittpunkt des innenliegcnden Basisbereichs 14 und des außenliegenden Basisbereichs 11 wird eine nichtverarmie Zone von null Volt mit der Breite X_n, t — X_n»in dem Bereich gebildet, wo die Breite der Basiszone von Xa bis X₈- zugenommen hat. Alle in der Basiszone erzeugten Fehlstellenoder Löcher, sei es in dem Bereich Xo bis X,„4 oder indem Bereich X„ bis X_n j werden in Richtung auf die Potentialsenke beschleunigt und strömen in die Potentialsenke ein, wenn das Potential des innenliegenden Basisbereichs allmählich von V,,,, in der Nähe des außenliegenden Bereichs 12 nach der Nachbarschaft des außenliegenden Bereichs 11 zu, auf null Voll abfällt.

Selbst ein schwaches Feld in K-Richiung in dem abgeschnürten Bereich 14 der Basiszone zieht freie Fehlstellen oder Löcher ab und verhindert damit den Aufbau eines Potentials, wobei dieses Potential für ein bistabiles Verhalten der Vorrichtung wesentlich ist. Der in der Nähe des außenliegenden Bereichs 11 liegende Abschnitt des innenliegenden Bereichs 14 weist in allen Fällen ein solches Feld auf, der Mittelabschnitt des Bereichs 14 kann aber dadurch von einer Feldkomponente freigehalten werden, daß man die V-Abmessung des Emitters 2 im Vergleich zur Z-Abmessung groß macht. Der im mittleren Abschnitt des Emitters (ohne Endeffekte) fließende Basisstrom wäre dann durch Diffusion zustande gekommen. Die folgende Analysis liefert die Kriterien, die für die Auswahl des richtigen Verhältnisses von Länge : Breite der Emitterzone erforderlich sind.

Aus Fig.4 und 5 kann man entnehmen, daß dann, wenn der Basisstrom im Verarmungsbereich längs der V-Richtung gleich l_b (Y)\si er zum Gradienten der Löcherdichte durch folgende Gleichung in Beziehung gesetzt werden kann:

Wb (Y)d\e variable Breite des Bereichs 14 mit mobiler Ladung:

rdie Dicke des Ladungsbereichs in Z-Richtung;

Dp die Diffusionskonstante für Minorilätsladungsträger:

μρ die Mobilität der Minoritätsladungsträger und

ρ (Y)d\e Dichte der überschüssigen Minoritätsladungsträger (Löcher) und E(Y)das dem Diffusionsgradienten zugeordnete elektrische Feld ist.

Der auf den außenliegenden, potentialfreien Bereich 12 zurückgehende Basisstrom stellt den anfänglichen Strom Ibo für den abgeschnürten Bereich 14 dar, wobei /;, um so mehr zunimmt, je mehr Leckstrom durch den Kollektor 5 in den abgeschnürten Bereich injiziert wird. Für den oberen Teil des abgeschnürten Bereiches erhält man:

Ib(Y) => ho+ KiY, (6)

wobei K] eine Konstante ist

Die Breite IVj, (Y)VjWa durch folgende Gleichung zur Basisspannung V_n, (Y)'m Beziehung gesetzt:

W_b (Y) = W_B-di (Y) - d₂ (Y), (7)

wobei

Wb die metallurgische Basisbreite und

di und d₂ die Breiten der Verarmungsbereiche in der Basiszone sind, die auf V_cb bzw. V_ct> zurückzuführen

Der dem Diffusionsstrom zuzuordnende Spannungsabfall V_n (0) — v_m (Y) wird unter Verwendung der Glei- &o chung (5) errechnet sowie aus der Einsteinrelation Ορ/_μρ = KT/q, so daß man erhält:

P(y) = P(O) exp (v/v') - V₀/ v'), (8)

wobei: _b,

v' = KT/q; ν = v(y); VTn(O) = V₀ und

DiO) die Löcherdichte im oberen Bereich der Basis bei Y = 0 ist.

Trennung der Veränderlichen und Integration ergibt:

wobei:

/ = Vv.h +VKI₂; (10]

10 f° / ν V«

K₁

ί (C*) ,und (12]

Vl' V_m(L) (13)

20 Verwendet man nur die ersten vier Ausdrücke der Reihe für(1 — χ)^υϊ, so erhält man: K)

25 *

M ⁽¹⁵⁾

Diese Integrationen werden unter Verwendung der allgemeinen Formel:

J x"-e"-djr = ε~ Σ(-1)' -f^ZyrT^r 06)

durchgeführt. Dies liefert:

7 .— /*» Kl/v' a ^L ·νΛ ^ r_e νΛ' /■ ,/\1 Ki

_ j

■— Q^v i(v — 3 ν v¹ "4* 6 ν ν "* 6v' i\

Die Gleichung für /2 ist die gleiche, mit der Ausnahme, daß V₁. anstelle von V₁. substituiert wird, /läßt sich aus Gleichung (10) für V, 0, v' = Jt77</ = 0,026 Volt bei Zimmertemperatur und mit V₀ v'wie folgt berechnen:

-1 -I wi / -1 -1
55 - JL2. (v 2 + γ 2 _ JJL ( y ² + K ² ) I e'

Zur Vereinfachung der Gleichung (18) lassen sich die folgenden Annahmen machen:

V₀ * V, + V_n. (!θ]

Ks läßt sich ferner ohne Irrtum annehmen, daß ein 1-Pegel von 50% der Kollektorspannung V₁. für den praktischen Entwurf von Schaltkreisen völlig ausreichend ist, so daß man setzen kann:

V₁. = 2 V,. (20;

b5 Setzt man Gleichung (19) und (20) in Gleichung (18) ein, so erhält man:

/ = VV_r |2,41 - 0,853 fl +-~r) - 0,17 (l +-^K) -0,073 (l + J^-YIe''"*¹"'''" (21

Wenn Vt_x sehr viel kleiner als V_c ist, dann läßt sich Gleichung (21) vereinfachen zu:

- 1,41 -^-1 e^(K'⁺ W (22)

und aus Gleichung (9) wird:

\-K₂W, (l,32 - 1,41 -^)] (23)

Ib ο der anfängliche Basisstrom bei y = O;

k\ der Gesamtleckstrom in die Basiszone je Längeneinheit der Basis; A = q D„Tp(Q);

p(0) = Na für ein elektrisches Feld von O in der Potentialsenke, d. h. eine flache Potentialsenke; L -> Länge der Basiszone und

W = Breite der Basiszone

Vie — 0,6 Volt bei Zimmertemperatur und

cm

^2c -1/2« -2,96X1O"^S/S"

ςNa(I +Na/Nd) V q Na

für Na - 5 χ 10¹⁵ Atomen/cm³ ist

Die Beziehung zwischen der körperlichen Länge der Emitterzone, (im mittleren parallelen Bereich) und dem 1-Pegel Vf des Emitters ist somit durch Gleichung (23) in den Ausdrücken mit den anderen Konstanten der Vorrichtung unter der Annahme gegeben, daß die Kollektorspannung V_f willkürlich auf dem doppelten Wert der Emitterspannunjg V_e gehalten wird und daß V₁. sehr viel größer ist als

— -0,026VoIt.

?

Für andere Verhältnisse zwischen Kollektor- und Emitterspannung lassen sich ähnliche Gleichungen wie Gleichung (23) dadurch aufstellen, daß man Gleichung (20) so berichtigt, daß sie diesen Verhältnissen entsprechen und daraus Gleichungen (21) bis (23) ableitet.

Verwendet man die Werte:

q = 1,6 χ 10-¹⁹ Coulomb, Dp - 14 cmVsec, und
p(0) - Na =- 5 χ 10¹⁵ Atome/cm³,

so erhält man |]

A β 1,12 TMikroampere. (24)

Wenn Ι/,ο ■» 0 und K) = PPicoampere je Mikron Länge der Vorrichtung (= ρ ■ 10~² Mikroampere/cm) ist, dann vereinfacht sich Gleichung (20) zu:

- W_h - 2,96 X 10"⁵ W_t (j,32 - 1,41 -£-) (25)

IS JT Γ . _Tl/2cm

(26) so

für V_1x < V,.

Gleichung (26) ist die gleiche wie Gleichung (1) und gibt die angenäherte Länge des Verarmungsbereichs (Y-Richtung) in der Basiszone an, die zur Aufrechterhaltung des 1-Pegels des Emitters bei der Spannung V_c (Volt) erforderlich ist, vorausgesetzt, daß der Kollektor auf einer Spannung von 2 V₁. gehalten wird.

Die Erfindung wurde zwar anhand eines bipolaren NPN-Transistors mit einem N + leitenden Subkollektor beschrieben. Selbstverständlich läßt sich die Erfindung auch mit einem bipolaren PNP-Transistor bei entsprechender Änderung der Potentiale aufbauen und wird dabei in genau der gleichen Art und Weise arbeiten. Ferner sei nochmals darauf verwiesen, daß der Subkollektor, obwohl er in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist, für ein zufriedenstellendes Arbeiten nicht unbedingt erforderlich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Gleichstromstabile Speicherzelle mit einem bipolaren Transistor mit einer in einer Kollektorzone eingelassenen Basiszone und einer in die Basiszone eingelassenen Emitterzone, wobei die Basiszone unter der Emitterzone einen innen liegenden Bereich und neben der Emitterzone einen ersten und einen zweiten, jeweils an den innen liegenden Bereich anschließenden außen liegenden Bereich aufweist, mit einem den bipolaren Transistor umgebenden Isolationsbereich und mit Mitteln zum Anlegen von Betriebsspannungen an den Emitter, den Kollektor und mindestens den ersten außen liegenden Bereich der Basiszone, dadurch gekennzeichnet, daß die außen liegenden Basisbereiche (11,12)nurüberdeninneii liegenden Basisbereich (14) verbunden sind,

daß der innen liegende Basisbereich (14) etwa die gleiche Flächenausdehnung wie die darüber liegende Emitterzone (2) und eine so geringe Dotierung aufweist, daß bei Anlegen einer Sperrvorspannung an Emitter (2) und Kollektor (24) der innen liegende Basisbereich (14) vollständig abgeschnürt wird,
daß die Länge der zwischen den außen liegenden Bereichen (11,12) der Basiszone liegenden Emitterzone (2) wesentlich größer ist als die Breite der Emitterzone, und

daß die Potentiale am Emitter (2) und an dem zweiten außen liegenden Basisbereich (12) zwei stabile Werte zur Darstellung zweier stabiler Speicherzustände anzunehmen in der Lage sind.

2. Gleichstromstabile Speicherzeile nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten des innen litgenden Basisbereichs (14), die nicht an die außen liegenden Basisbereiche (11, 12) stoßen, direkt an den Isolierbereich (6) grenzen.

3. Gleichstromstabile Speicherzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Seiten der außen liegenden Basisbereiche (11,12), die nicht an den innen liegenden Basisbereich (14) und nicht an die Kollektorzone (5) stoßen, direkt an den Isolierbereich (6) grenzen.

4. Gleichstromstabile Speicherzelle nach einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolierbereich (6) aus Siliciumdioxid besteht.

5. Gleichstromstabile Speicherzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dotierungsniveau des innen liegenden Bereichs (14) der Basiszone etwa 5 χ 10¹⁵ bis 1 χ 10^lb Atome/cm³ beträgt.

6. Verfahren zum bistabilen Betrieb einer Speicherzelle gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: