DK141545B - Programmerbar lagerfelteffekttransistor med svaevende isoleret styreelektrode - Google Patents

Description

(w (11) FREMLÆGGELSESSKRIFT 1415^5 DANMARK (‘" lnt013 H 01 L 29/78 «(21) Ansøgning nr. 4232/75 (22) Indleveret den 19· BeP · 1975 (23) Løbedag 19* Ββρ. 1975 (44) Ansegnlngen fremlagt og , Q.

fremleggeisesskrlftet offerttHggjort den ' ^ · ®Pr * 19*U

DIREKTORATET FOR , M

PATENT-OG VAREMÆRKEVÆSENET (30) Prioritet bederet fra den

20. eep. 1974, 2445079, DE

(71) SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT, Berlin und Muenchen, 8 Muenchen 2, Witteiee Tjacherplatz 2, DE.

(72) Opfinder: „Bernward Roessler, 8000 Muenchen 71 i Franz Reber Weg 6, DE.

(74) Fuldmægtig under sagens behandling; lnt ernat ionalt Pat en t -Bure au · ___________ (54) Programmerbar lagerfelteffekttransistor med svævende isoleret styre» elektrode.

Opfindelsen angår en programmerbar lagerfelteffekttransistor med mindst én styreelektrode i form af en på alle sider af en isolator omgivet, svævende lagerelektrode, ved hvilken der til omladning af lagerelektroden benyttes ladningsbærerinjicerende kanalinjektion, ved hvilken i felteffekttransistorens egen, ledende kanal kraftigt accelererede og derigennem opvarmede elektroner som følge af deres gennem et i kilde-drænretningen virkende elektrisk felt tilvejebragte opvarmning overvinder energitærsklen til isolatorene ledningsbånd ved elektroninjektion henholdsvis til isolatorens valensbånd ved hulinjektion og når frem til lagerelektroden. Denne komponent er først og fremmest udviklet til anvendelse i programlagre i et telefonformidlingsanlæg, men egner sig dog også navnlig til fastværdilager i et elektronisk databearbejdningsanlæg.

Der kendes allerede felteffekttransistorer med svævende isoleret styreelek- 2 U1565 trode med n-kanaler eller p-kanaler, hvor den fra kanalen isolerede styreelektrode ikke har nogen udvendig elektrisk kontakt. Sådanne felteffekttransistorer er for eksempel kendt fra beskrivelsen til USA-patent nr. 3.660.819 og det tyske offentliggørelsesskrift nr. 2.129.181 samt fra en artikel af Tarui, IEEE Journal of Solid State Circuits SC-7, oktober 1972, nr. 5, siderne 369-375,og fra Proceedings of the 4th Conference on Solid State Devices i Tokyo 1972, der er udkommet som supplement til Journal of the Japan Society of Applied Physics, 42 (1973), siderne 158-166. Fra tysk offentliggørelsesskrift nr. 2.235.533 er det ved n-ledende kanal kendt at benytte elektroninjicerende kanalinjektion til afladning af en ved lavineeffekt positivt opladet, svævende styreelektrode.

Sådanne felteffekttransistorer med svævende isoleret styreelektrode er især egnede som lagerelementer i et elektrisk programmerbart, kun til udlæsning bestemt lager, et såkaldt ROM-lager, da den ladning, som forefindes på styreelektroden, ved passende valg af isolatoren ofte ikke kan ændres i årevis, således at denne ladning på styreelektroden over længere tid styrer ledningstilstanden for den mellem dræn- og kildeområderne liggende kanal. Disse felteffekttransistorer kan anvendes som lagerelementer, fordi det er muligt at påvirke potentialet på den svævende styreelektrode. Som bekendt kan man nemlig oplade styreelektroden ved påtrykning af hertil svarende spændinger mellem drænområdet eller kildeområdet på den ene side og substratet på den anden side, nærmere bestemt fordi en del af ladningsbærerne opvarmes i den spærrede pn-overgang og derved nedefra kan trænge igennem isolatoren til styreelektroden. Ved de kendte felteffekttransistorer opnås altså den til opladning af styreelektroden nødvendige høje hastighed af de ladninger, som trænger igennem isolatoren, ved påtrykning af gennembrydnings-spændingen over den spærrede pn-overgang mellem på den ene side substratet og på den anden side drænområdet eller kildeområdet. Ifølge ovennævnte tyske offentliggørelsesskrift nr. 2.235.533 kan en sådan opladning af styreelektroden i disse felteffekttransistorer også opnås ved påtrykning af spændinger mellem drænområdet og kildeområdet.

Hvis dræn-kildespændingen er for lav til at oplade den svævende styreelektrode, ændrer styreelektrodepotentialet sig ikke; sådanne forholdsvis lave dræn-kilde-spændinger tjener ved anvendelse af felteffekttransistoren som elektronisk lager til læsning, dvs. til prøvning af kanalens ledningstilstand. Da tilstanden for felteffekttransistorer opbygget i overensstemmelse med opfindelsen på samme måde som ved kendte felteffekttransistorer kan læses ved hjælp af forholdsvis lave dræn-kiIdespændinger, skal der ikke gås nærmere ind herpå.

Som bekendt er det også muligt at aflade styreelektroden efter behov, f,eks. ved bestråling af isolatoren med ultraviolet lys, hvorved styreelektrodens ladninger over isolatoren kan strømme til substratet.

Til grund for opfindelsen ligger den opgave at opvarme de pågældende, til 141545 3 styreelektroden fremtrængende ladningsbærere helt eller delvis i selve kanalen i stedet for kun i den spærrende pn-overgang. Opfindelsen frembyder derved mulighed for at oplade styreelektroden med varme ladninger ved særlig lave spændinger mellem drænområdet og kildeområdet. Samtidigt kan der opnås en formindskelse af en yderligere styreelektrode-kildespænding, som fremmer opladningen.

Opfindelsen beror på erkendelsen af, at ladningsbærerne ved hjælp af en høj feltstyrke ved et lokalt begrænset sted i selve den ledende kanal, altså mellem dramområdet og kildeområdet i kanalens længderetning, kan fremskyndes så meget på dette sted, at en del af disse ladningsbærere kan trænge frem til styreelektroden vinkelret på kanalen, altså igennem isolatoren, i hvert fald så længe, der ikke findes nogen forstyrrende høj bremsespænding mellem styreelektroden på den ene side og udgangsstedet for ladningerne ved gramsen mellem isolatoren og kanalen på den anden side; almindeligvis er det endog gunstigt, når der til opladning af styreelektroden i stedet for en sådan bremsespænding ligger en tilsvarende accelerationsspænding mellem styreelektroden og udgangsstedet. En del af ladningsbærerne kan nemlig, f.eks. på grund af ujævnheder i kanaloverfladen og på grund af sammenstød med siliciumatomer betingede afbøjninger, også bevæge sig vinkelret på kanalen. Herved skal disse varme ladningsbærere for at løse opgaven ifølge opfindelsen helst frembringes alene ved hjælp af feltstyrken i kanalens længderetning .

Den ud fra denne modelforestilling afledte tekniske løsning på opgaven for opfindelsen består i, at felteffekttransistorens mellem drænområdet og kildeområdet liggende kanal har en i længderetningen af kanalen virkende accelerationsstrækning i form af en i dette område anbragt, betydelig strukturinhomogenitet.

Denne inhomogenitet kan for eksempel dannes af en lokalt begrænset fortykkelse af isolatoren mellem kanalen og styreelektroden, så der på dette sted i kanalen af styreelektrode-kanal-spændingen induceres færre frie ladninger end ved andre steder i kanalen. I det tilgrænsende sted i kanalen, som kun indeholder få frie ladninger, opstår der altså på grund af inhomogeniteten en accelerationsstrækning, hvor længdefeltstyrken i kanalen er større end ved andre steder i kanalen på grnnd af det mindre antal ladninger.

Inhomogeniteten kan dog også dannes gennem indsnævring af kanalen i stedet for gennem en isolatorfortykkelse eller også i tilgift til en isølatorfortykkelse, hvorved kanalbredden i indsnævringen er højst halvdelen af kanalbredden ved de andre kanalsteder. Fra Solid State Electronics, 16 (1973), siderne 483—490, er det i og for sig kendt at anbringe en indsnævring af kanalen i felteffekttransi-storer, hvis styreelektrode ikke skal være svævende, men her har man ikke taget sigte på at opnå en accelerationsstrækning til opladning af en svævende styreelektrode igennem isolatoren. Den ved opfindelsen tilstræbte acceleration af låd- . 141545 4 ningsbærerne inden for indsnævringen bliver større, jo mindre kanalbredden i indsnævringen er, og/eller jo tykkere isolatorfortykkelsen gøres i forhold til isolatorens tykkelse på de øvrige steder i kanalen.

Inden for de således frembragte accelerationsstrækninger optræder der således særligt høje feltstyrker i længderetningen af kanalen, så at ladningsbærerne der accelereres særligt stærkt. De fleste "varme" ladningsbærere strømmer ganske vist videre på langs af kanalen. En del af de varme ladningsbærere kan imidlertid også trænge vinkelret på kanalen igennem isolatoren til styreelektroden og oplade denne, hvis der mellem styreelektroden og accelerationsstrækningen ikke er påtrykt en for høj bremsespænding, men om muligt endog ligger en yderligere accelerationsspænding, som i sig selv tiltrækker de varme ladningsbærere. Styteelektroden kan herved oplades stærkt, indtil der opstår en så stærk bremsespænding mellem styreelektroden og accelerationsstrækningen, at ingen accelererede ladningsbærere længere kan trænge igennem isolatoren.

Opfindelsen forklares nærmere i det følgende under henvisning til de på tegningen viste udførelseseksempler, idet fig. 1 viser et tværsnit gennem et udførelseséksempel for en felteffekttran-sistor ifølge opfindelsen, fig. 2-4 planbilleder af forskellige udførelsesformer for den i fig. 1 viste felteffekttransistor, set fra undersiden, fig. 5 og 6 planbilleder af særlige udførelsesformer for felteffekttransisto-ren ifølge opfindelsen, set fra undersiden, fig. 7 et planbillede af en yderligere udførelsesform for den i fig. 1 viste felteffekttransistor, set fra undersiden, og fig. 8 og 9 tværsnit gennem to yderligere udførelsesformer for felteffekt-transistoren ifølge opfindelsen.

Fig. 1 viser skematisk et tværsnit gennem et udførelseseksempel for opfindelsen. Mellem drænområdet D og kildeområdet S ligger et substratområde K, hvor-i kanalen for denne felteffekttransistor af ladningsbærerforøgelsestypen dannes, nærmere bestemt ved, at styreelektrodens ladning igennem den her kun f.eks. Ο,Ι^ο tykke SiO^-isolator ved hjælp af influens frembringer en af bevægelige ladninger bestående kanal på overfladen af substratområdet K. Set fra neden svarer kanalens form, som det ses I fig. 2, derfor til formen af denne i en afstand på kun 0,1 au liggende del af styreelektroden i fig. 1. Gennem valg af styreelektroden G's form kan man altså fastlægge den tilsvarende form af kanalen.

Den i fig. 1 viste felteffekttransistor har en n-kanal, altså n-doterede områder D og S. Over det imellem disse områder liggende substrat eller kanalen K ligger den svævende isolerede styreelektrode G, som på alle sider er omgivet af isolatoren A. Styreelektroden G har således ingen elektrisk kontakt til kana- 5

U15AB

len K, og der £indes heller ingen tilslutning til denne styreelektrode, over hvilken der til styreelektroden udefra kan tilføres en elektrisk ladning. Den i fig.l viste felteffekttransistor har således en dræntilslutning DA og en kildetilslutning SA, men ingen styreelektrodetilslutning.

Ifølge opfindelsen har kanalen K en accelerationestrækning V, som kun er antydet i det i fig. 1 viste tværsnit. Denne ved hjælp af en ‘inhomogenitet opnåede accelerationsstrakning V ses tydeligere f.eke. i fig. 2 og 4, soa vieer forskellige udførelsesformer for sådanne ved hjælp af indsnævringer dannede accelerationsstrækninger V. Disse i fig. 2 og 4 viste udførelsesformer er også forsynet med dimensioneringsangivelser, hvorved dog bemærkes, at opfindelsen ikke kua er begrænset til eksempler æd den angivne dimensionering og den angivne speciellé formgivning. Ved det i fig. 2 viste udførelseseksempel har kanalen K trapez-form, således at der her dannes en indsnævring direkte ved kanalenden i nærheden af drænområdet D. Indsnævringens bredde udgør ca. 50% af den maksimale kanalbredde. I fig. 3 er indsnævringen V, som ligeledes er frembragt ved kanalenden i nærheden af drænområdet D, særligt stærk, idet dens bredde nemlig her udgør kun 17% af den maksimale kanalbredde. I fig. 4 er indsnævringen anbragt asymmetrisk.

Hvis der mellem drænområdet D og kildeområdet S påtrykkes en spænding,’ opstår der i kanalen K en spændingsgradient i kanalens længderetning, altså rettet fra drænområdet D til kildeområdet S eller omvendt fra kildeotarådet S til drænområdet D. Herved optræder der direkte i indsnævringen V og i omgivelserne til denne indsnævring lokalt begrænset en særlig høj spænding, dvs. længde-feltstyrke i kanalen. I de øvrige afsnit af kanalen K er spændingsgradienten mindre.

På grund af den høje spændingsgradient i indsnævringen V vil ladningsbærerne blive accelereret særligt stærkt, altså opvarmet særligt stærkt på dette sted.

I de øvrige afsnit af kanalen K vil accelerationén af ladningsbærerne være tilsvarende ringere som følge af de pt disse steder mindre spændingsgradienter, således at ladningsbærerne der er koldere.

De i indsnævringen opvarmede ladningsbærere strømmer ikke alle langs spændings gradienten, altså i retning af kanalens længdeakse. Især,hvis der over styreelektroden G er påtrykt et potential, som tiltrækker de varme negative ladningsbærere tilstrækkeligt stærkt og frem for alt, hvis der desuden forekommer u-jævnheder i kanaloverfladen eller af sammenstød med siliciumatomer forårsagede afbøjninger af ladningsbærerne, trænger en del af disse af styreelektroden G til-trukne ladningsbærere gennem isolatoren A til styreelektroden C og oplader denne. Den til styreelektroden førte ladning oplagres normalt på styreelektroden, da denne på alle sider er omgivet af isolatoren A, så at felteffekttransistor-kanalen K's ledningsevne styres ved influensvirkning fra den nu i styreelektroden G oplagrede ladning. Størrelsen af den ohmske modstand for kanalen K

6 141545 er nu en indikation for, om der på styreelektroden G er oplagret en tilsvarende ladning, eller om en sådan ladning ikke er oplagret.

Med hensyn til de gennem isolatoren til styreelektroden fremtrængende varme ladningsbærere er der i almindelighed tale om elektroner. I og for sig er det allerede kendt også at lade varme huller trænge gennem isolatoren til styreelektroden, hvilket imidlertid ved de i dag anvendte isolatormaterialer kun kan ske med meget lille virkningsgrad, således at styreelektrodens opladning sker meget langsommere med huller end med elektroner. Derfor udformes felteffekttransisto-ren ifølge opfindelsen i almindelighed med en n-kånal, som i forvejen i sig selv indeholder flere elektroner end huller og dermed tillader en særlig hurtig opladning af styreelektroden.

Virkningen af den ved opfindelsen foreslåede accelerationsstrækning kan anskueliggøres gennem et forsøg.

Allerede ved det i fig. 2 viste eksempel kan dræn-kilde-spændingen til opladning af styreelektroden trods den relativt svage indsnævring vælges ca. en tredjedel lavere end ved kendte felteffekttransistorer med svævende isoleret styreelektrode, hvor der ikke er nogen indsnævring, men samme kanallængde. Ved dette dimensioneringseksempel er det endog tænkeligt, at de opladende ladningsbærere ikke kun accelereres i accelerationsstrækningen, idet de accelererede ladningsbærere også delvis kan have frembragt stødionisationer i den nær liggende pn-overgang, hvorved der opstår særligt varme ladningsbærere, som trænger frem til styreelektroden. En sådan udnyttelse af den her nærliggende pn-overgang ud over udnyttelsen af accelerationsstrækningen frembyder sig navnlig ved p-kanal-felteffekttransistorer, når varme elektroner frembragt ved stødionisationen trænger frem til styreelektroden.

I fig. 5 og 6 er vist to udførelseseksempler, hvor inhomogeniteterne er dannet af indsnævringer V eller V', idet der i et område B findes tilsvarende huller eller indsnøringer i midten af styreelektroden. Ved sådanne udføreisesformer, hvor accelerationsstrækninger dannes omtrent midt imellem drænområdet D og kildeområdet S af kraftige indsnævringer, kan styreelektrode-accelerationsstræknings spændingen, som trækker ladningsbærerne til styreelektroden, opnås med mindre spændinger mellem styreelektroden G og kilden S end nødvendigt til en opladning ved den i fig. 2 viste udførelsesform. I udføreisesformen i fig. 2 kræves nemlig til en opladning en styreelektrode-kildespænding, som i det mindste er næsten lig med dræn-kildespændingen, idet accelerationsstrækningen har omtrent samme potential som drænområdet D.

Ved en n-kanal-felteffekttransistor kan inhomogeniteten V også anbringes tæt ved kildeområdet. Inhomogeniteten skal i dette tilfælde være særligt kraftig, for at den lokale ladningsbærertæthed, som på dette sted normalt er særligt høj, ikke skal kompensere for stærkt for inhomogenitetens accelerationsvirkning. Kanalbredden i indsnævringen V skal således f.eks. kun udgøre 10% af den maksi 7 141545 male bredde af kanalen K. Spændingen mellem styreelektroden og accelerationsstrækningen under styreelektrodeopladningen kan ved denne udførelsesform med fordel gøres særligt lav, uden at kanalen samtidigt afbrydes fuldstændigt på det pågældende sted på grund af manglende influens.

Inhomogeniteten kan således anbringes overalt langs kanalen K, altså også på et hvilket som helst sted mellem kanalmidten og kanalenden.

En særlig fordel frembyder de udførelsesformer, son er opbygget symmetrisk om kanalmidten. Det drejer sig altså her om felteffekttransistorer opbygget i overensstemmelse med opfindelsen, hvor inhomogeniteten ligger direkte i kanalen K, som vist i fig. 5 og 6, eller ran felteffekttransistorer, hvor der symmetrisk om kanalmidten findes to inhomogeniteter, som f.eks. inhomogeniteterne VI og V2 i fig. 7. Ved en sådan symmetrisk udformning kan felteffekttransistorens styreelektrode på grund af symmetrien oplades både ved hjælp af spændinger, som er rettet fra drænområdet D til kildeområdet S, og ved hjælp af høje spændinger, der med fordel kan være af samme størrelse, og som er rettet fra kildeområdet S til drænområdet D.

Foranstaltningerne ifølge opfindelsen kan principielt anvendes også ved felteffekttransistorer af udtømningstypen og altså ikke kun ved felteffekttransistorer af forøgelsestypen. På samme måde som ved forøgelsestypen sker der ved udtømningstypen en opvarmning af ladninger, frem for alt elektroner, på accelerationsstrækningen, så snart frie ladninger bevæger sig gennes denne, altså så snert der ved tilstedeværelse af en eccelererende spaending mellem styreelektroden og accelera-tionsstrækningen findes en ledende kanal mellem dræn- og kildeområderne. Den høje feltstyrke ved indsnævringen V kan opnås med særligt lave dræn-kilde-spæn-dinger, når længden af kanalen mellem drænområdet og kildeområdet gøres så kort som mulig, f.eks. kun nogle få lang eller endnu mindre. Denne spændingsformindskelse kan opnås ved enhver form og enhver beliggenhed af indsnævringen i kanalen K.

Inhomogeniteten kan også, som vist i fig. 8, dannes af en fortykkelse Vd af isolatoren A i stedet for af en indsnævring V i kanalen K. I området for denne fortykkelse Vd er styreelektroden 6's influensvirkning svagere end på andre steder i kanalen, således at der i kanalen ved fortykkelsen hersker miadre høje ladningstætheder, altså højere længdefeltstyrker end på andre steder i kanalen. Gennem den forhøjede feltstyrke opstår her accelerationsstrækningen. De på denne strækning opvarmede kanalladningsbærere kan navnlig ved randen af fortykkelsen Vd, hvor isolatoren A igen bliver tyndere, trænge frem til styreelektroden gennem isolatoren G. Felteffekttransistorer med gennem sådanne af fortykkelser dannede inhomogeniteter har tilnærmelsesvis samme egenskaber og fordele som felteffekttransistorer med af kanalindsnævringer damede inhomogeniteter. Fortykkelsen kan således også med fordel anbringes overalt langs kanalen.

Claims (2)

8 U1545 Anbringer man ud over isolatorfortykkelsen Vd på de samme steder i kanalen yderligere den allerede beskrevne kanalindsnævring V, som vist i fig. 2-7, bliver længdefeltstyrken på aecelerationsstrækningen særlig stor, således at særligt lave spændinger vil være tilstrækkelige til at oplade styreelektroden G. I særtilfælde er det gunstigt, hvis der over den svævende styreelektrode G anbringes en med denne kapacitivt koblet hjælpestyreelektrode GH, som vist i fig. 9. Koblingen opstår gennem den ringe indbyrdes afstand mellem to styreelektroder. På den udvendige tilslutning GHA til hjælpestyreelektroden GH kan der tilføres et vilkårligt potential til hjælpestyreelektroden GH. Over tilslutningen GHA kan der derfor efter behov påtrykkes et vilkårligt potential også på den kapacitivt koblede svævende styreelektrode G, f.eks. for at frembringe accelerationsspændinger eller bremsespændinger af vilkårlig størrelse mellem den svævende styreelektrode G og accelerationsstrækningen i kanalen. Ved hjælp af tilslutningen GHA kan man således styre opladningen af den svævende styreelektrode G eller kompensationen af de tilstedeværende ladninger ved hjælp af varme ladningsbærere i accelerationsstrækningen og nærmere bestemt også, når der allerede er oplagret en bestemt ladning på styreelektroden G. De i accelerationsstrækningen opvarmede ladninger, i almindelighed elektroner, kan også tjene til sletning, dvs. til afladning af styreelektroden G, hvis der på styreelektroden G forinden på en eller anden måde er oplagret ladninger af modsat polaritet, f.eks. ved hjælp af lavine-effekt. På grund af det høje antal af de i accelerationsstrækningen opvarmede ladninger sker afladningen af styreelektroden her hurtigere, end hvis der ikke var nogen accelerationsstrakning i kanalen.

1. Programmerbar lagerfelteffekttransistor med mindst én styreelektrode i form af en på alle sider af en isolator omgivet, svævende lagerelektrode, ved hvilken der til omladning af lagerelektroden benyttes ladningsbærerinjicerende kanalinjektion, ved hvilken i felteffekttransistorens egen, ledende kanal kraftigt accelererede og derigennem opvarmede elektroner som følge af deres gennem et i kilde-drænretningen virkende elektrisk felt tilvejebragte opvarmning overvinder energitærsklen til isolatorens ledningsbånd ved elektron-injektion henholdsvis til isolatorens valensbånd ved hulinjektion og når frem til lagerelektroden, kendetegnet ved, at felteffekttransistorens mellem drænområdet (D) og kildeområdet (S) liggende kanal (K) har en i længderetningen af kanalen virkende accelerationsstrækning i form af en i dette område anbragt, betydelig strukturinhomogenitet (V).

2. Felteffekttransistor ifølge krav 1, kendetegnet ved, at inhomogeniteten dannes af en indsnævring (V) af kanalen, hvorved kanalbredden i