Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Конспект

по дисциплине «Компьютерный практикум-13»

на тему: «БИПОЛЯРНЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАМЯТИ»

Выполнил: студент группы А4-11 Глазков Л.М.

Проверил: доцент Лапшинский В.А.

Москва 2013

ДЭП (динамические элементы памяти) – элементы памяти, в которых запоминающий элемент способен хранить записанную информацию только в течении короткого промежутка времени, после которого информацию нужно восстанавливать заново (при помощи различных методов регенерации – восстановления заряда на конденсаторе), иначе она будет потеряна.

Транзистор - радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналом управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерации и преобразования электрических сигналов.

Информационная ёмкость - максимальное количество информации, которое может содержаться или быть обработано в данном канале или объекте.

БИС (большая интегральная схема) - интегральная схема (ИС) с высокой степенью интеграции (число элементов в ней достигает 10000), используется в электронной аппаратуре как функционально законченный узел устройств вычислительной техники, автоматики, измерительной техники и др.

Введение……………………………………………………………………………5

Принципиальные электрические схемы биполярных ДЭП и их параметры……5

Технологические варианты ДЭП ……………………………………………8

Заключение…………………………………………………………………………12

В сверхбольших интегральных схемах оперативных запоминающих устройств (СБИС ОЗУ) обычно используют динамический принцип хранения информации. В соответствии с этим принципом информация хранится в виде зарядов либо на емкости р-n-перехода, либо на емкости со структурой МОП. При этом, чтобы избежать потери хранимой информации, необходимо через определенные промежутки времени (период регенерации) производить восстановление информационного заряда.

Резкое повышение информационной емкости СБИС ОЗУ обусловлено уменьшением числа компонентов, приходящихся на бит информации, т. е. применением предельно упрощенных динамических элементов памяти (ДЭП). Существующие СБИС ОЗУ на МОП-транзисторах емкостью 16 кбит построены на однотранзисторных ДЭП, совмещенных с запоминающей емкостью на основе МОП-структуры. В на-стоящее время реализованы также СБИС ОЗУ динамического типа на биполярных транзисторах.

Настоящая работа посвящена оценке наиболее перспективных вариантов биполярных ДЭП и их технологической реализации.

Основным требованием, предъявляемым к ДЭП для СБИС ОЗУ, является требование минимальной площади S_дэп≤1000 мкм². Кроме того, ДЭП должен иметь приемлемые электрические параметры, т. е. удовлетворять следующим условиям:

Использование ДЭП не должно приводить к ужесточению требований к разрядным схемам управления, ДЭП должен работать в широких диапазонах управляющих токов и напряжении, технологических разбросов и т. п.

Зачастую перечисленные требования противоречивы. Так, стремление уменьшить площадь ДЭП ведет к уменьшению емкости хранения С_хр, тем самым усложняется выбор усилителя считывания, поскольку необходимо значительно повышать его чувствительность.

Существующие биполярные ДЭП по принципу работы можно разделить на ДЭП без усиления информационного сигнала (т. е. эффективного информационного заряда или амплитуды выходного напряжения) и с усилением.

Наиболее ранние варианты биполярных ДЭП без информационного сигнала реализовывались на основе диодов. Хранение информации производилось, например, на паразитной емкости, подключенной между слоем металлизации и подложкой. Информационный заряд может также храниться на обратно-смещенном р-n-переходе. Один из диодов можно заменить диодом Шоттки. Для реализации последнего варианта диодного ДЭП необходимо обеспечить, чтобы время жизни неосновных носителей в базе диода с р-n-переходом было одного порядка с паузой между импульсами регенерации. Общий недостаток диодных ДЭП - малая величина ΔU_сч ≤0,5mφ_T требуемых размерах ДЭП (S_ДЭП ≤ 1000 мкм²).

В работе предлагаются однотранзисторные ДЭП, где информационный заряд хранится на емкости коллектор-подложка, а транзистор работает как ключевой элемент. При записи информации транзистор работает в нормальном режиме, при считывании - в инверсном. Для быстрого переключения транзистора необходимо выполнение условия В_I >5÷10, где В_I- инверсный коэффициент усиления тока транзистора в схеме с общим эмиттером. Время хранения информации определяется токами утечки обратно-смещенных p-n-переходов.

Как и для диодных ДЭП, величина ΔU_сч мала.

На рис. 2, а показан двухтранзисторный ДЭП на транзисторах одного типа, а на рис. 2, б — на комплементарных транзисторах.

Транзисторы этих ДЭП также работают в ключевом режиме. Площадь двухтранзисторных ДЭП заметно больше 1000 мкм² вследствие большого количества межсоединений. Большая площадь S_ДЕП и малая величина ΔU_сч — недостатки двухтранзисторных ДЭП.

Известны работы, в которых в качестве емкости хранения используется конденсатор со структурой МОП (рис. 2, в).

рис.2

Для выборки соответствующей информацией емкости используется многоэмит-терный транзистор, который имеет общий для разрядов одного слова СБИС ОЗУ пе-реход коллектор - база. Данные по экспериментальному иссле¬дованию этого ДЭП отсутствуют. Кроме того, различие в технологии изготовления переключающего би-полярного транзистора и МОП-емкос¬ти хранения значительно усложняет реализацию СБИС ОЗУ на основе этого ДЭП.

ДЭП с усилением информационного сигнала в настоящее время привлекают наибольшее внимание разработчиков. Биполярные ДЭП на основе симметричного триггера могут сохранять информацию на паразитных емкостях узлов А и В бисти-бальной ячейки (рис. 3) при отключении постоянного питания.

рис.3

Площадь наиболее компактных симметричных ДЭП с инжекционным питанием превышает допустимый предел S_дэп = 1500÷4000 мкм². Аналогичный недостаток имеют симметричные тиристорные ДЭП.[j]
[j]Однотранзисторные ДЭП с усилением информационного сигнала (рис. 4) характеризуются минимальной площадью S_ДЭП = 600 мкм². Информация хранится на коллекторной емкости n-р-n-транзистора. При считывании амплитуда информационно-го сигнала увеличивается пропорционально нормальному коэффициенту усиления тока B_N, так как транзистор работает в нормальном режиме. Если использовать стандартный для биполярных БИС источник питания Е_п=÷5 В, то управление работой однотранзисторного ДЭП осуществить трудно, так как требуются разнополярные импульсы напряжения большой амплитуды (до 7 В). Существует модификация ДЭП с управлением положительными импульсами напряжения. Основной недостаток однотранзисторных ДЭП — использование пробоя при записи информации, что ведет к деградации эмиттерного р-n-перехода транзистора.

рис.4

Промежуточное место по площади (S_ДЭП < 1500 мкм²) между симметричными триггерными ДЭП и однотранзисторными элементами занимают элементы памяти с усилением информационного сигнала на совмещенных р-n-р-n-структурах. В первую очередь, это несимметричные тиристорные ДЭП [20] (рис. 5). Недостаток несимметричных тиристорных ДЭП — неустойчивость работы. Экспериментальное исследование таких ДЭП показало, что возможно паразитное включение тиристорной структуры под воздействием токов, протекающих по разрядным шинам.

рис.5

Наибольшее внимание в настоящее время уделяется биполярным ДЭП на основе инжекционных структур. При использовании инжекционного ДЭП с S_ДЭП = 600 мкм[/sup]2[/sup] впервые удалось реализовать СБИС ОЗУ емкостью 4 кбит с высокими показателями: время выборки информации t_B =100 нс, время цикла t_ц=160 нс; мощность в режиме хранения информации Р_хр=400 мВт.

В инжекционном ДЭП информация хранится на коллекторной емкости n-р-n транзистора (рис. 6).

рис.6

При считывании информации фиксируется величина тока, протекающего в разрядную шину РШ под воздей¬ствием импульса напряжения на адресной шине АШ₁ (рис. 6). Считыванию логической единицы соответствует заряд эквивалентной емкос¬ти C₁=C_K(1+B_N), а считыванию логического нуля - заряд эквивалентной емкости:

где С_э - емкость эмиттерного перехода n-р-n-транзистора.

Заряд эквивалентной емкостей С¹, С⁰ происходит базовым током n-р-n -транзистора, база которого подключена к РШ. Величина ∆U_сч достигает 200 мВ. Для записи логической единицы и ее регенерации в рассматриваемом ДЭП на шину АШ₂ подается положительный импульс напряжения, который позволяет разрядить емко-сти С_к и С_э. Запись логического нуля производится посредством заряда емкостей С_к, С_э импульсом напряжения на АШ₁.

Для управления ДЭП на основе инжекционной структуры можно использовать одну адресную шину вместо двух (рис. 7), при этом S_дэп уменьшается. Запись и считывание информации производится при подаче на АШ импульсов напряжения разной полярности (рис. 7, б).

рис.7

Время выполнения операции считывание-регенерация по сравнению с выполнением такой же операции в инжекционном ДЭП, управляемым по трем шинам, возрастает.

Оценка биполярных ДЭП без усиления и с усилением информационного сигнала показывает, что ДЭП без усиления нецелесообразно применять в СБИС ОЗУ, так как эти ДЭП имеют небольшую величину ∆U_сч и зачастую не удовлетворяют требованиям, указанным во введении к данной работе. Более интересными являются ДЭП с усилением информационного сигнала, среди которых наиболее перспективны ДЭП на основе инжекционных структур.

Технологические варианты ДЭП на основе инжекционной структуры ДЭП с горизонтальной структурой при изоляции с помощью р-n-переходов имеют площадь S_дэп = 1000- 2000 мкм². Такой ДЭП имеет относительное невысокое быстродействие t_зп, t_сч =50-100 нс. Это вызвано тем, что при записи и регенерации информации используется «медленный» продольный р-n-р-транзистор с коэффициентом передачи тока α_р = 0,2 - 0,4. Площадь ДЭП уменьшается в 1,5 - 2 раза, если использовать «изопланарную» изоляцию (рис. 8, а), которая позволяет также улучшить частотные и усилительные характеристики составляющих ДЭП транзисторов.

Дополнительное улучшение параметров р-n-р-транзисторов ДЭП достигается путем независимого формирования базовой области n-р-n-транзистора с помощью p-ионной имплантации, а коллекторной области р-n-р-транзистора с помощью р+-диффузии (рис. 8, а). В этом случае коэффициент α_Р достигает значений ~0,6.

рис.8

Уменьшить времена t_Зп, t_сч в ДЭП можно, если базовую область р-n-р-транзистора формировать путем двойной диффузии в эпитаксиальной пленке р-типа (рис. 8, б). Диффузия n-типа, а затем диффузия р-типа, проводятся через одну нитридную маску. При этом удается получить р-n-р-транзисторы с хорошо контролируемой узкой базой, у которых α_p= 0,6 - 0,8 и предельная частота ƒ_т=1 ГГц.

Применение описанной технологии позволило получить образцы СБИС ОЗУ с высокими техническими характеристиками.

Быстродействие инжекционных ДЭП можно повысить с помощью диодов Шоттки, которые либо уменьшают насыщение транзисторов ДЭП, либо улучшают развязку ДЭП, уменьшая паразитную емкость разрядных шин. Наиболее просто диод Шоттки формируется на слабо легированном кремнии n^- -типа. В инжекционной структуре с переключающим p-n-M-транзистором (рис. 9) диод Шоттки формируется после хорошо контролируемой ионной имплантации n^- -типа и служит эмиттерным переходом р-п-М- транзистора. Так как эмиттерная диффузия отсутствует, то нет каналов между эмиттерными и коллекторными областями. Отсутствие каналов, по-видимому, повысит процент выхода годных СБИС. Для управления ДЭП, выполненными на основе инжекционной структуры с металлическим эмиттером, необходимы импульсы напряжения отрицательной полярности, поэтому такой ДЭП хорошо согласуется с управляющими схемами на основе токовых ключей. С помощью дополнительной р^--диффузии рассматриваемая технология позволяет получить изолированные р-n-р и n-р-n-транзисторы со скрытым р⁺-слоем. Наличие р⁺-слоя упрощает разводку шины питания схем управления ДЭП. Кроме того, предложенная технология инжекционных структур с металлическим эмиттером упрощает построение декодирующих схем в СБИС ОЗУ с помощью быстродействующих р-n-М-транзисторов.

рис.9

Базовая область n-р-n-транзистора формируется до наращивания эпитаксиальной пленки n^- -типа с помощью р⁺-ионной имплантации или диффузии. В процессе роста эпитаксиальной пленки происходит ее подлегирование. Получаемое распределение примесей в базе n-р-n-транзистора позволяет получить высокие значения коэффициента B₁=100-150. Транзистор n-р-n-типа ДЭП может функционировать не в нормальном, а в инверсионном режиме. В этом случае информационный заряд будет храниться на эмиттерной емкости р-n-перехода, а металлическая разрядная шина соединяется с ДЭП диодом Шоттки. Так как паразитные емкость и сопротивление металлической разрядной шины меньше, чем n⁺-слоя (рис. 8, б), то возможно объединение большого числа ДЭП.

Инжекционные ДЭП с вертикальной структурой могут быть реализованы несколькими способами. Одним из способов является инжекдионная структура, в кото-рой роль инжектора играет сильнолегированный р⁺-скрытый слой. Быстродействие р-n-р-транзистора увеличивается, однако характеристики n-р-n-транзисторов имеют значительный разброс вследствие сильного влияния длины раскрытого слоя инжектора.

Быстродействующие комплементарные транзисторы, которые могут быть получены в технологии с двойными эпитаксиальными пленками, целесообразно использовать для построения быстродействующих усилителей считывания с повышенной чувствительностью и высокоскоростных декодирующих схем, которые легко переводятся в режим пониженного потребления мощности. Основной недостаток рассмотренного инжекционного ДЭП - сложность технологии изготовления. Не-большие колебания в толщине эпитаксиальных пленок в пределах кристалла СБИС приводят к значительному разбросу параметров транзисторов.

Таким образом, существует большое число технологических вариантов реализации инжекционных ДЭП с применением новых достижений технологии биполярных приборов.

Инжекционные ДЭП принципиально отличаются от однотранзисторных ДЭП на МОП-структурах тем, что в них происходит усиление информационного сигнала, а это позволяет уменьшить площадь элемента до минимально возможной с точки зрения технологических ограничений.

Дальнейший рост информационной емкости СБИС ОЗУ невозможен без использования динамического принципа хранения информации. Большинство зарубежных фирм освоило выпуск динамических СБИС ОЗУ емкостью 16 кбит на основе однотранзисторных МОП ДЭП, которые характеризуются минимальной площадью S_ДЭП = 200 - 400 мкм² (табл. 1). В области биполярных динамических СБИС ОЗУ достигнут уровень информационной емкости 4 кбит, ведутся разработки микросхем памяти емкостью 16—65 кбит на основе биполярных ДЭП.