Низковольтный быстродействующий биполярный логический элемент на комплементарных структурах

Низковольтный быстродействующий биполярный логический элемент на комплементарных структурах

Реферат

 

Изобретение относится к устройствам и интегральным конструкциям импульсной и цифровой техники, в частности к интегральным логическим элементам БИС, ЭВМ и автоматики. Создан логический элемент НЕ, ИЛИ-НЕ на комплементарных структурах, обеспечивающий низковольтное напряжение питания и логический перепад в субполувольтовом диапазоне вплоть до 0,12-0,2 В, высокое технологическое и системное быстродействие, уменьшение рабочей площади малокомпонентного ЛЭ для плотноупакованных планарных и трехмерных УБИС. Низковольтный элемент содержит параллельно соединенные комплементарные пары n-p-n- и р-n-р-транзисторов, эмиттеры которых соединены, базы и коллекторы объединены и являются соответственно входами и выходом элемента. При этом база каждого симметричного n-р-n- и р-n-р-транзистора выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводника. Сущность изобретения заключается в возможности обеспечения сверхбыстродействия, работоспособности и надежности параллельно соединенных биполярных комплементарных двухтактных инверторов ( 1,2, . .n) в микромощном режиме сверхнизких напряжений питания и логического перепада вплоть до 0,12-0,15 В при использовании необходимых и достаточных для такого функционирования оригинальных масштабированных в область глубокосубмикронных горизонтальных и вертикальных размеров симметричных биполярных комплементарных структур. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к устройствам и интегральным конструкциям импульсной и цифровой техники, в частности к интегральным логическим элементам БИС, ЭВМ и автоматики.

Фундаментальной проблемой разработки элементной базы БИС и ЭВМ является увеличение уровня интеграции, снижение напряжения питания и мощности потребления логических элементов (ЛЭ), увеличение их нагрузочной способности и соответствующего системного быстродействия в компоновочном пространстве БИС. Переход к субмикронным и глубокосубмикронным технологиям позволяет резко снизить размеры и рабочие площади ЛЭ, увеличить их внутреннее, "технологическое" быстродействие, однако проблема увеличения системного быстродействия при дальнейшем снижении напряжения питания и мощности потребления остается критической для перспективных ЛЭ ультраБИС (УБИС).

Конкуренция двух базовых направлений развития технологии и схемотехники БИС-биполярного и МОП (КМОП)- происходила в течение трех десятилетий 1960-1980-х годов. Однако уже 90-е годы - это период, когда "рабочей лошадкой" цифровых СБИС и УБИС широкой номенклатуры стали разнообразные глубокосубмикронные КМОП технологии и соответствующие микромощные схемотехники с прогрессирующим использованием низковольтных напряжений питания. Главным ограничением биполярного направления развития биполярных СБИС и УБИС, прежде всего на наиболее быстродействующих ЭСЛ элементах, было значительное потребление статической мощности, балластный характер которой в отличие от КМОП элементов проявлялся в режиме покоя или непереключения ЛЭ. Эта балластная статическая мощность сильно нивелировала другие уникальные особенности масштабированных биполярных структур с предельно сжатыми вертикальными и горизонтальными размерами: 1) максимальное технологическое (внутреннее, в режиме кольцевого генератора) быстродействие приборов и элементов с минимальными задержками ЭСЛ элементов около 10-15 пс; 2) максимально высокая нагрузочная способность выходных элементов со схемотехникой комплементарных эмиттерных повторителей и аналогичных двухтактных схем; 3) высокая логическая функциональная гибкость биполярного ЭСЛ, модифицированного комплементарного биполярного (КБИ) и смешанного (КБИ-КМОП) базиса. В то же время в мировой практике разработки биполярных схем не создано ЛЭ, работающих с напряжением питания менее 1 В. Это "непреодолимое противоречие" классической биполярной схемотехники имеет место вследствие падений немасштабируемого напряжения на открытом эмиттерном p-n- переходе транзистора, равного 0.7-0.8 В для кремниевых транзисторов, и на вспомогательных активных и резистивных элементах между шинами питания.

Известно, что замена МОП приборов в классических КМОП инверторах НЕ, ИЛИ- НЕ, И-НЕ ЛЭ (аналога всевозможных структурно-схемотехнических решений современных микропроцессорных УБИС) с пренебрежимо малой статической мощностью потребления [1] на биполярные транзисторы не приводит к работоспособным биполярным ЛЭ. В то же время имеется ряд схемотехнических решений с использованием биполярных комплементарных пар в качестве инверторов и выходных каскадов, характеризующихся значительной нагрузочной способностью и максимально быстрой зарядкой нагрузочных емкостей в широком диапазоне их значений [2-4] . Данные ЛЭ-инверторы НЕ, выбранные нами в качестве аналогов, содержат комплементарные биполярные транзисторы, базы которых соединены со входом, объединенные коллекторы с выходом, а эмиттеры с соответствующими шинами положительного и отрицательного питания.

Известен другой аналог-ЛЭ НЕ, ИЛИ-НЕ на комплементарных инверторах, который создается с использованием сложной интегральной конструкции комплементарных токовых зеркал с использованием дополнительной комплементарной пары, объединенные базы и коллекторы которой соединены со входом элемента и базами первой комплементарной пары [4]. Данный ЛЭ является близким к заявляемому объекту изобретению по совокупности формальных функциональных признаков, однако его реальное логическое функционирование с ненормализованными выходными токами при различных сочетаниях на выходах переменных не может быть взято за основу функционирования заявляемого объекта вследствие практически неустранимых функциональных противоречий элемента.

Известный аналог [4] характеризуется также серьезными недостатками, практически лишающими его возможности интегрального воплощения в плотноупакованных микромощных, низковольтных, быстродействующих УБИС. Это прежде всего связано с элементной избыточностью - использованием дополнительных балластных пар в ЛЭ НЕ. Далее для реализации логики, например, ИЛИ-НЕ требуется в интегральных конструкциях использовать отношения площадей соответствующих транзисторов в первой и второй комплементарных парах, равных 2 и 3, что не только существенно усложняет ЛЭ, но и практически на порядок увеличивает общую площадь ЛЭ-аналога по сравнению с площадью одной элементарной комплементарной пары. К серьезным недостаткам прототипа следует отнести также сильное изменение логического перепада при увеличении входов, требующее использование шунтирующих диодов Шоттки, формирующих стабильный перепад. Кроме того прототип обладает невысоким быстродействием и не способен работать в субвольтовом режиме напряжения питания и обеспечивать высокую помехоустойчивость ЛЭ. Несмотря на обеспечение микромощного режима с уменьшением до минимума статической балластной мощности, в этих инверторах также нельзя уменьшить напряжение питания меньше 1 В.

В качестве базового прототипа-основы для синтеза более гибких многофункциональных ЛЭ мы выберем биполярный комплементарный ЛЭ инвертор - НЕ на комплементарных структурах (фиг. 1), содержащий по крайней мере одну комплементарную пару n-p-n- и p-n-p-транзисторов, эмиттеры которых соединены с соответствующими шинами отрицательного и положительного питания, базы и коллекторы которых объединены и являются соответственно входом и выходом элемента [5] . В качестве критики и недостатков малокомпонентного комплементарного инвертора-прототипа отметим следующее. Несмотря на обеспечение микромощного режима с уменьшением до минимума статической балластной мощности в этих инверторах также нельзя уменьшить напряжение питания меньше 1-1.3 В. Кроме того в этих комплементарных парах транзисторы могут заходить в нежелательный режим насыщения, что приводит к потерям быстродействия инвертора. Этот существенный недостаток в принципе необходимо компенсировать использованием избыточных комплементарных транзисторов с диодами Шоттки, шунтирующих коллекторно-базовые переходы. Однако параллельным объединением комплементарных пар и их коллекторных выходов нельзя реализовать более гибкие универсальные ЛЭ типа ИЛИ-НЕ, И-НЕ, даже используя "расщепленное автономное питание для каждой пары, вследствие логически противоречивой состязательной ситуации при подаче в двухвходовом ЛЭ, например входных сигналов "1" и "0". Проблема малокомпонентного синтеза логического элемента ИЛИ-НЕ из комплементарных пар представляется первоочередной и будет решена и проанализирована в рамках заявляемого объекта устройства.

Для повышения степени интеграции и быстродействия перспективных биполярных ЛЭ УБИС, конкурентных по всей совокупности параметров КМОП элементам, требуются ЛЭ на масштабированных в область глубокого субмикрона и даже наноразмеров биполярных структуры с минимальными геометрическими размерами без балластных площадей, увеличивающих внутренние барьерные емкости, с выбором профилей примесей и топологией, обеспечивающих их работоспособность и надежность функционирования без нежелательных эффектов прокола, туннелирования, плохих контактов и других. А именно комплементарные биполярные ЛЭ, обеспечивающие высокую нагрузочную способность и малую потребляемую мощность перспективных низковольтовых микромощных быстродействующих УБИС.

Задачей изобретения является создание логического элемента НЕ, ИЛИ-НЕ на комплементарных структурах, обеспечивающего низковольтное напряжение питание и логический перепад в субполувольтовом диапазоне вплоть до 0.12-0.2 В, приемлемую помехоустойчивость работы, высокое технологическое и системное быстродействие элемента, уменьшение рабочей площади малокомпонентного ЛЭ для плотноупакованных УБИС, уменьшение рассеиваемой статической, динамической и полной мощности. Дополнительными целями, ставящими достижение сверхинтеграции и сверхбыстродействия УБИС на заявляемых ЛЭ, являются: дополнительное значительное уменьшения площади кристалла при реализации совмещенных трехмерных комплементарных функционально-интегрированных структур, а также обеспечивающих сокращение площади кристалла, затрачиваемой на соединение приборов и на разводку питания, и даже устранение собственно дорогих электрических источников питания для УБИС на заявляемых ЛЭ, запитываемых оптическим излучением. К глобальной цели изобретения следует отнести достижение значительно более конкурентоспособного заявляемого биполярного логического элемента НЕ, ИЛИ-НЕ известному аналогичному КМОП элементу - "рабочей лошадке" современных УБИС по всей совокупности электрических, схемотехнических, технологических характеристик и параметров.

Указанная задача достигается тем, что низковольтный быстродействующий биполярный логический элемент на комплементарных структурах содержит по крайней мере одну комплементарную пару n-p-n- и p-n-p-транзисторов, эмиттеры которых соединены с соответствующими шинами отрицательного и положительного питания, базы и коллекторы которых объединены и являются соответственно входом и выходом элемента, при этом база каждого симметричного n-p-n- и p-n-p-транзистора с нанометровыми размерами этой пары выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового тонкослойного материала с толщиной базы и концентрацией основных носителей тока из диапазона, в котором отсутствует прокол базы, а длина пробега неосновных носителей от эмиттера к коллектору более чем на два порядка меньше их диффузионной длины и имеет сильнолегированные приконтактные области, а эмиттер и коллектор этого транзистора выполнены из соответствующего сильнолегированного материала с концентрацией не менее чем на порядок меньшей концентрации вырождения этого материала; 2) в элементе по п.1 при использовании по меньшей мере двух комплементарных пар на n-p-n- и p-n-p-транзисторах эмиттеры n-p-n-транзисторов, как и эмиттеры p-n-p-транзисторов пар соответственно объединены, объединенные коллекторы транзисторов пар соединены между собой и являются выходом элемента, а базы транзисторов комплементарных пар являются соответствующими входами элемента; 3) в элементе по п. 2 транзисторы каждой комплементарной пары имеют вертикальную структуру столбика, у нижнего основания которого расположены горизонтальные сильнолегированные эмиттерные n⁺-, p⁺- области, с единой базовой областью из упомянутого слаболегированного материала и соответствующими приконтактными сильнолегированными областями, расположенными у боковой поверхности этой структуры, а у верхнего основания которой также расположен поглощающий коллекторный контактом пары, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p-типа; 4) в элементе по п. 3 соответствующие коллекторные сильнолегированные n⁺-, p⁺- области пары вертикальной структуры объединены металлическим контактом и он содержит изолирующий тонкий слой окисла между противоположными поверхностями совмещенных и изолированных друг от друга n-p-n- и p-n-p- транзисторов комплементарных пар; 5) низковольтный быстродействующий биполярный логический элемент на комплементарных структурах, содержащий по меньшей мере две комплементарные пары на n-p-n- и p-n-p-транзисторах, эмиттеры которых соответственно объединены, объединенные коллекторы транзисторов пар соединены между собой и являются выходом элемента, а объединенные базы транзисторов комплементарных пар являются соответствующими входами элемента, при этом каждая комплементарной пара имеет вертикальную структуру столбика, у нижнего основания которого расположены горизонтальные слаболегированные эмиттерные области, единая для пары базовая область столбика выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового тонкослойного материала с толщиной базы и концентрацией основных носителей тока из диапазона, в котором отсутствует прокол базы, а длина пробега неосновных носителей от эмиттера к коллектору более чем на два порядка меньше их диффузионной длины и имеет сильнолегированные приконтактные области, расположенные у боковой поверхности этой структуры, а у верхнего основания которой расположен поглощающий коллекторный контактом пары, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p-типа, причем горизонтальные эмиттерные области пар снабжены прозрачными окнами для оптического излучения.

Сущность изобретения и его отличительные от прототипа признаки заключаются в уникальной возможности обеспечения сверхбыстродействия работоспособности и надежности биполярных комплементарных двухтактных (пуш-пульных) ЛЭ-инверторов в микромощном режиме сверхнизких напряжений питания и логического перепада вплоть до 0.12-0.15 В при использовании необходимых и достаточных для такого функционирования оригинальных масштабированных в область глубокосубмикронных горизонтальных и вертикальных размеров симметричных биполярных комплементарных структур, когда база каждого транзистора этой пары выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового материала с толщиной и концентрацией основных носителей тока из диапазона, в котором длина пробега неосновных носителей более чем на два порядка меньше диффузионной длины неосновных носителей в базе n-, p-проводимости, L = (DT)^1/2, где D - коэффициент диффузии, а T - время жизни соответствующих носителей, дырок и электронов в слаболегированном полупроводнике. Биполярная по природе сущность поведения тонкослойных комплементарных структур в низковольтных микромощных инверторах НЕ характеризуется сильным полевым эффектом перемещения носителей: электронов в n-p-n- и дырок в p-n-p- транзисторах по достаточно тонкослойной (менее 100 нм) и слаболегированной базе с (или базе с собственной концентрацией для кремния n_i = 1,38 10¹⁰ см^-3) под действием ускоряющего поля между коллектором и эмиттером Ece. Более того, для сущности функционирования инвертора на описываемых масштабированных комплементарных структурах крайне важен не только низковольтный режим, но и то, что выбором конструкций структур удается избежать прокола базы, наличия балластных токов туннелирования и влияния контактных факторов за счет экранирования поля Ece расположением симметричных базовых контактов и сильным легированием их приконтактных областей с концентрацией не менее чем на порядок меньшей концентрации вырождения этого материала.

В отличие от традиционных масштабированных транзисторов СБИС, где для устранения прокола базы при требовании малых толщинах активной базы ее сильно легируют вплоть до концентраций (3-5)10¹⁸см³ в инверторах и более сложных логических элементах заявки используется новый обобщенный тип биполярных приборов - комплементарные симметричные транзисторные структуры (СТС) с нелегированной базовой областью, обеспечивающие симметричность по отношению к типу подвижных носителей и позволяющие строить экономичные низковольтные микромощные схемы. В СТС кардинальное уменьшение прокола активной базы достигается за счет уменьшения ее ширины с локализацией подвижных носителей между близко расположенными базовыми контактами. При снижении концентрации легирующей примеси в активной базе вплоть до собственной понижается барьер для инжекции носителей из эмиттера в базу, но сохраняется барьер, препятствующий проникновению соответствующих носителей в базовый контакт.

Сущность заявляемого изобретения при синтезе более гибких многофункциональных ЛЭ заключается в обеспечении базовой логики ИЛИ-НЕ сверхкомпактным, наиболее эффективным, параллельным соединением друг с другом двухтактных (пуш-пульных) комплементарных пар (вместо наиболее распространенного в КМОП схемотехнике последовательного соединения пар), не потребляющих практически статическую мощность, находясь в состояниях "1" или "0", с N входами их общих баз n-p-n- и p-n-p-транзисторов и с единым общим их коллекторным выходом этих же транзисторов в режиме оптимальной их работы при низких уровнях тока и напряжения питания. Принципиально важно для раскрытия сущности изобретения, что малая статическая мощность потребления ЛЭ достигается без ограничения и ухудшения скорости переключения и запасов помехоустойчивости, причем скорость зарядки нагрузочных емкостей будет зависеть от горизонтальной площади комплементарных структур, обеспечивающих ту или иную величину рабочего тока и нагрузочную способность ЛЭ и соответственно его системное быстродействие. В то же время минимальная динамическая мощность ЛЭ обеспечивается за счет минимальных логических перепадов, равных напряжению питания ЛЭ в диапазоне величин Eп = 0.15-0.5 В.

Сущность достижения дополнительной цели - достижение более высокой плотности упаковки ЛЭ и их сверхинтеграции в конкурентных УБИС для дешевого однолитографического производства заключается в совмещении рабочих областей баз комлементарных транзисторов в единую активную базовую область для протекания рабочих токов в трехмерных совмещенных функционально-интегрированных биполярных структурах, где площадь инвертора может занимать около 4 литографических квадратов, 4 L², где L-минимальный топологический размер. Причем наиболее значительное уменьшения площади кристалла при реализации заявляемых совмещенных комплементарных функционально-интегрированных структур достигается при обеспечении сокращения площади кристалла при расположении наверху трехмерной комплементарной структуры единого поглощающего коллекторного контакта пары, выполненной в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p-типа, поглощающих в совмещенной структуре потоки электронов и дырок из эмиттеров основания структуры. Дополнительное сокращение площади кристалла под ЛЭ и его разводку при реализаци функционально-интегрированных элементов (минимизация площади на соединение приборов и на разводку шин питания) достигается устранением собственно дорогих электрических источников питания для УБИС на заявляемых ЛЭ, запитываемых оптическим излучением, падающим на открытые прозрачные окна горизонтальных эмиттерных областей в основании трехмерных столбиковых комплементарных структур.

Принципиально важно для раскрытия сущности изобретения по всем пунктам 1-5, что заявляемые биполярные элементы И-НЕ могут быть выполнены с помощью однолитографических операций. В то же время для раскрытия сущности изобретения по дополнительному пункту 4 для более дешевых комплементарных технологий изготовления функционально-интегрированных элементов без коллекторных контактов Шоттки можно использовать коллекторные сильнолегированные области пары и для достижения работоспособности и надежности элементов изолирующий тонкий слой окисла, симметрично разделяющий трехмерную биполярную структуру. Эффективность биполярных технологий для изготовления планарных и трехмерных комплементарных СТС будет значительно выше, чем у традиционных и перспективных КМОП технологий, где необходимо создавать специальные прецизионные подзатворные сверхтонкослойные подзатворные слои толщиной в единицы-десятки нм, а также другие оксидные области.

Рассмотрим перечень фигур графического изображения и примеры конкретного выполнения заявленного ЛЭ, ставя номер фигуры в соответствие пунктам формулы изобретения.

На фиг. 1а приведена принципиальная обобщенная схема простейшего ЛЭ, инвертора НЕ на комплементарной паре 1, выполненной на n-p-n-, p-n-p-транзисторах 1₁, 1₂; входом 1_вх, выходом 1_вых и шинами питания источника напряжения: -E₀, +E₀ (прикладываемое к ЛЭ напряжение Eп = 2E₀). На фиг. 1б приведена структурная содержательная схема биполярного инвертора, изображенного на фиг. 1a, с единообразным описанием сечений комплементарных транзисторов 1₁, 1₂. При этом активная база каждого транзистора 4 этой пары выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового материала с толщиной W < 100 нм и имеет сильнолегированную приконтактную область 5, а эмиттер 6 и коллектор 7 этого транзистора выполнены из соответствующего сильнолегированного материала.

На фиг. 2а приведена принципиальная обобщенная схема многовходового элемента ИЛИ-НЕ, который содержит источник напряжения Eп с расщепленным напряжением +E₀, -E₀), комплементарные пары 1,2,..n на составных n-p-n- и p-n-p-транзисторах: 1₁, 1₂; 2₁, 2₂...; n₁, n₂, объединенные база первой пары являются первым входом элемента 1_вх, объединенные база второй и n-й пары являются 2-м и n-м входом элемента 2_вх, n_вх. Эмиттеры n-p-n-транзисторов, как и эмиттеры p-n-p- транзисторов пар, соответственно объединены, коллекторы транзисторов пар соединены и являются выходом 1_вых. На фиг. 2б приведена структурная содержательная схема биполярного ЛЭ ИЛИ-НЕ, изображенного на фиг. 2а, с единообразным описанием сечений комплементарных транзисторов 1₁, 1₂; 2₁, 2₂ двух комплементарных пар 1 и 2. При этом активная база каждого транзистора 4 этой пары выполнена из слаболегированного (или нелегированного с собственной концентрацией) полупроводникового материала с толщиной W в нанометровом диапазоне и имеет сильнолегированную приконтактную область 5, а эмиттер 6 и коллектор 7 этого транзистора выполнены из соответствующего сильнолегированного материала.

На фиг. 3 для пояснения п.3 заявляемого объекта приведен двухвходовой элемент ИЛИ-НЕ на двух трехмерных функционально- интегрированных структурах комплементарных пар 1_вх и 2_вх, соответствующими входами 1_вх, 2_вх и выходом 1_вых. Поперечное сечение каждой пары имеет вертикальную структуру столбика единой базы 8 высотой W < 100 нм, в основании которого лежат горизонтальные сильнолегированные эмиттерные и коллекторные n⁺ - p⁺-области 9, 10. Единая активная базовая область 8 из слаболегированного материала примыкает к соответствующим приконтактными сильнолегированным областям n⁺-p⁺-11 и 12, расположенными у боковой поверхности. Наверху столбика расположены поглощающий коллекторный контакт пары, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p- типа 13, 14 (два параллельных контакта Шоттки с различной высотой барьера, или в перспективе контакт металл - туннельный диэлектрик - полупроводник).

На фиг. 4 приведен модифицированный элемент ИЛИ-НЕ, который с целью удешевления технологии содержит объединенные наверху столбика металлическим контактом соответствующие коллекторные сильнолегированные области пары 15 и 16, и изолирующий тонкий слой окисла 17 между противоположными поверхностями совмещенных (для надежности работы ЛЭ и отсутствия балластных токов между высоколегированными областями базы и коллектора) и изолированных друг от друга n-p-n- и p-n-p-транзисторов, эмиттеры 9 и 10 соединены с шинами отрицательного и положительного питания -E₀, +E₀.

На фиг. 5 для пояснения п. 5 заявляемого объекта приведен двухвходовой элемент ИЛИ-НЕ на двух трехмерных функционально интегрированных структурах комплементарных пар 1 и 2, соответствующими входами 1_вх, 2_вх и выходом 1_вых. Поперечное сечение каждой пары имеет вертикальную структуру столбика единой базы 8 высотой W < 100 нм, в основании которого лежат горизонтальные слаболегированные (нелегированные) эмиттерные области. Единая активная базовая область 8 из слаболегированного материала примыкает к соответствующим приконтактным сильнолегированным областям n⁺- p⁺- 11 и 12, расположенными у боковой поверхности. Наверху столбика расположены поглощающий коллекторный контакт пары, выполненный в виде двух смежных разнородных контактов Шоттки n- и p-типа 13, 14. Совмещенный функционально-интегрированный элемент на фиг. 5 запитывется помощью оптического источника излучения в определенном диапазоне длин волн, когда горизонтальные сильнолегированные эмиттерные области пар снабжены прозрачными окнами для оптического излучения 18.

Устройство работает следующим образом. Для инвертора на фиг. 1 при подаче входного сигнала положительной полярности или "1" p-n-p-транзистор закрыт, а n-p-n-транзистор открыт, то есть находится в проводящем состоянии, когда под действием поля между коллектором и эмиттером электроны движутся к коллектору и понижают его потенциал, то есть напряжение на выходе 1_вых имеет отрицательный знак- "0". При подаче входного сигнала отрицательной полярности или "0" p-n-p-транзистор открыт, а n-p-n-транзистор закрыт, p-n-p-транзистор находится в проводящем состоянии, когда под действием поля между коллектором и эмиттером дырки движутся к коллектору и повышают его потенциал, то есть напряжение на выходе 1_вых имеет положительный знак-"1".

Для ЛЭ на фиг. 2 при любом сочетании входных сигналов на выходе 1_вых реализуется логика ИЛИ-НЕ (в положительной логике) и функция И-НЕ (в отрицательной логике). Реализация ИЛИ-НЕ достигается за счет большей величины тока n-р-n-транзисторов по сравнению с токами p-n-p-транзисторов - при одинаковой и симметричной их топологии - с учетом полевого управления тока транзисторов напряжением коллектор-эмиттер при открывающем напряжении перехода база-эмиттер. В исходном статическом состоянии при подаче на входы 1_вх, 2_вх ... сигнала логического "0" открыты p-n-p-транзисторы, на инверсном выходе 1_вых - состояние логической "1". В исходном статическом состоянии при подаче на входы 1_вх, 2_вх ... сигнала логического "0" открыты n-p-n-транзисторы, на инверсном выходе 3 - состояние логической "0". При подаче на входы 1_вх, 2_вх .. . сигналов логического "0" и "1" открыты n-p-n- и p-n-p-транзисторов комплементарных пар, но ток n-p-n-транзисторов больше в 5-7 раз p-n-p-транзисторов, и на инверсном выходе 1_вых - состояние логического "0". Потребление в статике мощности - практически нулевое.

В динамике при подаче на вход ЛЭ переключающих сигналов протекают сквозные токи, задающие уровень динамической мощности, пропорциональной величине логического перепада, но из-за малой его величины эта мощность предельно минимизируется. При быстро нарастающем на входах напряжениях для схем (фиг. 1.2) на выходе возникает начальный выброс сигнала U_вых, который объясняется влиянием проходной емкости между контактом базы и коллектора.

Принципиальным вопросом является доказательство возможности работы в режиме малых напряжений питания и логического перепада для ЛЭ, выполненных на комплементарных СТС со слаболегированной или нелегированной активной базой. Покажем эту возможность на основе анализа и моделирования транзисторных структур и ЛЭ.

Анализируемые комплементарные симметричные транзисторные структуры (СТС) разного типа, изображенные на фиг. 1б, 2б, обеспечивают топологическую симметричность по отношению к типу подвижных носителей для построения экономичных низковольтных микромощных схемы с малыми площадями на кристалле УБИС. Сечение СТС всех типов имеет активную базовую область, ограниченную сверху и снизу высоколегированными областями, а по бокам - высоколегированными областями другого типа проводимости. Проанализируем СТС, у которых активная базовая область вообще нелегирована, то есть является собственным полупроводником или полупроводником с небольшой фоновой проводимостью любого другого типа. Если активная нелегированная область будет характеризоваться p типом проводимости, то СТС, изображенные на фиг. 2б, 3, могут рассматриваться как вертикальная n-p-n-СТС с двумя базовыми контактами и одновременно как латеральный полевой транзистор с дырочным каналом и с двумя управляющими переходами. Если активная область будет характеризоваться n типом проводимости, то эта структура может рассматриваться как биполярная p-n-p СТС с двумя базовыми контактами и как полевой транзистор с электронными каналами и двумя управляющими переходами. Биполярный режим работы СТС в ЛЭ характеризуется инжекцией в активную область носителей обоих знаков при открывании входного p-n-перехода и протекании по структуре значительных плотностей токов при малой исходной проводимости активной области.

При масштабировании - согласованном уменьшении горизонтальных и вертикальных размеров классического биполярного транзистора - возникают серьезные противоречия и трудности, особенно в нанометровом диапазоне размеров. Для предотвращения прокола тонкослойной базы транзистора необходимо увеличивать в ней концентрацию легирующей примеси, а также снижать рабочие напряжения питания. В то же время предельная концентрация легирующей примеси в активной базовой области принципиально ограничивается наличием туннельного пробоя эмиттерного p-n-перехода.

В СТС устранение (или кардинальное уменьшение) прокола активной базы достигается за счет уменьшения ее ширины с локализацией подвижных носителей между близко расположенными базовыми контактами (лучше это реализуется у "квадратных" СТС на фиг. 1б, 2б, чем у СТС на фиг. 3, 4, 5), подобно тому как локализуют канал в МОП транзисторах. Когда ширина базы не превышает ее толщины, то электрическое поле между эмиттером и коллектором значительно ослабляется за счет экранирующего, демпфирующего действия базовых контактов. При снижении концентрации легирующей примеси в активной базы вплоть до собственной понижается барьер для инжекции носителей из эмиттера в базу, но сохраняется барьер, препятствующий проникновению соответствующих носителей в базовый контакт. При тонкослойной активной базе со слабым легированием, вплоть до собственной концентрации в принципе минимизируется эффект прокола базы, при этом величина неконтролируемого тока прокола может быть достаточно малой.

В рассматриваемых ЛЭ (фиг. 1-5) анализируемые и моделируемые СТС различного типа имеют область активной базы - слой Si с собственной концентрацией и проводимостью (допустима концентрация фоновой примеси 10¹³ - 10¹⁴ см^-3), а прилегающие к ней области p⁺-типа и n⁺-типа проводимости имели одинаковую концентрацию легирующей примеси соответственно 10¹⁸ см^-3. Уровень легирования периферийных областей должен быть достаточно велик для обеспечения контактов и для снижения омического сопротивления, однако в случае перекрытия периферийных областей не должен превышать величины концентраций, вызывающей туннельный пробой сильнолегированного p-n-перехода. При указанных размерах квадрата СТС 0.1 х 0.1 мкм (СТС - 0.1) размер активной базы (с толщиной менее 100 нм) по третьей координате был принят 1 мкм.

Рассмотрим результаты численного моделирования n-p-n СТС-0.1, выполненный по модифицированной программе счисленного смешанного приборно-схемотехнического моделирования [6, 7] . На фиг. 6 представлены расчетные входные bax n-p-n СТС (толщина и ширина базы 0.1 мкм, а длина 1 мкм), характеризующие специфику очень высокого эффективного коэффициента усиления СТС в области микротоков базы. При подаче напряжения прямого смещения на эмиттерный переход наблюдается интенсивная инжекция электронов из эмиттера и дырок из базовых контактов в активную область базы, причем с возрастанием прямого смещения база-эмиттер происходит возрастание концентрации подвижных носителей в активной области базы и в дальнейшем достижение их концентрации в высоколегированных областях. Эффективно образуются электронный и дырочный каналы, причем разность потенциалов на концах каналов определяет величину (и направление) тока в каналах. На фиг. 7 и 8 представлены выходные BAX аналогичных n-p-n- и p-n-p СТС триодного типа. Несмотря на некоторое отличие в форме выходных BAX в области малых и средних напряжений коллектор-эмиттер можно сделать вывод о хороших ключевых характеристиках комплементарных СТС, у которых отношение токов включенного (напряжение база-эмиттер равно 0.8 В) и выключенного (напряжение база-эмиттер 0 В) превышает свыше четырех-пяти порядков. Исследование влияния концентрации легирующей примеси в активной базе показало, что выходные BAX слабо меняются, пока концентрация не превышает 10¹⁵ см^-3.

На фиг. 9 для двухтактного каскада на комплементарных СТС представлены его расчетные передаточные характеристики, характеризующие возможность формирования логических перепадов в достаточно широком диапазоне и с высокой нагрузочной способностью в низковольтном режиме (E_п = 0.15-0.5 В) с минимальной статической мощностью (менее 0.1 нВт - 0.1 мкВт, соответственно). Для нагрузочной емкости _н = 1-10 фФ в рассматриваемом диапазоне логических перепадов времена задержек составляли от 15 до 150 пс. Нами показано, что для более значительных нагрузок C_н ЛЭ его системное быстродействие управляется с помощью увеличения площадей СТС, изображенных на фиг. 1-5.

Таким образом, анализ статических и динамических характеристик ЛЭ показал, что ЛЭ на приборном базисе СТС со слаболегированной (нелегированной) базой обладают высокими нагрузочными и усилительными формирующими свойствами, допускают работу при размерах 100 нм и менее. Подобное сочетание показателей качества ЛЭ на СТС вместе с высочайшей плотностью размещения трехмерных функционально-интегрированных ЛЭ на комплементарных парах (фиг. 3-5) является наилучшим для низковольтовых процессорных кремниевых УБИС. У предложенных ЛЭ выявлены значительные преимущества с ЛЭ-прототипом [5] и аналогами [1-4] . Это открывает возможности достижения сверхконкурентоспособных параметров заявляемых ЛЭ в рамках дешевых однолитографических технологий (без достаточно дорогостоящего создания недостаточно контролируемых тонкослойных подзатворных и других окислов) и развития архитектур УБИС поразрядной совместимости специализированных процессорных и запоминающих устройств новейших поколений с тактовыми рабочими частотами в несколько ГГц.

При переходе к новому классу трехмерных совмещенным биполярных комплементарных ЛЭ на рассматриваемых СТС (фиг. 3-5), т.е. совмещенным приборам, у которых один и тот же объем базы используется для движения обоих типов носителей, эле