Angewandte Halbleiterphysik I (Grundlagen)

13.4. Speicher
1-Megabit-DRAM
100 mm Si-Scheibe mit
57 Chips
Baustein eingebaut in
Standart 18 Pin DIP
Momentan aktuell:
- 300 mm Si-Scheiben
- 1 GBit
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13.4.1. Dynamischer Speicher
DRAM: dynamic random access memory
Speicherzelle besteht aus
Schreib-/ Lesespeicher und
Ladekapazität.
Die Adressierung erfolgt
durch Wort- und Bitleitung
in Array-Anordnung.
Die Ladung muss allerdings periodisch aufgefrischt werden.
Durch schrittweise Reduktion
der Transistor und Kondensatorfläche konnte die Speicherdichte erheblich erhöht
werden.
Ab 1 MBit wird auch die 3.
Dimension benutzt (Trench).
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Speicherkapazität:
C=
εi
⋅A
d ox
Für eine minimale Oxiddicke sind nur noch die Dielektrizitätskonstante und die Kondensatorfläche veränderbar.
→ Flächenerhöhung durch Trench-Geometrie
13.4.2. Statischer Speicher (SRAM)
1 Bit-Speicher durch Flip-Flop-Schaltung
CMOS: 6 Tr., HRL (high resistor load): 4 Tr., TFT: 4 Tr.
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13.4.3. Einzelelektron-Speicher
Durch die Ladung eines
einzelnen Elektrons in
einer Dot-Struktur kann 1
Bit gespeichert werden.
Die Coulomb-Blockade
verhindert einen weiteren
Ladestrom.
Flächenbedarf nur durch
die Zuleitungen und den
Auslese-transistor
begrenzt
13.4.4. Festwertspeicher
ROM:
EPROM:
EEPROM:
read only memory
erasable programmable ROM
electrically erasable PROM
Beim ROM ist die Speicherinformation schon über die
Herstellungsmaske festgelegt, oder wird einmal durch einen hohen
Spannungspuls eingebrannt.
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Beim EPROM kann der Speicherinhalt durch UV-Einstrahlung
wieder gelöscht werden.
Beim EEPROM kann der Löschvorgang ebenfalls elektrisch
erfolgen.
Technologievarianten
MNOS:
(metal nitride oxide
silicon)
Ladungsspeicherung
an der Grenzfläche
FAMOS:
(floating gate avalanche injection type MOS)
Ladungsspeicherung
im "floating gate"
SAMOS:
(stacked gate AMOS)
kann auch elektrisch
gelöscht werden
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Funktionsprinzip eines nichtflüchtigen Speichers
• Ladevorgang für VG > 0 (Schreibmodus)
• Ladungsspeicherung bei VG = 0 (Speichermodus)
• Entladevorgang für VG < 0 (Löschmodus)
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Ladevorgang
Ladung:
Tunnelstrom:
[ ( )
( )] dt
r
r
t
Q( t ) = ∫ J1 E1 + J 2 E 2
0
(
r 2
r
J = C1 E1 exp − E 0 E1
)
• Am Anfang des Ladevorgangs nimmt die Ladung linear mit der
Zeit zu.
• Falls die Ladungszunahme auch die Feldstärke zwischen Halbleiter und "floated gate" beeinflusst, nimmt der Strom rasch ab
• Nach Beendigung des Ladevorgangs (VG = 0) ist die Schwellenspannung um den Betrag ∆VT = -(d2/ε2)Q verschoben
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Lademechanismen
(C) CHEI
(A) DAHC
(S) SCIHE
channel hot electron injection
drain avalanche hot-carrier
substrate current induced hot-electron
CISEI
channel initiated secondary electron injection
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13.4.5. Ladungsverschiebungselemente (CCD, CTD)
CCD:
CTD:
charge coupled device
charge transfer device
• Mit drei Elektroden auf unterschiedlichem Potential kann eine
Ladung in ein bestimmte Richtung transportiert werden.
Anwendung als Schieberegister, bzw. in Verbindung mit Fotodioden
zur Bildabtastung
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13.5. Zukünftige Trends
Trends bei höchst integrierten Chips:
•
•
•
•
•
Weitere Flächenreduktion pro Transistor bzw. Speicherzelle
Größere Chipflächen
Niedrigere Betriebsspannungen
Höhere Taktfrequenzen
3D-Aufbau
• Kleinere Strukturdimensionen (Gate-Länge, Schichtdicken, etc.)
• Komplexe Verbindungstechnik (Mehrschichtsysteme)
• Synchronisationsprobleme wegen hoher Frequenzen und großer
Chipausdehnung
• Verlustleistung nimmt drastisch zu
13.5.1. Reduktion der Ladungsträgeranzahl
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13.5.2. Kurzkanal-FET
Kanallänge: 60 nm = 182 Atomen, Oxiddicke: 1.2 nm = 4 ML
Spannungsbereich
bei ca. 1 V
hohe Serienwiderstände im Bereich
kOhm
Messung
Simulation
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13.5.3. Verbindungstechnologie
Durch hierarchischen Aufbau
der Leitungsverbindungen von
lokal zu global können
wesentlich höhere Betriebsfrequenzen erzielt werden.
Mikroprozessor mit 6 Metallisierungslagen (SGS Thomson)
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13.5.4. Mehrlagen-Aufbau (3D-Chips)
Mehrlagenverfahren erlaubt auch die Kombination unterschiedlicher
Materialtechnologien, z.B. GaAs und Si.
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14. Quanteneffekt-Bauelemente
• Resonante Tunneldioden
• Bauelemente mit ballistischen Ladungsträgertransport
14.1. Resonante Tunneldioden
14.1.1. Tunnelprinzip
Quanteneffekte:
- Ladungsträgerquantisierung im Potentialtopf
- Tunneln durch Barriere
⎛ − h2 d2
⎞
⎟χ (z ) = E χ (z )
1D Schrödingergleichung: Ĥ χ ( z ) = ⎜
+
V
(
z
)
⎟
⎜ 2 m dz 2
⎝
⎠
Energieeigenwerte:
En =
Wellenfunktion in der Barriere:
h 2π2n 2
2 mL 2w
χ n (z) ~ e
für V0 → ∞
−κn z
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für V0 endlich
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κn =
mit Wellenzahl
2m
h
(V 0 − E n )
2
Allgemeiner Wellenansatz: χ ( z ) = Ae ikz + Be − ikz
χ ( z ) = Ce ikz
Transmissionskoeffizient: T ( E ) = C
A
2
für z < 0
für z > L B
≈ e−2κ(E )LB
14.1.2. Doppelbarrieren-Quantenfilm
Transmissionskoeffizient:
T (E z = E n ) =
Jz =
Tunnelstrom:
mit Flächenladungsdichte
N (E z ) =
4 TE TC
( TE + TC ) 2
e
N ( E z ) T ( E z ) dE z
2 πh ∫
kTm
πh 2
*
(
ln 1 + e (E F − E z )
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kT
)
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14.1.3. RT-Strukturen mit 3 Kontakten
Realisierung einer Transistorfunktion durch Steuerung
mit einer Gate-Elektrode im
Quantenfilmbereich.
Durch zusätzliches E-Feld
wird die Quantisierungsenergie und damit die
Resonanzbedingung
beeinflusst.
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