[发明专利]可电擦去的，能直接重写的多位单一单元存储元件和用它制成的阵列

说明书

一般说来，本发明涉及一类将新的以高浓度可调制自由电荷载流子为特征的半导体材料。用这类新的半导体材料制成的器件的工作机理与现有的半导体器件的工作机理不同。用这类新的半导体材料能恰当地提供具有异乎寻常的性能的新器件结构。更详细地说，本发明实质上涉及一类具有窄带隙的微晶半导体材料。用这类材料能专门设计成固态的、电和光起动的、能直接重写的、极低能、极快速转换的、非易失的、模拟和多级单一单元工作的存储元件;和用这类材料构成的高密度电存储阵列。

Ovonic    EEPROM（双向可电擦可编程序的只读存储器）是一种新的、有专利权的、高性能的、非易失的薄膜电子存储器件。在该器件中，信息能以模拟或二进制形式（每单元一个比特），或以多态形式（每个存储单元有多个比特）存储。双向EEPROM的优点包括数据的非易失存储，高比特密度潜力，它的少量基底印刷和简单的两个连接端的器件结构所带来的低成本，长的可编程序循环寿命，低程序设计能量和高速度，双向EEPROM能以二进制和多状态工作。用结构和材料具有小的差别，来提高二进制或多状态的性能特征。就本发明而言，术语“存储元件”和“控制元件”是作为同义语使用的。

大多数半导体器件的工作是受迁移载流子浓度的控制支配，这种迁移载流子与热平衡时产生的载流子不同。本发明之前，只有四种已知的普通方法用于控制和调制固体半导体器件中的剩余载流子或自由载流子的浓度，（这两个术语在整个讨论中被互换使用）。以下，为理解本发明的优点，伴随着对所需的半导体器件工作的基本机理的一般讨论，这四种已知的方法将会得到说明。

作为说明，在无杂质和晶格缺陷的完美的半导体晶格中-本征半导体，在0°K时，由于价带中充满电子和导带是空的，所以不存在载流子。然而，在高温时，由于价带电子被热激活，跨越带隙进入导带，而产生电子-空穴对。这些热产生的电子-空穴对是存在于本征半导体材料中仅有的载流子。当然，由于电子和空穴是成对产生的，导带电子浓度（每立方厘米中的电子数，等于价带中的空穴浓度（每立方厘米中的空穴数）。众所周知，但仍值得强调的是，若要保持稳态的载流子浓度，必须使载流子的复合速度与这些载流子的产生速度相同。当导带中的一个电子，直接或间接地借助于中间-隙复合中心，越迁进价带中的空态（空穴）时，就产生了复合，因而湮灭了一对电子-空穴对。

除热产生的载流子外，由于有意将某些杂质导入晶格中也能在半导体材料中产生载流子。这个过程叫掺杂，并代表了改变半导体导电率的公用方法。通过掺杂可以使半导体材料变成电子或空穴占优势，也就是说，使半导体材料变成N-型或P-型。当晶格被掺杂成平衡载流子浓度与本征载流子浓度不同时，半导体材料被称为“非本征的”，当引入的杂质或晶格缺陷进入其他不那样完美的晶格时，在能带结构中，通常在带隙中会产生一个附加的能级。例如，在硅或锗中掺磷时，产生一个非常靠近导带的能级。这个新的能级在0°K时被电子充满。要将这些电子激发到导带，只需很小热能。因此，在50-100°K时，杂质能级中的所有电子，实际上都施给了导带。用施主杂质掺杂过的半导体材料，在导带中能具有相当高的电子浓度，甚至当温度很低，低到不能测出本征载流子浓度时也是如此。

现在，读者可以发现代表电导率的剩余载流子存在的重要性。必须注意的是，载流子也可以用光激活，或者使它们能注入跨过加有正向偏压的p-n结或肖特基势垒。简单地说，无论剩余载流子以何种方式产生，它们都支配着半导体材料中的导电过程。前面已经说过，自由电荷浓度的调节方法已知有四种，以下对这四种方法加以说明：

（1）在1948年，Bardeen，Brattain和Schochley当他们用成功地调制双极性结型晶体管中注入的少数载流子流，证明一种固体放大器的工作时，他们宣告了半导体电子学新纪元的到来。双极性结型晶体管中一种有三个引出端的器件，其中第三个引出端的电流有少量变化时能控制流过器件中二个引出端的电流。这种控制特性能用于小信号的放大，或使器件从“接通”转换成“断开”状态。换句话说，双极性晶体管用于调制跨越半导体结的少数载流子的注入和收集。更详细地说，例如在考虑一个p-n-p双极性结构（一种n-p-n双极性结构的工作是p-n-p结构的工作的简单翻转）时，加有正向偏压的结的负边与加反偏压结的负边相同。对这种结构而言，空穴由p-n结注入中心n区提供少数载流子。空穴，作为流过n-p结的反向电流。现在需要明确的是，作为“双极性”这类器件的命名与电子和空穴两者起作用有极端重要的关系。