[发明专利]半导体器件

说明书

本发明涉及到一种用来对大量加权输入信号进行求和的半导体器件，它包括半导体本体，其临近表面是具有第一导电类型的表面区，电极和浮栅置于本体表面并和表面区绝缘。用于输入求和信号的输入电极和表面区及浮栅绝缘并同浮栅容性耦合。例如此器件可构成神经网络，其中电信号在突触中被加权而被加权的输入信号由神经原利用非线性功能转换成一个或多个输出信号y_i。此信号y_i本身又可能构成下一层神经原的输入信号。

上节所述的半导体器件尤其在T.Shibata和T.Ohmi的文章“以栅电平加权求和及阈值运算为特色的一种功能MOS晶体管”(IEEE Trans.Electron Devices，vol 39，No.6，1444-1455(1992年6月))中已为人们所知。描述了一种带有浮栅的MOS晶体管，其中有大量电容耦合于浮栅的输入门。输入信号以加权形式馈至输入电极，浮栅的电位由加于输入电极的信号之和决定。对依赖于浮栅电位的源/漏电流进行测量，可得到代表加权输入信号之和的参数。在此器件中，为了储存加权因子并对输入信号进行加权，需要提供额外的装置，这可能使电路变得非常复杂。尤其由于晶体管沟道中的迁移率有温度依赖性而使此器件有很强的温度依赖性。

本发明的目的是提供一种在开始段落中所述的半导体器件，其中的加权因子储存、输入信号同加权因子相乘、以及加权过的输入信号的相加，都可在普通的开关元件中进行。本发明的又一目的是提供一种温度依赖性非常小，至少大大小于已知的上述器件温度依赖性的器件。

本发明尤其是基于当输入信号馈于所谓的开关电容器时可获得密集结构的这一认识，其中每个电容器都有一个储存加权因子的浮栅。根据本发明，开头段落所指出的这类半导体器件的特征在于浮栅电极与各输入电极有关，在于存在用来将电荷加于各个上述的浮栅电极的装置，此电荷是加于相关输入电极的输入信号被加权的加权因子的表征，以及在于表面区经由pn结溶入第二导电类型的半导体本体的邻接部分并形成储存其数值表明加权输入信号之和的电荷的电荷储存区，存在可使表面区进入第一工作态的参考电位和进入第二工作态的浮置电位的装置。由图可明显看出，通过将浮栅的存储功能集成到用来实行输入信号同加权因子相乘的开关电容器中去的方法，可获得特别密集型结构。可获得输入电压和由此感应的电荷之间的非线性关系，其中器件可在只在表面区出现耗尽亦即表面导电类型不反转的电压范围内运行。正如将要看到的那样，这尤其有利于感应正负二种电荷。已指出表面区可由对所有输入电极公用的相连接的区域组成。但表面区也可由半导体主体中的彼此分隔开并用内部或外部引线互连起来的子区域构成。

用简单方法防止了少数载流子热激发引起的反转的最佳实施例的特征是表面区带有一个或几个同表面区形成整流结的区域，用这种结通过采用反电压而防止了浮栅下导电类型的反转。

在工作过程中，表面区的电荷态可用微分放大器来调整或读出，此放大器一个输入电连接于表面区而另一输入连接于处在参考电位的结点。输出可用开关连接到输入，使表面区域电位等于或基本上等于参考电位。在开关的非导通态，表面区处于电浮置电位。表面区的电荷态可被确定，其中参考电压提供给输入电极而表面区浮置。在一个实施例中，这可引起度量表面区电荷态的表面区电位，从而使加权输入信号求和。在另一实施例中，放大器的输出经由反馈电容器而连接到表面区。表面区则用反馈电容器保持在大体恒定的电压，亦即放大器的另一输入处的参考电压，而电荷被完全地或大体完全地储存在反馈电容器中。输出信号从放大器输出端取出。

反馈电容器可以有固定的电容，在某些实施例中是一恒定的电容，其数值在相关的电压范围内不随电压变化或基本不随电压变化，从而得到电荷和输出电压之间的线性关系。另一实施例的特征是反馈电容器包含一个位于构成反馈电容器一个极板的表面区和构成反馈电容器另一极板的导电层之间并用绝缘材料同表面区和插入的浮置区隔离开的导电的浮置区。此电容器可构成神经原的非线性转换功能。此功能可用能加到反馈电容器中浮栅上的电荷来编程。属于反馈电容器的那部分表面区可以再形成一个同输入电极下子区相一致的区域，或者一个用引线连接于其它子区的分隔的子区。

已知的尤其是带浮栅的那类非易失存储器可以用来设定加权因子。本发明的一个实施例的特征是：由隧道介质同浮栅隔开的注入区连接于各个输入电极和相关的浮栅。浮栅的电荷态可以通过电荷载流子的隧穿经由隧道介质而有控制地改变，数字或模拟均可。注入区可由同表面区分隔开的第一导电类型的表面区域构成。