No Image

Транзистор с плавающим затвором принцип работы

СОДЕРЖАНИЕ
0 просмотров
10 марта 2020

Транзи́стор с пла́вающим затво́ром — разновидность полевого МОП-транзистора, используемая в различных устройствах энергонезависимой памяти: флэш-памяти, EEPROM.

Содержание

Разновидности [ править | править код ]

Транзисторы с электрическим программированием и ультрафиолетовым стиранием (ЛИЗМОП) [ править | править код ]

ЛИЗМОП (англ. FAMOS — Floating gate Avalanche injection Metal Oxide Semiconductor ) — полевой МОП-транзистор с лавинной инжекцией заряда, базовый элемент одного из вариантов энергонезависимых постоянных запоминающих устройств.

Конструкция транзистора была предложена Фроман-Бенчковским в 1971 году и отличается от обычного полевого транзистора наличием «плавающего затвора», то есть проводящей области над каналом, которая изолирована от других частей структуры и на которой можно сохранять электрический заряд. Изменение величины заряда на плавающем затворе приводит к сдвигу вольт-амперной характеристики транзистора, что и используется для кодирования логических состояний 1 и 0. Для переноса электронов из подложки на плавающий затвор используется явление лавинного пробоя перехода исток (сток) — подложка («лавинная инжекция»), а для удаления электронов из плавающего затвора структура облучается ультрафиолетовым светом (УФ) через специальное окно в корпусе микросхемы, прозрачное для УФ и возбуждённые фотонами электроны из плавающего затвора возвращаются в подложку. Существует два варианта конструкции транзистора, отличающиеся наличием или отсутствием обычного управляющего затвора (варианты «с плавающим затвором» и «с двойным затвором»).

Недостатком ЛИЗМОП-транзисторов является ограниченное число перезаписей информации (порядка 100) и невозможность изменения информации в отдельно взятой ячейке памяти без стирания информации во всей запоминающей матрице микросхемы. Поэтому в 1980-е годы ЛИЗМОП-структуры были вытеснены другими конструкциями энергонезависимой памяти, позволяющими стирать информацию чисто электрическим способом.

Транзисторы с электрическим программированием и стиранием [ править | править код ]

В таких транзисторах изменение электрического заряда внутреннего, изолированного слоями диэлектрика затвора производится чисто электрическим способом без применения ультрафиолетового излучения, но принцип действия сохраняется. Изменение заряда плавающего затвора происходит за счет туннелирования электронов и обратимого лавинного пробоя тончайших (порядка нескольких нм) слоёв диэлектрика, обусловленные высокой напряжённостью электрического поля в диэлектрике. При изменении электрического заряда на плавающем затворе изменяется вид вольт-амперной характеристики структуры, в частности, изменяется напряжение отсечки при управлении изменением напряжения на управляющем затворе, что позволяет в этой структуре хранить 1 бит информации. Так как заряд плавающего, изолированного от всех электрических цепей затвора сохраняется (при не очень сильных электрических полях в слоях диэлектрика), микросхемы, построенные на таких структурах, сохраняют информацию при отключённом напряжении питания.

Широко применяется в типах флеш-памяти, допускающих (по данным на 2010 год) по крайней мере 100 тысяч циклов перезаписи для SLC (однобитных ячеек) и 10 тысяч — для MLC (хранение 2 бит в ячейке в виде одного из четырёх уровней) [1] . Такая память изготавливается по техпроцессам вплоть до 19 — 16 нм . Приблизительно в 2011—2012 годах всеми производителями флеш-памяти были внедрены воздушные промежутки между управляющими линиями, позволившие продолжить масштабирование далее 24 — 26 нм [2] [3] . Из-за проблем с дальнейшим масштабированием с 2014—2015 года некоторые производители (Samsung) начали массовый выпуск 24- и 32-слойной 3D NAND [4] , в которой для хранения информации используются не транзисторы с плавающим затвором, а ячейки на базе технологии CTF [5] .

Читайте также:  Почему тормозит мегого на смарт тв

Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) делятся на однократно программируемые (например, биполярные ПЗУ с плавкими соединениями) и рассматриваемые здесь многократно электрически программируемые МОП ПЗУ. Это полевой транзистор с плавающим затвором и МДОП (металл-диэлектрик-оксид полупроводник) транзистор. Обычно в качестве диэлектрика используют нитрид кремния.

Полевой транзистор с плавающим затвором

Конструкция и обозначение полевого транзистора с плавающим затвором представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. МОП транзистор с плавающим затвором

Это р-канальный нормально закрытый МОП прибор. Здесь же показаны вольтамперные характеристики (ВАХ) транзистора в состоянии логических единицы и нуля (до и после записи информационного заряда). Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его потенциал "плавает". Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор:
— или сквозь потенциальный барьер Si-SiO2 путем квантовомеханического туннелирования;
— или над барьером "горячих" носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки.

Положительное смещение на верхнем затворе (относительно полупроводниковой подложки) вызовет накопление электронов в плавающем затворе при условии, что утечка электронов через верхний диэлектрический слой мала. Величина заряда Q, накопленного за время t, а значит, и пороговое напряжение, определяется как где J(t) — величина инжекционного тока в момент времени t.

Рис. 4.2. . Инжекция горячих электронов в диэлектрик МДП-транзистора и другие процессы, проходящие при лавинном пробое подложки

Лавинный пробой подложки вблизи стока может приводить к неод-нородной деградации транзистора и, как следствие, к ограничению по числу переключений элемента памяти. МДП-транзистор с плавающим затвором может быть использован в качестве элемента памяти с временем хранения, равным времени диэлектрической релаксации структуры, которое может быть очень велико и, в основном, определяется низкими токами утечки через барьер Si-SiO2 (Фe=3.2 эВ). Fe — высота потенциального барьера. Такой элемент памяти обеспечивает возможность непрерывного считывания без разрушения информации, причем запись и считывание могут быть выполнены в очень короткое время.

МНОП транзистор

На рис. 4.3 приведена конструкция МНОП транзистора (металл-нитрид кремния-оксид кремния-полупроводник). Эффект памяти основан на изменении порогового напряжения транзистора при наличии захваченного в подзатворном диэлектрике положительного или отрицательного заряда, который хранится на глубоких (1.3-1.5 эВ) ловушках, в нитриде кремния вблизи границы SiO2-Si3N4.

Читайте также:  Как подключить комп к телевизору через hdmi

Рис. 4.3. Конструкция МНОП транзистора: 1 — металлический затвор; 2,3 — области истока и стока соответственно; 4 — подложка.

Запись информационного заряда происходит так же, как и в МОП транзисторе с плавающим затвором. Высокая эффективность захвата электронов (или дырок) связана с большим сечением захвата на ловушки (порядка 10-13 кв.см.) и большой их концентрации (порядка 1019 куб.см.).

Рис. 4.4. Операция записи в МНОП-структуре (зонная диаграмма).

Ток в окисле Jox — туннельный ток инжекции, ток JN — ток сквозной проводимости в нитриде. В случае прямого туннелирования электронов в зону проводимости SiO2 сквозь треугольный барьер плотность тока определяется уравнением Фаулера-Нордгейма , где A — константы, Е — напряженность электрического поля. По мере накопления заряда поле на контакте уменьшается, что приводит к уменьшению скорости записи. Эффективность записи зависит также и от тока сквозной проводимости в нитриде.

Стирание информации (возврат структуры в исходное состояние) может осуществляться:
— ультрафиолетовым излучением с энергией квантов более 5.1 эВ (ширина запрещенной зоны нитрида кремния) через кварцевое окно;
— подачей на структуру импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему. В соответствии с ГОСТом такие ИМС имеют в своем названии литеры РФ и РР соответственно. Время хранения информации в МНОП транзисторе обусловлено термической эмиссией с глубоких ловушек и составляет порядка 10 лет в нормальных условиях. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов "запись-стирание" обычно не менее 10 5 .

Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) делятся на однократно программируемые (например, биполярные ПЗУ с плавкими соединениями) и рассматриваемые здесь многократно электрически программируемые МОП ПЗУ. Это полевой транзистор с плавающим затвором и МДОП (металл-диэлектрик-оксид полупроводник) транзистор. Обычно в качестве диэлектрика используют нитрид кремния.

Полевой транзистор с плавающим затвором

Конструкция и обозначение полевого транзистора с плавающим затвором представлены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. МОП транзистор с плавающим затвором

Это р-канальный нормально закрытый МОП прибор. Здесь же показаны вольтамперные характеристики (ВАХ) транзистора в состоянии логических единицы и нуля (до и после записи информационного заряда). Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его потенциал "плавает". Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор:
— или сквозь потенциальный барьер Si-SiO2 путем квантовомеханического туннелирования;
— или над барьером "горячих" носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки.

Положительное смещение на верхнем затворе (относительно полупроводниковой подложки) вызовет накопление электронов в плавающем затворе при условии, что утечка электронов через верхний диэлектрический слой мала. Величина заряда Q, накопленного за время t, а значит, и пороговое напряжение, определяется как где J(t) — величина инжекционного тока в момент времени t.

Читайте также:  Почему дота стала лагать

Рис. 4.2. . Инжекция горячих электронов в диэлектрик МДП-транзистора и другие процессы, проходящие при лавинном пробое подложки

Лавинный пробой подложки вблизи стока может приводить к неод-нородной деградации транзистора и, как следствие, к ограничению по числу переключений элемента памяти. МДП-транзистор с плавающим затвором может быть использован в качестве элемента памяти с временем хранения, равным времени диэлектрической релаксации структуры, которое может быть очень велико и, в основном, определяется низкими токами утечки через барьер Si-SiO2 (Фe=3.2 эВ). Fe — высота потенциального барьера. Такой элемент памяти обеспечивает возможность непрерывного считывания без разрушения информации, причем запись и считывание могут быть выполнены в очень короткое время.

МНОП транзистор

На рис. 4.3 приведена конструкция МНОП транзистора (металл-нитрид кремния-оксид кремния-полупроводник). Эффект памяти основан на изменении порогового напряжения транзистора при наличии захваченного в подзатворном диэлектрике положительного или отрицательного заряда, который хранится на глубоких (1.3-1.5 эВ) ловушках, в нитриде кремния вблизи границы SiO2-Si3N4.

Рис. 4.3. Конструкция МНОП транзистора: 1 — металлический затвор; 2,3 — области истока и стока соответственно; 4 — подложка.

Запись информационного заряда происходит так же, как и в МОП транзисторе с плавающим затвором. Высокая эффективность захвата электронов (или дырок) связана с большим сечением захвата на ловушки (порядка 10-13 кв.см.) и большой их концентрации (порядка 1019 куб.см.).

Рис. 4.4. Операция записи в МНОП-структуре (зонная диаграмма).

Ток в окисле Jox — туннельный ток инжекции, ток JN — ток сквозной проводимости в нитриде. В случае прямого туннелирования электронов в зону проводимости SiO2 сквозь треугольный барьер плотность тока определяется уравнением Фаулера-Нордгейма , где A — константы, Е — напряженность электрического поля. По мере накопления заряда поле на контакте уменьшается, что приводит к уменьшению скорости записи. Эффективность записи зависит также и от тока сквозной проводимости в нитриде.

Стирание информации (возврат структуры в исходное состояние) может осуществляться:
— ультрафиолетовым излучением с энергией квантов более 5.1 эВ (ширина запрещенной зоны нитрида кремния) через кварцевое окно;
— подачей на структуру импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему. В соответствии с ГОСТом такие ИМС имеют в своем названии литеры РФ и РР соответственно. Время хранения информации в МНОП транзисторе обусловлено термической эмиссией с глубоких ловушек и составляет порядка 10 лет в нормальных условиях. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов "запись-стирание" обычно не менее 10 5 .

Комментировать
0 просмотров
Комментариев нет, будьте первым кто его оставит

Это интересно
Adblock detector