МДП транзистор как прибор, управляемый напряжением и не потребляющим мощности на управление в статическом режиме, идеально подходит для организации элементарной ячейки памяти. Рассмотрим RC- цепочку, состоящую из последовательно соединенных нагрузочного сопротивления RH 1 МОм и полевого транзистора с изолированным затвором. Если в такой схеме МДП-транзистор открыт, сопротивление его канала составляет десятки или сотни Oм, все напряжение питания падает на нагрузочном сопротивлении RН и выходное напряжение Uвых близко к нулю. Если МДП-транзистор при таком соединении закрыт, сопротивление между областями истока и стока велико (сопротивление р-n перехода при обратном включении), все напряжение питания падает на транзисторе и выходное напряжение Uвых близко к напряжению питания Uпит.

На основе системы резистор - МДП- транзистор легко реализуется элементарная логическая ячейка с двумя значениями: ноль и единица. Реализовать такую схему можно несколькими вариантами. В одном из них выбирается МДП- транзистор со встроенным каналом и при напряжении на затворе, равном нулю. После подачи на затвор напряжения VG транзистор закрывается и реализуется условие, показанное на рисунке 2. Рис.1

В другом варианте выбирается МДП- транзистор с индуцированным каналом и при напряжении на затворе VG, равном нулю, транзистор закрыт и реализуется случай, приведенный на рисунке 2. При подаче на затвор обедняющего напряжения транзистор открывается и реализуется случай, соответствующий приведенному на рисунке 1. Рис 2.

Одним из недостатков приведенной элементарной ячейки информации является необходимость подведения на все время хранения информации напряжения к затворному электроду. При отключении напряжения питания записанная информация теряется. Этого недостатка можно было бы избежать, если в качестве МДП-транзистора использовать такой транзистор, у которого регулируемым образом можно было бы менять пороговое напряжение VT. Тогда при положительном пороговом напряжении VT > 0 (n-канальный транзистор) МДП-транзистор закрыт и реализуется случай, соответствующий приведенному на рисунке б. При отрицательном пороговом напряжении VT < 0 МДП-транзистор открыт и реализуется случай, соответствующий приведенному на рисунке а.

Таким образом два полевых транзистора, соединенных последовательно, позволяют реализовать элементарную ячейку памяти.

Величина порогового напряжения МДП-транзистора Vт определяется уравнением: для изменения величины порогового напряжения Vт необходимо: а) изменить легирование подложки Nа (для изменения объемного положения уровня Ферми φ0, разности paбот выхода φms, заряда акцепторов в области обеднения Qв); б) изменить плотность поверхностных состояний Nss; в) изменить встроенный в диэлектрик заряд Q ох; г) изменить напряжение смещения канал -подложка Vss (для изменения заряда акцепторов Qв в слое обеднения). Поскольку информацию в ячейку необходимо перезаписывать многократно, случаи а) и б) для этого оказываются непригодными. Случай г) не подходит вследствие того, что при отключении напряжения информация не сохраняется.

Таким образом, для реализации энергонезависимого репрограммируемого полупроводникового запоминающего устройства (РПЗУ) необходим МДП-транзистор, в котором обратимым образом было бы возможно изменять пороговое напряжение VT за счет изменения встроенного в диэлектрик заряда Qох. Изменение ВАХ n-канального МДП-транзистора при перезаписи объемного заряда в подзатворном диэлектрике: состояние 1-соответствует исходному; 2-закрытое состояние транзистора при отсутствии питания (V G =0), когда в диэлектрик записан отрицательный заряд; 3-открытое состояние транзистора при отсутствии питания (V G =0), когда в диэлектрик записан положительный заряд.

РПЗУ на основе полевых транзисторов со структурой металл - нитрид - окисел - полупроводник (МНОП ПТ). Рис. а. В МНОП ПТ в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойное покрытие. В качестве первого диэлектрика используется туннельно прозрачный слой (dox < 50 A) двуокиси кремния. В качестве второго диэлектрика используется толстый (d 1000 A) слой нитрида кремния. Нитрид кремния Si3N4 имеет глубокие ловушки в запрещенной зоне и значение диэлектрической постоянной ε Si3N4 в 2 раза более высокое, чем диэлектрическая постоянная двуокиси кремния SiO2. Ширина запрещенной зоны нитрида Si3N4 меньше, чем ширина запрещенной зоны окисла SiO2. РПЗУ на основе полевых транзисторов с плавающим затвором (МОП ПТ с плавающим затвором). Рис.б. В МОП ПТ используется второй затвор, изготовленный из материала высокой проводимостью, находящихся в объеме подзатворного диэлектрика

При подаче импульса положительного напряжения +V GS на затвор (рис.б) вследствие разницы в величинах диэлектрических постоянных окисла и нитрида в окисле возникает сильное электрическое поле. Это поле вызывает туннельную инжекцию электронов из полупроводника через окисел в нитрид. Инжектированные электроны захватываются на глубине уровня ловушек в запрещенной зоне нитрида кремния, обуславливая отрицательный по знаку встроенный в диэлектрик заряд. После снятия напряжения с затвора инжектированный заряд длительное время хранится на ловушечных центрах, что соответствует существованию встроенного инверсионного канала. При подаче импульса отрицательного напряжения -V GS на затвор (рис.в) происходит туннелирование электронов с ловушек в нитриде кремния в зону проводимости полупроводника. При снятии напряжения с затвора зонная диаграмма МНОП-структуры снова имеет вид, как на рис.а, и инверсионный канал исчезает.

Высокие значения напряжения записи/стирания; Число цикло в перезаписи 10 6 ; Пространственная неоднородность записи, заряда по площади затвора.

Полевой транзистор с плавающим затвором по принципу работы похож на МНОП- транзистор. Только в транзисторах с плавающим затвором инжектированный заряд хранится на плавающем затворе, находящемся между первым и вторым подзатворными диэлектрическими слоями. Схема, поясняющая устройство МОП ПТ с плавающим затвором, приведена на рисунке б.

В качестве материала для плавающего затвора используется поликристаллический кремний, легированный фосфором, или другие материалы, обладающие металлической проводимостью. Благодаря проводимости плавающего затвора, инжектированный заряд распределяется по нему всегда равномерно, поэтому для записи и стирания заряда можно использовать инжекцию носителей из канала или его части, областей стока и истока. МДП ПТ с плавающим затвором вследствие этого, а так же вследствие технологической простоты изготовления стал основным прибором для флеш- элементов памяти.

На рис. a, приведена зонная диаграмма такого транзистора (напряжение на затворе V GS равно нулю, плавающий затвор не заряжен). Рис. б, поясняет механизм записи информационного заряда путем туннельной инжекции из полупроводника на плавающий затвор (импульсное напряжение + V GS ). На рис. в, приведена зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором после записи заряда и снятия напряжения с затвора. В режиме хранения информационного заряда возможно частичное растекание его из-за туннелирования электронов с плавающего затвора обратно в полупроводник. Анимация

Характеристики переключения n- и p- канальных МДП- транзисторов для флэш- памяти: Для р- канальных транзисторов запись положительного заряда увеличивает пороговое напряжение в область отрицательных напряжений. Для n- канальных транзисторов запись отрицательного заряда увеличивает пороговое напряжение в область положительных напряжений.

На базе МДП- транзисторов с плавающим затвором, которые позволяют хранить заряд, записанный на плавающий затвор, реализованы устройства flash-памяти. Операция программирования (заряжание плавающего затвора) проводится лавинной инжекцией электронов из стоковой области канала МДП- транзистора. Если заряд плавающего затвора у однобитного МДП- транзистора электронов, то- «0». Заряд ячейки вызывает изменение порогового напряжения, а по нему определяется количество заряда на плавающем затворе. Пионером разработки методов размещения заряда и считывания являлась компания Intel, которая разработала впервые тестовый 32 Мб чип по данной технологии. Популярным устройством, реализующимся на основе flash- памяти, является USB-флэш-память- новый тип флэш- накопителей, получивших распространение в последние годы. USB-память представляет собой накопитель с USB- разъемом, внутри которого размещаются 1 или 2 микросхемы флэш- памяти и USB-контроллер.

В МДП- транзисторах с плавающим затвором при реализации их в качестве элемента флэш-памяти используются 3 механизма записи/стирания информационного заряда на плавающий затвор: 1) Туннельная (автоэлектронная) инжекция по механизму Фраулера- Нордгейма; 2) Инжекция горячих электронов из области канала вблизи стока, обусловленная разогревом электронного газа в сильном электрическом поле в этой области; 3) Инжекция горячих электронов или дырок, инициализированная туннельным пробоем зона-зона, полупроводниковой подложки. В зависимости от конструкции и характеристик элементов флэш- памяти используется тот или иной физический механизм.

В практических приложениях МДП- транзисторов с плавающим затвором для флэш- элементов памяти при их программировании/репрограммировании (записи/стирании информационного заряда на плавающий затвор) реализуются различные рабочие режимы. Для n-канальных флэш- элементов реализуются три рабочих режима. Для p-канальных два режима. Эти режимы отличаются выбором напряжений на затворе, стоке, истоке и подложке, причем в ряде случаев один из электродов находится в «плавающем» состоянии. Различные режимы напряжения записи/стирания обусловлены как различной морфологией МДП-транзисторов с плавающим затвором, так и различной архитектурой, выбранной для ячеек памяти.

На рис.показаны три рабочих режима для n- канальных МДП- транзисторов. а) В 1 режиме запись (V G = 10 В, V S =0,V D = 5 B, V ss =0) осуществляется инжекцией горячих электронов при лавинном умножении в области канала вблизи стока, а стирание (V G = -10 В, V S =4,V D -плавающий, V ss =0) осуществляется по механизму Фаулера Нордгейма в область истока. б) Во 2 режиме запись (V G = 20 В, V S =0,V D -плавающий, V ss =0) осуществляется туннелированием ФаулераНордгейма из области канала, стиранием (V G = -10 В, V S - плавающий,V D =5 В, V ss =0) осуществляется туннелированием Фаулера– Нордгейма в область стока. в) В 3 режиме запись (V G = 20 В, V S =0,V D = 0, V ss =0) осуществляли туннелированием Фаулера- Нордгейма из области канала, стирание (V G = 0, V S -плавающий,V D -плавающий, V ss =20 В) осуществляется туннелированием Фаулера- Нордгейма в область канала.