РЕПРОГРАММИРУЕМЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЗАПОМИНАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА НА ОСНОВЕ МДП - ТРАНЗИСТОРОВ ( для Flash- памяти )

Пионером разработки методов размещения и считывания заряда была компания Intel, которая разработала тестовый чип 32 Мб по данной технологии. Первый тестовый чип : Intel 1944 г. Параметры : Напряжение питания – В Время считывания – 120 нс Время записи – 11.3 мс Время стирания – 0.55 с Рабочая температура ° С Первый тестовый чип : Intel 1944 г. Параметры : Напряжение питания – В Время считывания – 120 нс Время записи – 11.3 мс Время стирания – 0.55 с Рабочая температура ° С Контролируемая инжекция заряда : программирование ячейки flash- памяти должно очень хорошо программироваться. Во время программирования нужно подводить к ячейке ток на строго определенное время. Контролируемое считывание инжектированного заряда : операция чтения MLC- памяти – аналогово - цифровое преобразование заряда, сохраненного в ячейке, в цифровые данные. Надежное сохранение заряда на плавающем затворе : для сохранения заряда на долгое время ставилась цель сделать его утечку меньше одного электрона в день.

МДП - транзисторы На основе этой системы ( резистор – МДП - транзистор ) реализуется элементарная логическая ячейка с двумя значениями – 1 и 0. Если в такой схеме М Д П - транзистор открыт, сопротивление его канала составляет десятки или сотни Ом, все напряжение питания падает на нагрузочном сопротивлении RH и выходное напряжение U вых близко к нулю. Если М Д П - транзистор при таком соединении и закрыт, сопротивление между областями и стока и сток a велико ( сопротивление р - n перехода при обратном включении ), все напряжение питания падает на транзисторе и выходное напряжение U вых близко к напряжению питания U пит.

Для изменения величины порогового напряжения необходимо изменять встроенный в диэлектрик заряд Q ox

В МНОП ПТ в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойное покрытие. 1- й диэлектрик – туннельно прозрачный (d ox

МНОП - транзистор При подаче импульса положительного напряжения +V gs на затвор в окисле возникает сильное электрическое поле. Оно вызывает туннельную инжекцию электронов из п / п через окисел в нитрид. Инжектированные электроны захватываются в « ловушки » в запрещенной зоне нитрида кремния, обуславливая отрицательный встроенный в диэлектрик заряд.( б ) После снятия напряжения заряд может долго храниться в « ловушках ». При подаче отрицательного напряжения на затвор происходит туннелирование электронов с ловушек в зону проводимости.( в ) При снятии напряжения инверсионный канал исчезает.( а )

МОП ПТ с плавающим затвором ПТ с ПЗ работает аналогично МНОП - Т, только заряд хранится на плавающем затворе между двумя подзатворными диэлектрическими слоями. Материал : например, кремний, легированный фосфором. Основной прибор для флэш - элементов памяти.

Характеристики флэш - памяти Рассмотрим, как изменяются характеристики МДП - транзисторов с плавающим затвором при изменении заряда на плавающем затворе. Для р - канальных транзисторов запись положительного заряда увеличивает пороговое напряжение в область отрицательных напряжений, а для n- канальных транзисторов запись отрицательного заряда увеличивает пороговое напряжение в область положительных напряжений.

Характеристики флэш - памяти Устройства flash- памяти реализованы на базе МДП - транзистора с плавающим затвором, который позволяет хранить электроны. Операция программирования производится лавинной инжекцией электронов из стоковой области канала МДП - транзистора. Если заряд плавающего затвора у однобитного транзистора электронов, то – логический «0». Заряд ячейки вызывает изменение порогового напряжения, а по нему определяется кол - во заряда на плавающем затворе.

Механизм записи информационного заряда на плавающий затвор в р - и n- канальном МДП - транзисторе В МДП - транзисторах с плавающим затвором при реализации их в качестве элемента флэш - памяти используется три физических механизма записи / стирания информационного заряда на плавающий затвор. Первый туннельная ( автоэлектронная ) инжекция по механизму Фаулера Нордгейма Второй инжекция горячих электронов из области канала вблизи стока, обусловленная разогревом электронного газа в сильном электрическом поле в этой области Третий инжекция горячих электронов или дырок, инициированная туннельным пробоем зона зона, полупроводниковой подложки. В зависимости от конструкции и характеристик элементов флэш - памяти используется тот или иной физический механизм.

Туннельная инжекция Фаулера - Нордгейма При подаче на электрод затвора напряжения в подзатворном диэлектрике возникает электрическое поле и протекает инжекционный ток. Рассмотрим основные соотношения, определяющие характер накопления инжектированного заряда на плавающем затворе полевого транзистора. Величина заряда (Q ох ( т ) равна : Qox(r) = l( t )dt где l(t) величина инжекционного тока в момент времени t. Величина туннельного тока I(t) описывается соотношением для туннельного тока Фаулера - Нордгейма из полупроводника в зону проводимости диэлектрика через треугольный барьер : I(t) = А (E 0x )* ехр (-E 0 /E 0x ) где А и Е 0 параметры, характерные для туннельного контакта. Это уравнение называют уравнением Фаулера - Нордгейма.

Основной вклад в туннельный ток из полупроводника дают электроны, расположенные вблизи дна зоны проводимости полупроводника, а из металла – электроны, имеющие энергию вблизи уровня Ферми в металле. Накапливаемый на плавающем затворе инжектированный заряд Q( т ) будет вызывать уменьшение напряженности электрического поля Ет в первом диэлектрике. Величина электрического поля Ет, обуславливающая туннелирование, равна : Из уравнений следует, что при малых временах х наполненный заряд Q(x) мал и линейно возрастает с временем т, поскольку поле в окисле Еох и туннельный ток l(t) постоянны.

Инжекция горячих электронов при лавинном умножении в области канала вблизи стока Двухмерный характер распределения электрического поля вблизи стока обуславливает наличие как продольной, так и по - перечной составляющей поля за счет приложенного напряжения к стоку V d.

Схема, иллюстрирующая разогрев и инжекцию горячих электронов из области канала вблизи стока в подзатворный диэлектрик для n- и р - канальных МДП транзисторов с плавающим затвором

Характеристики программирования для флэш - элементов памяти с ис - пользованием инжекции горячих электронов :

Инжекция горячих электронов и дырок при межзонном туннелировании

Режимы записи / стирания в МДП - транзисторах флэш - элементов памяти

На рисунке показаны три рабочих режима для n- канальных МДП - транзисторов. В первом режиме запись (VG = 10 В, Vs = 0, Vn = 5 В,= 0) осуществляется инжекцией горячих электронов при лавинном умножении в области канала вблизи стока, а стирание (Va = -10 В, Vs = 4 В, VD плавающий, Vss = 0) осуществляется по механизму Фаулера Нордгейма в область истока. Во втором ре жиме запись (Vg = 20 В, Vs = 0, VD плавающий, = 0) осуществляется туннелирова нием Фаулера - Нордгейма из области канала, стиранием (VG = 10 В, Vs плавающий, VD = 5 В, Vss = 0) осуществляется туннелированием Фаулера Нордгейма в область сто ка. В третьем режиме запись (VG = 20 В, Vs = 0, VD = 0, Vss = 0) осуществляется туннелированием Фаулера - Нордгейма из области канала, стирание (VG = 0, плавающий, VD плавающий, Vss = 20 В ) осуществляется туннелированием Фаулера - Нордгейма в область канала.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ ! Кулдавлетова Ольга, Сорокин Дмитрий