Программирование ячейки

Особенности устройства Flash-накопителей

Магнитооптические диски

В основе работы таких дисков лежит принцип изменения оптических свойств специального магниточуствительного слоя. Этот слой может намагничиваться только при нагреве участка поверхности до высокой температуры. Такой точечный разогрев производится мощным лучом лазера. Затем предварительно разогретый участок намагничивается магнитной головкой слабой мощности. Таким образом, намагничивая предварительно разогретые участки поверхности одной или другой полярностью, наносится информация в двоичном коде. Намагниченные участки магниточуствительного слоя изменяют плоскость поляризации отраженного лазерного луча (эффект Кэрра).

При чтении информации на поверхность диска направляется лазерный луч меньшей мощности. Фотоприемник воспринимает изменение плоскости поляризации отраженного лазерного луча. В зависимости от полярности намагниченного участка плоскость поляризации отраженного луча поворачивается по часовой стрелке, либо против часовой стрелки. Это позволяет воспринимать одну поляризацию как логическую единицу, а другую – как логический ноль. В холодном состоянии магниточуствительный слой не изменяет своих свойств в магнитном поле. Отсюда и высокая надежность хранения информации на таких дисках. Несмотря на это, такие носители информации не получили широкого распространения из–за низкой скорости записи и высокой стоимости.

Устройства хранения данных на основе микросхем Flash–памяти в сравнении с устройствами на основе магнитных дисков имеют как достоинства (механическая устойчивость, отсутствие механического износа, меньший вес и габариты), так и свои специфические недостатки, ограничивающие область их применения.

Принцип функционирования Flash–накопителей связан с физическими процессами в запоминающих ячейках при операциях записи и стирания, и напрямую влияющих на их надежность. Flash–накопитель состоит из огромного количества таких ячеек, созданных на базе полевых транзисторов. Такой транзистор имеет главные электроды: сток и исток, а также управляющий и плавающий затвор (рис.2.4).

Физическим «носителем информации» в Flash–накопителе является электрический заряд (электроны). Для переноса заряда применяются два механизма: инжекция (перемещение) «горячих» электронов (hot–electron injection, HEI), и туннелирование Фаулера–Нордхейма (Fowler–Nordheim tunneling).

Инжекция «горячих» электронов — это процесс переноса заряда через энергетический барьер, образованный тонким диэлектриком (изоляционным слоем), вследствие увеличения кинетической энергии электронов в канале между истоком и стоком ячейки.

При приложении к стоку и управляющему затвору положительного потенциала происходит инверсия подзатворной области. Вследствие этого образуется проводящий канал, и появляется ток между истоком и стоком (рис. 2.4).

Электроны в канале получают высокое дрейфовое ускорение, и при напряженности электрического поля свыше 100 kV/cm и их кинетическая энергия не успевает рассеяться на атомах кристаллической решетки, что приводит к их «разогреву».

Рис. 2.4 Программирование ячейки Flash-памяти инжекцией «горячих» электронов.

В результате этого большая часть электронов преодолевает потенциальный барьер диэлектрика (рис. 2.5), то есть происходит пробой диалектрика и, при наличии «инжектирующего» электрического поля (положительный потенциал приложен к управляющему затвору) они накапливаются на плавающем затворе ячейки. Этот пробой происходит мгновенно, как вспышка молнии. Отсюда и название Flash, что в переводе с английского означает вспышка, проблеск. Хотя имеются и другие толкования этого названия накопителей.

Рис.2.5 Функция распределения энергии электронов в канале в зависимости от внешнего поля Е.

Здесь E_s — величина потенциального барьера перехода Si/SiO₂. Электроны, попавшие в заштрихованную область, обладают достаточной для инжекции в плавающий затвор энергией. Инжектированные электроны направляются на затвор под воздействием на них электрического поля, приложенного к затвору.

Такой механизм переноса заряда используется в большом количестве моделей микросхем Flash-памяти. В более поздних разработках в качестве механизма записи использован эффект туннелирования Фаулера-Норхейма, ранее применявшийся только для стирания запоминающих ячеек.