2014-02-04
1668
Рис.1. Ячейка флэш-памяти.
Используются два основных способа:
- метод инжекции "горячих" электронов;
- метод туннелирования электронов (квантово – механический эффект Фаулера – Нордхейма или FN – эффект).
Путем длительных экспериментов было доказано, что если подать повышенное в 2-3 раза напряжение на сток и управляющий затвор (на исток – «минус», на затвор и сток – «плюс»), то возникнет канал проводимости. «Температура» (то есть кинетическая энергия) электронов превысит средний уровень, и они смогут «пробить» слой диэлектрика. Это явление называется инжекцией «горячих» электронов (CHEI – channel hot electrons injection), т.е. процесс переноса заряда через энергетический барьер, образованный тонким диэлектриком, за счет увеличения кинетической энергии электронов в канале между истоком и стоком ячейки.
Другой способ размещения и снятия заряда с плавающего затвора основан на эффекте квантово-механического туннелирования, впервые описанного немецкими учеными Фаулером и Нордхеймом в 1928 году (FNT – Fowler-Nordheim tunneling).
Если подать повышенное напряжение на исток и затвор (на исток – «плюс», на затвор – «минус»), то электрическое поле «вытолкнет» электроны к изолирующей подложке, придав им дополнительную энергию. При правильно подобранном соотношении напряжений на истоке и затворе, электроны возникнут уже с другой стороны диэлектрика, не проходя через диэлектрик (в смысле отсутствия какой либо траектории описываемой классической механикой)! С точки зрения классической физики объяснить это невозможно, но с позиций квантовой механики, это объясняется волновыми свойствами элементарных частиц и вероятностным характером их поведения. Для того, что бы приблизиться к пониманию этого парадокса, обратимся к некоторым базовым положениям квантовой механики.
Туннельный эффект (туннелирование) - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия меньше высоты барьера. Это явление исключительно квантовой природы, невозможное в классической механике. Оно объясняется, в конечном счете, соотношением неопределённостей. Принцип неопределённости, сформулированный в 1927 г. Вернером Карлом Гейзенбергом - фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что любая физическая система не может находиться в состояниях, в которых координаты её центра инерции и импульс одновременно принимают вполне определённые, точные значения. Отсюда следует, что чем точнее определена одна из входящих в систему величин, тем менее определённым является значение другой величины, при этом неопределённость в измерениях связана не с несовершенством экспериментальной техники, а с объективными свойствами материи.
Существенной чертой микроскопических объектов является их корпускулярно-волновая природа (дуализм). Состояние частицы полностью определяется волновой функцией.
Частица может быть обнаружена в любой точке пространства, в которой волновая функция отлична от нуля. Поэтому результаты экспериментов по определению, например, координаты или импульса, имеют вероятностный характер. Относительная частота появления тех или иных величин пропорциональна квадрату модуля волновой функции в соответствующих точках пространства. Поэтому чаще всего будут получаться те значения, которые лежат вблизи максимума волновой функции. Если максимум выражен четко (волновая функция представляет собой узкий волновой пакет), то частица «в основном» находится около этого максимума. Понятия координаты и импульса в классическом смысле не могут быть применены к микроскопическим объектам. Пользуясь этими величинами при описании микроскопической системы, необходимо внести в их интерпретацию квантовую поправку - соотношение неопределенностей.
Вернемся к туннельному эффекту.
Классическая частица не может находиться внутри потенциального барьера высоты V, если её энергия Е < V, так как кинетическая энергия частицы р2/2m = Е — V становится при этом отрицательной, а её импульс р — мнимой величиной (m — масса частицы). Однако для микрочастицы этот вывод несправедлив: вследствие соотношения неопределённостей фиксация частицы в пространственной области внутри барьера делает неопределённым её импульс. Поэтому имеется отличная от нуля вероятность обнаружить микрочастицу внутри запрещенной, с точки зрения классической механики, области. Соответственно появляется определённая вероятность прохождения частицы сквозь потенциальный барьер, что и соответствует туннельному эффекту. Эта вероятность тем больше, чем меньше масса частицы, чем уже потенциальный барьер и чем меньше энергии недостаёт частице, чтобы достичь высоты барьера (то есть чем меньше разность V — E).
В случае флэш-памяти, экспериментальным путем, удалось определить параметры полевого транзистора позволяющие реализовать туннелирование на практике.
Отметим различия методов тунеллирования Фаулера-Нордхейма (FN) и метода инжекции "горячих" электронов:
· Метод FN - не требует большого напряжения. Ячейки, использующие FN, могут быть меньше ячеек, использующих CHEI.
· Метод инжекции (Chenel Hot Electronsinjection) (CHEI) - требует более высокого напряжения, по сравнению с FN. Таким образом, для работы памяти требуется поддержка двойного питания. Программирование методом CHEI осуществляется быстрее, чем методом FN.
При создании флэш памяти используются различные типы ячеек с точки зрения схемотехнических и топологических инженерных решений. Все они, по сути, являются полевыми транзисторами с «плавающим» затвором. Перечислим основные разновидности:
· Однотранзисторная ячейка памяти «STACKED GATE CELL» (ячейка с многослойным затвором).
Простейшая ячейка, на примере которой рассматривались принципы действия и организации флэш-памяти. Ячейка имеет наиболее простую реализацию, именно на ее базе (путем модификаций и усложнений) созданы все известные ныне разновидности ячеек флэш-памяти.
· Двухтранзисторная ячейка памяти «TWO TRANSISTOR THIN OXIDE CELL» ( двухтранзисторная ячейка с тонким слоем окисла).
Используются два транзистора - обычный CMOS-транзистор и транзистор с «плавающим» затвором. Обычный транзистор используется для изоляции транзистора с плавающим затвором от битовой линии. Такая структура позволяет улучшить масштабируемость. Все операции в двухтранзисторной ячейке основаны на эффекте туннелирования.
· SST ячейка получила название от компании-производителя — «Silicon Storage Technology».
Ячейки памяти SST получили широкое распространение. В транзисторе SST-ячейки изменены формы плавающего и управляющего затворов. Управляющий затвор выровнен своим краем с краем стока, а его изогнутая форма дает возможность поместить плавающий затвор частично под ним и одновременно над областью истока. Это позволяет, с одной стороны, упростить процесс помещения на него заряда методом инжекции горячих электронов, а с другой стороны, упростить процесс снятия заряда за счет эффекта туннелирования Фаулера-Нордхейма.
· Многоуровневые ячейки памяти (MLC - Multi Level Cell).
Из принципа действия полевого транзистора с «плавающим» затвором вытекает возможность сохранять несколько бит в одной ячейке. В самом деле, ведь Flash-ячейка является аналоговым запоминающим устройством, а не цифровым. Она хранит заряд (квантованный с точностью до одного электрона), а не биты. Заряд ячейки (количество электронов на «плавающем» затворе) вызывает изменение порогового напряжения транзистора, и при измерении величины этого порогового напряжения определяется содержимое ячейки флэш-памяти.
Поэтому если научиться помещать на плавающий затвор точное количество электронов, например, устанавливать заряд в одно из четырех состояний, то можно запрограммировать два бита данных на одной ячейке. Каждое из четырех состояний соответствует одному из двухбитных наборов.
На Рис. 2 показано распределение порогового напряжения для ячеек, способных хранить два бита данных.
