Внешние запоминающие устройства (ВЗУ)

ЛЕКЦИЯ 3

Внешние запоминающие устройства (ВЗУ)

 

1. Разновидности внешней памяти

Внешней памятью ЭВМ называют устройства, предназначенные для долговременного хранения больших объёмов информации, которая не разрушается при отключении питания компьютера.

Устройства внешней памяти (ВП) оперируют блоками информации. Эти блоки обычно имеют фиксированный размер, кратный степени двой­ки.

Блок информации может быть переписан из оперативной (внутрен­ней) памяти во внешнюю память (или обратно) только целиком, и для выполнения любой операции обмена с внешней памятью требуется специальная про­цедура.

Процедуры обмена с ВП привязаны к типу устройства, его контрол­леру и способу подключения устройства к системе (интерфейсу).

Все устройства ВП делятся на два класса:

· Устройства прямого дос­тупа.

· Устройства последовательного доступа.

Прямой доступ (Direct access) подразумевает возможность обраще­ния к блокам информации по их адресам в произвольном порядке. Устройствами прямого доступа являются дисковые накопители, флэш накопители.

Последовательный доступ является характерным для устройств, работа которых основана на использовании магнитной ленты - НМЛ, они же стримеры. Здесь каждый блок информации также имеет свой адрес, но для обращения к нему устройство должно найти некоторый маркер нача­ла ленты (тома), после чего последовательным, холостым чтением блока за блоком дойти до требуемого места и только тогда производить собст­венно операции обмена данными (чтения или записи).

Каждый раз возвращаться на начало ленты не нужно, однако необходимость последова­тельного сканирования блоков (вперёд или назад) сохраняется.

Внешняя память получила своё название ещё и потому, что она под­ключается к системному блок (компьютеру) аналогично тому, как под­ключаются и другие периферийные устройства.

Носители информации ВЗУ

В конструкциях В3У используются носители информации различного типа.

В то же время носители информации существенно влияют на кон­структивное решение устройства ВП.

Конструктивно ВП может выполняться в виде накопителей:

· на гибких магнитных дисках – НГМД;

· на жёстких магнитных дисках с несъемными дисками (винчестеры) – НЖМД;

· на жёстких дисках со сменными пакетами дисков – НМД;

· на магнитных лентах (НМЛ), где используют магнитные ленты шириной от 3,81 до 12.7 мм, в виде катушек (бобин) или неразборных компакт кассет;

· на съемных оптических дисках;

· с несъемными оптическими дисками - винчестеры;

· флэш – накопители.

Разновидности носителей:

· Гибкие диски - майларовые диски (дискеты), на которые нанесён ферромагнитный слой. Первые накопители использовали дискеты диамет­ром 5,25 дюйма (133 мм). В настоящее время, все еще, используются дискеты с диа­метром диска 3.5 дюйма с форматированной ёмкостью 1,44 Мбайт (Рис. 1, а).

 

 

 

Рис.1.а. Накопитель на гибких дисках

· Жёсткие диски, диаметр которых определяется конструкцией нако­пителя. Накопитель на жёстких дисках может содержать один или не­сколько дисков (Рис. 1, б).

Рис.1.б. Накопитель на жёстких дисках

· Оптические диски имеют прозрачную поликарбонатную (пласти­ковую) основу, над которой расположен слой, хранящий информацию, по­крытый защитным слоем (Рис. 2).

 

Рис.2. Накопитель на оптическом диске

 

· Флэш накопители изготавливаются в виде микросхем на основе полевых транзисторов с плавающим затвором, которые объединяются в различные конфигурации.

 

Устройства, осуществляющие запись и считывание информации, и вращение диска называются дисководами. Все дисководы (НГМД НЖМД, НОД) принципиально построены аналогично, но их характери­стики естественно различны.

В дисководах гибких дисков головка плотно прижима­ется к поверхности гибкого диска, обеспечивая тем самым контактный способ записи - считывания информации.

Информация на гибких дисках размещается на концентрических дорожках (треках). На современных гиб­ких дисках информация размещается на обеих сторонах диска, количество дорожек на каждой из сторон равно 40-90. Дисковод имеет два двигателя, ­один осуществляет вращение дисков со скоростью 250 - 500 оборотов в минуту, а второй - перемещает головки по радиусу диска. Команды контроллера НГМД преобразуются в электри­ческие сигналы различной полярности.

При положительных сигналах го­ловка перемещается на один или несколько шагов вперёд (к шпинделю), при отрицательных - в обратную сторону.

Дисковод обеспечивает ёмкость диска в 1,44 Мбайт и скорость считывания - записи 60 Кбайт/сек.

Информа­ция, размещаемая на дорожках, разделена на секторы фиксированного объёма (128,512 или 1024 байта). Дорожки, расположенные друг над дру­гом на разных сторонах диска, именуются цилиндром. Адресация к ин­формации на гибких дисках производится по номеру цилиндра, номеру головки и номеру сектора. В такой системе время поиска информации достаточно велико (десятки миллисекунд).

В дисководах НЖМД (винчестерах) и НМД (со сменными паке­тами дисков) головка записи-считывания располагается над диском на некотором расстоянии, что обеспечивает бесконтактный метод записи ин­формации и значительно более высокую скорость вращения дисков (от 3600 об/мин до 15 тысяч об/мин). Герметичность корпуса «винче­стера» обеспечивает очень маленький зазор между поверхностью диска и головкой (несколько микрон), что делает возможным существенно увели­чить плотно­сть записи и тем самым высокую скорость записи-считывания.

 

В совре­менных накопителях НМД ис­пользуются линейные двигатели (так называемые «звуковые катушки» по аналогии с принципом работы динамика). Это обеспечивает высо­кие скорости и точность позиционирования головок.

На Рис. 3, а приведён диск с постоянным количеством секто­ров. На таком диске плотность записи на внутренних дорожках резко воз­растает. В дисках с переменным количеством секторов в различных зонах диска удаётся уравнять плотность размещения информации в различных зонах (Рис. 3, б).

 

 

Рис.3,а,б. Структуры секторов на дисках

 

В случае 3.б, однако, адресация данных затруднена, так как диск делится на множество зон, в которых количество секторов разное.

Проблема адресации была решена введением в конструкцию дис­ковода микропроцессора, который преобразует трёхмерные адреса секторов (физические) в линейные (одномерные) адреса. Новый вид адресации получил название логическая адресация блоков (LBA - Logical Block Addresing).

В накопителях на жёстких дисках со сменными пакетами боль­шой ёмкости принципиально всё организовано так же, как в винчестерах. Но, к сожалению, разработчики этих накопителей не сумели договориться о едином стандарте на носитель информации - сменном пакете дисков.

 

В результате в настоящее время используются более десятка разновидно­стей накопителей, имеющих несовместимые друг с другом носители ин­формации. Дисководы этих носителей обычно имеют линейную адреса­цию и те же интерфейсы (АТА, SCSI, USB) что и винчестеры, но по скорости записи и считывания они сильно уступают винчестерам вследствие низкой скорости вращения дисков и невысокой продольной плотности записи информации.

В дисководах оптических дисков используется оптический и маг­нитно-оптический принцип записи и считывания информации с помощью полупроводникового лазера. Оптические диски по способу размещения информации на них могут быть двух разновидностей - диски со спираль­ной формой дорожки и диски с концентрическими дорожками.

По своему внутреннему устрой­ству и логике работы дисковод оптических дисков аналогичен дисководу для гибких магнитных дисков - лазерный луч перемещается вдоль радиуса диска и производит запись и считывание информации. Оптические техно­логии записи и считывания позволяют ввести в дисковод различные спо­собы автоподстройки, что обеспечивает лазерным дисководам более высо­кую плотность записи информации.

Спиральная дорожка обеспечивает преимущество при воспроизведении аудио- и видеозаписей, так как реали­зуется непрерывность потока информации. С другой стороны, такая форма дорожки создаёт проблемы, когда нужно вести запись отдельных порций данных на диск при наличии больших временных интервалов между опе­рациями записи. Геометрические параметры оптического диска (CD, DVD) приведены на рис 4.

отверстие для шпинделя защитный слой

подложкаслой хранения

Рис. 4. Оптический диск в разрезе

 

 

В настоящее время используются оптические диски следующих типов:

1. CD (Compact Disk) - компакт-диск первого поколения.

2. DVD (Digital Video Disk) - цифровой видеодиск.

 

Среди компакт-дисков различают три типа:

- CD ROM (Compact Disk - Read Only Memory) - диски, предназначенные только для считывания.

- CD-R (CD Recordable) - однократно записываемые диски.

- CD-RW (CD - Rewritablе) - перезаписываемые компакт-диски.

 

Среди DVD-дисков можно выделить также три разновидности:

· DVD-ROM - диски, допускающие только считывание.

· DVD R -диски, допускающие однократную запись.

· DVD RV -диски, допускающие многократную запись.

 

В настоящее время магнитные диски и ленты выходят из употребления, но все, же еще используются, поскольку существует огромное количество различных архивов на этих носителях.

Кроме того сменные жесткие диски и магнитные ленты до сих пор используются в больших ЭВМ, поэтому в этой лекции мы коснулись их. Более подробно устройство этих накопителей и организация хранения данных на магнитных носителях описаны в книге Ю.В.Огородова «Системы ввода – вывода и периферия компьютеров». Мы же в дальнейшем этих накопителей касаться больше не будем.

Далее рассмотрим более подробно накопители на оптических дисках и затем перейдем к флэш – накопителям, как наиболее перспективным на текущий момент.

 

НАКОПИТЕЛИ НА ОПТИЧЕСКИХ ДИСКАХ

Оптические (лазерные) диски пришли в вычислительную техни­ку из аудио-видеотехники и во многом сохранили параметры, ха­рактерные для техники воспроизведения звука и изображений.

Накопители на оптических дисках (НОД) обладают по сравнению с НМД заметными преимуществами, основными из которых являются:

 

1. Высокая плотность записи информации, превышаю­щая на несколько порядков плотность записи в НМД. Поверхност­ная плотность достигает 2-25 Мбит/мм²

2. Скорость передачи данных за счет буферизации накопителя достигает величины около 200 Мбит/с.

3. Время доступа к данным в пределах одного диска приближа­ется к 0,01 с -10 мс.

4. Возможность реализации поперечной плотности до 1000 дорожек /мм.

5. Длительность хранения информации составляет десятки лет.

6. Малая подверженность оптического диска воздействию внешних факторов, пыли, механических царапин, радиации, маг­нитного поля и т.п.

 

К недостаткам оптических дисков следует отнести:

1. Наличие прецизионных механических и оптических узлов, не выдерживающих ударов и вибраций.

2. Использование дорогих материалов для дисков (в том числе редкоземельных: теллур, тербий и др., а также золота).

3. Селективное (выборочное) стирание и повторная запись тре­бует значительных затрат времени.

 

Подложка Слой хранения

Рис. 4. Оптический диск в разрезе

 

При работе с оптическими дисками используется запись инфор­мации с помощью лазерного луча - оптический метод записи и считывания. Оптические технологии записи-считывания позволяют ввести в систему различные способы автоподстройки; что обеспе­чивают высокую точность нахождения дорожки и высокую попе­речную плотность размещения информации на диске.

Существенной особенностью некоторых типов оптических дис­ков является использование спиральной дорожки вместо множе­ства концентрических дорожек как на магнитных дисках. Спи­ральная дорожка обеспечивает одно важное преимущество при воспроизведении аудио- и видеозаписей - непрерывность потока информации.

С другой стороны, такая форма дорожки создает проблемы, ко­гда необходимо вести запись отдельных порций данных на диск при наличии между операциями записи больших временных про­межутков - например, при выполнении периодической архива­ции данных на персональном компьютере. Размещенные на дорожке секторы нумеруются последовательно, начиная от центра диска.

Существуют несколько режимов записи и чтения информации на оптический диск:

· Режим однократной записи и многократного считывания.

· Режим многократной записи со стиранием ин­формации.

 

Режим однократной записи и многократного считывания допускает два варианта записи - считывания:

· Абляционная запись - удаление участка рабочего (запоми­нающего) слоя при нагреве его лазерным лучом.

· Образование вспучивания рабочего слоя при нагреве.

 

Схема реализации этих двух вариантов записи считывания при­ведена на Рис. 5. На левой части рисунка (а) приведена схема за­писи. Мощный луч от лазера (И1) через фокусирующую систему (ФС) попадает через защитный прозрачный слой диска (ЗСл) на тонкий слой хранения (СлХр), лежащий на подложке (П), и обра­зует «ямку» - удаляет часть слоя хранения. Во втором варианте луч лазера разогревает участок слоя хранения и образует «вспучива­ние» вещества слоя хранения. Таким образом, обеспечивается запись бита информации. Удалить ямку или вспучивание невозмож­но, поэтому такой способ записи является однократным - возмож­но только многократное считывание.

Схема считывания приведена на правой части рисунка (б).

Ме­нее мощный лазер (лазерный диод) через фокусирующую сис­тему ФС 1 «ощупывает» своим лучом поверхность диска. От тех участков диска, на которых информация не записана (светлые уча­стки слоя хранения) луч лазера отражается по оптическим зако­нам - угол падения луча равен углу отражения. Отраженный луч через фокусирующую систему (ФС2) попадает на фотодетектор ФД, на выходе которого не формируется сигнал считывания. Если луч попадает в «ямку» или на «вспучивание», на выходе фотодетектора формируется бит данных.

 

В режиме многократной записи со стиранием используется технология изменения фазового состояния участка битовой ин­формации, приводящая к изменением оптических констант - ко­эффициента преломления или коэффициента поглощения. Благо­даря использованию магнитного поля, создаваемого специальной головкой, удается получить реверсивный (стираемый) диск. Запись осуществляется термомагнитным способом.

Магнитное поле головки способно перемагнитить только

микроскопиче­скую зону носителя, разогреваемую лазерным лучом до температу­ры точки Кюри (порядка 200⁰С).

 

б)

 

Рис. 5. Схема реализации двух вариантов записи - считывания

 

Эта температура придает сплаву слоя хранения возможность изменить ориентацию вектора намаг­ниченности под воздействием слабого внешнего магнитного поля головки.

Зона, сформированная лучом лазера «замораживает» полу­ченное состояние намагниченности.

Схема записи-считывания приведена на Рис. 6. На левой части рисунка (а) приведена схема записи с использованием термомаг­нитного способа. Луч лазера генерируется лазерным диодом; луч подается на коллиматор, который превращает расходящийся ла­зерный луч в параллельный пучок. Зеркало направляет лазерный пучок на фокусирующую систему (ФС), которая фокусирует луч на слое хранения диска (СлХр).

В зоне разогрева температура подни­мается до точки Кюри.

Домены зоны разогрева при подаче на об­мотку магнитной головки напряжения ±U ориентируются опреде­ленным образом и остаются в этом состоянии при выходе зоны разогрева из - под луча лазера.

Если сменить полярность напряже­ния, подаваемого на магнитную головку, на обратную, то можно стереть записанную информацию, то есть привести домены зоны разогрева в исходное состояние. Это является основой процесса стирания ранее записанной информации.

 

Рис. 6. Схема записи-считывания

Считывание информации, записанной на диск, осуществляется аналогично тому, как это было рассмотрено выше.

Единственное отличие заключается в том, что отраженный от доменов, содержа­щих, записанный бит информации, луч лазера изменяет угол поля­ризации, что приводит появлению на выходе фотодетектора (ФД) сигнала.

В магнитооптике традиционно используют двухпроходную за­пись, для того, чтобы записать информацию в секторе, после пози­ционирования головки за первый оборот, сектор стирают. для это­го головка создает постоянное магнитное поле, а лазер включается на полную мощность, когда под ним проходит требуемый сектор (требуемые секторы). В результате все «засвеченные» области дан­ных переводятся в состояние с одним и тем же направлением на­магниченности. На следующем обороте выполняется собственно запись - направление магнитного поля головки меняется на проти­воположное и формируются мощные импульсы лазера над теми точками, состояние которых нужно изменить, чтобы закодировать требуемую информацию. для большей достоверности на третьем обороте выполняется верификация - считывание записанной ин­формации.

В принципе возможна и однопроходная запись, если модулиро­вать магнитное поле (переключать его направление) над каждой битовой областью. Однако в данной технологии (на большом рас­стоянии головки от диска, которое уменьшать не хотят принципи­ально) из-за явления индукции магнитная модуляция при больших скоростях записи требует непомерных затрат энергии.

Считываниеинформации с магнитного слоя диска выполняет­ся тоже с помощью лазера (при малой мощности излучения) и ос­новано на эффекте Керра - изменение поляризации света под дей­ствием магнитного поля.

Отраженный от поверхности диска луч проходит через поляризационную оптику, в результате на фото­приемник приходит луч, интенсивность которого модулирована (по амплитуде) в соответствии с записью на магнитном слое. Раз­решающая способность оптики и фотоприемника определяют достижимую плотность хранения информации.

Магнитооптические диски организованы так же, как и магнит­ные - у них имеются дорожки, разбитые на секторы, только нуме­рация дорожек начинается от центра диска.

Размер сектора может быть стандартным (512 байт данных) или увеличенным (2048 байт данных).

 

 

Количество секторов на дорожке (треке) переменно­, здесь тоже применяется зонная запись.

Магнитооптические диски бывают двух размеров - 5,25" (дву­сторонние) емкостью 650 Мбайт; 1,3; 2,6; 4,6 Гбайт и 3,5" (одно­сторонние) емкостью 128,230,540,640 Мбайт и 1.3 Гбайт.

По формату дорожек оптические диски могут быть двух типов:

· диски с концентрическими дорожками;

· диски со спиралевидными дорожками.

 

Диски первого типа дешевле, но время доступа к информации в таких дисках больше.

Диски второго типа не разрывают длинных файлов, но механизм позиционирования у таких дисков сложнее и дороже.

По способу записи диски могут быть отнесены к трем разно­видностям.

1. CD ROM(Compact Disk - Read Only Memory) - компакт­диск только для чтения. Запись на этот диск производится в про­цессе его изготовления на заводе.

2. CD R(CD Recordable) - компакт-диск однократно запи­сываемый. Запись на него производится в дисководе компьютера.

3. CD RW (CD ReWritable) - перезаписываемый компакт­ - диск.

 

Дисководы для упомянутых выше дисков получили те же названия, что и диски для них:

- читающие дисководы (СD-RОМ);

- пишущие дисководы (CD R);

- перезаписывающие дисководы (CD RW).

 

Кроме указанных выше разновидностей используются диски DVD-типа.

DVD-диск (Digital Video Disk) - цифровой видеодиск или цифровой универсальный диск.

Эти диски имеют те же внешние размеры, однако представляют собой «бутерброд» из двух пластин. для повышения емкости ширина дорожки и продольный размер битовой ячейки уменьшены примерно вдвое, снижены издержки избыточного кода коррекции ошибок.

Кроме того, могут использо­ваться две стороны диска, а на каждой стороне информация может храниться в двух слоях. Таким образом, один диск может иметь уже четыре рабочих плоскости.

Запись информации на оптический диск имеет свою специ­фику, связанную как с организацией диска (одна спиральная до­рожка), так и с особенностями управления лазером.

В дисках CD-R в течение всего времени записи, когда работает прожигающий лазер, на устройство записи в требуемом темпе должна поступать записываемая информация. Опустошение буфе­ра устройства записи недопустимо - в режиме записи устройство не может ждать. Прерывание процесса записи (приостановка пото­ка данных), как правило, губит болванку диска.

С появлением пе­резаписываемых дисков CD-RW появился пакетный режим записи, позволяющий снять эти ограничения. Для устройств и дисков CD-R возможны следующие режимы записи.

1. Весь диск сразу (режим DAO – Disk At Once). В этом режиме лазер включается на все время записи от начала до конца. Вся информация записывается на диск, включая, вводную и выводную зоны, и последующая запись на эту болванку невозмож­на, даже если остается место на диске. для записи в режиме DAO требуются чистые болванки.

2. Потрековая запись (режим ТАО - Track At Опсе) В этом ре­жиме лазер включается на время записи одного трека. В начале каждого трека записывается предзазор длительностью 2 секунды (150 секторов). Этот режим применяется как для односеансовой, так и для многосеансовой записи. Режим пригоден для любого назначения (аудио, CD-ROM и т.п.). Нормально записанные диски будут читаться на любых приводах.

3. Пакетная запись (р ежим Packet writing). В этом режиме за одно включение лазера записывается произвольное количество блоков информации – пакет.

 

Структура данных на компакт-дисках

Физически для встроенного контроллера дисковода единицей представления данных на компакт-диске является «малый кадр». Запись дан­ных на компакт-диск выполняется в виде непрерывного потока малых кадров.

 

Каждый байт малого кадра записывается на диск в 14-битном коде EFM; всего в малом кадре содержится 588 EFM битов.

Малые кадры для программиста недоступны: минимально адре­суемой единицей данных на компакт-диске является кадр (Framе). Один кадр компакт-диска содержит 98 последовательно располо­женных малых кадров. Кадр содержит 24 х 98 = 2352 байт данных основного канала и 98 байт субканала (2 байта синхронизации и 96 байт данных).

Дорожка диска, записанного за одну операцию записи (сес­сию) состоит из 3-х последовательно расположенных зон.

· Вводная зона - разделительная область диска, которая долж­на предшествовать каждой области (зоне) программ, размещенных на диске. Вводная зона закодирована, как трек 0.

· Программная зона - эта область диска, именуемая в доку­ментации также областью пользователя, содержит записанные на диск данные.

· Выводная зона - эта область диска следует за каждой про­граммной зоной. Она закодирована как трек AAh.

Сессией называют набор треков (от 1 до 99), которому предше­ствует вводная зона, содержащая таблицу содержимого (ТОС), в которой описаны координаты каждого трека и выводной зоны. За последним треком имеется и выводная зона, начало которой также задано в таблице.

Каждая сессия (структура, записанная за один сеанс) выглядит как обычный CD-ROM, но есть нюансы в записях вводной зоны. Сессия называется закрытой, когда ее программная область об­рамлена вводной и выводной зонами.

Когда указатель указывает на конец вводной зоны, на диск воз­можна запись последующей сессии (если хватает ресурсов: места на диске, места в области сохранения координат (РМА) и номеров треков).

Более подробно механические носители рассмотрены в книге Ю.В. Огородова «Системы ввода – вывода и периферия компьютеров».

Далее перейдем к рассмотрению флэш – памяти. Следует отметить, что это наиболее перспективное направление внешней памяти на текущий момент, поэтому рассмотрение будет подробным.

 

Флэш-память (англ. Flash-Memory) — разновидность твердотельной полупроводниковой энергонезависимой перезаписываемой памяти. Она может быть прочитана сколько угодно раз, но писать в такую память можно конечное число раз (десятки и сотни тысяч раз). Несмотря на ограничение, такое количество циклов перезаписи — это намного больше, чем способна выдержать дискета или CD-RW. Флэш-память не содержит подвижных механических частей, так что, в отличие от жёстких дисков, более надёжна и компактна.

Флэш-память была открыта Фудзи Масуока (Fujio Masuoka), когда он работал в Toshiba в 1984 году. Название «флэш» было придумано также в Toshiba коллегой Фудзи, Шойи Ариизуми (Shoji Ariizumi), потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash), или как характеристика скорости стирания микросхемы флэш-памяти "in a flash" - в мгновение ока. Масуока представил свою разработку на традиционной международной конференции по электронным приборам International Electron Devices Meeting (IEDM), проходившей в Сан-Франциско, Калифорния.

Рис.1. Ячейка флэш-памяти.

Особенность полевых транзисторов – униполярность, то есть перенос тока осуществляется носителями одного типа, чаще всего электронами. Если затвор электрически нейтрален, то носители не могут преодолеть перемычку между истоком и стоком, даже если приложить к ним достаточно высокое напряжение. Говоря иначе, транзистор будет закрыт, и ток через него идти не будет.

Для того, что бы его открыть, надо подать на затвор «плюсовое» напряжение и зарядить электрод, который создаст сильное электрическое поле. Оно «притянет» электроны к затвору, и под изолирующей подложкой появится зона высокой концентрации носителей заряда – канал, по которому они могут преодолеть разделительную область обратной проводимости. Такой режим работы полевого транзистора называется обогащением. Очевидно, что отрицательный потенциал будет «расталкивать» электроны в разные стороны, и тока через разделительную зону не будет. Такой режим называется «обеднением».

Возникает аналогия с ячейкой памяти, ведь полевой транзистор будет пропускать или не пропускать ток в зависимости от того, есть ли потенциал на затворе. А он представляет собой проводник, изолированный со стороны стока-истока. Если же изолировать затвор и со стороны внешней электрической цепи, то проводник может сохранить заряд достаточно долго. Это значит, что полевой транзистор способен выступить в роли ячейки памяти, состояние которой сохранится и при отключении внешнего питания.

На практике специалисты столкнулись с массой проблем, связанных с реализацией этого, на первый взгляд, простого принципа. После многочисленных экспериментов инженеры пришли к выводу, что для хранения статического заряда нужно внести изменения в конструкцию затвора, сделав его «плавающим». Фактически «плавающий» затвор представляет собой изолированную пластину конденсатора, способную сохранять накопленный заряд (Рис.1).

Но, что делать когда требуется изменить состояние затвора. Напомним, что «плавающий» затвор электрически изолирован от управляющего затвора, то есть, отделен от управляющего затвора слоем диэлектрика толщиной всего в десяток атомарных слоев (современные технологии позволяют добиться этого).

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).

В итоге заряд затвора изменится на отрицательный за счет избытка электронов, и транзистор сможет теперь реагировать на внешний сигнал, то есть сохранять информацию. Рассмотрим более подробно.

Инжекция «горячих» электронов — процесс переноса заряда через энергетический барьер, образованный тонким диэлектриком, за счет увеличения кинетической энергии электронов в канале между истоком и стоком ячейки.

Приложение положительного потенциала к стоку и управляющему затвору приводит к образованию проводящего канала и появлению тока между истоком и стоком (Рис. 2, а).

Рис. 2, а. Программирование ячейки Flash-памяти инжекцией «горячих» электронов.

Электроны в канале получают высокое дрейфовое ускорение, и при напряженности электрического поля выше ~ 100 kV/cm их кинетическая энергия не успевает рассеяться на атомах кристаллической решетки, что приводит к их «разогреву». В результате электроны становятся способны преодолеть потенциальный барьер диэлектрика (рис. 2), и, при наличии «инжектирующего» электрического поля (положительный потенциал приложен к управляющему затвору) — накапливаются на плавающем затворе ячейки.

Снятие заряда с плавающего затвора основано на эффекте квантово-механического туннелирования, впервые описанного немецкими учеными Фаулером и Нордхеймом в 1928 году (FNT – Fowler-Nordheim tunneling).

Туннелирование Фаулера-Нордхейма — переход электронов в плавающий затвор при смещении потенциального барьера электрическим полем. Поле возникает при приложении разницы потенциалов между управляющим затвором (-) и истоком (+) (Рис. 2, б).

Рис.1,б. Стирание ячейки туннелированием электронов через изолирующий слой.

 

В результате в области истока образуется «канал», по которому происходит стекание заряда с плавающего затвора за счет туннельного перехода через потенциальный барьер.

Таким образом, 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!

С точки зрения классической физики объяснить такое невозможно, но с позиций квантовой механики, это объясняется волновыми свойствами элементарных частиц и вероятностным характером их поведения.

Эффект туннелирования - один из эффектов, проявляющих волновые свойства электрона, его дуализм.

Сам эффект заключается в преодолении электроном потенциального барьера малой «толщины». Представим себе структуру, состоящую из двух проводящих областей, разделенных тонким слоем диэлектрика (обеднённая область).

Преодолеть этот слой обычным способом электрон не может - не хватает энергии. Но при создании определённых условий (соответствующее соотношение напряжений на электродах и внутренние геометрические и топологические параметры ячейки) электрон возникает на другой стороне слоя диэлектрика (туннелирует сквозь него), создавая ток.

Важно отметить, что при туннелировании электрон оказывается "по другую сторону", не проходя через диэлектрик (в смысле отсутствия какой либо траектории описываемой классической механикой).

Для того, что бы приблизиться к пониманию этого парадокса, напомним некоторые базовые положения квантовой механики.

Туннельный эффект (туннелирование) - преодоление микрочастицей потенциального барьера в случае, когда её полная энергия меньше высоты барьера. Это явление существенно квантовой природы, невозможное в классической механике; аналогом туннельного эффекта в волновой оптике может служить проникновение световой волны внутрь отражающей среды (на расстояния порядка длины световой волны) в условиях, когда, с точки зрения геометрической оптики, происходит полное внутреннее отражение.

Туннельный эффект объясняется в конечном счёте соотношением неопределённостей. Напомним его.

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. Количественная формулировка такова.

Если Δ x — неопределённость значения координаты х, а p_x — неопределённость проекции импульса на ось х, то произведение этих неопределённостей должно быть (по порядку величины) не меньше постоянной Планка.

 

 

Постоянная Планка ħ = 6,62606х10^-34 Дж·c ( квант действия - основная константа квантовой теории, коэффициент, связывающий величину энергии квантаэлектромагнитного излучения с его частотой, деленной на 2).

Аналогичные неравенства должны выполняться для любой пары так называемых канонически сопряжённых переменных, например для координаты у и проекции импульса р на ось у, координаты z и проекции импульса p на z и т.д.

Если под неопределённостями координаты и импульса понимать среднеквадратичные отклонения этих физических величин от их средних значений, то соотношения неопределенностей имеют вид:

∆P_x∆x≥ħ/2, ∆P_y∆y≥ħ/2, ∆P_z∆z≥ħ/2

Из принципа неопределенности следует. Чем точнее определена одна из входящих в неравенство величин, тем менее определённым является значение другой величины. Никакой эксперимент не может привести к одновременно точному измерению таких динамических переменных; 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, имеют вероятностный характер.

Это означает, что при проведении серии одинаковых опытов над одинак