Организация и принципы работы флэш-памяти.

В простейшем случае каждая ячейка хранит один бит информации и состоит из одного полевого транзистора со специальной электрически изолированной областью ("плавающим" затвором - floating gate), способной хранить заряд многие годы. Наличие или отсутствие заряда кодирует один бит информации.

Плавающий затвор называется так потому, что он "плавает" в толще изолятора (двуокиси кремния), а значит, сообщенные ему однажды заряды в покое никуда деться не могут. И записанная таким образом информация может храниться десятилетиями.

Схема ячейки флэш-памяти на одном n- p- n транзисторе приведена на Рис.1.

Можно заметить, что в отличие от обычного полевого транзистора появляется дополнительный электрически изолированный затвор. Такой тип полевых транзисторов получил наименование FLOTOX, аббревиатуру от английского выражения Floating Gate Tunnel-OXide («плавающий» затвор с туннелированием в окисле).

Возникает основной вопрос, как размещать заряды на изолированном от внешних влияний плавающем затворе. И не только размещать, но и удалять их.

При записи заряд помещается на плавающий затвор одним из двух способов (зависит от типа ячейки):

- методом инжекции "горячих" электронов;

- методом туннелирования электронов.

Стирание содержимого ячейки (снятие заряда с "плавающего" затвора) производится методом тунеллирования. Как правило, наличие заряда на транзисторе понимается как логический "0", а его отсутствие - как логическая единица.

Далее подробно рассмотрим эти способы.

 

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. 1, а).

 

Рис. 1, 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. 1, 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 ħ 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_z . Если под неопределённостями координаты и импульса понимать среднеквадратичные отклонения этих физических величин от их средних значений, то соотношения неопределенностей имеют вид:

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 одинаковыми системами получаются каждый раз, вообще говоря, разные значения. Однако некоторые значения будут более вероятными, чем другие, они будут появляться чаще. Относительная частота появления тех или иных значений координаты пропорциональна квадрату модуля волновой функции в соответствующих точках пространства. Поэтому чаще всего будут получаться те значения координаты, 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. Тем не менее, некоторый разброс в значениях координаты, некоторая их неопределённость (порядка полуширины максимума) неизбежны. Тот же вывод относится и к измерению импульса.

Таким образом, 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 квантовые поправки. Такой поправкой и является 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 для очистки плавающего затвора.

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 Electrons injection) (CHEI) - требует более высокого напряжения, по сравнению с FN. Таким образом, для работы памяти требуется поддержка двойного питания. Программирование методом инжекции осуществляется быстрее, чем методом FN.