РПЗУ


МДП транзистор как прибор, управляемый напряжением и не
потребляющим мощности на управление в статическом режиме,
идеально подходит для организации элементарной ячейки памяти.

Рассмотрим RC- цепочку, состоящую из последовательно соединенных
нагрузочного сопротивления RH ≈ 1 МОм и полевого транзистора с
изолированным затвором.

Если в такой схеме МДП-транзистор открыт, сопротивление его канала
составляет десятки или сотни Oм, все напряжение питания падает на
нагрузочном сопротивлении RН и выходное напряжение Uвых близко к
нулю.

Если МДП-транзистор при таком соединении
закрыт, сопротивление между областями истока
и стока велико (сопротивление р-n перехода при
обратном включении), все напряжение питания
падает на транзисторе и выходное напряжение
Uвых близко к напряжению питания Uпит.
На основе системы резистор - МДПтранзистор легко реализуется
элементарная логическая ячейка с
двумя значениями: ноль и единица.
Реализовать такую схему можно
несколькими вариантами.
В одном из них выбирается МДПтранзистор со встроенным каналом
и при напряжении на затворе,
равном нулю.
После подачи на затвор
напряжения VG транзистор
закрывается и реализуется
условие, показанное на рисунке 2.
Рис.1
В другом варианте выбирается МДПтранзистор с индуцированным каналом
и при напряжении на затворе VG,
равном нулю, транзистор закрыт и
реализуется случай, приведенный на
рисунке 2. При подаче на затвор
обедняющего напряжения транзистор
открывается и реализуется случай,
соответствующий приведенному на
рисунке 1.
Рис 2.

Одним из недостатков приведенной элементарной ячейки
информации является необходимость подведения на все
время хранения информации напряжения к затворному
электроду. При отключении напряжения питания записанная
информация теряется. Этого недостатка можно было бы
избежать, если в качестве МДП-транзистора использовать
такой транзистор, у которого регулируемым образом можно
было бы менять пороговое напряжение VT. Тогда при
положительном пороговом напряжении VT > 0 (n-канальный
транзистор) МДП-транзистор закрыт и реализуется случай,
соответствующий приведенному на рисунке б. При
отрицательном пороговом напряжении VT < 0 МДП-транзистор
открыт и реализуется случай, соответствующий приведенному
на рисунке а.

Таким образом два полевых
транзистора, соединенных
последовательно , позволяют
реализовать элементарную ячейку
памяти.


Величина порогового напряжения МДП-транзистора Vт
определяется уравнением:
для изменения величины порогового напряжения Vт
необходимо:
а) изменить легирование подложки Nа (для изменения
объемного положения уровня Ферми φ0, разности paбот
выхода φms, заряда акцепторов в области обеднения Qв);
б) изменить плотность поверхностных состояний Nss;
в) изменить встроенный в диэлектрик заряд Q ох;
г) изменить напряжение смещения канал -подложка Vss (для
изменения заряда акцепторов Qв в слое обеднения).
Поскольку информацию в ячейку необходимо перезаписывать
многократно, случаи а) и б) для этого оказываются
непригодными. Случай г) не подходит вследствие того, что
при отключении напряжения информация не сохраняется.

Таким образом, для реализации энергонезависимого
репрограммируемого полупроводникового запоминающего
устройства (РПЗУ) необходим МДП-транзистор, в котором
обратимым образом было бы возможно изменять пороговое
напряжение VT за счет изменения встроенного в диэлектрик
заряда Qох.

Изменение ВАХ n-канального МДП-транзистора при перезаписи
объемного заряда в подзатворном диэлектрике:
состояние 1-соответствует исходному; 2-закрытое состояние
транзистора при отсутствии питания (VG =0), когда в
диэлектрик записан отрицательный заряд; 3-открытое
состояние транзистора при отсутствии питания (VG =0), когда в
диэлектрик записан положительный заряд.

РПЗУ на основе полевых транзисторов со структурой металл нитрид - окисел - полупроводник (МНОП ПТ).

Рис. а.
В МНОП ПТ в качестве подзатворного диэлектрика используется двухслойное
покрытие. В качестве первого диэлектрика используется туннельно прозрачный слой
(dox < 50 A) двуокиси кремния. В качестве второго диэлектрика используется толстый
(d ≈ 1000 A) слой нитрида кремния. Нитрид кремния Si3N4 имеет глубокие ловушки в
запрещенной зоне и значение диэлектрической постоянной
εSi3N4 в 2 раза более высокое, чем диэлектрическая
постоянная двуокиси кремния SiO2. Ширина запрещенной
зоны нитрида Si3N4 меньше, чем ширина запрещенной зоны
окисла SiO2.

РПЗУ на основе полевых транзисторов
с плавающим затвором (МОП ПТ с плавающим
затвором).

Рис.б.
В МОП ПТ используется второй затвор, изготовленный из
материала высокой проводимостью, находящихся в объеме
подзатворного диэлектрика

При подаче импульса положительного
напряжения +VGS на затвор (рис.б) вследствие
разницы в величинах диэлектрических
постоянных окисла и нитрида в окисле
возникает сильное электрическое поле. Это
поле вызывает туннельную инжекцию
электронов из полупроводника через окисел в
нитрид. Инжектированные электроны
захватываются на глубине уровня ловушек в
запрещенной зоне нитрида кремния,
обуславливая отрицательный по знаку
встроенный в диэлектрик заряд. После снятия
напряжения с затвора инжектированный заряд
длительное время хранится на ловушечных
центрах, что соответствует существованию
встроенного инверсионного канала.

При подаче импульса отрицательного
напряжения -VGS на затвор (рис.в) происходит
туннелирование электронов с ловушек в
нитриде кремния в зону проводимости
полупроводника. При снятии напряжения с
затвора зонная диаграмма МНОП-структуры
снова имеет вид, как на рис.а, и
инверсионный канал исчезает.

Высокие значения напряжения записи/стирания;

Число цикло в перезаписи ≤ 106;

Пространственная неоднородность записи,
заряда по площади затвора.

Полевой транзистор с плавающим затвором по принципу
работы похож на МНОП- транзистор. Только в транзисторах с
плавающим затвором инжектированный заряд хранится на
плавающем затворе, находящемся между первым и вторым
подзатворными диэлектрическими слоями. Схема,
поясняющая устройство МОП ПТ с плавающим затвором,
приведена на рисунке б.

В качестве материала для плавающего затвора используется
поликристаллический кремний, легированный фосфором, или
другие материалы, обладающие металлической
проводимостью. Благодаря проводимости плавающего
затвора, инжектированный заряд распределяется по нему
всегда равномерно, поэтому для записи и стирания заряда
можно использовать инжекцию носителей из канала или его
части, областей стока и истока. МДП ПТ с плавающим
затвором вследствие этого, а так же вследствие
технологической простоты изготовления стал основным
прибором для флеш- элементов памяти.

На рис. a, приведена зонная диаграмма такого транзистора
(напряжение на затворе VGS равно нулю, плавающий затвор не
заряжен). Рис. б, поясняет механизм записи информационного
заряда путем туннельной инжекции из полупроводника на
плавающий затвор (импульсное напряжение +VGS). На рис. в,
приведена зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором
после записи заряда и снятия напряжения с затвора. В режиме
хранения информационного заряда возможно частичное
растекание его из-за туннелирования электронов с
плавающего затвора обратно в полупроводник.
Анимация

Характеристики переключения n- и p- канальных МДПтранзисторов для флэш- памяти:
Для р- канальных транзисторов запись положительного заряда
увеличивает пороговое напряжение в область отрицательных
напряжений.
Для n- канальных
транзисторов запись
отрицательного заряда
увеличивает пороговое
напряжение в область
положительных
напряжений.


На базе МДП- транзисторов с плавающим затвором, которые
позволяют хранить заряд, записанный на плавающий затвор,
реализованы устройства flash-памяти. Операция
программирования (заряжание плавающего затвора)
проводится лавинной инжекцией электронов из стоковой
области канала МДП- транзистора. Если заряд плавающего
затвора у однобитного МДП- транзистора < 5000 электронов, то
это означает, что ячейка хранит логическую «1», а если заряд
> 30000 электронов, то- «0». Заряд ячейки вызывает
изменение порогового напряжения, а по нему определяется
количество заряда на плавающем затворе.
Пионером разработки методов размещения заряда и
считывания являлась компания Intel, которая разработала
впервые тестовый 32 Мб чип по данной технологии.
Популярным устройством, реализующимся на основе flashпамяти, является USB-флэш-память- новый тип флэшнакопителей, получивших распространение в последние
годы. USB-память представляет собой накопитель с USBразъемом, внутри которого размещаются 1 или 2 микросхемы
флэш- памяти и USB-контроллер.

В МДП- транзисторах с плавающим затвором при реализации их в
качестве элемента флэш-памяти используются 3 механизма
записи/стирания информационного заряда на плавающий затвор:
1) Туннельная (автоэлектронная) инжекция по механизму
Фраулера- Нордгейма;
2) Инжекция горячих электронов из области канала вблизи стока,
обусловленная разогревом электронного газа в сильном
электрическом поле в этой области;
3) Инжекция горячих электронов или дырок, инициализированная
туннельным пробоем зона-зона, полупроводниковой подложки.
В зависимости от конструкции и характеристик элементов флэшпамяти используется тот или иной физический механизм.

В практических приложениях МДП- транзисторов с плавающим
затвором для флэш- элементов памяти при их
программировании/репрограммировании (записи/стирании
информационного заряда на плавающий затвор) реализуются
различные рабочие режимы. Для n-канальных флэш- элементов
реализуются три рабочих режима. Для p-канальных— два режима.
Эти режимы отличаются выбором напряжений на затворе, стоке,
истоке и подложке, причем в ряде случаев один из электродов
находится в «плавающем» состоянии.

Различные режимы напряжения записи/стирания обусловлены
как различной морфологией МДП-транзисторов с плавающим
затвором, так и различной архитектурой, выбранной для ячеек
памяти.

На рис.показаны три рабочих
режима для n- канальных МДПтранзисторов.
а) В 1 режиме запись (VG = 10 В, VS
=0,VD = 5 B, Vss=0) осуществляется
инжекцией горячих электронов при
лавинном умножении в области
канала вблизи стока, а стирание
(VG = -10 В, VS =4,VD -плавающий,
Vss=0) осуществляется по
механизму Фаулера— Нордгейма в
область истока.
б) Во 2 режиме запись (VG = 20 В,
VS =0,VD -плавающий, Vss=0)
осуществляется туннелированием
Фаулера—Нордгейма из области
канала, стиранием (VG = -10 В, VS плавающий,VD =5 В, Vss=0)
осуществляется туннелированием
Фаулера– Нордгейма в область
стока.
в) В 3 режиме запись (VG = 20 В, VS
=0,VD = 0, Vss=0) осуществляли
туннелированием ФаулераНордгейма из области канала,
стирание (VG = 0, VS -плавающий,VD
-плавающий, Vss=20 В)
осуществляется туннелированием
Фаулера- Нордгейма в область
канала.