Принципы работы флэш-памяти

Элементарной ячейкой хранения данных в современной флэш-памяти является транзистор с плавающим затвором. Важной особенностью таких транзисторов является способность удерживать электроны, то есть заряд. На их основе разрабо­таны и активно эксплуатируются два основных типа флэш-памяти: NAND и NOR. Каждый из них обладает своими преимуществами и недостатками, поэтому кон­куренции между ними как таковой пока нет. На их базе появилось множество гибридных версий, которые имеют черты как NOR, так и NAND: например, DiNOR, super AND.

Принципы работы флэш-памяти

Однотранзисторная ячейка памяти

Если на плавающем затворе нет электронов, транзистор ведет себя подобно тради­ционному КМ ОП-транзистору (CMOS). При подаче на управляющий затвор по­ложительного напряжения (инициализация ячейки памяти) он будет находиться в открытом состоянии, что соответствует логическому нулю. Если же на плавающем затворе помещен избыточный отрицательный заряд (электроны), то даже при подаче положительного напряжения на управляющий затвор он ком­пенсирует создаваемое управляющим затвором электрическое поле и не дает об­разовываться каналу проводимости, то есть транзистор будет находиться в закры­том состоянии.

Таким образом, наличие или отсутствие заряда на плавающем затворе однозначно определяет состояние транзистора (открыт или закрыт) при подаче одного и того же положительного напряжения на управляющий затвор. Если подачу напряжения на управляющий затвор трактовать как инициализацию ячейки памяти, то по на­пряжению между истоком и стоком можно судить о наличии или отсутствии заря­да на плавающем затворе. Получается своеобразная элементарная ячейка памяти, способная сохранять один информационный бит. При этом важно, чтобы заряд на плавающем затворе (если он там имеется) мог сохраняться как угодно долго как при инициализации ячейки памяти, так и при отсутствии напряжения на управ­ляющем затворе. В этом случае ячейка памяти будет энергонезависимой. Осталось лишь придумать, каким образом на плавающий затвор помещать заряд (записывать
содержимое ячейки памяти) и удалять его оттуда (стирать содержимое ячейки памяти) в случае необходимости.

Помещение заряда на плавающий затвор (процесс записи) реализуется либо мето­дом инжекции горячих электронов (Channel Hot Electrons, СНЕ), либо методом туннелирования Фаулера — Нордхейма.

 

Устройство транзистора с плавающим затвором и чтение содержимого ячейки памяти
Устройство транзистора с плавающим затвором и чтение содержимого ячейки памяти

При использовании метода инжекции горячих электронов на сток и управляющий затвор подается высокое напряжение, чтобы придать электронам в ка­нале энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, создаваемо­го тонким слоем диэлектрика, и туннелировать в область плавающего затвора (при чтении на управляющий затвор подается меньшее напряжение и эффекта тунне­лирования не наблюдается).

Для удаления заряда с плавающего затвора (процесс стирания ячейки памяти) на управляющий затвор подается высокое (порядка 9 В) отрицательное напряжение, а на область истока — положительное напряжение. Это приводит к тому, что электроны туннелируют из области плавающего затвора в область истока (квантовое туннелирование Фаулера — Нордхейма (Fowler — Nordheim, FN)).

Рассмотренный нами транзистор с плавающим затвором может выступать в роли элементарной ячейки флэш-памяти. Однако однотранзисторные ячейки имеют ряд существенных недостатков, главный из которых — плохая масштабируемость. Дело в том, что при организации массива памяти каждая ячейка памяти (транзи­стор) подключается к двум перпендикулярным шинам: управляющие затворы — к шине, называемой линией слов, а стоки — к шине, называемой битовой линией (в дальнейшем данная организация будет рассмотрена на примере NOR-архитек- туры). Вследствие наличия в схеме высокого напряжения при записи методом инжекции горячих электронов все линии — слов, битов и истоков — необходимо располагать на достаточно большом расстоянии друг от друга для обеспечения требуемого уровня изоляции, что, естественно, сказывается на ограничении объема флэш-памяти.

 

Процесс записи и стирания информационного бита в транзистор с плавающим затвором
Процесс записи и стирания информационного бита в транзистор с плавающим затвором

Другим недостатком однотранзисторной ячейки памяти является наличие эффек­та избыточного удаления заряда с плавающего затвора, который не может компен­сироваться процессом записи. В результате на плавающем затворе образуется по­ложительный заряд и транзистор остается всегда в открытом состоянии.

Двухтранзисторная ячейка памяти

Чтобы избежать недостатков однотранзисторных ячеек памяти, используют раз­личные модификации ячеек памяти, однако главный базовый элемент — транзистор с плавающим затвором — остается в любом варианте ячейки памяти. Одним из модифицированных вариантов ячейки памяти является двухтранзисторная ячей­ка, содержащая обычный КМОП-транзистор и транзистор с плавающим затвором. Обычный транзистор используется для изоляции транзистора с пла­вающим затвором от битовой линии.

Преимущество двухтранзисторной ячейки памяти заключается в том, что с ее по­мощью можно создавать более компактные и хорошо масштабируемые микросхемы памяти, поскольку в данном случае транзистор с плавающим затвором изолирует­ся от битовой линии. Кроме того, в отличие от однотранзисторной ячейки памяти, где для записи информации используется метод инжекции горячих электронов, в данном случае и для записи, и для стирания информации применяется метод квантового туннелирования Фаулера — Нордхейма, что позволяет снизить напря­жение, необходимое для операции записи. Как будет показано в дальнейшем, двухтранзисторные ячейки используются в памяти с архитектурой NAND.

 

Двухтранзисторная ячейка памяти и ее обозначение
Двухтранзисторная ячейка памяти и ее обозначение

 

Яндекс.Метрика