Ячейка памяти на полевых транзисторах

Полевой транзистор —полупроводниковый прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного току электрического поля, создаваемого входным сигналом.

Протекание в полевом транзисторе рабочего тока обусловлено носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), поэтому такие приборы часто включают в более широкий класс униполярных электронных приборов.

Полевой транзистор можно включать по одной из трех основных схем: с общим истоком (ОИ), общим стоком (ОС) и общим затвором (ОЗ). На практике чаще всего применяется схема с ОИ, аналогичная схеме на биполярном транзисторе с ОЭ. Каскад с общим истоком даёт очень большое усиление тока и мощности. Схема с ОЗ аналогична схеме с ОБ. Она не даёт усиления тока, и поэтому усиление мощности в ней во много раз меньше, чем в схеме ОИ. Каскад ОЗ обладает низким входным сопротивлением, в связи с чем он имеет ограниченное практическое применение в усилительной технике.

По физической структуре и механизму работы полевые транзисторы условно делят на 2 группы. Первую образуют транзисторы с управляющим р-n переходом или переходом металл — полупроводник (барьер Шоттке), вторую — транзисторы с управлением посредством изолированного электрод а (затвора), т. н. транзисторы М.Д.П. (металл — диэлектрик — полупроводник).

Полевой транзистор с изолированным затвором — это полевой транзистор, затвор которого отделён в электрическом отношении от канала слоем диэлектрика.

В кристалле полупроводника с относительно высоким удельным сопротивлением, который называют подложкой, созданы две сильнолегированные области с противоположным относительно подложки типом проводимости. На эти области нанесены металлические электроды — исток и сток. Расстояние между сильно легированными областями истока и стока может быть меньше микрона. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. Так как исходным полупроводником для полевых транзисторов обычно является кремний, то в качестве диэлектрика используется слой двуокиси кремния SiO2, выращенный на поверхности кристалла кремния путём высокотемпературного окисления. На слой диэлектрика нанесён металлический электрод — затвор. Получается структура, состоящая из металла, диэлектрика и полупроводника. Поэтому полевые транзисторы с изолированным затвором часто называют МДП-транзисторами.В основе работы полевых транзисторов с изолированным затвором лежат свойства МДП структуры

Пример МДП структуры

В исходной пластинке кремния р- типа с относительно высоким удельным сопротивлением, которую называют подложкой, с помощью диффузионной технологии созданы две сильнолегированные области с противоположным типом электропроводности – n. На эти области нанесены металлические электроды – исток и сток. Между истоком и стоком имеется тонкий приповерхностный канал с электропроводностью n- типа. Поверхность кристалла полупроводника между истоком и стоком покрыта тонким слоем (порядка 0,1 мкм) диэлектрика. На слой диэлектрика нанесен металлический электрод – затвор. Наличие слоя диэлектрика позволяет в таком полевом транзисторе подавать на затвор управляющее напряжение обеих полярностей.

семейство его стоковых характеристик (б);

стоко-затворная характеристика (в)

При подаче на затвор положительного напряжения, электрическим полем, которое при этом создается, дырки из канала будут выталкиваться в подложку, а электроны вытягиваться из подложки в канал. Канал обогащается основными носителями заряда – электронами, его проводимость увеличивается и ток стока возрастает. Этот режим называют режимом обогащения.

При подаче на затвор напряжения, отрицательного относительно истока, в канале создается электрическое поле, под влиянием которого электроны выталкиваются из канала в подложку, а дырки втягиваются из подложки в канал. Канал обедняется основными носителями заряда, его проводимость уменьшается и ток стока уменьшается. Такой режим транзистора называют режимом обеднения.

В таких транзисторах при Uзи = 0, если приложить напряжение между стоком и истоком (Uси > 0), протекает ток стока Iс нач, называемый начальным и, представляющий собой поток электронов

Ячейки памяти (или ячейки ФЛЭШ) это элементы современных быстродействующих программируемых ППЗУ (программируемое постоянно запоминающее устройство) с электрической записью и стиранием информации.

В отличие от обычного МОП (другое название мдп) (металл — оксид — полупроводник)- транзистора в ячейке памяти имеется еще один, изолированный от первого, затвор, называемый «плавающим».

(Если затвор обычного полевого транзистора модифицировать введением дополнительного металл-полупроводникового пласта (плавающий затвор), новая структура может служить элементом па­мяти, длительно сохраняющим накопленный заряд.)

Транзи́стор с пла́вающим затво́ром — разновидность полевого МОП-транзистора, используемая в различных устройствах энергонезависимой памяти: например флешпамять

Затвор транзистора расположен в глубине диэлектрика на некотором удалении от всех контактов транзистора, что не позволяет электронам, обладающим маленькой энергией, попадать на него. Рядом с ним расположен управляющий затвор. Если к нему приложить высокое напряжение, то многие электроны приобретают настолько высокую энергию, что могут проходить сквозь диэлектрик и осаждаться на плавающем затворе (инжекция «горячих» электронов), и его заряд из нейтрального становится отрицательным. Электроны, попавшие на плавающий затвор, могут оставаться там в течение долгого времени, причем их количество не будет уменьшаться, если на транзистор не подается напряжение. Если же приложить к управляющему затвору напряжение противоположного знака, то электроны начинают с него стекать, тем самым разряжая его. Очевидно, что плавающий затвор в данном случае хранит запрограммированную информацию. Таким образом, мы имеем два стационарных состояния транзистора: плавающий затвор или не имеет заряда, или заряжен отрицательно, соответственно, первое отвечает логическому нулю, а второе — единице

Слои с проводимостью n⁺ (исток и сток) имеют повышенную концентрацию электронов. Плавающий затвор гальванически не связан с электродами. Его потенциал может изменяться только при изменении заряда на нем. При записи информации (U _ЗИ > U _{ЗИ, ПОР}) электроны из истока благодаря туннельному эффекту перебираются на плавающий затвор (слой изолирующего окисла кремния составляет всего лишь 10^{- 8 м).}

Накопленный отрицательный заряд увеличивает пороговое напряжение U _{ЗИ, ПОР}, при этом выходной ток стока равен нулю. Поэтому в будущем при обращении к ячейке транзистор будет восприниматься как выключенный. При стирании информации (U _ЗИ < U _{ЗИ, ПОР}) электроны уходят с плавающего затвора в область истока.

Транзистор без заряда на плавающем затворе при считывании воспринимается как включенный. Длительность цикла считывания меньше 9 нс. Состояние ячейки сохраняется более 10 лет.

Такие ячейки памяти являются энергосберегающими, так как информация не стирается при отключении питания.

Дата добавления: 2015-07-08