Как устроен полевой транзистор с плавающим затвором или почему деградирует флеш-память

Комментарии показали, что не все пользователи ясно представляют себе физические процессы, проистекающие в ячейках памяти и поэтому делают неверные выводы, данная заметка призвана устранить этот пробел.

Мы намеренно упростим модель работы, чтобы обеспечить ее понимание широкому кругу читателей что-то помнящих со школьного курса физики.

Начнем с того, что такое электрический ток – это перемещение заряженных частиц. Такие частицы могут быть отрицательно заряженные – электроны и положительно заряженные – дырки (это официальный термин, на самом деле дыркой является положительно заряженный ион).

Чтобы носители заряда начали двигаться нам необходимо дать им стимул, т.е. обеспечить разность потенциалов (подать напряжение). В этом случае свободные электроны начнут двигаться в сторону плюса, дырки в сторону минуса.

Чем выше разность потенциалов, тем быстрее будут двигаться заряженные частицы и выше будет их энергия движения, переданная им электромагнитным полем

Важным условием для протекания тока является наличие в материале свободных заряженных частиц (электронов и дырок). В металлах электроны слабо связаны с ядрами атома и могут свободно двигаться по материалу. Такие материалы называются проводниками.

В диэлектриках, наоборот, свободных носителей заряда нет и атомы крепко удерживают свои электроны, поэтому они не проводят электрический ток.

Основа ячейки памяти – полевой транзистор с плавающим затвором, его схема показана на рисунке. Но пока представим, что плавающего затвора у нас нет и мы получим просто транзистор с изолированным затвором.

Если потенциал затвора относительно истока является нулевым (нет напряжения), то электроны свободно перемещаются от истока к стоку, транзистор открыт, по нему течет ток.

Но стоит нам подать на затвор напряжение, как заряженные частицы изменят направление движения и путь от истока к стоку будет невозможен. Транзистор закрыт. Регулируя напряжение на затворе, мы можем управлять тем количеством электронов, которые могут течь от истока к стоку и тем самым регулировать ток через транзистор.

Теперь о плавающем затворе. В транзисторе с плавающим затвором при подаче напряжения на управляющий затвор электроны начинают течь в его сторону и преодолевая диэлектрик попадают на плавающий затвор.

После того, как мы снимем напряжение с управляющего затвора заряд на плавающем затворе, останется, так как электроны не могут отправиться обратно – им мешает диэлектрик.

Но как они смогли попасть на плавающий затвор? При появлении напряжения на управляющем затворе электромагнитное поле придает электронам энергию и разгоняет их, они на скорости бомбардируют атомы диэлектрика и выбивают из них электроны, которые в свою очередь выбивают электроны из соседних атомов.

Это явление называется лавинным пробоем, на короткое время в диэлектрике появляются свободные носители заряда и по нему течет ток. Как только мы снимаем напряжение с управляющего затвора – диэлектрик приходит в норму и перестает пропускать заряженные частицы.

Теперь плавающий затвор содержит некоторый заряд и управляет током через транзистор даже при отсутствии управляющего напряжения. По сути, перед нами простейшая ячейка энергонезависимой памяти.

Чтобы стереть ячейку нам надо разрядить плавающий затвор, для этого мы подаем на управляющий затвор потенциал обратной полярности, которой разгоняет электроны в затворе, и они снова при помощи лавинного пробоя преодолевают диэлектрик в обратном направлении.

Понятно, что подобное воздействие не улучшает свойства материала диэлектрика и он со временем начинает деградировать. Атомы начинают хуже удерживать электроны, и они начинают освобождаться при меньших энергиях.

А это значит, что кто-то из электронов, которые спокойно не сидят, через него проскочит. И чем хуже свойства диэлектрика – тем чаще это будет случаться. Ячейка перестанет держать заряд и станет непригодна как элемент памяти.