МДП-транзистор как элемент памяти

Рассмотрим электрическую цепь, приведенную на рисунке 9.8, состоящую из последовательно соединенных нагрузочного сопротивления R_H ≈10кОм и МДП полевого транзистора с индуцированным каналом. При отсутствии сигнала на входном электроде (U_вх = 0) транзистор закрыт, сопротивление между областями истока и стока велико (сопротивление р-n перехода при обратном включении), все напряжение питания падает на транзисторе и выходное напряжение U_вых близко к напряжению питания V _пит (рис. 9.8, а). Если же на затвор транзистора подать импульс положительной полярности с амплитудой выше порогового напряжения, то МДП-транзистор открывается, сопротивление его канала составит десятки или сотни Oм и все напряжение питания падает на нагрузочном сопротивлении R_Н и выходное напряжение U _вых близко к нулю (рис. 9.8, б). Как видно из приведенного примера, на основе системы резистор – МДП-транзистор легко реализуется элементарная логическая ячейка с двумя состояниями: ноль и единица.

Рис.9.8. Схема, поясняющая работу n-канального МДП-транзистора в качестве элемента запоминающего устройства: а) закрытое состояние, б) открытое состояние.

Одним из недостатков приведенной элементарной ячейки информации является необходимость подведения на все время хранения информации напряжения питания. 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 величину порогового напряжения V_пор. Это можно реализовать в МДП полевых транзисторах обладающих сложной структурой затвора, в которых управляемым образом меняется встроенный в МДП структуру заряд Q_S (см. формулу 9.7). Такие полевые транзисторы реализуются двумя способами.

В первом способе используются так называемые МНОП полевые транзисторы, в которых в качестве подзатворного диэлектрика применяется двухслойное покрытие рис. 9.9, а). В качестве первого диэлектрика

а) б)

9.9. Структура запоминающих полевых транзисторов с индуцированным каналом п -типа:

а) МНОП-транзистор и б) МОП полевой транзистор с плавающим затвором.

используется туннельно прозрачный слой двуокиси кремния SiО₂ толщиной 10^-2…10^-3 мкм. В качестве второго диэлектрика - толстый (d ≈ 0,1мкм) слой нитрида кремния. Нитрид кремния Si₃N₄ имеет большое число глубоких ловушек для электронов в запрещенной зоне и значение диэлектрической постоянной в нем два раза больше, чем диэлектрическая постоянная двуокиси кремния SiO₂.

В отсутствие встроенного заряда МНОП-транзистор ведет себя как обычный МДП-транзистор с индуцированным каналам и характеризуется стоко-затворной характеристикой, приведенной на рисунке 9.10 кривая 1. Если же подать на затвор МНОП транзистора относительно его истока короткий

Рис.9.10. Стоко-затворные характеристики n -канального МНОП-транзистора: 1-исходная характеристика, встроенный заряд в диэлектрике отсутствует и 2-в диэлектрик записан отрицательный заряд;

импульс положительного напряжения V_ЗИ ~ 26В, то вследствие разницы в величинах диэлектрических постоянных окисла и нитрида в тонком слое окисла возникает сильное электрическое поле. Это поле вызывает туннельную инжекцию электронов из полупроводника через окисел в нитрид. Инжектированные электроны захватываются ловушками в запрещенной зоне нитрида кремния, образуя отрицательный по знаку встроенный в диэлектрик заряд. После снятия напряжения V_ЗИ с затвора инжектированный заряд длительное время хранится на ловушечных центрах слоя нитрида, так как он окружен со всех сторон слоем диэлектрика. Стоко-затворная характеристика при этом сдвигается вправо (рис. 9.10, кривая 2) и обладает большим пороговым напряжением V _пор2 > V_пор1. Таким образом, в МНОП транзисторах можно обеспечить два логических состояния, определяемые пороговыми напряжениями V _пор2 и V_пор1, которые могут сохраняться длительное время (десятки лет) в отсутствие напряжения питания. При подаче же импульса отрицательного напряжения –V_ЗИ на затвор происходит обратное туннелирование электронов с ловушек в нитриде кремния в зону проводимости полупроводника, кривая 2 переходит в кривую 1, и записанная информация стирается.

Во втором способе используется МОП полевой транзистор с так называемым плавающим затвором. Такие транзисторы часто называют МОП-транзистором с лавинной инжекцией зарядов, сокращенно ЛИЗМОП-транзистор. В этих транзисторах диэлектрик затвора представляет собой два диэлектрических слоя из двуокиси кремния, между которыми формируется тонкий слой поликристаллического кремния, легированного фосфором для создания ловушек. Слой поликристаллического кремния и образует плавающий затвор (рис. 9.9, б). Как и в случае МНОП-транзистора, при подаче положительного импульса напряжения на затвор, из полупроводника в плавающий затвор за счет лавинного пробоя диэлектрического слоя инжектируются электроны, которые захватываются ловушками поликристаллического кремния и образуют встроенный отрицательный заряд. Для стирания встроенного заряда может быть использован отрицательный импульс напряжения или ультрафиолетовое облучение затвора. Стоко-затворные характеристики ЛИЗМОП-транзистора качественно аналогичны характеристикам МНОП-транзистора (рис. 9.10)

Такие транзисторы памяти являются основой построения репрограммируемых постоянных запоминающихся устройств (РППЗУ), в частности, флэш-памятей.

Контрольные вопросы

1. Объясните явление эффекта поля в МДП-структурах.

2. Чем отличаются МДП-транзисторы со встроенным и индуцированным каналами?

3. Что такое пороговое напряжение МДП-транзистора?

4. Как влияют заряды в окисле и на поверхностных состояниях на пороговое напряжение МДП полевого транзистора?

5. Дать вывод расчетной вольтамперной характеристики МДП полевого транзистора с индуцированным каналом.

6. Дайте определение крутизны характеристики МДП полевого транзистора.

7. Начертить и объяснить вид стоко-затворных характеристик МДП полевого транзистора.

8. Начертить и объяснить вид стоковых характеристик МДП полевого транзистора.

9. Как влияет подложка на параметры и характеристики МДП полевого транзистора?

10. Как устроены и в чем принцип работы запоминающих полевых транзисторов?

Дата добавления: 2015-05-06