Исследование циклов записи и стирания электрически стираемого перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ЭСППЗУ)

09/08/2018

Электрически стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство или, сокращенно, ЭСППЗУ (от англ. electrically erasable programmable read-only memory — EEPROM) — это тип энергонезависимой памяти, которая позволяет пользователям многократно записывать и стирать небольшие объёмы данных за счет подаваемых импульсов напряжения. ЭСППЗУ часто используется в качестве носителя данных в компьютерах, мобильных устройствах и микроконтроллерах. Эффективный анализ конструкций ЭСППЗУ инженеры могут проводит с использованием численного моделирования полупроводниковых систем.

Эволюция запоминающих устройств: от ПЗУ к ЭСППЗУ

Электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ появилось в следствии длинной эволюции запоминающих устройств. К примеру, ранняя версия этого типа памяти обладала более короткой аббревиатурой ПЗУ (от англ. read-only memory — ROM) и предназначалась для хранения массива неизменяемых данных. Не смотря на свои преимущества, основной недостаток заключался в том, что память нельзя было перепрограммировать или перезаписывать.

Чтобы устранить этот недостаток учёные создали программируемую ПЗУ (от англ. programmable read-only memory – PROM) с возможностью однократной "прошивки" после изготовления с помощью специальных инструментов. Следующим этапом стала стираемая перепрограммируемая память (от англ. erasable programmable read-only memory – EPROM). Стирать данные можно было при помощи ультрафиолетового излучения. Это было серьёзным прорывом, но для перепрограммирования данный тип ПЗУ необходимо было извлечь из устройства.

Изобретение ЭСППЗУ позволило устранить и этот недостаток. По сравнению с предыдущим поколением, ЭСППЗУ можно перепрограммировать импульсами напряжения непосредственно на плате. Классическая конструкция электрически стираемой перепрограммируемой ПЗУ обладает ограниченной скоростью передачи данных, поэтому разработана её усовершенствованная версия – флэш-память (от англ. flash memory).

К недостаткам ЭППЗУ относится то, что его можно перезаписывать хоть и многократно, но ограниченное количество раз, кроме того при отключении от источника данные не будут храниться бесконечно.

Фотография электрически стираемое перепрограммируемое ПЗУ
Электрически стираемое перепрограммируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ) поверхностного монтажа. Автор изображения — Micah Elizabeth Scott, собственная работа. Доступно по лицензии CC BY-SA 2.0 на Flickr Creative Commons.

Для исследования работы ЭСППЗУ и определения его амперных и зарядных характеристик, в т.ч. в процессе перепрограммирования и стирания, удобно использовать программное обеспечение COMSOL Multiphysics® с модулем расширения Полупроводники. Далее мы разберём конкретный пример полупроводникового расчета ячейки ЭСППЗУ.

Полупроводниковый расчет ЭСППЗУ

Пример ЭСППЗУ с плавающим затвором, который мы разберём, основан на работе A. Concannon, S. Keeney, A. Mathewson и C. Lombardi (см [1] в документации к данному учебному примеру). На рисунке ниже изображена ячейка длиной 1.8 мкм с двумя электрически изолированными затворами – плавающим и управляющим.

Геометрия модели ЭСППЗУ.
Геометрия модели ЭСППЗУ.

Если кратко, то циклы программирования и стирания начинаются с подачи начального импульса напряжения для перепрограммирования ПЗУ. В модели можно отчётливо увидеть, как этот импульс заставляет электроны туннелировать через туннельный переход и аккумулироваться плавающем затворе, что приводит к накоплению на нём заряда.

График распределения электрического поля при подаче управляющего напряжения в сечении  ЭСППЗУ.
Распределение электрического поля при подаче управляющего импульса для программирования ЭСППЗУ. Видно, что поле сосредоточено в окрестности тунельного перехода.

Для того, чтобы стереть данные, подаётся отрицательный импульс, из-за которого электроны туннелируют обратно, а плавающий затвор "возвращяется" в исходное состояние. С помощью программного обеспечения COMSOL® можно смоделировать процессы перепрограммирования/стирания данных на ЭСППЗУ и в т.ч. расчитать все необходимые электрические характеристики устройства.

Анализ работы ЭСППЗУ

Во-первых, можно посмотреть на результаты стационарного исследования (со свипом по напряжению на управляющем затворе), в котором сравнивались вольт-амперные характеристики заряженного ("запись") и разряженного ("стирание") плавающего затвора. Как и ожидалось, ток не начинает протекать между истоком и стоком, пока управляющее напряжение не достигнет порогового значения включения. Как только управляющее напряжение превышает это значение, ток начинает протекать между стоком и истоком. Накопленный заряд может изменять пороговое напряжение, которое, в свою очередь, влияет на вольт-ампертную характеристику, как показано на графике ниже.

На основе этих данных по расчёту тока истока можно понять, накапливается ли заряд на плавающем затворе. Например, при управляющем напряжении 1 В в состоянии стирания ток протекать не будет, при заряде -2 x 10-15 C ток будет равен примерно 0.5 мкА.

График зависимости тока источника от управляющего напряжения для ЭСППЗУ.
Графики зависимости тока на истоке от управляющего напряжения при заданном напряжении на стоке в 10 мВ. Синий график соответствует режиму "стирания", а зелёный — "записи".

На следующих двух графиках показаны результаты исследования во временной области, по которым можно анализировать влияние импульсов напряжения на процессы "записи" и "стирания".

Слева показан график зависимости туннельного тока от времени. В процессе "записи" электроны туннелируют в зону плавающего затвора, при этом начинает протекать условно отрицательный ток. В процессе "стирания" эти электроны туннелируют обратно и начинает протекать положительный ток, равный по величине току при "записи".

Справа изображён график зависимости накопленного заряда на плавающем затворе (который вызван туннелированием электронов через туннельный переход) от времени для обоих процессов. В данном случае в процессе "записи" на плавающем затворе накапливается отрицательный заряд, а при "стирании" заряд становится возвращается к нейтральному нулевому значению. Такие результаты были ожидаемы, и с их помощью можно провести валидацию модели.

График зависимости туннельного тока от времени для процессов программирования и стирания.
График зависимости заряда на плавающем затворе от времени для ЭСППЗУ, построенный по результатам расчёта в COMSOL Multiphysics®.

Графики туннельного тока (слева) и заряда на плавающем затворе (справа) в зависимости от времени для процессов "записи" (синий цвет) и "стирания" (залёный цвет).

Дальнейшие шаги

Как мы показали в данном примере, пакет COMSOL Multiphysics за счет возможностей модуля Полупроводники позволяет точно рассчитывать и визуализировать вольт-амперные характеристики и характеристики процесса заряда на плавающем затворе в ЭСППЗУ. Хотите скачать и самостоятельно поработать с данным примером? Чтобы загрузить файл модели и пошаговую инструкцию, перейдите в Галерею моделей приложений, кликнув по кнопке ниже. Обратите внимание, что для доступа к файлам вам понадобится учетная запись COMSOL Access и действующая лицензия на программное обеспечение.

Ознакомьтесь с другими примерами моделирования полупроводников по следующим ссылкам:


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ