Плавающий затвор

Плавающий затвор — это элемент структуры полевого транзистора, представляющий собой электрод (затвор), полностью изолированный от других частей прибора слоем диэлектрика. В отличие от обычного (управляющего) затвора, плавающий затвор не имеет прямого электрического соединения с внешними цепями и способен длительное время удерживать электрический заряд. Это свойство лежит в основе работы энергонезависимой памяти, в частности, флеш-памяти типа NOR и NAND.

История

Концепция плавающего затвора была предложена в 1967 году израильско-американскими инженерами Давоном Кангом и Саймоном Зее из лабораторий Bell Labs (США). В своей работе «A floating-gate and its application to memory devices» они описали структуру, в которой заряд, инжектированный в изолированный затвор, изменяет пороговое напряжение транзистора. Первоначально технология использовалась в стираемых программируемых постоянных запоминающих устройствах (EPROM), где стирание данных осуществлялось ультрафиолетовым излучением. В 1971 году компания Intel выпустила первую коммерческую микросхему EPROM 1702 на основе плавающих затворов.

В 1980-х годах появились электрически стираемые ПЗУ (EEPROM), в которых для удаления заряда использовался туннельный эффект (туннелирование Фаулера — Нордгейма). В 1984 году японский инженер Фудзио Масуока из компании Toshiba предложил структуру NAND-флеш-памяти, которая позволила значительно увеличить плотность ячеек за счёт последовательного соединения транзисторов с плавающими затворами. В 1988 году компания Intel представила NOR-флеш-память, обеспечивающую более быстрый произвольный доступ. С 1990-х годов технология плавающего затвора стала доминирующей в полупроводниковых накопителях, вытеснив магнитные и оптические носители в ряде применений.

Устройство и принцип действия

Структура ячейки

Базовая ячейка памяти на плавающем затворе представляет собой МОП-транзистор (металл-оксид-полупроводник) с дополнительным изолированным электродом. Основные слои (снизу вверх):

• Подложка — обычно кремний p-типа.
• Области истока и стока — легированные области n-типа.
• Туннельный диэлектрик — тонкий слой оксида кремния (SiO₂) толщиной 8–10 нм.
• Плавающий затвор — поликремниевый электрод, не имеющий электрического контакта.
• Межзатворный диэлектрик — многослойная структура (например, ONO: оксид-нитрид-оксид) толщиной 15–20 нм.
• Управляющий затвор — поликремниевый или металлический электрод, подключённый к управляющей линии (слововой линии).

Физические процессы

Работа ячейки основана на трёх режимах:

1. Программирование (запись) — на управляющий затвор подаётся высокое положительное напряжение (15–20 В), а на сток — умеренное напряжение (5–7 В). В результате в канале транзистора возникает сильное электрическое поле, ускоряющее электроны. Часть «горячих» электронов (с энергией более 3,2 эВ) преодолевает потенциальный барьер туннельного диэлектрика и попадает на плавающий затвор. Этот процесс называется инжекцией горячих носителей (CHEI — Channel Hot Electron Injection).

1. Стирание — на управляющий затвор подаётся отрицательное напряжение (около −15 В), а на подложку — положительное. Электрическое поле вызывает туннелирование Фаулера — Нордгейма: электроны «просачиваются» сквозь туннельный диэлектрик обратно в подложку. В некоторых архитектурах (например, в NAND) стирание производится одновременно для целого блока ячеек.

1. Чтение — на управляющий затвор подаётся напряжение, промежуточное между пороговыми напряжениями заряженного и незаряженного состояний (обычно 4–5 В). Если плавающий затвор заряжен (хранит «0»), пороговое напряжение транзистора повышено, и ток через канал не течёт. Если затвор разряжен (хранит «1»), ток течёт. Считывающая схема фиксирует наличие или отсутствие тока.

Хранение заряда

Плавающий затвор способен удерживать заряд в течение 10–20 лет при нормальных условиях (температура 25–85 °C). Потери заряда происходят за счёт термоэмиссии и дефектов диэлектрика. Для повышения надёжности применяются коррекция ошибок (ECC) и избыточные резервные блоки. В современных микросхемах гарантируется 100 000–1 000 000 циклов перезаписи.

Классификация

По типу памяти

• NOR-флеш — ячейки соединены параллельно, обеспечивают быстрый произвольный доступ (чтение за 50–100 нс). Используются для хранения кода программ (BIOS, прошивки микроконтроллеров).
• NAND-флеш — ячейки соединены последовательно (в цепочки по 32–64 ячейки), что обеспечивает высокую плотность записи (до 1 Тбит на кристалл). Скорость чтения ниже (10–50 мкс), но скорость записи и стирания выше. Применяется в SSD, USB-накопителях, картах памяти.

По технологии изготовления

• Плавающий затвор (FG) — классическая структура, используемая с 1970-х годов. Доминировала до середины 2010-х годов.
• Зарядоулавливающая ячейка (CTF) — вместо поликремниевого затвора используется тонкий слой нитрида кремния (Si₃N₄), который улавливает заряд. Технология (например, 3D NAND) позволяет создавать многослойные структуры с вертикальными каналами, что снижает стоимость бита.

Применение

Накопители данных

Плавающие затворы являются основой всех типов флеш-памяти, используемой в:

• Твердотельных накопителях (SSD) для компьютеров и серверов.
• USB-флеш-накопителях и картах памяти (SD, microSD, CompactFlash).
• Встроенной памяти мобильных устройств (смартфоны, планшеты).
• Микросхемах BIOS/UEFI материнских плат.

Промышленная и автомобильная электроника

• Хранение прошивок в микроконтроллерах (например, семейства AVR, ARM Cortex-M).
• Бортовые системы автомобилей (блоки управления двигателем, ABS, подушки безопасности).
• Авионика и космическая техника (радиационно-стойкие версии).

Криптография и безопасность

• Аппаратные модули безопасности (TPM, Secure Element) для хранения ключей шифрования.
• Смарт-карты и SIM-карты (с использованием EEPROM на плавающих затворах).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Энергонезависимость — данные сохраняются без питания.
• Высокая плотность записи — до 1 Тбит на кристалл (в 3D NAND).
• Низкое энергопотребление — в режиме хранения потребление практически нулевое.
• Механическая стойкость — отсутствие движущихся частей.

Недостатки

• Ограниченное число циклов перезаписи — деградация туннельного диэлектрика (обычно 10⁵–10⁶ циклов).
• Уязвимость к радиации — тяжёлые частицы могут изменить заряд, что критично для космической техники.
• Сложность масштабирования — при уменьшении техпроцесса ниже 20 нм туннельный диэлектрик становится слишком тонким, что увеличивает токи утечки.
• Необходимость коррекции ошибок — для обеспечения надёжности требуются алгоритмы ECC.

Интересные факты

• Первая коммерческая микросхема EPROM 1702 (Intel, 1971) имела объём всего 2 Кбит (256 байт) и стоила около 100 долларов США.
• В 3D NAND-памяти (например, Samsung V-NAND) используется до 176 слоёв с вертикальными каналами, что позволяет достичь плотности более 1 Тбит на кристалл.
• В 2020 году компания Intel объявила о прекращении разработки флеш-памяти на плавающих затворах в пользу зарядоулавливающих ячеек (3D NAND), однако технология продолжает использоваться в NOR-флеш и специализированных микросхемах.
• В 2015 году исследователи из IBM продемонстрировали ячейку памяти на плавающем затворе с техпроцессом 7 нм, способную хранить 3 бита на ячейку (TLC).

Источники

• Kahng, D., & Sze, S. M. (1967). A floating-gate and its application to memory devices. Bell System Technical Journal, 46(6), 1288–1295.
• Masuoka, F., et al. (1984). New ultra high density EPROM and flash EEPROM with NAND structure cell. IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM).
• Bez, R., et al. (2003). Introduction to flash memory. Proceedings of the IEEE, 91(4), 489–502.
• Микросхемы памяти: архитектура, проектирование, тестирование. Под ред. А. Ю. Романова. — М.: Техносфера, 2018.
• Техническая документация Intel, Samsung, Micron по флеш-памяти (2010–2023).