Полевой транзистор с плавающим затвором.

Его особенность в том, что внутри диэлектрика между затвором и легированной областью сделан ещё один - плавающий. Плавающий затвор это фактически проводник в слое диэлектрика. Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его потенциал "плавает". Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор или сквозь потенциальный барьер Si-SiO₂ путем квантово-механического туннелирования, или над барьером "горячих" носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки.

Положительное смещение на верхнем затворе (относительно полупроводниковой подложки) вызовет накопление электронов в плавающем затворе при условии, что утечка электронов через верхний диэлектрический слой мала. Величина заряда Q, накопленного за время t и пороговое напряжение, определяется как где J(t)-величина инжекционного тока в момент времени t.

Есть два устойчивых состояния:

1)ток не идёт через транзистор, есть заряд на плавающем затворе

2)ток идёт, нет заряда на плавающем затворе.

А два устойчивых состояния дают право такому транзистору использоваться в качестве запоминающего устройства. Двоичная информация в такой структуре хранится в виде отрицатель­ного заряда электронов на плавающем затворе Q. Логической единице соответствует наличие некоторого заряда Q<0, а логическому нулю — его отсутствие (Q= 0). При наличии отрицательного заряда на плавающем за­творе значительно увеличивается пороговое напряжение, и характери­стика прямой передачи транзистора смещается в сторону более высоких напряжений (это смещение может достигать 12 В).

Принцип работы:

Чтобы записать в плавающий затвор информацию создается большая разность потенциалов между стоком и истоком и естественно положительный на затвор. Возникает канал. В транзисторе в этом случае протекает большой ток, причём такой силы, что, слегка пробивает изолятор и заносит электроны в плавающий затвор. При резком выключении тока электроны остаются в плавающем затворе, так как покинуть его уже не могут, ведь энергию для преодоления изолятора даёт большой ток. Плавающий затвор остаётся отрицательно заряжен при полном отключении напряжения. Ток через такой транзистор не пойдёт в дальнейшем, так как отрицательный заряд эффектом поля закрывает канал.

Этот эффект называется лавинной инжекцией электронов в диэлек­трик. В диэлектрике электроны под действием поперечного электрического поля дрейфуют к плавающему затвору и накапливаются на нем. В последнее время для записи и стирания информации используется также туннельный эффект.

Чтобы стереть заряд на плавающем затворе подаём на затвор большое напряжение "сгоняющее" с плавающего затвора электроны и заряд. Стирание информации осуществляется за счет пере­хода электронов с плавающего затвора в диэлектрик при облучении кри­сталла ультрафиолетовым светом.

Теперь нет заряда на плавающем затворе и при подаче положительного потенциала на затвор канал открывается и ток идёт.

Возможно частичное растекание наполненного информационного заряда из-за туннелирования электронов с плавающего затвора обратно в полупроводник.

Рассмотрим основные соотношения, определяющие характер накопления инжектированного заряда на плавающем затворе полевого транзистора.

Инжекция носителей из полупроводника через первый слой окисла на плавающий затвор осуществляется путем прямого туннелирования через трапецеидальный барьер. Величина туннельного тока I(t) описывается соотношением:

(1)

Постоянные величины А и В, входящие в (1), зависят от типа полупроводника и высоты потенциальных барьеров на границе. Накапливаемый на плавающем затворе инжектированный заряд Q(τ) будет вызывать уменьшение напряженности электрического поля Е_оx в первом диэлектрике. Величина электрического поля Е_ох, обуславливающая туннелирование, равна:

(2)

Первое слагаемое в соотношении (2) дает значение электрического поля Е_ох за счет приложенного напряжения к затвору V_G, второе слагаемое - за счет накопления инжекционного заряда. В случае, если в качестве второго диэлектрика в МОП ПТ с плавающим затвором используется двуокись кремния, в (2) величины диэлектрических постоянных необходимо выбрать одинаковыми.

При малых временах τ наполненный заряд Q(τ) мал и линейно возрастает со временем τ, поскольку поле в окисле Е_ох и туннельный ток I(t) постоянны. При больших временах наступает насыщение наполнения инжектированного заряда Q(τ). Соотношения (1-2) позволяют на основе расчета выбрать наиболее оптимальные режимы записи и стирания информационного заряда.