Hace un poco de carga neta en la memoria flash

Esto es con respecto a la discusión en los comentarios en mi respuesta a esta pregunta con respecto a la carga almacenada en un Flash.

La forma en que funciona una memoria Flash es que almacena una pequeña carga (lo que significa un 0 lógico) en la puerta de un transistor de puerta flotante, o no la almacena (lo que significa un 1 lógico).

A menudo se dice que los condensadores, baterías, etc. almacenan carga, pero en realidad almacenan energía pero no carga neta, ya que siempre hay la misma cantidad de cargas positivas y negativas en placas opuestas.

Ahora, la pregunta es: ¿alguna vez hay carga eléctrica neta almacenada en cualquier transistor en un chip Flash, de modo que la ley actual de Kirchoff se infrinja temporalmente? (Presumiblemente, la conservación de la carga se mantiene, por lo que los electrones de la corriente de programación atrapados en las puertas se equilibran más tarde al borrar esa celda de memoria). ¿O las cargas de los electrones atrapados están equilibradas internamente en el transistor, por ejemplo, por agujeros (en el sentido de la teoría de los semiconductores, la ausencia de un electrón en la banda de valencia) en el sustrato?

Las referencias a fuentes creíbles sobre el tema son muy apreciadas.

El almacenamiento de memoria es esencialmente capacitivo hasta donde yo sé. Realmente no hay ningún método dentro de un IC para capturar o expulsar partículas cargadas (hasta donde yo sé).
@mkeith: cada descripción de la memoria flash que he leído menciona la inyección de electrones calientes y la tunelización cuántica. Ambos métodos capturan o expulsan partículas cargadas.
@mkeith y Timo: Espero que no les importe el ajuste reciente a la pregunta para centrarse en "carga neta en cualquier transistor" en lugar de "carga neta de todo el chip". Aunque estoy seguro de que mkeith tiene razón en que no hay carga neta almacenada en todo el chip por un tiempo, una carga neta en cualquier transistor (equilibrada por una carga opuesta en otra parte del chip) sería una violación sorprendente de Kirchoff. ley actual (Siéntase libre de revertir si cree que es demasiado cambio).
@davidcary, ¿capturado o expulsado del silicio al medio ambiente? ¿O capturado y expulsado entre las regiones del transistor? Ha pasado mucho tiempo desde que estudié física detallada de dispositivos. Pero puede escribir un libro completo sobre el diseño de circuitos sin siquiera considerar las excepciones a KVL y KCL.
@davidcary tu edición está bien para mí.
@mkeith: ¿Transferencia de carga neta entre regiones de un transistor, entre un transistor y otra parte del mismo chip, o entre un transistor y el entorno fuera del chip? Las descripciones que he leído son un poco vagas en este detalle, así que no lo sé.
Parece estar fuera de mi área de conocimiento y experiencia. Pero ahora hay algunas respuestas de alta calidad. Entonces...

Respuestas (3)

Las otras respuestas son excelentes, pero aquí hay algunos recursos y MUCHOS saludos con la mano.

Si desea conocer los detalles de todo esto, le sugiero encarecidamente el capítulo 2 de la tesis de Paul Hasler: http://thesis.library.caltech.edu/2477/
También buscaría el curso de Brad Minch, que enseña en Olin, o el libro llamado "analog vlsi" de Shih-Chii Liu. Todos nosotros estamos directamente debajo de Carver Mead, o a un grado de distancia.

Si no quieres morirte con la mecánica cuántica, aquí tienes la versión corta. Puedo arrojar carga a una puerta haciendo un electrón caliente en el canal que "lanza" carga hacia el óxido, y algo llega a la puerta flotante. Luego aplico un gran voltaje para "adelgazar" efectivamente la barrera hecha por óxido para hacer que la puerta sea más positiva.

Ahora, uso pFET para esto porque hago puertas flotantes analógicas, así que aquí hay algunas imágenes de mi trabajo: FG pfetLa imagen de arriba es un pFET de puerta flotante. Si configuro VDS en alto y luego coloco la puerta, Vg, en subumbral, puedo crear un campo que sea lo suficientemente alto como para causar la ionización por impacto de los agujeros que emite un electrón caliente que sube a "algún lugar". ", y si tienes suerte, es el óxido.

portadores calientes

Para hacer el nodo negativo, presento el temido diagrama de bandas. Si "1" crea suficiente energía debido al VDS, obtienes ionización de impacto en "2". Si "2" tiene suficiente energía, podría saltar al óxido "3". Es importante tener en cuenta que este comportamiento es óptimo en el subumbral debido al campo alto que se ve en el borde del drenaje.

tunelización

Para hacer que el nodo sea más positivo, configuro todos los terminales a 0 voltios, pero elevo el terminal Vtun alto para "adelgazar" la barrera de toxicidad. (a) es con 0v en todas partes. (b) es con Vtun alto, de modo que obtiene una barrera "delgada", lo que significa que existe la probabilidad de que vea un túnel Fowler-Nordheim.

En resumen, la tunelización es cuántica (hacer que el nodo sea positivo) y la inyección es física clásica (hacer que el nodo sea negativo).

¡Gracias, esta fue una buena respuesta! La mecánica cuántica no habría sido un problema aquí, soy físico aunque no físico del estado sólido. Pero puedo buscar eso en la tesis que vinculaste.
No estaba seguro de cuán profundo querías llegar. El túnel es ideal tanto para agregar como para eliminar electrones matemáticamente, pero si realmente construyes algo, es más fácil usar electrones calientes para uno de los modos debido a los voltajes. Adelgazar la barrera a 200A SiO2 requiere 8V. Hay un trabajo de Chris Duffy de Georgia Tech que podría ser más accesible. El Dr. Hasler es la persona más inteligente que he conocido, y la tesis es muy buena, pero requiere bastante esfuerzo. Si te quedas atascado en detalles, estoy seguro de que puedes encontrarme si lo intentas.
Creo que la cantidad general de detalles en la respuesta es buena, también pueden seguirla personas que no son físicos. Mi principal motivación para obtener una respuesta autorizada a esta pregunta fue asegurarme de que tengo razón en mi respuesta aquí .

En todo el transistor, no. En la puerta flotante, sí. En el cuerpo del semiconductor, sí.

Tiempo de explicación: su comprensión de los condensadores es incorrecta. Los condensadores no mueven la carga. No tienen componentes que produzcan campo y son completamente pasivos en todos los sentidos y formas. Almacenan carga, de tipo igual y opuesto, en cada plato. De esta manera, Flash también almacena carga, sin embargo, lo hace en una placa flotante mediante el túnel de electrones en la placa. La carga total en el universo se conserva porque se desarrolla una cantidad igual de carga en el material semiconductor, lo que permite que se forme o se destruya un canal.

Ese "cargo neto" existe, pero solo si observa un plato a la vez. Y tal como se discutió en la otra pregunta, eventualmente esas cargas se filtrarán y la "carga neta" en cada placa desaparecerá, obedeciendo las leyes de Kirkoff, que en su forma más simple es realmente solo conservación de la materia (usted no hizo cualquier electrón de la nada para cargar la placa, los tomaste de alguna parte).

Al final, es solo una cuestión de perspectiva: ¿incluye ambas placas en su geometría arbitraria utilizada para medir el campo? Si es así, entonces no hay cargo neto. ¿Incluye solo una placa en su geometría arbitraria utilizada para medir el archivo? Si es así, entonces hay una carga neta que crea un campo que va a algún lugar fuera de su geometría.

Editar: la pregunta se cambió y, por lo tanto, la respuesta también cambió un poco.

Ahora, la pregunta es: ¿hay una carga eléctrica neta almacenada en el chip Flash en forma de electrones de la corriente de programación atrapada en las puertas, de modo que la ley actual de Kirchoff se infrinja temporalmente (para equilibrarse al borrar el chip: conservación de carga de supuesto siempre se mantiene), o las cargas de los electrones atrapados están equilibradas internamente en el chip, por ejemplo, por agujeros (en el sentido de la teoría de los semiconductores, la ausencia de un electrón en la banda de valencia) en el sustrato?

Cuya respuesta es la segunda opción. Los electrones atrapados en la placa flotante inducen una acumulación de huecos en el semiconductor. Esta capa de acumulación actúa como una ruptura en el circuito del transistor, por lo que actúa como un cero lógico. Como referencia, señalé un condensador MOS, que es la base de la mayoría de los transistores de efecto de campo que se producen hoy en día.

Fui inexacto en cómo me refiero a los capacitores, claro, la corriente fluye a través de ellos acumulando cantidades iguales de carga positiva y negativa. Sé que la carga, en total, se conserva. Agudicé un poco la pregunta.
@Timo Sí. Es ese segundo. Es por eso que la carga almacenada significa un 0 lógico: ninguna corriente puede fluir a través de la región que tiene muchos agujeros (capa de acumulación). Si desea una fuente, simplemente busque el capacitor mos.
Parece que tienes razón, por ejemplo, esto explica el proceso utilizando específicamente la imagen del agujero de electrones de un semiconductor. El condensador MOS fue el término crucial para incluir en la búsqueda, sin él, uno tiende a obtener explicaciones de modelos de juguete que pueden inducir a error al pensar que la carga en realidad se captura de la corriente de programación.
Me gustaría aceptar su respuesta, ya que indicó la respuesta correcta y señaló el camino correcto para encontrar la referencia. Sin embargo, lo que está escrito allí ahora puede no ser óptimo con respecto a la pregunta editada, ya que se concentra en el condensador y no se mencionan referencias en la respuesta misma. ¿Te importaría si edito un poco tu respuesta o te gustaría editarla tú mismo?
@Timo, lo he editado, pero si crees que necesita más, con gusto aceptaré tu edición.
Uh, lo siento, no esperaba recibir otra respuesta, y esa era más o menos lo que estaba buscando: una explicación que muestre claramente que las cargas provienen de la creación de pares de electrones y huecos, complementada con una referencia. Así que lo acepto, pero definitivamente obtendrás mi +1.

No hay carga neta en el IC. Si lo hubiera, entonces todo el circuito integrado estaría cargado y atraería la carga opuesta.

En los transistores de la memoria flash, algunos electrones quedan atrapados en el óxido de la puerta. Esto crea un campo eléctrico, y este campo genera otras cargas (opuestas) a su alrededor. Estas cargas móviles no pueden cruzar la barrera de óxido, sino que permanecen justo al otro lado de la puerta en el silicio. En realidad, es la presencia (o ausencia) de estas cargas lo que hace que el transistor sea conductor o no.

La fuerza de, digamos, 1000 electrones atrapados en cada transistor de un flash de 4 Gb, en otro chip similar a 10 cm de distancia, no parece tan grande como para que sea obvio que no es posible.
Así que lo que ? Un IC con carga neta atraerá suficiente carga opuesta para neutralizarla. Carga pequeña --> carga opuesta pequeña. No tiene que ser perceptible para ti.
Eso no está tan claro: cuando froto mi suéter en mi manta de lana y los muevo a cierta distancia, ambos permanecen cargados durante bastante tiempo a menos que los conecte a tierra explícitamente (generalmente tocándolos y recibiendo una pequeña descarga). Simplemente no hay tantos cargos sueltos circulando como para que todos y cada uno de los cargos netos se neutralicen de inmediato.
¿Quién dijo 'inmediatamente'? Un suéter puede tener 100 pF y cargarse a 10k V; esa es una carga de Q=CV = 1uC. Cada elemento en una memoria flash tiene menos de 1 fF y está cargado a aproximadamente 1 V, 1 fC, o 10 ^ 9 veces menos. Los circuitos integrados se fabrican y manipulan en entornos ionizados (con el fin de evitar la acumulación de estática), y cualquier carga desequilibrada se neutralizaría.
Los electrones atrapados en el óxido de la puerta no vinieron de la nada, de hecho, vinieron de la conexión de drenaje. No se crea carga neta, solo se mueve desde el cable de drenaje hasta la compuerta.
Hace un poco de carga neta en la memoria flash
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