Os transistores de porta flutuante foram usados pela primeira vez em memória somente leitura programável apagável (EPROM) e mais tarde em memória somente leitura programável apagável eletronicamente (EEPROM). A memória flash é um tipo de EEPROM que é programada e apagada em grandes blocos.
As células do chip flash estão dispostas em uma grade que tem um transistor em cada interseção. Cada transistor tem duas portas: uma é conhecida como porta flutuante e a outra é chamada de porta de controle. As duas portas são separadas uma da outra por um fino material dielétrico geralmente chamado de camada de óxido. Como a porta flutuante é eletricamente isolada pela camada de óxido, quaisquer elétrons colocados nela ficam presos lá. Isso é o que torna a memória flash não volátil .
Como funcionam os transistores de porta flutuante
A memória flash funciona adicionando (carregando) ou removendo (descarregando) elétrons de e para uma porta flutuante. O estado 0 ou 1 de um bit depende se a porta flutuante está ou não carregada ou não. Quando os elétrons estão presentes na porta flutuante, a corrente não pode fluir através do transistor e o estado do bit é 0. Este é o estado normal para um transistor de porta flutuante, quando um bit é programado. Quando os elétrons são removidos da porta flutuante, a corrente flui e o estado do bit é 1.
Duas opções são usadas para adicionar, ou aprisionar, elétrons na porta flutuante: tunelamento de Fowler-Nordheim e injeção de elétrons a quente de canal (CHE).
O tunelamento de Fowler-Nordheim requer um forte campo elétrico entre a fonte carregada negativamente e a porta de controle carregada positivamente para atrair elétrons para a porta flutuante. Os elétrons se movem da fonte através da fina camada de óxido até a porta flutuante, onde ficam presos entre as camadas de isolamento de óxio.
A injeção de elétrons quentes do canal, também conhecida como injeção de portadora quente, usa uma alta corrente no canal para dar aos elétrons energia suficiente para “ferver” para fora do canal e romper a camada de óxido do túnel, alterando a tensão limite da porta flutuante. Uma carga positiva na porta de controle atrai os elétrons do canal para a porta flutuante, onde ficam presos.
A camada de óxido que envolve a porta flutuante mantém os elétrons presos, independentemente de o dispositivo flash ter ou não energia, permitindo o armazenamento persistente de bits de dados.
Dois mecanismos também são usados para remover os elétrons da porta flutuante. Com a tecnologia EPROM, expor a célula de memória à luz ultravioleta faz com que os elétrons vazem para fora da porta flutuante. Em dispositivos EEPROM e memória flash, o tunelamento Fowler-Nordheim remove elétrons da porta flutuante. Uma forte carga negativa na porta de controle força os elétrons através da camada de óxido do túnel para o canal, onde os elétrons são atraídos para a forte carga positiva na fonte e no dreno.
Porta flutuante vs. armadilha de carga
Uma porta flutuante e uma armadilha de carga são tipos de tecnologia de semicondutores capazes de reter uma carga elétrica em um dispositivo de memória flash, mas a composição química de suas camadas de armazenamento difere e elas adicionam e removem elétrons de maneiras diferentes.
Dispositivos flash que usam transistores de porta flutuante nas células de memória armazenam elétrons em uma camada condutora de silício policristalino isolada. A carga da porta flutuante muda quando os elétrons são programados nela para criar uma mudança de tensão de limiar no transistor.
Dispositivos que usam a tecnologia de armadilha de carga normalmente armazenam elétrons em uma camada de isolamento de nitreto de silício não condutor. Forçar elétrons na camada de nitreto também gera uma mudança de tensão de limiar, e os elétrons são mantidos cativos no material não condutor.
Dispositivos flash que usam a tecnologia de armadilha de carga tendem a ser menos complicados de fabricar do que aqueles que usam transistores de porta flutuante. Dispositivos de retenção de carga geralmente requerem menos energia para programar e menos etapas do processo, e são menos propensos a se desgastarem porque a operação de programação coloca menos estresse na camada de óxido. No entanto, os fabricantes enfrentaram desafios na produção em massa de dispositivos de memória flash NAND que usam a tecnologia de retenção de carga. O método usado para remover elétrons de uma armadilha de carga pode ser complicado, e a retenção de dados pode ser um problema em dispositivos flash baseados em armadilha de carga.
A Advanced Micro Devices Inc. e a Fujitsu Semiconductor Ltd. foram pioneiras na produção em volume da tecnologia de retenção de carga em dispositivos de memória flash NOR . A Spansion Inc. adquiriu o negócio de microcontroladores e analógicos da Fujitsu Semiconductor em 2013, e a Cypress Semiconductor Corp. posteriormente se fundiu com a Spansion em 2015. A Macronix usa a tecnologia de armadilha de carga na produção de dispositivos de memória somente leitura ( ROM ). Fabricantes de memória flash NAND, como Samsung, SK Hynix e Toshiba, usam a tecnologia de retenção de carga na fabricação de flash NAND 3D . Intel e Micron continuam a usar transistores de porta flutuante com sua tecnologia 3D NAND.
