Dispositivos de Memoria con MOSFET

Los microprocesadores y microcontroladores necesitan de algunos tipos de memoria bien definidos:
  • Memoria para el almacenamiento temporario de Datos comúnmente llamada RAM “Random Access Memory”.
  • Memoria para el almacenamiento permanente de Programas (firmware) que han ido evolucionando con la tecnología desde las ROM “Read Only Memory”, pasando por las PROM “Programmable ROM” & EPROM “Erasable PROM”, para actualmente recurrir a las Flash.
  • Memoria para el almacenamiento cuasi permanente de Parámetros de Configuración del Programa comúnmente conocidas como EEPROM o E2PROM “Electricaly EPROM”.
Las RAM son memorias en las que se puede escribir, leer, borrar y volver a escribir, aquí la información memorizada se mantiene durante un tiempo breve (5 mseg. aprox.) normalmente en menos que ese tiempo se sustituye la información almacenada por una nueva. Pero si se quisiera mantener habría que renovarla periódicamente (lo que se hace por seguridad cada 2 mseg.). Son memorias volátiles. Se construyen basadas en MOSFETs y en CMOS.
Las ROM son memoria de sólo lectura que salvo necesidad se graban una vez y para siempre. Formadas por transistores MOSFET modificados que permiten retener la carga por más tiempo (desde décadas a 100 años). Por eso se llaman memorias no volátiles


Clasificación de memorias volátiles y no volátiles
Ejemplo de memoria volátil elemental: Tomemos un MOSFET de canal n en modo enriquecimiento, su conducción depende que haya canal o no. Si VG= 0, no hay canal y el dispositivo no conduce, la salida es un cero. Si VG > VT, el dispositivo conduce y tenemos un 1 a la salida. Un capacitor a la salida almacena información de acuerdo con la presencia o ausencia de señal.

Un chip de memoria, se fabrica integrando un gran número de transistores MOS FETs, cada uno debe relacionarse con un capacitor, que también es una capacidad MOS, y el conjunto constituye una unidad de memoria. Un chip de 16Mbits, requiere 16.000.000 de MOS FETs  integradas en una capa y otros 16.000.000 de capacidades MOS integradas en otra capa interconectada con la anterior. Además se integran una cantidad de circuitos para la localización de las direcciones de memoria y para lectura y escritura de la información en celdas.

Célula de memoria elemental, bajo la acción de la compuerta, el MOS FET conduce y carga o descarga el condensador.

Dentro de las memorias no volátiles veremos las EEPROM y las FLASH EEPROM

Las EEPROM (Electrically Erasable Programming ROM) pueden ser borradas no sólo eléctricamente sino que se deben seleccionar direcciones de byte a borrar. Para esto se necesita que cada celda tenga dos transistores (uno se necesita para elegir la celda)
Las FLASH EEPROM, se pueden borrar eléctricamente, pero sólo a través de un bloque simultáneo de celdas. Se pierde la posibilidad de seleccionar direcciones de byte, pero mantiene una celda de un transistor.
Si se modifica el electrodo de compuerta de un MOSFET tradicional, se puede almacenar carga en forma permanente en el mismo y el nuevo dispositivo se transforma en un dispositivo de memoria no volátil.
Hay varios tipos de memorias no volátiles : las de compuerta flotante (FAMOS – Floating Gate Avalanche Inyection MOS y SAMOS Stacket Gate Avalanche Inyection MOS) y los dispositivos de carga atrapada (MNOS –metal, nitride, oxide, semic.- y MONOS -metal, oxido, nitride, oxide, semic.-) .

Dispositivos de memoria de compuerta flotante

En una memoria de compuerta flotante, la carga es inyectada a dicha compuerta flotante para cambiar la tensión umbral ( VT).

Escritura o Programación (programming)

Existen dos modos de programación:
  1. Inyección de Hot carriers.
  2. Inyección por efecto túnel Fowler Nordheim.

Inyección de Hot Carriers

La Fig. 1, parte (a), muestra el mecanismo de inyección de hot carriers. Cerca del drenaje, el campo lateral está a su mayor nivel. Los portadores del canal (electrones) adquieren energía del campo y se vueven hot carriers. Cuando su energía es mayor que la barrera de potencial de la interfase Si-SiO2, se pueden inyectar a la compuerta flotante.. Al mismo tiempo, el campo eléctrico elevado induce ionización x impacto. Estos electrones de alta energía también son inyectados a la compuerta flotante. Esta corriente se comporta como el equivalente de una corriente de compuerta en un MOSFET convencional y su pico se alcanza cuando VFG = VD, donde VFG es el potencial de la compuerta flotante.

Figura 1
En la Fig. 1, parte (b), vemos el mecanismo de inyección de hot carriers usando avalancha drenaje-sustrato. Aquí, VFG es mas negativo y la que se inyecta son “lagunas calientes” (hot holes). Este método es menos efectivo y prácticamente ya no se usa.

Inyección por efecto túnel Fowler Nordheim

También los electrones se pueden inyectar a la compuerta flotante por efecto túnel.
El efecto túnel Fowler Nordheim es una combinación de excitación térmica para alcanzar la parte superior y más delgada de la barrera de potencial y luego provocar el efecto túnel por la parte mas delgada de la barrera.


En el modo programación, el campo eléctrico a través de la capa de óxido inferior es el más crítico.
Cuando se aplica VG positiva al la compuerta de control, se establece un campo eléctrico en cada capa de aislante.
Por Gauss:

Donde los subíndices 1 y 2 corresponden respectivamente al óxido inferior y al superior y Q (negativa) es la carga almacenada en la compuerta flotante.
De ambas ecuaciones podemos obtener:
La corriente de transporte en aisladores es una fuerte función el campo eléctrico. Cuando el transporte es vía efecto túnel Fowler-Nordheim, la densidad de corriente se puede escribir como:
Donde C4 y Eo son constantes que dependen de la masa efectiva y del tamaño de la barrera.
Ya sea por inyección de hot carriers o por efecto túnel como mecanismo de programación, después de la operación de carga, la carga total almacenada Q es proporcional a la corriente inyectada. Estas cargas al interactuar con las cargas de la capa de inversión producen un cambio en la conductividad del canal, lo cual causa un desplazamiento ΔVT en la tensión umbral:

Este desplazamiento en la tensión umbral se puede medir directamente como se ve en la Fig. 2.
Alternativamente, la tensión umbral pude ser medida desde la conductancia de drenaje. La variación de VT significa un cambio en la conductancia de drenaje o salida (gd) del MOSFET. Para pequeñas gd, podemos escribir:

Después de alterar la carga en la compuerta flotante por Q (carga negativa), el gráfico gd -VG o el equivalente ID -VG se desplaza a la derecha ΔVT como se ve en la Fig. 2
Figura 2

Borrado (Erasing)

Para borrar la carga almacenada, una polarización negativa se aplica a la compuerta de control o una polarización positiva en la fuente/drenaje. Este proceso es la inversa del proceso de efecto tunel descripto anteriormente, ahora los electrones almacenados se retiran por efecto túnel de la compuerta flotante al sustrato.

Lectura (Reading)


Cuando se lee, se aplica a la compuerta de control una tensión VG intermedia entre los puntos ΔVT de la Fig. 2 y el MOSFET conducirá o no dependiendo de la tensión umbral VT de la celda que a su vez depende de si la compuerta flotante esta cargada o no. La circulación de corriente es sensada y forma un código binario reproduciendo el dato almacenado.

Diagramas de energía en el MOSFET de compuerta flotante

Para entender la secuencia de programación y borrado de un MOSFET de compuerta flotante podemos ayudarnos con los diagramas de energía.
  • En la Fig. 3 (a) vemos la estructura en el estado inicial.
  • En la Fig. 3 (b), los electrones pudieron ser inyectados en la compuerta flotante por hot carriers o efecto túnel a través de la barrera.
  • En la Fig. 3 (c) se observa que la carga negativa acumulada en la compuerta flotante eleva la tensión umbral comparada con la condición inicial.
  • En la Fig. 3 (d) los electrones son retirados de la compuerta flotante por efecto túnel desde la compuerta flotante hasta el sustrato.
Figura 3

En ambas operaciones, programación y borrado es importante modular el potencial de compuerta flotante eficientemente a través de la tensión aplicada a la compuerta de control. Un parámetro importante en las memorias de compuerta flotante es la relación de acoplamiento que determina la porción de la tensión de la compuerta de control que se acopla capacitivamente a la compuerta flotante:


Donde C'1 y C'2 son las capacidades asociadas con los óxidos inferior y superior respectivamente. Notar que en la práctica, las áreas de compuerta de control y compuerta flotante no son necesariamente iguales. Con frecuencia la compuerta de control se envuelve alrededor de la compuerta flotante, de esa forma el capacitor superior ( C'2) tiene un área mayor.
El potencial de compuerta flotante esta dado por : VFG = RCG . VG
En la práctica el óxido inferior tiene ≅80Å mientras que el óxido superior tiene ≅140Å y la relación de acoplamiento es RCG ≅ 0,5-0,6.
Las primeras EPROM se fabricaban usando Polisilicio altamente dopado para la compuerta flotante. El dispositivo que usa avalancha sustrato-drenaje se conoce como Floating-gate avalanche-injection MOS (FAMOS). La compuerta de Polisilicio está embebida en óxido y está completamente aislada. Para inyectar cargas en la compuerta flotante (programación), la juntura de drenaje esta polarizada para ruptura x avalancha y las lagunas en el plasma de avalancha son inyectadas desde el drenaje a la compuerta (los primeros FAMOS eran de canal p). Para borrarlas se usaba luz ultravioleta o rayos x. El borrado eléctrico no se usaba porque los dispositivos no tenían compuerta externa.

Figura 4 FAMOS

Para permitir el borrado eléctrico se ha hecho muy popular la estructura apilada. Se trata del llamado SAMOS (Stacked Gate Avalanche Inyection MOS MOS). La compuerta de control externa permite el borrado eléctrico y mejora la eficiencia de programación.
Figura 5 SAMOS

En las EEPROM es más común usar efecto túnel cono mecanismo de inyección para programar. Un reciente dispositivo comercial llamado transistor FLOTOX (Floating Gate Tunnel Oxide), confina el efecto túnel a una pequeña área sobre el drenaje y se mejoran mucho los tiempos de programación y borrado.
Figura 6 FLOTOX
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