Floating Gate Transistor
Ein Floating Gate Transistor (FGT) ist eine komplementäre Metalloxid-Halbleitertechnologie (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS), die in der Lage ist, eine elektrische Ladung in einem Memory-Gerät zu halten, das zum Speichern von Daten verwendet wird.
Floating-Gate-Transistoren wurden zuerst in EPROM und später in EEPROM verwendet. Der Flash-Speicher ist eine Art EEPROM, der in großen Blöcken programmiert und gelöscht wird.
Die Zellen des Flash-Chips sind in einem Gitter angeordnet, das an jeder Kreuzung einen Transistor aufweist. Jeder Transistor hat zwei Gates: ein sogenanntes Floating Gate und ein Control Gate. Die beiden Gates sind durch ein dünnes di-elektrisches Material voneinander getrennt, das allgemein als Oxidschicht bezeichnet wird. Da das Floating Gate durch die Oxidschicht elektrisch isoliert ist, werden alle Elektronen, die sich darauf befinden, dort gefangen. Dies macht dieses Flash-Memory nicht flüchtig.
Wie Floating Gate Transistoren funktionieren
Flash-Memory-Speicher funktionieren durch Hinzufügen (Laden) oder Entfernen (Entladen) von Elektronen zu beziehungsweise von einem Floating-Gate. Der 0- oder 1-Zustand eines Bits hängt davon ab, ob das Floating Gate geladen oder ungeladen ist. Wenn Elektronen auf dem Floating Gate vorhanden sind, kann kein Strom durch den Transistor fließen und der Bitzustand ist 0. Dies ist der normale Zustand eines Floating-Gate-Transistors, wenn ein Bit programmiert ist. Wenn Elektronen vom Floating Gate entfernt werden, kann Strom fließen und der Bitstatus ist 1.
Es gibt zwei Möglichkeiten, Elektronen im Floating Gate hinzuzufügen oder einzufangen: Fowler-Nordheim-Tunneling und Channel Hot Electron Injection (CHE).
Das Fowler-Nordheim-Tunneln erfordert ein starkes elektrisches Feld zwischen der negativ geladenen Quelle und dem positiv geladenen Control Gate, um Elektronen in das Floating Gate zu ziehen. Die Elektronen bewegen sich von der Quelle durch die dünne Oxidschicht zum Floating Gate, wo sie zwischen den Oxidisolationsschichten gefangen (trapped) werden.
Bei der Channel Hot Electron Injection, die auch als Hot-Carrier-Injektion bezeichnet wird, wird ein hoher Strom im Kanal verwendet, um den Elektronen genügend Energie zu geben, damit sie aus dem Kanal austreten und die Tunneloxidschicht durchbrechen können, wodurch sich die Schwellenspannung des Floating Gate ändert. Eine positive Ladung auf dem Control Gate zieht die Elektronen aus dem Kanal in das Floating-Gate, wo sie gefangen werden.
Die Oxidschicht, die das Floating Gate umgibt, hält die Elektronen gefangen, unabhängig davon, ob der Flash-Baustein mit Strom versorgt wird oder nicht, was eine dauerhafte Speicherung von Datenbits ermöglicht.
Zwei Mechanismen werden auch verwendet, um die Elektronen aus dem Floating Gate zu entfernen. Bei der EPROM-Technologie führt die Bestrahlung der Speicherzelle mit ultraviolettem Licht dazu, dass die Elektronen aus dem Floating-Gate austreten. Bei EEPROM- und Flash-Speicherbausteinen werden die Elektronen durch Fowler-Nordheim-Tunneling aus dem Floating Gate entfernt. Eine starke negative Ladung auf dem Steuer-Gate zwingt die Elektronen durch die Tunneloxidschicht in den Kanal, wo die Elektronen zu der starken positiven Ladung an der Quelle und am Auslass gezogen werden.
Vorteile von Floating Gate Transistors
FGT finden breite Anwendung in verschiedenen Speichertechnologien, einschließlich EEPROM, Flash-Speichertechnologie und anderen nichtflüchtigen Speicheroptionen.
Nachfolgend sind die wichtigsten Vorteile der Verwendung von Floating-Gate-Transistoren aufgeführt:
- Fähigkeit, Daten vorzuhalten. Der Hauptvorteil von FGTs ist ihre Fähigkeit, Daten auch dann zu speichern, wenn die Stromzufuhr unterbrochen wird. Da Floating-Gate-Transistoren nicht flüchtig sind, eignen sie sich perfekt für Anwendungen, die eine dauerhafte Datenspeicherung erfordern, wie zum Beispiel in Speicherkarten, USB-Laufwerken, SSDs und eingebetteten Systeme.
- Hohe Speicherdichte. FGTs verfügen über Datenspeicherfähigkeiten, die den Bau von kompakten Speichergeräten mit hoher Speicherkapazität ermöglichen. Sie haben auch eine gute Nutzungsdauer und ermöglichen eine hohe Anzahl von Programm-/Löschzyklen (P/E-Zyklen), was sie für den langfristigen Einsatz geeignet macht.
- Geringerer Stromverbrauch. FGTs sind energieeffizient, da sie relativ wenig Strom zum Speichern von Daten benötigen. Dies ist besonders wichtig für tragbare Geräte, da es zu einer längeren Batterielebensdauer beiträgt.
- Schnelles Lesen/Schreiben. FGTs eignen sich hervorragend für Geräte, die einen schnellen Speicherzugriff benötigen, wie beispielsweise Computerfestplatten, da sie schnell programmiert und gelesen werden können.
Floating Gate vs Charge Trap
Ein Floating Gate und Charge Trap (Ladungsfalle) sind Arten von Halbleitertechnologien, die in der Lage sind, eine elektrische Ladung in einem Flash-Speicherbauelement zu halten, aber die chemische Zusammensetzung ihrer Speicherschichten unterscheidet sich, und sie fügen und entfernen Elektronen auf unterschiedliche Weise.
Flash-Bausteine, die Floating-Gate-Transistoren in den Memory-Zellen verwenden, speichern Elektronen in einer isolierten leitenden Schicht aus polykristallinem Silizium. Die Ladung des Floating Gate ändert sich, wenn Elektronen hineinprogrammiert werden, um eine Schwellenspannungsverschiebung im Transistor zu erzeugen.
Bei Bauelementen, die die Charge-Trap-Technologie verwenden, werden die Elektronen in der Regel in einer nichtleitenden Siliziumnitrid-Isolierschicht gespeichert. Durch das Eindringen von Elektronen in die Nitridschicht wird ebenfalls eine Schwellenspannungsverschiebung erzeugt, und die Elektronen werden in dem nichtleitenden Material festgehalten.
Flash-Bausteine, die die Charge-Trap-Technologie verwenden, sind in der Regel weniger kompliziert in der Herstellung als solche, die Floating-Gate-Transistoren verwenden. Charge-Trap-Bauelemente benötigen in der Regel weniger Energie zum Programmieren und weniger Prozessschritte und sind weniger verschleißanfällig, da der Programmiervorgang die Oxidschicht weniger belastet. Bei der Massenproduktion von NAND-Flash-Memory, die die Charge-Trap-Technologie verwenden, stehen die Hersteller jedoch vor Herausforderungen. Die Methode, mit der Elektronen aus einer Ladungsfalle entfernt werden, kann schwierig sein, und die Datenerhaltung kann bei Flash-Bausteinen mit Charge Trap ein Problem darstellen.
Advanced Micro Devices und Fujitsu Semiconductor waren Pioniere bei der Massenproduktion von Charge Trap in NOR-Flash-Memory. Spansion übernahm 2013 das Mikrocontroller- und Analoggeschäft von Fujitsu Semiconductor, woraufhin Cypress Semiconductor 2015 mit Spansion fusionierte. Macronix setzt bei der Herstellung von ROM-Bausteinen (Read-Only Memory) die Charge-Trap-Technologie ein. NAND-Flash-Speicherhersteller wie Samsung, SK Hynix und Toshiba verwenden die Charge-Trap-Technologie bei der Herstellung von 3D-NAND-Flash. Intel und Micron verwenden weiterhin Floating-Gate-Transistoren für ihre 3D-NAND-Technologie.
