Speichert ein bisschen Nettoladung im Flash-Speicher

Dies bezieht sich auf die Diskussion in den Kommentaren in meiner Antwort auf diese Frage in Bezug auf die in einem Flash gespeicherte Ladung.

Ein Flash-Speicher funktioniert so, dass er entweder eine kleine Ladung (was eine logische 0 bedeutet) auf dem Gate eines Floating-Gate-Transistors speichert oder sie nicht speichert (was eine logische 1 bedeutet).

Kondensatoren, Batterien usw. wird oft nachgesagt, dass sie Ladung speichern, aber in Wirklichkeit speichern sie Energie, aber keine Nettoladung, da sich auf gegenüberliegenden Platten immer die gleiche Anzahl positiver und negativer Ladungen befindet.

Nun stellt sich die Frage: Wird jemals eine elektrische Nettoladung auf einem Transistor in einem Flash-Chip gespeichert, so dass das aktuelle Gesetz von Kirchoff vorübergehend verletzt wird? (Vermutlich gilt die Ladungserhaltung, sodass Elektronen aus dem Programmierstrom, die an den Gates eingefangen sind, später ausgeglichen werden, wenn diese Speicherzelle gelöscht wird). Oder werden die Ladungen der eingefangenen Elektronen z. B. durch Löcher (im Sinne der Halbleitertheorie das Fehlen eines Elektrons im Valenzband) im Substrat transistorintern ausgeglichen?

Verweise auf glaubwürdige Quellen zu diesem Thema sind sehr willkommen.

Der Speicher ist meines Wissens im Wesentlichen kapazitiv. Es gibt keine wirkliche Methode innerhalb eines ICs, um geladene Teilchen einzufangen oder auszustoßen (soweit ich weiß).
@mkeith: Jede Beschreibung von Flash-Speichern, die ich gelesen habe, erwähnt Injektion heißer Elektronen und Quantentunneln. Beide Methoden fangen geladene Teilchen ein oder stoßen sie aus.
@mkeith und Timo: Ich hoffe, Sie haben nichts dagegen, dass die Frage kürzlich geändert wurde, um sich auf "Nettoladung eines beliebigen Transistors" und nicht auf "Nettoladung des gesamten Chips" zu konzentrieren. Obwohl ich sicher bin, dass mkeith Recht hat, dass auf dem gesamten Chip eine Weile keine Nettoladung gespeichert ist, wäre eine Nettoladung an einem beliebigen Transistor (ausgeglichen durch eine entgegengesetzte Ladung an anderer Stelle auf dem Chip) immer noch eine überraschende Verletzung von Kirchoffs geltendes Recht. (Fühlen Sie sich frei, umzukehren, wenn Sie denken, dass dies eine zu große Änderung ist).
@davidcary, gefangen oder aus dem Silizium in die Umgebung ausgestoßen? Oder eingefangen und zwischen den Bereichen des Transistors ausgestoßen? Es ist lange her, dass ich mich ausführlich mit der Gerätephysik beschäftigt habe. Aber Sie können ein ganzes Buch über Schaltungsdesign schreiben, ohne jemals Ausnahmen von KVL und KCL in Betracht zu ziehen.
@davidcary deine Bearbeitung ist für mich in Ordnung.
@mkeith: Nettoladungsübertragung zwischen Regionen eines Transistors, zwischen einem Transistor und einem anderen Teil desselben Chips oder zwischen einem Transistor und der Umgebung außerhalb des Chips? Die Beschreibungen, die ich gelesen habe, sind zu diesem Detail etwas vage, also weiß ich es nicht.
Scheint außerhalb meines Wissens- und Erfahrungsbereiches zu liegen. Aber es gibt jetzt einige qualitativ hochwertige Antworten. So...

Antworten (3)

Die anderen Antworten sind ausgezeichnet, aber hier sind einige Ressourcen und VIEL Handwinken.

Wenn Sie die Einzelheiten zu all dem wissen möchten, empfehle ich dringend Kapitel 2 der Diplomarbeit von Paul Hasler: http://thesis.library.caltech.edu/2477/
Ich würde auch nach dem Kurs von Brad Minch suchen, der lehrt bei Olin, oder das Buch "analog vlsi" von Shih-Chii Liu. Wir alle sind entweder direkt unter Carver Mead oder ein Grad davon entfernt.

Wenn Sie nicht mit Quantenmechanik sterben wollen, hier ist die Kurzversion. Ich kann Ladung auf ein Gate werfen, indem ich ein heißes Elektron im Kanal mache, das Ladung in das Oxid "wirft", und einige schaffen es zum schwebenden Gate. Dann lege ich eine große Spannung an, um die durch Oxid hergestellte Barriere effektiv zu "dünnen", um das Gate positiver zu machen.

Jetzt verwende ich pFETs dafür, weil ich analoge Floating-Gates herstelle, also hier sind einige Bilder von meiner Arbeit: FG PfetDas Bild oben ist ein pFET mit Floating-Gate. Wenn ich VDS auf hoch setze und dann das Gate Vg auf unterschwellig stelle, kann ich ein Feld erzeugen, das hoch genug ist, um eine Stoßionisation der Löcher zu verursachen, die ein heißes Elektron abstößt, das nach oben in "irgendwo" geht ", und wenn du Glück hast, ist es das Oxid.

Heißträger

Um den Knoten negativ zu machen, präsentiere ich das gefürchtete Banddiagramm. Wenn „1“ genügend Energie erzeugt, weil der VDS ausreicht, erhalten Sie bei „2“ Stoßionisation. Wenn "2" genug Energie hat, springt es vielleicht zum Oxid "3". Es ist wichtig anzumerken, dass dieses Verhalten aufgrund des hohen Feldes, das an der Drain-Kante zu sehen ist, im Unterschwellenbereich optimal ist.

Tunnelbau

Um den Knoten positiver zu machen, setze ich alle Klemmen auf 0 Volt, erhöhe aber die Vtun-Klemme hoch, um die Tox-Barriere zu "dünnen". (a) ist überall mit 0v. (b) ist mit Vtun hoch, so dass Sie eine "dünne" Barriere erhalten, was bedeutet, dass eine Wahrscheinlichkeit besteht, dass Sie einen Fowler-Nordheim-Tunnel sehen werden.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Tunneln Quanten ist (den Knoten positiv machen) und Injektion klassische Physik ist (den Knoten negativ machen).

Danke, das war eine nette Antwort! Die Quantenmechanik wäre hier kein Problem gewesen, ich bin Physiker, aber kein Festkörperphysiker. Aber das kann ich in der verlinkten These nachlesen.
Ich war mir nicht sicher, wie tief du gehen wolltest. Das Tunneln ist ideal zum mathematischen Hinzufügen und Entfernen von Elektronen, aber wenn Sie tatsächlich etwas bauen, ist es aufgrund der Spannungen einfacher, heiße Elektronen für einen der Modi zu verwenden. Das Verdünnen der Barriere bei 200 A SiO2 erfordert 8 V. Es gibt einige Arbeiten von Chris Duffy von der Georgia Tech, die zugänglicher sein könnten. Dr. Hasler ist die klügste Person, die ich je getroffen habe, und die Arbeit ist sehr gut, aber ziemlich anstrengend. Wenn Sie bei Einzelheiten nicht weiterkommen, bin ich sicher, dass Sie mich finden können, wenn Sie es versuchen.
Ich denke, die Gesamtheit der Details in der Antwort ist gut, sie kann auch von Leuten verfolgt werden, die keine Physiker sind. Meine Hauptmotivation, eine maßgebliche Antwort auf diese Frage zu erhalten, war, sicherzustellen, dass ich hier mit meiner Antwort richtig liege .

Im ganzen Transistor, nein. Im schwebenden Tor, ja. Im Körper des Halbleiters, ja.

Erklärungszeit: Ihr Verständnis von Kondensatoren ist falsch. Kondensatoren bewegen keine Ladung. Sie haben keine feldproduzierenden Komponenten und sind in jeder Hinsicht vollkommen passiv. Sie speichern Ladung gleicher und entgegengesetzter Art auf jeder Platte. Genauso speichert Flash auch Ladung, allerdings auf einer schwebenden Platte, indem Elektronen auf die Platte getunnelt werden. Die Gesamtladung im Universum bleibt erhalten, da sich im halbleitenden Material eine gleiche Ladungsmenge entwickelt, die entweder die Bildung oder Zerstörung eines Kanals ermöglicht.

Diese "Nettogebühr" existiert, aber nur, wenn Sie jeweils einen Teller betrachten. Und genau wie in der anderen Frage besprochen, werden diese Ladungen schließlich auslaufen und die "Nettoladung" auf jeder Platte wird verschwinden, was den Kirkoff-Gesetzen gehorcht, die in ihrer einfachsten Form wirklich nur die Erhaltung der Materie sind (Sie haben es nicht gemacht irgendwelche Elektronen aus dem Nichts, um die Platte aufzuladen, hast du sie irgendwoher genommen).

Am Ende ist es nur eine Frage der Perspektive: Beziehen Sie beide Platten in Ihre beliebige Geometrie ein, die zum Messen des Feldes verwendet wird? Dann fallen keine Nettokosten an. Beziehen Sie nur eine Platte in Ihre beliebige Geometrie ein, die zum Messen verwendet wird? Wenn ja, dann gibt es eine Nettoladung, die ein Feld erzeugt, das irgendwo außerhalb Ihrer Geometrie verläuft.

Bearbeiten: Die Frage wurde geändert und daher hat sich auch die Antwort etwas geändert.

Nun stellt sich die Frage: Ist auf dem Flash-Chip elektrische Nettoladung in Form von Elektronen aus dem Programmierstrom gespeichert, die an den Gates eingefangen sind, so dass das aktuelle Kirchhoffsche Gesetz vorübergehend verletzt wird (auszugleichen beim Löschen des Chips: Ladungserhaltung von gilt natürlich immer) oder werden die Ladungen der eingefangenen Elektronen chipintern durch zB Löcher (im Sinne der Halbleitertheorie Fehlen eines Elektrons im Valenzband) im Substrat ausgeglichen?

Die Antwort darauf ist die zweite Option. Auf der schwimmenden Platte eingefangene Elektronen induzieren eine Ansammlung von Löchern im Halbleiter. Diese Akkumulationsschicht wirkt wie eine Unterbrechung in der Transistorschaltung, weshalb sie wie eine logische Null wirkt. Als Referenz habe ich auf einen MOS-Kondensator verwiesen, der die Grundlage der meisten heute hergestellten Feldeffekttransistoren bildet.

Ich war ungenau in Bezug auf Kondensatoren, sicher, Strom fließt durch sie und sammelt gleiche Mengen an positiver und negativer Ladung. Ich weiß, dass die Ladung insgesamt erhalten bleibt. Ich habe die Frage etwas zugespitzt.
@Timo Ja. Es ist das zweite. Deshalb bedeutet gespeicherte Ladung eine logische 0: Durch den lochreichen Bereich (Akkumulationsschicht) kann kein Strom fließen. Wenn Sie eine Quelle suchen, suchen Sie einfach nach Mos-Kondensator.
Sieht so aus, als hätten Sie Recht, zum Beispiel erklärt dies den Prozess speziell anhand des Elektron-Loch-Bildes eines Halbleiters. Der MOS-Kondensator war der entscheidende Begriff, der in die Suche einbezogen werden sollte, ohne ihn neigt man dazu, Spielzeugmodell-Erklärungen zu erhalten, die zu der Annahme verleiten können, dass die Ladung tatsächlich aus dem Programmierstrom erfasst wird.
Ich möchte Ihre Antwort akzeptieren, da Sie die richtige Antwort angegeben und auf den richtigen Weg zum Finden der Referenz hingewiesen haben. Was dort jetzt geschrieben steht, ist jedoch möglicherweise nicht optimal in Bezug auf die bearbeitete Frage, da es sich auf die Kondensatorsache konzentriert und in der Antwort selbst keine Referenzen erwähnt werden. Würde es Ihnen etwas ausmachen, wenn ich Ihre Antwort ein wenig bearbeiten würde, oder möchten Sie sie selbst bearbeiten?
@Timo, ich habe es bearbeitet, aber wenn Sie der Meinung sind, dass es mehr braucht, würde ich Ihre Bearbeitung gerne annehmen.
Äh, Entschuldigung, ich hatte nicht erwartet, eine weitere Antwort zu erhalten, und diese war ziemlich genau das, wonach ich gesucht hatte: eine Erklärung, die deutlich zeigt, dass die Ladungen von der Bildung von Elektron-Loch-Paaren stammen, ergänzt durch eine Referenz. Also akzeptiere ich das, aber du bekommst definitiv meine +1.

Es gibt keine Nettoladung auf dem IC. Wenn dies der Fall wäre, würde der gesamte IC geladen und die entgegengesetzte Ladung anziehen.

In den Transistoren im Flash-Speicher sind einige Elektronen im Gate-Oxid eingefangen. Dies erzeugt ein elektrisches Feld, und dieses Feld ist in anderen (entgegengesetzten) Ladungen um es herum vorhanden. Diese beweglichen Ladungen können die Oxidbarriere nicht passieren, sondern bleiben direkt gegenüber dem Gate im Silizium. Es ist tatsächlich das Vorhandensein (oder Fehlen) dieser Ladungen, das den Transistor leitend macht oder nicht.

Die Kraft von, sagen wir, 1000 Elektronen, die in jedem Transistor eines 4-GB-Flashs auf einem anderen solchen Chip in 10 cm Entfernung gefangen sind, scheint nicht so groß zu sein , dass es offensichtlich wäre, dass dies nicht möglich ist.
Na und ? Ein netto geladener IC zieht genug von der entgegengesetzten Ladung an, um sie zu neutralisieren. Kleine Ladung -> kleine Gegenladung. Es muss für Sie nicht wahrnehmbar sein.
Das ist nicht so klar: Wenn ich meinen Pullover an meiner Wolldecke reibe und sie auf Abstand bewege, bleiben beide eine ganze Weile geladen, es sei denn, ich erde sie explizit (normalerweise durch Berühren und einen kleinen Schock). Es sind einfach nicht so viele lose Gebühren im Umlauf, dass alle Nettogebühren sofort neutralisiert würden.
Wer hat "sofort" gesagt? Ein Pullover kann 100 pF haben und auf 10 kV aufgeladen werden - das ist eine Ladung von Q = CV = 1 uC. Jedes Element auf einem Flash-Speicher hat weniger als 1 fF und wird auf etwa 1 V – 1 fC oder 10^9-mal weniger aufgeladen. ICs werden in ionisierten Umgebungen hergestellt und gehandhabt (um eine statische Aufladung zu verhindern), und jede unausgeglichene Ladung würde neutralisiert.
Die im Gate-Oxid eingeschlossenen Elektronen kamen nicht einfach aus dem Nichts, sondern aus der Drain-Verbindung. Es wird keine Nettoladung erzeugt – es wird nur vom Erdungsdraht zum Gate bewegt.
Speichert ein bisschen Nettoladung im Flash-Speicher
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