Transistor de Puerta Flotante(Floating gate transistor)

¿Que es el Floating Gate Transistor?

La base de toda la tecnología de memoria flash(incluida la NAND, eMMC), es un transistor de efecto de campo de puerta flotante (floating gate transistor). Consideremos primero la situación en la que no hay electrones en la puerta flotante; en este caso el transistor se comporta como el transistor convencional. Cuando se aplica un voltaje positivo a la puerta de control (inicialización de la celda de memoria); estará en el estado abierto, que corresponde a un cero lógico. 

Arquitectura del transistor de puerta flotante
Arquitectura del transistor de puerta flotante

Si se coloca un exceso de carga negativa (electrones) en la puerta flotante(floating gate); incluso cuando se aplica un voltaje positivo a la puerta de control(control gate). Esta compensa el campo eléctrico creado por la puerta de control(control gate) y evita que se forme el canal de conducción; es decir, el transistor estará en un estado cerrado. Por lo tanto la presencia o ausencia de carga en la puerta flotante determina de forma única el estado del transistor; en abierto(1) o cerrado(0) cuando se aplica el mismo voltaje positivo a la puerta de control. 

Si el suministro de voltaje a la puerta de control(control gate) se interpreta como la inicialización de la celda de memoria; entonces el voltaje entre la fuente(source) y el drenaje(drain) se puede usar para juzgar la presencia o ausencia de carga en la puerta flotante(floating gate). Lo cual resulta como una especie de celda de memoria elemental capaz de almacenar un bit de información. Es importante que si hay una carga en la puerta flotante(floating gate) se pueda almacenar allí durante el tiempo que desee; tanto durante la inicialización de la celda de memoria como en ausencia de voltaje en la puerta de control(control gate). En este caso, la celda de memoria no será volátil.

Funcionamiento del Transistor de Puerta Flotante

La colocación de la carga en la puerta flotante (proceso de registro) se realiza mediante inyección de electrones calientes; (CHE-Channel Hot Electrons) o mediante el método de tunelización de Fowler-Nordheim (similar a cómo se hace al eliminar la carga). Cuando se usa el método de inyección de electrones calientes, se aplica un alto voltaje a la compuerta de drenaje y control; para dar a los electrones en el canal la energía suficiente para superar la barrera potencial; creada por una capa dieléctrica delgada y hacer un túnel en la región de la compuerta flotante; (cuando se lee en la compuerta de control) se aplica menos voltaje y no se observa ningún efecto de túnel).

Para eliminar la carga de la puerta flotante (el proceso de borrar la celda de memoria); se aplica un voltaje negativo alto (alrededor de 9 V) a la puerta de control y se aplica un voltaje positivo a la región de la fuente. Esto hace que los electrones hagan un túnel desde la región de la puerta flotante hasta la región de origen (túnel cuántico de Fowler-Nordheim, FN). El transistor de puerta flotante o Floating gate transistor en inglés puede actuar como una celda elemental de la memoria flash. Sin embargo, las celdas de un solo transistor tienen varios inconvenientes importantes, el principal es la escasa escalabilidad. El hecho es que al organizar una matriz de memoria, cada celda de memoria (transistor) está conectada a dos buses perpendiculares; puertas de control a un bus llamado línea de palabras y drenajes a un bus llamado línea de bits. 

Debido a la presencia de un alto voltaje en el circuito al escribir por inyección de electrones calientes; todas las líneas (palabras, bits y fuentes) deben ubicarse a una distancia suficientemente grande entre sí para garantizar el nivel de aislamiento requerido; lo que naturalmente, afecta la limitación de la cantidad de memoria flash. Otra desventaja de una celda de memoria de un solo transistor es el efecto de la eliminación de carga excesiva de la puerta flotante, que no puede compensarse con el proceso de grabación. Como resultado, se forma una carga positiva en la puerta flotante y el transistor permanece siempre abierto. Por lo tanto, se desarrollaron celdas de dos transistores y más.

Desarrollo y Fabricación

En el proceso de desarrollo y miniaturización, en la tecnología de fabricación de transistores de efecto de campo de puerta flotante ha cambiado y mejorado. Si los primeros elementos de memoria se crearon en forma plana en la superficie del cristal, ahora se utiliza la tecnología 3D NAND o V-NAND (diferentes nombres comerciales), en la que la estructura del transistor no se forma en el plano horizontal, sino en el vertical como se muestran en las imágenes superiores. Esto le permite ahorrar espacio y aumentar la cantidad de memoria que se encuentra en un chip. El principio de funcionamiento del transistor sigue siendo el mismo.

Además, ahora no solo se utilizan puertas flotantes de metal. Han aparecido tecnologías para la fabricación de cristales de microcircuitos que aumentan su fiabilidad y les permiten mantener una carga durante más tiempo(ver también Transistor CMOS). Por ejemplo, Samsung utiliza áreas aisladas de nitruro de silicio SiN no conductor para capturar cargas y actuar como una “puerta flotante”. Se les llama Flash de trampa de carga 3D – “trampas de carga”. Su uso aumenta la vida útil de la carga y en consecuencia, la información en la celda, y también hace que los microcircuitos sean más económicos en términos de consumo de energía.


Artículos relacionados que te podrían resultar interesantes: