6.14. МОП ПТ с плавающим затвором

Полевой транзистор с плавающим затвором по принципу работы похож на МНОП-транзистор. Только в транзисторах с плавающим затвором инжектированный заряд хранится на плавающем затворе, находящемся между первым и вторым подзатворными диэлектрическими слоями. Схема, поясняющая устройство МОП ПТ с плавающим затвором, приведена на рисунке 6.18а, б, в.

В качестве материала для плавающего затвора используется поликристаллический кремний, легированный фосфором.

Рис. 6.18. Зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором:
а) напряжение на затворе V_GS равно нулю, плавающий затвор не заряжен; б) процесс записи информационного заряда импульсом напряжения +V_GS; в) МОП ПТ при нулевом напряжении на затворе в режиме хранения информационного заряда

На рисунке 6.18a приведена зонная диаграмма такого транзистора. Рисунок 6.18б поясняет механизм записи информационного заряда путем туннельной инжекции из полупроводника на плавающий затвор. На рисунке 6.18в приведена зонная диаграмма МОП ПТ с плавающим затвором после записи заряда и снятия напряжения с затвора. Возможно частичное растекание наполненного информационного заряда из-за туннелирования электронов с плавающего затвора обратно в полупроводник.

Рассмотрим основные соотношения, определяющие характер накопления инжектированного заряда на плавающем затворе полевого транзистора. Величина заряда Q_ox(τ) равна:

   (6.85)

где I(t) - величала инжекционного тока в момент времени t.

Как видно из зонной диаграммы на рисунке 6.18, инжекция носителей из полупроводника через первый слой окисла на плавающий затвор осуществляется путем прямого туннелирования через трапецеидальный барьер. Величина туннельного тока I(t) описывается соотношением:

   (6.86)

Уравнение (6.86) напоминает выражение для туннельного тока Фаулера - Нордгейма из твердого тела в вакуум через треугольный барьер. Постоянные величины А и В, входящие в (6.86), зависят от типа полупроводника и высоты потенциальных барьеров на границе.

Накапливаемый на плавающем затворе инжектированный заряд Q(τ) будет вызывать уменьшение напряженности электрического поля Е_оx в первом диэлектрике. Величина электрического поля Е_ох, обуславливающая туннелирование, равна:

   (6.87)

Первое слагаемое в соотношении (6.87) дает значение электрического поля Е_ох за счет приложенного напряжения к затвору V_G, второе слагаемое - за счет накопления инжекционного заряда. В случае, если в качестве второго диэлектрика в МОП ПТ с плавающим затвором используется двуокись кремния, в (6.87) величины диэлектрических постоянных необходимо выбрать одинаковыми.

Из уравнений (6.85 - 6.87) следует, что при малых временах τ наполненный заряд Q(τ) мал и линейно возрастает со временем τ, поскольку поле в окисле Е_ох и туннельный ток I(t) постоянны. При больших временах наступает насыщение наполнения инжектированного заряда Q(τ). Соотношения (6.85 - 6.87) позволяют на основе расчета выбрать наиболее оптимальные режимы записи и стирания информационного заряда.