Характеристики работы элемента памяти на ХСП в режиме записи

 

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

«Санкт-Петербургский  государственный политехнический  университет»

Физико-технический  факультет

Кафедра твердотельной электроники 
 
 

                                        Работа допущена к защите

                                        Зав. кафедрой

                                        ____________  Р.А Сурис

                                        “     ”_____________2010  г. 
 
 

ВЫПУСКНАЯ   РАБОТА   БАКАЛАВРА

 
 
 

Тема:  Характеристики работы элемента памяти на ХСП

в режиме записи

 

         Направление: 140400 – «ТЕХНИЧЕСКАЯ ФИЗИКА»

 
 
 
 
 
 

Выполнил студент  гр. 4104     _________          Ю.М. Малышева

 
 

Руководитель:

профессор, д.ф.-м.н., в.н.с.   _________          К.Д. Цэндин

 
 
 
 
 
 
 

Санкт-Петербург

2010

 
 

Оглавление

Оглавление 2

1.Введение 3

2.Сравнение  типов памяти на  разных носителях 5

3.Характеристики памяти на ХСП 11

3.1.Режим записи 11

3.2.Условия существования  эффекта переключения 14

3.2.1.Тепловой механизм  переключения 14

3.2.2.Электронно-тепловой  механизм переключения 17

4.Заключение 20

5.Список  используемой литературы 21

 
 

 

1.Введение

 

Развитие  современной полупроводниковой  памяти является одним из основных факторов развития и внедрения современных информационных технологий. При этом особое значение имеют разработки принципиально новых типов памяти, обладающих расширенными функциональными возможностями. Разработка технологии энергонезависимой памяти ("Flash") не только способствовало расширению функциональных возможностей и надежности традиционных аппаратных средств, но и по существу, обеспечило развитие новых быстро развивающихся сегментов рынка информационных технологий; например, мобильных средств связи (мобильные телефоны, коммуникаторы и пр.), автономных компьютерных систем (переносные компьютеры, автономные системы мониторинга и сбора данных и т.п.). Дальнейшее совершенствование энергонезависимой памяти и развитие ее технологии будет способствовать повышению быстродействия внешних устройств памяти, снижению их энергоемкости, габаритов, веса и в конечном счете стоимости. Уже в настоящее время рядом фирм на основе энергонезависимой памяти FLASH-типа разработаны накопители емкостью 64 и более Гбайт. Что позволило применять эти микросхемы вместо жестких дисков с магнитными носителями информации.

      Успех Flash памяти стимулировал исследования в области новых принципов  записи и долговременного хранения информации.  Ряд фирм начало практические работы в области разработки микросхем с самыми разными принципами хранения информации, поскольку устройства Flash вплотную приблизились к пределу масштабирования.

      Сегодня на пороге промышленной реализации стоит  уже целый ряд альтернативных технологий хранения данных. Интерес заключается в том, чтобы выделить из них лучшую память, обладающую оптимальным набором характеристик.

      Также, для создания элементов энергонезависимой  памяти нового поколения необходимо не только изучить физические процессы, происходящие в этих приборах, но и иметь расчетные соотношения, позволяющие их проектировать.

     В связи  с этим, основная цель работы заключалась:

     В нахождении оптимальной технологии памяти, максимально  удовлетворяющей не только нынешним запросам, но и тем, которые ожидают нас в ближайшем будущем и исследовании режимов работы нового элемента памяти в зависимости от свойств  использующегося материала и внешних условий.

Для достижения поставленных целей необходимо было решить следующие задачи:

1. сравнить характеристики уже существующих, а также альтернативных технологий  памяти,
2. разработать модель, описывающую процесс записи,
3. составить и решить уравнения для нахождения функциональных параметров материала.

Методы:

1. сравнение характеристик различных элементов памяти
2. метод температуры, слабо зависящей от координат.

 

2.Сравнение  типов памяти на  различных носителях

      На  текущий момент времени известно много альтернативных технологий хранения данных. Это: DRAM (Dynamic Random Access Memory – динамическая память с произвольным доступом), SRAM (Static RAM – статическая память с произвольным доступом), Flash-память (Название «флеш» было придумано в Toshiba коллегой Фудзио Масуоко(изобретатель флеш-памяти, инженер Toshiba), Сёдзи Ариидзуми, потому что процесс стирания содержимого памяти ему напомнил фотовспышку (англ. flash)), MRAM (Magnetoresistive RAM – магниторезистивная память с произв. дост.), FRAM (или FeRAM - Ferroelectric RAM – сегнетоэлектрическая память), PRAM (Phase-change RAM – память на основе фазового перехода, также известна, как также известна как PCM(Phase-change memory), Ovonic Unified Memory, Chalcogenide RAM и C-RAM),  память на нанотрубках, молекулярная память и голографическая память [1,2]

      Современной электронике нужна память, способная  хранить информацию и при отключении питания, то есть, она должна обладать энергонезависимостью. К сожалению, такие технологии, как SRAM и DRAM, не могут нам этого предоставить. Пока что эти типы памяти активно используются (DRAM – как оперативная память, SRAM – кэш-память и регистры), за счет своих преимуществ (в основном из-за высокой скорости).  Однако, кроме отсутствия энергонезависимости DRAM и SRAM обладают другими важными недостатками, это большие размеры (особенно в SRAM, так как она состоит из большого числа элементов (транзисторов)) и высокое энергпотребление (особенно в DRAM, так как ячейка теряет свой заряд через некоторое время из-за утечек, то через определенные промежутки времени требуется регенерация ее содержимого, каждая ячейка должна обновляться множество раз в секунду (~65 мс[3] ).Так что DRAM и SRAM – первые типы памяти, которые больше всего нуждаются в замене. Итак, пойдем дальше.  Flash-память. Благодаря своей компактности, дешевизне и низкому энергопотреблению флеш-память широко используется в цифровых портативных устройствах — фото- и видеокамерах, диктофонах, MP3-плеерах, КПК, мобильных телефонах, а также смартфонах и коммуникаторах. Также широкое распространение получили USB флеш-накопители («флешка», USB-драйв, USB-диск).  В конце 2007 года Samsung сообщила о создании первого в мире MLC (multi-level cell) чипа флеш-памяти типа NAND, выполненного по 30-нм технологическому процессу с ёмкостью чипа 8 Гб. В декабре 2009 году компанией начато производство этой памяти, но объёмом 4 Гб (32 Гбит)[4]. Так вот, с развитием технологий растет количество информации, которую требуется записать и сохранить. Соответственно, современные типы памяти должны обладать высокой плотностью записи, а значит, малыми размерами ячейки. В данный момент еще ведутся работы по уменьшению ячейки флеш-памяти, вот только известно, что Флеш-память хранит информацию в массиве транзисторов с плавающим затвором, а при уменьшении размера транзистора уменьшается время хранения заряда. И флеш-память уже вплотную приблизилась к пределу масштабирования. Еще один серьезный недостаток: флеш-память допускает ограниченное количество циклов стирания и записи(до миллиона циклов[5]), вполне достижимое даже для владельцев цифровых фотоаппаратов и USB-брелоков, используемых для переноса информации.  На замену этим видам памяти идут новые типы памяти с самыми разными принципами хранения информации. Такие технологии хранения данных, как молекулярная, голографическая и память на нанотрубках, в далеком будущем. Для создания памяти на нанотрубках требуется создать материал с малым количеством дефектов, а это пока не очень-то удается. (наука мало овладела навыками создания бездефектных структур в нано-масштабе, или на это уходит слишком много финансов, что, соответственно, не выгодно). Молекулярная память тоже испытывает ряд трудностей, из-за которых сложно говорить о скором ее введении в промышленное производство. (не буду их перечислять, так как название «молекулярная память» объединяет в себя несколько принципов записи, основанных на использовании молекулы в качестве ячейки памяти, скажу, лишь, что создание таких молекул будет еще сложнее создания нанотрубок). Голографическая память, кстати, обещает обладать огромной плотностью записи информации, не сравнимой ни с какими другими типами памяти, вот только материал для такой памяти стоит пока очень дорого, что, соответственно, делает производство такой памяти невыгодным.  Остаются три наиболее перспективных видов памяти: MRAM, FRAM и PRAM. Приведу таблицу сравнения этих типов памяти:

 
 

      Из  таблицы видно, что по совокупности характеристик РRAM-память является наиболее перспективной.

      PCM-память  обладает следующими преимуществами  над традиционными видами памяти:

      - Более высокая плотность памяти  по сравнению с современной  флэш-памятью;

      - Возможность создания многоуровневой  ячейки (до 4 бит на ячейку);

      - Высокая радиационная стойкость;

      - Масштабируемость (размер ячейки  – менее 50 нм).

      Все это делает память на основе изменения  фазового состояния вещества очень  перспективной для применения в любых государственных или коммерческих областях.

     Хранение данных в  ячейках этой памяти основывается на различие свойств проводимости, кристаллической  и аморфной фаз одного материала. Такая память получила название Phase Random Access Memory (PRAM) или память на фазовых переходах. Несмотря на то, что идея создания такого типа запоминающих ячеек была предложена пять десятилетий назад, только современные халькогенидные соединения полупроводников (ХСП), могут обеспечить параметры не уступающие параметрам характерным для Flash. Как следствие разработка и развитие PRAM устройств может привести к значительному увеличению скорости записи и объему хранимой информации. Первые же исследования показали перспективность применения тонких пленок материалов ХСП в электронике в качестве ключевых элементов и элементов памяти[6-8]. В последнее десятилетие ведутся особенно интенсивные исследования по созданию матриц энергонезависимой памяти на основе квазибинарных соединений GeTe−Sb2Te3, в частности соединения Ge2Sb2Te5 (GST) [9].

     Радиационная  стойкость материала будет способствовать расширению областей применения микросхем  памяти с фазовыми переходами.

 
 

3.Характеристики  элементов памяти  на ХСП

3.1.Режим записи

Рассматриваю режим  записи. При этом режиме халькогенид  изначально находится в аморфном состоянии. Когда на материал подается напряжение, из-за большого сопротивления материал греется и доходит до температуры, при которой переходит в кристаллическое состояние[10]. Для описания этого процесса (нахождения этой температуры, при которой он переходит из высокоомного в низкоомное состояние)запишем уравнение теплопроводности для одномерного случая:

,

 – плотность  в-ва, с – удельная теплоемкость, - теплопроводность,

- плотность тока, E – электрическое поле, прикладываемое к халькогениду.

Член  описывает джоулев нагрев материала вследствие протекания тока.