Неоднородный полупроводниковый носитель информации в

НЕОДНОРОДНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ НОСИТЕЛЬ
ИНФОРМАЦИИ В ПЕРЕМЕННОМ МАГНИТНОМ ПОЛЕ
М.В. Фесенко1, Б.В. Хлопов 1, А.С. Кузьминых1, А.Ю. Митягин2
1
ФГУП «ЦНИРТИ им. академика А.И.Берга», Россия
105066, Москва, ул. Новая Басманная, 20, 208_otd@mail.ru
2
Институт Радиотехники и Электроники РАН, Россия
103907, Моховая ул., д. 11, корп. 7, lap@promtechn.ru
Введение
В последние годы наблюдается бурный расцвет цифровых технологий, особенно в секторе мобильных устройств. Появилось множество различной цифровой аппаратуры, которая требует большого количества памяти с низким энергопотреблением, а также с возможностью хранения информации при выключении устройства. Для этих целей используется
флэш-память (Flash memory). Несмотря на то, что транзистор с плавающим
затвором является основной ячейкой флэш-памяти модификаций таких
устройств, различающихся как архитектурой (NOR и NAND), так и конструктивным исполнением и способом обмена данными известно достаточно много. На сегодняшний день существует пять основных видов
флэш-памяти от разных производителей. Это Compact Flash, SmartMedia,
или SSFDC, MultiMediaCard, Secure Digital и Memory Stick. В настоящее
время ёмкость флэш карт достигает 8 Гб, причём такие карты поддерживают файловую систему FAT32 и являются на сегодняшний день уникальным средством хранения и переноса больших объёмов информации.
Флэш-память – особый вид энергонезависимой перезаписываемой полупроводниковой памяти. В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов - типичная
ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой
архитектуры. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной
ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации. Флэш-память
исторически происходит от ROM (Read Only Memory) памяти, и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш хранит в
ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM. В отличие от DRAM, при
отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают. Замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей
флэш-памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение
по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов). Основное преимущество флэш-памяти перед жёсткими дисками и
носителями CD-ROM состоит в том, что флэш-память потребляет значительно (примерно в 10-20 и более раз) меньше энергии во время работы.
Благодаря низкому энергопотреблению, быстродействию, флэш-память
идеально подходит для использования в качестве накопителя в таких портативных устройствах, как: цифровые фото- и видео камеры, сотовые телефоны, портативные компьютеры, MP3-плееры, цифровые диктофоны, и
т.п.
1. Принцип работы устройств энергонезависимой памятью
Основной принцип работы полупроводниковых устройств энергонезависимой памяти состоит в хранении заряда в изолированном затворе
МОП-транзистора [1]. Если в изолированном затворе хранится заряд, пороговое напряжение транзистора может изменяться между двумя противоположными величинами, обычно определяемыми как "0" (или стертым состоянием) и "1" (или запрограммированным состоянием). Информация,
содержащаяся в устройстве, обнаруживается путём приложения напряже-
ния к затвору Vread, значение которого лежит между двумя возможными
пороговыми напряжениями. В одном состоянии, транзистор проводит ток,
в то время как в другом, транзистор заперт. Когда электропитание отключается, заряд должен, конечно, остаться запасенным в изоляторе затвора,
чтобы обеспечить энергонезависимость устройства.
Хранение заряда в изолированном затворе МОП-транзистора может
осуществляться двумя способами, которые приводят к подразделению
энергонезависимых полупроводниковых устройств памяти на два основных класса.
Первый класс устройств основан на хранении заряда в проводящем
или полупроводящем слое, который полностью окружен диэлектриком,
обычно окисью кремния. Так как этот слой полностью электрически изолирован, этот тип устройства обычно называется прибором с плавающим
затвором [2].
Во втором классе устройств, заряд хранится на дискретных центрах
захвата (ловушках) соответствующего диэлектрического слоя. На эти
устройства, обычно ссылаются, как на приборы с центрами захвата.
Наиболее продвинутые устройства в этой категории – МНОП-транзисторы
(металл-нитрид кремния-оксид кремния-полупроводник). В этой структуре
[3], изолятор состоит из слоя нитрида кремния, расположенного поверх
очень тонкого слоя кремниевого окисного слоя.
2. Основные методы уничтожения записанной информации с неоднородных полупроводниковых носителей
В настоящее время в научно технической литературе очень мало сведений о разработке устройств уничтожения информации с флэш-памяти.
Исходя из физических принципов функционирования устройств полупро-
водниковой энергонезависимой памяти (флэш) могут быть предложены
следующие методы уничтожения записанной на ней информации.
1. Физическое повреждение чипа механическими методами (удар,
прокол и т.д.).
2. Нагрев микросхемы выше некоторой температуры. Значение температуры, выше которой происходит повреждение информации, должно
определяться специальными исследованиями. Нагрев можно осуществить,
например, СВЧ излучением.
3. Воздействие электрического напряжения на выводы микросхемы,
существенно превышающего допустимые значения. Этот метод применим
для микросхем, имеющих электрические выводы шины данных или адреса,
то есть с параллельным доступом. В этом случае подача высокого напряжения на эти выводы позволяет либо полностью уничтожить систему адресации микросхемы, либо записать во все ячейки логический ноль. В
обоих случаях прочитать существовавшую ранее информацию будет невозможно. Данный метод может оказаться ограниченно применимым в
случае микросхем с последовательным доступом (USB). Устройство флэшпамять содержит в этом случае контроллер, обеспечивающий сопряжение
микросхемы памяти с USB трактом. В этом случае подача высокого
напряжения может привести к повреждению некоторых связей внутри
микросхемы, не повредив при этом записанную информацию.
4. Наиболее привлекательным методом уничтожения информации с
устройств флэш-памяти может оказаться воздействие переменным магнитным полем. В этом случае, в соответствии с законами электродинамики
[4], в среде (в полупроводниковом кристалле памяти) возникнет большое
по величине вихревое электрическое поле, которое повредит всю внутреннюю структуру микросхемы и тем самым уничтожит записанную на ней
информацию. Перспективность такого метода связана с возможностью со-
здания унифицированных устройств для уничтожения информации с
устройств флэш-памяти.
Такое устройство должно создавать магнитные поля и воздействовать
им на неоднородный полупроводниковый носитель с записанной информацией с зарядами, помещенными на плавающий затвор транзистора, на
который подано питающее напряжение. Переменное магнитное поле создает вихревые токи которые приводят в состояние возбуждения заряды на
затворах и создает напряжение на управляющих затворах, возбуждающее
остаточную проводимость и изменяющее пороговое напряжение для переноса носителей через потенциальный барьер.
3. Импульсное магнитное поле с вращающимся вектором напряженности
В качестве воздействующего магнитного поля на полупроводниковый
носитель информации с энергозависимой памятью используют импульсное
магнитное поле с вращающимся вектором напряженности организованного в полеобразующей системе.
При изменении направления вектора с 90о на 270о воздействующего
затухающего магнитного поля перпендикулярного относительно подложки
полупроводникового носителя, его направление последовательно меняется, проникая в проводник и полупроводник с заданной частотой ω, индуцирует в нем переменное электрическое поле, а последнее в свою очередь
вызывает появление вихревых токов, приводящих в состояние возбуждения заряды на затворах и при дальнейшем изменении направления этого
вектора начинает воздействовать другое затухающее магнитное поле с амплитудным значением напряженности магнитного поля, превышающим
более чем в два раза предыдущее, с вектором, изменяющим направление
со 180о на 360о параллельно относительно подложки полупроводникового
носителя с частотой лежащей в пределах от 2ω до 4ω, которое также проникает в проводник и полупроводник и индуцирует в нем переменное
электрическое поле, а последнее в свою очередь вызывает появление вихревых токов, также приводящих в состояние возбуждения заряды на затворах. При одновременном воздействии двух затухающих магнитных полей
с изменяющимися направлениями векторов они складываются, образуя затухающее магнитное поле с вращающимся вектором напряженности с углом α, значение которого изменяется по закону сложения магнитных полей, которое в свою очередь, проникая в проводник и полупроводник, индуцирует в нем переменное электрическое поле, создающее вихревые токи, плотность которых распределяется по тому же закону, что и электрическое поле, которые изменяют вольтамперные характеристики полупроводниковых элементов, одновременно индуцирует изменяющееся электрическое поле, создающее на управляющих затворах дополнительное высокое
напряжение для возбуждения остаточной проводимости и при дальнейшем
вращении вектора суммарного магнитного поля, воздействующего на полупроводниковый носитель информации, на управляющий затвор опционально подается высокое отрицательное напряжение, изменяющее пороговое напряжение и носители электроны переносятся через потенциальный
барьер, улучшая качество стирания информации без возможности ее восстановления.
Однако, желательно, чтобы сначала импульсным магнитным полем с
вращающимся вектором напряженности воздействовали бы на полупроводниковый носитель с возрастающим значением напряженности, а затем
уменьшали бы напряженность магнитного поля предпочтительно до значения, создающего опциональное отрицательное напряжение на управляющем затворе, образованного индукционным магнитным полем.
Рис. 1
При этом целесообразно, чтобы обеспечивалось бы поэтапное Т1, Т2,
Т3, последовательное воздействие импульсного магнитного поля с вращающимся вектором напряженности (Рис.1) с участками поверхности полупроводникового носителя информации, причем на первоначальном этапе
обеспечивалась бы максимальная напряженность импульсного магнитного
поля и поворот на определенный угол вектора напряженности импульсного магнитного поля со значением больше чем в два раза значения напряженности индукционного магнитного поля, а на втором этапе обеспечивалось бы уменьшение значения напряженности импульсного магнитного
поля с одновременным вращением вектора напряженности, до значения
напряженности индукционного магнитного поля, создающего пропорциональное отрицательное напряжение на управляющем затворе больше порогового значения, а на третьем этапе обеспечивается дальнейшее уменьшение значение напряженности импульсного магнитного поля с одновременным вращением вектора напряженности, до значения напряженности индукционного магнитного поля, создающего пропорциональное напряжение
на управляющем затворе равное пороговому значению.
Получение импульсного магнитного поля с вращающимся вектором
напряженности может быть осуществлено различными приемами. Например, импульсное магнитное поле с вращающимся вектором напряженности
может быть получено в результате суммирования путем наложения в занимаемом полупроводниковом носителем пространстве, по меньшей мере,
пары импульсных магнитных полей.
При этом предпочтительно чтобы импульсное магнитное поле с вращающимся вектором напряженности получали бы в результате суммирования путем наложения в пространстве, занимаемом полупроводниковым
носителем пары импульсных магнитных полей, напряженности которых
изменяются по синусоидальному закону (или меандру) с разным периодом
колебаний и затухающих по экспоненциальному закону.
Важной характеристикой при создании суммарного импульсного магнитного поля является ориентация векторов, накладываемых по принципу
суперпозиции в занимаемом полупроводниковым носителем пространстве
импульсных магнитных полей.
Здесь возможны многочисленные варианты, в частности, в зависимости от количества накладываемых импульсных магнитных полей.
В частном случае, когда накладывается пара импульсных магнитных
поля, для обеспечения вращения в начальный момент времени, обеспечивают воздействие на полупроводниковый носитель импульсным магнитным полем, ориентированным перпендикулярно плоскости подложки полупроводникового носителя, а затем с задержкой, находящейся в пределах
от τ1/4 до τ1/2, обеспечивают воздействие на полупроводниковый носитель
импульсным магнитным полем, ориентированным параллельно предыдущему, либо наоборот.
Полный разворот ориентации векторов может обеспечиваться на различный угол, однако, целесообразно, чтобы он находился в диапазоне от
90о до 540о.
Для обеспечения надежности стирания записей на полупроводниковом носителе воздействие на полупроводниковый носитель (флэш-память)
импульсным магнитным полем с вращающимся вектором напряженности
после его затухания может быть повторено, то есть на полупроводниковый
носитель может быть осуществлено несколько воздействий импульсным
магнитным полем с вращающимся вектором напряженности с тем же значением напряженности магнитного поля и с последующем его уменьшением.
Рис. 2
4. Устройство, реализующее метод создания магнитного поля с вращающимся вектором
Устройство (Рис. 3) стирания записанной информации с неоднородных полупроводниковых носителей информации, в частности, устройств
энергонезависимой памяти, флэш-памяти, реализующее этот метод состоит из блока управления, источника питания, четырех контактного соединителя (коннектора), два для подключения сигнала и два для подачи питания, кабеля, одним концом подсоединенного к источнику питания, а дру-
гим к двум крайним выводам соединителя (коннектора).
1
1
а
II
5
+
2
15
в
б
1
13
8
2
4
3
2
1
4
3
2
1
2
1
10
14
12
16
7
2
11
1
1
2
III
1
4
2
6
2
3
1
9
2
3
I
4
Рис. 3 Блок-схема устройства стирания записанной информации с неоднородных полупроводниковых носителей информации
1, 2, 3, 4 – соленоиды; 5, 6, 7 – конденсаторы; 8, 9 – источники питания; 10, 11 – ключи; 12 – блок управления; 13 – четырех контактный соединитель (коннектор); 14 – кабель;
15 – делитель; 16 – датчик.
Полеобразующая система состоит из трех контуров. Первый, второй и
третий контуры, которые содержат конденсаторы, соленоиды. Во втором
контуре соленоид состоит из двух катушек индуктивности (Рис. 4). Третий
контур состоит из соленоида и конденсатора, связанного с соединителем
(коннектором), а соленоиды первого и второго контура расположены так,
что векторы, создаваемых ими магнитных полей, в области размещения
устройства с энергонезависимой памятью (флэш-память) находятся под
углом β или 90о+β (см. рис. 2), а соленоид третьего контура размещен в полости первого контура, куда введен датчик амплитудно-временных параметров магнитного поля, создаваемого соленоидом второго контура. Выход этого датчика подключен к входу блока управления, при этом соленоид второго контура установлен так, что вектор, создаваемого им магнитного поля, в области размещения катушки индуктивности третьего контура
находится под углом 90о.
3
2
1
O(O1)
5
4
Рис. 4 Взаимное расположение катушек индуктивности
1 – флеш-память; 2 – катушка индуктивности второго контура; 3, 4 – катушки индуктивности первого контура; 5 – катушка индуктивности третьего контура.
Вывод
Изобретение решает задачи:
– улучшение качества и надежности стирания информации без возможности ее восстановления;
– сокращение времени стирания;
– снижение энергопотребления;
– упрощение процесса стирания информации за счет исключения
сложного и дорогостоящего программно-аппаратного комплекса.
Литература.
1.
А. В. Кузьмин, Flash-память и другие современные носители
информации. Горячая Линия - Телеком, 2005 г.
2.
А. Л. Булычев, П. М. Лямин, Е. С. Тулинов, Электронные приборы. ЛАЙТ Лтд., 2000 г.
3.
Питер Ю, Мануэль Кардона, Основы физики полупроводников.
ФИЗМАТЛИТ, 2002 г.
4.
Е. М. Гершензон, Н. Н. Малов, А. Н. Мансуров, Электродинамика. Академия, 2002 г.
5.
Nonvolatile Semiconductor Memory Technology. Edited by William D. Brown, Joe E. Brewer. IEEE Press.
6.
Сандомирский В.Б. и др. Механизм остаточной проводимости.
1973, т. 7, № 7, стр. 1314.
7.
Описание изобретения, № 77680, кл. G11B3/66, опубликовано
1980 г. «Способ стирания записанной информации».