Рассмотрим мы устройство транзисторов на примере МОП-транзисторов, также именуемых «полевыми». 

Принцип их действия прост и элегантен: в кристалле кремния создаются близлежащие зоны с разной проводимостью (если основной кристалл имеет электронную проводимость (n), то у зон создаётся «дырочная» проводимость (p), и наоборот). Одна область принимается за входную и называется истоком, другая служит выходом (сток). 

Между ними наращивается изолирующая подложка из диоксида кремния (или другого подходящего диэлектрика) толщиной около 200 нм. На подложку наносится слой металла, который и будет управляющим электродом (затвором). Вот этот «бутерброд» со структурой «металл-оксид-полупроводник» и есть полевой транзистор.

И как всё это работает? Наша задача — контролировать протекание тока между истоком и стоком через затвор. Относительно последнего и будем рассматривать функционал транзистора.

Если затвор электрически нейтрален, то электроны не могут преодолеть перемычку между истоком и стоком, даже если приложить к ним достаточно высокое напряжение. Говоря иначе, транзистор будет закрыт, и ток через него не пойдёт. Как его открыть? Очень просто — подать на затвор «плюсовое» напряжение и зарядить электрод, который создаст сильное электрическое поле. Оно притянет электроны к затвору, и под изолирующей подложкой появится зона высокой концентрации носителей заряда — канал, по которому они смогут пройти разделительную область обратной проводимости.

Такой режим работы полевого транзистора называется обогащением. А что же происходит при обеднении? Очевидно, что отрицательный потенциал будет расталкивать электроны в разные стороны, и никакой ток через разделительную зону не пройдёт. Отсюда уже совсем недалеко до ячейки памяти, ведь полевой транзистор пропускает или не пропускает ток в зависимости от того, есть ли потенциал на затворе. А он, как мы выяснили, представляет собой проводник, изолированный со стороны стока-истока. Если же изолировать затвор и со стороны внешней электрической цепи, то проводник сможет сохранять заряд достаточно долго. То есть полевой транзистор может выступать в роли ячейки памяти, состояние которой сохраняется и при отключении внешнего питания.

На практике затвор представляет собой изолированную пластину конденсатора. Такой тип полевых транзисторов получил название FLOTOX (Floating Gate Tunnel-OXide — плавающий затвор с туннелированием в окисле). Настоящая мистика начинается, когда требуется изменить состояние затвора. Он электрически изолирован, то есть отделён слоем диэлектрика толщиной всего в десяток атомарных слоёв. Если подать повышенное в 2–3 раза напряжение на сток и затвор (на сток «минус», на затвор и исток «плюс»), возникнет канал проводимости. Температура (то есть кинетическая энергия) некоторых электронов превысит среднюю, и часть из них сможет преодолеть слой диэлектрика. Это явление называется инжекцией «горячих» электронов (CHEI — Channel Hot Electrons Injection). В итоге заряд затвора изменится на отрицательный за счёт избытка электронов, и транзистор сможет реагировать на внешний сигнал, то есть сохранять информацию.

Снятие заряда затвора основано на методе квантово-механического туннелирования, впервые описанного физиками Ральфом Фаулером и Лотаром Нордхеймом (FNT — Fowler-Nordheim tunneling). Если подать повышенное напряжение на исток и затвор (на исток «плюс», на затвор «минус), то электрическое поле вытолкнет электроны в направлении изолирующей подложки, придав им дополнительную энергию. А дальше они исчезнут, чтобы возникнуть уже с другой стороны диэлектрика! Классическая механика объяснить такой эффект не может, но если учесть волновые свойства элементарных частиц и вероятностный характер их поведения… Вот такие физические сюрпризы спрятаны в самых обычных флешках.

Эта статья была опубликована в журнале OYLA №5(33). Оформить подписку на печатную и онлайн-версию можно здесь.