by 
Một ổ USB flash. Chip bên trái là bộ nhớ flash. Bên phải là bộ vi điều khiển.
Trong những năm gần đây ta thấy có những máy điện tử rất nhỏ, cơ động nhưng có khả năng nhớ rất kỳ lạ, khó tưởng tượng. Một chiếc thẻ USB to chỉ bằng ngón tay nhưng có thể ghi nhớ hàng nghìn trang sách, hàng trăm bức ảnh, đem cắm vào máy in, in ra được cả tập giấy dày, đưa vào máy in ảnh, hàng loạt ảnh màu đẹp đẽ lần lượt hiện ra trước mặt. Một chiếc máy ảnh số, to chỉ bằng ba ngón tay, chụp ảnh tự động rất nhanh chóng, ghi lại hàng nghìn ảnh vào thẻ nhớ, những ảnh màu mà máy ảnh cũ chụp hàng trăm cuộn phim vẫn chưa đủ. Và kỳ lạ hơn nữa là chiếc điện thoại di động to chưa bằng hai bao diêm, mà nhớ và làm được rất nhiều chức năng: gọi đi, nhận cuộc gọi đến, ghi lại tin nhắn, nhắn tin đi, chụp lưu lại hàng trăm bức ảnh, quay phim nửa tiếng đồng hồ, ghi nhớ hàng trăm địa chỉ điện thoại khi cần gọi ra có ngay nhanh chóng. Rất nhiều thành tựu vật lý mới được ứng dụng trong những chiếc máy nhỏ xíu đó riêng vấn đề nhớ ở đây sử dụng phổ biến bộ nhớ flash, một bộ nhớ mới bắt đầu có từ năm 1984 do kỹ sư người Nhật Fujio Masuoda sáng tạo ra. Để hiểu về bộ nhớ flash ở các loại máy đó, ta cần xét vấn đề rất chung là ở kỹ thuật số việc “nhớ” thực hiện như thế nào, sau đó ta tìm hiểu transito trường và transito trường cổng nổi là phần tử nhớ cơ bản của bộ nhớ flash và cuối cùng ta xét xem cấu tạo của bộ nhớ flash là bộ nhớ điện tử, hiện đại và thuận tiện nhất hiện nay.
1. Các máy điện tử ngày nay lưu trữ thông tin như thế nào?
Các máy điện tử hiện đại trong đó có máy tính đều xử lý thông tin theo kỹ thuật số. Các chữ viết như a, b, c, d... cũng như các số như 0,1,2,3,4, v.v... đều được quy ước chuyển thành một chuỗi hai số 0 và 1 ở mã nhị phân. Thí dụ ở chuẩn ASCII chữ A được lưu trữ bằng chuỗi bảy chữ số ở mã nhị phân là 1000001, số 7 là chuỗi các chữ số 110111, dấu móc vuông ([) là 1011011, dấu (?) là 111111 v.v... Tất cả các máy tính đều sử dụng những chuỗi ký hiệu đó vì những người chế tạo ra chúng đều đồng ý dùng chuẩn ASCII tức là mã số chuẩn của Mỹ dùng để trao đổi thông tin (American Standard Code for Information Interchange).
Hình 1. Bộ nhớ dãy cờ ghi 110111 là số 7 ở hệ thập phân
Như vậy đối với mọi thông tin có thể chuyển ra thành chuỗi các số 0 và 1 để ghi nhớ và xử lý. Trước hết ta xem cách ghi nhớ thực hiện như thế nào. Có thế lấy một thí dụ dễ hiểu sau đây (hình 1). Bộ nhớ của ảnh A là một dãy 8 cây cờ cách đều nhau, thẳng hàng và quy ước mỗi cây cờ chỉ có hai trạng thái: khi cây cờ dựng thẳng lên cao là trạng thái 1 (số 1) và đặt nằm thấp ngang mặt đất là trạng thái 0 (số 0). Ban đầu cả 8 cây cờ đều nằm thấp, chưa nhớ gì cả. Khi được lệnh ghi nhớ số 7 ở hệ thập phân thông thường chẳng hạn thì ảnh A phải chuyến số 7 sang chuỗi 110111 ở hệ nhị phân và dựng hoặc không dựng các cây cờ lên để ghi được chuỗi 110111 như ở hình vẽ 1.
Muốn biết tức là đọc được bộ nhớ của ảnh A ghi những gì phải theo quy ước nhìn các cây cờ dựng đứng hay nằm ngang để đọc ra chuỗi các số đã ghi và cũng theo quy ước, truy ra chuỗi các số đó ghi thông tin gì. Vậy bộ nhớ của ảnh A có 8 phần tử nhớ (8 cây cờ), mỗi phần tử nhớ có 2 trạng thái 0 và 1 (cây cờ nằm ngang và cây cờ thẳng đứng), mỗi lần bộ nhớ đó ghi được 8 bit (bít 1 hay bít 0) tức là 1 byte. Khi chưa ghi gì cả (chuẩn bị để ghi) thì cả 8 phần tử nhớ đều ở trạng thái 0 tức là cùng ghi bit 0 (tám cây cờ đều nằm thấp). Để ghi một thông tin nào đấy phải chuyển thông tin đó thành chuỗi các bít 1 hoặc bít 0 theo quy ước và điều khiển các phần tử nhớ ở các trạng thái tương ứng (dựng cờ lên hoặc cứ đặt cờ nằm ngang). Các bộ nhớ trong các máy móc điện từ hiện đại tuy rất khác với bộ 8 cây cờ nhưng về thực chất cùng có những hoạt động tương tự. ở đây có thể có đến hàng chục tỷ phần tử nhớ xếp đều đặn theo hàng ngang dãy dọc, có thể ghi nhớ đến hàng chục tỷ bít hay hàng tỷ byte.
Khi tìm hiểu một bộ nhớ điều quan trọng là phải hiểu được mỗi phần tử nhớ là gì có hai trạng thái như thế nào, làm thế nào điều khiển ghi để mỗi phần tử nhớ ở trạng thái 1 hay trạng thái 0 và làm thế nào để biết được đọc phần tử nhớ ở trạng thái 1 hay trạng thái 0. Transito trường cổng nổi là phần tử nhớ cơ bản của bộ nhớ flash thông dụng hiện nay nhưng để hiểu được cấu tạo và hoạt động của transito trường cổng nổi trước hết ta tìm hiểu transito trường thông thường, hay gọi tắt là MOSFET.
2. Transito trường MOSFET
Ở sách giáo khoa Vật lý lớp 12, khi nói vế chất bán dẫn có giới thiệu chiếc transito chế tạo lần đầu tiên năm 1947 gọi là transito lưỡng cực đã làm đảo lộn cả nền công nghiệp điện tử, từ chế tạo các máy điện tử với đèn ba cực chân không rất cồng kềnh sang chế tạo các máy điện tử bán dẫn gọn nhẹ, tiêu thụ rất ít năng lượng. Nhưng đến năm 1960 người ta chế tạo ra được một loại transito khác đặc biệt hơn gọi là transito trường hoạt động theo những nguyên lý khác hẳn loại transito lưỡng cực cũ.
Hình 2 vẽ cấu tạo cắt ngang của một transito trường gọi là MOSFET kênh n.
Hình 2. Transito trường MOSFET
Trên một phiến bán dẫn Si loại p, người ta tạo ra hai điện cực gọi là nguồn S (source) và máng D (drain). Giữa nguồn và máng phía trên bán dẫn có một lớp oxyt SiO2 mỏng cách điện và trên lớp oxyt đó là một lớp kim loại dùng làm điện cực gọi là điện cực cổng G (gate), ở nguồn S cũng như ở máng D, dưới lớp kim loại làm điện cực, bằng cách khuếch tán pha tạp, người ta làm thêm một lớp bán dẫn ký hiệu n+ với mục đích tạo ra trong bán dẫn những chỗ tương đối dẫn điện tốt loại n, xem như điện cực bán dẫn chôn vào bán dẫn loại p. Khi đặt một điện thế cỡ vài ba vôn giữa cực nguồn S và cực máng D nói chung không có dòng điện chạy qua vì bán dẫn Si loại p không dẫn được điện tử. Nhưng khi tác dụng lên điện cực cổng G một điện thế dương vào cỡ 3 vôn, vì lớp oxyt dưới đó khá mỏng nên chỗ lớp bán dẫn loại p tiếp xúc với lớp oxyt có một điện trường đủ lớn để lôi kéo điện tử trong bán dẫn p chạy về tạo nên một lớp mỏng giàu điện tử người ta gọi là lớp đảo (trong miền p mà lại dẫn điện n). Nhờ lớp đảo là lớp có nhiều điện tử dẫn điện tốt nên có dòng điện chạy từ nguồn S đến máng D.
Người ta gọi điện cực G là điện cực cổng vì khi tác dụng điện thế dương vào đấy transito trường thông điện, tương tự như điện cực G mở cổng cho dòng điện chạy từ nguồn đến máng. Quan trọng nhất ở đây là cấu tạo phần ở giữa, điện cực G bằng kim loại (Metal - M) tiếp theo đó là lớp oxyt (Oxyde - O) dưới đó là bán dẫn (Semiconductor - S) nên gọi tắt đây là cấu tạo MOS, hoạt động chủ yếu của transito này là do hiệu ứng trường (field effect transistor) nên thường gọi tắt là MOSFET. Loại MOSFET mô tả trên được gọi là MOSFET kênh n. Tương tự trên bán dẫn loại n, người ta có thể chế tạo MOSFET kênh p.
Rõ ràng là MOSFET có thể dùng làm phần tử nhớ cơ bản vì nó có hai trạng thái có thể điều khiển được. Đó là trạng thái không thông điện 0 (không có dòng điện từ S sang D) khi điện cực G có điện thế bằng 0 và thông điện 1 (có dòng từ S sang D) khi điện cực G có điện thế dương (cỡ 3V).
Trên cơ sở này bằng kỹ thuật vi điện tử người ta đã chế tạo trên bề mặt phiến bán dẫn rất nhiều MOSFET xếp thẳng theo hàng theo cột, kèm theo mỗi MOSFET là những linh kiện để ghi. để đọc tất cả làm thành bộ nhớ điện tử trên cơ sở MOS- FET. Bộ nhớ loại này đã được sử dụng nhiều nhưng có một nhược điểm lớn là phải luôn luôn có điện mới duy trì hoạt động được, hệ mất điện thì mọi thông tin đã ghi nhớ đều bị xóa sạch. Người ta gọi đấy là bộ nhớ tự xoá (volatile memory).
Điều quan trọng là phải có bộ nhớ điện từ nhưng không tự xoá (nonvolatile memory). Nhằm giải quyết vấn đề này năm 1984 các nhà khoa học đã sáng tạo ra transito trường cổng nổi đó là phần tử nhớ cơ bản của bộ nhớ flash rất thông dụng hiện nay.
3. Transito trường cổng nổi (Floating gate transistor)
Cấu tạo của loại transito này tương tự như MOSFET nhưng dưới cực cổng G còn có thêm một cổng nữa có tên là cổng nổi (floating gate) như vẽ ở hình 3.
Cổng nổi cách bề mặt bán dẫn bằng một lớp oxyt (SiO2) mỏng, đồng thời cũng cách cực cổng G một lớp oxyt mỏng. Người ta gọi là “nổi” vì nó nằm lơ lửng giữa hai lớp oxyt cách điện.
Hình 3. Transito trường cổng nổi
Vai trò của cổng nổi này rất đặc biệt, liên quan đến hai hiện tượng vật lý lượng tử là hiện tượng xuyên hầm (tunneling) và hiện tượng phun hạt tải điện nóng (hot carrier injection).
Có thể giải thích một cách sơ lược như sau:
Hình 4. Điện tử bị phun lên do hiệu ứng xuyên hầm nên chui vào lớp oxyt giữa cổng điều khiển và cổng nổi
Ở cực nguồn S và cực máng D tuy có nhiều điện tử nhưng điện tử không đi từ nguồn đến máng được vì ở giữa là bán dẫn Si loại p có hạt tải điện là lỗ trống, thiếu điện tử để dẫn điện. Khi cổng G và máng D được nồi với một điện thế dương khá cao (cỡ 12V) (hình 4) thì có hai hiện tượng xảy ra. Một là do cực cổng G có điện thế dương, lớp đảo xuất hiện (như đã giải thích ở hoạt động của MOSFET) nhưng ở đây vì điện thế ở máng D khá cao nên điện tử chạy từ nguồn sang máng rất nhanh, có sự phun của điện tử lên lớp oxyt. ở đây điện tử là hạt mang điện (carrier) và chuyển động nhanh nên gọi là nóng (hot) và chạy vào cổng nổi nên gọi là phun (injection). Hiện tượng phun hạt tải nóng (Hot carrier injection) này như là tạo ra một nguồn điện tử để cho điện trường cao do cực cổng gây ra kéo điện tử lên về phía cực cổng. Nhưng dưới lớp cực cổng là một lớp cách điện nên nếu theo vật lý cổ điển thì điện tử không thể vượt hàng rào thế để từ cổng nổi chạy vào lớp oxyt được. Cơ học lượng tử đã chứng minh, trong một số điều kiện nhất định điện tử không nhất thiết phải vượt hàng rào thế theo kiểu cổ điển mà có thể đào hầm để chui qua rào, đó là hiện tượng xuyên hầm (tunneling).
Người ta tạo điện thế ở cổng tương đối cao (cỡ 12V như đã nói trên) và làm lớp oxyt khá mỏng, đó là điều kiện để điện tử xuyên hầm chui vào được trong lớp oxyt giữa cực cổng G và cực cổng nổi. Lớp oxyt này được chế tạo đặc biệt tốt, điện tử một khi đã chui vào đấy thì bị giữ lại mãi ít nhất là 10-15 năm, loại cực tốt có thể giữ được 100 năm. Muốn cho điện tử đã chui vào nay đi ra khỏi lớp oxyt, phải tác dụng một điện thế âm tương đối cao ở cực cổng (cỡ -12V) để tạo lực đẩy ra. Việc tạo ra được transito trường có cổng nổi nhằm đưa được điện tử nhốt vào trong lớp oxyt dưới cực cổng G đã làm cho transito trường có cổng nối trở thành một phần tử nhó rất đặc biệt, đáp ứng nhu cầu nhớ điện tử, không tự xoá (non volatile) đang được sử dụng rất rộng rãi hiện nay.
Thật vậy với phần tử nhớ là transito trường cổng nổi ta có thể điều khiển:
- Ghi thông tin: Có thể điều khiển cho transito trường cổng nổi có hai trạng thái:
Trạng thái có chứa điện tử ở lớp oxyt
Ghi trạng thái này bằng cách dùng điện thế cao 12V nối vào cực cổng G như đã nói trên. Trạng thái này đươc gọi là trạng thái 0 vì một khi đã có điện tử chứa trong lớp oxyt, các điện tử này gây ra xung quanh một điện trường âm làm ngăn cản ảnh hưởng tác dụng của cực cổng. Thật vậy nếu có điện thế dương cỡ 3V tác dụng vào cực cổng thì vì bị chắn bởi một điện trường âm nên điện thế này không đủ để tạo ra lớp đảo làm cho transito thông điện được (không thông điện: trạng thái 0).
Trạng thái không chứa điện tử ở lớp oxyt
Ghi trạng thái này bằng cách không tác dụng điện thế lên cổng G (cho điện thế bằng 0). Trạng thái này gọi là trạng thái 1 vì một khi không có điện tứ ở lớp oxyt, nếu tác dụng điện thế dương vào cực cổng, transito thông điện như ở MOSFET bình thường (thông điện: trạng thái 1). Rõ ràng việc ghi thông tin ở đây là được lâu dài, khi mất điện thông tin vẫn lưu lại, không tự xoá đi (lưu lại ít nhất 10-15 năm).
Khi nào muốn xoá thông tin đã ghi lúc đó cho điện thế âm (cỡ -12V) tác dụng lên các điện cực, điện tử bị nhốt n thoát ra hết khỏi lớp cách điện.
- Đọc thông tin: Việc đọc thông tin, tiến hành tương tự như ở MOSFET: tác dụng điện thế dương cỡ 3V vào cực cổng. Nếu transito thông điện đó là trạng thái 1 nếu transito không thông điện, đó là trạng thái 0.
Ở trên để dễ hiểu chỉ trình bày một kiểu MOSFET, một kiểu transito trường có cổng nổi và một cách nối điện để ghi và đọc. Thực tế có nhiều loại MOSFET, nhiều cách ghép nối và nhiều cách ghi và đọc. Nhưng về nguyên tắc có nhiều điểm tương tự có thể suy luận ra được.
Bạn có thể tìm hiểu thực tế bố trí các transito trường cổng nổi như thế nào để có được bộ nhớ flash và những khả năng cũng như ứng dụng của bộ nhớ flash ngày nay.
Tác giả: Nguyễn Xuân Chánh
0 comments: