闪存的基础知识1-Vt的定义

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本次系列文章主要分享与存储相关的知识

前言

阈值电压(Vt)

?阈值电压(Vt或Vth)的概念是从MOS管来的。

一、mos管?阈值电压是什么？

先从MOS管的阈值电压谈起。MOS管(MOSFET)是由Gate (栅极)，Source (源极)，Drain (漏极)和Body (衬底)构成的四端器件(注1)。其功能取决于沟道中载流子(空穴和电子)的流动。根据起主要作用的载流子的种类，可分为PMOS (正电荷的空穴为主)和NMOS (负电荷的电子为主)。闪存可以看成在NMOS基础上增加了一个浮栅(没有直接外接)，所以本文以NMOS为例展开，其截面图为，

NMOS每个端子都需要一个偏置电压才可以正常工作，由栅极电压控制源极和漏极之间电流的通路，就像是一个可调节的水龙头可以精确控制水流的大小。在这里我们把，

1. 源极偏置电压简称为Vs
2. 栅极偏置电压简称为Vg
3. 漏极偏置电压简称为Vd，其输出电流简称为Id

一般NMOS的衬底和源极接低电平，例如约定Vs=GND，则它的阈值电压就可定义为：

漏极电压(Vd)一定时，改变栅极电压(Vg)，并测量漏极电流(Id)。当漏极电流(Id)等于事先约定的阈值电流(Ithreshold，简称It)时，此时的栅极电压就是阈值电压(Vthreshold，简称Vt)

逐条分析这句话，

1. “漏极电压(Vd)一定时”：这里我们又固定了一个变量，即漏极电压也是约定不变的(注2)。那么上文中谈到的3个电压和1个电流中，就只剩下Vg和Id在改变了。
2. “改变栅极电压(Vg)，测量漏极电流(Id)”：这段话说明了剩下的两个因子(Vg和Id)中，Vg是自变量，Id是随着Vg改变而改变的应变量。
3. “当漏极电流(Id)等于事先约定的阈值电流(Ithreshold，简称It)时”：这里又约定了一个电流值。它和闪存外围电路辨析电流的能力相关，这里我们暂时认为它是约定的常数(注2)。
4. “此时的栅极电压就是阈值电压(Vthreshold，简称Vt)”：所以阈值电压Vt就是某个特殊情况下的栅极电压Vg。在这个Vg下，Id=It

二、详细分析

1.通俗理解

? ? ? 一个更为通俗的例子，就是在洗澡的时候通过拧水龙头调节冷热水比例，当调节到最舒适的水温的时候，大家往往会把这个龙头的位置定好，那么我们固定的这个水龙头位置(Vg)就是阈值电压(Vt)，这个时候出水的流速和温度，就是阈值电流(It)。

MOS管可分耗尽型和增强型；漏端电流也有Idoff、Idsat等定义，许多MOS管相关的概念，我们这里就不多赘述了。

上述Vg与Id的关系，我们也可以用一个函数y = f(x)来类比，所谓Vt，就是要寻找一个x0，使得f(x0)等于某个约定的y0，此时的x0就是Vt。

在直角坐标系里把这个函数画出来，差不多就是，

X轴是Vg，Y轴是Id，当Id=It时，Vg-Id曲线对应的Vg就是Vt。上面是MOS管的阈值电压，而闪存的阈值电压基本也是一样的定义。唯一不同的点是，闪存的Vt并不固定，通过控制闪存单元存储电荷，我们可以实现对闪存Vt的调节，这种调节也恰恰是闪存能够编程或者擦除的基础。

2.概念深入

? ?闪存按电荷的控制，目前分两大阵营，浮栅(floating gate)和电荷捕获(Charge Trap)，我们现在所用的3D NAND，大部分都是用电荷捕获结构实现的，这个细节可以以后再说。本文仅以浮栅技术为例(比较好画图)，其单元截面图可以画成：

浮栅层的材料是可导电的多晶硅，电势较低，可以储存电子。如果浮栅中电子较多，相当于对栅极电压(Vg)做了一定的屏蔽，那么栅极电压需要首先抵消浮栅的屏蔽，然后才能获得漏极电流。相应的Vg-Id曲线就会向右平移，阈值电压就增加了，反之，当我们减少浮栅中的电子，甚至抽取过量电子以形成空穴，则可以让Vg-Id曲线向左平移，相应的阈值电压就会降低，

作为集成电路基础的MOS器件，其特性，尤其是Vt，对数字电路和模拟电路都非常重要。只是数字电路，从功能设计上可以相对简单的设置极端Vg值，让Vg远大于Vt或者Vg远小于Vt，来输出逻辑1和0。而对闪存来说，我们可以精确控制Vt以实现SLC，MLC，TLC等等，具体内容等介绍完Vt概念以后再展开。

以SLC为例，我们通常定义Vt低时为擦除态，Vt高时为编程态。能够区分存储单元晶体管的Vt高低，就能够知道单元中被存储的数据。相应的，稳定的Vt才能够保证稳定的数据存储。那么怎么才能够区分存储单元中的Vt的高低状态呢？我们就需要引入Vt分布的概念，这个会在我们这个系列的下一篇文章中介绍。

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总结

在一些特殊应用里，MOS管会有更多需要考虑电压及电流的节点，如果后面有碰到，再做介绍。(2)约定不变，不代表不可以改变。在一些情况下，我们也可以改变Vd和It的来改变Vt，