Teksti on koostanud TÜ füüsika instituudi vanemteadur Kaupo Kukli.
Välkmälu on pooljuhttehnoloogiale toetuv arvutimälu, mida kasutavad meist väga paljud iga kord kui tekib vajadus portatiivsete, taskus kantavate mälupulkade järele või siis, kui tuleb ekspluateerida SSD-seadmete ehk tahkisajuriteks (SSD = Solid State Drive) kutsutavate mäluseadmete poolt pakutavaid võimalusi.
Välkmäluraku tööpõhimõtte selgitamisel võib aluseks võtta lihtsustatud skeemi (joonis 1), mis kujutab mitmekihilise paisuga väljatransistoriks nimetatavat pooljuhtseadist.
Niisuguse „nanoseadme“ südamik koosneb paisuks ja kanaliks nimetatavate ja elektrit juhtivate elektroodmaterjalikihtide vahele ehitatud vähemalt kolmest erinevast kihist koosneva dielektrikuga kondensaatorist. Sellisesse mitmekihilisse kondensaatorisse on võimalik püsivalt salvestada ehk laadida elektrilaengut, salvestatud laengut on võimalik detekteerida ja samuti võib seda laengut maha laadida. Äsjaöeldu tähendab ühtlasi seda, et kondensaatorile on võimalik kirjutada mälubitt, seda bitti võib lugeda ja seda bitti võib ka kustutada.
Kondensaatori alumise elektroodi (nimetamegi seda edaspidi ühtlasi kanaliks) peale on formeeritud üliõhuke, kuni paksune laia keelutsooniga isolaatortahkismaterjali (näit. räni dioksiid, ) kiht. Seda kihti nimetatakse ka tunnelkihiks (tunnel layer). Tunnelkihi peale on sadestatud varieeruva paksusega, kuid samuti üliõhuke mõnevõrra kitsama keelutsooni laiusega materjali kiht (näit räni nitriid, ), mida võib nimetada elektrilaengut lõksustavaks kihiks (trapping layer). Lõksustava kihi peale omakorda on sadestatud jälle mõnevõrra laiema keelutsooniga materjali (näiteks alumiiniumi oksiid, ) kiht, mille paksus kindlasti ületab tunnelkihi oma, jäädes siiski alla . Seda kihti võib nimetada stopperkihiks (stopping layer) ja sellega on ülevaltpoolt kontaktis viimane kiht, milleks on kondensaatori ülemine elektrood, mida nimetatakse paisuks (gate).
Tunnelkihist, lõksustavast kihist ja stopperkihist koosnevas kolmikkihis tekib tänu keelutsoonide laiuste erinevustele „potentsiaaliauk“, mida võiks tinglikult nimetada ka kvantkaevuks. Elektron, mis satub mingil viisil keskmise, lõksustava materjalikihi juhtivustsooni, ei pääse sealt ilma tema jaoks piisavalt tugeva ja teda ergastava energiavälja rakendamist.
Kondensaatori alumiseks elektroodiks oleva kanali vastasservadesse on enamasti difusioonlegeerimise teel formeeritud kõrgendatud elektrijuhtivusega regioonid, millistest ühte nimetatakse lätteks (source) ja teist neeluks (drain). Lättele ja neelule on võimalik rakendada potentsiaalide vahet ehk pinget, mille mõjul tekib kanalis elektrivool lätte ja neelu vahel. Kanali enese materjaliks on pooljuhtiv räni (Si), mille juhtivust on võimalik muuta kahe erineva tüübi, ehk elektron- (-Si) ja aukjuhtivuse (p-Si) vahel.
Mälubitile salvestamine ja kustutamine välkmäludes
Järgnevalt proovime kirjeldada võimalikult lihtsal moel elektrilaengu kui mälubiti salvestamise ja kustutamise mehhanismi niisugustes seadmetes (joonis 2).
Rakendades ülemisele elektroodile ehk paisule pinge, mõjutatakse kanalimaterjalis olevaid laengukandjaid kas tõukuma alumisest elektroodist eemale või tõmbuma ning kogunema alumise elektroodi suunas vastavalt pinge polaarsusele. Kui kanalimaterjaliks on aukjuhtivusega räni, siis paisule piisava tugevusega positiivse polaarsusega pinge rakendamisel kogutakse tunnelkihi ja kanali vahelise piirpinna lähedasse regiooni suur hulk vähemuslaengukandjaid ehk antud juhul siis elektrone. Seetõttu moodustub kanalisse lätte ja neelu vahele elektroniderikas ja järelikult juhtiv ruumala. Kui rakendada pinge nüüd lätte ja neelu vahele, tekitatakse kanali baasmaterjaliks oleva räni juhtivustsoonis niinimetatud kuumade elektronide triiv ehk elektrivool lättest neeluni. Kui sellel hetkel rakendada paisule endisest suurem positiivne pingeimpulss, mis suurendab paisu ja kanali vahelist elektrivälja, tungib osa elektrone kanalist läbi tunnelkihi lõksustavasse kihti, tänu kvantmehhaanilisele tunnelefektile. Lõksustavast kihist paisuelektroodini need elektronid siiski edasi ei jõua, sest neid peatab paisu ja lõksustava kihi vaheline füüsiliselt märgatavalt paksem stopperkiht. Tuletame siikohal meelde, et tunnelefekt ei sõltu töötemperatuurist, aga sõltub järsult laengukandjate triivi mõjutavast ehk rakendatavast pingest ning tunnelbarjääri (tunnelkihi) paksusest. Materjalikihist, mille paksus ületab u. , pole elektrone otse võimalik läbi tunnelleerida mikroelektroonikas kasutatavate tööpingete (ca. ) mõjutusel.
Elektronide tunnelleerimist lõksustavasse vahekihti võib tinglikult nimetada ka informatsiooni kirjutamise tsükliks. Kui pärast sellist kirjutavat pingeimpulssi paisupinge välja lülitada, jääbki elektron kahe potentsiaalibarjääri vahele lõksu. Tagasi kanalisse ta tunnelleeruda ei saa, sest puudub vastupidise tunnelleerumisefekti toimimise eelduseks olev vastupidine potentsiaalide vahe ja selle mõjul indutseeritud elektriväli. Kui uusi kirjutus/kustutusimpulsse ei rakendata, püsivad elektronid kvantkaevus väga kaua, tegemist on püsimäluga (öeldakse ka: säilmäluga). Kaubandusliku garantiiajaga tagatakse teie piltide, dokumentide ja programmide säilimine mälupulgal tavaliselt kümne (10) aasta vältel.
Kvantkaevu elektrilaengu näol lõksustatud ja salvestatud informatsiooni saab kustutada, rakendades paisule kanali ja neelu suhtes vastupidise ehk antud juhul negatiivse pingeimpulsi. Selle pinge poolt tekitatud elektrivälja mõjul tunnelleeritakse lõksustunud elektron tagasi kanalisse ja välkmälu elementaarrakk kaotab oma laengu.
Niisugustest püsivalt elektrone positsioneerida võimaldavatest üksiklülitustest või –transistoritest saab moodustada ridu ja ridadest maatrikseid. Üksikuid mäluelemente sellistes ridades laadides ja ümber laadides on võimalik muuta vooluahelate sisendite ja väljundite pingeseisundeid, vajadusel püsivalt. Ülalkirjeldatud mälurakkude baasil koostatakse elementaarlülitusahelaid, millistes kõigi sisendbittide kirjutamisel langeb väljundsignaali nivoo tasemele „0“, või vastupidi – kõigi sisendite „0“-nivoo korral tõuseb ahela väljundi tõeväärtus ehk biti väärtus tasemele „1“. Kui lülituse kõigis sisendites samaaegselt ühesuguse signaali puhul väljund inverteeritakse, vastab selline operatsioon JA-EI tehtele matemaatilises loogikas, ja selliseid kindlat elementaarloogikaoperatsiooni toetavaid ahelaid nimetatakse üldiselt NAND lülitusteks. Henry Maurice Sheffer näitas juba 1913. aastal, et kõiki loogikaoperatsioone Boole’i algebraks nimetatavas ja digitaalse arvutamise aluseks olevas matemaatilises distsipliinis saab taandada elementaarsetele, näiteks NAND-operatsioonidele, lahutatud tehetejadadeks. Tänapäeval põhineb ülalpoolkirjeldatud teadmisel ja tehnoloogial püsimälude ja lülitite liik, mida mikro- ja nanoelektroonika-alases kirjanduses ning pressiteadetes nimetataksegi NAND-loogikaks.