一種應(yīng)用于UHF RFID無源標(biāo)簽芯片的單柵存儲器
引言
隨著自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)朝著高速與實(shí)時(shí)識別方向的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)連續(xù)識別和監(jiān)測,都要求進(jìn)一步提高精度水平,這種實(shí)時(shí)識別通常被稱為環(huán)境智能。實(shí)現(xiàn)這一可行概念的技術(shù)之一被稱為射頻識別(RFID)。它是一種非接觸式的自動(dòng)識別技術(shù),通過射頻信號自動(dòng)識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),無須人工干預(yù),可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術(shù)可識別高速運(yùn)動(dòng)物體,并可同時(shí)識別多個(gè)標(biāo)簽,因而操作快捷方便。
無源超高頻射頻識別UHF RFID技術(shù)以其遠(yuǎn)距離、高速度和低成本已經(jīng)成為RFID技術(shù)的研究熱點(diǎn)。RFID技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)、通訊等技術(shù)相結(jié)合,可實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)的物品跟蹤與信息共享。而將RFID技術(shù)應(yīng)用于物流、制造、公共信息服務(wù)等行業(yè),可大幅提高管理與運(yùn)作效率,降低成本。
非易失性存儲器是RFID標(biāo)簽中必不可少的一部分,可用來永久保存數(shù)據(jù)信息,比如芯片序列號、安全信息、產(chǎn)品編碼、處理器指令等。目前,幾種通常使用的非易失性存儲器主要有EPROM,EEPROM和FLASH MEMORY。另外,還有鐵電存儲器Fe-RAM、磁性隨機(jī)存儲器MRAM和相變存儲器OUM,它們都不能與標(biāo)準(zhǔn)的CMOS工藝兼容,需要額外的特殊工藝制造,因而大大地提高了RFID標(biāo)簽的制造成本。而目前制約RFID技術(shù)推廣的主要瓶頸就是成本較高,各大生產(chǎn)廠商都在努力降低RFID標(biāo)簽芯片的制造成本,以進(jìn)一步擴(kuò)大RFID技術(shù)的市場,而上述存儲器都不適用于RFID標(biāo)簽,這也在一定程序上影響了RFID標(biāo)簽的推廣應(yīng)用。
本文提出了一種適用于UHFRFID無源標(biāo)簽芯片的單柵存儲器,該存儲器的最大優(yōu)點(diǎn)是可與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容,不需要額外的掩膜來制造薄氧,因而降低了RFID標(biāo)簽的成本。
1 存儲器單元結(jié)構(gòu)
本文提出的存儲器單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)存儲器單元采用差分結(jié)構(gòu),由兩個(gè)完全相同的模塊(A和B)組成。每個(gè)模塊包含4個(gè)晶體管:擦除晶體管AME(BME)、編程晶體管AMP(BMP)、耦合晶體管AMC(BMC)與譯碼晶體管AMD(BMD)。其中,耦合晶體管的尺寸遠(yuǎn)大于編程晶體管與擦除晶體管的尺寸。每個(gè)模塊中,擦除晶體管的源極、漏極與襯底連接在一起,作為擦除端子AER(BER);編程晶體管的源極作為編程端子APR(BPR);耦合晶體管的源極、漏極與襯底連接在一起作為耦合端子ACO(BCO);譯碼晶體管的柵極作為譯碼端子ADE(BDE)。將兩個(gè)模塊的擦除端子、編程端子、譯碼端子相應(yīng)的接在一起,可分別作為存儲單元的擦除端子ER、編程端子PR、譯碼端子DE。每個(gè)模塊中,將擦除晶體管、編程晶體管與耦合晶體管的柵極接在一起,可以作為浮柵。
2 工作原理及過程
這里先分析單端模塊的工作原理,現(xiàn)以圖1中的模塊A為例。由于柵極懸空,與地端沒有任何直流通路,故而形成了EEPROM存儲單元的等效浮柵結(jié)構(gòu)E,且不需要額外的浮柵工藝。擦除晶體管與耦合晶體管均連接成電容形式,因此,模塊A可等效為圖2所示的結(jié)構(gòu)。電容AC2遠(yuǎn)大于電容AC1及編程晶體管的柵極寄生電容。
對模塊A進(jìn)行編程操作時(shí),耦合端子與擦除端子接高壓VCC,即等效電容AC1與電容AC2并聯(lián),編程端子接地。根據(jù)電容分壓原理,此時(shí)電壓大部分降在浮柵與編程晶體管源極,當(dāng)這部分電壓大到使之發(fā)生Fowler-Nordheim(FN)隧穿時(shí),電子開始注入到浮柵上,且隨著這個(gè)過程的發(fā)生,浮柵上的電勢逐漸下降,并引起編程晶體管柵源電壓下降,當(dāng)這個(gè)電壓降到低于FN隧穿需要的最小值時(shí),隧穿停止,編程結(jié)束。
對模塊A進(jìn)行擦除操作時(shí),擦除端子接高壓Ve,耦合端子與編程端子接地,即等效電容AC2與編程晶體管柵源寄生電容并聯(lián),根據(jù)電容分壓原理,此時(shí),電壓大部分降在擦除端子與浮柵兩端,當(dāng)這部分電壓大到使之發(fā)生FN隧穿時(shí),電子開始由浮柵FN隧穿泄放掉,且隨著這個(gè)過程的發(fā)生,浮柵上的電勢逐漸上升,并引起擦除晶體管兩端電壓下降,當(dāng)這個(gè)電壓降到低于FN隧穿需要的最小值時(shí),隧穿停止,擦除結(jié)束。
存儲單元的讀取操作不需要高電壓,擦除端子ER與耦合的端子ACO、BCO均接零電壓。此時(shí),編程晶體管AMP與BMP均作為讀出晶體管使用,以讀取存儲在兩側(cè)浮柵上的信息。編程端子PR加Vm的電壓,譯碼端子DE加零電壓,從而使譯碼晶體管ADE與BDE開啟。存儲單元只被寫入兩種數(shù)據(jù):“0"和“1"。
在進(jìn)行寫“0”操作后,浮柵A0上存有電子,浮柵B0上沒有存儲電子,此時(shí)進(jìn)行讀取操作,則編程晶體管AMP導(dǎo)通,編程晶體管BMP截止,流過譯碼晶體管ADE的電流I1大于0,流過譯碼晶體管B30的電流I2為0,讀出數(shù)據(jù)為“0”。如果寫“0”操作沒有完全結(jié)束就撤掉施加的電壓,則可能發(fā)生以下兩種情況之一,或者兩者都發(fā)生:一是模塊A的編程沒有完全結(jié)束,這將導(dǎo)致讀取操作時(shí),流過譯碼晶體管A30的電流I1沒有達(dá)到最大值;二是模塊B的擦除沒有完全結(jié)束,這將導(dǎo)致讀取操作時(shí),流過譯碼晶體管B30的電流I2不為0。在這兩種情形中,如果I1大于I2,I1與I2之差不小于I0,此時(shí)仍可讀出數(shù)據(jù)的具體值由外圍靈敏放大器的靈敏度決定。
當(dāng)進(jìn)行寫“1”操作后,浮柵A0上沒有存儲電子,浮柵B0上存有電子,此時(shí)進(jìn)行讀取操作,則編程晶體管AMP截止,編程晶體管BMP導(dǎo)通,流過譯碼晶體管ADE電流L為0,流過譯碼晶體管BDE的電流L大于0,讀出數(shù)據(jù)為“1”。如果寫“1”操作沒有完全結(jié)束就撤掉施加的電壓,則可能發(fā)生以下兩種情況之一,或者兩者都發(fā)生:一是模塊A的擦除沒有完全結(jié)束,這將導(dǎo)致讀取操作時(shí),流過譯碼晶體管ADE的電流13不為0;二是模塊B的編程沒有完全結(jié)束,這將導(dǎo)致讀取操作時(shí),流過譯碼晶體管BDE的電流L沒有達(dá)到最大值。在這兩種情形中,如果L大于L,L與L之差不小于I。,此時(shí)仍可讀出數(shù)據(jù)“1”。
從讀取操作可以看出,差分結(jié)構(gòu)的存儲單元比較的是兩個(gè)模塊輸出的電流之差,而不是絕對值,這樣可以允許從兩個(gè)浮柵讀出的數(shù)據(jù)在一定范圍內(nèi)波動(dòng),因而具有抗干擾性的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí),兩個(gè)模塊的編程及擦除都是通過FN隧穿起作用的,F(xiàn)N隧穿所需要的電壓低于熱電子注入所需要的電壓,而后者正是目前使用較廣的快閃存儲器的編程原理。所以,此存儲單元的功耗較低,這也正是無源UHF RFID標(biāo)簽對存儲器的特別要求。
此結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是單元面積較大,因此,該存儲器只適用于不需要較大容量的RFID標(biāo)簽。
3 結(jié)論
隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展,RFID標(biāo)簽的應(yīng)用也將更加廣泛,如何降低標(biāo)簽的成本,成為亟需解決的問題。常見的EEPROM結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝不兼容是目前制約其成本的主要因素之一。而本文提出的單柵存儲器結(jié)構(gòu),正好符合這種要求,同時(shí)具有低成本、低功耗、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。