УСТРОЙСТВО СТИРАНИЯ ЗАПИСАННОЙ ИНФОРМАЦИИ

Полезная модель относится к технике записи и стирания информации с неоднородных полупроводниковых носителей информации (устройств энергонезависимой памяти, флэш-памяти).
Типичная ячейка флэш-памяти состоит из транзисторов особой архитектуры и не содержит конденсаторов, чем она и отличается от других типов полупроводниковой памяти. Ячейка флэш-памяти прекрасно масштабируется. Данные флэш-память хранит в ячейках памяти и при отключенном питании. Записанная на флэш-память информация может храниться длительное время и способна выдерживать значительные механические нагрузки, в силу ее защищенности от внешних воздействий.
Основной принцип работы полупроводниковых устройств энергозависимой памяти состоит в хранении заряда в изолированном затворе, например, МОП-транзистора. Если в изолированном затворе хранится заряд, то пороговое напряжение Urn транзистора может изменяться между двумя значениями «0» и «1». Пороговое напряжение изменяется в зависимости от величины заряда, хранимого в изолированном затворе на определенном расстоянии от него [1].
Информация, содержащаяся в устройстве, обнаруживается путем приложения напряжения к затвору, значение которого лежит между двумя возможными пороговыми значениями напряжений. В одном состоянии транзистор проводит ток, в то время как в другом не проводит, заперт. В устройстве хранения заряда на транзисторе с изолированным затвором осуществляется двумя способами. Один основан на хранении заряда в проводящем или полупроводящем слое, окруженном диэлектриком, обычно окисью кремния [1] с плавающим затвором [2, 3]. Другой тип приборов, основан на хранении заряда на дискретных центрах (ловушках) соответствующего диэлектрического слоя. Такие устройства обычно называют приборами захвата [4, 5].
Для стирания записанной информации в виде остаточной проводимости необходимо восстановить исходную величину потенциального барьера для носителей заряда, пороговое напряжение которого равно значению стертого состояния, предшествующему значению записи. Это означает, что должен произойти процесс, при котором заряд Qт, хранимый на дискретных центрах или плавающем затворе на расстоянии L от затвора должен, как минимум, принять значение, равное «0», а фиксированные значения заряда на поверхности раздела, например, кремний-изолятор и заряд в обедненном слое кремния принять исходное значение, предшествующей записи.
Известен способ и устройство [6] стирания записи, при котором на неоднородный полупроводниковый слой адсорбируют пар или газ, формируют p-связь с полупроводником n-типа или n-связь с полупроводником p-типа, после чего осуществляют процесс десорбирования. Этот способ является энергоемким, а недостатком этого способа является то, что время стирания определяется временем осуществления операции адсорбирования, десорбирования и временем подготовки для проведения этих операций. Перед операцией адсорбирования полупроводниковый слой помещают в специальную вакуумную камеру при определенном давлении, остаточную проводимость возбуждают светом от лампы накаливания (в течение 20-60 сек), контролируют проводимость слоя, затем осуществляют адсорбацию в камере при изменении давления паров (в течение 1 с). Для осуществления десорбции понижают давление в камере до начального значения. В данном способе стирания осуществляется за счет импульса давления адсорбанта, поэтому наличие герметичной камеры и специального оборудования обязательно.
Недостатком этого способа и устройства является ограниченная область применения. Этот способ применим только для стирания записанной информации на бескорпусных полупроводниковых носителях, обладает низкой энергетической эффективностью, для реализации требуется дорогостоящее оборудование, большое время стирания и качество стирания зависит от точного соблюдения в определенной последовательности большого количества сложно контролируемых операций.
Известно три основных типа доступа к флэш-памяти:
- произвольный асинхронный (Conventional) доступ к ячейкам памяти;
- синхронный (Burst), данные читаются параллельно, блоками по 16 или 32 слова, считанные данные передаются последовательно;
- асинхронный (Page), по 4 или 8 слов.
Для обеспечения доступа к флэш-памяти необходим программно-аппаратный комплекс, контроллер - посредник между хостом и устройствами на шине. Программные функции (перечисление устройств и их конфигурирование, управление энергопотреблением, процессами передачи, устройствами на шине и самой шиной) возложены на операционную систему.
3
Известно устройство для стирания записанной информации на неоднородных полупроводниковых носителях [6]. Это устройство содержит: затемненную вакуумную камеру, устройство для создания пара, компрессор для изменения давления паров, лампу накаливания 30 Вт, электромагнитный вентиль, насос, устройство для изменения расстояния лампы накаливания, устройство измерения проводимости пленки, устройство для измерения давления паров воды в камере, устройство для измерения времени и источник питания. Источником питания, при начальном давлении остаточной атмосферы 1/10÷1 мм. рт.ст., возбуждают остаточную проводимость светом лампы накаливания, расположенной на расстоянии 10 см от поверхности пленки - полупроводникового носителя информации. В течение 20÷60 с измеряют проводимость пленки. За время возбуждения проводимость пленки достигает стационарного значения δсв~1/10 1/Ом·см.
Адсорбацию осуществляют путем повышения давления с помощью компрессора паров воды, поступающих из устройства создания пара в вакуумную камеру с давлением пара от 10 мм до 1000 мм. рт.ст. за время ~1 с, контролируемое специальным устройством измерения времени. При увеличении проводимости пленки производят десорбацию путем понижения давления до начального уровня.
Быстрый впуск и выпуск адсорбата осуществляют с помощью насоса и электромагнитного вентиля. Стирание осуществляют импульсом давления адсорбата, которое постоянно контролируется устройством измерения импульсного давления, создаваемого в затемненной вакуумной камере.
Недостатком этого устройства является сложность конструкции, применение дорогостоящего оборудования, много времени требуется на подготовку процесса стирания, необходимо специальное контрольное оборудование для контроля параметров составных частей устройства, ограниченность применения.
Наиболее близким (прототип) к заявляемому устройству по технической сущности является устройство [6] стирания записанной информации для стирания записей с неоднородных полупроводниковых носителей информации с энергонезависимой памятью, флэш-памяти. Способ работы этого устройства заключается в подаче на микросхему и на управляющий затвор на время не менее 1,5 мс номинального напряжения и в возбуждении в проводниках микросхемы, размещенных на ее подожке токов Фуко интенсивностью не менее 60 мА и облучения двумя магнитными полями под различными углами к плоскости подложки во время включения номинального напряжения питания микросхемы. Кроме того, устройство содержит два источника питания, делитель напряжения, блок управления, коннектор, три контура, два ключа на два положения, датчик, блок управления, причем первый контур содержит два дросселя и конденсатор, а второй и третий контуры содержат по одному дросселю и по одному конденсатору.
Признаки полезной модели общие с признаками прототипа:
Источник питания, полеобразующая система, состоящая из двух кольцевых дросселей расположенных соосно, накопитель энергии, первый и второй ключевые элементы.
Заявляемая полезная модель решает задачу улучшения качества и надежности стирания информации с ее носителя без возможности ее восстановления, уменьшение энергопотребления.
Для создания токов Фуко интенсивностью 30 мА требуется затратить энергии по заявляемому устройству не более 250 Дж, при длительности импульса 1,5 мс мощностью 167 кВт. В прототипе, состоящем из трех контуров, два из которых создают магнитное поле не менее 550 кА/м, для создания токов Фуко интенсивностью 60 мА, при той же длительности импульса, для создания импульсных магнитных полей требуется затратить 450 Дж при мощности импульса 300 кВт. Кроме того, для наведения в третьем контуре токов Фуко путем индукции с учетом потерь требуется 900 Дж при мощности импульса 600 кВт. При этом в каждом из контуров необходимо иметь блоки конденсаторов емкостью 10000 мкФ. В прототипе общее количество конденсаторов типа К-50-77 должно быть не менее 14 шт. В заявляемом устройстве для создания токов Фуко интенсивностью 30 мА достаточно иметь емкость конденсаторов не более 5600 мкФ, что обеспечивается четырьмя конденсаторами, входящими в один контур.
Техническим результатом полезной модели является увеличение надежности при бесконтактном стирании информации, уменьшение энергопотребления устройством стирания и упрощение конструкции полеобразующей системы.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг.1 приведена блок схема устройства стирания записанной информации.
На фиг.2 приведена временная последовательность подключения к работе блоков.
На фиг.3 приведен вариант исполнения полеобразующей системы.
На фигурах введены обозначения: 1 - устройство подключения питания (УПП); 2 - вторичный источник питания (ВИП); 3 - таймер отключения питания (ТОП); 4 - преобразователь напряжения (ПН); 5 - генератор прямоугольных импульсов (ГПИ); 6 - накопитель энергии (НЭ); 7 - разветвитель (Р); 8 - формирователь импульсной последовательности (ФИП); 9 - первый ключевой элемент (1КЭ); 10 - второй ключевой элемент (2КЭ); 11 - устройство модуляции (УМ); 12 - устройство запуска (УЗ); 13 - полеобразующая система (ПС); 14 - дроссель (Д); 15 - отражатель (О); 16 - датчик температуры (ДТ); 17 - носитель информации (НИ); 18 - подложка (П).
Цифры, записанные внутри прямоугольников блоков мелким шрифтом, обозначают номера входов и выходов блоков, в тексте описания полезной модели они заключены в круглые скобки (фиг.1).
Устройство стирания (фиг.1) содержит: устройство подключения питания 1 УПП, вторичный источник питания 2 ВИП, таймер отключения питания 3 ТОП, преобразователь напряжения 4 ПН, генератор прямоугольных импульсов 5 ГПИ, накопитель энергии 6 НЭ, разветвитель 7 Р, формирователь импульсной последовательности 8 ФИП, первый ключевой элемент 9 1КЭ, второй ключевой элемент 10 2КЭ, устройство модуляции 11 УМ; устройство запуска 12 УЗ, полеобразующую систему 13 ПС.
Устройство подключения питания 1 УПП 220 В, 50 Гц имеет выход (1) питания.
Вторичный источник питания 2 ВИП постоянного напряжения плюс 12 В имеет первый вход питания (1), второй вход (3) сигнал управления и один выход (2) питания плюс 12 В.
Таймер отключения питания 3 ТОП имеет первый вход (1) питания и второй вход (2) сигнальный и один выход (3) сигнальный управления вторичным источником питания 2.
Преобразователь напряжения 4 ПН имеет вход (1) и выход (2) питания, напряжением не менее плюс 300 В.
Генератор прямоугольных импульсов 5 ГПИ имеет вход (1) питания и выход (2) сигнальный.
Накопитель энергии 6 НЭ имеет вход (1) и выход (2) питания.
Разветвитель 7 Р имеет один сигнальный вход (1) и первый (2) и второй (3) сигнальные выходы.
Формирователь импульсной последовательности 8 ФИП имеет сигнальный вход (1) и выход (2).
Первый ключевой элемент 9 1КЭ имеет сигнальный вход (1) и выход (2).
Второй ключевой элемент 10 2КЭ имеет сигнальный вход (1) и выход (2).
Устройство модуляции 11 УМ имеет вход (1) питания, сигнальные входы первый (2) и второй (3), вход (4) сигнальный управления и выход (5) питания переменного напряжения.
Устройство запуска 12 УЗ имеет выход (1) сигнала управления.
Полеобразующая система 13 ПС имеет вход (1) питания и сигнальный выход (2). Эта система содержит двухсекционный дроссель 14 Д, между секциями которого размещены отражатель 15 O, подложка 18 П и датчик температуры 16 ДТ (фиг.1 и 3).
Двухсекционный дроссель 14 Д выполнен из двух кольцевых катушек одинакового диаметра с одинаковым направлением намотки проводов. Дроссели соединены последовательно. Внутренний диаметр дросселей не менее габаритных размеров микросхемы с записанной информацией. Дроссели соосно размещены один над другим на расстоянии друг от друга не менее суммы толщин платы с микросхемой, отражателя и датчика температуры.
Отражатель 15 O выполнен в виде пластины из немагнитного металла, например, алюминия. Габариты отражателя 15 не превышают габаритов платы для размещения микросхемы.
Датчик температуры 16 ДТ закреплен на отражателе с его тыльной стороны и имеет сигнальный выход (2), который является выходом (2) полеобразующей системы 13 ПС.
Носитель информации 17 НИ - микросхема размещена в полости между дросселями 14 Д на отражателе 15 O, размещенном на подложке 18 П (фиг.3).
Электрические соединения блоков устройства (фиг.1)
Устройство подключения питания УПП 1 своим выходом (1) питания 220 В, 50 Гц соединен с первым входом (1) вторичного источника питания ВИП 2 и первым входом питания таймера отключения питания ТОП 3, который предназначен для отключения электропитания.
Выход (2) питания ВИП 2 соединен с входом (1) с входом генератора прямоугольных импульсов ГПИ 5 и с входом (1) питания преобразователя напряжения ПН 4, который своим выходом (2) питания соединен с входом (1) питания накопителя энергии НЭ 6, выход (2) питания которого соединен с первым входом (1) питания устройства модуляции УМ 11. Сигнальный вход (3) ВИП 2 соединен с сигнальным выходом (3) ТОП 3
Сигнальный выход (2) генератора прямоугольных импульсов ГПИ 5 соединен с сигнальным входом (1) разветвителя Р 7, сигнальные выходы (2) и (3) которого подсоединены к входу (1) формирователя импульсной последовательности ФИП 8 и к первому сигнальному входу (1) первого ключевого элемента 1КЭ 9, а сигнальный выход (2) ФИП 8 соединен с сигнальным входом (1) второго ключевого элемента 2КЭ 10. Выходы 1КЭ и 2КЭ подключены соответственно ко второму и третьему сигнальным входам (2) и (3) устройства модуляции УМ 11. Четвертый сигнальный вход (4) УМ 11 соединен с выходом (1) устройства запуска УЗ 12. Выход (5) питания УМ 11 соединен с входом (1) питания полеобразующей системы ПС 13, который одновременно является входом (1) питания дросселей Д 14, сигнальный выход (2) ПС 13 является сигнальным выходом (2) датчика температуры ДТ 16. Выход (2) ДТ 16 соединен со вторым сигнальным входом (2) таймера отключения питания ТОП 3.
Носитель информации НИ 17 (флеш-носитель) и отражатель О 15 на подложке П 18 размещаются между дросселями Д 14, где облучаются их электромагнитным полем.
Устройство работает следующим образом (фиг.1 и 2).
При соединении устройства подключения питания УПП 1 к сети 220 В, 50 Гц и отсутствии сигнала на выходе таймера отключения питания ТОП 3, на выходе (2) вторичного источника питания ВИП 2 появляется постоянное напряжение 12 В (фиг.2а), осуществляющее питание цепей преобразователя напряжения ПН 4 и генератора прямоугольных импульсов ГПИ 5. ПН 4 повышает напряжение до 300 В, которое заряжает конденсаторы накопителя энергии НЭ 6 до 300 В (фиг.2ж). На выходе (2) ГПИ 5 возникает непрерывная последовательность прямоугольных импульсов, которая поступает на вход (1) разветвителя Р 7 (фиг.2г). На выходах (2) и (3) Р 7 появляются две идентичные последовательности прямоугольных импульсов. Первая последовательность прямоугольных импульсов с выхода (2) Р 7 поступает на вход (1) первого ключевого элемента 1КЭ 9 (фиг.2д). Вторая последовательность прямоугольных импульсов с выхода (3) Р 7 поступает на вход (1) формирователя импульсной последовательности ФИП 8, с выхода (2) которого снимается инвертированная последовательность прямоугольных импульсов задержанная по времени на 1/128 периода следования этих импульсов. Инвертированная последовательность импульсов с выхода (2) ФИП 8 поступает на вход (1) второго ключевого элемента 2КЭ 10 (фиг.2е). Ключевые элементы 1КЭ и 2 КЭ стабилизируют ток прямоугольных импульсов, исключая влияние устройства модуляции УМ 11 на цепи формирования ФИП 8 и разветвителя Р 7.
уз
пор
зад
пор
При поступлении сигнала с выхода (1) устройства запуска УЗ 12 (фиг.2з) в момент времени t, на первый вход (1) устройства модуляции УМ 11, приходит напряжение с НЭ 6 промодулированное двумя импульсными последовательностями задержанными одна относительно другой по времени на 1/128 периода следования импульсов. Промодулированное напряжение с выхода УМ 11 поступает на вход (1) ПС 13 и на вход (1) дросселей Д 14 (фиг.2и). Дроссели возбуждают переменное электромагнитное поле, которое на отражателе преобразуется в тепловую энергию, токами Фуко. Отражатель фокусирует тепловую энергию на микросхеме, которая воздействует на носитель информации - флеш-носитель, размещенный между дросселями Д 14 ПС 13. Облучение носителя информации НИ 17 осуществляется переменным электромагнитным полем с частотой более 200 кГц, длительностью не менее 1,5 мс и интенсивностью не менее 167 кВт. Длительность облучения и интенсивность электромагнитного поля должны обеспечивать нагрев микросхемы токами Фуко до 300°С. На тыльной стороне поверхности отражателя O 15, закреплен чувствительный элемент датчика температуры ДТ 16. При нагреве отражателя напряжение на выходе ДТ 16 увеличивается (фиг.2б) и поступает на вход (2) таймера отключения питания ТОП 3. При достижении заданного значения U этого напряжения и по окончании времени Т, в момент времени t1, на выходе (3) таймера ТОП 3 появляется напряжение которое поступает на вход (3) ВИП 2 (фиг.2в). В этот момент времени отключается напряжение на выходе (2) источника ВИП 2, что приводит к исчезновению электромагнитного поля дросселей ПС 13. Носитель информации и отражатель начинают остывать, что приводит к уменьшению напряжения на выходе датчика температуры ДТ 16. В момент времени t2, когда напряжение опускается ниже заданного значения U сигнал на выходе (3) таймера ТОП 3 пропадает.
После стирания информации с ее носителя НИ 17, она уничтожается полностью без возможности ее восстановления. При необходимости рабочий цикл повторяется.
Реализация устройства стирания
Устройство стирания информации реализовано по блок схеме фиг.1 на следующих комплектующих изделиях.
Устройство подключения питания УПП 1 подключается к промышленной сети через сетевой кабель питания с евроразъемом.
В качестве вторичного источника питания ВИП 2 применен источник питания типа Б5-71.
Таймер отключения питания ТОП 3 выполнен на микросхеме типа ATMEGA8.
Преобразователь напряжения ПН 4 выполнен в виде повышающей напряжение схемы типа DC/DC.
Генератор прямоугольных импульсов ГПИ 5 выполнен на микросхеме типа КР1006ВИ1.
Накопитель энергии НЭ 6 выполнен на конденсаторах типа К-50-77 общей емкостью 5 600 мкФ.
Разветвитель Р 7 выполнен в виде тройника - делителя.
Формирователь импульсной последовательности ФИП 8 выполнен на микросхеме типа К155ЛАЗ.
Первый и второй ключеые элементы 1КЭ 9 и 2КЭ 10 выполнены на транзисторах типа IRFLO14N.
Устройство модуляции УМ 11 выполнено на стандартном импульсном трансформаторе.
Устройство запуска УЗ 12 выполнено в виде кнопочного выключателя типа ПКН-2.
Полеобразующая система ПС 13 выполнена из двух соосных кольцевых дросселей Д 14 с внутренним диаметром 40 мм, с расположенными между дросселями Д 14 отражателем 15 и датчиком температуры ДТ 16. Катушки дросселей намотаны медным проводом диаметром 2,5 мм в один слой и соединены последовательно (фиг.3).
Отражатель O 15 выполнен из алюминия толщиной 0,5 мм с габаритами микросхемы.
Датчик температуры ДТ 16 применен типа ТМР-0,5.
Носитель информации НИ 17 - неоднородный полупроводниковый с энергонезависимой памятью (флеш-памятью).
Подложка П 18 выполнена из материала микалекс.
Технический результат полезной модели достигнут. Увеличена надежность стирания информации, уменьшено энергопотребление устройством стирания и упрощена конструкция полеобразующей системы.
Отличительные признаки полезной модели
Устройство подключения питания с входом и выходом, таймер отключения питания, который имеет первый и второй входы и выход, преобразователь напряжения, который имеет вход и выход, генератор прямоугольных импульсов, который имеет вход и выход, разветвитель, который имеет вход, первый и второй выходы, формирователь импульсной последовательности, который имеет вход и выход, устройство модуляции, которое имеет первый, второй, третий и четвертый входы и выход, устройство запуска, которое имеет выход.
Источник питания выполнен в виде вторичного источника питания и имеет первый и второй входы и выход, датчик температуры, кроме того, выход устройства подключения питания соединен с первым входом таймера отключения питания и с первым входом вторичного источника питания, выход которого соединен с входом генератора прямоугольных импульсов и входом преобразователя напряжения, выход которого соединен с входом накопителя энергии, выход последнего соединен с первым входом устройства модуляции, причем выход таймера отключения питания соединен со вторым входом вторичного источника питания, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входом разветвителя, первый выход которого соединен с входом первого ключевого элемента, а второй - с входом формирователя импульсной последовательности, выход которого соединен с входом второго ключевого элемента, кроме того, выход первого ключевого элемента соединен со вторым входом устройства модуляции, а выход второго ключевого элемента соединен с третьим входом устройства модуляции, четвертый вход которого соединен с выходом устройства запуска, выход устройства модуляции соединен с входом полеобразующей системы.
Носитель информации размещен на отражателе, который установлен на подложке, кроме того, носитель информации, отражатель и подложка размещены между кольцевыми дросселями, расстояние между которыми больше суммы толщин микросхемы, отражателя и подложки, причем датчик температуры закреплен на тыльной стороне отражателя, а его выход соединен со вторым входом таймера отключения питания.
Список использованных источников информации
1. Nonvolatile Semiconductor Memory Technology. Edited by William D. Brown, Joe E. Brewer. IEEE Press.
2. D. Frohman-Bentchkowsky, «A fully decoded 2048-bit electrically programmable MOS-ROM», IEEE ISSCC Dig. Tech. Pap., p.80, 1971».
3. D. Frohman-Bentchkowsky, «Memory behaviour in a floating gate avalanche injection MOS (FAMOS) structure», Fppl. Phis. Lett., vol.18, p.332, 1971.
4. H.A.R.Wegener, A.J.Lincoln, H.C.Pao, M.R.O'Connell, and R.E.Oleksiak, «The variable threshold transistor, a new electrically alterable, nondestructive read-only storage device», IEEE IEDM Tech. Dig., Washington, D.C., 1967.
5. D. Frohman-Bentchkowsky, «The metal-nitride-oxide-silicon (MNOS) - transistor-Characteristics and applications», Proc. IEEE, vol.58, p.1207, 1970.
6. Описание изобретения авт.св. №777680, МПК G11B 3/66, публ. 1980, Патент RU №2323491 от 27.04.2008, по заявке №2006116535 от 16.05.2006.