一种应用于UHF RFID无源标签芯片的单栅存储器

引言

随着自动化产业朝着高速与实时识别方向的发展,实现连续识别和监测，都要求进一步提高精度水平，这种实时识别通常被称为环境智能。实现这一可行概念的技术之一被称为射频识别(RFID)。它是一种非接触式的自动识别技术，通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，因而操作快捷方便。

无源超高频射频识别UHF RFID技术以其远距离、高速度和低成本已经成为RFID技术的研究热点。RFID技术与互联网、通讯等技术相结合，可实现全球范围内的物品跟踪与信息共享。而将RFID技术应用于物流、制造、公共信息服务等行业,可大幅提高管理与运作效率，降低成本。

非易失性存储器是RFID标签中必不可少的一部分,可用来永久保存数据信息，比如芯片序列号、安全信息、产品编码、处理器指令等。目前，几种通常使用的非易失性存储器主要有EPROM,EEPROM和FLASH MEMORY。另外，还有铁电存储器Fe-RAM、磁性随机存储器MRAM和相变存储器OUM,它们都不能与标准的CMOS工艺兼容，需要额外的特殊工艺制造，因而大大地提高了RFID标签的制造成本。而目前制约RFID技术推广的主要瓶颈就是成本较高,各大生产厂商都在努力降低RFID标签芯片的制造成本，以进一步扩大RFID技术的市场，而上述存储器都不适用于RFID标签，这也在一定程序上影响了RFID标签的推广应用。

本文提出了一种适用于UHFRFID无源标签芯片的单栅存储器，该存储器的最大优点是可与标准CMOS工艺兼容，不需要额外的掩膜来制造薄氧，因而降低了RFID标签的成本。

1  存储器单元结构

本文提出的存储器单元结构如图1所示。整个存储器单元采用差分结构，由两个完全相同的模块(A和B)组成。每个模块包含4个晶体管:擦除晶体管AME(BME)、编程晶体管AMP(BMP)、耦合晶体管AMC(BMC)与译码晶体管AMD(BMD)。其中，耦合晶体管的尺寸远大于编程晶体管与擦除晶体管的尺寸。每个模块中，擦除晶体管的源极、漏极与衬底连接在一起，作为擦除端子AER(BER)；编程晶体管的源极作为编程端子APR(BPR)；耦合晶体管的源极、漏极与衬底连接在一起作为耦合端子ACO(BCO)；译码晶体管的栅极作为译码端子ADE(BDE)。将两个模块的擦除端子、编程端子、译码端子相应的接在一起，可分别作为存储单元的擦除端子ER、编程端子PR、译码端子DE。每个模块中，将擦除晶体管、编程晶体管与耦合晶体管的栅极接在一起，可以作为浮栅。

2  工作原理及过程

这里先分析单端模块的工作原理,现以图1中的模块A为例。由于栅极悬空，与地端没有任何直流通路，故而形成了EEPROM存储单元的等效浮栅结构E,且不需要额外的浮栅工艺。擦除晶体管与耦合晶体管均连接成电容形式，因此，模块A可等效为图2所示的结构。电容AC2远大于电容AC1及编程晶体管的栅极寄生电容。

对模块A进行编程操作时,耦合端子与擦除端子接高压VCC,即等效电容AC1与电容AC2并联，编程端子接地。根据电容分压原理,此时电压大部分降在浮栅与编程晶体管源极，当这部分电压大到使之发生Fowler-Nordheim(FN)隧穿时,电子开始注入到浮栅上，且随着这个过程的发生，浮栅上的电势逐渐下降,并引起编程晶体管栅源电压下降，当这个电压降到低于FN隧穿需要的最小值时，隧穿停止，编程结束。

对模块A进行擦除操作时，擦除端子接高压Ve,耦合端子与编程端子接地，即等效电容AC2与编程晶体管栅源寄生电容并联，根据电容分压原理，此时，电压大部分降在擦除端子与浮栅两端，当这部分电压大到使之发生FN隧穿时，电子开始由浮栅FN隧穿泄放掉，且随着这个过程的发生，浮栅上的电势逐渐上升，并引起擦除晶体管两端电压下降，当这个电压降到低于FN隧穿需要的最小值时，隧穿停止，擦除结束。

存储单元的读取操作不需要高电压，擦除端子ER与耦合的端子ACO、BCO均接零电压。此时，编程晶体管AMP与BMP均作为读出晶体管使用，以读取存储在两侧浮栅上的信息。编程端子PR加Vm的电压，译码端子DE加零电压，从而使译码晶体管ADE与BDE开启。存储单元只被写入两种数据：“0"和“1"。

在进行写“0”操作后,浮栅A0上存有电子，浮栅B0上没有存储电子，此时进行读取操作，则编程晶体管AMP导通，编程晶体管BMP截止,流过译码晶体管ADE的电流I₁大于0,流过译码晶体管B30的电流I₂为0,读出数据为“0”。如果写“0”操作没有完全结束就撤掉施加的电压，则可能发生以下两种情况之一,或者两者都发生:一是模块A的编程没有完全结束,这将导致读取操作时，流过译码晶体管A30的电流I₁没有达到最大值;二是模块B的擦除没有完全结束，这将导致读取操作时，流过译码晶体管B30的电流I₂不为0。在这两种情形中，如果I₁大于I₂,I₁与I₂之差不小于I₀,此时仍可读出数据的具体值由外围灵敏放大器的灵敏度决定。

当进行写“1”操作后，浮栅A0上没有存储电子,浮栅B0上存有电子，此时进行读取操作，则编程晶体管AMP截止，编程晶体管BMP导通，流过译码晶体管ADE电流L为0,流过译码晶体管BDE的电流L大于0,读出数据为“1”。如果写“1”操作没有完全结束就撤掉施加的电压,则可能发生以下两种情况之一,或者两者都发生:一是模块A的擦除没有完全结束,这将导致读取操作时，流过译码晶体管ADE的电流1₃不为0;二是模块B的编程没有完全结束，这将导致读取操作时，流过译码晶体管BDE的电流L没有达到最大值。在这两种情形中，如果L大于L,L与L之差不小于I。，此时仍可读出数据“1”。

从读取操作可以看出，差分结构的存储单元比较的是两个模块输出的电流之差，而不是绝对值，这样可以允许从两个浮栅读出的数据在一定范围内波动，因而具有抗干扰性的优点。同时，两个模块的编程及擦除都是通过FN隧穿起作用的，FN隧穿所需要的电压低于热电子注入所需要的电压，而后者正是目前使用较广的快闪存储器的编程原理。所以，此存储单元的功耗较低，这也正是无源UHF RFID标签对存储器的特别要求。

此结构的缺点是单元面积较大，因此，该存储器只适用于不需要较大容量的RFID标签。

3  结论

随着物联网技术的发展,RFID标签的应用也将更加广泛,如何降低标签的成本，成为亟需解决的问题。常见的EEPROM结构与标准CMOS工艺不兼容是目前制约其成本的主要因素之一。而本文提出的单栅存储器结构，正好符合这种要求，同时具有低成本、低功耗、抗干扰等优点。