引言

隨著自動化產業(yè)朝著高速與實時識別方向的發(fā)展,實現連續(xù)識別和監(jiān)測，都要求進一步提高精度水平，這種實時識別通常被稱為環(huán)境智能。實現這一可行概念的技術之一被稱為射頻識別(RFID)。它是一種非接觸式的自動識別技術，通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，無須人工干預，可工作于各種惡劣環(huán)境。RFID技術可識別高速運動物體，并可同時識別多個標簽，因而操作快捷方便。

無源超高頻射頻識別UHF RFID技術以其遠距離、高速度和低成本已經成為RFID技術的研究熱點。RFID技術與互聯網、通訊等技術相結合，可實現全球范圍內的物品跟蹤與信息共享。而將RFID技術應用于物流、制造、公共信息服務等行業(yè),可大幅提高管理與運作效率，降低成本。

非易失性存儲器是RFID標簽中必不可少的一部分,可用來永久保存數據信息，比如芯片序列號、安全信息、產品編碼、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、磁性隨機存儲器MRAM和相變存儲器OUM,它們都不能與標準的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標簽的制造成本。而目前制約RFID技術推廣的主要瓶頸就是成本較高,各大生產廠商都在努力降低RFID標簽芯片的制造成本，以進一步擴大RFID技術的市場，而上述存儲器都不適用于RFID標簽，這也在一定程序上影響了RFID標簽的推廣應用。

本文提出了一種適用于UHFRFID無源標簽芯片的單柵存儲器，該存儲器的最大優(yōu)點是可與標準CMOS工藝兼容，不需要額外的掩膜來制造薄氧，因而降低了RFID標簽的成本。

1  存儲器單元結構

本文提出的存儲器單元結構如圖1所示。整個存儲器單元采用差分結構，由兩個完全相同的模塊(A和B)組成。每個模塊包含4個晶體管: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大于編程晶體管與擦除晶體管的尺寸。每個模塊中，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)。將兩個模塊的擦除端子、編程端子、譯碼端子相應的接在一起，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構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所示的結構。電容AC2遠大于電容AC1及編程晶體管的柵極寄生電容。

對模塊A進行編程操作時,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，編程端子接地。根據電容分壓原理,此時電壓大部分降在浮柵與編程晶體管源極，當這部分電壓大到使之發(fā)生Fowler-Nordheim(FN)隧穿時,電子開始注入到浮柵上，且隨著這個過程的發(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，當這個電壓降到低于FN隧穿需要的最小值時，隧穿停止，編程結束。

對模塊A進行擦除操作時，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，根據電容分壓原理，此時，電壓大部分降在擦除端子與浮柵兩端，當這部分電壓大到使之發(fā)生FN隧穿時，電子開始由浮柵FN隧穿泄放掉，且隨著這個過程的發(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，當這個電壓降到低于FN隧穿需要的最小值時，隧穿停止，擦除結束。

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，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據：“0"和“1"。

在進行寫“0”操作后,浮柵A0上存有電子，浮柵B0上沒有存儲電子，此時進行讀取操作，則編程晶體管AMP導通，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,讀出數據為“0”。如果寫“0”操作沒有完全結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的編程沒有完全結束,這將導致讀取操作時，流過譯碼晶體管A30的電流I₁沒有達到最大值;二是模塊B的擦除沒有完全結束，這將導致讀取操作時，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,此時仍可讀出數據的具體值由外圍靈敏放大器的靈敏度決定。

當進行寫“1”操作后，浮柵A0上沒有存儲電子,浮柵B0上存有電子，此時進行讀取操作，則編程晶體管AMP截止，編程晶體管BMP導通，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,讀出數據為“1”。如果寫“1”操作沒有完全結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的擦除沒有完全結束,這將導致讀取操作時，流過譯碼晶體管ADE的電流1₃不為0;二是模塊B的編程沒有完全結束，這將導致讀取操作時，流過譯碼晶體管BDE的電流L沒有達到最大值。在這兩種情形中，如果L大于L,L與L之差不小于I。，此時仍可讀出數據“1”。

從讀取操作可以看出，差分結構的存儲單元比較的是兩個模塊輸出的電流之差，而不是絕對值，這樣可以允許從兩個浮柵讀出的數據在一定范圍內波動，因而具有抗干擾性的優(yōu)點。同時，兩個模塊的編程及擦除都是通過FN隧穿起作用的，FN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標簽對存儲器的特別要求。

此結構的缺點是單元面積較大，因此，該存儲器只適用于不需要較大容量的RFID標簽。

3  結論

隨著物聯網技術的發(fā)展,RFID標簽的應用也將更加廣泛,如何降低標簽的成本，成為亟需解決的問題。常見的EEPROM結構與標準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構，正好符合這種要求，同時具有低成本、低功耗、抗干擾等優(yōu)點。