64) Постоянные запоминающие устройства
Структурная схема ПЗУ аналогична структурной схеме ОЗУ (рис. 6.1) за исключение того, что в ПЗУ отсутствуют устройства записи и линии, которые его обслуживают. Кроме того, изменяется выполнение накопителя (матрицы памяти).
В масочных ПЗУ накопитель программируется на стадии изготовления, когда информация, записываемая в него, определяется построением одного из слоев схемы при помощи специального фотошаблона.
В однократно программируемых ПЗУ накопитель выполняется на ЭП с плавкими перемычками, их упрощенная схема приведена на рис. 6.4. Процесс записи информации в схему представляет собой избирательное разрушение плавких перемычек током, обеспечиваемым устройством программирования. Наличие перемычки соответствует логическому 0 на выходе усилителя считывания, а отсутствие перемычки – логической единице.
Рис. 6.4. Схема ячейки ПЗУ с плавкими перемычками
Репрограммируемые ПЗУ допускают многократную электрическую запись информации, но число записи и стирания ограничено (до 106 циклов). Они подразделяются на две группы:
– с электрическим программированием и ультрафиолетовым стиранием;
– с электрическим программированием и электрическим стиранием.
Элементы памяти РПЗУ – транзисторы типа МНОП или транзисторы с плавающим затвором.
МНОП-транзистор отличается от обычного двухслойным подзатворным диэлектриком. На поверхности кристалла расположен тонкий слой двуокиси кремния SiO2, далее более толстый слой нитрида кремния Si3N4 и затем уже затвор (рис. 6.5,а). На границе диэлектрических слоев SiO2 и Si3N4 возникают центры захвата заряда. Благодаря туннельному эффекту носители заряда могут проходить через тонкую пленку окисла толщиной около 5 нм и скапливаться на границе раздела слоев. Этот заряд и является носителем информации, хранимой МНОП-транзистором. Заряд записывается созданием под затвором напряженности электрического поля, достаточной для возникновения туннельного перехода носителей заряда через тонкий слой SiO2. На границе раздела диэлектрических слоев можно создавать заряд любого знака в зависимости от направленности электрического поля в подзатворной области. Наличие заряда влияет на пороговое напряжение транзистора.
Рис. 6.5. Структура транзистора типа МНОП (а) и транзистора с плавающим и управляющим затворами (б)
При программировании ЗУ используются относительно высокие напряжения. После снятия высоких напряжений туннельное прохождение носителей заряда через диэлектрик прекращается и заданное транзистору пороговое напряжение остается неизменным. Перед новой записью старая информация стирается записью нулей во все запоминающие элементы.
После 104–106 перезаписей МНОП-транзистор перестает устойчиво хранить заряд. РПЗУ на МНОП-транзиторах энергонезависимы и могут хранить информацию десятками лет.
Транзисторы с плавающим затвором имеют в подзатворном диэлектрике замкнутую проводящую область, которая называется плавающим затвором и в которую может быть введен электрический заряд. Различают два механизма ввода и удаления заряда: МОП-транзисторы с лавинной инжекцией заряда (ЛИЗМОП), и транзисторы типа FLOTOX, в которых происходит туннелирование электронов через тонкие слои диэлектрика.
При подаче на управляющий затвор и сток транзистора типа ЛИЗМОП положительных напряжений относительно большой величины в обратно смещенных p-n-переходах возникает лавинный пробой, область которого насыщается свободными электронами. Часть электронов, имеющих энергию достаточную для преодоления потенциального барьера диэлектрической области, проникает в плавающий затвор. Снятие высокого программирующего напряжения восстанавливает непроводящее состояние диэлектрических областей транзистора и запирает электроны в плавающем затворе, где они могут находиться длительное время (десятки лет). Заряженный электронами плавающий затвор увеличивает пороговое напряжение транзистора настолько, что в диапазоне рабочих напряжений проводящий канал в транзисторе не создается.
Стирание информации в транзисторах с плавающим затвором может производится двумя способами – ультрафиолетовым облучением или электрическими сигналами.
В первом случае (в памяти типа EPROM) корпус интегральной схемы имеет специальное прозрачное окошко для облучения кристалла. Двуокись кремния и поликремний прозрачны для ультрафиолетовых лучей. Эти лучи вызывают в областях транзистора фототоки и тепловые токи, что делает области прибора проводящими и позволяет заряду покинуть плавающий затвор. После стирания информации окошко в корпусе заклеивают, чтобы избежать воздействия света на поверхность кристалла. Операция стирания информации этим способом занимает десятки минут, информация стирается сразу во всем кристалле. В схемах с УФ-стиранием число циклов перепрограммирования ограничено (10–1000 циклов у приборов разного качества), т.к. под действием УФ лучей свойства материалов постепенно изменяются.
Электрическое стирание информации осуществляется в транзисторах типа FLOTOX. Конструктивно эти транзисторы отличаются от предшественников более тонким слоем подзатворного диэлектрика (10 нм или меньше). При приложении к тонкому слою диэлектрика напряжений порядка 10В электроны проходят через диэлектрик в том или ином направлении в зависимости от знака напряжения. Электрическое стирание имеет преимущества – можно стирать информацию не со всего кристалла, а выборочно (в приборах типа EEPROM индивидуально для каждого адреса). Длительность процесса «стирание–запись» значительно меньше, сильно ослабляются ограничения на число циклов перепрограммирования (104–106). Кроме того, перепрограммировать ЗУ можно, не извлекая микросхему из устройства, в котором оно работает. В то же время схемы с электрическим стиранием занимают больше места на кристалле, в связи с чем их уровень интеграции меньше, а стоимость выше. Однако эти недостатки быстро преодолеваются и ЭС-стирание вытесняет УФ-стирание.
На рис. 6.6. приведены примеры условных графических обозначений микросхем ПЗУ.
Рис. 6.6. Условные обозначения микросхем ПЗУ