Параметры динамических озу

Информационная емкость ОЗУ в битах — параметр, харак­теризующий степень интеграции элементов на кристалле.

Удельная мощность ОЗУ, т. е. общая мощность, потребляе­мая в режиме хранения, отнесенная к 1 биту.

Минимальный период обращения (Т_{о6р мин}) — минимально допустимый интервал между началом одного цикла считыва­ния и началом второго. Величина, обратная Т_{обр мин}, называет­ся максимальной частотой обращения. При записи оба эти па­раметра могут быть несколько иными.

Удельная стоимость одного бита информации, т. е. общая стоимость кристалла, поделенная на информационную ем­кость. Этот параметр — один из решающих при сравнительных оценках.

25. Элементы микросхем пзу. Бла-бла-бла всё про пзу.

Постоянные ЗУ предназначены для хранения информации, ко­торая остается неизменной в течение всего времени работы устрой­ства. Эта информация не исчезает при снятии напряжения питания. Поэтому в ПЗУ возможен только режим считывания инфор­мации, причем считывание не сопровождается ее разрушением.

В зависимости от типа и способа организации связи между ши­нами адреса и данных все ПЗУ могут быть разбиты на три под­класса:

• масочные;

• прожигаемые (программируемые);

• репрограммируемые.

Однократно программируемые могут быть с масочным программированием и с электрическим программированием.

Масочные. Информация в ПЗУ представляется в виде наличия или отсутствия соединения между шинами адреса (ША) и данных.

На рис. приведена схема простейшего ПЗУ с организацией 4x8. Она включает дешифратор с двумя адресными шинами, восемь балластных резисторов Rб0—Rб7 выходных шин и диоды, число ко­торых равно числу лог. 1 в информационных словах, записанных в ПЗУ.

Работа ПЗУ сводится к следующему. После появления на вы­ходе дешифратора напряжения высокого уровня при наличии связи через диод между ША и ШД, это напряжение прикладывается к соответствующему балластному резистору, что в положительной логике воспринимается как появление на шине сигнала лог. 1. При отсутствии связи ток через соответствующий резистор не проте­кает, что при тех же допущениях классифицируется как сигнал лог. 0.

В режиме хранения на адресных и разрядных шинах высокий потенциал. В режиме считывания на соответствующей адресной шине устанавливается высокий потенциал. Если разрядная шина соединена с этой адресной шиной элементом связи, то на ней также устанавливается высокий потенциал, что соответствует считыванию логической «1».

Если элемента связи нет, то на разрядной шине сохраняется низкий потенциал и считывается логический «0». Наличие элементов связи в этом случае соответствует записи логической «1», отсутствие элемента – записи «0». Элементами связи могут быть диоды, МДП и биполярные транзисторы и другие элементы. Диоды и резисторы являются пассивными элементами, ослабляющими связь между шинами (в случае простого проводника образуются паразитные пути протекания тока в матрице, могущие исказить информацию при считывании). В ПЗУ большой ёмкости элементами связи служат МДП и биполярные транзисторы.

При формировании структуры на заключительных этапах, например, просто не делают выводов металлизации для отдельных транзисторов в запоминающих элементах, программируя таким образом «0» или «1». При использовании МДП транзисторов используют и другой способ:

Запись «0» соответствует транзистору с низким пороговым напряжением, которое получается за счет тонкого окисла под металлическим затвором. Затвор одновременно является и адресной шиной. Записи логической «1» соответствует транзистор с высоким пороговым напряжением, которое получается за счет толстого окисла под металлическим затвором

Информация о содержимом ПЗУ определяется рисунком фотошаблона с помощью которого формируются участки тонкого окисла. Большее быстродействие, но и большую потребляемую мощность имеют ПЗУ на биполярных транзисторах. Запоминающие элементы масочно программируемых ПЗУ имеют простую структуру и поэтому занимают на подложке малую площадь, они могут иметь рекордное значение ёмкости. Применяются в вычислительной технике, микропроцессорных, цифровых устройствах массового выпуска для хранения стандартных программ, в качестве преобразователей кодов и т.д.

ПЗУ с электрическим программированием

В электронных устройствах небольшого объёма выпуска удобно применять ПЗУ программируемые пользователем. Во всех запоминающих элементах в исходном состоянии логический «0» или «1» в зависимости от типа. Программируется путем пережигания плавких перемычек. Наиболее распространены ПЗУ на биполярных транзисторах.

Запоминающими элементами служат МЭТ, в эмиттерных цепях которых включены плавкие перемычки сопротивлением в несколько десятков Ом. Материал перемычек – нихром, молибден, поликремний. Число МЭТ – 2ⁿ, где n–число разрядов входного кода адреса. Число эмиттеров в МЭТ равно числу выходов в ПЗУ – 4 или 8. Выходной каскад выполнен по схеме с открытым коллектором.

В незапрограммированном состоянии все перемычки целы. При подаче кода адреса дешифратор возбуждает одну из адресных шин. Соответствующий МЭТ открывается и токи его эмиттеров насыщают выходные транзисторы – то есть любому адресу соответствуют логические «0» на всех выходах. В режиме программирования на входы подается код адреса с нормальными ТТЛ уровнями, который выбирает соответствующий МЭТ. В запоминающую матрицу на выходные клеммы подаются импульсы напряжения либо нулевого уровня, если для данного выхода по данному адресу должен быть «0», либо выше ТТЛ (12 В), если записывается единица. Одновременно импульсно повышается напряжение питания микросхемы. При этом там, где подан повышенный потенциал, открывается специальная схема программирования, которая шунтирует выходной транзистор и в соответствующем эмиттере выбранного МЭТ появляется импульс тока повышенной величины 20-30 мА. Он пережигает плавкую перемычку. В режиме считывания через эмиттер с пережженной перемычкой ток не протекает, выходные транзисторы не открываются, то есть на коллекторах устанавливается единичные потенциалы, а токи эмиттеров с целыми перемычками будут создавать нулевой потенциал. В режиме считывания токи эмиттеров малы и не пережигают перемычки. Вход выборки кристалла при запрещающем его значении запирает дешифратор независимо от значений адреса, то есть запираются все выходные транзисторы.

Перепрограммируемые ПЗУ

ПЗУ этого типа строятся на основе МОП структур, в которых величину порогового напряжения U_з0­ можно менять на длительное время.

В РПЗУ с записью и стиранием электрическими сигналами используются так называемые МНОП – структуры (Al– Si₃N₄– SiO₂ – Si металл – нитрид – оксид – полупроводник). Металлический затвор изолирован от подложки двойным слоем диэлектрика, причём нижний слой SiO₂ значительно тоньше, чем из Si₃N₄.

Особенностью свойств границы раздела диэлектриков является высокая концентрация ловушек для электронов. В исходном незапрограммированном состоянии ловушки свободны и пороговое напряжение U_з01 определяется только суммарной толщиной диэлектрика и относительно велико – около 15 В.

Если такой транзистор работает в запоминающей матрице, подобной матрице ПЗУ на МОП – транзисторах с масочным программированием, то это состояние будет соответствовать хранению логической «1».

При записи логического «0» на затвор подается импульс положительного напряжения с амплитудой несколько десятков В. Между затвором и подложкой возникает сильное электрическое поле, под действием которого электроны начинают туннелировать, и пройдя тонкий слой SiO­₂ попадают на границу раздела диэлектриков, где захватываются ловушками. На этой границе накапливается отрицательный заряд, который снижает пороговое напряжение МОП структуры до уровня 3 В. При снятии высокого положительного напряжения стекание заряда с границы диэлектриков затруднено их слоями. Этот заряд может сохраняться в течении нескольких тысяч часов. При считывании на затворы МОП транзисторов подается напряжение 3В<U_см< 15В.

При этом запрограммированные структуры открываются, незапрограммирован­ные остаются закрытыми. Принцип считывания как у ПЗУ на МОП транзисторах с масочным программированием. Стирание, то есть восстановление исходного состояния, осуществляется подачей импульса отрицательного напряжения большой амплитуды (20-30 В) на затвор. Электроны туннелируют с границы диэлектриков в подложку, что восстанавливает высокое значение порогового напряжения.

Достоинство такого ПЗУ – возможность проведения циклов записи, считывания и стирания непосредственно в том устройстве, где они работают (внутрисхемное программирование). Часто операции записи и стирания проводят на специальных установках. Гарантируемый срок сохранения информации от 3000 часов до 5 лет при отключенном питании.

Так как микросхемы построены на p-канальных МОП транзисторах, которые имеют относительно высокое отрицательное пороговое напряжение, то одно из напряжений питания – 12В, второе +5В для входных и выходных буферных схем, обеспечивающих совместимость с ТТЛ – уровнями. Таким образом, недостаток микросхем ПЗУ этого типа – 2 источника питания и низкое быстродействие.

Во втором типе РПЗУ используются МОП структуры с плавающим затвором. Затвор, чаще всего поликремниевый, изолирован от подложки и гальванически не связан ни с одним электродом. Такой затвор имеет плавающий или наведенный потенциал. В исходном состоянии канал отсутствует, что условно соответствует хранению единицы.

Запись логического «0» осуществляется импульсом напряжения в несколько десятков В, прикладываемым между стоком и истоком. При таком напряжении между стоком и истоком возникает лавинный пробой, ток которого проходит через тонкий слой диэлектрика и область затвора. После снятия напряжения на затворе остаётся отрицательный заряд, который индуцирует в подложке канал p-типа, то есть транзистор оказывается со встроенным каналом. Этот заряд может сохраняется длительное время – 30% потери заряда за 10 лет при температуре 125°С. Такие структуры называются МОП структурами с лавинной инжекцией зарядов – ЛИЗМОП. Стирание можно осуществить неэлектрическим способом, чаще всего облучением ультрафиолетовым или рентгеновским излучением. При этом электроны, получив энергию излучения (энергия квантов ), способны преодолеть потенциальный барьер между плавающим затвором и каналом, заряд стекает в подложку, потенциал которой должен быть выше потенциала управляющего затвора. Облучение осуществляется через специальное окошко из кварцевого стекла. Время стирания от 1 минуты до нескольких десятков минут. В каждом цикле перепрограммирования происходят необратимые изменения диэлектрика: нарушения кристаллической структуры и т.п. Поэтому число циклов перепрограммирования ограничено – несколько десятков, максимум несколько сотен раз.

Рассмотренная ЛИЗМОП структура находит малое применение, так как она p-канальная и для запоминающего элемента необходима двухтранзисторная ячейка.

Поэтому в РПЗУ применяют так называемые ЛИЗМОП структуры с двойным затвором и каналом n-типа. Толщина слоя SiO₂между затворами и подложкой порядка 0.02-0.04 мкм.

Принцип программирования прежний, но незапрограммированная ячейка имеет низкое пороговое напряжение U_з0. В режиме программирования на разрядную шину Y подается высокий потенциалU_Y – около 10 В, а на адресную шину X–потенциал U_X>U_Y. При этом условии между истоком и стоком существует канал, в котором возможно лавинное размножение электронов. Электроны при лавинном размножении обладают повышенной энергией, достаточной для прохождения через диэлектрик. При наличии положительного потенциала на затворе, большего потенциала канала, возникает поперечное электрическое поле, отклоняющее электроны от прямого пути между истоком и стоком в плавающий затвор. В результате плавающий затвор приобретает отрицательный заряд. В режиме программирования логического «0» на разрядную шину X подаётся низкий потенциал, поперечное электрическое поле отсутствует и накопления заряда в плавающем затворе не происходит.

Запрограммированная ячейка с отрицательно заряженным затвором имеет высокое U_з0 - порядка 8 В ( ), если отрицательный заряд отсутствует – пороговое напряжение порядка 1-2В ( ).

В режиме считывания разрядная шина Y подключается к усилителю считывания, а на шину X подаётся напряжение U_x, лежащее в пределе между и . Если ЗЭ хранит логическую «1», то канал в МДП транзисторе не индуцируется, и шина Y изолирована от подложки. Если хранится «0», то канал индуцируется и шина Yсоединяется с подложкой.

Стирание осуществляется либо облучением УФ – излучением, или электрическим путём, в последнем случае при стирании подается высокое напряжение, которое снимает плавающий заряд на затворе.

Недостатки способа – медленный процесс записи, около 1 мс, связанный с большими энергетическими затратами по преодолению потенциального барьера между кремнием и SiO_2­.

Поэтому используют способ проникновения электронов в плавающий затвор путем туннелирования из подложки через диэлектрик.

Левая часть структуры образует бистабильный МДП транзистор с плавающим затвором, перекрывающим область стока со слоем туннельно-тонкого SiO₂ толщиной порядка 10 нм, в котором происходит туннелирование электронов. Правая часть структуры представляет собой обычный МДП транзистор, предназначенный для подключения стока бистабильного транзистора к разрядной шине.

В режиме программирования на программирующую шину X_прогр подается напряжение порядка 20 В, а на адресную шину – напряжение, превышающее пороговое, в результате разрядная шина через транзистор VT₂ подключается к стоку транзистора VT₁. При программировании логической единицы на разрядной шине устанавливается нулевой потенциал. В этом случае происходит туннелирование электронов в плавающий затвор. При программировании логического нуля на разрядной шине устанавливается высокий потенциал и туннелирования не происходит. При программировании логической «1» плавающий затвор приобретает отрицательный заряд, а при программировании логического «0» заряд затвора равен нулю.

При считывании информации подается отпирающее напряжение на шину X и транзистор VT₁подключается к разрядной шине через транзистор VT₂.

Для стирания информации шину X_прогрсоединяют с подложкой, а на сток транзистора VT₁подают высокое напряжение, при этом происходит туннелирование электронов из плавающего затвора в сток.

Такой ЗЭ позволяет поэлементно быстро электрически стирать информацию, число циклов перепрограммирования достигает 10⁵. Недостаток всех электрически стираемых ПЗУ по сравнению с УФ- стиранием – большие размеры запоминающего элемента (в начале размеры были больше в несколько раз).